IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Резюме. Теплоэнергетика является одной из основных составляющих энергетики и включает в себя процесс производства тепловой энергии и ее транспортировки, рассматривает основные способы производства тепловой энергии и побочные влияния отрасли на окружающую среду, организм человека и животных.

Как отмечает Ю. В. Новиков, по суммарным выбросам вредных веществ в атмосферу теплоэнергетика занимает первое место среди отраслей промышленности. Рассмотрим основные виды топлива и их воздействие на нашу окружающую среду.

Твердое органическое топливо по степени углефикации исходного органического материала делят на древесину, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит (и полуантрацит). Пригодность твердого топлива для использования в определенных областях определяется его химическим составом и свойствами. Для оценки качества углей разработана промышленная бассейновая классификация углей, которая делит их по высшей теплоте сгорания во влажном беззольном состоянии, по влажности в рабочем состоянии, по выходу летучих (горючих) веществ и характеру твердого остатка (спекаемость, коксуемость), по крупности на типы, марки и классы. Также разработана единая петролого-геохимическая классификация, в основу которой положены выход летучих веществ и петрографический состав угля (расчленение угольного вещества на однородные составляющие макро- и микрокомпоненты). Знание петрографического состава позволяет правильно использовать (сжигать) и хранить топливо.

Жидкое топливо. Природным жидким топливом является нефть. Сырая нефть в качестве топлива обычно не используется. После переработки из нее получают бензин, керосин, лигроин и различные масла. Конечным продуктом перегонки нефти является мазут, который используется в качестве котельного топлива.

Мазут представляет собой густую темно-бурую жидкость с преобладающим содержанием предельных и непредельных углеводородов и незначительным содержанием кислорода, азота, золы и влаги. В зависимости от содержания серы мазуты подразделяются на малосернистые ( S^Р < 0,5%), сернистые (S^Р ≤ 2%) и высокосернистые (S^Р < = 3,5%). Мазут бывает шести марок - Ф5, Ф12, 40, 100, 200 и МП. В котельных установках используют мазут только марок 40, 100 и 200. Качество мазута характеризуется вязкостью, температурой застывания и вспышки, теплотой сгорания, а также содержанием серы.

Условная вязкость - это отношение времени истечения некоторого количества мазута ко времени истечения того же количества воды при тех же условиях.

Температура вспышки - температура, при которой пары той или иной горючей жидкости, находящиеся над нею, вспыхивают при поднесении к ним пламени, а сама жидкость не воспламеняется.

Температура застывания - это температура, при которой мазут не изменяет своей поверхности при наклонении сосуда, т.е. когда он теряет способность к свободному перемещению. Чем больше содержание в мазуте предельных (парафиновых) углеводородов, тем выше его температура застывания. Для увеличения подвижности мазут подогревают до температуры 50 - 100°С.

Мазут является ценным и высококалорийным топливом. Теплота сгорания его в среднем составляет 38000 - 41800 кДж/кг. При использовании его в котельных установках вместо твердого топлива упрощаются многие процессы и значительно повышается, коэффициент полезного действия установки.

Газообразное топливо - смесь различных горючих и негорючих газов. Это топливо бывает природное (или естественное) - горючие газы, добываемые из недр земли, и искусственное -газы, получаемые в результате сухой перегонки топлива в специальных газогенераторах, а также в виде отходов металлургических и других производств.

Природный газ содержит 75 - 98% метана СН₄. Теплота сгорания природного газа достигает 31000 - 36000 кДж/нм³.

Искусственные газы (доменный, генераторный и др.) имеют сравнительно низкую теплоту сгорания - 3800 - 6500 кДж/нм³, что обусловлено большим содержанием негорючих газов и малым содержанием горючих газов.

Природный газ является дешевым и высококалорийным топливом; он легко транспортируется по газопроводам на дальние расстояния.

Для обеспечения устойчивого горения топлива требуется предварительный его нагрев до определенной температуры, называемой температурой воспламенения. Каждое топливо в зависимости от химического состава имеет свою температуру воспламенения, °С:

Все находящиеся в топливе вещества, соединения, элементы, поступившие в зону горения в составе воздуха и топлива, пройдя определенные превращения в условиях высоких температур, не исчезают бесследно.

