CC BY
7Исаева Л. К., Ле Дык Хуинь, Наместникова О. В., Сулименко В. А.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СКОРОСТНОГО ЯЧЕИСТОГО УГЛЯ КАК БЫТОВОГО ТОПЛИВА
В статье изложены причины нарушения экологической безопасности населения в связи с использованием скоростного ячеистого угля в качестве топлива для бытовых печей во Вьетнаме, Китае, Корее и других странах Азиатского региона. Рассчитан потенциальный риск для здоровья людей, обусловленный присутствием в воздухе помещений токсичных продуктов горения, образующихся при сгорании данного топлива.
Ключевые слова: твердое топливо, кокс, продукты горения, токсичное вещество, экологическая опасность, риск экологический, токсикологическая оценка, печи бытовые.
Isayeva L., Le Dyk Huin, Namestnikova O., Sulimenko V.
ENVIRONMENTAL ASPECTS OF HIGH-SPEED CELLULAR COAL USING AS DOMESTIC FUEL
The article considers the reasons for violations of environmental safety of the public in connection with the use of high-speed cellular coal as fuel for stoves in Vietnam, China, Korea and other Asian countries. The potential risk to human health caused by the presence in indoor air toxic combustion products produced by combustion of fuel was calculated.
Keywords: solid fuel, coke, combustion products, toxic substance, environmental hazard, environmental risk, toxicity assessment, domestic ovens.
В последнее время население Азиатского региона (Вьетнам, Китай, Корея и другие страны) использует в бытовых печах жилых помещений вместо обычного угля топливо, называемое скоростным ячеистым углём (СЯУ) [1].
В состав СЯУ входит торф (40 %), отработанное автомобильное масло (10 %) и уголь (антрацит, 50 %) [1-5]. Это топливо используется для отопления жилищ и приготовления пищи (табл. 1).
Таблица 1
Элементный состав и пожароопасные свойства угля, торфа, автомобильных масел и СЯУ
Вид топлива Химический состав элементов, % (по массе) Показатели пожарной опасности
C H O N Другие элементы Начало выхода летучих веществ, °C Он, МДж/кг Vm, кг/м2 • с
Антрацит 89-96 1-5 1-3 - S: 1-5; P, Cl 380-400 25-36* 0,89 Vm углерода
Окончание табл. 1
Торф 53-60 5-6 33-39 2,9 Б: 2; Р: 0,1; Л1, Ре 130-170 10-24* 0,38-10-3
Автомобильные масла 83-87 10-11 0,8 - Р: 0,1; С1: 2,8; Б: 2,8 - 36,0-44,0* 2,0-10-2
СЯУ С, Н, Б, Р, С1, Мо, Ш, РЬ, БЬ, Лб - 30,9 3,0-10-3
*
Данные о теплоте сгорания отличаются в два и более раза в разных источниках литературы.
Процесс разложения и горения твердого топлива протекает в несколько стадий: сначала испаряется вода, затем выделяются и сгорают другие летучие вещества и, наконец, образуется и сгорает кокс (углерод).
Углерод - главная горючая составляющая топлива, его горение является лимитирующей стадией всего процесса, что определяет интенсивность дальнейшей газификации топлива. Стадия горения кокса может занимать до 90 % времени, необходимого для горения топлива.
Массовая доля летучих веществ в торфе составляет 60-70 %, в антраците -3-8 %. Характеристики горения торфа и антрацита зависят от содержания летучих веществ: чем их больше, тем меньше тепловыделение при сгорании коксового остатка. Так, теплота сгорания коксового остатка у антрацита составляет 95 % от всей горючей массы. Если принять скорость горения кокса за единицу, то при прочих одинаковых условиях скорость сгорания антрацита составит 0,89 [5]. В торфе теплота сгорания кокса составляет 40 % от горючей массы, а скорость его горения меньше, чем у антрацита. Этим объясняется определяющая роль горения.
Добавление жидкого топлива к антрациту и торфу приводит к снижению общей скорости горения. По-видимому, это связано с адсорбцией горючей жидкости торфом и антрацитом: время испарения капель становится больше времени прогрева до температуры кипения, и часть горючей жидкости выносится из пламени в воздух, не сгорая. Аналогичный случай рассмотрен при горении крупных капель жидких топлив по сравнению с мелкими.
