Основы экологии

Зола с высокой слипаемостыо забивает циклоны и мокрые золоуловители и плохо удаляется из бункеров. Это относится к золе АШ. Для мокрых золоуловителей существенное значение имеет содержание в золе оксида кальция СаО. При большом содержании СаО их работа становится невозможной из-за цементации золы (сланец, канско-ачинский уголь). При выборе и эксплуатации золоуловителей следует учитывать также следующие свойства золы: абразивность и смачиваемость частиц.

Интенсивность абразивного износа золоуловителей зависит от твердости, размера, формы и плотности частиц. Абразивность золы характеризуется коэффициентом а, который определяет утонение стенки поперечно обтекаемой трубы из стали 20 в местах ее максимального износа при концентрации частиц 1 г/м³ и скорости потока 1 м/с, при равномерном распределении поля скоростей и концентраций, при комнатной температуре в течение 1 ч.

Значения коэффициента приводятся ниже:

УгольахЮ^д

Донецкий 5,4

Подмосковный 5,4

Челябинский 4

Кизеловский 3,5

Богословский 2,2

Волжские сланцы 3

Экибастузский 8,8

Куучекинский 6,9

Черемховский 1,83

Смачиваемость частиц водой оказывает влияние на работу мокрых золоуловителей. Чем лучше смачиваемость^ тем выше эффективность золоулавливания.

Основным показателем работы золоуловителя является степень улавливания золы:

= (С_ВХ-С_ВЫХ)/С_ВХ = (С_ВХ-С_ВЫХ)/С_ВХ,

где G_BX-- количество золы, поступающей в золоуловитель в единицу времени, кг/с; С_ВЫХ--количество выходящей (не уловленной) из золоуловителя в единицу времени золы, кг/с; С_вх -- концентрация золы в газе на входе в золоуловитель, кг/м³; С_вых -- то же на выходе, кг/м³.

Для проведения расчетов удобна другая величина -- проскок (унос) золы через золоуловитель е:

= G_Bbrx/G_BX = C_BbIX/C_BX.

Между степенью улавливания и проскоком имеет место следующее соотношение для оценки экологического совершенства золоуловителей:

=1-

В теории золоулавливания используется параметр золоулавливания 17:

П=А/V,

где 0--скорость дрейфа частиц, м/с (скорость движения частиц золы под действием сил осаждения); А--площадь поверхности канала золоулавливания, м²; V--расход газа, м³/с.

Таблица 2.2. Зависимость проскока (степени уноса е) золы через золоуловитель от параметра золоулавливания П

					Параметр П
Пара-
метр Я	,0	,1	2	,3	,4	,5	,6	,7	,8	,9
0,	1,0000	0,9048	0,8187	0,7408	0,6703	0,6065	0,5488	0,4966	0,4493	0,4066
1,	0,3679	3329	3012	2725	2466	2231	2019	1827	1653	1496
2,	1353	1225	1100	1003	0907	0821	0743	0672	0608	0550
3	0498	0450	0407	0369	0334	0302	0273	0247	0224	0202
4,	0183	0166	0150	0136	0123	0111	0100	00910	00823	00745
5,	00674	00610	00552	00500	00452	00409	00370	00335	00303	00274
6,	00248	00224	00203	00184	00166	00150	00136	00123	00111	00100
7,	00091	00082	00075	00068	00061	00055	00050	00045	00041	00037
8,	00033	00030	00027	00025	00022	00020	00018	00017	00015	00014
9,	00012	00011	00010	00009	00008	00007	00006	00006	00005	00004

Рассмотрим два предельных случая движения частиц в потоке.

Если поток газов движется турбулентно, а частицы достаточно мелки (менее 30 мкм) и активно участвуют в турбулентных пульсациях потока, то с известным допущением можно принять, что концентрация частиц у поверхности мало отличается от средней концентрации в рассматриваемом сечении золоуловителя. В этом случае выражение для определения степени проскока имеет вид

= C_BbIX/C_BX=ехр(-П)

В табл. 2.2 приведена зависимость между параметром золоулавливания П и степенью уноса г.

Другим предельным случаем является случай, когда частицы не пульсируют в потоке и каждая движется по соответствующим линиям тока. Это имеет место, если поток движется ламинарно или частицы настолько крупны, что практически не участвуют в пульсациях потока. Последнее имеет место при размерах частиц, имеющих d₂ :»30 мкм. В этом случае даже при турбулентном потоке газов частицы практически не пульсируют.

В этом случае

=1-П; = П.

Улавливание крупных частиц золы (отсутствие пульсаций) идет более интенсивно и полностью заканчивается при П=1. Для мелких частиц (турбулентная пульсация) улавливание идет менее интенсивно и полная очистка газов от золовых частиц происходит при П =.

Во всех случаях степень улавливания возрастает с ростом параметра золоулавливания П. Следует параметр золоулавливания возрастает с увеличением скорости дрейфа, поверхности осаждения и уменьшается с увеличением расхода очищаемого газа.

Введем понятие удельной площади поверхности осаждения на 1 м³/с очищаемого газа:

f=A/V.

Тогда параметру золоулавливания можно придать следующий вид, используемый при расчете электрофильтров:

П=f.

Заменим секундный объем газов выражением

V=uF_T,

где и -- скорость газа в сечении золоуловителя, м/с; F_r-- площадь поперечного сечения для прохода газа, м².

Тогда параметр золоулавливания можно представить в виде произведения двух безразмерных параметров:

П=ФК,

где Ф= A/F_T-- геометрический параметр (параметр формы) золоуловителя, представляющий собой отношение поверхности осаждения к поперечному сечению для прохода газов; К=/и -- кинематический параметр, являющийся отношением скорости дрейфа частиц золы на поверхность осаждения к средней скорости потока газов в золоуловителе.

Степень улавливания золоуловителя оказывается тем выше, чем больше произведение этих параметров. При этом следует иметь в виду, что кинематический параметр определяется характером сил, действующих на частицу, размерами частиц, физическими свойствами частиц и газов и аэродинамическими характеристиками потока.

