Характеристика шкідливих речовин у продуктах згорання палива і їх вплив на довкілля

Під забрудненням атмосфери розуміють зміну властивостей і погіршення функцій середовища в результаті викидів забруднювальних речовин (твердих, рідких і газоподібних), теплових та радіоактивних викидів
і електромагнітного випромінення, шуму, вібрацій тощо з різних джерел. Забруднювальні речовини – це речовини, що негативно впливають на нав­колишнє середовище (прямо або опосередковано в результаті фізико-хімічних перетворень в атмосфері).

Одночасна дія кількох забруднювальних речовин істотно підсилює їх негативний вплив на людину. Наприклад, імовірність онкозахворювань різко зростає, якщо в організм людини потрапляють канцерогенні речовини разом із сажистими частинками. Останні дані фахівців з комунальної гігієни свідчать, що токсична дія хімічних речовин у поєднанні з шумом і вібрацією зростає у 2,5 – 3 рази. Унаслідок хімічної взаємодії двох токсичних речовин можуть синтезуватися нові шкідливі інгредієнти, більш небезпечні для людини. При взаємодії канцерогенних вуглеводнів і оксидів азоту синтезуються сполуки, що діють на генний фонд людини. На рис. 3.1 наведено структурну схему впливу забруднювальних шкідливих речовин на навколишнє природне середовище.

Показані на схемі зв’язки на практиці реалізуються, ефект їх дії залежить від сили та інтенсивності цих зв’язків. Слабкі складові цієї системи не привертають до себе уваги, ними зазвичай не займаються. Займаються сильними діями, які проявляються значно сильніше та відволікають на себе увагу фахівців, чим затуляють її від аналізу дій слабких факторів.

У цьому приховано велику небезпеку. Ланцюги дій, які нешвидко проявляються та ведуть до необоротних наслідків, іноді довгий час не помітні. Їх можливо зафіксувати лише поглиблено або систематично досліджуючи протягом тривалого часу. Навіть нефахівці відносно легко фіксують деякі проявлення (a, b) у їх ранньому стані. Частіше за все починають фіксувати, а потім займатися прямими діями 1 (рис. 10.1). Непрямі дії 2 складніше фіксувати і реєструвати результат їх компенсації, виявляти потребу та мету природозахисних заходів, отримувати якусь віддачу від результатів їх реалізації.

Рис. 10.1 - Структурна схема системи шкідливої дії на навколишнє природне
середовище забруднювальних речовин продуктів згорання палива

Аналізуючи зміст рисунка, можна дійти висновку про те, що треба вести роботу, спрямовану на запобігання прямій шкідливій дії теплоенергетики на навколишнє середовище, оскільки серед результатів дії (a - e) немає неважливих і тому завдання компенсування комплексу результатів можливого впливу є також комплексним і поетапним.

Паливно-енергетичний комплекс, енергетика, транспорт і промисловість – (переважно через процеси, пов’язані з горінням) є основними джерелами антропогенного забруднення навколишнього середовища. За масштабом дії забруднення може бути локальне, регіональне і глобальне.

Розглянемо основні шкідливі газові викиди з погляду їх впливу на нав­колишнє середовище.

Вуглекислий газ СО₂ утворюється в результаті спалювання викопних видів палива, таких як вугілля, нафта, природний газ, штучне та синтетичне паливо і біомаса (деревина). Це основа компонента (з триатомних газів), який спричиняє утворення «парникового ефекту». У результаті неповного згорання виділяється також монооксид вуглецю со – токсичний газ, що шкідливо впливає на серцево-судинну систему людини.

Щорічно в процесі спалювання органічного палива витрачається близько 10 млрд т кисню, що перетворюється на еквівалентну кількість СО₂. За останні 20 років ХХ ст. концентрація СО₂ в атмосфері зросла на 15 %. Молекули СО₂ добре пропускають короткохвильове ультрафіолетове сонячне випромінювання, але поглинають випромінювання в довгохвильовому інфрачервоному спектрі частот, що є причиною підвищення температури атмосфери.

Зниження концентрації СО₂ призводить до зниження середньорічної температури планети: якби в атмосфері зовсім не було СО₂, уся поверхня Землі покрилася б кригою, а середньорічна температура не перевищувала б рівня 6…10 °С.

Протягом мільйонів років існувала природна рівновага вмісту СО₂
в атмосфері, що сьогодні порушується істотно перш за все техногенною діяльністю людства. Окиснювально-відновні реакції горіння органічного палива до середини наступного сторіччя залишаться основою швидко прогресуючої енергетики світу. За цей час уміст СО₂ в атмосфері може зрости ще в декілька разів. Як наслідок, у найближчому майбутньому слід очікувати потепління клімату Землі.

