Снижение выбросов автономных угольных котельных в решении проблемы сохранения здоровья населения и углеродонейтральности среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

КВЦ «Возобновляемые энергоресурсы»

ГП «Украинский научно-исследовательский институт медицины транспорта»

Снижение выбросов автономных угольных котельных в решении проблемы сохранения здоровья населения и углеродонейтральности среды

Браверман В.Я., Шафран Л.М.

Одесса



Аннотация

В соответствии с обязательствами Украины перед мировым сообществом в области защиты окружающей среды, сохранения климата и снижения выбросов парниковых газов, вытекающих из Парижского соглашения 2015 года, нашим государством в 2017 году был утвержден документ «Стратегическое видение низкоуглеродистого будущего Украины», которым определен его вклад в решение этой глобальной проблемы. До 2050 года выбросы парниковых газов будут сокращены до 35 % от уровня 1990 г., в первую очередь, за счет перехода к энергосистеме, которая предусматривает использование источников энергии с низким содержанием углерода, развитие источников чистой электрической и тепловой энергии, повышение энергоэффективности и энергосбережения. Эти меры призваны позитивно влиять на сохранение и повышение потенциала здоровья населения страны, который по оценкам ВОЗ находится на одном из наиболее низких в мире. Как показывает проведенный анализ, по данным официальной статистики уровень смертности вырос на 12,7 %, особенно вследствие неинфекционной патологии, среди причин которой загрязнению внешней среды и химической нагрузке принадлежит ведущая роль. Поскольку промышленное производство в стране находится на низком уровне, роль энергетики в загрязнении является ведущей. Поэтому целью настоящего исследования явилось изучение возможности и разработка путей и методов снижения углеродистой нагрузки на окружающую среду и величины выброса парниковых газов при эксплуатации локальных твёрдотопливных котельных малой мощности, число которых в Украине превышает 40000 единиц. На основе проведенных исследований нами предлагается проводить реконструкцию автономных угольных котельных по замещению в них угля с учетом интегральной оценки эффективности рассматриваемых технологий, экономического, экологического и социального аспектов. Благодаря проведенным разработкам открывается возможность заместить уголь в твердотопливных котлах дровами, пеллетами, брикетами биоугля из биомассы или биогазом, с соответствующей модернизацией котельной -- установлением системы автоматического регулирования объема подаваемого воздуха, а также системы очистки дымовых газов на основе батарейных циклонов для улавливания твердых частиц и повышения КПД котельного оборудования. Необходимо теоретически обосновать, разработать и внедрить систему оценки влияния природоохранных мероприятий, прежде всего в энергетике, на здоровье населения с учетом индивидуального и популяционного риска развития наиболее социально значимых видов патологиии и показателей качества жизни населения.

Ключевые слова: энергетика, угольные котлы, перевод на алтернатиыное топливо, модернизация, загрязнение окружающей среды, парниковые газы, влияние на здоровье населения, повышение потенциала здоровья, оценка эффективности



Summary

AUTONOMOUS COAL BOILERS EMISSION REDUCING IN SOLVING THE PROBLEM OF POPULATION HEALTH AND CARBON-NEUTRAL ENVIRONMENT PRESERVING

Braverman V.J., 1 Shafran L.M.2

1KVC “Renewable Energy Resources", Odessa;

2State Enterprise “Ukrainian Scientific Research Institute of Transport Medicine",

Odessa

In accordance with Ukraine's obligations to the world community in the field of environmental protection, climate preservation and reduction of greenhouse gas emissions arising from the Paris Agreement of 2015, our state in 2017 approved the document “Strategic Vision of Ukraine's Low-Carbon Future” determined its contribution to the solution of this global problem. By 2050, greenhouse gases emissions will be reduced to 35 % of the 1990 level, primarily due to the transition to an energy system that provides for the use of energy sources with a low carbon content, the development of sources of clean electricity and heat, energy efficiency and saving. These measures are designed to have a positive impact on maintaining and increasing the health potential of the country's population, which, according to WHO statistic, is one of the lowest in the world. As the analysis shows, according to official data, the mortality rate increased by 12.7 %, especially due to non-infectious pathology, among the causes of which environmental pollution and chemical exposures play a leading role. Since industrial production in the country is at a low level, the role of energy in pollution is leading. Therefore, the purpose of this work was to study the possibility and development of ways and methods to reduce the carbon load on the environment and the amount of greenhouse gas emissions during the operation of local low-power solid fuel boilers, the number of which in Ukraine exceeds 40,000. On the basis of the studies carried out, we propose to reconstruct autonomous coal-fired boiler houses to replace coal in them, taking into account the integral assessment of the effectiveness of the technologies under consideration, economic, environmental and social aspects. Thanks to the developments carried out, it becomes possible to replace coal in solid fuel boilers with firewood, pellets, biochar briquettes from biomass or biogas, with the corresponding modernization of the boiler house -- the installation of an automatic control system for the volume of supplied air, as well as a flue gas cleaning system based on battery cyclones to capture solid particles and increase Boiler equipment efficiency. It is necessary to theoretically substantiate, develop and implement a system for assessing the impact of environmental protection measures, primarily in the energy sector, on the health of the population, taking into account the individual and population risk of developing the most socially significant types of pathology and indicators of the people life quality.

Keywords: energy, coal-fired boilers, conversion to alternative fuel, modernization, environmental pollution, greenhouse gases, impact on public health, increasing health potential, efficiency assessment



Анотація

ЗНИЖЕННЯ ВИКИДІВ АВТОНОМНИХ ВУГІЛЬНИХ КОТЕЛЕНЬ У ВИРІШЕННІ ПРОБЛЕМИ ЗБЕРЕЖЕННЯ ЗДОРОВ'Я НАСЕЛЕННЯ І ВУГЛЕЦЕВОНЕЙТРАЛЬНОСТІ СЕРЕДОВИЩА

Браверман В.Я.1, Шафран Л.М.2

1КВЦ «Поновлювані енергоресурси», Одеса;

2ГП «Український науково-дослідний інститут медицини транспорту», Одеса

Відповідно до зобов'язань України перед світовою спільнотою в області захисту навколишнього середовища, збереження клімату і зниження викидів парникових газів, що випливають із Паризької угоди 2015 року, нашою державою в 2017 році був затверджений документ «Стратегічне бачення низьковуглецевого майбутнього України», яким визначено його внесок у вирішення цієї глобальної проблеми. До 2050 року викиди парникових газів будуть скорочені до 35 % від рівня 1990 року, в першу чергу, за рахунок переходу до енергосистеми, яка передбачає використання джерел енергії з низьким вмістом вуглецю, розвиток видів чистої електричної та теплової енергії, підвищення енергоефективності та енергозбереження. Ці заходи покликані позитивно впливати на збереження і підвищення потенціалу здоров'я населення країни, який за оцінками ВООЗ знаходиться на одному з найнижчих в світі. Як показує проведений аналіз, за даними офіційної статистики рівень смертності зріс на 12,7 %, особливо внаслідок неінфекційної патології, серед причин якої забруднення зовнішнього середовища і хімічної навантаженні належить провідна роль. Оскільки промислове виробництво в країні перебуває на низькому рівні, роль енергетики в забрудненні є провідною. Тому метою цього дослідження було вивчення можливості та розробка шляхів і методів зниження вуглецевої навантаження на навколишнє середовище і величини викиду парникових газів при експлуатації локальних твердопаливних котелень малої потужності, число яких в Україні перевищує 40000 одиниць. На основі проведених досліджень нами пропонується проводити реконструкцію автономних вугільних котелень із заміщення в них вугілля з урахуванням інтегральної оцінки ефективності розглянутих технологій, економічного, екологічного і соціального аспектів. Завдяки проведеним розробкам відкривається можливість замістити вугілля в твердопаливних котлах дровами, пе- летами, брикетами біовугілля з біомаси або біогазом, з відповідною модернізацією котельні -- встановленням системи автоматичного регулювання обсягу повітря, що подається, а також системи очищення димових газів на основі батарейних циклонів для уловлювання твердих частинок і підвищення ККД котельного обладнання. Необхідно теоретично обгрунтувати, розробити та впровадити систему оцінки впливу природоохоронних заходів, перш за все в енергетиці, на здоров'я населення з урахуванням індивідуального і популяційного ризику розвитку найбільш соціально значущих видів патології і показників якості життя населення.

Ключові слова: енергетика, вугільні котли, переведення на альтернативне паливо, модернізація, забруднення навколишнього середовища, парникові гази, вплив на здоров'я населення, підвищення потенціалу здоров'я, оцінка ефективності



Введение

Парижское соглашение по климату 2015 г. [1], которое ратифицировала и Украина, предусматривает пересмотр национальных планов по борьбе с изменением климата и выбросам парниковых газов (ПГ) каждые пять лет. Именно в этом контексте следует рассматривать утвержденный нашей страной в 2017 г документ «Стратегическое видение низкоуглеродистого будущего Украины» [2], которым определены ее вклад в решение этой глобальной проблемы. До 2050 года выбросы парниковых газов будут сокращены до 35 % от уровня 1990 г, в первую очередь, за счет перехода к энергосистеме, которая предусматривает использование источников энергии с низким содержанием углерода, развитие источников чистой электрической и тепловой энергии, повышение энергоэффективности и энергосбережения (цель 1). Великобритания предполагает сократить эмиссию парниковых газов в ближайшие пять лет на 68 %, Евросоюз -- на 55 %. Финляндия планирует достичь нулевого уровня эмиссии к 2030, Австрия -- к 2040, а Швеция -- к 2045 г. [3].

Наибольшую опасность в плане глобального потепления по мнению экспертов представляет СО2 [4]. Главным источником выбросов СО2 в Украине, как и других странах, является сжигание топлива (88 % от суммарных выбросов СО2) в секторе «Энергетика» [5]. Никакое другое топливо не загрязняет так атмосферу, как энергетические угли. В силу этого решать экологическую проблему в Украине без учета выбросов от локальных твёрдотопливных котельных малой мощности невозможно.

В соответствии с ч.5 ст.11 Закона Украины об атмосферном воздухе для работы котельного оборудования малой мощности (менее 50 МВт) необходимо получать разрешение на выбросы загрязняющих веществ в атмосферу стационарными источниками выбросов. Разрешение для объектов второй и третьей группы выдаются областными органами исполнительной власти. Для получения разрешения необходимо оформить ряд документов в соответствии с порядком № 302 КМУ от 13.03.2002 г. и Инструкцией №108 26.03.2006 г. Минэкологии (с 27.05.2020 -- Министерства защиты окружающей среды и природных ресурсов). В настоящее время в Украине установлено и работает свыше 40000 автономных твердотопливных угольных котельных мощностью до 500 кВт/ч. В основном они отапливают объекты в сельской местности, в том числе школы, детские сады, больницы. Эти котлы марок КТО, КСТ, КСТБ, КСГБ были спроектированы для сжигания антрацитных углей (в настоящее время используются преимущественно длиннопламенные энергетические угли). За отопительный сезон ими сжигается свыше 5 млн. тонн этих углей. При этом количество продуктов сгорания, загрязняющих атмосферу, в 4 раза превышает массу использованного топлива за счет включения в их состав азота и кислорода, а также других токсичных компонентов. Их выбросы в атмосферу 20 млн. т, в том числе СО2 -- более 10 млн. т. Если СО2 представляет ведущую угрозу в плане глобального изменения климата [6], то спектр оказывающих влияние на заболеваемость и смертность населения продуктов сгорания достаточно сложен, включает твердые частицы категории Р = 2,5 тц в диаметре, а также динамичную смесь паров и газов, начиная от серы и ее окислов и заканчивая полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), среди которых такой облигатный для человека канцероген как 1,2 -бенз-б-пирен [7-9]. Все это в значительной мере определяет риск развития широкого круга экологически обусловленной системной патологии и повышенной смертности соответствующих контингентов населения [10-12]. Тем не менее, пространственно-временные, возрастные, гендерные и другие ограничения и неопределенности, наличие разброса эпидемиологических данных оставляют проблему химической безопасности твердотопливных автономных энергетических установок до настоящего времени актуальной, как с энергетических, так и медицинских позиций.

Поэтому целью настоящего исследования явилось изучение возможности и разработка путей и методов снижения углеродистой нагрузки на окружающую среду и величины выброса парниковых газов при эксплуатации локальных твёрдотопливных котельных малой мощности для снижения риска влияния на здоровье населения и повышения химической безопасности.

Экспериментальные и технологические разработки осуществлялись на базе КВЦ «Возобновляемые энергоресурсы», а практическое изучение состояния оборудования проводили на объектах, расположенных в сельских районах Одесской области.



Результаты исследований

Полученные данные и анализ данных литературы показали, что показатели эмиссии и удельных выбросов загрязняющих веществ при эксплуатации угольных котлов довольно высоки (табл. 1) [13]

Как видно из таблицы, существует два типа выбросов, возникающих при сжигании углей загрязняющие вещества и парниковые газы. При этом выбросы загрязняющих веществ концентрируются на отдельных территориях и загрязняют землю, воду, воздух, что, прежде всего, вредит здоровью людей. А выбросы парниковых газов (ОД2) распространяются по всей планете и вызывают резкие изменения ее климата. При этом надо понимать, что мероприятия, направленные на сокращение выбросов загрязняющих веществ, не влекут за собой уменьшение выбросов СО2, а меры, направленные на сокращение выбросов СО2, всегда ведут к уменьшению объемов сжигаемого ископаемого топлива.

Влияние выбросов твердотопливных угольных котельных на здоровье

В числе выбросов особое место занимают полициклические ароматические углероды и прежде всего 1,2- бенз-б-пирен. По степени воздействия на организм 1,2-бенз-б-пирен относится к первому классу опасности (чрезвычайно опасные вещества). Имеются результаты эпидемиологических исследований, свидетельствующих о возможности 1,2 -бенз-б-пирен вызывать новообразования мочевого пузыря, желудочно-кишечного тракта, кроветворной системы, почек, гортани и полости рта. Химическая связь с нуклеотидами молекул ДНК приводит к тяжёлым видам пороков и уродств у новорождённых. Выход 1,2-бенз-б-пирена заметно уменьшается при сжигании топлива с коэффициентом полноты окисления выше 1,1 [14]. Значительная часть образовавшегося канцерогена абсорбируется на поверхности частиц сажи, в силу этого для уменьшения выбросов 1,2-бенз-б-пирена от сжигания топлива необходимо в твердотопливных котлах предусматривать устройства очистки дымовых газов от твердых частиц сажи.

Таблица 1 Выбросы загрязняющих веществ при эксплуатации угольных котлов [13]

Пока затель	NOx	SO2	CO	CO2	N2O	CH4	Тв. в-ва	Тяжелые металлы
								Hg	As	Pb	Cr	Cu	Ni	Zn
і	408	20274	121	93409	1,4	1,0	138,9	0,004	0,08	0,06	0,03	0,04	0,04	174
2	9,2	458	2,7	2х105	0,03	0,02	3,2	9х 10-5	1,7х 10-3	1,3х 10-3	6,1х 10-4	9,7х 10-4	9,9х 10-4	-
3	0,014	0,705	4,2х 10-3	3,3	4,9х 10-5	3,5х 10-5	4,8х 10-3	1,4х 10-7	2,6х 10-8	2,0х 10-8	9,4х 10-7	1,5х 10-8	1,5х 10-8	6,0х 10-3

Примечания: 1-эмиссия в г/ГДж; 2-выброс на 1 т сжигаемого топлива, кг/т; 3-выброс на 1ГДж, кг/ГДж

Большой объем и разнообразие вредных выбросов при сжигании угля приводит к росту числа самых разнообразных заболеваний и, прежде всего:

системной сердечно-сосудистой патологии;

острых и хронических заболеваний дыхательных путей;

онкологических заболеваний.

