Энергетика и промышленность России - избранные материалы.

Осторожно - смог!

Развитие промышленности, энергетики, транспорта пока еще невозможно без использования углеводородного топлива.

Постоянное увеличение объемов его сжигания ведет к повышению количества вредных выбросов в атмосферу. Интенсивное загрязнение воздушного бассейна промышленных центров стало, в свою очередь, причиной появления антропогенного смога, который с середины ХХ века превратился в одну из актуальных проблем современного общества.

Дым в тумане

Термин "смог" имеет английское происхождение и в переводе на русский язык означает "дым" или "туман", - хотя, если говорить точнее, то под этим термином следует понимать дым в тумане.

В химии под смогом понимается система, состоящая из дисперсной (раздробленной) среды и находящейся в ней дисперсной фазы. Дисперсная среда в смоге представлена атмосферным воздухом, а фаза - мелкими газо-образными, жидкими и твердыми частицами разных размеров и формы. По своему физическому состоянию он представляет собой аэрозоль.

По происхождению смог может быть природным (или естественным) и антропогенным (или искусственным).

Смог антропогенного происхождения является результатом загрязнения окружающей среды, то есть привнесения в атмосферу химических элементов, соединений и веществ, составляющих исходное углеводородное топливо.

Экологическая опасность смога обусловлена значительным снижением концентрации кислорода в воздухе, ухудшением характеристик воздушного слоя у поверхности Земли, изоляцией поверхности Земли смоговыми слоями от кислорода остальной атмосферы, возникновением новой схемы движения воздушных потоков и наконец - изменением массо-, тепло- и газообмена. В зависимости от активности кислорода в локальных областях смога образуется слабокислотная, кислотная или сильнокислотная среда.

Смог снижает видимость, усиливает коррозию металлов и эрозию строений и сооружений, оказывает негативное воздействие на человека, флору и фауну. Интенсивный и длительный смог может явиться причиной повышения заболеваемости и смертности.



Источник кислот

Основными источниками образования городского смога являются двигатели автотранспорта, выхлопные газы которых содержат более 200 токсичных химических элементов, соединений и веществ, способных поражать городскую территорию на расстоянии более 500 метров от места выбросов. Доля выхлопных газов в суммарном объеме выбросов составляет около 80-85 процентов, а среднее количество всех загрязнителей, формирующих смог, оценивается, например, в Москве до 2 миллионов тонн в год, а в Санкт-Петербурге - до 1,5 миллиона тонн в год. Кроме того, ощутимый вклад в образование смога вносят городские энергетические объекты и предприятия различного назначения, добавляя в атмосферу до 15-20 процентов вредных газообразных, жидких и твердых химических соединений и веществ.

Продукты сгорания углеводородного топлива (сажа, пыль, сероводород, хлороводород, оксиды и диоксиды азота, серы, углерода и т. д.) выбрасываются в атмосферу, где, взаимодействуя с компонентами атмосферного воздуха, влагой или частицами снега, образуют азотную, азотистую, серную, сернистую, угольную, фосфорную и другие кислоты. Химические элементы, соединения и вещества, находящиеся в составе дымовых и выхлопных газов, смешиваясь с атмосферным воздухом, образуют смог.

Обычно смог "зависает" на высоте от 0,5 до 50-70 метров над местом выброса газов при устойчивом распределении температуры атмосферного воздуха. Особенно быстро он формируется в результате интенсивного излучения тепла с земной поверхности при слабом ветре или штиле.

Плотная городская застройка, высотные здания, узкие и длинные городские магистрали не позволяют вредным выбросам равномерно рассеиваться и свободно перемещаться в атмосфере, поэтому многие загрязнители задерживаются в ограниченном городском объеме, а часть из них оседает на строения и землю. Образованию смога способствуют перепады давления и температуры окружающей среды, формирующие микроклимат в отдельных районах города. Городской смог, как правило, имеет антропогенное происхождение.



Как с этим бороться

Существует два основных направления борьбы с антропогенным смогом. Первое - снижение до минимального уровня негативных последствий воздействия смога. Второе - устранение причин и факторов, вызывающих его формирование.