Исследования дымовых уходящих газов топливосжигающих установок показывают, что в их составе основными загрязнителями атмосферного воздуха являются оксиды углерода (до 50%), оксиды серы (до 20 процентов), оксиды азота (до 6-8%), углеводороды (до 5-20%), сажа, оксиды и производные минеральных включений и примесей углеводородного топлива. В свою очередь, выхлопные и отработавшие газы тепловых двигателей выбрасывают в воздушный бассейн более 70 процентов оксидов углерода и углеводородов (бензолы, формальдегиды, бенз(а)пирен), около 55 процентов оксидов азота, до 5,5 процента воды, а также сажу (тяжелые металлы), гарь, копоть и т.д.

Дымовые газы установок и двигателей содержат десятки тысяч химических веществ, соединений и элементов, более двухсот из которых являются высокотоксичными и ядовитыми.[3] При выходе в атмосферу выбросы содержат продукты реакций в твердой, жидкой и газовой фазах.

Изменения состава выбросов после их выхода могут проявляться в виде: осаждения тяжелых фракций; распада на компоненты по массе и размерам; химические реакции с компонентами воздуха; взаимодействия с воздушными течениями, облаками, атмосферными осадками, солнечным излучением различной частоты (фотохимические реакции) и др. В результате состав выбросов может существенно измениться, могут образоваться новые компоненты, поведение и свойства которых (в частности, токсичность, активность, способность к новым реакциям) могут значительно отличаться от исходных. Не все эти процессы в настоящее время изучены с достаточной полнотой, но по наиболее важным имеются общие представления, касающиеся газообразных, жидких и твердых веществ.

Наибольший экологический ущерб атмосфере и окружающей природной среде в целом наносят такие вещества, как оксиды азота и углерода, альдегиды, формальдегиды, бензапирен и другие ароматические соединения, которые относятся к отравляющим веществам.

Древесное топливо. В настоящее время в котельных установках древесное топливо применяется редко, главным образом в виде древесных отходов (опилки, стружка, щепа) для котлов с небольшой производительностью. Древесные отходы, не подлежащие переработке, как правило, сжигают на месте их получения (местное топливо).

Основными достоинствами дров как топлива являются низкая зольность, отсутствие серы и высокий выход летучих горючих (80 - 85%), благодаря чему дрова горят длинным ярким пламенем. Кроме того, дрова обладают сравнительно легкой воспламеняемостью ( 300 С). Теплота сгорания дров невысокая и зависит главным образом от влажности W^р , которая колеблется от 25 до 60%; при W^р - 30% теплота сгорания составляет 1200 кДж/кг, при W^р = 50% равна 8500 кДж/кг. За единицу измерения количества дров принимается складской кубический метр. Ежегодный объем заготовки древесины в Украине составляет 10308,7 тыс м3, из них 7300 тыс м3 (4391,5 тыс т) не используют, и их можно применить для производства тепловой энергии. Сейчас незначительная часть их используется как топливо для обогрева производственных и жилых зданий, а основная часть в лучшем случае вывозится на свалки, а в худшем - высыпается у предприятия. Это приводит к возникновению несанкционированных свалок, которые в ветреную погоду загрязняют атмосферу. Во время такого "захоронения" древесина начинает разлагаться с выделением парниковых газов, а также привлекает насекомых. А это в свою очередь может стать источником болезней.

При переработке древесины на различных технологических этапах образуется такое количество отходов:

• 13% - при заготовки леса (как правило, остаются в лесу и не учитываются при определении валовой количества заготовленной древесины)

• 30% - при распиловки кругляка на пиломатериалы (продается населению для использования в качестве топлива)

• 35% - при изготовлении готовых изделий из пиломатериалов;

• 60% - от образованных отходов древесины используютсядругими секторами экономики (производством древесноволокнистой плиты, бумажной промышленностью).

