Номер 5, страница 231 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

5. Экологические проблемы тепловой энергетики. Тепловые электростанции и их типы. Виды топлива. Загрязнение атмосферы и гидросферы. Пути решения экологических проблем. Новые технологии. Ваши предложения по возможным действиям в целях сохранения окружающей среды.

Экологические проблемы тепловой энергетики. Тепловые электростанции и их типы.

Тепловая энергетика, основанная на сжигании органического топлива, является одним из ключевых секторов мировой экономики, обеспечивая значительную долю производства электроэнергии и тепла. Однако она же является одним из главных источников антропогенного воздействия на окружающую среду. Основные экологические проблемы связаны с выбросами загрязняющих веществ в атмосферу, загрязнением водных объектов, образованием большого количества отходов и вкладом в глобальное изменение климата.

Тепловые электростанции (ТЭС) — это предприятия, которые преобразуют химическую энергию топлива в электрическую и/или тепловую энергию. Их можно классифицировать по нескольким типам:
1. Конденсационные электростанции (КЭС), также известные как ГРЭС (государственные районные электростанции). Их основное назначение — производство только электрической энергии. Пар, отработавший в турбине, поступает в конденсатор, охлаждается и возвращается в котел. КПД таких станций составляет 35–45%.
2. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Эти станции работают в режиме когенерации, то есть комбинированно вырабатывают электрическую и тепловую энергию (в виде горячей воды или пара) для промышленных нужд и отопления городов. За счет полезного использования отработанного тепла их общий КПД значительно выше, чем у КЭС, и может достигать 70% и более.
3. Газотурбинные установки (ГТУ). В них для вращения турбины используются горячие газы, образующиеся при сжигании топлива (преимущественно природного газа). Они отличаются быстрым запуском, но их КПД в простом цикле ниже, чем у паротурбинных установок.
4. Парогазовые установки (ПГУ). Это наиболее современные и эффективные ТЭС. Они представляют собой комбинацию газотурбинной и паротурбинной установок. Выхлопные газы ГТУ с высокой температурой направляются в котел-утилизатор, где генерируют пар для паровой турбины. КПД таких установок превышает 60%, что значительно снижает удельный расход топлива и, следовательно, вредные выбросы.

Ответ: Тепловая энергетика является основным источником электроэнергии и тепла, но сопряжена с серьезными экологическими проблемами. ТЭС делятся на конденсационные (КЭС), производящие только электричество, теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), вырабатывающие тепло и электричество, а также более современные газотурбинные (ГТУ) и высокоэффективные парогазовые установки (ПГУ).

Виды топлива.

На тепловых электростанциях используются различные виды органического ископаемого топлива, которые можно разделить на три основные группы:

1. Твердое топливо:
- Уголь (каменный и бурый) — наиболее распространенный, но и самый "грязный" вид топлива из-за высокого содержания серы, золы и тяжелых металлов.
- Торф.
- Горючие сланцы.

2. Жидкое топливо:
- Мазут (продукт переработки нефти) — также содержит серу и при сжигании образует оксиды серы и сажу. Часто используется как резервное или пусковое топливо.
- Дизельное топливо — применяется на небольших и пиковых электростанциях.

3. Газообразное топливо:
- Природный газ (в основном метан, $CH_4$) — наиболее экологически чистый вид ископаемого топлива. При его сжигании практически не образуются зола и оксиды серы, а выбросы оксидов азота и углекислого газа ниже, чем при сжигании угля и мазута.
- Попутный нефтяной газ.

Выбор топлива определяет не только экономику станции, но и степень ее воздействия на окружающую среду.

Ответ: Основными видами топлива для ТЭС являются твердое (уголь, торф), жидкое (мазут) и газообразное (природный газ), причем природный газ является наиболее экологически чистым из ископаемых видов топлива.

Загрязнение атмосферы и гидросферы.

Работа ТЭС приводит к комплексному загрязнению окружающей среды, в первую очередь атмосферы и гидросферы.

