Оценка воздействия на окружающую среду объектов воспроизводства и распределения энергии, газа и воды

Производство тепловой и электрической энергии

Энергетическая отрасль, и, в частности, электроэнергетика, в настоящее время играет ключевую роль в обеспечении развития и устойчивого функционирования всего народнохозяйственного комплекса страны. Она остается одним из основных движущих факторов развития промышленности, транспорта, коммунального и сельского хозяйства. В последние годы энергетическая отрасль сохраняет одни из самых высоких темпов развития в экономике страны. Однако поступательное движение вперед сопровождается и немалым количеством проблем, одной из которых является экологический аспект. Планы «Стратегии устойчивого развития», принятой на всемирной конференции по проблемам окружающей среды в Рио-де-Жанейро в 1992 г., согласно которой планируется «…постепенный переход от энергетики, основанной на сжигании органического топлива, к альтернативной энергетике, использующей возобновляемые источники энергии (энергии солнца, воды, ветра, биомассы, подземное тепло и т. д.)», в настоящее время остаются проектами, которые смогут быть реализованы в несколько отдаленной перспективе.

Современная энергетическая отрасль России, являясь одной из неотъемлемых и важнейших составляющих хозяйства, одновременно является и мощнейшим фактором неблагоприятного воздействия на окружающую среду на всех стадиях топливного цикла: от добычи топлива до использования энергии. Приходится признать, что топливно-энергетический комплекс России на сегодняшний день — крупнейший загрязнитель окружающей среды. На его долю приходится свыше 30% сброса загрязненных сточных вод, примерно половина выбросов вредных веществ в атмосферу (в том числе до 70% от общего объема выбросов парниковых газов), свыше 30% общего количества твердых отходов.

По современным представлениям жизнь на Земле возникла в условиях восстановительной атмосферы и только значительно позже, спустя примерно 2 млрд лет, именно биосфера постепенно преобразовала восстановительную атмосферу в окислительную. В ходе этого циклопического по своим масштабам процесса биомасса (живое вещество) вывело из атмосферы различные вещества, главным образом углекислый газ, образовав огромные залежи углеродосодержащих соединений — ископаемых углеводородов.

С изобретением паровых машин наша техногенная цивилизация запустила обратный процесс — генерацию мощного потока восстановительных газов, в первую очередь из-за сжигания ископаемого топлива с целью получения энергии. Например, согласно имеющимся оценкам, с 1970 по 1990 г. в мире было сожжено 450 млрд баррелей нефти, 90 млрд т угля и 11 трлн м³ природного газа.

На сегодняшний день доля энергетики, основанной на сжигании ископаемого органического топлива (угля, сланцев, нефти и газа), в России остается весьма высокой, около 50%. Однако такое сжигание сопровождается загрязнением окружающей среды (главным образом атмосферного воздуха) не только продуктами сгорания органических видов топлива, но и так называемыми тепловыми отходами.

Как известно, существенная доля населения нашей страны проживает в достаточно высоких широтах, поэтому обеспечение теплом социальных и производственных объектов очень важно. Вообще говоря, тепловую энергию для промышленных и коммунальных нужд можно получать, используя следующие источники:

• 1) естественные геотермальные источники — достаточно экзотичный способ, поскольку на территории России они встречаются очень редко;
• 2) энергия Солнца — вклад данного источника в нашей стране не может быть большим в силу, во-первых, ее географического положения, а во-вторых, того, что доля солнечных дней у нас относительно невелика;
• 3) атомные тепловые станции (АТС) — несмотря на то, что имеются достаточно проработанные проекты таких станций, широкого внедрения они пока не нашли;
• 4) сжигание органического топлива (от дров до каменного угля, от нефти и продуктов ее переработки до природного газа) — остается на сегодняшний день основным источником получения тепловой энергии.

Если рассматривать экологический аспект работы объектов теплоэнергетики (отопительных котельных, теплоэлектроцентралей — ТЭЦ, тепловых электростанций — ТЭС), то следует подчеркнуть, что загрязнение окружающей среды главным образом зависит от вида сжигаемого органического топлива. По агрегатному состоянию все виды топлив можно разделить на три группы:

• • твердое;
• • жидкое;
• • газообразное.

