I воля

-

Подставляя значения е₀, е_ч и ц в формулу (2.9), получаем для обычных условий эксплуатации работы электрофильтров упрощенное выражение для скорости дрейфа

v = 0,25 Е₃ Е_ос d. (2.10)

Для дальнейшего упрощения заменим произведение Е₃ Е_ос на сред­нюю напряженность поля Е в квадрате и получим

v = 0,25E²d. (2.11)

Под средней напряженностью поля будем понимать

E=Ult, (2.12)

где U— напряжение, подведенное к электрофильтру, кВ; t — расстояние между осадительным и коронирующим электродами, м.

ве серы

На работу электрофильтра существенное влияние оказывает удельное электрическое сопротивление золы р_у, Ом/см. На рис. 2.10 показана зависимость р от температуры дымовых газов и от содержания в топли­ S ^р.

53

Зона повышенной эффективности работы

233 ', °С

2x10 10

р_у, Ом/см

Рис. 2.10. Зависимость электрического сопротивления золы от температуры и кон­центрации в топливе серы S^p

10⁷ <

Наиболее эс]

рективно улавливается зола, для которой 2' 10' < р_у

<8* 10'. Степень улавливания существенно снижается при log p_y > 9. В этом случае образуется так называемая «обратная корона», когда про­исходят перезарядка осевших частиц золы и их обратный выброс в газо­вый поток. Кроме того, при высоких значениях удельного электрического сопротивления золы падает скорость дрейфа частиц, что, как видно из формулы (2.8), снижает эффективность работы электрофильтра. Особен­но существенно падает скорость дрейфа частиц при удельном сопротив­лении золы свыше 2-10 Ом/см.

Сущность явления образования «обратной короны» состоит в том, что при высоком электрическом сопротивлении золы проводимость слоя пы­ли, осевшей на электроде, оказывается малой, что увеличивает падение напряжения в слое и уменьшает его падение в газовом промежутке. При общей высокой разности потенциалов происходит перезарядка осевшей на осадительном электроде золы с отрицательного на положительный знак, нарушается на некоторых участках электрода поверхность слоя и в межэлектродное пространство происходит выброс обратных по знаку ионов (положительных вместо отрицательных). Одним из косвенных по­казателей «обратной короны» является расхождение восходящей и нис­ходящей характеристик поля (вольт-амперная характеристика электро­фильтра, или зависимость тока короны, мА, от напряжения, кВ).

Высокой степени очистки дымовых газов малосернистых углей с вы­соким удельным электрическим сопротивлением летучей золы можно достичь в основном двумя способами.

54

07ЙО

6000 6000 6000

3000

, кон-

_Ж.

с вы-

*ОЖНО

Рис. 2.11. Двухступенчатый золоуловитель для золы топлив с высоким удельным электрическим сопротивлением:

/ — вход запыленных газов; 2 — мокрый скруббер; 3 — подвод орошающей воды мок­рого скруббера; 4 — швеллерная решетка для задержания капель; 5 — газораспредели­тельные решетки; б — система осадительных электродов; 7 — бункера для уловленной золы; 5 — выход очищенных и увлажненных дымовых газов

Первый способ — размещение электрофильтра до воздухоподогрева­теля в зоне относительно высоких температур газов (200—300 °С), когда удельное сопротивление золы резко падает (рис. 2.10).

Второй способ — кондиционирование дымовых газов, осуществляе­мое впрыском химического агента, снижающего удельное электрическое сопротивление летучей золы (вода, аммиак, сернистый ангидрид, извест­ковое молоко и другие вещества).

Удобной оказалась установка мокрого золоуловителя — скруббера — перед электрофильтром (рис. 2.11).

Следует заметить, что высокотемпературные электрофильтры не на­шли применения в России: напротив, распространено охлаждение дымо­вых газов. Неоднозначные результаты получены при использовании вы­сокотемпературных электрофильтров и за рубежом, например в США.

Одной из причин ухудшения работы электрофильтров является вы­сокая концентрация золы в дымовых газах, что наблюдается при много­зольных топливах с приведенным параметром А " > 10 (приведенная золь-

55

4 6 7 5

•ah

5 6

Рис. 2.12. Горизонтальный трехпольный электрофильтр

/ — вход запыленного газа; 2 — выход очищенного газа; 3 — газораспределительная ре­шетка; 4'— защитная коробка для подвода электрического тока высокого напряжения; 5 — рама коронирующих электродов; б — осадительный электрод; 7 — механизм встря­хивания коронирующих электродов; 8 — механизм встряхивания осадительных электро­дов; 9 — корпус электрофильтра; 10 — золовой бункер; // — газоотражательные пере­городки бункеров; 12 — подъемная шахта; 13 — газораспределительные объемные эле­менты; 14 — конфузор за электрофильтром

ность топлива определяется по формуле А^п -A^P/Q^V_K (где А^р— зольность

на рабочую массу топлива; Q ^р_н — низшая рабочая теплота сгорания

Г кг "1 топлива) и имеет единицу, обозначаемую так: % ). В этом случае

L мдяо

рекомендуется комбинировать электрофильтры с предвключенными ме­ханическими золоуловителями (в частности, с батарейными циклонами). На степень улавливания большое влияние оказывает скорость газов, причем в отличие от циклонных золоуловителей степень улавливания золы в электрофильтрах растет с уменьшением скорости. Поэтому для углей с высоким удельным электрическим сопротивлением золы прихо­дится принимать малые скорости газового потока (и = 1—1,2 м/с), а для прочих топлив и = 1,6—1,8 м/с. Для газового потока с низкой скоростью необходима установка электрофильтров очень большого поперечного се­чения, что ведет к большим расходам металла и высоким капитальным затратам.

56

б)

Рис. 2.13. Газораспределительное устройство электрофильтров

а — газораспределительное устройство МЭИ для подвода газов снизу; 1 — подъемная шахта; 2 — скошенная часть подъемной шахты; 3 — решетка из объемных элементов; 4 — форкамера; 5 — перфорированнные плоские газораспределительные решетки с по­лезным относительным сечением/= 0,5; 6— активное поле электрофильтра; б— газо­распределительное устройство с диффузором при горизонтальном подводе газов/, = 0,7,

Эффективность работы электрофильтра во многом зависит от равно­мерности поступающего потока, а также от рациональной организации потока в электрофильтре. Необходимо обеспечить равномерный по сече­нию поток и отсутствие проскока части запыленного газа в бункера под полями электрофильтров. Наилучшее равномерное распределение потока получается при использовании бездиффузорного газораспределительного устройства МЭИ с объемными элементами треугольной формы, а сниже­ние холостого потока (потока в обход электрических полей) — через бункера с помощью наклонных газоотражательных устройств (рис. 2.12).

На рис. 2.13 показаны варианты газораспределительных устройств электрофильтров при разном взаимном расположении воздухоподогрева­теля и электрофильтра.

Для глубокой очистки дымовых газов для экологически безопасных ТЭС требуются многопольные электрофильтры с числом полей от 4 до 8. Один из вариантов такого электрофильтра был представлен на рис. 2.11, другой вариант дан на рис. 2.14. Здесь изображен четырехпольный элек­трофильтр для энергоблока мощностью 800 МВт. Чтобы обеспечить тре­буемую малую скорость движения дымовых газов в электрофильтре, при-

57

58

ходится из-за большого расхода газов применять двухъярусную компо­новку электрофильтров. При этом зола из верхнего яруса просыпается в бункера нижнего яруса через щели, образованные осадительными элек­тродами нижнего яруса, из которого частично удалены коронирующие электроды.

Такие электрофильтры позволяют достигать высокой степени улавли­вания (КПД электрофильтра) г| = 99,5—99,8 % при гидравлическом со­противлении электрофильтра не более 150 Па.

Для удаления золы углей с неблагоприятными электрофизическими свойствами, как уже отмечалось, приходится прибегать к кондициониро­ванию поступающих в электрофильтр дымовых газов. Так, перед элек­трофильтрами, улавливающими золу экибастузских углей, устанавлива­ют мокрые скрубберы (см. рис. 2.11), где благодаря подаче в поток дымо­вых газов воды происходит снижение их температуры на 30—50 °С с од­новременным увеличением их влажности. Это приводит к снижению удельного электрического сопротивления золы и к лучшему ее улавлива­нию в электрофильтре. При этом можно получить очистку дымовых га­зов до концентрации порядка 30—50 мг/м и г) = 99,8 %.

2.7. ТКАНЕВЫЕ ФИЛЬТРЫ

2.7.1. Конструкции и технические характеристики

В настоящее время в энергетике получают применение тканевые фильтры, использовавшиеся ранее в других отраслях промышленности для улавливания пыли [2.5—2.13]. Поскольку электрофильтры плохо улавливают частицы размером 10 мкм и меньше, это стало причиной то­го, что в США на новых ТЭС электрофильтры заменяют рукавными фильтрами. Фильтрация в них осуществляется через гибкую ткань, изго­товляемую из тонких нитей диаметром 100—300 мкм. Фильтры благода­ря цилиндрической форме получили название рукавных. С помощью тка­невых фильтров можно достичь высокой степени улавливания пыли до 99,9 %. Их использование связано с рядом условий. Скорость газового потока через ткань должна быть очень низкой — порядка 0,01—0,02 м/с. Даже при таких скоростях гидравлическое сопротивление оказывается высоким (около 0,5—1,5 кПа). Наибольшую трудность при эксплуатации представляет удаление осевшей на ткани золы. Для этого применяется

Рис. 2.14. Четырехпольный двухъярусный электрофильтр

1а, 16 — вход запыленных газов в верхний, нижний ярусы; 2а, 26 — выход очищенных газов из верхнего, нижнего ярусов; 3 — корпус; 4а, 46 — верхний, нижний бункера золы; 5 — канал для поступления золы из верхнего бункера в нижний; 6 — осадительный элек­трод; 7 — коронирующий электрод; 8 — встряхивающий механизм осадительных элек­тродов; 9 — рама коронирующих электродов; 10 — подвод высокого напряжения к коро-нирующим электродам; // — электрообогрев бункера; /2 — газораспределительная

решетка

Трубная доска

Продувка рукава воздухом

Выход очищенных

Неочищенные

дымовые

газы

Уловленная пыль в бункер

Крючья растяжек

Рис. 2.1S. Устройство и принцип действия тканевого рукавного фильтра с подачей запыленного потока с периферии в рукав. Слева — рукав в режиме очистки про­дувкой воздухом, справа — рукав в режиме очистки дымовых газов

механическое встряхивание либо продувка воздухом в обратном направ­лении, причем на это время очищаемая секция, как правило, должна отъ­единяться от газового потока шиберами.

Тканевые фильтры должны быть изготовлены из материала, выдержи­вающего высокую температуру уходящих газов котла. Материал фильтра должен быть стойким к повышенной влажности и влиянию химических соединений. В качестве материала фильтров для работы при температуре газов до 130 °С нашли применение шерсть или шерстяной войлок, при температуре около 260 °С используется стекловолокно и стекловолокно с графитом, применяется также оксалин (до 250 °С). Длительность работы ткани составляет 1—3 года.

Устройство и принцип действия тканевого рукавного фильтра показа­ны на рис. 2.15.

На рис. 2.16 схематично представлена конструкция многокамерного рукавного фильтра. Число рукавов в одной камере может быть 100 и бо­лее. Дымовые газы проходят снизу внутрь рукавов, осаждение частиц пыли осуществляется на внутренней поверхности стенки рукава. При ре­генерации одна из камер с помощью клапана отключается от подачи ды­мовых газов и прилипшие к ткани слои пыли удаляются с помощью встряхивания или вибрации рукавов. Кроме того, отделению пыли спо­собствует струя сжатого воздуха, направляемая против движения процес­са фильтрации. Отделившаяся пыль падает в пылесборник, находящийся под рукавами и удаляется с помощью шнеков из фильтровального по­мещения.

