Моделирование эмиссии диоксида серы

Кислотные дожди были проблемой Европы – теперь это стало проблемой Азии

 Проблема кислотных дождей

Во второй половине последнего столетия в некоторых регионах Европы стали замечать, что окружающая среда сильно повреждается кислотными дождями, или кислотными туманами. Естественно, дождь бывает всегда со слабой кислотной реакцией, так как углекислый газ растворяется в капельках дождя и формирует там угольную кислоту, вследствие чего pH в дожде приблизительно равен 5,6. Однако, в регионах с сильной эмиссией серного диоксида и оксидов азота в дождевой воде pH = 4 или даже меньше.

Как следствие этого, почвы стали более кислыми и активизировались химические соединения (типа Al³⁺ ионы), которые начали повреждать леса. Значения pH, например, в шведских озерах значительно уменьшились, а много видов фауны и флоры в экосистемах озер погибли.

Не только природа, но также здания, сооружения и культурные памятники, чувствительные к кислотам, стали разрушаться под действием кислотных дождей. Основной источник серного диоксида и серной кислоты, образованной из него, сгорание содержащего серу топлива по безфильтровой технологии. Это бурый и каменный уголь, топливо на основе нефти, используемые на электростанциях, в промышленности и домашних хозяйствах .

2. Слева: уровень pH в слое гумуса в Швеции. Мультипликация показывает изменения с 1963 г.  Автор: Ake Nilsson, Swedish University of Agricultural Sciences. Source: Swedish Environmental Protection Agency.

 Развитие в Европе и Азии

В последние десятилетия были созданы передовые очистительные технологии, и законодательство заставило промышленников и поставщиков электричества использовать их. Много частных хозяйств перешли от угольных брикетов на другие источники энергии. Хотя почва и озера все еще страдают от закисления, серная эмиссия была резко уменьшена в Европе, и проблема, кажется, решена.
 

Однако, в других частях мира, особенно в Азии, вследствие сильного расширения промышленности с высоким потреблением энергии, но низкими экологическими нормами, кислотные дожди становятся серьезной проблемой.
 

3. Панорама Шанхая. © Фотография Shizhao, авторское право предоставили: GNU, свободная лицензия,  GNU free documentation licence
Щелкните для увеличения (150 K)

В странах, таких как Китай, имеется много угля, и часто он более дешев, чем другие источники энергии. Имеется экономическая прибыль от низких издержек производства, а дорогие очистительные технологии увеличили бы эти издержки. Эти затраты могут окупиться в долгосрочной перспективе, но, чтобы защитить окружающую среду, инвестиции должны быть сделаны сейчас. В Международном Институте прикладного системного анализа (IIASA) в Лаксенбурге (Австрия), партнера ACCENTа, была разработана модель (названная RAINS), которая оценивает существующее экологическое состояние в Азии, его потенциальное ухудшение и затраты для уменьшения атмосферного загрязнения и кислотных дождей.

 Оценки для Азии

В 2004 г. было определено, что в восточноазиатском регионе сгорание угля удовлетворяет приблизительно 80 % энергопотребления. Хотя относительная доля других источников энергии (нефть, природный газ) может увеличиваться – общая потребность в энергии, как ожидают, удвоится или утроится в течение последующих 30 лет. Поэтому, если текущее законодательство не изменится, эмиссия серы все еще будет расти. Однако пример небольшого снижения эмиссии в Китае показывает, что понимание проблемы и принятие соответствующих мер в экономике, энергетике и политике, может помочь уменьшить проблему серы, как это предприняли в Европе. Поэтому сценарий "наилучшей возможной технологии" показывает намного более низкие значения на 2020 г.

5. а) - d) эмиссия SO2 в странах Азии. Оценка на 2020 г. сделана согласно современному законодательству (CLE). Обратите внимание, что диапазон шкалы слева в 15 раз шире на диаграмме а) – для больших и экономически сильных стран Азии. На диаграммах для других стран диапазон этой шкалы доходит только до отметки в 2000 килотонн SO2. Так как оценки на 2020 г. превышают этот диапазон для Пакистана и Таиланда, эти страны включены в диаграмму a). Please click the thumbnail on the left for an overview map of all countries.
Источник: Кофала и др., 2004 г.

