Примесные выбросы ТЭС

При выходе в атмосферу выбросы содержат продукты реакций в твердой, жидкой и газовой фазах. Изменения состава выбросов после их выхода могут проявляться в виде: осаждения тяжелых фракция; распада на компоненты по массе и размерам; химических реакций с компонентами воздуха; взаимодействия с воздушными течениями, с облаками, с атмосферными осадками, с солнечным излучением различной частоты (фотохимические реакции) и др.

Газообразные выбросы образуют соединения углерода, серы и азота. Окислы азота практически не взаимодействуют с другими веществами в атмосфере и время их существования почти не ограничено. К числу таких примесей относятся прежде всего окись и двуокись углерода.

Сера. Одним из наиболее токсичных газообразных выбрасов энегоустановок является сернистый ангидрид – SO2. Он составляет примерно 99% выбросов сернистых соединений, содержащихся в уходящих газах котлоагрегатов (остальное количество приходится на SO₃). Его удельная масса 2,93 кг/м3, температура кипения 195ºС. Продолжительность пребывания SO₂ в атмосфере сравнительно невелика. Сернистый ангидрид принимает участие в каталитических, фотохимических и других реакциях, в результате которых окисляется и выпадает в сульфаты. В присутствии значительных количеств аммиака NH₃ и некоторых других веществ время жизни SO₂ исчисляется несколькими часами. В сравнительно чистом воздухе оно достигает 15-20 суток. В присутствии кислорода SO₂ доокисляется до SO₃ и вступает в реакцию с водой, образуя серную кислоту.

Конечные продукты реакций с участием SO₂ распределяются следующим образом: в виде осадков выпадает на поверхность литосферы 43% и на поверхность гидросферы 32%; поглощается растениями 12%, и поверхностью гидросферы 13%. Накопление серосодержащих соединений происходит в основном в мировом океане.

Азот. В процессах горения азот образуется с кислородом ряд соединений: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄ и N₂O₅, свойства которых существенно различаются.

Окись азота NO – бесцветный слаборастворимый газ.

O2+N₂→NO₂+N-196 кДж/моль,

N+O₂→NO+O+16 кДж/моль,

N₂+O₂↔2NO-90 кДж/моль.

Вследствие обратимости последней реакции равновесия концентрация может быть подсчитана по формуле:

(NO)_p=4,6(NO₂)^1/2exp(-21500/RT),

т.е. с ростом температуры равновесная концентрация NO возрастает (здесь R – газовая постоянная). В присутствии воздуха NO доокисляется до NO₂. Одновременно снижается время достижения равновесной концентрации. Например, при температуре 1700К для установления концентрации требуется 140 с.

Азотный ангидрид N₂O₅ — сильный окислитель. Взаимодей­ствуя с водой, образует азотную кислоту.

Ввиду скоротечности реакций образования окислов азота и их взаимодействий друг с другом и с компонентами атмосферы, атакже из-за излучения учесть точное количество каждого из окислов невозможно. Поэтому обычно суммарное количество NO_x приводят к NO₂. Но для оценок токсического воздействия необходимо учитывать, что соединения азота, выбрасываемые в атмосферу, имеют различную активность и продолжительность существования: NO₂ — около 100 ч, N₂O — 4,5 года.

Аэрозоли подразделяются на первичные — непосредст­венно выбрасываемые в атмосферу, и вторичные — образую­щиеся при превращениях в атмосфере. Время существования аэрозолей в атмосфере колеблется в широких пределах — от минут до месяцев, в зависимости от многих факторов. Крупные аэрозоли в атмосфере на высоте до 1 км существуют 2—3 су­ток, в тропосфере — 5—10 суток, в стратосфере — до несколь­ких месяцев.

Подобно аэрозолям ведут себя и канцерогенные вещества, выбрасываемые или образующиеся в атмосфере. Однако точ­ных данных о поведении этих веществ в воздухе практиче­ски нет.

Выбросы твердых частиц.Как показано в предыдущей главе, размеры частиц, выбрасываемых с продуктами сгорания топ­лива в атмосферу, могут сильно различаться. Скорость осаж­дения частиц определяется в зависимости от их размеров (D) и свойств (вязкости η, плотности ρ и др.), а также от свойств воздуха по уравнению вида

V = f(Dп, ρп, ρв, ηв …).

где индекс «п» относится к примеси, а «в» — к воздуху.

