Исследование методов и аппаратов для очистки выбросов ТЭС в атмосферу

Размещено на http://www.allbest.ru

План

Актуальность очистки выбросов тепловых электростанций в атмосферу

Токсичные вещества в топливе и дымовых газах

Преобразование вредных выбросов ТЭС в атмосферном воздухе

Улавливание твёрдых веществ их дымовых газов ТЭС

Характеристика летучей зоты. Основы теории золоулавливания

Типы и характеристики золоуловителей

Основные пути снижения выбросов токсичных газов ТЭС

Очистка дымовых газов от сернистых веществ

Переработка сернистых топлив перед их сжиганием

Литература

очистка выброс токсичный атмосфера

Актуальность очистки выбросов тепловых электростанций в атмосферу

Высокое содержание в атмосферном воздухе различных загрязнителей неблагоприятно сказывается на всем комплексе живой природы. Отрицательное влияние загрязнения атмосферы выражается в ухудшении здоровья людей и животных, снижении урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животных. Воздействию вредных веществ подвержены лесные угодья. Загрязнение атмосферы влияет на коррозионные процессы строительных конструкций, ускорение износа зданий и оборудования.

В атмосферу попадают выбросы не только ТЭС, но и других промышленных

предприятий, а также транспорта, коммунальных служб и т.д.

Роль предприятий различных отраслей нашей страны в загрязнении

атмосферы представлена ниже.

Поступление вредных веществ в атмосферу, %

ТЭС и котельные 27

Черная металлургия 17

Цветная металлургия 10

Нефтедобыча и нефтехимия 16

Автомобильный транспорт 12

Промышленность строительных материалов 5

Угольная промышленность 2,5

Химическая промышленность 1

Прочие 9

Как видно из перечисленных данных, в загрязнении атмосферного воздуха основную роль играют технологические процессы на базе органического и топлива (ТЭС, металлургия, автомобильный транспорт) и составляют около ѕ вредныхсуммарных выбросов промышленности.

Вместе с тем в настоящее время в Украине наблюдается топливно-энергетический кризис, который привел к необходимости проектирования, строительства новых ГРЭС, а также реконструкции старых.

Токсичные вещества в топливе и дымовых газах

Вид топлива влияет на составобразующихся при его сжигании вредных веществ. На электростанциях используется в основном твердое топливо. Вредными основными веществами, содержащимися в дымовых газах котлов, являются: оксиды серы (80з и 80з) оксиды азота (NО и N02), оксид углерода (СО), соединения ванадия (в основном пентаксид ванадия V3 05). К вредным веществам относится также зола.

Органическую часть топлива составляют углерод, водород, кислород, органическая сера. В состав горючей части топлива ряда месторождений входит также неорганическая, пиритная сера.

Негорючая (минеральная) часть топлива состоит из влаги и золы. Основная часть минеральной составляющей топлива переходит в процессе сжигания в летучую золу, уносимую дымовыми газами. Другая часть в зависимости от конструкции топки и физических особенностей минеральной составляющей топлива может превращаться в шлак.

Одной из важнейших особенностей золы является то, что частицы ее имеют различные размеры, которые находятся в диапазоне от 1-2 до 60 мкм и более. Эта особенность как параметр, характеризующий золу, называется дисперсностью.

Химический состав золы твердого топлива достаточно разнообразен. Обычно зола состоит из оксидов кремния, алюминия, титана, калия, натрия, железа, кальция, магния. Кальций в золе может присутствовать в виде свободного оксида, а также в составе силикатов, сульфатов и других соединений.

Твердое топливо может содержать серу в следующих формах: колчедана Fе2S и пирита FeS2 в составе молекул органической части топлива и в виде сульфатов в минеральной части. Соединения серы в результате горения превращаются в оксиды серы, причем около 99 % составляет сернистый ангидрит SO2. Сернистость углей в зависимости от месторождения составляет 0,3 - 6%.

Соединения ртути, фтора и хлора находятся за котлом в газообразном состоянии. В составе золы твердых видов топлива могут присутствовать радиоактивные изотопы калия, урана и бария. Эти выбросы практически не влияют на радиационную обстановку в районе ТЭС, хотя их общее количество может превышать выбросы радиоактивных аэрозолей на АЭС той же мощности.

Преобразование вредных выбросов ТЭС в атмосферном воздухе

Вредные выбросы и природные вещества в атмосфере подвергаются сложным процессам превращения, взаимодействия, вымывания и т. д. Эти процессы различны для взвешенных частиц и газообразных примесей. Время нахождения (жизни) взвешенных частиц в атмосфере зависит от их физико-химических свойств, метеорологических параметров и некоторых других факторов, в первую очередь от высоты выброса частиц в атмосферу и их размеров.

Основными путями вывода аэрозолей из атмосферы (самоочищения) являются осаждение частиц под воздействием сил тяжести, осаждение их на растения и водоемы, а также вымывание дождем.

