Методическое пособие по оценке экологически опасных концентраций элементов-примесей в углях на стадии геологоразведочных работ для лабораторных и самостоятельных занятий по дисциплинам ''Геология горючих полезных ископаемых'', ''Металлогения органического

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Л.Я.Кизильштейн

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ПО ОЦЕНКЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В УГЛЯХ НА СТАДИИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ для лабораторных и самостоятельных занятий по дисциплинам «Геология горючих полезных ископаемых», «Металлогения органического вещества»

Для студентов геологических специальностей геолого-географического факультета

Ростов-на-Дону 2002

2

Печатается по решению кафедры Месторождений полезных ископаемых (протокол № 8 от 21.05.2002 г.). Одобрено УМК 24.05.2002 г.

3

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………... 4 1. МЕТОДИКА ОПРОБОВАНИЯ, ОБРАБОТКИ ПРОБ, АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ……………………………………………………...... 8 2. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В УГЛЯХ ………….………………………………..…... 8 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ ПО ПЛОЩАДИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ………………………………………………………………. 9 4. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ СОДЕРЖАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В УГЛЯХ ……………………………………………… 10 5. РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ РАЙОНА УГОЛЬНОЙ ТЭС …..………………………………………… 13 6. ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ И САНИТАРНОГИГИЕНИЧЕСКИЕ НОРМАТИВЫ ……………………………………………………. 16 7. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВПРИМЕСЕЙ В УГЛЯХ (НА ПРИМЕРЕ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА) ………….…. 18 8. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ СЖИГАНИИ УГЛЕЙ НА ТЭС ………………………………………………..... 25 8.1. Регулирование качества топлива …………………………………….…... 25 8.2. Очистка дымовых газов ……………………………………………..……. 27 8.3. Новые "экологически чистые" технологии сжигания …………..……… 27 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………...………... 29 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………………………..…... 30 .

4

ВВЕДЕНИЕ Возрастающее глобальное и региональное загрязнение атмосферы в значительной степени связано с развитием энергетики. На территориях, прилегающих к тепловым электростанциям, уровни концентрации оксидов серы, азота, твердых частиц и других вредных веществ в воздухе часто превышают предельно допустимые. Из основных видов ископаемого органического топлива — нефть, газ, уголь, только последний обеспечен запасами, определяющими рост энергопотребления на дальнюю перспективу. По авторитетным оценкам, топливное направление использования углей поглощает не менее 75% всей массы их промышленной добычи. В настоящее время в мире 44% электроэнергии производится за счет сжигания угля, в том числе в США и Германии 56-58%, в России — 26%. Уголь по-прежнему остается доступным и экономичным сырьем, цены на которое более стабильны по сравнению с ценами на нефть, зависящими в большей степени от мировой политической ситуации. Стоимость тепловых электростанций (ТЭС), работающих на угле, и в отдаленной перспективе будет значительно ниже, чем атомных электростанций (АЭС). Однако развитие теплоэнергетики на базе угля сопровождается ростом серьезных экологических проблем, связанных не только с увеличением массы сжигаемого топлива, но и общей тенденцией к ухудшению его качества: увеличением зольности и содержания серы. Из этого следует, что дальнейший рост потребления энергии за счет сжигания угля должен сопровождаться разработкой и внедрением новых технологий защиты окружающей среды. Загрязняющими атмосферу называются такие вещества, которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду непосредственно, либо после химических изменений в атмосфере, либо в сочетании с другими веществами. Исследования угольных ТЭС как мощных антропогенных источников загрязнения природной среды в большинстве случаев ориентированы на наиболее массовые и очевидные загрязнители: SO2, NOx, CO, твердые частицы, полициклические ароматические углеводороды. Между тем, остается недостаточно ясной экологическая роль более чем 50 элементов-примесей, обнаруженных в составе углей. Элементы-примеси (ЭП) – под этим названием чаще всего объединяются химические элементы, средние концентрации которых в углях не превышают несколь-

5

ких процентов. Нижний предел концентраций ЭП определяется лишь чувствительностью аналитического метода. Если исключить серу, ЭП не играют заметной роли в формировании свойств углей как горючего полезного ископаемого. Некоторые элементы-примеси (Ge, Ga, U) имеют промышленное значение и извлекаются из углей или продуктов их переработки. В то же время многие ЭП, как это следует из санитарно-гигиенических характеристик, могут оказывать отрицательное воздействие на природную среду и человека, будучи освобожденными из состава углей при переработке – более всего сжигании. В их числе: Be, F, Cl, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, As, Se, Cd, Sb, Te, W, Hg, Pb, Th, U. Согласно принятому в США государственному «Акту о чистом воздухе» (United States Clean Air Act Amendments, 1990), к потенциально опасным воздушным поллютантам отнесены 12 элементов, определение которых считается обязательным: As, Be, Cd, Cr, Co, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, U. При высоких температурах сжигания углей в котлоагрегатах современных ТЭС эти элементы в более или менее значительной части выбрасываются в атмосферу, существенно ухудшая экологическую обстановку на прилегающих к ТЭС и удаленных территориях. Доля угольной энергетики в общем выбросе загрязняющих атмосферу ЭП составляет (%): для Се, Со, Mn, Мо, Sе, Тi, Fе, Cr, Рb, Аg - 10, Ni - 50, Cd, Hg, Sb, Zn - 90 /1/. По другим оценкам: V - 85, Cr - 15, Co - 98, Ni - 77, Cu - 32, Zn - 10, As - 6, Se - 50, Cd - 9, Sb - 80, Hg - 20 /2, 3/. ЭП, содержащиеся в воздухе, способны вызвать многообразные патологические изменения в организме человека. Выведенные из воздуха дождевыми осадками они переходят в почву и включаются в трофическую цепь: почвы — растения — животные — человек. В последнее время ЭП - естественные радионуклиды (ЕРН), содержащиеся в угле, становятся самостоятельным объектом повышенного интереса в качестве фактора радиационного загрязнения природной среды в районах массового сжигания топлива, поскольку установлено, что значительная их часть поступает в атмосферу в составе дымовых уносов. По некоторым оценкам, фигурирующим в отечественных и зарубежных источниках, радиационное влияние угольных ТЭС на природную среду превышает влияние АЭС равной мощности (естественно, при условии безаварийной эксплуатации последних).

6

Все сказанное делает достаточно очевидной постановку вопроса не только о геохимии ЭП в углях, как это делается традиционно /4, 5/, а о экологической геохимии (экогеохимии) ЭП. Предлагаемое «Методическое пособие…» ограничивается сферой миграции ЭП при сжигании в атмосферный воздух и санитарно-гигиенической оценкой последствий, хотя понятно, что экогеохимия ЭП охватывает существенно более широкий круг проблем и природных сред. Поскольку экологически опасные концентрации (ЭОК) зависят не только от их концентрации в углях, но и от распределения между носителями — органическими и минеральными компонентами, а также от технологий сжигания и метеоусловий, их величина для разных угольных бассейнов и месторождений различна. На рис. 1 представлена схема природной и антропогенной миграции ЭП, приводящей, в конечном счете, к загрязнению главных сред биосферы с вытекающими отсюда отрицательными экологическими последствиями для природы и человека. Объектом методического пособия является последовательность Р4 - Р5 - Р6 - Р7 - Р9. Остальные компоненты схемы, представляющие весьма важные звенья миграционного потока, выходят за пределы учебных задач «Методического пособия…». Материал, на котором основана предлагаемая учебная разработка, является результатом исследований углей Восточного Донбасса. Выбор объясняется тем, что этот бассейн давно признан полигоном отечественной угольной геологии вследствие благоприятного сочетания высокого уровня геологической изученности с развитыми горным и энергетическим комплексами. Наконец, Восточный Донбасс в составе Донецкого угольного бассейна представляет собой геосинклинальную угленосную формацию — один из важнейших геотектонических типов угленакопления в истории Земли. Концептуальная основа «Методического пособия» состоит в том, что накопление ЭП происходило на торфяной стадии угленакопления; пространственное (площадное) распределение ЭП в угольных пластах определяется палеогеографической обстановкой формирования древних торфяников.

