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 NОх, 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.