Assessment of atmospheric air pollution by coal and fuel oil combustion products and fuel oil on the example of neighborhood boiler plants in Ulan-Ude

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The city of Ulan-Ude is annually included in the priority list of cities with the highest level of atmospheric air pollution. The main stationary sources of pollutant emissions into the atmosphere of Ulan-Ude are heat and power enterprises. Their contribution to the total air pollution of the city by stationary sources is about 45%. As fuel they use hard and brown coal and fuel oil. The purpose of the presented work was to study the influence of different types of fuel on atmospheric air pollution based on the results of computational modeling and experimental assessment of snow cover quality. The objects of the study were neighborhood boiler plants located in Ulan-Ude (Aeroport settlement, Glass Factory settlement). The computational modeling was carried out using the Unified program of atmospheric pollution calculation “Web-Prisma-Enterprise”. Analysis of microelement composition of melted snow water was performed by inductively coupled plasma method on Agilent 7500ce quadrupole mass spectrometer. The results of pollutant dispersion in the atmosphere showed an excess of the calculated surface concentrations at coal combustion for solid and gaseous substances compared to similar concentrations produced at fuel oil combustion by 2.45-141.4 times. In contrast, according to the experimental snow cover studies, the fuel oil-fired boiler plant contributes more pollution (Z = 1563.80 - very high pollution level) compared to the boiler plant using coal as fuel (Z = 107.61 - average pollution level). The reasons for this discrepancy may be imperfections in the methodology of calculating emissions of pollutants into the atmosphere: particulate matter (coal or fuel oil ash) is subject to regulation without taking into account their chemical composition; the algorithm of dispersion of emissions does not take into account the density of buildings around the source of emissions into the atmosphere.

Full Text

Введение На протяжении ряда лет г. Улан-Удэ, расположенный в границах Байкальской природной территории, входит в приоритетный список городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха. По данным мониторинга атмосферного воздуха Бурятского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, среднегодовая концентрация бенз(а)пирена в 2022 г. составила 8,7 ПДК, по взвешенным веществам РМ10 - 1,48 ПДК, взвешенным веществам РМ2,5 - 1,68 ПДК, фенолу - 1,33 ПДК[31]. Основными стационарными источниками выбросов загрязняющих веществ в атмосферу г. Улан-Удэ являются предприятия теплоэнергетики: «Генерация Бурятии» ПАО «ТГК-14» (ТЭЦ-1, ТЭЦ-2), «Улан-Удэнский энергетический комплекс» ПАО «ТГК-14», на балансе которого находятся 33 котельные, работающие на угле, мазуте и электричестве. Вклад объектов теплоэнергетики в общее загрязнение атмосферы города стационарными источниками составляет около 45 %. Для оценки загрязнения атмосферного воздуха в зимний период многими учеными [1-3] предлагается использовать снежный покров, который является хорошей депонирующей средой для различного вида загрязнителей. Исследования снежного покрова являются актуальными для определения химического состава выбросов загрязняющих веществ в атмосферу различными источниками, изучения процессов их распределения по территории и осаждения. Целью представленной работы было изучение влияния различного вида топлива на загрязнение атмосферного воздуха по результатам расчетного моделирования и экспериментальной оценки качества снежного покрова. Объекты и методы исследования В качестве объектов исследования были выбраны две близкие по мощности квартальные котельные г. Улан-Удэ, работающие на разных видах топлива: котельные пос. Аэропорт и пос. Стеклозавод. При подборе исследуемых объектов одним из критериев выбора являлось отсутствие рядом прочих стационарных источников загрязнения атмосферы с наветренной стороны, а также удаленность от транспортных магистралей. Котельная пос. Аэропорт мощностью 16,245 Гкал/ч расположена в юго-западной части г. Улан-Удэ. Ближайшая жилая застройка находится на расстоянии 12 м в северо-восточном направлении от котельной. В качестве топлива используется уголь, общий расход которого составляет 33 тыс. т/год. Выброс загрязняющих веществ в атмосферу осуществляется через трубу высотой 30 м диаметром 1,5 м. В качестве пылегазоочистного оборудования установлены батарейные циклоны БЦ-2-7*(5+3) с эффективностью очистки 85,47-88,03 % (3 шт.) и циклон ЦН-11-02 с эффективностью очистки 81,07 % (1 шт.). Котельная пос. Стеклозавод мощностью 11,943 Гкал/ч расположена в северо-западной части г. Улан-Удэ, обеспечивает теплом и горячей водой одноименный жилой микрорайон. Ближайшие жилые дома находятся на расстоянии 109 м в северном направлении от котельной. В качестве топлива используется мазут, годовой расход которого составляет 8,48 тыс. т. Выброс загрязняющих веществ в атмосферу осуществляется через трубу высотой 45 м, диаметром 1,0 м. Пылегазоочистное оборудование отсутствует. Обе рассматриваемые котельные относятся к III категории объектов негативного воздействия на окружающую среду[32]. Для получения информации о возможных максимальных концентрациях загрязняющих веществ в атмосферном воздухе при сжигании топлива проведены расчеты рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере от источников выбросов с использованием Унифицированной программы расчета загрязнения атмосферы «Web-Призма-предприятие», согласованной в соответствии с приказом Минприроды России[33] и реализующей методику разработки (расчета) и установления нормативов допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух[34]. Данные о метеорологическом режиме местности, метеорологические характеристики и коэффициенты, необходимые для проведения расчетов загрязнения атмосферы (значение коэффициента стратификации атмосферы, средняя максимальная температура наружного воздуха наиболее жаркого месяца года, средняя температура наружного воздуха за самый холодный период, скорость ветра u* (м/с), повторяемость превышения которой по средним многолетним данным составляет не более 5 %), приняты по данным Бурятского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Расчеты полей приземных концентраций загрязняющих веществ проведены в соответствии с методами расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) в атмосферном воздухе[35] в условном расчетном прямоугольнике 600×600 м с шагом расчетной сетки 50×50 м. Пробы снега в зоне воздействия рассматриваемых котельных отбирались в конце периода снегонакопления в соответствии с Методическими рекомендациями[36] из шурфов на всю мощность снежного покрова, за исключением пятисантиметрового слоя над почвой, для избежания загрязнения проб литогенной составляющей во время формирования снегового покрова. При отборе проб снега замеряли площадь и глубину шурфа. Вес каждой пробы - около 10 кг. Для исследования были отобраны по 5 проб в зоне возможного воздействия каждой котельной: 4 пробы - вокруг каждой котельной (по румбам) на расстоянии от 50 до 150 м от границы объекта, пятая проба - на границе ближайшей жилой застройки. В качестве фоновой была отобрана проба в лесном массиве пригорода г. Улан-Удэ, где отсутствуют антропогенные источники загрязнения. Анализ микроэлементного состава талой снеговой воды выполнен методом индуктивно-связанной плазмы на квадрупольном масс-спектрометре Agilent 7500 ce в Лимнологическом институте СО РАН (г. Иркутск) согласно методике [4]. Для оценки степени загрязнения снегового покрова были выбраны геохимические показатели, учитывающие распределение как отдельных элементов, участвующих в загрязнении, так и их ассоциаций, связанных с полиэлементностью химического состава техногенных потоков. К ним относятся коэффициент концентрации химических элементов (
×