Приведенные выше общие соотношения для степени улавливания в золоуловителях выведены при следующих условиях: каждая частица золы, достигнув осаждающей поверхности, не может возвратиться обратно в поток (отсутствует вторичный унос); все частицы имеют одинаковую скорость осаждения (дрейфа); распределение скоростей газа по сечению потока является равномерным.

Теоретических формул, которые бы полностью учитывали все перечисленные допущения, не существует, поэтому при реальных расчетах золоуловителей приходится вводить эмпирические поправки, особенно это относится ко вторичному уносу.

Лекция 7

Тема: Типы и характеристики золоуловителей

В зависимости от мощности ТЭС, зольности топлива, физико-химических свойств золы, санитарно-гигиенических условий в районе расположения электростанций выбирается тип золоуловителей. На выбор типа золоуловителей может повлиять и использование золы.

К основным требованиям, предъявляемым к системам золоулавливания, относятся высокая эффективность и эксплуатационная надежность.

Следует иметь в виду, что чем выше требуемая степень очистки газов и чем мельче подлежащие улавливанию частицы, тем большими оказываются удельные капитальные затраты на сооружение установок для улавливания золы и расходы на их эксплуатацию.

На ТЭС применяются три типа золоуловителей: аппараты сухой инерционной очистки газов (жалюзийные золоуловители, циклоны, прямоточные циклоны, батарейные циклоны); аппараты мокрой очистки газов; электрофильтры.

Фильтры, в которых используются пористые среды для очистки газов от твердых частиц (волокнистые, тканевые или рукавные, зернистые), не нашли широкого распространения из-за очень больших габаритов и повышенной сложности в эксплуатации. Основная сложность заключается в накоплении золы в фильтрующем материале, что требует его периодической регенерации. Основное достоинство таких фильтров заключается в очень высокой степени очистки газов от пыли или золы, превышающей 99,9%.

Прежде чем приступить к проектированию системы газоочистки, необходимо изучить конструкционные и эксплуатационные особенности имеющихся типов золоуловителей.

Каждый тип золоуловителя рассчитан на определенные условия работы. К ним относятся допустимая температура уходящих газов, возможность размещения на открытом воздухе и восприятия нагрузок от подводящих газоходов и площадок обслуживания, наличие необходимого количества воды для мокрых золоуловителей, система транспорта и использования золы.

При выборе типа золоуловителя следует сделать наброски возможных схем газоочистки и провести вариантные расчеты для выбора оптимальной из них по ожидаемой эффективности, капитальным и эксплуатационным затратам, компоновке оборудования и т. д.

Золоуловители всегда устанавливают перед дымососами по ходу дымовых газов для предохранения последних от абразивного износа.

При двухступенчатой системе золоулавливания возможна установка дымососов между золоуловителями (в рассечку).

Решение об установке золоуловителей внутри или вне зданий принимается в зависимости от климатических условий и типа аппаратов. Наиболее сложные по конструкционному оформлению газоочистные аппараты -- электрофильтры -- устанавливаются вне зданий. Для защиты изоляторных коробок от осадков и облегчения условий их обслуживания верх электрофильтра закрывается шатром или специальной кровлей. Подбункерное пространство электрофильтров также укрывается легкими материалами.

Степень улавливания золы в золоуловителях колеблется в зависимости от свойств золы и условий эксплуатации в широких пределах. Так, степень улавливания электрофильтров составляет 96--99,9; мокрых золоуловителей 92--96; батарейных циклонов 82--90%.

Газоочистительные установки, как правило, не дают прибыли. Возможность использовать уловленный продукт обычно лишь частично окупает их сооружение. Поэтому технико-экономическая оценка газоочистных сооружений строится в основном на базе сравнительных данных. Сравнение аналога с оцениваемым вариантом производится по капитальным вложениям, численности обслуживающего персонала, производительности труда, эксплуатационным затратам, уровню приведенных затрат.

Инерционные золоуловители

В качестве инерционных (механических) золоуловителей наибольшее распространение получили циклоны, в которых осаждение твердых частиц происходит за счет центробежных сил при вращательном движении потока. Поступающий тангенциально через входной патрубок (рис. 2.4, а) газ движется в канале, образованном наружной и внутренней цилиндрическими поверхностями циклона, где под действием центробежных сил происходит отделение пыли. Затем очищенный газ удаляется через внутренний цилиндр вверх, а осевшая на наружной стенке зола ссыпается под действием силы тяжести вниз в коническую воронку и далее в общий бункер.

Значение центробежной силы F, действующей на частицу диаметром d, м, движущуюся по радиусу циклона R, м, при скорости потока газов и, м/с, можно определить по выражению

F=,

где ₄ -- плотность частицы, кг/м³.

Движению частицы к поверхности осаждения препятствует сила лобового сопротивления F_c, которая для частиц в диапазоне диаметров от 2 до 50 мкм определяется по закону Стокса:

,

где -- динамическая вязкость газа, Па с.

Рис.1. Циклонные золоуловители: а -- принципиальная схема циклона; б--элемент батарейного циклона БЦУ типа «Энергоуголь»; в -- батарейный циклон; 1-- входной патрубок запыленного газа; 2--циклонный элемент; 5--трубные доски; 4 -- выходной патрубок очищенного газа; 5 -- бункер для золы

Определяем скорость дрейфа частицы к поверхности осаждения:

и²/R,

где _р = р₄ d³/18-- время релаксации, с.

Временем релаксации называется время разгона частицы от нулевого до заданного значения скорости (в данном случае до скорости дрейфа) при постоянном значении ускорения а (в рассматриваемом случае a = u²/R). Время определяется размером частиц и физическими свойствами частицы и среды.

Кинематический параметр для циклонных золоуловителей принимает вид

К=/и = _ри/R.

Параметр формы определяется исходя из рис.1, а:

,

где h -- высота потока в циклоне, м; D_o -- диаметр внутреннего цилиндра циклона, D = D₀/D; n -- число оборотов потока до выхода из циклона.

Окончательное выражение для определения параметра золоулавливания в циклоне принимает вид

П=,

Вторая дробь в формуле определяется формой циклона -- относительным диаметром выходного отверстия, глубиной погружения трубы и углом установки подводящего ^к циклону патрубка.