60

Пыль

II. '

«■ имей

Рис. 2.16. Многокамерный рукавный фильтр (4 камеры по 8 рукавов) с подачей за­пыленного потока снизу внутрь рукавов. Р— секция на регенерации с продувкой воздухом под давлением снаружи внутрь рукавов

Фильтры с регенерацией встряхиванием имеют специальные колотуш­ки, расположенные на наклонных рамах, на которых крепятся рукава. К недостаткам этого метода относится быстрый износ ткани рукава. По этой причине, особенно при использовании стеклоткани для регенерации фильтров, используют вибраторы, осуществляющие горизонтальные тря­сущие либо полоскательные движения рукавов. Такие фильтры конструк­тивно выполняются многокамерными с подачей дымовых газов внутрь рукавов. Регенерация фильтра осуществляется с помощью сжатого возду­ха низкого давления. Избыточное давление воздуха не превышает 10 Па. Такая регенерация является щадящей, при этом срок эксплуатации рука­вов достигает 16 тыс. ч. Ресурс фильтрующей ткани определяется появле­нием дефектов в ткани либо ростом ее сопротивления из-за склеивания пор. Рукава обычно имеют следующие размеры: диаметр 300 мм, длину

10 м. Площадь фильтрации одного рукава составляет Юм.

Широкое распространение получили также рукавные фильтры, в кото­рых регенерация осуществляется воздухом при высоком избыточном дав­лении (рис. 2.17). Этого удалось достичь благодаря использованию в ка­честве фильтрующего материала игольчатого войлока, имеющего высо­кую прочность. В фильтрах этого типа дымовые газы подаются в рукав всегда снаружи (с периферии). Для регенерации фильтров кратковремен­но сверху вниз в рукав «выстреливают» струю воздуха при высоком дав-

61

Воздух под

давлением

\

Фаза фильтрации

Арматура

Рис. 2.18. Фазы функционирования тканевого рукавного фильтра

<— Рис. 2.17. Тканевый рукавный фильтр

лении со скоростью звука. Происходят встряхивание и деформация рука­ва, который вздувается, благодаря чему слой пыли стекает вниз и удаля­ется (рис. 2.18). Можно регенерировать как отдельные рукава, так и ряды рукавов, отключать подачу дымовых газов в этом случае не обязательно. Процесс регенерации продолжается от 100 до 300 мс. Для таких фильт­ров нет необходимости иметь многокамерную конструкцию. Давление

воздуха в резервуаре для регенерации варьируется от 0,5 • 10 Па до 7- 10⁵Па.

Тканевые фильтры и электрофильтры требуют приблизительно одина­ковых капитальных и эксплуатационных затрат, но в отличие от электро­фильтров тканевые электрофильтры проще в эксплуатации и более эф­фективны [2.14].

Кроме рукавных тканевых фильтров находят применение и карманные тканевые фильтры, хотя они и менее распространены. Фильтрующая ткань в них выполняется в форме прямоугольных плоских карманов, за­крепленных на специальных рамах. Поток дымовых газов проходит через наружную поверхность ткани внутрь кармана. Таким образом очистка дымовых газов от золы происходит на наружной стороне ткани.

Преимущество карманной конструкции фильтров заключается в воз­можности вывести из процесса работы любую отдельную камеру без вы­ключения всей фильтровальной установки. Кроме того, есть возможность наращивания установки добавочными камерами. Вместе с тем, при оди-

62

...■«-:>ра

i иння

Пни» -та

-УЙ

:лна-г<тро-

mais; эф-

»~-ные

Гг1

шоз-

ж

наковых габаритных размерах в установке с рукавными фильтрами мож­но разместить большую фильтрационную поверхность, чем в установке с карманными тканевыми фильтрами. Обычно камерные фильтры приме­няют на малых энергоустановках.

что соответствует показателям

Использование тканевых фильтров позволяет довести степень очистки дымовых газов до 99,9 % и снизить содержание золовых частиц в уходя­щих газах котлов ТЭС до 35—50 мг/м , экологически безопасных ТЭС.

2.7.2. Опыт освоения тканевых фильтров

Опыт освоения рукавных фильтров на ТЭС накапливался в США с 60-х годов. Здесь приведен опыт одной из промышленных проверок в США гибридной технологии золоулавливания, включающей в себя предвключенную ступень электростатической очистки и ступень фильт­рации на тканевом фильтре. Эта технология перспективна, но нуждается в дальнейшей проверке и отработке, особенно на ТЭС РФ.

Опыт освоения тканевого фильтра рассмотрим на примере внедрения системы Cohpac на ТЭС Gaston (США) [2.13].

Полномасштабная система Cohpac на ТЭС Gaston, спроектированная и поставленная компанией Research-Cottrell, является первой установкой, размещенной за «горячим» электрофильтром и за воздухоподогревате­лем. («Горячим» называют электрофильтр, расположенный перед возду­хоподогревателем, в отличие от «холодного», который устанавливают за воздухоподогревателем.) Из-за недостатка свободных площадей рукав­ные фильтры были размещены в выведенном из эксплуатации корпусе «холодного» электрофильтра, находившемся непосредственно под «горя­чим» электрофильтром (рис. 2.19).

Тепловая электростанция состоит из четырех пылеугольных энерго­блоков мощностью по 272 МВт и одного блока мощностью 900 МВт. Все они оборудованы «горячими» электрофильтрами. В котлах сжигаются малосернистые битуминозные угли. Система была рассчитана на расход

дымовых газов 1818 тыс. м /ч при температуре 143 °С. По проекту

удельный выброс твердых частиц должен был уменьшиться до 0,18 г/м³, т.е. до 0,0086 г/МДж. В отличие от других установок типа Cohpac, эта система предназначалась для проведения очистки без останова, в режиме с использованием сжатого воздуха повышенного давления.

Золоуловитель Cohpac состоит из четырех секций — по две на возду­хоподогреватель. Каждая секция — это два пакета, содержащих 544 ру­кавных фильтра высотой 7,01 м из ткани Ryton. Корпус тканевого фильт­ра делится на две части, между которыми находится канал для прохода дымовых газов. Этот байпасный (обводной) канал может быть полностью или частично открыт. Каждая секция оборудована жалюзийным шибером на входе и отсечным на выходе, что позволяет надежно изолировать нуж­ный участок для осмотра или для замены рукавных фильтров.

63

Предохранительный ыгашн-диафрапга

Подвод очищающего воздуха

1 (выравнивающий) ; экран

" Привод воздушного клапана

Рис. 2.19. Полномасштабный тканевый фильтр системы Cohpac на ТЭС Gaston (США)

а — компоновка фильтра; б — система продувки рукавных фильтров

т

По имеющимся сведениям система Cohpac на ТЭС Gaston работает ис­ключительно надежно, даже в те периоды, когда характеристики топлива были далеки от идеальных.

В периоды, когда запыленность дымовых газов повышалась, система автоматически настраивалась на требуемую частоту продувок. Обычно время между продувками рукавных фильтров составляло от 3 до 5 ч. Од­нако в тех случаях, когда запыленность на входе увеличивалась, частота продувок автоматически возрастала вплоть до режима непрерывной про­дувки.

Приемные испытания системы были проведены в мае 1997 г. Измерен­ная концентрация твердых частиц оказалась значительно меньше допус­тимого значения. Усредненная по результатам пяти опытов запыленность дымовых газов составила всего лишь 0,00215 г/МДж. После эксплуата­ции установки в течение 2100 ч несколько рукавных фильтров было изъ­ято для осмотра. Все они оказались в хорошем состоянии, имели мини­мальную потерю прочности и не обнаруживали следов вдавливания от проволочного каркаса.

X -

с =

% z

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛ. 2

1. Расскажите о перспективах использования природного газа в энергетике и о возмож­ ности перехода в будущем на твердое топливо.

2. Какова зольность твердых топлив РФ и Казахстана?

3. Каковы нормативы выбросов летучей золы в атмосферу от ТЭС РФ?

4. Какова доля выброса твердых частиц с дымовыми газами из пылеугольных топок раз­ личных типов?

5. Расскажите о способах золоулавливания и об основных типах золоуловителей, ис­ пользующихся на ТЭС.

6. Какова зависимость степени очистки дымовых газов котлов от скорости газа в ци­ клонных золоуловителях?

7. Каковы причины появления в технике золоулавливания батарейных циклонов?

8. В чем заключается преимущество мокрых инерционных золоуловителей по сравне­ нию с сухими циклонами?

9. В чем заключается принцип действия электрофильтра?

10. В чем заключается конструктивная особенность коронирующих электродов (в отли­ чие от осадительных) в электрофильтрах?

11. Что такое- параметр золоулавливания электрофильтров и от каких факторов он за­ висит?

12. Как влияют на работу электрофильтра электрические свойства летучей золы?

13. В чем заключается сущность явления «обратной короны» в электрофильтрах?

14. Как зависит степень золоулавливания в электрофильтре от скорости дрейфа частиц золы?

15. Как выполняются газораспределительные устройства в электрофильтрах и какова их эффективность?

16. В чем причина перехода от электрофильтров к тканевым фильтрам в теплоэнерге­ тике?

17. Назовите требования к материалам тканевых фильтров.

18. В чем заключается принцип действия тканевого рукавного фильтра?

19. Каковы конструктивные особенности карманных тканевых фильтров?

3 Зак. 699 65

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛ. 2

1. Экологические аспекты устойчивого развития теплоэнергетики России / Под общ. ред. Р.И. Вяхирева. М.: Издательский дом «Ноосфера», 2000.

2. Природоохранные технологии ТЭС: Сб. научн. статей / Под ред. Г.Г. Ольховского, А.Г. Тумановского, В.П. Глебова. М: ВТИ, 1996.

3. Повышение эффективности и экологической безопасности сжигания углей на электростанциях Сибири. Красноярск: Сиб. ВТИ, 1995.

4. ГОСТ 17.2.3.02-78. Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допусти­ мых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями. М.: Изд-во стан­ дартов, 1978.

5. Рихтер Л.А., Волков Э.П., Покровский В.Н. Охрана водного и воздушного бассей­ нов от выбросов ТЭС. М: Энергоатомиздат, 1981.

6. ГОСТ Р 52831-95 Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования. М.: Изд-во стандартов, 1995.

7. ВНТП 81. Нормы технологического проектирования тепловых электростанций и тепловых сетей. Министерство энергетики и электрификации СССР. М., 1981.

8. Развитие теплоэнергетики: Сб. научн. статей / Под ред. А.Ф. Дьякова, Г.Г. Ольхов­ ского. М.: ВТИ, 1996.

9. Материалы Междунар. научно-практ. конф. «Экология энергетики 2000». Москва, 18—20 октября 2000 г. М.: Изд-во МЭИ, 2000.

10. Развитие технологий подготовки и сжигания топлив на электростанциях: Сб. научн. статей / Под ред. А.Г. Тумановского, В.Р. Котлера. М.: ВТИ, 1996.

11. Перспективы развития тепловых электростанций на твердом топливе/Ю. К. Семе­ нов, А.Ф. Дьяков, В.И. Доброхотов и др. // Теплоэнергетика. 1992. № 1. С. 2—7.

12. Кейт Джонс. Новая система золоулавливания для крупных угольных ТЭС // Миро­ вая электроэнергетика. 1998. № 4. С. 44—46.

13. VGB-Konferenz. «Fossilbefeuerte Dampfkraftwerke mit fortgeschrittenen Auslegung- parametren» Denmark. 1993.

14. JGCC-A Progressive and Profitable Power Plant Technology Power-Gen. Europe'97. June 17—19. 1997.

.

1ШУ-

н

" г

•лв-

«,

ь.

