CC BY
32Sciences of Europe # 45, (2019)
33
EARTH SCIENCES
ОБ ОСНОВНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ФАКТОРАХ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ
ОБСТАНОВКУ
Козлова В.К.
доктор технических наук, профессор кафедры строительные материалы Алтайский государственный технический университет Россия
Логвиненко В.В.
кандидат технических наук, исполняющий обязанности заведующего кафедрой «Инженерные сети, теплотехника и гидравлика», Россия Алтайский государственный технический университет
Саркисов Ю. С.
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой химии, Россия Томский Государственный архитектурно-строительный университет
ON THE BASIC TECHNOLOGICAL FACTORS INFLUENCING THE ECOLOGICAL SITUATION
Kozlova V.
Doctor of technical sciences, Professor of the Department of construction materials,
Altai State Technical University Logvinenko V.
Ph.d., acting head of the Department of «engineering, heating engineering and hydraulics»
Altai State Technical University Carkisov Y.
Doctor of technical sciences, Professor, head of the Department of chemistry Tomsk State University of architecture and civil engineering
АННОТАЦИЯ
Дана характеристика возможного влияния работы промышленных предприятии, энергетики и транспорта на изменение состава атмосферного воздуха. Показаны пути сокращения выбросов углекислого газа и сохранения количества свободного кислорода в воздухе, при этом необходимо применять эффективные способы получения электроэнергии, снижать количество используемых углеводородов, стимулировать переработку различных промышленных отходов.
Рассчитаны затраты кислорода из атмосферного воздуха при работе цементных заводов, теплоэлектростанций, автомобильного транспорта, а так же при сжигании пластмассовых отходов.
ABSTRACT
The characteristic of the possible impact of industrial enterprise, energy and transport on the change in the composition of atmospheric air. Showing ways to reduce carbon emissions and save the amount of free oxygen in the air, you must use effective ways to generate electricity, to reduce the quantity of hydrocarbons, encourage processing of various industrial wastes. Calculated cost of oxygen from atmospheric air when operating cement factories, thermal power plants, road transport, as well as the incineration of plastic waste.
Ключевые слова: затраты атмосферного кислорода отходы производства, выбросы газов, промышленные предприятия, теплоэнергетика, транспорт.
Keywords: costs of atmospheric oxygen production wastes, emissions, industrial plants, heat-and-power engineering, transport.
Недавно в России завершился год экологии, но проблемы охраны окружающей среды не стали менее значимыми, тем более, что экологические проблемы связаны с проблемами в экономике. Работа большинства промышленных предприятий, энергетики и транспорта сопровождается получением побочных продуктов и отходов, отрицательно влияющих на экологическую обстановку. Основная задача предприятий при этом состоит в нахождении путей использования побочных продуктов и сокращения объема выбросов, не подлежащих утилизации [9]. Среди указанных побочных продуктов, которые могут и должны быть использованы, основную часть составляют шлаки металлургических предприятий, шлаки и золы тепловых электростан-
ций, радиоактивные отходы атомных электростанций, а также твердые отходы предприятий химической промышленности. К выбросам, которые в настоящее время практически не утилизируются, относятся дымовые газы металлургических предприятий, цементных заводов и тепловых электростанций, содержащие большое количество углекислого газа, а также сернистый газ и оксиды азота. На тепловых электростанциях должна быть предусмотрена очистка дымовых газов от сернистого газа и оксидов азота, но на большинстве предприятий России такая очистка не осуществляется. Наибольшее количество оксидов азота содержится в дымовых газах теплоэлектростанций, на которых в котельных установках осуществляется высокотемпературное сжигание углей.
