CC BY
42
----------------------------------------------------- © В.И. Папичев, 2009
УДК 662.813/662.814:577.4 В.И. Папичев
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕСУРСНОГО ПОДХОДА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ СЖИГАНИЯ БРИКЕТНОГО ТОПЛИВА
Проведена оценка нагрузки на атмосферу при сжигании брикетов из различных углей на основе экспериментальных данных.
Ключевые слова: потребленный ресурс, горное производство, уголь, нефтебитумное
связующее, экология.
V.I. Papichev
THE IMPLEMENTATION OF RESOURCE APPROACH FOR ESTIMATION OF THE ECOLOGICAL RISKS OF BRIQUETTE FUEL COMBUSTION
The estimation of atmosphere pollution during briquette and different coal combustion on the base of experimental data is carried out.
Key words: consumed resource, mining enterprise, coal, petroleum-bitumen binding, ecology.
1ГЛоличественным показателем
техногенного воздействия на каждый природный ресурс являются относительные отклонения фактических значений количества ресурса от его исходных (естественных) значений, которые могут явиться результатом как непосредственного, так и опосредованного потребления ресурса.
Непосредственно потребленный ресурс — это величина, на которую изменились запасы ресурса, в результате использования их непосредственно на осуществление технологического процесса, где он полностью изменяет и утрачивает свои первичные свойства вследствие механических и физикохимических превращений.
Опосредованно потребленный ресурс
— это величина, на которую изменились запасы ресурса вследствие поступления
Семинар № 8
в среду вещества и энергии, вызванного воздействием производства при непосредственном ресурсопотреблении, приводящим к ухудшению его состояния, в результате чего он утрачивает свои свойства.
Общая формула нагрузки на тот или иной компонент природной среды в результате воздействия комплекса источников, входящих в производство имеет следующий вид:
Е П ЕN к
И1 ------
т т
t=1 t=l
где п — величина отклонения запасов
ресурса в результате непосредственно потреблённого ресурса; Rt — запасы ресурса; ? — временной интервал оценки; т - верхний временной предел оценки; G
— величина части ресурса, изменившей свои свойства, или внесенного в ресурс инородного вещества; кн — коэффициент нагрузки.
Коэффициент нагрузки показывает степень опосредованного потребления ресурса в результате изменения его природных свойств при энергетическом воздействии или внесении инородного вещества.
Среда, показатель воздействия Единицы измерения Величины Соотношение величин тах / тіп
Максимальная (тах) Минимальная (тій)
Атмосфера мг/м3 310-4 8,3-104
ПДК среднесуточная 25
ПДК максимально разовая 200 910-6 2,2-107
ОБУВ 100 110-5 1107
Вода мг/л 510-6 7-107
ПДКхп 350
ПДКрх 1000 110-8 1-1011
ОДУхп 50 35 ■ 16 1,4-106
ОДУрх 32 110-6 3,2-107
Почва мг/г
ПДК 3000 0,01 3105
ОДК 1,6 0,03 53,3
Степень опосредованного потребления ресурса в результате внесения загрязняющих веществ зависит от токсичности отдельных ингредиентов, которая может быть оценена по нормативам ПДК.
В настоящее время установлено большое число нормативов допустимого содержания веществ в окружающей среде [1]. Так одних только предельно допустимых концентраций (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурнобытового водопользования (ПДКхп) установлено около 1400 и ориентировочно допустимых уровней (ОДУ) более 300. Кроме того, для воды водных объектов, используемых для рыбохозяйственных целей, установлены ПДКрх для более чем 1000 вредных веществ, ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) ядохимикатов более 100 и ПДК пестицидов около 150.
Для атмосферы населённых мест установлено около 500 ПДК и около 1500 (ОБУВ) загрязняющих веществ. Для почвы установлены ПДК для более 100 и ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) для приблизительно 70 химических веществ.
По этим показателям степень воздействия веществ в различных средах отли-
чается зачастую в миллионы раз (табл. 1).
Таким образом, в результате внесения в природные ресурсы вредных веществ одинаковой массы, но различной токсичности, результат воздействия может различаться от десятков до миллионов раз.
