Очистка окружающей среды от выбросов энергопредприятий

 

При отсутствии нормативов ПДК вместо них используются значения ориентировочно безопасных уровней загрязнения  воздуха (ОБУВ) в порядке установленном  Минздравом РФ. Нормы концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе для растительности и животного мира, утвержденные в установленном порядке, принимаются при расчетах только в случаях, когда они являются более жесткими, чем ПДК.

При наличии фонового загрязнения  атмосферы  в соотношениях (3.1) и (3.3)   вместо c следует применять c+c_ф,  где c_ф – фоновая концентрация вредного вещества.

Для зон санитарной охраны курортов, мест размещения крупных санаториев и домов отдыха, зон отдыха городов, а также для других территорий с повышенными требованиями к охране атмосферного воздуха в формулах (3.1), (3.2) и (1.1)  следует ПДК заменить 0,8 ПДК.

 

 

СПОСОБЫ СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ НА СТАДИИ ТОПЛИВОПОДГОТОВКИ

 

Очистка жидких топлив от серы широко применяется в ряде стран: Японии, США, Мексике и некоторых других. Используются преимущественно два метода — прямой и косвенный.

При прямом методе очистки жидкое топливо проходит обработку путем каталитического гидрирования с выделением серы в виде сероводорода и последующим восстановлением его до элементарной серы. Стоимость такой обработки составляет около 7 долл. США за тонну топлива при глубине сероочистки от 3 до 1,0 %.

Метод косвенной очистки заключается в вакуумной перегонке топлива. Стоимость такой сероочистки составляет примерно 7,5—9,0 долл. за тонну топлива при глубине сероочистки от 3 до 0,6 %.

В твердом топливе (ископаемом угле) сера может находиться в виде органической и (или) колчеданной серы. Основную часть  колчеданной серы (FeS₂) можно достаточно легко удалить путем обогащения, поскольку она находится в углях в виде отдельных включений.

Сложнее обстоит дело с органической серой, ибо она входит в состав горючей массы и удалить ее очень сложно. В настоящее время  методы удаления органической серы из твердого топлива находятся в стадии разработки.

Самым радикальным методом удаления серы является газификация топлива. Перевод твердого или жидкого топлива в газообразное состояние производится путем неполного окисления при высокой температуре с одновременным удалением вредных примесей, являющихся побочными продуктами. Сера выводится из топлива в этом случае большей частью в виде соединения H₂S (сероводорода). После такого выведения серы горючий газ может быть далее использован в парогазовых установках для производства электроэнергии с высоким КПД.

Процесс газификации угля происходит по следующей химической реакции:

С + Н₂О

СО + Н₂.

При этом часть угля не газифицируется, а углерод сгорает полностью:

С + О₂

СО₂

Образующийся углекислый газ реагирует далее с раскаленным углеродом по формуле

СО₂ + С

2СО

При этом КПД газификации составляет 80—85 %, а в сочетании с парогазовой  установкой КПД ПГУ может достигать 42 %. Под КПД газификации здесь  понимается отношение массы образующихся газов к горючей массе исходного твердого топлива.

Наиболее распространенным способом связывания серы в процессе горения  является способ сжигания углей в кипящем слое. Применение кипящего (псевдоожиженного) слоя при сжигании сернистых углей позволяет значительно уменьшить содержание оксидов серы и азота в дымовых газах. Для образования кипящего слоя на неподвижной решетке, через которую подается воздух под давлением, используется смесь дробленого угля с размерами частиц 1,5—6 мм, инертного материала (песка, золы и др.) и известняка. Под действием восходящего потока воздуха образуется суспензионный кипящий слой. Одновременно с процессом горения протекает процесс десульфуризации, поскольку в кипящий слой непрерывно вводится известняк, который состоит в основном из СаСО₃.

 

 Относительный выход  серы из топки с кипящим  слоем

 

 

а — доля связанной серы в зависимости от молярного соотношения CaC0₃/SO₂; б — удельный выброс SO₂ в зависимости от молярного соотношения CaCO₃/SO₂

 

Реакция десульфуризации протекает при температуре t ~ 800—850 °С в следующей последовательности:

СаСО₃------- СаО + СО₂,                                   

СаО + SO₂ + 1/2 О₂------- CaS0₄.

