Объектами

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

Методическое пособие

для практических занятий по дисциплине

«Основы экологии и энергосбережение»

для студентов всех специальностей и форм обучения БГУИР

Минск 2007

УДК 621.311.16(075.8)

ББК 31.15я73

К 43

Рецензент: доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой геоэкологии БГУ – Витченко А.Н.

Кирвель И.И.

Экологические проблемы использования энергоресурсов: методическое пособие для практических занятий по дисциплине «Основы экологии и энергосбережение» / И.И. Кирвель, В.И. Петровская, Н.В. Цявловская.– Мн.: БГУИР, 2007. – 21 с.

ISBN 985‑488‑062‑1

Рассмотрены вопросы потенциала энергоресурсов, их классификация, эффективность и значение в решении энергетической проблемы страны, даны статистические показатели исчерпаемости и возобновляемости ресурсов, а также представлены возможные пути развития энергетики в Беларуси, а также предложены методики практических расчетов по энергосберегающим технологиям. Пособие предназначено для студентов всех специальностей и форм обучения БГУИР.

УДК 621.311.16(075.8)

ББК 31.15я73

ISBN 985‑488‑062‑1 Ó Кирвель И.И., Петровская В.И.,

Цявловская Н.В., 2007

Ó УО «Белорусский государственный

университет информатики и

радиоэлектроники», 2007

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ НЕВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ

ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Энергетические ресурсы – это любые источники механической, химической и физической энергии. Запасы топлива в земных недрах складываются из угля, нефти, газа и урановых руд. Мировой запас угля оценивается в 9-11 трлн. т при добыче более 4,2 млрд./г. Мировой запас нефти – 840 млрд. т условного топлива, природного газа – 300-500 трлн. м³, урана – 135 тыс.т. В расчете на 1 человека потребление энергии за период 1990-2000гг. увеличилось в 5 раз и будет расти и дальше. Объекты, производящие энергию, являются источниками вредных выбросов в окружающую среду. В процессе горения топлива выбрасывается ряд веществ, оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду. Их характеристика дана в таблице 1.

Таблица 1

Основные вещества, выбрасываемые в атмосферу энергетическими

объектами

Наименование	Характеристика
Диоксид серы (SO2)	Оказывает воздействие на окисление, разрушает материалы и вредно воздействует на здоровье человека (раздражает слизистую оболочку дыхательных путей). Используется для получения ряда химикатов и для консервировании фруктов.
Оксиды азота (NO2)	Оказывают вредное воздействие на здоровье человека и способствуют образованию парникового эффекта и разрушению озонового слоя, что отрицательно воздействует на здоровье человека. Оксиды азота вызывают «вымирание лесов», «кислотные дожди».
Монооксид углерода (СО)	Выделяется в результате неполного сгорания топлива. Взаимодействует с другими веществами и оказывает разнообразное вредное воздействие (угарный газ). В то же время является высококалорийным топливом в процессе газификации угля.
Углекислый газ (СО2)	Образование СО2 – необходимое условие процесса горения (при производстве энергии). Однако экологические законы ограничивают уровень выбросов СО2. Углекислый газ способствует созданию парникового эффекта. Применяется в пищевой и холодильной промышленности.
Твердые частицы	Включают сажу и другие несгоревшие материалы. Переносят тяжелые металлы и углеводороды. Являются источником выбросов в атмосферу радионуклидов при сжигании древесины из загрязненной зоны.

Воздействие на окружающую среду оказывают также и другие газы, поступающие в атмосферу: пар, метан, хладагенты. Для лучшего понимания механизма отрицательного воздействия выбрасываемых в атмосферу вредных веществ рассмотрим ее строение [6]. Атмосфера включает четыре области по высоте:

тропосферу — от 0 до 10+12км с падением температуры до -55°С и давления до 41,0мм рт.ст.;

стратосферу — от 10+12 до 50+55км с ростом температуры до 0ºС и падением давления до 8,9мм pт.ст. в средней стратосфере и до 0,63мм рт.ст. в верхней;

мезосферу — от 50+55 до 80+90км с падением температуры до - 90°С и давления до 0,04мм рт.ст.;

термосферу, простирающуюся от 80+90км до 200-300км с непрерывным повышением температуры до сотен градусов.

