Природоохранные технологии на ТЭС Модуль 1

Введение в экологию энергетики Сущность экологического аспекта в энергетике. Требования к экологически чистой тэс. Понятия и определения

Современная технократическая цивилизация в процессе своего развития меняет облик Земли, и это обстоятельство не может не обратить на себя внимание. Увеличение глобальных катастроф в виде кислотных дождей и утонения озонового слоя [1], образование цунами на побережье Тихого океана и ураганных ветров на территории США, возникновение парникового эффекта над территорией центральной Европы и Северной Америки и другие подобные явления заставляют человека пристальнее взглянуть как на среду обитания, так и на свою деятельность в ней. Ведь человек в процессе своей жизнедеятельности вступает в непосредственный контакт с окружающей природой. При этом участие и вмешательство человека в природу не всегда благотворно сказывается как на природе, так и, подчас, на самом человеке. В этой связи взаимодействие человека с окружающей средой (средой обитания) представляет непосредственный интерес.

Так что же такое среда обитания?

Среда обитания - это не что иное, как часть природы, которая окружает человека и с которой он непосредственно взаимодействует. При этом различают четыре среды обитания:

• водная;

• наземно-воздушная;

• почва;

• живые организмы.

В целом же влияние человека на окружающую среду, которая характеризуется совокупностью физических, химических и биологических факторов, способных при определенных условиях оказывать прямое или косвенное, немедленное или отдаленное воздействие на деятельность или здоровье человека, удобнее всего рассмотреть на примере практической деятельности человека. То есть на примере его активного и целенаправленного воздействия на окружающую среду, ведь человек - это активная часть природы. Добиваясь своих целей, он использует природу, воздействует на нее, преобразует ее и себя. Без преувеличения можно сказать, что самым важным и самым интересным для человечества кругом вопросов являются вопросы о возможностях человека в его отношениях с природой, о способах реализации этих возможностей, о факторах, способствующих и препятствующих расширению этих возможностей. Даже основной вопрос философии - о соотношении материи и сознания - принадлежит именно к этому кругу вопросов.

В соответствии с положениями о системности деятельности человека [2], всякое наше осознанное действие преследует определенную цель, при этом во всяком действии легко увидеть его составные части, более мелкие действия. Например, для получения электроэнергии необходимо прежде создать оборудование для ее производства, затем электростанцию, затем добыть топливо и доставить его к месту потребления, а следовательно нужны транспортные коммуникации. Для использования электроэнергии необходимо создать строго определенное количество потребителей и обеспечить к ним доставку электроэнергии линиями электропередач и распределительными устройствами. Легко убедиться, что все эти составные части должны выполняться не в произвольном порядке, а в определенной последовательности. Именно эта определенная и подчиненная цели взаимосвязанность составных частей является признаком системности.

Однако системность взаимодействия человека со средой проявляется не только в достижении человеком поставленной цели. Среда при этом претерпевает изменения, которые, в свою очередь, не всегда благоприятны для человека. В этом случае возникает понятие экологической системыилиэкосистемы. То есть такой природной системы, в которой живые организмы (в том числе и человек в рамках рассматриваемого вопроса) и среда их обитания объединены в единое функциональное целое через обмен веществ и энергии и тесную причинно-следственную взаимосвязь всех слагающих компонентов [3].

В соответствии с изложенными положениями взаимосвязь человека со средой обитания можно представить следующим образом. Человек, преследуя собственные цели, организовывает производство какого-либо продукта, рис. 1 [4]. Производство потребляет ресурсы, выдает требуемую продукцию и оказывает вредное воздействие на окружающую среду. При этом под вредным воздействием понимают такой процесс обмена веществом и энергией, в результате которого происходят количественные и качественные изменения компонентов природной среды, превышающие предельно допустимые нормативы, определяемые интенсивностью, степенью и опасностью воздействия.

Под интенсивностью понимают величину нарушения или загрязнения окружающей среды в единицу времени [3].

Рис. 1. Взаимосвязь человека со средой обитания

Под степенью понимают относительную величину поступления загрязняющих веществ в природную среду от общего объема выделившихся веществ в виде выброса, а также нарушенность компонента среды в зависимости от общей его площади и количества [3].

