книги / Теоретические основы энерготехнологии химических производств
..pdfэтой горелки является то, что она позволяет сжигать отходы угледобычи ("штыб") и легко регулируется ее производительность (пылеобразное топ ливо по свойствам очень похоже на жидкость). К недостаткам следует от нести то, что для полного сгорания топлива требуется достаточно большой объем топки, т.к. частица топлива должна оставаться в зоне высоких тем ператур до тех пор, пока она полностью не сгорит. Кроме,того, т.к. твердое топливо достаточно трудно зажечь, то данный тип горелок требует допол нительных мероприятий по стабилизации пламени (подсветка факела го релками, работающими на газе или мазуте).
Квысокоинтенсивным топкам, позволяющим сжигать мелкое топливо
иотходы производства^относят циклонные топки, вариант которой пред
ставлен на рис.2.21. Согласно схеме измельченное твердое то пливо вместе с первичным возду хом. тангенциально подается в ко ническую часть горелки. Для при дания дополнительной угловой скорости в топку тангенциально подается вторичный воздух, что позволяет разогнать горящее топ ливо до достаточно высокой угло вой скорости.
По сравнению с факельной топкой, циклонная топка значи тельно меньше по размерам и не
столь требовательна к размеру частиц. Однако непосредственный контакт потока горящего топлива со стенками топки быстро выводит корпус из строя, и его приходится достаточно часто заменять.
В химической промышленности разновидности топок этого типа применяются для сжигания серы, сточных вод, отходов и др. В этих слу чаях (при необходимости) в топку также может быть подано газовое или жидкое топливо.
3 . ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
Как было сказано выше, основными компонентами дымовых газов при полном сжигании топлива являются: С 02, Н20 , N2, 0 2 и S02. Однако кроме этих соединений дымовые газы содержат оксиды азота, которые образуются в топке при высоких температурах из атмосферного азота или из соединений азота, содержащихся в топливе. Часть компонентов: угле кислый газ, вода, азот и кислород - не оказывают вредного влияния на человека, а часть: оксиды азота (NO, N 02, N20) и серы (S02, S03) - очень вредны для человека и окружающей среды. Так, отрицательное воздейст вие оксидов азота на природу выражается в образовании фотохимическо го смога, разрушении озонового слоя Земли, выпадении кислотных дож дей, гибели лесов и водоемов, а на организм человека оксиды азота ока зывают резко выраженное общетоксическое и канцерогенное воздейст вие. Оксиды серы, а также образующиеся при их соединении с водяными парами сернистая и серная кислоты оказывают вредное воздействие на здоровье людей, вызывают разрушение стальных конструкций и строи тельных материалов, снижение прозрачности атмосферы, нарушают про цесс фотосинтеза и, следовательно, гибель хвойных лесов и плодовых де ревьев. Однако наибольшую опасность представляют источники газовых выбросов, содержащие одновременно оксиды азота и оксиды серы, т.е. дымовые газы энерготехнологических установок.
Газовые выбросы могут поступать в атмосферу без обезвреживания (очистки) либо после обезвреживания (очистки). Наиболее важной характе ристикой газовых выбросов является их количество, определяемое произве дением расхода дымовых газов и концентрации загрязняющих компонентов. Так как концентрация оксидов серы и азота очень низка, то использование объемных или массовых процентов неудобно. Поэтому для низкоконцен трированных компонентов используют два типа выражения концентрации:
-массовую: мг/м3, т.е. количество мг вещества, содержащегося в 1м3 газа;
-объемную: ppm {parts per million - частей на миллион), т.е. количество частиц (молекул) закрязняющего вещества, которое содержится в 1 миллионе частиц газа.
Связь между этими единицами измерения концентраций для газооб разных веществ выражается соотношением
|
1 [мг/нм3] = 22,4/р [ppm], |
(3.1) |
где |
ц - молярная масса газообразного вещества-загрязнителя, кг/кмоль; |
|
|
22,4 - молярный объем идеального газа при н.у., нм3/кмоль. |
|
Например, для: |
|
|
|
|
|
S 02 (р=64 кг/кмоль): |
1 |
мг/нм3 = 22,4/64 = 0,35 ppm |
или |
1 |
ppm = |
64/22,4 = 2,86 мг/нм3, |
|
|
|
|
|
NO (ц=30 кг/кмоль): I мг/нм3 = 22,4/30 = 0,75 ppm |
или |
1 |
ppm = |
||
30/22,4 = 1,34 мг/нм3, |
|
|
|
|
|
N 02 (р=46 кг/ кмоль): |
1 |
мг/нм3 = 22,4/46 = 0,49 ppm |
или |
I ppm = |
|
46/22,4 = 2,05 мг/нм3. |
|
|
|
|
|
Вредное воздействие этих компонентов на природу и человека опре деляется их концентрацией в воздухе, вдыхаемым человеком и действую щим на растение и животных. Так как выброс тех или иных вредных ве ществ будет изменяться в зависимости от технологического режима источ ника выброса, то необходимо, чтобы концентрация вредных веществ в приземном слое воздуха в жилой зоне не превышала величину, при кото рой на человеческий организм оказывается недопустимое воздействие. Ве личины предельных концентраций разрабатываются (постоянно изменяют ся) по каждому компоненту санитарными службами государства и назы ваются предельно-допустимыми концентрациями (ПДК). Различают ПДК в воздухе рабочей зоны (ПДКрз) и в атмосферном воздухе (ПДКав). ПДКрз - это концентрация, которая при ежедневной работе в течение 8 часов или другой продолжительности, но не более 41 часов в неделю, за весь стаж работы не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоро вья, обнаруживаемого современными методами исследования.
Уровни загрязнения нормируются раздельно для воздуха в рабочих зонах и атмосферного воздуха в населенных пунктах. Согласно нормам СН245-71 выбросы в атмосферу должны регламентироваться таким обра зом, чтобы с учетом рассеивания концентрации вредных веществ не пре вышали: в воздухе на территории предприятия 30% ПДКрз; в воздухе на селенных пунктов - ПДКмр-с населением более 200 тысяч человек и в ку. рортных зонах 80% ПДКмр.
Для интегрированной оценки воздействия выбросов вредных веществ на окружающую среду и для контроля за выбросами промышленных предприятиятий используют величину предельно допустимого выброса (ПДВ), т.е. выброса вредных веществ, величина которого определяется нормами технологического режима. В диапазоне от нуля до ПДВ предприятие платит штрафы (плата за выбросы), величина которых пропорциональна величине выброса (руб/т). При превышении ПДВ стоимость тонны выброса во много
раз превышает тариф. Если предприятие занимается экологическими про блемами, то величина "платы за выбросы" может быть скорректирована или работы могут быть проведены за счет этих платежей, что в некоторой степе ни стимулирует предприятия заниматься экологическими проблемами.
Одним из важнейших путей уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу является обезвреживание выбросов. Термин "обезврежива ние" следует понимать как более широкий, чем очистка. Это связано с тем, что обезвреживание включает как предотвращение или уменьшение образования веществ-загрязнителей, так и очистку выбрасываемых газов от этих веществ.
В свою очередь, очистка газовых выбросов от загрязняющих веществ основана на процессах удаления этих веществ из газа жидкими или твер дыми поглотителями. Для очистки используются также методы, основан ные на химических превращениях веществ-загрязнителей в другие веще ства, которые либо не являются загрязнителями, либо более просто уда ляются из газа, например:
2NO + 2Н2 = N2 + 2Н20 .
Если в процессе очистки вещества-загрязнители образуют другие ве щества, которые могут быть использованы в качестве сырья или продук тов, то следует говорить об утилизации этих веществ.
Воснове методов обезвреживания веществ-загрязнителей лежат раз личные физические, физико-химические и химические процессы: физиче ская абсорбция, хемосорбция, адсорбция, каталитические и некаталити ческие химические реакции. Мероприятия, связанные с выбором и со блюдением технологического режима, наилучшего с точки зрения мини мизации содержания в выбросах веществ-загрязнителей, составляют ос нову метода обезвреживания, называемого оптимизацией технологиче ского режима. Частным случаем этого метода является оптимизация ре жима горения топлива с целью минимизации образования оксидов азота.
Вкачестве методов очистки газовых выбросов от оксидов азота ис пользуются:
-селективное некаталитическое восстановление (SNCR метод),
-селективное каталитическое восстановление (SCR метод),
-неселективное каталитическое восстановление (NSCR метод),
-адсорбция,
-хемосорбция.
Для очистки от диоксида серы применяют:
-адсобцию,
-хемосорбцию,
-адсорбционно-каталитическое выделение.
Для очистки газовых выбросов, содержащих несколько веществзагрязнителей,используют комбинации тех или иных методов.
