CC BY
273
УДК 621.039.7
Овсейчук Василий Афанасьевич Vasily Ovseichuk
Крылов Дмитрий Алексеевич Dmitry Krylov
Сидорова Галина Петровна Galina Sidorova
РАДИАЦИОННЫЕ ВЫБРОСЫ ОТ УГОЛЬНЫХ ТЭС RADIATING EMISSIONS FROM COAL THERMAL POWER PLANTS
Поднимается проблема выбросов радиоактивных веществ при сжигании угля на угольных ТЭС. Приводятся результаты исследований ряда авторов по данному вопросу и делаются выводы о необходимости решения данной проблемы
Ключевые слова: уголь, зола, шлак, радиоактивность, естественные радионуклиды (ЕРН), нормы радиационной безопасности (НРБ)
The article raises the problem of radioactive substances emission from burning coal at coal thermal power plants. The results of researches by several authors on this subject are given and conclusions about necessity of the problem solution are done
Key words: coal, ash, slag, radioactivity, natural radionuclides (NRN), radiation safety standards (RSS)
Уголь считается экспертами одним из самых перспективных мировых источников энергии. Последние события на японской АЭС «Фукусима-1» заставили мировое сообщество обратить внимание на вопросы безопасности атомной энергетики, и некоторые страны объявили о приостановке программ развития АЭС.
Мировая экономика ежегодно потребляет около 4 млрд т энергетических углей. По оценке рабочей группы по углю комитета по энергетике ЕЭК ООН, уголь обеспечивает примерно 27 % мирового производства энергии. В электроэнергетике эти значения еще выше. С использованием угля в мире производится примерно 44 % всей
электроэнергии, в том числе в странах Европы - 42 %.
Прогнозы показывают, что в перспективе потребность в энергетических углях будет расти во всем мире. По оценке академика РАН А. Э. Канторовича, проанализировавшего прогнозы мирового производства угля, с 2007 по 2025 гг. потребление угля будет увеличиваться на 1,5 % в год [2].
В Долгосрочной программе развития угольной промышленности России на период до 2030 г. (рассмотренной 15 апреля 2011 г. на президиуме Правительства РФ) отмечено, что при существующих уровнях добычи угля его запасов хватит на 600 лет.
Российские ТЭС традиционно являлись крупнейшими потребителями угля на внутреннем рынке. По данным А.Г. Туманов-ского (ОАО «ВТИ»), прозвучавшим в докладе на саммите Института Адама Смита «УГОЛЬ СНГ 2012» 23 мая 2012 г., в настоящее время в России находятся в эксплуатации 116 угольных ТЭС [1].
Наиболее уязвимым местом в угольной энергетике является экологическое воздействие предприятий угольного топливного цикла. Внимание природоохранных организаций привлекают такие мощные загрязнители, как сера, зола, тяжелые металлы, содержащиеся в углях, и выбросы этих загрязнителей в окружающую среду при сжигании угля на ТЭС. В последние годы внимание привлекает и радиационное загрязнение, создаваемое угледобывающими предприятиями и угольными ТЭС [6].
Радиационная опасность угольных шахт и угольных ТЭС, связанная с естественными радионуклидами, содержащимися в углях — одна из важных проблем угольной энергетики, которая порой недооценивается в современном мире, но требует предельного внимания. Радионуклиды, поступающие в воздух из дымовых труб ТЭС, попав в атмосферу, рассеиваются, образуя сложное объемное поле. В пределах этого образования концентрация вещества уменьшается с увеличением расстояния от максимума у выхода из трубы до минимальных ( фоновых для данного района) значений.
Проводимые исследования показывают, что радиоактивность почв и воздуха на территориях, прилегающих к ТЭС, порой в несколько раз превышает не только фоновые, но даже предельно допустимые значения. Это напрямую зависит от того, какой именно уголь использует конкретная ТЭС, от технологии подготовки угля и технологии его сжигания [3].
При среднем содержании урана в земной коре — 2,0 г/т, среднее содержание урана в богатых золах достигает 400 г/т [10]. Удельные активности ЕРН в летучей золе превышают их средние значения в почве для 232 ТИ — в 1,5...2,0 раза, для 226Иа и 40К - в 4-5 раз, а для 238и и 210РЬ - в 10-
20 раз [4]. При исследовании загрязненности золошлаковых отходов естественными радионуклидами на 50 российских ТЭС, использующих 20 видов углей, было выявлено, что некоторые угли, такие как подмосковные и азейские, при сжигании дают превышение по ЕРН до 520 Бк/кг [11, 8].
