Ископаемые природные ресурсы и вырабатываемая из них энергия составляют основу современной цивилизации. Но с другой стороны, энергетика оказывает мощное отрицательное воздействие на окружающую среду, ухудшая условия жизни людей. Технология производства электроэнергии на ТЭС с использованием органических топлив связана с превращением практически всех затраченных материальных ресурсов и большей части энергии топлива в отходы, выбрасываемые в окружающую среду.
На тепловых электростанциях России работают в основном котельные установки, проектирование и сооружение которых происходило десятилетия назад. В то время основной задачей создателей и эксплуатационного персонала считалось обеспечение эффективного сжигания топлива: высокий КПД, низкие потери, долгосрочная безаварийная работа. В настоящее время выдвигаются новые требования к оборудованию. В частности, к одному из основных элементов тепловой электростанции — котельной установке — предъявляются новые, более жёсткие требования, связанные с обеспечением допустимых выбросов в атмосферу некоторых продуктов сгорания твёрдого, жидкого и газообразного топлива.
Сжигание топлива на ТЭС связано с образованием продуктов сгорания, содержащих летучую золу, диоксид серы (сернистый ангидрид), оксиды азота и газообразные продукты неполного сгорания. При сжигании мазута в атмосферу выбрасываются кроме того соединения ванадия, соли натрия и частицы сажи. В золе некоторых топлив имеется мышьяк, свободный диоксид кремния, свободный оксид кальция и др. Перевод с твердого топлива на газовое ведет к значительному удорожанию вырабатываемой энергии. При сжигании газа в дымовых выбросах также содержится диоксид серы, а содержание оксидов азота не меньше, чем при сжигании угля.
Из азота воздуха и азотсодержащих компонентов топлива в топке образуется некоторое количество оксида азота NO. До выхода из котла часть оксида азота переходит в диоксид NO2. Эмиссия оксидов азота NOx определяется не только характером сжигаемого топлива (как в случае SO2 или золовых частиц), но также конструкцией топочно-горелочных устройств и даже режимом работы котла. Образование оксидов азота NOx (NO + NO2) происходит при сжигании всех видов органического топлива.
Оксиды азота негативно воздействуют на здоровье людей. Длительное воздействие даже небольших концентраций NOx резко увеличивает количество острых и хронических респираторных заболеваний. Повышенные концентрации оксидов азота отрицательно влияют также на растительный и животный мир. Повышенные концентрации оксидов азота в городах могут привести к образованию фотохимического смога. Соединяясь с атмосферной влагой, оксиды азота (вместе с оксидами серы) образуют «кислотные дожди», которые наносят вред сельскому хозяйству, усиливают коррозию и разрушение строительных материалов, исторических памятников архитектуры и других культурных ценностей. В России, как и в других высокоразвитых странах, приняты законодательные ограничения по выбросам оксидов азота в атмосферу. Максимально разовая (усредненная за 20 мин) предельно-допустимая концентрация NO2 равна 0,2 мг/м3, среднесуточная — 0,04 мг/м3 (3-й класс опасности для атмосферного воздуха населенных мест). Если проблема ограничения выбросов летучей золы и диоксида серы может решаеться на тепловых электростанциях путем очистки дымовых газов, то выбросы оксидов азота могут быть уменьшены только за счет специальной организации топочного процесса. Это обстоятельство существенно влияет на развитие новых технологий факельного сжигания на тепловых электростанциях и в котельных, являющихся основными производителями тепловой и электрической энергии в России [1].