Выбросы влаги.Поступление влаги в атмосферу от энерге­тических объектов вызывается различными процессами, имею­щими различные температуры и энергии (сгорание топлива, продувки, протечки и др.)-

Поведение влаги в атмосфере, в свою очередь, отличается разнообразием и связано с локальными концентрациями и фа­зовыми переходами. Несмотря на то, что фазовые переходы, в частности «парообразование — конденсация» и «затвердева­ние— плавление», изучены для многих случаев, протекание этих процессов для систем «водяной пар – вода - лед» в многообразных атмосферных условиях во многом еще неясно.

Фотохимические реакции. В поведении примесных выбросов в атмосфере важную роль играют фотохимические реакции.

Большая группа фотохимических реакций обусловлена при­сутствием в выбросах углеводородов и других органических веществ (в результате неполного сгорания), которые взаимо­действуют с атмосферным водородом:

RH+O→R+OH

Образующиеся свободные радикалы R окисляются

R+O₂+M→RO₂+M

и взаимодействуют с кислородом, способствуя образованию озона:

RO₂+O₂→RO+O₃

Упругость паров нитратов, образующихся при взаимодейст­вии органических соединений с окислами азота, ниже, чем у исходных веществ. Поэтому они конденсируются, образуя весьма токсичные примеси. Например,

RO₂+NO₂→ПАН

где ПАН — пероксиацетилнитрат, весьма токсичное вещество. Значительная группа фотохимических реакций относится к соединениям серы. Сернистый газ, например, взаимодейст­вует с атомарным кислородом и получается:

SO₂+O+M→SO₃+M,

2SO₂+O₂+hv→2SO₃,

SO₃+H₂O→H₂SO₄

Вследствие низкой упругости пара серная кислота образует жидкий аэрозоль.

Предметом изучения экологии является охрана окру­жающей среды. Данное направление связано с энергети­кой, так как энергетические объекты могут отрицательно воздействовать на окружающую среду, загрязняя ее.

Окружающая среда включает биосферу, которая охва­тывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы (земная кора и верхняя мантия).

Атмосфера включает по высоте четыре области:

• тропосферу - от 0 до 10-12 км с падением температу­ры до -55 °С и давления до 41,0 мм рт. ст.;

• стратосферу - от 10-12 до 50-65 км с ростом темпера­туры до 0 °С и падением давления до 8,9 мм рт. ст. в сред­ней стратосфере и до 0,63 мм рт. ст. в верхней;

• мезосферу - от 50-55 до 80-90 км с падением темпе­ратуры до -90 °С и давления до 0,04 мм рт.ст.;

• термосферу, простирающуюся от 80-90 до 200-300 км с непрерывным повышением температуры до сотен градусов.

Каждая зона атмосферы завершается областью посто­янной температуры: тропопаузой, стратопаузой и мезопа-узой. Газы, накапливаясь в верхних слоях тропосферы и стратосферы, препятствуют выходу теплового инфракрас­ного излучения с поверхности Земли, нагретой Солнцем. Атмосфера и поверхность Земли нагреваются, пока уходя­щие потоки энергии не уравняются с приходящими.

Это явление представляет собой парниковый эффект.

В средней атмосфере присутствует озоновый слой. Молекулы озона поглощают солнечное излучение с длиной волн короче 290 нм и инфракрасное излучение с поверхности Земли с длиной волн 9-10 мкм, усиливая парниковый эффект.

Таким образом, озоновый слой участвует в обеспечении безопасного уровня ультрафиолетовой радиации и поддерживает устойчивый климат на Земле. В тропосфере и стратосфере озон также оказывает воздействие на антропогенные примеси, поступающие в атмосферу в результате деятельности человека, разрушая их.

Перечень рекомендованных Междуна­родным бюро по защите окружающей среды приоритет­ных мероприятий в области энергетики, направленных на снижение парникового эффекта.

♦ Более эффективное производство, передача и распре­деление энергии.

♦ Уменьшение энергоемкости обработки основных ма­териалов.

♦ Внедрение энергоэффективных моторов и приводов.

♦ Повышение эффективности освещения и водяного отопления и, как следствие, снижение потребления пер­вичного топлива.

♦ Использование возобновляемых видов энергии, и в час­тности фотоэлектрической, солнечно-тепловой, ветровой.

♦Производство биомассы для замены ископаемого твердого топлива, газификация биомассы.

♦ Внедрение совершенных, энергоэффективных га турбинных циклов.

♦ Развитие малой гидроэнергетики.

♦ Переход на природный газ.