В настоящее время природоохранные мероприятия на газомазутных ТЭС направлены в основном на снижение выбросов оксидов азота, углерода и серы. Однако совершенно неоправданно вне поля зрения остаются вопросы предотвращения образования многоядерных ароматических углеводородов, таких, как бензапирен, и других высокомолекулярных соединений, которые являются сильнейшими канцерогенами. Более того, многие широко применяемые сейчас методы организации процесса сжигания топлив, преследующие цель подавления образования NOх (ступенчатое сжигание, рециркуляция дымовых газов, сжигание топлива при пониженных избытках воздуха) способствуют усиленному образованию высокомолекулярных углеводородов. Между тем, наличие в дымовых газах бензапирена или диоксинов может быть значительно опаснее для биосферы Земли, чем выбросы NOх или SO2.

Чрезвычайно остро стоит и вопрос о загрязнении водных бассейнов. Применяемые сейчас методы очистки сточных вод от нефтепродуктов являются дорогостоящими и не всегда высокоэффективны. В то же время разработка и применение безотходных, бессточных технологий почти не практикуются. Отсюда следует, что существующие принципы проведения природоохранных мероприятий на энергоустановках, использующих газ, мазут и другие виды топлива, не базируются на комплексном подходе к проблеме и не оправданы с точки зрения экологии и экономики. Необходим анализ воздействия на природную среду всех вредных выбросов энергетических установок.

Промышленные стоки сжигают яды

Опыт показывает, что одной из наиболее оптимальных технологий, направленных на защиту атмосферного воздуха и водного бассейна, является сжигание мазута в виде водомазутных эмульсий (ВМЭ), а также сжигание природного газа с применением впрыска в камеру сгорания сбросных вод.

Метод применения водомазутной эмульсии широко известен. Установлено, что для достижения поставленной задачи эмульсия должна быть приготовлена в виде однородной смеси мазута и добавляемой влаги по типу «вода-масло», где вода как дисперсная фаза в виде частиц диаметром в несколько микрометров находится внутри топливной оболочки. Только при соблюдении этого условия и влажности водомазутной эмульсии до 20% обеспечиваются надежное воспламенение и устойчивое ее горение с высокой полнотой сгорания.

Повышенная эффективность процесса горения эмульсии (даже при предельно низком количестве воздуха) обусловлена микровзрывом ее 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, процесс сгорания мазута существенно интенсифицируется.

Использование промышленных стоков в качестве добавочной воды позволяет подвергнуть огневому обезвреживанию значительный их объем (примерно до 20% от 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.

Сжигание мазута и природного газа с добавлением влаги приводит к снижению уровня температур в зоне максимальной генерации оксидов азота, - а, следовательно, к значительному (на 30‑50%) снижению их концентрации в дымовых газах. Еще более глубокого подавления NO можно достигнуть в том случае, если вместе со сточными водами использовать 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.

Экологическая защита, не требующая денег

Процесс образования многоядерных углеводородов при сжигании органических топлив исследован пока крайне мало. Однако известно, что снижение концентрации С20Н12 в дымовых газах возможно путем организации дожигания продуктов неполного сгорания топлива, увеличением температуры в зоне горения до 1500 °С и выше, а также вводом специальных ингибиторов. Установлено также, что при вводе влаги в зону горения с последующей диссоциацией молекул воды на ионы Н+ и ОН- концентрация С20Н12 в продуктах сгорания топлива значительно снижается.

Использование влияния влаги или растворов реагентов на содержание различных вредных веществ в дымовых газах оправданно и экономически, так как достигается более рациональное использование теплоты топлива и не требуется больших капиталовложений.

Технология имеет и еще одно важное преимущество: перевод котлов 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. А в случае перевода котлов на сжигание ВМЭ в схему мазутного хозяйства вносятся лишь незначительные изменения. Таким образом, предлагаемая технология хорошо совместима с находящимся в промышленной эксплуатации оборудованием.

Технологические схемы сжигания ВМЭ

При проведении исследований авторами разработаны и испытаны несколько вариантов технологических схем по сжиганию ВМЭ. Наибольшего внимания заслуживают схема с центральным узлом приготовления эмульсии, схема с индивидуальным узлом и комбинированная схема.

