CC BY
165
УДК 621.039.7
НАЦИОНАЛЬНЫМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»
« Токсичность»
угольной тепло-электрогенерации
Д.А. Крылов, к.т.н., ведущий научный сотрудник, НИЦ «Курчатовский институт»
В Долгосрочной программе развития угольной промышленности России на период до 2030 г. намечено опережающее развитие угольной тепло-электрогенерации в России.
В настоящее время угольные электростанции (ТЭС) России производят лишь 20% энергии, но на их долю приходится 70% вредных выбросов энергетики [1]. В связи с планируемым увеличением потребления угля на ТЭС могут возрасти и объемы вредных выбросов электростанций в окружающую среду.
В энергетике проблеме выбросов в атмосферу СО2, оксидов серы, азота и летучей золы уделяется большое внимание. Существуют программы по уменьшению таких выбросов. Между тем, вопросам негативного воздействия микроэлементов, содержащихся в углях, в золошлаковых отходах угольных электростанций и в выбросах в атмосферу летучей золы угольными ТЭС, уделяется несопоставимо меньшее внимание.
Геохимики в химсоставе неорганического вещества угля выделяют две группы элементов. Одна из них включает главные золообразующие элементы: Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, К, S,
Табл. 1 Классификация элементов-примесей в углях [2]
Группа малых элементов Интервал содержания сухого вещества, г/т Ориентировочный состав групп малых элементов в углях
Собственно малые 1000-10 В, F, а, Т1, V, Сг, Мп, N1, Си, Zn, As, Zr, Ва, ?Ь
Редкие 10-0,1 Li, Be, Sc, Со, Ga, Ge, Se, Sr, Br, Y, Mo, Cd, Sn, Sb, Zn, Cs, La, Yb, В1, и, Щ
Ультраредкие менее 0,1 Ag, Ие, Аи, Р1
Табл. 2 Содержание тяжелых металлов в различных углях, мг/кг у.т.
Угольный бассейн РЬ АЙ V Сг Zn
Донецкий 51-63 23-24 36-51 33-45 21-120
Экибастузский 16-32 12-24 32-96 16-80 48-200
Канско-Ачинский 2-5 3-9 2-6 3-9 5-11
Табл. 3 Среднее содержание микроэлементов в различных углях и в их золах, г/т [5]
Микроэлемент Уголь Зола Степень концентрации, раз
Ве 2,7 10,5 >3,8
са 1,8 9,0 5,0
V 24,7 120,4 4,8
Си 11,8 60,0 5,1
Zn 28 140,1 5,0
И8 0,15 0,9 6,0
РЬ 12,8 63,3 4,9
АЙ 18,8 94,0 5,0
N1 10,4 50,5 4,9
P. На их долю в углях приходится примерно 99% всей массы неорганического вещества. Другая группа - это микроэлементы, составляющие обычно не более 1% от всего неорганического вещества угля.
В соответствии с геохимической классификацией [2] по концентрированному признаку к микроэлементам относят собственно малые элементы 0,1-0,001% (1000-10 г/т), редкие - 0,001-0,00001% (10-0,1 г/т) и ультраредкие с содержанием менее 0,00001% (менее 0,1 г/т) (табл. 1).
Концентрации некоторых элементов в углях могут значительно превышать их средние содержания в земной коре. Это обусловлено тем, что геохимическая среда в угленосных пластах благоприятна для накопления микроэлементов по сравнению со средним фоном земной коры.
За рубежом большие исследования по содержанию микропримесей в различных фракциях золы ТЭС были проведены в 1960-х и в начале 1970-х годов.
Американские геохимики Р. Финкельман и Р. Броун отмечают, что при учете масштабов добычи угля в США из него можно было бы получить не менее половины ежегодно потребляемых в стране мышьяка, бериллия, висмута, кобальта, гафния и др., снизив при этом уровень экологического загрязнения, поскольку при использовании угля накапливается значительное количество опасных элементов, оказывающих существенное влияние на человека и окружающую среду [3].
Насколько сильно отличаются показатели содержания некоторых тяжелых металлов в углях крупных бассейнов видно из данных табл. 2 [4]: в канско-ачин-ских - в расчете на 1 кг у.т. содержится на порядок меньше тяжелых металлов, чем в донецких и экибастузских углях.
Главная проблема, сдерживающая получение ценных элементов из углей, это, как правило, низкое их содержание. Вместе с тем известны пласты углей, в которых концентрация отдельных микроэлементов достигает величин, сопоставимых с их содержанием в рудах отрабатываемых месторождений.