7

8

1. МЕТОДИКА ОПРОБОВАНИЯ, ОБРАБОТКИ ПРОБ, АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Особенности опробования и обработки проб при изучении ЭП, лабораторные и аналитические методы, перечень соответствующих государственных и отраслевых стандартов, подробно рассмотрены в /6, 7/. Кроме стандартных аналитических методов, применяются нейтронно-активационный, рентгеноспектральный флуоресцентный анализы и рентгеноспектральный микроанализы, а также качественный и количественный химические анализы /8/. Аналитический материал, положенный в основу «Методического пособия…», получен, в основном, методом нейтронно-активационного анализа. 2. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В УГЛЯХ Связь ЭП с различными компонентами (мацералами) углей исследована достаточно полно /4, 9/. Важная роль органического вещества (ОВ) в процессах концентрирования ЭП проявляется в прямом химическом взаимодействии ЭП — ОВ, поддержании сульфидообразования и связанного с этим накопления халько- и сидерофильных ЭП в сульфидах, формировании рН—Eh среды, изменяющих формы миграции поливалентных ЭП, а также состав и адсорбционные свойства по отношению к ЭП глинистых минералов. Во всех перечисленных случаях эффективность ОВ как фактора концентрирования ЭП зависит от его начального биохимического состава, характера и результатов преобразования в син-, диа-, катагенезе, степени окисления. Многочисленные наблюдения показывают, что в разных пластах, месторождениях и бассейнах ЭП могут концентрироваться как в органической, так и минеральной компонентах угольного вещества. В каждом конкретном случае распределение ЭП определяется различиями химических свойств органических и минеральных компонентов, формами миграции ЭП, физико-химическими условиями среды, составом пород области размыва. Приведены бесспорные доказательства того, что процессы

9

концентрирования ЭП происходили в основном на торфяной стадии углеобразования. Органические и минеральные компоненты, в свою очередь, представляют собой сложные системы, состоящие: первые — из гелифицированных, фюзенизированных и липоидных компонентов (мацералов); вторые — из минералов глин (гидрослюд, каолинита, монтмориллонита), сульфидов железа, карбонатов, кварца и т.д. В соответствии с различиями геохимических свойств перечисленных компонентов (носителей), концентрация ЭП в них (при прочих равных условиях) может быть различной. Фракционированием углей по плотности и методами микроанализа установлено, что основная масса ЭП (исключение – Ge) находится в минеральных компонентах: халько- и сидерофильных — в сульфидах; литофильных — в глинах. В практическом отношении это приводит к снижению содержаний ЭП в концентратах и промпродуктах обогащения и относительному увеличению содержаний в отходах («хвостах»). Суммарная концентрация ЭП в угле определяется их концентрацией в компонентах и массовым соотношением между ними. Исследование связей ЭП с составными частями угольного вещества (органическими и минеральными компонентами) дает основополагающую информацию для установления основных геохимических и палеогеографических закономерностей их концентрирования в угольных пластах. 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ ПО ПЛОЩАДИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ Варьирующие в широких пределах содержания ЭП на площади распространения угольных пластов хорошо известны из многолетней практики их изучения в разных угольных бассейнах и месторождениях. Эти вариации проявляются в пределах шахтных полей или разведочных участков, иногда на расстоянии нескольких метров между пунктами опробования в горных выработках. Они еще более заметны при региональных сопоставлениях в зависимости от положения областей минерального питания торфяников, речных систем или водных бассейнов, граничащих с областями торфонакопления. Данные торфоведения показывают, что варьирование строения и состава торфяного пласта определяется, главным образом, геоморфологической структурой торфяного массива, по признакам которой выделяются верховые, низинные и переходные

10

торфяники. Они отличаются составом растительных ассоциаций, водно-минеральным режимом, мощностью и морфологией торфяных пластов, петрографией, зольностью, содержанием серы, рН—Eh и многими другими показателями. Не подлежит сомнению, что все свойства торфяного пласта, в том числе его мощность и характеристики качества, претерпевают в период углеобразования значительные изменения. Однако, вполне допустимо предположение, что все эти изменения при преобразовании торфяных пластов в угольные не изменяют принципиально относительных различий между геоморфологическими зонами древних торфяных массивов. Сохранившись в ископаемом состоянии, эти различия могут быть использованы как критерии палеогеографических реконструкций /10-17/. Зависимость концентраций ЭП от геоморфологической структуры современных торфяников известна /18-22/. Из этого следует, что выявление закономерностей распределения ЭП в угольных пластах должно быть основано на реконструкции геоморфологической (в более широком плане — палеогеографической) структуры областей древнего торфонакопления. Методы геоморфологических реконструкций и примеры установления на этой основе генетических закономерностей распределения ЭП иллюстрируются в /23-27/. Графическое изображение распределения ЭП по площади угольных пластов представляет собой геохимическую карту (схему), являющуюся основой для прогнозирования изменений концентраций ЭП в процессе отработки угольных пластов и последующих экологических оценок и прогнозов. 4. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ СОДЕРЖАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В УГЛЯХ При построении геохимических карт (схем) распределения ЭП обычно возникают трудности в связи с тем, что по действующим инструктивным документам они (ЭП) определяются лишь в части пластопересечений (скважин), в связи с чем достоверность построений снижается. Добавим к этому, что прежде изучение ЭП в период разведки не считалось обязательным, а каменный материал по тем или иным причинам мог быть утрачен. Опыт исследования ЭП в углях позволил автору прийти к выводу о возможности

11

использования в подобных случаях для оценки содержаний ЭП корреляционных связей между величиной их концентрации и такими показателями качества углей, как зольность и содержание серы /28/. Указанные показатели обладают двумя важными достоинствами: во-первых, ЭП связаны с ними генетически (зольность приблизительно соответствует содержанию минеральных компонентов, сернистость почти всегда пропорциональна содержанию сульфидов железа); и, во-вторых, при геологоразведочных работах они определяются во всех пластопересечениях (зола) или в большей части (сера). Математическая обработка аналитических данных с целью описания корреляционных зависимостей проводится в следующей последовательности: -

выбор формы уравнения регрессии;

-

вычисление коэффициентов уравнения регрессии;

-

оценка достоверности полученного уравнения.