Под опасностью понимают (в соответствии с [3]) относительную единицу соотношения между реальной (фактической) интенсивностью воздействия и нормативной. Нормативами при загрязнениях являются предельно допустимые выбросы в атмосферу (ПДВ) и предельно допустимые сбросы в гидросферу (ПДС). Опасность воздействияjопределяется по отношению

,

где J- интенсивность воздействия.

При j>1 опасность воздействия существует, приj<1 технологический процесс не воздействует на природную среду.

Однако предложенная иллюстрация (рис.1) не в полной мере раскрывает взаимосвязь человека со средой. Более детальное представление причинно-следственных связей системы “человек - окружающая среда” предложено на рис.2, где интересы человека представлены и учитываются в виде интересов общества в целом. Это связано с тем, что именно социум является заказчиком тех производств, которые в наибольшей степени меняют облик среды и планеты в целом (в том числе и в связи с вредным воздействием). В первую очередь к ним относятся энергетика, металлургия, химическая промышленность и транспорт.

Человек, рис.2, направляет свои усилия на природу, чтобы получить ископаемые, которые являются сырьем для его деятельности. Сырье попадает в общество и распределяется по производствам. В результате общество получает необходимый продукт, но, при этом, и вредное воздействие, как от самого продукта, так и от отходов производств. Вредное воздействие испытывает также и природа, что опять-таки отражается на человеке: уменьшение природных продуктов питания, увеличение заболеваний (от хронических простудных до генетических и даже мутаций) и т.п. При этом по возможному воздействию на среду выделено четыре сферы воздействия:

1) атмосфера(внешняя газообразная оболочка Земли с постоянно убывающей концентрацией газов до высоты 1100...1400 км):

• 

  Рис.2. Причинно-следственная взаимосвязь системы “человек - окружающая среда”

  потребление кислорода (в основе современных энергообеспечивающих, металлургических, химических, транспортных технологий лежат процессы горения);

• выброс газов и твердых частиц, полученных при горении;

• тепловое воздействие;

• электромагнитное воздействие;

• ионизация;

2. 

   Рис.3. Укрупненная схема взаимодействия ТЭС с окружающей средой (без учета биосферы): К – котел; Т – турбина; Г – электрогенератор; Р – регенерации система; МО – маслоохладители; ТР – трансформаторные подстанции; ЛЭП – линии электропередач

   литосфераилиземная кора(твердая внешняя оболочка Земли средней условной мощностью 16 км, включающая и почвенный слой вместе с биоценозом):

• потребление ископаемых;

• выброс на поверхность почвы твердых частиц и жидких стоков;

2. гидросфера(прерывиста водная оболочка Земли, включающая поверхностные и подземные воды):

• загрязнение жидкими стоками отходов производств, “кислотных дождей” и т.п.;

• тепловое воздействие с охлаждающей водой;

• радиоактивное воздействие (от АЭС);

2. биосфера, кроме человека, так как интересы человека учитываются интересами социума (нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы Земли, населенная живыми существами):

• потребление неископаемых видов энергоносителей (щепа, дрова);

• нарушение биоценозов (биоценоз– это организованная группа популяций растений (фитоценоз), животных (зооценоз) и микроорганизмов (микробоценоз), живущих во взаимодействии в одних и тех же условиях среды);

• миграции и вымирание животных и растений от различного рода воздействий на них.

Предложенный рисунок (рис.2) показывает многообразие связей экосистемы “человек - окружающая среда” и дает более подробное представление о деятельности человека на Земле по сравнению с предыдущим (рис.1).

Таким образом рассмотрена экологическая сторона развития энергетики, да и цивилизации в целом. Можно видеть, что экологические проблемы развития возникают лишь, когда деятельность человека по отношению к природе приводит к получению вреда самим человеком.

