Экология техносферы

(технология GCP) или в виде водно-угольной суспензии (технология Texaco) с кислородным или воздушным дутьем.

Лидирующими зарубежными компаниями в области создания парогазовых энергоблоков с внутрицикловой газификацией являются General Electric, Siemens и

Mitsubishi.

Проектная мощность энергоблоков до 600 МВт, КПД нетто до 45% (КПД нетто определяется с учетом расхода электроэнергии на собственные нужды энергоблока). Cоздание энергоблоков с газификацией угольного топлива требует увеличения капвложений по сравнению с ПТУ на 20-30%.

Основным достоинством использования технологии внутрицикловой газификации является существенное снижение выбросов вредных веществ относительно угольных

паротурбинных энергоблоков с традиционным сжиганием топлива.

Так при кислородной газификации угольной пыли в потоке, протекающей с недостатком окислителя (αт=0.6-0.7 в топочном объеме), при высокой температуре 1200-1500 оС, конечными продуктами являются синтез-газ (СО+ Н 2) - 70% ; сера топлива переходит в

(Н2S + СОS).

Удаление Н2S практикуется с помощью раствора метилдиэтаноламина (МДЭА), СОS – гидролизным методом. Произведенный кислый газ пригоден для получения товарной серы с помощью процесса Клауса.

Степень извлечения Н2S - 98-99%, СОS - 94% , степень конверсии сероводорода в серу 96% . Содержание оксидов серы в выбросах порядка 50 мг/м 3 [9].

Зола топлива в процессе газификации в основной своей массе переходит в жидкий шлак. Система очистки синтез-газа от частиц летучей золы должна гарантировать возможность подачи на лопатки газовой турбины, т.е. содержание твердых частиц порядка 5 мг/м3 . Таким образом, загрязнение атмосферы твердыми частицами определяется степенью очистки сушильных газов после системы сушки топлива.

4.4 Сжигание топлива с подавлением образования серосодержащих веществ

Технология сжигания в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) - организация сжигания взвешенных в подъемном потоке частиц с образованием так называемого кипящего слоя. Путем добавления в слой частиц измельченного известняка, взаимодействующего с топливом, с образованием СаSО4, удается снизить содержание серы в дымовых газах на

90% [10].

Наиболее важными факторами, определяющими эффективность улавливания серы, являются:

температура в слое, причем степень связывания серы уменьшается при отклонении температуры от заданного диапазона; качество известняка и распределение частиц по размерам;

содержание серы в топливе, технология эффективна для малосернистых и среднесернистых углей; рециркуляция золы и извести, увеличение степени рециркуляции увеличивает эффективность процесса;

умеренное отношение СаS, при излишней подаче известняка, который является катализатором, наблюдается увеличение выбросов оксидов азота.

Следует иметь в виду, что энергоблоки с котлами типа ЦКС небольшой мощности до 200 МВт.

4.5 Удаление серного ангидрида из дымовых газов

Сухой известняковый метод основан на обжиге тонко размолотого известняка СаСО3 в топочной камере при температуре 1000-1100 °С до образования извести с ее последующим взаимодействием с диоксидом серы. Летучая зола вместе с отходами сероочистки удаляется из котла.

Рекомендуется для очистки дымовых газов малосернистых углей,

11

содержание серы менее 1.5%, эффективность удаления SO2 – (30-35)%

Отходы технологии - смесь летучей золы с безводным гипсом и оксидом кальция, применимы для дорожного строительства, не токсичны

Мокросухая известняковая технология основана на связывании оксидов серы тонко диспергирированной водной известковой суспензией с последующим высушиванием этой суспензии теплотой очищаемых газов.

SO2 + Ca (OH)2 = CaSO3 0.5H2О

SO2 + Ca (OH)2 +1/2 O2 +H2O = CaSO4 2H2O CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O

Реагент вводится в дымовые газы, поступающие из котла, перед электрофильтром. Отходы сероочистки, смешанные с летучей золой, улавливаются в электрофильтре. Получаемый отход - смесь летучей золы с полуводным сульфитом кальция, двухводным сульфатом кальция, и гидроксидом кальция, не токсичен Использование – дорожное строительство, засыпка земельных неудобий, наполнитель для производства строительных изделий.

Требования к эффективности золоулавливания нет.

