ОХРАНА ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА

Выбросы вредных веществ в атмосферу. Основные антропо­генные атмосферные выбросы вредных веществ вызваны сжиганием органического топлива на электростанциях, в котельных, промыш­ленных печах и двигателях внутреннего сгорания, а также переработ­кой руд и получением различных химических продуктов.

Суммарные антропогенные выбросы на нашей планете в 80-х годах составляли (т/год): пыль и сажа — (8—16) * 10⁸, оксид углерода — (2—3)*10⁸, оксиды серы —(8—15)*10⁷, оксиды азота — ( 4—8,5) *10⁷.

Кроме того, в атмосферу поступают углеводороды, свинец, ртуть, мышьяк, летучие химические реагенты и продукты, радиоактивные изотопы. Например, анализ показал, что воздух Санкт-Петербурга содержит 33 углеводорода и их производных. Основная часть выбросов поступает от тепловых электростанций (до 21%), предприятий металлургии, нефтедобычи и нефтепереработки, авто­транспорта. Значительная часть вредных атмосферных выбросов обусловлена горением топлива.

Продукты горения топлива зависят от его состава и условий сжи­гания. Однако при горении топлива на электростанциях, в промыш­ленных печах, двигателях внутреннего сгорания и других установках всегда образуются Н₂О, СО₂ и СО. Соотношение между СО₂ и СО в продуктах горения зависит от ряда факторов и прежде всего от соот­ношения топлива и воздуха. Если подача воздуха недостаточна, то топливо сгорает неполностью, в продуктах горения увеличивается доля СО и сажи, при этом КПД использования топлива понижается. В то же время большой избыток воздуха ухудшает эффективность работы установок, так как при этом необходимы дополнительные за­траты теплоты на подогрев воздуха. Температура топливо-воздушной смеси на некоторых участках может упасть ниже температуры вос­пламенения топлива, из-за чего часть его не успевает сгореть. Поэто­му должно соблюдаться оптимальное соотношение между топливом и воздухом. Лучше всего контролировать это соотношение по содер­жанию СО и СО₂ в продуктах горения.

Кроме паров воды и оксидов углерода, продукты горения топлива содержат оксиды серы и азота, азот, непрореагировавший кислород и другие вещества. Оксиды серы образуются по реакции окисления серы

S+O₂=SO₂ SO2+ ¹ /₂O₂=SO₃

и серосодержащих соединений, а также разложения сульфидных со­единений. Основная часть оксидов азота поступает в атмосферу от автотранспорта и тепловых электростанций. Оксиды азота образуют­ся за счет окисления, как азота воздуха, так и азота топлива. Реакции протекают по цепному механизму, например, по схеме:

O₂ + N₂ =NO₂ + N*

N* + O₂ =NO + O*

N*+ О* -> NO*

Атомарный и молекулярный кислород образуют токсичный озон.

В реакции окисления принимают участие радикалы, обра­зующиеся при окислении или разложении топлива, например СН:

CT* + N₂=HCN + N*

OH* + N*=NO + H*

Химические процессы ускоряются под действием солнечных лучшей.

Продукты горения топлива содержат также углеводороды, в част­ности бенз(а)пирен C₂₀H₁₂, обладающий канцерогенными свойствами. В продуктах горения твердого топлива и мазута имеется значитель­ная доля твердых веществ: золы, сажи и др.

Количество и состав продуктов горения зависят от состава исход­ного топлива и условий горения.

При сжигании мазута и угля вредными основными выбросами являются оксиды серы и азота, при сжигании газа — оксиды азота. Кроме того, среди вредных выбросов электро­станций, работающих на угле, могут быть ртуть, бериллий, свинец, кадмий, уран, хром, сурьма, ванадий, марганец и другие, экологиче­ски опасные элементы.

На долю энергетики приходится более 70% всех выбросов окси­дов серы и более 40% выбросов оксидов азота. Заметный вклад в загрязнение атмосферы вносит транспорт. В среднем автомобиль выбрасывает в атмосферу (кг/год): монооксида углерода — 135, оксидов азота — 25, углеводородов — 20, оксидов серы — 4, твердых частиц — 1,2.

В настоящее время в мире эксплуатируется около 500 млн. авто­мобилей и число их непрерывно возрастает, соответственно растут и вредные выбросы в атмосферу.

Особенно опасен автотранспорт в крупных городах. Например, выброс вредных соединений от автомобилей в 1988 г. составил (тыс. т/год): в Москве — 840, С.-Петербурге — 370, Ташкенте — 310. В последние годы число автомобилей и соответственно масса выбросов в городах значительно возросли. В крупных городах возникает осо­бое явление, называемое смогом.

