Огонь без дыма

Инж. И. РЫЖЕНКО

Pисуя новые города или большие заводы, художники обычно изображают громадные облака темного дыма, летящего из заводских труб. Это не лестно для современного передового предприятия. Чем хуже сгорает топливо, тем больше его улетает вместе с дымом. «На ветер» вылетают не сгоревшие частицы углерода, зола, пары воды, сернистый газ, полученный при сжигании угля, содержащего серу.

В СССР, стране планового размещения источников энергии, многие электростанции работают теперь на местных видах топлива, месторождения которых находятся вблизи электростанций. Высокие сорта коксующегося угля можно полностью отдать металлургической промышленности; бензин, керосин, смазочные масла, переработанные из нефти, —  использовать для самолетов, автомобилей, тракторов. Переход московских электростанций на подмосковный уголь и торф разгрузил железные дороги от перевозок нефти и донецкого угля. На подмосковном топливе работают такие крупные электростанции, как Каширская и Сталиногорская (на подмосковном угле), Шатурская и им. Классона (на торфе).

Но многие местные виды топлива, особенно угли, низкосортны и содержат в себе много «балласта»: влаги, золы и серы. Зола не горит, влага мешает горению, сера при сгорании превращается в сернистый газ, вредный для человека, для растений и даже построек. Каждая молекула (мельчайшая частица) газа слагается из одной частицы серы топлива, присоединившей к себе две частицы кислорода, отнятого у воздуха, проникающего в топку.

Если в донецком угле около 12% золы, то в подмосковном — 20%; соответственно в этих углях влаги —  5,5% и 32%, серы — 1,7% и 3% (в кизеловском угле серы еще больше — 6,1%). Весь этот балласт улетает в виде дыма, а так как большинство крупных электростанций сжигает не кусковой уголь, а угольную пыль, это увеличивает выход золы. При сжигании пыли около 70% золы улетает в трубу.

Вряд ли вы знаете, какая чудовищная тяжесть подымается в воздух с дымом. Только четыре московских ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) — Фрунзенская, Сталинская, ТЭЦ высокого давления и ТЭЦ автозавода им. Сталина — в 1937 r., сжигая подмосковный уголь, могут выпускать в атмосферу вместе с дымом 4000 т летучей золы и около 700 т сернистого газа в сутки. Для погрузки этой золы нужно 220 вагонов. А если газ переработать в серную кислоту, это составит 1100 т серной кислоты в сутки.

Жители городов видят, как толстый слой зольной пыли покрывает окружающие станцию деревья, здания, землю. Зимой снег становится темносерым; через форточки зола попадает в дома, проникает в цехи заводов и ускоряет износ трущихся частей станков и машин.

Еще хуже сернистый газ. Он невидим, его мы ощущаем только по запаху, но он во много раз вреднее золы. В атмосфере сернистый газ частично растворяется в водяных парах воздуха и превращается в пары серной кислоты. Человек, вдыхая воздух, вдыхает и пары кислоты, а поскольку за сутки наши легкие пропускают около 9000 л воздуха, в них содержится немалая доля ядовитых паров.

*

Исследования в Англии показали, что в 1 м³ деревенского воздуха 0,477 мг сернистого газа, а в Лондоне в 30 раз больше: до 14 мг. Густые облака дыма мешают солнечным лучам доходить до земли. В той же Англии вскрытия показали, что многие жители промышленных городков умирали от болезней дыхательных органов, не имеющих туберкулезного характера. Для пробы брали 20 кроликов и слегка заражали их грибком. 10 кроликов оставляли жить в чистом воздухе, 10 — в задымленном; первые 10 быстро выздоравливали, остальные заболевали воспалением легких.

На нижнем снимке вы видите ткани здорового легкого.

На легких горожанина скапливаются отложения угольной пыли (верхний снимок).

На дереве, «дышащем» задымленным воздухом, осыпаются листья, усыхают ветки. В лесу вокруг Каширской электростанции верхушки деревьев заметно усыхают. Мрамор и кирпичная кладка под влиянием дыма теряют прочность. Кирпич становится рыхлым, разъедаются крыши домов.

Дерево, "дышащее" чистым воздухом (нижний снимок).

Дерево, отравленное сернистым газом, содержащимся в дыме (верхний снимок).

В Англии взяли для опыта обыкновенные железнодорожные рельсы весом около 29 фунтов в погонном футе (1 фут = 0,3048 м).

Рельсы уложили в трех местах: в сухом дымном туннеле, в сыром дымном туннеле и на морском берегу. После года рельсы взвесили и выяснили, насколько они уменьшились в весе: в сухом дымном туннеле — на 1,48 фунта, в сыром дымном туннеле — на 1,71 фунта, а на морском берегу всего на 0,8 фунта.

