В статье рассматривается способ сжигания топлива в «кипящем слое».
В Послании Президента страны Н.А. Назарбаева народу Казахстана «Казахстан-2030» особое внимание уделено охране окружающей среды, так как защита окружающей природной среды становится одной из приоритетных задач современного мира.
При существующем способе использования органического топлива больше всего страдает атмосфера. Она интенсивно загрязняется твердыми и газообразными продуктами сгорания, а также остаточным теплом дымовых газов. Глобальные техногенные выбросы оксидов азота составляют 110 млн. т/год. При сжигании каждого миллиона тонн угля выделяется около 25 тыс. т. серы, главным образом в виде ее диоксида. Выбросы диоксида серы составляют более 30% всех вредных выбросов. На предприятиях энергетической отрасли промышленности, черной и цветной металлургии доля выбросов диоксида серы составляет примерно 40 и 50% соответственно. Ежегодная доля выбросов СО тепловыми электростанциями, автотранспортом составляет 360 млн. т/год.
Согласно подсчетам Всемирной метеорологической организации, ежегодно в атмосферу выбрасывается в среднем около 1 т. диоксида углерода на душу населения [1]. К самым крупным загрязнителям атмосферного воздуха в Республике Казахстан относятся предприятия теплоэнергетики, цветной металлургии, черной металлургии, нефтегазового комплекса. Максимальная загрязненность атмосферы характерна для следующих городов Казахстана: Усть-Каменогорск, Балхаш, Темиртау, Экибастуз, Аксу, Жезказган, Павлодар [2].
Выбросы предприятий теплоэнергетики Казахстана составляют около 2,5 млн. т. в год – почти половину республиканского показателя. 1,0 млн. т. приходится на Карагандинскую область, 0,5 млн. т. – на Павлодарскую. Это свыше 60 % общего объема по стране. На энергетических объектах улавливаются и обезвреживаются 97% твердых и только 2,3% газообразных веществ. Удельные показатели выбросов газообразных веществ колеблются по электростанциям от 6 до 8,6 т. в расчете на 1 млн. кВтч произведенной электроэнергии. Выбросы одного из наиболее токсичных веществ (диоксида серы) – от 4,6 до 7,7 т. на млн. кВтч [4].
Методы защиты атмосферы от загрязнения вредными веществами выбросов можно разделить на четыре группы:
- применяемые до процесса сжигания;
- используемые в процессе сжигания;
- состоящие в обработке продуктов сгорания;
- не связанные с проблемой сжигания (т.е. такие методы, которые исключают возникновение самой проблемы).
Перспективным решением, направленным на борьбу с вредными выбросами, является сжигание топлива в кипящем слое. Способ сжигания топлива в кипящем (псевдоожиженном слое) характеризуется горением твердого мелкозернистого топлива (0-20 мм), взвешенного движущимся снизу вверх воздухом. Псевдоожиженный слой существует в границах, определяемых величиной скоростей воздуха от первой критической (начало псевдоожиженния) до второй критической скорости (переход в режим пневмотранспорта). Для сжигания могут использоваться различные топлива. При этом значительно сокращаются расходы электроэнергии на топливоприготовление. Расположение поверхностей нагрева в кипящем слое, где коэффициент теплоотдачи составляет 200-300 Вт/м2К, обеспечивает существенное снижение металлоемкости установки. Работа с относительно низкотемпературным слоем (800-9000С) приводит к значительному уменьшению загрязнениями серы, так как большая ее часть остается в слое и удаляется вместе с золой. Для повышения степени улавливания серы в кипящий слой может добавляться известь или доломит, при этом в слое будут протекать следующие реакции: СaCO3=CaCO+CO2, CaO=SO2+1/2O2=CaSO4. Благодаря низкой температуре отходящие газы практически не содержат окислов азота. Снижается также возгонка щелочных соединений топлива, что приводит к уменьшению загрязнения поверхностей нагрева. При применении котла с топкой низкотемпературного кипящего слоя полностью отсутствует шлакование экранов, фестона и конвективного перерегревателя; поверхности нагрева, погруженные в слой, остаются также чистыми. Кроме того, двухступенчатое сжигание (слой - факел) снижает требования к гранулометрическому составу и теплоте горения исходного топлива. К недостаткам таких котлов относят большую неполноту сгорания топлива, высокое аэродинамическое сопротивление решетки и слоя, относительно узкий диапазон качественного регулирования нагрузки котла.
