Проблемы экологии в энергетике Украины

1

Содержание

Экология - это древнее слово, что означает «семья, домашнее хозяйство». Экология изучает взаимоотношения организмов друг с другом и с изменяющимися условиями окружающей среды.

Предисловие. Защита атмосферного воздуха от загрязнения является одной из наиболее острых проблем современности. К настоящему времени достигнуты значительные успехи в борьбе за снижение содержания отдельных веществ в воздухе. Но углубление урбанизации приводит к увеличению газообразных выбросов (оксидов углерода, азота и серы), поступающих главным образом с продуктами сгорания топлива, в воздушном бассейне городов. Методы, исключающие или снижающие поступление в атмосферный воздух таких токсичных веществ, образующихся в процессе горения, как оксиды азота, оксид углерода, альдегиды, не освещены в достаточной мере.

Несмотря на то, что на долю природных источников загрязнения воздуха приходится свыше 50% соединений серы, 93% оксидов азота, значительная доля оксида углерода и ряд других загрязнителей, всё же наибольшую опасность создают искусственные источники загрязнения воздуха, связанные с деятельностью человека.

В отличие от природных искусственные источники загрязнения отличаются крайней неравномерностью распределения. Более значительная неравномерность распределения концентрации загрязнителей отмечается между сельскими и городскими местностями. Большим городам обычно соответствует более высокое содержание загрязнителей в воздухе.

Автомобили, речные, морские суда и самолёты являются наиболее мощными источниками поступления в атмосферный воздух вредных веществ.

Введение

Состояние генерирующего оборудования ТЭС Украины в настоящее время характеризуется высокой степенью физического и морального износа. Большая часть ТЭС была спроектирована и введена в эксплуатацию в 1960-70-е годы. Оборудование всех электростанций не соответствует современным экологическим требованиям.

К тому же, за последние 20 лет резко ухудшилось качество угля, поставляемого на электростанции. Так, средняя зольность угля составляет 35-40%, а в ряде случаев возрастает до 60%, сернистость достигает 3%. Котельные агрегаты не приспособлены для сжигания угля такого качества и способны работать только с подсветкой газом или мазутом. В связи с тем, что Украина не имеет собственных промышленных ресурсов газа и нефти, энергетика в дальнейшем вынуждена ориентироваться только на использование низкокачественного отечественного угля.

При работе на низкокачественном топливе газоочистное оборудование работает в непроектном режиме, в связи с чем имеет место недостаточная степень очистки дымовых газов. Большинство электростанций оборудованы морально устаревшими установками золоулавливания. Эффективность работы установок мокрого золоудаления (скрубберов) составляет 89-93%. Средняя эксплуатационная степень очистки дымовых газов электрофильтрами составляет 95-98%.

Установки серо- и азотоочистки на электростанциях отсутствуют, и до настоящего времени их промышленное изготовление в Украине не начато.

Проблемы экологии в энергетике Украины

и пути их решения

Украина - одна из крупных стран Европы: 52 млн. человек проживают на территории 603,7 кв. км. Народное хозяйство Украины представляет собой сложную экономическую структуру, отягощенную чрезмерным объёмом отраслей тяжёлой промышленности. Это, в свою очередь, обуславливало существование высокоразвитого комплекса по производству, распределению и сбыту электрической и тепловой энергии.

В настоящее время установленная мощность электростанций составляет 55,1 млн. кВт.

С начала 90-х годов в результате разрушения единого народно-хозяйственного комплекса бывшего Союза, начался беспрецедентный спад производства и сопутствующие кризисные явления во всех сферах экономической жизни страны.

В существующих условиях отрасли топливно-энергетического комплекса, имея негативное влияние на стабилизацию экономики Украины, сами оказались в исключительно тяжёлом состоянии.

Состояние генерирующего оборудования ТЭС в настоящее время характеризуется высокой степенью физического и морального износа. Большая часть ТЭС была спроектирована и введена в эксплуатацию в 60-70-е годы. Оборудование всех электростанций не соответствует современным экологическим требованиям.

Предприятия энергетики относятся к основным загрязнителям воздушного бассейна. На их долю приходится свыше 30% выбросов вредных веществ от общего объёма выбросов стационарными источниками, в том числе 59% окислов серы, 27% золы, 12% окислов азота.