34
8с1епсев of Бигоре # 45, (2019)
К значительному ухудшению экологической обстановки приводят выбросы выхлопных газов работающего транспорта. Масштаб вредного влияния на экологическую обстановку охарактеризованных газообразных выбросов многократно увеличивается за счёт того, что на их образование затрачивается огромное количество трудно восполняемого свободного кислорода. Сжигание всех видов топлива является двусторонним процессом, связанным не только с эмиссией продуктов сгорания в атмосферу, но и с потреблением из нее огромного количества свободного кислорода. С экологической точки зрения большие затраты кислорода в технологических процессах могут быть значительно опаснее, чем увеличивающееся содержание углекислого газа. Это во многом определяет повышенную обеспокоенность мировой общественности по отношению к использованию кислородного ресурса атмосферы [1,2,3].
Содержание свободного кислорода составляет незначительную часть от его общего количества. Весь свободный кислород не поступает извне земной атмосферы, а восполняется только за счет работы растений, выделяющих его в процессе фотосинтеза на земле и в гидросфере. Зеленые растения очищают атмосферу от двуокиси углерода и насыщают её свободным кислородом. Многие технологические процессы ведут к тому, что потребление кислорода становится выше, чем его воспроизводство, а количество углекислого газа повышается. Некоторые ученые предсказывали возможность значительного снижения содержания кислорода в воздухе и наступления кислородного голодания у людей. Нарушения физиологических процессов в жизни людей появляются, когда содержание кислорода в воздухе снижается до 16-17 %, наблюдается явная кислородная недостаточность. При этом мировое сообщество уже длительное время озабочено почему-то не кислородным голоданием большинства промышленно развитых стран, что очень важно для жизни, а выбросами СО2 в связи с возможным потеплением климата Земли [1]. В настоящее время мало научных публикаций по вопросам снижения содержания кислорода в атмосфере и современных изменений биосферного круговорота кислорода по сравнению с громадным количеством публикаций по парниковым газам.
При расчёте величин эмиссии углекислого газа и количества потребляемого кислорода наиболее достоверную информацию можно получить при рассмотрении реакций взаимодействия в процессе горения и окисления.
Из предприятий промышленности строительных материалов наибольшее количество углекислого газа выбрасывают в атмосферу цементные заводы и заводы по производству извести. При обжиге 1 т портландцементного клинкера выбрасывается около 0,8-0,9 т углекислого газа. Частично это углекислый газ, получающийся за счет разложения при высокой температуре основного сырьевого компонента - карбоната кальция. Другая часть выбрасываемого углекислого газа образуется при горении топлива в печах обжига, при этом на получение 1 т клинкера расходуется 230-240 кг каменного угля или соответствующее количество
природного газа. Основная химическая реакция, протекающая при горении угля:
С + О2 ^ СО2 (1)
Согласно этой реакции, при сжигании 1 кг углерода затрачивается 2,66 кг кислорода и выделяется 3,6 кг углекислого газа. Таким образом, цементные заводы России при производстве 55 млн. тонн цемента и при условии использования в качестве топлива каменных углей выбросят в атмосферу 24 млн. тонн углекислого газа за счет разложения известняка и 40 млн. тонн СО2 за счет горения топлива. Общее количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу, может составить 64 млн. тонн. При этом в технологических процессах расходуется 29 млн. тонн кислорода.
Основное количество тепловых электростанций используют в качестве топлива каменные и бурые угли. На большинстве из них используются котельные установки с топками с жидким шлакоуда-лением, в которых развиваются температуры выше 1500 0С. В отходящих дымовых газах помимо большого количества углекислого газа присутствует сернистый газ, а также оксиды азота, так как при высокотемпературном сжигании топлива азот воздуха в составе дымовых газов реагирует с кислородом с образованием оксидов азота различного состава. При этом на 1 кг взаимодействующего азота расходуется более 3 кг кислорода. Оксиды азота являются вредными выбросами, но урон для окружающей атмосферы значительно увеличивается за счет того, что при их образовании расходуется большое количество кислорода. Единственным способом снижения количества выбрасываемых оксидов азота является возможность не допустить их образования. За рубежом на большинстве тепловых электростанций не применяется высокотемпературное сжигание топлива, там получили широкое применение котельные установки низкотемпературного сжигания, в их топках развиваются температуры около 1100 0С, при которых не происходит взаимодействие азота с кислородом.
