«Токсичность» угольной тепло-электрогенерации

Д.А. Крылов, к.т.н., ведущий научный сотрудник, НИЦ «Курчатовский институт»

В Долгосрочной программе развития угольной промышленности России на период до 2030 г. намечено опережающее развитие угольной тепло-электрогенерации в России.

Внастоящее время угольные электростанции (ТЭС) России производят лишь 20% энергии, но на их долю приходится 70% вредных выбросов энергетики [1]. В связи с планируемым увеличением потребления угля на ТЭС могут возрасти и объемы вредных выбросов электростанций в окружающую среду.

В энергетике проблеме выбросов в атмосферу СО2, оксидов серы, азота и летучей золы уделяется большое внимание. Существуют программы по уменьшению таких выбросов. Между тем, вопросам негативного воздействия микроэлементов, содержащихся в углях, в золошлаковых отходах угольных электростанций и в выбросах в атмосферу летучей золы угольными ТЭС, уделяется несопоставимо меньшее внимание.

Геохимики в химсоставе неорганического вещества угля выделяют две группы элементов. Одна из них включает главные золообразующие элементы: Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, S, P. На их долю в углях приходится примерно 99% всей массы неорганического вещества. Другая группа – это микроэлементы, составляющие обычно не более 1% от всего неорганического вещества угля.

В соответствии с геохимической классификацией [2] по концентрированному признаку к микроэлементам относят собственно малые элементы 0,1–0,001% (1000–10 г/т), редкие – 0,001–0,00001% (10–0,1 г/т) и ультраредкие с содержанием менее 0,00001% (менее 0,1 г/т) (табл. 1).

Концентрации некоторых элементов в углях могут значительно превышать их средние содержания в земной коре. Это обусловлено тем, что геохимическая среда в угленосных пластах благоприятна для накопления микроэлементов по сравнению со средним фоном земной коры. За рубежом большие исследования по содержанию микропримесей в различных фракциях золы ТЭС были проведены в 1960-х и в начале 1970-х годов.

Американские геохимики Р. Финкельман и Р. Броун отмечают, что при учете масштабов добычи угля в США из него можно было бы получить не менее половины ежегодно потребляемых в стране мышьяка, бериллия, висмута, кобальта, гафния и др., снизив при этом уровень экологического загрязнения, поскольку при использовании угля накапливается значительное количество опасных элементов, оказывающих существенное влияние на человека и окружающую среду [3].

Насколько сильно отличаются показатели содержания некоторых тяжелых металлов в углях крупных бассейнов видно из данных табл. 2 [4]: в канско-ачинских – в расчете на 1 кг у.т. содержится на порядок меньше тяжелых металлов, чем в донецких и экибастузских углях. Главная проблема, сдерживающая получение ценных элементов из углей, это, как правило, низкое их содержание. Вместе с тем известны пласты углей, в которых концентрация отдельных микроэлементов достигает величин, сопоставимых с их содержанием в рудах отрабатываемых месторождений. Стоимость некоторых редких металлов, присутствующих в углях, в ряде случаев может превышать стоимость угля. Такие металлоносные угли могут рассматриваться как редкометалльные руды, а их органическое вещество – как попутный продукт.

Известно, что в золошлаковых отходах ТЭС содержание большинства химических элементов (за исключением легколетучих) в несколько раз выше их первичного содержания в исходном угле (табл. 3). Данные табл. 3 свидетельствуют о высоком концентрировании некоторых микроэлементов в золах ТЭС.

«В России, Украине и некоторых других странах в промышленных масштабах проводится получение товарных соединений германия из углей и углистых пород» [6].

Авторы публикации [6] отмечают, что относительно высокое содержание микроэлементов в уловленной летучей золе или в золошлаковых отходах может позволить производство промышленного выделения ценных элементов пирометаллургическими и гидрометаллургическими методами или их сочетанием. Токсичные элементы6примеси в углях Специалисты ИСЭМ СО РАН отмечают: «за рамками внимания природоохранных организаций России при оценках экологической опасности топлив в современной практике остается без должного внимания поток в природную среду микроэлементов, в первую очередь тяжелых металлов, обладающих токсичными, канцерогенными, мутагенными и тератогенными свойствами, способными к тому же усиливать эти негативные свойства в присутствии друг друга» [7].

По оценке специалистов [8], среднее (кларковое) содержание урана в углях составляет 3,6 г/т, а тория для бурых углей – 6,3 г/т, каменных – 3,5 г/т.