По данным Европейской Экономической Комиссии ООН общие выбросы серы Украиной составляют 7% всех европейских выбросов этого загрязнителя.

13 основных украинских электростанций (Криворожская, Змиёвская, Старобешевская, Запорожская, Кураховская, Углегорская, Бурштынская, Трипольская, Луганская, Приднепровская, Ладыжинская, Зуевская и Славянская) включены ею в список 100 наиболее крупных источников загрязнения атмосферы Европы диоксидом серы. В списке 100 крупнейших источников Криворожская и Бурштынская ТЭС занимают 14 и 15 места по мощности выбросов диоксида серы.

Общее снижение техногенного воздействия на атмосферный воздух до недавнего достигалось за счёт увеличения доли газа в топливном балансе ТЭС, а в последнее время - преимущественно как следствие деструктивных явлений в экономике. Доля газа в общем расходе органического топлива достигла 49,7%.

Перспективные воздухоохранные технологии в энергетике

Качество окружающего нас воздуха влияет на здоровье людей, развитие животных и растений, на состояние зданий и сооружений. Основными загрязнителями атмосферы при работе тепловых электростанций являются образующиеся при сжигании топлив оксида азота, серы и летучая зола. Эти вещества рассеиваются в атмосфере и претерпевают в ней химические превращения. Их негативное действие носит локальный, иногда региональный характер. Выбросы золы, NO_x, SO₂, а также в разной степени токсичных продуктов неполного сгорания регламентируются действующими в стране стандартами.

Атмосферу могут загрязнять также летучие вещества, выделяющиеся при хранении угля на открытых складах, выпары мазутных баков, унос из градирен (если вода обрабатывается токсичными присадками), тяжёлые металлы и микроэлементы.

Сжигание органических топлив, содержащих углерод, связано с образованием CO₂. Его накопление в атмосфере вызывает опасения насчёт глобального изменения климата (потепления).

Наиболее важными факторами при развитии воздухоохранных технологий в энергетике являются:

виды и свойства энергетических топлив;

экологические стандарты;

состояние экономики страны.

Природный газ, не содержащий золы, соединений серы и азота, является экологически наиболее чистым топливом.

Наибольшие выбросы, прежде всего летучей золы, характерны для угольных ТЭС. Они особенно велики в России, т. к. на электростанциях у нас используются главным образом высокозольные необогащённые угли. В углях содержится связанный азот и сера.

Нормирование выбросов от действующих на ТЭС котлов должно быть более гибким. Не стоит, например, устанавливать новые нормативы для тех из них, которые будут выводиться из эксплуатации. Для остальных нормативы удельных выбросов целесообразно устанавливать по лучшим экологическим показателям, достигнутым в эксплуатации с учётом мощности котельных установок, сжигаемого топлива, возможностей размещения нового и показателей имеющегося пылегазоочистного оборудования, дорабатывающего свой ресурс.

Сокращение выбросов твёрдых частиц в атмосферу

Для обеспечения требуемых нормативами выбросов твёрдых частиц в атмосферу необходима установка на ТЭС золоуловителей с эффективностью от 98,6 до 99,8%.

Необходимые для глубокой очистки дымовых газов от золы технологии и оборудование освоены и широко применяются. Наиболее эффективными являются электрические и тканевые фильтры, обеспечивающие конечную запылённость очищенных газов на уровне 10-25 мг/м³. Для этого скорости газов в активной зоне многопольных горизонтальных электрофильтров поддерживают (0,8 - 1,0) м /с, а время пребывания в ней 30 с.

Котлы многих действующих ТЭС оснащены мокрыми золоулавливателями. Они просты, системы с ними в 2-3 раза дешевле, чем с электрофильтрами и нормально работают на продуктах сгорания углей, золы которых содержат не более 15% СаО. При больших концентрациях Са в мокрых аппаратах могут образовывать отложения. Разновидностью мокрых золоулавлевателей являются внедряющиеся в последние годы на ТЭС батарейные эмульгаторы. Стоимость их, однако, существенно выше не только скруберов, но и электрофильтров. В мокрых аппаратах обоих типов возможно достижение высоких степеней золоулавливания - до 99-99,8%. Однако это требует увеличения интенсивности орошения до 0,25-1,3 л /м³, которое приводит к увеличению аэродинамических потерь (до 1,2 кПа) и снижению температуры дымовых газов до точки росы дымовых паров.