При использовании компьютера выполнение всех операций по установлению и оценке корреляционных зависимостей может производиться с помощью статистических программ (например Microsoft Excel) или компьютерной системы ГЕОСКАН. В табл. 1 в качестве примеров приведены регрессионные зависимости для некоторых ЭП в углях Восточного Донбасса. Они позволяют вычислять вероятные значения зависимой переменной (ЭП) по заданным значениям независимых переменных (Аd, S dt ) в области: зольность — 5-50%, сернистость — 0,5-6,0%. Аналитический материал, использованный для вычисления уравнений регрессии, получен нейтронноактивационным методом анализа нескольких сотен угольных проб, отобранных в горных

выработках

действующих

шахт

Шахтинско-Несветаевского

геолого-

промышленного района Восточного Донбасса. Эффективность предлагаемого корреляционного метода оценки содержаний ЭП проверяется сравнением расчетных (по уравнениям регрессии) и экспериментальных значений /29/. Рекомендуется следующая последовательность операций при построении геохимических карт. 1. Построение пластовых карт зольности и сернистости угольных пластов. Такие карты часто входят в материалы к подсчету запасов, и на них тем или иным способом, например, изолиниями, выделяются зоны различной зольности и сернистости. По-

12

строение пластовых карт производится с учетом геоморфологической структуры торфяного ландшафта. Примеры построения пластовых карт приведены в /15-17, 24/. Таблица 1 Регрессионные зависимости между элементами-примесями, золой и серой Уравнение регрессии*

Элементы-примеси Be

CBe = 0.0324 A + 2.04

F

CF = 91.03 ⋅ exp (0.01062 A)

V

CV = 49.84 A-0.133 ⋅ S-1.089

Cr

CCr = 12.144 ⋅ exp (0.0406 A + 0.012 S)

Mn

CMn = 19.11 A - 80.33 S + 57.6

Ni

CNi = 0.2 A + 10 S + 0.1

Cu

CCu = 0.126 A - 3.736 S + 31.5

Ga

CGa = 0.365 A + 0.719

As

CAs = 10.12 ⋅ exp (0.307 S)

Se

CSe = -0.023 A + 3.1 S - 2.1

Mo

CMo = 0.19 A + 5.21

Cd

CCd = 40.6 A - 170 S - 145.3

W

CW = 0.781 A0.372 ⋅ S0.2307

Au

CAu = 0.0221 ⋅ exp (0.0336 A - 0.098 S)

Hg

CHg = 3.093 ⋅ exp (0.028 A + 0.095 S)

Pb

CPb = 0.134 A + 0.366 S + 5.04

Th

CTh = 0.24 A - S

232

Th

U

232

CTh = 0.81 A + 0.06

CU = 0.7188 ⋅ exp (0.0454 A)

*

Содержание ЭП, г/т; A, S — %; 232Th — Бк/кг.

2. На основе пластовых карт золы и серы строятся геохимические карты распределения ЭП. При этом кроме результатов прямых определений ЭП используются расчетные по уравнениям регрессии (см. табл. 1). Возможны три варианта расчета. Первый вариант — элемент корреляционно связан только с величиной зольности

13

(табл. 1 - Be, F, Ga, Mo, U). В этом случае вычисляется средняя величина зольности по пластопересечениям, и по полученному значению с помощью уравнения регрессии определяются средние для соответствующих точек (скважин) содержания ЭП. Второй вариант - ЭП связаны по уравнениям преимущественно с серой (табл. 1 As). Методика построения такая же, как в предшествующем варианте. Третий вариант - элемент связан с золой и серой (табл. 1 - V, Cr, Mn, Ni, Cu, Se, Cd, W, Au, Hg, Pb). В этом случае по величине зольности, сернистости и уравнениям регрессии рассчитываются средние содержания ЭП в соответствующих точках. Отметим, что корреляционный метод является вспомогательным, имеющим целью в определенной степени компенсировать недостаток прямых аналитических определений ЭП. 5. РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ РАЙОНА УГОЛЬНОЙ ТЭС Выброс загрязняющих веществ (в том числе — ЭП) в атмосферный воздух при сжигании углей в котлоагрегатах ТЭС является ключевым событием отрицательного экологического воздействия на природную среду. Масштабы последствий определяются концентрацией загрязняющих веществ в приземном слое воздуха и их химической формой. Распространение дымовых выбросов ТЭС в атмосфере происходит в результате движения ветровых потоков и вертикального подъема воздуха из-за температурного градиента по высоте. Максимальная приземная концентрация вредного вещества сm (мг/м3) при выбросе газовоздушной смеси из любого источника, в том числе ТЭС, достигается на расстоянии xм от источника и определяется по формуле /30/:

сm =

где

A ⋅M ⋅F⋅m⋅n ⋅ N H 2 3 V1 ⋅ ∆T

(1)

A — коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы; М — выброс загрязняющего вещества, г/с; F — коэффициент оседания загрязняющего вещества в атмосфере; m и n — безразмерные коэффициенты, зависящие от скорости выхода газов

14

из устья труб; N — число дымовых труб; H — высота дымовых труб (средняя), м; V1 — объем дымовых газов, выбрасываемых из труб, м3/с; ∆Т — разность между температурой газов и окружающего воздуха, °С. Подробные разъяснения, касающиеся указанных параметров в формуле (1), приводятся в /30/. Оценка загрязнения атмосферного воздуха выбросами ТЭС производится путем сравнения расчетных концентраций (cm) загрязнителя (ЭП) с критерием качества атмосферного воздуха — ПДК К=

cm ПДК

(2)

где cm — расчетная величина концентрации вредной примеси в приземном слое воздуха над заданной точкой поверхности; ПДК — предельно допустимая концентрация вредной примеси, мг/м3 /31-33/. Качество воздуха по степени его загрязненности вредной примесью считается удовлетворительным, если К ≤ 1. При одновременном совместном присутствии в воздухе нескольких веществ, действующих на один и тот же орган, для каждой группы таких веществ, объединенных понятием «однонаправленное действие», рассчитывается суммарное превышение ПДК (Кi) по формуле: Кi =

где:

c1,

c2,

...,

cn

c1 c2 cn + + ... + ПДК 1 ПДК 2 ПДК n

—

расчетные

концентрации

(3)

каждого

ЭП

в атмосферном воздухе в данной точке местности (мг/м3); ПДК1, ПДК2, ..., ПДКn — соответствующие предельно допустимые концентрации ЭП (мг/м3). Как указывалось, распределение ЭП между носителями: органическим веществом, сульфидами железа и глинами существенно меняется в углях разных месторождений и пластов в зависимости от особенностей геохимической и палеогеографической обстановки торфо- (угле-) накопления. В связи с рассматриваемой проблемой это имеет принципиальное значение, так как особенности термохимических преобразований указанных носителей и связанных с ними ЭП при сжигании топлива в котло-

