4.1: викопне паливо та продукти згоряння

Викопне паливо - це вуглеводні, що складаються переважно з наступних елементів: вуглецю та водню та деяких сірки, азоту, кисню та мінеральних речовин. Мінеральна речовина при згорянні перетворюється в золу.

Склад і кількості цих елементів змінюються для різних викопних палив (вугілля, нафта і природний газ), але елементи однакові, як показано на малюнку 4.1.1. Наприклад, водню в рідкому паливі більше, ніж у вугіллі на одиницю маси.

Малюнок 4.1.1. Склад викопного палива

Горіння - це швидке окислення елементів викопного палива, що призводить до утворення тепла. Коли ці елементи окислюються (або з'єднуються з киснем), утворюються продукти згоряння.

продукти згоряння

Частина палива (вуглеводню) може не повністю згоріти при горінні і тому виділяється в атмосферу разом з продуктами. Продукти, які утворюються при згорянні викопного палива, показані на малюнку 4.1.2.

Малюнок 4.1.2. Продукти, що утворюються при спалюванні викопного палива

Ми зараз розглянемо шість продуктів згоряння:

Діоксид вуглецю
Окис вуглецю
Діоксид сірки
Оксиди азоту
Свинець
тверді частинки

Діоксид вуглецю (СО ₂)

Вуглекислий газ є основним продуктом згоряння викопного палива, оскільки вуглець становить 60-90 відсотків маси палива, яке ми спалюємо.

Китай став найбільшим єдиним випромінювачем викидів CO ₂, пов'язаних з енергією, досягнувши рекордного рівня в 8320 мільйонів метричних тонн вуглекислого газу в 2010 році. Сполучені Штати викинули близько 5610 мільйонів метричних тонн у 2010 році. На малюнку 4.1.3 показана тенденція викидів вуглекислого газу з 1980 року. Для Азії та Океанії, особливо для Китаю та Індії, викиди, як видно, значно зросли за останні два десятиліття.

Малюнок 4.1.3. Графік тенденцій викидів CO ₂

Кожен з кінцевих секторів (користувачів) та їх внесок (%) у загальні викиди CO ₂ наведені в таблиці 4.1.1.

Таблиця 4.1.1. Енергетичні викиди CO ₂ (млн метричних тонн) за джерелами та секторами для США у 2011 році

Джерела	Житлова	Комерційна	Промислові	Перевезення	Електрична енергія	Джерело Всього
Вугілля	1	5	151	0	1 718	1 874
Природний газ	256	171	419	39	411	1 296
Нафта	78	49	345	1 802	25	2 299
Інше					11	11
Електроенергія	827	767	567	4
Загальний сектор	1 162	992	1 482	1 845	2 166	5 481

Кредит: Адміністрація енергетичної інформації США

Додаткова інформація

_{У 2010 році 41,9% викидів викопного палива в США припало на споживання нафтопродуктів, а використання вугілля становило 35,4% викидів викопного палива в США.} Близько 22,5% викидів CO ₂ були наслідком використання природного газу.

Окис вуглецю (СО)

Окис вуглецю, або СО, являє собою безбарвний газ без запаху, який утворюється, коли вуглець в паливі не спалюється повністю. На малюнку 4.1.4 показаний внесок різних джерел у викиди СО.

Малюнок 4.1.4. Джерела викидів СО

Окис вуглецю є компонентом вихлопних газів автомобілів, що сприяє близько 55 відсотків усіх викидів CO по всій країні. Інші позашляхові двигуни та транспортні засоби (такі як будівельна техніка та човни) сприяють близько 22 відсотків усіх викидів CO по всій країні. Більш високі рівні СО, як правило, трапляються в районах з великими заторами на дорогах. У містах від 85 до 95 відсотків усіх викидів CO можуть надходити від вихлопних газів автомобілів.

Інші джерела викидів CO включають промислові процеси (такі як обробка металів та хімічне виробництво), спалювання деревини в житлових приміщеннях, а також природні джерела, такі як лісові пожежі. Дров'яні печі, газові плити, сигаретний дим та газові та гасові нагрівачі є джерелами СО в приміщенні.

Найвищі рівні СО у зовнішньому повітрі зазвичай виникають у холодніші місяці року, коли умови інверсії частіші. Інверсія - це атмосферний стан, який виникає, коли забруднювачі повітря потрапляють у пастку біля землі під шаром теплого повітря.

Діоксид сірки (SO ₂)

Діоксид сірки, або SO ₂, належить до сімейства газів оксиду сірки (_{SO x}). Ці гази легко розчиняються у воді. Сірка поширена у всій сировині, включаючи сиру нафту, вугілля та руди, які містять загальні метали, такі як алюміній, мідь, цинк, свинець та залізо.

