В азиатской части России уголь — один из самых распространённых видов топлива. В результате его использования происходят выбросы загрязняющих веществ. Сотрудники Института систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН (Иркутск) изучили разные способы подготовки угля, которые помогают снизить негативный эффект от его сжигания в котельных малой мощности.

Результаты исследования опубликованы в журнале International Journal of Coal Science & Technology.

Отдалённые районы России зачастую отапливаются малыми угольными теплоисточниками — котельными, которые рассчитаны на один небольшой посёлок или даже дом. Они распространены в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, доля малых теплоисточников там достигает 80—90 %. 

Особенность таких котельных — то, что дымовая труба находится относительно низко, около 10—30 метров над землей. Поэтому выбросы загрязняющих веществ, в том числе твёрдые частицы, оксиды азота и диоксид серы, остаются в приземном слое атмосферы и вдыхаются людьми. Высокий уровень токсичности газовых выбросов приводит к аллергическим реакциям, повышает риск развития заболеваний дыхательных путей. 

В процессе сжигания угля также выделяется диоксид углерода — парниковый газ. При длительном воздействии он снижает иммунитет человека и приводит к усугублению хронических заболеваний, связанных с сердечно-сосудистой системой. 

Кроме газовых загрязнений, при работе угольных котельных происходят выбросы твёрдых частиц, золы и сажи. На крупных ТЭЦ они устраняются с помощью очистного оборудования. Однако в малых теплоисточниках зачастую отсутствует очистка уходящих газов. Учёные ИСЭМ СО РАН изучили различные методы, с помощью которых можно сократить выбросы в котельных малой мощности. 

«Здесь основной способ улучшить ситуацию — переход к автоматизированным котлам. Все необходимые показатели котла отслеживает оператор, в случае чего корректирует. Это снижает расход топлива и, соответственно, уменьшает выбросы», — рассказывает старший научный сотрудник ИСЭМ СО РАН кандидат технических наук Александр Николаевич Козлов.

Сейчас большинство малых теплоисточников используют котлы с ручной загрузкой. Их КПД-брутто (отношение выделенной котлом тепловой мощности к тепловой мощности топлива, которое подается в котел) составляет всего 32—62 % при норме 76—80 %. Это ведет к перерасходу топлива и, соответственно, увеличению количества выбросов.

Переход на автоматизированные котлы стоит относительно дорого, однако позволяет экономить до 30 % за счёт автоматизации работы. Их применение сокращает выбросы в два-три раза. Это связано в том числе с тем, что в таких котлах используется только подготовленный уголь. 

Исследователи изучили эффект от сжигания угля в зависимости от его подготовки: сортированного, брикетированного и термоподготовленного и для сравнения несортированного. Экологический расчёт проводился по специальным формулам и методикам, которые позволяют определить количество выбросов твёрдых частиц, диоксидов серы, оксидов углерода и азота.

Несортированный уголь, который чаще всего используют в малых котельных, не проходит предварительную подготовку. Основное отличие этого вида от остальных — наличие мелкой фракции, так называемой мелочи. Из-за разной плотности уголь горит неравномерно, поэтому образуется больше отходов и снижается коэффициент полезного действия котла. В итоге приходится сжигать больше топлива для того, чтобы получить необходимое количество тепла. 

В сортированном угле мелкая фракция удаляется. «При этом сортировка не улучшает свойства угля. Снижается расход топлива и улучшается процесс горения: доступ кислорода одинаковый ко всем частицам и уголь горит равномерно, следовательно, снижаются выбросы», — объясняет Александр Козлов.

Брикетированный уголь состоит из углесодержащего сырья, которое измельчают до пыли, после сушат и прессуют. По количеству выбросов, которые образуются при сжигании, он близок к сортированному. 

Наиболее совершенный вид — термоподготовленный уголь, который предварительно нагревают без доступа воздуха. «С экологической точки зрения смысл в этом процессе подготовки в том, что в исходном угле устраняется содержание серы и значительно снижается количество азота. Соответственно, при сжигании такого топлива газовые выбросы диоксида серы не образуются, а оксидов азота — значительно снижаются», — рассказывает старший научный сотрудник ИСЭМ СО РАН кандидат экономических наук Елена Петровна Майсюк

Несмотря на то что полностью заменить котлы с ручной загрузкой на автоматизированные пока сложно, переход на подготовленное топливо также эффективен. Например, в Монголии несколько лет назад начали использовать брикетированный и термоподготовленный уголь вместо обычного (несортированного), и там наблюдается значительное снижение загрязнений в воздухе.

В будущем учёные планируют развивать экономическую составляющую исследования, просчитать, сколько стоят изменения каждого из факторов: переход к автоматизированным котлам, замена несортированного угля подготовленным. Переход на подготовленное топливо может улучшить ситуацию не только в малых котельных, но и на крупных электростанциях. Их особенность в том, что выбросы твёрдых частиц на ТЭЦ убираются с помощью очистного оборудования, однако газовые загрязнения всё еще присутствуют.

«Если оценивать экологическую ситуацию в Иркутской области, выбросы от крупных предприятий составляют около 700 тысяч тонн. В соседней Бурятии — 100 тысяч, в Забайкалье — 120 тысяч, в Якутии — около 300 тысяч, — говорит Елена Майсюк. — Из этих 700 тысяч в Иркутской области порядка 270 — диоксид серы, который можно устранить за счёт использования термоподготовленного угля»

.

Текст: Арина Бокова.
Источник: «Наука в Сибири».