К.п.н. Сихынбаева Ж.С

Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауезова, г.Шымкент,Казахстан

Методологический подход к учету загрязнения окружающей среды аэрозолями в задах развития энергетических систем

Стремительный рост численности человечества с его научно-технической вооруженностью в корне преобразовали ситуацию на Земле. Если, в недавнем прошлом, вся человеческая деятельность сказывалась отрицательно лишь на ограниченных, хоть и многочисленных территориях, а сила воздействия выражалась в гораздо меньшей степени по отношению к круговороту веществ в природе, то теперь масштабы естественных и антропогенных процессов можно сопоставлять, а соотношение между ними прогрессирует в сторону возрастания мощности антропогенного влияния на биосферу. Поэтому, в большинстве стран мира обнаружились перед человечеством, в числе прочих, следующие две острые проблемы: обеспечение ресурсами и сохранение среды обитания. В наибольшей степени это связано с топливно-энергетическим комплексом , выступающим как крупнейший потребитель природных ресурсов и один из наиболее существенных загрязнителей окружающей среды.

До настоящего времени в задачах развития энергетики и, следовательно, в соответствующих математических моделях учитывались только выбросы макрокомпонентов. В то же время, не секрет пагубного влияния на здоровье людей субмикронных аэрозолей антропогенного происхождения. Источники поступления таких аэрозолей в атмосферу, во-первых, промышленность, прежде всего энергетика, загрязняющая твердыми частицами это первичные аэрозоли, и, во-вторых, процессы трансформации в атмосфере кислотообразующих газов в аэрозольные частицы (так называемые вторичные аэрозоли). Субмикронные аэрозоли имеют развитую поверхность и высокую адсорбирующую способность [1]. Экологическая опасность таких аэрозолей возрастает из-за способности проходить глубоко внутрь дыхательного тракта человека. Кроме того, антропогенные аэрозоли ощутимо влияют на климат (причем, как в региональном, так и глобальном масштабах) за счет изменения облачности и альбедо верхних слоев атмосферы [2].

Поставленные выше задачи решаются в рамках комплексного подхода к прогнозированию развития энергетических технологий и систем. Подход основан на итеративном использовании трех типов математических моделей:

1) моделей физико-химических процессов;

2) моделей энергетических технологий (установок);

3) моделей энергетических систем.

С помощью моделей первого типа изучаются физико-химические процессы, лежащие в основе новых энергетических технологий, и осуществляется прогноз базовых физико-технических характеристик этих технологий.

Модели второго типа предназначены для получения оценок технико- экономических и экологических показателей новых энергетических технологий. Как показал исследования, для целей прогнозирования, особенно на долгосрочную перспективу, чаще всего целесообразно использовать так называемые «агрегированные» модели новых энергетических установок [3]. В этих моделях оценка технико- экономических показателей новой технологии осуществляется на основе укрупненных характеристик элементов ее технологической схемы с учетом результатов прогнозирования физико-химических параметров [4].

Точность получаемых решений оказывается вполне достаточной для рассматриваемых классов прогнозных задач.

С помощью моделей третьего типа производится системное сопоставление исследуемых технологий и для каждой из них определяется гак называемая «системная эффективность», а также находятся возможные масштабы и сроки внедрения этих технологий. Под системной эффективностью технологий в данной работе понимаются количественные оценки (в динамике), характеризующие изменения интегральных показателей энергетической системы в целом (например, затрат на ее развитие и функционирование) в результате крупномасштабного применения данной технологии. На основе получаемых «системных оценок» можно произвести отбор наиболее перспективных энергетических технологий для широкомасштабного применения в конкретном регионе, подготовить рекомендации по развитию соответствующих научно исследовательских и опытно конструкторских работ.

В данном подходе в полном объеме реализован принцип прогнозирования, т.е. от технологий к системе.

Исходя из целей и задач данной работы, предложены расширить изложенный выше методологический подход за счет включения в него моделей физико-химических процессов, протекающих в окружающей среде, в частности в атмосфере. Это позволит решить такие задачи исследования, как:

1) определение экологических ограничений на развитие энергетической системы в целом и отдельных ее компонентов;

2) оценки экологических коэффициентов при переменных в региональной энергетической модели (т.е. «экологических характеристик» рассматриваемых энергетических объектов).

Традиционно в задачах развития энергетических систем в роли экологических ограничений накладывались только ограничения на выбросы вредных веществ. Однако известно, что с экологической точки зрения важны не только выбросы загрязняющих веществ, а также создаваемые ими приземные концентрации. Качество атмосферного воздуха в любой точке территории, подверженной экологическому влиянию рассматриваемых энергетических объектов, характеризуется двумя группами факторов:

1) антропогенными, характеризующими объемы и состав попадающих в атмосферу вредных веществ;

2) природными, характеризующими их рассеивание и трансформацию в атмосфере, а также выведение их из атмосферы.

