Квадратная топка Alstom для бурых углей высотой 120 м.

Энергоблок 1050 МВт Niederanssem.

Горелки размещены по четырем стенам топки. Длина восстановительной зоны около 50 м. Газы находятся в ней 3-5 секунд. Основная масса NO_x переходит в N₂. 1 и 2 ярусы разведены на 25-30 метров. Дожигание идет в зоне пароперегревателей – это предельно сложная процедура.

3. Топки KWE с вертикальным управляемым вихрем. Есть подозрение, что факел предполагается разделить на три зоны:

   • Пиролиз угля с частичным сжиганием газов и ОС (α=0,5-0,7)

   • Зона горения углеродного остатка топлива (α=0,8-0,9);

   • Зона догорания топлива (М=0,9-1).

Воздух вводится вверху топки – зона дожигания в восстановительной атмосфере и закручивания вихря. После дожигания α>1.

Аналогичную схему проектируют в Новосибирске на базе кольцевой топки. При разделении вихря ненадежно работают трубы на выходе из топки. Схема до конца не изучена и в некоторых режимах наблюдается повышение NO_x.

Главное ограничение во всех этих схемах – дожигание в восстановительной атмосфере и содержание горючих в уносе. Часто требуются дополнительные меры, которые являются коммерчески не выгодными. Реально ны лучших ТЭС мира часто используется первая схема (и для БУ, и для КУ). Однако, такая схема требует установки особых горелок, которые запрещены стандартами РФ.

Признаки горелки низкотоксичного сжигания для 1й схемы.

4. Вихревые горелки. Одни закрученный пылевидный поток и два закрученных потока воздуха.

5. Факел таких горелок достаточно длинный. Это снижает температуру горения.

6. Горелка должна иметь специальные средства стабилизирующие горение.

7. Все потоки воздуха и пыли должны быть осесимметричными.

8. Все закрученные потоки или хотя бы поток воздуха должны иметь средства для регулирования и изменения интенсивности крутки.

Установка стабилизирующих устройств в виде конусов, шайб и др., также измерительных устройств не предусмотрена отраслевыми стандартами РФ. Без применения этих двух способов не возможно воздействовать на турбулентность в отдельных зонах, что является единственным механизмом перемешивания газов в факеле.

В соответствие со схемой DB в центральной части факела идет сгорание угольной пыли с подавлением топливных NO_x, когда в процессе выхода летучих эти газы выделяются и воспламеняются. При этом их воспламенение и горение проходит с большим недостатком воздуха (дефицит 30-50 %).

Далее происходит частичная газификация угля с дефицитом 10-20 %. Это согласуется с теорией Рослякова, что при таких избытках воздуха образуется меньше NO_x. Для этого в эту зону вводят небольшое количество воздуха. Для лучшего его перемешивания с газами нужно что бы поток воздуха был хорошо закручен.

Третья зона – зона полного догорания пыли с превращением её в продукты сгорания. Идёт при дефиците 10 %.

В периферийный поток добавляется воздух. Все три зоны подачи воздуха должны жестко контролироваться. Продукты сгорания далее перемешиваются с продуктами недожога (только механического). Над горелками подается воздух. В этой зоне происходит довосстановление NO_x. Для этого необходима очень тонкая система управления и регулирования подачи воздуха в топочную камеру. Также необходимо обеспечить его хорошее перемешивание.

Важную роль в организации этих процессов играет турбулизация потоков. Для этого используют плохообтекаемые тела. Различные устройства (например, конусы), позволяют усилить турбулизацию на 30-40 %. В некоторых случаях используют направляющие аппараты.

Сложность заключается в том, что до сих пор отсутствуют адекватные модели, описывающие турбулентный поток. На самых лучших горелочных устройствах все потоки воздуха контролируются по расходу и углу поворота лопаток. Это сложно и дорого, но только таким путем можно получить самое экологичное сжигание угля.

Очистка продуктов сгорания от оксидов азота.

Из всех технологий, разработанных в мире применяется в 97 % случаях одна: сегментивное каталитическое восстановление. В основном используются технологии на основе разработок Hitachi 70-80 годов.