Стоимость некоторых редких металлов, присутствующих в углях, в ряде случаев может превышать стоимость угля. Такие металлоносные угли могут рассматриваться как редкометалльные руды, а их органическое вещество - как попутный продукт.
Известно, что в золошлаковых отходах ТЭС содержание большинства хими-
ческих элементов (за исключением легколетучих) в несколько раз выше их первичного содержания в исходном угле (табл. 3).
Данные табл. 3 свидетельствуют о высоком концентрировании некоторых микроэлементов в золах ТЭС.
«В России, Украине и некоторых других странах в промышленных масштабах проводится получение товарных соединений германия из углей и углистых пород» [6].
Авторы публикации [6] отмечают, что относительно высокое содержание микроэлементов в уловленной летучей золе или в золошлаковых отходах может позволить производство промышленного выделения ценных элементов пиро-металлургическими и гидрометаллургическими методами или их сочетанием.
Токсичные элементы-примеси в углях
Специалисты ИСЭМ СО РАН отмечают: «за рамками внимания природоохранных организаций России при оценках экологической опасности топлив в современной практике остается без должного внимания поток в природную среду микроэлементов, в первую очередь тяжелых металлов, обладающих токсичными, канцерогенными, мутагенными и тератогенными свойствами, способными к тому же усиливать эти негативные свойства в присутствии друг друга» [7].
По оценке специалистов [8], среднее (кларковое) содержание урана в углях составляет 3,6 г/т, а тория для бурых углей -6,3 г/т, каменных - 3,5 г/т.
Угли, содержащие уран в концентрациях на один-два порядка выше кларка, известны во многих странах мира: в России, Турции, Франции, США и других.
Следует отметить, что содержания урана и тория в углях в большей части угольных месторождений России не превышают кларковых значений, но имеются месторождения, в которых кларковые содержания урана и тория превышены в несколько раз. Причем эти месторождения разрабатываются без всякого радиационно-гигиенического контроля, уголь используется на ТЭС, в котельных и в печах индивидуальных домов. Зола и шлак, образующиеся при сжигании таких углей, обогащены естественными радионуклидами (ЕРН). Золошлаковые отвалы ТЭС, использующие уголь с повышенным содержанием радионуклидов, занимают огромные территории, образуя с годами, по сути, техногенные месторождения ЕРН.
По данным американских специалистов [9], к 2000 г., мировой суммарный выброс урана и тория в результате сжи-
Табл. 4 Содержание урана и тория в товарных углях некоторых угледобывающих предприятий Кемеровской области, г/т [11]
Предприятие Содержание урана (U) Содержание тория (Th)
Бутовская 5,9 7,9
ш. имени Волкова - 9,6
ш. Бирюлинская 9,0 -
ш. Березовская - 7,2
ш. Ягуновская - 9,8
ш. имени Шевякова 7,8 9,0
Разрез Итатский* 56,9 (6,0-139) 2,4 (0,2-9,9)
* Примечание: среднее значение, в скобках - интервалы значений (по данным [10,12])
гания угля составляет около 37 300 т ежегодно, причем около 7300 т поступает из США.
«В бурых углях пласта «Итатский» (Кемеровская область) выявлено повышенное содержание урана - 139 г/т, а в золош-лаковом материале, образующемся при сжигании этого угля, содержание урана составляет 902,6 г/т» [10]. Такой золош-лаковый материал с концентрацией в нем урана 0,09% относится по мировой классификации к рядовым урановым рудам (с диапазоном содержания урана 0,05-0,1%).
В табл. 4 представлены данные по повышенным концентрациям урана и тория в товарных углях, добываемых на некоторых угольных предприятиях в Кемеровской области [10-12].
Содержание урана в угле, добываемом на Итатском разрезе (см. табл. 4), значительно превышает среднемировые уровни для углей: средний - 56,9; вариации от 6 до 139 г/т.
Среднее содержание ртути в углях, добываемых в различных бассейнах мира, колеблется от 0,05 до 0,3 г/т [13]. Угли юго-западных бассейнов Китая в среднем содержат 0,55 г/т ртути. В США содержание ртути в углях в среднем составляет около 0,2 г/т при широком интервале - от 0,003 до 2,9 г/т. В угольных пластах Донбасса, расположенных в пределах (или вблизи) Никитского месторождения ртути, ее содержание в углях повышается до нескольких десятков грамм на тонну, а в отдельных линзах до 1000 г/т.
