--6-05~2

Таблица 2.8 Среднесуточные концентрации загрязняющих веществ в пробах воды, мг/дм3

491

Таблица 2.9 Фактические концентрации загрязняющих веществ в почве, мг/кг

Контрольные вопросы

1.Что такое загрязнение окружающей среды? Перечислите виды загрязнения окружающей среды.

2.Дайте определение ПДК.

3.В чем отличие ПДКрз, ПДКмр и ПДКсс?

4.Для чего используются индексы загрязнения окружающей

среды?

492

Практическая работа №3

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЖИГАНИИ

РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА

Цель работы: оценить воздействие на окружающую среду продуктов сгорания твердого и газообразного топлива.

Введение

Промышленные предприятия являются крупными потребителями энергии в различных ее формах и объемах. Для получения энергии необходимо сжигание определенного количества топлива.

Врезультате сжигания топлива на окружающую среду и, прежде всего на воздушный бассейн, оказывается негативное воздействие в форме выбросов загрязняющих веществ. Степень загрязнения окружающей среды зависит как от вида и качества используемого органического топлива, так и от типа энергетических установок.

Впоследние годы все большее внимание уделяется газообразному топливу, как наиболее экологически чистому. В силу хорошей смешиваемости газообразного топлива с воздухом процесс окисления идет практически до конца. Это приводит к образованию безвредных или малотоксичных продуктов. Кроме того, зольность газообразного топлива предельно низка или вообще равна нулю.

Вэнергетике Республики Беларусь в последнее время ежегодно сжигается порядка 12 млн. тонн условного топлива. В структуре топливного баланса природный газ превышает 80%, остальное

–сернистый мазут, попутный газ и др.

Всоответствии с целевой программой повышения доли местных видов топлива в топливно-энергетическом балансе страны одной из главных целей в области повышения энергетической безопасности Республики Беларусь должно стать увеличение доли использования местных энергоресурсов и альтернативных источников энергии до 25 % в производстве тепловой и электрической энергии.

При оценке замещения вида топлива необходимо учитывать не только экономические показатели, но и тепловые и экологические,

493

так как любое органическое топливо имеет свои как экономические, так и экологические особенности.

1. Топливно-энергетические ресурсы Республики Беларусь

За счет ресурсов, имеющихся на территории Республики Беларусь (нефть, попутный газ, торф, дрова, гидроэнергия), обеспеченность энергией составляет примерно 15 %.

Нефть и попутный газ. Разведанные месторождения нефти на территории Беларуси сосредоточены в нефтегазоносной области

– Припятской впадине, площадь которой около 30 тыс. км2. С начала разработки добыто 108 млн. т нефти и 11,3 млрд. м3 попутного газа, остаточные запасы нефти промышленных категорий составляют 58 млн. т, попутного газа – 34,3 млн. м3. Обеспеченность активными запасами составляет 15 лет, а вместе с трудноизвлекаемыми – 31 год.

Торф. В республике разведано более 9000 торфяных месторождений общей площадью в границах промышленной глубины залежи 2,54 млн. га и первоначальными запасами торфа 5,65 млрд. т. К настоящему времени оставшиеся геологические запасы оцениваются в 4 млрд. т, что составляет 70 % от первоначальных. Основные запасы залегают в месторождениях, используемых сельским хозяйством.

Горючие сланцы. Прогнозные запасы горючих сланцев (Любанское и Туровское месторождения) оцениваются в 11 млрд. т, промышленные – 3 млрд. т.

По своим качественным показателям белорусские горючие сланцы не являются эффективным топливом из-за высокой их зольности и низкой теплоты сгорания. Они не пригодны для прямого сжигания, а требуют предварительной термической переработки с выходом жидкого и газообразного топлива. Следует отметить, что получаемая после термической переработки черная зола не пригодна для дальнейшего использования в сельском хозяйстве и строительстве, а из-за неполного извлечения органической массы в золе прослеживается содержание канцерогенных веществ.

Бурые угли. По состоянию на 1 января 2003 года в неогеновых отложениях известно 3 месторождения бурых углей: Житковичское, Бриневское и Тонежское с общими запасами 151,6 млн. т. Угли низкокалорийные, влажность - 56-60 %, средняя зольность – 17-23 %,

494

пригодны для эффективного использования в качестве коммунальнобытового топлива после брикетирования совместно с торфом.

В качестве альтернативных источников энергии с учетом природных, географических и метеорологических условий республики рассматриваются малые гидроэлектростанции, ветроэнергетические установки, установки по производству биогаза, гелиоводонагреватели, установки для брикетирования и сжигания отходов растениеводства и др.

2.Теплотехнические характеристики топлива

Теплота сгорания (Q) – количество тепла в кДж (в килокалориях: 1 кал = 4,187 Дж), которое выделяет при полном сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газообразного топлива при нормальных физических условиях.

Теплота сгорания (Q), ранее называвшаяся теплотворной способностью, является важнейшей характеристикой, определяющей тепловую ценность любого топлива. Теплота сгорания любого топлива определяется экспериментально в специальной калориметрической установке.

