Экалогические проблемы производства электроэнергии

Рост серьезных  заболеваний, потеря почвенного плодородия, озера и реки, лишенные рыбы, гибнущие леса - вот лишь немногие печальные  следствия теплоэнергетики. В настоящее  время наиболее эффективным стимулом сокращения объема отходов является регламентация их выбросов в водный и воздушный бассейны Земли.

 Современные тепловые  электростанции представляют собой  комплекс сооружений с блочной  структурой. Основных блоков три:

- топливный блок, обеспечивающий подготовку топлива  к его сжиганию для получения  тепловой энергии;

- тепловой блок, включающий в себя парокотельный  агрегат со всеми устройствами  по его питанию горячим топливом, воздухом, водой и системами парообразования,  конденсации, удаления топочных  газов и шлаков (золы), а также  паровую или газовую турбину;

- электрический  блок, в состав которого входят  трансформатор, распределительные  устройства и другое вспомогательное  электрическое оборудование (воздушные  и масляные выключатели и т.  д.), линии электропередачи.

 Блочная конструкция  обеспечивает рациональное размещение оборудования, пароводяных и электрических связей и других коммуникаций.

 Турбина и генератор,  располагающиеся соответственно  в конце второго и начале  третьего блоков, образуют единый  комплекс, так называемый турбогенератор. Именно в нем механическая энергия вращения превращается в электрическую.

 Тепловые электростанции  оказывают отрицательное воздействие  на природную среду. Отметим  прежде всего то, что ТЭС в  ходе своей работы, независимо  от вида используемого топлива,  сжигают кислород атмосферы, содержание которого в связи с загрязнением мирового океана нефтью, и сведением влажных тропических лесов медленно, но неуклонно уменьшается.

 Тепловые электростанции  ежегодно выбрасывают в отвалы 50 - 70 млн т золы. Под эти отвалы  на каждой станции отводится, а значит, изымается из полезного пользования от 500 до 1000 га земли. Кроме того, многочисленные золоотвалы становятся источниками загрязнения почвенных вод. Использование зольных шлаков в производстве строительных материалов могло бы не только дать ощутимый экономический эффект, но и улучшить экологическую обстановку.

 Как уже упоминалось,  предприятия теплоэнергетики потребляют  огромное количество пресной  воды. Так, для производства электрической  и тепловой энергии в России  в 1993 г. было использовано 32,4 млрд м3 воды: на многих ГРЭС нет оборотного водоснабжения. Большая часть воды расходуется на охлаждение. Сбрасываемая обратно в водоемы, она приводит к их тепловому загрязнению, что оказывает неблагоприятное влияние на флору и фауну: содержание кислорода в воде уменьшается. Хотя сама вода на 89% состоит из кислорода, для дыхания водных организмов пригоден только растворенный в воде кислород, а его растворимость понижается с ростом температуры (при температуре 10 °С вода может растворить только 11 мг О2 на литр). Снижение содержания растворенного в воде кислорода создает условия для эвтрофикации водоемов. Большое количество воды идет в системы гидрозолоудаления ТЭС и ТЭЦ, использующих твердое топливо (уголь, торф, сланцы), после которых загрязненные воды опять сбрасываются в водоемы; К такому же результату приводят периодические промывки и регенерация фильтров систем золоудаления.

 Сточные воды  теплоэлектростанций загрязнены  легко окисляющимися (т. е. расходующими  кислород), а также токсичными  веществами, в том числе солями тяжелых металлов, которые накапливаются в иле, попадают в организмы рыб и через цепи питания - в организмы птиц, других животных и человека, становясь причиной тяжелых заболеваний.

 Сброс сточных  вод тепловыми электростанциями России в 1993 г. составил 28,5 млрд м3, в том числе загрязненных - 1,32 млрд м3. Из этого количества загрязненных вод только 12% явились нормативно очищенными.

 Но, пожалуй, наибольшему  загрязнению при работе тепловых  электростанций подвергается воздушный бассейн Земли, причем некоторые загрязнения приводят к глобальным отрицательным экологическим последствиям.