Щелкните на графиках для увеличения. (30 K)
 

 Затраты на снижение эмиссии

Конечно мероприятия по контролю эмиссии, модернизация заводов и интеграция очистительных технологий стоят очень дорого. Модель RAINS оценивает эти затраты. Например, за 1995 год оценено, что 3,9 миллиона тонн SO₂ не было выпущено в атмосферу, благодаря инвестициям в технологии контроля – в размере 4,7 миллиардов долларов. Также рассчитано, что к 2020 году, в связи с недавними изменениями в законодательстве, 28 % теоретически неконтролированной эмиссии SO₂ будут охвачены затратами в количестве 13 миллиардов долларов. Но, в идеале, возможно сокращение эмиссии SO₂ до 11 миллионов тонн, что оценивается 78 миллиардами долларов затрат.

Эти затраты не являются полной потерей для экономики стран, так как развитие и внедрение очистки и сокращающих эмиссию технологий дают работу населению и являются частью экономики непосредственно. Для отдельных же компаний необходимые инвестиции, вследствие жесткого законодательства, могут быть слишком дорогими. Нормы контроля должны быть составлены достаточно гибко, чтобы краткосрочные и долгосрочные социальные, экономические и экологические интересы были бы согласованы.
 

7. Затраты на определенные меры с большим влиянием могут быть низкими, в то время как они могут быть высокими для других мер с меньшим влиянием. Ученые и экономисты пробуют выяснить, где и как самое высокое сокращение эмиссии может быть наиболее эффективно достигнуто более низкими затратами. График показывает, как уголь с низким содержанием серы, необработанная нефть и десульфуризации (FGD) выбросов могут помочь уменьшать эмиссию и в каких частях энергетической системы они могут быть применены с самой низкой стоимостью и с самой высокой пользой. Например, ограничение содержания серы в дизельном топливе до 0,2 % влияют на эмиссию и это приводят к умеренным затратам. Если содержание серы в нем уменьшить до 0,01 %, это не будет намного эффективнее, но вызывает те же самые затраты. Поэтому это снижение менее выгодно, чем, например, применение дымового газа десульфуризации из нефти, сжигаемой на электростанциях.
Источник: Кофала и др., 2004 г.

 Отрицательное воздействие на здоровье

Часто экономические инвестиции, вложенные для улучшения сегодняшних природных условий, покрываются в течении многих десятилетии. Однако, в случае кислотных дождей ущерб более прямой. Не только для окружающей среды, но также и для здоровья людей. Всемирная организация здравоохранения (WHO) рекомендует предельно допустимые количества серы в воздухе атмосферы в диапазоне c(SO₂) = 15-20 мкг/м³. Однако, оценки модели RAINS на 2020 год показывают, что в среднем в городах концентрация может достигать 80 мкг/м³, а в некоторых местах города даже намного выше. Больше чем 1 миллиард населения будет жить в этих местах. Можно только предположить, что дополнительные затраты здравоохранения будут огромными.

 Заключение

Мы узнали из вышесказанного, что относительно простые химические реакции, такие как, формирование в атмосфере серной кислоты из серного диоксида, имеют огромную важность в экономике, политике, защите окружающей среды и здравоохранении большинства регионов мира. Для того чтобы избежать ущерба обществу и окружающей среде, ученые должны не только понять важность химических процессов, приводящих к эмиссии, важность технологий, чтобы избежать ее, но и необходимость экономической модели, чтобы оценить, какие технологии должны быть применены в первую очередь.

Автор: Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz


Иллюстрации с исходной информацией: Кофала и др., 2004 г., взятой из следующей статьи:

Cofala, J., Amann, M., Gyarfas, F., Schцpp, W., Boudri, J.C., Hordijk, L., Kroeze, C., Li Junfeng, Dai Lin, Panwar, T.S., Gupta, S., 2004, Cost-effective Control of SO2 Emissions in Asia. Journal of Environmental Management 72 (2004), pp. 149-161.

Рецензент: Dr. Janusz Cofala, IIASA Laxenburg, Austria