Для сравнения тепловой ценности различных видов топлива пользуются понятием условного топлива,

Условное топливо (Мтоплусл) - единица учёта органического топлива, применяемая для сопоставления эффективности различных видов топлива и суммарного учёта их. Низшая теплота сгорания (Q н) 1 кг твёрдого (жидкого) условного топлива равна 29,35 МДж/кг, а низшая теплота сгорания (Q н) 1м3газообразного условного топлива принимается 7000 ккал/м3.

Этой величиной пользуются при суммировании различных топливных ресурсов, сравнении удельных расходов топлива и при проведении технико-экономических расчетов.

3. Состав топлива

Для получения тепло- и электроэнергии используетсятвердое (угли (бурые, каменные, антрацитовый штыб), горючие сланцы и торф), жидкое (мазут, сланцевое масло, дизельное топливо) и газообразное (природный и попутный газ) топливо.

495

Свойства топлива как горючего материала определяются его составом. Любое топливо состоит из горючей и негорючей частей. Горючую часть образуют углерод (С), водород (Н) и сера горючая (летучая) SA.

К негорючей части относятся кислород (О), азот (N); минеральные вещества (А) и влага (W). Перечисленные элементы С, Н, SA, О, N образуют сложные химические соединения. Чтобы установить состав топлива, проводят технический и химический (элементарный) анализ топлива.

Жидкое и твердое топливо принято характеризовать так называемым элементарным составом, определяемым в лаборатории. При этом условно считают, что топливо состоит из перечисленных элементов, находящихся в свободном состоянии в виде механической смеси.

Такая условность, не отражая химико-физической природы топлива, создает, значительны удобства при проведении практических расчетов материального и теплового баланса горения, а также при определении расчетным путем тепловой ценности топлива.

Углерод является основным горючим элементом топлива. Его содержание на горючую массу составляет: в древесине и торфе 5065%, в бурых углях 67-72%, каменных углях 76-90% и в антрацитах 92-94%, т.е. с увеличением геологического возраста твердого топлива содержание в нем углерода повышается. Состав жидких нефтяных топлив является достаточно стабильным и содержание в них углерода на горючи массу колеблется в узкихпределах 86-87%.

Углерод характеризуется высоким удельным тепловыделением. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется 33600 кДж теплоты. Следовательно, углерод по существу определяет тепловую ценность топлива.

Водород является вторым важнейшим горючим элементом топлива. Его содержание на горючую массу составляет: в древесине и торфе 6,0-6,5 %, в бурых углях около 5,0 %, в каменных углях 4,0- 5,5 % и антрацитах 1,5-2,5 %. В жидких нефтяных топливах содержание водорода значительно выше и на горючую массу составляет 10-12 %. Тепловая ценность водорода почти в четыре раза выше теп-

496

ловой ценности углерода. При полном сгорании 1 кг водорода и конденсации продуктов сгорания выделяется 141500 кДж тепла, без учета конденсации водяных паров 119000 кДж.

Сера, является третьим, весьма нежелательным, горючим элементом топлива. Содержание серы в топливах колеблется от 0 до нескольких %. При полном сгорании 1 кг серы летучей выделяется 9000 кДж тепла.

При горении серосодержащего топлива в промышленных топливосжигающих устройствах (печах, котлах, газотурбинных установках и др.) наряду с сернистым газом (SO2) образуется незначительное количество серного ангидрида (SO3). Наличие последнего в газообразных продуктах сгорания при определённых условиях вызывает сернокислотную, т.е. низкотемпературную, коррозию металла оборудования.

Кислород и азот являются нежелательными элементами топлива. Наличие их в топливе снижает содержание горючих элементов. Кислород, кроме того, связывает часть горючих элементов топлива, обесценивает его. Азот в топливе способствует образованию в газообразных продуктах сгорания оксидов азота, обладающих высокой токсичностью, значительно превышающей токсичность оксидов серы.

Кислород и азот принято называть внутренним балластом топливо. В жидких нефтяных топливах содержание кислорода и азота незначительно и в сумме (О+N) составляет 0,50-1,75%. В твердых топливах содержание кислорода и азота может быть значительно больше.

Зола представляет собой смесь различных минеральных веществ, которые остаются после полного сгорания горючей часта топлива. Зольность жидких топлив по своему значению невелика. Например, для дизельного топлива не более 0,02%, для топочных мазутов не более 0,30 %. В твердых топливах содержание золы может достать значительных величин (до 30 % и более на сухую массу). Зола является внешним балластом топлива. Она, снижает содержание горючей части топлива, вызывает дополнительные затрата на его добычу и транспорт. Она может вызывать эрозивный износ элементов оборудования. Содержание ванадия в золе жидких нефтяных топлив может при определенных температурах условиях привести к

497

ванадиевой так называемой высокотемпературной коррозии металла. Наличие солей натрия, окислов железа в золе жидких нефтяных топлив оказывает каталитическое действие на протекание сернокислой низкотемпературной коррозия металла.

Влага относится к внешнему балласту топлива. Наличие её (так же, как кислорода и азота) уменьшает содержание горючей части топлива. Это снижает тепловую ценность топлива, а также увеличивает расходы на его транспорт.