Твердое топливо. Основными видами твердых топлив являются каменный и бурый угли, горючие сланцы, торф и дрова. При сжигании твердого топлива с дымовыми газами в атмосферу поступают взвешенные вещества (представляющие собой летучую золу с частицами недогоревшего топлива), а также газообразные продукты горения: оксиды серы (сернистый и серный ангидриды), оксиды азота, бензапирен, некоторое количество фтористых соединений и газообразные продукты неполного сгорания топлива. Количество образующейся при сгорании топлива летучей золы в основном определяется его зольностью. В ряде случаев летучая зола, наряду с обычными малотоксичными минеральными компонентами, содержит достаточно токсичные примеси. Например, в золе донецких антрацитов в незначительных количествах содержится мышьяк. Следует указать еще на один малоизвестный факт: при работе тепловых электростанций, работающих на каменном угле, в воздушный бассейн нашей страны в составе летучей золы ежегодно поступает более 300 мКи естественных радионуклидов. Причем эта величина значительно превышает общее количество радиоактивных изотопов, выбрасываемых в атмосферу всеми работающими АЭС страны.

Уголь — самое распространенное ископаемое топливо на нашей планете. Различают следующие виды ископаемых углей, которые могут использоваться в качестве топлива:

• • бурые угли;
• • каменные угли;
• • антрациты.

В качестве топлива на тепловых электростанциях используются любые угли: от бурого до антрацита. К числу основных показателей качества энергетических углей относятся:

• • влажность;
• • зольность;
• • сернистость (содержание серы);
• • ситовой (фракционный) состав;
• • низшая теплота сгорания;
• • состав и плавкость шлаков.

К настоящему времени с учетом различия в свойствах твердых топлив разработаны перспективные технологии их сжигания в топках энергетических и тепловых котлоагрегатов:

• а) способ слоевого сжигания предъявляет наиболее жесткие требования к качеству топлива, особенно его фракционному (ситовому) составу — содержание в угле, как мелочи, так и крупных кусков, нежелательно. Наиболее приемлемы для стандартных слоевых топок куски угля условным диаметром 6—12 мм для бурых углей и 12—50 мм для каменных углей. Кроме того, угли, предназначенные для топок слоевого сжигания, должны обладать определенной механической прочностью и термической стойкостью;
• б) способ факельно-слоевого сжигания менее требователен к ситовому составу топлива, наряду с оптимальными фракциями углей могут также сжигаться отсевы (мелкие фракции);
• в) пылеугольпый способ на сегодняшний день является преобладающим на крупных ТЭС и ТЭЦ, поскольку позволяет сжигать топливо с высокой (до 45%) зольностью и влажностью до 55%. При пылеуголыюм способе топливо предварительно должно быть размолото (а топливо с высокой влажностью и подсушено). Не всякие угли пригодны для сжигания в пылеугольиых топках, этот способ предъявляет повышенные требования к размолоспособности топлива.

Каменный уголь. В настоящее время в пересчете на условное топливо стоимость 1 т каменного угля ниже стоимости мазута или природного газа. Однако у каменного угля как топлива имеются серьезные недостатки, основной из которых — большая величина удельных выбросов в атмосферу, как газообразных, так и, в особенности, твердых (зола). В большинстве развитых стран, включая Россию, действуют жесткие ограничения по количеству выбросов, допустимых при сжигании угля. В странах ЕС используются немалые штрафные санкции к ТЭЦ, превышающим эти нормы (вплоть до 50 евро за каждый выработанный МВт • ч электроэнергии).

Выходом из ситуации является использование различных фильтров, очищающих дымовые газы, либо сжигание угля в виде водоугольных суспензий. В последнем случае из-за более низкой температуры горения топлива удается значительно снизить выбросы оксидов азота. Уловленная в фильтрах зола может быть использована при производстве строительных материалов.

