Вы когда-нибудь стояли у костра, пытаясь отогнать от себя дым, размахивая руками и приговаривая: «Дым-дым, я масла не ем!». А ведь в нем горит обычно самое большее вязанка поленьев. В то же время «дым» московских ТЭЦ гораздо менее ощутим, чем дым шашлыков в любом парке Москвы в летние выходные, хотя в топках ТЭЦ газ горит тысячами кубометров, чтобы всем горожанам было тепло зимой. В чем же секрет?
Снижение выбросов ТЭЦ в атмосферу
Оптимизация сжигания топлива
Сегодня в России большинство станций использует в качестве топлива природный газ. Такой выбор оправдан: при сгорании газа образуется гораздо меньше вредных веществ, чем при сгорании угля. Если говорить о запасах угля и газа, то ситуация складывается в пользу первого полезного ископаемого – его разведанных запасов хватит на 200 лет, тогда как природного газа – примерно на 50-70 лет. Но есть фактор, который объединяет эти два вида топлива для электростанций: основной вредный продукт сгорания органического топлива – оксид азота (NO) – выделяется и при сгорании газа, и при сгорании угля. Затем NO взаимодействует с кислородом воздуха, образуя диоксид азота NO2, который в пять раз более ядовит, чем «угарный газ» (СО). Безопасная для людей концентрация NO2 очень мала: в приземном слое атмосферы (1,5 м от уровня земли) она не должна превышать 0,2 мг/м³. Более высокая концентрация может вызывать у людей болезни органов дыхания. Еще одно неприятное последствие высокого содержания NO2 в атмосфере – так называемые «кислотные дожди», которые представляют опасность как для растений, животных и людей, так и для зданий и сооружений.
Для минимизации последствий образования вредных веществ при сгорании топлива в современных котлах уголь уже давно не сжигают в его первозданном виде – перед тем как подать в топку, его фактически превращают в газ – измельчая в пыль с размером частиц не более 1 мм и смешивая с воздухом, так что в котле горит не уголь, а угольная пыль. Благодаря тому, что удельная поверхность (м²/кг) у мелких угольных пылинок в тысячи раз больше, чем у кускового угля, сгорание угольных частиц в топке происходит за считанные секунды.
Эффективность сгорания топлива оценивается двумя основными составляющими – получение максимального количества теплоты на единицу массы топлива при одновременном получении минимального количества вредных выбросов. Этот принцип берется за основу при разработке конструкций различных типов малотоксичных горелок – специальных устройств, обеспечивающих оптимальную циркуляцию подаваемого в топку воздуха, топлива и отходящих газов.
Оказывается, при снижении поступления кислорода в топку не только снижается температура пламени, но и значительно уменьшается образование вредного оксида азота, в то время как увеличивается образование простого азота N2 – газа из которого на 80% состоит воздух, которым мы дышим.
Поэтому малотоксичные горелки должны выполнять следующие функции:
- тормозить подмешивание богатого кислородом вторичного воздуха к воспламенившейся топливовоздушной смеси в корне факела;
- обеспечить эффективное сжигание топлива при минимально возможной доле первичного воздуха (для пылеугольных горелок);
- снижать пик температуры в ядре горения без ущерба для стабильности воспламенения и эффективности сгорания топлива.
Одним из способов снижения выбросов оксидов азота без дорогостоящих мероприятий по очистке дымовых газов является изменение внутритопочного процесса в нужном направлении. Внутритопочные мероприятия по подавлению эмиссии оксидов азота имеют высокую эффективность при относительно невысокой стоимости. Эти мероприятия разрабатываются для котлов действующих ТЭЦ и ГРЭС, которые еще не выработали свой ресурс.
В более современных газотурбинных установках освоено «малотоксичное» сжигание природного газа. Оно наиболее эффективно в камерах сгорания, работающих на предварительно подготовленной гомогенной смеси газа с воздухом при больших избытках воздуха и с равномерной и сравнительно невысокой (1500-1550 °С) температурой факела. При такой организации горения образование NO2 удается ограничить 20-50 мг/м3 при нормальных условиях (стандартно они относятся к продуктам сгорания, содержащим 15% кислорода) при высокой полноте сгорания (концентрации СО<50 мг/м3). Проблема заключается в сохранении устойчивости горения и близких к оптимальным условий горения при изменениях режимов. С разной эффективностью это достигается ступенчатой подачей топлива (включением/отключением тех или иных горелок или зон горения), регулированием расхода поступающего на горение воздуха и дежурным диффузионным факелом небольшой мощности.
Но перевод на парогазовые и газотурбинные технологии возможен не везде – газ составляет 40% всего объема потребляемого российской энергетикой топлива, так что использование малотоксичных горелок не скоро потеряет свою актуальность.
Владимир Молчанов, ведущий инженер Управления капитального строительства ООО «Фирма «ИНТРЭК»