Радикальным путём уменьшения выбросов золы в атмосферу является оснащение отечественных ТЭС электрическими и рукавными фильтрами, соответствующими современному мировому уровню. Уже имеются примеры установки высокоэффективных электрофильтров западных фирм действующих ТЭС. Электрофильтры должны применяться не только для вновь разрабатываемых ТЭС, но и для технически перевооружаемых.

Во многих случаях существенного снижения выбросов золы удаётся достичь с помощью паллиативных мер. Для этого разрабатывают различные способы подготовки дымовых газов перед электрофильтрами. Наиболее простым является снижение их температуры путём отвода тепла в пароводяной контур в теплообменных аппаратах или прямого впрыска воды. Дополнительный эффект возникает если это стоки химводоподготовки.

Уже несколько лет эксплуатируется рукавный фильтр производительностью 9,1x10⁶ м³/ч. На нём получены вполне удовлетворительные показатели: эффективность улавливания 99,5-99,7%, потери давления меньше 1,5 кПа. Фильтр нормально регенерировался, работал при температурах газов до 180 С.

Эффективные методы снижения выбросов оксидов азота в атмосферу газомазутными котлами ТЭС

Оксиды азота снижают урожайность сельскохозяйственных культур, инициируют ряд опасных фотохимических реакций в атмосфере, «съедают» озон в дымовой струе электростанций и способствует увеличению озона до опасных концентраций на больших расстояниях от электростанций в сельскохозяйственных районах (юг Украины, Крым). Кроме того, для Украины, Белоруссии и ряда районов России имеет значение подкисление верхнего слоя почв и усиление сорбции радионуклидов в поверхностном слое. Актуальной проблемой теплоэнергетики Украины является эффективное снижение выбросов оксидов азота при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах.

Энергетика Украины поставляет в атмосферный воздух свыше 60% сернистого ангидрида и свыше 50% оксидов азота от общего выброса стационарными установками.

Ещё в 70-х годах полагали, что кислотные дожди определяются на 90-92% оксидами серы и лишь на 8-10% оксидами азота. Однако в 80-90-е годы в связи с увеличением доли природного газа, вводом в некоторых странах Европы систем сероочистки, а также с развитием автотранспорта, вклад оксидов азота в образование кислотных дождей увеличился в несколько раз и составляет 20-57%.

Обычно оксиды серы и азота находятся в атмосферном воздухе до 2-5 суток, перемещаясь с потоками воздуха на расстояния до 1000 км.

Рассеивание и трансформация некоторых веществ в атмосфере

За это время происходит их превращение в кислоты и сток из атмосферы с осадками в почву и поверхностные воды, главным образом, в виде слабых растворов серной, сернистой, а также азотной и азотистой кислот.

NO + O₃ NO₂ + O₂

NO + HO₂ NO₂ + OH

2NH₂ + H₂O ^{поверхность} HNO₂ + HNO₃

Азотная кислота оказывает существенное влияние на образование кислотных дождей. Если для ряда стран Европы её вклад в кислотные дожди 10-20%, то для Украины вклад оксидов азота в кислотные дожди находится в пределах от 35 до 50%. При этом имеется выброс с Украины на территорию России, Белоруссии, Турции, Молдовы и других стран и поступление оксидов азота из Германии, Польши, Румынии и других стран в соизмеримых количествах. Перенос оксидов азота с территории Германии в Украину, обычно в 5-7 раз превышает обратный перенос.

В 1991-94 годы за счёт снижения выработки электроэнергии и применения мероприятий по снижению образования оксидов азота выброс снизился на 36%.

Оксиды азота при горении топлив образуются по трём механизмам: «термическому», «топливному» и «быстрому». При сжигании газов образования оксидов азота идёт по двум основным механизмам: «термическому», разработанному Я.Б. Зельдовичем, имеющему очень сильную зависимость от температуры и «быстрому». Для «быстрого» механизма, разработанного С. Фенимором характерны:

а) слабая зависимость от температуры;

б) сравнительно сильная зависимость от избытка окислителя;

в) образование в начальной зоне горения.