15

агрегатах ТЭС совершенно различны. В результате разложения носителей образуются газовые (и аэрозольные) фазы ЭП, которые поступают в атмосферный воздух в составе дымовых выбросов ТЭС. Способность ЭП переходить в газовую фазу, наряду с их токсикологическими свойствами, — главные критерии, определяющие экологическую опасность угольных ТЭС для природной среды. Индивидуальная способность ЭП в зависимости от носителя к переходу в газовую фазу требует критического отношения к предложениям нормировать опасные содержания ЭП единой для всех случаев величиной их концентрации в углях без учета возможности перехода при сжигании в газообразное состояние /34/. Такой подход может привести к неверному экологическому прогнозу, так как угли с относительно низкой концентрацией ЭП, но высоким потенциалом перехода в газовую фазу способны при сжигании сильнее загрязнять атмосферный воздух, чем угли с более высокими концентрациями ЭП, но низким потенциалом образования газообразных соединений. Газовую фазу ЭП можно оценить на основании балансовых расчетов применительно к конкретным угольным ТЭС или технологиям сжигания. Для этого необходима следующая исходная информация: масса ЭП в сжигаемом за единицу времени угле (ЭПу), масса ЭП в образовавшейся при сжигании этого угля золе-уносе и шлаке (ЭПзу, ЭПш). Выход ЭП в газовую фазу (η), в %, определяется при наличии указанных данных по формуле: η=

ЭП у − (ЭП зу + ЭП ш ) ЭП у

⋅ 100%

(4)

В целях экологического прогнозирования по материалам геологоразведочных работ η определяется по формуле (4), если угли, аналогичные углям разведываемого месторождения, уже сжигаются на ТЭС. Подобные ситуации достаточно обычны, например, в Донбассе, Кузбассе и других освоенных энергетикой бассейнах. В тех случаях, когда подобных аналогов нет, необходимо проведение опытных сжиганий на огневых стендах, моделирующих условия промышленных котлоагрегатов. Проведение подобных испытаний требует использования проб значительной массы (сотни кг). Учитывая изложенное, М в формуле (1) определяется следующим образом: M = k ⋅ B ⋅η

(5)

16

где k — концентрация ЭП в сжигаемом угле, г/т; В — масса топлива, сжигаемого в единицу времени, т/сек; η — выход ЭП в газовую фазу, доли единицы (или %). Информация о значениях k представляется геохимическими картами (см. разд. 3) или средними данными для пласта, месторождения, бассейна. По уравнению (1), рекомендациям в /30/ и оценке выхода ЭП в газовую фазу возможно построение полей концентраций ЭП в атмосферном воздухе, в том числе — прогнозных, на территории, прилегающей к ТЭС /35-37/. В качестве примера на рис. 2 приводится поле концентрации Ве в районе ТЭС-1 (см. табл. 2). Расчетные поля концентраций являются основанием для планирования мероприятий по охране природной среды. 6. ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ И САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ НОРМАТИВЫ Вещества, загрязняющие атмосферу, могут находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии. В связи с воздействием ТЭС на природную среду наиболее актуально токсическое действие ЭП на организм человека при ингаляционном поступлении (при вдыхании атмосферного воздуха). Токсичность — показатель реакции организма на действие вещества, зависит от скорости его поступления в кровь, скорости метаболических превращений в крови и тканях внутренних органов, скорости проникновения через гистогемические барьеры и взаимодействия с биоструктурами. Степень неблагоприятного воздействия ЭП, токсичность которых установлена санитарно-гигиеническими наблюдениями, зависит от их концентрации в углях, химической формы связи с составными компонентами угольного вещества, выхода в газовую фазу, характера соединений, образующихся в высокотемпературной среде сжигания топлива, формы поступления в природную среду, степени аккумуляции в почвах и живых организмах, движения по трофическим цепям и т.д. Токсичность многих ЭП и их соединений может многократно усиливаться при совместном воздействии на элементы биосферы — эффект синергизма.

17

СХЕМА ПОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ БЕРИЛЛИЯ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ ВОЗДУХА РАЙОНА ТЭС

1

2

3

4

5

0

3 км

1 — концентрация при среднегодовой скорости ветра, в ПДКСС; 2 — концентрация при опасной скорости ветра (5,4 м/сек), в ПДКСС; 3 — среднегодовая скорость ветра, м/сек; 4 — источник выброса (ТЭС); 5 — населенные пункты. Рис. 2

18

Установлено /38/, что длительное воздействие малых концентраций загрязнителей более опасно, чем кратковременное высоких. Современные крупные ТЭС, действующие практически непрерывно в течение десятков лет, даже при низких концентрациях в углях и дымовых выбросах токсичных элементов становятся источником негативного воздействия на биосферу. Предельно допустимые концентрации (мг/м³) вредных веществ в атмосферном воздухе установлены в виде максимально разовых (ПДКм.р.) и среднесуточных (ПДКСС) /31-32/. Первые не должны вызывать неблагоприятных реакций в организме человека при воздействии в течение 30 мин., вторые — в условиях неопределенно долгого, круглосуточного вдыхания. Особое экологическое значение имеют содержащиеся в углях естественные радиоактивные элементы (EPH), создающие поток ионизирующих излучений, способных вызвать тяжелые повреждения в организме человека. Наибольшую радиационную опасность создает изотоп тория —

232

Th, благодаря способности аккумулиро-

ваться в организме человека и преимущественному воздействию на кроветворные органы. Активность EPH нормируется величиной допустимых концентраций (ДК) в беккерелях на кубический метр воздуха (Бк/м³) /33/. 7. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВПРИМЕСЕЙ В УГЛЯХ (НА ПРИМЕРЕ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА) В соответствии с существующими требованиями к изученности угольных месторождений, по результатам геологоразведочных работ должны быть получены данные о распределении в угольных пластах ЭП, необходимые для планирования мероприятий по охране природной среды при добыче и использовании углей. «Инструкцией по изучению токсичных компонентов при разведке угольных и сланцевых месторождений» /39/ предусматривается также выявление в угольных пластах зон с содержанием ЭП, превышающим уровень так называемых «предположительно опасных концентраций». Определение опасных концентраций может быть выполнено, исходя из аналитических зависимостей (1, 5). Для этого уравнение (1) должно быть решено относитель-

19

но М при условии, что сm = ПДКСС в воздухе для данного ЭП. Тогда по (5) величина опасной концентрации (ko) равна: ko =

М , г/т В ⋅η

(6)

где В — масса топлива, сжигаемого в единицу времени, т/с; М — выброс загрязняющего вещества (ЭП), г/с; η — выход ЭП в газовую фазу, доли единицы (или %). Напомним, что ko ЭП в углях — это такие концентрации, превышение которых при сжигании углей приведет к превышению ПДКСС (или ДК) в атмосферном воздухе в точке максимальной концентрации. Разработана программа «SMOG»∗, предназначенная для расчета экологически опасных концентраций ЭП в углях и построения прогнозных полей концентраций ЭП в атмосферном воздухе по материалам геологоразведочных работ. На основе расчетных значений ko на геохимических картах угольных пластов выделяются площади с концентрациями ЭП, превышающими опасные. Подобная информация должна быть учтена при отработке угольных месторождений и планировании природоохранных мероприятий. Она позволяет принять технико-экономические решения при проектировании угольных ТЭС, обеспечивающие экологическую безопасность и стабильное развитие на прилегающих территориях. Ниже даются некоторые пояснения к программе. Исходная информация, необходимая для расчета опасных концентраций ЭП, вводится в диалоговом режиме и накапливается в базе данных, что позволяет при необходимости вносить в нее изменения и путем выбора из базы производить повторные расчеты Информация разбита на несколько блоков и хранится в отдельных, связанных по ключевому полю, таблицах базы данных. Главное меню программы состоит из пяти пунктов: Ввод — ввод и сохранение в базе данных информации по объекту.