Оксиды азота, поступающие в атмосферу из котлов ТЭС, приносят большой вред окружающей среде независимо от механизма их образования. Однако для сокращения этих выбросов важно знать, как именно образовались оксиды азота, поскольку количество термических, быстрых и топливных NOx по-разному зависит от основных параметров топочного процесса. Топливные оксиды азота отсутствуют при сжигании природного газа (так как он не содержит связанного азота), но зато при сжигании мазута, и всех видов твёрдого топлива (от торфа до каменных углей) доля топливных NO весьма велика, а в некоторых случаях приближается к 100 % общего выброса NOx. Зависимость количества образующихся топливных NOx от температуры и избытка воздуха была исследована в лабораторных условиях В. И. Бабием [2]. Графики, приведённые на рисунке 1, показывают, что температурный уровень влияет на концентрацию топливных NOx только при низких температурах. В опытах, проведённых при температурах 1570 и 1740 К (1300 и 1470°С) концентрация NOx оказалась примерно одинаковой (900 мг/м³). Значительно большую роль играет действующая концентрация кислорода именно в том месте, где происходит образование топливных NOx.
Рис. 1. Влияние температуры на эмиссию топливных оксидов азота при сжигании угольной пыли [2]
Из графика на рисунке 2 видно, что в опытах, проведённых при разных избытках воздуха, концентрация оксидов азота менялась весьма существенно. Соответственно, можно сделать вывод, что выброс топливных оксидов азота пропорционален квадрату среднеинтегральной концентрации кислорода на начальном участке факела (где происходит горение летучих топлив) (рисунок 3).
Рис. 2. Влияние концентрации кислорода в пылегазовом потоке на эмиссию NOx [2]
Рис. 3. Зависимость эмиссии NOx от среднеинтегральной концентрации кислорода на начальном участке факела [2]
Более того, тепловые электростанции в наибольшей степени влияют на усиливающийся парниковый эффект и выпадение «кислотных дождей». 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 [5].
В выбросах ТЭС содержится значительное количество тяжелых 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. Это, однако, не исключает их отрицательного влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем. Таким образом, теплоэнергетика оказывает отрицательное влияние практически на все элементы среды [5].
Вместе с тем влияние теплоэнергетики 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. Наблюдается постоянное увеличение использования угля. А с увеличением доли сжигаемого угля будет и увеличиваться антропогенная нагрузка на атмосферу. Известно, что 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 (зола и шлаки). Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. тонн мелкодисперсных аэрозолей. Они являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков; а, попадая в органы дыхания человека и других организмов, могут вызвать различные респираторные заболевания.
Выбросы ТЭС являются существенным источником таких сильных канцерогенных веществ, как полиароматические углеводороды (антрацен, пирен, бенз(а)пирен и др.). В выбросах угольных ТЭС содержатся также оксиды кремния и алюминия. Эти абразивные материалы способны разрушать легочную ткань и вызывать такое заболевание, как силикоз.
Серьезную проблему вблизи ТЭС представляет складирование золы и шлаков. Для этого требуются значительные территории, которые долгое время не используются, а также являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности.
Развитие энергетики, базирующейся на тепловых электрических станциях, неизбежно сопровождается увеличением использования природных ресурсов — органического топлива, природной воды, воздуха, почвы, а стало быть, и увеличением количества отходов производства в окружающую среду. Создать полностью безотходную технологию производства электрической и тепловой энергии согласно экологическим законам невозможно. Взять у Природы эти ресурсы и вернуть их в виде «безопасных» для жизни человека и всего живого на Земле отходов производства — важнейшая задача энергетиков [4].
Литература:
1. Вредные веществав промышленности. Т.2. Под ред. Лазорева Н. В. — Л.: Химия, 1971–624с.
2. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Под ред. Калверта С., Инглунда Г. М. — М.:Металлургия, 1988–712с.
3. Очистка газов в химической промышленности. Процессы и аппараты. Под ред. Балабекова О. С., Балтабаева Л. Ш. — М.: Химия, 1991–256с.
4. В. И. Беспалов, С. У. Беспалова, М. А. Вагнер. Природоохранные технологии на ТЭС: учебное пособие. — Томск: Издательство ТПУ, 2007. — 240 с.
5. Котлер В. Р. Экологические проблемы угольных ТЭЦ — отчет всероссийского теплотехнического института [Электронный ресурс] [URL: http://vti.ru/files/public/ekologicheskie_problemy_ugol_nyh_tec.pdf] (дата обращения 08.02.2015)