К сожалению, во всех странах мира сегодня реализуются в основном природоохранные мероприятия первого направления:
- создание свободных от автотранспорта городских зон, например "зон низких выбросов" (Лондон) и пешеходных улиц (Санкт-Петербург и Москва);
- вывод промышленных предприятий и энергетических объектов за городскую черту (Санкт-Петербург);
- перераспределение транспортных потоков по городским магистралям и создание окружных кольцевых автодорог (Санкт-Петербург и Москва);
- ужесточение городского природоохранного законодательства (Япония);
- повышение штрафов за загрязнение природной среды;
- ограничение количества и регламентация времени работы автотранспорта (Мехико);
- введение платного проезда через центральные районы города (Москва, Лондон);
- использование более экологичных видов топлива и запрещение топлив с вредными присадками (Россия);
- установка каталитических конвертеров или катализаторов, фильтрующих и пылеулавливающих устройств на выхлопные и дымовые трубы и т. д.

Очевидно, что большинство перечисленных мероприятий являются организацинно-административными. Они быстро реализуются, однако анализ их результатов позволяет констатировать, что существенного оздоровления воздушной среды не происходит и проблема остается нерешенной.

Низкая эффективность органи­зационно-административ­ных мер обусловлена, в первую очередь, их локальным характером. Кроме того, постоянное увеличение источников загрязнения сводит к минимуму экологический эффект. Наконец, эти мероприятия не способны воздействовать на причины формирования смога и не меняют механизма его образования. Исключение составляют мероприятия по созданию новых видов топлив и совершенствованию топливосжигающих установок.



Так ли безопасно "чистое" топливо?

В настоящее время практически во всех странах мира проводится работа по созданию новых видов углеводородного топлива. При этом принято считать, что экологическая чистота топлива характеризуется более легким фракционным составом и минимальным содержанием в нем вредных включений. С этой точки зрения к наиболее экологически чистому горючему ошибочно причисляют газообразное углеводородное топливо. Однако мы забываем, что в результате сгорания газового топлива наряду с водяными парами и оксидами углерода (16-17 процентов) образуется до 83-84 процентов оксидов азота - опасных и высокотоксичных загрязнителей окружающей среды, приводящих к появлению сильнокислого азотистого смога и кислотных дождей.

В последнее время широкое применение для двигателей автотранспорта получило жидкое топливо марки "евро". Принципиальным его отличием от других видов горючего является высокая степень очистки, главным образом - от серы и серосодержащих соединений. Однако следует отметить, что продукты сгорания жидких углеводородов с максимально возможной степенью очистки в конечном итоге будут аналогичны продуктам сгорания газообразного топлива - а значит, в полной мере говорить об экологической чистоте нельзя. К тому же использование топлив марки "евро" не может устранить многих причин и факторов загрязнения воздушного бассейна, образования смога и кислотных дождей, поскольку даже сжигание самого высококачественного топлива еще не гарантирует полного отсутствия в продуктах его сгорания экологически опасных компонентов.

Экологическую чистоту топливосжигающих установок невозможно обеспечить исключительно за счет применения в них высококачественного топлива. Необходимо совершенствовать конструкцию самих установок и - в первую очередь - их топливных систем.



Все дело в методе

Известно, что в основу функционирования традиционных топливных систем положен принцип регулирования нагрузки (мощности) изменением расхода топлива. Это означает, что повышение мощности топливосжигающей установки происходит исключительно за счет увеличения расхода топлива. Расход же воздуха является лишь производной (вторичной) величиной от расхода топлива, в связи с чем на режимах запуска, прогрева, холостого хода и увеличения мощности для организации качественного процесса горения постоянно не хватает воздуха - поэтому приготавливаемая топливно-воздушная смесь всегда является обогащенной.

Указанные режимы работы установок являются наиболее экологически опасными, поскольку в результате сжигания обогащенной смеси топливо сгорает не полностью и, как следствие, происходит интенсивное загрязнение атмосферы. Именно применение традиционных топливных систем, реализующих принцип регулирования мощности (нагрузки) изменением расхода топлива, является значимым фактором образования и формирования антропогенного смога. Проще говоря, загрязнение воздушного бассейна городов вредными выбросами вызвано использованием несовершенных топливных систем двигателей и котлов.

Действительно, применяемые сегодня топливные системы давно морально устарели. Доказательством этому является появление, даже при сжигании экологически чистых видов топлива, дыма на срезе выхлопной или дымовой трубы - что свидетельствует о загрязнении атмосферы.

Очевидно, что при дальнейшем совершенствовании традиционных топливных систем улучшения качества топливоподготовки и процесса сжигания углеводородного топлива не произойдет, а, значит, будет продолжаться и образование смога.