Проблема присутствия токсичных элементов в углях изложена в ряде монографий и статей, в частности, в публикациях Томского университета. Учеными этого университета [14] систематизированы имеющиеся данные по накоплению токсичных элементов в разрабатываемых или готовых к эксплуатации угольных месторождениях Сибири (табл. 5).
Повышенные содержания токсичных микроэлементов проявляются и в углях других бассейнов (справочник «Ценные и токсичные элементы в товарных углях России»):
- в Печорском бассейне - по содержаниям хрома, цинка;
- в Восточном Донбассе - по содержаниям ртути, хрома в сортовых антрацитах, ванадия и цинка - в промпродукте;
- в угле Приморского края - по концентрациям фтора, кадмия, сурьмы, цинка в товарных углях и продуктах обогащения;
- в Сахалинском бассейне - по содержаниям таллия, цинка.
Воздействие на окружающую среду токсичных элементов, содержащихся в золошлаковых отвалах ТЭС
Замечено [15], что золошлаковые отвалы (ЗШО) ТЭС даже при выполнении необходимого комплекса мероприятий оказывают угнетающее воздействие на окружающую среду не только в зоне расположения таких хранилищ, но и далеко за их пределами вследствие пыления и загрязнения водного бассейна фильтратами токсичных соединений.
Существенное содержание зольной компоненты в поверхностном почвенном слое обнаружено в радиусе до 1 км от ЗШО ТЭС [16]. Концентрация токсичных элементов оказалась повышенной в кормах, потребляемых скотом на пастбищах вблизи золоотвалов.
Проведены исследования по изучению форм нахождения
Табл. 5 Средние содержания и локальные значения концентраций токсичных элементов в углях, г/т [14]
Угольный бассейн Zn Ай Сг Со N1 РЬ 8Ъ
Канско-Ачинский 14,2 (300) 0,7 (200) 22,3 (3320) 8,1 (320) 15,9 (300) 2,2 (60) 0,28 (9,1)
Кузнецкий 55,7 (2000) 7,21 (589) 21,3 (375) 8,2 (60,7) 32,1 (400) 15,8 (300) 0,45 (14,5)
* Примечание: выделеным шрифтом даны опасные значения локальных концентраций токсичных элементов в углях
Табл. 6 Кратность превышения ПДКп тяжелых металлов в почвах, прилегающих к золошлаковым отвалам (ЗШО) ТЭС Кемеровской области
Элемент Кратность превышения ПДКп % проб от общего количества почв
Си 1,5 67,0
6,0 33,0
N1 1,6-2,2 33,0
2,5-7,5 67,0
Zn 2,0-2,7 44,4
РЬ 1,7-3,8 100,0
токсичных элементов в ЗШО ТЭС Кемеровской области в системе «отходы - вода - почва» и оценка потенциальной опасности золоотвалов [17].
Установлено превышение предельно допустимых концентраций элементов в почве (ПДКп), прилегающей к ЗШО по санитарным нормам допустимых концентраций химических веществ. Максимальные концентрации подвижных форм тяжелых металлов в отвалах наблюдались по меди, никелю, цинку и свинцу. Высокие концентрации ванадия, молибдена, мышьяка, никеля, цинка, марганца и хрома отмечены как в водорастворимых формах золошлаковых отвалов, так и в грунтовых и поверхностных водах вблизи золоотвалов. Для этих элементов практически не существует барьеров при инфильтрации природных вод через ложе золо-отвала. Вместе с тем в почвах, прилегающих к территории ЗШО, обнаружены высокие концентрации подвижных форм цинка, свинца, меди и никеля, превышающих значения ПДКп (табл. 6). Последнее говорит о переходе из ЗШО в почвы данных металлов, несмотря на низкие концентрации хрома, никеля и цинка в валовой форме.
Содержание токсичных микроэлементов в летучей золе ТЭС
Кроме основных элементов: Я1, А1, Ее, Са, М^, Ма, К, в твердых частицах дымовых уносов от ТЭС присутствуют тяжелые металлы. При выгорании органического вещества угля на ТЭС происходит испарение металлов, часть из которых конденсируется на аэрозолях и улетучивается с паром. Другая часть испарившегося металла конденсируется на частицах летучей золы. Так как мелкие частицы имеют наибольшую поверхность, на них происходит конденсация и трансформация паров металлов [18].
Распределение некоторых микроэлементов в различных по размеру частицах (фракциях) летучей золы неравномерно и обычно увеличивается с уменьшением размеров частиц. В связи с этим более мелкая зола, не уловленная золоуловителями, поступающая с дымовыми газами в атмосферу, содержит больше перечисленных элементов, чем средняя по составу зола исходного топлива. При этом концентрация микроэлементов в летучей золе возрастает на 1-2 порядка.