Необходимо отметить, что при транспортировании теплоносителя от ТЭЦ к потребителям, находящимся на большом расстоянии, происходит снижение температуры теплоносителя и бесполезно теряется значительная часть тепла. С целью сокращения таких потерь тепла может широко использоваться электрическое отопление с применением в качестве отопительных приборов панелей из электропроводных бетонов.
Кроме того, ограждающие конструкции многих возведенных строительных объектов характеризуются пониженным коэффициентом термического сопротивления, что приводит к потере значительного количества тепла в окружающую среду, несмотря на то , что при получении потерянного тепла сжигается большое количество топлива и расходуется кислород из воздушной среды.
Использование в качестве топлива природного газа, основными составляющими которого являются метан, этан, бутан и пропан, приводит к некоторому снижению образующегося количества углекислого газа при сгорании единицы массы топлива, но сопровождается значительным увеличением
8аепсе8 of Бигоре # 45, (2019)
35
расхода кислорода. Так при сгорании 1 кг метана по реакции
СН4 + 202 ^ СО2 + 2Н2О (2)
образуется 2,75 кг углекислого газа, но расходуется 4,0 кг кислорода.
При горении всех нефтепродуктов по сравнению с углем уменьшается доля выбрасываемого углекислого газа на единицу расходуемого топлива, но увеличивается количество расходуемого кислорода. Полностью отсутствуют выбросы углекислого газа при использовании водородного топлива, но в два раза увеличивается расход кислорода по сравнению с горением природного газа.
При сгорании 1 кг водорода с образованием воды затрачивается 8 кг кислорода. Сравнение показывает, что использование водорода в качестве топлива не может считаться экологически безопасным для окружающей среды при таком расходе кислорода.
Однако необходимо отметить, что при сгорании угля на получение 1 МДж тепловой энергии затрачивается около 90 г кислорода, а при сжигании мазута на получение такого же количества тепловой энергии затрачивается 70-75 г кислорода при горении природного газа 50-60 г кислорода, а при горении водорода -6-7 г. Таким образом, при использовании водорода в качестве топлива на получение 1 МДж тепловой энергии затраты кислорода в 10-15 раз меньше, чем при сжигании других видов топлива.
На примере Алтайского края можно показать, какое влияние оказывают промышленные предприятия, энергетика и транспорт на окружающую атмосферу. При работе всех перечисленных потребителей топлива в Алтайском крае в течение года сжигается 10500 тыс. тонн угля, 3345 тыс. тонн нефтепродуктов в виде мазута, бензина и дизельного топлива, 90 тыс. тонн природного и сжиженного газа. Расчет количества выбрасываемого при этом углекислого газа показывает, что при сгорании угля в атмосферу выбрасывается 28700 тыс. тонн С02, при сгорании нефтепродуктов 10035 тыс. тонн, при сгорании газа - 256 тыс. тонн. Общее количество выбрасываемого СО2 составляет 38990 тыс. тонн, что значительно больше массы израсходованных видов топлива. Это увеличение массы происходит за счет связывания кислорода в процессе горения. При горении угля расходывается 20500 тыс. тонн кислорода, при горении нефтепродуктов - 12000 тыс. тонн, при сгорании газа - 300 тыс. тонн. Общие затраты кислорода составляют 32800 тыс. тонн в год. Можно считать, что каждая единица массы сгоревшего топлива забирает из атмосферы около трех единиц массы кислорода. Считается, что для нормальной жизнедеятельности человека необходимо 4 тонны кислорода в год. А расход кислорода в промышленности в Алтайском крае составляет около 11 тонн в год на каждого жителя региона. В целом по России при сжигании 300 млн. тонн угля, 198 млн. тонн газа и 170 млн. тонн нефтепродуктов выбрасывается в атмосферу около 2134 млн. тонн углекислого газа и расходуется 2185 млн. тонн кислорода. Количество кислорода, затра-
чиваемого при горении всех видов топлива в расчете на одного человека, составляет более 18 тонн в год, что в 4,5 раза больше, чем необходимое количество кислорода для дыхания в течение года.