Приведённые в Институте газа экспериментальные исследования позволили подтвердить взаимосвязь выхода «быстрых» NO с содержанием HCN в пламенах, а также подтвердить, что выход «быстрых» оксидов азота зависит от состава газообразных топлив.

По данным исследований, проведённых на специально сконструированной установке, позволяющей выделить «быстрые» NO_x, их концентрации при сжигании CO и H₂ существенно ниже, чем при горении метана и других углеводородных газов.

Основные загрязнители атмосферного воздуха

Весьма существенное значение имеет химический состав пыли. Например, содержание оксидов кремня в пыли более 10% делает её опасной для здоровья человека. По данным М. С. Гольденберга содержание оксидов кремня в пыли в воздухе большого города составляет 20,1-22,8%.

Б. П. Гуринов и Н. Я. Янышева, проводившие обследования загрязнения воздуха в районе одиннадцати ТЭЦ (теплоэлектроцентраль), работающих на угле, обнаружили, что максимальные концентрации твёрдых частиц в атмосферном воздухе имеют место на расстояниях в 8-10 раз больших высоты трубы. При отсутствии средств пылеулавливания в котельных установках малой производительности со слоевыми топками выброс твёрдых частиц в атмосферу соизмерим с выбросом их на ТЭЦ. Однако при слоевом сжигании только 3% выбрасываемых частиц имеет d 10 мкм, а при пылеугонном - не менее 20-45%. При отсутствии систем пылеулавливания твёрдое топливо (уголь) поставляет в атмосферу в 100-200 раз больше твёрдых частиц, чем жидкое топливо. Выбросы твёрдых частиц в атмосферу всё ещё являются одним из наиболее серьёзных видов загрязнений, вносимых процессами горения в атмосферу городов.

Выброс в атмосферу твёрдых частиц

Оксиды серы

Одним из наиболее крупных и трудно поддающихся отчистке загрязнителей атмосферного воздуха, выбрасываемых главным образом энергетическими установками, являются оксиды серы. Ежегодный выброс в нижние слои атмосферы превышает 150 млн. т; при этом от 60 до 80% этого количества выбрасывается с продуктами сгорания котлов и печей.

Оксиды серы, а также образующиеся при их соединении с водяными парами кислоты оказывает вредное воздействие на здоровье людей, вызывает разрушение стальных конструкций и строительных материалов, снижение прозрачности атмосферы, гибель хвойных лесов и плодовых деревьев, снижают урожайность сельскохозяйственных культур. Диоксид серы нарушает процесс фотосинтеза и дыхания, вызывает острые и хронические повреждения листьев. Растения ещё более чувствительны к оксидам серы, чем человек.

Вредное воздействие оксидов серы на растения резко увеличивается при наличии в атмосфере диоксида азота и повышении влажности.

У нас в стране заканчивается строительство опытно-промышленной аммиачно-циклической системы очистки от оксидов серы на Дорогобужской ТЭС производительностью 1млн м³/ч. ТЭС сжигает подмосковный бурый уголь с содержанием серы 2,5-3%, в качестве конечного продукта будет получаться жидкий сернистый ангидрид. В течение нескольких лет на одной из ТЭС работает оригинальная опытно-промышленная установка одновременной очистки от оксидов серы и оксидов азота путём подачи озона в скруббер. Установка обеспечивает очистку газов по сернистому ангидриду до 90%, по оксидам азота до 65%.

Оксиды азота

В ряду основных загрязнителей атмосферного воздуха специальное место занимают оксиды азота. В связи с тем, что большинство приборов и методов измерения основано на определении диоксида азота с предварительным доокислением оксида в диоксид, а также вследствие того, что до 1983 года были установлены нормы только на содержание оксидов азота в атмосферном воздухе, обычно фиксировалась сумма оксидов азота (NO₂ + NO₂ = NO_x). До 1950-1960 годов исследование оксидов азота как загрязнителей атмосферы, выбрасываемых с продуктами сгорания топлива, практически не проводилось, и всё внимание было сосредоточено на твёрдых частицах (зола, пыль, сажа) и сернистом ангидриде. Между тем, как показали исследования, проведённые ещё в 1960-х годах, содержание оксидов азота определяет токсичность продуктов сгорания угля и мазута на 40-50%, а природного газа на 90-95%. Валовой выброс оксидов азота в атмосферный воздух в различных регионах и городах составляет 6-8% общего выброса всех вредных веществ, уступая лишь выбросу оксида углерода, оксидов серы и твёрдых частиц.