В настоящее время антропогенные выбросы в атмосферу оказы­вают влияние не только на окружающую среду, но и на целые континенты и даже на климат на Земле. К числу таких глобальных послед­ствий относятся разрушение озонового слоя, «парниковый» эффект и кислотные дожди.

Кислотные дожди. В атмосфере образуются H₂SO3 и H2SO4, при взаимодействии оксидов серы с водой

SO₂+ H₂O=H₂SO₃

SO₃+ Н₂О=H₂SO₄

и HNO₃ в результате реакции NO₂ с водой

2NO₂ + Н₂О = HNO₃ + HNO₂

Кислоты в виде мелких капель (0,1—1,0 мкм) переносятся на большие расстояния, иногда на сотни километров, и выпадают в виде кислотных дождей (рН < 5,6, иногда до рН4). Попадая в почву, вода нейтрализуется за счет ионного обмена. Однако, вода с низким зна­чением рН может растворять соединения токсичных тяжелых метал­лов, а при недостаточной обменной емкости почвы подкисляет ее, что снижает урожай и вредит лесам.

Происходит заметное подкисление озер и прудов, которые стано­вятся мертвыми. Кислотные дожди также вызывают коррозию метал­лов и разрушение мраморных и известковых конструкций и произве­дений искусства.

«Парниковый» эффект». Диоксид углерода прозрачен для солнечного света, но не пропускает в атмосферу инфракрасное излучение Земли, т.е. ведет себя подобно полиэтиленовой пленке в парнике. В связи с возрастанием темпов сжигания топлива растет концентрация диоксида углерода в атмосфере. Ожидается, что к 2050 г. концентрация СО₂ удвоится по сравнению с 1978 г., что вызовет повышение средней температуры на Земле на 2,5—3,5 К и соответственно таяние ледников и повышение уровня Мирового Океана. По прогнозам некоторых специалистов уровень Океана в 2050 г. может подняться на 4—5 м, что приведет к затоплению огромных территорий. Аналогично СО₂, на инфракрас­ное тепловое излучение воздействуют метан и другие углеводороды, которые поступают в атмосферу при добыче и переработке нефти и газа, а также из газовых криогидратов (клатратов) при таянии ледников. До некоторой степени «парниковый» эффект компен­сируется образованием аэрозолей твердых и жидких частиц, выбра­сываемых в атмосферу в результате природных процессов и жизне­деятельности человека. Аэрозоли снижают способность атмосферы пропускать солнечный свет и соответственно снижа­ют среднюю температуру земной поверхности. Тем не менее челове­честву необходимо снизить поступление СО₂ в атмосферу. Экономи­чески приемлемых путей решения этой проблемы пока не найдено.

Зашита воздушного бассейна от загрязнения. Защита воздуш­ного бассейна от загрязнений стала одной из важных и сложных за­дач, стоящих перед человечеством. Решение этой задачи осуществля­ется по трем направлениям: обезвреживание выбросов, изменение состава топлива и разработка новых методов преобразования энергии и новых технологий. На первом этапе использовался и пока еще ис­пользуется первый путь. Тепловые электростанции оборудуются вы­сокими трубами для рассеивания выбросов в более высокие слои ат­мосферы. Электростанции и металлургические заводы имеют золо­уловители для удаления золы из продуктов горения, фильтры и адсорберы для сорбции некоторых газов и твердых частиц.

Оксиды серы и азота, имеющие кислотный характер, нейтрализу­ются веществами основного характера. Для нейтрализации оксида се­ры используется известь, известняк, оксид магния и другие вещества:

SO₂ + СаСОз + '/₂Н₂О = CaSO₃) * '/₂H₂O + СО₂

SO₂ + Са(ОН)₂ = CaSO₃ * '/₂H₂O + '/₂H₂O

SO₂ + MgO + 6H₂O = MgSO₃ * 6H₂O

SO₂ + (NH₄)₂SO₃ + H₂O = 2NH₄HSO₃

Оксиды азота нейтрализуются известью, содой, аммиаком и дру­гими веществами:

2NO₂ + Na₂CO₃ = NaNO₂ + NaNO₃ + CO₂

4NO₂ + 2Ca(OH)₂ = Ca(NO₃)₂ + Ca(NO₂)₂ + 2H₂O

2NO₂ + 2NH₄OH = NH₄NO₃ + NH₄NO₂ + H₂O

Оксиды азота и серы обезвреживаются также методом каталити­ческого восстановления, например:

4NO + СН₄ - 2N₂ + СО₂ + 2Н₂О

2NO₂ + СН₄ = N₂ + СО₂ + 2Н₂О

Диоксид серы и монооксид углерода можно окислить на катали­заторах:

SO₂ + '/₂О₂ = SO₃

SO₃ + Н₂О = H₂SO₄

СО + '/₂О₂ = СО₂

Для окисления монооксида углерода и восстановления оксидов азота в автомобилях предложены катализаторы, которые могут уста­навливаться в выхлопных трубах и представляют собой пористую насадку с катализатором, например, платиной или палладием и роди­ем. Газовые выбросы можно также очищать методом адсорбции на активированном угле, силикагелях и цеолитах и других адсорбентах.