В нормальных условиях скорость прямой и обратной реакций восстановления NO_x в топочных газах равна при температуре 900 ⁰С. Два пути решения проблемы:

В зону горения вводят вещества, способствующие образованию N₂. Например, впрыск аммиака или аммиачной воды в верхнюю часть топки. С помощью специальных катализаторов добиваются того, что бы скорость образования и разложения стала не одинаковой. Проблема состоит в выборе коммерчески обоснованной температуры, минимальные затраты на установку и эксплуатацию катализатора (до 15 % стоимости ТЭС).

pNO+qNO₂+NH₄→xN₂+yH₂O

Достоинства и недостатки:

• КПД=98-99 %

• Самая дешевая технология;

• Самая надежная и простая из всех

• Очень дорогая

• Крайняя сложность и капризность в эксплуатации:

• Аммиак – дорогой и токсичный газ

• При содержании аммиака 25 % (в дымовых газах) они взрываются

• Его трудно равномерно перемешивать с газами

• Нужен хим контроль аммиака.

• Быстро загрязняется золой. Требуется очистка продуктов сгорания.

Сероочистка дымовых газов.

По версии отечественных источников – это технологические схемы для удаления из дымовых газов оксидов серы.

Реально на ведущих станциях используется преимущественно мокрая сероочистка. Позволяет удалять не только до 96 % серы, но и 100 % HF и HCl.

Главные проблемы:

• Сочетание эффективности и затрат;

• Выбор эффективного сорбента;

• Получение нетоксичных отходов, которые возможно превратить в коммерческий продукт.

Самый подходящий сорбент – CaCO₃. Из него можно получить строительный гипс. Что бы получить чистый белый гипс необходимо содержание горючих <1 %,а самой золы не более 1 %.

В наиболее развитых странах сероочистка предполагает очистку газов от всех кислот и кислотных остатков. А также очистка от тяжелых Ме токсичных элементов, которые содержатся в этой золе.

Еще один вариант предполагает очистку от ртути и кадмия – самых опасных веществ, содержащихся в минеральной части топлива. Которые, однако, не контролируются стандартами РФ.

Системы золоулавливания, как правило, пропускают мало золы, содержащей тяжелые Ме. Единственной недостаточно решенной проблемой современной энергетики являются ртуть и талий. Эти металлы на 5-6 порядков токсичнее оксидов серы и азота. Оказывают крайне сильно разрушающее действие на организм и даже на генетический код.

Основные типы сероочисток.

Существует множество типов сероочисток, но последние 15-20 лет 90 % всех установок составляют мокроизвестняковые сероочистки (МИСО).

МИСО.

Большинство таких установок используют слабые растворенные соединения кальция. А коммерческим продуктом на ТЭС является двуводный гипс:

CaCO₃+H₂O+SO₂+4O₂→CaSO₄∙2H₂O+CO₂

Двуводный гипс – единственный продукт, пригодный для вторичного использования. Решается проблема утилизации и хранения твердых отходов. Содержащиеся в золе Ca и другие вещества могут образовывать сложные соединения с тяжелыми металлами, а также превращать слабо растворимые соединения ртути и талия в хорошо растворимые, которые начнут просачиваться в грунтовые воды, отравляя их. Лучшие МИСО позволяют превратить до 95 % в гипс.

В основном, все современные сероочистки основаны на разделении реакции на 3-5 стадий:

SO₂+H₂O→HSO₃^-+H⁺

HSO₃^-+O₂→H⁺+SO₄^2-

Ca₂++SO₄→CaSO₄+H₂O

Требования к реактору мисо.

Чаще всего использую вертикального или U-образного типа.

Требования к реактору:

1. Разделение процесса на 3-5 стадий;

2. Организация концентрации и вывода отдельным потоком вредных веществ;

3. Выделение мощной зоны деаэрации. Организация превращения сульфитов в сульфаты;

4. Возможность суспензии гипса в отдельной зоне реактора;

5. Возможность введения специального сорбента для улавливания ртути и талия.

П олные версии всех реакций фирма-изготовитель не сообщает. Только некоторые базовые уравнения.

ТЭС без ДТ, где газы сбрасываются через градирни, эффективнее. 1 кВт мощности на них в среднем на 18 % дешевле, чем на ТЭС с ДТ.

Проблема выбросов ртути и талия в атмосферу.

Ртуть – общетоксичное соединение. Главная причина смертности детей. Разрушение печени, почек и других жизненно важных органов.

Кадмий, талий – сверхтоксичные соединения. Разрушают органы, вызывают рак.

Эти вещества выходят с ТЭС:

1. С летучей золой;

2. Со шлаком;

3. С паром и дымовыми газами (наиболее опасные).

