Взависимости от вида и мощности энергоустановок (ГРЭС, ТЭЦ, котельные) вредные выбросы могут привести к ухудшению среды обитания на локальном, региональном и даже глобальном уровнях. Проводимые на таких предприятиях природоохранные мероприятия лишь в малой степени соответствуют понятию экологизациии, т.к. для технологических процессов характерна низкая экосовместимость, т.е. комплексное предотвращение ущерба природе и окружающей человека среде не достигается.
В современной практике природоохранные мероприятия на газомазутных ТЭС и котельных направлены в основном на снижение выбросов оксидов азота, оксида углерода, а также оксидов серы. И совершенно неоправданно вне рассмотрения остаются вопросы предотвращения образования многоядерных ароматических углеводородов, таких как бензпирен и других высокомолекулярных углеводородов — сильнейших канцерогенов.
Более того, многие широко применяемые методы организации процесса сжигания топлив преследуют цель подавления образования NOх: ступенчатое сжигание, рециркуляцию дымовых газов, сжигание топлива при пониженных избытках воздуха. Все это способствует усиленному образованию высокомолекулярных углеводородов. Наличие в дымовых газах бензпирена или диоксинов может быть значительно опаснее для биосферы Земли, чем выбросы NOх или SO2. Чрезвычайно остро стоит вопрос о загрязнении водных бассейнов сточными водами. Распространенные в России методы очистки сточных вод от нефтепродуктов дорогостоящи и не всегда эффективны. Особенно это относится к очистке сильно загрязненных вод.
Практика применения безотходных, бессточных технологий в нашей стране пока не получила широкого распространения. Получается, что существующая стратегия природоохранных мероприятий на энергоустановках, использующих природный газ, мазут и другие виды топлива, базируется на некомплексном подходе и не оправдана ни в экологическом, ни в экономическом отношениях. Необходимо изменить сам принцип и технологии сжигания топлива для достижения экосовместимости. В первую очередь нужно проанализировать степень воздействия на природную среду каждого вида вредных выбросов энергетических установок. Выполненные нами исследования показывают, что к эффективным и экологичным технологиям защиты атмосферы и водного бассейна от выбросов NOх, СО, сажи, многоядерных углеводородов, нефтепродуктов и других вредных веществ относится сжигание мазута в виде водомазутных эмульсий (ВМЭ), а также природного газа с впрыскиванием в камеру горения сбросных вод. Метод сжигания водомазутной эмульсии широко известен.
Из исследований, посвященных этому вопросу [1–4], видно, что для достижения поставленной задачи ВМЭ должна быть приготовлена однородная смесь мазута с добавляемой влагой по типу «вода-масло», в которой вода находится внутри топливной оболочки в виде частиц диаметром несколько микрометров и выполняет роль дисперсной фазы. Только при соблюдении этого условия и влажности водомазутной эмульсии до 20% обеспечивается надежное воспламенение и устойчивое горение ее с высокой полнотой сгорания. Повышенная таким образом эффективность процесса горения эмульсии (даже при предельно низких избытках воздуха) обусловлена микровзрывом капель вследствие различия температур кипения воды и мазута.
При дополнительном дроблении капель эмульсии достигается ускорение их испарения и улучшается процесс перемешивания топлива с воздухом, в результате чего с учетом наличия в зоне горения продуктов диссоциации воды, сгорание мазута существенно интенсифицируется. Для приготовления кондиционных ВМЭ с требуемыми параметрами влажности, дисперсности, вязкости и т.д. должны применяться соответствующие устройства — эмульгаторы.
Использование в качестве добавочной влаги сточных вод дает возможность обезвредить значительный их объем (примерно до 20% расхода топлива на котел). Это позволяет перевести ТЭС или котельную на малоотходную технологию (по крайней мере, путем утилизации всех сточных вод, загрязненных нефтепродуктами). Аналогичный эффект достигается при сжигании природного газа с добавлением влаги. Сжигание ВМЭ и природного газа с добавлением влаги приводит к снижению уровня температур в зоне максимальной генерации оксидов азота, и, следовательно, к значительному (на 30–50%) снижению их концентрации в дымовых газах. Более глубокого подавления NO можно достичь, используя в качестве добавочной влаги вместе со сточными водами растворы азотсодержащих веществ.
