Федоров С.А. Экология энергетики

Подождите немного. Документ загружается.

бителями, зачастую невыгодна. При закрытой системе на электро-

станции устанавливают паропреобразователи, через которые прохо*

дит пар, отработавший в турбинах. Пар нагревает воду, а затем по-

падает в конденсатор, откуда в виде конденсата возвращается в ко-

тел.

Нагретая в паропреобразователе вода превращается во вторич-*

ный пар, который направляется потребителям. При такой схеме

сохраняется основной конденсат для питания паровых котлов.

Жилые здания обычно отапливают не паром, а горячей водой с

температурой от 60 до 90 °С. В специальных бойлерных установках

воду нагревают паром, идущим с электростанции. Пройдя через

отопительную сеть, горячая вода остывает и возвращается в бойлер

для подогрева. Часть воды, используемая в умывальниках, ванных и

душевых, не возвращается, и ее потеря возмещается добавлением в

бойлер очищенной воды.

ТЭЦ значительно экономичнее КЭС и имеют КПД до 75 %.

В местах, где много топлива и нет поблизости крупных городов

и центров производства, целесообразнее строить КЭС. Возле горо-

дов и крупных комбинатов выгоднее строить ТЭЦ для комбиниро-

ванного снабжения теплом и электрической энергией.

Экологическое воздействие ТЭС

ТЭС,

потребляя энергоресурсы в виде твердого, жидкого и га-

зообразного топлива, производят электрическую и тепловую энер-

гию.

При этом вся масса топлива превращается в отходы, посту-

пающие в окружающую среду в виде газообразных и твердых про-

дуктов сгорания. Эти отходы превышают массу используемого то-

плива — при сжигании газа в 5 раз, антрацита — в 4 раза.

Все тепловые энергосистемы мира ежегодно выбрасывают в

атмосферу Земли более 250 млн т окиси углерода ССЬ, более 60

млн т различных углеводородов, 190 млн т двуокиси серы S0

свыше 60 млн т оксидов азота NO* и до 310 млн т мелкодисперс-

ных аэрозолей. Производство электрической и тепловой энергии с

использованием органического топлива является, таким образом,

значительным по масштабу источником материального обмена с

внешней природной средой, нарушающим установившийся баланс

круговых процессов не только в районах расположения ТЭС, но и

в биосфере в целом. При этом нарушается баланс не только вред-

ных веществ (оксидов серы, азота и др.), но и углекислого газа.

Большую тревогу вызывают огромные безвозвратные потери ки-

слорода атмосферы. Этот дисбаланс с увеличением производства

электроэнергии с использованием органического топлива может в

отдаленной перспективе привести к значительным экологическим

последствиям для всей нашей планеты.

Основные типы загрязнений ТЭС

Рабочая масса органического топлива состоит из углерода, во-

дорода, кислорода, азота, серы, влаги и золообразующих примесей.

В результате полного сгорания топлива в воздушной среде в

дымовых газах образуются углекислый газ, водяные пары, азот, ок-

сиды серы (сернистый газ, серный ангидрид) и зола. При высоких

температурах в ядре факела топочных камер котлов большой мощ-

ности происходит частичное окисление азота воздуха и топлива с

образованием оксидов азота (NO и NO2). К токсичным выбросам

можно отнести оксиды серы, азота и золу.

Негорючая (минеральная) часть твердых топлив (балласт) со-

стоит из влаги и золы. Основная часть минеральной составляющей

топлива переходит в процессе его сжигания в летучую золу, уноси-

мую дымовыми газами. Другая часть в зависимости от условий сжи-

гания и физических особенностей минеральной составляющей топ-

лива может превращаться в шлак. Зольность углей, используемых в

отечественной теплоэнергетике, колеблется в широких пределах

(А

= 10—55 %). Соответственно изменяется и запыленность дымо-

вых (неочищенных) газов — в диапазоне от 15 до 70 г/м

В случае неполного сгорания топлива в топках могут образовы-

ваться также монооксид углерода СО, углеводороды СН

С2Н4

и др.

Продукты неполного сгорания являются весьма вредными, однако

при современной технике сжигания их образование можно исклю-

чить или свести к минимуму.

Наибольшую зольность имеют горючие сланцы и бурые угли, а

также некоторые сорта каменных углей. Жидкое топливо имеет не-

большую зольность; природный газ является беззольным топливом.

Современные золоуловители позволяют снизить выбросы золы до

весьма Малых значений.

Ниже перечислены основные продукты, образующиеся при

сжиганий угля:

Диоксид углерода С0

; в небольшом количестве получается

также оксид углерода СО.

Оксиды азота N0

, NO.

Оксиды серы.

Серная и азотная кислоты (H

и HN0

) образуются при

взаимодействии паров воды с оксидами серы и азота соответственно.