Однако обезвреживание продуктов горения и выбросов металлур­гических заводов весьма дорого, и в будущем, по-видимому, будут применяться другие методы защиты воздушного бассейна.

В настоящее время ученые разрабатывают энергохимические ме­тоды использования топлива. Сущность этих методов заключается в предварительной химической переработке топлива, очистке от серы и разделения его на фракции. Некоторые фракции могут служить цен­ным сырьем для химической промышленности, а другие фракции — топливом для электростанций. Очищенное топливо при горении бу­дет давать значительно меньше вредных выбросов.

Наиболее кардинальным решением проблемы защиты воздушно­го бассейна является разработка новых методов преобразования энер­гии и новых машин, обеспечивающих безвредные выбросы, а также применение менее вредных веществ. Так, например, происходит за­мена галогеносодержащих хладонов на новые соединения, не разру­шающие озонового слоя в верхних слоях атмосферы. Существенного уменьшения загрязнение воздушного бассейна можно достичь, если осуществить идеи водородной энергетики.

Водородная энергетика. Стоимость передачи энергии в химиче­ской форме (в виде газа) значительно ниже стоимости передачи элек­троэнергии. В качестве носителя энергии может быть использован водород. В настоящее время ведутся широкие исследования будущих энергетических систем, в которых передача и распределение энергии будут осуществляться с помощью водорода. Применение водорода значительно снизит уровень загрязнения атмосферы, так как при его окислении образуется безвредный продукт — вода.

Природные запасы соединений водорода огромны. Водород легко вступает в химические реакции, при его окислении выделяется боль­шое количество теплоты. Поэтому водород может найти широкое при­менение в промышленности и быту, для синтеза различных соединений, освещения, отопления и охлаждения, приготовлении пищи и для получе­ния электроэнергии с помощью электрохимических генераторов.

Водородная энергетическая система будет иметь установки для получения водорода, подсистемы его передачи и распределения и установки для его использования. Существует большое количество способов получения водорода. Наиболее широко в настоящее время применяются способы пароводяной конверсии и электролиза. В по­следнее время большое внимание уделяется фотохимическому спосо­бу получения водорода. В перспективе при разработке термоядерных реакторов может стать экономически целесообразным получение водо­рода термохимическим разложением воды. Таким образом, водород­ную энергетическую систему с учетом различных способов получения водорода и путей его использования можно представить схемой.

Водород можно получить за счет пароводяной конверсии метана или угля:

СH₄ + H₂O = CO +3H₂

С + Н₂О = СО + Н₂

СO + Н₂О = СО₂ + Н₂

При этом водород необходимо отделить от диоксида углерода и других продуктов конверсии. Эту проблему еще нельзя считать раз­решенной. Одним из основных методов получения водорода в неда­леком будущем рассматривается электролиз на атомных электро­станциях. Кроме водорода выделяется и кислород, который также может быть использован в промышленности и быту. Кроме электро­литического, рассматриваются и фотохимические методы получения водорода. Термохимический метод получения может быть особенно перспективен при разработке термоядерных энергоустановок. Однако для применения этого метода необходимо решить задачу разделения водорода и кислорода. Большой интерес вызывает фотохимический спо­соб разложения воды с использованием биологических катализаторов.

Электрохимическая энергетика. Новое направление в энергети­ке — электрохимическая энергетика включает в себя генерацию и накопление электрической энергии. Генерация электроэнергии про­исходит в устройствах, называемых топливными элементами (ТЭ). К настоящему времени разработано пять типов ТЭ.Токообразующей реакцией в большинстве топливных элементов служит окисление водорода:

2Н₂ + О₂ = Н₂О

В ТЭ с щелочным электролитом могут быть использованы лишь чистые водород и кислород, поэтому они пока нашли применение только в космосе. В остальных ТЭ на анод может подаваться как чис­тый, так и технический водород, а также смесь Н₂, СО₂ и Н₂О. Для всех ТЭ вредными примесями, отравляющими катализаторы, являются соединения серы, в низко- и среднетемпературном ТЭ (до t =200°С) — также СО. В последние годы разрабатываются ТЭ с прямым окисле­нием метанола, который подается на анод. На катоде ТЭ восстанав­ливается кислород воздуха.

