25. Теплоэнергетика и основные виды топлива, использующиеся для получения энергии. Физическое и химическое загрязнение окружающей среды.

На современном этапе развитие человеческой цивилизации невозможно без широкого использования энергии. Энергетика – это отрасль народного хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, производство, преобразование, передачу и использование различных форм энергии. Основными формами применяемой в настоящее время энергии являются теплота и электричество.

Многообразие форм существования энергии, свойство их взаимопревращения позволяют использовать для производства и потребления энергии различные топливно-энергетические ресурсы и энергоносители, определяют их взаимозаменяемость. Понимание единства и эквивалентности разных форм энергии сложилось к середине XIX века, когда был накоплен большой опыт преобразования одних форм энергии в другие. Естественным обобщением огромного объема накопленных данных по преобразованию одних форм энергии в другие явился закон сохранения и превращения энергии – один из основных фундаментальных законов природы (см. вторую книгу).

Потребность в преобразовании энергии связана с необходимостью применения конкретных форм энергии (главным образом теплоты и электроэнергии) в современных технологических процессах при достаточно большом разнообразии первичных энергоресурсов для их получения. При этом даже эти два вида энергии применяются в различных формах: теплота – в виде пара, нагретых газов и воды при разных значениях температуры, а электрическая – в виде переменного или постоянного тока и при разных уровнях напряжения.

Первичными источниками тепловой энергии в основном были и остаются органические топлива (уголь, природный газ, нефть, горючие сланцы и др.). Анализ всех взаимосвязей между источниками энергии (энергоресурсами), тепловой энергией и устройствами для получения работы (электроэнергии) относится к сфере теплоэнергетики. Теплоэнергетика – отрасль энергетики, занимающаяся преобразованием теплоты в другие виды энергии, главным образом в механическую и электрическую. Предметом изучения теплоэнергетики являются термодинамические циклы и схемы энергоустановок, степень их совершенства, вопросы горения топлива, теплообмена, теплофизические свойства рабочих тел и теплоносителей и др.

Преобразование энергии осуществляется в различных машинах, аппаратах и устройствах. В энергетике в основном используются пять видов установок: генерирующие, преобразующие, аккумулирующие, транспортирующие и потребляющие.

Техническую основу современной теплоэнергетики составляют теплосиловые установки тепловых электростанций (ТЭС), которые состоят из котлоагрегатов и паровых турбин (рис.1.1).

Над совершенствованием установок, преобразующих тепловую энергию в электрическую, работают более 100 лет. Энергетическая ценность энергоресурсов, эффективность их использования, степень совершенства процессов и установок, технологических стадий энергетического производства определяются коэффициентом полезного действия (к.п.д.) энергоустановки. К.п.д. большинства угольных тепловых электростанций в мире составляет менее 35 –40%, максимально достигнутый – 45%; на ПГУ и ГПУ – в среднем менее 50%, максимально достигнутый – 60%.

Установки, в которых преобразование теплоты в электроэнергию осуществляется без электромеханических генераторов, называются установками прямого преобразования энергии. К ним относятся магнито-гидродинамические генераторы (МГДГ), термоэлектрические генераторы (ТЭГ), термоэмиссионные преобразователи энергии (ТЭмП).

Теплоэнергетика - один из основных факторов загрязнения атмосферы (порядка 30% от общего объема загрязнений) [9]. Атмосфера - воздушная среда. Является наиболее уязвимой составляющей окружающей среды. Без нее невозможна жизнедеятельность человека, существование и развитие животного и растительного мира, так как в ней содержится основная часть кислорода воздуха, имеющегося на планете. Атмосфере человеческой деятельностью причиняется огромный и невосполнимый ущерб. Вследствие тесной и неразрывной взаимосвязи всех природных составляющих окружающей среды, загрязнение атмосферы неизбежно отражается на других средах: гидросфере, литосфере, биосфере. Выбросы вредных веществ в атмосферу постоянно растут с ростом урбанизации, строительством новых заводов и фабрик. Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха происходит вследствие выбросов в атмосферу вредных веществ при работе энергетических установок, работающих на углеводородном топливе (бензин, керосин, мазут, дизельное топливо, уголь).

Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива – нетоксичные углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). Кроме этого в воздушную среду выбрасываются такие вредные вещества, как оксиды серы, азота, углерода, в частности угарный газ (СО), соединения тяжёлых металлов, таких как свинец (Рв), сажа, углеводороды, несгоревшие частицы твёрдого топлива, канцерогенный бензопирен (С20Н12).

При сжигании твёрдого топлива в котлоагрегатах образуется большое количество золы, диоксида серы (SO2), оксидов азота. Перевод установок на жидкое топливо уменьшает золообразование, но практически не влияет на выбросы SO2, так как в мазуте содержится менее 2% серы.

ТЭС и ТЭЦ являются причиной возникающего в крупных промышленных городах смога: недопустимого загрязнения обитаемой человеком наружной воздушной среды, вследствие выделения в неё указанными источниками вредных веществ при неблагоприятных погодных условиях.

Ежегодно с отработавшими газами в атмосферу поступают сотни миллионов тонн вредных веществ; автомобиль – один из главных факторов шумового загрязнения; дорожная сеть, особенно вблизи городских агломераций, «съедает» ценные сельскохозяйственные земли. Под влиянием вредного воздействия автомобильного транспорта ухудшается здоровье людей, отравляются почвы и водоёмы, страдают растения и животные.

В то же время быстрый процесс развития автомобилизации сопровождается целым рядом острых социальных проблем. Наблюдаемая мировая тенденция увеличения количества автомобилей создает трудности в борьбе против загрязнения атмосферы, почвы, водоемов, уменьшения уровня шума, обеспечения безопасности движения.

Загрязнение среды обитания водным транспортом происходит, во-первых, отходами, получаемыми в результате эксплуатацион­ной деятельности речных судов, и, во-вторых, выбросами в случае аварий ток­сичных грузов, большей частью нефти и нефтепродуктов. Энерге­тические установки судов (в основном дизельные двигатели) за­грязняют газами атмосферу, откуда токсичные вещества частично или почти полностью попадают в воды рек и озер.