Учеными Томского политехнического университета установлено, что в некоторых угольных месторождениях Канско-Ачин-ского бассейна содержание урана в углях достигает первых сотен грамм на 1 т угля, что ставит вопрос о невозможности использования подобных углей в качестве энергетических без предварительной обработки или принятия мер по улавливанию этих радиоактивных элементов [7; 9].
Исследованиями Н.А. Титаевой установлено, что в золе, собранной с электрофильтров дымового тракта Назаровской ТЭС, работающей на углях Канско-Ачинс-кого месторождения, концентрация урана увеличилась по сравнению с исходным углем в 2 раза, а по торию — в 4 раза. Кроме того, установлено, что основная часть урана в углях связана с органическим веществом и при его сгорании высвобождается, конденсируясь на тонкодисперсных аэрозолях, в значительной степени не улавливаемых электрофильтрами. Основная часть тория, напротив, находится в углях в минеральной их части и естественно остается в составе золы [12].
По результатам радиоэкологического обследования, проведенного сотрудниками НИИ Физики при Ростовском государственном университете, на Несветайской и Новочеркасской ГРЭС, работающих на углях Восточного Донбасса, оценены плотности радиационного загрязнения в окрестностях электростанций от выбросов ГРЭС, которые сформировались за период их эксплуатации. Так, для зоны максимального загрязнения при радиусе 0,4...1,0 км вокруг Несветайской ГРЭС оценки дали следующие значения: для 238U — более 240 мКи/ км2, для 226 Ra более 9 мКи/км2 и для 210Pb примерно 29 мКи/км2 [4]. В целом, результаты проведенных полевых и лабораторных исследований для этих ГРЭС показали, что
их выбросы оказывают существенное влияние на формирование радиационной обстановки в районах их расположения.
При сжигании кузнецких углей в их золах отмечается концентрирование радиоактивных элементов. Коэффициент концентрации в зависимости от полноты озоления угля, марочного состава и зольности угля, для урана и тория колеблется от 1,5...2 до 10...15. Б.Ф. Нифонтов и др. отмечают, что в бурых окисленных углях
одного из северных районов Кемеровской области (пласт «Итатский») выявлено содержание урана — 139 г/т, а в золошлако-вом материале — 902,6 г/т, в пересчете на и02 — 1023, 9 г/т [5].
Исследования забайкальских углей показывают, что концентрации урана в продуктах сжигания углей увеличиваются от 2 до 9 раз, результаты исследований приведены на рисунке и в табл. 1.
50
X
50 &
^
в; в я
50 &
Н
X
§
X
с Е£
1 2 3 4 5
Наименование месторождения
Концентрация урана в углях и продуктах их сжигания на Забайкальских буроугольных месторождениях: 1 - Окино-Ключевское; 2 - Татауровское; 3 - Харанорское; 4 - Уртуйское; 5 - Кутинское: 1 ряд - уголь; 2 ряд - зола; 3 ряд - шлак
Таблица 1
Концентрация радиоактивных элементов в углях и продуктах их сжигания на угольных месторождениях Забайкалья (Г.П. Сидорова)
Концентрация радиоактивных элементов в продуктах сжигания углей, г/т
Месторождения углей 238у 226Ра 232"т 40К
уголь зола шлак уголь зола шлак уголь зола шлак уголь зола шлак
Окино-Ключевс-кое 4,7 43 32 1,7 3,5 1,2 2,4 6,6 5,5
Татауровское 4,8 42 36 2,1 13 1,8 7,1 6,9 13
Харанорское 5,8 53 46 2,0 28 25 1,6 12 11 2,1 13 10
Уртуйское 18 62 66 3,5 43 64 2,8 13 14 13 70 80
Кутинское 27 71 56 2,5 8,8 2,2 3,8 14 10
Данные разных авторов по значениям удельных активностей ЕРН в летучей золе угольных ТЭС (полученные в большинстве случаев путем расчетных оценок) приведены в табл. 2 [4]. Хуже всего системами очистки дымовых газов ТЭС улавливаются самые мелкие частицы летучей золы, в которых концентрация радионуклидов наиболее высока.
