Как видно из табл. 15.1 при сжигании мазута и угля основными вредными выбросами являются оксиды серы и азота, при сжигании газа — оксиды азота. Кроме того, среди вредных выбросов электро станций, работающих на угле, могут быть ртуть, бериллий, свинец, кадмий, уран, хром, сурьма, ванадий, марганец и другие экологиче ски опасные элементы.
На долю энергетики приходится более 70% всех выбросов окси дов серы и более 40% выбросов оксидов азота. Заметный вклад в загрязнение атмосферы вносит транспорт. В среднем автомобиль выбрасывает в атмосферу (кг/год): монооксида углерода — 135, оксидов азота — 25, углеводородов — 20, оксидов серы — 4, твердых частиц— 1,2.
Внастоящее время в мире эксплуатируется около 400 млн. авто мобилей и число их непрерывно возрастает, соответственно растут и вредные выбросы в атмосферу.
Особенно опасен автотранспорт в крупных городах. Например, выброс вредных соединений от автомобилей в 1988 г. составил (тыс. т/год): в Москве — 840, С.-Петербурге — 370, Ташкенте — 310. В последние годы число автомобилей и соответственно масса выбросов
вгородах значительно возросли.
Внастоящее время антропогенные выбросы в атмосферу оказы вают влияние не только на окружающую среду, но и на целые конти ненты и даже на климат на Земле. К числу таких глобальных послед ствий относятся разрушение озонового слоя (см. §7.4 и §13.2), «парниковый» эффект и кислотные дожди.
Кислотные дожди. В атмосфере образуются Н280з и Н2804, при взаимодействии оксидов серы с водой
8 0 2 + Н20 = Н2803
803+ Н20 = Н2804
и НЫ0 3в результате реакции Ы0 2 с водой
3№ )2+ Н20 = 2ГОЮз + N0
Кислоты в виде мелких капель (0,1— 1,0 мкм) переносятся на большие расстояния, иногда на сотни километров, и выпадают в виде кислотных дождей (рН < 5,6, иногда до рН4). Попадая в почву, вода нейтрализуется за счет ионного обмена. Однако, вода с низким зна чением рН может растворять соединения токсичных тяжелых метал лов, а при недостаточной обменной емкости почвы подкисляет ее, что снижает урожай и вредит лесам.
Происходит заметное подкисление озер и прудов, которые стано вятся мертвыми. Кислотные дожди также вызывают коррозию метал лов и разрушение мраморных и известковых конструкций и произве дений искусства.
Солнечное излучение |
Солнечное излучение |
Слой
аэрозоля
Земля
Р и с . 15.4. Влияние С02 (а) и аэрозолей (б) на прохождение и отра жение солнечных и инфракрасных лучей
Р и с . 15.5. Возрастание концентрации С02 в атмосфере
«Парниковый» эффект». Диоксид углерода прозрачен для солнечного света, но не пропускает в атмосферу инфракрасное излучение Земли, т.е. ведет себя подобно полиэтиленовой пленке в парнике (рис. 15.4, а). В связи с возрастанием темпов сжигания топлива растет концентрация диоксида углерода в атмосфере (рис. 15.5). Ожидается, что к 2050 г. концентрация С02 удвоится по
сравнению с 1978 г., что вызовет повышение средней температуры на Земле на 2,5—3,5 К и соответственно таяние ледников и повышение уровня Мирового Океана. По прогнозам некоторых специалистов уровень Океана в 2050 г. может подняться на 4—5 м, что приведет к затоплению огромных территорий. Аналогично С02, на инфракрас ное тепловое излучение воздействуют метан и другие углеводороды, которые поступают в атмосферу при добыче и переработке нефти и газа, а также из газовых криогидратов (клатратов), при таянии ледни ков (см. §4.4). До некоторой степени «парниковый» эффект компен сируется образованием аэрозолей твердых и жидких частиц, выбра сываемых в атмосферу в результате природных процессов и жизне деятельности человека. Аэрозоли снижают способность атмосферы пропускать солнечный свет (см. рис. 15.4, б) и соответственно снижа ют среднюю температуру земной поверхности. Тем не менее челове честву необходимо снизить поступление С02 в атмосферу. Экономи чески приемлемых путей решения этой проблемы пока не найдено.