При оценке воздействия важно учитывать также период времени, в течение которого загрязняющие вещества сохраняются в природной среде. Длительность существования веществ в различных средах находится в широких пределах. В частности, в атмосфере она меняется от многих тысяч лет до нескольких часов. По данным [2] в табл. 2 представлено среднее время пребывания в атмосфере некоторых веществ.
Многие высокотоксичные вещества имеют незначительный срок существования, что снижает их опасность для окружающей среды. Т.е. необходимо учитывать различия между поступающими в среду веществами не только по токсичности, но и по сроку их существования. Учёт такого различия предлагается осуществлять с использованием коэффициента нагрузки, формула для расчёта которого имеет следующий вид:
Элемент или соединение Среднее время пребывания в атмосфере
Гелий (Не) 107 лет
Азот (N2) 106 — 107лет
Кислород (О2) 5 103 — 104 лет
Диоксид углерода (СО2) 5 — 10 лет
Водород (Н2) 4 — 8 лет
Метан (СН4) 4 — 7 лет
Озон (о3) 0,3 — 2 года
Оксид углерода (СО) 0,2 — 0,5 лет
Диоксид азота (N0^ 8 — 11 суток
Вода (Н2О) 10 суток
Сульфат-ион (Б042) 10 суток
Оксид азота (N0) 9 суток
Аммиак (МН3) 5 — 6 суток
Диоксид серы (БО2) 2 — 4 суток
П
I м,л,т
V — г=1
Кн = П----------
Ем
1=1
где М — масса веществ, поступивших с отходами в окружающую среду, т; i — количество видов веществ, поступивших в окружающую среду; А — показатель относительной агрессивности веществ; Т — поправка на время существования примесей в окружающей среде.
Показатель А ьтого вещества характеризует степень его агрессивности относительно агрессивности вещества, принятого в качестве нормирующего для рассматриваемой среды. При оценки агрессивности веществ принимаются показатели, используемые для санитарной оценки воздушной среды, воды водоёмов, химических соединений в почве. В общем виде показатель относительной агрессивности определяется отношением предельной величины используемого для санитарной оценки среды показателя самого безопасного вещества к величине этого показателя и того вещества.
Поправка Т показывает, какую часть выбранного временного интервала оценки составляет время жизни примеси
в природной среде с момента эмиссии до деструкции в рамках этого интервала. Её величина может быть определена из соотношения:
т=1 .Л
где — длительность выбранного временного интервала оценки; 1. — длительность существования примеси.
В том случае, если длительность существования примеси превышает длительность временного интервала принимается равным .
Данный подход использовался нами для получения количественных оценок воздействия горного производства на основные компоненты природной среды [3]. Причём, были получены показатели как интегральной нагрузки горнодобывающих предприятий КМА на атмосферу, поверхностные водоёмы, почвенный покров, так и сделана дифференциация нагрузок по прилегающей территории. Производились оценки нагрузки на окружающую среду отдельных объектов горно-обогатительного комплекса [4]. Выполнялись также оценки воздействия предприятий других отраслей добывающей промышленности на водный бассейн [5], на недра [6].
Таблица 3
Изменение газового состава атмосферы при сжигании брикетов из бородинского угля и бородинского угля с добавкой битума НБС-1
Газ Содержание в воздухе
Приземный слой атмосферы Отходящие при сжигании «бородинского» угля газы Отходящие при сжигании угля с битумом газы
Азот, % объёма 78,08 79,16 44,86
Кислород, % объёма 20,95 5,67 9,73
Водород, % объёма 0,00005 4,27 9,51
Метан, % объёма 0,00015 0 10,92
Диоксид углерода, % объёма 0,046 0,49 20,33
Оксид азота, % объёма 0,0025 0,03 0,03
Диоксид серы, мг/м - 2,1 1,2
Оксид углерода, % объёма - 10,39 2,1
Углеводороды, % объёма - 0,02 2,48
Фенол, мг/м - 0,896 0,016
Формальдегид, мг/м - 0,05 0
Представляется, что подобный подход может быть применим и к сравнительной экологической оценке различных технологий и материалов. В качестве примера выполним оценку нагрузки на атмосферу при сжигании брикетов из различных углей с использованием данных, приведенных в статье [7]. Автор выполнил оценку на основе экспериментальных данных по результатам отбора выделяющихся при сжигании брикетов газов проб, полученных на лабораторном стенде.