Использование отработанного автомобильного масла в смеси с антрацитом и торфом одновременно могло бы решить проблему избавления от отходов, но при таком решении вопроса возникает угроза здоровью людей: автомобильные масла содержат высоковязкие нефтепродукты и различные присадки, предохраняющие масло от окисления, увеличивающие вязкость, сокращающие износ деталей и т. д. (антизадирные, противоизносные, антифрикционные и др.). Основным компонентом масел являются жидкие минеральные масла, экстрагируемые из нефти-сырца или мазута, или синтетические масла, состоящие из гликоля, эфиров или поли-а-олефинов [3].
В состав нефтяных масел входят: алканы, алкены, арены, нафтеновые кислоты, полициклические соединения (смолисто-асфальтеновые вещества) и др. [3].
Повышение смазочной способности масел обеспечивается добавлением присадок, состоящих из химических соединений различных классов:
- кислородсодержащие соединения: насыщенных и ненасыщенных одноосновных и многоосновных алифатических карбоновых кислот с общей формулой RCOOH и R(COOH)n, где R - углеводородный радикал эфиров карбоновых кислот, спиртов; например, пальмитиновой СН3(СН2)14СООН, олеиновой и пальмитоолеиновой кислот, соответственно, СН3-(СН2)7-СН=СН-(СН2)7-СООН, СНз-(СН2)5-СН=СН-(СН2)7-СООН;
- органические соединения серы: алифатические и ароматические сульфиды, дисульфиды, тиокислоты, тиоспирты и др.;
- галогенсодержащие (преимущественно хлорсодержащие) органические соединения: хлорированные алканы, алкены и ароматические углеводороды (например, хлорированные бензолы и фенол);
- соединения элементов V группы: сурьмы, мышьяка, эфиров и солей фосфорной, фосфористой, фосфоновой кислот, азотсодержащих соединений (непредельных и ароматических аминов, производных мочевины) и др.;
- оксиды, соли органических кислот, сернистые соединения молибдена, вольфрама, свинца, олова, сурьмы.
Состав присадок к маслам, который может содержать 1-10 % (по массе) органических и неорганических соединений серы, хлора, фосфора, сурьмы, мышьяка, свинца, молибдена и др., варьируется в зависимости от количества различных химических соединений и элементов [3].
Мышьяк, кадмий, ртуть, свинец относят к I классу опасных отходов; кобальт, никель, молибден, хром - ко II; ванадий, вольфрам, марганец - к III [6]. В России отработанные масла относятся к отходам самого опасного - I класса токсичности: они подлежат специальному учёту, запрещены для использования, их размещают на специальных полигонах или регенерируют в особых условиях.
Токсичность отработанного масла обусловлена не только изначальным присутствием соединений тяжелых металлов и полиароматических углеводородов и др. Токсичные вещества могут образоваться за счёт окислительно-восстановительных превращений углеводородов в двух зонах: высокотемпературной (на деталях цилиндропоршневой группы) и низкотемпературной (в картере двигателя) при использовании масла в автомобилях.
Например, алкены, арены и другие углеводороды способны превращаться в асфальтены, карбены, нафтенаты, карбоиды. Сведения о том, что содержащиеся в нефти асфальтены обладают невысокой биологической активностью, вызывают сомнение, так как в них содержится основное количество тяжёлых металлов. Карбены также могут быть токсичны вследствие их способности присоединять тяжёлые металлы. Масса карбенов и карбоидов в сгустках масла составляет 10-30 %.
Таким образом, добавка отработанного автомобильного масла делает СЯУ токсичным топливом.
Присутствие тяжёлых металлов, хлора, фосфора, отработанного автомобильного масла в составе СЯУ позволяет сделать предположение, что при его сжигании могут образовываться токсичные продукты горения.
Сравнение состава продуктов горения антрацитов, торфа и СЯУ показывает, что наиболее токсичные выбросы загрязняющих веществ связаны со сжиганием СЯУ [7] (табл. 2-3).
Таблица 2
Примерный состав продуктов горения используемых топлив
Горючее Продукты горения
Антрацит Оксиды азота, углерода, серы; бенз(а)пирен (БаП)
Торф Оксиды азота, углерода, серы; БаП, акролеин формальдегид и др.
