Теплоэнергетика и ее воздействие на природную среду.

Химическое загрязнение окружающей среды. При сжигании углеродсодержащего топлива (угля, нефти, газа и др.) оно неизбежно. Рассмот­рим особенности поступления вредных веществ при сгорании различ­ных видов топлива.

Уголь. При сгорании каменного угля выделяется в 5—10 раз боль­ше оксидов NО_х, чем при сжигании других видов топлива (табл. 2.3.).

Однако оксида серы выбрасывается меньше, чем при сжига­нии мазута. Лишь у низкокачественных бурых углей боль­ше, чем у мазута. Наибольшую сернистость имеют подмосковные и ук­раинские бурые, донецкий, кизеловский, интинский каменные угли, эстонские горючие сланцы. Сибирские угли, как правило, имеют не­большое содержание серы, измеряемое десятыми и даже сотыми до­лями процента.

Выброс твердых частиц при сжигании бурых углей почти в два раза превышает таковой при использовании каменных углей, которые в свою очередь в три раза превышают этот же показатель для мазута. При сжи­гании природного газа твердых частиц практически не выделяется.

Радиоактивность золы приводит к рассеиванию радиоактивных элементов через дымовые трубы и к разносу радиоактивной пыли с золоотвалов. При этом наибольшая радиоактивность свойственна углям Кузбасса, Донбасса и Экибастуза. При сжигании таких углей на ГЭС в выбросах возрастает содержание радия - 226 и свинца - 210, при­чем последний накапливается в золе. После сжигания угля концент­рация свинца - 210 в золе увеличивается в 5 - 10 раз, а радия-226 - в 3-6 раз. На производство 1 кВтч электроэнергии расходуется 300—400 г угля, крупная ТЭС расходует его в год миллионами тонн.

Нефть (мазут). Теплоэлектростанции, которые используют в каче­стве топлива мазут, располагают поближе к центрам нефтеперераба­тывающей промышленности. Отдельные ТЭС также расположены в районах добычи нефти. В основном мазут на ТЭС используется как вспо­могательное топливо.

При сжигании нефти образуется достаточно большое количество оксидов серы. Особенно высокую сернистость имеют мазуты, выра­батываемые из нефти Волго-Уральского региона; мазуты, получаемые из нефти сибирских месторождений, имеют низкую сернистость. Вы­ход оксидов азота при сжигании мазута больше, чем у газа, но меньше, чем у угля.

При использовании жидкого топлива практически отпадает проб­лема золоотвалов, которые на угольных ТЭС занимают значительные территории и являются источником постоянных загрязнений атмос­феры в районе станции а также близлежащих территорий из-за уноса части золы с ветрами.

Однако в последние годы цены на мазут сильно возросли. Кроме того, как говорил Д. И. Менделеев, сжигать нефть все равно, что топить печи ассигнациями. Сжигание нефти на ТЭС целесообразно только в том случае, если рядом расположен нефтеперегонный завод большой мощности.

Природный газ. Доля его потребления в общем объеме энергоресурсов составляет 48% в среднем по миру. В производстве только энергии доля газа достигла 60%.

Природный газ — наиболее экологически чистое из традиционных видов топлива: при его сжигании вообще не выбрасывается твердых ве­ществ, выбросы оксидов серы ничтожны. Ок­сидов азота при использовании природного газа выбрасывается в 10 раз меньше, чем при сжигании угля ив 1,3 раза — мазута. Именно по этой причине начиная с 80-х годов прошлого столетия на многих ТЭС, нахо­дящихся в экологически неблагополучных местах, наметилась тенден­ция перевода угля на природный газ, в Беларуси все ТЭЦ работают на газе.

Помимо перечисленных, при сжигании главных видов топлива выбрасываются и другие весьма вредные вещества (табл. 2.3.).

Таблица 2.3.

