1.3. Вплив теплоенергетики на природне середовище

Об’єкти теплоенергетичної галузі завжди функціонують у мінливих умовах природного середовища і самі здійснюють на нього різноманітні впливи, які супроводжуються багатьма важко передбачуваними і не завжди зворотними наслідками.

Основними об’єктами теплоенергетики є теплові елект­ростанції на органічному паливі (ТЕС). При спалюванні твер­дого, рідкого і газоподібного палива на ТЕС уся його маса перетворюється у відходи, причому продукти згорання в кілька разів перевищують масу використаного палива за рахунок вклю­чення азоту і кисню повітря. При спалюванні палив утворяться різні продукти згорання, такі як оксиди вуглецю СО_х, оксиди сірки S0_х, оксиди азоту МО_х, поліциклічні ароматичні вугле­водні, мазутна зола, зола твердого палива та ін. (табл. 1).

Таблиця 1.1

Питомі викиди шкідливих продуктів згоряння при факельному спалюванні органічних палив в енергетичних котлах

Викиди	Природний газ, г/м3 газу	Мазут, кг/т мазуту	Вугілля, кг/т вугілля
Оксиди сірки	0,006–0,01	–21 8Р	(17–19)SР
Оксиди азоту	5–11	5–14	4–14
Монооксид вуглецю	0,002–0,005	0,005–0,05	0,1–0,45
Вуглеводні	0,016	0,1	0,45–1,0
Диоксид вуглецю	2 000	–3 000	2 200–3 000
Летуча зола і шлак	—	10АР	10АР

Примітка. S^Р, А^Р – відповідно вміст сірки і золи на робочу масу палива, %.

Потім вони викидаються в атмосферу і розсіваються в ній за допомогою димарів. Теоретичне обґрунтування розсіювання (припустимо на якійсь території – К) є складною задачею, тому нами пропонується модель розсіювання шкідливих викидів у зоні факелу труби за статистичною (гаусовою} теорією де на рис. 1 представлена система координат, яка демонструє гаусове розподілення частинок шкідливих викидів по горизонталі і вертикалі. Відповідно рівнянню [71] (формула 1.8) фракції частинок з відхідними газами розсіваються та осідають на полях агропромислового комплексу.

У системі декартових координат, що використовуються нами для виконання розрахунків за гаусовою моделлю розсіювання, передбачається, що вісь х збігається з горизонтальним напрям­ком поширення струменю уздовж середнього вітру. Вісь z спря­мована вертикально. Поширення струменю (рис. 1.1) здійсню­ється уздовж або паралельно напряму осі х.

Р ис. 1.1. Система координат, що демонструє гаусів розподіл шкідливих викидів у атмосфері під факелом труби на тес

До того ж форма струменя (рис. 1.1) показує гаусовий розпо­діл частинок усередині струменя, де овальні фігури перети­наються зі спрощеною формою струменя.

У зазначених овалах відхідного факелу із труби представлені профілі концентрацій викидів забруднюючих шкідливих речовин.

Для обґрунтування розсіювання шкідливих речовин у атмосфері, які поступають від димарів ТЕС нами пропонується класичне рівняння [98]:

(1.8)

де С – концентрація шкідливих речовин, г/м³;

Q – постійна потужність викиду газу із димаря ТЕС, м³/с;

H – висота викидів шкідливих речовин, м;

– висота підйому струменя шкідливих викидів, м;

і – концентрації шкідливих викидів по осям у і z, г/м³;

u – середня швидкість вітру, м/с.

Зазначимо, що потужність викиду Q на висоті Н представ­лена гаусовим розподілом, що записаний у правій частині представленого нами рівняння. Висота Н відповідає положенню осьової лінії струменю для піднятого джерела і дорівнює сумі геометричної висоти труби і підйому струменю Н. Розсіяння повітряного шкідливого струменю описується гаусовим розпо­ділом зі стаціонарними відхиленнями розподілу концентрації (σ) по осям у і z. На представленому нами (рис. 1.1) має місце відображення струменя від поверхні землі, тобто немає осадже­ння або взаємодії струменя з поверхнею, що підстилає. Для опису цього ефекту експонентний член у представленому рів­нянні, що містить z і Н, подвоюється.

