Экологические аспекты энергетики атмосферный воздух

Р-азру1иение резины и конструкции

10.ДЕСУЛЬФУРИЗАЦИЯ

ИДЕНИТРИФИКАЦИЯ ТОПЛИВ

ИИХ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

юл . ГАЗИФИКАЦИЯ СЕРНИСТЫХ МАЗУТОВ

Одним из методов, наиболее разработанных и подготовленных к внедрению на ТЭС, является метод предварительной газификации высокосернистых мазутов под давлением с последующей очисткой по-

лученного газа. Сущность его заключается в следующем: мазут подвергается газификации путем неполного сжигания в воздухе под давлением при температуре около 1300° С. Количество подаваемого воздуха при этом составляет 40^5% теоретически необходимого для полного сгорания (5,8.. .6,0 кг на 1 кг мазута).

В результате топливо почти целиком превращается в газ, состоящий в основном из водорода, окиси углерода, азота. Кроме того, в процессе газификации образуется сажа (до 2% массы топлива). Сернистые соединения топлива превращаются в основном в сероводород. Зольная часть топлива может находиться в газе в виде механических примесей.

Состав газа, образующегося при газификации высокосернистых мазутов с содержанием серы порядка 3,7%: СО — 2,8%; Н^ — 15,0%; N3 — 56,5%; СО^ — 1,8%; Я р — 3,48%; H^S — 0,39%.

По технологической схеме в последующем получаемый газ охлаждается, причем теплота используется для генерации рабочего тела энергетической установки. Затем осуществляется очистка газа от сажи и золы путем промывки его водой. Извлечение сернистых соединений производится абсорбцией растворами аминов. Сажа, содержащая золу, извлекается из сажеводяной суспензии (методом грануляции или фильтрации) и вместе с исходным мазутом возвращается на газификацию. Поглотительный раствор, содержащий сероводород, регенерируется

и возвращается снова в абсорбер для поглощения сернистых соединений. Получаемый при регенерации концентрированный сероводород перерабатывается в элементарную серу либо в серную кислоту. Осветленная после удаления сажи вода возвращается на промывку газа. Очищенный газ направляется в топочную камеру на сжигание.

Промежуточное охлаждение продуктов неполного окисления топлива приводит к снижению температуры горения в камерах сгорания энергетической установки. В результате достигается снижение выбросов оксидов азота. Таким образом, приведенный метод не только позволяет извлечь сернистые соединения и золу из топлива, но и существенно сократить выбросы в атмосферу оксидов азота. Экономические показатели процесса газификации топлива и очистки газа улучшаются с повышением давления. Для реализации этого метода на электростанциях нужен турбокомпрессорный агрегат, обеспечивающий установку газификации сжатым воздухом. В качестве привода для компрессора применяют газовую турбину, работающую на очищенных продуктах газификации, которые затем сжигаются в топках паровых котлов.

При газификации мазута воздухом в факеле он распыляется фор-

сункой. Капли мазута испаряются в атмосфере горячего газа. В области стехиометрических концентраций паров углеводородов и кислорода протекают химические реакции горения. В пламени газификации мазута на воздушном дутье температура достигает 1800° С. Затем создается восстановительная зона, в которой температура снижается до 1300°С. В результате образуется горючий газ, содержащий следующие компоненты (в % об.): СО —17,0%; Н, —15,0%; N,—60%; Н,0 — 4,0%; СО, — 3,7%; H^S — 0,3%. Сера мазута в основном превращается в сероводород. Наряду с газообразными продуктами образуется сажа, массовая доля ее составляет 1^%, в которой концентрируется вся зола. Далее газ из реактора с температурой 1300° С поступает в котел-утилизатор, где охлаждается до температуры 250-300° С. Время пребывания газа в окислительной зоне (факеле) — порядка 1 с, в восстановительной (реакторе и котле-утилизаторе) — до 8 с. Сажа и зола улашшваются из газа водой после котла-утилизатора, при этом образуется сажезоловая суспензия. В золе, образующейся в результате газификации мазута, содержатся такие компоненты, как пятиокись ванадия, окись никеля, окись натрия, трехокись железа, окись кальция и др.

Конверсионный метод подготовки топлив осуществляется при

температурах 1300... 1500° С в среде водяного пара и позволяет практически полностью газифицировать органическую часть топлива

сполучением горючего газа, имеющего теплоту сгорания д о

11000 кДж/м', без использования кислородного дутья. Для подогрева топлива применяются жидкие теплоносители, в частности для термической переработки сернистых мазутов — жидкометаллические теплоносители: расплавы железа, свинца, алюминия и других металлов. Контакт мазута с расплавом осуществляется при подаче топлива в слой расплава с помощью форсунок погружного типа. Пары мазута при этом барботируются через слой расплава, подвергаясь деструкции с образованием газа. Термическая переработка мазута происходила как в обогреваемом снаружи лабораторном реакторе, заполненном расплавленным металлом или солями с температурой до 1100° С в количестве до 80 кг, так и в аппарате укрупненного типа

срасплавом металлического шлака с температурой до 1500° С. Температура шлака поддерживается на заданном уровне путем зонного его подогрева с помощью горелок погружного типа, работающих на природном газе.

При конверсии мазута практически вся среда может быть связана теплоносителем соответствующего состава. Оксиды азота образуются только в зоне разогрева теплоносителя, соединения серы — в зонах термической переработки топлива и разогрева теплоносителя. Количество образующихся оксидов азота находится на уровне как и при опытном сжигании исходного топлива. В отличие от газификации, протекающей за счет внутреннего подвода теплоты, конверсия требует непрерывного подвода энергии извне.

Значительный интерес представляет осуществление процесса газификации мазутов непосредственно в топочно-горелочных устройствах как средства совершенствования их сжигания в котлоагрегатах

энергоблоков. Глубокая термическая подготовка, которой подвергается топливо при таком способе двухступенчатого сжигания, открывает широкие возможности регулирования топочных процессов в части сглаживания пиков тепловыделения в топке, а также сближения эмиссионных свойств факела при попеременном сжигании природного газа и мазута.

в конструкции этих горелок совмещены камеры газификации и дожигания продуктов процесса газификации, протекающего непосредственно в рабочих горелках.

Основные узлы установки—газогенератор с примыкающей к нему футеровочной шахтой, служащей для транспорта горячего газа к горелочному устройству, расположены последовательно вдоль геометрической оси, образуя перед фронтом котла на отметке его обслуживания единый технологический блок.

В корпусе газогенератора находится газификационная камера вихревого типа. Цилиндрическая часть которой выполнена из восьми профилированных сегментов. Особенностью конструкции камеры является применение системы воздушного охлаждения ее ограждающих поверхностей.

Часть горячего воздуха, участвующего в процессе газификации мазута, подводится тангенциально в газификациоиную камеру через линейные щели, образованные за счет некоторой взаимной псрекрыши сегментов. При этом вдоль стенки сегментов создастся завеса воздуха, снижающая температуру газов в пристенной области. Применение такой системы тепловой защиты ограждающих поверхностей газификационной камеры позволяет свести до минимума потери теплоты в газогенераторе от наружного охлаждения.

Для организации факельного процесса газификации мазута на воздушном дутье могут применяться обычные для условий электростанций методы подготовки к сжиганию жидких топлив. Распыление подогретого до 100-120° С мазута в турбулентном потоке горячего воздуха, подаваемого в газификациоиную камеру через радиально-конический регистр (параметр крутки 5 = 0,46), осуществляется паромеханической форсункой. Применение системы раздельной подачи газифицируемого топлива и воздуха позволяет интенсифицировать их последующее смешение, которое обеспечивается в реакционном объеме вихревой газификационной камеры.

Перед началом работы установки она разогревается сжиганием в газификационной камере природного газа. Затем включается мазутная форсунка, увеличивается производительность газогенератора, налаживается процесс газификации. Получаемый при этом горячий газ дожигается в топке котла.