Борются с ними путем применения современных технологий сероочистки. Либо вещества вводятся в реактор мокро-сухой сероочистки, либо, на самых современных ТЭС, устанавливают специальный реактор, в котором газы проходят через слой извести или активированного угля. Есть и другие схемы, но на ТЭС не применяются.

Диоксины.

Это органические соединения. Продукт неполного сгорания топлива. Это самые опасные элементы по линейки токсичности. Немецкий стандарт содержит 7-8 соединений хлора, 5-6 соединений фтора. Главная их опасность – растворимость в жирных органических кислотах и способны изменять генетический код. Главная причина рождения уродов и умственно неполноценных детей.

Диоксины образуются при сжигании фтор-, хлор содержащих органических топлив. При плохом перемешивании с воздухом, при температуре ниже 1800-2000 ⁰С и малых избытках воздуха.

Основной источник диоксинов – низкотемпературное сжигание мусора, особенно синтетики. Хим производство, производство средств защиты от насекомых и т.д.

По мнению российских специалистов сжигание твердого топлива диоксинов не дает. В Европе введен ПДК для диоксинов, так же как и на МСЗ.

По мнению В.Н.Потапова в малых угольных топках при температуре сжигания ниже 1000-900 ⁰С самая большая скорость образования диоксинов. А топливо, содержащее связанный хлор или фтор должно содержать и диоксины. Как оказалось, мнение В.Н. Потапова совпадает с мнением европейских специалистов.

На больших котлах при работе в номинальных режимах опасности образования диоксинов нет, поскольку нет зон с недостатком кислорода. А вот на малых старых котлах в пусковых режимах такая проблема существует. Особенно опасна подсветка факела газом.

Необходимо обеспечить хорошую настройку режимов, горелок, мельниц, всей автоматики.

Диоксины имеют одну неприятную особенность – даже при их удалении при сжигании, то при наличии бензольных колец в продуктах сгорания, то после их охлаждения (продуктов) возможно образование диоксинов.

Бытовые и промышленные отходы следует сжигать при температуре 1200 ⁰С при α=1,4. При этом необходимо обеспечивать постоянное перемешивание топлива с воздухом. При этом образуется огромное количество оксидов азота, которые затем поступают в специальную камеру с восстановительной атмосферой.

Экибастузский уголь является сверх опасным с точки зрения образования диоксинов. Сжигание его без мокрой сероочистки, утилизации ртути и специальных мер в топке – невозможна.

Проблема подавления канцерогенов углеводородов.

Так же являются продуктами неполного сгорания. Имеют более сложную структуру. Относятся к полициклическим ароматическим углеводородам ПАУ. В твердом топливе содержится до 200 ПАУ, при чем они различны.

Самый опасный бензопирен С₂₀Н₁₂, который образуется при сжигании при температуре ниже 1500-1600 ⁰С при недостатке воздуха.

Методы борьбы: высокая температура, избытки воздуха α>1, хорошее перемешивание с воздухом. Все это, однако, приводит к образованию NOx. Это две взаимоисключающие проблемы.

Если учесть, что методы подавления СО совпадают с методами подавления канцерогенов и диоксинов, то настройка режимов горения должна осуществляться именно по СО, а не NO_x.

По немецкому стандарту с 80-х годов каждая станция 50 МВт и выше должна иметь приборы постоянного контроля за СО.

Проблема защиты климата.

Главное направление – оптимальное соотношение сожженного топлива для получения тепловой и электрической энергии. Самыми чистыми и экологичными являются ТЭЦ с противодавленчискими турбинами и турбинами на ухудшенном вакууме. Свердловская ТЭЦ – мировой эталон.

Проблемы снижения выбросов со2 на угольных тэц.

Применяются все методы обычной ТЭС.

Повышение КПД цикла – самый дорогой вариант. При этом за счет перехода на УСК дает прирост КПД 1 %, а использование теплоты уходящих газов 3-5 %.

Промывка дымовых газов химическими элементами, поглощающими СО2. Минус технологии в том, что она поглощает 6-12 % всей электрической энергии, вырабатываемой ТЭС. Используется на первых энергоблоках Англии.

Сжигание в чистом кислороде с добавлением в топку дымовых газов. Топливо сжигается в смеси СО₂ и Н₂О. Но такая ТЭС будет на 20 % дороже.

Внутрицикловая газификация. Дорогая и сложная схема, не надежная, но повышается КПД нетто. Минусом является дорогая газоочистка.

23