Топливные электростанции и котельные

Наибольшее количество крупных топливосжигающих стационарных предприятий относятся к ТЭК: более 300 крупных ТЭЦ и ГРЭС мощностью более 10 ГВт, несколько сотен тысяч муниципальных и ведомственных котельных. Развитие традиционной энергетики, особенно на угле, одновременно с решением проблемы надёжного энергоснабжения (благодаря огромным мировым запасам угля) обостряет проблему загрязнения окружающей среды. Ежегодные выбросы энергетическими установками в мире составляют: углекислого газа — (2−3)-10¹⁰ т, летучей золы (particulate matters) — 2,5−10¹⁰ т, N0* - 1,2−10⁴ т, SO_x — 1,5−10^х т, значительные объёмы токсичных компонентов. Тепловая (топливная) энергетика относится к наиболее «грязным» отраслям промышленности, доля выбросов С0₂ которой составляет 30% от суммарных по всем отраслям экономики России и 2% от мировых [5]. Одна угольная электростанция мощностью 150 МВт со средними на сегодня техническими характеристиками выбрасывает в атмосферу за год более 1 млн т парниковых газов, что эквивалентно выхлопам 300 тыс. автомобилей. Централизованное теплоснабжение с помощью тепловых электростанций (ТЭС) и АЭС сопровождается выбросами огромного количества низкопотеициальной теплоты системами охлаждения технологической воды, особенно большими в неотопительный период, а также дополнительным расходом топлива на нагрев сетевой воды, восполняющей её потери в теплосетях из-за изношенности последних.

Согласно ЭС-2030 основой электроэнергетики на всю рассматриваемую в ней перспективу останутся тепловые электростанции, удельный вес которых в структуре установленной мощности отрасли сохранится на уровне 60−70%. Выработка электроэнергии на тепловых электростанциях к 2020 г. возрастет в 1,4 раза по сравнению с 2000 г. Судя по устойчивой тенденции, показанной в табл. 13.8 и 13.9, при этом увеличится и нагрузка на окружающую среду.

Таблица 13.8.

Динамика загрязнения атмосферы предприятиями электроэнергетики, млн т

Наибольший ущерб окружающей среде на единицу произведённой энергии причиняют угольные электростанции, т. к. в процессе сгорания угля образуются вредные вещества, которые выводятся в атмосферу с дымом и попадают в почву с золой.

Таблица 13.9.

Динамика загрязнения гидросферы предприятиями электроэнергетики, млн т

Помимо того что эти выбросы неблагоприятно влияют на окружающую среду, продукты сгорания вызывают парниковый эффект и разрушают озоновый слой. При работе угольных ТЭС кроме С0₂ загрязнителями окружающей среды являются: летучая зола, оксиды азота и серы и др. Выбросы некоторых из них (мышьяк, уран) даже превышают их целенаправленное производство.

В табл. 13.4 приведены мировые и российские количественные показатели воздействия на окружающую среду основных факторов, характерных для ТЭС, а в табл. 13.10 — удельный экономический ущерб от основных загрязнителей атмосферы угольных ТЭС для ряда стран ЕС и России.

Таблица 13.10.

Удельный ущерб от трех основных загрязнителей атмосферы для ряда стран ЕС (расчет проекта Externe) и России, евро/т

В России экологический ущерб, вызываемый производством 1 кВт-ч электрической энергии, в денежном выражении составляет: для угольных ТЭС — 64 цента, для газовых ТЭС — 2,8 цента, для АЭС — 0,1 цента (по состоянию на 2005 г.).

По технологическим и экологическим характеристикам российские ТЭС сильно уступают ТЭС США и стран ЕС. Как правило, на отечественных ТЭС выбросы РМ и С0₂ на единицу производимой электроэнергии кратно больше, табл. 13.11 и 13.12.

Таблица 13.11.

Выбросы в атмосферу вредных веществ угольными ТЭС Германии и России

Концентрация выбросов и их вред для населения и окружающей среды существенно зависят от расстояния до электростанции. Например, при мощности ТЭС 2400 МВт и при высоте дымовой трубы 180 м концентрация выбросов ниже предельно допустимых значений достигается на расстоянии только более 15 км, табл. 13.12.

Таблица 13.12.

Суточные концентрации выбросов в атмосферу ТЭС мощностью 2400 МВт с трубой высотой 180 м, мг/м³

Источниками негативного воздействия на окружающую среду являются открытые площадки ТЭС и котельных для хранения угля и золошлаковые отвалы. Эти объекты становятся причиной длительных экологических нарушений, таких как геофильтрация промышленных стоков, эрозия и обрушение откосов дамб, растекание гидросмеси при прорывах дамб и затопление прилегающей территории, пыление золошлаков и т. д.

