Интенсивное развитие энергетики, промышленности и транспорта неизбежно вызывает рост потребления углеводородного топлива, что, в свою очередь, увеличивает количество продуктов его сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

По данным многолетнего мониторинга, количество выбрасываемых в атмосферу экологически вредных химических соединений, веществ и элементов продуктов сгорания топлива удваивается каждые 12-14 лет, в связи с чем проблема загрязнения атмосферы продуктами сгорания топлива относится к одной из глобальных проблем современности.



Кто загрязняет атмосферу?

Загрязнение атмосферы возникает из-за несовершенства конструкции оборудования, систем двигателей и установок, нарушений правил эксплуатации, низкой технической культуры и экологической безграмотности обслуживающего персонала, а иногда и в результате аварий или чрезвычайных ситуаций.

Токсичность выбрасываемых в окружающую воздушную среду дымовых уходящих, отработавших и выхлопных газов зависит, главным образом, от качества, сорта и вида сжигаемого углеводородного топлива, условий организации процесса его сгорания, технического состояния тепловых двигателей и топливосжигающих установок.

Например, применение низкосортных топлив, с одной стороны, способствует уменьшению текущих эксплуатационных затрат на приобретение топлива, а с другой – повышает количество выбрасываемых в атмосферу экологически опасных загрязнителей.

Интенсивность загрязнения атмосферы вредными газами определяется концентрацией и численностью источников загрязнения на единице площади; типом, мощностью и режимом использования топливосжигающих установок и тепловых двигателей; конструкцией и состоянием их топливных систем, состоянием и уровнем эксплуатации технических средств; наличием систем и устройств, качественно и количественно снижающих вредные выбросы в атмосферу, и другими факторами.



Антропогенный феномен

Известно, что наряду с природными (естественными) источниками загрязнения воздушного бассейна существуют антропогенные (искусственные). Антропогенными источниками загрязнения атмосферы дымовыми газами – продуктами сгорания являются практически все тепловые двигатели и установки, сжигающие углеводородное топливо. Условно искусственные источники загрязнения принято классифицировать по:
- степени подвижности (стационарные и передвижные);
- интенсивности выбросов (мощный, средний, слабый);
- масштабам выбросов (большой, средний, малый);
- степени концентрации на площади (точечный, плоскостной, объемный);
- времени вредного воздействия (кратковременный, систематический, постоянный);
- агрегатному состоянию выбросов (газообразные, жидкие, твердые).

Исследования дымовых уходящих газов топливосжигающих установок показывают, что в их составе основными загрязнителями атмосферного воздуха являются оксиды углерода (до 50%), оксиды серы (до 20 процентов), оксиды азота (до 6-8%), углеводороды (до 5-20%), сажа, оксиды и производные минеральных включений и примесей углеводородного топлива.

В свою очередь, выхлопные и отработавшие газы тепловых двигателей выбрасывают в воздушный бассейн более 70 процентов оксидов углерода и углеводородов (бензолы, формальдегиды, бенз(а)пирен), около 55 процентов оксидов азота, до 5,5 процента воды, а также сажу (тяжелые металлы), гарь, копоть и т.д.

Вместе с уходящими, выхлопными и отработавшими газами в атмосферу сбрасывается в виде горячих газов и нагретой воды около 60-80 процентов всей полученной при сжигании углеводородного топлива теплоты, что приводит и к тепловому загрязнению атмосферы.

Дымовые газы установок и двигателей содержат десятки тысяч химических веществ, соединений и элементов, более двухсот из которых являются высокотоксичными и ядовитыми.

Наибольший экологический ущерб атмосфере и окружающей природной среде в целом наносят такие вещества, как оксиды азота и углерода, альдегиды, формальдегиды, бенз(а) пирен и другие ароматические соединения, которые относятся к отравляющим веществам.

Кроме того, при работе любой установки и двигателя выбрасывается около 1,0-2,0 процента потребляемого топлива, которое оседает на поверхностях (земли, воды, деревьев и т.п.) в виде несгоревших углеводородов, сажи, пыли и золы.

Дымовые газы имеют неприятный запах и оказывают вредное, а порой смертельное воздействие на организм человека, флору и фауну. Газовое и тепловое загрязнение воздушного бассейна способствует образованию кислотных дождей, задымлению атмосферы, изменяет характер облачности, что приводит к усилению парникового эффекта.

