ТЭС (экологическая характеристика)
Россия занимает второе место в мире по объему производства электрической энергии и обладает сильной энергетикой, которая служит основой для всей остальной промышленной и хозяйственной деятельности. В России преобладают тепловые электростанции (ТЭС), но также развиты гидроэлектростанции (ГЭС) и атомные станции. Промышленная энергия делится на электрическую и тепловую. Электрическая энергия считается экологически чистой при потреблении, так как не осуществляет выбросов, хотя ее производство, особенно на ТЭС, может быть "грязным". Тепловая энергия, в свою очередь, трудно передается на большие расстояния – максимум на несколько десятков километров для отопления.
Основными источниками энергии являются невозобновляемые ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть, газ и торф, которые составляют 90%. Использование этих источников является важнейшей проблемой мировой энергетики, так как мы живем за счет будущих поколений. Возобновляемые источники, на которые многие стремятся перейти, включают гидроэнергию рек, приливов, волн, а также энергию солнца, ветра и древесину. Существуют также так называемые неисчерпаемые источники, такие как термоядерные и геотермальные, но они пока практически не освоены.
России крайне повезло с топливно-сырьевыми ресурсами: примерно четвертая часть всех мировых энергоресурсов сосредоточена в стране. В частности, Россия обладает 40% мировых запасов газа, 15% нефти и 30% угля. Основной переход в течение века произошел от угля к нефти и газу. В настоящее время 70% российской нефти и 90% газа добывается в Западной Сибири, которая является основным регионом энергетики в России. К сожалению, при добыче нефти и газа серьезно нарушается экология Западной Сибири, и восстановление может быть затруднено. Кроме того, Россия отстает в использовании попутных газов, 30–40% которых сжигается на нефтепромыслах.
Вторичные Энергетические Ресурсы (ВЭР)
Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) — это отходы или побочные продукты производства, которые могут быть использованы для энергоснабжения. Они делятся на неиспользованную теплоту первичных энергоресурсов и избыточную теплоту, выделяющуюся в промышленности. Среди горючих ВЭР — доменный газ или газ от химических производств. Тепловые ВЭР включают теплоту охлаждения, например, нагретую воду, которую можно направить для обогрева. Также есть энергия избыточного давления, которое используется в химических производствах. К сожалению, ВЭР используются мало: горючие только наполовину во всем мире, тепловые — на 20%, а избыточное давление практически не используется.
Тепловые Электростанции (ТЭС) и загрязнение
Технология ТЭС состоит в простом сжигании углеводородов (угля, нефти, газа), при котором образуются вода и углекислый газ, а также выделяется энергия. Углекислый газ и вода считаются безвредными продуктами, поскольку они существуют в атмосфере и поглощаются растениями. Однако, помимо них, в огромном количестве выделяются зола и шлак. В настоящее время на российских ТЭС используется только около 10% золы и шлака, остальное идет в отходы.
Если сжигается нефть или газ, содержащие примеси, образуются оксиды серы и оксиды азота, которые являются основной проблемой и вызывают, например, кислотные дожди. Ежегодно энергетические предприятия России выбрасывают в атмосферу 6 миллионов тонн вредных веществ, среди которых основные загрязнители — пыль, диоксид серы и оксиды азота. Электроэнергетика обеспечивает четверть всех выбросов России от стационарных источников. ТЭС также потребляют много воды для выработки энергии и для охлаждения. При этом сточные воды содержат хлориды, сульфаты, соли тяжелых металлов.
Управление Твердыми Отходами
Проблема твердых отходов на ТЭС, таких как зола и шлак, усугубляется высокой зольностью российского угля, которая в среднем составляет 28% — примерно в пять раз выше, чем в США и развитых странах (менее 10%). В золе остаются оксиды кремния, алюминия, титана, железа и магния. Также в золе содержится большое количество микроэлементов, многие из которых являются опасными и токсичными, включая мышьяк, кадмий, бериллий, ванадий и ртуть.
В процессе горения топлива тяжелые металлы переходят в твердые отходы. Наибольшее количество летучих высокотоксичных элементов, таких как ртуть, мышьяк, ванадий, свинец и никель, концентрируется в пыли и уходит прямо в атмосферу, что представляет серьезную опасность для здоровья в районах, прилегающих к ТЭС. Менее опасные компоненты, например, оксид кремния, идут в шлак. Шлак может использоваться без предварительной очистки.
Отходы ТЭС могут быть утилизированы: шлак используют в строительстве, а летучая зола применяется как наполнитель для дорожных покрытий. В западных странах летучую золу также улавливают и добавляют в шлак. Зола, полученная при сжигании торфа или сланцев, может использоваться в строительных материалах и в сельском хозяйстве, например, для известкования почв. Также из сланцевой золы разработан специальный цемент с повышенной морозостойкостью.