Частицы размером более 10 мкм относительно быстро опускаются на землю под действием сил тяжести. Частицы с поперечником от 4 до 10 мкм поднимаются с дымом на высоту более 1 км и могут перемещаться потоком воздуха на сотни километров. Частицы от 1 до 4 мкм медленно осаждаются, достигая земной поверхности в течение года. Частицы менее 1 мкм распространяются подобно молекулам газа.

Диоксид серы в атмосфере постепенно окисляется до триоксида серы, который, взаимодействуя с влагой воздуха, образует серную кислоту. На скорость процесса окисления влияет солнечный свет и мельчайшие частицы пыли, каталитически ускоряющие процесс окисления. На процесс окисления влияет также влажность воздуха. С увеличением влажности процесс окисления сернистого ангидрида ускоряется.

Установлено, что в атмосфере происходит реакция фотодиссоциации диоксида азота N02 на монооксид азота N0 и атомарный кислород О, при этом поглощается излучение ультрафиолетовой области солнечного спектра, которое играет преобладающую роль в атмосферных фотохимических процессах. Энергия, необходимая для разрыва связи между азотом и кислородом, составляет около 300 кДж/моль.

Следствием диссоциации N0 является большое количество вторичных реакций. Современное окисление углеводородов и окислов азота приводит к образованию соединений, которые в результате дальнейших реакций образуют так называемые пероксиацилитраты (ПАН), обладающие сильным токсичным действием. Вещества группы ПАН можно обнаружить в загрязненном городском воздухе во время токсичного тумана (смога).

Среди вторичных фотохимических реакций важное значение имеет взаимодействие молекулярного кислорода и оксида азота N0 с атомарным кислородом, в результате чего образуются озон и диоксид азота. Фотохимические реакции с диоксидом азота протекают в следующих направлениях:

N02 + УФ = N0+0

О + О2 = О3

N0+02 = N03

N03+02 = N02+03

Знак УФ означает, что реакция фотодиссоциации происходит с поглощением ультрафиолетовых лучей солнечного спектра. В итоге происходит непрерывное образование озона, который, взаимодействуя с оксидом азота, образует снова диоксид азота, т.е.

N0+03 N02+02

Как показывают исследования, в результате перечисленных реакций происходит постепенное доокисление монооксида N0 до диоксида N02 по мере удаления дымового факела от дымовой трубы. На выходе из дымовой трубы 85-90% всех оксидов азота представляет NО. Итоговое преобразование N0 в N02 приводит к усилению отрицательного воздействия продуктов сгорания на природу и живые организмы, так как последний более токсичен.

Установлено, что основной причиной фотохимических превращений в приземном слое атмосферы городов является высокая степень загрязнения воздуха органическим веществами (преимущественно нефтяного происхождения) и оксидами азота.

Суммарная концентрация окислителей, называемых еще оксидантами, образующихся в атмосферном воздухе в результате фотохимических превращений, в ряде случаев может быть использована как гигиенический показатель интенсивности протекания этих реакций. Концентрации оксидантов подвержены большим колебаниям, но наблюдается определенная закономерность.

Как правило, вслед за низким ночными концентрациями, наблюдается их значительное увеличением в утренние часы. Максимум наступает в полдень с усилением воздействия солнечных лучей. Снижение концентраций происходит с заходом солнца. При высоких концентрациях и N02 они частично окисляются под воздействием солнечной радиации до высшего оксида азота N205, который, взаимодействуя с влагой воздуха, образует азотную кислоту.

Соединения ванадия, аэрозоли бенз(а)пирена, распространяясь в атмосфере вместе с пылью, дождем или снегом, оседают на почву и водоемы.

Из сказанного выше следует, что вредные выбросы ТЭС - пыль, оксиды серы и азота и другие вещества, воздействуя на биосферу в районе расположения электростанции, подвергаются или вымываются осадками.

Улавливание твердых веществ из дымовых газов ТЭС

1. Характеристики летучей золы. Основы теории золоулавливания

Золой при определении характеристики топлива считается остаток, получающийся при прокаливании до постоянной массы навески топлива в присутствии кислорода при температуре 800 °С (1073 К).

Фазово-минералогические исследования состава золы различных видов твердого топлива показывают, что основной фазой всех видов золы является стекло. Кристаллическая фаза представлена различными количествами кварца, гематита, магнетика и различными силикатами кальция.

Эффективность работы газоочистных устройств во многом зависит от физико-химических свойств улавливаемой золы и поступающих в золоуловитель дымовых газов. Основными характеристиками золы являются плотность, дисперсный состав, электрическое сопротивление (для электрофильтров), слипаемость.

Плотность частиц летучей золы сч для большинства углей лежит в пределах 1900 -- 2500 кг/м . Плотность определяется как отношение массы частиц золы к занимаемому ею объему, включая объемы пор и газовых включений.