Под влиянием сернистого газа металл изнашивается в 6 раз быстрее. Железные конструкции в городах теряют половину своей прочности через 40 лет, а в особенно задымленных местах через 30 лет. В сельской местности половину своей прочности они теряют только через 250 лет.

Казалось бы, проще всего вывести все электростанции за город. Но если сегодня электростанция находится в мало населенной местности, то пройдет два-три года, и вокруг нее вырастет новый город, а чистый воздух нужен везде. Да и не всякую станцию можно вывести за город. Нетрудно это проделать для конденсационных электростанций, вырабатывающих только электрическую энергию и передающих ее по проводам.

Невозможно лишить город теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), которые одновременно вырабатывают тепло и электрическую энергию. Современная техника позволяет передавать тепло (пар и горячую воду) лишь на 10— 15 км, а в энергетике СССР теплоэлектроцентрали с каждым годом занимают все более видное место, позволяя уничтожать многочисленные комнатные голландки и карликовые котельные центрального отопления тысяч отдельных домов.

Разрез сероулавливающей установки
Рисунок инж. И. Рыженко
1 — здание электростанции. 2 — топка котла электростанции. З — воздухоподогреватель котла. 4 — горизонтальный золоуловитель типа "Электрофильтр". Газы, поступающие из котельной электростанции на сероулавливающую установку, в электрофильтре очищаются на 90—98% от золы (сернистый газ в электрофильтрах не улавливается). 5 — дымосос. 6 — дымоход для прохода дымовых газов от дымососа до скруббера. 7 — скруббер (агрегат, в котором улавливается из дымовых газов сернистый газ). 8 — нижняя деревянная насадка скруббера (из досок). 9 — верхняя деревянная насадка скруббера (из тонких реек). 10 — трубопровод, по которому подается на скруббер раствор известкового молока. 11 — бассейн (из листового железа) для известкового молока. Через отверстия в дне бассейна известковое молоко стекает на верхнюю насадку, с верхней на нижнюю, и с нижней в низ скруббера и дальше в кристаллизатор. 12 — дымоход, по которому газ, прошедший скруббер (при прохождении скруббера дымовые газы соприкасаются со стекающим по насадке известковым молоком и отдают содержащийся в них сернистый газ), уже очищенный на 90% от сернистых соединений, чистым уходит в дымовую трубу. 13 — дымовая труба. 14 — слив отработанного известкового молока в кристаллизатор (отработанное молоко — в нем содержится уловленная сера и та зола, которая не уловилась в электрофильтре и попала в скруббер). 15 — кристаллизатор (в нем перенасыщенный раствор известкового молока доводится до состояния недонасыщенного). 16 — здание насосной. 17 — центробежный насос, подающий известковое молоко в бассейн скруббера. 18 — центробежный насос, подающий свежий раствор известкового молока из отделения, приготовляющего раствор (это отделение на рисунке не показано), в кристаллизатор. 19 — трубопровод, по которому перекачивается раствор известкового молока (из отделения, приготовляющего раствор) в кристаллизатор. 20 — трубопровод, по которому подается часть отработанного (грязного) известкового молока на отстойник типа "Дорра". 21 — отстойник типа "Доррa". Из отстойника отстоявшийся шлам отводится по трубопроводу на территорию завода по переработке шлама в строительные материалы. 22 — приямок для извести. 23 — вагон, с которого выгружается известь. 24 — перевозка насадки (верхняя насадка состоит из отдельных собранных секций, для того чтобы можно было сменить нужную часть насадки).

*

Бороться с дымом надо в месте его возникновения. Для улавливания золы уже созданы особые золоуловители разных типов. Золоуловители — циклоны — улавливают около 40% золы, мокрые фильтры — около 90%; электрические фильтры отнимают у дыма 95—98% содержащейся в нем золы. Все эти аппараты изготовляются в СССР и уже применяются на многих электростанциях.

Сложнее уловить сернистый газ. Во всем мире имеются только три промышленных установки по улавливанию сернистого газа: на английских электростанциях Баттерси, Тир-Джон (Свенси) и Фульгэм. В остальных странах созданы только лабораторные установки.

Пробовали строить высокие, 50—80-метровые, и сверхвысокие, 100—150-метровые дымовые трубы. Но и они тебя не оправдали. Вблизи электростанций по-прежнему выпадала крупная зола, зато мелкая зольная пыль и сернистый газ разносились еще дальше.