Изучение состава летучей золы Березовской ГРЭС-1, работающей на кан-ско-ачинских углях, показало, что значительная часть микроэлементов, содержащихся в угле, поступает в атмосферу не с золой, а с субмикронными аэрозолями или в газообразной фазе, которые практически не улавливаются электрофильтрами [19].
Исследователями Ростовского госуниверситета установлено [20], что при сжигании углей на ТЭС в атмосферу поступает в среднем:
- не менее 10% общей массы содержащихся в них А1, Со, Ее, Мп, Яе;
- 30% Сг, Си, N1, V;
- 50% Ag, Са, РЬ, 7п;
- 100% Ав, Вг, С1, Иё, ЯЬ и Яс. Расстояния, на которые могут разноситься от ТЭС частицы золы уносов, и
их осаждение вместе с атмосферными осадками, зависят от физических свойств золы, погодных условий, розы ветров и т. д. Частицы диаметром 10 мкм и более осаждаются довольно быстро и их воздействие проявляется в непосредственной близости от ТЭС, в радиусе до 3 км. Частицы менее 10 нанометров (нм) и особенно менее 2,5 нм могут преодолевать сотни километров, прежде чем осядут. Аэрозоли часто выполняют функцию ядра конденсации металлов [18].
Несмотря на меры, принимаемые энергетиками по снижению выбросов в атмосферу, в результате работы ТЭС объемы ежегодных выбросов в атмосферу тяжелых металлов значительны. В табл. 7, по данным [18], со ссылкой на первоисточник, приведена информация о ежегодных выбросах в атмосферу тяжелых металлов в результате работы топливо-сжигающих установок в 15 странах Евросоюза в 1990 г.
В табл. 8, по данным АО «ВТИ» [21], представлена информация по среднему содержанию микроэлементов, выбрасываемых в атмосферу с летучей золой при сжигании на ТЭС углей различных бассейнов.
В табл. 9 приведены рассчитанные нами удельные средние содержания микроэлементов, выбрасываемых в атмосферу с летучей золой ТЭС, в расчете на производство 1 кВт-ч электро-
Табл. 7 Выбросы тяжелых металлов при работе топливосжигающих установок
Тяжелые металлы Выброс в атмосферу тяжелых металлов, т/год
Zn 11100
N1 4860
Си 3040
РЬ 1930
Сг 1170
И8 245
Са 203
Табл. 8 Среднее содержание микроэлементов в летучей золе ТЭС
Уголь, сжигаемый на ТЭС Содержание микроэлементов, г/т
Са Со Си N1 РЬ Zn
Донецкого бассейна 2,5 85,5 246,3 194,1 223,5 158,3
Кузнецкого бассейна 23,6 33,1 41,1 33,1 - 100,1
Канско-Ачинского бассейна 15,3 33,24 24,9 59,8 149,6 124,6
Экибастузского бассейна 14,1 63,0 38,0 45,6 90,5 87,0
Табл. 9 Расчетные показатели по содержанию микроэлементов в летучей золе углей, сжигаемых на российских ТЭС
Уголь, сжигаемый на ТЭС Значения показателей, мкг/ кВтч
Са Со Си N1 РЬ Zn
Донецкого бассейна 9,7 332 955 753 867 614
Кузнецкого бассейна 77 109 135 109 - 328
Канско-Ачинского бассейна 18 39 29 69 174 145
Экибастузского бассейна 237 1058 638 766 1520 1462
www.scadsofl.com
SCAD V.21
Система нового поколения, разработанная инженерами для инженеров и реализованная коллективом опытных программистов. Единая графическая среда синтеза расчетной схемы и анализа результатов обеспечивает широкие возможности моделирования расчетных схем от самых простых до самых сложных конструкций, удовлетворяя потребностям опытных профессионалов и оставаясь при этом доступной для начинающих.
Высокопроизводительные прямые и итерационный алгоритмы разложения матрицы жесткости позволяют решать задачи большой размерности (несколько миллионов степеней свободы) в линейной и геометрически нелинейной постановке. Расчеты на различные виды динамических воздействий включают решение таких задач как сейс-мика, пульсация ветра, гармонические колебания, импульс, удар, а также прямое интегрирование уравнений движения.
В состав комплекса включены модули анализа устойчивости, формирования расчетных сочетаний усилий, проверки напряженного состояния по различным теориям прочности, определения реакций от взаимодействия фрагмента схемы с остальной конструкцией, вычисления перемещений и усилий от комбинаций загружений, определения напряженно-деформированного состояния конструкции с учетом очередности возведения сооружения (монтаж), анализа амплитудночастотных характеристик, учета усилий преднапряжения в элементах конструкции и др. Для совместного анализа нескольких вариантов расчетной модели реализован режим вариации моделей.