Входящая в формулу времени релаксации динамическая вязкость ц для условий золоулавливания меняется мало, составляя при температуре газов 150° С в среднем 22*10 ⁶ Па*с.

В настоящее время циклоны устанавливаются на котлах паропроизводительностью до 500 т/ч. Причем для повышения эффективности применяются батарейные циклоны, составленные из циклонов малого диаметра, обычно около 250 мм. Гидравлическое сопротивление батарейных циклонов составляет около 500--700 Па.

В качестве элемента батарейных циклонов используется большое число модификаций: с аксиальным подводом газа и лопаточными завихрителями, с тангенциальным подводом газа, прямоточные и др.

Широко применяются для энергетических установок элементы с тангенциальным улиточным подводом газа типа «Энергоуголь» с внутренним диаметром 231 мм (рис.1, б). Нормальный ряд таких циклонов для котлов паропроизводительностью от 20 до 500 т/ч представлен в табл. 2.

В маркировке циклонов содержатся основные данные по типоразмерам, например, 4 х 14х т означает 4-секционный аппарат с 14 элементами в глубину с m элементами по ширине (их может быть от 7 до 24).

Положительный опыт длительной эксплуатации батарейных циклонов на многих электростанциях позволяет рекомендовать их для ряда случаев, в частности для очистки:

дымовых газов от золы при сжигании малозольных топлив, главным образом бурых углей;

рециркуляционных газов котлов от золы с целью защиты дымососов системы рециркуляции от износа;

сушильного агента от невзрывоопасной угольной пыли, например углей марки АШ, в системах подготовки топлива.

Таблица 2 Технические характеристики батарейных циклонов серийного изготовления

Тип циклона, завод-изготовитель, ОСТ или ТУ	Число эл.-тов в секции n, шт.	Оптимальная скорость газа в элементе w, м/с	Производительность по газу одной секции Q,м3/с	Коэффициент сопротивления	Область пром. применения
ЦБ-254Р,Семибратовский завод газоочистительной аппаратуры, ОСТ 26-14-2002-77, ОСТ 26-14-2--3-77	25,30, 40,50, 60,80	4,5	5,6…16,2	90	Очистка газов при тем-ре до 400 оС
ЦБ-23IV, Семибратовский завод газоочистительной аппаратуры, ОСТ 26-14-2002-77	12,16,20,25, 30,42,56,63	4,5	2,2…11,7	110	То же
ЦБ-2, Кусинский машиностроительный завод , ОСТ 108-033	20,25,30	4,5	4,84…13,6	70	Очистка газов при тем-ре до 150 оС
ПБЦ, Карагандинский машиностроительный завод №2, ТУ 12-44-21-038-75	24,36,48,96	3,5	4,2…15,7	150	Очисткм газов при тем-ре до 120оС. Аппараты выпускают-ся во взрывоопасном исполнении

Лекция 8

Тема: Мокрые золоуловители

Простейшим типом мокрого золоуловителя является центробежный скруббер (рис.2а). Главным отличием его от сухого инерционного является наличие на внутренней стенке стекающей пленки воды. Отсепарированная за счет центробежных сил зола лучше отводится из скруббера в бункер, при этом уменьшается вторичный захват зольных частиц со стенки газовым потоком. Характер зависимостей описывается такими же теоретическими формулами, как и для сухих инерционных золоуловителей.

Золоуловитель типа МП-ВТИ (мокропрутковый конструкции Всесоюзного теплотехнического института им. Ф. Э. Дзержинского) во входном патрубке 1 имеет шахматный пучок горизонтальных прутков диаметром 20 мм. Прутковые решетки орошаются водой, распыливаемой механическими форсунками, установленными по ходу очищаемых газов перед решетками. Улавливание золы в аппарате МП-ВТИ проходит две ступени: на орошаемых решетках за счет осаждения частиц золы и на внутренней орошаемой поверхности скруббера. Эффективность золоулавливания составляет 88--90%. Недостатками золоуловителей МП-ВТИ кроме низкой эффективности золоулавливания являются следующие:

возникновение отложений золы в прутковых пучках, что приводит к увеличению аэродинамического сопротивления и снижению нагрузки котла;

повышенный расход воды для обеспечения нормального функционирования золоуловителя.

Уральским отделением Союзтехэнерго совместно с ВТИ разработаны и внедрены на многих электростанциях более эффективные мокрые золоуловители с коагуляторами Вентури (рис. 2, б). Основными достоинствами этих аппаратов являются стабильная степень очистки газов от золы, составляющая 94--96% при умеренном аэродинамическом сопротивлении (1100--1300 Па), относительно небольшие капитальные и эксплуатационные затраты, а также возможность работы на оборотной воде. Попытки осуществить питание аппаратов типа МП-ВТИ оборотной осветленной водой с золоотвала, чтобы избежать ее сброса в водоемы общего пользования, приводили к образованию в прутковых пучках трудноудаляемых минеральных отложений, серьезно нарушающих работу золоуловителя: падение степени очистки газов, возрастание аэродинамического сопротивления, появление интенсивного брызгоуноса.

Коагуляторы Вентури могут устанавливаться как вертикально, так и горизонтально с небольшим уклоном.

Принцип работы мокрого золоуловителя с коагулятором Вентури заключается в следующем. В конфузор 3 коагулятора через форсунки подается орошающая вода, которая дополнительно диспергируется (распыляется) скоростным газовым потоком на мелкие капли. Летучая зола при прохождении с дымовыми газами через коагулятор частично осаждается на каплях и на его орошаемых стенках. Далее капли и неуловленные частицы золы поступают в корпус аппарата -- центробежный скруббер, где дымовые газы освобождаются от капель и дополнительно очищаются от золы, после чего дымососом выбрасываются в атмосферу. Гидрозоловая пульпа сбрасывается через гидрозатвор в канал системы гидрозолоудаления (ГЗУ).