До 1980-х годов во всех исследованиях по образованию оксидов азота в процессах горения исходили из следующих предпосылок.

В процессе горения топлива в котлах и других топливосжигающих устройствах образуется только оксид азота.

При выходе из дымовой трубы оксид азота сравнительно быстро полностью доокисляется до диоксида азота.

Вместе с тем исследованиями института газа показано, что только 40-80% оксида азота, содержащегося в дымовой струе, превращается в диоксид азота

ПДК оксидов азота в атмосферном воздухе населённых пунктов

Более 95% от общего количества выбросов оксидов азота (51 млн. т /год) во всём мире поступает в атмосферу с продуктами сгорания и жидкого топлива и газа, и лишь 2,4 млн. т выбрасывает химическая промышленность. Следует отметить, что образующиеся в результате атмосферных явлений оксиды азота в количестве 770 млн. т /год не представляют опасности, т. к. они равномерно распределяются по поверхности земного шара в малых концентрациях.

После выхода из дымовой трубы в атмосферу основная часть оксида азота переходит в диоксид азота по двум основным реакциям:

а) при высоких концентрациях в корне факела за счёт окисления кислородом в результате экзотермических реакций

2NO + O₂ 2NO₂ + 188 к Дж /моль;

б) при низких концентрациях в результате окисления атмосферным озоном:

NO + O₃ O₂ +205 кДж /моль.

Последняя реакция при низких концентрациях, имеющих место в приземной области дымовой струи, протекает в 10⁵ раз скорее реакции и является превалирующей.

Общее количество озона в атмосфере невелико - толщина приземного слоя 3 мм, масса 3,29 ^. 10⁹ т. обычное содержание О₃ в атмосфере городов составляет 0,02-0,10 мг/м³, при этом максимум концентраций имеет место в дневные (12-17 часов), а минимум - в ночные или утренние часы.

Кислотные дожди

В последние годы особое внимание привлечено к проблеме перемещения соединений серы и азота в атмосферном воздухе на большие расстояния (до 1000 км) от источника выброса. Эта проблема имеет важное значение в связи с наличием регионов с высокой концентрацией промышленности внутри страны, строительством мощных топливно-энергетических комплексов, а также в связи с трансграничным переносом загрязнителей из-за рубежа через западную границу.

Проблема обострилась в последние годы в связи со строительством электростанций большой мощности на низкосортных топливах с высоким содержанием серы и применением дымовых труб 250 м и более.

Она связана как с перемещением, так и с превращением в атмосфере оксидов серы и азота, выбрасываемых главным образом электростанциями, а также другими крупными топливосжигающими установками.

В ряде случаев в результате последующих реакций в атмосфере токсичность первичных загрязнителей воздуха существенно повышается.

Обычно оксиды серы и азота находятся в атмосферном воздухе до 2-5 суток, перемещаясь с потоками воздуха на расстояние до 1000 км. При этом происходит их превращение в кислоты и сток из атмосферы с осадками в почву и в поверхностные воды, главным образом в виде слабых растворов серной, азотной и азотистой кислот в результате ряда реакций, в которых отметим следующие:

SO₂ + OH ^M HSO₃;

HSO₃ + O₂ SO₃ + HO₂;

HSO₃ + OH ^M H₂SO₄.