Библиотека конечных элементов позволяет учесть широкий диапазон свойств проектируемых конструкций при моделировании стержневых, пластинчатых, твердотельных и комбинированных систем.
Графические средства формирования расчетных схем включают наборы параметрических прототипов конструкций, позволяют автоматически сгенерировать сетку конечных элементов на плоскости, задать описания физико-механических свойств материалов, условий опирания и примыкания, а также нагрузок. Предусмотрена возможность сборки расчетных моделей из различных схем, а также широкий выбор средств графического контроля всех характеристик схемы. Реализован импорт геометрии расчетных схем из систем ALLPLAN, Revit Structure, ArchiCAD, Advance Steel, StruCAD, AutoCAD, 3D Studio, и др.
Модули подбора арматуры в элементах железобетонных конструкций учитывают требования различных нормативных документов (СНиП 2.03.01-84*, СНиП 52-01-2003, СП 63.13330.2012). Экспертиза и подбор сечений элементов стальных конструкций выполняется согласно СНиП 11-23-81*, СП 16.13330.2011 и ДБН В.2.6-163:2010.
Результаты расчета могут экспортироваться в табличном виде в редактор MS Word или электронные таблицы MS Excel. Графический анализ результатов расчета реализован в многооконной среде с возможностью одновременного анализа как различных фрагментов одной модели, так и различных моделей. Вывод перемещений включает реалистичное (с учетом профиля стержней и толщин пластин) отображение деформированной схемы, схемы прогибов, цветовую и цифровую индикацию значений перемещений в узлах, изополя и изолинии перемещений для пластинчатых и объемных элементов. Выполняется анимация форм колебаний для динамических и процесса деформирования — для статических загружений. Усилия в стержневых элементах представляются в виде эпюр и цветовой индикации с возможностью отображения на элементах максимальных значений выбранного силового фактора. Усилия и напряжения в пластинчатых и объемных элементах выводятся в виде изополей и изолиний в указанном диапазоне цветовой шкалы с возможностью одновременного отображения числовых значений факторов.
Сертификат соответствия:
РОСС RU.Cni5.H00892 ООО "АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ РАБОТ"
Адрес: 105082, Россия, г. Москва, Рубцовская набережная, 4, корп. 1, помещение VII. Тел/факс: +7 (499) 267 40 76; тел.: +7 (499) 940 88 27/29
E-mail: scad@scadsoft.ru
энергии.
В расчетах использованы данные табл. 8 и показатели по удельным выходам золы всего (г/кВт-ч), по оценкам АО «ВТИ» [21], при сжигании на ТЭС углей различных месторождений. Показатели содержания микроэлементов рассчитаны нами для значений КПД установок золоулавливания на ТЭС, равными 96%.
Воздействие на окружающую среду и здоровье людей элементов-примесей, выбрасываемых с летучей золой ТЭС
В исследовании, проведенном на Новочеркасской ГРЭС [22], показано, что диаметр большинства твердых частиц, выбрасываемых в атмосферу, лежит в интервале от 0,01 до 150 мкм, при этом на долю частиц диаметром до 5 мкм приходится почти 42%. Частицы такого размера проникают в растения, организмы животных и человека, распределяются по органам и тканям, растворяются в биожидкостях, достигая мишеней биологического действия. Установлено, что длительное воздействие наночастиц магния и цинка (эти элементы входят в состав летучей золы ГРЭС), наносимых на раны экспериментальных животных в виде водной суспензии, увеличивает время их заживления [22].
Наночастицы, входящие в состав летучей золы, обладают высокой биологической активностью, легко проникают в организм живых систем, разносятся по всем органам и тканям [18].
Известно, что металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся, приводя к повышенному, по сравнению с фоновым, уровню в зонах пахотного земледелия зерновых культур, пастбищ, сенокосов, многолетних насаждений и населенных пунктов.
«Вследствие увеличения числа взвешенных частиц в воде, изменениярН концентрация кислорода в воде снижается, возникает угроза жизнедеятельности представителей водной фауны. Высвобождение из пылевых частиц потенциально опасных элементов:Лв, В, Мо, Яв, Яг, V в воду и почву приводит к накоплению их в сельскохозяйственных растениях, и они могут попасть в организм животных и человека. Элементы Яв и Мо - не токсичные для растений, концентрируясь в растительной ткани, токсичны для пастбищных животных. Почвы с высоким уровнем Мо могут вызывать, например, молиб-дениоз рогатого скота» [18].
