Экология техносферы

Введение

Тепловые электрические станции вместе c продуктами сжигания угля , сланцев, мазута и газа выбрасывают в атмосферу вредные примеси.

Основными загрязняющими веществами при сжигании угля являются оксиды серы, азота и твердые частицы, а также тяжелые металлы и мышьяк; при сжигании природного газа - оксиды азота, оксид углерода и бензапирен. Почти все газовые месторождения в стране представлены малосернистым природным газом и удаление из них серных соединений в виде Н2S не представляется необходимым.

....Российские требования к качеству природного газа по содержанию в нём cеросодержащих соединений (ССС) установлены в двух нормативных документах: ГОСТ 5542-87 и ОСТ 51.40 . Согласно этим стандартам, содержание ССС в природном газе не должно превышать: сероводорода 20 мг/м3, меркаптановой серы 36 мг/м 3. Единая Европейская спецификация на качество газа для всех поставщиков и потребителей природного газа (согласно требованиям EASEE-gas) устанавливает более жёсткие требования по содержанию сероводорода и меркаптановой серы: 5 мг/м 3 и 6 мг/м 3 соответственно. Контрактные требования ОАО «Газпром» для поставки газа в по содержанию сероводорода и меркаптановой серы: 5 мг/м 3 и 6 мг/м 3 соответственно. ГОСТ 341980.493 регламентирует ПДК в рабочей зоне , не более 10 мг /м3

Тенденции развития теплоэнергетики направлены на создание экологически чистых угольных электростанций с высокой энергетической эффективностью и внедрением технологий сокращения образования и выброса загрязняющих веществ.

При решении задачи сокращения выбросов вредных веществ от ТЭС иа угольиом топливе условно можно обозначить четыре сложившихся в мировой практике подхода:

-выделение экологически вредных компонентов из исходного топлива с последующим сжиганием очищенного продукта:

-предварительная технологическая переработка топлива (газификация ) с удалением вредных веществ из полученных продуктов, дожигание топлива, в комбинации с генерацией энергии на первом и втором этапах переработки топлива;

-подавлеиие образования вредпых веществ или их коиверсия в процессе сжигания топлива;

-удаление вредных примесей из дымовых газов.

Первый и четвертый варианты предполагают технологии, реализуемые с энергетическими затратами вне рабочего цикла. Тогда как второй и третий варианты подразумевают внедрение технологий на стадии выполнения заданного энергопроизводственного процесса с использованием паротурбинного или парогазового цикла.

Выбор наиболее оптимальных решений по схемам очистки дымовых газов от частиц летучей золы и оксидов серы определяется рядом факторов:

нормативными требованиями содержания вредных веществ в дымовых газах и уровнем фоновой загазованности свойствами угольного топлива, содержанием органической и колчеданной серы, зольностью

техническими свойствами летучей золы , в т.ч. содержанием СаО, величиной удельного электрического сопротивления.

Данные Методические указания разработаны с использованием: Нормативного метода расчета котельных агрегатов [1], адаптированного лля специалистов по экологии с введением ряда упрощений. В работе использованы материалы, приведенные в [2, 3].

В Методических указаниях обозначен порядок построения схем с системами очистки дымовых газов для угольных энергоблоков без рассмотрения экономических аспектов проблемы. Показаны примеры схем для разных марок сжигаемых углей.

4

1. Нормативные требования

Таблица 1.

Нормативы удельных выбросов в атмосферу оксидов серы для котельных установок, введенных на ТЭС с 1 января 2001 г., для твердых и жидких видов топлива.

Таблица 2

Нормативы выбросов твердых частиц в атмосферу для котельных установок, введенных на ТЭС с 1 января 2001 года

В таблицах 1, 2 приведены нормативные удельные выбросы согласно ГОСТ Р 50831-95 для котельных установок [4]

5

Условные обозначения: Qр н - низшая теплота сгорания топлива ( количество теплоты, выделяемое единицей массы топлива за вычетом теплоты на испарение влаги топлива и влаги, полученной при сгорании водорода топлива);

A п – приведенная зольность топлива, A п = Ар / Qр

топлива , Sп = Sр / Qрн ;

α ух – коэффициент избытка воздуха на выходе из котла, определяемый как сумма величины избытка воздуха в топке для обеспеченя полноты сгорания топлива и присосов воздуха по газовому тракту котла.