Глава третья

СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСА СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ В АТМОСФЕРУ

3.1. НОРМАТИВЫ ВЫБРОСА СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ В АТМОСФЕРУ

К числу загрязнителей чистого воздуха следует отнести все вещества, изменяющие его естественный состав. Естественный состав чистого воз­духа [3.1] приведен ниже:

Компонент Объемная концентрация, %,

в расчете на сухой воздух

Кислород О₂ 20,93

A3otN₂ 78,10

Аргон Аг 0,9325

Диоксид углерода СО₂ 0,03—0,04

Водород Н₂ 0,01

Неон Ne 0,0018

Гелий Не 0,0005

Криптон Кг 0,0001

Ксенон Хе • 0,000009

Для определения загрязнения чистого воздуха используют массовую С_т или объемную C_v концентрации загрязнителей.

Объемная концентрация представляет собой объем данного вещества в объеме всего воздуха или смеси газов. Единицей измерения является

одна миллионная часть объема = 1 ppm (part per million) = 1 см /м . Эта концентрация не зависит от давления и температуры газа, и ее не нужно приводить к заданным условиям.

Массовая концентрация С_т характеризует массу вещества в 1 м газов и измеряется в граммах на 1 м или в миллиграммах на 1 м (г/м или

мг/м ). Она зависит от давления и температуры среды, и ее следует при­водить к нормальным физическим условиям (/ = 0 °С; р = 0,1013 МПа) с помощью соотношения

_ГА__Г (273+ ?_г) сюр ^{т т} 273 р_г ^-

67

Здесь С_т — массовая концентрация вещества (загрязнителя) при нор­мальных условиях; С_т — массовая концентрация вещества при произвольных давлении и температуре воздуха или газовой смеси; t_r — температура воздуха или газовой смеси, °С; р_г — давление воздуха или газовой смеси, МПа.

Массовую концентрацию необходимо пересчитывать для стандартных условий в соответствии с ГОСТ Р50831-95 [3.2]. Для паровых котлов та­кие условия характеризуют параметры: избыток воздуха в уходящих га­зах а = 1,4; t = О °С; р = 0,1013 МПа. Применительно к газотурбинным

установкам концентрацию вредных веществ определяют при тех же дав­лении и температуре и содержании кислорода в газах О₂ = 15 %.

Массовый выброс вредных веществ в окружающую среду в единицу времени обозначают М,, г/с. Этот же выброс за год (месяц, квартал) назы­вают валовым выбросом, т/год.

Часто требуется провести пересчет концентраций газа (загрязнителя) из одной концентрации (например, из объемной) в массовую. Пересчет проводится следующим образом:

Cm ~ Су Рн>

где р_н — плотность газа (загрязнителя) при нормальных условиях (при

/- 0 °С;_Р = 0,1013 МПа), мг/см³; р_н = молярная масса _мг/смз

22,4

Ниже представлен коэффициент пересчета р_н объемной концентрации

газа С_у, см /м (ррт), в его массовую концентрацию С_т, мг/м , для основных загрязнителей воздуха продуктами сгорания органического то­плива:

Вещество Коэффициент пересчета р_н, мг/см³

NO₂ 2,053

NO 1,339

SO₂ 2,926

СО₂ 1,977

СО 1,250

О₂ 1,429

H₂S 1,539

Далее по тексту главы массовые концентрации даются приведенными к стандартным условиям.

Тепловые электростанции являются источником выброса соединений серы в атмосферу.

Диоксид серы SO₂, содержащийся в дымовых газах, практически не влияет на процесс производства энергии. Триоксид серы SO₃ обусловли-

68

-

15

_I

вает сернокислотную точку росы. По ней выбирают температуру уходя­щих газов котлов, и она является одним из основных факторов эффектив­ной работы газоочистки.

Но практическое отсутствие воздействия SO₂ на процесс производства энергии «компенсируется» активным воздействием этого вещества на ок­ружающую среду: диоксид серы в атмосфере при воздействии озона, об­разующегося из кислорода воздуха под действием солнечного" света, окисляется до триоксида серы SO₃, который соединяется с водяным па­ром и образует пары серной кислоты.

Оксиды азота также окисляются до высших оксидов с конечным обра­зованием паров азотной кислоты HNO₃. Пары обеих кислот, плотность которых в 3—4 раза больше плотности воздуха, под действием гравита­ции и с атмосферными осадками, которые называют кислотными дождя­ми, поступают в почву. В результате пресноводные водоемы и реки за-кисляются, что приводит к потере части водной флоры и фауны и замене их другими, более стойкими, но не обеспечивающими необходимую ре­генерацию воды. К этому следует добавить, что смесь серной и азотной кислот по своей способности растворять металлы приближается к «цар­ской водке». Эта смесь постоянно растворяет тяжелые металлы, вносит их в пресную воду и таким образом воздействует на живые организмы.

Расчеты показывают, что примерно 50 % SO₂ выпадает из дымовых газов на почву в радиусе 15—25 высот дымовых труб. Этим объясняется принятое в большинстве промышленно развитых стран законодательство по диоксиду серы: обеспечивать не только заданную концентрацию в вы­брасываемых в воздух газах, но и степень улавливания SO₂ (около 60 % для котлов малой мощности и 90 % — для котлов большой мощности).

Если учесть, что скорости осаждения диоксида серы и субмикронных частиц летучей золы (наиболее обогащенных тяжелыми металлами) практически одинаковы, то закисление пресных водоемов и загрязнение их тяжелыми металлами происходят одновременно. Поэтому предотвра­тить этот процесс можно только уменьшением выбросов диоксида серы до значений, не снижающих регенеративные возможности природы.

Таким образом, действие диоксида серы двояко:

а) интенсивное загрязнение района размещения ТЭС;

б) стимулирование через кислотные дожди интенсивного поступления тяжелых металлов в пресные водоемы и сельскохозяйственные про­ дукты.

С учетом всех последствий попадания диоксида серы в окружающую среду современной считают такую ТЭС, которая имеет необходимые га­зоочистные сооружения, обеспечивающие производство экологически чистой энергии.

Наличие в дымовых газах диоксида серы обусловлено постоянным присутствием в твердом и жидком топливе (и в природном газе некото­рых месторождении) различных соединений серы — сульфидов и орга-

69

Таблица 3.1. Нормы выброса S0₂

Производительность котла D, т/ч

Приведенное со­держание серы S_np,

у КГ

МДж

Массовый выброс*

SO,, кг/т

ция*

Массовая концентра-

в дымовых

газах при а = 1,4, мг/м³

До 420 Не менее 420

Котельные установки, вводимые на ТЭС до 31 декабря 2000 г.

2000 3400

2000 3000

< 0,045

> 0,045

< 0,045

> 0,045

Котельные		установки,	вводимые на ТЭС с 1 января 2001 г.
До 320		<0,45 > 0,45		14,7 17,8		1200 1400
320—400		<0,45 >0,45		11,7 13,1		950 1050
400—420		<0,45 >0,45		8,8 8,8		700 700
Не менее 420		—		8,8		700

* Массовый выброс серы при расходе топлива в условном исчислении, т. ** При нормальных физических условиях, рассчитанных на сухие газы.

нических соединений. При окислительном сжигании топлива сера окис­ляется до диоксида:

O,

SO₂.

Восстановительное сжигание для получения генераторного газа производит сероводород H₂S, который затем сгорает, образуя тот же диоксид:

2H₂S

2SO₂

ЗО₂

2Н₂О.

2 ^ov-/^

Месторождения высокосернистых углей в России находятся в евро­пейской части страны-и на Урале. Угли Сибири и Дальнего Востока обычнб имеют малое содержание серы. Отечественные энергетические мазуты содержат 2—3,5 % серы. Попытка организовать в 90-х годах про­изводство малосернистых мазутов в качестве резервного топлива с со­держанием серы около 0,5 % для сезонного сжигания оказалась неудач­ной из-за отсутствия финансирования.

Во вновь сооружаемых и реконструируемых котельных установках должны соблюдаться требования ГОСТ Р50831-95 (табл. 3.1) [3.2], кото­рый нормирует предельные удельные выбросы диоксида серы для котлов разной тепловой мощности в зависимости от приведенной сернистости топлива. Эти удельные выбросы п", г/МДж, отнесены к 1 МДж тепла сожженного топлива, что исключает необходимость учета присосов воз-70

духа в газовый тракт. Удельные выбросы легко привести к концентрации С_т, г/м³:

С =и"—

где £?£ — низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; Г_г — удельный объем дымовых газов, образующихся при сжигании 1 кг топлива и задан­ном коэффициенте избытка воздуха, м³/кг.

Концентрация диоксида серы и его удельные выбросы связаны между собой:

Исходные удельные выбросы диоксида серы п', г/МДж, без учета его связывания в топочной камере щелочными компонентами золы рассчи­тываются так [3.7]:

п' = 20S",

i

3-

кг

где S = S /О„ — приведенная сернистость топлива, % ■ , ^

МДж

концентрация серы на рабочую массу топлива, %.

В настоящее время никаких требований к содержанию оксидов серы в дымовых газах, выбрасываемых в атмосферу действующими котельными установками, не существует. Сейчас содержание оксидов серы полно­стью зависит от содержания серы в исходном топливе. При расчете прогнозируемых выбросов необходимо учитывать, что, вероятно, уже в 2002 г. будут введены удельные нормативы выбросов загрязняющих ве­ществ для действующих котельных установок ТЭС. Поэтому разумнее уже в настоящее время учитывать требования Протокола № 2 Междуна­родной конвенции о трансграничном переносе диоксида серы (1994 г.) [3.3] и вводить удельные нормативы для крупных источников, располо­женных на европейской территории России, на уровне 400 мг/м SO₂ в уходящих газах при нормальных условиях.

Имея нормативы удельных выбросов SO₂, легко подсчитать требуе­мую степень улавливания r)_so для котлов разной мощности:

..г ../I

■100%.

Ряд топлив имеет небольшое содержание серы, при их использовании нормативы удельных выбросов SO₂ с дымовыми газами обеспечиваются естественным образом. Часть углей Сибири и Дальнего Востока требуют очистки продуктов их сгорания на 15—55 %. Продукты сгорания углей

71

европейской части страны и Урала, а также сернистые мазуты необходи­мо очищать на 82—95 %.

Согласно Конвенции Европейской экологической комиссии (ЕЭК) ООН о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (1979 г.), принятой в Женеве, а также Протоколу к Конвенции о дальней­шем снижении выбросов серы (1994 г.), в качестве одного из первых ша­гов договаривающиеся стороны, как минимум, снижают и сдерживают свои годовые выбросы серы согласно срокам и уровням, указанным в приложении к Протоколу. Для России эти обязательства представлены в табл. 3.2 [3.3].

Рассмотрим действие условий Конвенции на предприятиях ТЭК евро­пейской части территории России (ЕТР).

Выбросы оксидов серы по предприятиям энергетики, расположенным в этом регионе, в базовом 1980 г. составили 4710 тыс. т/год, или 66,77 % общих выбросов. Таким образом, чтобы обязательства РФ по Конвенции о снижении выбросов SO₂ были выполнены, выбросы предприятий теп­лоэнергетики не должны превышать предельных значений, представлен­ных в табл. 3.3 [3.3].

Фактические выбросы в атмосферу SO₂ ТЭС, расположенными на ЕТР, представлены в табл. 3.4 [3.3].

Анализ данных табл. 3.4 показывает, что отрасль выполняет обяза­тельства, принятые Россией по Конвенции. Снижение выбросов SO₂ от­носительно базового уровня (уровень 1980 г.) за период от 1980 до 1991 г. при росте производства электроэнергии от 340,0 до 440,2 млрд кВт • ч произошло благодаря изменению структуры топливного баланса (увели­чения доли природного газа), поскольку в этот период у нас не было вво­да сероулавливающих установок.