∗

Программа разработана совместно со старшим научным сотрудником геологогеографического факультета РГУ С.В.Левченко.

20

Поиск — поиск информации в базе для расчета. Опасные концентрации — расчет концентрации ЭП в угле, превышение которой создает в атмосферном воздухе района источника превышение ПДКСС. Поле концентраций — расчет концентраций в приземном слое воздуха в точках, расположенных в узлах прямоугольной сетки вокруг источника выброса; графическое изображение поля. Выход — завершение работы и выход из программы (специальных действий для сохранения данных не требуется — сохранение происходит автоматически после завершения ввода по каждому блоку информации). Ввод. Информация вводится отдельными блоками. Первый блок — «географический» — общая информация по станции и району ее расположения: • условный код расчета (заносится в ключевые поля всех таблиц базы данных и служит для их связи между собой); • название станции (источника выброса); • рельеф (безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа). Второй блок — «технологический»: • температура отходящей газовоздушной смеси в устье источника выброса; • масса ЭП, выбрасываемая в единицу времени, т/с (рассчитывается по массе топлива, сжигаемого в единицу времени, содержанию ЭП в топливе и коэффициенту извлечения в газовую фазу); • скорость выхода газовоздушной струи из дымовых труб, м/с; • данные по дымовым трубам (высота труб, м, или средняя высота при наличии нескольких труб). Третий блок — «метеорологический»: • средняя скорость ветра по восьми румбам (по данным ближайшей метеостанции); • температура воздуха в июле (по данным ближайшей метеостанции); • коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы. Четвертый блок — «вещества-загрязнители»: • наименование химического элемента (ЭП), содержащегося в угле, для которого будет рассчитываться опасная концентрация или строиться поле концентраций;

21

• концентрация ЭП в топливе (г/т); • наименование соединения, образуемого данным элементом в процессе сжигания; • среднесуточное (или иное) значение ПДК (ДК) элемента или соединения в атмосферном воздухе (в случае, если справочное ПДК дается в неэлементной форме, делается пересчет ЭП на соответствующую форму (например, S в угле пересчитывается на SO2)); • коэффициент осаждения. Пятый блок — «санитарно-гигиенический»: • признаки воздействия образовавшегося в результате сжигания топлива соединения на человека или отдельные группы органов человека. По признакам воздействия рассчитывается безразмерная суммарная концентрация веществ, обладающих однонаправленным действием. Перечисленные выше параметры позволяют рассчитать опасные концентрации ЭП в угле (г/т или Бк/кг) и их концентрации в приземном слое воздуха, в долях ПДКСС (ДК) или в мг/м³ (Бк/м³). Результаты расчета помещаются в файле, имеющем в качестве названия номер условного кода расчета (формат файла ASCII). Ниже приводится пример расчета по программе «SMOG» для некоторых ЭП, загрязняющих атмосферный воздух при сжигании углей. В качестве источников загрязнения выбраны две ТЭС с таким расчетом, чтобы можно было проиллюстрировать экологические последствия выброса ЭП в атмосферу при сжигании однотипных углей (антрацитов) с разным содержанием ЭП на станциях разной мощности. Необходимые для расчета данные о ТЭС приведены в табл. 2. Расчетные опасные концентрации ЭП в углях при их сжигании на сравниваемых ТЭС приведены в табл. 3 и 4. Отметим следующее: • содержание ЭП в углях сравниваемых ТЭС отражают реальные значения при одноразовом отборе проб в разное время и поэтому оказались заметно различными; • кроме уже обсуждающих параметров, в таблицах приводятся данные о предельно допустимых выбросах (ПДВ) и фактических выбросах. Эти показатели обычно нормируются при характеристике источников загрязнения атмосферного воздуха как наиболее удобные при контроле за деятельностью предприятий.

22

Таблица 2 Технические параметры ТЭС ТЭС

Показатель Электрическая мощность, МВт Количество дымовых труб Средняя высота дымовых труб, м Средний диаметр устья, м Средняя скорость выхода газовоздушной смеси, м/с Масса топлива, потребляемого в 1 секунду, т Объем выбрасываемых газов, м3/с Температура отходящих газов, 0С

1 2400 4 232,5 6,9 27,8 0,184 4160 120

2 54 2 75,0 5,5 10,0 0,006 83 116 Таблица 3

Опасные концентрации элементов-примесей в углях, сжигаемых на ТЭС-1

Средние Эле- концентраменты ции в угле, г/т Be V Cr Mn Co Ni Cu As Se Mo Cd Pb Hg Sb Br Rb Cs Th 232 Th U S, %

2.5 23.9 14.6 129.0 14.9 50.4 32.4 32.7 2.8 2.1 0.8 9.5 0.8 3.3 10.9 45.6 9.6 4.7 34.8 2.1 1.8

Коэффициент извлечения в газовую фазу (доли единицы)

ПДКСС, мг/м3

Опасные концентрации в угле, г/т

0.64 0.86 0.85 0.78 0.49 0.33 0.33 0.46 1.00 0.95 0.73 0.76 0.90 0.40 0.83 0.26 0.63 0.39 0.29 0.28 0.84

0.00001 0.00060 0.00080 0.00060 0.00100 0.00070 0.00160 0.00300 0.00004 0.04000 0.00090 0.00300 0.00030 0.01000 0.04000 0.00800 0.00200 0.00300 0.00093 0.00100 0.02500

0.8 32.9 44.2 37.3 96.1 99.7 226.5 306.5 1.9 1979.0 57.9 185.5 15.7 1175.0 2267.9 1446.2 149.2 373.7 0.14 168.5 0.3

Предельно Расчетдопусный тимый выброс, выброс г/с (ПДВ), г/с 0.089 0.170 5.358 3.891 7.144 2.357 5.358 19.019 8.930 1.384 6.251 3.160 14.288 2.043 26.791 2.857 0.357 0.532 357.216 0.379 8.037 0.104 26.791 1.371 2.679 0.128 89.304 0.250 357.216 1.716 71.443 2.252 17.860 1.146 26.791 0.353 8.930 0.111 446.610 2433.600

23

Таблица 4 Опасные концентрации элементов-примесей в углях, сжигаемых на ТЭС-2 КоэффициСредние ент концентра- извлечения Элементы ции в угле, в газовую г/т фазу (доли единицы) Be 1.2 0.71 V 11.4 0.78 Cr 9.3 0.17 Mn 90.6 0.59 Co 7.8 0.42 Ni 140.0 0.51 Cu 25.9 0.29 As 25.9 0.48 Se 1.0 1.00 Mo 80.0 0.93 Cd 7.0 0.78 Pb 4.5 0.56 Hg 1.0 1.00 Sb 1.7 0.30 Br 4.1 1.00 Rb 14.0 0.04 Sr 233.0 0.15 Cs 2.9 0.05 Ce 17.2 0.04 Hf 1.4 0.36 Th 4.1 0.07 U 1.8 0.36 S, % 1.2 0.94

ПДКСС, мг/м3 0.00001 0.00060 0.00080 0.00060 0.00100 0.00070 0.00160 0.00300 0.00004 0.04000 0.00090 0.00300 0.00030 0.01000 0.04000 0.01000 0.02000 0.00200 0.04600 0.05000 0.00300 0.00100 0.02000

