Учебник по Природоохранным технологиям на ТЭС

При более высоких температурах уходящих газов расход воды больше и эффективность золоулавливания выше.

В табл. 2.5 приведены оптимальные соотношения минимально до% пустимых температур газов и удельных расходов воды при различных температурах уходящих из котла газов для мокрых золоуловителей двух типов с КВ.

Таблица 2.5

Допустимые по условиям охлаждения газов удельные расходы воды на орошение золоуловителей, кг/м3

2.2.8. Двухступенчатые золоулавливающие установки

Перспективными для использования в энергетике являются такие комбинированные золоулавливающие аппараты (электрофильтр + во% дяной аппарат для улавливания в том числе и мелких частиц (рис. 2.15); электрофильтр + рукавный фильтр рис. 2.16).

Такие установки с двухступенчатым золоулавливанием рекоменду% ется применять при работе котлов на зольных топливах Aпр > 3 % и вы% соких экологических требованиях к ТЭС.

Вместо двух последних электрополей установлен рукавный фильтр. Применение в качестве первой ступени мокрой очистки газа способствует, кроме того, повышению эффективности электрофильтра за счет снижения удельного электрического сопротивления золы. Ком% бинация электрофильтра и рукавного фильтра в одном корпусе реко%

51

мендована в качестве варианта реконструкции устаревших электро% фильтров для электростанций, на которых предполагается переработка и отпуск потребителям золошлаковых материалов.

Рис. 2.15. Двухступенчатый золоуловитель для золы топлив с высоким удельным электрическим сопротивлением:

1 – вход запыленных газов; 2 – мокрый скруббер; 3 – подвод орошающей воды мокрого скруббера; 4 – швеллерная решетка для задержания капель;

5 – газораспределительные решетки; 6 – система осадительных электродов; 7 – бункеры для уловленной золы; 8 – выход очищенных и увлажненных дымовых газов

Эффективность 2%ступенчатой ЗУ определяется по уравнению:

Необходимо отметить, что перечисленные новые технологии, по% мимо твердых частиц, позволяют улавливать как ртуть, так и ее соеди% нения. Все это необходимо будет учитывать при выборе газоочистного оборудования, поскольку в промышленно развитых странах уже в на% стоящее время уделяется большое внимание уменьшению выбросов ртути с дымовыми газами ТЭС.

52

Рис. 2.16. Схема комбинированного золоуловителя:

1 – входной короб; 2 – распределительные решетки; 3 – ступень зарядки частиц в электрополе; 4 – ступень осаждения частиц в электрополе; 5 – рукавный фильтр;

6 – подвод сжатого воздуха; 7 – выходной короб; 8 – бункер; 9 – отвод уловленной золы

2.2.9. Определение массового выброса твердых частиц при сжигании углей

Массовый выброс золы и твердых частиц несгоревшего топлива Mз вычисляется по одному из нижеприведенных выражений [34]:

При отсутствии экспериментальных данных о содержании горю% чих в уносе используется формула:

где B – расход натурального топлива, кг/с; Ar – зольность топлива на ра% бочую массу, %; ун – доля золы, уносимой газами из котла (табл. 2.6);зу – доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях, с учетом зал% повых выбросов (в расчетах не учитывается влияние сероулавливающих установок); Гун – содержание горючих в уносе, %; q4 – потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, % (для твердых топлив эта величина принимается в соответствии с нормативными данными [2], для мазутных котлов q4 = 0,02 % [1]); Qнr – низшая теплота сгорания то% плива, МДж/кг; 32,68 – теплота сгорания углерода, МДж/кг.

53

Таблица 2.6

Величины коэффициента ун для различных топочных устройств

Для топлив, в золах которых CaOсв 25 %, учитываются процессы сульфатизации в дымовых газах, в результате которых образуются твер% дые частицы CaSO3, в расчет вводится поправка kSO2, равная для эстон% ских сланцев – 0,8; для углей КАТЭК – 0,5; для ангренских углей – 0,1:

Àr 2,5k Sr

Ìç Â 100 Ãóí óí (1 çó ). (2.27)

2.2.10.Массовый выброс мазутной золы (в пересчете на ванадий)SO2

При сжигании мазута в котельных установках наряду с газообраз% ными образуются и твердые продукты сгорания, состоящие из продук% тов недожога и минеральной составляющей. В состав минеральных компонентов входят в основном соединения металлов, таких как вана% дий, никель, железо, алюминий, кобальт и др. Для мазутной золы в ка% честве контролирующего показателя принят пентоксид ванадий V2O5.