Загрязнение атмосферы:
С дымовыми газами в атмосферу выбрасываются:
- Парниковые газы: в основном диоксид углерода ($CO_2$), образующийся при сжигании любого органического топлива. Является главной причиной глобального потепления.
- Оксиды серы ($SO_2$, $SO_3$): образуются при сжигании серосодержащих топлив (уголь, мазут). Взаимодействуя с атмосферной влагой, они вызывают кислотные дожди, которые наносят вред растительности, водоемам и зданиям.
- Оксиды азота ($NO_x$): образуются при высоких температурах в топке котла. Участвуют в формировании кислотных дождей и фотохимического смога, а также разрушают озоновый слой.
- Твердые частицы: зола, сажа, пыль. Мелкодисперсные частицы (особенно PM2.5) способны проникать глубоко в дыхательные пути человека, вызывая серьезные заболевания.
- Тяжелые металлы: ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, содержащиеся в виде примесей в угле, попадают в атмосферу и затем накапливаются в почве, воде и живых организмах, оказывая токсическое воздействие.
- Оксид углерода ($\text{CO}$): продукт неполного сгорания топлива, является токсичным газом.

Загрязнение гидросферы:
- Тепловое загрязнение: КЭС используют огромные объемы воды для охлаждения конденсаторов. Сброс нагретой воды в природные водоемы приводит к повышению их температуры, что снижает содержание растворенного кислорода и угнетает водные экосистемы, приводя к гибели некоторых видов рыб и растений.
- Химическое загрязнение: сточные воды ТЭС могут содержать нефтепродукты, фенолы, кислоты, щелочи и соли, используемые при химической очистке оборудования. Кроме того, серьезную угрозу представляют золоотвалы, где складируются золошлаковые отходы. Дождевые и талые воды могут вымывать из них токсичные вещества, включая тяжелые металлы, загрязняя грунтовые и поверхностные воды.

Ответ: ТЭС загрязняют атмосферу выбросами парниковых газов ($CO_2$), оксидов серы и азота, твердых частиц и тяжелых металлов. Гидросфера страдает от теплового загрязнения из-за сброса нагретой воды и химического загрязнения сточными водами и стоками с золоотвалов.

Пути решения экологических проблем.

Снижение негативного воздействия тепловой энергетики требует комплексного подхода, включающего меры на всех этапах производства энергии.

1. Мероприятия до сжигания топлива:
- Переход на более чистые виды топлива, в первую очередь на природный газ.
- Обогащение и очистка угля от серы и негорючих примесей перед его подачей в котел.

2. Оптимизация процесса сжигания:
- Применение специальных технологий сжигания (например, сжигание в кипящем слое, ступенчатое сжигание) для снижения температуры в топке и, как следствие, уменьшения образования оксидов азота.

3. Очистка дымовых газов после сжигания:
- Золоулавливание: установка высокоэффективных электрофильтров или рукавных фильтров, которые способны улавливать до 99,9% твердых частиц.
- Сероочистка (десульфуризация): использование скрубберов, где дымовые газы промываются известняковым раствором для связывания оксидов серы.
- Азотоочистка: применение технологий селективного каталитического или некаталитического восстановления для преобразования оксидов азота в безвредный азот.

4. Снижение загрязнения гидросферы:
- Переход от прямоточных систем охлаждения к оборотным системам с использованием градирен (cooling towers), что практически исключает сброс теплой воды в водоемы.
- Внедрение замкнутых систем водопользования и установка современных очистных сооружений для всех сточных вод станции.
- Организация безопасного хранения золошлаковых отходов на полигонах с гидроизоляцией и их последующая утилизация.

5. Утилизация отходов:
- Использование золошлаковых отходов в качестве сырья в строительной индустрии для производства цемента, бетона, кирпича, а также в дорожном строительстве.

Ответ: Пути решения экологических проблем включают переход на чистое топливо, оптимизацию горения, установку систем очистки дымовых газов (электрофильтры, серо- и азотоочистка), переход на оборотные системы водоснабжения и утилизацию отходов, например, в строительстве.

Новые технологии.

Развитие технологий играет ключевую роль в повышении экологичности тепловой энергетики.

1. Парогазовые установки (ПГУ): как уже упоминалось, за счет высокого КПД (>60%) ПГУ сжигают на 30–40% меньше топлива на единицу выработанной энергии по сравнению с традиционными паросиловыми установками, что пропорционально снижает все виды выбросов, особенно $CO_2$.