Каменный уголь является наиболее используемым видом твердого топлива. Согласно экспертным оценкам, при современном уровне потребления его мировых запасов хватит на 500 лет. Запасы каменного угля распространены по всему миру значительно более равномерно, чем нефтяные месторождения. Кроме того, из каменного угля можно получать синтетическое моторное топливо (однако себестоимость такой продукции до недавнего времени была слишком высока). Между тем у топлива из угля есть одно неоспоримое достоинство — высокое октановое число, поэтому экологически оно является более чистым (табл. 2.11).

Таблица 2.11

Характеристика каменного угля как топлива

Бурый уголь — твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, он содержит 65—70% углерода и имеет бурый цвет. Это наиболее молодой из ископаемых углей. Используется бурый уголь в качестве местного топлива, а также как химическое сырье. Теплотворная способность бурых углей составляет (8—10) • 10⁶ МДж/кг (примерно вдвое меньше, чем у каменного угля), зольность — 10—25%.

Антрацит среди всех сортов углей характеризуется наиболее высокими показателями качества: очень высоким содержанием углерода, низкой влажностью и малым выходом летучих компонентов, при горении он не дает копоти. Зажечь антрацит непросто, зато, разгоревшись, он дает устойчивое горячее голубое пламя и горит дольше, чем любой другой уголь. До 1920;х гг. антрацит широко использовался для обогрева домов, затем его сменили нефтепродукты и природный газ.

Торф — сложная многокомпонентная система; его физические свойства зависят от свойств отдельных частей, соотношений между ними, степени разложения или дисперсности твердой части. По свои энергетическим параметрам торф уступает углям (не только каменному, но даже бурому) как по теплотворной способности, так и по зольности. Удельная теплота сгорания торфа составляет (8,1—15) • 10⁶ МДж/кг, зольность (содержание минеральных компонентов) может варьироваться от 1% в верховом торфе и до 50% — в низинном.

Мировым лидером по добыче торфа является Финляндия. Кроме того, широко распространена добыча торфа в Белоруссии, Ирландии, Швеции, Канаде, Латвии, России. Около 70% мирового объема производимого торфа используется в сельском хозяйстве в качестве органического удобрения, а около 30% (35—40 млн т) идет на топливо.

Добыча торфа, как правило, сопровождается рядом негативных процессов:

• • нарушением режима водных систем;
• • изменением ландшафта и почвенного покрова в местах торфодобычи;
• • ухудшением качества местных источников пресной воды;
• • загрязнением воздушного бассейна;
• • резким ухудшением условий существования животных.

Горючие сланцы. Горючие сланцы известны во многих странах мира. Наиболее значительными сланцевыми месторождениями обладают США, Бразилия, Эстония, Австралия, Китай, Марокко, Канада. Горючие сланцы Европы достаточно хорошо изучены, они периодически разрабатывались в Великобритании, Франции, Швеции и других странах.

Сланцы являются высокозольным топливом. Использование сланцев может осуществляться по следующим основным направлениям:

• 1) прямое сжигание в котельных установках для выработки тепловой и электроэнергии (на ТЭС);
• 2) полукоксование с целью получения сланцевой смолы, из которой при дальнейшей переработке могут быть произведены топливные и различные химические продукты. Имеются оценки, согласно которым в мировых запасах сланца содержится от 550 до 630 млрд т сланцевой смолы (искусственной нефти), т. е. в четыре раза больше, чем все разведанные запасы натуральной нефти.

Сланцы являются одним из наиболее зольных видов органического топлива, поэтому при их пылевидном сжигании на электростанциях возникают серьезные проблемы по газоочистке, золоудалению и хранению золы.

Например, крупные Прибалтийская и Эстонская ГРЭС (мощность по 1600 МВт каждая) ежегодно потребляют около 20 млн т сланца, при этом образуется 9—10 млн т золы, которая хранится в золоотвалах и создает немалые экологические проблемы. Следует отметить, что часть сланцевой золы удается утилизировать, используя ее при производстве строительных материалов, а также для подщелачивания (известкования) кислых почв в сельском хозяйстве. Основные характеристики горючих сланцев представлены в табл. 2.12.

Таблица 2.12

Основные характеристики горючих сланцев.