Предельно Опасные допустиконцентрамый Расчетный ции в угле, выброс выброс, г/с г/т (ПДВ), г/с 1.9 0.008 0.005 106.3 0.497 0.053 650.0 0.663 0.009 140.5 0.497 0.320 328.9 0.829 0.018 189.6 0.580 0.424 762.2 1.326 0.045 863.4 2.487 0.075 5.5 0.033 0.006 5941.5 33.154 0.446 159.4 0.746 0.033 740.0 2.487 0.015 41.4 0.249 0.006 4604.7 8.288 0.003 5525.6 33.154 0.025 34535.1 8.288 0.003 18418.7 16.577 0.210 5525.6 1.658 0.001 158861.6 38.127 0.004 19186.2 41.442 0.003 5920.3 2.487 0.002 383.7 0.829 0.004 0.6 33.154 67.679

Имея в виду, что экологическую опасность создают те ЭП, расчетные опасные концентрации которых (ko) ниже средних в товарных углях или углях в недрах, можно сделать следующие выводы. 1. Опасными ЭП при сжигании на ТЭС-1 являются Be, Mn, Se, S; на ТЭС-2 ни один из ЭП, кроме серы, не представляет опасности. Поскольку в отдельных пластах и на участках пластов концентрации ЭП могут оказаться значительно выше приведенных в таблицах 3 и 4, перечень опасных ЭП может расшириться, что указывает на необходимость постоянного мониторинга товарных углей, поступающих на ТЭС, на основе прямых определений ЭП или геохимических карт, планов горных работ и пропорций, в которых угли разных пластов входят в состав товарной ших-

24

ты. 2. Полученные величины опасных концентраций значительно ниже приведенных в действующих нормативных документах. Достаточно сравнить данные расчета и рекомендуемые в /34/, г/т: Be 0.8-50.0, Se 1.9-50.0, Mn 37.3-1000.0, Cr 44.2-100.0. Таким образом, степень опасности перечисленных ЭП сильно занижена. Обратное соотношение оценок отмечено для Pb 185.5-50 /34/, для Ni оценки совпадают 99.7100.0. С результатами экологических оценок некоторых ЭП в углях можно познакомиться в /35-39/. 3. Особого внимания в перечне изученных ЭП заслуживает Th. По табл. 3, опасные концентрации этого элемента значительно выше средних, что создает иллюзию неактуальности его экологических оценок. Подобное заключение, однако, не соответствует реальной экологической угрозе, создаваемой этим элементом, если оценить его с точки зрения радиоактивности, создаваемой изотопом

232

Th (см. табл.

3). Из данных таблицы видно, что для ТЭС-1 превышение допустимых концентраций (ДКб) 232Th /40/ составляет более 200 раз. 4. Сравнение таблиц 3 и 4 позволяет иллюстрировать экологические последствия использования однотипных углей на энергетических объектах существенно разной мощности. Обе станции сжигают донецкие антрациты по пылеугольной технологии. Температура сжигания на ТЭС-2 несколько ниже. Значительно различаются высоты труб и скорость выброса газов (см. табл. 2). Однако главное отличие состоит в массе сжигаемого в единицу времени топлива: ТЭС-1 превышает по этому показателю ТЭС-2 более чем в 30 раз. Сопоставив эти различия, отметим: меньшая высота труб и скорость выхода дымовой струи на ТЭС-2 увеличивает ее экологическую опасность по сравнению с ТЭС-1, поскольку загрязнители (ЭП) оказываются на меньшей высоте от поверхности. Однако, масса топлива, сжигаемого на ТЭС-1 в единицу времени и, следовательно, масса поступающих в атмосферу ЭП во много раз больше. Это делает ТЭС-1 в экологическом отношении значительно более опасным объектом. Последнее становится наглядным при сравнении расчетных выбросов для ТЭС-1 и ТЭС-2 (см. табл. 3, 4). 5. Оценивая данные табл. 3, 4, можно видеть, что в большинстве случаев выход ЭП в газовую фазу на ТЭС-2 ниже. Это особенно заметно для литофильных ЭП, связанных в основном с термоустойчивыми минеральными компонентами (глинами): Be,

25

V, Cr, Mn, Th, U. ЭП, связанные с сульфидами (халько- и сидерофильные), по выходу в газовую фазу различаются незначительно, вследствие того, что температура сжигания в обоих случаях выше температуры распада сульфидов, т.е. полный переход в газовую фазу вполне обеспечивается. Таким образом, менее мощная ТЭС оказывается экологически относительно безопасной. 6. При необходимости определения общего значения опасных концентраций ЭП (ko) для бассейна (месторождения) следует исходить из худшего с точки зрения экологических последствий варианта технологий сжигания с учетом численности населения в зоне воздействия фонового состояния атмосферного воздуха и возможных социально-экономических последствий ухудшения качества природной среды. 8. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ СЖИГАНИИ УГЛЕЙ НА ТЭС ТЭС как объекты загрязнения природной среды характеризуются большим разнообразием качества сжигаемого топлива, типами энергетического оборудования, метеоусловиями района размещения. Поскольку практически весь выброс осуществляется через дымовые трубы, расположенные сравнительно близко друг к другу, они могут расцениваться как точечные источники загрязнения. Роль неорганизованных источников, входящих в технологическую структуру ТЭС (склад угля, золоотвал, автотранспорт и др.), в загрязнении атмосферного воздуха сравнительно невелика. Системы природоохранных мероприятий должны касаться выбора топлива, регулирования его природного состава и совершенствования технологий сжигания. 8.1. Регулирование качества топлива Одним из важнейших практических приложений геохимических карт является возможность прогнозирования и планирования на их основе изменений концентраций ЭП в угле в процессе отработки месторождений. В принципе, можно считать вполне реальным составление такого плана горнопроходческих и эксплуатационных работ на каждой шахте или карьере, при котором

26

отработка участков с концентрацией ЭП, превышающей опасные в одной добычной лаве (или участке карьера), сочеталась бы с одновременной отработкой других лав (участков), где концентрация ЭП соответственно ниже. Подобного рода планирование облегчается в тех случаях, когда шахта отрабатывает одновременно несколько пластов или при открытой разработке пласт отрабатывается несколькими забоями в карьере. Современные крупные ТЭС, сжигающие миллионы тонн угля в год, как правило, используют продукцию нескольких (иногда многих) горных предприятий. В результате возрастает число возможных комбинаций с целью составления оптимальных по концентрации ЭП товарных смесей. Метод расчета оптимальных пропорций между объемами угольной массы, добываемой по отдельным пластам или участкам разного качества, с целью максимального использования некондиционных углей (в данном случае углей с концентрациями ЭП, превышающими опасные) для получения удовлетворяющего промышленным нормативам товарного угля, изложен в /41/. Напомним, что, как было установлено, подавляющее число ЭП концентрируется в минеральных компонентах углей (глинах и сульфидах). Этот важный факт, кроме определяющего влияния на выход ЭП в газовую фазу, имеет фундаментальное значение и в проблеме улучшения качества сжигаемого угля, поскольку позволяет рассчитывать на снижение концентрации ЭП в процессе обогащения. Так как в настоящее время в стране обогащается значительная часть добываемых углей, этот путь снижения концентраций ЭП в топливе может рассматриваться не только как перспектива, но и реальность. Оценка качества продуктов обогащения по геологическим данным с расчетом выхода продуктов обогащения и их характеристик (в т.ч. и по ЭП), оптимизация объемов добычи по разным шахтам и пластам с целью получения кондиционной товарной продукции рассмотрены в /42/. Технический прогресс в обогащении углей имеет главной целью повышение степени извлечения из углей минеральных компонентов. Это может быть достигнуто (и достигается в промышленно развитых странах) внедрением некоторых новых схем «глубокого» обогащения угля. Легко видеть, что повышение эффективности обогащения будет сопровождаться снижением концентрации ЭП в товарном продукте.