Выход вредных соединений при сжигании топлива в топках котлов

Вредные соединения	Выход вредных соединений
нефть, мазут, Q =10000 ккал/кг	уголь, Q = 7000 ккал/кг	природный или промы­шленный газ Q = 9000 ккал/кг
Диоксид серы			0,39
Триоксид серы	0,7		0,031
Сероводород	<0,7	< 1	0,08
Оксид азота	4,9		6,55
Синильная кислота	<0,7	< 1
Аммиак	0,7		0,28
Соляная кислота	<0,7		0,28
Формальдегид	0,7		0,85
Органические вещества	3,5		1,37

 

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) является крупнейшим загряз­нителем окружающей среды: предприятия ТЭКа выбрасывают в атмосферу почти половину всех вредных веществ, электроэнергетика занимает первое место среди всех отраслей хозяйственных комплек­сов многих стран по объему загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмос­ферный воздух от стационарных источников, и до 70% общего объема парниковых газов. При этом важно подчеркнуть, что объекты тепло­энергетики размещаются, как правило, либо в городах, либо в их окрестностях, что усиливает отрицательное действие их выбросов.

В то же время в абсолютном выражении выбросы энергетики в последнее десятилетие постепенно уменьшаются. Обвальная остановка объектов промышленности в 1991 — 1995 гг. в странах СНГ и соответственно сниже­ние выработки электроэнергии привели в свою очередь к адекватному (в среднем на 600—800 тыс. т в год) падению валовых выбросов вред­ных веществ. Ныне оно сменилось плавным (около 300 тыс. т в год) снижением, что объясняется, с одной стороны, постепенным выходом промышленности из кризиса, а с другой, — изменением топлив­ного баланса, и, прежде всего, переходом на природный газ. Это обус­ловило сокращение удельных и валовых выбросов загрязняющих ве­ществ в атмосферу.

Любопытные расчеты, заставляющие о многом задуматься, сдела­ны профессором А.М. Алпатовым. Их результаты приведены в табл. 2.4. Видно, что по выбросу ряда токсичных металлов (мышьяк, уран, кобальт, кадмий) теплоэнергетика далеко опередила мировое производство.

Таблица 2.4.

Выделение металлов при сгорании углеродного топлива.

Металл	Мировое производство, тыс. т/год	Поступления от сжигания топлива, тыс. т/год
Мышьяк
Уран
Никель
Кобальт
Свинец
Кадмий		2,6
Серебро

 

ТЭС и парниковый эффект. Известно, что КПД ТЭС, которые дают почти три четверти электроэнергии, не превышает в среднем 36%. У потребителя теряется еще не менее 25% конечной энергии. Следовательно, сегодня полезно расходуется лишь около одной пятой энергии, заложенной в природных энергети­ческих ресурсах. Таким образом, при получении одной полезной (ра­ботающей) калории тепла 3—4 калории тепла сбрасывается в окру­жающую среду с водой или воздухом, охлаждающим аппаратуру элек­тростанций. Например, только с дымовыми газами, поступающими в атмосферу, уходит до 10% энергии, заключенной в исходном топливе. Поэтому часть энергии тепловых электростанций добавляется к теп­лу, обусловленному солнечной радиацией, и вносит заметный вклад в тепловое загрязнение планеты. Согласно расчетам российских и американских геофизиков, безопасный предел использования добав­ляющей энергии составляет около 0,1 % от солнечной энергии, прихо­дящей на Землю, т. е. это четкий экологический предел роста добавля­ющей энергетики, развития традиционных видов ее производства.

Ранее указывалось, что одним из важнейших парниковых газов является диоксид углерода. При сжигании 1 т чистого углерода в ат­мосферу поступает почти 3,7 т СО₂. В конце XIX в. содержание СО₂ составило 0,029% от общего объема атмосферы. В последние сто лет за счет сжигания топлива в атмосферу поступило свыше 400 млрд т СО₂. По масштабам продуцируемого СО₂ процесс сведения лесов и сжигания топлива примерно равны. Все это вместе взятое привело к тому, что поступление диоксида углерода в атмосферу стало превы­шать его потребление растениями. В целом концентрация СО₂ в ат­мосфере увеличилась за последнее столетие на 15%. Среднегодовой прирост за последнее десятилетие составляет около 1,3%, или почти 300 млн. т в год. Особенно быстро растет концентрация СО₂ в атмосфере крупных городов.

