Ученые смоделировали процесс сжигания угля в котлах теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и выяснили, уголь какого типа при сгорании дает меньше вредных выбросов. В результате удалось подобрать режим работы, при котором количество выбросов уменьшается в два раза. Свое исследование сотрудники Сибирского федерального университета и их коллеги из Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирского государственного университета и Делфтского технического университета (Нидерланды) представили в журнале Fuel.

На ТЭЦ, обеспечивающих электроэнергией многие города мира, производство тепла и электроэнергии начинается с того, что в топочной камере сжигается уголь. Тепло, которое выделяется при этом, нагревает пародымовую смесь, та, в свою очередь, двигает турбину — так вырабатывается электричество, а сопутствующее тепло используется для нагревания. Однако при сжигании угля на ТЭЦ в атмосферу выделяются вредные вещества — оксиды азота.

Одной из наиболее перспективных технологий, позволяющих снизить выбросы, считается дожигание, или трехступенчатое сжигание топлива. Для этого после первичного сжигания, во время которого основная масса угля сгорает при дефиците воздуха, остатки топлива поступают в особую зону над топочной камерой. Дожигание требует доставки дополнительного топлива в эту зону. В итоге выбросы оксидов азота падают примерно на 10% благодаря тому, что эти вещества вступают в реакцию с углеводородом, образуя цианистый водород и молекулярный азот.

«Экологический эффект дожигания газа и нефти куда значительнее, однако работать необходимо и с углем — это имеет крайне важный практический смысл, так как именно уголь применяется на многих ТЭЦ», — отметил соавтор статьи Александр Дектерев, заведующий кафедрой теплофизики СФУ.

Для снижение вредных выбросов физики ранее предложили измельчать уголь не в привычную пыль (частицы порядка 200 микрон), а в еще более мелкие микрочастицы (размером 20–30 микрон). Эта техника позволяет получить более устойчивый факел сжигания в ТЭЦ: угольная микропыль лучше смешивается и быстрее горит. Ранее этот эффект уже был продемонстрирован на экспериментальных небольших котлах. Пламя от сжигания угля микропомола больше напоминало пламя от горения нефти, и сгорающие частицы были практически незаметны. Однако оставалось неясным, сработает ли данный эффект в обычных котлах ТЭЦ. Смоделировать это и попытались ученые из Красноярска.

Они взяли за образец стандартный паровой котел БКЗ-500–140 Красноярской ТЭЦ-2, экспериментальные данные по которому были доступны. Ученые загрузили эти данные в модель и перестроили ее с поправкой на применение дожигания. В новой модели базовым топливом выступил бурый канско-ачинский уголь, а топливом для дожигания — длиннопламенный кузнецкий уголь. Предварительные расчеты показали, что математическая модель, реализованная авторами статьи в компьютерной программе собственной разработки, позволяет корректно описывать процессы в котле.

Ученые моделировали три схемы ступенчатого сжигания: с обычным углем, углем микропомола и механоактивированным (активированным механической обработкой). Оказалось, что последний вариант является предпочтительным и приводит к снижению выбросов NOx на 50% в сравнении с базовым вариантом и к 20% в сравнении с обычным углем. Авторы надеются, что работа вызовет интерес у разработчиков и проектировщиков для модернизации существующего котельного оборудования и при проектировании перспективных энергоблоков.