Единственно возможным вариантом снижения выбросов мазут% ной золы в атмосферу является установка на котлах золоулавливающих установок. В некоторых отечественных мазутах содержание в золе ва% надия в пересчете на V2O5 достигает 30 %, что является очень высоким показателем для ванадийсодержащего сырья. В связи с тем, что в мазут% ной золе содержится также ряд других микроэлементов, она может найти широкое применение в металлургии. Кроме того, с уменьшени% ем выброса сажистых частиц с продуктами сгорания мазута уменьшает% ся выброс в атмосферу бенз(а)пирена и других токсичных полицикли% ческих ароматических углеводородов (ПАУ).

54

Отечественные мазутные ТЭС практически не оборудованы золоу% ловителями. Однако за рубежом накоплен большой опыт по внедрению

иэксплуатации различных устройств для улавливания твердых частиц при сжигании мазута. Это – электрофильтры, рукавные фильтры и их комбинации. Мазутная зола обладает повышенной адгезивной способ% ностью, гигроскопичностью, повышенной способностью слеживаться,

иэто учитывается в конструкциях золоуловителей. Электрофильтры оборудуются специальными нагревателями для подогрева газа выше точки росы при пуске котла. Для надежного удаления золы золовые бункеры снабжаются обогревателями и специальными механизмами. Чтобы уменьшить налипание частиц на электродах в Японии применя% ют впрыск перед электрофильтрами аммиака. При ухудшении характе% ристик электрофильтра прибегают к водной промывке электродов га% зораспределительных решеток и других элементов. Степень очистки газа в электрофильтрах достигает 95 %.

Не менее эффективными для улавливания мазутной золы являют% ся рукавные фильтры. Для нейтрализации присутствующих в газах SO3 на входе в фильтры вводится щелочная присадка. Скорость фильтра% ции при температуре 125 С составляет 0,3 м3/мин. Очистка рукавов осуществляется поочередно каждый час при помощи вентиляторов, всасывающих отфильтрованный газ.

Довольно широкое распространение получили инерционные зо% лоуловители – батарейные циклоны (БЦ) с элементами, диаметром 152–305 мм. Для предупреждения отложений на элементах циклонов предусмотрены промывочные устройства. Степень улавливания БЦ со% ставляет 70–90 %. Так как в уловленном материале содержится большое количество углерода, в некоторых схемах предусмотрен их возврат на повторное дожигание.

Мазутная зола представляет собой сложную смесь, состоящую в основном из оксидов металлов. В качестве контролирующего показате% ля принят ванадий, по содержанию которого в золе установлен сани% тарно%гигиенический норматив – ПДК. Массовый выброс в атмосферу мазутной золы с дымовыми газами в пересчете на ванадий вычисляет% ся по формуле [5]

где VV2O5 – содержание окислов ванадия в жидком топливе в пересчете на V2O5, %, (табл. 2.7).

55

Таблица 2.7

Содержание V2O5 в мазуте (по данным ВТИ)

При совместном сжигании мазута и твердого топлива в пылеуголь% ных котлах степень улавливания мазутной золы ( зуV, %) в пересчете на ванадий в золоулавливающих установках вычисляется по формуле

где у – общая степень улавливания твердых частиц при сжигании угля, %; С – коэффициент, равный:

•для электрофильтров – 0,6;

•для мокрых аппаратов – 0,5;

•для батарейных циклонов – 0,3.

2.3. Снижение выбросов диоксида серы

Диоксид серы представляет собой бесцветный газ с резким уду% шливым запахом. Повышение концентрации SO2 в атмосферном воз% духе приводит к раздражению слизистых оболочек глаз, органов дыха% ния живых существ, включая человека, вплоть до возникновения хро% нических респираторных заболеваний. Кроме того, SO2 в атмосфере

