http://www.eprussia.ru/epr/106/8253.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 14 (106) июль 2008 года

Проблемы загрязнения атмосферы продуктами сгорания

Наука и новые технологии К. т. н. Евгений ДУБРОВИН, к. т. н. Игорь ДУБРОВИН

Интенсивное развитие энергетики, промышленности и транспорта неизбежно вызывает рост потребления углеводородного топлива, что, в свою очередь, увеличивает количество продуктов его сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

По данным многолетнего мониторинга, количество выбрасываемых в атмосферу экологически вредных химических соединений, веществ и элементов продуктов сгорания топлива удваивается каждые 12-14 лет, в связи с чем проблема загрязнения атмосферы продуктами сгорания топлива относится к одной из глобальных проблем современности.



Кто загрязняет атмосферу?

Загрязнение атмосферы возникает из-за несовершенства конструкции оборудования, систем двигателей и установок, нарушений правил эксплуатации, низкой технической культуры и экологической безграмотности обслуживающего персонала, а иногда и в результате аварий или чрезвычайных ситуаций.

Токсичность выбрасываемых в окружающую воздушную среду дымовых уходящих, отработавших и выхлопных газов зависит, главным образом, от качества, сорта и вида сжигаемого углеводородного топлива, условий организации процесса его сгорания, технического состояния тепловых двигателей и топливосжигающих установок.

Например, применение низкосортных топлив, с одной стороны, способствует уменьшению текущих эксплуатационных затрат на приобретение топлива, а с другой – повышает количество выбрасываемых в атмосферу экологически опасных загрязнителей.

Интенсивность загрязнения атмосферы вредными газами определяется концентрацией и численностью источников загрязнения на единице площади; типом, мощностью и режимом использования топливосжигающих установок и тепловых двигателей; конструкцией и состоянием их топливных систем, состоянием и уровнем эксплуатации технических средств; наличием систем и устройств, качественно и количественно снижающих вредные выбросы в атмосферу, и другими факторами.



Антропогенный феномен

Известно, что наряду с природными (естественными) источниками загрязнения воздушного бассейна существуют антропогенные (искусственные). Антропогенными источниками загрязнения атмосферы дымовыми газами – продуктами сгорания являются практически все тепловые двигатели и установки, сжигающие углеводородное топливо. Условно искусственные источники загрязнения принято классифицировать по:
- степени подвижности (стационарные и передвижные);
- интенсивности выбросов (мощный, средний, слабый);
- масштабам выбросов (большой, средний, малый);
- степени концентрации на площади (точечный, плоскостной, объемный);
- времени вредного воздействия (кратковременный, систематический, постоянный);
- агрегатному состоянию выбросов (газообразные, жидкие, твердые).

Исследования дымовых уходящих газов топливосжигающих установок показывают, что в их составе основными загрязнителями атмосферного воздуха являются оксиды углерода (до 50%), оксиды серы (до 20 процентов), оксиды азота (до 6-8%), углеводороды (до 5-20%), сажа, оксиды и производные минеральных включений и примесей углеводородного топлива.

В свою очередь, выхлопные и отработавшие газы тепловых двигателей выбрасывают в воздушный бассейн более 70 процентов оксидов углерода и углеводородов (бензолы, формальдегиды, бенз(а)пирен), около 55 процентов оксидов азота, до 5,5 процента воды, а также сажу (тяжелые металлы), гарь, копоть и т.д.

Вместе с уходящими, выхлопными и отработавшими газами в атмосферу сбрасывается в виде горячих газов и нагретой воды около 60-80 процентов всей полученной при сжигании углеводородного топлива теплоты, что приводит и к тепловому загрязнению атмосферы.

Дымовые газы установок и двигателей содержат десятки тысяч химических веществ, соединений и элементов, более двухсот из которых являются высокотоксичными и ядовитыми.

Наибольший экологический ущерб атмосфере и окружающей природной среде в целом наносят такие вещества, как оксиды азота и углерода, альдегиды, формальдегиды, бенз(а) пирен и другие ароматические соединения, которые относятся к отравляющим веществам.