В табл. 2 приведены данные по среднему содержанию урана и тория в каменных и бурых углях, сжигаемых на ТЭС, и в золе углей различных ТЭС. Из этих показателей видно как увеличивается содержание урана и тория в золах углей по сравнению с исходными углями [11].
Таблица 2
Содержание тория и урана в углях, использованных на ТЭС и в золе-уносе ТЭС, г/т
Название ТЭС (ТЭЦ) В угле В золе-уносе ТЭС
Th U Th U
Углегорская 8,8 3,0 37,2 7,6
Зуевская 6,0 2,7 56,0 10,4
Кураховская 7,8 2,1 16,7 2,9
Мироновская 11,3 3,8 32,4 4,2
Новочеркасская 3,4 1,4 33,0 5,2
Луганская 10,3 2,1 17,8 4,5
Шахтинская 4,6 2,6 23,9 7,0
Московская ТЭЦ-22 3,8 1,4 51,5 4,9
Владимирская ТЭЦ-1 2,4 1,6 25,9 2,9
В табл. 3 на примере сжигания углей ФРГ показано, что эмиссия и зависит от марки угля: в каменных углях обогащение тончайшей фракции золового уноса существенно выше (2 против 0,8), чем в бурых,
независимо от способа сжигания первых. Эти данные косвенно указывают на то, что формы нахождения урана в каменных и бурых углях ФРГ существенно различаются [10].
Таблица 3
Содержание урана в углях ФРГ и продуктах их сжигания
Уголь Способ сжигания Содержание урана, г/т Соотношение урана в зольном уносе после электрофильтров к зольном уносу на электрофильтрах
в угле в зольном уносе на электрофильтрах в зольном уносе после электрофильтров
Каменный Сухое золоудаление 1,6 19 38 2,0
Каменный Жидкое шлакоудаление 2,2 21 42 2,0
Бурый Сухое золоудаление 1,1 7,4 6,2 0,8
Даже при сжигании углей с низкими концентрациями радиоактивных элементов в продуктах их сжигания содержание урана и тория в золе-уносе обычно увеличивается в 3...4 раза по отношению к исходному топливу, а иногда и выше, например, в 9 раз, как на Окино-Ключевском месторождении в Забайкалье.
При использовании полученных зо-лошлаков для отсыпки дорог и в качестве искусственных грунтов, радиоактивный фон возрастает в два — три раза относительно местного фона, что следует учитывать при использовании этих материалов
[4; 7; 10].
В заключение следует отметить, что в России ЕРН в добываемом угле (за исключением уртуйского угля) не контролируется. Угли с повышенным содержанием ЕРН поступают к потребителю, что приводит к дополнительной нагрузке на окружающую среду за счет выбросов из труб радиоактивных аэрозолей и образование золы с повышенным содержанием ЕРН. Авторами не найдены сведения о радиационном контроле угля и в зарубежных странах, кроме единичных исследований, проводящихся в научных целях. Результаты приведенных ранее исследований доказывают, что при работе ТЭС содержащиеся в угле радионуклиды с продуктами их сжигания (золош-лаковыми отходами и газоаэрозольными выбросами) попадают в биосферу и служат источником радиоактивного загрязнения окружающей среды и облучения людей. Опасностью для окружающей среды, особенно при повышенной радиоактивности золы (выше 370 Бк/кг), являются также и пылеунос с золоотвалов. Природные радионуклиды из золоотвалов могут попадать в организм людей по пищевым цепочкам и при размытии золоотвалов водой.
Для снижения облучения персонала и населения, проживающего в районах расположения угольных предприятий и угольных ТЭС, необходим хорошо организованный контроль как за содержанием ЕРН в энергетических углях, так и за выброса-
ми в атмосферу угольных ТЭС. Решение проблем радиоактивности углей требует централизованного подхода и создания соответствующей нормативной базы. В настоящее время нормы радиационной безопасности (НРБ — 99/2009) ограничивают только применение шлаков в строительных целях. Уголь по радиационному признаку не нормируется. Опыт разработки Уртуйс-кого угольного месторождения, часть углей которого имеет повышенное содержание ЕРН, показывает, что возможно создать эффективную систему контроля качества угля по радиационно-гигиеническому фактору, тем самым обеспечив охрану окружающей среды и здоровья населения [3].