Для непрерывной работы ТЭ необходимы подача реагентов, от­вод продуктов реакции и теплоты и система автоматики. Батарея ТЭ вместе со вспомогательными устройствами составляют электрохими­ческий генератор (ЭХГ), который в свою очередь входит в электрохимическую энергоустановку, которая состоит из блока пере­работки топлива, инвертора постоянного тока в переменный и уст­ройств использования теплоты либо для теплоснабжения, либо для дополнительной выработки электроэнергии в концевом цикле, со­стоящем из газовой или паровой турбины или парогазовой системы. В качестве исходного топлива может служить природный газ или уголь. Природный газ подвергается конверсии водяным паром:

СН₄ + 2Н₂О = СО₂ + 4Н₂

Уголь газифицируется либо обработкой водяным паром, либо термическим пиролизом, продукты переработки угля после очистки от вредных примесей поступают в топливные элементы.

В ТЭ окислитель и топливо пространственно разделены, поэтому даже при высоких температурах образуется значительно меньше ок­сидов азота и монооксида углерода, чем в тепловых машинах. Вы­брос вредных компонентов из электрохимических энергоустановок на 1,5— 2 порядка ниже, чем из тепловых машин. Это главное пре­имущество электрохимических энергоустановок. Их можно устанав­ливать непосредственно около потребителя. Важным достоинством электрохимических энергоустановок также является высокий КПД, который в 1,5—2 раза выше КПД тепловых машин. При этом КПД электрохимических энергоустановок относительно мало зависит от их установленной мощности и нагрузки.

К настоящему времени созданы установки мощностью от 10 кВт до 11 МВт, некоторые из них уже находятся в коммерческой реализации.

На первых порах эти установки, и прежде всего на основе низко­температурных ТЭ, будут применяться для автономно­го энергоснабжения отдаленных районов, отдельных островов, по­селков, отдельных жилых и промышленных зданий, торговых и спор­тивных центров и т.д. Позднее, по мере их удешевления и увеличения срока службы, они найдут применение и для централизованной гене­рации электроэнергии. Ожидается, что к 2015 г. они будут генериро­вать до 10%, а к 2030 г. до 25—30% всей электроэнергии.

Проблема электромобиля. Одним из наиболее кардинальных решений проблемы снижения вредных выбросов транспортных уст­ройств является замена двигателя внутреннего сгорания на экологи­чески чистые устройства и прежде всего на батареи аккумуляторов или на электрохимические энергоустановки. К батарее акку­муляторов для электромобиля предъявляются требования высокой удельной энергии и мощности на единицу массы и объема, срока службы, экологической чистоты, простоты обслуживания и невысо­кой стоимости. Традиционные аккумуляторы удовлетворяют не всем указанным требованиям. Так, свинцовые аккумуляторы слишком тяжелы, они обеспечивают пробег электромобиля без подзарядки при скорости 60 км/ч не более 70—90 км. Поэтому такие электромобили могут использоваться лишь для внутригородских перевозок продук­тов и промышленных товаров и доставки почты.

Никель-кадмиевые аккумуляторы очень дороги и содержат ток­сичный кадмий. При замене кадмия на цинк или интерметаллид по­лучают никель-цинковый или никель-металлгидридный Ni -MH аккумулятор, которые обеспечивают пробег электромобиля без под­зарядки до 120—140 км, однако срок службы Ni - Zn аккумулятора не превышает двух-трех лет, a Ni - МН аккумулятор пока дорог.

Новые аккумуляторы, такие как воздушно-цинковый с щелочным электролитом и литиевый с неводным элек­тролитом обеспечивают пробег электромобиля без подзарядки 150— 300 км, однако еще пока недостаточно разработаны. После снижения стоимости аккумуляторов и их доработки до промышленного произ­водства удастся создать электромобили, которые найдут широкое применение. В другом типе разрабатываемых электромобилей применяются электрохимические энергоустановки на основе топливных элементов работающих на водороде и метаноле. В настоящее время испытываются несколько демонстрационных электробусов и электромобилей на основе ТЭ с твердополимерными и фосфорнокислыми электроли­тами. Основная задача, стоящая перед разработчиками, — это снижение стоимости и увеличение срока службы энергоустановок.

Итак, в настоящее время тепловые электростанции, двигатели внутреннего сгорания, металлургические и другие заводы выбрасы­вают в атмосферу огромное количество вредных газов и прежде всего оксидов азота, серы и монооксида углерода. Принимаются меры по снижению этих выбросов и их нейтрализации. Однако, эти меры не­достаточно эффективны. Более перспективны направления создания новых технологий и устройств, например, развитие водородной и электрохимической энергетики и создание электромобиля.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: