Лекция 7. Промышленная очистка дымовых газов от nOx

Трудности очистки дымовых газов от NO_x в следующем:

• азот образует химически устойчивые и малорастворимые в воде соединения;

• в газах присутствуют реакционноспособные вещества SO₂,CO₂, O₂.

Методы очистки:

• адсорбция NO_x и SO₂ движущими слоем твердого поглотителя с последующей его регенерацией при повышенной температуре;

• адсорбция NO_x и SO₂ в скрубберах, орошаемых жидкостью, содержащей сернистые соли, позволяет удалить из дымовых газов лишь 20–30% NO_x;

• окисление окиси азота, озоном из специальных озонотаров, переводящие NO_x в высшие окислы, которые легко поглощаются водой или щелочными растворами. Пока для осуществления этого метода требуется расход энергии собственных нужд до 10%;

• уменьшить выбросы NO_x с дымовыми газами можно восстановив окись азота до азота и кислорода.

Существуют два подхода к вопросу очистки дымовых газов от окислов азота:

• улавливание окислов азота с последующей переработкой их в товарные продукты (азотная кислота, концентраты окислов азота и азотнокислые соли)

• разрушение окислов азота до нетоксичных составляющих

Абсорбционные методы:

• содовый – 2NO₂+Na₂CO₃=NaNO₃+NaNO₂+CO₂

N₂O₃+NaCO₃=2NaNO₂+CO₂

• щелочной – 4NO₂+2Ca(OH)₂=Ca(NO₂)₂+Ca(NO₃)₂+2H₂O

N₂O₃+Ca(OH)₂=Ca(NO₂)₂+H₂O

• аммиачный – 2NO₂+ 2 NH₄OH=NH₄NO₃+NH₄NO₂+H₂O

N₂O₃+2NH₄OH=2NH₄NO₂+H₂O

Абсорбционные методы могут применяться с использованием силикагеля (SiO₂·nH₂O), торфощелочных сорбентов. Наименования и формулы некоторых химических соединений приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Основные химические соединения

Наименование	Формулы
Карбонат калия (поташ) Аммиачная селитра Аммиак Аммоний	K2CO3 NH4NO3 NH3 NH4

В аммиачной селитре содержится ~37% N, что позволяет считать NH₄NO₃ ценным азотистым соединением.

В перспективе могут быть реализованы методы каталитического разложения окислов азота. В энергетике их пока нет, но эксперименты в системах производства азотной кислоты, как за рубежом, так и в России уже есть.

Восстановление азота из окислов протекает частично в к.а. в его газоходах, но из-за быстрого охлаждения дымовых газов конечный эффект незначителен.

Для ускорения этой реакции необходима восстановительная среда. Необходимо дожигание остатков кислорода дымовых газов (с помощью метана) и контакта обескислороженных газов катализатором при температуре около 600 °С. Присутствие SO₂ в дымовых газах – серьезное препятствие, так как не исключено образование сероводорода (в 60 раз более высокой токсичности, чем у SO₂).

Природоохранные технологии на тэс с гту

ГТУ развиваются во всем промышленно развитом мире, а в последнее время и в России (особенно после 2000г.).

Сжигание топлив в ГТУ с повышенной интенсивностью процессов смешивания и выгорания, с высокими начальными температурами, теплонапряжениями топочного объема (q_v = (5–10)·10⁶ ккал/м³·ч) и большими избытками воздуха (α = 3–5) позволяет получить более низкий уровень загрязнения окружающей среды, чем у других ТЭС.

Площадки для строительства ГТУ (пиковых или резервных), выбираются рядом с действующими паротурбинными установками и при расчете высоты труб ГТУ приходится учитывать фоновые загрязнения воздуха. Выбросы ГТУ могут быть периодическими (по 3–4 часа). В отработавших газах ГТУ больше всего окислов азота.

Камера сгорания ГТУ при t_ф= 1700–1800 °С и повышенном давление создает благоприятные условия для образования NO. Наличие в ГТУ длинного выхлопного тракта, больших избытков воздуха создает хорошие условия для окисления NO в NO₂ (бурая окраска).