Дальнейшее снижение выбросов SO₂ с дымовыми газами ТЭС, распо­ложенных на ЕТР, объясняется только снижением выработки электро-

Таблица 3.2. Годовые выбросы оксидов серы в целом по России в соответствии с Протоколом № 2 Международной конвенции ЕЭК ООН (1994 г.)

Уровейь выбросов SO2, тыс. т/год		Максимальный уровень выбро­сов SO2, тыс. т/год			Сокращение выбросов, % (базовый 1980 г.)
1980 г. 7161	1990 г. 4460	2000 г. 4440	2005 г. 4297	2010 г. 4297	2000 г. 38	2005 г. 40	2010 г. 40
Таблица 3.3. Уровень выбросов SO, предприятиями энергетики ЕТР, необходимый для выполнения обязательств России по Протоколу № 2 к Конвенции 1994 г.
Уровень выбросов SO2, тыс. т/год		Максимальный уровень выбро­сов SO2, тыс. т/год			Сокращение выбросов, % (базо­вый 1980 г.)
1980 г. 4710	1990 г. 2933	2000 г. 2920	2005 г. 2826	2010 г. 2826	2000 г. 38	2005 г. 40	2010 г. 40

72

Таблица 3.4. Фактические выбросы SO₂ ТЭС, расположенными на ЕТР

Год	Выработка электро-	Выбросы SO2, тыс. т,	Удельный выброс, SO2, т/(млн кВт ■ ч)
	энергии, млрд кВт • ч	в год	[г/(кВт • ч)]
1980	340,0	4536,0(4710)*	13,34
1985	386,3	3150,9	8,16
1986	402,2	2750,9	6,84
1987	412,2	2408,4	5,84
1988	428,1	2120,6	4,95
1989	435,9	1827,4	4,19
1990	441,9	1795,9	4,06
1991	440,2	1844,8	4,19
1993	375,3	1390,0	3,70
1995	329,0	1191,9	3,62
1998	301,8	916,6	3,04

* Представленные данные относятся к ТЭС РАО «ЕЭС России». Данные в скобках от­носятся к энергетике России в целом.

энергии, так как структура топливного баланса осталась без изменения. Поэтому выбросы SO₂ в 1998 г. (916,6 тыс. т) значительно ниже того уровня, который соответствует обязательствам по Конвенции.

Рост производства электроэнергии и наметившиеся изменения в структуре топливного баланса в сторону увеличения доли твердого топ­лива приведут к росту выбросов SO₂ в атмосферу. В отношении защиты

окружающей природной среды снижение выбросов соединений серы на ТЭС становится актуальнейшей задачей.

В России приняты предельно допустимые концентрации SO₂ в атмо­сферном воздухе: максимально разовая ПДК (ПДКМР), равная 0,5 мг/м , и среднесуточная ПДК (ПДКСС) — 0,05 мг/м³ [3.8].

Сокращение выбросов соединений серы на ТЭС может быть осущест­влено тремя способами:

путем очистки топлива от соединений серы до его сжигания;

связыванием серы в процессе горения;

в результате очистки дымовых газов.

3.2. ОЧИСТКА ТОПЛИВА ОТ СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ ДО ЕГО СЖИГАНИЯ

Очистка жидких топлив от серы широко применяется в ряде стран: Японии, США, Мексике и некоторых других. Используются преимущест­венно два метода — прямой и косвенный.

При прямом методе очистки жидкое топливо проходит обработку пу­тем каталитического гидрирования с выделением серы в виде сероводо-

73

рода и последующим восстановлением его до элементарной серы. Стои­мость такой обработки составляет около 7 долл. США за тонну топлива при глубине сероочистки от 3 до 1,0 %.

Метод косвенной очистки заключается в вакуумной перегонке топли­ва. Стоимость такой сероочистки составляет примерно 7,5—9,0 долл. за тонну топлива при глубине сероочистки от 3 до 0,6 %.

В твердом топливе (ископаемом угле) сера может находиться в виде органической и (или) колчеданной серы. Основную часть колчеданной серы (FeS₂) можно достаточно легко удалить путем обогащения, посколь­ку она находится в углях в виде отдельных включений.

Сложнее обстоит дело с органической серой, ибо она входит в состав горючей массы и удалить ее очень сложно. В настоящее время методы удаления органической серы из твердого топлива находятся в стадии раз­работки.

Самым радикальным методом удаления серы является газификация топлива [3.4, 3.11, 3.14]. Перевод твердого или жидкого топлива в газооб­разное состояние производится путем неполного окисления при высокой температуре с одновременным удалением вредных примесей, являющих­ся побочными продуктами. Сера выводится из топлива в этом случае большей частью в виде соединения H₂S (сероводорода). После такого вы­ведения серы горючий газ может быть далее использован в парогазовых установках для производства электроэнергии с высоким КПД [3.9].

Процесс газификации угля происходит по следующей химической реакции:

С + Н₂О СО + Н₂.

При этом часть угля не газифицируется, а углерод сгорает полностью:

О,

СО,

Образующийся углекислый газ реагирует далее с раскаленным углеро­дом по формуле

СО₂

2СО.

При этом КПД газификации составляет 80—85 %, а в сочетании с па­рогазовой установкой КПД ПГУ может достигать 42 %. Под КПД газифи­кации здесь понимается отношение массы образующихся газов к горючей массе исходного твердого топлива.

3.3. СВЯЗЫВАНИЕ СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ В ПРОЦЕССЕ ГОРЕНИЯ

Наиболее распространенным способом связывания серы в процессе горения является способ сжигания углей в кипящем слое [3.14—3.16]. Применение кипящего (псевдоожиженного) слоя при сжигании серни­стых углей позволяет значительно уменьшить содержание оксидов серы и азота в дымовых газах. Для образования кипящего слоя на неподвиж­ной решетке, через которую подается воздух под давлением, использует-

74

_■

1 2 3

Молярное соотношение CaCOj/SC^ а)

0,5 1,0

Молярное соотношение CaCO₃/SO₂ 6)

Рис. 3.1. Относительный выход серы из топки с кипящим слоем

а — доля связанной серы в зависимости от молярного соотношения CaCO₃/SO₂; б — удельный выброс SO, в зависимости от молярного соотношения CaCO₃/SO₂

ся смесь дробленого угля с размерами частиц 1,5—6 мм, инертного мате­риала (песка, золы и др.) и известняка. Под действием восходящего пото­ка воздуха образуется суспензионный кипящий слой. Одновременно с процессом горения протекает процесс десульфуризации, поскольку в ки­пящий слой непрерывно вводится известняк, который состоит в основ­ном из СаСО₃.

Реакция десульфуризации протекает при температуре t ~ 800—850 °С в следующей последовательности:

СаСО,

СаО + СО-,

СаО + SO₂ + 1/2 О₂

CaSO.

В результате реакции образуется гипс. Эффективность удаления серы в этом случае зависит от количества известняка (рис. 3.1) [3.5]. Поддер­жание соотношения Ca/S примерно в 1,5 раза больше стехиометрическо-го, по зарубежным данным, позволяет на 80 % связать SO₂ и на выходе из

топки получать его концентрацию до 200 мг/м .

75

Рис. 3.2. Схема котла с топкой ЦКС, работающего при атмосферном давлении

(не под наддувом)

/ — бункер известняка; 2 — бункер топлива; 3 — топка котла; 4 — циклон; 5 — опускная конвективная шахта; б — кипящий слой; 7 — воздухоразделяющая плита; 8 — РВП; 9 — дутьевой вентилятор; 10 — высоконапорный вентилятор; // — электрофильтр;

12 — бункер золы; 13 — дымосос; 14 — дымовая труба; 15 — теплообменные поверхно­сти; 16 — бункер с инертным телом (песок, зола и др.)

Оптимальная температура процесса горения составляет приблизитель­но 850 °С, что позволяет резко снизить образование оксидов азота. Реа­лизация этого способа сжигания топлива дает ряд и других преимуществ. Так, трубы поверхностей нагрева котла, находящиеся в непосредствен­ном контакте с кипящим слоем, имеют коэффициент теплоотдачи к ним более высокий, чем при радиационном теплообмене.

Но главным достоинством этого способа сжигания топлива является все же связывание более 80 % серы.

Для организации глубокого выгорания топлива целесообразно обеспе­чить его многократную циркуляцию в топке с кипящим слоем (ЦКС) пу­тем увеличения расхода (скорости) воздуха.

Принципиальная схема парового котла с топкой ЦКС, работающего при атмосферном давлении, показана на рис. 3.2 [3.11].

В топку с кипящим слоем подаются известняк, песок, гранулирован­ная зола или другой зернистый материал, образующий с дробленым уг­лем плотный суспензионный кипящий слой под действием восходящего потока воздуха, поступающего через решетку в нижней части топки Го­рючие вещества сгорают при 760-980 °С. При такой температуре зола не спекается и не размягчается и процесс горения протекает эффективно 76

Процесс десульфуризации топочных газов идет одновременно с процес­сом горения. Продукты сгорания поднимаются в верхнюю часть топки и попадают в циклон. Из циклона инертная масса, несгоревшие частицы топлива и непрореагировавшии известняк возвращаются обратно в топ­ку. Трубы поверхностей нагрева располагаются в кипящем слое и в кон­вективной шахте. Для подачи воздуха под раздающую плиту использует­ся высоконапорный дутьевой вентилятор.

В нижней части циклона обеспечивается его уплотнение благодаря ус­тановке эолового затвора. Для регулирования в топке температуры воз­вращаемую туда золу охлаждают в золопаровых и золоводяных теплооб­менниках.

К достоинствам топок с ЦКС в отношении экологии следует отнести высокую степень связывания SO₂ и снижение концентрации NO_X в уходя­щих газах. Недостатком является увеличение золоотвала на объем из­вестняка, используемого для связывания серы.

Опыт освоения котельных установок с ЦКС составляет в настоящее время 15—20 лет. Экологические показатели таких установок весьма вы­сокие, они зависят, в основном, от избытка воздуха в топке: чем он выше, тем лучше связывается SO₂ и меньше образуется угарного газа СО.

Однако рост избытка воздуха в топке кот­ла приводит к росту содержания NO_r в про-

Выбросы вредных веществ, дуктах сгорания из-за связывания топливно- , з

г. С МГ/М

го азота. Задачу оптимизации избытка возду­ ха на выходе из котла следует в каждом кон- Зола 10

кретном случае решать индивидуально. В ка- SO₂ 40

честве примера здесь приведены экологиче-

ские показатели котла с ЦКС на каменном ^х

угле производительностью 400 т/ч на ТЭС в СО 10

г. Гейдельберге (Германия) [3.13]:

Приведенные показатели свидетельствуют о высокой экологической эффективности такого метода сжигания угля.

В настоящее время электростанции подобного типа работают во мно­гих странах мира [3.17]. Например, на ТЭС г. Гарденн (Германия)в 1995 г. был введен в работу энергоблок мощностью 250 МВт с однокорпусным котлом с ЦКС с начальными параметрами пара 16,9 МПа и 567 °С при та­ком же его промежуточном перегреве. Установка работает на угле с золь­ностью 28 %, влажностью 11 % и содержанием серы 3,7 %. Выбросы ок­сидов азота N0^ составляют 250 мг/м³ и SO₂ не более 400 мг/м³.

На проектируемой Ростовской ГРЭС с котлами с ЦКС при молярном соотношении Ca/S, равном 2,0—2,5, степень связывания серы должна со­ставить 90 % при содержании SO₂ в выбросах не более 200 мг/м³ [3.22]. Технико-экономические расчеты показали, что при одинаковых экологи­ческих показателях сооружение Ростовской ГРЭС с блоками 300 МВт,

77

оснащенных котлами с ЦКС, на 20—25 % дешевле строительства анало­гичных электростанций с пылеугольными блоками с очисткой от оксидов серы мокроизвестняковым способом, а оксидов азота аммиачно-катали-тическим способом.