5.7.Методы подавления образования оксидов азота при сжигании то плива. Методы очистки газовых выбросов от оксидов азота
Оптимизаиия режима горения топлива. Несмотря на то, что в топли ве могут содержаться соединения азота, которые при сжигании неизмен но переходят в оксиды азота (топливные), большая часть оксидов азота (NOx) образуются в процессе горения топлива из атмосферного язота. Следовательно , организационно-технологические *мероприятия должны быть направлены на выбор и соблюдение параметров, оптимальных с точки зрения минимизации образования оксидов азота. Преимущество данного метода заключается в том, что позволяет добиться цели без до полнительных капитальных затрат на установку системы очистки.
С точки зрения термодинамики и кинетики процесса образования ок сидов азота основные мероприятия должны быть направлены на сниже ние температуры факела, снижение концентрации кислорода и времени пребывания газов в зоне высоких температур. К ним относятся:
-применение горелок с пониженным образованием оксидов азота (горелок многостадийного сжигания, горелок с рециркуляцией, щелевых подовых горелок и т.д.);
-рециркуляция дымовых газов;
-ступенчатое сжигание топлива;
-снижение температуры подогрева воздуха, подаваемого в топку;
-инжекция воды или пара в топку;
-малые избытки воздуха.
Наиболее распространенными способами снижения образования NOx являются: рециркуляция дымовых газов; ступенчатое сжигание топлива; инжекция воды или пара в топку.
Реииркуляиия ды м овы х га зо в в зону горения является наиболее рас пространенным и хорошо изученным методом снижения количества обра зующихся оксидов азота, так как при этом одновременно снижается тем пература факела и избыточная концентрация кислорода. Так, например, при подаче газов рециркуляции с температурой 300°С в количестве, рав ном 20% от объема воздуха, поступающего на горение, максимальная температура факела снизится на 120-130°С, что приведет к снижению скорости образования оксидов азота. Однако следует отметить, что при подаче 1% газов рециркуляции, КПД котла в среднем снижается на 0,02% за счет уменьшения движущей силы теплопередачи. Наряду с этим следу ет отметить необходимость в специальном рециркуляционном насосе и газоходе, повышение гидравлического сопротивления дымохода и т.д., и при черезмерной степени рециркуляции может привести к появлению са жи и оксида углерода.
С т уп ен чат ое сж и ган и е т оплива является одним из наиболее пер спективных методов регулирования топочных режимов и одновременно снижения образования оксидов азота. Сущность метода заключается в том, что в первичную зону горения подается воздуха меньше, чем необ ходимо теоретически (а = 0,7...0,95), что приведет к понижению макси мальной температуры и содержания кислорода в ядре факела и, следова тельно, к уменьшению скорости реакции образования оксидов азота. Кроме того, при последующем горении в ядре факела также отсутствуют зоны сверхвысоких температур.
И нж екиия воды или п ара в т опку влияет как на скорость образования оксида азота, так и на максимальную температуру в зоне горения, и позво ляет снизить время пребывания в зоне высоких температур. Кроме того, подача воды или пара в ядро зоны горения позволяет снизить образование сажи. Однако следует отметить, что ввод воды или пара в количестве более 5-6% от массы подаваемого в горелки воздуха может оказать отрицатель ное влияние на полноту сгорания топлива и показатели работы котла, а по дача 9-10% пара в котел приводит к снижению его КПД на 4-5%.
Как показывают исследования, решающее влияние на выход оксидов азота оказывает конструкция горелочных устройств, так как именно в го релке смешивается топливо с воздухом, что определяет условия образо вания оксидов азота. Поэтому практически все методы воздействия на образование оксидов азота будут эффективны только в случае, если они влияют на условия смесеобразования и горения в корне факела.
Селективное некаталитическое восстановление (SNCR). Данный метод основан на вводе в камеру сгорания при температуре 900-1000°С аммиака или других соединений, способных при разложении образовывать аммиак или аминогруппы (карбамид и др.). Схема метода представлена на рис.3.1.
Рис. 3.1. Схемаметода SNCR
В результате реакции оксиды азота превращаются в молекулярный азот и воду:
6 NO + 4 NH3 ~= 5 N2 + 6 Н20 ,
6 N 0 2+ 8 NH3 = 7N 2 +12 H20 .
Потребность в аммиаке для SNCR-процесса значительно выше сте хиометрической величины, т.к. при высокой температуре и наличии ки слорода значительная часть аммиака может окисляться и не использо ваться для реакции с NOx. Несмотря на значительный избыток восстано вителей, степень удаления оксидов азота не превышает 40 - 60%.
