Экологические проблемы энергетики

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра: «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника»

ДОКЛАД

Экологические проблемы энергетики

Выполнил: Е.Е. Вороницкий

МИНСК 2005

Основу жизни человека составляет окружающая природная среда, а основу современной цивилизации ископаемые природные ресурсы и вырабатываемая из них энергия, включая самый технологичный ее вид электроэнергию.

Промышленное производство электрической и тепловой энергии сопровождается крупномасштабным материальным и энергетическим обменом с окружающей средой, имеющим своим следствием отрицательное воздействие на нее и, следовательно, вызывающим необходимость ее защиты. Иначе говоря, электроэнергетика порождает свои экологические проблемы, специфически связанные с соответствующими областями производства электроэнергии: тепловой, гидравлической и атомной энергетикой.

Данный доклад посвящен экологическим проблемам тепловой энергетики, основанной на сжигании ископаемого органического топлива.

В настоящее время именно тепловой энергетике принадлежит определяющая роль в производстве электроэнергии во всем мире. В середине 90-х годов в структуре мирового производства электроэнергии, превысившего 13 трлн. кВт ч, ТЭС составляли 64,5%, АЭС 16,9%, ГЭС 18,4%. В России выработка электроэнергии в 1998 году составила 812 млрд. кВт ч, в том числе ТЭС выработали 550 млрд. кВт ч.

Преобладающие позиции тепловой энергии сохранятся, очевидно, и в обозримой перспективе. Поэтому будущее энергетики будет существенно зависеть от обеспечения допустимого уровня воздействия тепловых электростанций на окружающую среду.

Очевидно, что для оценки экологичности теплоэнергетики важное значение имеет структура топливного баланса тепловых электростанций. В топливном балансе ТЭС во всем мире в целом доминирующее положение занимает уголь. Так, уголь составляет свыше 70% топлива, потребляемого в электроэнергетике в странах-членах организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР).

В Российской Федерации в 1998 г. на тепловых электростанциях и в районных котельных АО-Энерго было израсходовано свыше 240 млн т у.т., из них угля 72 млн. т у.т., газа 150 млн. т у.т., нефтяного топлива 20,8 млн. т у.т. Хотя угля в России сжигается меньше, чем природного газа, именно уголь, при существующих способах его сжигания, определяет в основном негативные экологические эффекты.

С экологической точки зрения тепловые электростанции представляют собой непрерывно действующие уже в течение десятков лет источники выбросов в атмосферу продуктов сгорания топлива и сбросов в водоемы большого количества низкопотенциального тепла.

Рассматривая воздействие ТЭС на атмосферу, растительный и животный мир, имеют в виду, прежде всего выбросы тех веществ, на которые установлены ПДК в воздухе населенных мест. При сжигании природного газа это оксиды азота (NO, NO₂), оксид углерода (СО) и бенз(а)пирен (С₂₀Н₁₂), причем токсичность уходящих газов связана практически только с оксидами азота, так как концентрация бенз(а)пирена ничтожно мала. Образование оксида углерода при сжигании природного газа и мазута минимизируется путем рациональной организации топочного режима.

При сжигании твердого и жидкого топлива добавляются оксиды серы (SO₂, SO₃) и зола, причем в серосодержащих топливах 9798% серы окисляется до SO₂, а остальные 2-3% до SO₃. Поэтому все выбросы оксидов серы тепловыми электростанциями при оценке загрязнения атмосферного воздуха определяют в виде SO₂.

В период с 1990 по 1998 г. снижение выбросов ТЭС в атмосферу составило 34%. При этом выбросы золы уменьшились на 40%, оксидов азота на 24%, диоксида серы на 34%. Это произошло благодаря технологическим мероприятиям по уменьшению выбросов оксидов азота, повышению эффективности золоуловителей на котлах, а также переводу некоторых ТЭС на природный газ и вытеснению из топливного баланса мазута.

Сегодня структура топливного баланса следующая: природный газ составляет 63% потребляемого на ТЭС топлива, уголь 28%, мазут и прочие виды топлива 19%.