Единственный путь для полной утилизации образованных отходов является использование неиспользованной их части в качестве топлива. Но при использовании такого материала возникают неудобства связанные с его транспортировкой, дозировкой и хранением. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является процесс гранулирования. Гранулирования состоит в получении гранул, в которых в условиях минимального объема концентрируется максимальное количество древесной вещества, существенно повышает их полезные свойства, в частности теплоутворюючи. Благодаря этому также уменьшается емкость для транспортировки и хранения. Необходимым условием гранулирования является содержание в его составе определенной доли вяжущего, обеспечивается или выдавливанием лигнина с древесной массы щляхом создания высоких давлений гранулирования, или внесением этого вяжущего в композицию гранулы. Как вяжущее, которое вносится в композицию гранулы можно использовать отходы целлюлозно-бумажного производства - сульфатный мыло.

В общем, при условии развитой системы сбора и утилизации биомассы, можно в значительной степени экономить традиционное топливо, а также уменьшить нагрузку на окружающую среду в целом.

Торф - продукт разложения растений - представляет собой волокнистую массу бурого, а иногда черно-бурого цвета. По способу добычи торф разделяется на машиноформовочный и гидроторф - кусоковой торф в виде кирпичей, а также фрезерный торф - мелкая торфяная крошка различных размеров. Состав торфа зависит от степени его разложения. Теплота сгорания торфа в зависимости от его вида и влажности колеблется от 8000 до 15000 кДж/кг.

Торф имеет, как правило, высокую влажность; при неблагоприятных метеорологических условиях в период добычи его влажность достигает 60 - 70%. Зольность торфа сравнительно небольшая (5 - 10% в пересчете на сухую массу). Выход летучих горючих у торфа составляет 70 -75% (несколько меньше, чем у дров). Вследствие сравнительно невысокой теплоты сгорания торф относится к местному виду топлива и используется, как правило, недалеко от места добычи. Перевозка его на дальние расстояния экономически нецелесообразна.

Разработка торфяных месторождений затрагивает практически все элементы биосферы: водный и воздушный бассейны, землю, ландшафт, растительный и животный мир, вызывая ответную реакцию природной среды, которая может стать более устойчивой или, наоборот, дестабилизироваться с нежелательными последствиями. Это воздействие может быть как непосредственным (прямым), так и косвенным, являющимся следствием первого.

Размеры зоны распространения косвенного воздействия значительно превышают размеры зоны локализации прямого воздействия.

В связи с осушением месторождений и сбросом дренажных и сточных вод в поверхностные водоемы и водотоки резко изменяется гидрологический режим в районе расположения месторождения, изменяется качество подземных и поверхностных вод.Изменение гидрологического и гидрохимического режимов оказывает существенное влияние на флору и фауну. Осушение и разработка болот приводят к полному уничтожению естественных болотных фитоценозов. Фактически полностью изменяются условия обитания зверей, птиц и рыб, уменьшается ареал обитания диких животных. Природный болотный ландшафт заменяется техногенным. Уничтожаются ценные ягодные и лекарственные растения, произрастающие на болотах. Нарушение биогеоценотических связей вызывает глубокие изменения экологического состава почвенной мезофауны.

В процессе добычи фрезерного торфа происходит загрязнение атмосферы мелкодисперсной торфяной пылью, выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания, продуктами саморазогревания и самовозгорания торфа. По данным исследований в средние по ветровым условиям сезоны вынос торфяной пыли с полей добычи низинного торфа за счет ветровой эрозии составляет 25...30 т/га. В отдельные годы вынос его достигает 90 т/га и более. Сезонные потери верхового пушицево-сфагнового и магелланикум торфа меньше и составляют 2...3 т/га, а в годы с пыльными бурями они достигают более 20 т/га.

Большой выброс мелкодисперсной пыли в атмосферу происходит при пневматической уборке фрезерного торфа. По экспериментальным данным потери торфа с выбросом отработанного воздуха из всасывающих пневмосистем комбайнов могут доходить до 5 % от объема убранного торфа.

Большое количество торфяной пыли попадает в атмосферу при перевозке торфа в открытых транспортных средствах от выдувания воздушным потоком.

Мощным источником загрязнения атмосферы являются торфяные пожары. При торфяных пожарах в атмосферу выделяется огромное количество дыма и других продуктов сгорания торфа, которые могут переноситься на расстояния в десятки и сотни километров.

Ископаемые угли. Этот вид топлива образовался из растений в результате длительного процесса их разложения (обуглероживания) без доступа воздуха. В зависимости от длительности процесса разложения состав и свойства углей различны: чем «старше» топливо, тем сильнее разложение и тем больше топливо содержит углерода и меньше кислорода.