Кроме того, при работе любой установки и двигателя выбрасывается около 1,0-2,0 процента потребляемого топлива, которое оседает на поверхностях (земли, воды, деревьев и т.п.) в виде несгоревших углеводородов, сажи, пыли и золы.

Дымовые газы имеют неприятный запах и оказывают вредное, а порой смертельное воздействие на организм человека, флору и фауну. Газовое и тепловое загрязнение воздушного бассейна способствует образованию кислотных дождей, задымлению атмосферы, изменяет характер облачности, что приводит к усилению парникового эффекта.

Газы энергетических установок загрязняют воздух и территорию (акваторию) в районах их расположения. Значительные выбросы вредных компонентов в атмосферу происходят при запуске, прогреве и смене режимов работы установок и двигателей.

Наибольшую опасность для человека и живых организмов представляют компоненты, вызывающие раковые заболевания, это канцерогенные вещества, представленные в дымовых и выхлопных газах полициклическими ароматическими углеводородами (СХНY).

К числу обладающих большей канцерогенной активностью, в первую очередь, следует отнести 3,4 бенз(а)пирен (С212), который образуется при нарушении организации процесса горения. Наибольший выход канцерогенных веществ, в частности 3,4 бенз(а)пирена, наблюдается на нестационарных и переходных режимах.

Результаты экспертных оценок показывают, что основными источниками загрязнения воздушного бассейна являются автомобильный, воздушный, морской, речной и железнодорожный транспорт (на него приходится в среднем более 50 процентов вредных газовых выбросов); энергетические и промышленные объекты (выбрасывают в атмосферу в среднем около 40 процентов загрязнителей) и другие источники (до 10 процентов выбросов).

Учитывая постоянное увеличение суммарного количества транспортных средств, объектов энергетики и промышленности, их негативное влияние на экологическое состояние городов и промышленных регионов в целом становится все более ощутимым и неуклонно возрастает.

По количеству вредных выбросов в атмосферу сегодня лидируют экономически развитые и интенсивно развивающиеся страны, такие, как Соединенные Штаты Америки, государства Западной и Северо-Западной Европы, Китай и Индия, на долю которых приходится до 85-90 процентов мировых суммарных выбросов, загрязняющих атмосферу Земли.



О парниковом эффекте

Парниковый (или оранжерейный) эффект атмосферы – это свойство атмосферы пропускать солнечную радиацию, задерживая при этом земное излучение, и тем самым способствовать аккумуляции и сохранению тепла на Земле. Земная атмосфера сравнительно хорошо пропускает коротковолновую, солнечную радиацию, которая почти полностью поглощается земной поверхностью, так как ее характеристика отражательных свойств (альбедо), в общем, мала. Нагреваясь за счет поглощения солнечной радиации, земная поверхность сама становится источником земного, в основном длинноволнового, излучения, прозрачность атмосферы для которого мала и которое почти полностью поглощается в атмосфере.

Благодаря парниковому эффекту при ясном небе только 10-20 процентов земного излучения может, проникая сквозь атмосферу, уходить в космическое пространство, в связи с чем Земля остается теплой и пригодной для жизни благодаря атмосфере, выполняющей функцию тепловой изоляции от «холодного» космического пространства.

Явление парникового эффекта для Земли вполне естественно. В процессе человеческой деятельности и прежде всего при сжигании ископаемого топлива возникают загрязнители атмосферы антропогенного происхождения.

Эти загрязнители содержат около 90 процентов газообразных (оксиды и диоксиды углерода, серы, азота; углеводороды, производные серы и т.д.) и около 10 процентов твердых (пыль, тяжелые металлы, минеральные органические соединения) веществ.

Доля жидких загрязнителей, например кислот, ничтожна мала. Газообразные загрязнители атмосферы принято называть парниковыми газами, поскольку их наличие в атмосфере усиливает ее способность удерживать тепло, что приводит к повышению температуры на поверхности Земли.



Откуда появляются вредные вещества

Атмосферный воздух, так необходимый для организации цепной реакции окисления (процесса горения) углеводородного топлива, поставляет в зону горения азот (около 78 процентов), кислород (около 21 процента) и 15 других химических веществ, соединений и элементов (до 1 процента).

