CC BY
19
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧНОСТИ РАБОТЫ КОТЕЛЬНОЙ ПУТЕМ
РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
1 2 Сенцова В.М. , Кругликова Е.С.
1Сенцова Виктория Михайловна - магистрант; 2Кругликова Елена Сергеевна - кандидат химических наук, доцент, кафедра экологической безопасности технических систем, Московский политехнический университет, г. Москва
Аннотация: статья посвящена модернизации работы котельной и, в частности, рекуперации теплоты отходящих дымовых газов с целью подогрева дутьевого воздуха.
Показано, что теплогенерирующие предприятия, в том числе котельные, являются не только крупными загрязнителями атмосферного воздуха продуктами, образующимися при сгорании топлива, а также они являются источником теплового загрязнения окружающей среды дымовыми газам. В работе рассмотрена возможность использования теплоты отходящих дымовых газов, что позволит не только повысить эффективность работы котельной, но и уменьшит тепловое загрязнение окружающей среды.
Ключевые слова: окружающая среда, загрязнение, котельная, отходящие газы, экологичность.
INCREASING THE ENVIRONMENTAL FRIENDLY OPERATION OF THE
BOILER ROOM Sentsova V.M.1, Kruglikova E.S.2
1Sentsova Victoria Mikhailovna - Undergraduate; 2Kruglikova Elena Sergeevna - Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL SAFETY OF TECHNICAL SYSTEMS MOSCOW POLYTECHNIC UNIVERSITY, MOSCOW
Abstract: the work is devoted to the modernization of the operation of the boiler house and, in particular, the heat recovery of flue gases in order to heat the blast air.
It is shown that heat generating enterprises, including boiler houses, are not only major air pollutants, products formed during the combustion offuel, but they are also a source of thermal pollution of the environment by flue gases.
The paper considers the possibility of using the heat of flue gases for this purpose, which will not only increase the efficiency of the boiler house, but also reduce the thermal pollution of the environment. Keywords: environment, pollution, boiler room, exhaust gases, environmental friendliness.
УДК 504.055
Важную роль в жизни города играют котельные и тепловые электростанции (ТЭС). Эти предприятия обеспечивают отопление и горячее водоснабжение (ГВС) жилых и административных зданий, а также поддерживают производственные и промышленные предприятия. Но за счет их работы наносится ущерб окружающей среде, это происходит в результате выбросов, образующихся в котельных, и продуктов сгорания топлива.
На данный момент энергосбережение является стратегической задачей государственного масштаба. Несмотря на это, многие предприятия имеют энергетические потери, так как неэффективно используют тепло, которое образуется в результате работы производства. В первую очередь, сюда относятся предприятия с высокими энергетическими потерями, например, высокотемпературные производства (до 1000°С и более). Чаще всего отходящие теплые газы выбрасываются в атмосферу, что может привезти к серьезному загрязнению атмосферы.
Вещества, образованные в процессе работы предприятия на органическом топливе, поступают в атмосферу и могут находиться там на протяжении длительного времени от несколько дней, месяцев и даже десятков лет. Они переносятся на большие расстояния, вызывая изменения окружающей среды и, таким образом, наносят вред не только территории, находящейся рядом с предприятием, но и в удаленных местах, даже в других городах.
Наблюдения за составом атмосферы, которые проводятся на протяжении нескольких десятков лет, показывают, что концентрация веществ, влияющих на парниковый эффект, увеличилась. На основе приведенных данных видно, что на его увеличение влияют выбросы от антропогенных источников (метан CH4, оксид азота N2O).
До недавнего времени считалось, что человек является главным источником воздействия на окружающую среду в сфере производственной деятельности. Основными загрязнителями считались заводские трубы, стоки промышленности - рек и прибрежных морских вод. В конце двадцатого века, транспорт и промышленность стали больше оказывать воздействие на атмосферу, а сельскохозяйственное производство продолжало оставаться источником воздействия на окружающую среду.
Энергетика является основой для развития какого-либо региона или отрасли экономики. Ее источником является тепловая энергетика, которая ей и останется на ближайшее время, как в России, так и в других странах. Тепловую энергию можно получать от сжигания угля, нефти, газа, мазута, торфа, горючего сланца. Так в России, в 2018 г. потребление электроэнергии составило 1091,7 млрд кВтч, что выше 2017 г. на 1,7%, сюда входит 630,7 млрд кВт-ч тепловых электростанций, 193,7 млрд кВт-ч гидроэлектростанций и 204,3 млрд кВт-ч атомных электростанций.
Вклад электроэнергетики в общее загрязнение атмосферы от стационарных источников показан на рисунке 1.
Выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников
25
х
е;
¡15 20
и
01
01
5 15
2 к
£ 10 к
о. ^
го
(О
ш 5
О 5
и
О
о.
ю
о
□ В Российской Федерации
□ предприятия-электроэнергетики
01 А ю О
2010 2012 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Года
Рис. 1. Выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников
Из представленных на рисунке 1 данных видно, что вклад электроэнергетики в общее загрязнение атмосферы составляет около 20%. Снижение выбросов загрязняющих веществ в промышленности происходит быстрее, чем в экономике страны. Так, в 2020 г. общее количество выбросов в атмосферу загрязняющих веществ от стационарных источников в Российской Федерации по сравнению с 2010 г. снизилось на 8,8%, при этом доля выбросов предприятиями электроэнергетики уменьшилась на 18%.
Взаимосвязь между выработкой тепловой энергии и окружающей средой происходит на всем жизненном цикле топливно-энергетического комплекса: производство топлива, переработка, транспортировка, преобразование и использование тепловой энергии.
Наиболее чувствительным компонентом окружающей среды является воздушная среда. Она играет важную роль в жизни человека, существовании и развитии животного и растительного мира, так как в ней содержится необходимый для существования кислород.
При сжигании топлива образуется углекислый газ СО2. Он не так опасен, как оксид углерода СО, но все равно от него есть воздействие. При повышении концентрации этого газа, начинает уменьшаться концентрация кислорода в атмосфере. В этом случае углекислый газ пропускает коротковолновое солнечное излучение, и в то же время поглощает длинноволновое излучение, которое отражается от поверхности земли.
Еще одним веществом, образовывающимся при сгорании серосодержащего топлива, является диоксид серы ^О2). Это опасный газ, который в 2 раза тяжелее воздуха, не имеет цвета, но присутствует резкий запах. Сернистый газ может привести к хлорозу деревьев и карликовости, а длительное
воздействие - к гибели растений. В атмосфере диоксид серы может привезти к вторичному загрязнению - серной кислотой (Н2SО4), это происходит за счет реакции с водяными парами. Самой опасной реакцией сернистого ангидрида, является взаимодействие его с взвешенными частицами, в результате чего образуются соли серной кислоты. В то же время, взаимодействие серной кислоты с оксидами азота приводит к образованию «кислотных дождей».
В свою очередь оксиды азота (N0^ могут быть образованы в результате химической реакции азота с кислородом при температурах выше 650°С при сгорании топлива. Источниками этого оксида являются выхлопные газы автомобилей и выбросы от ТЭС. Сжигание твердых отходов также можно отнести к источнику образованию диоксида азота, потому что этот процесс происходит при высоких температурах. Следует помнить, что N02 приводит к образованию фотохимического смога в приземном слое атмосферы.
Несмотря на выше перечисленные вещества самым токсичным является бенз(а)пирен (С2оИ12). Его относят к канцерогенным веществам, а по распространенности и интенсивности к полициклическим ароматическим углеводородам (ПАУ), среди которых он самый активный. Бенз(а)пирен образуется при неполном сгорании топлива из-за плохого смешивания топлива и окислителя. Его максимальное количество может образовываться при температуре 700-800°С в условиях нехватки воздуха. Это вещество опасно для человека, оно имеет накопительную способность в организме, но при долгом воздействии может вызвать злокачественные опухоли.
На сегодняшний день существуют несколько видов котельных, которые делятся на классы: по типу топлива, типу теплоносителя, типу размещения. Необходимый вид котельной выбирается исходя из целей и задач, и ее эксплуатации. Рассмотрим первый вид классификации - по типу топлива.
Когда происходит сгорания топлива, то в котле образуется достаточное количество тепла, которое может быть использовано для нагрева воды. Исходя из вида подаваемого топлива, конструкции котельных могут быть:
• Газовые котельные. Главным преимуществом является экономичность и экологичность топлива. Имеют простое и маленькое оборудование топливоподачи и шлакоудаления, могут быть автоматизированы;
• Жидкотопливные котельные. Не требуют специального разрешения при вводе в эксплуатацию. Лучше использовать на больших ТЭС, которые обогревают города;
• Твердотопливные котельные. Достоинством является доступность и невысокая цена топлива. Требуется установка систем топливоподачи и золошлакоудаления. Применяются редко, так как имеют большое количество вредных примесей (сера, тяжелые металлы);
• Комбинированные котельные. Используется для нескольких видов топлива, не изменяя способа подачи в камеру сгорания. Один вид топлива основной, а второй - резервный. Оба вида топлива подаются через одну горелку, что позволяет продолжать работать оборудованию при проведении работ. Это, например, газомазутные агрегаты, установки, сжигающие газ и угольную пыль.