Использование сланцев в качестве топлива и сырья для химической промышленности известно давно, однако в последние годы огромный интерес вызывают сообщения о разработке новой технологии добычи сланцевого газа (состоящего в основном из метана) из сланцевых месторождений. Достоинство сланцевого газа — близость к основным рынкам сбыта. Ресурсы сланцевого газа в мире оцениваются в 200 трлн м³, что вдвое превышает доказанные запасы традиционного природного газа (100 трлн м³). Для добычи сланцевого газа используют горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта. Аналогичная технология добычи применяется и для получения метана из угольных пластов.

Многие эксперты сегодня убеждены, что сланцевый газ изменит правила игры на глобальном энергетическом поле. Следом за США свои взоры на этот вид газа обратили и другие страны. Во время визита в Китай президента США (весна 2010 г.) лидеры двух стран (Барак Обама и Ху Цзиньтао) объявили о запуске совместного проекта по добыче метана из сланцевых месторождений. О начале работ в этом направлении объявили также Австралия, Канада, Германия, Венгрия, Польша, Швеция, Великобритания, Индия и ряд других стран. Известно также, что обширные запасы сланцев есть в Белоруссии, на Украине, в Казахстане, Эстонии. Как видно, в этом перечне присутствуют как страны, которые сегодня являются потребителями российского природного газа, так и те государства, рынки которых ОАО «Газпром» планирует освоить в ближайшем будущем. Таким образом, сланцевый газ со временем может составить серьезную конкуренцию традиционному природному газу. Однако добыча сланцевого газа сопровождается серьезными экологическими проблемами, на сегодняшний день еще недостаточно изученными.

Жидкое топливо. К данной категории топлива относятся:

• • нефтепродукты, изготавливаемые из сырой нефти путем ее перегонки;
• • креозот, являющийся продуктом низкотемпературного коксования и возгонки каменного угля;
• • синтетические масла, образующиеся в результате сжижения каменного и бурого углей;
• • разновидности биотоплива, изготавливаемые из растений (картофель, рапс и т. д.).

Согласно современным представлениям нефть образовалось миллионы лет назад в осадочных породах из останков животных и растений. Сырую нефть добывают на нефтяных месторождениях из нефтяных скважин. С точки зрения химического состава природная нефть представляет собой смесь различных углеводородов (парафины, иафтены, олефины, ароматические углеводороды и т. д.). На нефтеперегонных заводах сырую нефть разделяют на фракции: легкую, среднюю и тяжелую:

• • легкая фракция нефти, в особенности бензин, имеющий температуру кипения от 50 до 200-С, состоит преимущественно из парафинов, изопарафинов и нафтенов;
• • средняя фракция подразделяется на бензин (с температурой кипения от 200 до 250-С) и газойль (температура кипения от 200 до 350°С). Газойль в недавнем прошлом использовался в качестве сырья для производства нефтепродуктов, а в наше время используется преимущественно в качестве топлива для дизельных двигателей. К средней фракции принадлежит и так называемое печное топливо, используемое для отопления;
• • тяжелая фракция нефти (с температурой кипения свыше 350°С) представлена мазутами и сырьем для изготовления смазочных материалов. Мазут широко используется в качестве топлива на теплоэлектростанциях.

Альтернативой перегонке нефти является процесс крекинга, в котором при нагревании под высоким давлением крупные молекулы ее углеводородов разделяются на более мелкие фрагменты.

При сжигании жидкого топлива (мазут, печное топливо) с дымовыми газами в атмосферный воздух поступают: сернистый и серный ангидриды, оксиды азота и углерода, сажа, соединения ванадия, бензапирен. С экологических позиций жидкое топливо предпочтительнее твердого, поскольку при его использовании полностью отпадает проблема золоотвалов, занимающих значительные территории и являющихся источником постоянных загрязнений атмосферы из-за ветрового уноса золы. При этом не следует забывать, что мазутная зола является довольно опасным компонентом дымовых газов, поскольку содержит значительное количество очень токсичного пентаоксида ванадия.

