Теоретические основы энерготехнологии химических производств

этой 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

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 -

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

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