Угли, содержащие уран в концентрациях на один-два порядка выше кларка, известны во многих странах мира: в России, Турции, Франции, США и других. Следует отметить, что содержания урана и тория в углях в большей части угольных месторождений России не превышают кларковых значений, но имеются месторождения, в которых кларковые содержания урана и тория превышены в несколько раз. Причем эти месторождения разрабатываются без всякого радиационно-гигиенического контроля, уголь используется на ТЭС, в котельных и в печах индивидуальных домов. Зола и шлак, образующиеся при сжигании таких углей, обогащены естественными радионуклидами (ЕРН). Золошлаковые отвалы ТЭС, использующие уголь с повышенным содержанием радионуклидов, занимают огромные территории, образуя с годами, по сути, техногенные месторождения ЕРН.

По данным американских специалистов [9], к 2000 г., мировой суммарный выброс урана и тория в результате сжигания угля составляет около 37 300 т ежегодно, причем около 7300 т поступает из США. «В бурых углях пласта «Итатский» (Кемеровская область) выявлено повышенное содержание урана – 139 г/т, а в золошлаковом материале, образующемся при сжигании этого угля, содержание урана составляет 902,6 г/т» [10]. Такой золошлаковый материал с концентрацией в нем урана 0,09% относится по мировой классификации к рядовым урановым рудам (с диапазоном содержания урана 0,05–0,1%).

В табл. 4 представлены данные по повышенным концентрациям урана и тория в товарных углях, добываемых на некоторых угольных предприятиях в Кемеровской области [10–12].

Содержание урана в угле, добываемом на Итатском разрезе (см. табл. 4), значительно превышает среднемировые уровни для углей: средний – 56,9; вариации от 6 до 139 г/т. Среднее содержание ртути в углях, добываемых в различных бассейнах мира, колеблется от 0,05 до 0,3 г/т [13]. Угли юго-западных бассейнов Китая в среднем содержат 0,55 г/т ртути. В США содержание ртути в углях в среднем составляет около 0,2 г/т при широком интервале – от 0,003 до 2,9 г/т.

В угольных пластах Донбасса, расположенных в пределах (или вблизи) Никитского месторождения ртути, ее содержание в углях повышается до нескольких десятков грамм на тонну, а в отдельных линзах до 1000 г/т. Проблема присутствия токсичных элементов в углях изложена в ряде монографий и статей, в частности, в публикациях Томского университета. Учеными этого университета [14] систематизированы имеющиеся данные по накоплению токсичных элементов в разрабатываемых или готовых к эксплуатации угольных месторождениях Сибири (табл. 5).

Повышенные содержания токсичных микроэлементов проявляются и в углях других бассейнов (справочник «Ценные и токсичные элементы в товарных углях России»):

- в Печорском бассейне – по содержаниям хрома, цинка;

- в Восточном Донбассе – по содержаниям ртути, хрома в сортовых антрацитах, ванадия и цинка – в промпродукте;

- в угле Приморского края – по концентрациям фтора, кадмия, сурьмы, цинка в товарных углях и продуктах обогащения;

- в Сахалинском бассейне – по содержаниям таллия, цинка.

Воздействие на окружающую среду токсичных элементов, содержащихся в золошлаковых отвалах ТЭС

Замечено [15], что золошлаковые отвалы (ЗШО) ТЭС даже при выполнении необходимого комплекса мероприятий оказывают угнетающее воздействие на окружающую среду не только в зоне расположения таких хранилищ, но и далеко за их пределами вследствие пыления и загрязнения водного бассейна фильтратами токсичных соединений. Существенное содержание зольной компоненты в поверхностном почвенном слое обнаружено в радиусе до 1 км от ЗШО ТЭС [16]. Концентрация токсичных элементов оказалась повышенной в кормах, потребляемых скотом на пастбищах вблизи золоотвалов. Проведены исследования по изучению форм нахождения токсичных элементов в ЗШО ТЭС Кемеровской области в системе «отходы – вода – почва» и оценка потенциальной опасности золоотвалов [17].