Главной задачей совершенствования топливных систем, по мнению авторов, является интенсификация и активизация процесса сжигания углеводородного топлива в топливосжигающих установках с целью минимизации количества и изменения качественного состава продуктов сгорания - вредных выбросов в атмосферу. Для достижения указанной цели необходимо внедрение на двигатели и котлы новых топливных систем с принципом регулирования мощности изменением расхода воздуха. По сравнению с мероприятиями, реализуемыми сегодня, это наиболее дешевый и быстрый способ оздоровления атмосферы.



Антропогенный смог можно устранить

По убеждению авторов, антропогенный смог можно устранить на основе нового комплексного научно обоснованного подхода. В основу концепции борьбы со смогом должны быть положены мероприятия, устраняющие причины и факторы формирования этого опасного явления.

Для снижения качественного и количественного загрязнения атмосферы автомобильным транспортом авторами разработана и внедрена новая технология подготовки бензина и дизельного топлива к сжиганию. Она реализована в конструкции, которая для карбюраторных двигателей получила название "Система питания карбюраторного двигателя" (патент РФ № 2136940), а для дизельных двигателей - "Топливная система двигателя внутреннего сгорания" (патент РФ № 2128295).

"Система питания карбюраторного двигателя" и "Топливная система двигателя внутреннего сгорания" являются ресурсосберегающими технологиями природоохранного назначения и обеспечивают повышение экономичности, надежности и маневренности карбюраторных и дизельных двигателей, а также снижение газового загрязнения и уменьшение теплового излучения автомобиля.

Системы прошли лабораторные испытания и показали свою работоспособность в соответствии со своим назначением на карбюраторном двигателе ВАЗ 2105 и дизельном двигателе типа К-169 соответственно.



Отстой? Можно сжечь!

Сущность технологий заключается в струйно-кавитационной обработке автомобильного топлива, осуществляемой на молекулярном уровне непосредственно перед его сжиганием. При необходимости к обрабатываемому топливу можно подмешивать от 5 до 7 процентов жидких топливных присадок или пресной воды. Результатом является получение обработанного топлива, топливной смеси (ТС) или высококачественной водотопливной эмульсии (ВТЭ).

Обработанное топливо и ТС имеют меньшую плотность и вязкость, а вода в ВТЭ распределена равномерно по всему топливному объему в виде микроскопических капель (3-5 мкм).

Наряду с автомобильным топливом (бензином или дизельным) компонентами ТС и ВТЭ могут быть отработанные автомобильные масла, соответствующие ГОСТу 21046-86, чистая или загрязненная пресная вода. Наибольший эффект при использовании предлагаемой технологии достигается для обработки дизельного топлива (как обычного, так и ухудшенного качества, в том числе некондиционного и обводненного).

Обработанное топливо, ТС и ВТЭ сгорают в объеме камеры сгорания карбюраторного или дизельного двигателя без химического и физического недожогов, со значительно сниженными коэффициентами избытка воздуха и с большей эффективностью, при этом отсутствуют золо- и нагароотложения на внутренних поверхностях цилиндровых втулок, головок, поршней, поршневых колец и в выхлопном тракте ДВС (глушителе). Вода, равномерно распределенная по объему топлива, активно участвует во всех процессах, происходящих в зоне горения, и позволяет не только исключить в продуктах сгорания бензапирен, в 15-20 раз снизить количество сажи (копоти, гари) и сократить выбросы CO и NO_x, но и на 25 процентов снизить температуру выхлопных газов.

За счет использования системы обработки автомобильного топлива можно:
- экономить бензин (до 4 процентов) и дизельное топливо (до 5 процентов), что при постоянном удорожании автомобильного топлива немаловажно;
- расширить диапазон нефтяных топлив, используемых в автомобильных двигателях;
- эффективно сжигать в двигателе автомобиля обводненное топливо и отстой воды в баке;
- повысить экологическую чистоту автотранспортного средства в целом.

Предлагаемая конструкция является приставкой к штатной топливоподающей системе двигателя и выполняется по прямоточной схеме. В состав системы входят: диспергирующее устройство, входной (напорный), выходной (обработанного топлива, готовой ТС или ВТЭ) и всасывающий трубопроводы, запорные органы, манометр (при необходимости) и емкость утилизируемых жидкостей. Основным элементом системы обработки топлива является самовсасывающее диспергирующее устройство струйно-кавитационного типа.

Внедрение системы обработки топлива перспективно не только для городского автотранспорта, но и для сельскохозяйственной и строительной техники, водного и железнодорожного транспорта.