Исследования на модельных камерах сгорания, показали перспективность для снижения окислов азота таких решений, как:

• ведение топочного процесса при α 1,6–1,8 с интенсивным смесеобразованием во фронтовой зоне камеры сгорания; применение многофорсуночных устройств;

• струйностабилизаторный способ сжигания;

• улучшение аэродинамики топочного объема.

Экологические характеристики ГТ-100-750.

Эти характеристики неплохие по окислам азота, но еще лучше перспективные варианты, где имеется впрыск в КС воды или подача водяного пара. Впрыск воды более предпочтителен, так как в большей мере снижает температуру в зоне горения и наблюдаются более низкие C_NOx;

Подача воды в зону сгорания жидкого топлива позволяет уменьшить образование сажистых частиц и дымление ГТУ. Предложение ВТИ по впрыску воды в КС в количестве G_в/G_т = 0,8–1,1, где G_т, G_в – расход топлива в камере сгорания и расход воды, снижает C_NOx в 2–2,5 раза.

Подача пара в КС, если он генерируется за счет тепла уходящих газов ГТУ, наряду с увеличением мощности позволяют повысить КПД ГТУ (фирмы "Вестингауз", "Дженерал электрик", "Броун Бовери Зульцер").

Окислы азота образуются в основном в КС ВД, потому что в КС НД топливо сжигается с меньшими α_в в среде окислителя, забалластированного продуктами сгорания, при меньшем уровне давлений, – там окислов азота практически не образуется. Поэтому именно в КС ВД нужно подавать воду или пар.

Кроме того, впрыск воды (2% расхода воздуха) увеличивает мощность ГТУ-100-750 на 8%, а при подаче пара повышает также и КПД ГТУ приблизительно на 5%.

Другой путь – сокращение времени пребывания продуктов сгорания в зонах с максимальной температурой. Применение в стационарных ГТУ высокофорсированных камер сгорания с последовательным введением воздуха в зоны горения. Сначала 7–15% воздуха (первичный) подается во фронтовое устройство камеры – регистр-турбулизатор или конус перфорированный, а затем вторичный воздух – через систему радиальных отверстий, расположенных в первых обечайках плазменной трубы.

Ориентировочно выход M_NOx для мазута рассчитывается по эмпирической зависимости

M_NOx = 0,8·10^-2·(t_г/1000–0,4)·((16p_к.c.–0,23)/ (6p_k.c. + 0,77)).

При сжигании газа – концентрации M_NOx на 25–30% ниже.

Для высокофорсированных КС (q_f=(18-20)·10⁷ ккал/(м²ч·МПа)) есть более точные зависимости.

Дымление ГТУ на жидких топливах – признак образования при горении мелкодисперсных частиц углерода.

Образование незначительных количеств сажистых частиц оказывает некоторое негативное влияние на экономичность ГТУ и может загрязнять атмосферу и снижать надежность ГТУ по причинам:

• засорения каналов охлаждения воздухом;

• забивания систем контроля и измерений;

• отложений на поверхностях нагрева и по проточной части.

Борьба с дымлением:

• устранение в КС зон переобогащения топлива, улучшения качества его распыла, в частности, применением пневмомеханических форсунок.

Показатель дымления уменьшается примерно с 60 до 40 %, а концентрация твердых частиц в продуктах сгорания – с 0,08–0,1 до 0,04–0,06 г/м³. Одновременно снижается выход окислов азота.

Для ГТУ высота трубы определяется по условиям рассеивания суммарной концентрации окислов азота и серы.

• утилизационные ПГУ со сбросом газов в простой котел, имеющий только конвективные поверхности, (иногда используется дополнительное топливо – для перегрева пара до рабочих параметров) имеют объемное содержание NO_x в выбросах 0,013÷0,135%, а при подводе пара к КС ВД еще ниже (в 2,0–2,5 раза) – 0,0055÷0,0065%.

Для таких ПГУ характерны низкие удельные выбросы окислов азота на 1 кВт·ч в сравнении с ПТУ или чистыми ГТУ.