При существующем уровне развития технологий в странах бывшего СССР основными предприятиями энергетики есть предприятия теплоэнергетики, которые используют для получения тепла и электроэнергии процесы горения газообразного, жидкого и твердого топлив.

Но одной из глобальных проблем современности есть быстрое расходовывание запасов газообразного, жидкого и твердых топлив. По прогнозам запасов газообразного и жидкого топлив осталось  на несколько десятилетий, а твердого топлива максимум на 150 лет. А альтернатив, которые могли бы заменить теплоэнергетику, нет. Потому и возникает необходимость в уменьшении расходов топлива при получении тепла.

Одним из способов уменьшения расхода топлив есть использовании электрокатализа при сжигании топлив.Смысл электрокатализа заключается в замене термической инициации процеса горения, которая происходит при обычном горении, на электрокаталитическую, которая позволяет увеличить выделение тепла за счет возврата в систему количеств энергии ( до 400 кДж/моль) которое ранее использовалось на процес инициализации, при расходывании на электрокатализ 5-6кДж/моль.

Для электрокаталитического сжигания топлива разработан блок электрокаталитической активации топлива. Блок представляет собой  корпус, в котором на внутренней поверхности расположены высоковольтные электроды с катализатором; корпус изготовлен  или из керамики или  стали и  покрыт теплоэлектроизоляцией.

Черкасская ТЭЦ является наибольшим производителем электроэнергии Черкасской области. По состоянию на 01.01.2011 установленная электрическая мощность составляет 230 МВт. ТЭЦ поставляет тепло промышленным предприятиям, а также обеспечивает отоплением и горячей водой большинство населения города Черкассы.

На Черкасской ТЭЦ установлены котлоагрегаты ПК-19 – 4 шт мощностью 110 тон пара в час ( при температуре перегретого пара 540ºС) и котлоагрегаты БКЗ-220-100 Гц – 5 шт мощностью 220 тонн пара в час (температура перегретого пара 540ºС).

Котлоагрегат ПК-19 – вертикально-трубчатий, однобарабаний, с естественной циркуляцией – был предназначен для сжигания угля с жидким шлакоотводом. В процессе эксплуатации котлоагрегат был реконструирован на сжигание газа и мазута. В наше время котлоагрегат призначнен для сжигания газа, мазут является резервным топливом. Технические характеристики котла следующие:

паропродуктивность - 110 т/час;

давление пара на выходе из пароперегревателя - 10 Мпа;

температура перегретого пара – 540С;

расходы природного газа – 7 тыс. м³/час.

Каждый котлоагрегат ПК-19 обустроен двумя дутьевыми вентиляторами и двумя дымососами, четырьмя улиткообразными горелками, которые для равномерного распределения факела пламени смонтированы парами напротив друг друга.

Котлоагрегат БКЗ-220-100 Гц, который работает на концентрате тонкого помола угля марок «Д» и «Г», предназначен для получения перегретого пара. Технические характеристики котла следующие:

паропродуктивность - 220 т/час;

давление пара на выходе из пароперегревателя – 10 Мпа;

температура перегретого пара – 540С;

расходы топлива (угля) – 30 т/час.

Котельный агрегат БКЗ-220-100 Гц – вертикально-трубный, однобарабанный аппарат с естественной циркуляцией, с двухступенчатым выпариванием и двумя горизонтальными топочными циклонами. Котел обустроен двумя прямоточными газовыми горелками предназначенный для розжига котлоагрегата. Газовая горелка состоит из двух коаксиально расположенных труб разного диаметра. Природный газ подается в кольцевую щель между внешней и внутренней трубами.

В качестве объекта экономического анализа выбираем оба котлоагрегата.

Представлен ориентировочный расчет экономического эффекта для сжигания 30 т угля в час. Экономические расчеты проведены в долларах США, поскольку на котлах БКЗ-220 используется уголь российских месторождений (украинский уголь не используется из-за большого содержания соединений серы) и расчет за него производится в иностранной валюте. Стоимость 1 тонны угля примем равной 100 $ США.