Газообразное топливо представляет собой простую механическую смесь горючих и негорючих газов. В горючую часть могут входить окись углерода (СО), водород (Н2), метан (CH4), тяжелые углеводорода (CmHn), и иногда сероводород (H2S).

В негорючую часть могут входить кислород (O2), азот (N2) и двуокись углерода (CO2). В состав газообразного топлива, кроме того, входят и примеси – водяные пары, смолы, пыль и т.п.

4.Влияние сжигания топлива на окружающую среду

Горение – сложный физико-химический процесс взаимодей-

ствия топлива с окислителем, протекающий при высоких температурах и сопровождающийся интенсивным выделением теплоты. В качестве окислителя чаще всего используется кислород атмосферного воздуха.

При сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива вся его масса превращается в отходы, причем количество продуктов сгорания в несколько раз превышает массу использованного топлива за счет включения азота и кислорода (в 5 раз–при сжигании газа, в 4 раза–угля).

Существенное влияние на состав образующихся вредных веществ при сжигании топлива оказывают:

1)вид топлива;

2)режимгорения.

Диоксид углерода и пары воды – основные по массе отходы производства – при поступлении в атмосферу, включаются в природные циклы и поглощаются растительностью в процессе синтеза органических соединений и регенерации кислорода. В этом качестве эти отходы нельзя признать вредными.

498

Однако масштабы использования органического топлива и соответственно выброса диоксида углерода по некоторым оценкам превышают регенерационные возможности растительного мира.

В результате в атмосфере наблюдается возрастание удельного веса диоксида углерода (углекислогогаза) СО2. Влияние СО2 выража-

ется не только в токсическом действии на живые организмы, ноивспособностипоглощать инфракрасные лучи.

При нагревании земной поверхности солнечными лучамичасть тепла в виде инфракрасного излучения отдается обратно в мировое пространство. Это возвращаемое тепло частично перехватывается газами, поглощающими инфракрасное излучение, которые в результате нагреваются. Если это явление происходит в тропосфере, то с ростом температуры могут происходить климатические изменения (“парниковыйэффект”). По мнению многих ученых, этоможет привести к ряду катастрофических последствий глобального масштаба, в том числе к таянию ледников, повышению уровня мирового океана и затоплению огромных и наиболее обжитых прибрежных территорий океанов, перераспределению осадков, речного стока и др.

Зола, оксиды серы, азота и многие другие компоненты дымовых газов являются вредными веществами, превышение концентрации которых над санитарными нормами в воздушном бассейне недопустимо.

Количество твердых веществ, выбрасываемых в атмосферу, определяется зольностью топлива, полнотой сгорания горючей массы, глубиной золоочистки.

При горении сера, присутствующая в органическом топливе, превращается в диоксид серы, количество которого определяется сернистостью используемого топлива.

Проблема загрязнения атмосферы сернистым ангидридом приобретает еще большую остротув связи странсграничным переносом примесей.

Оксиды азота образуются при горении за счет окисления азота воздуха только при высоких температурах и за счет азота в топливе, находящегося в сложных органических соединениях, входящих в состав угля и в молекулярном состоянии. В оксид азота (II) NO переходит 10-30% топливного азота. На выходе из дымовой трубы диоксид

499

азота (NO2) составляет 10-15%, остальные 85-90% составляет в ос-

новном NO.

Далее при движении дымового факела в атмосфере количество диоксида азота увеличивается до 60-70 %. Диоксид азота токсичнее, чем оксид. Если выбросы от автотранспорта производятся на уровне земли, то выбросы энергетических предприятий осуществляются на высоте более 100-300м. Это способствует не только дальнему переносу примесей, но и попаданию их в верхние слои атмосферы, в частности в озонный слой, расположенный на высоте 18-26 км.

В результате сложных реакций при высоких температурах недостаточном количестве кислорода, подаваемого в зону горения, в дымовых газах образуется полициклический углеводород бенз(α)пирен С20Н16, обладающий канцерогенными свойствами. (Канцероген-

ными веществами являются химическиевещества, воздействие которыхначеловекавызываетразвитие онкологических заболеваний).

Агрегатноесостояниебенз(α)пирена вдымовыхгазах – аэрозольное. При неполном сгорании жидкого топлива в дымовых газах об-

разуются крупнодисперсные, липучие частицы сажи, состоящие преимущественно из углерода. Сажа способна адсорбировать бенз(α)пирен, в результате чего ее частицы приобретают канцерогенные свойства.

К вредным воздействиям ТЭС следует отнести и выбросы теплоты, приводящие к тепловому загрязнению окружающей среды. Тепловые выбросы ТЭС воздействуют на окружающую среду, меняя микроклимат в районе ее размещения, а при больших концентрациях мощности могут привести к изменению циркуляции воздушных масс, их температуры и влажности.

5.Основные пути, уменьшающие отрицательное воздействие сжигания топлива на окружающую среду

Основные пути, позволяющие существенно уменьшать отрицательное воздействие на окружающую среду при сжигании топлива базируются в основном на совершенствовании технологий подготовки топлива и улавливания вредных отходов. К их числу относятся следующие:

500