Однак є й інший погляд. З початку ХХ ст. до 40-х рр. (відповідно до даних гідрометеорологічних спостережень) середньорічна температура Землі підвищилася приблизно на 0,7 °С, а площа арктичних льодів зменшилася на 10 %. Пояснювали це збільшенням концентрації СО₂ в атмо­сфері, зростанням виробництва і споживання енергії, однак за останні
30 років ХХ ст., незважаючи на збільшення СО₂ вдвічі, збільшення виробництва і споживання енергії, температура землі не підвищилася, а знизилася. Вважають, що в міркуваннях про «парниковий ефект» не взято до уваги вплив аерозолів – дрібних твердих частинок і крапель рідини, що знаходяться у зваженому стані в приземному шарі, тропосфері і стратосфері.

Аерозолі і тверді частинки можуть потрапити в атмосферу вже сфор­мованими (пил, зола, сажа). Значна ж їх частина утвориться безпосередньо в атмосфері в результаті хімічних реакцій між газоподібними, рідкими і твердими речовинами, включаючи водяну пару.

Аерозолі утворюються в результаті природних процесів, хоча чимала їх частка має антропогенне походження. З 1–3 млрд т/рік частинок різного хімічного складу розміром менше 1 мкм, що утворюються над поверхнею Землі, приблизно 20 % – результат практичної діяльності людини (пил, насичені речовини, токсичні метали: свинець, ртуть, кадмій).

Аерозолі техногенного походження, на противагу триатомним газам, здатні впливати на клімат Землі, але в протилежному напрямку. Тверді частинки розсіюють сонячне світло, тому значна його частина не досягає поверхні Землі. У результаті змінюється тепловий баланс в напрямку зниження температури.

Певну роль у матеріальних балансах процесів горіння твердого і рідкого палива відіграють тверді продукти згорання, зокрема зола. Зольність палива залежить від його природи і якості переробки. Розрізняють первинну золу – залишки мінеральних домішок, що входили до складу палива під час його обробки, вторинну золу – сторонні мінеральні речовини, рівномірно розподілені в горючій масі палива, і породу – мінеральні речовини, що потрапили в паливо під час його видобутку. Уміст первинної золи в сухій масі палива практично не перевищує 1–1,5 %, породи – 2–2,5 %. Основними характеристиками золи з погляду її впливу на навколишнє середовище є дисперсність, змішуваність, сипучість, щільність, абразивність і електропровідність.

Викиди можна класифікувати залежно від розмірів частинок: пил – тверді частинки розміром 1…150 мкм; туман – тверді або рідкі частинки 0,2…1 мкм; дим – частинки 0,001…0,1 мкм; аерозолі – переважно скупчення газоподібних молекул розмірами від сотих часток до десятків мікрометрів.

Діоксид сірки, або сірчистий ангідрид SО₂ – один із найтоксичніших газоподібних викидів енергоустановок, становить приблизно 90 % викидів сірчистих сполук із димовими газами котлоагрегатів (решта – SO₃). Найбільшу кількість сірки містять вугілля і важкі види нафтопродуктів; легкі нафтопродукти містять меншу кількість сірки, і, нарешті, бензин і природний газ практично не мають її у своєму складі.

Діоксид сірки впливає на окиснювання, руйнує матеріали, шкідливо впливає на здоров’я людини. Тривалість його перебування в атмосфері відносно невелика: у порівняно чистому повітрі – 15–20 діб, за наявності великих кількостей аміаку й інших речовин – кілька годин. За наявності кисню SO₂ переходить у SO₃ і, завдяки взаємодії з водою Н₂О, утворює сірчану кислоту. Кінцеві продукти зазначених реакцій розподіляються в такий спосіб: у вигляді осадів на поверхню літосфери – 43 %, на поверхню гідросфери – 13 %; поглинаються: рослинами – 12 %, поверхнею гідросфери – 13 %. Нагромадження сірковмісних сполук здебільшого відбувається у Світовому океані. Вплив цих продуктів на людей, тварин, рослини та різні інші речовини різноманітний, залежить від їх концентрації та інших чинників навколишнього середовища.

Оксиди азоту утворюються під час спалювання будь-якого з викопних видів палива, що містять азотні сполуки. Азот утворює із киснем ряд сполук (N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄ і N₂O₅), властивості яких, активність
і тривалість існування різні і слабко залежать від виду і складу палива. Концентрація оксидів азоту визначається режимом і організацією процесів горіння палива.

Оксиди азоту шкідливо впливають на здоров’я людини, зумовлюють утворення «парникового ефекту» і руйнацію озонового шару. Крім того, оксиди азоту спричиняють «вимирання лісів», «кислотні дощі» тощо.

Озон О₃ утворюється на великих висотах (приблизно 30 км) від взаємодії кисню О₂ і ультрафіолетового випромінювання сонця, а також на низьких висотах – у результаті фотохімічних реакцій (зокрема, взаємодії оксидів азоту і гідрокарбонатів). Озон спричиняє «парниковий ефект», «вимирання лісів», негативно впливає на здоров’я людини, культивування рослин.

Метан СН₄ утворюється в результаті розкладання органічних речовин, наприклад, у сільському господарстві, у процесі вуглевидобутку, нафто- і газовидобутку, газорозподілу і спалювання біомаси. Метан також є причиною виникнення «парникового ефекту».