Процесс сероочистки улучшает работу электрофильтра из-за охлаждения и увлажнения дымовых газов, снижает выброс летучей золы в 5-7 раз

Мокрые регенеративные и нерегенеративные технологии Мокрые технологии предполагают использовании абсорбционных аппаратов [11,12 ], в

которых протекают процессы физической абсорбции и хемосорбции.

При организации регенеративных мокрых циклических технологий образующиеся отходы после регенерации снова возвращается в абсорбер.

Регенеративная аммиачно-циклическая Химической основой этой технологии является обратимая реакция

между растворенным сульфитом и гидросульфитом аммония и диоксидом серы

(NH4)2SO3 + SO2 +H2O = 2 NH4 HSO3

При температуре 30-35 ºС реакция протекает слева направо, при кипячении раствора в обратном направлении.

Дымовые газы из котла после электрофильтра с содержанием летучей золы не более 250300 мг/ м3 поступают в абсорбер. Насыщенный диоксидом серы раствор подают в десорбционную колонку, где при температуре порядка 97 ºС и избыточном давлении 47 кПа образуется раствор сульфита аммония, который возвращается в абсорбер. Смесь диоксида серы с водяным паром поступает в кoнденсатор, далее в сушильную башню, охлаждают при испарении жидкого аммиака. Сжиженный диоксид серы используют для производства серной кислоты.

Недостатки – сложность технологических процессов и образование побочных продуктов, которые необходимо выводить из цикла сероочистки.

Скрубберы Вентури для улавливания диоксида серы Технология основана на промывке дымовых газов раствором соды с последующей конверсией продуктов реакции в сульфат кальция.

2NaOH +SO2 = Na2SO3 + H2O

Na2CO3 + SO2 = Na2SO3 + CO2

Na2SO3 + Ca(OH)2 + 2 H2O +1/2 O2 = CaSO4 2H 2O + 2 NaOH

12

В центробежном каплеуловителе из газов выделяется жидкость, которая в виде пульпы стекает вниз . В конвертере пульпа взаимодействует с известковой суспензией, далее после разделения твердой и жидкой фаз: двуводного сульфата и гидроокиси натрия, первый вместе с золой подают в золоотвал, а второй возвращают на орошение скруббера Вентури.

Характеристики процесса Эффективность 50%.

Применяемый реагент сода, известь, известь токсична. Коэффициент избытка реагента 1.1-1.5.

Влияние сероочистки на золоочистку снижает выброс летучей золы в 2-3 раза. Получаемый отход – пульпа из смеси золы с сульфатом кальция. Необходимость подогрева газа на 25 ºС перед дымовой трубой.

Нерегенеративные технологии Мокрая известняковая технология основана на связывании диоксида и триоксида серы

известняковой суспензией. Получаемый сульфит доокисляется до сульфата СаSО4.

SO2 + H2O = H2SO3

SO3 + H2O = H2SO4

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca (HCO3)2

Ca(HCO3)2 + H2SO3 = CaSO3 .1/2H2O +3/2H2O +2CO2 Ca(HCO3)2 + H2SO3 = CaSO4.2H 2O + 2CO2

Характеристики процесса Эффективность 95% Коэффициент избытка реагента 1.03-1.05

Отход – двухводный сульфат кальция не токсичен, возможно использование в строительной промышленности для изготовления цемента, гипсовых изделий, для производства бетона, для засыпки земельных неудобий.

Необходим подогрев очищенных газов на 25 °С Требования по золоочистке - не более 250 мг/м3 Сероочистка снижает запыленность газов на 30-35%

Реагент и отходы химически нетоксичны и плохо растворимы Наличие природного реагента практически во всех регионах страны.

Недостатки: при десульфуризации образуются жидкие отходы в виде загрязненных солями вод; долговременное хранение гипса оказывает вредное воздействие на окружающую среду.

Аммиачный метод – взаимодействие SО 2, SO 3 с аммиаком с образованием кристаллов сульфата аммония.

SO2 + H2O = H2SO 3

NH3 + H2O = NH4OH

2NH4OH + H2SO 3 = (NH4)2SO3 + 2H2O (NH4)2SO 3 + H2SO 3 = 2 NH4HSO3 + H2O NH4OH + SO3 = (NH4 )2SO2

При окислении продуктов абсорбции

(NH4)2SO3 +1/2O2 =(NH4)2SO4 NH4HSO3 + 1/2O2 = NH4HSO4 NH4HSO4 + NH4OH = 2(NH4)SO4+H2O

Полученный сульфат аммония обезвоживается, подвергается дроблению, брикетированию для использования в качестве удобрения.

