УДК 621.8.036:504 (045) DOI 10.52167/1609-1817-2023-124-1-437-443 Г. А. Манапова , Б. Т. Бахтияр
Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина, Астана, Казахстан E-mail: [email protected]
ВЗАИМОСВЯЗЬ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО УЩЕРБА В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЦЕНТРАЛЯХ
Аннотация. В данной статье описаны виды топлива. Доказано, что топливо оказывает не только благотворное, но и вредное воздействие. Доля энергетических предприятий в общем объеме загрязнения окружающей среды продуктами сгорания топлива велика. Наибольший вред экологии наносят предприятия теплоэнергетики, черной и цветной металлургии, нефтегазовой отрасли и машиностроения.
Ключевые слова. ТЭЦ, топливо, углекислый газ, природный газ, горючее.
Введение.
В Казахстане в атмосферу выбрасываются такие вещества как оксид углерода, оксид азота, диоксид азота, пыль, свинец, диоксид серы и т.д., которые наносят существенный вред живым организмам [1]. В связи с тем, что одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха вредными газовыми и пылевыми выбросами являются теплоэлектростанции, работающие на твердом топливе, становится актуальной разработка технологий сжигания топлива с минимальными выбросами NOх, SOх и золовых частиц. Каменные угли Казахстана являются хорошим малосернистым энергетическим топливом, и при рациональной организации топочного процесса вред, наносимый окружающей среде, может быть сведен к минимуму. Именно вода и топливо обеспечивают мир, в том числе и Казахстан, источниками тепла и энергии. В наши дни это очень интересное явление, когда простые объекты могут таким образом обеспечивать энергию и тепло.
Сжигание топлива - не только основной источник энергии, но и важнейший поставщик в среду загрязняющих веществ. Тепловые электростанции в наибольшей степени «ответственны» за усиливающийся парниковый эффект и выпадение кислотных осадков. Они, вместе с транспортом, поставляют в атмосферу основную долю техногенного углерода (в основном в виде СО2), около 50% двуокиси серы, 35% - окислов азота и около 35% пыли. Имеются данные, что тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.
В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их соединений.
При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн. кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн. доз, железа-400 млн. доз, магния -1,5 млн. доз. Летальный эффект этих загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в незначительных количествах. Это, однако, не исключает их отрицательного влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем.
Можно считать, что тепловая энергетика оказывает отрицательное влияние практически на все элементы среды, а также на человека, другие организмы и их сообщества.
Вместе с тем влияние энергетики на среду и ее обитателей в большей мере зависит от вида используемых энергоносителей (топлива). Наиболее чистым топливом является природный газ, далее следует нефть (мазут), каменные угли, бурые угли, сланцы, торф.
Хотя в настоящее время значительная доля электроэнергии производится за счет относительно чистых видов топлива (газ, нефть), однако закономерной является
тенденция уменьшения их доли. По имеющимся прогнозам, эти энергоносители потеряют свое ведущее значение уже в первой четверти XXI столетия.
Не исключена вероятность существенного увеличения в мировом энергобалансе использования угля. По имеющимся расчетам, запасы углей таковы, что они могут обеспечивать мировые потребности в энергии в течение 200-300 лет. Возможная добыча углей, с учетом разведанных и прогнозных запасов, оценивается более чем в 7 триллионов тони. Поэтому закономерно ожидать увеличения доли углей или продуктов их переработки (например, газа) в получении энергии, а, следовательно, и в загрязнении среды. Угли содержат от 0,2 до десятков процентов серы в основном в виде пирита, сульфата, закисного железа и гипса. Имеющиеся способы улавливания серы при сжигании топлива далеко не всегда используются из-за сложности и дороговизны. Поэтому значительное количество ее поступает и, по-видимому, будет поступать в ближайшей перспективе в окружающую среду. Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС - золой и шлаками. Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. тонн мелкодисперсных аэрозолей. Последние способны заметно изменить баланс солнечной радиации у земной поверхности. Они же являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков; а, попадая в органы дыхания человека и других организмов, вызывают различные респираторные заболевания.