В настоящее время в международной практике нормирования радиационного воздействия на население существуют несколько регламентов для облучения, связанного с загрязнением окружающей среды, но регламенты, действующие на АЭС, не распространяются на ТЭС, работающие на органическом топливе. В сущности, если дозы могут приближаться к 0,5 бэр/год, то те же основания, по которым выделена и существует категория Б объектов атомной промышленности, имеются и для отнесения к ней людей, проживающих вблизи угольных ТЭС. Это возможно при условии организации соответствующего мониторинга в окружающей среде и наблюдения за здоровьем населения.
Литература
1. Тумановский А.Г. Пути совершенствования и развития угольных ТЭС (доклад на саммите Института Адама Смита «УГОЛЬ СНГ 2012» 23 мая 2012 г.).
2. Энергетика и охрана окружающей среды / Под ред. Н.Г. Залогина, Л.И. Кроппа и Ю.М. Кострикина. М.: Энергия, 1979. 352 с.
3. Суханов Р.А., Сидорова Г.П. Проблемы использования углей с повышенной радиоактивностью // Горный журнал. 2009. № 2. С. 43-45.
4. Давыдов М.Г., Тимонина Ю.А. Радиационная обстановка в районе расположения ГРЭС Ростовской области // Теплоэнергетика. 2003. № 12. С. 8-13.
5. Арбузов С.И., Волостнов А.В., Машенькин В.С. Радиогеохимическая характеристика углей Северной Азии // Энергетик. 2010. № 3. С. 2-8.
6. Алукер Н.Л., Васильев И.А., Еременко А.Н., Нечаев А.Ф. Проблема радиационной безопасности угольной отрасли: сб. докл. конф. // Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию. Кемерово. 24-25 февраля 1999. С. 139-149.
7. Рихванов Л.П., Ершов В.В., Арбузов С.И. Комплексное эколого-геохимическое исследование углей // Уголь.1998. № 2. С. 54-57.
8. Арбузов С.И., Рихванов Л.П. Геохимия радиоактивных элементов. Томск: Томский политехи. ун-т, 2010. 300 с.
9. Арбузов С.И., Ершов В.В., Поцелуев А.А., Рихванов Л.П. Редкие элементы в углях Кузнецкого бассейна. Кемерово, комитет природных ресурсов по Кемеровской области. 1999. 248 с.
10. Юдович Я.С., Кетрис М.П. Уран в углях // Сыктывкар, 2001. 84 с. (Коми научный центр Уро РАН).
11. Белюсенко Н.А., Соловьянов А.А. Принципы программного обеспечения радиационно-экологической безопасности на объектах ТЭК России // Безопасность труда в промышленности. 1996. № 1. С. 30-34.
12. Титаева Н.А. Геохимия изотопов радиоактивных элементов (и, ТИ, Иа): дис. д-ра геол.-минер. наук. М. 2002. 91 с.
Коротко об авторах_
Овсейчук В.А., д-р техн. наук, профессор, Забайкальский государственный университет, ведущий научный сотрудник Забайкальского института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН [email protected]
Научные интересы: геология, геотехнология урановых месторождений, охрана окружающей среды, радиационная безопасность
_Briefly about the authors
V. Ovseichuk, Doctor of Engineering Sciences, professor, Zabaikalsky State University, leading scientific employee, Zabaikalsky Institute of Natural Resources, Ecology and Kriology of the Russian Academy of Sciences
Scientific interests: geology, geotechnology of uranium deposits, protection of environment, radiation safety
Крылов Д.А., канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» [email protected]
Научные интересы: охрана окружающей среды, радиационная безопасность
D. Krylov, Candidate of Technical Sciences, senior researcher RRC «Kurchatov Institute»
Scientific interests: environmental protection, radiation safety
Сидорова Г.П., канд. техн. наук, доцент кафедры гидрогеологии и инженерной геологии, Забайкальского государственный университет (ЗабГУ) [email protected]
Научные интересы: экологические проблемы, связанные с отработкой угольных месторождений
G. Sidorova, Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Hydrogeology and engineering geology department, Zabaikalsky State University
Scientific interests: environmental problems connected with coal deposits working off