Газообразное топливо. Горючие газы, используемые в качестве топлива в топках котлов и печей, по своему происхождению разделяются на природные и искусственные. К природным газам относятся газы, добываемые из недр земли (природный и сланцевый газы, попутный нефтяной газ из нефтяных пластов), а к искусственным — получаемые на газовых, нефтеперерабатывающих, металлургических заводах из твердого или жидкого топлива. Искусственными газами являются доменный, коксовый, генераторный, газообразный продукт пиролиза нефти, угля или древесины.

Газообразные топлива представляют собой смеси различных газов, в которых наряду с горючими газами в смеси могут находиться и негорючие компоненты.

В составе природного газа основными горючими компонентами являются предельные углеводороды: метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан с₄н₁₀, пентан С₅Н₁₂. Негорючая часть топлива (т.е. балласт) представлена диоксидом углерода (углекислым газом) С0₂ и азотом N₂ (табл. 2.13).

Таблица 2.13

Химический состав природного газа различных газопроводов.

В составе искусственных (промышленных) горючих газов содержится метан СН₄ (0,3—25,5%), монооксид углерода (угарный газ) СО (6,5—27%), водород Н₂ (5—59,8%). Содержание балластных газов азота N₂, кислорода 0₂, углекислого газа С0₂ в сумме может составлять от 5,9 до 68%. Очевидно, что чем выше содержание балластных компонентов, тем меньше теплотворная способность горючего газа.

При сжигании газообразного топлива основными веществами, загрязняющими атмосферный воздух, являются оксиды азота и углерода и бензапирен, взвешенные частицы и соединения серы в топочных газах отсутствуют. Следует отметить, что газообразное топливо значительно экологичнее твердого не только из-за отсутствия в дымовых газах взвешенных частиц, но и потому, что поступление в атмосферу оксидов азота при сжигании на ТЭС природного газа в среднем на 20% меньше, чем при сжигании угля. Это объясняется не столько свойствами топлива, сколько особенностями топочного процесса: коэффициент избытка воздуха при сжигании газа выше, чем при сжигании углей.

Загрязнение атмосферы. Учитывая, что основную часть любого вида топлива (жидкого, твердого или газообразного) составляют соединения углерода, большую часть выбросов теплоэлектростанций представлена углекислым газом. Этот газ не токсичный, однако относится к категории так называемых «парниковых», поэтому согласно обязательствам, которые Россия на себя приняла, но Киотскому протоколу, его выброс должен постепенно снижаться. Если учесть, что тепловая электростанция работает на протяжении нескольких десятилетий, ее совокупное воздействие на воздушный бассейн сопоставимо с действием крупного вулкана. При этом, если последний выбрасывает продукты своей деятельности, обычно, хотя и в больших количествах, но эпизодически, то тепловые станции делают это постоянно.

Коэффициент полезного действия (КПД) существующих теплоэнергетических установок пока невелик и не превышает 30—40%, т. е. большая часть топлива сжигается впустую. Полученная от сжигания топлива электрическая и тепловая энергия тем или иным способом используется и, в конечном счете, превращается в тепловую энергию. Несколько большим КПД, достигающим 70%, обладают теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые, наряду с электроэнергией, вырабатывают тепловую энергию в виде водяного пара и горячей воды (идущих на бытовые нужды населения и отопление). Более высокий КПД ТЭЦ объясняется тем, что водяной пар, являющийся отходом выработки электрической энергии турбинами электростанций, используется как источник тепловой энергии.

Согласно выполненным оценкам в настоящее время доля тепловых электростанций в общем российском валовом выбросе стационарными ИЗ, А составляет примерно 20%. Учитывая большую высоту дымовых труб ТЭС, они способны создавать загрязнения атмосферы на значительном удалении от станций.

Согласно государственному докладу «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2012 году» в табл. 2.14 представлены объемы выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при производстве и распределении энергии, газа, воды.

Таблица 2.14

Объемы выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух при производстве и распределении энергии, газа, воды, тыс. т

Наиболее экологически вредны тепловые электрические станции, работающие на низкосортных видах топлива. Например, невзирая на очистку дымовых газов ТЭС высокоэффективными электрофильтрами (их эффективность обычно превышает 99%), при сжигании 1000 т высокозольного угля в атмосферу поступит 10 млн м³ дымовых газов, содержащих 34 т диоксида серы, 9,3 т оксидов азота и около 2 т летучей золы. Из топки будет извлечено 34,5 т шлаков, а из бункеров электрофильтров — 193,5 т уловленной золы.