Следует учесть, что при температуре выше 1000°С неизбежно проте кают побочные реакции, такие как окисление аммиака в азот и оксиды азота, в объеме, который делает применение данного метода бессмыслен ным. Если же температура ниже 900°С, то скорость восстановления окси дов азота резко падает, и будет происходить выброс избытка аммиака, ко торый сам является токсичным веществом. Токсичность аммиака также создает определенные сложности при его транспортировке и хранении, особенно в населенных пунктах.
Таким образом, при применении данного метода необходимо:
-очень точно определять место ввода аммиака в топочный газ, по скольку процесс восстановления NOx аммиаком эффективно протекает лишь в узком температурном интервале, а для котлов, у которых темпера тура топочного газа меняется в зависимости от нагрузки, необходимо оборудование нескольких точек ввода аммиака;
-соблюдать строгие требования процесса восстановления в зависн
ув -
мости от температуры потока, нагрузки по топливу, его калорийности и т.д., что может ограничить мощность сжигающего устройства;
-учитывать возможность выброса в атмосферу аммиака и других побочных токсичных продуктов;
-учитывать возможность забивки теплообменных поверхностей кот ла сульфатами аммония, при сжигании высокосернистого топлива, а при использовании в качестве восстановителя раствора карбамида - циануровыми кислотами;
-для исключения термического разрушения форсунок подачи вос становителей использовать защитный водяной пар, что приведет к пони жению КПД энергетической установки.
Селективное каталитическое восстановление (SCR). Для очистки от оксидов азота отходящих газов, богатых кислородом, также выгодно ис пользовать аммиак в качестве селективного восстановителя, который вступает в реакции с оксидами азота на катализаторе в соответствии со следующими уравнениями реакций:
6 NO + 4NH3 = 5 N2 + 6Н 20 , 6N 0 2 + 8 NH3 = 7 N2 + 12 Н20 .
Восстановление проводят при небольшом избыточном содержании аммиака по сравнению со стехиометрическим для обеспечения высоких степеней превращения оксидов азота (70-95%). Для процесса очистки ис пользуют алюмованадиевый и алюмомарганцевованадиевый катализаторы, срок службы которых около 5 лет. Принципиальная технологическая схема метода представлена на рис.3.2.
Существенным ограничением применимости данного метода очистки от оксидов азота является наличие узкого температурного интервала, что требует точно регулировать температуру процесса (180-320°С). При низ ких температурах процесс тормозится адсорбцией взрывающихся само произвольно нитратов аммония и других солей на катализаторе. Увеличе ние температуры выше 320°С приведет к резкому снижению степени вос становления оксидов азота, вызванному протеканием реакции окисления аммиака до N0:
4 NH3 + 5 0 2 = 4 N0 + 6 Н20.
Для проведения эффективной очистки очищаемых тазов от оксидов азота необходима точная дозировка восстановителя. В случае превы
шения концентрации аммиака выше стехиометрической более чем на 20 - 30% может происходить выброс избытка ам м и ак который сам является токсичным веществом. Токсичность аммиака создает определенные
W |
v Wа |
сложности при его транспортировке и хранении, особенно в населенных пунктах. Поэтому автоматическое регулирование температуры и скорости подачи аммиака, в соответствии с требуемой концентрацией, приобретает большое значение. Как и все каталитические методы, метод SCR чувстви телен к большому содержанию пыли и каталитических ядов, например, серо-, фтор- и хлорсодержащих веществ.
Неселективное каталитическое восстановление (NSCR). Данный ме тод предназначен для обезвреживания содержащихся в газах оксидов азо та (NOx) путем их восстановления на катализаторе до элементарного азо та восстановительным газом, содержащим водород (Н2), монооксид угле рода (СО) или их смесь по реакциям:
2NO + 2Н2(или СО) = N2 + 2Н20(или С 02) , 2N02 + 4Н2(или СО) = N2 + 4Н20 ( или С 02).
Принципиальная технологическая схема представлена на рис.3.3. В зависимости от состава восстановительного газа получаются водяные па ры, углекислый газ или их смесь. Метод обезвреживания оксидов азота называется неселективным, поскольку восстановители (Н2 и СО) взаимо действуют на катализаторе с кислородом, содержащимся в газовом пото ке. Данное взаимодействие (каталитическое горение) проходит парал лельно процессу обезвреживания оксидов азота, что требует значительно