56

под действием озона окисляется до триоксида, и, соединяясь с водяны% ми парами, образует пары серной кислоты H2SO4. Озон окисляет также окислы азота с конечным образованием паров азотной кислоты HNO3. Пары обеих кислот имеют плотность в 3–4 раза больше плотности воз% духа, что обеспечивает их интенсивное осаждение. Атмосферные осад% ки ускоряют поступление этих кислот в почву и водоемы, что приводит к их закислению. К этому следует добавить, что смесь серной и азотной кислот растворяют тяжелые металлы и с грунтовыми водами вносят их в пресную воду, отравляя живые организмы, включая человека. Расче% ты показывают, что около 90 % SO2 выпадает из дымовых газов на поч% ву в радиусе примерно 15–35 высот дымовых труб. И только 10 % SO2 переносится в другие регионы под действием атмосферных потоков. В атмосферном воздухе SO2 «живет» до 3%х суток и весь выпадает на ра% стительность, почву, водоемы и сооружения.

В углях сера содержится в трех формах: колчеданной (FeS2), орга% нической (в составе сложных молекул органической массы) и незначи% тельное количество сульфатной серы (сернокислые соли кальция, ще% лочных металлов). В жидком топливе сера присутствует в основном в составе органических полигетероциклических соединений. Высоким содержанием сероводорода отличаются природный и попутный газ только некоторых месторождений (Оренбургский, Астраханский).

При окислительном сжигании топлива сера претерпевает сложные превращения и многократно изменяет форму своих химических соеди% нений, переходя, в конечном счете, в SO2 (99 %) и SO3 (1 %):

При температурах ниже 700 С происходит интенсивное доокисле% ние по формуле

2SO2 O2 2SO3.

Количество образующихся при сжигании топлив окислов серы за% висит прежде всего от сернистости и расхода топлива.

Месторождения высокосернистых углей в России находятся в ев% ропейской части страны и на Урале. Угли Сибири и Дальнего Востока обычно имеют малое содержание серы. Отечественные энергетические мазуты содержат 2–3,5 % серы.

При использовании топлив, имеющих небольшое содержание се% ры, нормативы удельных выбросов SO2 с дымовыми газами обеспечи%

57

ваются естественным образом. Часть углей Сибири и Дальнего Востока требуют очистки продуктов сгорания всего на 15–55 %. Продукты сго% рания углей европейской части страны и Урала, а также сернистые ма% зуты необходимо очищать на 82–95 %. В перспективе предусматривает% ся использование в энергетике малосернистых топлив сибирских ме% сторождений. Но потребление сернистых мазутов теплоэлектроцентра% лями останется еще значительным.

Уменьшить выброс окислов серы можно различными путями:

•применением малосернистых топлив;

•очисткой топлив от серосодержащих компонентов до его сжига% ния – первичная подготовка топлива;

•связыванием серы в процессе сжигания топлив;

•очисткой дымовых газов.

2.3.1. Первичная подготовка топлива

Предварительная подготовка топлива перед сжиганием в котлах предполагает:

•механическое обогащение топлив;

•термохимическую обработку топлива;

•модификацию топлива.

Обогащение углей – это разделение горючей массы и балластных

примесей различными механическими методами. Колчеданную серу из твердого топлива можно удалить механическим путем, используя её большую плотность (около 5 т/м3) по сравнению с углем (2 т/м3).

ВКузнецком бассейне более 65 % углей подвергается механиче% ской обработке. Исходный уголь – малосернистый, зольность 21–25 %.

Впроцессе переработки получают: 63 % концентрата с зольностью 8,5 %; 35 % промпродукта с зольностью 34 % и 0–2 % отсева породы.

Вэнергетике применяется промпродукт.

Канско%ачинские бурые угли характеризуются низкой зольностью и небольшим содержанием серы и считаются экологически чистыми. Они не требуют обогащения, но значительное содержание в них бал% ластной влаги ограничивает применение. В настоящее время ведутся работы по освоению новой автоклавно%брикетной технологии произ% водства высококалорийного, механически прочного, атмосферо% и влагоустойчивого кускового топлива и брикетов из канско%ачинских углей.

В Печорском бассейне работает девять фабрик, на которых обога% щается весь добываемый уголь, в результате зольность снижается до

58

17,5 %. В бассейне применяются все методы обогащения: тяжело%сред% ние сепараторы и гидроциклоны; отсадка; крутонаклонные и пневма% тические сепараторы; сушка в трубах%сушилках и аэроклассификато% рах. В Подмосковном бассейне, где добывается высокосернистый бу% рый уголь, около 30 % угля охвачено всеми видами обогащения.

