Введение к работе
J '
Актуальность темы. Бурное развитие промышленности в 19-20 веках в большинстве стран мира поставило перед человечеством в числе прочих следующие две острых проблемы: 1) обеспечение ресурсами; 2) сохранение среды обитания. В наибольшей степени это относится к топливно-энергетическому комплексу (ТЭК), который является крупнейшим потребителем природных ресурсов и одним из наиболее существенных загрязнителей окружающей среды. Выдвинутые парадигмы ((устойчивого развития» человеческой цивилизации (Конференция ООН по развитию, Рио-де-Жанейро, 1992 г.) и «комфортности жизни» людей (Вернадский, Одум) не могут быть осуществлены без успешного решения обсуждаемых проблем. Очевидно, что эти проблемы: во-первых тесно взаимосвязаны, во-вторых, достаточно сложны, в-третьих, имеют множество решений. Поэтому преодоление их путем сепаратной реализации отдельных мероприятий в рамках известных концепций «рационального природопользования» и «охраны окружающей среды» оказывается чрезвычайно расточительным. Предлагаемые решения должны иметь комплексный характер, быть взаимоувязанными и оптимальными.
Именно такие решения могут быть подготовлены на основе системного подхода, который применительно к энергетике много лет успешно развивается в стране (Л.А. Мелентьев, А.А. Макаров, Л.С. Беляев и др.) и за рубежом (В. Хефеле, Н. Накиченович и др.). В рамках данного подхода разработаны системные энергетические модели, позволяющие отыскивать оптимальные направления использования природных энергетических ресурсов при соблюдении экологических ограничений. Наиболее известными и широко применяемыми моделями ТЭК страны являются MARKAL, EFOM, MESSAGE, энергетики мира - DNE21 и GEM. В этих моделях экологические ограничения представляют собой, как правило, ограничения на выбросы вредных веществ в окружающую среду. В Институте систем энергетики СО РАН в 1996-1997 гг. в рамках международного проекта ТАСИС «Экологически чистое энергоснабжение региона озера Байкал» была разработана региональная энергетическая модель ВЕЕМ (СП. Филиппов), в которой впервые экологические ограничения задавались в виде ограничений на концентрации вредных веществ в так называемых «контрольных» точках. Однако, эта модель до сих пор не нашла должного практического применения. Это связано, прежде всего, с нерешенной проблемой получения надежных значений «экологических коэффициентов». Причем, применительно к аэрозолям проблема не решена как в методическом, так и прикладном планах.
Следует отметить, что до настоящего времени в задачах развития энергетики и, следовательно, в соответствующих математических моделях принимались во внимание только выбросы макрокомпонентов (SO2, NOx, СО и пыли). В то же время, известно пагубное влияние на здоровье людей субмикронных аэрозолей антропогенного происхождения. Источниками поступления таких аэрозолей в атмосферу являются, промышленность, прежде
РОС. h' ^ч .«идя
< . .-
Я»5г»
всего энергетика, выбрасывающая твердые частицы (так называемые первичные аэрозоли), а так же процессы трансформации в атмосфере кислотообразующих газов (SO2, NOx, СО и др.) в аэрозольные частицы (так называемые вторичные аэрозоли). Субмикронные аэрозоли характеризуются развитой поверхностью и высокой адсорбирующей способностью. Эколбгическая опасность таких аэрозолей усиливается их возможностью проникать глубоко внутрь дыхательного тракта человека. Кроме того, антропогенные аэрозоли могут оказывать существенное влияние на климат (причем, как в региональном, так и глобальном масштабах) за счет изменения облачности и альбедо верхних слоев атмосферы.
Основной причиной, по которой проблема вторичных аэрозолей до сих пор не нашла отражения в задачах развития энергетики, является недостаток информации. Например, нет ясности с долей кислотообразующих газов, переходящих во вторичные аэрозоли на рассматриваемой территории, с влиянием климатических условий на процессы образования и «старения» (т.е. последующие превращения) вторичных аэрозолей, в частности, на их «обводнение» и, следовательно, изменение химических свойств и дисперсного состава и т.д.
Представляется, что ответить на данные вопросы в настоящее время можно только на основе комплексного проведения теоретических исследований и натурных измерений. Так, количественные оценки экологических характеристик объектов энергетики могут быть получены путем совместного использования снегосъемки и моделей рассеивания вредных выбросов в атмосфере. Имеющийся положительный опыт применения термодинамической модели экстремальных промежуточных состояний (МЭПС) для исследования процессов трансформации продуктов сгорания в газовом тракте котла и атмосфере (Б.М. Каганович, СП. Филиппов, А.В. Кейко) может быть использован для изучения процессов образования вторичных аэрозолей в атмосфере и их «старения».
