Проблемы повышения экологической эффективности сжигания низкосортных углей в котельных агрегатах

Развитие топливно-энергетического комплекса страны базируется в основном на органическом топливе – прежде всего угле и природном газе. В последнее время ставится задача последовательного вытеснения больших объёмов весьма ценных нефтепродуктов из сферы котельного топлива путём его замены другими видами топлива путём вовлечения в топливный баланс страны дешёвых углей восточных месторождений, которые являются, как правило, низкосортными.

К низкосортным твёрдым топливам относятся угли с высоким содержанием влаги и золы, а также с большим количеством мелкой фракции. Роль низкосортного топлива в топливно-энергетическом балансе страны становится все более существенной и в перспективе оно станет основным среди твёрдых органических топлив, сжигаемых в котельных и к этому есть достаточно оснований.

Во-первых, в нашей стране имеются достаточно большие запасы низкосортных углей, в первую очередь бурого угля. В Дальневосточном регионе России бурые угли залегают в Амурской области (Райчихинское месторождение) и Якутии (Нерюнгринское месторождение).

Во-вторых, достижения современной топочной техники, разработка и внедрение новых технических решений при сжигании высокозольных и высоко влажных топлив открывают реальные перспективы эффективного использования твердых топлив низкой калорийности [1; 2, с. 163-166].

Переход к использованию в энергетике низкосортных углей на основе традиционных способов их подготовки и сжигания связан с определёнными трудностями. Применяемое в котельных оборудование недостаточно приспособлено для эффективного сжигания топлив углей с высокой влажностью и зольностью. Разработка же нового оборудования и его внедрение – процесс длительный, поэтому так важно уметь перестраиваться на ходу и своевременно обмениваться практическим опытом.

Сжигание низкосортных топлив связано с образованием значительно большего количества вредных веществ, чем при использовании традиционных топлив. Известно, что для оценки качества топлив с точки зрения их экологической чистоты применяют удельный показатель – индекс загрязнения окружающей среды , определяемый как отношение массы вредного выброса к теплоте сгорания топлива:

(1)

Где m – массовая доля вредных веществ, содержащаяся в единице массы (объёма) топлива. Индексы загрязнения по зольности и выбросу сернистых соединений определяются по следующим формулам:

, (2)

, (3)

Где , – соответственно содержание золы и серы в топливе;

, – молекулярные массы соответственно серы и диоксида серы.

Как следует из формул величина тем выше, чем ниже калорийность топлива и чем выше содержание в нем вредных примесей. При этом значения и могут оказаться ниже у высокозольного или высокосернистого топлива, чем у малозольного или малосернистого, так как их калорийность зависит не только от зольности, но и от других факторов.

Оценка экологичности топлива по генерации оксидов азота может быть сделана лишь приближенно, с учётом как содержания азота в топливе, так и доли азота воздуха, участвующего в процессе горения и образующего оксид и диоксид азота воздуха, участвующего в процессе горения и образующего оксид и диоксид азота. Точный учёт вклада той или другой части азота в образовании пока сделать не представляется возможным. Суммарный выброс определяют по эмпирическим формулам, учитывающим режим горения топлива, конструктивные особенности топочных устройств и другие факторы, в том числе и содержание азота в топливе. Индексы загрязнения для некоторых видов низкосортных топлив по зольности и выбросу приведены в таблице.

Таблица

Характеристики некоторых низкосортных бурых и каменных углей

При организации в котельных очистки выбросов от тех или иных вредных веществ (зола, оксиды серы и др.), следует говорить об экологичности работы котлов с учётом эффективности золоулавливающих и других очистных устройств.

При решении проблемы охраны атмосферы от вредных выбросов котельных, работающих на низкосортном топливе, необходимо соблюдать прежде всего нормы по значениям предельно допустимых концентраций (ПДК) соответствующих вредных веществ в атмосферном воздухе. Величины ПДК для основных вредных веществ в воздухе на уровне дыхания человека приведены в [3].

В ряде стран с высокой плотностью населения и развитой промышленностью наряду с нормированием ПДК вредных выбросов в наружном воздухе на уровне дыхания человека нормируются также и предельно допустимые уровни (ПДУ) выбросов. Так, в [3] установлены следующие ПДУ выбросов угольных энергоустановок, по вредным веществам:

летучая зола – 0,15;

диоксид серы – 1,9;

оксиды азота – 1,1.

В России установлены более жесткие нормы ПДК и предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ в атмосферный воздух.