Выбросы ТЭС являются существенным источником такого сильного канцерогенного вещества, как бензопирен. С его действием связано увеличение онкологических заболеваний. В выбросах угольных ТЭС содержатся также окислы кремния и алюминия. Эти абразивные материалы способны разрушать легочную ткань и вызывать такое заболевание, как силикоз.
Серьезную проблему вблизи ТЭС представляет складирование золы и ишаков. Для этого требуются значительные территории, которые долгое время не используются, а также являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности.
Имеются данные, что если бы вся сегодняшняя энергетика базировалась на угле, то выбросы СО, составляли бы 20 млрд. тонн в год (сейчас они близки к 6 млрд. т/год). Это тот предел, за которым прогнозируются такие изменения климата, которые обусловят катастрофические последствия для биосферы.
ТЭС - существенный источник подогретых вод, которые используются здесь как охлаждающий агент. Эти воды нередко попадают в реки и другие водоемы, обусловливая их тепловое загрязнение и сопутствующие ему цепные природные реакции (размножение водорослей, потерю кислорода, гибель гидробионтов, превращение типично водных экосистем в болотные и т. п.).
Материалы и методы.
Об опасности для природы мы можем узнать, изучив состав дыма в выхлопных трубах. При нагревании угля выделяются летучие вещества: горючие смеси газов и паров.
Угли, производимые в СНГ, по стандарту делятся на 3 вида: бурые, каменные, антрациты.
Теплотворная способность углей без сырой золы составляет более 24000 кДж/кг, а выход летучих веществ более 9%.
Количество кислорода, необходимое для полного сгорания топлива, количество продуктов сгорания и критическое количество определяются из стехиометрических уравнений горения. Уравнения написано для 1 моля воспламеняемости. Для углерода:
+ =
12кг +32кг =44кг
Для 1 кг углерода:
1кг +2,67кг =3,67кг По мнению европейских экспертов, мировой рынок электроэнергетики находится на пороге перехода с газа на уголь, как наиболее предпочтительный вид топлива для тепловых электростанций [8]. Именно поэтому уже сегодня во всем мире идет активный поиск технологий и оборудования для утилизации отходящих газов при соблюдении современных требований экологии. Относительно энергетической отрасли Казахстана, промышленные выбросы предприятий в атмосферу составляют порядка трех миллионов тонн в год, из которых 85 % приходится на 43 крупные тепловые угольные электростанции и металлургические производства. При этом выбросы тепловых электростанций составляют до 70 % от общего объема эмиссий энергетического комплекса и 43,7 % – от эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу [3]. В выбросах различных источников Единой энергетической системы доминируют твердые частицы – 35 %, диоксид серы – 31 %, оксиды углерода и азота – 19 % и 14 % соответственно [4]. По имеющимся данным, предприятия ТЭЦ Казахстана, работающие преимущественно на углях с высоким содержанием серы (до 0,7 %) и золы (до 50 %), имеют КПД на уровне 33–
35 %. Объекты электроэнергетики, построенные в 50-е и 70-е годы прошлого столетия, практически выработали производственный ресурс. Коэффициент износа основного электрооборудования, по предварительным расчетам на 2019 г., составляет 82 % [5].В настоящее время на большинстве предприятий энергетической отрасли очистка отходящих газов угольных электростанций от газообразного SO2 выполняется старыми способами, основанными на взаимодействии потока отходящего газа с известняком – CaCO3 или гашеной известью – Са(ОН)2, которые могут быть в твердом виде или в виде водной суспензии. Эти методы недостаточно эффективны и обладают рядом недостатков:
высокое остаточное содержание серы в газах (в лучшем случае 90 % SO2 удаляется из отходящих газов при его исходном содержании около 2 %); процессы довольно дорогие (при их применении стоимость электричества может увеличиться на несколько десятков процентов); большой выход неиспользуемых твердых отходов (в основном загрязненного примесями от сгорания угля, гипса – CaSO4), количество которых составляет несколько процентов от веса сжигаемого угля [1, 6, 7].Отсутствие надежной системы очистки дымовых газов и использование старых методов улавливания SO2 и других вредных загрязнителей атмосферы привели к возрастанию их концентраций в выбросах выше предельно допустимых норм. По данным статистики, из всего количества источников выбросов загрязняющих веществ, имеющихся в республике, очистными сооружениями оборудовано всего лишь около 10 % источников. Суть выбранной к разработке технологии заключается в том, что поглощение SO2 отходящих газов осуществляется расплавленной эвтектической смесью карбонатов щелочных металлов (лития, натрия и калия) при низких температурах (450–650 °С) по реакции
Me2CO3 + SO2 = Me2SO3 + CO2. (2) Полученный сульфит в результате окисления кислородом переходит в сульфат (Me2SO4):
Me2SO3 + 0,5O2 = Me2SO4, где
Me = Li, Na, K. (3) Используемая в процессе исходная эвтектическая карбонатная смесь содержит, %:
Li2CO3 – 43,5, Na2CO3 – 31,5, K2CO3 – 25,0. Температура плавления эвтектической смеси 395 °C. При температуре ведения процесса (выше 450 °C) смесь имеет низкую вязкость. В
условиях ведения процесса (при температуре выше 450 °С) протекание реакции (2) проходит на границе капель карбонатного расплава и потока газа, подаваемого снизу. При резком росте столкновений молекул SO2 c поверхностью карбонатного расплава следует ожидать достаточно высокой скорости протекания реакции (2) – поглощения серы карбонатным расплавом с образованием сульфатов щелочных металлов. Данным явлением объясняется и относительно малое количество карбонатного расплава, необходимое для удаления SO2 из газов. Как показали результаты предварительных расчетов, при работе тепловых станций мощностью 335 МВт для удаления SO2 из отходящих газов необходимо относительно небольшое количество расплава ~ 10 м3. При этом остаточное содержание SO2 в газах после очистки будет составлять ~ 0,003 %. Это в 15 раз ниже, чем при использовании наиболее эффективных процессов на основе известняка. После поглощения газов SO2 расплав содержит в основном сульфаты щелочных металлов, растворенные в эвтектической смеси карбонатов. Расплав карбонатов, содержащий сульфаты и небольшое количество сульфитов, регенерируется с получением товарных продуктов – серы или серной кислоты. Эффективным способом повышения полноты сгорания топлива, а, следовательно, экономичности и одновременно экологичности работы двигателя является совершенствование процесса топливоподачи. В настоящее время применяется впрыск топлива форсунками в цилиндры под высоким давлением или так называемые инжекторные системы подачи топлива. Основная задача этих систем – как можно лучше распылить жидкое топливо для хорошего смесеобразования с воздухом и последующего более качественного сжигания смеси. По сравнению с традиционным карбюратором, впрыск топлива изначально обладает большими возможностями, особенно в плане большей экологичности и управляемости процессом. В инжекторных системах подача топлива и воздуха осуществляется раз- дельно. Распыление бензина производится общей форсункой или в каждый цилиндр отдельно [4]. В результате применения инжекторных систем КПД двигателя в среднем можно увеличить на 15 %, уменьшив соответственно расход топлива и токсичные выбросы [5]. Согласованность работы систем зажигания, топливоподачи, воздухоснабжения, газораспределения обеспечивается применением электронной системы управления (ЭСУ), получающей информацию о других текущих параметрах работы двигателя через многочисленные датчики.
Результаты и обсуждение.
Процесс производства тепловой энергии осуществляется на тепловых электрических станциях(ТЭС) и тепловых электрических централях(ТЭЦ). Эти два вида предприятий на данный момент являются основными поставщиками тепловой, а также электрической энергии, поскольку эти виды энергоресурсов очень тесно связаны. В настоящее время широкое применение находит способ поместная система снабжения тепловой энергией, которая применяется как на крупных промышленных предприятиях, так и для отопления жилых площадей.
В соответствии с установившейся терминологией, теплоэнергетика включает в себя получение, переработку, преобразование, переработку, хранение и использование энергоресурсов и энергоносителей всех типов.