Защита воздушного бассейна от загрязнения. Защита воздуш ного бассейна от загрязнений стала одной из важных и сложных за дач, стоящих перед человечеством. Решение этой задачи осуществля ется по трем направлениям: обезвреживание выбросов, изменение состава топлива и разработка новых методов преобразования энергии и новых технологий. На первом этапе использовался и пока еще ис пользуется первый путь. Тепловые электростанции оборудуются вы сокими трубами для рассеивания выбросов в более высокие слои ат мосферы. Электростанции и металлургические заводы имеют золо уловители для удаления золы из продуктов горения, фильтры и ад сорберы для сорбции некоторых газов и твердых частиц.
Оксиды серы и азота, имеющие кислотный характер, нейтрализу ются веществами основного характера. Для нейтрализации оксида се ры используется известь, известняк, оксид магния и другие вещества:
802 + СаС03 + 72Н20 = Са803 • ’/2Н20 + С02 802 + Са(ОН)2 = Са80, • '/2Н20 + [/2Н20
. 802 + М§0 + 6Н20 = М§803 6Н20 302 + (МН4)2803 + Н20 = 2 Ш 4Н8 О3
Оксиды азота нейтрализуются известью, содой, аммиаком и дру гими веществами:
2М02+ № 2С03= №N0? + ИаШз + С02 4Т\Ю2+ 2Са(ОН)2= 0а(Ы03)2+ Са(1М02)2+ 2НгО
2Ж)2+ 2ЫН4ОН = ЫН4>Юз + N^N0;, + Н20
Оксиды азота и серы обезвреживаются также методом каталити ческого восстановления, например:
4 Ж > + С Н 4= 2 ^ + С 0 2+ 2 Н гО ' 2 Ж >2+ С Н 4= N 2+ С 0 2+ 2 Н 20
Диоксид серы и монооксид углерода можно окислить на катали заторах:
802 + ’/20 2= 803
8О3+ Н20 = Н2804
со + ’/2о2= со2
Для окисления монооксида углерода и восстановления оксидов азота в автомобилях предложены катализаторы, которые могут уста навливаться в выхлопных трубах и представляют собой пористую насадку с катализатором, например, платиной или палладием и роди ем. Газовые выбросы можно также очищать методом адсорбции (см. §6.3) на активированном угле, силикагелях и цеолитах (см. §12.4) и других адсорбентах.
Однако обезвреживание продуктов горения и выбросов металлур гических заводов весьма дорого, и в будущем, по-видимому, будут применяться другие методы защиты воздушного бассейна.
В настоящее время ученые разрабатывают энергохимические ме тоды использования топлива. Сущность этих методов заключается в : предварительной химической переработке топлива, очистке от серы и разделения его на фракции. Некоторые фракции могут служить цен ным сырьем для химической промышленности, а другие фракции —- топливом для электростанций. Очищенное топливо при горении бу дет давать значительно меньше вредных выбросов.
Наиболее кардинальным решением проблемы защиты воздушно го бассейна является разработка новых методов преобразования энер гии и новых машин, обеспечивающих безвредные выбросы, а также применение менее вредных веществ. Так, например, происходит за мена галогеносодержащих хладонов на новые соединения, не разру шающие озонового слоя в верхних слоях атмосферы. Существенного уменьшения загрязнение воздушного бассейна можно достичь, если осуществить идеи водородной энергетики.
Водородная энергетика. Стоимость передачи энергии в химиче ской форме (в виде газа) значительно ниже стоимости передачи элек троэнергии. В качестве носителя энергии может быть использован водород. В настоящее время ведутся широкие исследования будущих энергетических систем, в которых передача и распределение энергии
будут осуществляться с помощью водорода. Применение водорода значительно снизит уровень загрязнения атмосферы, так как при его окислении образуется безвредный продукт — вода.
Природные запасы соединений водорода огромны. Водород легко вступает в химические реакции, при его окислении выделяется боль шое количество теплоты. Поэтому водород может найти широкое при менение в промышленности и быту, для синтеза различных соединений, освещения, отопления и охлаждения, приготовлении пищи и для получе ния электроэнергии с помощью электрохимических генераторов.