Экологические требования к ТЭС [130] Таблица 1

Наименование выброса	Показатель по типу угля
	КАУ	Кузнецкий	АШ	Экибастуз
зола*, г/м3	0,05	0,05	0,05	0,1
SO2*, г/м3	0,2...0,3	0,2...0,3	0,2...0,3	0,2...0,3
NO2*, г/м3	0,15...0,2	0,15...0,2	0,15...0,2	0,15...0,2
неочищенные жидкие стоки	отсутствуют
доля золы и др. твердых отходов, пригодных к использованию в народном хозяйстве	80%	80%	80%	80%

* при коэффициенте избытка воздуха =1,4

Рис.4. Материальный баланс топлива, отходов и выбросов угольной ТЭС мощностью 2400 МВт на антрацитовом штыбе

Тем не менее, уровень загрязнений на сегодня настолько высок, что возникает необходимость введения ограничений на человеческую деятельность по вредному воздействию на окружающую среду. В частности, для экологически чистых пылеугольных электростанций современные требования формулируются следующим образом, табл.1.

Требования приведены в соответствие международным и являются ориентиром для проектирования нового поколения станций.

На рис.3 показана типовая схема взаимодействия современной ТЭС со всеми сферами окружающей среды. Из рисунка видно, насколько велико и многообразно воздействие ТЭС на среду. О масштабности этого воздействия можно судить по рис.4, на котором показан материальный баланс топлива, твердых отходов и газовых выбросов угольной ТЭС 2400 МВт на антрацитовом штыбе (высококалорийное топливо с низким выходом летучих) при часовом выбросе дымовых газов в объеме 8 млн. м³, с эффективностью золоулавливания 99%.

Учитывая огромный ущерб, причиняемый как окружающей среде, так и человеку, санитарным законодательством промышленно развитых стран установлены предельно допустимые концентрации(ПДК) веществ, загрязняющих воздух, водоемы и почву. Для каждой стран уровни ПДК свои. Единые международные стандарты до сегодняшнего дня не выработаны. Тем не менее, большинство стран (такие как Германия, Великобритания, Дания, Голландия, Италия, Венгрия, Польша, Россия, Норвегия, Финляндия и т.д.) повсеместно стремятся к снижению вредных выбросов и ужесточению требований к предприятиям загрязняющим окружающую среду.

ПДК – это норматив концентрации химического соединения, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не приводит к каким-либо патологическим изменениям в состоянии здоровья человека, а также не нарушает биологического оптимума для человека.

ПДК вредных веществ(т.е. веществ, которые при контакте с организмом человека могут привести к производственной травме, профессиональным заболеваниям или отклонениям в состоянии здоровья, либо химическое вещество, вызывающее нарушение в росте, развитии или состоянии здоровья организмов, в том числе в цепи поколений) устанавливаются в воздухе рабочей зоны, атмосферном воздухе и в воде водных объектов.

ПДК_РЗ– предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны, мг/м³.

ПДК_МР– максимально разовая концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, мг/м³.

ПДК_СС– среднесуточная предельно допустимая концентрация (т.е. концентрация загрязнителя в воздухе не оказывающая на человека прямого или косвенного вредного воздействия при круглосуточном вдыхании), мг/м³.

ПДК_В– предельно допустимая концентрация вредных веществ в воде водоемов, мг/дм³.

Кроме того, устанавливается ПДК химических веществ в почвах.

Большинство современных электростанций вынуждены работать в условиях фоновых загрязнений, создаваемых как другими предприятиями, так и собственно средой района функционирования. При этом фоновым загрязнениематмосферного воздуха считается загрязнение без учета выбросов рассматриваемого предприятия. Поэтому при изучении выбросов конкретной ТЭС следует учитывать фоновое загрязнение по каждому ингредиенту.

По степени опасности (токсичности) различают четыре класса веществ: 1 – чрезвычайно опасные; 2 – опасные; 3 – умеренно опасные; 4 – относительно безопасные.

Для каждого из выбрасываемых веществ должно соблюдаться условие:

,

где с_i– приземная концентрацияi-го вещества, мг/м³; ПДК_i – значение ПДКi-го вредного вещества.

Значения ПДК некоторых веществ даны в табл.2. В табл.3 показано влияние загрязнений атмосферного воздуха на состояние здоровья человека.