В экспериментах использовались следующие образцы топливных брикетов, изготовленных из следующих компонентов: уголь разреза «Бородинский», уголь разреза «Бородинский» с битумом БН-70/30, уголь разреза «Бородинский» с битумом НБС-1, тюльганский уголь, кангаласский уголь с битумом БН-70/30, антрацит с битумом НБС-1, древесные опилки, кузнецкий уголь марки Г-6.
По результатам качественного и количественного определения компонентного состава газов, выделившихся при сжигании этих образцов, сделаны оценки по отдельным компонентам выделяющихся вредных веществ. Сделан вы-
вод об улучшении экологической ситуации при добавке к бородинским углям нефтебитумного связующего. В то же время при сжигании этих брикетов отмечается некоторое ухудшение ситуации в результате увеличения концентрации оксидов серы. Кроме того, не учитывается изменение содержания нетоксичных веществ в сравнении с их содержанием в незагрязнённой атмосфере (азота, кислорода, диоксида углерода и др.), т.е. изменение состава атмосферного воздуха.
Таким образом, сделанные выводы получены в результате не полной и в некоторой степени субъективной оценки.
Для получения объективной оценки необходим комплексный учёт воздействия газообразных выбросов на атмосферу как в результате загрязнения её вредными веществами, так и в результате изменения постоянного состава атмосферного воздуха. Например, при сжигании брикетов из угля разреза «Бородинский» состав газообразных продуктов сгорания в сравнении с составом воздуха в приземном слое атмосферы существенно различается (табл. 3).
Загрязнители А, г, суток
Оксид азота 1250 9
Диоксид серы 1000 3
Оксид углерода 16,7 130
Углеводороды 50 4
Сероводород 6250 1,5
Фенол 16667,7 4
Формальдегид 16667,7 4
Таблица 5
Нагрузка на атмосферу от сжигания некоторых брикетов
Компоненты атмосферы Разница между массами компонентов в чистом воздухе и в продуктах сгорания, кг
бородинский уголь бородинский уголь с битумом БН-70/30
Непосредственная нагрузка
Азот 0,0130264 0,5774736
Кислород 0,2183052 0,2348816
Метан 0,000001 0,0087
Водород 0,00384 0,00658
Сумма 0,2351726 0,8276
Нагрузка,% 18,18813612 64,007
Опосредованная нагрузка
Диоксид углерода 0,009 0,515
Оксид азота 0,00003 0,00003
Диоксид серы 0,00001 0,0001
Оксид углерода 0,13 0,0537
Углеводороды 0,00005 0,0078
Сероводород 0 0,907
Фенол 0,00035 0,00027
Формальдегид 0,00032 0,000015
Сумма 0,140 1,484
Нагрузка, % 10,82 114,743
Интегральная нагрузка, % 29,007 178,75
Наряду с внесением в атмосферу посторонних веществ (диоксид серы, углеводороды, фенол, формальдегид) отходящие при сжигании угля газы содержат значительно меньше кислорода (в 3—4 раза), больше — водорода (в миллионы раз). Более резкую разницу относительно содержания азота в атмосфере имеют отходящие при сжигании смеси угля с нефтебитумом (в 1,7 раза).
Таким образом, в атмосферу поступает газ иного, чем сама атмосфера состава. Степень изменения этого состава по существу характеризует нагрузку, оказываемую на атмосферу в пределах
внесенного при сжигании в атмосферу объёма газов. Получение количественной величины изменения состава позволит получить количественную оценку нагрузки на атмосферу.
Расчёты непосредственной нагрузки производим по постоянным газам, в число которых из перечисленных в табл.
3, согласно [8] относятся: азот, кислород, водород, метан. Расчёт опосредованной нагрузки производим по оставшимся газам, число и концентрация которых являются переменными в окружающем атмосферном воздухе. Принятые при расчётах показатели относи-
Интегральная нагрузка на атмосферу при сжигании топливных брикетов
тельной агрессивности загрязнителей, вносимых в атмосферу при сжигании брикетов, и длительность их существования представлены в табл. 4.