2.Технические свойства угольного топлива

Втаблице 3 показаны технические характеристики некоторых наиболее распространенных марок углей и других видов органических топлив на ТЭС России

6

Как видно из таблицы 3, угли Кузнецкого и Канско-Ачинского бассейнов отличаются невысоким содержанием серы Sр = (0.2-0.5)%, угли Канско-Ачинского бассейна малозольные Ар = (5-7) %; Кузнецкого бассейна средней зольности Ар = (11-18) %.

Наиболее зольным являются горючие сланцы Ар до 60%, далее следует экибастузский уголь Ар до 38%, и подмосковный до 25%.

Угли с приведенной зольностью Ап меньше 1.0 % кг/ МДж считаются малозольными, например антрациты. Для большинства бурых углей с Ап=(1.9-2.4) %кг/МДж необходимо принятие специальных мер по сокращению выбросов твердых частиц в атмосферу.

Для подмосковного угля характерны высокие значения как зольности, так и сернистости Sр = ( 2.7-3.0) %

Решение проблемы вредных выбросов на ТЭС имеет особое значение при сжигании ряда углей, в том числе для донецкого, подмосковного, экибастузского и других , а также для мазутных ТЭС.

2.1Содержание серы в твердом топливе

Сера является вредной примесью, так как она выделяет при сгорании мало теплоты

(9,3 МДж/кг), а наличие соединений серы в дымовых газах вызывает экологические проблемы.

В твердом топливе различают серу колчеданную FeS2, органическую и сульфатную

(FeSO4, CaSO4, MqSO4 ).

Сульфатная сера дальнейшему окислению не подвергается и при горении переходит в золу. Колчеданная сера (в виде железного колчедана — пирита ) и органическая сера, называемые горючей серой, подвержены окисленню и образуют при горении сернистый газ.

S +O 2 =SO2 2FeS2 + 5O 2 = 2 FeO + 4 SO2

Часть диоксида серы окисляется до триоксида серы

2SO2 + O2 = 2SO3

Суммарное содержание горючей и сульфатной серы составляет общую серу So. В зависимости от содержания серы различают малосернистые (So < 0.5%), сернистые (So=0,5 - 2,5%) и высокосернистые (So > 2,5%) топлива.

Ожидаемый выброс оксидов серы определяется также по приведенной сернистости топлива, рассчитываемой как отношение содержания серы на рабочую массу к низшей теплоте

сгорания

S п = Sр / Q р н

2.2Зольность топлива.

Золой при определении характеристики топлива считается остаток, получающийся

при прокаливании до постоянной массы навески топлива в присутствии кислорода при температуре 800 ºС.

Как видно из таблицы 4, основой зол различных углей является окись кремния, угли Канско-Ачинского бассейна имеют в своем составе значительное содержание окиси кальция.

7

Большинство микроэлементов и их соединений, часть из которых токсична, при температуре уходящих газов 130-150°С находится в твердом состоянии и улавливается вместе с золой в золоуловителях. Соединения: ртути, серы, фтора, хлора находятся в парообразном состоянии и практически не задерживаются в сухих золоуловителях.

При горении угля топочном объеме часть золы уносится с газами по тракту котла. Доля летучей золы зависит от типа топок и системы пылеприготовления. При более мелком помоле эта доля возрастает. Так для камер с твердым шлакоудалением доля летучей золы составляет 0.80– 0.95, с жидким шлакоудалением 0.4 -0.6 (при расплавлении золы). В топках с твердым шлакоудалением оставшаяся зола удаляется через холодную воронку котла, с жидким шлакоудалением шлак в жидкотекучем состоянии стекает в водяную ванну, охлаждается и гранулируется.

3. Характеристики летучей золы

Эффективность работы газоочистных устройств во многом зависит от физикохимических свойств улавливаемой золы и поступающих в золоуловитель дымовых газов. Основными характеристиками золы являются дисперсный состав, электрическое сопротивление (для электрофильтров), плотность, слипаемость, смачиваемость, содержание в золе СаО. Подробная информация по этим параметрам для золы ряда углей приведена в работах [5, 6].

Плотность частиц летучей золы для большинства углей лежит в пределах 1900 - 2500 кг/м3. Плотность определяется как отношение массы частиц золы к занимаемому ею объему, включая объемы пор.

Зола с высокой слипаемостью забивает циклоны и мокрые золоуловители и плохо удаляется из бункеров. Это относится к золе АШ.