Установлено превышение предельно допустимых концентраций элементов в почве (ПДКп), прилегающей к ЗШО по санитарным нормам допустимых концентраций химических веществ. Максимальные концентрации подвижных форм тяжелых металлов в отвалах наблюдались по меди, никелю, цинку и свинцу. Высокие концентрации ванадия, молибдена, мышьяка, никеля, цинка, марганца и хрома отмечены как в водорастворимых формах золошлаковых отвалов, так и в грунтовых и поверхностных водах вблизи золоотвалов. Для этих элементов практически не существует барьеров при инфильтрации природных вод через ложе золоотвала. Вместе с тем в почвах, прилегающих к территории ЗШО, обнаружены высокие концентрации подвижных форм цинка, свинца, меди и никеля, превышающих значения ПДКп (табл. 6). Последнее говорит о переходе из ЗШО в почвы данных металлов, несмотря на низкие концентрации хрома, никеля и цинка в валовой форме.

Содержание токсичных микроэлементов в летучей золе ТЭС Кроме основных элементов: Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, в твердых частицах дымовых уносов от ТЭС присутствуют тяжелые металлы. При выгорании органического вещества угля на ТЭС происходит испарение металлов, часть из которых конденсируется на аэрозолях и улетучивается с паром. Другая часть испарившегося металла конденсируется на частицах летучей золы. Так как мелкие частицы имеют наибольшую поверхность, на них происходит конденсация и трансформация паров металлов [18].

Распределение некоторых микроэлементов в различных по размеру частицах (фракциях) летучей золы неравномерно и обычно увеличивается с уменьшением размеров частиц. В связи с этим более мелкая зола, не уловленная золоуловителями, поступающая с дымовыми газами в атмосферу, содержит больше перечисленных элементов, чем средняя по составу зола исходного топлива. При этом концентрация микроэлементов в летучей золе возрастает на 1–2 порядка.

Изучение состава летучей золы Березовской ГРЭС–1, работающей на канско-ачинских углях, показало, что значительная часть микроэлементов, содержащихся в угле, поступает в атмосферу не с золой, а с субмикронными аэрозолями или в газообразной фазе, которые практически не улавливаются электрофильтрами [19].

Исследователями Ростовского госуниверситета установлено [20], что при сжигании углей на ТЭС в атмосферу поступает в среднем:

- не менее 10% общей массы содержащихся в них Al, Co, Fe, Mn, Na, Se;

- 30% Cr, Cu, Ni, V;

- 50% Ag, Cd, Pb, Zn;

- 100% As, Br, Cl, Hg, Sb и Sc.

Расстояния, на которые могут разноситься от ТЭС частицы золы уносов, и их осаждение вместе с атмосферными осадками, зависят от физических свойств золы, погодных условий, розы ветров и т. д. Частицы диаметром 10 мкм и более осаждаются довольно быстро и их воздействие проявляется в непосредственной близости от ТЭС, в радиусе до 3 км. Частицы менее 10 нанометров (нм) и особенно менее 2,5 нм могут преодолевать сотни километров, прежде чем осядут. Аэрозоли часто выполняют функцию ядра конденсации металлов [18].

Несмотря на меры, принимаемые энергетиками по снижению выбросов в атмосферу, в результате работы ТЭС объемы ежегодных выбросов в атмосферу тяжелых металлов значительны. В табл. 7, по данным [18], со ссылкой на первоисточник, приведена информация о ежегодных выбросах в атмосферу тяжелых металлов в результате работы топливосжигающих установок в 15 странах Евросоюза в 1990 г. В табл. 8, по данным АО «ВТИ» [21], представлена информация по среднему содержанию микроэлементов, выбрасываемых в атмосферу с летучей золой при сжигании на ТЭС углей различных бассейнов.

В табл. 9 приведены рассчитанные нами удельные средние содержания микроэлементов, выбрасываемых в атмосферу с летучей золой ТЭС, в расчете на производство 1 кВт·ч электроэнергии. В расчетах использованы данные табл. 8 и показатели по удельным выходам золы всего (г/кВт·ч), по оценкам АО «ВТИ» [21], при сжигании на ТЭС углей различных месторождений. Показатели содержания микроэлементов рассчитаны нами для значений КПД установок золоулавливания на ТЭС, равными 96%.

Воздействие на окружающую среду и здоровье людей элементов6примесей, выбрасываемых с летучей золой ТЭС В исследовании, проведенном на Новочеркасской ГРЭС [22], показано, что диаметр большинства твердых частиц, выбрасываемых в атмосферу, лежит в интервале от 0,01 до 150 мкм, при этом на долю частиц диаметром до 5 мкм приходится почти 42%. Частицы такого размера проникают в растения, организмы животных и человека, распределяются по органам и тканям, растворяются в биожидкостях, достигая мишеней биологического действия. Установлено, что длительное воздействие наночастиц магния и цинка (эти элементы входят в состав летучей золы ГРЭС), наносимых на раны экспериментальных животных в виде водной суспензии, увеличивает время их заживления [22].

