Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Энергетика и промышленность России" - избранные материалы

Подписаться Бесплатная «Серебряная» новостная рассылка . Подписчиков 1.155 RSS
←   Ноябрь 2017   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://www.eprussia.ru
Открыта: 02-03-2002

Автор
Энергетика и промышленность России

Статистика

1.155 подписчиков
0 за неделю
←   Все выпуски   →

Свой дым <<...и сладок, и приятен>>,


 

Свой дым «...и сладок, и приятен», или О том, как устранить дым при работе топливосжигающих установок

 

 

Функционирование всех находящихся в эксплуатации топливосжигающих установок независимо от их типа и вида, как известно, сопровождается выбросом дыма.

На рубеже XIX?XX вв. дымили заводы и фабрики, трансатлантические лайнеры, крейсеры и линкоры, показывая высокий уровень промышленно-экономического развития и военную мощь государства, именно поэтому дым в городах и на морских просторах был «…сладок и приятен».

Спустя сто лет ситуация изменилась, и сегодня дым воспринимается не иначе как опаснейший антропогенный (техногенный) загрязнитель окружающей природной среды, нарушающий естественный экологический баланс планеты Земля.



Что такое дым и его влияние на человека

Дым, как известно, представляет собой сложную дисперсную систему аэрозолей и суспензий, формируемую газами, мелкодисперсными твердыми и жидкими частицами продуктов сгорания (размером не более 10?7 – 10?5 м), которые, постоянно находясь во взвешенном состоянии в газообразной фазе, не оседают под действием силы тяжести.

В зависимости от источника дым может быть антропогенного (техногенного) и природного (естественного) происхождения. Очевидно, что антропогенный дым – это продукт работающих котлов, печей, дизельных, газотурбинных и других топливосжигающих установок, в процессе сгорания углеводородного топлива в камерах сгорания и топках которых образуются дымовые газы.

Исследования показывают, что при использовании находящихся в эксплуатации в настоящее время энергетических объектов на долю топливосжигающих установок в общем загрязнении окружающей природной среды приходится до 90?95 % экологически опасных газовых выбросов и до 60?80 % сбросов тепловой энергии.

Содержание, концентрация и доля загрязнителей в уходящих дымовых газах определяется многими факторами, к наиболее значимым из которых следует отнести уровень организации процесса горения и вид (в частности, химический состав и структуру) сжигаемого топлива.

В дымовых газах содержится более 200 высокотоксичных ядовитых элементов, соединений и веществ, из которых до 1,5 % являются смертельными для живых организмов. При этом в дымовых газах присутствуют соединения, такие, как альдегиды, формальдегиды, бенз(о)пирен, отнесящиеся к отравляющим веществам.

При сжигании жидкого топлива в составе дыма присутствуют оксиды углерода (до 50 %), оксиды серы (до 20 %), оксиды азота (до 6-8 %), углеводороды (5?20 %) и другие. В то же время процесс горения газообразного топлива сопровождается выбросом 83?85 % оксидов азота, являющихся основными загрязнителями природной среды. Твердые виды горючих относятся к наиболее опасным топливам, поскольку в состав их продуктов сгорания наряду с указанными загрязнителями входит до 3 % и более летучих частиц сажи, неорганических примесей и включений.

Кроме того, дымовые газы содержат до 1,5?2,0 % не сгоревшего в топливосжигающей установке топлива, которое наряду с пылью, сажей и золой оседает на поверхности земли и воды.

Дымовые газы могут быть различными по цвету, однако преобладающими являются белый, сизый и черный цвета. По дыму визуально можно судить о виде сжигаемого топлива, соотношении горючего и окислителя, наличии влаги и других компонентов, попавших в зону горения. Так, например, белый дым означает переизбыток воздуха или повышенное влагосодержание дымовых газов, сизый свидетельствует о наличии масла в зоне горения, а черный – о переизбытке топлива и высокой концентрации продуктов пиролиза (например, сажи и недогоревших углеводородов) в уходящих дымовых газах. Прозрачный или бесцветный дым, как известно, является признаком высокой организации сгорания топлива.

Уходящие дымовые газы обладают специфическим неприятным запахом и оказывают вредное, а порой и смертельное, воздействие на организм человека, флору и фауну. Газовое и тепловое загрязнение атмосферы приводит к ее задымлению (вплоть до смога), изменяет характер облачности, что в конечном итоге вызывает появление «парникового» эффекта.

Наиболее экологически опасными для живых организмов компонентами дыма, вызывающими раковые заболевания, являются канцерогенные вещества, представленные полициклическими ароматическими углеводородами (СХНУ). К числу обладающих большой канцерогенной активностью, в первую очередь, следует отнести 3,4 – бенз(о)пирен (С20Н12), максимальный выброс которого наблюдается на нестационарных режимах работы топливосжигающих установок, особенно при наборе мощности.