Для выбора и расчета золоуловителей большое значение имеет распределение частиц по размерам, т. е. по дисперсному составу. Расчет степени улавливания обычно ведется для каждой фракции частиц отдельно. Содержание той или иной фракции Фi, можно найти из кривой остатков на сите вычитанием остатков на сите на концах заданного изменения диаметров частиц. При расчете золоуловителей диаметр принимают постоянным, равным среднеарифметическому диаметру на его концах. Так, в диапазоне изменения диаметров от 10 до 20 мкм в расчетах принимают в качестве среднего значения 15 мкм.

Для очистки газов в электрофильтрах существенное влияние на эффективность их работы оказывает удельное электрическое сопротивление с. По этому признаку золу углей можно разделить на три группы:

I группа характеризуется с < 102 Омм. Такими свойствами обладает зола, имеющая большое количество недогоревшего углерода, например зола донецкого АШ. Эта зола называется «низкоомной».

II группа золы имеет электрическое сопротивление в пределах 102 < с <108 Омм и наиболее полно улавливается в электрофильтрах. К этой группе относится зола ряда каменных углей: донецкого Т, ГСШ и д.р.

III группа золы характеризуется с >108 и является электрическим изолятором. Такая зола называется «высокоомной».

Для инерционных золоуловителей существенное значение имеет свойство слипаемости золы. По слипаемости зола делится на четыре группы: не слипающаяся (I), слабо слипающаяся (II), средне слипающаяся (III), и сильно слипающаяся (IV). Зола с высокой слипаемостью забивает циклоны и мокрые уловители и плохо удаляется из бункеров. Это относится к золе АШ.

Для мокрых золоуловителей существенное значение имеет содержание в золе оксида кальция СаО. При большом содержании СаО их работа становится невозможной из-за цементации золы .

При выборе и эксплуатации золоуловителей следует учитывать также такие свойства золы, как абразивность и смачиваемость её частиц. Интенсивность абразивного износа золоуловителей зависит от твердости, размера, формы и плотности частиц. Абразивность золы характеризуется коэффициентом а, который определяет утоньшение стенки поперечно обтекаемой трубы из стали 20 в местах ее максимального износа при концентрации частиц 1 г/м и скорости потока 1 м/с, при равномерном распределении поля скоростей и концентраций, при комнатной температуре в течение 1ч. Для донецкого угля коэффициент а составляет 5,4?109.

Смачиваемость частиц водой оказывает влияние на работу мокрых золоуловителей. Чем лучше смачиваемость, тем выше эффективность золоулавливания.

Типы и характеристики золоуловителей

В зависимости от мощности ТЭС, зольности топлива, физико-химических свойств золы, санитарно-гигиенических условий в районе расположения электростанций выбирается тип золоуловителей. На выбор типа золоуловителей может повлиять и использование золы.

К основным требованиям, предъявляемым к системам золоулавливания, относятся высокая эффективность и эксплуатационная надежность. Следует иметь в виду, что чем выше требуемая степень очистки газов и чем мельче подлежащие улавливанию частицы, тем большими оказываются капитальные затраты на сооружение установок для улавливания золы и расходы на их эксплуатацию.

На ТЭС применяются три типа золоуловителей: аппараты сухой инерционной очистки газов (жалюзийные золоуловители, циклоны, прямоточные циклоны, батарейные циклоны); аппараты мокрой очистки газов; электрофильтры.

Каждый тип золоуловителя рассчитан на определенные условия работы. К ним относятся допустимая температура уходящих газов, возможность размещения на открытом воздухе и восприятия нагрузок от подводящих газоходов и площадок обслуживания, наличие необходимого количества воды для мокрых золоуловителей, система транспорта и использования золы. Золоуловители всегда устанавливают перед дымососами по ходу дымовых газов для предохранения последних от абразивного износа.

Решение об установке золоуловителей внутри или вне зданий принимаются в зависимости от климатических условий и типа аппаратов. Наиболее сложные по конструкционному оформлению газоочистные аппараты - электрофильтры. Они устанавливаются вне зданий, для защиты изоляционных коробок от осадков и облегчения условий их обслуживания верх электрофильтра закрывается шатром или специальной кровлей. Подбункерное пространство электрофильтров также укрывается легкими материалами.

Степень улавливания золы в золоуловителях колеблется в зависимости от свойств золы и условий эксплуатации в широких пределах. Так, степень улавливания Г| электрофильтров составляет 96 - 99 %; мокрых золоуловителей 92 -96 %; Батарейных циклонов 82 - 90 %.

Газоочистительные установки, как правило, не дают прибыли. Возможность использовать условный продукт обычно лишь частично окупает их сооружение. Поэтому технико-экономическая оценка газоочистных сооружений строится в основном на базе сравнительных данных. Сравнение аналога с оцениваемым вариантом производится по капитальным вложениям, численности обслуживающего персонала, производительности труда, эксплуатационным затратам, уровню приведенных затрат.