Анализ заболеваемости органов дыхания у населения, проживающего в зоне влияния выбросов ТЭС, позволил сделать вывод, что удельный вес заболеваний выше у тех, кто проживает на расстоянии от 1000 до 2000 м от ТЭС. Среди острых заболеваний на первом месте - заболевания верхних дыхательных путей, бронхит, бронхиальная астма и др. Среди возрастных групп населения чаще болеют дети и лица старше 40 лет, по сравнению с населением, живущим в благоприятной экологической обстановке [18].
Исследованиями ВНИИгидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова [23] установлено воздействие на окружающую среду и, в частности, на почвы выбросов тяжелых ме-
Табл. 10 Содержание тяжелых металлов в выбросах Рязанской ГРЭС и в почвах Русской равнины
Металл Содержание металлов, мг/кг
в летучей золе в почвах (по Виноградову)
Си 400 20
Zn 791 50
РЬ 188 10
Cd 6,0 0,13
таллов от Рязанской ГРЭС. По оценке АО «ВТИ», содержание металлов в летучей золе Рязанской ГРЭС в 10 раз и более превышает значение фоновой концентрации соответствующих элементов в почвах Русской равнины (табл. 10).
Показано, что существует реальная опасность загрязнения сельхозпродукции, в т. ч. животноводческой, через корм скоту, имеющим повышенное содержание привнесенных элементов от Рязанской ГРЭС [23].
В исследованиях института Фундаментальных проблем биологии РАН, оценено загрязнение Челябинска и его окрестностей тяжелыми металлами (Си, Со, N1, 7п, РЬ, С^ Сг, Мо, Н^) [24] и мышьяком [25], источником которых служат выбросы ТЭС и котельных, сжигающие уголь Челябинского бассейна, а также выбросы горящих терриконов шахт Челябинского бассейна в районе г. Копейска. Загрязнение этими веществами обусловлено воздушным переносом от этих источников, а также вследствие пылеобразования и переноса аэрозолей из ЗШО теплоэнергетических установок. Загрязнение поверхностных и подземных вод региона происходит в результате смыва, фильтрации и выщелачивания токсичных веществ из ЗШО ТЭС.
Содержание 7п, РЬ, Cd и Hg в почвах этой территории оказалось выше нормативов ПДК в 1,5-20 раз, Cd и Hg в воде - в 6 и 2 раза [24]. Содержание мышьяка в почвах оказалось выше ПДК в 7-18 раз, а в почвах садово-огородных участков и сельскохозяйственных угодий - в 7-19 раз [25]. В дождевой воде, в коре тополя, в биомассе кукурузы и надводной биомассе тростника обнаружено повышенное содержание мышьяка и тяжелых металлов. Повышенное содержание этих веществ стало результатом их захвата из воздушной среды. Накопление мышьяка в тростнике происходило путем его поглощения из поверхностной воды и донных отложений, так как биогеохимия данного растения связана с этими компонентами окружающей среды.
Установлено загрязнение мышьяком и тяжелыми металлами воды и донных отложений р. Миасс и озера Первое, дренирующих территорию Челябинска и его окрестностей. По оценке ученых, геоэкологическую ситуацию этого региона следует считать крайне неблагополучной из-за загрязнения почв мышьяком и рядом тяжелых металлов в количествах, значительно превышающих ПДК. Это повышает риск попадания токсичных микроэлементов в организм человека через воздух и почвенную пыль или через пищевые цепи при выращивании растений на загрязненных садово-огородных участках и сельскохозугодий. Содержание мышьяка и тяжелых металлов в почве и в воде на территории Челябинска и его окрестностей было одного порядка с содержанием этих веществ в районе Южноуральской ГРЭС, использующей также челябинские угли [24, 25].
В международных исследованиях большое внимание уделяется проблеме выбросов ртути в атмосферу от ТЭС, негативному воздействию выбросов ртути на биосферу и на здоровье людей. Энергетики США и Западной Европы постоянно занимаются внедрением на энергетических котлах различных способов сокращения выбросов в атмосферу ртути. В 2000 г. американское Агентство по защите окружающей среды объявило о подготовке законодательного ограничения по выбросам ртути. В соответствии с этим законом выбросы ртути на угольных ТЭС должны быть снижены на 90% [26].
К сожалению, в России не принимаются меры по защите окружающей среды от негативного воздействия выбросов в атмосферу ртути от угольных ТЭС.