Газы энергетических установок загрязняют воздух и территорию (акваторию) в районах их расположения. Значительные выбросы вредных компонентов в атмосферу происходят при запуске, прогреве и смене режимов работы установок и двигателей.

Наибольшую опасность для человека и живых организмов представляют компоненты, вызывающие раковые заболевания, это канцерогенные вещества, представленные в дымовых и выхлопных газах полициклическими ароматическими углеводородами (СХНY).

К числу обладающих большей канцерогенной активностью, в первую очередь, следует отнести 3,4 бенз(а)пирен (С₂0Н₁₂), который образуется при нарушении организации процесса горения. Наибольший выход канцерогенных веществ, в частности 3,4 бенз(а)пирена, наблюдается на нестационарных и переходных режимах.

Результаты экспертных оценок показывают, что основными источниками загрязнения воздушного бассейна являются автомобильный, воздушный, морской, речной и железнодорожный транспорт (на него приходится в среднем более 50 процентов вредных газовых выбросов); энергетические и промышленные объекты (выбрасывают в атмосферу в среднем около 40 процентов загрязнителей) и другие источники (до 10 процентов выбросов).

Учитывая постоянное увеличение суммарного количества транспортных средств, объектов энергетики и промышленности, их негативное влияние на экологическое состояние городов и промышленных регионов в целом становится все более ощутимым и неуклонно возрастает.

По количеству вредных выбросов в атмосферу сегодня лидируют экономически развитые и интенсивно развивающиеся страны, такие, как Соединенные Штаты Америки, государства Западной и Северо-Западной Европы, Китай и Индия, на долю которых приходится до 85-90 процентов мировых суммарных выбросов, загрязняющих атмосферу Земли.



О парниковом эффекте

Парниковый (или оранжерейный) эффект атмосферы – это свойство атмосферы пропускать солнечную радиацию, задерживая при этом земное излучение, и тем самым способствовать аккумуляции и сохранению тепла на Земле. Земная атмосфера сравнительно хорошо пропускает коротковолновую, солнечную радиацию, которая почти полностью поглощается земной поверхностью, так как ее характеристика отражательных свойств (альбедо), в общем, мала. Нагреваясь за счет поглощения солнечной радиации, земная поверхность сама становится источником земного, в основном длинноволнового, излучения, прозрачность атмосферы для которого мала и которое почти полностью поглощается в атмосфере.

Благодаря парниковому эффекту при ясном небе только 10-20 процентов земного излучения может, проникая сквозь атмосферу, уходить в космическое пространство, в связи с чем Земля остается теплой и пригодной для жизни благодаря атмосфере, выполняющей функцию тепловой изоляции от «холодного» космического пространства.

Явление парникового эффекта для Земли вполне естественно. В процессе человеческой деятельности и прежде всего при сжигании ископаемого топлива возникают загрязнители атмосферы антропогенного происхождения.

Эти загрязнители содержат около 90 процентов газообразных (оксиды и диоксиды углерода, серы, азота; углеводороды, производные серы и т.д.) и около 10 процентов твердых (пыль, тяжелые металлы, минеральные органические соединения) веществ.

Доля жидких загрязнителей, например кислот, ничтожна мала. Газообразные загрязнители атмосферы принято называть парниковыми газами, поскольку их наличие в атмосфере усиливает ее способность удерживать тепло, что приводит к повышению температуры на поверхности Земли.



Откуда появляются вредные вещества

Атмосферный воздух, так необходимый для организации цепной реакции окисления (процесса горения) углеводородного топлива, поставляет в зону горения азот (около 78 процентов), кислород (около 21 процента) и 15 других химических веществ, соединений и элементов (до 1 процента).

Следует отметить, что для сжигания одного килограмма углеводородного топлива в зону горения подается от 12-14 (для газообразного топлива) до 25 и более (для твердого топлива) килограммов атмосферного воздуха.

Между тем в реакциях окисления участвует только кислород воздуха, а все другие компоненты выбрасываются в воздушный бассейн в виде экологически опасных загрязнителей, преобладающими из которых являются оксиды и диоксиды азота, называемые «воздушными». В объеме горения весь воздух нагревается до температуры сгорания, часть его окисляет компоненты топлива, а избыток в виде горячих газов выбрасывается в атмосферу, являясь причиной теплового загрязнения и повышенного выхода вредных «воздушных» компонентов в составе дымовых газов.

