Питомі викиди шкідливих продуктів згоряння при факельному спалюванні органічних палив в енергетичних котлах
| Викиди | Природний газ, г/м3 газу | Мазут, кг/т мазуту | Вугілля, кг/т вугілля |
| Оксиди сірки | 0,006–0,01 | –21 8Р | (17–19)SР |
| Оксиди азоту | 5–11 | 5–14 | 4–14 |
| Монооксид вуглецю | 0,002–0,005 | 0,005–0,05 | 0,1–0,45 |
| Вуглеводні | 0,016 | 0,1 | 0,45–1,0 |
| Диоксид вуглецю | 2 000 | –3 000 | 2 200–3 000 |
| Летуча зола і шлак | — | 10АР | 10АР |
Примітка. SР, АР – відповідно вміст сірки і золи на робочу масу палива, %.
Потім вони викидаються в атмосферу і розсіваються в ній за допомогою димарів. Теоретичне обґрунтування розсіювання (припустимо на якійсь території – К) є складною задачею, тому нами пропонується модель розсіювання шкідливих викидів у зоні факелу труби за статистичною (гаусовою} теорією де на рис. 1 представлена система координат, яка демонструє гаусове розподілення частинок шкідливих викидів по горизонталі і вертикалі. Відповідно рівнянню [71] (формула 1.8) фракції частинок з відхідними газами розсіваються та осідають на полях агропромислового комплексу.
У системі декартових координат, що використовуються нами для виконання розрахунків за гаусовою моделлю розсіювання, передбачається, що вісь х збігається з горизонтальним напрямком поширення струменю уздовж середнього вітру. Вісь z спрямована вертикально. Поширення струменю (рис. 1.1) здійснюється уздовж або паралельно напряму осі х.
Рис. 1.1. Система координат, що демонструє
гаусів розподіл шкідливих викидів у атмосфері
під факелом труби на ТЕС
До того ж форма струменя (рис. 1.1) показує гаусовий розподіл частинок усередині струменя, де овальні фігури перетинаються зі спрощеною формою струменя.
У зазначених овалах відхідного факелу із труби представлені профілі концентрацій викидів забруднюючих шкідливих речовин.
Для обґрунтування розсіювання шкідливих речовин у атмосфері, які поступають від димарів ТЕС нами пропонується класичне рівняння [98]:
(1.8)
де С – концентрація шкідливих речовин, г/м3;
Q – постійна потужність викиду газу із димаря ТЕС, м3/с;
H – висота викидів шкідливих речовин, м;
– висота підйому струменя шкідливих викидів, м;
і 
– концентрації шкідливих викидів по осям у і z, г/м3;
u – середня швидкість вітру, м/с.
Зазначимо, що потужність викиду Q на висоті Н представлена гаусовим розподілом, що записаний у правій частині представленого нами рівняння. Висота Н відповідає положенню осьової лінії струменю для піднятого джерела і дорівнює сумі геометричної висоти труби і підйому струменю Н. Розсіяння повітряного шкідливого струменю описується гаусовим розподілом зі стаціонарними відхиленнями розподілу концентрації (σ)по осям у і z. На представленому нами (рис. 1.1) має місце відображення струменя від поверхні землі, тобто немає осадження або взаємодії струменя з поверхнею, що підстилає. Для опису цього ефекту експонентний член у представленому рівнянні, що містить z і Н, подвоюється.
Основне положення представленої нами моделі – те, що турбулентність усюди однакова; і – функції розсіювання від джерела; швидкість вітру постійна у всьому шарі поширення струменя; напрямок вітру також не міняється при русі потоку.
В атмосферному повітрі відбувається подальше перетворення газоподібних викидів ТЕС, що триває від декількох годин до декількох місяців. Наявність шкідливих газоподібних продуктів згорання органічних палив в атмосфері приводить до руйнування озонового шару, утворенню фотохімічних туманів (смогів), корозії металоконструкцій, ерозії ґрунту, знищенню флори, виникненню різних захворювань у людини [182].
Усі паливоспалюючі установки щорічно викидають в атмосферу Землі більш 200 млн т окису вуглецю, 50 млн т різних вуглеводнів, майже 150 млн т двоокису сірки, понад 50 млн т окисли азоту. Можна виділити наступні види забруднення навколишнього середовища об’єктами теплоенергетики: викиди в атмосферу у виді пилу, окислів сірки, азоту, вуглецю; тверді відходи (зола, шлак); скидання відпрацьованої води, що містить нафтопродукти, суспензії, розчинні з’єднання металів; теплові низькопотенційні викиди; вплив електромагнітних полів ліній електропередач; шумовий вплив.