Инерционные золоуловители

В качестве инерционных (механических) золоуловителей наибольшее распространение получили циклоны, в которых осаждение твердых частиц происходит за счет центробежных сил при вращательном движении потока. Поступающий тангенциально через входной патрубок газ движется в канале, образованном наружной и внутренней цилиндрическими поверхностями циклона, где под действием центробежных сил происходит отделение пыли. Затем очищенный газ удаляется через внутренний цилиндр вверх, а осевшая на наружной стенке зола ссыпается под действием силы тяжести вниз в каноническую воронку и далее в общий бункер.

В настоящее время циклоны устанавливаются на котлах паропроизводительностью до 500 т/ч. Причем для повышения эффективности применяются батарейные циклоны, составленные из циклонов малого диаметра, обычно около 250 мм. Гидравлическое сопротивление батарейных циклонов составляет около 500 - 700 Па. В качестве элемента батарейных циклонов используется большое число модификаций: аксиальным подводом газа и лопаточными завихрителями, с тангенциальным подводом газа, прямоточные и др.

Положительный опыт длительной эксплуатации батарейных циклонов на многих электростанциях позволяет рекомендовать их для ряда случаев, в частности для очистки:

* дымовых газов о золы при сжигании малозольных топлив, главным образом бурых углей;

* ре-циркуляционных газов котловой золы с целью защиты дымососов системы рециркуляции от износа;

* сушильного агента от невзрывоопасной угольной пыли, например пыли углей марки НА, в системах подготовки топлива.

Мокрые золоуловители

Простейшим типом мокрого золоуловителя, является центробежный скруббер. Главным отличием его от сухого инерционного, является наличие на внутренней стенке стекающей пленки воды. Отсепарированная за счет центробежных сил зола лучше отводится из скруббера в бункер, при этом уменьшается вторичный захват зольных частиц со стенки газовым потоком.

Не рекомендуется применять мокрые золоуловители для топлив, содержащих в составе золы более 15-20 % СаО. Приведенная сернистость топлива должна быть не более 0,3% кг/ МгДж. Температуру газов за мокрым золоуловителем следует поддерживать не менее, чем на 21 °С выше точки росы для предотвращения коррозии газоходов.

Обязательным условием нормальной работы мокрого золоуловителя является предотвращение отложений в его орошающих устройствах. Чтобы обеспечить это условие, прежде всего, необходимо очистить орошающую воду от механических примесей, для чего применяются гравийные фильтры. Основной причиной возникновения отложений является кристаллизация солей Са из пересыщенной ими орошающей воды или пульпы, а также недостаточное по различным обстоятельствам орошение каких-либо участков стенок золоуловителя. Орошающая вода не должна быть пересыщена серно кислым кальцием (СаSО4), чего можно достигнуть, например добавкой к оборотной воде некоторого количества свежей воды.

При проектировании мокрых золоуловителей следует учитывать, что SO2 и SO3, содержащиеся в дымовых газах, частично растворяются в пульпе. При этом, если диоксид серы улавливается в мокром золоуловителе до 25%, то триоксид серы до 85 %. А в результате РН пульпы снижается до 3,5 и требуется защита стенок золоуловителя от коррозии. Улавливание SO3 приводит также к изменению точки росы дымовых газов.

Электрофильтры

Наиболее эффективным типом золоуловителей для крупных ТЭС являются электрофильтры, которые могут обеспечить высокую степень очистки газов при аэродинамическом сопротивлении не более 150 Па практически без снижения температуры и без увлажнения дымовых газов. В электрофильтрах запыленный газ движется в каналах, образованных осадительными электродами 1, между которыми расположены через определенное расстояние коронирующие электроды 2.

Сущность процесса электрической очистки газов заключается в следующем. Запыленный газ проходит через систему, состоящую из заземленных осадительных электродов 1, и размещенных на некотором расстоянии (называемом межэлектродным промежутком) коронирующих электродов 2, к которым подводится выпрямленный электрический ток высокого напряжения с отрицательным знаком.

При достаточно высоком напряжении, приложенном к межэлектродному промежутку, у поверхности коронирующего электрода происходит интенсивная ударная ионизация газов, сопровождающаяся возникновением коронного разряда (ток короны). Газовые ионы различной полярности, образующиеся в зоне короны, под действием сил электрического поля движутся к разноименным электродам, вследствие чего в электродном промежутке возникает электрический ток, который и представляет ток короны. Частицы золы из-за адсорбции на их поверхности ионов приобретают в межэлектродном промежутке электрический заряд и под влиянием сил электрического поля движутся к электродам, осаждаясь на них. Основное количество частиц осаждается на развитой поверхности осадительных электродов, меньшая их часть попадает на коронирующие электроды. По мере накопления на электродах осажденные частицы удаляются встряхиваем или промывкой электродов.

Процесс электрогазоочистки можно разделить на следующие стадии:

Зарядка взвешенных в газе частиц;

движение заряженных частиц к электродам;

направленность частиц к электродам;

осаждение частиц на них;

удаление этих частиц с электродов.