Сжигаемый на тепловых электростанциях России энергетический уголь имеет обычно низкое качество. Высокая зольность и влажность угля при практическом отсутствии обогащения вызывают значительные технические и экологические трудности при его сжигания в котлах. Это, в частности, явилось одной из причин снижения его использования.

Вообще на тепловых электростанциях России сжигаются угли многих месторождений, но основная часть приходится на угли кузнецкого, канско-ачинского, экибастузского и донецкого бассейнов.

Каждое топливо, в зависимости от его технологических характеристик (содержания серы, золы, теплоты сгорания) можно охарактеризовать условным (без учета радиационных характеристик минеральной части и токсичности содержащихся в топливе микроэлементов), относительным (по отношению к наиболее чистому топливу природному газу) показателем экологичности.

Для эталонного природного газа принято Q_пг = 35657 кДж / м³ (8510 ккал / м³), С_NO2 = 150 мг / м³. Для природного газа ?_пг = 1, для остальных видов топлива ?? < 1.

Если на разных ТЭС отрасли сжигается n видов топлива с показателем экологичности каждого из них, то суммарный показатель экологичности топливного баланса теплоэнергетики будет равен. Для топливного баланса ТЭС России в 1998 г. _ТЭ = 0,65. При этом средневзвешенное значение показателя экологичности для угольной составляющей топливного баланса с учетом доли углей основных месторождений, используемых на ТЭС, принято равным 0,022.

Хотя на ТЭС США сжигается более высококачественный уголь (Q^r = 25000 кДж / кг, S^p = 0,5%) и показатель экологичности для угольной составляющей топливного баланса соответственно выше, = 0,05, для теплоэнергетики США в целом по нашим оценкам показатель _ТЭ = 0,2, т. е. он более чем в 3 раза уступает аналогичному показателю ТЭС России.

Основное направление в решении экологических проблем теплоэнергетики состоит в создании экологически чистых тепловых электростанций, отвечающих нормативным экологическим требованиям. В России требования Госстандарта 1995 г. к содержанию загрязняющих веществ в дымовых газах соответствуют в основном требованиям, установленным в промышленно развитых странах, где они отвечают достигнутому уровню техники и учитывают экономические соображения. Существенна при этом величина антропогенной нагрузки на окружающую среду, которая зависит от плотности потока потребляемой энергии, отнесенной к единице площади территории страны (таблица 1).

экологический энергетика антропогенный нагрузка

Таблица 1 - Потоки потребляемой энергии на единицу площади территории ряда стран в 1987 г., петаджоулей на 100000 га

Промышленно развитые страны являются основными поставщиками выбросов вредных веществ. При этом страны с высокой антропогенной нагрузкой на окружающую среду Япония, Германия, Нидерланды имеют жесткие нормативы выбросов, ориентированные на все имеющиеся в их распоряжении методы очистки дымовых газов и использование на электростанциях малосернистого топлива (лимитируется содержание серы в топливе).

В странах с существенно меньшей антропогенной нагрузкой США, Канаде, Испании и др. приняты менее жесткие нормативы удельных выбросов. Так, например, если в Германии для котлов тепловой мощностью более 300 МВт норматив по оксидам серы составляет 400 мг / нм³, в Японии 550 мг / нм³, то в США он равен 740 мг / нм³.

С учетом антропогенной нагрузки экологические требования к новым котельным установкам в России, с нашей точки зрения, не должны быть более жесткими, чем, например, в США, где валовые выбросы оксидов серы в атмосферу от ТЭС в 5 раз больше, чем от ТЭС России. Кроме того, экологические нормативы должны устанавливаться исходя из достигнутого в стране уровня технического развития. Поэтому представляются вполне обоснованными установленные ГОСТом нормативы удельных выбросов оксидов серы 700 мг / нм³, учитывающие и реальные инвестиционные возможности электроэнергетики, и подготовленность энергомашиностроительных заводов.

Кроме того, при рассмотрении вопроса о нормативах необходимо учесть еще одно обстоятельство, важное именно для России. Особенности атмосферной циркуляции в северном полушарии Земли приводят к значительному трансграничному переносу газообразных выбросов из стран Западной и Восточной Европы на территорию России. В нашу страну поступает в 8 раз больше серы и в 7,3 раза больше оксидов азота, чем выносится с ее территории в другие государства.