Летучая зола.

6. Мышьяк As содержится в угле, хотя и в небольших количе-

ствах. Мышьяк является канцерогеном и при сжигании угля выбра-

сывается вместе с летучей золой.

В небольших количествах в летучей золе содержится селен

Se.

Большая часть селена присутствует в самых маленьких частицах

летучей золы, обычно не улавливающихся пылеуловителями. Высо-

кие дозы селена в траве, поедаемой скотом, могут оказаться опас-

ными.

8. Радиоактивные элементы, находящиеся в летучей золе. Уро-

вень радиации выбросов ТЭС невелик — меньше 1 % естественного

радиоактивного фона.

9. Кроме того, сжигание всех видов органического топлива со-

провождается тепловым загрязнением, т. е. в окружающую среду

сбрасывается избыточное тепло.

Основные антропогенные воздействия ТЭС

на составляющие биосферы

Условно можно рассматривать три варианта воздействия — в

атмосфере, гидросфере и в почве, т. е. литосфере:

Атмосфера. Интенсивные выбросы оксидов азота, углерода,

серы, твердых веществ (зола, сажа). Образование вторичных про-

дуктов — H

, HN0

, 0

Гидросфера. Изменение гидрологического, теплового, гид-

рохимического и гидробиологического режимов водоема-охла-

дителя.

Литосфера. Изъятие земель самой ТЭС, топливной базой,

водоемом-охладителем, складированием отходов (золоотвалы и

т. д.), а также ЛЭП.

Ниже характер воздействия рассматривается более подробно.

Загрязнение атмосферы

Доля теплоэнергетики в выбросах в атмосферу — 27—30 %. По

отдельным видам выбросов это значение колеблется в следующих

пределах: по оксидам серы — 22—55 %, оксидам азота — 3—6 %,

оксиду углерода — 60—90 %, пыли, саже и твердым частицам —

15—50 %.

Таким образом, сегодня антропогенные выбросы ТЭС состав-

ляют значительную долю суммарных выбросов в атмосферу.

Загрязняющие воздух вещества— это в значительной мере

продукты сжигания углеводородов. При их полном сгорании обра-

зуются углекислый газ и вода:

СН4

+ 20

= С0

+ 2Н

однако окисление редко проходит до конца. Состоящие в основном

из

углерода частицы выбрасываются в воздух. Их взвесь наблюдает-

ся как дым. В нем, кроме того, содержатся несгоревшие молекулы

топлива или их фрагменты. Это выбросы углеводородов. Не полно-

стью окисленный углерод — угарный газ СО.

Кроме того, топливо и отходы содержат примеси и добавки, ко-

торые при сгорании также попадают в воздух. Например, в угле —

от 0,2 до 5 % серы. При сгорании она окисляется с образованием

сернистого газа SO2. Основной источник выбросов диоксида серы —

металлургические заводы и угольные электростанции.

Оксиды азота возникают из-за того, что процесс горения проис-

ходит в воздухе, на 21 % состоящем из кислорода и на 78 % — из азо-

та. При высоких температурах горения часть азота окисляется до мо-

нооксида N0, который в воздухе немедленно вступает в реакцию с

кислородом с образованием диоксида N0

и/или тетраоксида азота

Все эти соединения объединены одним названием— оксиды

азота

N0.*.

Диоксид азота поглощает свет, и буроватый оттенок фото-

химического смога обусловлен главным образом присутствием N0

Перечисленные непосредственные продукты сгорания могут

вступать в атмосфере в дальнейшие реакции, приводя к образованию

вторичных продуктов.

Озон и многочисленные активные органические соединения об-

разуются в результате химических взаимодействий между оксидами

азота и летучими углеводородами, стимулируемых солнечным све-

том. Так как он дает энергию для этих реакций, их продукты назы-

вают фотохимическими окислителями. Под действием световой

энергии диоксид азота распадается на монооксид и атом кислорода.

Последний, соединяясь с 0

, образует озон

О3.

Процесс спонтанно

обратим, поэтому большой концентрации не достигается. Но в при-

сутствии углеводородов NO реагирует с ними. В результате образу-

ются очень агрессивные органические соединения — пероксиацил-

нитраты (ПАН), их относят к фотохимическим окислителям. N0 та-

ким образом связывается, и происходит накопление озона.

Серьезное внимание в последнее время привлекла проблема изу-

чения канцерогенных веществ, образующихся при неполном сгорании

топлива. Таких веществ достаточно много, по распространенности и

интенсивности воздействия наибольшее значение имеют полицикли-

ческие ароматические углеводороды (ПАУ), наиболее активным из

которых является бензпирен. Максимальное количество бензпирена

образуется при температуре 700—800 °С в условиях нехватки воздуха

для полного сгорания топлива. При неправильном ведении процесса

или несовершенной конструкции топки количество выбрасываемого

бензпирена может значительно увеличиться: в 50 раз при работе на

мазуте и в 10 раз при работе на газе.