Схема с центральным узлом приготовления ВМЭ, расположенным между насосами первого и второго подъемов, наиболее проста. Но в этой схеме 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 различных участках тракта. Наличие в этой схеме центрального узла эмульгирования имеет эксплуатационное преимущество в режимах работы котлов без ввода добавочной влаги, так как позволяет надежно работать котлам даже при сжигании исходного мазута с повышенной влажностью (20% и более).

В схеме с индивидуальным узлом приготовления ВМЭ обводнение мазута происходит только на входе в отдельные котлы (один или несколько). В этом варианте облегчается использование в качестве добавочных вод растворов реагентов, таких, как Са(ОН)2, (NН2)2СО и др., с целью дополнительного снижения выбросов вредных веществ.

Наибольшие же возможности для приготовления водомазутных эмульсий и гибкость в эксплуатации оборудования достигаются при комбинированном способе приготовления ВМЭ, совмещающем преимущества двух рассмотренных выше вариантов.

Способы приготовления эмульсии

В любой из технологических схем основным элементом является устройство для приготовления водомазутной эмульсии требуемого качества, для перемешивания мазута с добавочной влагой (водой, паром). Схема с центральным узлом приготовления ВМЭ 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 формируется процесс кавитации, являющийся рабочим процессом приготовления эмульсии. На входе в кавитатор подаются мазут и добавочная влага: сточные воды, растворы реагентов, пар и др. Создание водо-мазутной эмульсии происходит вследствие кавитационных эффектов и дополнительной турбулизации потоков, проходящих через каналы устройства. При эксплуатации последнего важно предотвратить проскок через кавитатор необработанных потоков топлива.

В схеме с индивидуальным узлом приготовления применяется эмульгатор, принцип работы которого аналогичен кавитатору. Эмульгатор состоит из нескольких последовательно соединенных колен трубы с расположенными в них турбулизирующими вставками. Конструкция эмульгатора позволяет устанавливать его в мазутопроводах непосредственно перед форсунками котла (т. е. они могут работать на мазуте высокого давления). Основные преимущества эмульгирующих устройств - это технологичность, простота конструкции и изготовления, отсутствие вращающихся частей, хорошее качество получаемой эмульсии и высокая надежность работы.

В технологической схеме сжигания природного газа с добавками сточных вод или растворов специальных реагентов влага подается в зону горения через специальные распыливающие устройства, устанавливаемые на стенках топки котла или в горелках. Эти устройства-распылители разработаны и испытаны авторами на паровых котлах в условиях промышленной эксплуатации. Остальные элементы технологической схемы - баки, насосы, измерительная аппаратура - являются общими и для сжигания ВМЭ, и для сжигания газа с добавлением влаги, т.е. используются при работе и на газе, и на мазуте.

Результаты испытаний

Описанные технологические схемы были испытаны на котельных с котлами различных типов.

Паровой котел БКЗ-75‑39 (ТЭЦ комбината «Североникель») был переведен на сжигание ВМЭ по индивидуальной схеме с установкой эмульгатора перед форсунками котла. Натурные испытания проведены при паропроизводительности котла, близкой к номинальной.

В исходном эксплуатационном режиме, при исходном мазуте концентрации оксидов азота в дымовых газах достигали 600‑650 мг/м. 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 водомазутной эмульсии с пониженными величинами избытка воздуха, фиксировались практически нулевые значения концентраций СО в дымовых газах. Одновременно со снижением вредных выбросов перевод котла БКЗ-75‑39 на сжигание эмульсии позволил осуществить огневое обезвреживание около 1 тонны в час сточных вод, загрязненных нефтепродуктами.

Измерения концентраций бензапирена в различных режимах сжигания мазута и ВМЭ проведены на котле ТГМ-84. Результаты этих исследований показали, что при коэффициентах избытка воздуха 1,05‑1,07 переход на сжигание ВМЭ с умеренной влажностью (до 7%) позволяет снизить концентрации в дымовых газах в 2‑3 раза, а при предельно низких избытках воздуха это снижение еще значительнее. Аналогичные результаты по выявлению влияния ввода добавочной влаги в зону горения на концентрацию бензапирена в дымовых газах получены авторами при сжигании природного газа в паровом котле ТГМП-204.

Результаты исследований позволяют рекомендовать технологию приготовления и сжигания ВМЭ и природного газа с добавками влаги для всех ТЭС и котельных как многоцелевую экологичную технологию.

Московский энергетический институт,
В. И. КОРМИЛИЦЫН,
М. Г. ЛЫСКОВ,
А. А. РУМЫНСКИЙ