По степени разложения (геологическому возрасту) ископаемые угли разделяются на три вида: бурые, каменные и антрациты.

Бурые угли - самые «молодые» из ископаемых углей - представляют собой легко крошащуюся твердую массу бурого или черного цвета. Как топливо они характеризуются высоким содержанием золы и влаги (в сумме 50% и более), склонностью к растрескиванию (крошению) и самовозгоранию, сравнительно большим содержанием летучих веществ (до 50%), невысокой теплотой сгорания, которая вследствие значительного внешнего балласта составляет в среднем 8000 -17000 кДж/кг.

Условно бурые угли обозначаются буквой Б. В зависимости от содержания влаги W^р они разделяются на три группы: группа Б1 при W^р > 40%; группа Б2 при W^р = 30 - 40% и группа БЗ при W^р < 30%. Бурые угли целесообразно сжигать в пылевидном состоянии: сжигание их в слое, особенно в котельных небольшой мощности мало эффективно.

Каменные угли - наиболее распространенные из всех видов ископаемых топлив: по свойствам и составу весьма неоднородны. Как топливо каменные угли значительно лучше бурых углей: содержание влаги и золы в них меньше (в сумме примерно 12 - 20%); теплота сгорания выше - 23000 - 29000 кДж/кг; механическая прочность их более высокая и структура достаточно плотная, благодаря чему они относительно мало подвержены самовозгоранию и выветриванию.

В зависимости от выхода летучих веществ, степени спекаемости и вида кокса существует 12 марок каменных углей (включая полуантрацит и антрацит): длиннопламенный Д, газовый Г, газовый жирный ГЖ, жирный Ж, коксовый жирный KЖ, коксовый К, коксовый второй К2, отощенный спекающийся ОС, слабо спекающийся СС, тощий Т, полуантрацит ПА и антрацит А. Все виды ископаемых углей классифицируются также по размерам их кусков.

При открытой добыче угля шахтами остаются участки земли, которые больше невозможно использовать, тем самым оставляя шрамы на поверхности земли. Реабилитация может смягчить некоторые из этих проблем. В хвостохранилищах находится большое количество кислоты, которая может протекать в водотоки и водоносные горизонты, создавая экологические последствия и влияя на здоровья человека. Могут также происходить проседания земной поверхности в связи с обвалами в подземных туннелях. В ходе операций по добыче метана могут быть освобождены многие парниковые газы, способные к возгоранию даже во влажном состояние.

Во всем мире поверхностная добыча угля полностью уничтожает существующие виды растительности, разрушает генетический профиль почвы, вытесняет или уничтожает диких животных и среды их обитания, ухудшает качество воздуха, изменяет текущий процесс землепользования, а также в некоторой степени, постоянно изменяет общий профиль земной поверхности. Процессы движения, хранение и перераспределения земли могут разрушить сообщество микроорганизмов и питательных веществ.

Как правило, нарушение почв и связанные с работой шахт виды воздействий в данных условиях способствуют эрозии. Удаление почвенного покрова из такого района изменяет или уничтожает множество природных почвенных свойств, а также может снизить его производительность в сельском хозяйстве. Почвенная структура также может быть нарушена пульверизацией или различными видами взрывов.

Удаление растительного покрова, проведение мероприятий, связанных со строительством дорог, перевозкой, хранением верхнего слоя почвы приводят к увеличению большого количества пыли вокруг горных работ. Пыль ухудшает качество воздуха в непосредственной близости, может оказать неблагоприятное воздействие на растительный и животный мир, и может представлять угрозу здоровью и безопасности для работников и жителей близлежащих районов. Горнодобывающие предприятия используют сотни акров земли для своей работы и утилизации отходов. Когда планируется начало добычи угля, население вблизи данной территории должно быть расселено, а также должны пересаживаться на иные лекарственные растения.

Поверхностные воды могут стать непригодными для сельского хозяйства, потребления человеком, купания, домашнего или иного использования. Контроль этих последствий требует тщательного управления и анализа качества поверхностных вод.

Антрацит - наиболее старый по геологическому возрасту вид ископаемых углей (процесс обуглероживания практически закончен).