Каждая зона атмосферы завершается областью постоянной температуры, тропопаузой, стратопаузой и мезопаузой. Фазы накапливаются в верхних слоях тропосферы и стратосферы, препятствуют выходу теплового инфракрасного излучения с поверхности Земли, нагретой Солнцем. Атмосфера и поверхность Земли нагреваются, пока уходящие потоки энергии не уравняются с приходящими. Это явление представляет собой парниковый эффект, который сопровождается нагревом тропосферы и охлаждением стратосферы.

В средней атмосфере присутствует озоновый слой. Молекулы озона поглощают солнечное излучение с длиной волн короче 290нм и инфракрасное изучение с поверхности Земли с длиной 9-10 мкм, усиливая «парниковый эффект». Таким образом, озоновый слой участвует в обеспечении безопасного уровня ультрафиолетовой радиации и поддерживает устойчивый климат на Земле.

В тропосфере и стратосфере озон оказывает воздействие на химические процессы с участием антропогенных примесей, контролируя их содержание. Эти процессы обеспечивают оптимальные условия существования флоры и фауны. Выбросы в атмосферу хлорсодержащих газов и окислов азота приводят к истощению и разрушению озонового слоя, что ведет к увеличению, поступающего на Землю биологически вредного солнечного ультрафиолетового излучения [3]. Наиболее эффективным способом снижения вредных выбросов и атмосферу является уменьшение использования топлива, которое может быть достигнуто за счет рационального и экономного использования энергии.

Таким образом, энергосбережение способствует улучшению экологии окружающей среды. Этот фактор важен для Беларуси, где основным источником энергии являются топливоиспользующие установки. Рассмотрим, какими путями может быть достигнуто снижение потребления топлива. Например, использование контактных утилизационных теплообменных аппаратов позволяет утилизировать отходящее тепло, но и очищать газы. Утилизация тепловых энергетических отходов непосредственно связана с экологическими мероприятиями, так как за счет этого постигается снижение вредных выбросов, пропорциональное сэкономленному топливу. Особенно наглядной и ощутимой является организация оптимальных топочных процессов и утилизация сбросного тепла в промышленных печах, котельных установках и на других объектах электроэнергетики. Рассмотрим некоторые аспекты данного направления.

В настоящее время 90% потребляемого топлива в энергетике Беларуси покрываются за счет поставок Российского природного газа, цена на который существенно возросла. В 2006 году на Белорусском газоперерабатывающем заводе (БГПЗ) Республиканского унитарного предприятия «Производственное объединение «Белоруснефть» официально введена в эксплуатацию когенерационная ТЭЦ на попутном газе (когенерация - комбинированное производство тепловой и электрической энергии), генеральным подрядчиком и системным интегратором пусконаладки которой был Институт информационных технологий БГУИР. Строительство подобных энерготехнологических ТЭЦ и комплексов является одним из актуальнейших для Республики Беларусь направлений обеспечения энергетической безопасности, экономии топливно-энергетических ресурсов и повышения экономической эффективности предприятий. При этом на выработку электрической энергии расходуется условного топлива 140-180 грамм на киловатт-час, почти в два раза ниже, чем на вырабатывающей только электроэнергию конденсационной электростанции традиционной большой энергетики. Так, на Лукомльской ГРЭС - одной из лучших в мире конденсационных электростанций - удельный расход условного топлива составляет 320 г/кВт.ч, на Минской ТЭЦ 4, одной из наиболее эффективной в Европе теплофикационной ТЭЦ, обеспечивающей помимо выработки электроэнергии теплоснабжение нашего города - 212 г/кВт.ч. Первая из построенных в нашей республике на Белорусском цементном заводе когенерационная энерготехнологическая установка мощностью 16 МВт экономит 23 тысячи условного топлива (т.у.т.) в год, ТЭЦ на попутном газе будет экономить более 30 т.у.т. Срок окупаемости энерготехнологических комплексов на базе газопоршневых и газотурбинных агрегатов составляет 1-3 года, традиционных паротурбинных энергоблоков большой энергетики - 8-12 лет.

Без традиционной большой энергетики на базе мощных паровых турбоагрегатов невозможно обеспечить все потребности электроэнергии нашей республики. Однако, по оценкам специалистов, на белорусских предприятиях могут быть введены в эксплуатацию тысячи эффективнейших энерготехнологических установок и комплексов мощностью от 100 КВт до 100 МВт с суммарной электрической мощностью, превышающей 40 действующих мощностей энергосистемы Беларуси. Это задача и встает перед Вами и решать ее Вам.