Под ПДВ в атмосферу источника или группы источников понимается такое количество выбросов примеси, при котором достигается ПДК данного вредного вещества в наружном воздухе. Расчёт ПДВ для продуктов сгорания топлива в котлах производится по формуле:

, (4)

Где Н – высота источника выбросов (дымовой трубы), м; – разность температур выбрасываемой смеси и окружающего воздуха; – объём выбрасываемых дымовых газов; – коэффициент, характеризующий состояние поверхности, взаимодействие её с атмосферой и температурную стратификацию (А=200 для Дальнего Востока); F – коэффициент осаждения вредных веществ , m и n интерполяционные коэффициенты, зависящие от ряда параметров (диаметра устья дымовой трубы, скорости выхода выбросов в выходном сечении трубы, объёма выбросов источника и др.)

Со значением установленного для каждого источника вредных выбросов ПДВ сравнивают величину реального выброса (РВ), количество которого зависит от тепловой нагрузки или количества потребляемого топлива. Для определения значения РВ можно воспользоваться индексом загрязнения. Зная тепловую мощность источника Q, выброс РВ соответствующей примеси определяют по формуле:

, (5)

Где – время, в течение которого выброс поступает в атмосферный воздух;

Величина Q определяется по формуле где В – расход топлива за единицу времени; – теплота сгорания топлива, кДж/кг. Тогда:

, (6)

Если РВПДВ, то либо снижают значение Q, либо осуществляют воздух охранные мероприятия по сокращению выбросов вредных веществ в атмосферу.

В связи с этим представляет практический интерес принципиально новое техническое решение по повышению экологичности сжигания низкосортных углей в котельных, защищённое на полезную модель [5].

В данном месте авторами рекомендована усовершенствованная конструкция водогрейного котла типа «Универсал» малой тепловой мощности для сжигания угля. Общим недостатком действующих котлов типа «Универсал», как показал опыт эксплуатации, является неполнота слоевого сжигания твёрдого топлива (угля) в топке вследствие неравномерного распределения воздуха, подаваемого на горение [6]. Целью авторской разработки являлось повышение экологической эффективности и полноты сжигания твёрдого топлива с малым выбросом вредных веществ в атмосферный воздух.

Признаками, отличающими заявляемый водогрейный котел с двухъярусной топкой от известных, является выполнение колосниковой решетки из подвижных и неподвижных элементов, причем подвижные элементы соединены с кривошипным механизмом, осуществляющим их вертикальное перемещение (4).

Благодаря указанным отличительным признакам у предлагаемого авторами водогрейного котла с двухъярусной топкой увеличивается коэффициент полезного действия за счет повышения полноты сгорания твердого топлива вследствие равномерного распределения воздуха в зоне горения. Новый водогрейный котел с двухъярусной топкой работает следующим образом.

Уголь, попадая на колосниковую решетку, подвергается сортировке: более крупные фракции твердого топлива скатываются в ниши, созданные опущенными подвижными элементами колосниковой решетки, а мелкая фракция угля, хуже пропускающая воздух, остается на неподвижных элементах. Топливо подвергается воздействию высокой температуры и теплоты, выделяемой раскаленным зажигательным поясом. Воздух проникает через отверстие в элементах колосниковой решетки, распределяется между частицами твердого топлива, причем его распределение в нишах, образованных опущенными подвижными элементами, не затруднено наличием большого количества мелкой фракции. Топливо начинает гореть, выделяя лучистую энергию и образуя топочные газы, нагретые до высокой температуры. За счет равномерного распределения воздуха в зоне горения и приподнятого положения мелкой фракции угля, находящейся на неподвижных элементах, происходит более полное сгорание твердого топлива. Лучистая энергия и топочные газы, нагретые до высокой температуры, передают энергию стальным трубам, образующим топочные экраны, по которым циркулирует нагретая вода. Далее топочные газы направляются в газоход, где проходят через конвективные пакеты стальных труб, по которым циркулирует вода, подаваемая в топочные экраны, за счет теплоты газов, нагревая ее. Далее охлажденные топочные газы направляются в дымовую трубу и выбрасываются в атмосферу.

После полного сгорания топлива при помощи кривошипного механизма осуществляется подъём подвижных элементов колосниковой решетки для удаления золы и шлака из топки котла. По мнению авторов, принципиально новая конструкция водогрейного котла с двухъярусной топкой позволяет более эффективно осуществлять нагрев воды за счёт полноты сгорания топлива, что уменьшает недожог угля и, следовательно, сокращает выбросы загрязняющих веществ в воздушный бассейн.