Конструкторы предложили два способа улавливания золы и серы: газификацию и улавливающие установки на станциях. При газификации уголь превращают в газ, который передают на электростанции, где он и сжигается. Возможно, что в будущем этим будет решена задача борьбы с дымом, но пока дело газификации углей ограничивается опытными установками. Советские научные и промышленные организации работают над установками, поглощающими золу и газ на пунктах, сжигающих топливо.

Трестом «Газоочистка» разработан интересный каталитический метод, позволяющий не только очищать дым, но и получать из него серную кислоту. Из электрофильтров дым поступает в дымососы, которые нагнетают его в сероулавливающую установку. Здесь дым попадает прежде всего в концентратор. Это круглая башня 16 м в диаметре и 20 м высотой, наполненная фарфоровыми кольцами (кольца Рашига), которые служат для увеличения времени контакта раствора с дымовыми газами. Под куполом башни устроены приспособления, разбрызгивающие в башне сернистую кислоту.

Дымовой газ, поступая снизу башни, проходит сквозь груды наваленных колец, омываемых кислотой, и выходит в верхнюю часть башни. Дальше газ проходит последовательно четыре абсорбера. Это тоже круглые башни, наполненные кольцами Рашига (диаметр башен 17 м, высота 45 м). Все абсорберы орошаются слабым раствором серной кислоты, который поглощает сернистый газ из дыма и постепенно становится все крепче. Чтобы эта реакция проходила быстрее, к раствору добавлен пиролюзит, действующий как химический катализатор (вещество, не вступающее в реакцию, но ускоряющее ее). Поэтому весь этот способ и назван каталитическим. Кольца Paшига, которыми наполнены башни концентратора и абсорберов, служат для усиления контакта серной кислоты с сернистым газом, содержащимся в дыме.

Покинув четвертый абсорбер, дымовые газы, очищенные от сернистого газа на 85—90%, выходят в дымовую трубу. Сернистая кислота, стекая из абсорберов, поступает в концентратор, где упаривается до 40-процентной крепости.

Стоимость установки очень высока. Для ТЭЦ с тремя мощными котлами (по 160—200 т пара в час каждый) установка обойдется около 15 миллионов рублей.

Другой способ — известковый, разработанный во Всесоюзном теплотехническом институте, — более надежен. Дымовые газы, очищенные в золоуловителях от золы, поступают через дымососы в нижнюю часть скруббеpa — четырехугольной башни (высота около 11 м, площадь основания 54 кв. м). В его верхней части устроен бак, в который наливается известковое молоко (раствор извести или мела в воде). В нижней части бака устроены брызгала, распределяющие известковое молоко по всему сечению скруббера.

Проходя скруббер, газ встречает на своем пути стекающее известковое молоко и вступает с ним в химическую реакцию; известковое молоко поглощает из дыма сернистый газ. Чтобы увеличить площадь соприкосновения известкового молока с газом, средняя часть скруббера наполнена деревянной насадкой из тонких деревянных реек, уложенных параллельно в рамках. Рамки укладываются одна на другую, и их просветы образуют форму веера. Несколько рамок укладываются на тележки, которые вдвигаются в скруббер через дверцы.

Пройдя сквозь орошаемую известковым молоком насадку, газ выходит в верхней части скруббера, очищенный на 100% от золы и на 95—98% от сернистого газа. В воронкообразное днище скруббера и дальше, в кристаллизатор, стекает загрязненный золой и сернистым газом раствор. Кристаллизатор преобразует этот перенасыщенный раствор в насыщенный и добавляет свежие порции известкового молока. Из кристаллизатора часть раствора опять подается в скруббер, а часть направляется в отстойники, где оседают в виде шлама (подобие грязного гипса) твердые частицы раствора.

Из труб электростанции выходит дым, не очищенный от золы.

Золоуловители "Циклон" (на переднем плане) очистили дым от золы на 42-45%.

Размеры такой установки меньше каталитической, стоит она в 7—8 раз дешевле. Инженер Теплотехнического института H. Г. Залогин предложил и вместе с трестом «Газоочистка» разработал комбинированный способ очистки.

По этому способу дымовые газы поступают вначале на очистку по каталитическому способу и очищаются от сернистого газа только на 50%, а затем поступают в известковую систему и очищаются до 99%. Получаемая в каталитической части 40-процентная серная кислота поступает не на упарку, а в реактор, куда попадает и шлам из известковой половины. Шлам и серная кислота химически взаимодействуют, выделяя концентрированный сернистый газ, из которого на сернистом контактном заводе вырабатывается серная кислота высокого качества. Шлам после реактора проходит на фильтрацию, просушку и превращается в алебастр.