В результате реакции образуется гипс. Эффективность удаления серы в этом случае зависит от количества известняка (рис.) Поддержание соотношения Ca/S примерно в 1,5 раза больше стехиометрического, по зарубежным данным, позволяет на 80 % связать SO₂ и на выходе из

топки получать его концентрацию до 200 мг/м.

Оптимальная температура процесса горения составляет приблизительно 850 °С, что позволяет резко снизить образование оксидов азота. Реализация этого способа сжигания топлива дает ряд и других преимуществ. Так, трубы поверхностей нагрева котла, находящиеся в непосредственном контакте с кипящим слоем, имеют коэффициент теплоотдачи к ним более высокий, чем при радиационном теплообмене.

Но главным достоинством этого  способа сжигания топлива является все же связывание более 80 % серы.

Для организации глубокого выгорания  топлива целесообразно обеспечить его многократную циркуляцию в топке с кипящим слоем путем увеличения расхода (скорости) воздуха.

СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ НА СТАДИИ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВ

 Горелки с низким  выбросом NO_x

У горелок с низким выбросом NO_x, которые созданы в многочисленных вариантах, организована ступенчатая подача воздуха. Принцип работы такой горелки (рис.) заключается в следующем. В ядро факела подается количество воздуха, недостаточное для обеспечения полноты горения (кислородный «голод»), в то время как во внешнюю зону горения подается избыточное количество воздуха, чтобы обеспечить полноту сгорания топлива.                                                                                                                                  

Схема пылеугольной горелки с низким выбросом NO_x

1 — первичный воздух; 2 — пылевоздушная смесь; 3 — вторичный воздух;  4 — третичный воздух (α — избыток воздуха)

 

Кроме того, конструкция горелки  позволяет поддерживать рециркуля-цию  воздуха внутри зоны горения.

Применение этих горелок дает возможность снизить выбросы оксидов азота от 50 % для угольных котлов до 60 % для газомазутных котлов, не ухудшая технико-экономические показатели котла.

 

Ступенчатое сжигание топлива

При ступенчатом сжигании топлива  горелки в топке котла размещают  в несколько ярусов (обычно три-четыре яруса). Подача воздуха (избыток воздуха) изменяется тоже поярусно. Например, при двухступенчатом сжигании нижний ряд горелок получает недостаточное для стехиометрического горения количество воздуха, а верхние ряды горелок, наоборот, получают избыточное его количество.

Наилучший эффект дает трехступенчатое  сжигание, прежде всего, на котлах с  топками с жидким шлакоудалением, и особенно сжигание высокосернистых  топлив при обеспечении минимальной  газовой коррозии экранных труб.

Суть трехступенчатого сжигания состоит  в том, что по высоте топочной камеры организуют три зоны (рис.)

 

Схема трехступенчатого сжигания топлива в топке котла (α —  избыток воздуха)

 

В первой (нижней) зоне топки сжигается  основное количество топлива (70 - 85 %) при избытке воздуха близком к единице. На выход из зоны активного горения подается остальная часть топлива (15 - 30 %)и соответствующее количество воздуха с таким расчетом, чтобы суммарный избыток воздуха в ней составлял 0,9 - 0,95 (т.е. небольшой недостаток для полного сжигания топлива), благодаря чему в этой части топки создается зона с восстановительной средой, в которой продукты неполного горения (СО, Н₂, С_nН_m) восстанавливают уже образовавшиеся окислы азота NO до N₂.

Выше этой зоны в верхней части топки организуется зона дожигания оставшихся продуктов неполного сгорания с участием третичного воздуха, подаваемого под повышенным давлением через специальные сопла. Уменьшение выбросов оксидов азота при ступенчатом сжигании топлива в среднем составляет: при сжигании угля — до 40 %, при сжигании мазута — до 35 %, при сжигании природного газа — до 45 %. Использование ступенчатого сжигания топлива в топке котла приводит к снижению технико-экономических показателей котла. Увеличивается избыток воздуха на выходе из топочной камеры, и при этом возрастает температура газов на выходе из топки в среднем на 4 - 5 °С, а КПД котла снижается на 0,2 - 0,5 %. Кроме того, несколько увеличивается расход электроэнергии на собственные нужды, что приводит к дополнительному снижению КПД котла нетто на 0,1-0,8 %.

