§ XIV.6. ОХРАНА ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА

Продукты горения топлива.

Основные антропогенные атмосферные выбросы вредных веществ вызваны сжиганием органического топлива на электростанциях, в котельных, промышленных печах и двигателях внутреннего сгорания, а также переработкой руд и получением различных химических продуктов.

Суммарные антропогенные вредные выбросы на нашей планете в 70-х годах составляли пыль и сажа — (8—16) 108, оксид углерода — (2—3) 108, оксиды серы — (8—15) 107, оксиды азота Основная часть выбросов поступает от тепловых электростанций, предприятий металлургии, нефтедобычи и нефтепереработки, автотранспорта. Например, в СССР атмосферные выбросы среди отраслей промышленности распределены следующим образом (в %): тепловые электростанции — 27; черная металлургия — 24,3; нефтедобыча и нефтепереработка — 15,5; автотранспорт-13,3; цветная металлургия-10,5; промышленность строительных материалов — 8,1; химическая промышленность — 1,3.

Значительная часть вредных атмосферных выбросов обусловлена горением топлива. Основным источником загрязнения атмосферы оксидом углерода является транспорт.

Продукты горения топлива зависят от его состава и условий сжигания. Однако при горении топлива на электростанциях, в промышленных печах, двигателях внутреннего сгорания и других установках всегда образуются и Соотношение между и в продуктах горения зависит от ряда факторов и прежде всего от соотношения топлива и воздуха. Если подача воздуха недостаточна, то топливо сгорает не полностью, в продуктах горения увеличивается доля и сажи, при этом КПД использования топлива понижается. В то же время большой избыток воздуха ухудшает эффективность работы установок, так как при этом необходимы дополнительные затраты теплоты на подогрев воздуха. Температура топливно-воздушной смеси на некоторых участках может упасть ниже температуры воспламенения топлива, из-за чего часть его не успевает сгореть. Поэтому должно соблюдаться оптимальное соотношение между топливом и воздухом. Лучше всего контролировать это соотношение по содержанию и в продуктах горения.

Кроме паров воды и оксидов углерода продукты горения топлива содержат оксиды серы и азота, азот, непрореагировавший кислород и другие вещества. Оксиды серы образуются по реакциям окисления серы

окисления серосодержащих соединений, разложения сульфидных соединений. Основная часть оксидов азота поступает в атмосферу от автотранспорта и тепловых электростанций. Оксиды азота образуются за счет окисления как азота воздуха, так и азота топлива. Реакции протекают по цепному механизму, например, по схеме:

В реакции окисления принимают участие радикалы, образующиеся при окислении или разложении топлива, например

Продукты горения топлива содержат также углеводороды, в частности бензопирен обладающий канцерогенными свойствами. В продуктах горения твердого топлива и мазута имеется значительная доля твердых веществ: золы, сажи и др.

Количество и состав продуктов горения зависят от состава исходного топлива и условий горения (табл. XIV.1).

Таблица XIV.1. Годовые выбросы тепловой электростанции мощностью

Как видно, при сжигании мазута и угля основными вредными выбросами являются оксиды серы и азота, при сжигании газа — оксиды азота. Кроме того, среди вредных выбросов электростанций, работающих на угле, могут быть ртуть и другие вещества. На долю энергетики приходится более 70 % всех выбросов оксидов серы и более 40 % выбросов оксидов азота. Заметный вклад в загрязнение атмосферы вносит транспорт. В среднем автомобиль выбрасывает в атмосферу (кг/год): монооксида углерода — 135, оксидов азота — 25, углеводородов — 20, оксидов серы — 4, твердых частиц — 1,2.

В настоящее время в мире эксплуатируется около 400 млн. автомобилей и число их непрерывно возрастает, соответственно растут и вредные выбросы в атмосферу.

Защита воздушного бассейна от загрязнения.

Защита воздушного бассейна от загрязнений стала одной из важных и сложных задач, стоящих перед человечеством. Особое внимание этой проблеме уделяется в нашей стране. Решение этой задачи осуществляется по трем направлениям: обезвреживание выбросов, изменение состава топлива разработка новых методов преобразования энергии. На первом этапе в основном использовался и пока еще используется первый путь. Тепловые электростанции оборудуются высокими трубами для рассеивания выбросов в более высокие слои атмосферы, золоуловителями для улавливания золы из продуктов горения, фильтрами и адсорберами для сорбции некоторых газов и т. п.