Следует учитывать, что виды топлива и их сжигание могут влиять на конструкцию котла, на соседние установки, а так же на технико-экономическую эффективность объекта в целом.
Существует традиционное и нетрадиционное топливо или его еще называют альтернативным топливом. К традиционному топливу относят уголь, торф, древесину, мазут и природный газ. Нетрадиционный вид топлива представляет собой горючие отходы, к ним относятся угольные, нефтяные, промышленные, древесные, сельскохозяйственные. Они могут сжигаться, как в первоначальном виде, так и в виде брикетов, пеллетов (гранулы, изготовленные из измельченной древесины, хвои и тому прочее) или смеси (водноугольное топливо). Но основное место занимает биотопливо, которое получают из органических промышленных отходов и растительного сырья.
В качестве объекта исследования для повышения экологичности, была выбрана газовая котельная. Недостатком работы этой котельной является отсутствие системы рекуперации теплоты, что приводит к снижению КПД. В то же время котельная является источником теплового загрязнения окружающей среды.
На основе анализа работы данной котельной, а также изучения научных данных, предложена технологическая схема повышения экологичности ее работы за счет рекуперации теплоты отходящих газов (рис. 2).
Ввод холодной воды
—* трубопровод прямой сетевой воды *— трубопровод обратной сетевой воды | трубопровод подпитки
СН1-СН4 центробежный насос — ■ — ► дыиовые газы из котла + — ■ ~ подогретый воздух не горение
Рис. 2. Технологическая схема рекуперации теплоты отходящих газов котельной:1 - вентилятор; 2 - дымовая труба; 3 - дымосос; 4 - задвижка; 5 - задвижка с электроприводом; 6 - заслонка; 7 - котел ТВГ; 8 - обратный клапан; 9 - прибор учета тепла; 10 - расходомерная шайба; 11 - сетевой насос; 12 - теплообменник; 13 -
трубопровод; 14 - шаровой кран
В основе рекуперации теплоты удаляемого воздуха лежит теплообмен. Теплообмен - это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы с телом или самим телом. Теплообмен проходит в определенном направлении - от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой. Когда температуры тел выравниваются, данной процесс прекращается.
Существуют три способа теплообмена: теплопроводность, конвекция, тепловая радиация. Системы вентиляции, использующие рекуперацию тепла, снабжены эффективным теплообменом и устройством принудительного перемещения потоков воздуха.
Использование такого оборудования требует дополнительных источников электроэнергии. Сами же рекуператоры энергии не потребляют. Передача энергии в них происходит самопроизвольно, как правило, за счет теплопроводности.
Рекуперация энергии осуществляется в рекуперативном теплообменнике. В таких теплообменниках теплота передается от одинаковых или разных видов сред. Для управления процессами используют системы автоматики.
Конструкция теплообменника не допускает смешивание приточного и удаленного воздуха. Теплообмен осуществляется через стенки теплообменника.
Эффективность системы зависит от конструкции рекуператора, площади помещения и расхода воздуха.
Предложенная схема позволит рационально использовать теплоту отходящих газов и уменьшить тепловое загрязнение окружающей среды.
Список литературы /References
1. Николайкина Н.Е., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экология. М.: Дрофа, 2008. 624 с.
2. Добрякова Т.С. Справочник по котельным установкам: Топливо. Топливоприготовление. Топка и топочные процессы. М.: Машиностроение, 1993. 546 с.
3. Бобович Б.Б., Березина В.А. Анализ негативного воздействия электроэнергетики на окружающую среду // Безопасность жизнедеятельности, 2019. № 8. С. 40-44.
4. Родионов А.И., Кузнецов Ю.П., Соколов Г.С. Защита биосферы от промышленных выбросов. М.: Химия; КолоС, 2005. 392 с.
5. Роционов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы экологической безопасности (основы энвайронменталистики). 3-е издание перераб. и доп. Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2000. 800 с., ил, таб.
6. Воздействие тепловой энергетики на окружающую среду. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://studwood.ru/997567/ekologiya/vozdeystvie_teplovoy_energetiki_okruzhayuschuyu_sredu/ (дата обращения: 12.02.2022).
7. Утилизатор тепла отходящих газов (промышленного применения). [Электронный ресурс]. Режим
доступа: https://opeks.energy/utilizator-tepla-otxodyashhix-gazov-promyshlennogo-primeneniya-/_(дата
обращения: 08.01.2022).