 Большое количество  летучих твердых выбросов (поллютантов)  дают установки обогащения и  брикетирования угля и углеразмольные  агрегаты. Возникающие при этом твердые частицы находятся в воздухе во взвешенном состоянии, как и твердые частицы золы и сажи, уносимые в атмосферу топочными газами. Количество таких диспергированных в воздухе твердых частиц огромно - десятки миллионов тонн.

 Запыление воздуха  повышает отражательную способность атмосферы и становится причиной заметного изменения погоды (похолодания) в зоне действия указанных выбросов, более частых дождей и туманов.

 Даже будучи  инертными, твердые частицы загрязняют  листовую поверхность растений, нарушая их нормальное функционирование, запыляют различные сооружения и механизмы, на очистку которых требуются значительные средства. Насыщенный пылью воздух вызывает болезни дыхательных путей.

 Основными техногенными  поллютантами являются диоксид  углерода, диоксид серы и оксиды азота

 Рассмотрим, в  первую очередь, экологические  последствия выбросов в атмосферу  диоксида углерода (углекислого  газа).

 Как известно, углерод является молекулярным  остовом живой материи на Земле  и поступает в живые системы  продуцентов в процессе фотосинтеза, в результате которого происходит превращение углекислого газа в различные органические соединения. Возникший в ходе длительной эволюции биогеохимический круговорот углерода или углекислого газа (левая часть рис.), а также других важных биогенных элементов и веществ, обеспёчивает устойчивое функционирование биосферы. Основным природным источником углекислого газа в атмосфере являются извержения вулканов. В течение сотен миллионов лет биота Земли приспособилась к этим природным выбросам, выводя их "излишки" из атмосферы за счет биохимических процессов.

 Углекислый газ,  нормальное содержание которого  в воздухе составляет 0,03% (по объему), является главным "утеплителем"  планеты, обеспечивающим теплоизоляцию  Земли, т. е. среднегодовую температуру у ее поверхности около 15°С и благоприятные условия для функционирования всех живых организмов.

 Антропогенные  выбросы углерода и диоксида  углерода в атмосферу, обусловленные на 90% сжиганием ископаемого топлива (правая часть рис.), за короткий срок на два порядка превысили по объему природные, что оказалось на пределе адаптационных и буферных способностей биосферы. 

Увеличение концентрации СО2 в атмосфере оказывает большое влияние на климат, изменяя тепловой баланс планеты и усиливая так называемый парниковый эффект: происходит повышение среднегодовых температур на земном шаре (согласно некоторым прогнозам, возможно увеличение температуры воздуха у поверхности на 5° к 2025 г.), что чревато нарушением биологических ритмов развития растений, наступлением длительных периодов неурожаев сельскохозяйственных культур, расширения зон пустынь, повышением уровня мирового океана и затоплением значительных площадей земли. По мнению многих ученых, антропогенный парниковый эффект - одна из главных экологических проблем ближайшего времени,

 Хотя существуют  и другие причины усиления  парникового эффекта, необходимость  сокращения техногенных выбросов  СО2 в атмосферу безусловна, в частности, за счет сокращения удельного веса горючих ископаемых и развития альтернативных источников электрической энергии.

 Выбросы сернистого  газа и оксидов азота тепловыми  электростанциями в значительной  степени являются причиной образования  кислотных осадков - другой глобальной, наряду с парниковым эффектом, экологической проблемы в настоящее время.

 Техногенные выбросы  сернистого газа в атмосферу  в последние годы составили  100 млн т в год, 60% этих выбросов  дает сжигание угля, 30% - сжигание  нефтепродуктов, в частности, мазута. В России выбросы сернистого газа составляют около 40% всех вредных техногенных выбросов .