Антрацит имеет постоянный состав с незначительным количеством золы и влаги. Этот вид угля состоит в основном из углерода - 95 - 96% в горючей массе.

Антрацит отличается малым содержанием летучих горючих (3 - 9%), вследствие чего он трудно воспламеняется (температура воспламенения 700 ⁰С) и горит бездымно коротким синеватым пламенем. Антрациты обладают большой твердостью и имеют черный с металлическим блеском цвет.

Переходным видом между каменным углем и антрацитом является полуантрацит, имеющий выход летучих в перерасчете на горючую массу 5 - 9%. Полуантрацит, как и антрацит, не самовозгорается и обладает высокой механической прочностью. Теплота сгорания его горючей массы (по калориметрической бомбе) более 35000 кДж/кг (у антрацита она несколько меньше).

Сланцы. Горючие сланцы - минеральные вещества с высоким содержанием золы (А^р = 50 - 60%) и большим выходом летучих (около 85% в пересчете на горючую массу). Влажность сланцев достигает 15 -20%. Из-за значительного балласта теплота сгорания сланцев невысо­кая - 6000 - 11000 кДж/кг. Сланцы обычно содержат большое количество серы, что также снижает их качество как вида топлива. Из-за большой зольности и влажности сланцы трудно сжигаются в топках котельных установок и по существу являются самым низкосортным топливом. Наиболее целесообразно их использовать в качестве сырья для целей газификации.

На данный момент в мире существует много теорий, в которых большое внимание уделяется нахождению наиболее рациональных путей решения экологических проблем. Но, к сожалению, на бумаге все оказывается значительно проще, чем в жизни.

Воздействие человека на окружающую среду приняло угрожающие масштабы. Чтобы в корне улучшить положение, понадобятся целенаправленные и продуманные действия. Ответственная и действенная политика по отношению к окружающей среде будет возможна лишь в том случае, если мы накопим надёжные данные о современном состоянии среды, обоснованные знания о взаимодействии важных экологических факторов, если разработает новые методы уменьшения и предотвращения вреда, наносимого природе человеком.

На наш взгляд, для предотвращения дальнейшего загрязнения окружающей среды в первую очередь необходимо:

- усилить внимание к вопросам охраны природы и обеспечения рационального использования природных ресурсов;

- установить систематический контроль за использованием предприятиями и организациями земель, вод, лесов, недр и других природных богатств;

- усилить внимание к вопросам по предотвращению загрязнений и засоления почв, поверхностных и подземных вод;

- уделять большое внимание сохранению водоохранных и защитных функций лесов, сохранению и воспроизводству растительного и животного мира, предотвращению загрязнения атмосферного воздуха ;

- усилить борьбу с производственным и бытовым шумом.

Охрана природы - задача нашего века, проблема, ставшая социальной. Снова и снова мы слышим об опасности, грозящей окружающей среде, однако до сих пор многие из нас считают их неприятным, но неизбежным порождением цивилизации и полагают, что мы ещё успеем справиться со всеми выявившимися затруднениями. Экологическая проблема - это одна из наиболее важных задач человечества. И уже сейчас люди должны это понимать и принимать активное участие в борьбе за сохранение природной среды. Причем везде: и в маленьком городе Балашове, и в Саратовской области, и в России, и во всем мире. От решения этой глобальной проблемы зависит, без малейшего преувеличения, будущее всей планеты.

Список литературы:

1.http://more-diplom.ru/Produktih-sgoraniya-topliva-i-ikh.html;

2. Ионин А.А. и др. Теплоснабжение. - М.: Стройиздат, 1982. - 336 с.

3. Женихов, Ю.Н. Обращение с опасными отходами: Учеб. пос. / Ю.Н. Женихов, В.Н. Иванов. – Тверь: ТГТУ, 2004. – 224с.;

4. Садовникова, Л.К. Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении / Л.К. Садовникова, Д.С. Орлов, И.Н. Лозановская. – М.: Высш. шк., 2006. – 334 с

5.Хотунцев, Ю.Л. Экология и экологическая безопасность: Учеб.пос/Ю.Л. Хотунцев. – М.:Академия, 2004. – 480 с;

Код для цитирования: Скопировать