Вероятность возникновения заболеваний раком легких до 70-80 % зависит от внешней среды, и прежде всего, от увеличения в атмосферном воздухе ПАУ, являющимися опасными канцерогенами, как уже было указано по поводу 1,2-бенз-б-пирена.

Согласно исследованию, опубликованному в британском медицинском журнале по кардиологии European Heart Journal 12 марта 2019 года, ежегодно от загрязнения воздуха в мире умирает больше людей, чем от курения. По данным ВОЗ по состоянию на 2017 год Украина -- первая в мире по количеству смертей от загрязнения воздуха по отношению к общему числу жителей [15]. Все это является основанием для проведения мер по реконструкции котлов как основы повышения потенциала здоровья населения.

Декарбонизация систем автономного теплообеспечения

Нами предлагается проводить реконструкцию автономных угольных котельных по замещению в них угля с учетом интегральной оценки эффективности рассматриваемых технологий. При этом необходимо учитывать, как экономический, так и экологический и социальные аспекты. Разработано три варианта замещения угля, как оставляя котел твердотопливным, так и с переоборудованием его в газовый:

Заменить уголь в твердотопливных котлах дровами, пеллетами или брикетами из биомассы с соответствующей модернизацией котельной и установлением системы автоматического регулирования объема подаваемого воздуха, а также системой очистки дымовых газов на основе батарейных циклонов для улавливания твердых частиц и повышения КПД котельного оборудования.

Использовать вместо угля в твердотопливных котлах биоуголь из растительной биомассы.

Заменить уголь биогазом

Как уже отмечалось выше, Парижское соглашение 2015 года предусматривает создание к 2050 году климатически нейтрального общества. Программу одобрили 195 стран, в том числе Украина. Основная цель соглашения ограничить рост глобальных температур и сократить антропогенные выбросы CO2. Подразумевается переход к экономической системе, которая устойчиво сокращает и компенсирует выбросы углекислого газа. Долгосрочная цель заключается в создании глобальной экономики, свободной от выбросов CO2. В качестве альтернативного топлива большинство стран предлагают использовать водородные технологии для декарбонизации экономики с целью достичь углеродной нейтральности и выполнить обязательства, взятые перед международным сообществом. Водородная стратегия составляет неотъемлемую часть Европейского зеленого соглашения. Эта масштабная инициатива призвана превратить Европу в первый климатически нейтральный континент. Для этого ЕС планирует сокращать количество углеродных выбросов на 100 млн. т ежегодно и в конце отказаться полностью от ископаемых источников топлива. ЕС на своем заседании 09.06.2020 определил Украину, учитывая ее природные ресурсы, взаимосвязанность инфраструктуры и технологическое развитие, своим приоритетным партнером в реализации Европейской водородной стратегии и поставке новейшего энергетического ресурса на Европейский рынок.

В развитие Парижского соглашения в Украине принят Национальный план по сокращению выбросов в атмосферу от крупных сжигающих установок номинальная тепловая мощность которых составляет 50 МВт и более. В соответствии с ч.5 ст.11 Закона Украины об атмосферном воздухе для работы котельного оборудования малой мощности (менее 50 МВт) необходимо получать разрешение на выбросы загрязняющих веществ в атмосферу стационарными источниками.

При интегральной оценке эффективности внедряемых технологий необходимо учитывать экономический, экологический и социальные аспекты.

Экономический эффект складывается из затрат, необходимых для переоборудования твердотопливных котельных, стоимости нового топлива (включая затраты на его доставку) и стоимости реализации тепла.

Экологический эффект от применения данных технологий -- это стоимостная оценка отвлеченного экологического ущерба от загрязнения природной среды (атмосферного воздуха, водных, почвенных и земельных ресурсов). Этот аспект интегральной оценки технологий соответствует требованиям Европейского Союза по верификации экологических технологий (ETV). Экологической является такая технология, которая создает экологическую добавленную стоимость и / или измеряет экологические параметры.

Социальный эффект -- это, прежде всего, снижение заболеваемости населения вследствие экологической нормализации условий жизнедеятельности человека.

Наиболее прогрессивным способом решения проблемы отопления, а заодно и кондиционирования, с экологической точки зрения был бы переход на альтернативное отопление с использованием солнечной, аэро- и гидротермальной энергии (солнечных панелей и тепловых насосов), а также электрическое (в том числе индукционное) отопление. Такое решение имеет много преимуществ и только один недостаток -- оно очень затратное и сегодня для бюджета Украины почти неосуществимое.

Более приемлемым бюджетным вариантом является переход к отоплению школ, детских учреждений, больниц другими видами твердого топлива только за счет незначительной реконструкции действующих котельных:

дровами и различными видами биомассы, а также пеллетами и брикетами из биомассы;

биоуглем из углеродосодержащих отходов.

Также небольшой реконструкцией можно перевести твердотопливные котлы на сжигание биогаза и биометана. Использование в чистом виде таких газов как водород и пропан-бутан, имеющих высокую температуру горения свыше 2000 0С, требует существенной переделки твердотопливных котлов, что также связано с большими затратами.

Замещение угля дровами и различными видами биомассы.