В последнее время появились проекты низкотемпературного

сжигания твердого топлива — для снижения выбросов оксидов азо-

та. Одной из особенностей низкотемпературного окисления является

образование диоксинов (при наличии хлоридов), при этом не суще-

ствует малой (безопасной) дозы диоксинов, они не исчезают из ок-

ружающей среды десятилетиями.

Для снижения последствий выбросов в свое время начали стро-

ить крупные ТЭС с очень высокими трубами. Идея состояла в сле-

дующем: если направлять загрязнители в высокие слои атмосферы,

они развеются ветром и практически исчезнут. Однако вместо этого

диоксид серы оказался главным источником кислотных осадков.

Химический анализ кислотных осадков показывает наличие в

них серной и азотной кислот, образующихся при соединении с во-

дой диоксида серы и оксидов азота:

+ н

о =

+ Н

0 = HN0

Вымывая из атмосферы эти кислоты, осадки становятся кислот-

ными. Согласно данным об общих объемах выбросов, основной

вклад в образование кислотных осадков вносят угольные электро-

станции, работа транспорта и промышленных предприятий.

Так как кислотность осадков на 2/3 обусловлена присутствием

диоксида серы, а 3/4 этого вещества выбрасывается в воздух уголь-

ными электростанциями, то именно их работой объясняется наличие

более 50 % кислотных осадков. Так, установлено, что источник бо-

лее 50 % кислотных осадков в США — высокие трубы примерно 50

мощных ТЭС.

Теплота конденсации отводится от отработавшего пара турбин

в конденсаторах и передается системе технического водоснабжения:

при прямоточной схеме — проточной воде рек и озер, а при оборот

ной— циркуляционной воде, охлаждаемой в прудах-охладителях

или атмосферному воздуху при распылении в градирнях. При этом

наблюдается также тепловое загрязнение атмосферы различными

потерями теплоты в тракте превращения органического топлива в

электроэнергию. Наибольшее значение этих потерь наблюдается в

уходящих продуктах сгорания топлива (до 10 % общих потерь теп

лоты на ТЭС).

Косвенно на тепловое загрязнение атмосферы влияют и выбросы

углекислого газа. Повышение концентрации С0

в атмосфере вызыва

ет парниковый эффект: насыщенный углекислотой воздух, хорошо

пропуская солнечную радиацию, задерживает тепловое излучение

Земли. В результате среднегодовая приземная температура может по-

выситься до такого значения, при котором нарушится устойчивость

существующего климата.

Следует отметить, что одно из негативных воздействий будет не-

прерывно усиливаться по мере возрастания потребления органическо-

го энергетического топлива. Речь идет об изъятии тепловыми элек-

тростанциями кислорода из атмосферы. Масштабы этого воздейст-

вия — 6 • 10

т кислорода на каждые 1 ООО МВт установленной мощ-

ности в год. Однако ощутимого изменения концентрации кислорода в

атмосфере за счет антропогенных процессов в настоящее время прак-

тически не наблюдается. Уменьшение содержания кислорода связано

с увеличением концентрации диоксида углерода, однако содержание

последнего отличается на три порядка по сравнению с кислородом

(0,03 % против 21 %), и потому изменение концентрации С0

пока

практически не отражается на изменении содержания 0

в атмосфере.

Предполагается, что снижение концентрации кислорода даже на не-

сколько процентов не приведет к каким-либо вредным последствиям

для биосферы.

Загрязнение гидросферы

Специфическое для зарегулированных водоемов тепловое за-

грязнение связано с поступлением в водохранилище теплообменных

вод ТЭС и АЭС. Для работы ТЭС на 1 ООО МВт установленной

мощности требуется в среднем 35—40 м

/с воды, для АЭС той же

мощности — до 60 м

/с.

Упражнения

Считая, что человек потребляет в среднем 350 л воды в сутки, оп-

ределите количество потребителей при общем расходе 40 м

/с.

Определите температуру охлаждающего потока воды на выходе

для

электростанции мощностью 1 ООО МВт (теплота сгорания угля —

2,9

•

Дж/кг, теплоемкость воды — 4 200 Дж/кг, поток 40 м

/с, начальная

температура 20 °С).

Крупные тепловые и атомные станции обычно размещают на

берегах больших рек, водохранилищ, озер, или же для их работы

создают специальные довольно большие водохранилища, что требу-

ет немалых капиталовложений. Общий объем воды, потребляемой

тепловыми электростанциями страны за год, составляет около 160

3 3 3

км , в том числе свежей воды — 70 км , оборотной — 90 км , что

превышает годовой суммарный сток таких рек, как Днепр, Дон, Не-

ман, Западная Двина, Урал, Кубань. Системы охлаждения прямото-

ком характерны для КЭС, а для ТЭЦ, как правило, применяются

оборотные системы. Около 95 % сточных вод ТЭС составляет охла-

ждающая вода, практически незагрязненная. Небольшая часть по-

требностей ТЭС в воде (около 8 км

) покрывается морской водой.