з.4. Очистка дымовых газов от соединений серы

3.4.1. Первые отечественные установки по очистке дымовых газов от соединений серы

Первая опытная установка ВТИ по очистке дымовых газов от оксидов серы была пущена в 1938 г. на Каширской ГРЭС. На ней отрабатывалась технология циклического магнезитового способа с получением концен­трированного сернистого газа. С началом Великой Отечественной войны работы на установке были прекращены. В 60-е годы была построена про­мышленная установка ВТИ для улавливания диоксида серы аммиачно-циклическим способом из дымовых газов на ТЭЦ-12 Мосэнерго в Моск­ве. Потом установка была демонтирована в связи с переводом ТЭЦ-12 на сжигание природного газа. В середине 60-х годов из-за больших капи­тальных и эксплуатационных затрат на сероулавливание работы по серо­очистке в отечественной энергетике были прекращены и возобновились лишь в 1974 г.

В дальнейшем изучение процессов очистки дымовых газов ТЭС от ди­оксида серы было продолжено ВТИ на опытно-промышленной установке Северодонецкой ТЭЦ (циклический магнезитовый способ). Данные, по­лученные на этой установке, были использованы при проектировании промышленных сероочистных установок для Северодонецкой и Рубежан-ской ТЭЦ, сооружение которых не было осуществлено из-за перевода этих станций на сжигание газового топлива. В 80-х годах были построе­ны опытные установки ВТИ на Молдавской ГРЭС (озонно-аммиачный способ) и на Губкинской ТЭЦ (мокроизвестняковый способ). В 1989 г. была пущена опытно-промышленная сероочистная установка по аммиач-но-циклическому способу на Дорогобужской ТЭЦ, сжигавшей подмос­ковный уголь. В процессе испытаний не были достигнуты проектные по­казатели по количеству получаемого жидкого диоксида серы, и установ­ка была переведена в режим получения сульфата аммония. В 1998 г. экс­плуатация установки была прекращена из-за относительно высокой стои­мости ее эксплуатации.

В 1987 г. фирмой АСГ (Автоматизированные системы газоочистки) и ВТИ совместно с фирмой Lurgi (ФРГ) начата разработка рабочих черте­жей установки газоочистки по мокроизвестняковому способу для блока мощностью 300 МВт Рязанской ГРЭС. Было начато строительство, изго­товлено некоторое оборудование, но из-за отсутствия финансирования в 1997 г. строительство было прекращено.

78

OB

Рассмотрим основные характеристики наиболее распространенных в мировой практике технологий сероочистки и оценим их применительно к отечественным условиям.

3.4.2. Мокроизвестняковый способ (МИС) очистки дымовых газов от SO₂

Мокроизвестняковый способ основан на интенсивной промывке ды­мовых газов в абсорбере, установленном за высокоэффективным золо­уловителем, известняковой суспензией с получением двухводного гипса. Эта технология является абсолютно безопасной, поскольку и известняк, и гипс — нейтральные малорастворимые вещества.

В основе этого процесса лежит химическая реакция, протекающая при контакте дымовых газов с известняком в объеме распыленной суспензии известняка с образованием твердого сульфита кальция и углекислого газа:

СаСО₃ + SO₂ CaSO₃ + СО₂.

Процесс протекает в абсорбере башенного циркуляционного типа. В нижней части абсорбера накапливается суспензия сульфита кальция. При барботаже воздуха через слой этой суспензии происходит доокисление сульфита кальция в двуводный сульфат кальция (гипс) по реакции

CaSO₃ + '/Ю₂ + 2Н₂О CaSO₄ • 2Н₂О.

Рассмотрим схему включения сероочистки, работающей по МИС, в систему газоходов котельного агрегата (рис. 3.3).

Дымовые газы после электрофильтра и дымососа 1 направляются че­рез регенеративный газовый подогреватель (РГП) 3 к промывочной баш­не 4. Необходимость охлаждения дымовых газов перед промывочной башней вызвана тем, что взаимодействие карбоната кальция СаСО₃ с ди­оксидом серы SO₂ происходит эффективно только при относительно низ-

Рис. 3.3. Принципиальная схема включения сероочистки, работающая по МИС и

1,2 — дымососы; 3 — регенеративный газовый подогреватель (РГП); 4 — промывочная башня (абсорбер или скруббер); 5 — дымовая труба; 6 — байпасная линия

79

Суспензия гипса

О чищенные газы

Рис. 3.4. Принципиальная схема установки для удаления серы по МИС

1 — первая зона очистки газов в слое частично обработанного известняка; 2 — вторая зона очистки газов в слое свежей известняковой суспензии; 3 — зона промывки газов от механических частиц; 4 — каплеуловитель; 5 — воздуходувка; б — циркуляционный на­сос; 7 — дробилка извести; 8 — мешалка; 9 — насос подачи известняковой суспензии;

10 — гидроциклон

ких температурах (приблизительно 50 °С). В то же время температура уходящих газов перед дымовой трубой должна быть не ниже 70—80 °С. Для регулирования температуры уходящих газов предусмотрена байпас-ная линия 6. Для подачи очищенных газов в дымовую трубу использует­ся вспомогательный дымосос 2.

Принципиальная схема установки МИС с абсорбером представлена на рис. 3.4. Основным элементом МИС является абсорбер. Дымовые газы поступают в нижнюю часть абсорбера и движутся снизу вверх, проходя последовательно две зоны очистки: первую 1, где происходит реакция связывания SO₂ последовательно в слое частично отработанного извест­няка, и вторую 2, где очистка осуществляется в зоне свежей известняко­вой суспензии. Затем газы проходят зону промывки технической водой 3, где удаляются механические включения. Далее очищенный газ подается в каплеуловитель 4, где он практически полностью освобождается от ка­пель воды. Образовавшиеся частицы CaSO₃ поступают в нижнюю часть абсорбера, где в результате барботажа воздуха доокисляются в гипс. Из нижней части абсорбера суспензия гипса подается в гидроциклон 10, в котором происходит отделение суспензии гипса от воды, а более мелкие частицы известняка с водой возвращаются в абсорбер. Для повышения

80

Горячий воздух после РВП

Вода

Суспензия гипса из I гидроциклона

Товарный гипс

Рис. 3.5. Схема установки для получения товарного гипса по МИС

1 — бак суспензии гипса; 2 — вакуумный фильтр; 3 — сушилка; 4 — циклон; 5 — башня для гипса; 6 — бак сточных вод; 7 — возврат сточных вод со шламом в абсорбер; 8 —

сточные воды на очистку

эффективности связывания SO₂ и снижения расхода известняка в абсор­бере обеспечена многократная циркуляция известняковой суспензии с помощью циркуляционного насоса 6.

На рис. 3.5 показана схема установки для получения товарного про­дукта из суспензии гипса. Суспензия гипса из бака 1 подается на обезво­живание и промывку в вакуумный барабанный или ленточный фильтр 2 (остаточная влажность после фильтра около 10%). Затем она проходит сушку горячим воздухом в воздушной сушилке 3. После этого в циклоне 4 из порошка гипса удаляется загрязненный воздух, который возвращает­ся в абсорбер на доокисление сульфита кальция в сульфат. Товарный гипс из сушилки и циклона поступает в башню для хранения гипса 5. Сточная вода отводится из вакуумного фильтра в бак сточных вод 6. Оттуда* она частично возвращается обратно в абсорбер, а небольшое ко­личество стоков (продувка) направляется на обязательную очистку. Спо­собы очистки сточной воды сероочистки будут рассмотрены в § 11.7.

К достоинствам рассмотренного способа сероочистки следует отнести его высокую надежность и эффективность (из дымовых газов можно уда­лить до 98 % SO₂), а также получение конечного высококачественного товарного гипса.

Из гипса получают алебастр (CaSO₄ • УгН₂О), применяемый в строи­тельстве как вяжущее средство. Для этого его обжигают в печах при тем­пературе 150—170 °С, где происходит следующая реакция:

2(CaSO₄ • Н₂О) + Q

2(CaSO₄ ■ УгН₂О)

Н₂О.

81

Таблица 3.5. Состав гипса, %, полученного из дымовых газов ТЭС в Германии

Параметр	Значение нормируемого па-	Достигнутое значение пара-
	раметра	метра по схеме МИС
Влажность, %	<10	7—10
CaSO4 • 2Н2О	>95	98—99
CaSO4 • '/2Н2О	<0.5	0—0,5
MgO	<0,1	<0,1
NajO	<0,06	0,01
СГ	< 0,01	< 0,01
рн	5—9	—

Обычно башенный абсорбер устанавливают за электрофильтром, что обеспечивает высокую чистоту гипса.

Данный способ сероочистки получил широкое распространение в ФРГ в связи с очень высокой степенью связывания SO₂ и возможностью полу­чения ценного конечного товарного продукта. В США с 1978 г. установка скрубберов похожего типа стала обязательной для всех строящихся ТЭС на пылевидном топливе. В результате этого в энергетике США сейчас больше скрубберных установок, чем во всех остальных странах [3.23]. В отличие от Германии в США в ряде случаев не производят товарный гипс, а ограничиваются получением инертного сульфита кальция, кото­рый в дальнейшем поступает на захоронение.

К недостаткам МИС следует отнести большое количество образую­щихся минерализованных сточных вод и большие размеры установки. Однако основным недостатком способа являются большие капитальные затраты, составляющие 150—200 долл. на 1 кВт установленной мощно­сти; также возрастает расход электроэнергии на собственные нужды ТЭС (на 3—5 %). Еще один недостаток — большой дополнительный расход технической воды.

Ниже приводится состав гипса, полученного по МИС, в сопоставле­нии с требованиями к строительному гипсу, принятыми в Германии (табл. 3.5) [3.20,3.21].

Эти результаты достигнуты при обезвоживании гипса на вакуумных фильтрах с промывкой его в слое технической воды. Как видно из табл. 3.5, гипс, полученный по МИС, вполне пригоден для использованил его в строительстве.

3.4.3. Мокросухой способ (МСС) очистки дымовых газов от SO₂

Способ основан на эффективном поглощении SO₂ известью Са(ОН)₂ или содой Na₂CO₃.

Мокросухим называется такой способ, когда в полый абсорбер, проду­ваемый дымовыми газами, впрыскивают суспензию, которая связывает диоксид серы, а жидкость суспензии за счет теплоты дымовых газов пол-

82

SO,

Котел

СКВ-установка

115

Установка для удаления серы

11

13

Рис. 3.6. Схема мокросухого способа очистки дымовых газов от SO₂

/ — катализатор; 2 — РВП; 3 — электрофильтр; 4, 7— дымососы; 5 — абсорбер; 6 —фильтр; 8 — подогреватель; 9 — дымовая труба; 10 — питательная вода; 11 — пар; 12 — угольная пыль; 13 — зола; 14 — воздух; 75 — впрыск аммиака; 16 — летучая

зола; 17 —- известь; 18 — вода; 19 — продукты реакции (сульфит и сульфат кальция)

-гмании

Н₂О; CO₂

ностью испаряется. При этом имеют место реакции с образованием суль­фитов кальция или натрия:

Са(ОН)₂ + SO₂

CaSO₃ Na₂SO₃

SO₂

Na₂CO₃

₂ Na₂SO₃ + CO₂.

Если абсорбер установлен перед золоулавливающей установкой, то продукты сероочистки сорбируются вместе с летучей золой и складиру­ются на золоотвале.

Структурная схема мокросухого способа очистки дымовых труб от SO₂ представлена на рис. 3.6.

К преимуществам МСС относятся:

1. простота технологической схемы;

2. меньшие, чем при МИС, капитальные затраты;

3. меньший расход тепловой энергии на подогрев дымовых газов по сравнению со схемой МИС;

4) отсутствие сточных вод. Недостатками способа являются:

1. значительное энергопотребление (3—6 % мощности ТЭС);

2. повышенный расход дорогих реагентов (извести или соды);

3. низкое качество сухих отходов (отсутствие гипсовых вяжущих ве­ ществ);

4. необходимость установки системы очистки дымовых газов от твер­ дых частиц (продуктов реакций) после абсорбера.

