На долю тепловых электростанций (ТЭС), производящих около 80 % электроэнергии в России, по отдельным загрязнителям приходится около половины, – по суммарному их выбросу более 27 % от всех промышленных выбросов в атмосферу.

Дымовые выбросы. Наиболее масштабное воздействие на прилегающие территории ТЭС оказывают дымовые выбросы в атмосферу, которые, рассеиваясь, частично оседают вокруг нее, а частично захватываются крупномасштабными циркуляционными процессами атмосферы и переносятся на большие расстояния, включаясь в крупнорегиональный и даже глобальный круговороты вещества и энергии, повышая тем самым фоновые значения показателей их концентрации в воздухе или выпадениях. Соответственно и наибольший ущерб окружающей среде ТЭС наносят именно выбросами в атмосферу.

Выбросы диоксида серы (SO₂) – один из основных вредных ингредиентов дымовых выбросов ТЭС. Поступление серы в атмосферу на современной ТЭС может достигать 600-800 т/сут.

В зависимости от присутствия в атмосфере таких окислителей, как О₃, Н₂О, или присутствия катализаторов Fe, Mn, S, углеводородов, NO₂, содержащихся, например, в дымовых выбросах ТЭС, SO₂ частично окисляется до серного ангидрида (SO₃), который, растворяясь в воде, образует сернистую кислоту. Поэтому в газообразной фазе атмосферы могут присутствовать такие продукты промежуточных стадий окисления SO₂     SO₄², как SO₃, HSO₃. При этом скорость окисления зависит также oт влажности воздуха (значительно возрастая при влажности выше 50 %) и концентрации SO₂.

Взаимодействуя с атмосферной влагой и пылевыми включениями атмосферы, SO₂ может образовывать различные газообразные, жидкие и твердые аэрозольные сернистые соединения атмосферы. При этом превращение SO₂ в серную кислоту ведет к полуторному увеличению весовой концентрации загрязняющих веществ в атмосфере (молекулярный вес SO₂ – 64, a H₂SO₄ – 98). Подкисление атмосферных осадков вокруг некоторых ТЭС как раз и связано с присутствием в дымовых выбросах очень гигроскопичных окислов серы, которые, адсорбируясь атмосферной влагой, образуют сернокислые аэрозоли и туманы.

Зольные выбросы наряду с газообразными выбросами теплоэнергетики являются «производителем» огромных масс твердых отходов; к ним относятся хвосты углеобогащения, золы и шлаки.

Отходы углеобогатительных фабрик содержат 55-60 % SiO_2, 22 – 26 % А1₂О₃, 5-12 % Fe₂О₃, 0,5-1 % CaO, 4-4, 5 % K₂O и Na₂О и до 5 % С. Они поступают в отвалы, которые пылят, «дымят» и резко ухудшают состояние атмосферы и прилегающих территорий.

Одним из видов обогащения угля является технологический процесс по уменьшению содержания в топливе серы.

При этом образуется крупнотоннажный твердый отход, содержащий 42 – 46 % серы и 5-8 % углерода – углистый колчедан.

В настоящее время огромные площади занимают твердые отходы ТЭС – золы и шлаки, близкие по составу к металлургическим. Их ежегодный выход достигает 70 млн. т, тогда как степень использования не превышает 1-2 %.

Зола представляет собой твердую фракцию выбросов и является одним из основных загрязняющих веществ прилегающих территорий вокруг угольных ТЭС. Она представляет частицы диаметром от 1 до 100 мкм (50 % частиц менее 10 мкм). Анализ состава золы различного вида топлива показывает, что основная ее фаза – стекло, а кристаллическая фаза представлена различными количествами кварца, гематита, магнезита, силикатами кальция. По химико-минералогическому составу зола – сложная многокомпонентная система, представляющая алюмосиликат с примесью окислов различных металлов и других веществ.

Химический состав золы, которым характеризуют негорючую массу топлива, представляется обычно в виде суммы окислов SiO₂, Fе₂О₃, CaO, MgO, K₂O, Na₂О. Кроме того, в золах угольных ТЭС иногда в повышенных концентрациях присутствуют тяжелые металлы Gt, Mo, V, Рв, Zn, Cu, Co, Ni, B, Hg.

В золе мазута, используемого как энергетическое топливо, содержатся в повышенных концентрациях окислы ванадия и никеля, которые относятся к веществам первого клacca вредности. Содержание ванадиевых соединений, преимущественно V₂О₅, в этих золах достигает 20-50 %, a NiO по 7-10 %. Однако несмотря на то, что около 90 % мазутной золы уносится с дымовыми газами в атмосферу, ее общий выброс сравнительно мал, так как зольность используемых на ТЭС мазутов составляет 0, 03-0, 15 %. Выброс ванадиевых соединений современной мазутной ТЭС мощностью около 2 млн. кВт достигает 300-400 т/год.

Угольные золоотвалы представляют собой пылящую, парящую пустыню. Их влияние на прилегающие природные комплексы осуществляется через рассеивание золы ветром, инфильтрацию вод сквозь стенки и дно золоотвалов, а также в результате предусмотренных сбросов осветленных вод (частичный сброс обязателен при мокром золоудалении в районах, где осадки преобладают над испарением).

Вид топлива влияет на состав образующихся при его сжигании вредных веществ, поступающих в атмосферу. На электростанциях используется твердое, жидкое и газообразное топливо.

При работе котлов на твердом и газообразном топливе в атмосферу выделяются следующие вредные вещества (рис. 5.1): оксиды азота, диоксид серы, оксид углерода, твердые частицы (летучая зола и частицы несгоревшего топлива), бенз(а)пирен.

Вредные вещества, поступающие в атмосферу от котельной, работающей на жидком топливе (мазуте), следующие (рис. 5.1): оксиды азота, диоксид серы, оксид углерода, твердые частицы (летучая зола и частицы несгоревшего топлива), мазутная зола в пересчете на ванадий (в основном пентаксид ванадия V₂O₅), бенз(а)пирен.

Рис. 5.1. Типы топлива

Твердое топливо. В теплоэнергетике используют угли (бурые, каменные), горючие сланцы и торф. Состав твердого топлива схематично представлен на рис. 5.2.

Как видно из рис. 5.2 органическая часть топлива состоит из углерода С, водорода Н, кислорода О, органической серы S_орг. В состав горючей части топлива ряда месторождений входит также неорганическая, пиритная сера FeS₂.

Негорючая (минеральная) часть топлива состоит из влаги и золы. Основная часть минеральной составляющей топлива переходит в процессе сжигания в летучую золу, уносимую дымовыми газами. Другая часть в зависимости от конструкции топки и физических особенностей минеральной составляющей топлива может превращаться в шлак.

Рис. 5.2. Структура твердого топлива

Зольность отечественных углей колеблется в широких пределах (10 – 55 %). Соответственно изменяется и запыленность дымовых газов, достигая для высокозольных углей 60 – 70 г/м³.

Одной из важнейших особенностей золы является то, что частицы ее имеют различные размеры, которые находятся в диапазоне от 12 до 60 мкм и более. Эта особенность как параметр, характеризующий золу, называется дисперсностью.

Химический состав золы твердого топлива достаточно разнообразен. Обычно зола состоит из оксидов кремния, алюминия, титана, калия, натрия, железа, кальция, магния. Кальций в золе может присутствовать в виде свободного оксида, а также в составе силикатов, сульфатов и других соединений.

Более детальные анализы минеральной части твердых видов топлива показывают, что в золе в небольших количествах могут быть и другие элементы, например, германий, бор, мышьяк, ванадий, марганец, цинк, уран, серебро, ртуть, фтор, хлор. Микропримеси перечисленных элементов распределяются в различных по размерам частиц фракциях летучей золы неравномерно, и обычно их содержание увеличивается с уменьшением размеров этих частиц.

Твердое топливо может содержать серу в следующих формах: колчедана Fe₂S и пирита FeS₂ в составе молекул органической части топлива и в виде сульфатов в минеральной части. Соединения серы в результате горения превращаются в оксиды серы, причем около 99 % составляет сернистый ангидрид SO₂.

Сернистость углей в зависимости от месторождения составляет 0,3 – 6 %. Сернистость горючих сланцев достигает 1,4 – 1,7 %, торфа 0,1 %.

Соединения ртути, фтора и хлора находятся за котлом в газообразном состоянии.

В составе золы твердых видов топлива могут присутствовать радиоактивные изотопы калия, урана и бария. Эти выбросы практически не влияют на радиационную обстановку в районе ТЭС, хотя их общее количество может превышать выбросы радиоактивных аэрозолей на АЭС той же мощности.

Характеристики некоторых видов топлива приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Характеристики некоторых топлив

Месторождение	Марка угля, класс	Теплота сгорания топлива Qri, МДж/кг	Зольность Ar, %	Сернистость Sr, %
Донецкий	А, Ш	22,58	22,9	1,7
Кузнецкий	Д, Р	22,84	13,2	0,3
Карагандинский	К	16,26	27,6	0,8
Экибастузский	СС, Р	16,76	38,1	0,8
Подмосковный	Б2, Р	10,43	25,2	2,7
Канско-Ачинский	Б2, Р	15,67	4,7	0,2
Сланцы эстонские	-	10,94	40,0	1,6
Торф фрезерный	-	8,13	6,3	0,1
Мазут	малосернистый сернистый высокосернистый	40,4 39,86 38,89	0,05 0,1 0,1	0,3 1,4 2,8

Из табл. 5.1 видно, что наибольшую зольность имеют горючие сланцы и бурые угли, а также Экибастузский каменный уголь.

Жидкое топливо. В теплоэнергетике применяются мазут, сланцевое масло, дизельное и котельно-печное топливо.

В жидком топливе отсутствует пиритная сера. В состав золы мазута входят пентаоксид ванадия (V₂O₅) а также Ni₂O₃, A1₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂, MgO и другие оксиды. Зольность мазута не превышает 0,3 %. При полном его сгорании содержание твердых частиц в дымовых газах составляет около 0,1 г/м³, однако это значение резко возрастает в период очистки поверхностей нагрева котлов от наружных отложений.

Сера в мазуте находится преимущественно в виде органических соединений, элементарной серы и сероводорода. Ее содержание зависит от сернистости нефти, из которой он получен.

Топочные мазуты в зависимости от содержания в них серы подразделяются на:

- малосернистые S ^Р <0,5 %;

- сернистые S ^Р = 0,5 – 2,0 %;

- высокосернистые S ^Р >2,0 %.

Дизельное топливо по содержанию серы делится на две группы:

- первая – до 0,2 %;

- вторая – до 0,5 %.

В котельно-печном топливе содержится серы:

- в малосернистом не более 0,5 %;

- в сернистом до 1,1 %;

- в сланцевом масле не более 1 %.

Газообразное топливо представляет собой наиболее «чистое» органическое топливо, так как при его полном сгорании из токсичных веществ образуются только оксиды азота.