В таблице 2 приведен в сравнительном плане компонентный состав некоторых видов деревьев и биомассы.

Как видно из таблицы 2 химический состав сельскохозяйственных отходов и древесины достаточно однороден и отличается только соотношением основных компонентов. Энергия биомассы может конвертироваться в удобные для практического применения виды энергии путем прямого сжигания, газификации и пиролиза.

Прямое сжигание биомассы является наибольшим источником загрязнения атмосферного воздуха во многих районах мира, как в развитых, так и в развивающихся странах [16]. Сегодня оно обусловливает выбросы 32 % оксида углерода, 20 % твердых частиц, 50 % канцерогенных ПАУ.

Таблица 2 СТЄ Основные энергосодержащие компоненты субститутов котельного угля

Вид сырья	Содержание основных компонентов, %
	Гемицеллюлоза	Целлюлоза	Лигнин	Всего
Солома пшеницы	18,1	29,0	27,4	74,5
Солома риса	26,0	40,8	17,9	84,7
Солома ржи	27,0	37,0	5,0	69,0
Стебли кукурузы	32,6	33,5	11,0	77,1
Кукурузная кочерыжка	37,7	33,5	15,1	86,3
Сосна	17,8	47,8	19,7	85,3
Лиственница	24,8	37,6	24,6	87,0
Береза	26,5	39,4	19,7	85,4
Осина	20,3	44,0	21,8	86,1

В случае использования пеллет и брикетов из отходов сельскохозяйственной деятельности котельное оборудование должно быть модифицировано также, как и при сжигании дров. Кроме того, для сжигания пеллет котел должен быть дооборудован системой автоматической подачи.

Таким образом, совокупные затраты складываются из затрат на изготовление либо покупки топлива, его транспортировки, а также существенного дополнительного дооборудования котельной бункером и шнековым механизмом. Также следует заметить, что в некоторых случаях в существующих котельных просто недостаточно места для установления бункера со шнековым механизмом для подачи пеллет. И главное, при таком замещении также решается лишь задача утилизации загрязняющих веществ. Задача сокращения выбросов в атмосферу не решается. Существует распространенное заблуждение, что дрова и биомасса СО2 нейтральное топливо. Оно основано на том, что деревья и биомасса при своем ропотребляют столько углекислого газа, сколько выделяется при их сжигании. Однако с точки зрения влияния вредных выбросов на здоровье людей эти топлива крайне опасны. Тем не менее, никакое топливо не загрязняет так атмосферу, как энергетические угли. В силу этого решать экологическую проблему в Украине без учета выбросов от локальных твёрдотопливных котельных малой мощности невозможно. Не случайно, экологическим законодательством Дании еще в 2010 году запрещено создание новых котельных мощностью до 5 МВт для сжигания всех видов углей. Правительство Германии решило к 2038 году прекратить использование угля в электроэнергетике. Уже в 2022 году общая мощность угольных электростанций сократится на четверть

При выборе лучшей прогрессивной технологии замещения природного угля в твердотопливных котельных необходимо исходить из их интегральной оценки для получения экономического, экологического и социального эффекта.

Экономический эффект складывается из затрат, необходимых для переоборудования твердотопливных котельных, стоимости нового топлива (включая затраты на его доставку) и стоимости реализации тепла.

Экологический эффект от применения данных технологий -- это стоимостная оценка отвлеченного экологического ущерба от загрязнения природной среды (атмосферного воздуха, водных, почвенных и земельных ресурсов). Этот аспект интегральной оценки технологий соответствует требованиям Европейского Союза по верификации экологических технологий (ETV). Экологической технологией считается такая технология, которая создает экологическую добавленную стоимость и / или количественно оценивает экологические параметры.

Социальный эффект -- это, прежде всего, снижение заболеваемости населения вследствие экологической нормализации условий жизнедеятельности человека.

Целевой группой Европейской экономической комиссии по техникоэкономическим вопросам Организации Объединённых Наций в марте 2019 году был подготовлен и утвержден «Кодекс надлежащей практики в области сжигания твердого топлива и малых установок для сжигания на основе наилучших имеющихся методов» [17]. В Кодексе указывается, что неполное сжигание твердого топлива приводит к выбросам монооксида углерода (СО), дисперсного вещества, включая черный углерод, несгоревшие углеводороды, ПАУ (включая бензапирен), а также стойкие органические загрязнители в виде диоксинов, фуранов и гексахлорбензола. Основными причинами неполного сгорания являются недостаточное смешивание воздуха с толивом в топочном пространстве, недостаток кислорода, низкие температуры и короткое время горения, малый КПД котла.

Рис. 1. Влияние температуры горения топлива на выброс загрязняющих

В документе ООН «Руководящий документ по наилучшим имеющимся методам ограничения выбросов стойких органических загрязнителей из крупных стационарных источников» [18] также указывается, что «эффективными методами уменьшения выбросов загрязняющих веществ веществ также являются модификация процесса сжигания и его дополнение вторичными мерами для очистки топочных газов». Модификация технологии сжигания в соответствии с рекомендациями ООН [18] предусматривает:

Повышение КПД котельного оборудования;

Поддержание температуры горения на уровне 800 - 8500 С и равномерный прогрев топочного газа;

Обеспечение достаточного уровня содержания кислорода; контроль за подачей кислорода в зависимости от теплотворности и консистенции загружаемого материала;

Обеспечение достаточного времени пребывания топлива в котельной установке и достаточной турбулентности т.е. более 2 секунд пребывания при температуре свыше 8500С.

Меры по очистке топочных газов включают установление фильтров, к которым относятся сухие либо мокрые циклоны, тканевые либо электростатические фильтры,

На рис. 1 [19] представлена динамика уменьшения выбросов загрязняющих веществ в зависимости от темпе ратуры горения. Существенное снижение выбросов ПАУ (включая бензапирен), твердых частиц, оксидов углерода достигается при температурах горения от 800 до 11000С. Вместе с тем, с ростом температуры горения увеличиваются выбросы оксидов азота.

При выборе наилучшей технологии очистки дымовых газов с точки зрения их влияния на здоровье необходимо учитывать, прежде всего, степень пылеулавливания частиц различных размеров. Также следует учитывать возможную температуру дымовых газов и гидравлическое сопротивление выбираемого устройства очистки. В [17] приведена таблица сопоставление различных технологий очистки с учетом этих параметров.

Характеристики сухих механических пылеуловителей

С учетом простоты обслуживания неквалифицированным пользователем, нами предлагается для систем очистки дымовых газов от твердотопливных котлов использовать сухие батарейные циклоны. Уровень очистки дымовых газов при использовании таких циклонов составляет от 95 % до 98 %. энергия углерод парниковый газ

Таким образом, сжигание дров и различных видов биомассы вместо угля в твердотопливных угольных котлах возможно только при условии наличия автоматической системы регулирования уровнем подачи воздуха, которая может обеспечить полноту сгорания топлива и заданный КПД работы котельного оборудования. Также необходимо дооборудовать котельные системами улавливания загрязняющих веществ батарейными циклонами.

Рис. 2. Схема модернизации котельной установки для улавливания СО2 из дымовых газов

Однако при этом не решается проблема утилизации парникового газа СО2 Для удаления CO 2 из дымовых газов необходимо использовать дополнительную очистку. В настоящее время в связи с актуальностью этой проблемы разработано большое число различных технологий улавливания углекислого газа из дымовых газов. Можно указать на некоторые наиболее распространённые:

активированным углем;

использование различных аминов, чаще всего моноэтаноламина;

оксидов кальция (негашёная известь) или гидроксидов;

щелочным раствором NaOH (каустическая сода).

Нами предлагается для улавливания углекислого газа из дымовых газов использовать сорбент- активированный уголь (рис. 2).

Возникающая в этом случае проблема регенерации отработанных активированных углей, в силу ее сложности, должна решаться централизовано для автономных твердотопливных котельных в рамках одного административного района (территориального объединения) [18]. Парниковые газы CO, CO2, CH4 -- основные продукты парниковых газов выделяются из сорбента при его нагревании до 350-600°С и промывки перегретым паром. Стоимость такой регенерации составляет 50 % стоимости нового активного угля. Вместе с тем такая технология очистки и регенерации позволяет в рамках объединения получать компенсацию за уменьшение выбросов парниковых газов. Существует практика продажи выбросов парниковых квот от нескольких объектов, объединённых одной программой. Стоимость квот на выбросы CO2 выросла и в 2020 году составила 26 евро за тонну.

Замещение угля биоуглем

Наибольшее промышленное развитие сегодня получили технологии извлечения из всех фракций биомассы 95 % углерода с получением биоугля. К таким технологиям относятся, прежде всего, технологии мягкого пиролиза биомассы -- Карбонизация или Торре- фикация.

Торрефикация -- мягкий пиролиз растительной биомассы, т. е. процесс термохимического преобразования растительных материалов при температуре от 300ЪС до 500ЪС и медленном нагреве без доступа воздуха или, простыми словами, обжаривание. По сравнению с ископаемым углем у биоугля есть целый ряд преимуществ [20]:

- отсутствует эмиссия СО2;

металлов;

низкая эмиссия NOx;

высокая теплотворная способность (25-30 МДж / кг);

высокая температура плавления золы (1400 ° C) обеспечивает устранение проблем, связанных с спеканием биомассы и образованием шлаков в котлах;

высокая энергетическая плотность, благодаря которой снижаются транспортные расходы, нужно меньшие объемы складских помещений;

возможность длительного хранения без изменения свойств;

высокая гидрофобность, что позволяет обходиться без особого режима хранения.

Для выполнения экологических требований по защите окружающей среды от выбросов при производстве биоугля разработаны барабанные печи непрерывной карбонизации. Непрерывная печь карбонизации экологического типа использует очищенные дымовые газы, возникающие в процессе карбонизации, как горючий газ для сгорания и повторного использования. Типичная схема карбонизации биомассы представлена на рис. 3. [13].

Рис. 3. Процесс карбонизации биомассы для производства биоугля



Стоимость непрерывной печи карбонизации экологического типа производительностью 1 т/час в зависимости от производителя колеблется от $40 тыс. до $100 тыс. Замещение природного угля биоуглем из отходов сельскохозяйственной деятельности является более затратным, чем простая модернизация, однако имеет ряд существенных преимуществ:

- решается задача утилизации как вредных веществ, так и парниковых газов;

на местах в школах, детских дошкольных учреждениях где установлено котельное оборудование не надо проводить никаких дополнительных работ;

решается задача утилизации остатков сельскохозяйственной деятельности, которые сейчас зачастую просто сжигаются, загрязняя атмосферу.

Из 5,8 млн. т биомассы могут быть получены 2 млн. т биоугля из требуемых для замещения угля массой 5 млн. т.

Замещение углей биогазом

В настоящее время в Украине стремительно развивается строительство биогазовых станций. По состоянию на 2019 год построено и введено в эксплуатацию 46 биогазовых станций общей установленной мощностью 72 МВт. Биогаз состоит на 60--87 % из метана, 13--40 % CO2, с незначительными примесями H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Биометан -- является полным аналогом природного газа, его удельная теплота сгорания составляет 60-70 % энергетической ценности природного газа, или 7000 ккал на м3.

Состав биогаза сильно зависит от исходного сырья и соблюдения технологического процесса. Биогаз, получаемый из отходов, может содержать азот, сероводород и другие элементы, в том числе воду и твердые частицы. Эти примеси, кроме того, что снижают теплоотдачу, вызывают коррозию и преждевременный износ оборудования.

Для сжигания биогаза в твердотопливный котел необходимо установить специальную горелку. Конструкция этих горелок разработана в Институте газа НАН [21]. При сжигании биогаза образовываются СО2, О2 и вода, кроме того, еще образовываются вредные газы, такие как СО, NO и NO2, SO2, формальдегид и углеводороды. Это приводит к необходимости расходования значительных средств на очистку уходящих газов. В настоящее время себестоимость производства биометана является высокой, минимальный уровень цены в 300-400 евро за тысячу куб. м можно достичь в случае использования бесплатного или очень дешевого сырья. В силу этого в настоящее время Биоэнергетическая ассоциация Украины выступила с инициативой распространить на применение биометана «зеленый тариф».



Выводы

Работающие в Украине автономные угольные котельные в процессе эксплуатации являются источником интенсивного загрязнения окружающей среды парниковыми газами и представляют риск для здоровья и химической безопасности населения.

Выделяемые в атмосферу и загрязняющие территорию и водоемы токсичные продукты являются одной из причин системной патологии у людей и негативно влияют на показатели смертности населения, что вызывает необходимость отказа от применения угля, экономически выгодно с учетом минимально необходимой модернизации оборудования при переходе на альтернативные виды топлива.

Дополнительной причиной ухода от угля является экологический налог на выбросы, который из года в год будет расти. С 1 января 2019 года в Украине размер налога на выбросы СО2 был увеличен в 25 раз -- с $0,016 до $0,394.

Следует также учитывать, что Верховная Рада Украины в декабре 2019 года приняла закон «Об основах мониторинга, отчетности и верификации выбросов парниковых газов». Закон должен заработать с января 2021 года. Принятие законопроекта стало первым этапом внедрения торговли парниковыми квотами в Украине [22].

В октябре 2019 года, в Госэнерго- эффективности [23] был разработан механизм государственной поддержки предприятий, которые должны вкладывать средства в охрану окружающей среды. Его суть состоит в компенсации части кредита, предоставляемого предприятию на внедрение энергоэффективных технологий. При этом размеры компенсаций определены в соответствии с размерами самих предприятий в процентах от общей стоимости проектов: для малых -- 50 %, средних -- 40 %, крупных -- 30 %. Кроме того, установлены и предельные суммы возмещения: для малых предприятий -- $40 тысяч, средних -- $100 тысяч, больших -- $200 тысяч. Компенсацию сможет получить любое предприятие, являющееся плательщиком налога на выбросы СО2, которое после реализации проектов по повышению энергоэффективности проведет энергоаудит или внедрит систему энергоменеджмента.

Работа по модернизации автономных котельных будет существенным вкладом Украины в реализацию целей Парижского соглашения и документов ООН по устойчивому развитию.



Литература / References

1. Paris agreement. -- N-Y: United Nations, 2015. -- 25 p.

2. Cтратегія низьковуглецевого розвитку України до 2050 року. -- К., 2017. -- 53 с. / Ukraine's low-carbon development strategy until 2050. -- К., 2017. -- 53 p. [ukr]

3. Чем закончился виртуальный саммит по климату и что дальше? / Служба новостей ООН, 2020. -- 13.12.2020.

4. Gohar LK, Shine KP Equivalent CO2 and its use in understanding the climate effects of increased greenhouse gas concentrations. Weather. 2007 Nov; 62 (11): 307-11.

5. УкрНДГМІ «Шосте національне повідомлення України з питань зміни клімату» 2013р.

6. / UkrNDGMI “Sixth National Communication of Ukraine on Climate Change” 2013

7. Anderson T.R. CO2, the greenhouse effect and global warming: from the pioneering work of Arrhenius and Callendar to today's Earth System Models / T.R. Anderson, E. Hawkins, P.D. Jones / Endeavour., 2016. -- Vol. 40. -- Iss. 3. -- P 178-187.

8. McGowan J.A Particulate air pollution and hospital admissions in Christchurch, New Zealand / J.A McGowan, PN. Hider, E. Chacko, G.I. Town // Aust. N. Z. J. Public Health, 2002. -- Vol. 26. -- Iss. 1. -- P 2329.

9. Occupational exposure to diesel exhausts and risk for lung cancer in a population- based case-control study in Italy / Richiardi, L.; Mirabelli, D.; Calisti, R. et al. // Ann. Oncol., -- Vol. 17. -- Iss. 12. -- P 18421847.