Причины возникновения дыма

Причины возникновения дымовых газов сложны и разнообразны, однако, по мнению авторов, их можно разделить на три основные группы: конструктивные, организационно-технические и эрготические.

К конструктивным причинам следует отнести, прежде всего, состав и конструкцию топливной и воздухоподающей систем, то есть непосредственно тех систем топливосжигающей установки, которые предназначены для подготовки компонентов и горючей смеси к сжиганию.

Следует отметить, что конструкция используемых в настоящее время традиционных топливных и воздухоподающих систем двигателей и котлов остается практически без принципиальных изменений более ста лет.

Существенными конструктивными недостатками эксплуатируемых сегодня топливных и воздухоподающих систем, способствующих повышенному дымлению, всех топливоподающих установок являются:

∙ раздельная подача горючего и окислителя к месту приготовления горючей смеси;
∙ невозможность приготовления горючей смеси оптимального (то есть 10–11 кг воздуха на 1 кг топлива) состава на всех режимах работы установки;
∙ постоянный перерасход топлива и / или воздуха на всех режимах работы установки;
∙ необходимость создания высоких давлений воздуха и топлива для более качественного смешения компонентов горючей смеси;
∙ набор мощности или увеличение нагрузки за счет повышения расхода топлива;
∙ первичность подачи топлива в зону горения и вторичность подачи воздуха и другие.

К наиболее значимым организационно-техническим причинам, способствующим появлению дыма в процессе эксплуатации топливосжигающих установок, можно отнести:

∙ отсутствие экологических требований к углеводородному топливу;
∙ отсутствие критериев оценки экологической безопасности (чистоты) использования топлива по прямому назначению;
∙ использование морально устаревших топливосжигающих установок, их вспомогательных систем и механизмов;
∙ организация процесса горения топлива, удовлетворяющая требованиям на момент проектирования топливосжигающей установки;
∙ несоответствие уровня подготовки, ответственности, технической и экологической культуры руководящего и обслуживающего персонала постоянно ужесточающимся природоохранным требованиям.

Под эрготическими причинами следует понимать причины, вызванные действиями руководящего и обслуживающего персонала, которые привели к неправильным или не соответствующим сложившейся ситуации решениям, а именно:

∙ стремление устранить следствие, а не причины дымления;
∙ низкая мотивация получения глубоких знаний и навыков по специальности;
∙ слабое знание, а порой и вовсе незнание современных экологических требований;
∙ нежелание, а в отдельных случаях и боязнь внедрения новых современных технологий, в том числе по снижению дымления;
∙ недостаточные знания современных способов и методов снижения дымления.




Сколько дыма выбрасывается в атмосферу

Количество продуктов сгорания – дымовых газов, образовавшихся при сжигании углеводородного топлива, как известно, определяется, в первую очередь, расходом атмосферного воздуха, затраченного на организацию процесса сгорания, и количеством сжигаемого топлива. Так, теоретическое количество атмосферного воздуха с температурой +15?С, необходимое для полного сжигания 1 кг топлива, составляет для углей около 7,7 кг, для газообразного и жидкого топлива – соответственно, около 11,3 и 11,9 кг.

Действительное количество затраченного на горение воздуха превышает теоретическое значение на величину коэффициента избытка воздуха (?), который, помимо всего прочего, зависит от вида сжигаемого топлива и составляет, например, для углей – около 1,6, а для газообразного и жидкого топлива, соответственно – 1,01–1,05 и 1,2–1,5.

В реальных условиях эксплуатации фактический расход воздуха значительно больше за счет умышленного завышения коэффициента избытка воздуха в два, три и более раз. При высоких значениях коэффициента ? огромные массы воздуха транзитом проходят зону горения, но не участвуют при этом в реакциях окисления, а, нагреваясь до высоких температур в зоне горения, сбрасываются в атмосферу, при этом существенно увеличивая количество дымовых газов даже при постоянных или сниженных расходах топлива.

Следует отметить, что количество сбрасываемых в атмосферу дымовых газов – продуктов сгорания для разных видов углеводородных топлив также различно. Так, при сжигании угля в атмосферу выбрасывается не более 65 % от общего объема продуктов сгорания, в основном – летучие и газо­образные вещества. Аналогичный показатель для газообразного топлива составляет более 99 %, а для жидких нефтяных топлив находится в диапазоне 80–95 %. Остальная часть дымовых газов в виде нагара, копоти, золы, сажи и других отложений остается на поверхностях нагрева топливосжигающей установки и ее газового тракта.