Из-за этих недостатков МСС получил ограниченное применение.

83

3.4.4. Магнезитовый способ очистки дымовых газов от SO₂

При очистке по магнезитовому способу дымовые газы поступают в абсорбер типа трубы Вентури, где орошаются суспензией, содержащей оксид магния. При этом происходит химическая реакция

MgSO₃.

MgO + SO₂

Полученный твердый сульфит магния обезвоживается и подвергается термическому разложению при температуре 900 °С с образованием кон­центрированного сернистого ангидрида SO₂ и оксида магния:

MgSO₃ + Q MgO + SO₂.

Концентрированный SO₂ используется для приготовления серной ки­слоты или элементарной серы, MgO используется повторно.

Достоинствами способа являются незначительный расход химических реагентов (только на восполнение потерь в технологическом цикле), по­лучение высококачественных побочных продуктов: серной кислоты или элементарной серы. Недостатки способа — невысокая степень улавлива­ния серы (до 90 %), и большой расход тепловой энергии на разложение сульфита магния. Способ не нашел широкого применения.

3.4.5. Аммиачно-сульфатный (АСС) и аммиачно-циклический (АЦС) способы очистки дымовых газов от SO₂

Аммиачно-сульфатный способ АСС основан на связывании диоксида и триоксида серы водным раствором аммиака с последующим окислением образовавшихся продуктов взаимодействия веществ до стабильного суль­фата аммония. Основными химическими реакциями в АСС являются:

а) при абсорбции SO₂:

SO₂ + Н₂О = H₂SO₃; NH₃ + Н₂О = NH₄OH

(при использовании водного раствора аммиака последняя реакция от­падает);

2NH₄OH + H₂SO₃ = (NH₄)₂ SO₃ + 2H₂O; (NH₄)₂ SO₃ + H₂SO₃ = 2NH₄HSO₃;

б) при абсорбции SO₃:

2NH₄OH + SO₃ = (NH₄)₂ SO₄ + H₂O;

в) при окислении продуктов абсорбции:

(NH₄)₂ SO₃ + V₂O₂ = (NH₄)₂SO₄;

NH₄HSO₃

NH₄HSO₄

УгО₂ = NH₄HSO₄; NH₄OH = (NH₄)₂SO₄ + H₂O.

К числу основных преимуществ АСС следует отнести получение сульфата аммония, который служит удобрением в сельском хозяйстве.

84

'■

Аммиачно-цикличный способ очистки дымовых газов от SO₂ осно­ван на поглощении SO₂ из дымовых газов распыленным раствором сульфита аммония (NH₄)₂SO₃ с образованием бисульфита аммония по ре­акции

(NH₄)₂SO₃ + Н₂О + SO₂ 2NH₄HSO₃.

После промывки газов раствор бисульфита аммония подвергают на­греву с образованием концентрированного сернистого ангидрида и суль­фита аммония:

2NH₄HSO₃ + Q (NH₄)₂SO₃ + Н₂О + SO₂.

Сернистый ангидрид используется для получения кислоты или эле­ментарной серы, а сульфит аммония (NH₄)₂SO₃ используется повторно.

Достоинством способа является практическое отсутствие затрат реа­гентов и небольшой расход тепловой энергии на восстановление (NH₄)₂SO₃.

К недостаткам следует отнести то, что все оборудование должно иметь кислостойкое исполнение, кроме того, достаточно сложна эксплуа­тация установки. Данный способ находится в стадии освоения.

3.4.6. Удаление серы с помощью технологии WSA, разработанной фирмой «Хальдер Топсе АО»

Технология разработана в середине 80-х годов и получила название WSA (Wet gas Sulphuris Acid), ее можно применять для обработки газов, содержащих SO₂.

Технология включает в себя следующие процессы: охлаждение газа до заданной температуры в реакторе, конверсию SO₂ в SO₃ на поверхности катализатора, гидратацию SO₃ в H₂SO₄ и конденсацию паров H₂SO₄ в конденсаторе WSA.

Газ входит в реактор, который имеет один, два или более каталитических слоев в зависимости от содержания SO₂ и необходимой степени конверсии. Так как реакция в реакторе экзометрическая, газ охлаждается между слоями для того, чтобы оптимизировать процесс конверсии SO₂ в SO₃. После по­следней стадии конверсии газ охлаждается, что обеспечивает эффективное протекание реакции SO₃ с парами воды с образованием газообразной сер­ной кислоты. Затем технологический газ поступает в конденсатор WSA.

Конденсатор WSA представляет собой вертикально расположенный корпус с трубами, изготовленными из боросиликатного кислотоупорного термостойкого стекла. Технологический газ проходит по трубам, которые охлаждаются атмосферным воздухом. Серная кислота конденсируется в трубах и стекает вниз, ее концентрация увеличивается при смешивании с восходящим потоком горячего технологического газа. Серная кислота со­бирается в нижней части конденсатора, выложенной кирпичом, охлажда­ется приблизительно до 35 °С в пластинчатом теплообменнике, а затем перекачивается в хранилище.

85

Технологический газ выходит из конденсатора при температуре при­мерно 100 °С. Его можно направлять непосредственно в дымовую трубу. Отличительной чертой конденсатора WSA является то, что газ, выходя­щий в трубу, содержит лишь незначительное количество паров серной кислоты.

Подогретый воздух выходит из конденсатора WSA при температуре около 200 °С. Часть этого воздуха используется для горения, а оставшая­ся часть может быть выведена в дымовую трубу для увеличения подъем­ной силы газа или же использована для подогрева воды в котле.

Технология WSA обеспечивает удаление от 95 до 99 % SO₂, который рекуперируется в концентрированную серную кислоту.

Отличительные особенности технологии:

не используются химические реагенты;

отсутствуют сточные воды;

эффективная рекуперация технологической теплоты;

низкий расход воды для охлаждения.

Для очистки дымовых газов котлов ТЭС технология WSA может быть дополнена технологией селективного каталитического восстановления (DENOX) для очистки от оксидов азота. Такая комбинированная техноло­гия известна как технология SNOX.

3.4.7. Упрощенные малозатратные технологии сероочистки

Если содержание диоксида серы SO₂ в продуктах сгорания малосерни­стых углей близко к нормируемым значениям или если необходимо снизить выбросы оксидов серы только на 30—70 %, тогда для этой цели можно ре­комендовать использование малозатратных технологий сероочистки.

СаО + СО₂; CaSO,

К ним, во-первых, относится связывание серы путем ввода известняка в верхнюю часть топки. Этот способ именуется сухой известняковой тех­нологией (СИТ). Она основана на обжиге тонко размолотого известняка в топочной камере при температуре 1000—1100 °С до образования извести с последующим ее взаимодействием с диоксидом серы. Основные хими­ческие реакции этой технологии:

СаСО₃ + Q СаО + SO₂ + УзО₂

Схема установки сероочистки по СИТ, рекомендованной УралВТИ [3.5], показана на рис. 3.7. Установка работает следующим образом. Размолотый известняк из стационарной силосной башни подают в рас­ходный бункер, а из него — в верхнюю часть топочной камеры, где име­ется зона с температурой дымовых газов 1000—1100 °С. Частицы извест­няка при этой температуре разлагаются с образованием активной извес­ти, которая взаимодействует с SO₂ при температуре газов около 850 °С. При температуре газов приблизительно 500 °С связывание диоксида серы прекращается, и летучая смесь золы с отходами сероочистки уходит с дымовыми газами в золоуловитель. В результате реакции образуется без­водный гипс (ангидрид).

86

_I

-

Котел

Применение СИТ имеет ряд осо­бенностей:

а) в ней можно использовать из­ вестняк любой степени кристалли­ зации;

з

Золоуловитель

_-си

б) ввод в дымовые газы извест­ няка изменяет химический состав золь1 и снижает в результате этого температуру начала деформации золы, что может привести к увели­ чению шлакования поверхностей нагрева;

_у

Рис. 3.7. Принципиальная схема сухой известняковой сероочистки

1 — силосная башня для хранения размо­лотого известняка; 2 — расходный бункер; 3 — система пневмотранспорта известняка в топку котла и его распределения в попе­речном сечении топочной камеры

в) известь реагирует в первую очередь с триоксидом серы SO₃, так что температура насыщения (сер­ нокислотная точка росы) снижает­ ся; при больших количествах вво­ димого известняка точку росы можно снизить почти до точки ро­ сы водяного пара.

Уменьшение температуры точ­ки росы сказывается на работе ко­тельной установки двояко: во-первых, это позволяет снизить температу­ру уходящих газов и тем самым частично компенсировать затраты на се­роочистку; во-вторых, электрофизические свойства дымовых газов ухуд­шаются, что особенно важно при использовании на котле электрофильт­ра, поскольку в этом аппарате появляется обратное коронирование раз­личной степени интенсивности, во избежание чего необходимо прини­мать соответствующие меры. Наличие в продуктах сгорания безводного гипса может привести к образованию в скрубберах-пылеуловителях трудно удаляемых отложений, поэтому необходимо обеспечивать точный химический баланс в золоуловителях.

Известны и другие малозатратные сухие технологии сероочистки с ис­пользованием извести, соды или поташа (КОН), также предлагаемые УралВТН. Опишем одну из них, именуемую упрощенной мокросухой известковой сероочисткой (E-SO^).

Технология E-SO^ основана на связывании оксидов серы тонко дис­пергированной водно-известковой суспензией с последующим высуши­ванием этой суспензии с использованием теплоты очищенных дымовых газов. Основные химические реакции технологии E-SO^:

— CaSO₄ • 2H₂O; CaCO₃ + Н₂О.

S0₂ + Са(ОН)₂ - CaSO₃ • Н₂0;

Н₂0

S0₂ + Са(ОН)₂ + УЮ₂ С0₂ + Са(ОН)₂

87

Форкамера

■ U

- fc

Рис. 3.8. Принципиальная схема упрошенной мокросухой известковой сероочистки

(E-SOJ

1 — система тонкодисперсных форсунок в форкамере электрофильтра или в подводящем газоходе; 2 — емкость для хранения суспензии; 3 — насос подачи суспензии к форсун­кам; 4 — силос извести; 5 — установка гашения извести

Установка сероочистки по технологии E-SO^ (рис. 3.8) работает сле­дующим образом. В уходящие из котла дымовые газы вводят дисперги­рованную известковую суспензию, имеющую большую поверхность кон­такта с дымовыми газами, что обеспечивает быстрое поглощение оксидов серы из газов и быстрое высушивание капель до поступления газов в пер­вое поле электрофильтра.

Технология E-SO_X позволяет наряду с улавливанием оксидов серы улучшить работу электрофильтра. Это достигается охлаждением дымо­вых газов при высушивании капель суспензии и увеличением их влагосо-держания.

Тонкодисперсное разбрызгивание создают путем использования пнев­момеханических форсунок, рабочей средой в которых служит сжатый воздух или перегретый пар. Для приготовления известковой суспензии применяют негашеную СаО или гашеную Са(ОН)₂ известь. Гашеная из­весть всегда размолота, так что при ее наличии реагент из силоса дозиру­ют в бак-мешалку, и по достижении требуемой концентрации суспензию подают в форкамеру электрофильтра. Негашеную комовую или размоло­тую известь подают в аппарат гашения, откуда концентрированную сус­пензию сливают в бак для приготовления реагента, где ее смешивают с водой и доводят до нужных параметров.

В заключение рассмотрим технико-экономические показатели различ­ных технологий сероочистки, полученные по данным фирм США (табл. 3.6) и данным ВТИ (табл. 3.7).