Значение предельно допустимых концентраций вредных

веществ в атмосфере воздуха Таблица 2

Загрязняющее вещество	ПДКМ.Р., мг/м3	ПДКС.С., мг/м3	Класс опасности
Зола ТЭС	0,05	0,02	2
Сажа	0,15	0,05	3
Окислы серы	0,5	0,05	3
Диоксид азота	0,085	0,04	2
Оксид азота	0,6	0,06	3
Оксид углерода	5	3	4
Пентаксид ванадия	-	0,002	1
Бенз(а)пирен, С20Н16	-	0,1 мкг/100 м3	1
Аммиак, NH3	0,2	0,04	4
Сероводород, H2S	0,008	-	2

Влияние загрязнений атмосферного воздуха

на состояние здоровья человека Таблица 3

Загрязнение	Повышение смертности и обращаемости в больницы (среднесуточная концентрация)	Ухудшения состояния пациентов с легочными заболеваниями (среднесуточная концентрация)	Ухудшение дыхательных симптомов (среднегодовая концентрация)	Изменение видимости, ощущение дискомфорта (среднегодовая концентрация)
SO2 мг/м3	0,5	0,5…0,25	0,1	0,08
Зола, мг/м3	0,5	0,25	0,1	0,08

Совместное присутствии ряда вредных веществ в атмосферном воздухе может усиливать их токсичность. Такие вещества называют веществами однонаправленного действия и при их одновременном содержании в атмосфере должно выполняться условие (требование введено Минздравом России):

,

где с₁,с₂ис_n– концентрации вредных веществ однонаправленного действия, мг/м3; ПДК₁, ПДК₂и ПДК_n– соответствующие значения ПДК этих веществ в атмосфере, мг/м³.

Топливный цикл и его техногенное воздействие на среду обитания

Топливный цикл(ТЦ) – это последовательность производственно-технологических процессов в топливно-энергетическом комплексе, начиная от добычи топлива, включая производство энергии и заканчивая удалением отходов. Как правило, топливный цикл включает в себя следующие стадии:

• начальную (добыча, переработка и транспортирование топлива);

• основную (производство энергии в виде теплоты или электричества);

• заключительную (транспортирование и переработка топлива и отходов, удаление отходов).

Каждая из названных стадий включает в себя целую технологическую цепь взаимосвязанных процессов. При этом любое звено цепи, в свою очередь оказывает воздействие не только на весь ТЦ, но и на среду обитания. Так, например, добыча топлива включает разведку, разработку и выход на промышленную добычу, а, затем, закрытие шахты (угольного разреза, нефтяной или газовой скважины). При этом в процессе добычи, на каждом из его этапов воздействие на окружающую среду может быть угрожающим для биосферы целого региона. В качестве иллюстрации можно привести пример, когда гусеничные вездеходы геологоразведки нарушили моховой (ягельный) покров тундры, который в свою очередь, является кормом для оленей. В результате этого оленьи стада вынуждены были перекочевать в другие районы.

Полностью исключить воздействие топливного цикла на окружающую среду нельзя. Однако уменьшить влияние всех стадий топливного цикла путем применения природоохранных технологий, обеспечивающих заданную экологическую чистоту производства, вполне достижимо.

В табл.1 и табл.2 представлена доля ТЦ в воздействии на окружающую среду и прогнозируемая динамика этого воздействия.

Доля ТЦ в воздействии на окружающую средуТаблица 1

Факторы	Предприятия ТЦ, %	Из них электротеплоэнергетика, %
Тепличные газы	36	33,5
Токсичные газы и зола	44	28
Отчуждение земель	10,5	9,4
Забор свежей воды	25,5	24,5
Сброс сточных вод	36	33,5

Динамика воздействия ТЦ на окружающую средуТаблица 2

Выбросы	1990 г.	2000 г.	2010 г.
Выбросы кислотных газов и золы, млн.т	17,3	13,5…14,0	11…12
В том числе: оксид серы оксиды азота зола	7,7 4,5 5,1	6,7…7,2 3,8…4,3 2,5…3,0	6,3…6,6 3,2…3,6 1,5…1,8

Техногенное воздействиеТЦ (или технологических процессов вообще, в самом широком смысле слова) на окружающую среду – это форма взаимосвязи технологических и природных ресурсов, т.е. такой процесс обмена продуктами комплексной жизнедеятельности человека (веществом и энергией) с природными компонентами, при котором происходят качественные и количественные изменения компонентов природной среды. При этом особую озабоченность вызывает такое воздействие на среду, при котором происходит превышение предельно допустимых нормативов воздействия.