Псевдоожиженные системы имеют ряд преимуществ, связанных возможностью технологического использования их в ряде производств благодаря интенсивному тепло- и массопереносу, текучести слоя, изотермичности слоя, снижению доли вредных отходов и др.
Основные преимущества сжигания угля в кипящем слое состоят в следующем:
- обеспечивается высокий коэффициент теплопередачи;
- топочное устройство получается компактным;
- снижаются удельные капитальные затраты;
- низкие температуры сгорания приводят к снижению выбросов оксидов азота
- добавка относительно небольшого количества известняка связывает сернистый ангидрид с зольным остатком;
- появляется возможность использовать уголь с повышенным содержанием серы, с высокой зольностью и низкой теплотой сгорания;
- появляется возможность создания топочных камер с избыточным давлением, что открывает дальнейшие перспективы для снижения габаритов котельных установок;
- увеличиваются возможности применения небольших установок для отопительных целей [4]. Недостатки топок с кипящим слоем:
- вынос углерода до 20-30% всего углерода топлива ( поэтому эти топки рекомендуют применять при возможности дожигания уноса 0-1 мм, в рабочем пространстве угля);
- зашлаковывание межсоплового пространства и самих сопл воздухораспределительных колосниковых решеток при недостаточном динамическом напоре воздуха;
- абразивный износ теплопередающих поверхностей.
В настоящее время в странах Европейского союза, Великобритании, США, Филиппинах в эксплуатации находятся различные топки с кипящим слоем, в том числе для котлов большой паропроизводительности, а также работающие под давлением (до 1 МПА), что приводит к дальнейшей интенсификации процесса сжигания твердого топлива и улучшения технико-экономических показателей [5]. При низкотемпературном сжигании топлива достигается связывание окислов серы (до 90%) уменьшение генерации окислов азота (на треть) [7]. Оксиды азота образуются по трем различным механизмам: 1) термические NO, образующиеся из N2 и O2 воздуха (при температуре 8500С практически не образуются); 2) быстрые NO – при нормальном процессе сжигания малы, что их количество не имеет практического значения; 3) топливные NO возникают из органически связанного азота и кислорода воздуха. В нормальных условиях в кипящем слое 90% топливного азота переходит в молекулярный азот, который не представляет опасности и только 10% азота топлива переходит в NO, который содержится в дымовых газах, а затем в атмосфере. Под влиянием света, кислорода и водяного пара медленно превращается в особенно токсичный диоксид азота [4].
Кипящий слой как новый метод сжигания твердых топлив не нашел пока распространения в теплоэнергетике Казахстана, но его возможности к резкому снижению вредных выбросов, таких как SO2, NOx и др., к органической увязке с технологическими процессами в промышленности дают основания на прогнозы для использования в народном хозяйстве [7].
Литература
- Скворцов В.В.Экология Казахстана: Проблемы, задачи, решения. - Алматы.: Изд.центр ОФППИ «Интерлигал», 2010. - 412 с.
- Алишева К. Экология. - Алматы: НАS, 2006. - 304 с.
- Панин М.С. Экология Казахстана. – Семипалатинск.: Семипалатинский государственный педагогический институт, 2005. - С. 48-88.
- Панин М.С. Химическая экология. – Семипалатинск.: Семипалатинский государственный педагогический институт, 2002. - С. 290-307.
- Кубин М. Сжигание твердого топлива .– Москва.: Энергоатомиздат,
- Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Котельные установки промышленных предприятий. – Москва.: Энергоатомиздат, 1988.
- Ковалев А.П. и др. Парогенераторы. – Москва.: Энергоатомиздат,