Воздействие электростанций на гидрологический и биологиче-

ский режимы водоемов многообразно и обусловлено деформацией

организмов при прохождении ими агрегатов станции вместе с охла-

ждающей водой, поступлением со сбрасываемой водой добавочного

тепла, повышающего температуру водоемов, и внесением загрязне-

ний со сбросными водами.

При сбрасывании подогретых вод повышается температура воды

в водоемах и водотоках, что отражается на фауне и флоре. Повыше-

ние температуры до 20—25 °С сказывается положительно, стимули-

руя рост и размножение организмов, а до 26—30 °С и более — подав-

ляет развитие основных групп гидробионтов. Непрерывный поток

подогретой воды усиливает течение, которым сносится планктон. Из-

меняются условия обитания из-за размыва этим потоком грунтов, на-

рушается кислородный режим, вода загрязняется нефтепродуктами,

солями тяжелых металлов, кислотами и щелочами, а через атмосфер-

ные выбросы — золой, оксидами серы, азота и т. д. Вместе с тем, если

тепловые сбросы поступают в придонные слои, тепловой режим во-

доема и циркуляция водных масс в некоторых случаях могут быть

улучшены. Положительно сказывается и отсутствие либо кратковре-

менность ледового покрова зимой, поскольку это улучшает кислород-

ный режим водоема.

Сказанное свидетельствует о важности выбора системы водо-

снабжения электростанций, необходимости более рационального их

размещения, разработки или совершенствования системы техноло-

гических процессов по утилизации теплых вод в хозяйстве. В этих

целях проводятся научно-исследовательские и практические работы

по использованию теплых вод для орошения сельскохозяйственных

культур, водоснабжению животноводческих ферм, обогреву откры-

того грунта, выращиванию на корм рыбам зеленых водорослей и

разведению рыб в бассейнах и садковых хозяйствах.

Учитывая, что в наиболее развитых промышленных странах на

охлаждение тепловых и атомных электростанций используется около

10%

водных ресурсов, можно представить, насколько большое хо-

зяйственное и экологическое значение имеет строительство ТЭС и

АЭС на берегах водоемов. Снижению отрицательного воздействия

ТЭС на водоемы способствуют: максимальное ограничение прямо-

точных систем водоснабжения на перспективных объектах тепло-

энергетики, применение оборотных систем технического водоснаб-

жения и более совершенных градирен; химическая обработка доба-

вочной воды оборотных систем технического водоснабжения; по-

вторное использование замасленных и мазутных вод после

предварительной очистки; нейтрализация сточных вод подготови-

тельных установок.

Выбросы ТЭС мощностью 1

ООО

МВт

По опубликованным в США данным, одна работающая на угле

электростанция мощностью 1

ООО

МВт сжигает 4—5 млн т угля в год

и выбрасывает при этом: 1 100 т S0

, 50 т N0

, 72 500 т С0

, 94 т

СО,

300 т твердых частиц, 1,35 • 10

Дж дымовых газов. При этом

увеличивается количество теплоты от конденсата (4,05

Дж) и

радиоактивность (2,59

•

Бк).

Если выбросы летучей золы не снижаются (с помощью, напри-

мер,

электростатических пылеуловителей), то ежегодный выброс

золы электростанцией мощностью 1 000 МВт может достигать

200—250 тыс. т. Очистка снижает это количество до 10 %.

Упражнения

Считая, что в одном вагоне перевозится примерно 70 т угля, опре-

делите, сколько вагонов в день потребуется для работы электростанции

мощностью

000 МВт.

Если уголь содержит 2,5 % серы, сколько диоксида серы выраба-

тывает электростанция мощностью

000 МВт?

Топливно-энергетический комплекс России

В последние годы в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК)

России происходили серьезные структурные изменения. В результа-

те острого кризиса, выразившегося прежде всего в падении произ-

водства, снизились выработка и потребление энергии, изменился

баланс энергоресурсов. На фоне происходящего увеличения роли

ТЭК (доля которого в общем объеме продукции возросла с 24 % в

1990 г. до 40 % в 1998 г., доля энергоносителей в экспортной части

баланса достигла 46,5 %, а в доходной части бюджета примерно

40 %), можно говорить о возросшей зависимости экономики России

от состояния этой отрасли.

Если страны, лидирующие в экономике, видят путь к энергети-

ческой независимости в увеличении доли недефицитных видов топ-

лива в энергобалансе и, в первую очередь, в увеличении объемов