В данной статье рассматривается зависимость выбросов 
от способа сжигания топлива. Произведен сравнительный анализ работы котлов при сжигании в кипящем слое и при обычном слоевом сжигании (с неподвижной колосниковой решеткой) твердого топлива.
Ключевые слова: топливо, уголь, кипящий слой, слоевая топка, оксиды азота.
В современном мире большое внимание уделяется состоянию окружающей среды и её защите. Одним из важных факторов, влияющих на окружающую среду, является качество атмосферного воздуха. [1, с. 3].
Для Республики Казахстан проблемы загрязнения атмосферного воздуха были и остаются актуальными. Выбросы в атмосферу вредных веществ от стационарных источников составляют порядка 2,4 млн.тонн/год (таблица 1), транспортные выбросы превышают 1 млн.тонн/год. Сегодня порядка 5 млн. жителей Казахстана проживают в условиях загрязненного атмосферного воздуха, при этом не менее 2 млн. — в условиях крайне высокого уровня загрязнения. Кроме того, особенности планировки населенных пунктов, связанные в первую очередь с тем, что многие города и поселки формировались как спутники крупных промышленных объектов, часто приводят к неизбежному загрязнению атмосферы городов промышленными выбросами [2]. В городе Семей Восточно-Казахстанской области объем промышленных выбросов в атмосферу увеличивается за счет выбросов котельных ГКП «Теплокоммунэнерго», ТЭЦ-1, ТОО «Силикат». Существенный вклад в увеличение объемов выбросов вносит использование угля Каражыринского месторождения. По данным отдела Статистики [3] состояние среднемесячной концентрации оксида азота за 2013 г. по городу Семей представлено на рисунке 1. Среди загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу с антропогенными выбросами от промышленности, электростанций, оксиды азота относятся к наиболее опасным. Они образуются в процессе сгорания органического топлива при высоких температурах в виде оксидов азота (), которые трансформируются в диоксид азота 
[4].
Таблица 1
Выброcы в атмосферу загрязняющих веществ, отходящих от стационарных источников
|
№ |
Регион |
2013 год, тыс. тонн |
|
1 |
Акмолинская область |
136,89 |
|
2 |
Актюбинская область |
123,89 |
|
3 |
Алматинская область |
133,06 |
|
4 |
Атырауская область |
64,33 |
|
5 |
Западно-Казахстанская область |
140,05 |
|
6 |
Жамбылская область |
40,68 |
|
7 |
Карагандинская область |
62,13 |
|
8 |
Костанайская область |
641,4 |
|
9 |
Кызылординская область |
31,12 |
|
10 |
Мангистауская область |
100,55 |
|
11 |
Южно-Казахстанская область |
64,15 |
|
12 |
Павлодарская область |
675,93 |
|
13 |
Северо-Казахстанская область |
75,71 |
|
14 |
Восточно-Казахстанская область |
48,56 |
|
15 |
г. Астана |
64,88 |
|
16 |
г. Алматы |
12,08 |
Рис. 1. Среднемесячная концентрация оксида азота за 2013 г. в городе Семей, ВКО
Основными источниками выбросов на ТЭЦ-1 являются пять дымовых труб: три дымовых трубы высотой 30 м от трех котлов ЛМЗ-40; одна труба высотой 30 м от двух котлов ТП-35У и одна труба, имеющая высоту 78 м, является источником выброса от котла БКЗ-75–39ФБ. В целом на ТЭЦ-1 имеется 11 организованных и 12 неорганизованных источников загрязнения атмосферы.
Целью данной работы является сравнительный анализ содержания оксидов азота в продуктах сгорания котлов на твердом топливе при слоевом сжигании и сжигании в кипящем слое.
На Семипалатинской ТЭЦ-1 используется каменный уголь разреза Каражыра, который в основном сжигается слоевым способом.
Слоевой способ сжигания твердого топлива, как правило, применяется для сжигания крупнофракционного и кускового топлива, находящегося на колосниковой решетке, сквозь слой которого продувается воздух. Широко применяется в котлах малой и средней мощности. Он обеспечивает высокую стабильность горения в широком диапазоне форсировок от 150 до 350 кВт/м3. Вместе с тем, данный способ сжигания имеет известные недостатки:
- низкая надежность оборудования (колосникового полотна, забрасывателей).
- обеспечение проектной эффективности сжигания только при работе на сортированном угле фракции (62÷4) мм.