Гази _{SO x} утворюються, коли паливо, що містить сірку, таке як вугілля і нафта, спалюється, і коли бензин витягується з нафти, або метали витягуються з руди. Розподіл викидів показано на малюнку 4.1.5. SO ₂ розчиняється у водяній парі, утворюючи кислоту і взаємодіє з іншими газами та частинками в повітрі, утворюючи сульфати та інші продукти, які можуть бути шкідливими для людей та їх навколишнього середовища.

Малюнок 4.1.5. Джерела викидів _{SO 2}

Оксиди азоту (NO _x)

Оксиди азоту, або NO _x, є загальним терміном для групи високоактивних газів, всі з яких містять азот і кисень у різних кількостях. Багато оксидів азоту є безбарвними і без запаху.

Оксиди азоту утворюються при спалюванні палива при високих температурах, як в процесі горіння. Основними джерелами NO _x є автомобільні транспортні засоби, електромережі та інші промислові, комерційні та побутові джерела, які спалюють паливо, як показано на малюнку 4.1.6.

Малюнок 4.1.6. Джерела викидів NO _x

Хоча багато оксидів азоту є безбарвними і без запаху, один поширений забруднювач, діоксид азоту (NO ₂) разом з частинками в повітрі часто можна розглядати як червонувато-коричневий шар у багатьох міських районах, як показано на малюнку 4.1.7.

Малюнок 4.1.7. Смог над Лос-Анджелесом

Свинець (Pb)

Основними джерелами викидів свинцю історично були автомобільні транспортні засоби (такі як легкові та вантажні автомобілі) та промислові джерела.

Через поетапну відмову від етилованого бензину обробка металів є основним джерелом викидів свинцю в повітря сьогодні. Найвищі рівні свинцю в повітрі, як правило, знаходяться поблизу свинцевих плавильних заводів (пристроїв, що переробляють свинцеві руди). Інші стаціонарні джерела - це сміттєспалювальні заводи, комунальні підприємства та виробники свинцево-кислотних акумуляторів. На малюнку 4.1.8 показані численні коробки зі свинцем.

Малюнок 4.1.8. Свинець - це метал, який природним чином міститься в навколишньому середовищі, а також у виробленої продукції.

Веселий факт

Свинець використовується при виготовленні багатьох предметів, в тому числі скла, гуми, фарби, акумуляторів, інсектицидів, сантехніки і захисного екранування для рентгенівських променів.

Тверді частинки (PM)

Тверді частинки (PM) - загальний термін, який використовується для опису суміші твердих частинок і крапель рідини, що знаходяться в повітрі. Деякі частинки досить великі, щоб їх можна було розглядати як пил або бруд. Інші настільки малі, що їх можна виявити тільки за допомогою електронного мікроскопа.

Різні розміри частинок включають:

PM 2.5 описує «дрібні» частинки, які менше або рівні 2,5 мкм (мікрометр) в діаметрі.
Частинки «великої фракції» більше 2,5 мкм, але менше або рівні 10 мкм в діаметрі.
ПМ 10 відноситься до всіх частинок менше або дорівнює 10 мкм в діаметрі (близько однієї сьомої діаметра людського волоса). ПМ може випромінюватися безпосередньо або утворюватися в атмосфері.

До різних джерел частинок відносяться:

«Первинні» частинки утворюються з джерел горіння і викидаються безпосередньо в атмосферу. Прикладами первинних частинок є пил з доріг або чорний вуглець (сажа).
«Вторинні» частинки утворюються в атмосфері від первинних газоподібних викидів. Прикладами вторинних частинок є сульфати, що утворюються з викидів SO ₂ від електростанцій та промислових об'єктів; нітрати, що утворюються в результаті викидів NO _x від електростанцій, автомобілів та інших джерел згоряння; і вуглець, що утворюється в результаті викидів органічних газів від автомобілів та промислові об'єкти.

Додаткова інформація

Хімічний склад ПМ залежить від місця розташування, пори року та погоди. Як правило, первинні частинки складають грубі PM, а вторинні частинки складають більшу частину дрібних PM.

Вплив первинних забруднюючих речовин на здоров'я та довкілля

Забруднюючі речовини, які виділяються безпосередньо в процесі горіння - або продукти згоряння - називаються «первинними забруднювачами». Ми якраз описували ці продукти раніше на уроці, зараз розглянемо їх вплив на навколишнє середовище і здоров'я людини.