В процессе горения частиц угля образуются первичные аэрозоли диспергационного типа (Д-типа) и высокотемпературные газы, содержащие продукты сгорания органической массы топлива и продукты испарения различных веществ из состава его минеральной части. В результате охлаждения дымовых газов в газовом тракте котла часть газов конденсируется с получением первичных аэрозолей конденсационного типа (К-типа).

Как уже говорилось выше, в атмосфере выброшенные кислотообразующие газы (SO₂, NO_x, СО) в результате многообразных и сложных физико-химических процессов превращаются во вторичные аэрозоли.

Особенности вторичных аэрозолей в том, что они мелкодисперсные , у них развитая поверхность и высокая адсорбционная способность. Эти аэрозоли могут адсорбировать вредные вещества из окружающей газовой среды, что еще больше увеличивает их экологическую опасность.

Вторичные аэрозоли в атмосфере рассеиваются и претерпевают дальнейшие физико-химические изменения . При этом важным и еще не до конца изученным является процесс «обводнения» - взаимодействие аэрозолей с атмосферной влагой, в результате которого изменяются такие важнейшие свойства аэрозолей, как дисперсный состав и физико-химические свойства.

Основные факторы, влияющие на образование и рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере, являются:

- объем и состав первичных выбросов;

- метеорологические условия;

- фоновый состав атмосферы.

При этом объемы и состав выбросов определяются:

- видом и химическим составом сжигаемого топлива;

- типом установленного энергетического оборудования;

- режимами эксплуатации оборудования;

- составом природоохранных мероприятий (например, рециркуляция дымовых газов) и типом установленного очистного оборудования.

В зависимости от режимов работы оборудования могуть измениться:

- КПД энергоисточника и, следовательно, удельные расходы сжигаемого топлива на единицу производимой энергии;

- удельные выходы вредных компонентов на единицу сожженного топлива;

- эффективность пылеочистки.

Так, в циклонах, наиболее часто применяемых в котельных пылеочистных аппаратах, при снижении нагрузки уменьшаются объем дымовых газов и, следовательно, их скорость, что ведет к уменьшению эффективности очистки, особенно мелкодисперсных фракций.

При этом также меняются параметры выбросов: уменьшаются скорость и температура газов на выходе из устья дымовой трубы. В итоге ухудшаются условия для рассеивания выбросов в атмосфере.

В отличие от газов, для аэрозолей одним из важнейших факторов, имеющих влияние на эффективность очистки в пылеочистных устройствах и рассеивание в атмосфере, это их дисперсный состав. Например, твердые частицы в газовых выбросах мелких котельных и домовых печей характеризуются малым интервалом распределения по размерам. От 70 до 90% общего числа частиц диаметры составляют менее 1 мкм, при средней величине 0,6-0,7 мкм [5]. Частицы таких размеровиспользуемые циклонами практически не улавливаются.

Природные факторы также имеют существенное влияние на рассеивание вредных выбросов в окружающей среде. При непохожих метеоусловиях один и тот же выброс может создавать различные приземные концентрации вредных веществ в атмосфере. В зависимости от разности температур выделяемых газов и атмосферного воздуха меняется высота подъема факела. Рассеивающая способность атмосферы зависит от высоты приземного слоя перемешивания, от частоты, высоты и типа инверсий, а также от скорости и направления преобладающих ветров. Обычно эти факторы могут меняться в течение года и часто проявляются четкие сезонные закономерности.

Скорость изменения первичных выбросов в атмосфере характеризуется, во-первых, химическим составом загрязняющих веществ, и, во- вторых, природными факторами, такими как влажность, наличие капель дождя или тумана, сила солнечной радиации и др.

Литература:

1 Экспериментальное определение выбросов сажи и ПАУ котельными и домовыми печами // Известия РАН. – М.: Энергетика, 2000, - №3.-С. 108-118.

2 Аэрозоль и климат. под. Ред. К.Я. Кондратьева - Л.: Гидрометеоиздат. 1991.-541 с.

3 Houghton J.T., Meira- Filha L.G., Bruce J., Hoesung L., Callander B.A., Haites E., Haitis N., Maskell K. Eds. IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change. Radiative forcing of climate change: Climate Change 1994. Cambridge University Press, Cambridge. 1995. -Р. 1-231.

4 Кучменко Е.В., Зароднюк М.С. Термодинамическое моделирование образования водных растворов на поверхности аэрозолей / ИСЭМ СО РАН. Препринт №11- Иркутск,- 2001. – 44 с.

5 Мейрбеков А.А.,Шакиров Б.С., Төленов А.Т., Сарбасов А.С., Өтебаев Р.С. Өнеркәсіп орталықтарының атмосферасының сапасын бағалау // Наука и образование Южного Казахстана.– 2009,- №2 (75).–С. 53-55.