Коронный разряд возникает при достижении определенной напряженности электрического поля, называемой критической или начальной, которая, например, для воздуха при атмосферном давлении и температуре 20 °С составляет около 15 кВ/см. При дальнейшем повышении напряженности нарушается электрическая прочность газового промежутка между электродами, наступает искровой или дуговой электрический разряд. К коронирующим электродам подводится отрицательный заряд, так как подвижность отрицательных ионов выше положительных. Кроме того, при отрицательной короне удается поддержать более высокое напряжение без искрового пробоя между электродами.

Рабочая часть электрофильтра, в которой существует электрическое поле, называется активной зоной. Она разделена на несколько электрических полей, через которые очищаемый газ проходит последовательно. Электрофильтры бывают однопольными и многопольными.

На большинстве электростанций, оснащенных электрофильтрами, применяются аппараты типа УГ (унифицированный горизонтальный). Запыленные газы после газораспределиельной решетки поступают в коридоры, образованные вертикально висящими широкополосными осадительными электродами С-образной формы. Коронирующие электроды представляют собой профильные элементы с штампованными иглами, укрепленные в специальной рамке. Для удаления осевшей на электродах золы, предусмотрены встряхивающие устройства в виде молотков, ударяющих по наковальням электродов. Осевшая зола попадает в бункера и затем через гидравлические затворы направляется в систему гидрозолоудаления. Расчетная температура газов до 250°С.

Электрические поля имеют самостоятельные питание и систему встряхивания. Электрофильтр типа УГ имеет три поля. В первом поле оседает наибольшее количество золы, в последнем - минимальное.

Важным условием, определяющим эффективность работы электрофильтра, является агрегат электрического питания. Каждый агрегат обслуживает одно поле (или половину поля), состоит из трех узлов:

повысительно- выпрямительного блока с высоковольтным распределительным устройством,

блока магнитных усилителей,

дросселей и пульта управления.

Для подержания напряжения в любой момент работы электрофильтра на грани пробивного, когда обеспечивается наилучшая ионизация газов, применена автоматическая схема регулирования.

Степень осаждения определяется двумя факторами - скоростью дрейфа частиц золы и удельной поверхностью осаждения ѓ. Увеличивая ѓ, можно получить высокую степень увлажнения, однако это связано с большими расходами металла и увеличением габаритов электрофильтров. Основными факторами, определяющими скорость дрейфа, являются электрические свойства пылегазового потока и в первую очередь электрическое сопротивление золы. Максимум электрического сопротивления золы соответствует температуре 100-130 °С. Наибольшее с имеет зола углей с малым содержанием горючих в уносе, низким содержанием серы и влаги в топливе.

Анализ работы электрофильтров на ТЭС показал, что основная причина менее эффективной очистки заключается в высоком удельном электрическом сопротивлении (УЭС) с слоя золы, образующемся на осадительных электродах электрофильтра. Вследствие высокого УЭС проводимость слоя пыли уменьшается, что приводит к увеличению потенциала поверхности слоя, увеличению падения напряжения в слое, при одновременном его уменьшении в газовом промежутке. При увеличении разности потенциалов между поверхностью слоя и заземленным электродом до значения, достаточного для пробоя газов, на некоторых участках поверхности слоя возникают относительно стабильные местные заряды. Это явление, вызывающее образование и выброс в межэлектродное пространство ионов со знаком, обратным знаку ионов, образующихся в основном процессе, принято называть обратной короной. Положительные ионы, образовавшиеся в зоне обратной короны, под действием электрического поля двигаются к коронирующему электроду, встречают на своем пути частицы золы, заряженные отрицательно, и нейтрализуют их заряды. В результате этого прекращается движение золовых частиц к осадительному электроду и снижается степень очистки газов в электрофильтре. Устойчивая обратная корона характеризуется появлением в слое пыли точек локализованных разрядов голубого цвета.

Высокое УЭС летучей золы обусловлено как параметрами дымовых газов (концентрацией серного ангидрида и зависящей от него кислотной точки росы, парциальное давление водяных паров, температура газов и др.), так и химическим составом самой золы, и главным образом соотношением в ней алюмосиликатов и щелочных металлов, в первую очередь натрия и лития. При определенной комбинации низких содержаний серы, водорода и влаги в угле, с низкими концентрациями щелочных металлов в золе при общепринятых в котельной практике температурой уходящих газов - 120 - 150 °С удельное электрическое сопротивление золы вырастает до 1010 - 1011Ом?м. При таких параметрах обратная корона возникает и развивается в электрофильтре исключительно быстро.

На степень улавливания золы большое влияние также оказывает равномерность распределения поля скоростей дымовых газов по сечению фильтра. С целью создания достаточно равномерного поля скоростей газов на входе в электрофильтр устанавливают газораспределительные решетки. Электрофильтры серии УВ - унифицированные вертикальные пластинчатые сухие для очистки газов с температурой до 250 °С. Имеют одно поле активной длины 7,4 м и разделены по газу на 1-3 секции. Осадительные электроды - пластинчатые с нижним молотковым отряхиванием. Коронирующие электроды - рамные с верхним подвесом и молотковым встряхиванием.