 При сгорании  угля или нефтепродуктов, содержащих  серу, в атмосферу с топочными  газами через трубы котельных  установок поступает сернистый газ. Этот газ, взаимодействуя с водяными парами, образует сернистую кислоту, которая во влажном воздухе окисляется до серной кислоты. Другой путь образования серной кислоты из сернистого газа - его фотохимическое окисление до серного ангидрида с последующим растворениём во влаге воздуха. Аэрозоли сернистой и серной кислот насыщают облака и приводят к кислотным дождям. Кроме того, при сжигании угля образуются частицы сульфатов металлов, некоторые из них легко растворяются в воде и становятся причиной возникновения кислотных рос и туманов. Техногенные выбросы оксидов азота в атмосферу достигают 70 млн т в год. Из этого количества 30% дают тепловые электростанции, причем наибольшее количество выбросов МОХ дает сжигание нефтепродуктов (около 50%). Оксиды азота, присутствующие в топочных газах, взаимодействуя с водяным паром атмосферы, образуют азотистую или азотную кислоты.

 Таким образом,  в районе расположения тепловых  электростанций образуются кислотосодержащие  облака, которые воздушными течениями  переносятся на большие расстояния и становятся источниками кислотных осадков. В настоящее время кислотные дожди и снег выпадают в Европе и Северной Америке на площади порядка 10 млн км2.

 Выбросы углеводородов  при сжигании нефтепродуктов  в ходе сложных реакций при специфических условиях состояния атмосферы приводят к образованию фотохимического смога.

 Следует заметить, что природный газ - наиболее  чистое ископаемое топливо, при  его сжигании образуются лишь  оксиды азота, которые достаточно  легко исключить из выбросов соответствующей технологией сжигания газа.

 Кислотные осадки  оказывают значительное отрицательное  воздействие на живую природу,  в том числе и на человека.

. Наиболее очевидно  такое влияние на пресные водоемы.  Повышение кислотности воды, выщелачивание тяжелых металлов из природных пород и, как следствие, интоксикация воды нарушают репродуктивные процессы водной биоты, приводя к гибели рыб, а через цепи питания - птиц и животных суши. Кислотные дожди уже привели к резкому снижению продуктивности 2500 озер Швеции. По той жё причине в одной трети из 5000* озер Норвегии полностью исчезла рыба.

 Кислотные осадки  вызывают закисление почвы, приводят  к потерям урожаев сельскохозяйственных  культур, гибели лесов. Так,  например, ущерб от кислотных  дождей в Европе оценивается в 118 млн м3 древесины в год (из них 35 млн м3 приходится на европейскую территорию России).

 Присутствие кислотных  аэрозолей и сульфатов тяжелых  металлов в воздухе увеличивает  число аллергических заболеваний  дыхательных органов, становится  причиной роста онкологических болезней.

 Вдыхание влажного  воздуха, содержащего диоксид  серы, особенно опасно для людей,  страдающих сердечно-сосудистыми  заболеваниями. Возникающая при  определенных условиях состояния  атмосферы температурная инверсия (холодные слои воздуха располагаются ниже теплых) способствует увеличению концентрации вредных выбросов до критических уровней, что приводит к трагическим последствиям. Так, более 4000 смертей во время лондонского тумана 1952 г. было отнесено за счет повышенного содержания во влажном воздухе окислов серы и сульфатных частиц. Аналогичная трагедия произошла в феврале 1979 г. в Японии, во время которой было зарегистрировано более 70 000 респираторных и астматических заболеваний, причем многие с летальным исходом.

 Международными соглашениями установлены критические нормы выбросов оксидов серы и азота, ниже которых эффект воздействия на наиболее чувствительные компоненты экосистем не обнаруживается, а также ряд рекомендаций по снижению этих выбросов. Они включают в себя изменение структуры энергетики, более широкое использованиё альтернативных источников энергии, переход на топливо с низким содержанием серы и совершенствование технологии очистки топлива.

 Применяемые в  настоящее время физические и  химические методы очистки угля от серы либо малорентабельны, либо технически сложны.

 Для смягчения  экологической обстановки, создаваемой  выбросами электростанций, необходимо  повысить степень очистки дымовых  газов, используя в частности,  различного рода фильтры - электрические,  уменьшающие выбросы твердых частиц почти на 99%, воздушно-вакуумные, жидкие (скрубберы).

 Вредное воздействие  кислотных осадков, образующихся  в результа-1е выбросов сернистого  газа, на экосистемы и на человека  показано на рис.