Исследования показывают [7],что комбинированное производство электрической энергии и тепла на ТЭЦ является самым важным направлением в снижении выбросов СО₂. При этом снижение выбросив CO₂ составляет 500 кг/МВт.ч при производстве 1МВт.ч электроэнергии по комбинированному циклу в сравнении с раздельным производством электрической и тепловой энергии на ТЭС и в котельных. Кроме диоксида углерода уменьшается количество выбросов SO₂ и NO_X (рисунок 1). Использование оптимального состава топливовоздушной смеси позволяет достичь максимально возможной температуры горения, что снижает потребление топлива. При увеличении коэффициента избытка воздуха до 2, температура горения уменьшается на 40%. Кроме того, при избытке воздуха дополнительное потребление топлива возрастает до 25%.

		Раздельное производство энергии Совместное производство энергии
	t0C

Рис. 1. Влияние технологии производства теплоты и электроэнергии на загрязнение окружающей среды.

Реальной экономии топлива можно добиться использованием тепловых энергетических отходов в котельных установках и промышленных печах для подогрева питательной воды и предварительного подогрева первичного воздуха до 200 – 400⁰ С. Так, при подогреве воздуха реальная экономия топлива в среднем может достигать 25 % (рисунок 2).

2000С

Дополнительное потребление топлива

8000С 12000С 16000С

6000С

Рис. 2. Влияние избыточного воздуха и температуры отходящих газов на потребление топлива

Оптимальный состав топливовоздушной смеси можно поддерживать с помощью горелок с автоматическим управлением. Для этого дополнительно применяются системы сбора информации о химическом составе отходящих дымовых газов, ее обработка и осуществление автоматического регулирования на основе полученной информации. Контроль эффективности сгорания топлива основывается на измерении содержания СО₂ в отходящих дымовых газах. Считается, что при оптимальном сгорании природного газа получается от 8 до 9,5% СО₂, а при сгорании мазута от 10 до 12,5%. Рекомендуется дополнительно определять содержание кислорода, так как оптимальное содержание СО₂ можно получить как при недожоге топлива, так и при его полном сгорании с оптимальным значением коэффициента избытка воздуха а > 1. Для уменьшения выбросов NO₂, воздух, подаваемый на горение, необходимо смешивать с частью отходящих газов, организуя их рециркуляцию. Повышенная влажность топлива снижает температуру его горения и требует избытка воздуха для полного сгорания, что снижает эффективность процесса горения. Данная закономерность для древесного топлива проиллюстрирована на рисунке 3 [8]. На этом же рисунке видно, что подогрев первичного воздуха до 200° С обеспечивает повышение температуры горения на 7%.

Рис. 3. Влияние влажности древесного топлива и предварительного подогрева воздуха на температуру горения.

Значительным источником вредных выбросов является транспорт. Производство топлива для транспорта поглощает в некоторых странах до 50% потребляемой нефти. Автомобильные выхлопные газы содержат такие вредные вещества, как окись углерода, летучие органические соединения, окись азота и свинец. Ядовитые выхлопные газы и свинец отрицательно влияют на нервную систему. Разработка технологий производства чистого горючего и улучшенных двигателей с минимальным потреблением топлива позволяет уменьшить загрязнение от транспортных средств. Количество потребляемого топлива транспортными средствами, как и в энергетике, зависит от оптимального состава топливовоздушной смеси. Использование биомассы в виде топлива также дает преимущества для экологии, так как при ее сгорании не выделяется больше СО₂, чем при естественном разложении в природе. Переработанный навоз путем анаэробного сбраживания уменьшает выделение азота в грунтовые воды и выделение метана, вызывающих «парниковый эффект» в атмосфере. Биомасса может быть использована в сочетании с органическим топливом - углем, торфом. Для утилизации биомассы с целью получения энергии используются современные устройства: топки с кипящим (псевдожидкостным) слоем, газогенераторы. Наряду с биомассой, в улучшении экологической обстановки значимую роль, могут сыграть и другие возобновляемые источники энергии Солнце и ветер. Затраты на производство возобновляемой энергии постоянно снижаются, И она со временем может стать конкурентоспособной с энергией, полученной из жидких, твердых и газообразных видах топлива. Снижение потерь тепла через ограждения агрегатов и устройств, которые используются при его производстве, транспортировке и потреблении, также уменьшает потребление топлива. Любые потери тепла требуют компенсации, так как потребитель должен получить необходимое количество энергии для проведения технологических процессов или создания комфортных условий для работы, учебы, отдыха. Значительное уменьшение потребления энергии может быть достигнуто и за счет совершенствования технологических процессов, использования современного основного и вспомогательного оборудования.