Из табл. 3.6 можно сделать следующие выводы:

1) существующие технологии очистки дымовых газов от соединений серы позволяют осуществлять их очистку с высокой эффективностью;

88

Таблица 3.6. Технико-экономические показатели различных технологий сероочистки по данным американских фирм

1СТКИ

Показатель	Способ сероочистки
	МИС	МСС	СИТ	УМСС (E-scg
Содержание серы на рабочую	2,0	0,5—2,0	0,5—1,0	0,3—0,8
массу в топливе S^p, %
Эффективность связывания, SO2, %	95—98	86—92	30—50	50—70
Удельные капитальные затра­ты, долл/кВт установленной мощности	150—240	120—160	30—60	40—50
Стоимость удаления одной тонны SO2, долл/т	500—550	450—650	530—650	350

Таблица 3.7. Технико-экономические показатели технологий сероочистки при изготовлении оборудования российскими заводами (по данным ВТИ) [3.5]

Показатель	Способ сероочистки
	МИС	АСС	E-SO,	СИТ
Удельные капитальные затраты, долл/кВт Стоимость удаления одной тонны SO2, долл/т	125—150 290—320	80—90 200—215	15—20 240—350	9—15 270—330

лич-ША

2. наибольшую эффективность дает мокроизвестняковый способ, при котором степень сероочистки достигает 98 %;

3. наибольших капитальных затрат требует МИС сероочистки.

Данные табл. 3.7 позволяют сделать следующие выводы.

Аммиачно-сульфатный способ имеет наиболее благоприятные харак­теристики среди рассмотренных высокоэффективных технологий. Незначительное потребление (не более 1,5%) производимой ТЭС элек­троэнергии в сочетании с пониженными (по сравнению с МИС) на 35 % капитальными вложениями позволяет при самых неблагоприятных соот­ношениях между стоимостью реагента и продаваемым отходом сероочи­стки затрачивать на улавливание 1 т диоксида меньше средств, чем при МИС сероочистки. Это дает возможность использовать ее и на установ­ках меньшей мощности.

Упрощенная мокросухая сероочистка (E-SO_X) наиболее эффективна при приведенной сернистости сжигаемых углей около 0,1 % • кг/МДж, она обеспечивает необходимую степень сероочистки в соответствии с международными требованиями и стоимость улавливания 1 т диоксида серы на уровне 240—350 долл/т, что соизмеримо с показателями МИС.

Сухая известняковая технология применима при приведенной серни­стости топлива не более 0,07 % • кг/МДж, при этом улавливается не более

89

35 % диоксида серы. При применении СИТ следует учитывать изменение шлакующих свойств золы и влияние отходов сероочистки на работу зо­лоуловителей (мокрых и электрических).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛ. 3

1. Каковы предельно допустимые концентрации загрязнителей в атмосферном воздухе и как привести их к нормальным условиям?

2. Как пересчитать концентрацию из объемной в массовую и обратно?

3. Каков механизм воздействия оксидов серы в выбросах ТЭС в атмосферу на окружаю­ щую среду?

4. Каково содержание серы в топливах Российской Федерации по районам.

5. Как рассчитать требуемую степень улавливания оксидов серы из дымовых газов кот­ лов, используя нормативы?

6. Каковы нормативы выброса соединений серы в атмосферу от ТЭС Российской Феде­ рации.

7. В чем заключаются обязательства России о трансграничном загрязнении воздуха по Конвенции ЕЭК ООН⁰

8. Каковы основные пути сокращения выбросов соединений серы от ТЭС?

9. Расскажите о методах очистки топлив от соединений серы до их сжигания.

10. Расскажите о связывании соединений серы в процессе горения.

11. В чем заключается перспективность топок с циркулирующим кипящим слоем с пози­ ций снижения выбросов в атмосферу оксидов серы?

12. Расскажите о работах ВТИ по очистке от SO₂ дымовых газов ТЭС с 1938 г. по настоя­ щее время (историческая справка).

13. Опишите мокроизвестняковый способ очистки дымовых газов от SO₂.

14. Опишите мокросухой способ очистки дымовых газов от SO,.

15. Расскажите об аммиачно-сульфатном способе очистки дымовых газов от SO₂.

16. Опишите упрощенные малозатратные технологии сероочистки.

17. Расскажите о сухой известняковой технологии сероочистки по разработке УралВТИ.

18. Опишите упрощенную мокросухую технологию сероочистки.

19. Каковы технико-экономические показатели технологий сероочистки по данным ВТИ и американских фирм?

3.10.

3.11

3.14. X

3.18.

3.19. \

3.20.

3.21.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛ. 3

1. G. Baumbach. Luftreinhaltung. Springer—Verlag, 1994.

2. ГОСТ Р 50831-95. Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования. М.: Изд-во стандартов, 1995.

3. Экологические аспекты устройчивого развития теплоэнергетики России / Под общ. ред. Р. И. Вяхирева. М.: Издательский дом «Ноосфера», 2000.

4. Развитие теплоэнергетики: Сб. научн. статей / Под ред. А.Ф. Дьякова, Г.Г. Ольхов­ ского. М.: ВТИ, 1996. ■

5. Развитие технологий подготовки и сжигания топлив на электростанциях: Сб. научн. статей / Под ред. А.Г. Тумановского. В.Р. Котлера. М.: ВТИ, 1996.

6. Перспективы развития тепловых электростанций на твердом топливе / Ю.К. Семе­ нов, А.Ф. Дьяков, В.И. Доброхотов и др. // Теплоэнергетика. 1992. № 1. С. 2—7.

90

It

7. Глебов В.П. Управление выбросами тепловых электростанций — от ГОЭЛРО до наших дней // Электрические станции. 2000. № 12. С. 37—41.

8. ГОСТ 17.2.3.02-78. Нормативы предельно допустимых или временно согласо­ ванных выбросов вредных веществ в атмосферу промышленными предприятиями. М: Изд-во стандартов, 1978.

9. Ольховский ГГ., Березинец П.А., Малышева B.C. Парогазовые установки с гази­ фикацией угля — решение экологических проблем на угольных электростанциях: Сб. научн. статей ВТИ // Природоохранные технологии ТЭС. М.: ВТИ, 1996.

10. Нетрадиционные технологии — основной путь обеспечения экологической надеж­ ности и ресурсосбережения / А.Ф. Дьяков, А.А. Мадоян, Г.И. Левченко и др. // Энер­ гетик. 1997. № 11. С. 2—4.

11. Новые подходы к технологии использования твердого топлива в электроэнергетике / А.Ф. Дьяков, А.А. Мадоян, В.И. Доброхотов и др. // Теплоэнергетика. 1998. № 2. С. 14—18.

12. Материалы Междунар. научн.-практ. конф. «Экология энергетики 2000». г. Москва, 18—20 октября, 2000. М.: Издательство МЭИ, 2000.

13. Wittchov E., Muller R. Fortgeschrittene Kraftwerkskonzepte mit druckaufgeladenen Kohleumwandlugsverfahren // VDI-Berichte. 1989. № 715. S.21—44.

14. Muller R. Fluidezed Bed Combustion and Coal Gasification for the Combined Cycle Process in Europe / State, Effiuency, Development Aims. Tenth International Conference on Power Stations. Paper № 20. Liege, Belgium, September 25—29,1989.

15. Мадоян А.А. Особенно экологически чистый высокоэкономичный способ исполь­ зования твердого топлива для производства электроэнергии // Вестник МЭИ. 1994. № 1. С. 6—12.

16. Семенов Ю.К., Дьяков А.Ф., Доброхотов В.И., Мадоян А.А. Перспективы разви­ тия тепловых электростанций на твердом топливе // Теплоэнергетика. 1992. № 1. С. 2—7.

17. Joyce I. The Development of Integrated Coal-Gasification Combined Cycle / Seminar in Arnheim. Siemens Druck. 1990.

18. Muller R. Kohleumwandlugsverfahren. Anwendung im kombinierten Gas — und damp- fturbienen Prozessen // Energienwirtschaftliche Tagesfragen 37 (1987) № 3. S. 238—244.

19. Muller R., Schiffers U. Kohledruchvergasung fur dem Kombi-Prozess // VGB Kraft- werkstechnik. 1988. B. 68. № 10. S. 1022—1030.

20. Bundesverbund der Gips- und Gipsbauplatten industrie V. Der UberschuP Rauchgasgips ein Substitutionsrohstoff fur Naturgips // Energie. 1984. № 6. S. 40—48.

21. Taeufert,U: Verwertnugskonzep fur Restoffe aus Kohlenkraftwerken // VGB-Kraftwerk- stechnik. 1988. № 11. S. 1172—1179.

22. Экологически чис^тая Ростовская ГРЭС мощностью 2,4 млн кВт с восемью паро­ турбинными энергоблоками по 300 кВт, оснащенными котлами 1000 т/ч для сжи­ гания АШ ухудшенного качества в циркулирующем кипящем слое // Природоохран­ ные технологии ТЭС: Сб. научн. статей ВТИ. М.: ВТИ, 1996.

23. Болзхайзер Ричард Э., Игер Курт Э. Будущее тепловых электростанций на твердом топливе // В мире науки. 1987. № 11. С. 68—76.

Со.

Глава четвертая

СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА В АТМОСФЕРУ

4.1. НОРМАТИВЫ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА

Наиболее опасными выбросами ТЭС являются оксиды азота. Содер­жание оксидов азота по данным И. Я. Сигала, приведенным в [4.1], опре­деляет токсичность продуктов сгорания угля и мазута на 40—50 %, а природного газа на 90—95 %. Кроме того, оксиды азота под воздействи­ем ультрафиолетового излучения активно участвуют в фотохимических реакциях в атмосфере с образованием других вредных газов.

Источником образования оксидов азота служит азот воздуха и топли­ва. В атмосферном воздухе содержится 78,1 % азота по объему.

Азот является составной частью рабочей массы топлива. Содержание азота в топливе относительно невелико: не более 2 % в ископаемом угле, не более 0,5 % в антраците, до 1 % в торфе и горючем сланце, до 1 — 1,5 % в топочном мазуте и природном газе и лишь в отдельных месторо­ждениях природный газ содержит до 4 % молекулярного азота.

Основное количество оксидов азота поступает в атмосферу Земли в результате природных процессов. Оксиды азота антропогенного происхо­ждения составляют менее 10% всех оксидов азота. Однако именно ан­тропогенные выбросы представляют наибольшую опасность, поскольку они сосредоточены в крупных промышленных центрах.

Одним из основных источников антропогенных выбросов NO_X в атмо­сферу являются ТЭС. Количество этих выбросов, зависящих от вида топ­лива, а при сжигании твердого топлива и от способа шлакоудаления, при­ведено ниже:

Вид топлива для котла, способ шлакоудаления Концентрации вы-

бросов* N0^, мг/м³, от котлов

Каменный уголь, жидкое шлакоудаление 1300—640

Каменный уголь, сухое шлакоудаление 1100—470

Бурый уголь 800—350

Мазут 1320—250

Газовое топливо 1500—125

* Меньшие значения — для новых установок и для реконструированных старых аг­регатов.

92

_I

-

Из приведенных данных видно, что для получения высоких экологиче­ских показателей необходимы специальные мероприятия по сокращению выброса NO_X в атмосферу.

Среди различных оксидов азота N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄, N₂O₅ прак­тическое значение в экологическом аспекте имеют только монооксид NO и диоксид NO₂ азота, сумму которых принято обозначать как NO_r Моно­оксид азота — прозрачный бесцветный газ, превращающийся в жидкость при температуре -157,7 °С и атмосферном давлении. Это малоактивный, плохо растворимый в воде газ. Образующиеся при сжигании топлива и содержащиеся в дымовых газах оксиды азота на 97—99 % состоят из NO. Монооксид азота относительно менее токсичен, чем NO₂. Принятые значения ПДК оксидов азота в атмосфере — максимально разовая (ПДКМР) и среднесуточная (ПДКСС), мг/м³, — приведены ниже:

Формы оксидов азота ПДКМР ПДКСС

NO 0,6 0,06

NO,

0,04

0,085

Однако в шлейфе дымовых газов из труб ТЭС происходит доокисле-ние NO до NO₂, степень которого зависит от большого количества факто­ров (среди которых — метеоусловия, химический состав атмосферы, вре­мя суток и др.), и находится в пределах 60—80 %.