Загрязнение гидросферы. Сточные воды ТЭС и ливневые стоки с их территорий содержат соединения ванадия, никеля, фтора, фенолы и нефтепродукты. При сбросе в водоемы эти сточные воды способны оказать негативное влияние на качество воды, водные экосистемы. Представляет опасность и так называемое тепловое загрязнение водоемов. Площадь «зон подогрева» крупных ТЭС составляет несколько десятков квадратных километров.

Зимой на водоемах в этих зонах образуются полыньи (в северных и средних широтах), а в летние месяцы температура воды в них может превышать естественную на 6—8°С.

В результате повышения температур в водоеме и нарушения их естественного гидротермического режима интенсифицируются процессы «цветения» воды, уменьшается растворимость газов, меняются физические свойства воды, ускоряются все химические и биологические процессы, протекающие в ней. Скорость фотосинтеза в такой воде заметно понижается.

Со сточными водами крупной тепловой электростанции в поверхностный водоем ежегодно поступает более 60 т органики, 80 т серной кислоты, 25 т хлоридов, 40 т фосфатов и почти 500 т взвешенных частиц. При этом зола ТЭС и ТЭЦ часто содержит повышенные концентрации тяжелых, редкоземельных и радиоактивных веществ.

Хранилища золошлаковых отходов нередко оказывают значительное неблагоприятное воздействие на подземные и поверхностные воды. Дело в том, что золошлаковые отходы тепловых станций могут транспортироваться в места временного хранения в сухом виде либо — системой гидротранспорта. В последнем случае движение пульпы (зола, шлак + + вода) в пульпопроводах происходит с относительно высокой скоростью (1—2 м/с). При этом частицы золы и шлака вследствие соударений меняют форму, а также частично растворяются в воде.

В процессе временного или постоянного складирования золошлаковых шламов в специально построенных с этой целью накопителях-шламохранилищах формируется характерный для такого гидротехнического сооружения фильтрационный поток, содержащий находящиеся в золошлаках водорастворимые соединения. Он оказывает неблагоприятное воздействие как на основание шламохранилища, так и на его дамбу. Это проявляется в уменьшении их устойчивости вследствие обводнения процессам фильтрационной эрозии (суффозии) и нарушении работы дренажных устройств.

При отсутствии надежного экранирования котлована шламохранилища фильтрационный поток зачастую вызывает гидрохимическое загрязнение подземных вод, изменяет естественный гидрохимический режим подземных вод в районе его расположения, что вызывает:

• • повышение напора подземных вод, а иногда — подтопление, заболачивание и засоление территории;
• • поступление в подземные воды загрязняющих веществ;
• • попадание загрязняющих веществ в реки и водоемы, в которые «разгружаются» загрязненные подземные воды.

Согласно государственному докладу «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2012 году» в табл. 2.15 представлены объемы сброса загрязненных сточных вод в поверхностные водоемы при производстве и распределении энергии, газа, воды.

Таблица 2.15

Объемы сброса загрязненных сточных вод в поверхностные водоемы при производстве и распределении энергии, газа, воды, млн м³

Кроме неблагоприятных экологических последствий при штатной эксплуатации накопителей жидких золошлаковых отходов, серьезным ущербом чреваты чрезвычайные ситуации на них. Назовем основные причины аварий намывных шламохранилищ:

• а) на стадии проектирования и строительства:
  • • ошибки проектировщиков;
  • • низкое качество строительно-монтажных работ;
• б) на стадии эксплуатации:
  • • низкая квалификация служб эксплуатации;
  • • потеря фильтрационной прочности ограждающих дамб;
  • • нарушение работы дренажных устройств или их отсутствие;
  • • размыв откосов ливневыми водами.

Размыв дамб шламохранилищ приводит к подтоплению и загрязнению земель на больших территориях.