Истощение планетарного кислорода. Увеличение сжигания топли­ва сопровождается все большим расходованием кислорода. До середины XIX в. его содержание в атмосфере оставалось более или менее постоянным. Поглощение кислорода в естественных окислительных процессах компенсировалось фотосинтезом. Поглощая из воздуха 55 млрд т кислорода. Мировой океан выделяет в атмосферу 61 млрд т. В результате воздушная оболочка Земли получает ежегодно из океана 6 млрд т кислорода. Ныне этот баланс нарушен главным образом процессами сжигания топлива. Особенно много кислорода потребляют развитые промышленные страны. США. где проживает лишь 5% на­селения мира, потребляют свыше 30% общемирового производства энергии. В результате такого энергетического изобилия в США расхо­дуется больше кислорода, чем его производит растительность страны. Таким образом, уровень общего благосостояния этой ведущей индус­триальной державы строится, в конечном итоге, в значительной мере на потреблении кислорода, продуцируемого вне территории США. За весь период человеческой деятельности безвозвратно израсходовано на процессы горения 273 млрд т кислорода, в том числе за последние 50 лет — 246 млрд т. Однако это пока не привело к заметному уменьшению концентрации кислорода в атмосфере. Но если основным источником энергии по-прежнему будет служить ископаемое топливо, проблема кислородного голодания может обостриться ко второй по­ловине XXI в.

Выбросы кислых газов и золы. При соединении оксидов серы с во­дой из воздуха образуются капельки серной и сернистой кислот. Их растворы могут долгое время держаться в воздухе в виде плавающих капелек тумана или выпадать вместе с дождем и снегом.

Выпадение кислых осадков сопровождается подкислением водо­емов и почвы, что приводит к гибели водных организмов, деградации почвенной фауны, ухудшению состояния лесов и их усыханию. В ре­зультате подкисления почвы снижаются урожаи, ухудшается качество сельскохозяйственной продукции. Кислотные дожди и туманы разъе­дают металлы, краски, синтетические соединения, ткани, сокращают сроки и ухудшают условия хранения продуктов питания и т. д

В то же время, по мнению ученых, диоксид серы, поступающий в атмосферу, является своего рода глобальным фактором, в определен­ной степени компенсирующим парниковый эффект. Диоксид серы, превращающийся после химических преобразований в ядра конден­сации, способствует повышению тем самым плотности и отражатель­ной способности верхней границы облачности, что уменьшает поступ­ление солнечного тепла в атмосферу и, соответственно, понижает ее температуру. Отсюда парадокс: предотвращение попадания в атмос­феру кислых газов и соответственно избавление от кислот­ных дождей и их последствий может привести к углублению парнико­вого эффекта. Все это говорит о сложнейшей взаимосвязанности про­цессов, происходящих в природе («Все связано со всем!»).

Остро стоит проблема выбросов золы. Зола - окисленные в резуль­тате горения пылевидные частицы осадочных пород земли (песок, гли­нозем и др.), включенные в уголь, содержит разнообразные металлы и естественные радионуклиды. При сжигании угля зола несет в своем со­ставе больше металлов, чем их добывается из недр Земли, например, магния в 1,5 раза, молибдена - в 3 раза, урана и титана - в 10, алюми­ния, йода и кобальта - в 15, ртути - в 50 раз. ванадия, стронция, берил­лия, циркония - в сотни раз, галлия и германия - в тысячу раз. Даже зола экологически более чистого топлива - мазута - содержит боль­шое количество веществ наиболее опасных классов.

Сжигание органического топлива, приводящее к выбросу огром­ных количеств летучей золы, сопровождается ростом запыленности атмосферы, что влечет за собой снижение уровня солнечной радиа­ции на земной поверхности.