Развитие теплоэнергетики характеризуется ускорением темпов роста, изменением всех количественных показателей и структуры топливно-энергетического баланса, глобальным охватом всех видов ресурсов органического топлива, вовлечением в сферу использованием ядерного горючего.
В общем случае различаются четыре основные стадии трансформации первичных тепловых ресурсов (от их природного состояния, находящегося в динамическом равновесии с окружающей средой, до конечного использования).
1. Извлечение, добыча или прямое использование первичных природных ресурсов тепловой энергии.
2. Переработка (облагораживание) первичных ресурсов до состояния, пригодного для преобразования или использования.
3. Преобразование связанной энергии переработанных ресурсов в тепловую энергию на тепловых станциях (ТЭС), централях (ТЭЦ), на котельных.
Тепловые электрические станции, потребляя свыше 1/3 добываемого в мире топлива, оказывают существенное влияние как на окружающую среду в районе их расположения, так и на общее состояние биосферы.
Воздействие ТЭС на окружающую среду происходит в трех главных направлениях:
выброс дымовых газов через дымовые трубы в атмосферу.
тепловыделение в окружающую среду в результате сжигания большого количества топлива. Так называемое «тепловое загрязнение».
Токсичными (вредными) называются химические соединения, отрицательно влияющие на здоровье человека и животных. При сжигании топлив наряду с окислами основных горючих элементов углерода и водорода в атмосферу поступает летучая зола с частицами недогоревшего топлива, сернистый и серный ангидриды, окислы азота, соединения ванадия, некоторое количество фтористых соединений, аммиак, цианистые соединения, бенз(а)пирен, ртуть, кислоты, а также газообразные продукты неполного сгорания топлива. Большинство этих элементов относится к числу токсичных и даже в сравнительно невысоких концентрациях оказывает вредное воздействие на природу и человека.
Заключение.
Важнейшими факторами функционирования окружающей среды является живое вещество биосферы, которое играет существенную роль в естественном круговороте почти всех веществ. Однако в большинстве процессов мы не можем проследить прямых воздействий теплоэнергетики на живое вещество, но должны учитывать это влияние в результате воздействия на отдельные компоненты окружающей среды и животный мир, где воздействие теплоэнергетики складывается со всеми другими антропогенными воздействиями.
Биосфера включает в себя примыкающие к поверхности земли слой атмосферы, верхний слой почвы и верхние слои водных поверхностей.
В атмосферу попадают выбросы не только ТЭС, но и других промышленных предприятий, а также моторизованного транспорта и прочих источников загрязнения, вызванных деятельностью человека. Все эти выбросы можно назвать антропогенными в отличие от естественных, природных выбросов тех или иных веществ.
Масштабы поступления в атмосферу компонентов естественного и антропогенного происхождения в ряду случаев близки. Однако промышленность создает загрязненную атмосферу воздуха в районах с высокой концентрацией населения. Промышленное загрязнение на единицу площади земли, превосходит таковое для природных примесей.
Взаимодействие теплоэнергетики и окружающей среды происходит во всех стадиях иерархии топливно-энергетического комплекса: добыче, переработке, транспортировке, преобразование и использование тепловой энергии. Это взаимодействие обусловлено как способами добычи, переработки и транспортировки ресурсов, связанных с воздействием на структуру и ландшафты литосферы, потребление и загрязнение вод морей, озёр, рек, изменением баланса грунтовых вод, выделением теплоты, так и использованием тепловой энергии от источников.
Финансирование.
Статья выполнена при финансовой поддержке КН Министерства образования и науки Республики Казахстан, в рамках проекта IRN AP13068541 "Разработка экспериментального энергетического комплекса на базе модернизированной котельной установки с использованием биотоплива" по контракту № 126-KMUZ от 20 мая 2022 года.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Нұрекен Е. Жылу электр стансаларының қазандық қондырғылары//2007.-61- 63 б.
[2] Б. М. Хрусталев. Теплоснабжение и вентиляция// Изд-во АСВ. 2005 - 68 б [3] https://kk.wikipedia.org/wiki
[4] В.А.Кирилин, В.В.Сычев, А.Е.Шейндлин. Техническая термодинамика. -1977 - 225б
[5] Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия: Учебник / Н.С. Ахметов. - СПб.:
Лань, 2014. - 752 c.
