Уровень загрязнений воздуха

Ю.М. Варфоломеев, профессор кафедры «Методология лицензирования и аттестации»

Государственной Академии профессиональной переподготовки и повышения квалификации руководящих работников и специалистов инвестиционной сферы (ГАСИС)

В результате работы энергетических и промышленных предприятий, транспортных средств и другой хозяйственной деятельности, а также естественных природных процессов (выветривания, вулканических) к атмосферному воздуху подмешиваются значительные количества различных техногенных и природных примесей: газов, паров, аэрозолей. Например, наружный воздух промышленных городов и поселков может содержать от 0,2 до 20 и более мг/м3 пыли, значительные количества диоксида углерода СО2 , других вредных газообразных примесей - оксидов азота, серы (в том числе и канцерогенных - оксидов ванадия), выделяемых энергетическим и технологическим оборудованием, транспортом, промышленными изделиями и отходами.

Уровень загрязнений воздуха может быть очень высоким и опасным для здоровья людей, поэтому содержание их в воздухе жилых массивов и на промышленных территориях ограничивают предельно допустимой концентрацией - ПДК.

Нормы ПДК разрабатывают, законодательно утверждают (табличные значения) и контролируют природоохранные и санитарные органы страны. Производными от ПДК являются нормы предельно допустимых выбросов - ПДВ, утверждаемыми ими же для типовых технологических процессов, машин, оборудования, устройств.

Защита атмосферного воздуха от загрязнений, фильтрация выбросных газов и их очистка, обеззараживание являются важнейшими задачами всех промышленных, энергетических установок и транспортных устройств.

Учитывая установившиеся постоянные природные процессы переноса воздушных масс в атмосфере на большие расстояния, эти природоохранные задачи выросли до международного значения-уровня. Так как трансграничные загрязненные атмосферные потоки затрагивают интересы всех государств мира, даже не имеющих развитой промышленности, родилась идея выделения индустриальным государствам определенных ограничительных нормативов и квот на выброс загрязняющих веществ в атмосферу. Она реализовалась в виде добровольного Киотского протокола международной экологической конференции государств, проведенной ООН в декабре 1997 г. Приглашения к добровольному присоединению к нему разосланы правительствам США, Китая, Канады, России, европейских и других государств - основных загрязнителей воздуха.

Согласно протоколу промышленно развитые страны, на долю которых приходится не менее 55% общих выбросов парниковых газов, должны сократить свои выбросы к 2008-2012 годам по меньшей мере на 5% по сравнению с уровнем 1990 года.

Россия подписала Киотский протокол в феврале 1999 г. и ратифицировала его в ноябре 2004 г. После присоединения России к протоколу он вступил в силу, а наша страна, имеющая 25% мировых запасов леса, стала одной из главных «поставщиков» свежего воздуха в мире. США до сих пор не подписали этот документ.

Установлено, что повышение экономичности котлов и топочных устройств в энергетике корреляционно связано с сокращением эмиссии токсичных оксидов, снижением теплового и химического загрязнения атмосферы и другими природоохранными эффектами, т.е. позволяет решать серьёзные экологические задачи.

В промышленности апробированы различные методы снижения указанных выбросов, например, путём ступенчатого сжигания топлива, рециркуляции дымовых газов в топку котла, впрыска воды в зону горения, химической очистки дымовых газов, (с помощью аммиака) или облучения газов электронными пучками.

Однако перечисленные методы и приемы, в определенной мере снижая выбросы оксидов, ухудшают экономичность котлов или весьма сложны в практическом использовании, в особенности в котельных установках малой и средней мощности.

Вместе с тем представляется возможным в газифицированных промышленно-отопительных котельных при добавлении к действующим и вновь проектируемым котлам с дутьевыми вентиляторами и дымососами специального сравнительно простого и недорогого оборудования существенно, в 4,5-7 раз, снизить образование оксидов азота и одновременно на 3-8% (в зависимости от вида тепловой сети) повысить коэффициент использования топлива. Особую актуальность это приобретает для г. Москвы, региональных и областных центров и других крупных городов, где расположено большое количество теплогенерирующих установок различного назначения.

Такой комплекс дополнительного оборудования и технологическая совместимость его с существующими котлоагрегатами и схемами котельных были разработаны в 80-х годах, он запатентован и сертифицирован в системе ГОСТ Р и получил условное название - кондиционер дутьевого воздуха (КДВ).

Исследование функциональных особенностей системы утилизации теплоты уходящих газов и снижения выбросов оксидов азота, выполненной с применением КДВ, было произведено в течение ряда лет (1991-1995 гг.) на действующей КТС-11 Предприятия № 1 МГПО «Мостеплоэнерго». Комплекс КДВ был включен в штатной схеме котла КВГМ-20 и испытан на нагрузках 40-70%, которые наиболее характерны для источников теплоты в системах централизованного теплоснабжения.

Устройство и включение КДВ в тепловую схему котельной показано на рис. 1, 2.

Здесь основным элементом является аппарат КДВ-1, в котором за счёт теплоты уходящих газов котла осуществляется подогрев свежего наружного воздуха до 35-50°С с увлажнением до 35-85 г/кг. После такого кондиционирования для корректировки газового состава к нему подмешивается часть дымовых газов (до 10-12%), позволяющая догреть его на 3-5°С выше точки росы содержащихся в нем водяных паров. Подготовленная таким образом смесь подается к горелкам котла.