В конфузоре пылегазовый поток разгоняется от 4--7 до 50--70 м/с. Дополнительное дробление капель воды осуществляется в горловине 4. В диффузоре 5 происходит столкновение частиц золы с каплями воды (кинематическая коагуляция) и снижение скорости пылегазового потока, который, в свою очередь, тангенциально вводится в скруббер.

Размер капель тем меньше, чем больше скорость газа в горловине. Средний диаметр капель d_K, м, можно определить

d_K = 5*l0^-3/u_r,(1)

где и_Г -- скорость газа в горловине, м/с.

Рис. 2. Мокрые золоуловители: а -- центробежный скруббер; 1 -- входной патрубок запыленного газа; 2--корпус золоуловителя; 3-- оросительные сопла; 4 -- выход очищенного газа; 5 -- бункер; б--золоуловитель с коагулятором Вентури; 1 -- входной патрубок запыленного газа; 2 -- подача воды через оросительные сопла; 3, 4, 5 -- конфузор, горловина и диффузор коагулятора Вентури; 6--скруббер-каплеуловитель

Захват частиц золы каплями может происходить по двум причинам: 1) быстро несущиеся со скоростью газов частицы золы попадают в капли, которые еще не успели разогнаться "потоком газа. Тогда они попадают в каплю за счет разности скоростей и_т -- и_к, где и_к -- скорость движения капли; 2) за счет турбулентных пульсаций частиц золы, которые попадают в практически мало пульсирующие капли.

Если принять за основу коагуляции второй механизм, то параметр золоулавливания для трубы Вентури определяется из выражения

П=0,З_тq _жu _гL, (2)

где _т -- степень турбулентных пульсаций, определяемая как отношение скорости дрейфа к скорости газа в горловине; q _ж -- удельный расход орошающей жидкости на 1 м³ очищаемого газа, л/м³; L--расстояние между горловиной трубы и скруббером.

В отличие от других золоуловителей для мокрых золоуловителей с коагулятором Вентури в формулу для расчета параметра золоулавливания (2) не входит диаметр частиц d. В первом приближении можно принять, что все частицы от мелких до крупных улавливаются одинаково, и их дисперсный состав не учитывать.(Расчет МЗУУ на практическом занятии)

В отечественной практике применение получили два типа мокрых золоуловителей с коагулятором Вентури: МВ-УО ОРГРЭС и МС-ВТИ. Первый тип золоуловителя выполняется с вертикальным и горизонтальным расположением коагулятора Вентури круглого сечения, второй -- только с горизонтальным расположением трубы прямоугольного сечения.

Основные характеристики золоуловителя МС-ВТИ представлены в табл. 2.

He рекомендуется применять мокрые золоуловители для топлив, содержащих в составе золы более 15--20% оксида кальция СаО. Приведенная сернистость топлива должна быть

не более 0,3% -кг/МДж. Жесткость орошаемой воды не должна превышать 15 мг-экв/л.

Температуру газов за мокрым золоуловителем следует поддерживать не менее чем на 21 ^оС выше точки росы для предотвращения коррозии газоходов.

Обязательным условием нормальной работы мокрого золоуловителя является предотвращение отложений в его орошающих устройствах. Чтобы обеспечить это условие, прежде всего необходимо очистить орошающую воду от механических примесей, для чего применяются гравийные фильтры.

Основной причиной возникновения отложений является кристаллизация солей кальция из пересыщенной ими орошающей водя и пульпы, а также недостаточное по различным обстоятельствам орошение каких-либо участков стенок золоуловителя. Орошающая вода не должна быть пересыщена сернокислым кальцием (CaSO₄), что можно достигнуть, например, добавкой к оборотной воде некоторого количества свежей воды.

Таблица 2 Основные характеристики золоуловителя МС-ВТИ

Каплеуловитель	Горловина трубы Вентури
Диаметр,м	Высота,м	Активная площадь сечения,м2	Сечение входного патрубка,м2	Размеры,м	Площадь сечения, м2
2,8 3 3,2 3,6 4 4,5	9,66 10,32 10,98 12,2 13,61 15,25	5,72 6,6 7,54 9,62 11,93 15,2	1,37 1,67 1,95 2,41 3 3,88	0,39х1,17 0,43х1,23 0.48х1,4 0,45х1,8 0,50х2 0,57х2,28	0,455 0,53 0,644 0,81 1 1,3

При проектировании мокрых золоуловителей следует учитывать, что SO₂ и SO₃, содержащиеся в дымовых газах, частично растворяются в пульпе. При этом если диоксид серы улавливается в мокром золоуловителе до 25, то триоксид серы до 85%. В результате рН пульпы снижается до 3,5 и требуется защита стенок золоуловителя от коррозии. Улавливание SO₃ приводит также к изменению точки росы дымовых газов.

Лекция 9

Тема: Электрофильтры

Наиболее перспективным типом золоуловителей для крупных ТЭС являются электрофильтры, которые могут обеспечить высокую степень очистки газов при аэродинамическом сопротивлении не более 150 Па практически без снижения температуры и без увлажнения дымовых газов.

В электрофильтрах запыленный газ движется в каналах образованных осадительными электродами 1 (рис. 3), которыми расположены через определенное расстояние коронирующие электроды 2.

Сущность процесса электрической очистки газов заключается в следующем. Запыленный газ проходит через систему, состоящую из заземленных осадительных электродов 1 и размещенных на некотором расстоянии (называемом межэлектродным промежутком) коронирующих электродов 2, к которым подводится выпрямленный электрический ток высокого напряжения с отрицательным знаком.

При достаточно высоком напряжении, приложенном к межэлектродному промежутку, у поверхности коронирующего электрода происходит интенсивная ударная ионизация газов, сопровождающаяся возникновением коронного разряда (ток короны)и

Газовые ионы различной полярности, образующиеся в зоне короны, под действием сил электрического поля движутся к разноименным электродам, вследствие чего в электродном промежутке возникает электрический ток, который и представляет ток короны. Частицы золы из-за адсорбции на их поверхности ионов приобретают в межэлектродном промежутке электрический заряд и под влиянием сил электрического поля движутся к электродам, осаждаясь на них. Основное количество частиц осаждается на развитой поверхности осадительных электродов, меньшая их часть попадает на коронирующие электроды. По мере накопления на электродах осажденные частицы удаляются встряхиванием или промывкой электродов.