Углеводородное топливо, в свою очередь, поставляет в зону горения все химические вещества, соединения и элементы, содержащиеся в его составе. Элементарный состав горючей части углеводородного топлива в основном одинаков, однако структура топлива различна, а его химический состав включает примеси, характерные для мест добычи (геологические особенности местности) и технологии получения данного вида топлива. Так, газообразное топливо поставляет в зону горения углерод и азотсодержащие соединения.

Жидкое топливо, в зависимости от вида и качества, дополнительно вносит в зону горения серу и элементы, содержащиеся в механических примесях (ванадий, железо, кальций, натрий и др.) и в присадках (магний, марганец, свинец и др.).

И, наконец, твердое топливо (например, уголь) наряду с вышеуказанными элементами добавляет в зону горения примеси, которые могут включать алюминий, титан, барий, фосфор, мышьяк, сурьму, кадмий, ртуть, селен, олово, никель и другие элементы. Химические элементы, поставляемые в зону горения топливом, принято называть «топливными».

Топливные элементы преобразуются в химические производные уже при температурах 600-700 °С на начальном этапе горения.

Кроме того, для нагрева воздуха, не участвующего в процессах горения, дополнительно затрачивается углеводородное топливо, что приводит к увеличению выхода опасных «топливных» составляющих в выбрасываемых в атмосферу продуктах сгорания.

Очевидно, что все находящиеся в топливе вещества, соединения, элементы, поступившие в зону горения в составе воздуха и топлива, пройдя определенные превращения в условиях высоких температур, не исчезают бесследно.

Большая (до 98 процентов) их часть оседает на поверхностях нагрева, а меньшая (около 2 процентов), – проходя транзитом зону горения, выбрасывается в воздушный бассейн в составе дымовых газов.

Трехатомные газообразные соединения, содержащиеся в продуктах сгорания, принято относить к парниковым газам, поскольку в условиях высоких температур они имеют длинноволновое излучение.



Механизмы опасности

Механизм образования экологически опасных загрязнителей атмосферы – продуктов сгорания углеводородного топлива, включающий механизмы одновременно протекающих физико-химических, кинетических, теплодинамических, теплообменных и других процессов, весьма сложный и недостаточно изучен. Однако на сегодняшний день установлено, что экологически опасные загрязнители атмосферного воздуха, содержащиеся в продуктах сгорания углеводородного топлива, образуются по трем основным механизмам: температурному, кислородному, комбинированному.

Температурный механизм образования вредных выбросов основывается на разности локальных температур сгорания топлива по объему горения, составляющей до 800-1000 °С. Так, в ядре факела наблюдается максимальная температура горения, а в его периферийных зонах – минимальные температуры. Значительная разность местных температур сгорания топлива по объему горения вызвана многочисленными причинами, основными из которых являются:

1. Неравномерность концентраций топлива и окислителя по объему топки (камеры сгорания).

2. Наличие в зоне горения топливных капель (частиц) разного размера.

3. Несоизмеримость факела и объема горения.

4. Постоянное охлаждение периферийных зон факела подаваемым на горение атмосферным воздухом.

5. Различная структура и теплота сгорания участвующих в горении топливных углеводородов.

6. Разная скорость протекания физико-химических, теплодинамических, кинетических, теплообменных процессов и реакций в локальных зонах объема горения.

7. Переменные свойства сжигаемого топлива (структура, состав, качественные и количественные показатели углеводородов).

Кроме того, чем больше разность температур в объеме горения, тем выше и быстрее уходящие, выхлопные и отработавшие газы (продукты сгорания топлива) поднимаются вверх, вызывая кислотные дожди и создавая условия усиления парникового эффекта в атмосфере.

По температурному механизму образуются в основном оксиды азота, азотсодержащие соединения и азот.