[6] Гаршин, А. Общая и неорганическая химия в схемах, рисунках, таблицах, химических реакциях: Учебное пособие / А. Гаршин. - СПб.: Питер, 2013. - 288 c.
[7] Глинка, Н.Л. Общая химия в 2 ч. Часть 2: Учебник для академического бакалавриата / Н.Л. Глинка. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 380 c.
[8] Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. – М.: Энергоиздат, 1986. -209 с.
REFERENCES*
[1] Nureken E. Zhylu jelektr stansalarynyт kazandyk kondyrgylary//2007.-61-63 b.
[2] B. M. Hrustalev. Teplosnabzhenie i ventiljacija// Izd-vo ASV. 2005 - 68 b [3] https://kk.wikipedia.org/wiki
[4] V.A.Kirilin, V.V.Sychev, A.E.Shejndlin. Tehnicheskaja termodinamika. -1977 - 225b [5] Ahmetov, N.S. Obshhaja i neorganicheskaja himija: Uchebnik / N.S. Ahmetov. - SPb.: Lan', 2014. - 752 c.
[6] Garshin, A. Obshhaja i neorganicheskaja himija v shemah, risunkah, tablicah, himicheskih reakcijah: Uchebnoe posobie / A. Garshin. - SPb.: Piter, 2013. - 288 c.
[7] Glinka, N.L. Obshhaja himija v 2 ch. Chast' 2: Uchebnik dlja akademicheskogo bakalavriata / N.L. Glinka. - Ljubercy: Jurajt, 2016. - 380 c.
[8] Babij V.I., Kuvaev Ju.F. Gorenie ugol'noj pyli i raschet pyleugol'nogo fakela. – M.:
Jenergoizdat, 1986. -209 s.
Гүлзағира Манапова, докторант, С. Сейфуллин атындағы Қазақ агротехникалық университеті, Астана, Қазақстан, [email protected]
Балжан Бахтияр, т.ғ.к., қауымдастырылған профессор, С. Сейфуллин атындағы Қазақ агротехникалық университеті, Астана, Қазақстан, [email protected]
ЖЫЛУ ЭЛЕКТР СТАНЦИЯЛАРЫНДАҒЫ ЖӘНЕ ҚОРШАҒАН ОРТАДАҒЫ ЗИЯНДЫ ЗАТТАРДЫҢ БАЙЛАНЫСЫ
Андатпа. Бұл мақалада отын түрлері сипатталған. Жанармайдың пайдалы ғана емес, зиянды әсері де бар екені дәлелденді. Отынның жану өнімдерімен қоршаған ортаны ластаудың жалпы көлемінде энергетикалық кәсіпорындардың үлесі үлкен. Қоршаған
ортаға ең үлкен зиян жылу электр станциялары, қара және түсті металлургия, мұнай-газ өнеркәсібі және машина жасау салалары болып табылады.
Түйінді сөздер. ЖЭО, отын, көмірқышқыл газы, табиғи газ, отын.
Gulzagira Manapova, doctoral student, S.Seifullin Kazakh Agro Technical Research University, Astana, Kazakhstan, [email protected]
Balzhan Bakhtiyar, candidate of technical sciences, associate professor, S.Seifullin Kazakh Agro Technical Research University, Astana, Kazakhstan, [email protected]
THE RELATIONSHIP OF HARMFUL SUBSTANCES AND ENVIRONMENTAL DAMAGE IN HEAT AND POWER CENTERS
Abstract.This article describes the types of fuel. It has been proven that fuel has not only beneficial, but also harmful effects. The share of energy enterprises in the total volume of environmental pollution by fuel combustion products is large. The greatest harm to the environment is caused by enterprises of thermal power engineering, ferrous and non-ferrous metallurgy, oil and gas industry and mechanical engineering.
Keywords. CHP, fuel, carbon dioxide, natural gas, fuel.
*****************************************************************************