27

8.2. Очистка дымовых газов Очистка дымовых выбросов ТЭС от ЭП при традиционной (пылеугольной) системе сжигания является весьма трудной технологической задачей. Исследования, ведущиеся в нашей стране и в странах с развитой угольной теплоэнергетикой, позволяют указать некоторые перспективные направления, в том числе доведенные до стадии промышленных испытаний. Одно из них — снижение температуры отходящих газов на участке газового тракта ТЭС до электрофильтров, приводящее к конденсации ЭП на поверхности твердых частиц и, вследствие этого, — осаждению в составе золы-уноса. Перспективным вариантом защиты среды является регулирование гранулометрического состава твердых частиц выбросов с целью снижения выхода мелких фракций, содержащих ЭП в максимальных концентрациях. Последующее применение тканевых фильтров позволяет добиться почти 100%-ного извлечения предварительно конденсированных на золе-уносе загрязнителей. Разработаны технологии очистки дымовых газов барбатированием через кислоту, после которого в раствор переводится значительная часть массы ЭП. 8.3. Новые «экологически чистые» технологии сжигания Принято считать, что основным показателем экологической чистоты оборудования ТЭС является выброс в атмосферу SO2, NOx и твердых частиц. Уменьшение вредных выбросов оксидов серы и азота может быть достигнуто организацией сжигания с минимальным избытком воздуха, позволяющим существенно уменьшить образование этих соединений при горении. Однако в этом случае происходит рост концентрации в продуктах сгорания канцерогенных органических соединений из-за дефицита окислителя. Весьма перспективной физико-химической основой одновременного удаления SO2 и NOx из дымовых газов является их окисление, инициируемое воздействием электронов высоких энергий или сильными окислителями, например, озоном. Электронно-лучевая и озонная технология очистки дымовых газов ТЭС разрабатываются в нашей стране и за рубежом /43/, но ее практическая реализация является, по-

28

видимому, делом отдаленного будущего. Процессом, позволяющим эффективно использовать свойства карбонатов вступать в реакцию с диоксидами серы (SO2) при высоких температурах и выводить их в твердую фазу в виде гипса (ангидрида), является сжигание углей в циркулирующем кипящем слое (ЦКС). Метод кипящего слоя приводит также к снижению выбросов NOx в связи со снижением степени окисления атмосферного азота при сравнительно низких температурах (около 9000С) технологии ЦКС. Л.Я.Кизильштейном с сотрудниками /44/ проведены исследования с целью изучить распределение ЭП, содержащихся в угле (АШ) и продуктах сжигания, в условиях ЦКС. Исследования проводились на огневом стенде КазНИИЭ, моделирующем условия котла с циркулирующим кипящим слоем. Определения ЭП в углях и продуктах сжигания производились методом нейтронно-активационного анализа. Для ЭП, не определяемых указанным методом (Be, V, Ni, Cu, Mo, Pb), использовался количественный эмиссионный спектральный анализ. Результаты экспериментов показали существенное снижение выхода в газовую и аэрозольную фазу за счет более низких температур сжигания и связывания с карбонатной присадкой Be, Se, Mu, Mo, Cd, Pb, U, Co, Cu, Sb, Hg. Приведенные данные должны усилить мотивы в пользу широкого развертывания системы сжигания углей по технологии циркулирующего кипящего слоя как экологически более чистой в отношении загрязнителей атмосферного воздуха. Разработка и внедрение новых природоохранных технологий сжигания углей во всех случаях должна сопровождаться оценкой их экономической эффективности путем сопоставления соответствующих затрат со снижением ущерба, наносимого окружающей среде.

29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Экологический

фактор

является

одним

из

определяющих

социально-

экономическое развитие страны и ее регионов. Научно-техническая стратегия в области экологии должна ориентироваться не только на ликвидацию последствий, но, главным образом, на устранение причин негативного влияния промышленности, в том числе — энергетики, на биосферу. Угольные тепловые электростанции являются мощным источником неблагоприятного воздействия на природную среду, в результате которого происходят существенные изменения газового состава атмосферы (особенно в нижних слоях), увеличивается запыленность, растет содержание оксидов серы, азота, углерода, и (на что не обращается должного внимания) токсичных элементов-примесей. Все это существенно ухудшает качество среды проживания человека. Вклад геологоразведочной отрасли в решение экологических проблем энергетики состоит в прогнозной оценке воздействия на окружающую среду сжигания топлива (в данном случае — угля) на тепловых электростанциях в зависимости от его состава (качества). Прогноз осуществляется на основе материалов геологической разведки, т.е. на этапе «полезное ископаемое в недрах». В результате становится возможным заблаговременное планирование природоохранных мероприятий. Для реализации этих возможностей необходимо: 1. Построение геохимических карт распределения ЭП в угольных пластах, являющихся носителями исходной информации для прогноза. При этом принимается, что распределение ЭП зависит от палеогеографических условий торфяной стадии формирования угольных пластов. 2. Определение выхода ЭП в газовую фазу при сжигании углей на ТЭС, принимая во внимание, что этот важнейший с экологической точки зрения показатель индивидуален для углей разных бассейнов, месторождений и технологий сжигания. 3. Определение экологически опасных концентраций ЭП в углях и расчет полей концентраций ЭП в атмосферном воздухе. 4. Выделение на геохимических картах зон, в пределах которых концентрации ЭП превышают опасные с целью учета при планировании отработки угольных пластов.

30

Конечной целью использования «Методического пособия…» является: • Разработка предложений по снижению отрицательного действия ТЭС на природные объекты окружающей среды и население. • Передача результатов прогнозных оценок проектным организациям для учета при проектировании новых и реконструкциях действующих энергетических объектов (угольных ТЭС), органам, принимающим решения по предлагаемым проектам и ответственным за охрану и мониторинг природной среды. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Lantry R.J., Mackensie F.T. Atmosphere Trace Metals: Global-Cycles and Assessment of Man’s Impact // Geochem. Acta. - 1979. - V. 43. - № 4. - P. 511-525. 2. Мониторинг фонового загрязнения природных сред. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - Вып. 7. – 23 с. 3. Фоновое содержание микроэлементов в природных средах (по мировым данным). Сообщение 4 / Ф.Я.Ровинский, В.А.Петрухин, В.А.Виженский и др. // Мониторинг фонового загрязнения природных сред. Вып. 4. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. С. 3-25. 4. Юдович Я.Э. Геохимия ископаемых углей. - М.: Наука, 1978. - 262 с. 5. Юдович Я.Э., Кетрис М.П., Мерц А.В. Элементы-примеси в ископаемых углях. - Л.: Наука, 1985. - 239 с. 6. Клер В.Р. Изучение сопутствующих полезных ископаемых при разведке угольных месторождений. - М.: Недра, 1974. - 272 с. 7. Ценные и токсичные элементы в товарных углях России. Справочник. - М.: Недра, 1996. - 238 с. 8. Аналитическая химия и технический анализ углей. Учебник для техникумов / И.В.Авгушевич, Т.М.Броновец, И.В.Еремин и др. - М.: Недра, 1987. - 330 с. 9. Манская С.М., Дроздова Т.В. Геохимия органического вещества. - М.: Наука, 1964. - 315 с. 10. Кизильштейн Л.Я. Связь сернистости углей с фациальным составом пород угленосной толщи // Известия вузов. Геология и разведка. - 1972. - № 9. - С. 72-76. 11. Геохимические индикаторы условий древнего торфонакопления // Химия