При выборе и эксплуатации золоуловителей следует учитывать абразивность золы и ее смачиваемость.

Интенсивность абразивного износа золоуловителей зависит от твердости, размера, формы и плотности частиц. Смачиваемость частиц водой оказывает влияние на работу

8

мокрых золоуловителей. Чем лучше смачиваемость, тем выше эффективность золоулавливания.

3.1 Дисперсный состав

Дисперсный состав летучей золы во многом зависит от дисперсионного состава сжигаемой угольной пыли, поступающей после размольного устройства в топку.

II группа золы имеет удельное электрическое сопротивление в пределах (102 - 108) Ом.м и наиболее полно улавливается в электрофильтрах. К этой группе относится зола ряда каменных углей - донецкого Т, ГСШ и др.

III группа золы характеризуется УЭС больше 108 Ом.м и является электрическим изолятором. Такая зола называется “высокоомной”. К золе третьей группы относится зола некоторых каменных углей , в частности экибастузского, кузнецкого.

Для таких углей возможны явления так называемой обратной короны, нарушающих нормальную работу электрофильтров.

9

УЭС золы экибастузского угля при температуре дымовых газов 120-130 °С составляет (10 13 - 10 14 ) Ом.м, для золы кузнецкого угля (5-8) 10 11 Ом.м при

160-165 ºС.

На практике применяют для очистки дымовых газов экибастузского угля от золы первую ступень - скруббер Вентури, где температура снижается до 30-50 °С, что приводит к снижению удельного электрического сопротивления золы и возможности доочистки газа в электрофильтре ( до 30-50 мг/ м 3).

Электрическое сопротивление зависит от температуры и влажности газов и от содержания в топливе серы. Для высокосернистых углей Sр = 2.5-3.0 % наиболее эффективна работа электрофильтра в диапазоне температур газов 130 - 220 °С. Для малосернистых топлив с высоким удельным сопротивлением золы необходимую степень золоулавливания можно достичь либо путем размещения электрофильтра до воздухоподогревателя, где температура газов 200-300 ºС, когда удельное сопротивление резко падает, либо подачей химического реагента, снижающего удельное сопротивление летучей золы (вода, аммиак, сернистый ангидрид).

4.Технологии и установки сероочистки

Впрактической деятельности применяются около 20 способов, обеспечивающих

удаление SO2 с приемлемыми техническими и экономическими показателями [7]. Наиболее часто в мировой практике сероочистки дымовых газов применяются следующие технологии: мокрая известняковая; мокрая известковая; мокро-сухая известковая; сухая известняковая и другие. По этим технологиям сооружены установки более чем на 400 промышленных энергетических котлах преимущественно большой мощности.

4.1 Классификация технологий

Известные технологии можно классифицировать по следующему принципу: предварительная обработки угля до его сжигания с выделением серосодержащих компонентов; переработка топлива (газификация) с удалением серосодержащих веществ из продуктов газификации;

подавление образования SO2 или их конверсия в процессе сжигания; сокращение содержания SO2 в дымовых газах.

4.2 Технологии предварительной обработки угля

Технология получения, так называемого самоочищающегося угля. Такой уголь лучше горит, и при его использовании в дымовых газах оказывается на 80% меньше диоксида серы, дополнительны же расходы составляют лишь часть затрат на установку скрубберов. Технология получения самоочищающегося угля включает две стадии. Первоначально уголь размалывается в порошок и добавляется в шлам, при этом уголь всплывает, а примеси, содержащие неорганическую серу, удаляются. На второй стадии порошкообразный уголь, имеющий в своем составе органическую серу, подвергается обработке химическими веществами, название которых является коммерческой тайной, и уплотняется в комки. При сгорании угля эти химические вещества вступают в реакцию с органической серой, причем сера надежно изолирована, что исключает ее попадание в атмосферу. Комки такого модифицированного угля можно транспортировать, хранить и применять как обычный уголь.

Паровоздушная десульфуризация: нагрев дробленного угля до 400 ºС с окислением пиритной серы, обработка угля при т-ре 700-750 ºС в среде водяного пара и небольшого количества воздуха для окисления органической серы. Эффективность процесса 60%.

4.3 Газификация угля

Процессы газификации имеют множество различных модификаций [8] .Для большой энергетики наиболее применимы процессы газификации в потоке пылеугольного топлива

10