Сущность кислородного механизма образования газовых загрязнителей заключается в отсутствии, недостатке, избытке окислителя (кислорода воздуха) и его неравномерном смешении с топливом в локальных зонах горения. Действительно, максимальное количество воздуха подается в корневую часть факела, а в периферийных зонах объема горения воздух (окислитель) практически отсутствует. В результате чего в начальной зоне объема горения интенсивно проходят окислительно-восстановительные реакции, а в периферийных зонах – при недостатке или отсутствии окислителя идет термическая деструкция (разложение, распад) органических соединений под действием высоких температур, так называемый пиролиз. Кроме того, недостаток или отсутствие окислителя вызывает химический и механический недожоги топлива. Крайне неравномерное распределение воздуха по объему горения приводит к плохому смешению топлива и воздуха, к химическому недожогу, к уменьшению суммарной площади контакта горючего и окислителя, к изменению условий протекания локальных физико-химических, теплодинамических, кинетических, теплообменных процессов и реакций. Сжигание топлива при избытке окислителя способствует образованию продуктов полного сгорания, в то время как при малых количествах воздуха – к выбросу продуктов неполного сгорания, а при отсутствии кислорода – к выходу продуктов пиролиза.

Следует отметить, что в реакциях окисления и восстановления участвует только атомарный кислород (О^-2), воздух же поставляет в зону горения исключительно молекулярный кислород (О₂). Часть молекулярного кислорода разлагается и участвует в реакциях, а остальной молекулярный кислород проходит объем горения транзитом, и в газовом тракте вступает в реакцию с химически активными элементами дымовых газов. Так, при сжигании жидкого топлива в уходящих котельных газах котлов доля молекулярного кислорода составляет до 10-12 процентов, а в выхлопных газах тепловых двигателей – до 19-21 процента.

По кислородному механизму образуются полициклические ароматические углеводороды (С_xН_y), оксиды серы (SO₂, SO₃), оксиды примесей топлива, сероводород (H₂S), свободная сера (S₂), свободные радикалы серы (SO, S, SH), сажа (С) и копоть.

Комбинированный механизм образования опасных выбросов является сочетанием температурного и кислородного механизмов.

Как правило, в реальных условиях ни один из вышеуказанных механизмов образования вредных загрязнителей атмосферного воздуха в чистом виде не наблюдается. Рассмотренные механизмы реализуются одновременно с преобладанием того или иного механизма в разных местных зонах объема горения. Сегодня при использовании существующих технологий подготовки воздуха и топлива к сжиганию оптимизация процесса горения достигла своего предела, что, в свою очередь, делает невозможным изменение механизмов образования опасных выбросов, а следовательно, дальнейшее снижение загрязнения воздушного бассейна.

Каждый механизм образования опасных выбросов характеризуется наличием ряда движущих сил, называемых факторами, которые и определяют качественный и количественный состав загрязнителей воздушного бассейна. К таким факторам необходимо отнести:
- расход, структуру и химический состав топлива;
- количественный и качественный состав горючих компонентов топлива;
- качество распыла топлива;
- физико-химические показатели качества топлива;
- наличие примесей и присадок в топливе;
- количество и химический состав (относительно постоянен) подаваемого на горение воздуха;
- суммарную площадь взаимодействия (контакта) окислителя и горючего;
- качество смешения и количественное соотношение топлива и воздуха;
- температуру и степень неравномерности ее распределения по объему горения (grad t°);
- соизмеримость объема горения с объемом камеры сгорания (топки) и другие.



Снижение газового и теплового загрязнения

На начало ХХI века для снижения вредного воздействия уходящих и выхлопных газов на окружающую воздушную среду разработаны и используются следующие мероприятия:

1) установка фильтров и катализаторов на дымовых и выхлопных трубах;

2)применение горелок со сниженными оксидами азота (NO_x);

3) двухстадийное сжигание топлива;

4) рециркуляция дымовых (выхлопных, отработавших, уходящих) газов;

5) ввод в зону горения воды или водяного пара;

6) ввод присадок в топливо или в зону горения;

7) химические методы очистки уходящих газов.

К сожалению, используемые сегодня указанные мероприятия воздействуют в основном на следствие, не устраняя причины возникновения загрязнителей. Справедливости ради следует отметить, что в последнее время реализованы мероприятия, устраняющие и часть причин образования вредных газов. Например, сжигание более экологически чистых видов углеводородного топлива (биологического топлива, водо-топливных аэрозолей, эмульсий и суспензий, жидко-топливных и предварительно очищенных пылеугольных смесей). Однако, по мнению авторов, этих мероприятий явно недостаточно, поскольку на сегодняшний день используемые топливные системы, реализующие технологический цикл подготовки этих топлив к сжиганию, физически и морально устарели и достигли своего функционального и конструктивного предела.