Особенно сильно подобный дисбаланс ощущается со стороны Германии, Польши, Чехии и Словакии в переносе серы на Европейскую часть России. Очевидно, что эту ситуацию необходимо учитывать при дальнейшем формировании программ Европейского сотрудничества.

К сожалению, при подписании в 1995 году в г. Осло Протокола к Конвенции 1979 г. о трансграничном загрязнении воздуха и о дальнейшем сокращении выбросов диоксидов серы Минприроды России не учло этих важных обстоятельств. В соответствии с Приложением V к Протоколу, согласно нормативам по удельным выбросам оксидов серы на Европейской территории России, начиная с 1996 г. эти выбросы от всех крупных новых котельных установок и не позднее 1 июля 2004 г. от существующих стационарных установок не должны превышать 400 мг / нм³.

Если бы нормативы удельных выбросов были приняты в размере 650-700 мг / нм³, как при подготовке проекта предлагало РАО «ЕЭС России», тогда для большинства наших энергетических углей, имеющих относительно благоприятные экологические характеристики, не потребовались бы дорогостоящие сероочистные установки. Ограничение же удельных выбросов оксидов серы величиной 400 мг / нм³ потребует оснащения сероулавливающими установками действующих тепловых электростанций мощностью 25 млн. кВт, для чего необходимы инвестиции в размере около 4 млрд. долл., которых нет сегодня и не будет в ближайшем будущем. То есть эти обязательства не соответствуют экономическим возможностям России, а самое главное не обоснованы с экологической точки зрения.

Одной из актуальных проблем отечественной электроэнергетики является сокращение выбросов оксидов азота. На электростанциях отрасли, особенно на газомазутных котлах, широко распространены различные технологические методы очистки дымовых газов от NO_x. На ряде ТЭС осваиваются технологии селективного каталического восстановления, например, на ТЭЦ-16 Мосэнерго, селективного некаталического восстановления, например, на Тольятинской ТЭЦ, и электронно-лучевой очистки, например, на Черепетской ГРЭС и ТЭЦ-5 Ленэнерго. К сожалению, строительно-монтажные работы на опытной электронно-лучевой установке Черепетской ГРЭС приостановлены из-за отсутствия инвестиций. Кроме отечественных технологий и разработок, на ряде ТЭС (Северная ТЭЦ Мосэнерго и Дзержинская ТЭЦ Нижновгородэнерго) внедряются зарубежные технологии очистки газов, в частности, фирмы «Халдер Топсе».

В последние годы выброс NO_х не превышал уровень выброса 1987 г., и тем самым выполнялось требование международной Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха в части стабилизации выбросов NО_х.

Проблема сероочистки дымовых газов ТЭС имеет приоритетное значение для нескольких особо сернистых углей (интинского, донецкого, подмосковного, челябинского) и мазутных ТЭС. В настоящее время на ряде пилотных и опытно-промышленных установок ведутся исследования с целью внедрения нескольких технологий: известняковой (сухой и мокрой), аммиачно-циклической и других.

Благодаря переводу многих ТЭС на сжигание природного газа, выбросы SO₂ предприятиями электроэнергетики за последние 10 лет существенно сократились, особенно в Европейской части России. По сравнению с 1980 г. сокращение выбросов SO₂ здесь составило почти 70%, т. е. требование Конвенции о сокращении выбросов SO₂ на 30% в значительной мере «перевыполнено».

Для действующих станций в ближайшие годы снижение выбросов SO₂ будет достигаться, в основном, за счет перевода их на сжигание природного газа. Для вновь вводимых ТЭС, на которых должны быть обеспечены новые нормативы удельных выбросов SO₂, возможно применение хорошо отработанных в зарубежной практике технологий.