31

твердого топлива. - 1973. - № 4. - С. 42-49. 12. Кизильштейн Л.Я. Генезис серы в углях. - Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 1975. - 200 с. 13. Кизильштейн Л.Я., Гофман Н.Г. Реконструкция условий рН и окислительновосстановительного потенциала древних торфяников // Химия твердого топлива. 1970. - № 4. - С. 49-57. 14. Кизильштейн Л.Я., Пугачев В.И. Палеогеографическая интерпретация особенностей качественного состава угольных пластов в зонах расщеплений // Известия вузов. Геология и разведка. - 1973. - № 5. - С. 81-87. 15. Кизильштейн Л.Я., Серебрякова И.Т. Некоторые особенности пространственной изменчивости строения и состава угольных пластов // Литология и полезные ископаемые - 1970. - № 5. - С. 107-114. 16. Кизильштейн Л.Я., Серебрякова И.Т. Реконструкция условий древнего торфонакопления на основании изучения морфологии и вещества угольных пластов // Литология и полезные ископаемые. - 1973. - № 4. - С. 124-132. 17. Кизильштейн Л.Я., Щиров В.Т. Опыт геоморфологического и геохимического анализа условий образования угольного пласта i3 в Донбассе // Вопросы геологии, минералогии и геохимии угленосных отложений СССР. – Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 1975. - С. 134-145. 18. Данчев В.И., Стрелянов Н.П. Экзогенные месторождения урана. Условия образования и методы изучения. – М.: Атомиздат, 1979. - 248 с. 19. Кизильштейн Л.Я., Черников Б.А. Роль органического вещества земной коры в образовании месторождений урана. – Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 1999. - 146 с. 20. Ковалев В.А. Болотные минералого-геохимические системы. - Минск: Наука и техника, 1985. - 327 с. 21. Методические рекомендации по оценке содержания микроэлементов в торфяных месторождениях Европейской части РСФСР / Мингео СССР, ИМГРЭ; Сост.: В.Н.Крештапова - М., 1974. – 200 с. 22. Сапрыкин Ф.Я., Свентиховская А.Н. Закономерности редкометального оруденения современных торфяников // Материалы к IX совещанию работников лабораторий геологических организаций. Вып. 7. - Л.: Недра, 1965. - С. 95-102.

32

23. Войткевич Г.В., Кизильштейн Л.Я., Холодков Ю.И. Роль органического вещества в концентрации металлов в земной коре. - М.: Недра, 1983. - 160 с. 24. Кизильштейн Л.Я., Вялов В.И., Шпицглуз А.Л. Распределение некоторых металлов в угольных пластах Донбасса // Известия вузов. Геология и разведка. - 1986. № 4. - С. 87-90. 25. Кизильштейн Л.Я., Вялов В.И., Гальчиков В.В. Распределение натрия в углях Северной части Донецкого бассейна // Известия вузов. Геология и разведка. - 1983. № 2. - С. 70-77. 26. Кизильштейн Л.Я., Перетятько А.Г., Гофен Г.И. Палеогеографические закономерности распределения элементов-примесей в угольных пластах // Литология и полезные ископаемые. - 1988. - № 3. - С. 129-134. 27. Кизильштейн Л.Я., Перетятько А.Г., Людмирская Е.Л. Прогнозная оценка радиоактивного загрязнения атмосферного воздуха в районах угольных ТЭС по материалам геологической разведки // Химия твердого топлива. - 1994. - № 2. - С. 31-36. 28. Кизильштейн Л.Я. Корреляционный метод подсчета запасов германия в углях // Разведка и охрана недр. - 1963. - № 9. - С. 20-24. 29. Ткачев Ю.А., Юдович Я.Э. Статистическая обработка геохимических данных. - Л.: Наука, 1975. - 233 с. 30. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86, Госкомгидромет). - Л.: Госкомгидромет, 1987. - 94 с. 31. Вредные химические вещества. Неорганические соединения 1-4 групп. Справ. изд. / А.Л.Бандман, Г.А.Гудзовский, Л.С.Дубейковская и др.; Под ред. В.А.Филова и др. - Л.: Химия, 1988. - 512 с. 32. Вредные химические вещества. Неорганические соединения 5-8 групп. Справ. изд. / А.Л.Бандман, Н.В.Волкова, Т.Д.Грехова и др.; Под ред. В.А.Филова и др. - Л.: Химия, 1989. - 592 с. 33. Вредные вещества в промышленности // Радиоактивные вещества. Справ. изд. В.А.Баженов, Л.А.Булдаков, И.Я.Василенко и др.; Под. ред. В.А.Филова и др. Л.: Химия, 1990. - 464 с. 34. Инструкция по изучению и оценке попутных твердых полезных ископаемых и компонентов при разведке месторождений угля и горючих сланцев. - М.: Наука,

33

1987. - 136 с. 35. Кизильштейн Л.Я. Геохимия бериллия в углях: экологический аспект // Геохимия. - 1997. - № 3. - С. 336-342. 36. Кизильштейн Л.Я. Геохимия тяжелых металлов в углях: экологический аспект // Геохимия. - 1998. - № 8. - С. 848-853. 37. Кизильштейн Л.Я. Геохимия ванадия в углях: экологический аспект // Геохимия. - 1999. - № 1. - С. 69-74. 38. Кизильштейн Л.Я., Шокина О.А. Геохимия селена в углях: экологический аспект // Геохимия. - 2001. - № 4. - С. 434-440. 39. Кизильштейн Л.Я. Экогеохимия серы в углях // Геохимия. - 2001. - № 12. - С. 1340-1346. 40. Кизильштейн Л.Я. Загрязнение атмосферного воздуха 232Th в результате сжигания углей на тепловых электростанциях // Журнал экологической химии. - 1994. - № 3-4. - С. 219-225. 41. Жак С.В., Кизильштейн Л.Я. Петрографическое определение обогатимости углей по золе и сере и оптимальное использование низкосортных углей // Известия вузов. Геология и разведка. - 1971. - № 7. - С. 61-68. 42. Кизильштейн Л.Я., Жак С.В., Мостовой П.П. Оценка обогатимости ископаемых углей на стадии геологоразведочных работ. - М.: Недра, 1987. - 121 с. 43. Энергетика и окружающая среда. - М.: Энергия, 1979. - 351 с. 44. Кизильштейн Л.Я., Перетятько А.Г. Элементы-примеси в продуктах сжигания донецкого АШ в котлах ЦКС (по результатам стендовых испытаний) // Химия твердого топлива. - 1992. - № 6. - С. 82-86.