Перспективы

Одним из перспективных направлений по снижению газового и теплового загрязнения воздушного бассейна, по мнению авторов, является устранение причин возникновения вредных выбросов путем активного воздействия на процессы их образования. Или, говоря другими словами, качественное и количественное изменение механизмов формирования опасных загрязнителей воздушного бассейна. Как было указано выше, источниками вредных выбросов являются производные химических веществ, соединений и элементов, содержащихся как в атмосферном воздухе, так и в ископаемом топливе. В связи с этим качественное и количественное снижение опасных элементов, веществ и соединений в дымовых газах может быть достигнуто, во-первых, путем уменьшения количества вредных составляющих в исходных топливе и воздухе, участвующих в процессе горения. Во-вторых, организацией процесса сгорания топлива, при котором разности локальных температур сгорания топлива по объему горения были бы минимальными, а температура в локальных зонах объема горения была бы выравнена (grad t° ≈ const). В-третьих, изменением формы и размеров объема горения. И, в-четвертых, подачей в зону горения минимально возможного количества воздуха из атмосферы с температурой подогрева, при которой количество кислорода в его составе наибольшее.

В реальных условиях изменение механизмов формирования опасных загрязнителей воздушного бассейна в зоне горения может быть достигнуто реализацией следующих мероприятий:

1. Совершенствование технологического цикла топливоподготовки и внедрение в него новых технологических процессов обработки топлива, таких, как струйно-кавитационная и роторно-пульсационная обработка, струйно-кавитационное смешение и т.д.

2. Замещение части топлива, подаваемого в зону горения, морской или пресной водой, перекисями, серпентином, силамином или другими присадками, которые в условиях высоких температур выделяют атомарный кислород (О^-2), атомарный водород (Н⁺), гидроксильную группу (ОН^-) и другие атомы, ионы или радикалы, являющиеся активными центрами, ускоряющими цепную реакцию горения.

3. Аэрация (т. е. насыщение кислородом) топлива непосредственно перед его подачей в зону горения.

Обязательным и необходимым условием выполнения предложенных мероприятий является сокращение количества атмосферного воздуха
(т. е. молекулярного кислорода), подаваемого в зону горения.

4. Применение горелок с рассеянным микрофакельным горением.



Результаты мероприятий

Отдельные указанные мероприятия после апробации в течение нескольких лет были внедрены авторами на транспортные средства, промышленные и энергетические объекты.

Так, использование технологического процесса струйно-кавитационной обработки в цикле топливоподготовки на ТЭЦ-5 ОАО «Ленэнерго» (Санкт-Петербург) и котельной № 6 филиала ПЭГУП «Псковоблэнерго» (Пыталово, Псковская область) позволило снизить количество выбрасываемых в атмосферу вредных соединений почти в два раза и при этом устранить причины появления канцерогенных веществ.

Замещение жидкого топлива, сжигаемого в судовых энергетических установках кораблей «Москва», «Ленинград» и «Очаков» (Севастополь, Украина), морской водой (до 10-11 процентов) значительно сократило концентрацию вредных соединений в продуктах его сгорания, а именно СО₂ на ~50 процентов, СО на ~40 процентов, SO₂ на ~30 процентов, СН₄, Н₂ – в 10-12 раз и устранило выброс бенз(а)пирена, снизило температуру выбрасываемы в атмосферу газов на ~20 процентов и уменьшило расход воздуха на горение на ~25 процентов.

Замещение тяжелого жидкого топлива, сжигаемого в промышленной энергетической установке ППО «Стройдеталь» (Санкт-Петербург), пресной водой (до 12-13 процентов) уменьшило концентрацию вредных выбросов в продуктах его сгорания: СО₂ на ~19 процентов, СО на ~30 процентов, С_xН_y на ~40 процентов, NО_x на ~27 процентов, сократило температуру выбрасываемых в атмосферу газов на ~20 процентов и снизило расход воздуха на горение на ~20 процентов.

Промышленные испытания горелок с рассеянным микро- факельным горением показали, что газообразное топливо полностью сгорает при избытке воздуха ~1 процента. Сжигание газообразного топлива с минимально возможным количеством воздуха привело к снижению оксидов азота NО_x на ~32 процента, СО₂ на ~30 процентов, СО на ~50 процентов, полному отсутствию канцерогенных веществ (С_xН_y) и сажи (С), выход кислорода (О₂) составил около 11 процентов. В настоящее время горелки с рассеянным микрофакельным горением сертифицируются и в ближайшее время поступят на рынок.