Основными факторами воздействия ТЭС на гидросферу являются тепловое загрязнение водных объектов циркуляционной водой и потребление воды, в том числе безвозвратное. Основная часть потребляемой воды идёт на охлаждение конденсаторов паровых турбин. Остальные потребители технической воды (системы золои шлакоудаления, химводоотчистки, охлаждения и промывки оборудования) потребляют около 7% общего расхода воды. В то же время именно эти потребители воды являются основными источниками примесного загрязнения. Водный баланс ТЭС зависит от организации системы технического водоснабжения. Для системы гидрозолоудаления используется вода из системы охлаждения подшипников. На химводоотчистку может поступать циркуляционная вода после выхода ее из конденсаторов. При промывке поверхностей нагрева котлоагрегатов серийных блоков ТЭС мощностью 300 МВт образуется до 10 тыс. м³ разбавленных растворов соляной кислоты, едкого натра, аммиака, солей аммония, железа и других веществ.

В высказываниях противников «угольного варианта» развития энергетики часто фигурирует еще один фактор его негативного воздействия — радиоактивное излучение углей и шлаковых отвалов. Как показывают исследования, выполненные Институтом угля и углехимии СО РАН, преобладающая доля российских энергетических углей нс имеют повышенную радиоактивность. Например, в кузнецких углях содержание тория и урана не превышает 15 г на тонну. Такие максимальные уровни содержания урана в золах углей не опасны для человека, так как общая мощность дозы их излучения не превышает 10−12 мкР/ч при максимально допустимой, нормативной — 25 мкР/ч. Более того, при общем радиационном фоне Земли 15 мкР/ч кузнецкие угли имеют характеристику от 6 до 11,5 мкР/ч. Повышенное содержание урана наблюдается в углях Итатского месторождения, но они в энергетике не используются.

Согласно ЭС-2030 и «Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики до 2020 г.» наиболее неблагоприятными с точки зрения динамики роста выбросов парниковых газов будут регионы азиатской части России, рис. 13.2.

Рис. 13.2. Динамика выбросов С0₂ при сжигании котельно-печного топлива на электростанциях России [5].

Токсичность продуктов сгорания природного газа в 10−50 раз ниже, чем угля. Природный газ не производит золы, содержание серы и азота минимально, при сгорании он дает наименьший выход С0₂ в расчете на единицу произведённой энергии. Поэтому одним из позитивных последствий «газовой паузы», т. е. «перекоса» ТЭБ в сторону газа, является значительное уменьшение нагрузки на биосферу и здоровье населения.

В существующих методиках оценки ущербов окружающей среде требует доработки и корректировки базовая величина — показатель удельного ущерба от выброса условного вещества (топлива).

Он должен способствовать достижению двух противоречивых целей: с одной стороны, плата предприятий-загрязнителей должна быть для них ощутимой, чтобы стимулировать эффективные природоохранные мероприятия, с другой стороны, она не должна быть слишком высокой, чтобы не удорожать чрезмерно продукцию, сохраняя ее конкурентоспособной. Плата за загрязнение природной среды при соблюдении норм предельно допустимых выбросов должна составлять 10−20% от стоимости продукции.

При определении путей развития теплоснабжения жилого и общественного секторов одним из основных факторов становится также экологический. Установлено максимальное содержание вредных газов в воздушном бассейне населенных пунктов и на их основе приняты нормы предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздушном бассейне, табл. 13.13.

Концентрация загрязнений в зоне активного воздействия зависит от таких факторов, как: качество и вид сжигаемого топлива, расположение источника загрязнения, тип котла, состояние атмосферы и др. Этот показатель существенно различен для децентрализованных (ДЦТ) и централизованных (СЦТ) систем теплоснабжения.

Наряду с бесспорными преимуществами ДЦТ по ряду показателей в экологическом плане они обладают существенными недостатками:

• • большой механический и химический недожог топлива вследствие конструктивной особенности малых котлов (небольшой топочный объем, низкая температура теплоносителя и, как следствие, неполное сгорание топлива и высокая температура уходящих газов);
• • низкий КПД при использовании твердых топлив;
• • малая высота дымовых труб и, как результат, высокие приземные концентрации вредных веществ, кратно (до десятков раз) превышающие таковые при СЦТ тех же объектов.

Таблица 13.13.

Вредные вещества, содержащиеся в дымовых газах при сжигании топлива, и их предельно допустимые концентрации в атмосфере

В свою очередь, централизованное теплоснабжение при характерных для него достоинствах имеет свои недостатки, снижающие его энергоэффективность и ухудшающие экологические показатели:

• а) огромные выбросы низкопотенциальной теплоты, прежде всего системой охлаждения технической воды на АЭС, ТЭЦ (увеличивающиеся в период снижения тепловой нагрузки в нсотопитсльный период);
• б) большие затраты теплоты на нагрев сетевой воды, восполняющей потери в теплосетях вследствие их изношенности. Из-за этих проблем природные ископаемые энергоресурсы превращаются в «тепловые реки» на поверхности планеты.