Следует отметить, что для сжигания одного килограмма углеводородного топлива в зону горения подается от 12-14 (для газообразного топлива) до 25 и более (для твердого топлива) килограммов атмосферного воздуха.

Между тем в реакциях окисления участвует только кислород воздуха, а все другие компоненты выбрасываются в воздушный бассейн в виде экологически опасных загрязнителей, преобладающими из которых являются оксиды и диоксиды азота, называемые «воздушными». В объеме горения весь воздух нагревается до температуры сгорания, часть его окисляет компоненты топлива, а избыток в виде горячих газов выбрасывается в атмосферу, являясь причиной теплового загрязнения и повышенного выхода вредных «воздушных» компонентов в составе дымовых газов.

Углеводородное топливо, в свою очередь, поставляет в зону горения все химические вещества, соединения и элементы, содержащиеся в его составе. Элементарный состав горючей части углеводородного топлива в основном одинаков, однако структура топлива различна, а его химический состав включает примеси, характерные для мест добычи (геологические особенности местности) и технологии получения данного вида топлива. Так, газообразное топливо поставляет в зону горения углерод и азотсодержащие соединения.

Жидкое топливо, в зависимости от вида и качества, дополнительно вносит в зону горения серу и элементы, содержащиеся в механических примесях (ванадий, железо, кальций, натрий и др.) и в присадках (магний, марганец, свинец и др.).

И, наконец, твердое топливо (например, уголь) наряду с вышеуказанными элементами добавляет в зону горения примеси, которые могут включать алюминий, титан, барий, фосфор, мышьяк, сурьму, кадмий, ртуть, селен, олово, никель и другие элементы. Химические элементы, поставляемые в зону горения топливом, принято называть «топливными».

Топливные элементы преобразуются в химические производные уже при температурах 600-700 °С на начальном этапе горения.

Кроме того, для нагрева воздуха, не участвующего в процессах горения, дополнительно затрачивается углеводородное топливо, что приводит к увеличению выхода опасных «топливных» составляющих в выбрасываемых в атмосферу продуктах сгорания.

Очевидно, что все находящиеся в топливе вещества, соединения, элементы, поступившие в зону горения в составе воздуха и топлива, пройдя определенные превращения в условиях высоких температур, не исчезают бесследно.

Большая (до 98 процентов) их часть оседает на поверхностях нагрева, а меньшая (около 2 процентов), – проходя транзитом зону горения, выбрасывается в воздушный бассейн в составе дымовых газов.

Трехатомные газообразные соединения, содержащиеся в продуктах сгорания, принято относить к парниковым газам, поскольку в условиях высоких температур они имеют длинноволновое излучение.



Механизмы опасности

Механизм образования экологически опасных загрязнителей атмосферы – продуктов сгорания углеводородного топлива, включающий механизмы одновременно протекающих физико-химических, кинетических, теплодинамических, теплообменных и других процессов, весьма сложный и недостаточно изучен. Однако на сегодняшний день установлено, что экологически опасные загрязнители атмосферного воздуха, содержащиеся в продуктах сгорания углеводородного топлива, образуются по трем основным механизмам: температурному, кислородному, комбинированному.

Температурный механизм образования вредных выбросов основывается на разности локальных температур сгорания топлива по объему горения, составляющей до 800-1000 °С. Так, в ядре факела наблюдается максимальная температура горения, а в его периферийных зонах – минимальные температуры. Значительная разность местных температур сгорания топлива по объему горения вызвана многочисленными причинами, основными из которых являются:

1. Неравномерность концентраций топлива и окислителя по объему топки (камеры сгорания).

2. Наличие в зоне горения топливных капель (частиц) разного размера.

3. Несоизмеримость факела и объема горения.

4. Постоянное охлаждение периферийных зон факела подаваемым на горение атмосферным воздухом.

5. Различная структура и теплота сгорания участвующих в горении топливных углеводородов.

6. Разная скорость протекания физико-химических, теплодинамических, кинетических, теплообменных процессов и реакций в локальных зонах объема горения.