Охлаждение дымовых газов и подогрев дутьевого воздуха производится в самостоятельных блоках кондиционера - блоке охлаждения дымовых газов и блоке подогрева воздуха, объединенных общим рециркуляционным водяным контуром с насосом 7 (на рис. 1а эти блоки совмещены в один вертикальный аппарат).

Теплообменные насадки блоков выполнены из керамических колец Рашига (d=50 мм), что обеспечивает компактность конструкции кондиционера (площадь поперечного сечения 0,15 м2 на 1 Гкал/ч установленной мощности котла). Расход металла на изготовление КДВ для котлов мощностью от 10 до 100 Гкал/ч составляет в среднем от 4 до 15 т, причем, в силу простоты конструкции КДВ они могут изготовляться на ремонтных площадках силами персонала котельных, поскольку относятся к оборудованию атмосферного типа.

Для глубокого охлаждения дымовых газов и, соответственно, более полного использования теплоты конденсации их водяных паров дополнительно осуществляется и подогрев подпиточной воды тепловой сети в теплообменнике 2 (поверхностью 0,25 м2 на 1 Гкал/ч установленной мощности котла). В расчетном режиме температура газов на выходе из блока охлаждения составляет 35-40°С. С целью улучшения рассеивания дымовых газов в атмосфере к ним по байпасной линии подмешиваются газы непосредственно из котла, что также исключает конденсацию водяных паров в дымососе и дымовой трубе и предотвращает коррозию их элементов.

Описанный КДВ с насосом и теплообменником включается параллельно штатному оборудованию котельной, что позволяет вводить его в эксплуатацию или отключать на ходу, без нарушения режима работы котла. Для предохранения металла КДВ от внутренней коррозии на поверхность его наносятся водостойкие антикоррозионные покрытия (например, эмаль ОС-12/03), достаточно эффективные до 150-200°С.

На рис. 1 показан КДВ с объединенными в единый вертикальный аппарат блоками. С учетом специфики планировки котельных и местных особенностей размещения технологического оборудования их КДВ может выполняться и с раздельными (разнесенными) блоками (рис. 2).

Анализ данных и результаты опытно-промышленной эксплуатации установки на КТС-11 позволили сделать следующие выводы: в зависимости от режима работы котла КВГМ-20 эффективность подавления эмиссии оксидов азота с применением системы КДВ составляет 70-85% (рис. 3); одновременно с этим за счёт утилизации теплоты дымовых газов котла на 3,5-4,5% повышается КПД котла по сравнению с его штатной экономичностью; работа КДВ в составе котлоагрегата практически не вносит дополнительных усложнений в его эксплуатацию; система КДВ не требует специальной дорогой автоматики и позволяет обходиться штатным объёмом КИПиА котельных; использованные методы защиты оборудования КДВ от внутренней коррозии по технологии предприятия ГУП «Теплоэнергоремонт» (покраска полимерными составами ОС-12/03) достаточно эффективны; капитальные затраты и эксплуатационные расходы окупаются экономией топлива и денежных средств за природопользование менее чем за полугодие; материал, накопленный по итогам опытно-промышленной эксплуатации, позволил АООТ «ВТИ» (Всероссийский теплотехнический институт) разработать технические условия на изготовление и типоразмерный ряд аналогичных установок для других производственно-отопительных котельных, провести сертификацию КДВ (рис. 4).

Районные тепловые станции РТС-4 «Малино» в г. Зеленограде и РТС «Бутово» в г. Москве с котлами

КВГМ-100-150 запроектированы с включением в технологические схемы котлов кондиционеров типа КДВ-100.

Рис. 1. Структурная технологическая схема кондиционера дутьевого воздуха с совмещенными блоками охлаждения дымовых газов и подогрева воздуха (устройство КДВ)

а) 1 - кондиционер дутьевого воздуха;

2 - подогреватель;

3 - дымосос;

4 - дутьевой вентилятор;

5 - котел;

6 - подпиточная вода теплосети;

7 - рециркуляционный насос водяного контура;

8 - подмешивание дымовых газов в дутьевой воздух; б) 1 - корпус;

2 - керамическая теплообменная насадка;

3 - поддерживающая насадку решетка;

4 - распределитель воды;

Рис. 2. Структурная технологическая схема кондиционера дутьевого воздуха с раздельными блоками охлаждения дымовых газов и подогрева воздуха

1 - котел;

2 - дутьевой вентилятор;

3 - датчики температуры;

4 - подмешивание газов;

5 - байпас газов;

6 - сброс конденсата в ХВО сети;

7 - задатчик расхода пром. контура;

8 - насос охлажденной воды;

9 - носос горячей воды;

10 - регулятор расхода пром. контура;

11 - пром. циркуляц. контур;

12 - блок охлаждения газов;

13 - регулятор температуры РТ;

14 - блок подогрева воздуха;

15 - подогреватель подпитки сети;

16 - дымосос;

17 - дымовая труба;

18 - регулятор сброса конден.;

19 - индикатор подмешивания газа;

20 - указатель расхода пром. контура;

21 - корректирующий шибер воздуха;

22 - шибер байпаса газов

Рис. 3. Эффективность подавления образования оксидов азота котла КВГМ-20 при работе на газе с помощью КДВ-20