Водородная энергетическая система будет иметь установки для получения водорода, подсистемы его передачи и распределения и установки для его использования. Существует большое количество способов получения водорода. Наиболее широко в настоящее время применяются способы пароводяной конверсии и электролиза. В по следнее время большое внимание уделяется фотохимическому спосо бу получения водорода. В перспективе при разработке термоядерных, реакторов может стать экономически целесообразным получение водо рода термохимическим разложением воды. Таким образом, водород ную энергетическую систему с учетом различных способов получения водорода и путей его использования можно представить схемой:
Потребители электроэнергии
1
Водород можно получить за счет пароводяной конверсии метана или угля:
сн4 + н2о = со + зн2 с + н2о = со + н2 со + н2о = со2 + н2
При этом водород необходимо отделить от диоксида углерода и других продуктов конверсии. Эту проблему еще нельзя считать раз решенной. Одним из основных методов получения водорода в неда леком будущем рассматривается электролиз на атомных электро станциях. Кроме водорода выделяется и кислород, который также может быть использован в промышленности и быту. Кроме электро литического, рассматриваются и фотохимические методы получения водорода. Термохимический метод получения может быть особенно перспективен при разработке термоядерных энергоустановок. Однако для применения этого метода необходимо решить задачу разделения водорода и кислорода. Большой интерес вызывает фотохимический спо соб разложения воды с использованием биологических катализаторов.
Электрохимическая энергетика. Новое направление в энергети ке — электрохимическая энергетика включает в себя генерацию и накопление электрической энергии. Генерация электроэнергии про исходит в устройствах, называемых топливными элементами (ТЭ), принцип работы которых был описан в §9.8. К настоящему времени разработано пять типов ТЭ (табл. 15.2). Токообразующей реакцией в большинстве топливных элементов служит окисление водорода:
2Н2 + 0 2 = Н20
В ТЭ с щелочным электролитом могут быть использованы лишь чистые водород и кислород, поэтому они пока нашли применение только в космосе. В остальных ТЭ на анод может подаваться как чис тый, так и технический водород, а также смесь Н2, С02 и Н20. Для всех ТЭ вредными примесями, отравляющими катализаторы, являются соединения серы, в низко- и среднетемпературном ТЭ (до /=200°С) — также СО. В последние годы разрабатываются ТЭ с прямым окисле нием метанола, который подается на анод. На катоде ТЭ восстанав ливается кислород воздуха.
Для непрерывной работы ТЭ необходимы подача реагентов, от вод продуктов реакции и теплоты и система автоматики. Батарея ТЭ вместе со вспомогательными устройствами составляют электрохими ческий генератор (ЭХГ), который в свою очередь входит в электрохи-
Тепло
Р и с . 15,6. Блок-схема электрохимической энергоустановки
мическую энергоустановку (рис.15.6), которая состоит из блока пере работки топлива, инвертора постоянного тока в переменный и уст ройств использования теплоты либо для теплоснабжения, либо для дополнительной выработки электроэнергии в концевом цикле, со стоящем из газовой или паровой турбины или парогазовой системы. В качестве исходного топлива может служить природный газ или уголь. Природный газ подвергается конверсии водяным паром:
СН4 ; 21ЬО - СО, + III;
Уголь газифицируется либо обработкой водяным паром, либо термическим пиролизом, Продукты переработки угля после очистки от вредных примесей поступают в топливные элементы.
В ТЭ окислитель и топливо пространственно разделены, поэтому даже при высоких температурах образуется значительно меньше ок сидов азота и монооксида углерода, чем в тепловых машинах. Вы брос вредных компонентов из электрохимических энергоустановок на 1,5—2 порядка ниже, чем из тепловых машин. Это главное пре имущество электрохимических энергоустановок. Их можно устанав ливать непосредственно около потребителя. Важным достоинством электрохимических энергоустановок также является высокий КПД, который в 1,5—2 раза выше КПД тепловых машин. При этом КПД электрохимических энергоустановок относительно мало зависит от их установленной мощности и нагрузки.
К настоящему времени созданы установки мощностью от 10 кВт до 11 МВт, некоторые из них уже находятся в коммерческой реализации.
На первых порах эти установки, и прежде всего на основе низко температурных ТЭ (см. табл. 15.2), будут применяться для автономно го энергоснабжения отдаленных районов, отдельных островов, по селков, отдельных жилых и промышленных зданий, торговых и спор тивных центров и т.д. Позднее, по мере их удешевления и увеличения срока службы, они найдут применение и для централизованной гене рации электроэнергии. Ожидается, что к 2010 г. они будут генериро вать до 10%, а к 2030 г. до 25—30% всей электроэнергии.