1. Стоимость угля, который будет сожжен в течении часа, составит 3 000 $. Суточная экономия топлива (10 %) при расходе 30 т/час при стоимости угля 100 $ за тону:

24·30·0,1·100= 7 200 $ сутки или 216 000 $ на месяц.

2. Стоимость использованой электроэнергии для проведения процесса при затрате 1500 кВт/год на 30 т при стоимости электроэнергии 0,08 $ за кВт/год составляет:

0,08·1500=120 $  или 86400 $  на месяц.

Ориентировочные расходы на установление, пуск и наладку системы электрокаталитической интенсификации горения следующие:

- источник питания 20 000 $.

- электрокаталитическая система 110 000 $.

- специальные материалы 250 000$.

- стоимость монтажных работ и транспортных расходов 10 000 $.

- другие расходы 50 000 $.

Сумма расходов составит 440 000 $.

Амортизационные отчисления 440 000 ·0,15=66 000 $.

Месячный экономический эффект при использовании предлагаемой технологии, составит

216 000 – 86 400 – 66 000=63 600 $.

За год он будет составлять 763 200 $.

Таким образом, расчетный срок окупаемости не превышает 8 месяцев.

Проведем аналогичный ориентировочный расчет экономического эффекта для сжигания газообразного топлива на котлоагрегате ПК-19. Примем стоимость 1 000 м³ природного газа 300 $.

1. Стоимость топлива, которое будет сожжено за час, представляет 2 100 $. Суточная экономия топлива (10 %) при расходе 7 000 м³/час:

24·7 000·0,1·300/1000= 5 040 $ сутки или 151 200 $ на месяц.

2. Стоимость используемой электроэнергии для проведения процесса при расходе 300 кВт/год на 7 000 м³ составляет:

0,08·300=24 $ за час или 17 280 $ за месяц

3. Принимаем приблизительные расходы на установление электрокаталитической одноименной системы – 440 000 $; амортизация 66 000 $.

Тогда месячный экономический эффект при использовании предлагаемой технологии составит

151 200 – 17 280 – 66 000= 67 920 $. Что соответствует 815 040 $ в год.

Срок окупаемости не превышант 6,5 месяцев.

Предварительные экономические расчеты показывают, что в условиях использования электрокаталитической интенсификации процесса горения на предприятиях теплоэнергетики возможно снижение выбросов в окружающую среду, уменьшение расходов топлива, что приведет к его экономии и к уменьшению себестоимости тепловой и электрической энергии. Ожидается достижение дополнительных доходов при реализации процесса на котле Черкасской ТЭЦ БКЗ-220-100 Гц 763 200 $ за год при сжигании угля и 815 040 $ за год – при сжигании газа на кологагерате ПК-19.

