Российские ученые нашли способ уменьшить вредные выбросы ТЭЦ в два раза

История русской добычи угля началась в XVIII веке и связана она с Григорием Капустиным. Он жил в селе Даниловское Кинешемского уезда и на протяжении 17 лет работал там выборным подьячим или, как более привычно для современного человека, канцелярским служащим. Параллельно увлекался геологией, изучал руду и минералы вблизи поселка.

Однажды Капустин написал в Петербург начальнику государственной команды горноразведчиков Василию Лодыгину и попросил взять его на работу. Лодыгин заинтересовался Капустиным, пригласил его в Москву и принял в свою команду. Вскоре подьячий вместе с горноразведчиками отправился на север России вести геологические работы.

В это время в стране бурно развивалась металлургия, ей требовалось все больше топлива. Нужно было искать замену дорожавшему древесному углю. И в 1721 году Петр I поручил развернуть поиски месторождений каменного угля на юге страны.

Геологическую экспедицию по исследованию железных и других руд в Воронежской губернии, на территории современного Донбасса, возглавил Григорий Капустин. Там он обнаружил месторождение угля. Жители местных деревень – донские казаки – рассказали ученому, что в своих кузницах давно используют «горюч-камень» и показали свои угольные рудники. О них Капустин доложил императору. Петр I повторно послал исследователя на месторождения и постановил привезти по пять пудов угля из каждой сделанной выработки.

Уголь, собранный Капустиным, направили на пробу «кузнечному мастеру» – голландцу Марку Рееру. Тот дал заключение, что горючий камень для отопления и производственных целей непригоден. Заметил, что голландский уголь намного лучше русского: «Оный уголь в огне трещит и только покраснее, а жару от него никакого».

Считается, что «кузнечный мастер» Марк Реер был связан с торговыми фирмами, которые поставляли «годный голландский уголь». И они не приветствовали добычу угля в России. Из-за заключения голландца Григорий Капустин не получил вознаграждения за свою работу. Вместо этого его ненадолго арестовали по мелкому обвинению.

Но Капустин не отступил. Он был убежден, что донецкий уголь – превосходного качества. За свой счет он отправил образцы в Тулу на пробу к знаменитым кузнецам. Те создали на угле топоры и подковы и похвалили камень, от которого шел «великой жар».

Читайте также: Моллюски помогут определить уровень загрязнения воды

В конце 1723 года по указу Петра I Капустин должен был еще раз отправиться на Дон, в те же Казачьи городки, где он побывал в 1721 году. Но экспедицию для разведки донецких каменноугольных месторождений отложили: входящий в нее иностранец Самуил Ронталлер отказался ехать, потому что была зима.

Все же из-за одного человека лета решили не ждать, иностранца из команды исключили и сформировали другой состав экспедиции, в который вошли специально приглашенные английские «угольные мастера». Правда, правительство Великобритании не приветствовало зарубежные «командировки» своих опытных мастеров, и в Россию отправились малоквалифицированные авантюристы.

Экспедиция отправилась на рудники летом 1724 года. Английские специалисты саботировали работу, отказывались заниматься разведкой и бурением. Говорили, что местный уголь не похож на тот, который им показывали в Москве. Работа шла медленно.

Капустин решил избавиться от некомпетентных коллег. Он настоял на том, чтобы специальная комиссия проверила навыки англичан. И в результате Петр I приказал отправить английских «угольных мастеров» обратно на родину. Работа Капустина продолжилась.

Но ненадолго – на этот раз она прервалась из-за смерти Петра I в 1725 году. Сменившая его императрица Екатерина I распорядилась «заметить» те места, где производились разведки, и больше не организовывать экспедиций без ее личного указания. Разработка угля временно прекратилась.

Несмотря на все усилия Григория Капустина, на его настойчивую борьбу за скорейшее использование своих открытий, промышленные разработки залежей угля на территории России начались только спустя 70 лет.

«Отцом» угольной промышленности в Европе считают химика Иоганна Бехера, который в 1681 году получил патент на «новый метод изготовления кокса и смолы из торфа и каменного угля, никем никогда ранее не открытый и не примененный». Это была термообработка угля без доступа воздуха, или коксование, отсюда и название конечного продукта – кокс. Но открытие Бехера при его жизни не получило распространения.

В то время доменные печи и кузницы использовали древесный уголь. Такого топлива было нужно много, поэтому европейские леса хищнически истреблялись. В Англии, Германии, Голландии, Франции дрова и древесный уголь стали на вес золота, что резко тормозило развитие промышленности и вынуждало активно искать альтернативное топливо. Начало промышленной революции в Европе связывают именно с «открытием» ископаемого угля для использования в промышленности, произошедшем через 50-80 лет после открытий Бехера.

