Раушан Ашкеева: Прикладная химия

Основными потребителями энергоресурсов являются промышленность, энергетика и транспорт. Энерговооруженность общества растет в основном за счет роста производства электроэнергии. Главный недостаток электроэнергии в том, что, несмотря на чистоту ее конечного потребления, использование первичных энергоресурсов для ее выработки неблагоприятно сказывается на окружающей среде. Известно много способов ее получения, но основной остается реакция горения. Наибольшее количество электроэнергии (около 70 %) вырабатывается при сжигании угля, нефти и природного газа, которые называют ископаемым топливом. Хотя эти ископаемые и образовались в результате биологических процессов (за счет растительных и животных остатков, в результате дегазации глубоких недр Земли), всякое пополнение их запасов по мере использования исключено по двум причинам:

• условия на Земле изменились так, что значительного накопления органического вещества уже не происходит;

• человечество потребляет горючие ископаемые со скоростью, намного превышающей необходимую для их образования.

Таким образом, запасы ископаемого топлива ограничены. Многие страны уже испытывают «энергетический кризис».

Состав топлива можно представить следующей обобщенной формулой:

где соответствующими символами обозначены углерод, водород, кислород, азот и сера; W – содержание влаги; Z – содержание золы. Количественное соотношение элементов в топливе различно и зависит не только от типа, но и от места его залегания. Но в любом случае основная доля (в среднем до 80 %) приходится на углерод. Поэтому именно этот компонент определяет теплотворную способность топлива: С + О 2→ СО 2+ 393,5 кДж/моль. Основным продуктом горения топлива является углекислый газ СО 2, огромные количества которого выбрасываются в атмосферу заводами, теплоэлектростанциями (ТЭС), транспортом. Последствием этого является «парниковый эффект».

Реакция сгорания топлива требует значительных затрат кислорода. При недостатке кислорода О 2не достигается основная задача – получение тепла, так как становится возможным эндотермический процесс: С + СО 2→ 2СО – 410 кДж/моль или процесс с выделением намного меньшего количества теплоты, чем в случае образования углекислого газа СО 2:

С + 1/2О 2→ СО + 110,5 кДж/моль. Параллельно образуется очень ядовитый угарный газ СО.

Опираясь на обобщенную формулу топлива, можно перечислить другие химические процессы, протекающие при его сгорании. Так, одной из самых вредных примесей в топливе является сера. В процессе сжигания топлива она выделяется в виде диоксида серы: S + О 2→ SО 2+ 296,9 кдж/моль. Известно, что диоксид серы SО 2– один из источников «кислотных осадков». Кроме этого сера можно выделяться и в виде серосодержащих соединений, обладающих высокой токсичностью и коррозионным воздействием.

В значительных количествах содержится в топливах и азот. Высокие температуры способствуют образованию оксидов азота –NO x:

N 2+ O 2↔ 2NO – Q (эндо); 2NO + O 2↔ 2NO 2+ Q (экзо).

NO x– компоненты «кислотных осадков» и разрушители озонового слоя.

На ТЭС топливо сжигается в топках паровых котлов, где его химическая энергия превращается в тепловую энергию пара. В паровой турбине энергия пара переходит в механическую, которая в турбогенераторе превращается в электрическую. Уголь перемалывается в угольную пыль и непрерывно подается в топки котлов; туда же в больших количествах непрерывно поступает вода, к чистоте которой предъявляются высокие требования. Пар, отработавший в паровых турбинах, охлаждаясь, превращается в воду и затем снова направляется в котлы. При этом происходит тепловое загрязнение водоема – охладителя. Кроме оксидов углерода, серы и азота при работе ТЭС в атмосферу выбрасывается огромная масса золы, пыли и дыма, содержащих до 25 элементов, в том числе тяжелых металлов. В последние годы было обнаружено, что радиационное загрязнение вокруг тепловой станции, работающей на угле, в среднем в 100 раз выше фона естественной радиации. Это связано с тем, что обычный уголь всегда содержит микропримеси урана-238, тория-232. Все это поступает в окружающую среду.

Каждый вид топлива имеет свои преимущества и недостатки.

Уголь: в зависимости от относительного содержания элементов различают бурые, каменные угли и антрациты. При переходе от бурых углей к антрацитам увеличивается доля углерода (от 65 % до 90 %) и соответственно снижается доля водорода и кислорода. Органическая масса углей включает в себя битумы (жидкие или твердые смеси и их кислородные, сернистые и азотистые производные), гуминовые кислоты (высокомолекулярные соединения с фенолгидроксильными, карбоксильными, аминогруппами) и остаточный уголь (полуароматические соединения). Теплотворная способность бурого угля – 12000 кДж/кг, каменного угля – 19000 кДж/кг, антрацита – 29000 кДж/кг. Добывают уголь открытым и подземным способами. При подземной добыче не менее половины угля приходится оставлять на месте во избежание обвала шахты. При открытой разработке почва и горные породы над угольным пластом вскрываются гигантскими экскаваторами. При этом полностью уничтожаются наземные экосистемы. Хотя остающиеся карьеры и их отвалы можно рекультивировать, то есть разровнять, удобрить грунт и высадить на нем растения, прежде чем восстановиться экосистема пройдет много времени. Наиболее значительные экологические недостатки угля как топлива – загрязнения диоксидом серыSО 2, а также наличие больших зольных остатков. Кроме этого, отходы от сжигания угля в следовых количествах содержат мышьяк, свинец, ртуть, а также ряд радиоактивных веществ.