Древесина представляет собой продукт фотосинтеза и при сжигании не нарушает баланс СО2, таким образом является привлекательным альтернативным источником энергии, особенно если учесть постоянный рост цен на традиционные виды топлива.
При сжигании древесины выделяется энергия, в среднем равная 4,0 кВт•ч/кг (при влагосодержании 20%). С учетом КПД котла, 1 литр котельного топлива может быть заменен 3 кг древесины. Один кубометр бука по количеству энергии соответствует приблизительно 200 литрам котельного топлива или 200 м3 природного газа. Таким образом, сжигание древесины вносит вклад в сбережение невозобновляемых запасов нефти и газа.
Несмотря на то, что прямое сжигание древесины представляет собой старейшую и наиболее развитую технологию получения энергии из древесины, до сих пор имеется потенциал для ее дальнейшего развития с точки зрения увеличения КПД и улучшения экологических характеристик. Основными технологиями сжигания древесины, использующимися в настоящее время, являются: сжигание в вихревой (циклонной) топке, сжигание распыленного сырья в горелке, сжигание на решетке, сжигание с загрузкой сырья распределительным стокером, сжигание во вращающейся печи, сжигание в кипящем слое, сжигание в циркулирующем кипящем слое [1].
Одним из способов повышения эффективности сжигания любого топлива есть электрокаталитическое сжигания топлива. При электрокаталитическом горении достигается снижение энергии активации эндотермической составной первой стадии горения – разложения углеводородов на углеводородный радикал и протон. Снижение энергозатрат на первую стадию термодеструкции углеводородов топлива приводит к увеличению выделения тепла на целевой теплоноситель, что, в свою очередь, приводит к существенной экономии топлива. [2].
Исследование электрокаталитического горения древесины проводили на установке которая состояла из блока электрокаталитической интенсификации, блока сжигания топлива и нагреваемого тела. Электрокаталитический блок представляет собой систему электродов и катализатор. К блоку подводилось напряжение от 4до 20 кВ и частотой от 50 Гц до 5кГц. Блок сжигания представлял собой 12 кВт бытовой котел с системой циркуляции воды, которая выступала в качестве нагреваемого тела. В качестве топлива использовали березу и сосну.
Каждый эксперимент состоял из двух частей:
- контрольный эксперимент – эксперимент без использования электрокаталитической интенсификации, то есть простое сжигание топлива;
- эксперимент с электрокаталитеческой интенсификацией – эксперимент при тех же условиях, что и контрольный, но с применением электрокатализа.
В обоих частях эксперимента фиксировалась температура нагреваемой воды в системе циркуляции воды через определенный промежутки времени.
На рис. 1-2 представлены некоторые результаты по нагреву воды в циркулирующей системе при сжигании газообразного топлива.

Рис. 1 – Зависимость изменения температуры от времени при сжигании березовых дров.
1 – без обработки; 2 – с обработкой

Рис. 2 – Зависимость изменения температуры от времени при сжигании сосновых дров.
1 – без обработки; 2 – с обработкой

Как видно из рис. 1-2 при использовании электрокатализа при сжигании древесины наблюдается существенное увеличение количества выделяемого тепла. Это происходит по нескольким причинам:
- на первых этапах воздействия электрического разряда происходит быстрая сушка древесины под действием электрического разряда, что ускоряет процесс зажигания и уменьшает количество тепла, необходимого для зажигания дров;
- при контакте паров воды, которые выделились из древесины при сушке, с электрическим разрядом происходит образование радикалов НО и НО2 которые являются инициаторами процесса горения и в свою очередь интенсифицируют процесс горения;
- при прохождении электрического разряда через газообразные вещества, которые выделились из древесины, происходит электрокаталитическое зажигание их, что в свою очередь также снижает потребности тепла в протекании этого процесса;
- после выгорания газообразных веществ, которые выделились из древесины, начинает гореть твердая ( целлюлозная ) часть древесины. Электрический разряд разрушает длинные цепочки молекул целлюлозы и улучшает диффузию кислорода к осколкам молекул целлюлозы.
На процесс электрокаталитического горения древесины так же влияет вид древесины, а именно состав ее летучих веществ и структура твердой части древесины. Это видно, что при сжигании березы наблюдается большее выделение тепла, чем при горении сосны.
Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что использование электрокатализа при горении древесины улучшает процесс сушки и зажигания выделяющихся газообразных веществ, диффузию кислорода в твердой части древесины. При электрокаталитическом сжигании древесины выделяется большее количество тепла из-за быстрой сушки древесины, увеличения концентрации радикалов НО и НО2, разрушения сложной структуры целлюлозы в древесины и зависит от вида древесины.

В наше время с токсичностью отработанных газов борются несколькими способами: регулированием параметров двигателя; организацией процесса сгорания; установкой разного рода уловителей; установок дожигания; изменением состава топлива; применением разных присадок. Уменьшить содержание оксидов азота в отработанных газах можно путем ограничения максимальных температур и уменьшения количества топлива, которое подается на сжигание. Продукты неполного сгорания топлива – углеводороды и оксид углерода (ІІ) – могут быть нейтрализованы путем сжигания их в выпускной системе в присутствии воздуха, который подается к горячим отработанным газам в пространство перед выпускными клапанами. Однако все эти способы имеют технологические недостатки и не приводят к полному устранению токсичности отработанных газов.