В последнее время экологами введен термин «пластиковое загрязнение» [4], так называют процесс скопления отходов, состоящих из полимерных материалов. Считается, что в среднем каждый житель России выбрасывает более 60 кг. пластиковых отходов в год. Они попадают на свалки или сгорают в печах мусоросжигательных заводов, хотя в мировой практике вторично используют около 50% таких отходов. При утилизации полиэтилена и полипропилена возможно изготовление новой пленки, мешков, различной бытовой тары и прочее. Работа заводов, специализирующихся на утилизации изделий из пластмасс тормозится нехваткой сырья, так как не развит раздельный сбор мусора и большая часть сырья поступает на заводы с сортировочных станций, работающих рядом с крупными свалками. Большое внимание уделяется в настоящее время программе строительства мусоросжигательных заводов, при условии, что мусор с полигонов будет свозиться в новые точки. В новой программе прописаны раздельный сбор мусора и переработка пластика, но свалки по-прежнему перегружены, а мощности по переработке бумаги и пластика полностью не загружены, перерабатывается только около 4% мусора. Необходимо отметить, что сжигание полимерных отходов наносит огромный ущерб окружающей среде. Общее количество выбрасываемых пластиковых отходов составляет около 8 млн. тонн. В основном выбрасываемые изделия изготовлены из полиэтилена и поливинилхлорида. Горение полиэтилена происходит по реакции; (С2Н4)п +302 = 2СО2 + 2Н2О.
При сжигании 1 кг. полиэтилена расходуется 3,5 кг. кислорода и выделяется 3 кг. углекислого газа. На сжигание всех пластиковых отходов, если они представлены полиэтиленом, необходимо 27, 3 млн. тонн кислорода, при этом может образоваться более 23 млн. тонн углекислого газа. Количество выбрасываемого углекислого газа составляет третью часть от выбросов углекислого газа цементными заводами. При горении одного килограмма полимерных материалов в виде поливинилхлорида (С2Н3С1)п дополнительно выбрасывается в атмосферу 0,6 кг. хлористого водорода, образующего с парами воды соляную кислоту.
Из приведенных расчетов видно, насколько необходимо стимулировать производителей изделий из пластмасс применять материалы и технологии, позволяющие перерабатывать полученные отходы. В странах Европы торговые сети возвращают покупателям стоимость пластиковой тары, если они сдают её в магазин.
Большинство учёных признают [5], что в настоящее время ежегодный расход кислорода превышает его возможное восполнение, таким образом, в атмосфере снижается его содержание. По мнению ученых в 21 веке по многим причинам придётся отказаться от углеводородного топлива. Так, в Германии планируется запустить поезда на водородном топливе, а в ряде стран готовятся к выпуску автомобилей с двигателями внутреннего сгорания
36
Sciences of Europe # 45, (2019)
на водородном топливе. Водород считается абсолютно экологичным топливом по той причине, что продукты его сгорания полностью представлены водой, а сам водород может быть получен из воды. Однако необходимо учитывать, что водородное топливо при горении нуждается в очень большом количестве кислорода и использование такого топлива может быть связано с большим ущербом для экологической обстановки.
При безответственном использовании кислорода вполне возможно, что человечество ждет кислородное голодание, в какой-то степени признаки такого голодания уже имеют место в крупных мегаполисах. Несмотря на работу международных комитетов [4] по мониторингу и контролю состава и поведения атмосферы Земли и изучению влияния на глобальные процессы изменения климата, необходимо уделять большее внимание мероприятиям по принятию мер по восполнению израсходованного кислорода. Необходимо стимулировать разработку и использование эффективных способов получения тепловой и электрической энергии без расхода или с минимальным расходом кислорода.
Экологичным способом получения электроэнергии является использование возобновляемых её источников. В ближайшем будущем необходимо уделять большее внимание этому направлению. В 2017 году в Республике Алтай введены в эксплуатацию 4 электростанции на солнечных батареях общей мощностью 45 МВт. Принято решение о строительстве станций с общей мощностью до 145 МВт [6].