Оксид углерода

Одной из наиболее значительных групп токсичных веществ, попадающих в атмосферный воздух, являются продукты неполного сгорания топлива: оксид углерода, альдегиды, органические кислоты и углеводороды. В этой группе наибольшее значение имеет оксид углерода. Если содержание пыли, оксидов серы и оксидов азота в атмосферном воздухе городов определяется уровнем выброса токсичных веществ с продуктами сгорания топлива, сжигаемого в топках котлов и печах, то содержание оксидов углерода на улицах больших городов на 75-97% определяется автотранспортом. Загрязнение воздухом оксидом углерода в Москве и Санкт-Петербурге определяется автотранспортом на 96,3 и 88,1%, а углеводородами на 64 и 79%. Такое же положение характерно для подавляющего числа крупных городов с развито металлургической промышленностью, в которых при наличии агломерационных фабрик и других производств в городе, содержащие оксиды углерода в атмосферном воздухе определяется примерно в равной степени металлургией и автотранспортом.

Оксид углерода - высокотоксичное вещество. Составляет около половины от общего весового количества всех вредных веществ, поступающих в воздушный бассейн городов. При вдыхании в течение нескольких часов возможно отравление.

Список литературы:

1. Сигал И. Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива - Москва: Недра, 1998 - 312 с.

2. А. Г. Тумановский, А. Г. Берсенев. Перспективы развития технологий сжигания топлив на тепловых электростанциях России - Киев, Минэнерго Украины, 1996 - 15 с.

3. С. В. Яцкевич, И. И. Ярошевская, Ю. В. Струц. Проблемы экологии в энергетике Украины и пути их решения - Киев, Минэнерго Украины, 1996 - 12 с.

4. С. И. Ожегов. Словарь русского языка - Москва, изд. 14-е стереотипное, 1983 - 815 с.

Послесловие. Наша планета Земля.

Наша планета - это маленькая песчинка во Вселенной. В то же время Земля является уникальной планетой, поскольку на ней существуют различные формы жизни, включая разумную. В настоящее время мнения учёных по поводу существования жизни в других точках Вселенной различны. Одни считают, что среди космического холода и мрака Земля является единственным оазисом, на котором существует жизнь, другие предполагают возможность существования жизни и в других звёздных системах, но человек никогда не сможет их посетить.

Нашу планету подстерегают различные космические опасности. 65 млн. лет назад падение астероида в районе полуострова Юкатан (Центральная Америка) привело к глобальной катастрофе, погубившей динозавров. Существует гипотеза, что примерно 12 тысяч лет назад на Земле произошла ещё одна катастрофа, также связанная с падением космического тела. В результате этой катастрофы безвозвратно погибли многие виды живых организмов, а человечество было отброшено назад в своём развитии на многие тысячелетия.

Но самой большой опасностью для жизни на Земле является деятельность человека. За тысячелетия цивилизации человеком истреблены многие виды животного мира. В результате неконтролируемой распашки земель навсегда уничтожены различные виды растений. Многие виды находятся на грани исчезновения, и занесены в Красную книгу. Активное наступление человека на природу происходит с конца XIX - начала XX столетий в связи с технической революцией. Человек изобрёл ядерное оружие, которое способно в считанные секунды уничтожить большую часть земной фауны и флоры, обеспечить существование нашей планеты в условиях «ядерной зимы» в течение долгих тысячелетий, отбросить человека обратно в каменный век. Бурное развитие промышленности, в том числе энергетики, привело к значительному увеличению выбросов в земную атмосферу вредных веществ, таких как сернистый ангидрид, оксиды азота, сероводород, соединения ванадия, парниковые газы и др. Накопление этих веществ в атмосфере отрицательно влияет на жизнеспособность представителей земной фауны и флоры, в том числе и человека. Необходимо принятие срочных мер по ограничению загрязнения атмосферы. Это станет возможным только в случае внедрения промышленностью новых передовых технологий.

Я с раннего детства интересовалась природой, появлением и развитием жизни на Земле. Меня всегда поражали красота и многообразие земной фауны и флоры. Поэтому тема «Проблемы экологии в энергетике» меня очень заинтересовала. Мне бы очень хотелось передать ту красоту и необычность природы, которую я вижу сейчас, нашим потомкам. Я ещё не знаю, какую профессию выберу после окончания школы, но независимо от выбранной специальности я всегда буду заботиться о сохранении и приумножении природных богатств.

Мой реферат может быть использован в качестве материала для экологического обучения учащихся средних и старших классов общеобразовательных школ.