Задачей исследования является изучение возможности достижения полной независимости процеса катализа от температуры отработавших газов с помощью использования электронно-ионного возбуждения молекул газового потока.

Нейтрализация токсичных компонентов отработанных газов с использованием химических реакций окисления и восстановления является наиболее эффективным средством снижения токсичности выбросов. Для этого в выпускающую систему двигателя устанавливают специальный термический реактор-нейтрализатор. При отсутствии катализаторов полное превращение оксида углерода (II) и недоокисленных углеводородов происходит в диапазоне температур от 700°С до 850°С при условии избытка кислорода. Нейтрализовать оксиды азота при этом невозможно, поскольку обязательным условием их восстановления является отсутствие свободного кислорода. В присутствии катализаторов температура  снижается и обеспечивается нейтрализация всех токсичных компонентов.  Обезвреживание токсичных компонентов газовых выбросов автомобильных двигателей происходит по  следующим основным реакциям:

2CO+O₂ →2CO₂                                                   (1)

HC+O₂→CO₂+H₂O                                              (2)

2CO+2NO→CO₂+N₂                                            (3)

HC+NO→ CO₂+H₂O+N₂                                    (4)

2H₂+2NO→2H₂O+N₂                                        (5)

То есть, по реакциям (1) и (2) очистка происходит в окислительном режиме, который обеспечивает исключение оксида углерода (ІІ) и углеводородов, а после использования кислорода возобновления оксида азота осуществляется по реакциям (3), (4) и (5). Применение соответствующих катализаторов обеспечивает одновременное окисление оксида углерода (ІІ) и углеводородов, а также восстановление оксидов азота. При оптимальном управлении процессом сгорания могут быть выполнены экологические требования, которые предьявляются к автомобилям. Хотя в таких нейтрализаторах есть ряд недостатков: они недолговечны, достаточно дорого стоят, имеют низкую эффективность при невысоких температурах, а также их применение  приводит к увеличению расходов топлива и снижения мощности двигателя.

К каталитической массе выдвигаются жесткие требования, обусловленные условиями эксплуатации: высокая эффективность (близкая до 100 %) при малом времени контакта (0,01 с), термическая стабильность (до 1270 К), механическая прочность и стойкость к действию ядов. Однако нестационарный режим работы двигателя (особенно в условиях города) приводит к снижению температуры отходящих газов к закоксованности и осмолении каталитической массы и, как следствие, к снижению эффективности работы катализатора.

Предлагаемый новый метод – электрокаталитическая нейтрализация – заключается в прохождении отходящих газов через электроразрядную зону, а затем – на катализатор. Метод очистки базируется на ионно-радикальных процессах, которые протекают в зоне разряда на 150-200°С ниже, чем при обычном термическом катализе. Данный способ очистки позволяет перевести токсичные компоненты (оксид углерода (ІІ), оксиды азота, углеводороды) в нетоксичные (азот, воду, оксид углерода (ІV)) на 99,9-100%.

Основным отличием электрокаталитического процесса от термического является то, что при любых режимах работы двигателя через протекание ионно-радикальных реакций в зоне разряда наблюдается высокая степень возобновления и окисление токсичных соединений, а также полное сгорание сажи и смолы. Это возможно за счет снижения энергетических барьерных процессов, что особенно важно при пуске холодного двигателя, когда температура отходящих газов ниже от температуры воспламенения катализатора.

Предложенный способ дает возможность: заменить каталитический реактор  на электрокаталитический, уменьшить температуру нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов автотранспорта на 170-200 °С, достичь высокой степени нейтрализации, при нестационарном режиме роботы двигателя для выполнения требований Евро-3, Евро-4.

Таблица 1 -Результаты экспериментов