Сокращение выбросов золы на объектах электроэнергетики за последние годы достигнуто в основном также за счет уменьшения потребления твердого топлива и за счет очистки газов. Тепловые электростанции отрасли оснащены электрофильтрами (164 котельные установки) и мокрыми золоуловителями с коагуляторами Вентури (более 400 котлов). Ведутся работы по созданию более совершенных электрофильтров с целью повышения эффективности золоулавливания, надежности и ресурса работы, сокращения расхода электроэнергии и трудозатрат на обслуживание и ремонт. Электрофильтры новой серии ЭГВ по конструктивным параметрам, металлоемкости, степени автоматизации и ряду других параметров соответствуют лучшим зарубежным образцам.

В лаборатории преобразовательной техники ЭНИН созданы новые типы источников питания для электрофильтров импульсные и знакопеременные, позволяющие в 2-3 раза уменьшить выброс твердых частиц в атмосферу, в 5-7 раз снизить расход электроэнергии на газоочистку. В настоящее время стоит задача повышения эффективности золоулавливания до 99,2-99,8%.

Ежегодный выход золы и шлака от 141 ТЭС, работающих на твердом топливе, составляет около 40 млн. т. В золоотвалах накоплено свыше 1,3 млрд. т золошлаковых отходов (ЗШО), а общая площадь отвалов достигла 22 тыс. га. Проводится в жизнь отраслевая программа по использованию ЗШО (на сегодня используются только 5% из них) на основе предложений, полученных от тепловых электростанций, а также анализа и обобщения опыта применения ЗШО в строительстве и производстве строительных материалов и изделий с учетом потребительского спроса на зольную продукцию в регионах расположения ТЭС.

Тепловые электростанции выбрасывают не только вредные газы, но и сточные воды, которые образуются в технологическом процессе ТЭС, например, от водоподготовительных установок, от загрязнения нефтепродуктами, от продувки замкнутых технологических контуров, от систем гидрозолоудаления, от химической очистки теплосилового оборудования и т. д.

Система рационального водопользования электростанции должна обеспечивать очистку как поступающей на станцию воды, так и собственных водных стоков в соответствии с предписаниями норм. Наиболее общие пути рационализации водоиспользования состоят в сокращении объема безвозвратных потерь на собственные нужды, повторном использовании стоков в цикле ТЭС, в выборе экологически благоприятного водного режима. Значительное сокращение количества химических промывок оборудования достигнуто, в частности, благодаря внедрению на электроблоках сверхкритического давления разработанного в ЭНИНе кислородного водного режима и водокислородных очисток оборудования.

Проблема сточных вод ТЭС может быть эффективно решена, о чем свидетельствует пример Рязанской ГРЭС, на которой проводятся экологические натурные исследования. Основные претензии природоохранных органов предъявляются к минерализации водоемов, якобы вызываемой сбросами ТЭС. Энергетикам были навязаны необоснованные нормативы, которые в конечном итоге сводятся к необходимости создания бессточной тепловой электростанции с утилизацией всех сточных вод, в том числе технологических сбросов химводоочистки. Таких жестких требований к сточным водам нет ни в США, ни в странах Западной Европы. Расчеты, выполненные для одной из ТЭС, показали, что строительство химводоочистки по бессточной технологии удорожается в 34 раза, а себестоимость одной тонны очищенной воды в 7-8 раз. Необоснованность нормативов подтверждается данными анализов, выполненных лабораториями электростанций и природоохранных органов, которые показали, что за последние 50 лет минерализация воды в бассейнах рек Волги и Камы не изменилась, несмотря на то, что в этот период в данном регионе введено в действие 130 энергетических объектов. Анализ данных о воздействии ТЭС на водный бассейн свидетельствует, что за последние годы значительно сократился объем водопотребления ТЭС и сбросов сточных вод и загрязняющих веществ.

Программа природоохранных мероприятий отрасли, направленная на ограничение загрязнения водного бассейна, включает в себя:

- Перевод систем гидрозолоудаления на оборотные, для чего предусматривается реконструкция систем водопользования с исключением сброса в систему гидрозолоудаления ливневых вод, продувочных вод градирен, минерализованных сточных вод водоподготовок;

- Рационализация схем сбора обмывочных вод от регенеративных воздухоподогревателей и поверхностей нагрева котлов с извлечением из них соединений ванадия и никеля;

- Использование рациональных технологических схем канализации сточных вод от химической очистки оборудования;

- Широкое внедрение типовых очистных сооружений для очистки сточных вод, загрязненных нефтепродуктами.