Очистка Сточных Вод
Сточные воды энергетических предприятий делятся на горячие стоки, соленые сточные воды, нефтемаслосодержащие стоки и стоки сложного состава. Проблема горячих стоков заключается в их высокой температуре (обычно на 10% выше температуры природного водоема). Сброс горячей воды нарушает процессы самоочищения водоемов и приводит к гибели рыбы. Нормативы требуют, чтобы сбрасываемая вода была не более чем на 3°C теплее воды в водоеме. Для охлаждения строят специальные озера или применяют циркуляционные оборотные системы. Оборотное охлаждение с помощью градирен позволяет сэкономить до 70% потребления воды на электростанции.
Для борьбы с солеными стоками, содержащими неорганические соли и гидроксиды, используют установки по обессоливанию воды. Техническую воду на электростанциях долго отстаивают (до 300 часов) в бассейнах, чтобы соли и карбонаты кальция выпали в осадок и не забивали трубы и аппаратуру. Очистка от нефтепродуктов, которая является серьезной проблемой, отработана на нефтеперерабатывающих заводах с использованием флотации, отстойников и адсорбции. Примечательно, что золу от ТЭС можно использовать как адсорбент нефтепродуктов, существенно очищая воду.
Сточные воды сложного состава, содержащие кислоты и ингибиторы коррозии, требуют трех стадий очистки. Сначала их усредняют для корректировки кислотности, при этом осаждается железо. Затем проводится осаждение отдельных веществ, таких как медь и цинк, с помощью сульфида натрия, а фтор — с помощью извести. Органические вещества, которые бактерии могут усваивать, удаляются на биологической очистке, в то время как часть веществ бактерии не усваивают или даже травят. На заключительном этапе сточные воды часто разбавляют до низких концентраций ПДК и направляют в систему коммунальных стоков.
Очистка Газовых Выбросов (Оксиды Серы)
Наиболее серьезная экологическая проблема ТЭС — это газовые выбросы, особенно оксиды серы (SO2 и SO3). В России сжигается уголь и нефть с высоким содержанием серы (до 5%). Оксиды серы, соединяясь в атмосфере с водой, образуют серную кислоту. Существует четыре основных направления для снижения выбросов оксидов серы:
1. Использование топлива с пониженным содержанием серы. Самый простой способ — использовать природный газ, который является наиболее экологичным в этом плане. Однако в европейской части России широко используется бурый уголь, содержащий много серы.
2. Снижение содержания серы в топливе (десульфуризация). Из твердого топлива (угля) серу удаляют физическими методами, например, гравитационной сепарацией, что может уменьшить содержание серы на 50%. Из нефти серу удаляют методом каталитического гидрирования. Это сложный процесс, поскольку тяжелые металлы, такие как ванадий и никель, отравляют катализатор, и его приходится часто менять. Тем не менее, этот затратный метод хорошо снижает содержание серы и широко применяется, например, на японских заводах. Также может применяться газификация угля, которая превращает уголь в смешанный газ, из которого сероводород можно вывести в абсорберах.
3. Ограничение выбросов серы в процессе горения. В зону горения топлива добавляют вещества, связывающие серу, обычно это известняк (карбонат кальция). Образуется сульфат кальция, который выпадает в осадок и отделяется. Этот метод малоэффективен, улавливая всего 20–40% диоксида серы. Примером является установка, сжигающая мазут в кипящем слое вместе с измельченным известняком.
4. Удаление оксидов серы из газа (очистка дымовых газов). Широко используются физико-химические способы очистки. Это может быть люфт-абсорбционный метод, где диоксид серы адсорбируется на активированном угле, что позволяет отделить до 90% диоксида серы. Также широко применяется известковый метод абсорбции, основанный на взаимодействии гидроксида или карбоната кальция с сернистой кислотой. Конечным продуктом этого процесса является шлам, используемый для строительных материалов. Японский способ Mitsubishi является усовершенствованием известкового метода и позволяет получать высококачественный гипс. Другие методы включают магнезитовый, аммиачный и аммиачно-автоклавный. Наиболее эффективный метод — каталитическое окисление диоксида серы в присутствии катализатора (с ванадием). В этом случае диоксид серы конвертируется в SO3, который, поступая в воду, образует горячую серную кислоту концентрацией до 78%. Этот метод позволяет достичь эффективности до 95%, и полученная кислота используется в промышленности.
Другие загрязнители
Вопросы оксидов азота пока не получили таких детальных методов очистки на ТЭС; основные усилия направлены на рециркуляцию газов или введение воды/пара в зону горения. Также пока отсутствуют специальные методы очистки от мышьяка и фтора, которые могут присутствовать в угле.
В целом, очистка от оксидов серы является ключевым направлением в энергетике, а разработанные методы применимы и на других производствах, где происходит сжигание. Можно сказать, что борьба с загрязнением на ТЭС подобна сложной системе фильтров, где каждый фильтр предназначен для улавливания своего типа "мусора": твердые отходы идут в одну сторону (строительство), жидкие проходят многоступенчатую очистку (охлаждение, обессоливание, биологическая обработка), а газовые — подвергаются химическому превращению, чтобы ядовитые выбросы превратились в полезные продукты, например, серную кислоту или гипс.