Электрофильтры У В рассчитаны на невысокую запыленность газов и скорость их в активном сечении до 1 м/с.

Основные пути снижения выбросов токсичных газов ТЭС

1. Очистка дымовых газов от сернистых веществ

Наиболее острой проблемой защиты воздушного бассейна является снижение выброса диоксида серы, ежегодное поступление которого в атмосферу при сжигании органических топлив исчисляется миллионами тонн.

Для анализа влияния вида топлива на выброс оксидов серы и других вредных примесей очень важно знать удельное количество этих выбросов на 1 кВт * ч отпущенной электроэнергии, для донецкого угля выход газов при нормальных условиях равен 4 м3/(кВ?ч), летучая зола - 97 г/(кВ?ч), оксиды серы - 21,6, оксиды азота - 2,8.

Крупным направлением в решении рассматриваемой проблемы является экологически рациональное распределение топлива по электростанциям. Например, электростанции, расположенные в крупных городах и сжигающие сернистый мазут или серосодержащие угли, целесообразно переводить на сжигание природного газа. Но этот путь ограничен наличием необходимого количества газа.

Если же переход ТЭС на сжигание газа или малосернистого твердого топлива невозможен, то необходимо рассмотреть очистку дымовых газов или связывание серы в процессе сжигания, а также предварительное извлечение серы из топлива.

Методы очистки дымовых газов могут быть подразделены на циклические (замкнутые), в которых адсорбент (поглощающее твердое или жидкое вещество) регенерируется и возвращается в цикл, а улавливаемый диоксид серы используется, и нециклические (разомкнутые), где регенерация адсорбента и других веществ не производится.

Технико-экономические расчеты показывают, что с увеличением содержания серы в топливе и соответственно концентрации диоксида серы в дымовых газах увеличивается целесообразность применения способов очистки с использованием уловленного диоксида серы.

Кроме того, методы сероочистки подразделяются на сухие и мокрые.

Мокрый известковый способ. Этот нециклический процесс наиболее развит и является самым распространенным на электростанциях США, Японии, Германии и др. Он обеспечивает очистку газов на 90 % от S02. Метод основан на нейтрализации сернистой кислоты, получающейся в результате растворения диоксида серы наиболее дешевыми щелочными реагентами - гидратом оксида кальция (известью) или карбонатом кальция (известняком):

Са(ОН)2 + SO2 = СаSO3 + Н2О;

СаСО3 + SO2 = СаSО3 + СО2.

В результате этих реакций получается сульфит кальция, частично окисляющийся в сульфат СаSO4. Затем сульфит дооскисляется до сульфита кальция и используется составляющей материала (гипса).

Принцип действия. Дымовые газы после воздухоподогревателя поступают в золоуловитель. Затем газы дымососов направляются в скруббер для очистки от диоксида серы. Скруббер орошается водой, содержащей мелко размолотый известняк и продукты нейтрализации. Очищенные газы освобождаются от брызг раствора в брызгоуловителе, подогреваются в теплообменнике и выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. К вытекающей из скруббера закисленной жидкости добавляется свежая суспензия для нейтрализации кислоты. После этого жидкость, пересыщенная сульфитом кальция, выдерживается в течение некоторого времени в емкости с целью завершения процесса кристаллизации сульфита кальция и насосом направляется на орошение скруббера. Стечением времени в орошающей жидкости накапливаются кристаллы сульфита кальция и остатки летучей золы. Когда концентрация твердых частиц достигает примерно 10 - 15 % массы жидкости, часть суспензии выводится из цикла на золоотвал или для получения товарного продукта. Приготовление суспензии известняка проводится путем его дробления и размола.

При всех мокрых способах очистки дымовых газов от оксидов серы температура уходящих газов понижается со 130 до 50 °С. Подогрев обычно осуществляется газообразным топливом или теплотой неочищенных газов. Количество затрачиваемого топлива составляет около 3 %, топлива, расходуемого на котел. Подогрев газов осуществляется для обеспечения рассеивания после входа их из дымовой трубы. Одним из сложных процессов при очистке дымовых газов «мокрыми» методами является эффективное улавливание брызг орошающего раствора из газов, выбрасываемых в атмосферу. Капли суспензии, орошающей скруббер и содержащей много взвешенных частиц, осаждаясь на поверхности элементов брызгоуловителей, образуют с течением времени отложения, увеличивающие гидравлическое сопротивление аппаратов и требующие периодической очистки.

В последние годы в Германии, Японии и других странах для борьбы с отложениями, к реагентам, особенно на базе извести, применяют добавки, например небольшое количество карбоновой кислоты. Эти добавки позволяют получать не суспензию, а прозрачный раствор извести. В результате удается избежать основной трудности при эксплуатации известковых установок, заключающейся в значительных твердых отложениях на стенках скруббера.

Мокро-сухой способ. Этот нециклический способ нашел широкое применение в странах Западной Европы и США главным образом при сжигании углей с содержанием серы от 0,5 до 1,5 %. В основе метода - поглощение диоксида серы из дымовых газов испаряющимися каплями известкового раствора. Эффективность сероулавливния более 90 %.