7. Переменные свойства сжигаемого топлива (структура, состав, качественные и количественные показатели углеводородов).

Кроме того, чем больше разность температур в объеме горения, тем выше и быстрее уходящие, выхлопные и отработавшие газы (продукты сгорания топлива) поднимаются вверх, вызывая кислотные дожди и создавая условия усиления парникового эффекта в атмосфере.

По температурному механизму образуются в основном оксиды азота, азотсодержащие соединения и азот.

Сущность кислородного механизма образования газовых загрязнителей заключается в отсутствии, недостатке, избытке окислителя (кислорода воздуха) и его неравномерном смешении с топливом в локальных зонах горения. Действительно, максимальное количество воздуха подается в корневую часть факела, а в периферийных зонах объема горения воздух (окислитель) практически отсутствует. В результате чего в начальной зоне объема горения интенсивно проходят окислительно-восстановительные реакции, а в периферийных зонах – при недостатке или отсутствии окислителя идет термическая деструкция (разложение, распад) органических соединений под действием высоких температур, так называемый пиролиз. Кроме того, недостаток или отсутствие окислителя вызывает химический и механический недожоги топлива. Крайне неравномерное распределение воздуха по объему горения приводит к плохому смешению топлива и воздуха, к химическому недожогу, к уменьшению суммарной площади контакта горючего и окислителя, к изменению условий протекания локальных физико-химических, теплодинамических, кинетических, теплообменных процессов и реакций. Сжигание топлива при избытке окислителя способствует образованию продуктов полного сгорания, в то время как при малых количествах воздуха – к выбросу продуктов неполного сгорания, а при отсутствии кислорода – к выходу продуктов пиролиза.

Следует отметить, что в реакциях окисления и восстановления участвует только атомарный кислород (О-2), воздух же поставляет в зону горения исключительно молекулярный кислород (О2). Часть молекулярного кислорода разлагается и участвует в реакциях, а остальной молекулярный кислород проходит объем горения транзитом, и в газовом тракте вступает в реакцию с химически активными элементами дымовых газов. Так, при сжигании жидкого топлива в уходящих котельных газах котлов доля молекулярного кислорода составляет до 10-12 процентов, а в выхлопных газах тепловых двигателей – до 19-21 процента.

По кислородному механизму образуются полициклические ароматические углеводороды (СxНy), оксиды серы (SO2, SO3), оксиды примесей топлива, сероводород (H2S), свободная сера (S2), свободные радикалы серы (SO, S, SH), сажа (С) и копоть.

Комбинированный механизм образования опасных выбросов является сочетанием температурного и кислородного механизмов.

Как правило, в реальных условиях ни один из вышеуказанных механизмов образования вредных загрязнителей атмосферного воздуха в чистом виде не наблюдается. Рассмотренные механизмы реализуются одновременно с преобладанием того или иного механизма в разных местных зонах объема горения. Сегодня при использовании существующих технологий подготовки воздуха и топлива к сжиганию оптимизация процесса горения достигла своего предела, что, в свою очередь, делает невозможным изменение механизмов образования опасных выбросов, а следовательно, дальнейшее снижение загрязнения воздушного бассейна.

Каждый механизм образования опасных выбросов характеризуется наличием ряда движущих сил, называемых факторами, которые и определяют качественный и количественный состав загрязнителей воздушного бассейна. К таким факторам необходимо отнести:
- расход, структуру и химический состав топлива;
- количественный и качественный состав горючих компонентов топлива;
- качество распыла топлива;
- физико-химические показатели качества топлива;
- наличие примесей и присадок в топливе;
- количество и химический состав (относительно постоянен) подаваемого на горение воздуха;
- суммарную площадь взаимодействия (контакта) окислителя и горючего;
- качество смешения и количественное соотношение топлива и воздуха;
- температуру и степень неравномерности ее распределения по объему горения (grad t°);
- соизмеримость объема горения с объемом камеры сгорания (топки) и другие.