Во многих перспективных процессах углеочистки необходимым условием отделения больших количеств пиритной серы и других мине% ральных примесей является размалывание угля до очень тонких фрак% ций. При этом большинство минеральных включений в угле может быть высвобождено. Механическое дробление является энергетически затратным и дорогостоящим. Одна из новых технологий – взрывная. Процесс идет в жидких средах, которые могут проникнуть внутрь тон% ких пор в угле при высоких давлениях. При сбросе давления и расши% рении жидкости уголь распадается на микроскопические частицы. По% скольку минеральные включения в угле являются относительно беспо% ровыми, они абсорбируют жидкость в меньшей степени и, следователь% но, в большей степени остаются укрупненными. Вследствие разницы в размерах частиц уголь и минеральные включения могут быть отделены друг от друга одним из механических способов.

Разрабатывается принципиально новый метод – биологическая очистка. Определены естественно существующие бактерии, которые могут десульфурировать уголь. Делаются попытки улучшить сероотде% ляющие характеристики этих микробов, особенно скорость «поедания» ими органической серы. Другие исследователи работают над идеями использования грибков, которые имеют преимущества перед бактерия% ми. Химическая или биологическая угольная очистка позволяет отде% лять до 90 % общей серы и 99 % золы угля.

Термохимическая обработка угля – один из эффективных способов извлечения из топлива органической серы. Термическая переработка топлив (газификация, пиролиз) на ТЭС перед сжиганием в энергетиче% ских котлах предполагает энерготехнологическое комплексное (ЭТК) использование органических топлив, при котором обеспечивается из% влечение ценного химического сырья – различных смол и ароматиче% ских углеводородов.

Сернистые соединения топлив в процессе термической переработ% ки при температурах 900–1300 С переходят в основном в газообразный сероводород H2S. Методы очистки газов от сероводорода в технике до% статочно отработаны и эффективны. Они позволяют выделить до 95 % H2S из газа и использовать его для получения нужных народному хо%

59

зяйству продуктов. В энергетических котлах сжигаются только очи% щенный от вредных примесей горючий газ и полукокс, что и обеспечи% вает чистоту окружающей среды. В образовавшемся полукоксе сохра% няется лишь небольшая часть связанного азота, что предотвращает об% разование топливных оксидов азота. Поскольку процесс горения в топ% ках котлов идет при более низких температурах, по сравнению с пря% мым сжиганием топлива, удается сократить в 1,5–2 раза образование «воздушных» окислов азота.

Из мазута сера может быть выделена путем каталитического гидри# рования в виде H2S с последующим восстановлением его до элементар% ной серы. Эту технологию целесообразно применять на нефтеперера% батывающих заводах.

Фирма ИНТРЭК (Россия) разработала и реализовала на ряде ТЭС ОАО «Мосэнерго» технологию сжигания эмульгированного мазута, по% зволяющую снизить количества вредных газообразных выбросов при полной утилизации замазученных вод [16]. В результате испытаний, проведенных на ТЭЦ%8, ТЭЦ%11, ТЭЦ%21, ТЭЦ%25, ТЭЦ%26 и котель% ной Загорской ГАЭС, были сделаны следующие выводы:

•исчезает проблема замазученных вод, поскольку именно эту воду эмульгируют в первую очередь, а приготовленная ВМЭ не рас% слаивается в процессе хранения в баках;

•повышается надежность топливоотдачи, так как отсутствуют водя% ные пробки в мазутопроводах;

•выбросы NOx снижаются на 25–44 % при повышении КПД котла на 0,5–1,0 %;

•снижается выброс CO при работе с теми же коэффициентами из% бытка воздуха, что и при сжигании обычного мазута, или снижает% ся коэффициент избытка воздуха при одинаковых значениях кон% центрации CO.

2.3.2. Связывание серы в процессе сжигания топлива

Связывание серы в процессе горения топлива осуществляется в кипящем слое твердых частиц размолотого известняка, в который по% гружены поверхности нагрева котла. Таким способом можно сжигать твердое, жидкое и газообразное топливо. Эта технология позволяет примерно на 90 % химически связать серу, содержащуюся в топливе, не допуская контакта сернистых соединений с поверхностями нагрева, где окислы серы становятся коррозионно%активными, а также предотвра% щать выброс этих окислов в атмосферу.

60