About the authors

Olga N. Chudinova

East Siberia State University of Technology and Management

Author for correspondence.
Email: chudinova1980@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0003-4160-3062
SPIN-code: 8879-9145

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Associate Professor, Department of «Industrial Ecology and Protection in Emergency Situations»

40B Klyuchevskaya St, Ulan-Ude, 670013, Republic of Buryatia, Russian Federation

Tatyana V. Cheredova

Dobretsov Geological Institute of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: cheredova-tv@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8832-7731
SPIN-code: 8289-9649

Junior Researcher

6a Sakhyanova St, Ulan-Ude, 670047, Republic of Buryatia, Russian Federation

Anna A. Butakova

East Siberia State University of Technology and Management

Email: environment03@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-7607-7023
SPIN-code: 9798-9181

Lecturer, Department of Industrial Ecology and Protection in Emergency Situations

40B Klyuchevskaya St, Ulan-Ude, 670013, Republic of Buryatia, Russian Federation

Aleksey P. Besprozvannykh

«Ulan-Ude Energy Complex», branch of PJSC «TGC-14»

Email: aleksey.dom.com@gmail.com
ORCID iD: 0009-0009-9840-3812
SPIN-code: 4727-9228

Occupational Safety Specialist, 1st category, Occupational Safety and Production Control Service, Ulan-Ude Energy Complex