Процесс электрогазоочистки можно разделить на следующие стадии: зарядка взвешенных в газе частиц, движение заряженных частиц к электродам, осаждение частиц на них, удаление этих частиц с электродов.

Коронный разряд возникает при достижении определенной напряженности электрического поля, называемой критической или начальной, которая, например, для воздуха при атмосферном давлении и температуре 20° С составляет около 15 кВ/см. При дальнейшем повышении напряженности нарушается электрическая прочность газового промежутка между электродами, наступает искровой или дуговой электрический разряд.

К коронирующим электродам подводится отрицательный заряд, так как подвижность отрицательных ионов выше положительных. Кроме того, при

Рис.2.Принцип работы электрофильтра: 1-осадительный электрод; 2- коронирующий электрод; 3- частицы золы; 4-электрическое поле; 5- слой осевшей золы; 6- заряженная зола.

отрицательной короне удается поддержать более высокое напряжение без искрового пробоя между электродами.

Рабочая часть электрофильтра, в которой существует электрическое поле, называется активной зоной. Она разделена на несколько электрических полей, через которые очищаемый газ проходит последовательно. Электрофильтры бывают однопольными и многопольными.

На большинстве электростанций, оснащенных электрофильтрами, применены аппараты типа УГ (унифицированный горизонтальный). Запыленные газы после газораспределительной решетки 6 (рис. 3) поступают в коридоры, образованные вертикально висящими широкополосными осадительными электродами С-образной формы. Коронирующие электроды представляют собой профильные ленточные элементы с штампованными иглами, укрепленные в специальной рамке. Для удаления осевшей на электродах золы предусмотрены встряхивающие устройства в виде молотков, ударяющих по наковальням электродов. Осевшая зола попадает в бункера и затем через гидравлические затворы направляется в систему ГЗУ. Расчетная температура газов до 250° С.

Электрические поля имеют самостоятельное питание и систему встряхивания. На рис.3 показан трехпольный электрофильтр типа УГ. В первом поле оседает наибольшее количество золы, в последнем -- минимальное.



Рис.3

Важным условием, определяющим эффективность работы электрофильтра, является агрегат электрического питания. Каждый агрегат обслуживает одно поле (или половину поля), состоит из трех узлов: повысительно-выпрямительного блока с высоковольтным распределительным устройством, блока магнитных усилителей, дросселей и пульта управления. Для поддержания напряжения в любой момент работы электрофильтра на грани пробивного, когда обеспечивается наилучшая ионизация газов, применена автоматическая схема регулирования.

Электрофильтры серии УГ имеют две разновидности: УГ2 с высотой электрода 7,5 и активной длиной каждого поля 2,5 м и УГЗ с высотой электрода 12,2 и длиной поля 4 м.

Число полей п в каждом электрофильтре может быть три и четыре. Поперечные сечения для прохода газов F_T, м², для электрофильтров УГ2 имеют следующие значения: 26, 37, 53, 74; для электрофильтров УГЗ: 88, 115, 177, 230, 265. Параметры золоулавливания электрофильтра определяются расчетным путем. Степень осаждения определяется двумя факторами -- скоростью дрейфа частиц золы и удельной поверхностью осаждения f. Увеличивая f, можно получить высокую степень улавливания, однако это связано с большими расходами металла и увеличением габаритов электрофильтров.

Скорость дрейфа , м/с, определяется в основном электрическими характеристиками электрофильтра и пылегазового потока и выражается как

, (1)

где --диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; -- относительная диэлектрическая проницаемость вещества частицы; Е₃ -- напряженность электрического поля зарядки,В/м; Е_ос -- напряженность электрического поля осаждения, В/м.

Из (1) следует, что скорость дрейфа пропорциональна произведению напряженностей полей зарядки и осаждения и диаметру частицы (влияние остальных факторов менее существенно). Однако определить теоретическим путем величины Е₃ и Е_ос затруднительно, из-за чего расчет по приведенному выражению возможен при наличии опытных данных по электрическим характеристикам.

Основными факторами, определяющими скорость дрейфа, являются электрические свойства пылегазового потока и в первую очередь электрическое сопротивление золы. На рис. 4,а показана зависимость удельного сопротивления летучей золы , Ом * м, при работе электрофильтра от температуры. Максимум электрического сопротивления золы соответствует температуре 100--130° С. Наибольшее р имеет зола углей с малым содержанием горючих в уносе, низким содержанием серы и влаги в топливе. К углям, зола которых имеет наиболее высокое электрическое сопротивление, относятся экибастузский и кузнецкий каменные угли. На рис. 4,б показано изменение скорости дрейфа от удельного сопротивления . В области = 10⁸ …10⁹ Ом-м происходит резкое падение скорости дрейфа.

Анализ работы электрофильтров на ТЭС показал, что основная причина менее эффективной очистки заключается в высоком удельном электрическом сопротивлении (УЭС) слоя золы, образующемся на осадительных электродах электрофильтра. Вследствие высокого УЭС проводимость слоя пыли уменьшается, что приводит к увеличению потенциала поверхности слоя, увеличению падения напряжения в слое при одновременном его уменьшении в газовом промежутке. При увеличении разности потенциалов между поверхностью слоя и заземленным электродом до значения, достаточного для пробоя газов, на некоторых участках поверхности слоя возникают относительно стабильные местные разряды. Это явление, вызывающее образование и выброс в межэлектродное пространство ионов со знаком, обратным знаку ионов, образующихся в основном процессе, принято называть обратной короной. Положительные ионы, образовавшиеся в зоне обратной короны, под действием электрического поля двигаются к коронирующему электроду, встречают на своем пути частицы золы, заряженные отрицательно, и нейтрализуют их заряды. В результате этого прекращается движение золовых частиц к осадительному электроду и снижается степень очистки газов в электрофильтре. Устойчивая обратная корона характеризуется появлением в слое пыли точек локализованных разрядов голубого цвета.