Зная доли использования различных видов углеводородного горючего, долю ископаемых топлив в мировом топливном балансе, теоретические расходы и коэффициенты избытка воздуха для каждого вида топлива и доли выброшенных в воздушный бассейн продуктов сгорания, нетрудно рассчитать количество уходящих в атмосферу газов при сжигании 1 кг топлива за час работы топливосжигающей установки. Очевидно, что все расчеты должны проводиться в одних единицах измерения, поскольку 1 кубометр газа, 1 л жидкого топлива и 1 кг угля – это не одно и то же. Эти величины связаны между собой через плотности.

Количество дымовых газов, сбрасываемых в атмосферу при сжигании 1 кг конкретного вида углеводородного топлива, вычисляется следующим образом. К 1 кг топлива прибавляется произведение теоретического количества воздуха и коэффициента избытка воздуха, далее полученная величина умножается на долю дымовых газов, сбрасываемых в воздушный бассейн, на долю ископаемого топлива в мировом энергетическом балансе и на долю сжигаемого вида топлива в данном балансе.
Расчеты показывают, что сжигание 1 кг жидкого топлива дает 5,7 кг дымовых газов. Для сравнения: значение данного показателя для газообразного горючего составляет 2,2 кг дымовых газов, а для угля – 1,3 кг дымовых газов.

Анализ причин возникновения дыма, связанных со сжиганием ископаемого топлива, показывает, что приоритет в возникновении и протекании процесса образования дыма принадлежит не виду и физико-химическим показателям сжигаемого углеводородного горючего, а уровню организации процесса его сжигания, которое определяется, в свою очередь, технологией подготовки и схемой смешения компонентов, участвующих в реакции горения.

Говоря другими словами, неважно, какое топливо сжигается, а важно, как оно сжигается.



Применяемые сегодня способы снижения дыма

На начало XXI в. для снижения качественно-количественных показателей дымовых газов разработаны и используются следующие мероприятия:

∙ установка на дымовых и выхлопных трубах фильтров, катализаторов и очистных устройств;
∙ применение горелок со сниженными оксидами азота (NOx);
∙ многостадийное сжигание топлива;
∙ рециркуляция уходящих выхлопных отработавших дымовых газов;
∙ ввод в зону горения воды или водяного пара;
∙ ввод присадок в топливо или в зону горения;
∙ химическая очистка уходящих дымовых газов;
∙ внедрение в топливные системы технических устройств, позволяющих реализовать дополнительные технологические процессы обработки топлива при его подготовке к сжиганию;
∙ переход на сжигание экологически более чистых видов углеводородных топлив, топливных смесей, водотопливных эмульсий, суспензий и аэрозолей на их основе;
∙ оснащение энергетических комплексов дымовыми трубами специальной конструкции и другие.

К сожалению, реализуемые сегодня мероприятия, по мнению авторов, только маскируют дым и не способны устранить его, поскольку в большинстве случаев воздействуют не на причины, вызвавшие появление дыма, а на следствие.

Справедливости ради необходимо отметить, что в последнее время реализован целый ряд мероприятий, позволяющих качественно изменять механизм протекания реакции окисления, активизируя и интенсифицируя непосредственно процесс горения углеводородного топлива. Позитивное воздействие на механизм горения топлива, в свою очередь, значительно снижает долю неполных продуктов сгорания, изменяет состав и количественные показатели дымовых газов за счет устранения многих причин образования экологически опасных химических элементов, соединений и веществ в зоне горения. Однако, по мнению авторов, сегодня, в XXI веке, этих мероприятий явно недостаточно. Несмотря на постоянное ужесточение экологических требований к топливосжигающим установкам, в их составе до сих пор используются достигшие своего функционального и конструктивного предела топливные системы, которые играют не последнюю роль в возникновении дыма.



Как можно устранить дым

Устранить дым, то есть образование дымовых газов, в процессе функционирования топливосжигающих установок полностью, к сожалению, не представляется возможным, однако процесс горения углеводородного топлива необходимо организовывать таким образом, чтобы его конечным результатом были исключительно продукты полного сгорания. В этом случае под устранением дыма следует понимать максимально возможное снижение выхода экологически опасных элементов, соединений и веществ, содержащихся в продуктах сгорания – уходящих газах, за счет реализации комплекса мероприятий, позволяющих активизировать и интенсифицировать процесс горения / окисления углеводородного топлива. При этом активизация и интенсификация процесса горения углеводородного топлива может быть достигнута, например, путем сжигания предварительно обработанного и облагороженного топлива с одновременным снижением расхода воздуха, необходимого для организации процесса горения, и поддержания этого значения близким к теоретическому. Для удаления дыма в цикле топливоподготовки следует использовать дополнительные технологические процессы обработки подаваемого на сжигание топлива, позволяющие гомогенизировать, снизить молекулярную массу и усреднить структуру топливных частиц.