Плотный слой мелких частиц плохо продувается воздухом, поэтому процесс горения приобретает «кратерный» характер. Мелкие частицы уносятся с газами, а уголь, расположенный между кратерами, практически не сгорает и удаляется со шлаком. Доля несгоревшего топлива (механический недожог) при этом доходит до (30÷40) % [5].
Для уменьшения выбросов оксидов рассматривается технология сжигания топлива в кипящем слое. Технология сжигания угля в кипящем слое — это технология, обеспечивающая интенсивное горение практически любых видов твердого топлива над решеткой в кипящем слое (псевдоожиженное состояние).
Применение этой технологии позволяет обеспечить эффективное сжигание твердых топлив, которые не удается сжигать в обычных топках, существенно уменьшить выбросы оксидов азота, полностью механизировать и автоматизировать отопительные и паровые котельные на твердом топливе, получить золу и шлак, почти не содержащие горючих частиц, которые можно использовать в качестве строительного материала [6, с. 59–62, 7, с. 41–43].
Экспериментальные исследования проводились при различных значениях производительности котельных агрегатов. Результаты исследований показали, что в зависимости содержания от производительности котла в кипящем слое наблюдается более эффективное уменьшение выброса оксида азота, чем при слоевом способе сжигании (рисунок 2).
Рис. 2. Зависимость содержания от производительности котла при различных способах сжигания топлива
В результате математической обработки получены следующие уравнения для определения содержания оксидов азота в продуктах сгорания:
- для кипящего слоя (с добавлением песок+известь) содержание , мг/м3:
, (1)
где 
— производительность котла, %;
- для кипящего слоя (с добавлением песка) содержание , мг/м3:
; (2)
- для слоевого сжигания содержание , мг/м3:
. (3)
При рассмотрении температуры слоя, полученные результаты исследований представлены на рисунке 3.
Рис. 3. Изменение температуры слоя топлива при различных способах сжигания
В результате математической обработки получены уравнения для определения значения температуры слоя при различных способах сжигания:
- для кипящего слоя (с добавлением песок+известь) температура 
, К:
; (4)
- для кипящего слоя (с добавлением песка) температура , К:
; (5)
- для слоевого сжигания температура , К:
. (6)
Во всех случаях коэффициенты детерминации находятся в допустимых пределах.
По полученным результатам исследований можно сделать вывод, что, выбросы оксидов азота при одних и тех же значениях производительности котла меньше при сжигании топлива в кипящем слое, чем при сжигании в слоевых топках. На это влияет то, что сжигание осуществляется при более низких и равномерных температурах, а хорошее перемешивание обеспечивает невысокий избыток воздуха.
Литература:
1. Плешанов К. А. «Разработка и исследование способа сжигания топлив с умеренным контролируемым химическим недожогом»: авт.... дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук: — Москва, 2010. — 20 с.
2. Серия публикации ПРООН Казахстан № UNDPKAZ06 «Окружающая среда и устойчивое развитие в Казахстане». [Электронный ресурс] — Режим доступа. — www.undp.kz/library_of_publications/files/2147–30783.pdf (дата обращения 20.04.2014)
3. Экологический бюллетень о состоянии окружающей среды Республики Казахстан. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://ecokomitet.kz/ecokomitet/index.php?option=com_content&view=article&id=103&Itemid=195&lang=ru (дата обращения 20.04.2014)
4. Безуглая Э. Ю., Смирнова И. В. Оксиды азота. Диоксид серы. Оксид углерода. 07.01.2011 г. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.sir35.ru/Oksidi-azota.-Dioksid-seri.-Oksid-ugleroda.html (дата обращения 20.04.2014)
5. Технология сжигания низкосортных углей [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://promeng.spb.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=86&-Itemid=73 (дата обращения 20.04.2014)
6. Процан А., Ермоленко М., Степанова О., Абдуллин М. Исследование процесса горения угля в кипящем слое. Материали за 9-а международна научна практична конференция, «Бъдещите изследвания», — 2013. Том 29. Технологии. София. «Бял ГРАД-БГ» ООД — с. 59–62.
7. Мусатаев Е., Ермоленко М., Степанова О., Абдуллин М. Исследование состава уходящих газов при сжигании угля в кипящем слое. Materiały IX Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Strategiczne pytania światowej nauki — 2013» Volume 29. Techniczne nauki.: Przemyśl. Nauka i studia — str. 41–43.