Высокое УЭС летучей золы обусловлено как параметрами дымовых газов (концентрация серного ангидрида и зависящая от него кислотная точка росы, парциальное давление водяных паров, температура газов и др.), так и химическим составом самой золы, главным образом соотношением в ней алюмосиликатов (Al₂O₃ + SiO₂) и щелочных металлов, в первую очередь натрия и лития. При определенной комбинации низких содержаний серы, водорода и влаги в угле с низкими концентрациями щелочных металлов в золе при общепринятых в котельной практике температурах уходящих газов 120--150° С удельное электрическое сопротивление золы вырастает до 10¹⁰… 10¹² Ом -м. При таких параметрах обратная корона возникает и развивается в электрофильтре исключительно быстро.

На степень улавливания золы большое влияние также оказывает равномерность распределения поля скоростей дымовых газов по сечению электрофильтра. С целью создания достаточно равномерного поля скоростей газов на входе в электрофильтр устанавливают газораспределительные решетки.

Современные электрофильтры серии ЭГА-- горизонтальные, модификации А, изготавливаются в широком диапазоне типоразмеров при глубокой унификации узлов и деталей. Максимальная температура газов до 330° С. Электродная система -- система, составленная из широкополосных (ширина элемента 640 мм) элементов открытого профиля и рамных коронирующих электродов с игольчатыми элементами. Шаг между одноименными элементами составляет 300 мм. В электрофильтрах по ширине размещается от 10 до 88 газовых проходов. Номинальная высота электродов принимается из ряда 6; 7,5; 9; 12 м.

В связи с повышением мощности энергоблоков потребовалось создание двухъярусного фильтра. Для энергоблоков 800 МВт Березовской ГРЭС-1 разработан и изготовлен на базе серии ЭГА электрофильтр типа ЭГД (горизонтальный, двухъярусный) (рис. 2.9).

Электрофильтры серии У В -- унифицированные вертикальные пластинчатые сухие для очистки газов с температурой до 250° С, выпускаются взамен электрофильтров ДВП и ДВПН. Электрофильтры типа УВ имеют одно поле активной длины 7,4 м и разделены по газу на одну -- три секции. Осадительные электроды--пластинчатые с нижним молотковым отряхиванием. Коронирующие электроды--рамные с верхним подвесом и молотковым встряхиванием.

Электрофильтры УВ рассчитаны на невысокую запыленность газов и скорость их в активном сечении до 1 м/с.

Лекция 10

Тема: Основные пути снижения выбросов токсичных газов ТЭС.(6 часов)

Очистка дымовых газов от сернистых веществ

Наиболее острой проблемой защиты воздушного бассейна является снижение выброса диоксида серы, ежегодное поступление которой в атмосферу при сжигании органических топлив исчисляется миллионами тонн.

Для анализа влияния вида топлива на выброс оксидов серы и других вредных примесей очень важно знать удельное количество этих выбросов на 1 кВт ч отпущенной электроэнергии. Анализируя происхождение выбросов, видно, что основной и непрерывно возрастающий выброс диоксида серы дают электростанции на твердом топливе.

Крупным направлением в решении рассматриваемой проблемы является экологически рациональное распределение топлива по электростанциям. Например, электростанции, расположенные в крупных городах и сжигающие сернистый мазут или серосодержащие угли, целесообразно переводить на сжигание природного газа. Но этот путь ограничен наличием необходимого количества газа.

Если же переход ТЭС на сжигание газа или малосернистого твердого топлива невозможен, то необходимо рассмотреть очистку дымовых газов или связывание серы в процессе сжигания, а также предварительное извлечение серы из топлива. Методы очистки дымовых газов могут быть подразделены на циклические (замкнутые), в которых адсорбент (поглощающее твердое или жидкое вещество) регенерируется и возвращается в цикл, а улавливаемый диоксид серы используется, и нециклические (разомкнутые), где регенерация адсорбента и других веществ не производится.

Кроме того, методы сероочистки подразделяются на сухие и мокрые. Технико-экономические расчеты показывают, что с увеличением содержания серы в топливе и соответственно концентрации диоксида серы в дымовых газах увеличивается целесообразность применения способов очистки с использованием уловленного диоксида серы.

Учитывая масштабы производства серы и серной кислоты и их стоимость, можно сделать вывод, что применение циклических методов сероочистки дымовых газов ТЭС в обозримый период экономически не оправдано (если не учитывать экологический эффект сероочистки).

Для основной части углей -- кузнецких, экибастузских, канско-ачинских, нерюнгринских, куучекинских -- характерно содержание диоксида серы в дымовых газах 0,03 -- 0,06% объемных, т. е. почти на порядок меньше, чем при сжигании подмосковного угля. Для сравнения можно отметить, что в цветной металлургии отходящие газы, содержащие меньше 1--3% диоксида серы, считаются бедными.

Следует учитывать также, что циклические способы очистки представляют собой сложное химическое производство и значительно дороже по капиталовложениям и эксплуатационным расходам нециклических вариантов.

Мокрый известняковый (известковый) способ. Этот нециклический процесс наиболее разработан и является самым распространенным на электростанциях США, Японии, ФРГ и др. Он обеспечивает очистку газов на 90% от SO2.

В нашей стране известняковый способ реализован на агломерационной фабрике Магнитогорского металлургического комбината, опытно-промышленных установках Северодонецкой и Губкинской ТЭЦ.

Метод основан на нейтрализации сернистой кислоты, получающейся в результате растворения диоксида серы наиболее дешевыми щелочными реагентами -- гидратом оксида кальция (известью) или карбонатом кальция (известняком).

В результате этих реакций получается сульфит кальция, частично окисляющийся в сульфат CaSО₄. В большинстве установок, построенных в 60-е и 70-е годы, продукты нейтрализации не использовались и направлялись в отвал. В последние годы этот способ усовершенствован: сульфит доокисляется до сульфата кальция и используется после соответствующей термической обработки в качестве строительного материала (гипса).