Основные характеристики получаемого на опытной установке газа для режимов газификации, определяемых изменением значений а от 0,33 до 0,54, приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Примечание: Показатели даны по отношению к воздуху и газу, приве-

денным к нормальным условиям.

Результаты измерений показывают, что образование сернистого газа (по отношению к газу, приведенному к нормальным условиям) во всех режимах газификации было незначительным и не превышало 0,10 г/м^. Выход сероводорода при этом обеспечивался не менее 1,4 г/м\ что указывает на кондиционность получаемого газа для последующей очистки от сероводорода.

Высокий уровень температуры получаемого газа определяет его высокую реакционную способность. Как показали опыты, дожигание такого газа в топке котла не требует специальных устройств для стабилизации факела и характеризуется высокой эффективностью выгорания горючих газовых компонентов. Регулировать режим газификации удобно по температуре процесса.

Опыт эксплуатации горелочных устройств, использующих газификацию как первую стадию процесса сжигания мазута, показал, что

процесс газификации может протекать с высокой интенсивностью. Перевод энергетического котельного агрегата на двухступенчатое

сжигание с предварительной газификацией мазута практически сводится к замене существующих горелок предкамерными горелками. При этом, сохраняя высокую экономичность работы топки с предельно малыми коэффициентами избытка воздуха, удается существенно снизить локальные величины падающего теплового потока, уменьшить коррозионную агрессивность дымовых газов и выбросы оксидов азота. Меняя параметры процесса газификации, можно целенаправленно изменять эмиссионные свойства факела в топке котла.

10.2. ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

При работе энергетических котлов на твердом топливе снижение выбросов сернистого ангидрида можно осуществлять различными способами, включая добавку к топливу сухих аддитивных присадок, предварительную газификацию топлив, сжигание топлива в кипящем слое, мокрый или сухой способ десульфуризации и т. п.

Одним из перспективных направлений использования твердого топлива в энергетике с минимальным загрязнением воздушного бассейна оксидами серы и другими загрязняющими веществами является газификация угля с последующим сжиганием газообразных горючих продуктов в топках котлов.

Газификацию угля осуществляю!' с помощью газообразных реагентов: водяного пара, кислорода и водорода. При газификации с водяным паром происходит образование Н, и СО. Этот процесс является эндотермическим, и теплоту, необходимую для реакции, можно получить, сжигая часть угля в реакторе (автотермический процесс). Необходимую для реакции теплоту можно подводить в реактор и снаружи (аллотермический процесс).

Технологическая схема процесса газификации угля по одному из способов представлена на рис. 10.1. Основными элементами установки являются блок подготовки угольной суспензии, включающий смеситель для добавок к угольному порошку с величиной фракций до 0,1 мм маслообразных присадок, подогреватель суспензии, реактор, радиационный холодильник 3, конвективный холодильник 4, промы-

Mo/iombiu, J

уголь

и

вочную колонну для очистки газа от твердых частиц и блок очистки газа от H,S, COS и СО^.

Водно-угольная суспензия с содержанием 60-70% свежемолотого угля и оборотной золы насосом под давлением 10 МПа подается и; блока 1 в форсунку, установленную в верхней части реактора 2, представляющего собой цилиндрический резервуар, футерованный огнеупорным материалом. В объеме реактора 1 при 1500° С происходит

автотермический процесс газификации угля. Технологический гаЗ; состоящий из СО, Н^, COj, пара и небольшой примеси СН^, N^ и H^S. поступает в холодильник 4 и колонну 5. При охлаждении газа в холодильнике 3 получают насыщенный пар, отводимый через паросбор-

ник 7; жидкие шлаки и зола застывают в потоке газа и оседают в воде на дне холодильника, откуда регулярно выгружаются в шлюзовой бункер под холодильником 3. Мелкие частички золы и охлаждающая вода

перекачиваются из бункера для повторной подачи на угольную мельницу. Технологический газ из холодильников поступает в промывоч-