Мощными загрязнителями окружающей среды становятся золошлаковые отвалы и сточные воды ТЭС. Сейчас выход золы и шлака только в России на ТЭС превышает 100 млн т в год; под золоотвалы отчуждено более 300 км² земель, часто наиболее плодородных. Всего объектами теплоэнергетики в отвалах накоплено 1,2 млрд т золошлаков. Много­численные золошлакоотвалы являются источниками загрязнения под­земных вод.

Химическое и тепловое загрязнение водоемов.Электроэнергетика потребляет до 70% от общепромышленного объема водопотребления и 20% всего объема водопотребления в стране.

Со сточными водами в водные объекты сбрасываются загрязняющие вещества, нефтепродукты, хлориды, сульфаты, соли тяжелых металлов, специфические вещества (сероводород, капролактам, формальдегид).

Кроме химического, энергетические установки способствуют тепловому загрязнению водоемов. ТЭС производят энергию при помощи турбин, приводимых в движение нагретым паром. При их работе не­обходимо охлаждать водой отработанный пар. Для охлаждения тур­бин угольных ТЭС тратится до 60% энергии, содержащейся в топливе. Поэтому от станции непрерывно отходит поток воды, подо­гретой обычно на 8— 12°С (от входящей) и сбрасываемой в водоем.

Крупные ТЭС нуждаются в больших объемах холодной воды и сбрасывают в подогретом состоянии 80—90 м³/с воды. Это означает, что в природные водоемы поступает крупный поток теплой воды, способный поднять температуру воды в летнее время от 20 до 30°С (водоем-охладитель Березовской ГРЭС).

Вследствие повышения температуры в водоеме и вызванного этим нарушения их естественного гидротермического режима ускоряются процессы «цветения» воды (из-за развития синезеленых водорослей), уменьшается растворимость газов в воде (что особенно опасно для гидробионтов-рыб), меняются физические свойства воды, ускоряются все химические и биологические процессы, протекающие в ней, и т. д. В зоне подогрева снижается прозрачность воды, увеличивается рН, воз­растает скорость разложения легко окисляющихся веществ. Скорость фотосинтеза в такой воде заметно понижается. Восприимчивость жи­вых организмов к токсичным веществам с повышением температуры воды обычно увеличивается.

Крупные ТЭЦ занимают значительные площади, часто 2—3 км² и более. Кроме того, большие пространства (иногда 10 и более км²) ухо­дят на размещение шлаков и золоотвалов. На таких землях изменяет­ся рельеф, характер почвеннорастительного покрова, нарушается сток и его состав, что крайне отрицательно влияет на качество сельскохо­зяйственной продукции расположенных поблизости хозяйств.

Мероприятия по снижению загрязнения водоемов сточными водами ТЭС. Снижение отрицательного влияния ТЭС на водоемы осуществля­ются следующими основными путями: очисткой сточных вод перед их сбросом в водоемы, организацией надлежащего контроля; умень­шением количества сточных вод вплоть до создания (в перспективе) практически бессточных электростанций; использованием сточных вод в цикле самой ТЭС; усовершенствованием технологии ТЭС; ком­плексным использованием тепловых ресурсов ТЭС.

Методы очистки сточных вод, нашедшие применение на различ­ных энергетических установках, станциях и теплоцентралях, подраз­деляются на механические, физико-химические, химические и био­логические. Их описание дано в главе 8 пособия.

Для снижения сбросов от химических промывок используют, на­пример, замену воды паром или паровоздушной смесью, применяют аппараты для удаления грубодисперсных и коллоидных примесей (электромагнитные фильтры) и растворенных примесей (ионные фильтры), «щиту от коррозии поверхности нагрева специальными мето­дами обработки металла.

Основным способом уменьшения сброса вод из золоотвалов явля­ется перевод систем гидрозолоулавливания на оборотный цикл, когда осветленная на золоотвале вода возвращается на электростанцию для повторного использования. В настоящее время газомазутные ТЭС мощностью более 100 МВт оборудо­ваны системой нейтрализации обмывочных вод регенеративных воз­духоподогревателей и извлечения ванадийсодержащего шлака; уста­новки по очистке нефтесодержащих стоков имеют все станции.