Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

А. В. Коваленко, генеральный директор ЗАО «ОмЗИТ»

Д. А. Шкапов, заместитель генерального директора ЗАО «ОмЗИТ»

Е. Л. Палей, генеральный директор ООО «ПКБ «Теплоэнергетика»

1. Государственная экологическая программа.

15 апреля 2014 года Постановлением № 326 Правительства РФ была утверждена Государственная программа  «Охрана окружающей среды на период до 2030 г.». После принятия программы в нее почти ежегодно вносились изменения, направленные на уточнение и дополнение отдельных моментов (13 августа 2016 г., 31 марта и 6 июля 2017 г., 12 февраля и 30 марта 2018 г., 29 марта 2019 г.).

Программа «Охрана окружающей среды» предусматривает:

— снижение общей антропогенной нагрузки на окружающую среду на основе повышения экологической эффективности экономики по целому ряду направлений;

— сохранение благоприятной окружающей среды для удовлетворения потребностей нынешнего и будущих поколений граждан Российской Федерации и реализации права каждого человека на благоприятную окружающую среду;

— укрепление правопорядка в области охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности.

Так, например, программой предусмотрено уменьшение не менее чем на 20% совокупного объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух в наиболее загрязненных городах.

Одной из ключевых проблем, обусловливающих снижение уровня экологической безопасности Российской Федерации, является неэффективность системы нормирования негативного воздействия на окружающую среду.

В настоящей статье мы хотим остановиться на мероприятиях, позволяющих выполнить снижение уровня загрязнения атмосферного воздуха от объектов коммунальной энергетики и отсутствующих в программе.

По разным источникам, уровень выбросов вредных веществ в атмосферу от коммунальных котельных оценивается в 15–20% от общего объема выбросов загрязняющих веществ.

Основными вредными веществами, загрязняющими атмосферу в результате сгорания топлива, являются:

В целом объем и состав загрязняющих веществ существенно зависят от типа используемого топлива, способа и качества его сгорания, конструктивных особенностей котла и горелки.

Оксиды азота являются единственными загрязняющими веществами, которые не могут быть устранены путем смены типа топлива, поскольку чаще всего они образуются при соединении азота с кислородом в выбрасываемых в атмосферу дымовых газах.

Под термином «оксид азота» формула NOx объединяет в себе три вещества:

— NO (одноокись азота, монооксид азота);

— NO₂ (двуокись азота, диоксид азота);

— N₂O (закись азота).

Окись азота NO быстро преобразуется в двуокись NO₂ и кислород O₂. Позднее двуокись азота NO₂ удаляется из атмосферы. При окислении она преобразовывается в азотистую кислоту HNO₂ и далее в азотную кислоту HNO₃, которая способствует образованию кислотных дождей.

NO₂ является естественной и постоянной составной частью атмосферы (хотя и очень незначительной). В основном она образуется при окислении аммиака во время микробиологических реакций в органических веществах, присутствующих в земле и в воде.

Количество N₂O стабильно и остается в атмосфере на долгие годы. Данное вещество вместе с углекислым газом CO₂ и другими газообразными выбросами способствует образованию парникового эффекта посредством реакции с озоном O₃.

Монооксид азота (NO) — это бесцветный, без запаха, плохо растворимый в воде газ. Он составляет более 90% от всех оксидов азота, образуемых при высокотемпературном горении. Если концентрация находится в пределах от 10 до 50 ppm, он не является сильно токсичным раздражающим веществом. Монооксид азота NO, который присутствует в атмосфере, может самопроизвольно переходить в диоксид азота NO₂ при фотохимическом окислении.

Диоксид азота (NO₂) — это газ, который заметен даже при небольшой концентрации, он имеет коричневато-красноватый цвет и особый острый запах. При концентрации более 10 ppm является сильным коррозийным веществом и сильно раздражает носовую полость и глаза. При концентрации более 150 ppm вызывает бронхит, а свыше 500 ppm — отек легких, даже если воздействие длилось всего несколько минут.

2. Оценка существующих экологических рисков при работе котельных на природном газе.

На сегодняшний день на всей территории Российской Федерации наблюдается четкая тенденция разделения топливного баланса.

В центральных регионах большинство котельных работают на природном газе. Районы Западной Сибири (Омская область, Новосибирская область) — это регионы со смешанным балансом (природный газ и уголь). Далее на восток идут регионы, где основным топливом для котельных является уголь (бурый, каменный и т. д.). При этом максимальная плотность населения России — это центральные регионы.

Проводя оценку экологических рисков отдельных регионов, большинство экспертных организаций выбирают атмосферный воздух как один из первых показателей оценки степени выраженности экологических рисков для различных компонентов окружающей природной среды и состояния здоровья населения. По составу атмосферного воздуха оценивается концентрация кислорода, азота и азотосодержащих соединений, оксида железа, абразивной пыли и другие компоненты. На изменение климата резко влияют оксиды и диоксиды углерода, серы и зола, из чего следует, что сжигание газа снижает экологическую нагрузку и оказывает значительно меньшее влияние на климатические процессы.

3. Основные факторы, влияющие на образование NOх.

Соединения NOx образуются при камерном сжигании топлива (в топочном объеме). Факторы, влияющие на образование NOx

3.1.       Температура в зоне горения топлива.

Температура в зоне горения топлива в первую очередь зависит от теплового напряжения топочного объема котла. В среднем для получения качественных экологических показателей величина теплового напряжения топочного объема должна быть в пределах 1000 кВт/м³.

При сжигании газа в двухходовых жаротрубных котлах с реверсивной топкой дымовые газы при проходе к дымогарным трубам сужают пространство, в котором находится факел, до объема меньшего, чем сама камера сгорания. Часть лучистой энергии, отраженной от стенок камеры сгорания, передается пламени, температура пламени повышается, и увеличивается образование тепловых оксидов азота.

3.2.       Коэффициент избытка воздуха.

Снижение избытков воздуха возможно лишь до тех пор, пока это не приводит к интенсивному росту продуктов неполного сгорания. Уменьшение ниже определенного критического значения приводит к резкому увеличению химического недожога и возрастанию содержания NOх, сажи и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), в частности, бенз(а)пирена. Кроме этого, происходит увеличение содержания горючих в уносе и высокотемпературная коррозия. Поэтому, необходимо учитывать, что снижение избытков воздуха возможно лишь при определенных размерах топки котла и правильного подбора горелочного устройства.

3.3.       Время пребывания компонентов топливно-воздушной смеси в зоне высоких температур.

Данный фактор во многом зависит от конструкции самого котла. К примеру, жаротрубные двухходовые котлы с реверсивными топками (самые продаваемые жаротрубные котлы в России) ни при каких условиях не смогут достигнуть более или менее приемлемых экологических показателей.

Как альтернатива таким котлам — трехходовые котлы, в которых конструктивно уже заложена (или можно применить) система рекуперации дымовых газов, что существенно уменьшит объем NOх. Дополнительно используя с трехходовыми котлами специализированные горелки (горелки с добавлением рекуперационных газов непосредственно в топливно-воздушную смесь), можно снизить объем NOх более чем в два раза.

4. Сравнение экологических требований по выбросам от коммунальных котлов в РФ и ЕС.