Наночастицы, входящие в состав летучей золы, обладают высокой биологической активностью, легко проникают в организм живых систем, разносятся по всем органам и тканям [18]. Известно, что металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся, приводя к повышенному, по сравнению с фоновым, уровню в зонах пахотного земледелия зерновых культур, пастбищ, сенокосов, многолетних насаждений и населенных пунктов.

«Вследствие увеличения числа взвешенных частиц в воде, изменения pH концентрация кислорода в воде снижается, возникает угроза жизнедеятельности представителей водной фауны. Высвобождение из пылевых частиц потенциально опасных элементов: As, B, Mo, Se, Sr, V в воду и почву приводит к накоплению их в сельскохозяйственных растениях, и они могут попасть в организм животных и человека. Элементы Se и Mo– не токсичные для растений, концентрируясь в растительной ткани, токсичны для пастбищных животных. Почвы с высоким уровнем Mo могут вызывать, например, молибдениоз рогатого скота» [18].

Анализ заболеваемости органов дыхания у населения, проживающего в зоне влияния выбросов ТЭС, позволил сделать вывод, что удельный вес заболеваний выше у тех, кто проживает на расстоянии от 1000 до 2000 м от ТЭС. Среди острых заболеваний на первом месте – заболевания верхних дыхательных путей, бронхит, бронхиальная астма и др. Среди возрастных групп населения чаще болеют дети и лица старше 40 лет, по сравнению с населением, живущим в благоприятной экологической обстановке [18].

Исследованиями ВНИИгидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова [23] установлено воздействие на окружающую среду и, в частности, на почвы выбросов тяжелых металлов от Рязанской ГРЭС. По оценке АО «ВТИ», содержание металлов в летучей золе Рязанской ГРЭС в 10 раз и более превышает значение фоновой концентрации соответствующих элементов в почвах Русской равнины (табл. 10). Показано, что существует реальная опасность загрязнения сельхозпродукции, в т. ч. животноводческой, через корм скоту, имеющим повышенное содержание привнесенных элементов от Рязанской ГРЭС [23].

В исследованиях института Фундаментальных проблем биологии РАН, оценено загрязнение Челябинска и его окрестностей тяжелыми металлами (Cu, Co, Ni, Zn, Pb, Cd, Cr, Mo, Hg) [24] и мышьяком [25], источником которых служат выбросы ТЭС и котельных, сжигающие уголь Челябинского бассейна, а также выбросы горящих терриконов шахт Челябинского бассейна в районе г. Копейска. Загрязнение этими веществами обусловлено воздушным переносом от этих источников, а также вследствие пылеобразования и переноса аэрозолей из ЗШО теплоэнергетических установок. Загрязнение поверхностных и подземных вод региона происходит в результате смыва, фильтрации и выщелачивания токсичных веществ из ЗШО ТЭС.

Содержание Zn, Pb, Cd и Hg в почвах этой территории оказалось выше нормативов ПДК в 1,5–20 раз, Cd и Hg в воде – в 6 и 2 раза [24]. Содержание мышьяка в почвах оказалось выше ПДК в 7–18 раз, а в почвах садово-огородных участков и сельскохозяйственных угодий – в 7–19 раз [25]. В дождевой воде, в коре тополя, в биомассе кукурузы и надводной биомассе тростника обнаружено повышенное содержание мышьяка и тяжелых металлов. Повышенное содержание этих веществ стало результатом их захвата из воздушной среды. Накопление мышьяка в тростнике происходило путем его поглощения из поверхностной воды и донных отложений, так как биогеохимия данного растения связана с этими компонентами окружающей среды.

Установлено загрязнение мышьяком и тяжелыми металлами воды и донных отложений р. Миасс и озера Первое, дренирующих территорию Челябинска и его окрестностей. По оценке ученых, геоэкологическую ситуацию этого региона следует считать крайне неблагополучной из-за загрязнения почв мышьяком и рядом тяжелых металлов в количествах, значительно превышающих ПДК. Это повышает риск попадания токсичных микроэлементов в организм человека через воздух и почвенную пыль или через пищевые цепи при выращивании растений на загрязненных садово-огородных участках и сельскохозугодий. Содержание мышьяка и тяжелых металлов в почве и в воде на территории Челябинска и его окрестностей было одного порядка с содержанием этих веществ в районе Южноуральской ГРЭС, использующей также челябинские угли [24, 25].

В международных исследованиях большое внимание уделяется проблеме выбросов ртути в атмосферу от ТЭС, негативному воздействию выбросов ртути на биосферу и на здоровье людей. Энергетики США и Западной Европы постоянно занимаются внедрением на энергетических котлах различных способов сокращения выбросов в атмосферу ртути. В 2000 г. американское Агентство по защите окружающей среды объявило о подготовке законодательного ограничения по выбросам ртути. В соответствии с этим законом выбросы ртути на угольных ТЭС должны быть снижены на 90% [26]. К сожалению, в России не принимаются меры по защите окружающей среды от негативного воздействия выбросов в атмосферу ртути от угольных ТЭС.

По [26] «с учетом рассеивания (при наличии высоких дымовых труб угольных ТЭС) концентрация ртути, выбрасываемой в атмосферу с дымовыми газами, в приземном воздухе оказывается сравнительно низкой и не создает угрозы здоровью человека, но атмосферная ртуть возвращается на землю с дождями, снегом и сухой пылью. Оказываясь в реках и озерах, она переходит в метилртуть и попадает в рыбу. Употребление такой рыбы в пищу оказывает влияние на здоровье человека, причем группой максимального риска оказываются женщины в детородном возрасте. Метилртуть, попадая через пищевые цепочки, вызывает неврологические заболевания, негативно влияет на сердечно-сосудистую систему человека».

Заключение

Приведенные данные подтверждают оценку известного российского геохимика Я.Э. Юдовича [27]: «уголь нельзя рассматривать только как энергоноситель: это комплексное полезное ископаемое, и комплексное «вредное ископаемое», которое при использовании приводит к значительным негативным воздействиям на биосферу и здоровье людей». Вышеизложенные данные дают основание для утверждения, что угольные бассейны обладают высоким ресурсным потенциалом как источник ценного минерального сырья. Промышленное освоение этого сырья на территории угольных бассейнов и ТЭС позволит не только получить ряд ценных элементов для экономики, но и существенно улучшить экологическую обстановку в этих регионах.

Российские угольные ТЭС становятся постоянным источником загрязнения микроэлементами окружающей среды. Это происходит в результате концентрирования большого количества микроэлементов в золошлаковых отвалах и в выбросах ТЭС. Негативное воздействие микроэлементов на окружающую среду и здоровье населения происходит при прохождении газового шлейфа ТЭС через населенные пункты, выпадении не уловленной части золы на почву и дальнейшей миграции микроэлементов по пищевым цепочкам в организмы человека и животных. Снизить негативное воздействие микроэлементов на население, проживающее в районах расположения ТЭС, способен хорошо организованный контроль как за содержанием микроэлементов в углях, так и за содержанием таких элементов в летучей золе угольных ТЭС. Для этого на российских ТЭС необходим переход от использования существующих электрофильтров к высокоэффективным золоуловителям, способным эффективно улавливать субмикронные частицы.

Наряду с низкой эффективностью золоулавливающего оборудования, одной из главных причин больших выбросов летучей золы со значительным количеством микроэлементов следует считать использование «низкокачественных российских энергетических углей, потребление которых составляет около 90% суммарного ежегодного объема угольного топлива на ТЭС. Обогащенные угли на ТЭС как не поставлялись раньше, так не поставляются и сейчас» [28].

Для достижения целей развития современной электроэнергетики России необходимо добиваться поставки на ТЭС обогащенных углей с зольностью, уровень которой отвечал бы мировым экологическим стандартам (5–15%). Еще один барьер на пути развития отечественной экологически эффективной угольной генерации – низкий уровень утилизации золошлаковых отходов ТЭС. Золоотвалы стали символом технической отсталости и низкой экономической эффективности угольных ТЭС. Как отмечается [28], «золошлаковые отвалы угольных российских ТЭС накоплены в огромном количестве – 1,5 млрд т. Ежегодно утилизируется и используется не более 8% (2,1 млн т) выхода золошлаковых отвалов. В отличие от России в Германии и Дании в производстве стройматериалов используется до 100% годового выхода золошлаковых отвалов. В Германии в настоящее время запрещено иметь золошлакоотвалы».