Характеристики процесса Эффективность 99%

Применяемый реагент – аммиак сжиженный (газообразный) NH3, аммиачная вода

13

На энергоблоках большой мощности для очистки дымовых газов от частиц летучей золы применяются батарейные циклоны, составленные из отдельных циклонных элементов и установленных в одном корпусе с общим входным патрубком для газа.

В циклоне обеспечивается тангенциальный либо осевой подвод газа в канал корпуса. Запыленный газ, войдя в корпус, движется по спирали вниз вдоль стенок корпуса. Мелкие частицы совместно с крупными частицами покидают аппарат через опускную воронку и попадают в пылесборник. Очищенный газовый поток через выхлопную трубу выходит из аппарата. Повышение эффективности очистки, особенно в области мелких фракций, достигается благодаря более равномерной подаче, распределению и закручиванию газового потока . Степень очистки дымовых газов котлов зависит от скорости газа в циклонных золоуловителях и размера частиц золы. Наблюдается квадратичная зависимость степени золоулавливания от размера частиц, которая резко снижается с уменьшением их размера. Расчет степени улавливания обычно ведется для каждой фракции частиц отдельно. Содержание той или иной фракции видно из данных таблицы 5. Степень улавливания мелких фракций ниже, более крупных достигает 90% и выше. Недостатки циклонов - вторичный захват, осевшей на стенках аппарата золы, унос мелких фракций с газом.

В качестве примера рассматривается одна из модификаций батарейного циклона БЦ 512, который служит для улавливания золы из газового тракта паровых котлов средней и большой мощности, работающих на твердом топливе. Одним из серьезных преимуществ данных циклонов является возможность их использования для газов, содержащих золу, подверженную слипанию. Температура газов на входе в циклон может быть достаточно высокой, до 400 ºС. Данные свойства, наряду с высокой эффективностью пылеулавливания и надежностью работы, способствовали весьма широкому их распространению и массовому применению на действующих и проектируемых угольных ТЭС.

Заводские паспортные данные циклона БЦ 512:

диаметр циклонного элемента 512 мм;

количество циклонных элементов 48;

максимальный расход газа 37.0 м 3/ с;

эффективность пылеулавливания 92% , для батарейного циклона с отсосом газа (с рециркуляцией) - до 94%;

гидравлическое сопротивление 1100 Па.

5.3 Принцип действия мокрых золоуловителей типа Вентури

Мокрый золоуловитель составлен из двух аппаратов: коагулятора в форме трубы Вентури и скрубберакаплеуловителя. В входный патрубок трубы Вентури вводится пылегазовый поток, и через специальные сопла - вода. В конфузоре трубы Вентури происход9ит разгон пылегазового потока от скорости 10-20 м/с в входной части сопла до скорости 150 м/с в узком сечении. В горловине осуществляется дробление капель воды при взаимодействии с движущимся потоком газа, в диффузоре – торможение пылегазового потока и столкновение частиц золы с каплями воды, сопровождаемого коагуляцией (соединением) частиц золы и капель воды. Из трубы Вентури поток тангенциально вводится в скруббер, стенки которого орошаются водой, образуя пленку. Скоагулированные частицы осаждаются на внутреней стенке скруббера и вместе с

15

жидкой пленкой стекают в бункер. Очищенный газ выводится через верхний патрубок скруббера [14].

Эффективность мокрых золоуловителей с предвключенным коагулятором порядка 96%. Подобная степень очистки иногда является недостаточной для энергетических аппаратов, зарубежные аналоги до 98-99%.

Гидравлическое сопротивление мокрых высоконапорных золоуловителей типа трубы Вентури до 3000 Па.

В мокрых золоуловителях происходит также улавливание из газа оксидов углерода и серы. При наличии в составе золы кальциевых соединений протекают химические реакции, приводящие к образованию твердых отложений и забиванию ими элементов золоуловителя. При содержании в золе СаО более 20% применение мокрых золоуловителей не рекомендуется.