Объектом исследования является региональная энергетическая система, образованная" совокупностью взаимосвязанных элементов - энергетических объектов (топливодобывающих и топливоперерабатывающих производств, энерготранспортных коммуникаций, электростанций, котельных, домовых печей и т.д.) и находящаяся во взаимодействии с окружающей средой (прежде всего с окружающей природной средой). Из энергетических объектов в работе рассматриваются энергоисточники на органическом топливе: ТЭЦ, котельные и домовые печи.
Предметом исследования являются процессы загрязнения окружающей среды антропогенными аэрозолями и методы их учета в задачах развития региональных энергетических систем.
Основной целью настоящей работы является решение проблемы учета загрязнения окружающей среды' аэрозолями, в том числе вторичными, в задачах развития региональных энергетических систем.
' Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задали:
разработать методику учета загрязнения окружающей среды аэрозолями, включая вторичные, в математических моделях региональных энергетических систем;
разработать методику определения «экологических характеристик» энергоисточников, касающихся выбросов аэрозолей, и соответствующих «экологических» ограничений в моделях региональных энергетических систем;
выявить влияние климатических факторов на процессы образования и трансформации вторичных аэрозолей в атмосфере.
Методы исследования: методология системных исследований в энергетике; методы термодинамического анализа; методы гидрохимических исследований; методы математического моделирования.
Составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту следующие основные результаты работы:
Методический подход к учету загрязнения окружающей среды аэрозолями, в том числе вторичными, в математических моделях региональных энергетических систем.
Методика определения удельных показателей энергетических объектов, характеризующих загрязнение окружающей среды аэрозолями, и соответствующих ограничений в моделях региональных энергетических систем.
Методика и результаты натурных физико-химических исследований загрязнения окружающей среды антропогенными аэрозолями.
Результаты исследования с помощью термодинамических моделей экстремальных промежуточных состояний влияния климатических факторов на трансформацию аэрозолей в атмосфере.
Практическая значимость работы. Разработанные методы и полученные результаты могут быть использованы при решении задач развития региональных энергетических систем, а также для оценки эффективности природоохранных мероприятий в энергетике и других отраслях промышленности. Особенно актуальны они для территорий с большой долей угля в топливно-энергетическом балансе (Восточная Сибирь, Дальний Восток и др. регионы страны). Результаты термодинамических исследований могут быть полезными для понимания природы и механизмов влияния климатических условий на процессы трансформации в атмосфере выбросов энергетики.
Предложенные в работе методические подходы и полученные результаты нашли применение в исследованиях влияния объектов энергетики на качество атмосферного воздуха в зоне Байкальского участка мирового природного наследия, при выполнении международных проектов SEPS «Сокращение вредных выбросов от котельных г. Слюдянки» (2001-2002 гг.) и EANET «Мониторинг кислотных выпадений с Юго-Восточной Азии» (1998-2003 гг.), интеграционного проекта СО РАН «Аэрозоли Сибири» (2000-2002 гг.), научных исследований по проекту РФФИ №01-02-16643 «Развитие моделей равновесной термодинамики для исследования физико-технических и экологических проблем энергетики» (2001-2003 гг.), а также в процессе
выполнения конкурсной научно-исследовательской работы ИСЭМ СО РАН «Идентификация выбросов серосодержащих соединений от объектов стационарной энергетики по данным сульфатных выпадений» (2001 г.).
Апробация результатов работы. Основные положения работы обсуждались на международных конференциях: III Верещагинская Байкальская конференция (Иркутск, август 2000), VIII Объединенный Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана" (Иркутск, июнь 2001), конференция NATO ARW in Cooperation with the Russian Foundation for Basic Research "Global Atmospheric Change and its Impact on Regional Air Quality"(Irkutsk, August 21-27, 2001), 8th International Joint Seminar on regional deposition processes in the atmosphere (Irkutsk, December 18-21, 2002); на отечественных научных конференциях и семинарах: «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, ИрГТУ, 1997 г.), «Аэрозоли Сибири: VII Рабочая группа» (Томск, 2000 г.), «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 24-27 сентября 2001 г.), «Аэрозоли Сибири: VIII Рабочая группа» (Томск, 2001 г.); «Аэрозоли Сибири: IX Рабочая группа» (Томск, 2002 г.); в Институте систем энергетики СО РАН: на заседаниях Ученого совета института и секции «Научно-технический прогресс в энергетике» Ученого совета института (1999-2003 гг.), на конференции молодых ученых «Системные исследования в энергетике» (Иркутск, 1999 г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в т.ч. 5 - в рецензируемых журналах и 2 - в иностранных изданиях.
Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН и является частью исследований, проводимых в лаборатории термодинамики. Все исследования по теме диссертации выполнены лично автором, либо при его непосредственном участии. Защищаемые положения получены автором лично.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации (без приложения) - 155 страниц, в том числе, рисунков - 28, таблиц - 26, библиографический список из 168 наименований (15 страниц), приложений-77 страниц.
Похожие диссертации на Учет загрязнения окружающей среды аэрозолями в задачах развития энергетических систем