2. Технологии сжигания в циркулирующем кипящем слое (ЦКС): позволяют сжигать широкий спектр топлив, включая низкосортные угли и биомассу, при более низких температурах (850–900°C). Это резко снижает образование оксидов азота. Подача известняка непосредственно в топку обеспечивает эффективное улавливание оксидов серы (до 95%) без необходимости строить отдельные установки сероочистки.

3. Угольные станции с технологией ультрасверхкритических параметров пара (УСКП): повышение температуры и давления пара позволяет увеличить КПД угольных станций до 45–48%, что ведет к снижению расхода угля и выбросов.

4. Интегрированная газификация угля в комбинированном цикле (IGCC): уголь не сжигается напрямую, а подвергается газификации для получения синтез-газа (смесь $\text{CO}$ и $H_2$). Этот газ очищается от серы и золы до его сжигания, а затем используется в качестве топлива для ПГУ. Эта технология обеспечивает значительно более низкие выбросы по сравнению с прямым сжиганием угля.

5. Технологии улавливания, утилизации и хранения углерода (CCUS - Carbon Capture, Utilization, and Storage): это перспективное направление, направленное на борьбу с изменением климата. Технологии CCUS позволяют улавливать до 90% $CO_2$ из дымовых газов. Уловленный углекислый газ затем может быть использован (например, в химической промышленности) или захоронен в глубоких геологических формациях.

Ответ: Новые технологии, такие как парогазовые установки (ПГУ), сжигание в кипящем слое (ЦКС), станции на ультрасверхкритических параметрах пара (УСКП) и технологии улавливания углерода (CCUS), направлены на кардинальное повышение КПД и снижение вредных выбросов ТЭС.

Ваши предложения по возможным действиям в целях сохранения окружающей среды.

Сохранение окружающей среды в контексте энергетики требует скоординированных действий на всех уровнях — от государственного до личного.

1. На государственном уровне:
- Разработка и реализация долгосрочной энергетической стратегии с акцентом на диверсификацию источников энергии: постепенное снижение доли угольной генерации и увеличение доли природного газа, атомной энергетики и, что наиболее важно, возобновляемых источников энергии (ВИЭ — солнце, ветер, гидро).
- Введение более жесткого экологического законодательства и экономических стимулов (налоги на выбросы $CO_2$, "зеленые" сертификаты) для поощрения перехода на чистые технологии и модернизации старых ТЭС.
- Государственная поддержка научных исследований и внедрения прорывных технологий, таких как CCUS и водородная энергетика.

2. На уровне энергетических компаний:
- Инвестирование прибыли в модернизацию существующих мощностей, установку современных систем газоочистки и переход на оборотные системы водоснабжения.
- Планомерный вывод из эксплуатации наиболее старых, неэффективных и экологически грязных угольных блоков, заменяя их современными ПГУ или мощностями на основе ВИЭ.
- Активное развитие когенерации (ТЭЦ) для повышения общей эффективности использования топлива и снижения суммарного воздействия на среду.

3. На индивидуальном (личном) уровне:
- Энергосбережение: это самый простой и эффективный способ снизить нагрузку на окружающую среду. Рациональное потребление электроэнергии и тепла в быту (использование энергоэффективной техники класса А+ и выше, утепление квартир и домов, установка терморегуляторов на батареи, выключение света и приборов из сети) напрямую снижает потребность в выработке энергии на ТЭС.
- Осознанный выбор: по возможности поддерживать "зеленые" инициативы и компании, которые демонстрируют приверженность экологической ответственности.
- Информационная работа: повышение собственной и общественной осведомленности о проблемах, связанных с энергетикой, и путях их решения.

Таким образом, решение проблемы возможно только через синергию технологического прогресса, грамотной государственной политики и ответственного поведения каждого человека.

Ответ: Для сохранения окружающей среды необходимы комплексные действия: на государственном уровне — стимулирование ВИЭ и ужесточение экологических норм; на уровне компаний — модернизация ТЭС и инвестиции в чистые технологии; на личном уровне — повсеместное энергосбережение и повышение экологической грамотности.