На рис. 3.1 изображена принципиальная схема одного из вариантов известнякового метода очистки. Дымовые газы после воздухоподогревателя поступают в золоуловитель. Затем газы дымососом направляются в скруббер для очистки от диоксида серы. Скруббер орошается водой, содержащей мелко размолотый известняк и продукты нейтрализации. Очищенные газы освобождаются от брызг раствора в брызгоуловителе. подогреваются в теплообменнике и выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

Рис. 3.1. Принципиальная схема очистки дымовых газов от диоксида серы известняковым способом: 1-- золоуловитель; 2--дымосос; 3--скруббер; 4--брызгоуловитель; 5--подогреватель; 6--емкости; 7--циркуляционный насос; 8 -- установка для приготовления суспензии известняка; 9 -- сгуститель; 10--емкость для шлама; 11 -- сброс шлама на переработку или на золоотвал.

К вытекающей из скруббера закисленной жидкости добавляется свежая суспензия для нейтрализации кислоты. После этого жидкость, пересыщенная сульфитом кальция, выдерживается в течение некоторого времени в емкости 6 с целью завершения, процесса кристаллизации сульфита кальция и насосом 7 направляется на орошение скруббера 3. С течением времени в орошающей жидкости накапливаются кристаллы сульфита кальция и остатки летучей золы. Когда концентрация твердых частиц достигает примерно 10--15% массы жидкости, часть суспензии выводится из цикла на золоотвал или для получения товарного продукта. Приготовление суспензии известняка проводится путем его дробления и размола на установке 8.

При всех мокрых способах очистки дымовых газов от оксидов серы температура уходящих газов понижается со 130 50° С. Подогрев, обычно осуществляется газообразным топливом или теплотой неочищенных газов. Количество затрачиваемого топлива составляет около 3% топлива, расходу-го на котел. Подогрев газов осуществляется для обеспечения рассеивания после выхода их из дымовой трубы. Одним из сложных процессов при очистке дымовых газов «мокрыми» методами является эффективное улавливание брызг орошающего раствора из газов, выбрасываемых в атмосферу. Капли суспензии, орошающей скруббер и содержащей много взвешенных частиц, осаждаясь на поверхности элементов брызгоуловителей, образуют с течением времени отложения, увеличивающие гидравлическое сопротивление аппаратов и требующие периодической очистки.

В последние годы в ФРП, Японии и других странах для борьбы с отложениями к реагентам, особенно на базе извести, меняют добавки, например небольшое количество карбоновой кислоты. Эти добавки позволяют получать не суспензию, а прозрачный раствор извести. В результате удается жать основной трудности при эксплуатации известковых установок, заключающейся в значительных твердых отложениях на стенках скруббера.

Мокро-сухой способ. Этот нециклический способ нашел распространение в странах Западной Европы и США главным образом при сжигании углей с содержанием серы 0,5 до 1,5%. В основе метода -- поглощение диоксида серы дымовых газов испаряющимися каплями известкового расвора. Эффективность сероулавливания более 90%.

Принципиальная схема мокро-сухого метода показана на 3.2. Дымовые газы очищаются от золы в золоуловителе и поступают в сушилку, служащую одновременно реактором. В сушилку из промежуточной емкости подается тонко распыленная смесь свежего и отработанного растворов извести.

Рисунок - 3.2 Принципиальная технологическая схема мокро-сухого способа очистки дымовых газов ТЭС от диоксида серы: 1 -- уходящие дымовые газы с обычной температурой 130--150° С; 2 -- золоуловитель для предочистки газов; 3--сушилка (реактор); 4--промежуточная емкость; 5--летучая зола на использование либо на захоронение; б- раствор извести; 7--пылезолоуловитель; 8--узел переработки смеси сульфита и сульфата кальция в конечный продукт; 9 -- конечный продукт (гипс); 10-- очищенные дымовые газы

Сухие продукты реакции осаждаются в пылезолоуловителе, а газы, очищенные от диоксида серы, поступают в дымовую трубу. В узле 8 уловленная смесь сульфита и сульфата кальция термическим окислением перерабатывается в конечный продукт -- строительный материал. Преимуществами мокро-сухого способа очистки дымовых газов от SO ₂ являются: получение продукта в сухом виде, отсутствие сточных вод, высокая (~1) степень использования реагента, умеренное аэродинамическое сопротивление системы. Недостаток этого способа заключается в отказе от использования дешевого известняка и применение высококачественной извести.

Магнезитовый циклический способ наиболее подробно изучен. Способ испытан на опытно-промышленной установке Северодонецкой ТЭЦ. Любой циклический способ несоизмерим по громоздкости с нециклическими вариантами.

Сущность этого способа заключается в связывании диоксида серы суспензией оксида магния.

Сульфит магния взаимодействует с диоксидом серы, образуя бисульфит магния:

MgSO₃ + SO₂ + H₂O = Mg(HSO₃)_2.

Бисульфит магния нейтрализуется добавлением магнезита:

Mg(HSO₃)₂ + MgO = 2MgSO₃ + H₂O.

Образовавшийся сульфит магния в процессе обжига при температуре 800--900° С подвергается термическому разложению с образованием исходных продуктов по реакции

MgSO₃ = MgO + SO₂.

Оксид магния возвращается в процесс, а концентрированный диоксид серы может быть переработан в серную кислоту или элементарную серу.

Дымовые газы очищаются от оксидов серы до концентрации 0,03% в скруббере, а образовавшийся раствор бисульфита магния с концентрацией 50--70 г/л поступает в циркуляционный сборник, откуда часть раствора подается в напорный бак и возвращается на орошение скруббера, а другая часть -- в нейтрализатор для выделения сульфита магния.

Основными недостатками магнезитового циклического способа являются наличие сернокислотного производства и многочисленных операций с твердыми веществами (кристаллами сульфита, золы, оксида магния), что связано с износом оборудования и пылением.

Аммиачно-циклический способ основан на обратимой реакции, протекающей между растворенным сульфитом и бисульфитом аммония и диоксидом серы, поглощенной из дымовых газов:-

(NH₄)₂SO₃ + SO₂ + H₂O = 2NH₄HSO₃.