 

Рециркуляция дымовых  газов

Рециркуляция дымовых газов  из конвективной шахты в тракт  воздуха осуществляется, как правило, с помощью дополнительного дымососа рециркуляции газов (ДРГ) (рис.).

Для улучшения перемешивания газов рециркуляции с воздухом, который поступает в топочную камеру, устанавливают смесители. Доля рециркулирующих газов обычно не превышает 20 %. Благодаря рециркуля-ции дымовых газов снижаются концентрация кислорода в зоне горения топлива и температура горения.

Уменьшение выбросов NO_x при использовании данного метода может быть доведено:

при сжигании угля                          до 25 %;

при сжигании мазута                      до 30 %;

при сжигании природного газа      до 33 %.

 

 

 

Схема рециркуляции дымовых газов котла с использованием дымососов рециркуляции газов

ДРГ — дымосос рециркуляции газов; ДВ — дутьевой вентилятор,                ДС — дымосос; РВП — регенеративный воздухоподогреватель,                   СК — смесительная камера

 

 

Технико-экономические показатели ТЭС при этом заметно ухудшаютcя. Возрастает расход электроэнергии на собственные нужды (за счет привода дымососов рециркуляции газов). Кроме того, растет температура уходящих газов, что приводит к снижению КПД котла на 0,6 -1,3 %.

Иногда рециркуляцию дымовых газов осуществляют на всасе дутьевых вентиляторов, если при этом имеется достаточный запас их производительности. Доля рециркуляции при этом обычно не превышает    10 %. В этом случае также возрастает температура уходящих газов и снижается КПД котла, возрастают затраты электроэнергии на собственные нужды из-за роста расхода электроэнергии на дутьевые вентиляторы.

 

сжигание  пыли высокой концентрации

Анализ известных к  настоящему времени экспериментальных  данных показывает, что при переходе на сжигание пыли высокой концентрации (ПВК) концентрация оксидов азота в дымовых газах снижается в пределах от 20 - 40 %. Перевод котлов на сжигание ПВК в прямоточных горелках дает меньший эффект по сравнению с вихревыми, т.е. снижение выхода NО_x из них, как правило, составляет 15 - 20 %.

Традиционная схема пылеприготовления  котлов, предусматривающая использование  пылепроводов большого диаметра с большой  скоростью движения пылевоздушной  массы в них, требует значительных затрат на ремонт и замену изношенных участков пылепроводов. С целью ликвидации этого недостатка традиционной схемы начиная с 70-х годов на электростанциях с котлами оснащенными системами пылеприготовления с промбункером, широко внедряются схемы транспорта пыли к горелкам при высокой ее концентрации (ПВК). В схеме ПВК пыль транспортируется не первичным воздухом, а автономным агентом, причем концентрация пыли в нем составляет 30 - 50 кг/кг. Это позволяет снизить долю транспортирующего воздуха до 0,1 - 0,3 % его общего расхода на горелки, использовать пылепроводы малого диаметра  (60 - 80 мм), сократить протяженность тракта первичного воздуха и приблизить его сопротивление к сопротивлению тракта вторичного воздуха, в широких пределах изменять долю первичного воздуха и устанавливать ее исключительно в зависимости от условий горения.

В настоящее время  указанный способ реализован в двух модификациях систем высококонцентрированной  подачи пыли (ПВК) в системе ВТИ  и системе ЦКТИ, отличающихся типом  побудителя расхода и состоянием транспортирующего агента (воздуха). В системе ВТИ пыль транспортируется сжатым воздухом, подаваемым воздуходувками (ПВК под давлением), в системе ЦКТИ подача пыли осуществляется воздухом, поступающим в транспортные пылепроводы за счет разрежения, создаваемого паровыми эжекторами, встроенными в горелки (ПВК под разрежением).

Сжигание ПВК  является предельным режимом работы горелок с уменьшенным расходом первичного воздуха, не превышающим  в данном случае 0,5 - 1,0 % теоретически необходимого для выгорания смеси. Замедленное смесеобразование и высокая интенсивность прогрева топливных частиц (за счет уменьшения расхода тепла на подогрев транспортирующего воздуха) приводит к тому, что азотсодержащие летучие соединения топлива выделяются в зоне с недостатком кислорода и образуют молекулярный азот.

Эффективность сжигания ПВК как метода подавления окислов  азота зависит от способа организации  факела: