Особенности выбросов углекислого газа и потребление

УДК 661.97
М.А. Елекеев, А.В. Барвинов, З.А. Естемесов
ОСОБЕННОСТИ ВЫБРОСОВ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА
ПРИ СЖИГАНИИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА
Рассмотрены различные аспекты проблем, связанных с геоэкологией. Приведены расчеты
при сгорании кислорода на один килограмм твёрдого или жидкого топлива. Установлена
закономерность образования двуокиси углерода. Проведен сравнительный анализ с другими
литературными источниками. Сделаны выводы по экологии Казахстана.
Кроме выбросов в атмосферу четырех главнейших аэрополлютантов: золы, окислов азота,
двуокиси серы и окиси углерода, теплоэнергетические предприятия оказывают огромное
негативное воздействие на атмосферу в результате образования колоссальных выбросов главного
парникового газа – двуокиси углерода СО2, а также в результате сжигания в топках огромных
количеств кислорода воздуха. Этот процесс ведет к существенному искажению существующего на
протяжении миллионов лет круговорота веществ в природе и, прежде всего, углерода и кислорода.
Так, по данным многочисленных измерений установлено, что если в 1956 г. концентрация
углекислого газа в воздухе по объему составляла 0,028%, то в 1985 г. – она возросла до 0,034%. В
настоящее время в атмосферу выбрасывается более 25 млрд. т СО2, при этом 45% дало сжигание
угля, 40% - нефти, 15% - газа. Вклад различных регионов мира в этот процесс следующий, %:
США – 23; СНГ – 19; Западная Европа – 14; Восточная Европа – 7; Китай – 9; прочие страны – 28.
Согласно расчетам при таких темпах годовое потепление для суши составляет 1 ккал/см2 в
год. Исходя из этого, к 2025 г. вероятное повышение средней глобальной температуры составит
2,50С, а к 2050 г. – 3…40С. Изменение кислородного баланса в сторону уменьшения его
количества обусловлено, с одной стороны, сокращением его поступления от природных
источников, представленных зелеными растениями, с другой, неуклонным увеличением его
потребления.
Основными причинами сокращения поступления кислорода в атмосферу являются
интенсивное загрязнение вод Мирового океана и уменьшение общей площади лесных массивов.
Увеличение потребления кислорода связано с ростом населения земного шара, а также с
широким внедрением технологических процессов, в которых окислительные реакции
осуществляются за счет атмосферного воздуха. За последние 25…30 лет транспорт и
промышленность взяли из атмосферы больше кислорода, чем использовано человечеством за весь
исторический период его существования. Только в США автомобили потребляют кислорода в 2
раза больше, чем его регенерирует природа на всей территории штатов, а на всю техногенную
деятельность человечество тратит 30…40 млрд. т. кислорода в год.
Нарушение кислородного баланса будет иметь глобальные негативные последствия.
Подсчитано, что при 5%-ном ежегодном приросте потребления свободного кислорода на
технологические нужды более чем через 100 лет его содержание в атмосфере может снизиться до
критического для человека предела – до 17% по массе.
По данным инвентаризации 1990 г., проведенной в связи с ратифицированием в 1995 г.
Рамочной Конвенции по Изменению Климата (РКИК), суммарные выбросы парниковых газов в
Казахстане составили более 200 млн. т. СО2-эквивалента. Основным их источником является
энергетика, а сжигание угля обусловливает 2/3 эмиссий СО2 [1].
В инвентаризации рассчитывали выбросы шести парниковых газов и групп соединений:
диоксида углерода (СО2), метана (СН4), закиси азота (N2O), окиси углерода (СО), окислов азота
(NOx), а также неметанных летучих органических соединений (НЛОС). Диоксид углерода, метан и
закись азота – это парниковые газы прямого действия, остальные газы и группы имеют косвенный
парниковый эффект.
В результате сделанных расчетов было установлено, что всего в 1990 г. в атмосферу было
выброшено 241 млн. т СО2-эквивалента, 38,8% эмиссий обеспечила энергетика, на долю
двигателей внутреннего сгорания, промышленности и жилищно-коммунального сектора пришлось
соответственно 13,6, 13,5 и 12,9% выбросов парниковых газов. Остальные источники, прежде
всего топливная промышленность и сельское хозяйство, ответственны за 21,2% эмиссий
парниковых газов с прямым эффектом.
Суммарные эмиссии всех парниковых газов и СО2 составили 240780,6 и 194477,0 тыс. т СО2
– эквивалента соответственно.
Эмиссия диоксида углерода от энергопредприятий составила 93159 тыс. т, при этом доля
угля – 80,9%, мазута и газа соответственно 9,7 и 9,4%. Использование ископаемого топлива для
нужд населения привело к выбросу 31171 тыс. т диоксида углерода, причем 86,5% эмиссий
произошло при сжигании угля, 6,9% - газа, 4,95% – мазута и 1,7% - другого углеводородного
топлива. Поглощение диоксида углерода зеленой массой в 1990 г. составило 4627 тыс. т, из них
4011 тыс. т. – лесами, что составило 2,1% суммарных выбросов [1].
Из приведенных данных нетрудно высчитать, что доля углекислого газа в выбросах шести
парниковых газов составила 80,7%. Из них на долю теплоэнергетики (энергетики и жилищнокоммунального хозяйства) пришлось 63,9%, доля угля в которой составила 82,3%, мазута – 8,5%,
газа – 8,8% суммарных годовых выбросов углекислого газа. Также легко высчитать, какую часть
могла бы связать за год зеленая масса, если бы поглощала углекислый газ, образованный
выбросами только теплоэнергетики, энергетики и жилищно-коммунального хозяйства. Эти цифры
соответственно составят: 3,7, 5,0 и 14, 8%.
Эти цифры можно рассматривать как очень тревожные. Природа Казахстана как
малолесистой страны не способна справиться с техногенными выбросами двуокиси углерода,
большая часть которых принадлежит теплоэнергетическому комплексу. Это делает проблему
поиска снижения выбросов углекислого газа очень острой и настоятельной. Очевидны меры по
широкому внедрению использования возобновляемых энергетических ресурсов, не приводящих к
выбросам двуокиси углерода. Однако это внедрение сдерживается рядом объективных причин,
таких, как отсутствие опыта эксплуатации подобных технологий, трудности в привлечении
инвестиций, отсутствие привлекательной налоговой и правовой базы.
Многие из авторов считают, что одним из основных мероприятий в этом направлении может
стать переход на широкое использование газового топлива вместо применения твердого и
жидкого.
В предыдущих разделах уже было установлено, что применение газа на ТЭЦ вместо угля и
мазута позволяет практически полностью исключить негативное воздействие на атмосферу таких
аэрополлютантов, как зола, двуокись серы и оксид углерода, т.к. единственным загрязнителем
воздуха при использовании газа является оксид азота. Было также показано, что и в отношении
этого аэрополлютанта при выработке теплоэнергетическими предприятиями, работающих на трех
различных видах топлива, одинаковых количеств энергии, выбросы окислов азота при
использовании газа в 1,2 и 2,2 раза ниже, чем в случае применения мазута и угля.
Поэтому было бы интересно сравнить поведение ТЭЦ, использующих различные типы
топлива, в отношении образования выбросов углекислого газа и сжигания кислорода.
Для этого в расчетах использовали следующие положения [2].
Сгорание кислорода. Известно, что при горении из воздуха используется только кислород.
Для полного сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива требуется кислорода, кг/кг:
р
2,67С р + 8Н р + S р - О
GО2 =
,
100
(1)
где С р, Н р, S р и О р – содержание углерода, водорода, серы и кислорода в топливе, %.
Учитывая, что в сухом воздухе содержится 23% кислорода по массе, количество воздуха,
расходуемое при полном сжигании 1 кг топлива, составит, кг:
р
2,67С р + 8Н р + S р - О
L0 =
,
0,23 ×100
(2)
Расход воздуха принято измерять в объемных единицах – кубических метрах. Приняв
плотность воздуха при нормальных условиях равной 1,293 кг/м3, объем воздуха для сжигания 1 кг
топлива будет равным, м3/кг:
Vo =
L0
.
1,293
(3)
Для полного сгорания газообразного топлива теоретически необходимое количество воздуха
будет равным, м3/м3:
Vo = 0,0476 . [0,5СО + 0,5 Н 2 + 1,5Н 2 S +
n
å (m + 4 )C
m
H n - O2 ] ,
(4)
где
n
å (m + 4 )C
m
H n - различные углеводороды, входящие в состав газа, %.
В сравнении использовали ранее примененные данные состава Карагандинского угля,
Орского мазута и Жанажольского газа.
Количество кислорода, необходимое для полного сжигания 1 кг Карагандинского угля,
составило:
GО2 =
2,67 × 85,6 + 8 × 5,2 + 1 - 6,9
= 2,64 кг/кг,
100
Количество кислорода, необходимое для полного сжигания 1 кг орского мазута, составило:
GО2 =
2,67 × 86,47 + 8 × 11,01 + 2,26 - 0,51
= 3,21 кг/кг.
100
Так как в составе Жанажольского газа отсутствуют окись углерода, водород, сероводород и
кислород, то расчет объема воздуха, необходимого для сжигания 1м3 газа, сводится к определению
n
å (m + 4 )C
m
Hn :
é
ë
4
4
6
4
8
4
Vo = 0,0476 . ê(1 + ) × 43,2 + ( 2 + ) × 14,5 + (3 + ) × 19,0 + ( 4 +
10
12
) × 7,9 + (5 + ) × 4,9] =
4
4
= 15,36 м3/м3.
Количество воздуха в единицах массы, необходимое для сжигания 1 м3 газа, составит:
L0 = 15,36 . 1,293 = 19,86 кг/м3.
А количество кислорода в единицах массы, необходимое для сжигания 1м3 газа, составит:
GО2 = 19,86 . 0,23 = 4,57 кг/м3.
Учитывая, что плотность газа равна 1,122 кг/м3 количество кислорода в единицах массы,
необходимое для сжигания 1 кг газа, кг/кг, будет:
GО2 = 4,57 / 1.122 = 4,07 кг/кг.
Таким образом, потребуется 2,64; 3,21 и 4,07 кг кислорода при сжигании 1 кг
соответственно Карагандинского угля, Орского мазута и Жанажолльского газа.
Для приведения количества топлив трех видов к одному уровню энерговыделения
воспользовались переводными коэффициентами 1,7685 применительно к углю и 1,0122 –
применительно к газу, которые были вычислены нами. Тогда для угля и газа количество
кислорода соответственно будет равно:
2,64 . 1,7685 = 4,67 кг/кг;
4,07 . 1,0122 = 4,12 кг/кг.
Учитывая, что коэффициент избытка воздуха при сжигании угля больше, чем при сжигании
мазута и газа, и, чаще всего, составляет соответственно α = 1,15 и α = 1,05 определили:
GО2 угля = 5,37 кг/кг;
GО2 мазута =3,37 кг/кг;
GО2 газа = 4,33кг/кг.
Таким образом, при обеспечении равного энерговыделения при сжигании мазута по
сравнению с углем сгорает в 1,6 раза, а при сжигании газа – в 1,24 раза меньше кислорода воздуха.
Образование двуокиси углерода. Для сравнения выбросов СО2 при сжигании трех видов
топлив с условием равного энерговыделения, воспользовались значениями содержания углерода в
карагандинском угле и орском мазуте. А для определения процентного содержания углерода в
составе газа сначала определили доли углерода в углеводородах, составляющих газ с
использованием их атомной массы.
Так, атомные массы и соответствующие доли углерода в метане, этане, пропане, бутане и
пентане соответственно составили: 16; 30; 44; 58; 72 и 75%; 80; 82; 83 и 83%.
Далее с учетом процентного содержание каждого углеводорода газа нашли, что содержание
углерода в перечисленных углеводородах, составляющих газ, равно: 32,4; 11,6 15,6 6,6 и 4,11%, а
суммарное содержание углерода в газе – 70,3% от его состава, соответственно доля водорода –
29,7%.
Таким образом, в равных сравниваемых количествах угля, мазута и газа количество
углерода составляет 85,6; 86,47 и 70,3%. Используя переводные коэффициенты для угля и газа,
привели количества углерода к топливу с равным энерговыделением:
85,6 . 1,7685 = 151,38 %;
70,3 . 1,0122 = 71,16%.
Таким образом, при сжигании угля, мазута и газа при условии равного энерговыделения,
доли выбросов углекислого газа соответственно составляют: 151,38; 86,47 и 71,16%. Отсюда, при
использовании газа двуокиси углерода образуется в 2,13 раза меньше, чем при использовании
угля, и в 1,22 раза меньше, чем при мазуте.
Поэтому замена твердого топлива на газообразное на действующих ТЭЦ является
действенной мерой в проблеме снижения основного парникового газа – двуокиси углерода, а
также позволяет на 24% снизить сжигание кислорода атмосферного воздуха по сравнению с
углем.
Таким образом, установлено следующее научное положение с соответствующей научной
новизной: закономерность образования двуокиси углерода и сжигания атмосферного кислорода
при работе ТЭЦ на твердом, жидком и газообразном топливе заключается в том, что при условии
равного энерговыделения использование газообразного топлива снижает образование двуокиси
углерода более чем на 20% по сравнению с применением мазута и более чем в 2 раза по
сравнению с использованием угля, при этом количество сжигаемого кислорода на 24% ниже, чем
в случае применения угля.
Полученные результаты неплохо сходятся с данными, приведенными в работе [2], в которой
отмечается, что с учетом КПД при производстве одинакового количества энергии, образование
углекислого газа при сжигании газообразного топлива в 2…3 раза меньше, чем при применении
угля
ЛИТЕРАТУРА
1. Об утверждении Правил экономической оценки ущерба от загрязнения окружающей
среды / Постановление Правительства РК от 27 июня 2007 г № 535, Астана, 2007
2. Борщов Д.Я. Устройство и эксплуатация отопительных котельных малой мощности. - М.:
Стройиздат 1982. - 64 с.
Резюме
Мақалада «Көмірқышқыл газ алып тастауларының ерекшеліктері жəне оттек тұтынуы отын
əртүрлі түрлерінің өртеуі жанында» геоэкологией. байлаулы проблемалардың əртүрлі аспектрілері
қаралған келтірілген - оттек жануында бірді килограм - немесе сұйық отынның . Көміртек қос
тотықтары білімдер заңдылық анықталған. Колтеген - салыстырма талдау жаңе басқа əдеби
қайнарлармен.. Қазақстан экологиясымен шығаруларды істелген
Summary
In article "Particularities surge carbon dioxide and consumption of the oxygen at incineration
different type fuel" are considered different aspects of the problems in accordance with geoecologies. The
Broughted calculation at combustion of the oxygen on one kilogram hard or fluid fuel. The Installed
regularity of the formation dioxide carbon. The Organized benchmark analysis with other literary source.
Findings are Made on ecologies Kazakhstan.
Ключевые слова: carbon dioxide, oxygen, methane, oxides of the nitrogen.
ЦеЛСИМ
Поступила 11.03.09 г.