Дымовые газы очищаются от золы в золоуловителе и поступают в сушилку, служащую одновременно реактором. В сушилку из промежуточной емкости подается тонко распыленная смесь свежего и отработанного растворов извести. Сухие продукты реакции осаждаются в пылеуловителе, а газы, очищенные от диоксида серы поступают в дымовую трубу. В узле уловленная смесь сульфата кальция термическим окислением перерабатывается в конечный продукт - строительный материал.

Преимуществами мокро-сухого способа очитки дымовых газов от SO2

являются:

получение продукта в сухом виде;

отсутствие сточных вод;

высокая (~ 1) степень использования реагента;

умеренное аэродинамическое сопротивление системы.

Недостаток этого способа заключается в отказе от использования дешевого известняка и применение высококачественной извести.

Магнезитовый циклический способ наиболее подробно изучен. Способ

испытан на опытно - промышленной установке Северо-донецкой ТЭЦ. Любой циклический способ несоизмерим по громоздкости с нециклическими вариантами.

Сущность этого способа заключается в связывании диоксида серы суспензией оксида магния по реакции:

MgO + SO2 = MgSO3

Сульфит магния взаимодействует с диоксидом серы, образуя бисульфит магния:

MgSO3+ SO2 + Н2O = Mg (Н SO3)2

Бисульфит магния нейтрализуется добавлением магнезита:

Mg (Н SO3)2+ MgO = 2 MgSO3+ Н2O.

Образовавшийся сульфит магния в процессе обжига при температуре 800 - 900°С подвергается термическому разложению с образованием исходных продуктовпо реакции:

MgSO3= MgO + SO2.

Оксид магния возвращается в процесс, а концентрированный диоксид серы может быть переработан в серную кислоту или элементарную серу. Дымовые газы очищаются от оксидов серы до концентрации 0,03 % в скруббере, а образовавшийся раствор направляется в циркуляционный сборник, откуда часть раствора подается в напорный бак и возвращается на орошение скруббера, а другая часть - в нейтрализатор для выделения сульфата магния.

Основными недостатками магнезитового циклического способа являются: наличие сернокислого производства и многочисленных операций с твердыми веществами (кристаллами сульфита, золы, оксида магния), что связано с износом оборудования и пылением.

Аммиачно-циклический способ основан на обратимой реакции, протекающей между растворенным сульфитом и бисульфитом аммония и диоксидом серы, поглощенной из дымовых газов:

(NH4)2 S03 + SO2 + Н2О=2 NH4 НSO3.

При температуре 30 - 35 °С эта реакция протекает слева на право, а при кипячении раствора - в обратном порядке. Аммиачно- циклический способ позволяет получать сниженный 100%-ный сернистый ангидрид и сульфат аммония - химические продукты, необходимые народному хозяйству.

Озонный способ одновременной очистки дымовых газов от оксидов серы и азота. Все рассмотренные выше способы позволяют очищать дымовые газы ТЭС только от диоксида серы, а также от хлористых и фтористых соединений. Что же касается оксидов азота, присутствующих в дымовых газах на 90 - 95 % в виде монооксида, то они улавливаются в незначительном количестве. Это объясняется тем, что реакционная способность оксида азота на три порядка меньше по сравнению с реакционной способностью диоксида серы. Озонный способ позволяет производить окисление озоном низших оксидов азота и отчасти серы с последующим связыванием аммиаком.

Дымовые газы от энергоблока , сжигающего донецкие угли, пройдя очистку от золы в мокром золоуловителе с эффективностью 94 - 96 %, по газоходу направляется на установку. В качестве абсорбционного устройства используется аппарат, состоящий из трехступенчатого коагулятора Вентури и каплеуловителя. Газы поступают в коагулятор, куда одновременно через двух канальные эжекционные форсунки подаются орошающая жидкость и озон. В каплеуловителе происходит разделение двухфазного потока: очищенные дымовые газы направляются в дымовую трубу, а орошающая жидкость - в циркуляционную емкость. Затем раствор циркуляционными насосами вновь подается на орошение газов в коагулятор Вентури. В результате окисления озоном низшие оксиды азота N0 и N02 переходят в высшие, главным образом в N205. Одновременно окисляется и диоксид серы до SO3. При контакте с водой образуется смесь азотной и серной кислот. Эту смесь нейтрализуют вводом аммиачной воды в циркуляционную емкость. Полученные в результате нейтрализации кислот нитриты и сульфаты выводят из цикла для последующего использования в качестве удобрений смеси из аммиачной селитры NH4N03 и сульфата аммония (NH4)2SO4. Одновременно эти удобрения обогащаются биогенными микроэлементами из золы (медь, марганец, бор, фосфор и др.), которые стимулируют рост растений.

Основные недостатки озонного метода: высокая энергоемкость производства озона, достигающая 6 - 10 % мощности энергоблока и коррозионная агрессивность смеси азотной и серной кислот.