Основне положення представленої нами моделі – те, що турбулентність усюди однакова; і – функції розсіювання від джерела; швидкість вітру постійна у всьому шарі поширення струменя; напрямок вітру також не міняється при русі потоку.

В атмосферному повітрі відбувається подальше перетво­рення газоподібних викидів ТЕС, що триває від декількох годин до декількох місяців. Наявність шкідливих газоподібних про­дуктів згорання органічних палив в атмосфері приводить до руйнування озонового шару, утворенню фотохімічних туманів (смогів), корозії металоконструкцій, ерозії ґрунту, знищенню флори, виникненню різних захворювань у людини [182].

Усі паливоспалюючі установки щорічно викидають в атмосферу Землі більш 200 млн т окису вуглецю, 50 млн т різних вуглеводнів, майже 150 млн т двоокису сірки, понад 50 млн т окисли азоту. Можна виділити наступні види забруд­нення навколишнього середовища об’єктами теплоенергетики: викиди в атмосферу у виді пилу, окислів сірки, азоту, вуглецю; тверді відходи (зола, шлак); скидання відпрацьованої води, що містить нафтопродукти, суспензії, розчинні з’єднання металів; теплові низькопотенційні викиди; вплив електромагнітних полів ліній електропередач; шумовий вплив.

Одним із найбільших забруднювачів атмосферного повітря, якого важко позбавитися, є оксиди сірки (SO₂ та у менших кількостях SO₃). Щорічний їх викид у нижні шари атмосфери перевищує 150 млн т, при цьому 60–80 % цієї кількості вики­дається з продуктами згорання палива підприємств енергетичної галузі оксиди сірки, а також кислоти, що утворюються при їх сполученні з водяною парою, шкідливо впливають на людей, викликають руйнування сталевих конструкцій та будівельних матеріалів, зниження прозорості атмосфери, загибель лісів та садових дерев, знижують врожайність сільськогосподарських культур.

Валовий викид оксидів азоту в атмосферне повітря від підприємств теплоенергетичної галузі, наприклад у регіоні Пів­нічного Приазов’я становить 6–8 % загального викиду шкідли­вих речовин в Україні, проте за токсичністю діоксид азоту значно переважає оксиди сірки та вуглецю. Концентрації діок­сиду азоту в 15 мг/м³ викликають подразнення слизової оболон­ки очей, а 200–300 мг/м³ небезпечні вже при недовготривалому вдиханні, оскільки оксиди азоту можуть викликати набряк легенів. Понад 90 % загальної кількості викидів оксидів азоту в усьому світі надходить в атмосферу з продуктами згорання рідкого палива та газу. Однією із найбільш значних груп токсичних речовин, що потрапляють в атмосферне повітря, є продукти неповного згорання палива; оксид вуглецю, альдегіди, органічні кислоти, вуглеводні. Оксид вуглецю являє собою високотоксичну речовину, яка при концентрації у повітрі порядку 1–1,5 мг/м³ викликає отруєння людини, а при 2,4 мг/м³ через 30 хвилин – непритомний стан.

Крім забруднення атмосфери, викиди підприємств тепло­енергетики інтенсивно забруднюють атмосферні опади (за раху­нок розчинення у них окислів сірки і азоту), земну поверхню, ґрунт і рослинність (за рахунок осідання на них пилу і випа­дання забрудненого дощу і снігу), поверхневої води (за рахунок осідання на водні акваторії викинутих у повітря шкідливих речовин і змиву їх у річки і водойми дощовими та талими сніговими потоками). Наслідком такого забруднення земної поверхні є закислення снігового покрову та сільськогосподар­ських земель і накопичення у ґрунтах важких металів з вугільної золи, що уповільнює розвиток лісових біоценозів, зменшує уро­жайність сільськогосподарських культур та забруднює небез­печними для людини сполуками продукти споживання. Най­більш небезпечними у ньому плані є ТЕС, що використовують високозольне та сірчисте вугілля, Після 2001 року відзначено істотне зниження показника кислотності опадів до рН = 6,30 порівняно з рН = 6,52 у 2 000 р. Це порушує тенденцію зрос­тання кислотних опадів. Випадання надмірнокислих опадів спостерігалось на території Північного Приазов’я та в сусід­ньому з Приазов’ям (рис. 1.2) Криму (Нікітський Сад і у самому місті Ялта) [144].