Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

METHODS OF IMPROVING EFFECTIVENESS FIRE AND ENVIRONMENTAL SAFETY OF OBJECTS THERMAL POWER INDUSTRY

Nazarenko A.A. 1
1 Don State Technical University
The article is devoted to the main problems of modern thermal and electric energy production systems, in particular in boilers and thermal power stations. The paper suggests and describes innovative methods and means of automation of technological processes of boiler and thermal power stations, which allow to restore natural cycles of oxygen, water and carbon with the help of biotechnologies, as well as to solve the problems that generate harmful emissions of boiler houses and thermal power stations, including optimization of the use of the energy potential of steam boilers and ensuring the required level of their fire and environmental safety.
вoilers
thermal power station
ecology
natural cycles
separator
membrane
oxygen
nitrogen
carbon
water
fire safety
chemical water purification
steam-screw machines
biotunnel

Ежегодно потребность в тепловой энергии в мире возрастает. Это приводит к росту количества промышленных и отопительных котельных. С их увеличением возникают проблемы, связанные с «выжиганием кислорода» из атмосферы и ростом выбросов вредных веществ в окружающую среду. Так из дымовых труб котельных и ТЭЦ в окружающую среду выбрасываются такие вредные вещества, как оксиды серы, азота, угарный газ (СО), сажа и другие остатки углеводородного топлива – из-за их неполного сгорания.

Как известно, большинство объектов теплоэнергетики с помощью строительства «дымовых труб» соответствующей высоты, рассеивают вредные выбросы. Однако, это не избавляет от нарушений двух основных природных циклов, обеспечивающих жизнедеятельность на нашей планете:

– цикл круговорота кислорода в системе атмосфера-биосфера-гидросфера;

– цикл круговорота воды в системе гидросфера/геосфера-атмосфера;

– семилетний цикл круговорота углерода в системе атмосфера-биосфера-геосфера/гидросфера. Котельные и ТЭЦ нарушают их, сжигая углеводородное топливо, и выбрасывая воду и углерод в атмосферу, изменяя тем самым климат на планете [1].

Кроме того, котельные и ТЭЦ являются одними из самых уязвимых, с точки зрения пожаров, объектов техносферы. В случае неконтролируемого процесса горения, они подвергают опасности жизни людей, а также приносят огромный материальный ущерб.

К другим серьёзным недостаткам объектов теплоэнергетики, а именно паровых котельных относятся:

– неэффективное использование избыточной энергии пара, которая в ходе технологического процесса, бесполезно утилизируется в специальных редукционно-охладительных установках (РОУ)[2].

– использование воды в паровых котлах приводит к образованию в них накипи, которая может вывести их из строя [3].

С помощью современных технологий можно устранить эти и многие другие проблемы объектов теплоэнергетики, например, добиться полного сгорания топлива, тем самым существенно сократив выбросы вредных веществ в атмосферу. Для этого, например, топливо следует сжигать не в атмосферном воздухе, а в кислороде [4].

Способы сепарации воздуха на кислород и азот известны давно, и осуществляются криогенными установками. Но в наше время, в связи со стремительным развитием наноматериалов и нанотехнологий, можно найти более эффективные способы сепарации воздуха. Так, например, этот процесс можно осуществить с помощью – мембранных установок. Себестоимость кубометра азота и кислорода, получаемых мембранными установками, на порядок дешевле криогенных. Кроме того, мембранные сепараторы способны вырабатывать кислород на месте, т.е. не требуют специальных средств хранения и транспортировки.

Принцип мембранной сепарации воздуха (МСВ) хорошо известен и широко используется, в т.ч. за рубежом – это кнудсеновская диффузия, в соответствии с которой компоненты разделяемой смеси проникают через поры мембраны с различными скоростями, в связи с чем, коэффициент разделения смеси зависит от молекулярных масс [5]:

nz1.wmf (1)

где n1 и n2 – числа молей компонентов соответственно, с молекулярными массами M2 и M1.

Атмосферный воздух на 78% состоит из азота, на 21% – из кислорода и на 1% из других газов. Каждый газ обладает собственным коэффициентом проницаемости, характеризующим его способностью проходить через мембрану. Кислород представляет собой «быстрый» газ, который диффундирует через стенку мембраны, в то время как азот проходит через внутреннюю поверхность волокна, таким образом, на двух выходах мембранного сепаратора получаются два потока газов. Первый обогащён кислородом, а второй азотом. Затем, азот и кислород по трубам (рис. 1) выводятся напрямую к тому месту, где требуется их практическое применение [6].

Повысить эффективность сгорания жидкого топлива котельных и ТЭЦ, тем самым снизив их экологический вред, и повысив их энергосбережение, можно применив подсистему ультразвукового и магнитоэлектрического подавления и контроля «топливного вреда», которая базируется на использовании ультразвуковых форсунок. В ультразвуковых форсунках реализован комбинированный способ распыливания топлива, совмещающий использование эффекта закрученной струи жидкости, кинетической энергии вихревого потока распылителя и акустических колебаний среды [10].

nazar1.tif

Рис. 1. Мембраны сепаратора фирмы «PRISM PA»

nazar2.tif

Рис. 2. Схема ультразвуковой форсунки

С помощью азота, накопленного в результате сепарации кислорода из воздуха, целесообразно решить проблему пожарной безопасности технологических процессов котельных и ТЭЦ, реализовав автоматизированную систему предотвращения и подавления пожаров, локальным введением охлажденного азота, т.к. известно, что понижение концентрации кислорода делает невозможным процесс горения [7]. Тушение азотом имеет преимущества перед другими способами пожаротушения, так как в отличие от водяных систем, не повреждает электротехническое оборудование [4].