Сухой известняковый (аддитивный) способ является наиболее простым и требует наименьших капиталовложений.

Сущность способа заключается в добавлении к сжигаемому топливу известняка или доломита в количестве, примерно в 2 раза превышающем стехиометрическое содержание серы в исходном топливе.

В большинстве случаев в горелки подаётся смесь угольной пыли с молотым известняком. В топке при горении угольной пыли известняк - углекислый кальций - диссоциирует на углекислоту и оксид кальция, а последний, двигаясь совместно с продуктами сгорания по газоходам котла, взаимодействует с серным и сернистым ангидридом, образуя сульфит и сульфат кальция. Сульфат и сульфит кальция вместе с золой улавливаются в золоуловителях. Свободный оксид кальция, содержащийся в золе топлива, также связывает оксиды серы.

Основным недостатком этого способа очистки газов является образование прочных отложений золы и сульфата кальция на поверхностях нагрева в области температур 700 - 1000 °С.

Подводя итог рассмотрению различных, по сути химических способов очистки дымовых газов ТЭС от диоксида серы, следует отметить, что капиталовложения в нециклические способы очистки составляют около 10-15 %, в циклические - 30-40% стоимости энергоблока.

Мокрые золоуловители также могут использоваться для улавливания диоксида серы. Циклические методы могут быть рентабельными при содержании серы в топливе свыше 3,5-4%. В остальных случаях экономически целесообразнее применять мокрый известняковый или мокро-сухой известковый метод. Дальнейшее развитие и совершенствование методов очистки дымовых газов ТЭС от оксидов серы направлено на достижение безотходной технологии.

Переработка сернистых топлив перед их сжиганием

Твердое топливо. В твердом топливе сера содержится в следующих формах: колчедана FeS2, органической и сульфатной серы. Органическая сера равномерно распределена в массе угля и не может быть удалена путем сухого или мокрого обогащения. Сульфатная сера составляет незначительную часть общей серы. Содержание колчеданной серы для некоторых разновидностей угля очень велико. Например донецкий уголь содержит 55-74 % колчеданной серы от общего ее содержания. Поэтому особый интерес приобретает возможность сокращения выброса диоксида серы на ТЭС путем удаления из топлива колчеданной серы, что значительно проще, чем очистка дымовых газов от SO2. Дополнительным преимуществом предварительной (перед сжиганием) очистки топлива от серы является повышение эффективности и надежности котельных установок, снижение коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева.

Колчедан (пирит) представляет собой минерал кристаллического строения, золотисто-желтого цвета, вкрапленный в уголь. Плотность колчедана составляет 4,85-5,1 г/см , т.е. в 2,5 раза больше плотности угля. Колчедан является сырьем для сернокислотных и металлургических заводов.

Имеется несколько способов извлечения колчеданной серы: с помощью гравитационных воздушных сепараторов. Такая установка испытана на Каширской ГРЭС. Из подмосковного угля удалось извлечь до 75 % колчедана; химическим методом, состоящим из четырех этапов: измельчение, нагревание, химическая обработка пентакарбонилом железа и обогащение (т.е. извлечение колчедана) магнитным способом. Этот метод позволяет удалить до 85 % колчеданной серы.

Чтобы отделить от угля не только колчеданную, но и органическую серу, необходимо применять сложные и дорогостоящие процессы. Наиболее перспективным является применение внутрицикловой газификации твердого топлива.

Для решения экологических задач, и в первую очередь, снижения выбросов оксидов серы, последние годы много внимания уделяется сжиганию твердого топлива в кипящем слое и созданию парогазовых установок с газификацией угля. Дробленное топливо смешивается с инертным материалом (например, кварцевым песком или дробленым шлаком) и сорбентом (известняком или доломитом), связывающим оксиды серы, и сжигается при температурах 800-900 °С над распределительной решеткой. Снизу решетки подводится воздух для обеспечения псевдосжиженого (классического) кипящего слоя.

Парогазовые установки также представляют собой перспективное направление по значительному снижению вредных выбросов ТЭС. Твердое топливо газифицируется в газогенераторе, содержащаяся в угле сера переходит в сероводород. Затем газ проходит систему очистки от сероводорода и пыли и поступает в камеру сгорания газовой турбины. Для повышения КПД цикла выхлоп газовой турбины направляется в утилизационный парогенератор. Полученный пар отдает свою энергию в обычной паровой турбине, находящейся на одном водопроводе с электрическим генератором.

Литература

1. Жабо В. В. Охрана окружающей среды на ТЭС и АЭС. Москва:Энергоатомиздат, 1992.

2. Энергетика и охрана окружающей среды /Под редакцией Залогина Н. Г., Кропина Л. И., Кострикрва Ю. М. Москва: Энергия, 1979.

3. Рихтер Л. А., Волков Э.П., Покровский В.Н. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов ТЭС. Москва.: Энергоатомиздат,1981.

Размещено на Allbest.ru