Снижение выбросов парниковых газов в водогрейных и паровых котлах
М.А.Савитенко – АНО “Центр исследований и научных разработок в области энергетики “Водородные технологические решения”
Б.А.Рыбаков, к.т.н. – ООО “СК-Инжиниринг”
В настоящее время в мире большое внимание уделяется борьбе с глобальным потеплением, вызванным антропогенными выбросами парниковых газов. В целях борьбы с изменением климата и его негативными последствиями 197 стран приняли Парижское соглашение в 2015 году. Это соглашение, вступившее в силу менее чем через год, направлено на существенное сокращение глобальных выбросов парниковых газов и ограничение повышения глобальной температуры в этом столетии до 2 градусов Цельсия. В 2016 году Российская Федерация подписала Парижское соглашение, в соответствии с которым взяла на себя обязательства по снижению выбросов в атмосферу парниковых газов. На климатическом саммите в Нью-Йорке 66 стран обязались стать углеродно нейтральными, то есть принимать меры по полной компенсации выбросов CO2.
К основным парниковым газам, которые образуются при сжигании ископаемых видов топлив, относятся углекислый газ, метан, водяной пар и оксиды азота. При этом, европейские страны сделали акцент на снижении выбросов в атмосферу углекислого газа.
При производстве тепловой энергии на ТЭЦ и в котельных возможны следующие пути снижения выбросов атмосферу углекислого газа:
- Повышение коэффициента полезного действия;
- Повышение коэффициента использования теплоты топлива;
- Переход с угля на сжигание природного газа.
Переход с угля на газ позволяет снизить выбросы углекислого газа примерно на 50 % .
При сжигании одного килограмма метана (СН4) – основного компонента природного газа – в атмосферу выбрасывается 2,75 кг углекислого газа (СО2).
При сжигании одного килограмма углерода – основного компонента угля – в атмосферу выбрасывается 3,7 кг углекислого газа.
Принимая во внимание, что низшая теплота сгорания углерода примерно в 1,5 раза меньше, чем низшая теплота сгорания метана, выбросы углекислого газа в атмосферу при сжигании эквивалентной массы углерода составят 5,5 кг.
Поэтому перевод энергетических и теплофикационных котлов на природный газ приводит к существенному снижению выбросов в атмосферу углекислого газа.
Необходимо обратить внимание, что при сжигании природного газа в атмосферу наряду с углекислым газом образуется водяной пар.
Ряд зарубежных и Российских исследователей в своих статьях сообщали о том, что парниковым газом №1 является водяной пар.
В данной статье предлагается концепция снижения выбросов в атмосферу, как водяного пара, так и углекислого газа при сжигании природного газа в паровых и водогрейных котлах.
Одним из способов уменьшения выбросов в атмосферу водяных паров и углекислого газа при сжигании природного газа является конденсация водяных паров дымовых газов.
Высшая теплота сгорания природного газа превышает низшую теплоту природного газа, в зависимости от его состава, на 10-11%. Соответственно, использование теплоты, образующейся при конденсации водяного пара дымовых газов, приведёт к увеличению тепловой мощности энергоустановки или к уменьшению расхода природного газа при сохранении тепловой нагрузки.
Уменьшение расхода природного газа при сохранении тепловой мощности установки приводит к уменьшению выбросов в атмосферу углекислого газа.
Дальнейшее уменьшение выбросов в атмосферу углекислого газа при сжигании природного газа возможно при подмешивании к природному газу водородсодержащих газов (ВСГ), включая подмешивание чистого водорода.
В настоящее время за рубежом и в Российской Федерации прорабатываются вопросы использования избытка электроэнергии на АЭС, ГЭС, ВЭС и СЭС для выработки водорода.
При этом, параллельно с развитием независимой водородной инфраструктуры, рассматривается также добавление водорода к природному газу в магистральных и распределительных сетях.
Зарубежные исследования показывают, что в существующую систему транспортировки и распределения природного газа может быть добавлено до 20 или 30 % (объем) водорода, что приводит к снижению выбросов в атмосферу углекислого газа на 7…11 %.
- На рис. 1 показано каким образом увеличение объёмной доли водорода в природном газе приводит к снижению выбросов углекислого газа.
Рис. 1
Высшая теплота сгорания водорода превышает его низшую теплоту сгорания на 18 %. Соответственно, использование теплоты, образующейся при конденсации водяного пара дымовых газов, приведёт к большему увеличению тепловой мощности энергоустановки, чем при конденсации водяных паров, образующихся при сжигании природного газа.