Одним із найбільших забруднювачів атмосферного повітря, якого важко позбавитися, є оксиди сірки (SO2 та у менших кількостях SO3). Щорічний їх викид у нижні шари атмосфери перевищує 150 млн т, при цьому 60–80 % цієї кількості викидається з продуктами згорання палива підприємств енергетичної галузі оксиди сірки, а також кислоти, що утворюються при їх сполученні з водяною парою, шкідливо впливають на людей, викликають руйнування сталевих конструкцій та будівельних матеріалів, зниження прозорості атмосфери, загибель лісів та садових дерев, знижують врожайність сільськогосподарських культур.
Валовий викид оксидів азоту в атмосферне повітря від підприємств теплоенергетичної галузі, наприклад у регіоні Північного Приазов’я становить 6–8 % загального викиду шкідливих речовин в Україні, проте за токсичністю діоксид азоту значно переважає оксиди сірки та вуглецю. Концентрації діоксиду азоту в 15 мг/м3 викликають подразнення слизової оболонки очей, а 200–300 мг/м3 небезпечні вже при недовготривалому вдиханні, оскільки оксиди азоту можуть викликати набряк легенів. Понад 90 % загальної кількості викидів оксидів азоту в усьому світі надходить в атмосферу з продуктами згорання рідкого палива та газу. Однією із найбільш значних груп токсичних речовин, що потрапляють в атмосферне повітря, є продукти неповного згорання палива; оксид вуглецю, альдегіди, органічні кислоти, вуглеводні. Оксид вуглецю являє собою високотоксичну речовину, яка при концентрації у повітрі порядку 1–1,5 мг/м3 викликає отруєння людини, а при 2,4 мг/м3 через 30 хвилин – непритомний стан.
Крім забруднення атмосфери, викиди підприємств теплоенергетики інтенсивно забруднюють атмосферні опади (за рахунок розчинення у них окислів сірки і азоту), земну поверхню, ґрунт і рослинність (за рахунок осідання на них пилу і випадання забрудненого дощу і снігу), поверхневої води (за рахунок осідання на водні акваторії викинутих у повітря шкідливих речовин і змиву їх у річки і водойми дощовими та талими сніговими потоками). Наслідком такого забруднення земної поверхні є закислення снігового покрову та сільськогосподарських земель і накопичення у ґрунтах важких металів з вугільної золи, що уповільнює розвиток лісових біоценозів, зменшує урожайність сільськогосподарських культур та забруднює небезпечними для людини сполуками продукти споживання. Найбільш небезпечними у ньому плані є ТЕС, що використовують високозольне та сірчисте вугілля, Після 2001 року відзначено істотне зниження показника кислотності опадів до рН = 6,30 порівняно з рН = 6,52 у 2 000 р. Це порушує тенденцію зростання кислотних опадів. Випадання надмірнокислих опадів спостерігалось на території Північного Приазов’я та в сусідньому з Приазов’ям (рис. 1.2) Криму (Нікітський Сад і у самому місті Ялта) [144].
Рис. 1.2. Зміна кислотності опадів в Криму
Теплові електростанції є найбільшими водокористувачами. Так, при виробленні 1 кВт/год електроенергії лише на охолодження витрачається близько 0,12 т води. Це становить 97–98 %всієї використаної станцією води, решта іде на технологічні потреби. З охолоджувальною водою у водойми скидається велика кількість теплоти. Для того щоб вплив скидної теплоти не порушував нормальних умов у водоймі, теплові скидання за санітарними нормами не повинні викликати підвищення власної температури водойм більш, ніж на 5 °С влітку та 3 °С взимку.
При підготовці додаткової води для парових котлів витрачається велика кількість хімічних реагентів (лугу, кислоти, коагулянту), які після використання утворюють стічні води. Ці води засолюють водойми, змінюють значення рН у воді, збільшують у ній концентрацію органічних домішок, що утворюють дефіцит кисню у водоймах. Великою небезпекою для водойм є води, забруднені нафтопродуктами.
Небезпечний локальний вплив на оточуюче середовище ТЕС мають і займаючи значні території шлакозоловідвали, які є причиною інтенсивного забруднення ґрунту і місцевих поверхневих та ґрунтових вод. На даний час під шлакозоловідвалами ТЕС зайнято понад 3 тис. га, на яких складовано понад 300 млн т золошлаків. Щорічний вихід цих золошлаків дорівнює 12 млн т, які поповнюють швидко зростаючі шлаковідвали, збільшуючи їх негативну дію на оточуюче ТЕС природне середовище.
Нами проведено дослідження та підрахунки кількості шкідливих викидав (М )в атмосферу Приазов’я від ТЕС в залежності від кількості виробленої ними електроенергії (N ), що описується функцією
(1.9)
У табл. 1.2 представлена динаміка шкідливих викидів в атмосферу Приазов’я, яка описується залежністю (1.9).
Таблиця 1.2