Для снижения концентрации оксидов серы при сжигании сернистых мазутов в составе добавочных вод можно также использовать раствор или слабую взвесь Са(ОН)2. Процесс образования многоядерных углеводородов при сжигании органических топлив исследован пока крайне мало. Однако известно, что снижения концентрации С20Н12 в дымовых газах можно добиться дожиганием продуктов неполного сгорания топлива, повысив температуру в зоне горения до +1500°С и выше.
Ввод влаги в зону горения с последующей диссоциацией молекул воды на ионы Н+ и ОН– также способствует снижению концентрации С20Н12 в продуктах сгорания. Известен еще один метод — ввод специальных ингибиторов. На основании оценки отмеченных выше факторов: влияния влаги или растворов реагентов в высокотемпературной зоне горения топлива на содержание в дымовых газах различных вредных веществ (NOx, SO2, СО, С20H12 и др.) и возможного огневого обезвреживания сточных вод, сжигание мазута в виде ВМЭ или природного газа с добавлением влаги можно считать комплексной, многоцелевой, экосовместимой технологией. Ее применение оправдано и экономически.
Во-первых, достигается более рациональное использование тепла топлива, во-вторых, для внедрения метода ВМЭ не требуются большие капиталовложения. Важно отметить и еще одно важное преимущество: перевод котлов ТЭС на сжигание ВМЭ или природного газа с добавками сточных вод не вызывает необходимости существенного изменения их конструктивного исполнения. Не требуется также никаких изменений и в схеме газового хозяйства. В случае перевода котлов на сжигание ВМЭ должны быть внесены лишь незначительные изменения в схему мазутного хозяйства ТЭС или котельной. При проведении исследований авторами разработаны и испытаны несколько вариантов технологических схем по сжиганию ВМЭ.
Из них наибольшего внимания заслуживают схема с центральным узлом приготовления ВМЭ, схема с индивидуальным узлом приготовления ВМЭ и комбинированная схема. Схема с центральным узлом приготовления ВМЭ, расположенным между насосами первого и второго подъемов, наиболее проста. Но в ней в случае добавки воды в тракт топлива происходит обводнение всего потока мазута, циркулирующего в контуре, включая мазутные баки, что нежелательно.
Поэтому необходим надежный контроль влажности мазута на всех участках тракта. Наличие центрального узла эмульгирования — существенное преимущество перед традиционной схемой работы котлов без ввода добавочной влаги, т.к. он позволяет надежно работать котлам даже при сжигании исходного мазута с повышенной влажностью (20% и более). В схеме с индивидуальным узлом обводнение мазута предусматривается только на входе в отдельные котлы (один или несколько). В этом варианте облегчается использование в качествe добавочных вод растворов реагентов Са(ОН)2, (NН2)2СО и др., с помощью которых можно дополнительно снизить выброс вредных веществ. Наибольшие возможности для приготовления водомазутных эмульсий и гибкость в эксплуатации оборудования достигаются при реализации комбинированной схемы приготовления ВМЭ.
Этот способ совмещает преимущества двух рассмотренных выше вариантов. В любой из описанных технологических схем основной элемент — устройство для перемешивания мазута с добавочной влагой (водой, паром), которое обеспечит приготовление водомазутной эмульсии требуемого качества. Схема с центральным узлом базируется на применении устройства, принцип действия которого основан на кавитационном эффекте. Это устройство — кавитатор— представляет собой один или несколько параллельных каналов с расположенными внутри рядами турбулизирущих стержней, за которыми происходит рабочий процесс приготовления ВМЭ. На входе в кавитатор подаются мазут и добавочная влага (сточные воды, растворы реагентов, пар и др.).
Приготовление ВМЭ обеспечивается кавитационными эффектами и дополнительной турбулизацией потоков, проходящих через каналы кавитатора. В схеме с индивидуальным узлом применяется эмульгатор, принцип работы которого аналогичен кавитатору. Эмульгатор состоит из нескольких последовательно соединенных колен трубы с расположенными в них турбулизирующими вставками. Такое конструктивное исполнение дает возможность установить его в мазутопроводе непосредственно перед форсунками котла (т.е. они могут работать на мазуте высокого давления). Основныe характеристики эмульгирующих устройств:
- технологичность;
- простота в конструкции и изготовлении;
- отсутствие вращающихся частей;
- хорошее качество получаемой ВМЭ;
- высокая надежность работы;
- относительно умеренная стоимость.