При рассмотрении проблем экологии не следует забывать, что их решение требует больших капитальных затрат. Так, например, установка газоочистных устройств на энергоблоке увеличивает капитальные вложения на 30-40%. Уместно отметить, что широкомасштабное внедрение на зарубежных ТЭС дорогостоящих установок по десульфуризации дымовых газов начиналось тогда, когда валовой внутренний продукт на душу населения в стране достигал 6000-7000 долл. США. Поэтому все зарубежные страны очень осторожно, с учетом своих возможностей оценивают конвенции и проекты по снижению выбросов загрязняющих веществ.

Энергетики России в трудных экономических условиях осуществляют определенные инвестиции в экологические программы, проводят исследовательские и опытно-конструкторские работы, сооружают опытные установки и вводят в действие головные образцы природоохранного оборудования, например, электрофильтры нового поколения, системы очистки дымовых газов, технологии химводоочистки с минимальными сбросами сточных вод.

В 1996 г. в РАО «ЕЭС России» институтами отрасли была завершена разработка Экологической Программы, определяющей основные направления научно-технической политики для решения экологических проблем электроэнергетики с целью снижения негативного воздействия энергетического производства на природу и человека.

Одним из основных направлений Программы является создание «экологически чистых» ТЭС, парогазовых и газотурбинных установок, отличающихся повышенной экономичностью и более высокими экологическими показателями. В настоящее время складываются объективные предпосылки для внедрения парогазовых технологий в энергетику страны, в частности, благодаря новым технологическим возможностям газотурбостроения.

Однако и на экологически «совершенных» электростанциях весьма значительны остаточные выбросы в атмосферу, требующие тысячекратного разбавления, с тем чтобы обеспечивались санитарно-гигиенические нормы в приземном слое воздуха. Поэтому весьма актуальна задача организации информационной системы экологического мониторинга тепловых электростанций и состояния прилегающей к ним окружающей среды.

Научно обоснованное решение этой задачи требует проведения комплексных натурных исследований, так как только в таких исследованиях можно получить данные, отражающие физико-географические и метеорологические особенности района расположения станции, учитывающие характеристики источников выбросов и сбросов, и затем на их основе верифицировать математические модели, используемые для прогностических оценок воздействия ТЭС на окружающую среду.

Такие натурные экологические исследования были организованы на ряде тепловых электростанций. В 80-х годах они были проведены в Сибири на Назаровской ГРЭС мощностью 1400 МВт и на Березовской ГРЭС-1 мощностью 1600 МВт.

С начала 90-х годов, т. е. в течение уже нескольких лет, такие исследования проводит ЭНИН на Рязанской ГРЭС (2800 МВт). К этим исследованиям были привлечены независимые ученые из институтов Академии наук, Росгидромета, Минздрава, высших учебных заведений. В них принимали участие биологи, геохимики, почвоведы, гидрохимики, лесоводы, медики, гигиенисты, метеорологи, энергетики. Выполнены экспедиционные исследования источников выбросов и сбросов и состояния атмосферного воздуха, снежного покрова, почв, поверхностных вод, наземной растительности и водной биоты. Основные выводы, к которым позволили прийти эти исследования, состоят в следующем.

- Если тепловые электростанции удовлетворяют существующим гигиеническим нормативам, т. е. концентрации в атмосферном воздухе выбрасываемых веществ не превышают ПДК, то за десятилетия работы станции не наблюдается видимых негативных последствий.

- Загрязнение почв летучей золой не обнаружено; микроэлементный состав почв близок к среднему содержанию химических элементов в земной коре соответствующего региона.

- Основное влияние на древесную растительность, на почвенный покров в районах расположения ТЭС оказывают общие антропогенные нагрузки, связанные с развитием инфраструктуры соответствующих регионов транспорт, рекреационное вытаптывание, сельскохозяйственное производство.