По [26] «с учетом рассеивания (при наличии высоких дымовых труб угольных ТЭС) концентрация ртути, выбрасывае-
):
мой в атмосферу с дымовыми газами, в приземном воздухе оказывается сравнительно низкой и не создает угрозы здоровью человека, но атмосферная ртуть возвращается на землю с дождями, снегом и сухой пылью. Оказываясь в реках и озерах, она переходит в метилртуть и попадает в рыбу. Употребление такой рыбы в пищу оказывает влияние на здоровье человека, причем группой максимального риска оказываются женщины в детородном возрасте. Метилртуть, попадая через пищевые цепочки, вызывает неврологические заболевания, негативно влияет на сердечно-сосудистую систему человека».
Заключение
Приведенные данные подтверждают оценку известного российского геохимика Я.Э. Юдовича [27]: «уголь нельзя рассматривать только как энергоноситель: это комплексное полезное ископаемое, и комплексное «вредное ископаемое», которое при использовании приводит к значительным негативным воздействиям на биосферу и здоровье людей».
Вышеизложенные данные дают основание для утверждения, что угольные бассейны обладают высоким ресурсным потенциалом как источник ценного минерального сырья. Промышленное освоение этого сырья на территории угольных бассейнов и ТЭС позволит не только получить ряд ценных элементов для экономики, но и существенно улучшить экологическую обстановку в этих регионах.
Российские угольные ТЭС становятся постоянным источником загрязнения микроэлементами окружающей среды. Это происходит в результате концентрирования большого количества микроэлементов в золошлаковых отвалах и в выбросах ТЭС. Негативное воздействие микроэлементов на окружающую среду и здоровье населения происходит при прохождении газового шлейфа ТЭС через населенные пункты, выпадении не уловленной части золы на почву и дальнейшей миграции микроэлементов по пищевым цепочкам в организмы человека и животных. Снизить негативное воздействие микроэлементов на население, проживающее в районах расположения ТЭС, способен хорошо организованный контроль как за содержанием микроэлементов в углях, так и за содержанием таких элементов в летучей золе угольных ТЭС. Для этого на российских ТЭС необходим переход от использования существующих электрофильтров к высокоэффективным золоуловителям, способным эффективно улавливать субмикронные частицы.
Наряду с низкой эффективностью золоулавливающего оборудования, одной из главных причин больших выбросов летучей золы со значительным количеством микроэлементов следует считать использование «низкокачественных российских энергетических углей, потребление которых составляет около 90% суммарного ежегодного объема угольного топлива на ТЭС. Обогащенные угли на ТЭС как не поставлялись раньше, так не поставляются и сейчас» [28].
Для достижения целей развития современной электроэнергетики России необходимо добиваться поставки на ТЭС обогащенных углей с зольностью, уровень которой отвечал бы мировым экологическим стандартам (5-15%).
Еще один барьер на пути развития отечественной экологически эффективной угольной генерации - низкий уровень утилизации золошлаковых отходов ТЭС. Золоотвалы стали символом технической отсталости и низкой экономической эффективности угольных ТЭС. Как отмечается [28], «золош-лаковые отвалы угольных российских ТЭС накоплены в огромном количестве - 1,5 млрд т. Ежегодно утилизируется и используется не более 8% (2,1 млн т) выхода золошлаковых отвалов. В отличие от России в Германии и Дании в производстве стройматериалов используется до 100% годового выхода золошлаковых отвалов. В Германии в настоящее время запрещено иметь золошлакоотвалы».
Информационные источники:_
1. Изыгзон Н.Б. Реализуема ли программа - 2030? // Уголь. 2013. №1. С. 44-47.
2. Жаров Ю.Н. Малые элементы в твердых каустобиолитах // Российский химический журнал (Ж. Рос. хим. О-ва им. Д.И. Менделеева). 1994. №5. С. 12-19.
3. Рихванов Л.П., Ершов В.В., Арбузов СИ. Комплексное эколого-геохимическое исследование углей // Уголь. 1998. №2. С. 5^57.
4. Кропп Л.И., Стырикович М. А., Хорьков А. В. Использование энергетических углей и экологические стандарты // Теплоэнергетика. 1997. №2. С. 7-12.
5. Шпирт М.Я., Пунанова С.А. Сравнительная оценка микроэлементного состава углей, нефтей и сланцев // Химия твердого топлива. 2007. №5. С. 15-28.
6. Шпирт М.Я., Нукенов Д.Н., Пунанова С.А. Принципы получения соединений ценных металлов из горючих ископаемых // Химия твердого топлива. 2013. №2. С. 3-13.