Автомобильные масла Оксиды азота, углерода, серы, хрома, мышьяка, свинца, молибдена, БаП, диоксины
СЯУ Оксиды азота, углерода, серы, мышьяка, свинца, молибдена; БаП, акролеин, формальдегид, диоксины
Таблица 3
Состав продуктов горения мазута и нефти
Продукт горения Мазут Нефть
Диоксид углерода 5-104 мг/м3 Содержится
Монооксид углерода 0,1-3,0 % Содержится
Оксид азота 1000 мг/м3 Содержится
Диоксид серы 8,5-101 мг/м3 Содержится
Сероводород 1,5-102 мг/м3 Содержится
Сажа 2000 мг/м3 (300-500)-10-3 мг/м3
Акролеин <10-5 мг/м3 Не обнаружено
БаП (3-30)-10-3 мг/м3 1-10-3 мг/м3
Бензантрацен 1 мг/м3 Не обнаружено
Хризен 1 мг/м3 10-10-3 мг/м3
Бенз(а)флуорантрен 1 мг/м3 10-10-3 мг/м3
Антрацен 1-10-2 мг/м3 10-10-3 мг/м3
Флуорантрен 1-10-2 мг/м3 10-10-3 мг/м3
Пирен (аэрозоль) Не обнаружено 10-10-3 мг/м3
Перилен Не обнаружено 10-10-3 мг/м3
Фенантрен Не обнаружено 10-10-3 мг/м3
Совместное горение антрацита, торфа и СЯУ создаёт повышенную экологическую опасность из-за кумулятивного действия продуктов горения на организм человека. Эффектом суммации обладают: диоксид азота, оксид углерода, диоксид серы, формальдегид, фенол, аэрозоли пятиокиси ванадия, оксид свинца и др. [6] (табл. 4).
Таблица 4
Содержание в атмосферном воздухе некоторых вредных и токсичных веществ при горении торфа
Загрязняющее вещество ПДКс.с, мг/м3 Фактическая концентрация, мг/м3
Диоксид углерода 9 000 1,8-105
Оксид углерода 3,0 3,8-104
Оксиды азота 0,04№)-0,06(^0) 0,9-102
Аммиак 0,04 Нет данных
Цианистый водород 0,01 3,3-102
Азотная кислота 0,15 1,0-10-2
Оксид кремния 2 (рз) 1,2-104
Аэрозоль (взвешенные вещества) 0,15 2,4-103
Озон 0,03 2,8-102
Алканы по СюН22 25 Нет данных
Метан 25 1,6-104
Этан 25 Нет данных
Пропан 200(мр) 2,4-102
Бутан 200(мр) 4,4-102
Изобутан 300 (рз) Нет данных
Пентан 25 3,3-102
Гексан 60 (мр) 1,6-102
Гептан 1 600 (рз) Нет данных
Алкены по С5Н10 Нет данных 2,4-103
Этилен 3,0 3,0-103
Пропилен 3,0 1,6-103
1,3-Бутадиен (дивинил) 1,0 5,6-102
Бутен 3,0 Нет данных
Пентен-1 1,5 2,0-102
Пентен и изопентены Нет данных 3,3-102
Ацетилен Отсутствует Нет данных
Гексен и изогексены 0,085 3,3-102
Бензол 0,1 5,6-102
Толуол 0,6 9,0-102
Этилбензол 0,02 Нет данных
м-, о-, п-Ксилолы 0,2 8,0-10-1
Стирол 0,002 Нет данных
Метанол 0,5 3,0-102
Формальдегид 0,003 1,0-102
Ацетальдегид 0,01 1,3-102
Бензальдегид 5,0 (рз) Нет данных
Акролеин 0,03 1,1-103
Ацетон 0,35 3,0-102
Уксусная кислота 0,06 4,0-103
Нафталин 0,003 5,6-102
БаП 1-10-6 2,0-10-1
Флуоратрен Нет данных 4,4
Хризен 1-10-6 4,4
Окончание табл. 4
Перилен 1-10-6 2,2
Пирен 0,03 (рз) 4,4
Бензофенантрен Нет данных 7,0-10-1
Антрацен Нет данных 2,2-Ю1
Метилхлорид 0,06 3,0-Ю1
Акрилонитрил 0,03 6,6-102
Если человек длительное время находится в помещении, где печи отапливаются СЯУ, то для него существует вероятность отравления, так как ориентировочный расчет показал, что фактическая концентрация в воздухе аэрозолей, содержащих оксиды и соли тяжелых металлов, образующихся при сжигании СЯУ, больше ПДКс.с в десять и более раз [6].