Недостатки: унос брызг, приводящий к образованию золовых отложений на стенках аппарата, увеличению гидравлического сопротивления, осаждению отложений на стенках дымососов; расход воды на очистку газов до 0.6 л/м3

5.4 Принцип действия электрофильтров

В электрофильтре запыленный поток движется между осадительными электродами и расположенными между ними коронирующими электродами. К коронирующим электродам подается постоянное напряжение. Осадительные электроды заземлены. При определенной напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве происходит ионизация дымовых газов, в результате которой образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа и электроны. Газовые ионы разной полярности под действие сил электростатического поля движутся к разноименным электродам, вследствие чего возникает электрический ток ( ток короны). Частицы золы, адсорбируя электроны, приобретают отрицательный заряд и осаждаются на осадительных электродах под действием сил электростатического поля и адгезии (сцепления).

С помощью ударного механизма осуществляется встряхивание электродов, и частички золы при смыве водой попадают в бункер.

На работу электрофильтра большое влияние оказывает величина УЭС золы. При высоких значениях УЭС может возникнуть явление , так называемой, обратной короны. В этом случае проводимость слоя пыли уменьшается, что приводит к увеличению падения напряжения в слое при одновременном его уменьшении в газовом промежутке. При увеличении разности потенциалов между поверхностью слоя и заземленным электродом до значения, достаточного для пробоя газов, на некоторых участках поверхности слоя возникают относительно стабильные местные разряды, в результате чего в межэлектродном пространстве образуются положительно заряженные ионы, которые под действием сил электрического поля двигаются к коронирующему электроду, встречают на своем пути частицы золы , заряженные отрицательно, и нейтрализуют их заряды. В результате этого прекращается движение золовых частиц к осадительному электроду и снижается степень золоочистки газов в электрофильтре.

Величина электрического сопротивления золы оказывает также влияние на скорость дрейфа (осаждения) золовых частиц на осадительных электродах, которая, в значительной степени наряду с величиной поверхности осаждения f , определяет эффективность золоулавливания. Изменение скорости дрейфа от удельного сопротивления незначительно до значений =108...109 0м м, при больших значениях наблюдается резкое падение скорости дрейфа, связано с образованием обратной короны.

Степень улавливания растет с уменьшением скорости газа. Для углей с высоким удельным электрическим сопротивлением золы приходится принимать малые скорости газового потока 1-1.2 м/с, а для прочих типов 1.6-1.8 м/c. Гидравлическое сопротивление в электрофильтре порядка 150 Па.

16

Высокая концентрация золы в дымовых газах с Ап > 10% значительно ухудшает работу электрофильтра. Рекомендуется комбинировать электрофильтр c предвключенным батарейным циклоном.

На современных энергоблоках для очистки дымовых газов от твердых частиц широко применяются электрофильтры серии ЭГА (электрофильтр горизонтальный типа А). Электрофильтры оснащены широкополосными осадительными электродами шириной 640 мм. Высота электродов 6; 7.5; 9, 12 и 15 м. Коронирующие электроды, устанавливаемые между осадительными электродами, имеют заостренную форму для получения наивысшей напряженности электрического поля. К коронирующим электродам осуществляется подвод постоянного напряжения (60-80 кВ).

Рабочая часть электрофильтра, в которой существует электрическое поле, называется активной зоной. Она разделена на несколько электрических полей, через которые очищаемый газ проходит последовательно. Электрофильтры бывают однопольными и многопольными. Число полей в каждом электрофильтре может быть три и четыре ( ЭГА). Эффективность золоулавливания высокая до 99%, а в современных аппаратах нового поколения до 99.8%, например в электрофильтрах типа ЭГВ с увеличенным межэлектродным расстоянием до 460 мм.

5.5. Тканевые фильтры

Тканевые фильтры, конструктивно представленные в виде корпуса прямоугольной формы с установленными внутри цилиндрическими (рукавными) элементами, предназначены для тонкой очистки газов с размерами частиц менее 10 мкм. Промышленные конструкции таких фильтров выполняются многокамерными. Число рукавов в одной камере может быть более 100. Дымовые газы поступают снизу внутрь рукавов. Фильтрование происходит через гибкую ткань на внутренней поверхности рукавов. Удаление осевшей на ткани золы осуществляют при отключении подачи дымовых газов в камеру путем механического встряхивания или продувкой рукавов воздухом в обратном направлении при невысоком избыточном давлением 10 4Па. Отделившаяся пыль направляется в пылесборник.