Экологические службы страны должны отслеживать изменение содержания кислорода в воздухе в различных регионах. Отметим, что даже в странах с хорошо организованным автоматическим контролем состава атмосферы анализируются пробы воздуха на содержание СО2, МОх, 802 и озона [7], но не определяется общее количество кислорода. Кроме того, необходимо пытаться исследовать, как изменение содержания кислорода влияет на климатические условия.
В целом, видимо, пришло время создать движение за экономное и бережное расходование кислорода и поддержку мероприятий по его восполнению.
Среди факторов, снижающих уровень экологической безопасности, необходимо также отметить высокую интенсивность магнитных полей, особенно вблизи высоковольтных линий электропередач, электрифицированных железных дорог, особенно по той причине, что высоковольтные линии передач проходят над поверхностью земли, создавая при этом магнитное поле высокой напряженности. Необходимо так же добиваться снижения интенсивности магнитных полей в жилых помещениях. Следует изучить, как влияет на это способ возведения ограждающих конструкций строительных объектов. Во многих странах снижаются объемы жилья, возводимого в панельном варианте. Под действием магнитных полей окружающей среды в арматуре ограждающих конструкций из панелей возникают блуждающие токи, повышающие
напряженность магнитных полей внутри помещений.
По нашему мнению, экологическая служба всех регионов должна тщательно следить за деятельностью промышленных предприятий, связанной с утилизацией производственных отходов и стимулировать не захоронение отходов, а возможное их использование. Для предприятий, не решающих эти проблемы, должен быть введён высокий экологический налог. Одновременно необходимо повышать заинтересованность других предприятий, способных использовать отходы в производстве, так, например, предприятий промышленности строительных материалов при использовании зол и шлаков, а также радиоактивных отходов [8]. При проектировании и строительстве новых энергетических предприятий должны быть пересмотрены устаревшие технологии и увеличена доля электроэнергии, получаемой с помощью возобновляемых источников.
Литература
1. Болдырев В.М. Экологическая доктрина в части атмосферного использования. Какой ей быть? // Промышленные ведомости. - №9-10 (6465). - май, 2003 г.
2. World Meteorological Organization (WMO): [Электронный ресурс], URL: https://pub-lic.wmo.int/ru
3. Козлова В.М., Логвиненко В.В. Влияние предприятий промышленности строительных материалов и энергетики на содержание в атмосфере кислорода и углекислого газа. / Ресурсоэнергоэф-фективные технологии в строительном комплексе региона Сборник научных трудов Том 2. - © Саратовский государственный ISBN 978-5-7433-3217-5 (Том 2) технический университет, Саратов 2018/-c.296-300
4. Шигарева Ю., Макурин А., Познякова М и др. Пластмассовый стон планеты. // «Аргументы и факты», 2018, №27
5. Болдырев В.М. Маниакально-депрессивный психоз по Киотскому протоколу и о возможностях его уменьшения. // Промышленные ведомости. - №23-24. - декабрь, 2003 г.
6. Высокие экологические стандарты. // «Аргументы и факты» 2017. -№51.
7. Котен М. Контроль и состояние атмосферного воздуха в Израиле // Сб. трудов международной конференции «Актуальные проблемы экологической безопасности». - Иерусалим, 2015. - С. 65.
8. Yuly Ilyevskiy, Valentina Kozlova Radioaktive waste products and problems of ecology.// ECOLOGY AS A BRIDGE BETWEEN SCIENCE AND SOCIETY//Jerusalem cultural center,2007 s.47
9. Jaromir Kleme s A, Petar Sabev Varbanov, Donald Huisingh Recent cleaner production advances in process monitoring and optimisation. JOURNAL OF CLEANER PRODUCTION / ttps://www.sciencedi-rect.com /science/ article/pii/ S09596526 12002247?via%3Dihub, https://doi.org/ 10.1016/j.jcle-pro.2012.04.026