Интерес к углю вырос в XVII веке. Англичанин Абрахам Дерби использовал уголь в качестве топлива в доменных печах. Джеймс Уатт в Англии, а чуть позже Иван Ползунов в России изобрели паровые машины, где ископаемый уголь использовался в качестве топлива. Французские металлурги строили первые коксовые батареи. Наконец, в 1792 году англичанин Уильям Мердок получил горючий газ из каменного угля и оборудовал газовым освещением свой дом в Редруте. Со временем каменный уголь стали использовать повсеместно.

А во второй половине прошлого века ученые задумались о чистоте воздуха. И оказалось, что все старания Капустина, а вместе с ним и Бехера, Дерби, Ползунова, Мердока и других ученых принесли огромный вред планете.

Медицинский журнал Lancet сообщил, что загрязнение воздуха оказывает губительное воздействие и на население Земли, и на экономику многих стран – из-за роста затрат на лечение болезней, вызванных грязным воздухом. В числе таких болезней – астма, хронические заболевания легких, рак, нарушения нервно-психического развития, некоторые виды сердечно-сосудистых заболеваний, врожденные патологии развития у детей.

Читайте также из рубрики Наука: Российские ученые создали самые точные часы в мире

По данным Lancet, который ссылается на исследования ВОЗ, в 2015 году во всем мире от болезней, вызванных грязным воздухом, умерло 9 млн человек. Это 16% от всех преждевременных смертей в мире. Из-за загрязнения воздуха, воды и почвы умирает больше людей, чем от ожирения, чрезмерного потребления алкоголя и ДТП.

Но уголь не только один из самых вредных, но и один из самых дешевых источников топлива. Поэтому он не теряет своей популярности. Сейчас лидер по потреблению угля в промышленности – Китай. В 2016 году эта страна потребила 3,5 тыс. Мт (мегатонн или миллионов тонн) угольного топлива. На втором месте Индия, но она использовала только 992 Мт. Затем США (661 Мт) и Германия (226 Мт). Россия закрывает пятерку (210 Мт).

Основная проблема использования угля заключается в высоком уровне выбросов при сжигании. На ТЭЦ 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.

В большинстве развитых стран, например, в России, действуют жесткие требования по уровню допустимых выбросов. Во многих странах используются штрафные санкции к ТЭЦ, которые превышают нормы вредных выбросов. Выходом из ситуации является использование различных фильтров в газоходах котлов или сжигание угля в виде водоугольных суспензий.

Водоугольная суспензия – это смесь из воды, измельченного угля и пластификатора, который придает ей эластичность. Такое жидкое топливо – экологичная и менее затратная альтернатива природному газу и мазуту. Но у нее есть один минус: для того чтобы началось горение, вода должна перейти из жидкого в газообразное состояние, а на это тратится значительная часть энергии от сгорания угля.

Российские ученые предложили размельчать уголь до микропыли и дожигать его. Дожигание, или трехступенчатое сжигание топлива, сегодня считается одной из наиболее перспективных экологических технологий. Этот процесс заключается в том, что после первичного сжигания, во время которого основная масса угля сгорает при дефиците воздуха, остатки топлива поступают в особую зону над топочной камерой. Здесь происходит дожигание, при котором используется оставшееся топливо. Благодаря этой технологии выбросы оксидов азота можно снизить на 10%.

Дороги без пробок и ДТП, подводное дыхание, инвалидное кресло, управляемое силой мысли, – еще больше открытий отечественных ученых в рубрике Наука 

Для снижения вредных выбросов физики предлагают измельчать уголь не в привычную пыль, а в еще более мелкие микрочастицы. Такая техника позволит получить более устойчивый факел сжигания в ТЭЦ (так называют горящую струю), так как угольная микропыль лучше смешивается и быстрее горит.

Этот способ ранее тестировали в небольших экспериментальных котлах. Пламя от сжигания угля напоминало пламя от горения нефти, а сгорающие частицы были практически незаметны. Но тогда было неясно, будет ли такой же эффект в обычных котлах ТЭЦ. Смоделировать это попытались ученые из Института теплофизики имени С. С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН.

Они взяли за образец стандартный паровой котел Красноярской ТЭЦ-2, по которому были доступны экспериментальные данные. Ученые изменили их с поправкой на использование дожигания. Базовым топливом здесь выступил бурый канско-ачинский уголь, а топливом для дожигания – длиннопламенный кузнецкий уголь.

Ученые смоделировали три схемы ступенчатого сжигания: с обычным углем, углем микропомола и механоактивированным (активированным механической обработкой). Провели опыты, и оказалось, что последний вариант является предпочтительным и приводит к снижению выбросов оксида азота на 50% в сравнении с базовым вариантом и к 20% в сравнении с обычным углем.

Сегодня сотрудники Института теплофизики имени СО РАН, а также их коллеги из Сибирского федерального университета, Новосибирского государственного университета и Делфтского технического университета в Нидерландах рассчитывают, что их работа вызовет интерес у специалистов. Ученые предполагают, что их разработку будут использовать при модернизации существующих котлов и при проектировании будущих энергоблоков. Если отечественную разработку примут, ТЭЦ смогут стать безопаснее и экономнее.