В рамках техногенного воздействия различают также антропогенную деятельность человека– такой вид деятельности, при котором происходит изменение состава и режима атмосферы, рек, морей, океанов, а также почв при загрязнении их продуктами технологии и радиоактивными веществами. Другими словами – это такой вид деятельности, который приводит к нарушению состава экосистемы.

В этой связи одной из основных, загрязняемых действием ТЭС, сфер природы является атмосфера (внешняя газообразная оболочка земли с постоянно убывающей концентрацией газов до высоты 1100…1400 км). Состав сухого атмосферного воздуха у поверхности Земли представлен в табл.3.

Состав сухого атмосферного воздухаТаблица 3

Газы атмосферы	Содержание, об.%	Газы атмосферы	Содержание, об.%
Азот, N2	78,09	Криптон, Kr	10-4
Кислород, O2	20,95	Водород, H2	510-5
Аргон, Ar	0,93	Полуоксид, N2O	510-5
Углекислота, CO2	0,03	Ксенон, Xe	810-6
Неон, Ne	810-3	Озон, O3	10-6
Гелий, He	5,2410-3	Рений, Rn	610-18

Количество водяного пара колеблется от 0,1 до 2,8 об.% в зависимости от сезона, климата и погоды.

К особенностям, определяющим состав атмосферы, относятся ее активное влияние на биосферу, обменная связь с литосферой, односторонняя связь с мировым пространством (постоянный уход газов из атмосферы) и постоянные процессы внутреннего горизонтального и вертикального перемещения (ветры), кроме того, в атмосфере постоянно происходит неуправляемое перемещение воздуха, обусловленное турбулентностью атмосферы (атмосферная диффузия). Важным источником (поставщиком) газов служат вулканические извержения, процессы “дыхания Земли” (микрогазовые выделения, радиоактивный распад и др.). Живые организмы способствуют изменению состава атмосферы (например перерабатываютСО₂вО₂). Все эти явления характеризуют естественный или природный состав атмосферы.

Важным составляющим элементом атмосферы является озонный экран(илиозоносфера) – находящаяся на высоте 10…50 км атмосферная зона с максимальным количеством озона. Своему существованию обязана деятельности фотосинтезирующих растений (выделение кислорода) и действию на кислород ультрафиолетовых лучей: 3О₂+285 кДж=2О₃. Защищает все живое от губительного действия этих лучей.

Антропогенная деятельность человека оказывает существенное влияние на состав атмосферы, особенно в местах крупного сосредоточения промышленных объектов (в основном города с сильно развитой промышленной инфраструктурой) и транспорта. Здесь, в результате функционирования этих производств, выделяется большое количество СО,СО₂,NO_X, оксидов серы, формальдегидов, бенз(а)пирена, свинца и многих других (в зависимости от характера производства – практически все элементы таблицы Менделеева). При этом уровень вредных выбросов от антропогенной деятельности становится так велик, что приближается и превышает уровень глобальных естественных вредных компонентов, поступающих в атмосферу, табл.4.

Соотношение между естественным и антропогенным

происхождением некоторых компонентов вредных

веществ, поступающих в атмосферу Земли Таблица 4

Компонент	Естественное происхождение, т/год			Антропогенное происхождение, т/год
	1970 г.	1995 г.	2000 г.	1970 г.	1995 г.	2000 г.
СО2	71010			1,51010
СО	-			2108
Сернистый газ	1,42108	100107		1,03108	65107
NOX	1,4109	30107		6,5107	25107
Пыль	(0,77…1,2)109				2108

Соотношение между глобальным выбросом естественного

и антропогенного происхождения наиболее токсичных веществ Таблица 5

Вещество	Естественные выбросы, тыс.т/год	Антропогенные выбросы, тыс.т/год
		Всего	В том числе ТЭС
Мышьяк	7,8	23,66	0,55
Кадмий	0,83	6,71	0,06
Ртуть	25,47	12,55	0,7
Свинец	24,52	441,02	14,0

Загрязнение атмосферы различными отраслями промышленностиТаблица 6

Отрасль промышленности	Поступление вредных веществ в атмосферу, %
ТЭС и котельные	27
Черная металлургия	17
Цветная металлургия	10
Нефтедобыча и нефтехимия	16
Автомобильный транспорт	12
Промышленность строительных материалов	5
Угольная промышленность	2,5
Химическая промышленность	1,5
Прочие	9
Всего	100

А соотношения между глобальными выбросами естественного и антропогенного происхождения наиболее токсичных веществ показывает на значительное превышение антропогенного уровня над естественным. Это наглядно видно из табл.5.