Во всех случаях, как показывает опыт, устранение дыма сопровождается экономией топлива, во?первых, за счет исключения его затрат на практически мгновенный нагрев до температур зоны горения огромной массы воздуха, быстро проходящей транзитом через зону горения и не принимающей никакого участия в процессе горения / окисления. Во-вторых, за счет увеличения суммарной площади контакта горючего и окислителя. И наконец, за счет равномерного распределения окислителя по всему объему горения и отсутствия в нем обедненных кислородом зон.

В реальных условиях эксплуатации топливосжигающих установок устранение дыма из трубы может быть достигнуто реализаций ряда мероприятий, а именно:

∙ использованием в качестве горючего гидротоплива (водотопливной эмульсии, аэрозоли, суспензии) заданного влагосодержания;
∙ облагораживанием (улучшение эксплуатационных свойств) топлива непосредственно перед его подачей на горение, например путем его струйно-кавитационной и / или роторно-пульсационной обработки;
∙ изменением способа подачи топлива на горение;
∙ газификацией и аэрацией топлива, подаваемого на сжигание;
∙ использованием дымовой трубы эжекторного типа.

Очевидно, что реализация указанных мероприятий требует изменения конструкции, состава и правил эксплуатации как топливной и воздухоподающей систем топливо­сжигающих установок, так и энергокомплекса в целом.

Опыт авторов показывает, что внедрение перечисленных мероприятий, за исключением изменения способа подачи топлива на горение, наряду со снижением вредных компонентов в уходящих газах – продуктах сгорания наблюдается экономия топлива до 10 %. При изменении же способа подачи топлива на горение экономия топлива достигает 15 %.

Очевидно, что при использовании представленных мероприятий, кроме сжигания гидротоплива, снижается и количество дымовых газов. При сжигании гидротоплива объем уходящих газов несколько увеличивается за счет парообразования содержащейся в топливе воды, при этом экологическая опасность образовавшегося при сжигании гидротоплива дыма снижается, в том числе и за счет разбавления продуктов сгорания и снижения их концентрации водяными парами.

Проведенные расчеты показывают, что реализация указанных направлений по устранению дыма позволяет в среднем уменьшить количество сбрасываемых в атмосферу дымовых газов при сжигании 1 кг жидкого топлива ~ на 17 % (до 4, 7 кг), 1 кг природного газа ~ на 4 % (до 2,1 кг), и 1 кг угля ~ на 23 % (до 1,0 кг).



Вместо заключения

Первые работы по снижению дымности и повышению экономичности топливо­сжигающих установок на основе активизации и интенсификации процесса горения углеводородного топлива были проведены авторами на вспомогательных котельных установках БПК «Очаков», ПКР «Москва» и ПКР «Ленинград» (Черноморский флот) более 25 лет назад. В последующем аналогичные работы были выполнены еще на 11 стационарных энергетических объектах России и СНГ, в том числе на старой ТЭЦ № 5 (Санкт-Петербург), ППО «Звездочка» (Северодвинск) и на объектах Масложирового комбината города Бельцы (Молдавия).

Сегодня существует множество различных проверенных на практике технических решений по устранению дыма, однако, к сожалению, до настоящего времени они не нашли широкого внедрения и использования в нашей стране, поскольку их практическая реализация требует наряду с финансовыми затратами, техническим кругозором и компетентностью лиц, принимающих решение, смелости брать на себя ответственность.


К. т.?н. Евгений ДУБРОВИН, к. т.?н. Игорь ДУБРОВИН

 

С вопросами и предложениями обращайтесь по адресу ep@eprussia.ru

Информационный портал Энергетика и промышленность России - это:

Ежедневная новостная лента Новости энергетики.

Уникальная бесплатная электронная библиотека для специалистов.

Электронная версия и архив газеты Энергетика и промышленность России.

Доска объявлений для предприятий, работающих в промышленно-энергетических отраслях.

Информация об отраслевых выставках, конференциях и семинарах в разделе Выставки.

Каталог сайтов компаний ТЭК и промышленности.


Наш портал может предложить рекламодателям следующие Услуги:

Участие в "Каталоге ЭНЕРГЕТИКА.RU" (размещение Ваших новостей, информации о продукции, видео-материалов и многое другое);
Размещение рекламных баннеров различных форматов на всех страницах портала;
Размещение рекламных статей.
В избранное