Оксиды серы и азота, имеющие кислотный характер, нейтрализуются веществами основного характера. Для нейтрализации оксида серы используется известь, известняк, оксид магния и другие вещества:

Оксиды азота нейтрализуются содой, известью, аммиаком и другими веществами:

Оксиды азота обезвреживаются также методом каталитического восстановления, например:

Диоксид серы и монооксид углерода можно окислить на катализаторах:

Для окисления монооксида углерода в автомобилях предложены дожигатели, которые могут устанавливаться в выхлопных трубах и представляют собой пористую насадку с катализатором, например палладием. Вредцые газы поглощаются адсорбентами, например силикагелем активированным углем. Однако обезвреживание продуктов горения весьма дорого, и в будущем, по-видимому, будут применяться другие методы защиты воздушного бассейна.

В настоящее время ученые разрабатывают энергохимические методы использования топлива. Сущность этих методов заключается в предварительной химической переработке топлива, очистке от серы и разделении его на фракции. Некоторые фракции могут служить ценным сырьем для химической промышленности, а другие фракции — топливом для электростанций. Очищенное топливо при горении будет давать значительно меньше вредных выбросов.

Наиболее кардинальным решением проблемы защиты воздушного бассейна является разработка новых методов преобразования энергии, обеспечивающих безвредные выбросы. Одним из таких методов является электрохимический, который обеспечивает прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую. Процесс преобразования энергии происходит в топливных элементах (см. § XVI.1). Предварительно природный газ или уголь подвергается обработке, обычно водяным паром, при этом получается газ с высоким содержанием водорода, который затем подается в топливный элемент. Так как в топливном элементе окислитель и восстановитель пространственно разделены, то не происходит их прямого взаимодействия, поэтому

даже при высоких температурах образуется значительно меньше оксидов серы и азота и монооксида углерода, чем на тепловых станциях.

В последние годы изучаются пути снижения поступления в атмосферу диоксида углерода (например, абсорбцией водой океанов), являющегося причиной «парникового» эффекта на Земле.

Кардинальным направлением развития энергетики, обеспечивающим предотвращение выбросов оксидов азота, серы и углерода в атмосферу, является атомная энергетика (см. § XV.1). Существенного уменьшения загрязнения воздушного бассейна можно достичь, если осуществить идеи водородной энергетики.

Водородная энергетика.

Стоимость передачи энергии в химической форме (в виде газа) значительно ниже стоимости передачи электроэнергии. В качестве носителя энергии может быть использован водород. В настоящее время ведутся широкие исследования будущих энергетических систем, в которых передача и распределение энергии будут осуществляться с помощью водорода. Применение водорода значительно снизит уровень загрязнения атмосферы, так как при его окислении образуется безвредный продукт — вода.

Природные запасы соединений водорода огромны. Водород легко вступает в химические реакции, при его окислении выделяется большое количество теплоты. Поэтому водород может найти широкое применение в промышленности и быту, для синтеза различных соединений, освещения, отопления й охлаждения, приготовления пищи и для получения электроэнергии с помощью электрохимических генераторов.

Водородная энергетическая система будет иметь установки для получения водорода, подсистемы его передачи и распределения и установки для его использования. Существует большое количество способов получения водорода. Наиболее широко в настоящее время применяются способы пароводяной конверсии и электролиза. В последнее время большое внимание уделяется фотохимическому способу получения водорода. В перспективе при разработке термоядерных реакторов может стать экономически целесообразным получение водорода термохимическим разложением воды. Таким образом, водородную энергетическую систему с учетом различных способов получения водорода и путей его использования можно представить схемой

Водород можно получать за счет пароводяной конверсии угля:

При этом водород необходимо отделить от диоксида углерода и других продуктов конверсии. Эту проблему еще нельзя считать разрешенной. Одним из основных методов получения водорода в недалеком будущем рассматривается электролиз на атомных электростанциях. Кроме водорода выделяется и кислород, который также может быть использован в промышленности и быту. Кроме электролитического рассматриваются термохимические и фотохимические методы получения водорода. Термохимический метод получения может быть особенно перспективен при разработке термоядерных энергоустановок. Однако для применения этого метода необходимо решить задачу разделения водорода и кислорода. Большой интерес вызывает фотохимический способ разложения воды с использованием биологических катализаторов.