Роль предприятий различных отраслей промышленности нашей страны (в том числе и ТЭС) в загрязнении атмосферы представлена в табл.6. Как видно из представленных данных основную роль в загрязнении атмосферы играют технологические процессы на базе органического топлива (ТЭС, металлургия, автомобильный транспорт) и составляют около ? суммарных вредных выбросов промышленности. Доля выбросов отдельных отраслей непостоянна и зависит главным образом от двух факторов: с одной стороны, от темпов роста промышленного производства и с другой – от мер по снижению выбросов на действующих и строящихся предприятиях. Например, в последние годы имеет место не только абсолютный, но и относительный рост загрязнений атмосферного воздуха выхлопными газами автомобилей.

Воздействие технологических процессов или техногенное воздействие на окружающую среду весьма разнообразно и по уровню распространения носит различный характер:

• локальный (на расстоянии вокруг технологического объекта до нескольких единиц и десятков километров);

• региональный (расстояние воздействия достигает сотен и тысяч километров);

• глобальный (воздействие оценивается в масштабе полушария или земного шара).

В локальной зоненаблюдаются максимальные приземные концентрации, значения которых не должны превышать нормативных. Такими нормативами являются предельно допустимые концентрации (ПДК) или выданные квоты от ПДК – предельно допустимые выбросы в атмосферу (ПДВ) или сбросы в гидросферу (ПДС). Соблюдение нормативов может быть обеспечено:

• выбором соответствующего места расположения технологического объекта;

• мощностью объекта;

• использованием экологически приемлемого оборудования;

• применением эффективных способов очистки вредных выбросов и сбросов;

• рассеиванием в атмосфере остаточных выбросов с помощью источника рассеивания.

Региональноезагрязнение определяется условиями:

• фоновых концентраций;

• удельных техногенных нагрузок на окружающую среду;

• трансграничным переносом выбросов.

В соответствии с конвекцией, принятой в рамках Европейского экономической комиссии ООН о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния страны СНГ уже в 1993 г. в целом выполнили свои обязательства по сокращению выбросов сернистого ангидрида на 30% к уровню 1980 г. и стабилизировали к 1994 году выбросы азота на уровне 1987 года.

Глобальноевоздействие определяется:

• изменением климата планеты вызванного нарушением радиационного теплового баланса Земли в результате накопления продуктов сгорания органического топлива в атмосфере и усиления парникового эффекта;

• воздействием техногенных процессов на озоновый слой планеты;

• уменьшением дебита пресной воды;

• увеличенным водопотреблением на технологические нужды, т.е. загрязнение сбрасываемой воды, ее тепловое и микробиологическое воздействие на водоемы;

• уменьшение площади плодородных почв на планете;

• снижение рыбных запасов, запасов флоры и фауны в целом.

Ежегодно в земную атмосферу выбрасывается 100 млн. т газообразных оксидов серы и 30 млн. т оксидов азота за счет естественных выделений и соответственно 65 млн. т и 25 млн. т антропогенных выбросов, т.е. уровень антропогенных выбросов приближается к глобальным естественным выбросам оксидов серы и азота, табл.4. А выброс диоксида углерода (СО₂), способствующего возникновению парникового эффекта (в создании парникового эффекта вклад диоксида углерода оценивается примерно в 65%, метана – примерно 20%, оксида азота – 5%, а остальное составляют другие компоненты, включая хлор и фторуглеводороды), только в странах СНГ в 1990 г. составил 694,5 млн. тонн.

В силу масштабности экологических проблем топливных циклов в целом в дальнейшем ограничимся рассмотрением природоохранных мер только в процессах производства тепловой и электрической энергии на ТЭС.