В отличие от NO диоксид NO₂ более активный в химическом отноше­нии газ красно-бурого цвета с удушливым и резким раздражающим запа­хом. Диоксид азота NO₂ хорошо растворим в воде, легко сжижается при

атмосферном давлении и / = 21,15 °С в красно-бурую жидкость, которая при t - 10,2 °С твердеет, образуя бесцветные кристаллы. Диоксид азота NO₂ оказывает отрицательное влияние на здоровье человека и прежде всего на его дыхательную систему. Крайне опасным для жизни может оказаться даже кратковременное вдыхание воздуха с концентрацией ди­оксида азота C_N0 = 200—500 мг/м³.

Как уже упоминалось, в 1997 г. в Российской Федерации были введе­ны нормативы удельных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для вновь создаваемых котельных установок (ГОСТ Р50831-95), в том числе и предельное значение выбросов оксидов азота. Нормативы удель­ных выбросов ориентированы на современный уровень научно-техниче­ского прогресса (табл. 4.1).

Согласно Конвенции ЕЭК ООН о трансграничном загрязнении возду­ха на большие расстояния (1994 г.), принятой в Женеве, и Протоколу к ней, необходимо сдерживать выбросы оксидов азота в атмосферу на уровне 1980 г. (не превышать максимальный уровень выбросов). Факти­ческие выбросы оксидов азота в атмосферу для ТЭС РАО «ЕЭС России», расположенных на ЕТР, представлены в табл. 4.2 [4.4].

93

Таблица 4.1. Нормативы удельных выбросов NO.,, по ГОСТ Р50831-95

Производи­тельность котла D, т/ч

Вид топлива

Массовый вы­брос* N0 , кг/т

Массовая концентра­ция** N0^ в дымовых

газах при а = 1,4, мг/м³

Котельные установки, вводимые		наТЭСдоЗ!	декабря 2000 г.
Менее 42б	Газ	1,26		125
	Мазут	2,52		250
	Уголь бурый: твердое шлакоудаление жидкое шлакоудаление	3,5 3,81		320 350
	Уголь каменный: твердое шлакоудаление жидкое шлакоудаление	4,98 6,75		470 640
Не менее 420	Газ	1,26		125
	Мазут	2,52		250
	Уголь бурый: твердое шлакоудаление жидкое шлакоудаление	3,95		370
	Уголь каменный: твердое шлакоудаление жидкое шлакоудаление	5,86 7,33		540 700

	Котельные установки, вводимые на		ТЭС с 1 января 2001г.
Менее 420	Газ	1,26		125
	Мазут	2,52		250
	Уголь бурый: твердое шлакоудаление жидкое шлакоудаление	3,20 3,20		300 300
	Уголь каменный: твердое шлакоудаление жидкое шлакоудаление	4,98 6,75		470 640
Не менее 420	Газ	1,26		125
	Мазут	2,52		250
	Уголь бурый: твердое шлакоудаление жидкое шлакоудаление	3,20		300
>	Уголь каменный: твердое шлакоудаление жидкое шлакоудаление	3,81 6,16		350 570

* Массовый выброс оксидов азота при расходе топлива в условном исчислении, т. ** При нормальных физических условиях, рассчитанных на сухие газы.

Как видно из табл. 4.2, выполнение обязательств России по Конвенции до 1991 г. осуществлялось, в основном, благодаря внедрению технологи­ческих топочных мероприятий по подавлению образования NO_X в топках котлов. Резкое снижение выбросов NO_X начиная с 1995 г. произошло в

том числе из-за снижения выработки электроэнергии. Поэтому выбросы NO_X в 1998 г. (542,9 тыс. т) значительно ниже того уровня, который соот­ветствует обязательствам отрасли по Конвенции. 94

.- .-ггра-: овых

Таблица 4.2. Фактические выбросы в атмосферу оксидов азота для ТЭС РАО «ЕЭС России», расположенных в ЕТР

Год	Выработка электро­энергии, млрд кВт • ч	Выбросы N0^, тыс. т	Удельный выброс, N0^, т/(млн кВт • ч) [г/(кВт • ч)]
1987	412,2	964,5(985,5)*	2,34
1988	428,1	968,4	2,26
1989	435,9	975,0	2,24
1990	441,9	987,3	2,23
1991	440,2	979,0	2,22
1995	329,0	680,3	2,07
1998	301,8	542,9	1,80

"Данные в скобках относятся к энергетике России в целом.

Ниже приводятся данные по выбросу вредных веществ в атмосферу от предприятий Российской Федерации, в том числе от электроэнергетики России и от ТЭС в частности (табл. 4.3).

Таблица 4.3. Выбросы вредных веществ в атмосферу предприятиями России

в год

Наименование	Выброс вредных ве-	Твердые	Сернистый	Оксид	Оксиды
предприятия	ществ в атмосферу*	вещества	ангидрид	углерода	азота
Только энергети-	5898,2/24	1812/38	2489/35	191/3	1384/40
ческими пред-
приятиями
В том числе ТЭС	5343,4/22	1706/36	2269/32	83/1,3	1267/37
Всеми предпри-	24788,3/100	4709/100	7198/100	5866/100	3452/100
ятиями РФ

* Числитель — выброс в тысячах тонн; знаменатель — выброс в процентах по отношению к суммарному выбросу предприятиями РФ.

Предприятия энергетики дают 38 % выбросов твердых веществ, 35 % сернистого ангидрида, 3 % оксида углерода (СО) и 40 % оксидов азота из числа суммарных выбросов этих веществ по России. Основная часть этих выбросов связана с работой ТЭС. Поэтому снижение выбросов NO_X в ат­мосферу остается первостепенной задачей для теплоэнергетиков.

4.2. МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА 4.2.1. Образование термических оксидов азота

Для разработки путей борьбы с образованием оксидов азота важно знать, как они образуются. В настоящее время хорошо изучены три прин­ципиально разных источника оксидов азота:

95

1000

1200

1400

1600

/, °С

NO_X, мг/м³

Термические NO

1000

500

1800

Рис. 4.1. Зависимость образования оксидов азота от температуры при сжигании

органического топлива

.1

1. образование термических NO из молекулярного азота воздуха при температуре выше 1300 °С (механизм Зельдовича);

2. образование N0 из азота, содержащегося в топливе (топливные N0);

3. образование N0 путем реакции молекулярного азота воздуха с уг­ леводородными радикалами («быстрые» N0).

Зависимость образования оксидов азота от температуры представлена на рис. 4.1 [4.30].

Термические оксиды азота возникают при высоких температурах и достаточном времени пребывания продуктов сгорания в зоне горения из молекулярного азота воздуха, подаваемого в топку котла.

Итоговую реакцию можно записать в виде:

Экспериментальные исследования показали, что скорость образования N0 намного меньше скорости горения и что основная часть N0 образует­ся пос,ле завершения горения, когда повышение температуры приводит к диссоциации молекулярного кислорода. Скорость обратимых реакций образования и разложения N0 в основном зависит от температуры в зоне горения и мгновенных концентраций избыточного кислорода, азота и ок­сида азота.

Из-за высокой энергии активации основное количество термических оксидов азота образуется в узком диапазоне температур, близком к мак­симальной температуре в зоне активного горения.

Скорость образования термических N0 увеличивается с ростом темпе­ратуры, она прямо пропорциональна концентрации азота и времени пре­бывания продуктов сгорания в зоне генерации оксидов азота, а также корню квадратному из концентрации кислорода. Поэтому первичные (ре-жимно-технологические) мероприятия для снижения образования терми-

96

"С

:и

ческих NO_X основаны на воздействии на один или несколько факторов в зоне максимальной генерации N0^ и на создании специальных условий в факеле горения, приводящих к восстановлению образовавшихся оксидов азота до молекулярного азота, как это, например, делается при ступенча­том сжигании топлива.

4.2.2. Образование топливных оксидов азота

Образование топливных оксидов азота осуществляется в два этапа: сначала происходит газификация капель мазута или угольных частиц с выделением азотсодержащих соединений (радикалов R) типа CN, CHN, NH, NH₂, а затем частичное окисление этих соединений по реакции:

RN + O,

NO + R0.

Топливные оксиды азота образуются параллельно с горением топлива в основной зоне горения за промежуток времени меньший, чем время го­рения топлива. Из-за малой энергии активации процесс образования N0 из азота топлива происходит уже при относительно низких температурах (t £ 1000 °С). Зависимость выхода топливных оксидов азота от содержа­ния молекулярного кислорода в зоне горения близка к квадратичной. Ес­тественно, важным фактором здесь является содержание азота в топливе.

При сжигании мазута в энергетических котлах доля топливной состав­ляющей оксидов азота относительно невелика, а при сжигании угольной пыли в топках с твердым шлакоудалением доля топливных оксидов азо­та, как правило, превышает 90 %.

4.2.3. Образование «быстрых» NO^

«Быстрые» NO образуются в зоне фронта пламени углеводородных топлив в результате аномально быстрых реакций молекулярного азота с углеводородами, содержащимися в топливе:

N₂ + СН HCN + N,

N + ОН ► NO + Н.

Эти реакции активно протекают уже при температуре около 1300 °С, когда образование термических NO еще не происходит. Концентрация «быстрых» NO растет при увеличении избытка воздуха и температуры и

при сжигании природного газа может составить 70—90 мг/м . С этим приходится считаться при разработке мероприятий по подавлению обра­ зования NO_X в целях достижения современных норм по выбросу NO_X в атмосферу. 4 Зак. 699 97

4.3. ПЕРВИЧНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ, НАПРАВЛЕННЫЕ НА УМЕНЬШЕНИЕ ВЫБРОСОВ NO_X

Из анализа механизмов образования оксидов азота при сжигании топ-лив следует, что уменьшения образования ТЧО_Л можно достичь, реализо­вав мероприятия, направленные:

1. на снижение температуры горения;

2. уменьшение времени пребывания продуктов сгорания в области высоких температур;

3. создание зон реакций с восстановительной атмосферой (избыток воздуха меньше единицы), где образование N0 из азота топлива затруд­ нено и восстановление оксидов азота идет до молекулярного азота.

Для снижения выбросов оксидов азота на электростанциях проводят следующие первичные, или режимно-технологические, мероприятия [4.9]:

1. использование горелок с низким выбросом NO_X (снижение NO_X до 60 %);

2. ступенчатое сжигание топлива (снижение N0^ на 35—45 %);

3. ступенчатую подачу воздуха (снижение N0^ до 50 %);

4. рециркуляцию дымовых газов (снижение NO_X до 33 %);

5. впрыск воды (или водомазутной эмульсии) в ядро факела (сниже­ ние N0^ на 25—44 %);

6. комбинацию первичных мероприятий (снижение N0^ до 90 %).

Первичные мероприятия малозатратны, и поэтому их применяют пре­жде всего для обеспечения нормируемых выбросов оксидов азота.

4.3.1. Горелки с низким выбросом NO^

У горелок с низким выбросом NO_X, которые созданы в многочислен­ных вариантах, организована ступенчатая подача воздуха [4.1]. Принцип работы такой горелки (рис. 4.2) заключается в следующем. В ядро факела подается количество воздуха, недостаточное для обеспечения полноты горения (кислородный «голод»), в то время как во внешнюю зону горе­ния подается избыточное количество воздуха, чтобы обеспечить полноту

_{I I}

а> 1

о> 1

Рис. 4.2. Принципиальная схема