10. Molnar P. Contribution to PM (2.5) from domestic wood burning in a small community in Sweden / P Molnar, G. Sallsten // Env. Sci. Process Impacts, 2013. -- Vol.15. -- Iss. 8. -- P: 833-838.

11. Parent, M.E. Exposure to diesel and gasoline engine emissions and the risk of lung cancer / M.E. Parent, M.C. Rousseau, Р Boffetta, А. Cohen, J. Siemiatycki // Amer. J. Epidemiol., -- Vol. 165. -- Iss. 1. -- P 53-62.

12. Associations between particulate matter elements and early-life pneumonia in seven birth cohorts: Results from the ESCAPE and TRANSPHORM projects / E. Fuertes, E. MacIntyre, R. Agius et al. // Int. J. Hyg. Environ. Health, 2014. -- Vol. 217. -- Iss. 7. -- P. 819-829.

13. Wyzga R.E., Rohr AC. Long-term particulate matter exposure: Attributing health effects to individual PM components / R.E. Wyzga, AC. Rohr // J. Air Waste Manag. Assoc., 2015. -- Vol. 65. -- Iss. 5. -- P 523-543.

14. Характеристика продуктов сгорания выб расываемых котельными в атмосферу.

15. Characteristics of combustion products emitted by boiler houses into the atmosphere.

16. К вопросу о патогенном действии бензапирена, как загрязнителя окружающей среды (обзор).

17. On the pathogenic effect of benzopyrene as an environmental pollutant (review).

18. ВОЗ: Украина -- лидер по числу смертей на душу населения от загрязнения воздуха. Электронный ресурс: https: //112.ua/ obshchestvo/voz-ukraina-lider-po-chislu- smertey-na-dushu-naseleniya-ot- zagryazneniya-vozduha-342287.html / WHO: Ukraine is the leader in the number of deaths per capita from air pollution.

19. Жовмир Н.М. ИТТ НАН Украины «Анализ нормативных требований к эмиссии загрязняющих веществ при сжигании биомассы»

20. “Analysis of regulatory requirements for the emission of pollutants during the combustion of biomass”

21. Целевая группа Европейской экономической комиссии по технико-экономическим вопросам Организации Объединённых

22. Наций «Кодекс надлежащей практики в области сжигания твердого топлива и малых установок для сжигания» 2019г. Электронный ресурс: ECE/EB.AIR/WG.5/ 2019/4 /

23. United Nations Economic Commission for Europe Task Force on Technical and Economic Issues of the United Nations Code of Good Practice for Solid Fuel Combustion and Small Combustion Plants 2019

24. Организация Объединённых Наций, Целе вая группа Европейской экономической комиссии по технико-экономическим вопросам «Руководящий документ по наилучшим имеющимся методам ограничения выбросов стойких органических загрязнителей из крупных стационарных источников.» ECE/EB.AIR/WG.1/2009/14 / United Nations, Economic Commission for Europe Task Force on Techno-Economic Issues “Guidance document on best available techniques for controlling emissions of persistent organic pollutants from large stationary sources.” ECE/EB.AIR/WG. 1/ 2009/14 [rus]

25. Варламов Г.Б, Экономические и экологические аспекты использования биомассы в процессе энергопроизводства / Г.Б. Варламов, К.О. Романова, Ч. Вэйце, А.Ю. Магера. -- Друкується за постановою вченої ради УКРНДІЕП.: // Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення: зб. наук. статей XVI Міжнародної науково- практичної конференції (м. Харків, 14-18 вересня 2020 р.) / УКРНДІЕП. -- ПП «Стиль-Іздат», 2020. -- С. 58-68. Varlamov GB, Economic and ecological aspects of using biomass in the process of energy production / GB Varlamov. Варламов, К.О. Romanova, C. Weitz, AYu. Magera -- Published by the decision of the Academic Council of UKRNDIEP: // Ecological safety: problems and solutions: coll. Science. Articles of the XVI International Scientific and Practical Conference (Kharkiv, September 14-18, 2020) / UKRNDIEP. -- PE “Style- Izdat”, 2020. -- P 58-68. [ukr]..

26. Передерій С. Біовугілля -- нове або добре забуте старе? Відродження гідротермальної карбонізації біомаси в Європі / ЛесП- ромІнформ. -- 2014. -- №3 (101)./ 12. Perederiy S. Biochar -- new or well-forgotten old? Revival of hydrothermal carbonization of biomass in Europe / LesPromInform. -- 2014. -- № 3 (101).[ukr]

27. Сигал И.Я., Смулиха А.В. и др.... «Экспериментальное исследование биогаза как топлива для котлов». Журнал «Энерготехнологии и Энергосбережение», 2013 -- № 5.

28. Sigal I.Ya., Smulikha A.V. and etc.. “Experimental study of biogas as a fuel for boilers.” Energy Technologies and Energy Saving Magazine, 2013. -- No. 5 [rus]

29. Кудрина H. «Триллионы долларов из чистого воздуха».

30. Герасимова E. «Эконалог (не) в помощь: почему в Украине не уменьшаются выбросы СО2 в атмосферу»

31. Gerasimova E. “Eco-tax (not) to help: why Ukraine does not reduce CO2 emissions into the atmosphere”

Размещено на Allbest.ru

...