Проблема электромобиля. Одним из наиболее кардинальных решений проблемы снижения вредных выбросов транспортных уст ройств является замена двигателя внутреннего сгорания на экологи чески чистые устройства и прежде всего на батареи аккумуляторов (гл. 9) или на электрохимические энергоустановки (см. §9.8). К бата рее аккумуляторов для электромобиля предъявляются требования высокой удельной энергии и мощности на единицу массы и объема, срока службы, экологической чистоты, простоты обслуживания и невысокой стоимости. Традиционные аккумуляторы удовлетворяют не всем указанным требованиям. Так, свинцовые аккумуляторы слишком тяжелы, они обеспечивают пробег электромобиля без под зарядки при скорости 60 км/ч не более 70—90 км. Поэтому такие электромобили могут использоваться лишь для внутригородских пе ревозок продуктов и промышленных товаров и доставки почты.
Никель-кадмиевые аккумуляторы „очень дороги и содержат ток сичный кадмий. При замене кадмия на цинк или интерметаллид по лучают никель-цинковый или никель-металлгидридный (№ -МН) аккумулятор, которые обеспечивают пробег электромобиля без под зарядки до 120— 140 км, однако срок службы № - 2п аккумулятора не превышает двух-трех лет, а № - МН аккумулятор дорог.
Новые аккумуляторы (см. приложение 9), такие как натрийсерный с твердым электролитом, работающий при 300°С, и воздуш но-цинковый с щелочным электролитом и литиевый с неводным электролитом обеспечивают пробег электромобиля без подзарядки 150-300 км, однако по ряду причин пока не нашли применения. На- трий-серный аккумулятор пока еще дорог, а воздушно-цинковый и литиевый еще недостаточно разработаны. После снижения стоимости аккумуляторов и их доработки до промышленного производства уда-. стся создать электромобили, которые найдут широкое применение.
В другом типе разрабатываемых электромобилей применяются электрохимические энергоустановки на основе топливных элементов, работающих на водороде и метаноле. В настоящее время испытыва ются несколько демонстрационных электробусов и электромобилей на основе ТЭ с твердополимерными и фосфорнокислыми электроли тами (см.табл.15.2). Основная задача, стоящая перед разработчиками, — это снижение стоимости и увеличение срока службы энергоустановок.
Итак, в настоящее время тепловые электростанции, двигатели внутреннего сгорания, металлургические и другие заводы выбрасы вают в атмосферу огромное количество вредных газов и прежде всего оксидов азота, серы и монооксида углерода. Принимаются меры по снижению этих выбросов и их нейтрализации. Однако, эти меры не достаточно эффективны. Более перспективны направления создания новых технологий и устройств, например, развитие водородной и электрохимической энергетики и создание электромобиля.
Задачи и вопросы для самоконтроля
15.3.Рассчитайте годовую потребность в Са(ОН)2 для нейтрализации 302 на ТЭС мощностью 1000 МВт, работающей на мазуте (см. табл. 15.1).
15.4.В газовых выбросах обнаружены диоксид серы, углеводороды, фенол и па ры ртути. Предложите методы очистки газа от этих вредных компонентов.
15.5.Рассмотрите методы обезвреживания газовых выбросов тепловых электро станций. Напишите уравнения протекающих при этом реакций.
15.6.Рассчитайте время, с течением которого электромобиль мощностью 40 кВт может двигаться, работая на метанольном ТЭ с КПД 60,6% при начальном запасе метанола 50 кг.
§15.3. ОХРАНА ВОДНОГО БАССЕЙНА
Характеристики сточных вод. Вода, использованная на произ водственные или бытовые нужды и получившая загрязнения, которые изменили ее свойства, и подлежащая очистке или удалению с данно го объекта или населенного пункта, называется сточной. Состав сточных вод отличается исключительным разнообразием и зависит от типа производства. В сточных водах могут содержатся токсичные вещества такие, как цианиды, соединения мышьяка, селена, ртути, свинца, кадмия. Наибольшее количество примесей имеют воды хи мической, горно-металлургической, целлюлозно-бумажной, нефте- и углеперерабатывающей отраслей промышленности. Эти воды содер жат кислоты или щелочи, соли, соответственно нефтепродукты и