Использование конденсационных теплоутилизаторов
При сжигании органических топлив в паровых и водогрейных котлах самыми большими являются потери тепла с уходящими газами. Как правило, температура уходящих дымовых газов составляет 130-200 °С, то есть, существенно превышает температуру точки росы водяных паров.
Исторически сложилось, что при разработке котельных агрегатов необходимо было избежать конденсации водяного пара, поскольку уголь и мазут, которые сжигались в котлах, содержали серу. Конденсация водяного пара в присутствии серы приводит к образованию серной кислоты, которая приводила к ускоренной коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева котлов.
При сжигании природного газа, в составе которого концентрация сернистых соединений не превышает нормативных показателей, можно получить дополнительную тепловую энергию при конденсации водяного пара, который образуется при сжигании природного газа. Если снизить температуру уходящих газов до 30-50°С, то можно получить существенную экономию топлива. Дополнительная теплота получается за счёт скрытой теплоты парообразования при конденсации водяных паров.
Утилизация теплоты уходящих дымовых газов широко распространена в странах Евросоюза. Большинство таких установок эксплуатируются на водогрейных и паровых котлах небольшой мощности (5-50 МВт).
При подмешивании к природному газу водорода будет возрастать эффективность работы конденсационного теплоутилизатора за счет повышения объема сконденсировавшихся водяных паров.
Использование конструкции конденсационного теплоутилизатора с предварительным подогревом и увлажнением воздуха, подаваемого на горение, позволит снизить образование термических оксидов азота, которые являются очень сильным парниковым газом, за счет уменьшения температуры горения топлива.
Также при увеличении доли водорода в топливном газе возрастает и количество конденсата, получаемого в конденсационном утилизаторе, который может быть в дальнейшем использован для различных целей, например, подпитки теплосети, увлажнения воздуха, подаваемого на горение, производства водородсодержащего газа методом паровой конверсии или получения водорода методом электролиза.
Комплексное решение по снижению выбросов парниковых газов
в водогрейных и паровых котлах
Для получения наибольшего экономического и климатического эффекта целесообразным при сжигании ВСГ является оснащение котлов конденсационными теплоутилизатороми.
Ниже перечисляются основные мероприятия, которые необходимо провести для перехода на сжигание водородсодержащих топлив в существующих котлах.
- При сжигании ВСГ с высокой концентрацией водорода потребуется замена или модернизация горелочного устройства.
- Как уже отмечалось выше, горелочное устройство, адаптированное для сжигания водорода, должно быть оборудовано не только системой обнаружения «обратного» пламени, но и защитой от распространения пламени вверх по потоку.
- Система подготовки ВСГ должна иметь специальную систему мониторинга состояния оборудования и газопроводов.
- Газопроводы и запорно-регулирующая арматура должны быть изготовлены из материалов, позволяющих избежать водородного охрупчивания.
- Должна быть перепроектирована система подготовки топливного газа, в частности потребуется разработка устройства смешения водорода и природного газа.
- Потребуется разработка автоматизированной системы продувки газопроводов.
- Потребуется модернизация системы автоматизированного управления котла.
Поскольку объемная теплота сгорания водорода существенно ниже, чем объемная теплота сгорания природного газа, то проходные сечения газопроводов и оборудования системы подготовки топливного газа (фильтров, запорно-регулирующей арматуры, теплообменников) должны быть увеличены по отношению к проходному сечению газопроводов, рассчитанных на работу на природном газе.
Проектирование и строительство новых котельных агрегатов на водородном топливе
При проектировании новых энергетических установок на природном газе имеет смысл закладывать технические решения, которые в будущем позволят использовать в качестве топлива водородсодержащий газ.
Кроме перечисленных выше мероприятий, которые необходимы при проведении модернизации котлов, необходимо учесть, что при увеличении в топливном газе концентрации водорода в дымовых газах будет увеличиваться доля водяного пара.
Следовательно, расчет котлов необходимо проводить с учетом возможного изменения состава продуктов сгорания.
На эффективность процесса конденсации водяных паров существенно влияет коэффициент избытка воздуха, с увеличением которого происходит снижение температуры точки росы. Поэтому для повышения эффективности работы конденсационного теплоутилизатора (КТУ) требуется оптимизация сжигания топлива.
Выводы
Конденсация водяных паров дымовых газов котельных агрегатов позволяет решить несколько проблем:
- снизить выбросы в атмосферу углекислого газа и водяного пара;
- уменьшить расход топлива на 10-11% при сжигании природного газа;
- получить конденсат, который может быть использован для подпитки теплосети, увлажнения воздуха, подаваемого на горение, производства водорода.
Подмешивание водорода к природному газу приведёт к дальнейшему снижению выбросов в атмосферу углекислого газа, а также увеличению расхода конденсата.