Следует отметить, что горение СЯУ сопровождается неприятным запахом, люди, находящиеся рядом с печью, начинают испытывать затруднения при дыхании. Оба фактора связаны с образованием токсичных веществ, которые поступают в организм (табл. 5).
Таблица 5
Предельно допустимая концентрация загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест
Загрязняющее вещество, содержащееся в соединении (оксид, соль и др.) ПДКс.с, мг/м3
Висмут 0,05
Вольфрам 0,15
Молибден 0,02
Мышьяк 0,0003
Олово 0,02-0,05
Свинец 0,0003
Сурьма 0,02
БаП 1 мкг/100 м3
В продуктах горения могут находиться распространённые загрязнители воздуха - оксиды углерода, азота, формальдегид, акролеин, и другие более токсичные соединения тяжелых металлов: хрома, свинца, молибдена, а также соединения мышьяка, фосфора и диоксины. Известно, что диоксины относят к суперэкотоксикантам. ПДКс.с диоксинов и фуранов (в пересчёте на 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин, далее 2,3,7,8-ТХДД) составляет 0,5 пг/м3.
К числу диоксинов и фуранов относят две большие группы полихлориро-ванных дибензодиоксинов (ПХДД) и полихлорированных дибензофуранов (ПХДФ) с различным числом и расположением атомов хлора в молекулах, суммарное количество которых составляет 210 соединений. Самым опасным, наиболее известным и изученным, по отношению к которому применяется термин «диоксин», является 2,3,7,8-ТХДД. Утверждённая норма в атмосферном воздухе ПХДД и ПХДФ ПДКс.с относится ко всем соединениям этих групп в пересчёте на 2,3,7,8-ТХДД.
Продукты горения СЯУ способны вызывать заболевания органов дыхания и центральной нервной системы. В антитоксикологическом центре при госпитале Бакмай (Вьетнам) было зарегистрировано несколько десятков случаев отравления людей продуктами горения СЯУ [1]. По словам директора центра, воздействие токсичных газов на мозг может привести к развитию эпилепсии.
Во Вьетнаме риск отравления населения при использовании СЯУ ориентировочно равен 1,02-10-4 чел./год, если учесть, что численность населения страны составляет 85 млн человек (по состоянию на 2009 год), а одна семья из четырёх человек потребляет в сутки 3-4 брикета СЯУ весом около полутора килограммов каждый.
В Китае число людей, использующих СЯУ, превышает несколько сотен млн человек, в то время как отравления разной степени тяжести могут получить два-три человека из десяти [1].
Согласно установленным нормативам в России, расчётные данные по риску отравления продуктами горения СЯУ превышают допустимые значения, поэтому при оценке воздействия токсичных веществ на страны Азиатского региона можно воспользоваться нормативными данными, полученными и выполненными на основании комплексных токсиколого-гигиенических и эпидемиологических исследований в соответствии с Федеральным законом РФ и Положением о государственном санитарно-эпидемиологическом нормировании с учётом международного опыта [9].
СЯУ, с учётом количества контактирующих с ним людей, подлежит обязательной токсикологической оценке и гигиеническому регламентированию. Такая практика принята в отношении многих химических веществ, внедряемых в хозяйственную деятельность.
В целях сохранения здоровья населения во Вьетнаме и в других странах Азиатского региона целесообразно временно отказаться от использования СЯУ в бытовых целях или же принять специальные меры, предусматривающие оборудование жилищ вентиляцией.
ЛИТЕРАТУРА
1. Скоростной ячеистый уголь [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.khoahoc.com.vn/
2. Физика и химия торфа: Учеб. пособие для вузов / Базин Е. Т. и др. - М.: Недра, 1989.
3. Виноградова И. Э. Противоизносные присадки к маслам. - М.: Химия, 1972.
4. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справ. изд.: в 2-х кн. / А. Н. Баратов и др. - Кн. 2. - М.: Химия, 1990.
5. Юнг В. Н. Технология вяжущих веществ [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.outp.ru/
6. ГН 2.1.6.1338-03. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в атмосферном воздухе населенных мест. - М., 2004.
7. Исаева Л. К. Пожары и окружающая среда. - М.: Калан, 2001.
8. Соловьёв С. В. Экологические последствия лесных и торфяных пожаров: Дис. ... канд. техн. наук. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2006.
9. Федеральный закон от 30.03.1999 г. № 52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения». - М., 2000.