В технологической схеме сжигания природного газа с добавками сточных вод или растворов специальных реагентов при работе на газе добавляемая влага подается в зону горения через специальные распыляющие устройства, устанавливаемые на стенах топки котла или в горелках. Такие устройства-распылители разработаны и испытаны авторами на паровых котлах в условиях промышленной эксплуатации.
Описанные технологические схемы сжигания природного газа и мазута испытаны на котельных с котлами различных типов: ТГМЧ-204, ТГМП-314, ТГМ-84, ТП-170, БКЗ-75-39, ДКВР-10/13, КВГМ-20. Результаты испытаний подтвердили перспективность предлагаемых технологических схем. Практические эксперименты на паровых котлах БКЗ-75-39, ТП-170, ТГМ-84 показали, что в процессе приготовления и сжигания ВМЭ по разработанной методике котлы работают устойчиво и их технико-экономические показатели не ухудшаются, а в ряде случаев улучшаются при значительном снижении выбросов вредных веществ с дымовыми газами и сточными водами в окружающую среду. Паровой котел БКЗ-75-39 (ТЭЦ комбината «Североникель») был переведен на сжигание ВМЭ по индивидуальной схеме с установкой эмульгатора перед форсунками котла.
В традиционном эксплуатационном режиме и при использовании исходного мазута концентрация оксидов азота в дымовых газах достигала 600–650 мг/м3. При переходе на сжигание ВМЭ их концентрация снизилась до 300 мг/м3, т.е. почти на 50%, что соответствует уменьшению выбросов на один котел примерно на 170 т/год. В режимах, сочетающих сжигание ВМЭ с пониженными величинами избытка воздуха, фиксировались практически нулевые значения концентраций СО в дымовых газах. Одновременно со снижением вредных выбросов перевод котла БКЗ-75-39 в режим сжигания ВМЭ позволил обезвредить около 1 т/ч сточных вод, загрязненных нефтепродуктами. При этом котел на ВМЭ работал устойчиво.
Щитовые приборы зафиксировали даже некоторое увеличение паропроизводительности при постоянном расходе исходного мазута. Наблюдалось снижение tne на 10°С, что свидетельствует об интенсификации выгорания топлива, уменьшении длины факела, и, как следствие, увеличении надежности работы пароперегревателя. Температура уходящих газов при переходе на ВМЭ практически не изменилась. Расчетные оценки [5–7] доказывают, что экономические показатели работы котла для традиционного и рекомендуемого вариантов практически одинаковы. Следует подчеркнуть, что высокий уровень влажности ВМЭ или большой процент добавки влаги при сжигании газа целесообразно устанавливать только в целях огневого обезвреживания большего количества сточных вод. Если такой необходимости нет, то для значительного снижения газообразных вредных выбросов вполне достаточно поддерживать соотношение объемов воды и топлива на уровне 3–5% при соответствующей организации процесса сжигания топлива.
В этом случае увеличение потерь теплоты с уходящими газами (из-за испарения добавляемой влаги) незначительно, но достаточно для того, чтобы компенсировать интенсификацию процесса сжигания топлива, что дает возможность перехода на более низкие значения коэффициента избытка воздуха. При соблюдении описанных выше условий увеличения интенсивности низкотемпературной коррозии не наблюдается.
Измерения концентраций бензпирена в различных режимах сжигания мазута и ВМЭ проведены на котле ТГМ-84. Результаты показали, что при коэффициентах избытка воздуха 1,05–1,07 переход на сжигание ВМЭ с умеренной влажностью (до 7%) позволяет снизить концентрации вредных веществ в дымовых газах в 2–3 раза, а при предельно низких избытках воздуха это снижение еще значительнее. Аналогичные результаты получены при сжигании природного газа с вводом добавочной влаги в зону горения в паровом котле ТГМП-204: концентрация бензпирена в дымовых газах значительно снижена.
Проведенные нами испытания позволяют сделать выводы о хорошей экосовместимости предлагаемой технологии сжигания топлива на ГРЭС, ТЭЦ и в котельных для комплексного снижения вредных воздействий энергетических объектов на окружающую среду. Полученные результаты позволяют рекомендовать эту технологию для всех энергоустановок.