Скорость газового потока низкая 0.01-0.02 м /с, гидравлическое сопротивление высокое 0.5-1.5 кПа. Степень улавливания 99.9%, 35-50 мг/ м 3. Обычно тканевые фильтры применяются на энергоустановках небольшой мощности.

17

6. Структура схем очистки дымовых газов

6.1 Основные параметры, определяющие выбор технологий и аппаратов

Таблица 7

Зависимость эффективной работы золоуловителей от ряда факторов

Таблица 8 Рекомендации по применимости различных технологий очистки от оксидов серы

в зависимости от сернистости угля

18

6.2 Порядок выполнения работы

Расчет исходных данных для разработки схемы выполняется согласно [15] 1.Для заданной мощности энергоблока определяются: расход рабочей массы

угольного топлива; объем дымовых газов и удельное содержание в них оксидов серы и твердых частиц 2. Выполняется сравнительный анализ удельных количеств вредных веществ в

дымовых газах , рассчитанных для условий ( tух= 0 °С; αух =1.4) с нормативными величинами. позволяющий определить необходимый уровень их снижения. 3.Подбор технологий осуществляется с учетом технических свойств угля, технологических требований с учетом взаимного вляния наличия соединений серы и частиц летучей золы в дымовых газах, условий практической реализации процессов и аппаратурного обеспечения , таблицы 7,8 .

7. Варианты расчетных схем

7.1 Пример схемы ( уголь средней сернистости и влажности, высокой зольности)

Исходные данные: свойства угля

Q н р -17.1 МДж/кг,

состав рабочей массы угля, %

Wр - 15, Ар - 25.5, Cр - 44.9, Hр – 3.5, Sр - 1.7, Nр - 0.9, Oр - 8.5 ;

СаО < 20%, УЭС – в диапазоне величин, позволяющих применение электрофильторов Температура уходящих газов 150 ºС, избыток воздуха α ух – 1.4; мощность энергоблока 300 МВт, КПД брутто -40%

Результаты расчета:

Vo = 0.0889 ( 44.9 + 0.375× 1.7) + 0.265× 3.5 – 0.0333×8.5 = 4.74 м3 /кг

Теоретический объем продуктов сгорания

V ог = V RO2 + V N2 + VоH2O = 0.847 + 3.752 + 0.651 = 5.25 м 3/ кг (2)

V RO2 = 0.0186 (C р + 0.375 S р) = 0.0186 (44.9 + 0.375× 1.7) = 0.847м 3/ кг

V N2 = 0.79 Vo + 0.008 N р = 0.79× 4.74 + 0.008× 0.9 = 3.752 м3 / кг

Полный объем водяных паров образуется в результате горения водорода, испарения влаги

топлива, влагосодержания атмосферного воздуха.

V оH2O = 0.111 H р+ 0.0124 W р + 0.00124dг Vо = 0.111× 3.5 + 0.0124× 15 +

0.00124× 13× 4.74 = 0.651 м 3 / кг

dг -влагосодержание окислителя, г/м3 ( может быть принят равным 13 г/ м3)

19

Расчетный объемный состав дымовых газов, %:

СО2 = (0.836 / 7.15) 100= 11.7

Н2О = ( 0.651 / 7.15) 100=9.1

N2 = (3.75 7.15) =52.4

избыточный воздух - (0.4х 4.74) 7.15х 100 = 26.5

SO2 = (0.12/7.15)х 100 ~0.2

В произведенном расчете до точности десятых от целой величины суммарный объем

100%.

Расчет содержания оксидов азота в дымовых газах вызывает определенные сложности,

поскольку в процессе горения топлива их образование (термических из молекулярного азота воздуха; топливных из азота, содержащегося в топливе; так называемых быстрых при реакции молекулярного азота воздуха с углеводородными радикалами) зависит от ряда факторов, в том числе от температуры горения, времени пребывания продуктов сгорания в зоне генерации оксидов азота и других.

Для определения валого выброса оксидов азота можно ориентироваться на их значения,

полученные по эксплуатационным данным.

Значения оксидов азота для котлов

Расход рабочей массы топлива

Bт = 300 / [ 17.1 × 0.4 ] = 43.9 кг/с

Объем дымовых газов , выбрасываемых в атмосферу

20