Широкое внедрение новшества позволит не только значительно оздоровить экологическую обстановку населенных пунктов и сэкономить большое количество дорогостоящего топлива, но и снизить вероятность образования смога над городом.



Защита для энергокомплексов

Для энергетических комплексов, работающих на любом виде углеводородного топлива, авторами разработана дымовая труба эжекторного типа, представляющая собой газоструйный аппарат с всасывающим, рабочим и выходным патрубками. Рабочей средой его является атмосферный воздух, подаваемый воздушным вентилятором, а всасываемой средой - дымовые или выхлопные уходящие газы, то есть продукты, образующиеся при сгорании углеводородного топлива. В рабочей камере эжекторной трубы происходит смешение и разбавление дымовых уходящих газов воздухом. В конечном итоге на срезе трубы уменьшается не только температура дымовых уходящих газов, но и концентрация экологически вредных веществ, входящих в их состав. Использование указанной трубы обеспечивает повышение экономичности, надежности, маневренности и экологической чистоты энергетического комплекса в целом.

Технология, реализованная в дымовой трубе эжекторного типа, основана на принудительной вытяжке самовсасыванием продуктов сгорания из топки или камеры сгорания за счет эффекта разрежения, возникающего в рабочей камере при прокачке ее проточной части атмосферным воздухом под давлением, создаваемым вентилятором или компрессором.

Применение дымовой трубы эжекторного типа, наряду с улучшением организации процесса сгорания топлива, позволяет:
- уменьшить в несколько раз концентрацию экологически опасных химических веществ, выбрасываемых в атмосферу в составе дымовых газов;
- снизить на 30 °С и более температуру уходящих из котла газов;
- существенно уменьшить массу, высоту и материалоемкость дымовой трубы;
- применять воздушный вентилятор вместо вентилятора дымовых газов (дымососа);
- устранить контакт корро­зионно-агрессивных дымовых котельных газов с элементами вентилятора;
- снизить расходы на техническое обслуживание энергетической установки;
- повысить КПД котла за счет создания более глубокого разрежения в топке;
- уменьшить стоимость строительства и ремонта энергокомплексов (в том числе и за счет изготовления отдельных частей дымовой трубы из более дешевых материалов - полимеров или пластмасс;
- снизить эксплуатационные расходы энергокомплексов и т. д.

Такая дымовая труба эжекторного типа вот уже более десяти лет помогает снизить вредные выбросы в атмосферу при работе малых сталеплавильных печей на Украине.



Главное звено

Системообразующим элементом новой топливной системы является воздушно-топливный насос с всасывающим, рабочим и выходным патрубками. Рабочая среда насоса - атмосферный воздух, а всасываемая - газообразное или жидкое топливо.

Работа воздушно-топливного насоса основана на самовсасывании топлива за счет возникновения эффекта разрежения в смесительной камере при ее прокачке рабочей средой под давлением, а также на дроблении топливных капель и их равномерном распределении по всему объему воздушного потока.

Насос готовит высококачественную воздушно-топливную смесь с оптимальным соотношением компонентов и непрерывно подает ее в виде мелкодисперсной струи через выходной патрубок в зону горения. Регулирование мощности двигателя или котла происходит за счет изменения расхода и давления воздуха на воздушно-топливный насос.

В реальных условиях эксплуатации использование новых топливных систем качественно и количественно снижает вредные выбросы двигателей и котлов за счет:
- регулирования мощности изменением расхода воздуха;
- оптимального соотношения компонентов в горючей смеси;
- сжигания углеводородного топлива в составе воздушно-топливной смеси;
- придания молекулам топлива однородной структуры при его струйно-кавитационной обработке;
- диспергирования (дробления, разрушения) топливных капель до 5-10 мкм и их равномерного распределения по всему объему воздушного потока;
- отсутствия перерасходов топлива и воздуха;
- уменьшения температуры и концентрации продуктов сгорания на срезе выхлопной или дымовой трубы.

Новые системы позволяют повысить экологическую чистоту двигателей и котлов за счет активизации и интенсификации процесса сгорания углеводородного топлива. Они просты по конструкции, так как исключают из своего состава традиционные форсунки и насосы, более надежны в эксплуатации, поскольку влагосодержание топлива до 7 процентов не оказывает влияния на их работу, и значительно снижают взрывопожароопасность двигателей и котлов.

К. т. н. Евгений ДУБРОВИН, к. т. н. Игорь ДУБРОВИН