В районе Рязанской ГРЭС, эксплуатируемой с 1974 года и использующей три вида топлива (уголь, природный газ, мазут), не было выявлено накопления в растительности химических элементов, содержащихся в выбросах ГРЭС, которые оказались бы выше уровня регионального фона.

Анализ состояния поверхностных водотоков и водоемов в районах расположения исследованных тепловых электростанций показал, что основным источником загрязнения вод являются не сбросы ТЭС, а органика и нефтепродукты.

Сброс нагретых вод в водохранилище Рязанской ГРЭС сопровождается усилением процессов его самоочищения от загрязнений, поступающих в него с речным стоком.

В программах продолжающихся НИР по изучению, оценке и прогнозированию воздействия теплоэнергетики на окружающую среду предусматриваются:

- установление допустимых нагрузок техногенного воздействия на компоненты окружающей среды с учетом специфики природных условий регионов;

- развитие эколого-экономического моделирования для регионов расположения ТЭС с учетом их инфраструктуры и природных условий;

- применение новых информационных технологий для экологического мониторинга.

В заключение хочется подчеркнуть, что развитие электроэнергетики любой страны должно рассматриваться с позиций глобального взаимодействия ее с окружающей средой. Обязательность такого подхода обусловлена тем, что газообразные выбросы ТЭС, рассеиваясь в атмосфере и претерпевая физико-химические превращения, переносятся воздушными массами на большие расстояния. В последние годы все большее внимание обращают на потенциальную возможность изменения климата планеты, вызванного нарушением радиационного теплового баланса Земли в результате накопления продуктов сгорания органического топлива (СО₂) в атмосфере и усиления парникового эффекта.

Из приведенных в моем докладе данных следует, что удельная антропогенная нагрузка для территории России самая низкая по сравнению с наиболее промышленно развитыми странами. При этом основными потребителями кислорода для сжигания органического топлива и, соответственно, основными поставщиками выбросов в окружающую среду являются как раз промышленно развитые страны. В то же время продуктивность биоты на территории этих стран может быть явно недостаточной, чтобы компенсировать выбросы внутри страны. Таким образом, оказывается, что целый ряд стран бесплатно использует природные ресурсы других государств в виде продукции их биоты.

С этой точки зрения важно отметить, что в России имеется самый крупный в мире массив ненарушенных экосистем, что положительно сказывается в глобальных масштабах. Считается, что леса и ветланды России играют такую же роль в стабилизации окружающей среды Северного полушария, как и вся бразильская часть Амазонки для Южного полушария.

В связи с этим следует остановиться на вопросе о международных обязательствах России в части эмиссии парниковых газов.

Рамочная конвенция ООН об изменении климата, подписанная от имени Российской Федерации в 1992 г. на Конференции ООН по окружающей среде, обязывает страны-участники к 2000 г. вернуться по уровню выбросов углекислого газа к 1990 г. Стратегия дальнейшего сокращения эмиссии предполагает к 2050 г. снижение эмиссии СО₂ в развитых странах и в России на 80% от уровня 1990 г.

Однако стартовые условия России и развитых промышленных стран по удельной эмиссии парниковых газов и удельным энерговложениям, а также по удельному валовому национальному продукту совершенно различны. США, например, занимали сдержанную позицию в отношении законодательного решения по ограничению выбросов парниковых газов. Самое важное обстоятельство, определяющее такую позицию, это огромные экономические издержки, связанные с реализацией соответствующих мер. Как известно, США являются крупнейшим поставщиком парниковых газов в атмосферу: при населении около 5% от общемирового, страна дает более 20% выброса газов, вызывающих парниковый эффект, в том числе 23% СО₂, от 15 до 20% оксидов азота.

Поэтому, с нашей точки зрения, Россия должна очень взвешенно относиться к принятию на себя международных обязательств в этой области. Слишком жесткие обязательства, не адекватные ни уровню эмиссий парниковых газов в стране, ни ее экономическим возможностям, ставят Россию, при всей ее природной и ресурсной уникальности, в положение, сдерживающее динамичное развитие ее энергетики.

Размещено на Allbest.ru