7. Чебаненко Б. Б., Майсюк Е.П. Оценка экологической опасности при использовании органических топлив // Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию: Тр. междунар. науч.-практ. конф. Т. 2. Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999. С. 219-227.
8. Юдович Я.Э., Кетрис М.П., Мерц А.В. Элементы-примеси в ископаемых углях. Л.: Наука. -1985. - 239 с.
9. Родс Р., Беллер Д. Потребность в ядерной энергии. Взгляд на трудное энергетическое будущее мира // Бюллетень МАГАТЭ. 2000. Т. 42. №2. С. 43-50. (42/2/2000 - июнь 2000 г.). Вена.
10. Нифантов Б .Ф., Заостровский А.Н., Занина О.П. Горно-геологическое и технологическоезна-чение распределения ценных и токсичных элементов в кузнецких углях // Уголь. 2009. №12. С. 59-61.
11. Нифантов Б.Ф., Потапов В.П., Митина Н.В. Геохимия и оценка ресурсов редкоземельных и радиоактивных элементов в кузнецких углях. Перспективы переработки. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2003, 100 с.
12. Исхаков Х.А., Счастливцев Е.Л., Кондратенко Ю.А., Лесина МЛ. Радиоактивность углей и золы // Кокс и химия. 2010. №5. С. 41-45.
13. Шпирт М.Я., Пунанова С.А. Особенности накопления ртути в нефтях, углях и продуктах их переработки // Химия твердого топлива. 2011. №5. С. 42-49.
14. Волостнов А.В., Арбузов С.И. Токсичные элементы в углях Сибири // Энергетик. 2011. №3. С. 39-43.
15. Путилов В.Я., Путилова И.В. Проблемы обращения сзолошлаками ТЭС в России: барьеры, возможности и пути решения // Теплоэнергетика. 2010. №7. С. 63-66.
16. Сысоев Ю.М., Барабошкина Т.А. Некоторые аспекты оценки воздействия золоотвалов ТЭС на окружающую среду // Энергетик. 1997. №6. С. 6-8.
17. Журавлёва И.В., Иваныкина О.В. Изучение распределения тяжёлых металлов в системе от-ходы-вода-почва для золошлаковых отвалов Кемеровской области // Эко-бюллетень ИнЭкА.
2008. №5. С. 39-42.
18. Глущенко Н.Н., Ольховская И. П. Экологическая безопасность энергетики. Свойства частиц летучей золы ТЭС, работающих на угле // Изв. РАН. Энергетика. 2014. №1. С. 20-27.
19. Берсенев А.П., Гаврилов Е.И., Егоров С.А. Загрязнение подстилающей поверхности эоловыми выбросами ГРЭС КАТЭК // Теплоэнергетика. 1997. №12. С.12-17.
20. Кизильштейн Л.Я., Левченко С.В. Элементы-примеси и экологические проблемы угольной энергетики // Теплоэнергетика. 2003. №12. С. 14-19.
21. Ольховский Г.Г., Тумановский А.Г., Глебов В.П. и др. Проблемы охраны воздушного бассейна от воздействия тепловых электрических станций и их решения // Изв. РАН. Энергетика. 1997. №5. С. 5-17.
22. Глущенко Н.Н., Богословская О.А. Байтукалов Т.А. и др. Экологические аспекты энергетики. Биологические свойства твердых частиц дымовых уносов тепловых электростанций, работающих на углях // Изв. РАН. Энергетика. 2008. №4. С. 129-137.
23. Мажайский Ю.А., Захарова О.Л., Евтюхин В.Ф., Тобратов С.А. Техногенное загрязнение окружающей среды в зоне воздействия Рязанской ГРЭС // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2000. №10. С. 29-31.
24. Галиулин Р.В., Галиулина Р.А. Загрязнение территории Челябинска тяжелыми металлами при сжигании угля // Химия твердого топлива. 2013. №2. С. 62-64.
25. Галиулин Р.В., Галиулина Р.А. Загрязнение территории Челябинска и его окрестностей мышьяком при сжигании угля // Химия твердого топлива. 2011. №3. С. 58-60.
26. Котлер В.Р., Сосин Д.В. ТЭС и проблема выбросов ртути // Энергохозяйство за рубежом.
2009. №1. С. 25-28.
27. Юдович Я.Э., Кетрис М.П. Токсичные элементы-примеси в ископаемых углях. - Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2005. - 655 с.
28. Кожуховский И.С. Перспективы развития угольной энергетики России // Энергетик. 2013. №1. С. 2-13.