В качестве нормирующего вещества при определении показателя относительной агрессивности (А,), принят ди-метилнитрозамин, имеющий ПДКСС = 50 мг/м3.Запасы ресурсов атмосферного воздуха, относительно которых производилась оценка нагрузки, принимались равными массе 1 м3 воздуха, т.е. Я = 1,293 кг.
Относительные отклонения фактических значений количества ресурса в атмосфере от его естественных значений по каждому внесенному компоненту при сжигании брикетов бородинского угля и бородинского угля с битумом БН-70/30 и величины непосредственной и опосредованной нагрузки представлены в табл. 5.
Сравнение интегральных нагрузок на атмосферу при сжигании всех использованных в экспериментах брикетов приведено на рис.
Приведенные результаты расчётов свидетельствуют о том, что наиболее безопасными для атмосферы являются брикеты из бородинского угля, наиболее опасными брикеты из того же угля с битумом БН-70/30. Брикеты других составов по опасности занимают промежуточное положение.
Результаты сравнительной оценки брикетов по непосредственной нагрузке на атмосферу, т.е. по нагрузке за счёт изменения содержания относительно нормы в атмосфере традиционных газов, свидетельствует о том, что наибольшие отклонения от нормы получены при сжигании брикетов из угля разреза «Бородинский» с БН-70/30 и тюльганского угля. Наименьшие отклонения получены
при сжигании брикетов угля из разреза «Бородинский» без каких-либо добавок.
Сравнение брикетов по опосредованной нагрузке, являющейся результатом внесения в атмосферу инородных веществ, показывает, что наиболее опасным является уголь разреза «Бородинский» с добавкой БН-70/30. Причём, оказываемая этим брикетом нагрузка значительно превышает нагрузку от сжигания других брикетов. Наименее опасны по опосредованной нагрузке брикеты из бородинского угля без добавок, из кузнецкого угля марки Г-6, из антрацита с добавкой НБС-1.
1. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды. Под ред. Исаева Л.К. — Санкт-Петербург, Экологоаналитический информационный центр «Союз», 1998.— 896 с.
2. Бертшнайдер Б., Курфюрст И. Охрана
воздушного бассейна от загрязнений: технология и контроль: Пер. с англ. / Под ред.
А.Ф.Туболкина. — Л.: Химия, 1989. — 288 с.
3. Папичев В.И. Оценка воздействия горного производства на окружающую природную среду с использованием ресурсного подхода. — М., ИПКОН РАН, 2004. — 60 с.
4. Папичев В.И. Оценка воздействия горного производства на природные ресурсы регионов. — Горный журнал. № 4, 2005 — С. 94—96.
Таким образом, однозначных оценок об улучшении экологической ситуации в атмосфере в результате добавки к углям нефтебитумного связующего сделать нельзя. Более того, в тех случаях, когда сравнение брикетов производится по определённому сорту угля и тому же углю с добавкой связующего, результаты оценки свидетельствуют об обратном.
Уголь разреза «Бородинский» значительно менее опасен для атмосферы, чем тот же уголь с добавлением к нему неф-тебитумов БН-70/30 и НБС-1.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
5. Папичев В.И. Интегральная оценка техногенного воздействия на гидросферу. — Экологические системы и приборы, № 4, 2005 — С. 94—96.
6. Папичев В.И., Прошляков А.Н. Оценка техногенной нагрузки на недра в районе производства горных работ. — Горный информационно-аналитический бюллетень, № 9, 2002 — С.24—28.
7. Ананьев С.Ю. Экологическая оценка при сжигании брикетного топлива из канско-ачинских бурых углей с нефтебитумными добавками. — Горный информационноаналитический бюллетень, № 11, 2004 — С. 326—329.
8. Исаев А.А. Экологическая климатология.
— М.:2001.ЕШ
— Коротко об авторе -----------------------------------------------
Папичев В.И. — доктор технических наук ИПКОН РАН, info@ipkonran.ru
А