11B Traktovaya St, Ulan-Ude, 670045, Republic of Buryatia, Russian Federation

References

  1. Yazikov EG, Talovskaya AV, Zhornyak LV. Assessment of the ecological and geochemical state of the territory of Tomsk according to the data of the study of dust aerosols and soils: a monograph. Tomsk: Tomsk Polytechnic University Publ.; 2010. (In Russ.)
  2. Mishchenko OA, Shelganova AA. Monitoring of the snow cover condition on the territory of Khabarovsk Krai; Waste and Resources. 2022;9(3):1–10. https://doi.org/10.15862/11ECOR322. (In Russ.)
  3. Saet YE, Revich BA, Yanin EP. Geochemistry of the environment. Moscow: Nedra Publ.; 1990. (In Russ.)
  4. Chebykin EP, Sorokovikova LM, Tomberg IV. Current state of the waters of the Selenga River. Selenga on the territory of Russia on the main components and trace elements; Chemistry for Sustainable Development. 2012;20(5):613–631. (In Russ.)
  5. Kuklina MV, Bayaskalanova TA, Bogdanov VN, Urazova NG. Prospects for the use of small coal mines of the Republic of Buryatia; Fundamental Research. 2018;4:98–103. (In Russ.)
  6. Vyazova NG, Shaulina LP, Schmidt AF, Dimova LM. Microelements in the coals of Eastern Siberia; Solid Fuel Chemistry. 2016;5:45–55. https://doi.org/10.7868/ S0023117716050091 (In Russ.)
  7. Takaishvili LN, Agafonov GV. Trends and prospects for the use of thermal coals of Eastern Siberia; Proceedings of Tomsk Polytechnic University. Engineering of georesources. 2022;333(3):15–28. https://doi.org/10.18799/24131830/2022/3/3598 (In Russ.)
  8. Sidorova GP, Yakimov AA, Ovcharenko NV, Gushchina TO. Rare and dispersed elements in the coals of Transbaikalia. Bulletin of Transbaikal State University. 2019;25(2):2633. https://doi.org/10.21209/2227-9245-2019-25-2-26-33 (In Russ.)
  9. Sidorova GP, Churkin AA. Quality of brown coals of Okino-Klyuchevskoe deposit; Vestnik ZabGU. 2011;6:104–108. (In Russ.)
  10. Budayeva AD, Zoltoev EV. Composition and properties of sorbents obtained from oxidized brown coals of Gusinoozerskoye deposit; Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2012;2:122–125. (In Russ.)
  11. Takaishvili LN, Agafonov GV. Prospects for the development of local coal deposits in Eastern Siberia for the needs of energy. Borisovskie readings: Proceedings of the III AllRussian scientific and technical conference with international participation. Krasnoyarsk: Siberian Federal University, 2021. (pp. 173–177). (In Russ.)
  12. Sambueva ZV, Gripak AM. Composition, properties and utilization of fly ash from steam coal. Modern scientific research: current issues, achievements and innovations: a collection of articles of the XI International Scientific and Practical Conference. Penza: Science and Enlightenment; 2020. pp. 18–22. (In Russ.)
  13. Lipantiev RE, Tutubalina VP. Influence of the elemental composition of oil from different fields on the operational properties of fuel oil. News of higher educational institutions. Energy problems. Problems of power engineering. 2012;9–10:52–56. (In Russ.)
  14. Zvereva ER, Shageev MF, Dmitriev AV. Utilization of ash and slag waste generated by fuel oil combustion at thermal power plants. Bulletin of Kazan State Power Engineering University. 2018;10(1):64–73. (In Russ.)
  15. Babaev BD, Volshanik VV. Comparative assessment of the environmental impact of different energy supply systems; Bulletin of the Moscow Power Engineering Institute. MPEI Vestnik. 2014;4:29–32. (In Russ.)
  16. Pak Iu, Pak D, Nuguzhinov Zh, Tebaeva A. Natural radioactivity of coal in the context of radioecological safety and rational use; Izvestia vyssovye uchebovaniye vuzdovaniye. Mining journal. 2021;1:97–106. https://doi.org/10.21440/0536-1028-2021-1-97-106.
  17. Sidorova GP, Krylov DA. Radioactivity of coal and ash and slag waste from coal-fired power plants. Energy: Economics, Technology, Ecology. 2017;2:21––26. (In Russ.)
  18. Kotler VR. Emissions of nitrogen oxides at the co-combustion of coal with gas or fuel oil. Teploenergetika. 1996;5:47–52. (In Russ.)
  19. Pilyaeva OV, Shepelev II, Golovnykh NV, Zhukov EI. Reduction of the carbon monoxide emissions into the atmosphere at the fuel oil combustion in the technological heat and power installations; Ecology and industry of Russia. 2023;27(11):4–8. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2023-11-4-8. (In Russ.)
  20. Yudovich JE, Ketris MP. Valuable elements-impurities in coals. Ekaterinburg: Ural Branch of the Russian Academy of Sciences Publ.; 2006 (In Russ.)
  21. Avgushevich IV, Sidoruk EI, Bronovets TM. Standard methods of coal testing. Classifications of coals. Moscow: Reklama master Publ.; 2019 (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Chudinova O.N., Cheredova T.V., Butakova A.A., Besprozvannykh A.P.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.