Снижение газового и теплового загрязнения

На начало ХХI века для снижения вредного воздействия уходящих и выхлопных газов на окружающую воздушную среду разработаны и используются следующие мероприятия:

1) установка фильтров и катализаторов на дымовых и выхлопных трубах;

2)применение горелок со сниженными оксидами азота (NOx);

3) двухстадийное сжигание топлива;

4) рециркуляция дымовых (выхлопных, отработавших, уходящих) газов;

5) ввод в зону горения воды или водяного пара;

6) ввод присадок в топливо или в зону горения;

7) химические методы очистки уходящих газов.

К сожалению, используемые сегодня указанные мероприятия воздействуют в основном на следствие, не устраняя причины возникновения загрязнителей. Справедливости ради следует отметить, что в последнее время реализованы мероприятия, устраняющие и часть причин образования вредных газов. Например, сжигание более экологически чистых видов углеводородного топлива (биологического топлива, водо-топливных аэрозолей, эмульсий и суспензий, жидко-топливных и предварительно очищенных пылеугольных смесей). Однако, по мнению авторов, этих мероприятий явно недостаточно, поскольку на сегодняшний день используемые топливные системы, реализующие технологический цикл подготовки этих топлив к сжиганию, физически и морально устарели и достигли своего функционального и конструктивного предела.



Перспективы

Одним из перспективных направлений по снижению газового и теплового загрязнения воздушного бассейна, по мнению авторов, является устранение причин возникновения вредных выбросов путем активного воздействия на процессы их образования. Или, говоря другими словами, качественное и количественное изменение механизмов формирования опасных загрязнителей воздушного бассейна. Как было указано выше, источниками вредных выбросов являются производные химических веществ, соединений и элементов, содержащихся как в атмосферном воздухе, так и в ископаемом топливе. В связи с этим качественное и количественное снижение опасных элементов, веществ и соединений в дымовых газах может быть достигнуто, во-первых, путем уменьшения количества вредных составляющих в исходных топливе и воздухе, участвующих в процессе горения. Во-вторых, организацией процесса сгорания топлива, при котором разности локальных температур сгорания топлива по объему горения были бы минимальными, а температура в локальных зонах объема горения была бы выравнена (grad t° ≈ const). В-третьих, изменением формы и размеров объема горения. И, в-четвертых, подачей в зону горения минимально возможного количества воздуха из атмосферы с температурой подогрева, при которой количество кислорода в его составе наибольшее.

В реальных условиях изменение механизмов формирования опасных загрязнителей воздушного бассейна в зоне горения может быть достигнуто реализацией следующих мероприятий:

1. Совершенствование технологического цикла топливоподготовки и внедрение в него новых технологических процессов обработки топлива, таких, как струйно-кавитационная и роторно-пульсационная обработка, струйно-кавитационное смешение и т.д.

2. Замещение части топлива, подаваемого в зону горения, морской или пресной водой, перекисями, серпентином, силамином или другими присадками, которые в условиях высоких температур выделяют атомарный кислород (О-2), атомарный водород (Н+), гидроксильную группу (ОН-) и другие атомы, ионы или радикалы, являющиеся активными центрами, ускоряющими цепную реакцию горения.

3. Аэрация (т. е. насыщение кислородом) топлива непосредственно перед его подачей в зону горения.

Обязательным и необходимым условием выполнения предложенных мероприятий является сокращение количества атмосферного воздуха
(т. е. молекулярного кислорода), подаваемого в зону горения.

4. Применение горелок с рассеянным микрофакельным горением.



Результаты мероприятий

Отдельные указанные мероприятия после апробации в течение нескольких лет были внедрены авторами на транспортные средства, промышленные и энергетические объекты.

Так, использование технологического процесса струйно-кавитационной обработки в цикле топливоподготовки на ТЭЦ-5 ОАО «Ленэнерго» (Санкт-Петербург) и котельной № 6 филиала ПЭГУП «Псковоблэнерго» (Пыталово, Псковская область) позволило снизить количество выбрасываемых в атмосферу вредных соединений почти в два раза и при этом устранить причины появления канцерогенных веществ.