Современные технологии способны также устранить проблему неэффективного использования избыточного давления пара. Так, например, паро-винтовые машины (ПВМ) могут когенерировать неиспользуемый энергетический потенциал поровых котельных в электрическую энергию, тем самым, превратив их в мини-ТЭЦ. ПВМ может полностью обеспечить предприятие электроэнергией, в несколько раз дешевле, по сравнению с действующими тарифами, а также поставлять её на сторону. При этом, без дополнительного сжигания топлива и минимальными затратами на эксплуатацию. Согласно расчётам, ПВМ может вырабатывать электроэнергию, себестоимость которой 35–45 копеек за 1 кВт.

К другим достоинствам и преимуществам ПВМ можно отнести:

• высокий КПД – до 70% – и работа в широком диапазоне мощностей;

• увеличенный до 60 тыс. часов моторесурс и возможность возобновления работы после капитального ремонта;

• исключительная надежность и ремонтопригодность;

• возможность размещения в существующих помещениях котельных, благодаря небольшим размерам и массе [8].

ПВМ фактически представляет собой модифицированный тип парового двигателя, специализирующийся на преобразовании механической энергии, полученной за счёт давления пара, в электрическую. ПВМ разработана в России, и не имеет аналогов в мире [2].

Как говорилось ранее, использование воды, из-за содержания в ней ионов (Са2+ и М2+), в паровых котлах создает проблему накипеобразования, которая может вывести оборудование из строя. Для предотвращения образования накипи в большинстве паровых и водогрейных котлах используют химводоочистку, что требует немалые регулярные дополнительные издержки на катионные фильтры. Однако, возможно создание более экономного способа устранения проблем связанных с примесью воды. Так, например, вместо использования подсистемы химводоочистки, эффективнее создать, разработанную в институте имени Кржижановского, подсистему оптимизации тепломассобмена в котле, базирующейся на замене воды и пара на соответствующие агрегатные состояния элегаза («Хладон-510») [9].

nazar3.tif

Рис. 3. Конструкция ПВМ для мини ТЭЦ

Помимо использования сепарированного кислорода и ультразвуковых форсунок, в процессе сжигания топлива, для снижения выбросов вредных веществ в атмосферу возможно использование «биотуннелей», сформированных из вечнозеленых и сезонных сортов деревьев и кустарников, включая генетически измененную коноплю [9].

Как говорилось ранее, современные объекты теплоэнергетики нарушают природные циклы кислорода, воды и углерода. Однако, СО2 и Н2О могут поглощаться природным фотосинтезом деревьев и кустарников (с выделением О2 в атмосферу). Так за один теплый солнечный день 1 Га лесных насаждений поглощает из воздуха 220–280 кг СО2 и выделяет 180–200 кг О2 [1]. Далее, углерод и вода могут утилизироваться в геосферу с помощью биогумусной и биотермической технологии, основанной на природных процессах разложения их опада (гниения, употребления фитомассы в качестве пищи животными и др. способы превращения опада в почве).

nazar4.tif

Рис. 4. Структурная схема автоматизированной систем управления противопожарной защиты мини-ТЭЦ

Таким образом, можно выделить следующие способы устранения основных недостатков типовых проектных решений АСУ ТП объектов теплоэнергетики [4]:

• использование паровых винтовых машин для когенерации неиспользуемого энергетического потенциала паровых котельных в электрическую энергию, тем самым, превратив их в мини-ТЭЦ;

• создание подсистемы оптимизации тепломассобмена в паровом котле, баризующейся на замене воды и пара на соответствующие агрегатные состояния элегаза (например, «Хладон-510»), позволяющей ликвидировать подсистему химводоочистки и издержки, связанные с ней;

• модернизация подсистемы управления розжигом горелочных устройств котлоагрегатов, на предмет оптимизации горения углеводородного топлива с помощью сепарированного из воздуха кислорода, в результате чего достигается экономия и полное сгорание углеводородного топлива, и из выбросов исключаются наиболее токсичные (СО, NOx, и др.), а также ультразвукового впрыска жидкого топлива, если котел работает на жидком топливе или имеет резервный режим работы на нём,

• создание подсистемы противопожарной защиты помещений и оборудования котельных и ТЭЦ сепарированным из воздуха азотом, вместо «водяных методов и средств».

• создание вместо труб котельных, ТЭЦ и ГРЭС «выпускных коллекторов» необходимой пропускной способности и создание «биотуннеля» («биоквартала»), т.е. «экранирование» выпускного коллектора от окружающей среды обсадкой вечнозелеными и сезонными сортами деревьев и кустарников, с соответствующей «производительностью поглощения», и автоматизация его функционирования.