При температуре 30--35° С эта реакция протекает слева направо, а при кипячении раствора -- в обратном направлении. Аммиачно-циклический способ позволяет получать сжиженный 100%-ный сернистый ангидрид и сульфат аммония -- химические продукты, необходимые народному хозяйству. По этому способу построена опытно-промышленная установка на Дорогобужской ГРЭС.

Озонный способ одновременной очистки дымовых газов от оксидов серы и азота. Все рассмотренные выше способы позволяют очищать дымовые газы ТЭС только от диоксида серы, а также от хлористых и фтористых соединений. Что же касается оксидов азота, присутствующих в дымовых газах на 90--95% в виде монооксида, то они улавливаются в незначительном количестве. Это объясняется тем, что реакционная способность оксида азота на три порядка меньше по сравнению с реакционной способностью диоксида серы. Озонный способ позволяет производить окисление озоном низших оксидов азота и отчасти серы с последующим связыванием аммиаком.

Этот метод разработан в СССР и испытан на Молдавской ГРЭС. За рубежом используется в ФРГ и Японии.

Схема ОПУ на Молдавской ГРЭС представлена на рис. 3.3. Дымовые газы от энергоблока мощностью 200 МВт, сжигающего донецкие угли, пройдя очистку от золы в мокром золоуловителе с эффективностью 94--96%, по газоходу направляются на ОПУ. В качестве абсорбционного устройства использован аппарат, состоящий из трехступенчатого коагулятора Вентури и каплеуловителя. Газы поступают в коагулятор, куда одновременно через двухканальные эжекционные форсунки подаются орошающая жидкость и озон. В капле-уловителе происходит разделение двухфазного потока: очищенные дымовые газы направляются в дымовую трубу, а орошающая жидкость -- в циркуляционную емкость. Затем раствор циркуляционными насосами вновь подается на орошение газов в коагулятор Вентури. В результате окисления озоном низшие оксиды азота NO и NO ₂ переходят в высшие, главным образом в N₂O₅. Одновременно окисляется и диоксид серы до SO₃. При контакте с водой образуется смесь азотной и серной кислот. Эту смесь нейтрализуют вводом аммиачной воды в циркуляционную емкость. Полученные в результате нейтрализации кислот нитриты и сульфаты выводят из цикла для последующего использования в качестве удобрений смеси из аммиачной селитры NH₄NO₃ и сульфата аммония (NH₄)₂SO₄. Одновременно эти удобрения обогащаются биогенными микроэлементами из золы (медь, марганец, бор, фосфор и др.), которые стимулируют рост растений.

Основные недостатки озонного метода: высокая энергоемкость производства озона, достигающая 6--10% мощности энергоблока и коррозионная агрессивность смеси серной и азотной кислот.



Рисунок- 3.3 Принципиальная схема опытно-промышленной установки (ОПУ) для очистки дымовых газов от SO2 и NO, озонным методом. 1 -- подача дымовых газов на ОПУ; 2--трехступенчатый коагулятор Вентури; 3--форсунки; 4--каплеуловитель; 5 -- отвод очищенных дымовых газов; 6--циркуляционная емкость; 7 -- насос; 8--подача поглотительного раствора; 9--узел очистки воздуха; 10 -- узел осушки воздуха; 11--озонатор; 12--подача озона; 13 -- насос; 14 -- бак готовой продукции

Сухой известняковый (аддитивный) способ является наиболее простым и требует наименьших капиталовложений.

Сущность способа заключается в добавлении к сжигаемому топливу известняка или доломита в количестве, примерно в 2 раза превышающем стехиометрически содержание серы в исходном топливе.

В большинстве случаев в горелки подавалась смесь угольной пыли с молотым известняком. В топке при горении угольной пыли известняк -- углекислый кальций -- диссоциирует на углекислоту и оксид кальция, а последний, двигаясь совместно с продуктами сгорания по газоходам котла, взаимодействует с серным и сернистым ангидридом, образуя сульфит и сульфат кальция. Сульфат и сульфит кальция вместе с золой улавливаются в золоуловителях. Свободный оксид кальция, содержащийся в золе топлива, также связывает оксиды серы. Основным недостатком этого способа очистки газов является образование прочных отложений золы и сульфата кальция на поверхностях нагрева в области температур 700--1000°С.

Подводя итог рассмотрению различных, по сути химических способов очистки дымовых газов ТЭС от диоксида серы, следует отметить, что капиталовложения в нециклические способы очистки составляют около 10--15%, в циклические -- 30--40% стоимости энергоблока.

Мокрые золоуловители также могут использоваться для улавливания диоксида серы.

Циклические методы могут быть рентабельными при содержании серы в топливе свыше 3,5--4%. В остальных случаях экономически целесообразно применять мокрый известняковый или мокро-сухой известковый метод. Дальнейшее развитие и совершенствование методов очистки дымовых газов ТЭС от оксидов серы направлено на достижение безотходной технологии.

Лекция 11

Тема: Переработка сернистых топлив перед их сжиганием

Твердое топливо

В твердом топливе сера содержится в следующих формах: колчедана FeS₂, органической и сульфатной серы. Органическая сера равномерно распределена в массе угля и не может быть удалена путем сухого или мокрого обогащения. Сульфатная сера составляет весьма незначительную часть общей серы. Содержание колчеданной серы для некоторых разновидностей угля очень велико. Например, донецкий уголь содержит 55--74% колчеданной серы от общего ее содержания. Поэтому особый интерес приобретает возможность сокращения выброса диоксида серы на ТЭС путем удаления из топлива колчеданной серы, что значительно проще, чем очистка дымовых газов от SO₂. Дополнительным преимуществом предварительной (перед сжиганием) очистки топлива от серы является повышение эффективности и надежности котельных установок, снижение коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева.

Колчедан (пирит) представляет собой минерал кристаллического строения, золотисто-желтого цвета, вкрапленный в уголь. Плотность колчедана составляет 4,85--5,1 г/см³, т. е. в 2,5 раза больше плотности угля. Колчедан является сырьем для сернокислотных заводов. Имеется несколько способов извлечения колчеданной серы:

-с помощью гравитационных воздушных сепараторов. Такая установка испытана на Каширской ГРЭС. Из подмосковного угля удалось извлечь до 75% колчедана.

...