Замещение жидкого топлива, сжигаемого в судовых энергетических установках кораблей «Москва», «Ленинград» и «Очаков» (Севастополь, Украина), морской водой (до 10-11 процентов) значительно сократило концентрацию вредных соединений в продуктах его сгорания, а именно СО2 на ~50 процентов, СО на ~40 процентов, SO2 на ~30 процентов, СН4, Н2 – в 10-12 раз и устранило выброс бенз(а)пирена, снизило температуру выбрасываемы в атмосферу газов на ~20 процентов и уменьшило расход воздуха на горение на ~25 процентов.

Замещение тяжелого жидкого топлива, сжигаемого в промышленной энергетической установке ППО «Стройдеталь» (Санкт-Петербург), пресной водой (до 12-13 процентов) уменьшило концентрацию вредных выбросов в продуктах его сгорания: СО2 на ~19 процентов, СО на ~30 процентов, СxНy на ~40 процентов, NОx на ~27 процентов, сократило температуру выбрасываемых в атмосферу газов на ~20 процентов и снизило расход воздуха на горение на ~20 процентов.

Промышленные испытания горелок с рассеянным микро- факельным горением показали, что газообразное топливо полностью сгорает при избытке воздуха ~1 процента. Сжигание газообразного топлива с минимально возможным количеством воздуха привело к снижению оксидов азота NОx на ~32 процента, СО2 на ~30 процентов, СО на ~50 процентов, полному отсутствию канцерогенных веществ (СxНy) и сажи (С), выход кислорода (О2) составил около 11 процентов. В настоящее время горелки с рассеянным микрофакельным горением сертифицируются и в ближайшее время поступят на рынок.

Отправить на Email

Также читайте в номере № 14 (106) июль 2008 года:

  • Структуры рынка должны мотивировать снижение тарифов

    Создавая ныне существующий энергорынок, взяв за аналог зарубежный опыт, его создатели не учли энергетическую особенность нашей страны. Россия уникальна тем, что на значительной части территории в течение года держатся низкие температуры, а это значит, что основной объем электроэнергии рационально вырабатывать комбинированным способом. При этом на сегодняшний день однозначной и общепризнанной методики разделения топлива на электроэнерги...

  • Микро-гидроаккумулирующая электростанция

    Любая река или канал несет энергию текущей воды. Этим пользовались с древних времен при строительстве водяных мельниц, а позднее гидроэлектростанций. Энергия текущей воды в реке возобновляемая. В XI веке в Англии было 5624 действующие мельницы и почти все – водяные (по данным «Книги Судного дня»). Это в среднем по одной на 400 жителей, тогда населявших страну, и на каждые 5 километров всех больших и малых рек страны. Причем у каждой ме...

  • Состоялась регистрация «РАО Энергетические системы Востока»

    В Москве состоялась регистрация ОАО «РАО Энергетические системы Востока». В соответствии с разделительным балансом ОАО РАО «ЕЭС России» ОАО «РАО ЭС Востока» переданы пакеты акций дальневосточных энергокомпаний. Это ОАО «ДЭК» (Дальневосточная энергетическая компания, 51,03 процента), ОАО АК «Якутскэнерго» (47,39 процента), ОАО «Магаданэнерго» (49 процентов), ОАО «Камчатск-энерго» (98,68 процента), ОАО «Сахалинэнерго» (49 процентов), ОАО...

  • Восемнадцать миллионов на поселковую котельную

    На котельной государственного областного унитарного теплотехнического предприятия (ГОУТП) «ТЭКОС» в Зеленоборском Мурманской области началась модернизация мазутного хозяйства, цель которой – повышение надежности теплоснабжения этого поселка. В общей сложности на оснащение мазутного хозяйства в Зеленоборском будет затрачено около 18 миллионов рублей. Как сообщили в пресс‑службе предприятия, «слабым звеном» зеленоборской кот...

  • Блиц

    Рост цен на нефть на мировом рынке выгоден прежде всего потребляющим нефть западным странам, считает член Высшего совета по делам нефти Кувейта Муса Маарафи. Кувейтский эксперт указывает, что западные страны – потребители углеводородного сырья «больше всего выигрывают от роста цен на нефть», в том числе потому, что доходы, получаемые ими от налогов на нефтепродукты, превышают прибыли нефтедобывающих стран. По мнению М. М...