Основы экологии

-химическим методом, состоящим из четырех этапов: измельчение, нагревание, химическая обработка пентакарбонилом железа и обогащение (т. е. извлечение колчедана) магнитным способом. Этот метод позволяет удалить 85% колчеданной серы.

Чтобы отделить от угля не только колчеданную, но и органическую серу, необходимо применять сложные и дорогостоящие технологические процессы. Наиболее перспективным является применение внутрицикловой газификации твердого топлива.

Жидкое топливо.

Десульфуризацию (обессеривание) мазута наиболее целесообразно производить на нефтеперерабатывающих заводах. Она осуществляется прямым или косвенным методом. При косвенной десульфуризации наиболее тяжелая часть нефтяных остатков сначала отделяется путем вакуумной перегонки, затем более легкие компоненты освобождаются от серы в результате гидроочистки и вновь смешиваются со всем количеством или частью тяжелых остатков с целью получения котельного топлива с более низким содержанием серы (около 1%).

Рисунок 3.4- Схемы установок с кипящим слоем: КС--классический кипящий слой; ЦКС--циркулирующий кипящий слой; КСД--кипящий слой под давлением; 1--основной воздух; 2--подача топлива; 3 -- вторичный воздух; 4--вывод золы; 5--возврат уноса; 6 -- продукты сгорания; 7--циклон; 8 -- поверхность нагрева; 9 -- турбина и компрессор.

При прямом методе десульфуризации весь нефтяной остаток подвергается каталитической гидрообработке при повышенных температуре и давлении.

Стоимость очищенного мазута во многом определяется стоимостью водорода, который расходуется в процессе гидроочистки и возрастает примерно на 3 руб/т за каждые 0,5% удаленной серы.

Для решения экологических задач, и в первую очередь снижения выброса оксидов серы в последние годы много внимания уделяется сжиганию твердого топлива в кипящем слое и созданию парогазовых установок с газификацией угля.

Принцип сжигания твердого топлива в кипящем слое показан на рис. 3.4. Дробленое топливо смешивается с инертным материалом (например, кварцевым песком или дробленым шлаком) и сорбентом (известняком или доломитом), связывающим оксиды серы, и сжигается при температурах 800-- 900° С над распределительной решеткой. Снизу решетки подводится воздух для обеспечения псевдоожиженного (классического) кипящего слоя.

Добавляемый в слой известняк разлагается с выделением СО₂:

СаСО₃+СаО + СО₂. (3.8)

Затем оксид кальция взаимодействует с диоксидом серы:

CaO + SO₂ + l/2O₂ =CaSO₄. (3.9)

Парогазовые установки (ПГУ) также представляют собой перспективное направление по значительному снижению вредных выбросов ТЭС. Одна из разновидностей схем с внутрицикловой газификацией угля. Твердое топливо газифицируется в газогенераторе, содержащаяся в угле сера переходит в сероводород. Затем газ проходит систему очистки от сероводорода и пыли и поступает в камеру сгорания газовой турбины. Для повышения КПД цикла выхлоп газовой турбины направляется в утилизационный парогенератор. Полученный пар отдает свою энергию в обычной паровой турбине, находящейся на одном валопроводе с электрическим генератором.

В настоящее время созданы и находятся в стадии исследований несколько котлов с сжиганием топлива в кипящем слое. Аналогичные работы проводятся за рубежом. В США налажен серийный выпуск такого типа котлов производительностью от 1 до 100 т/ч. В Финляндии фирмой «Альстром» выпускаются котлы с кипящим слоем на 420 т/ч пара.

Образование оксидов азота в топках котлов

Источниками оксидов азота (NO*) на ТЭС является молекулярный азот воздуха («воздушные» или «термические» NO_X) и азотосодержащие компоненты топлива («топливные» NO_X).

Совокупность явлений, происходящих при окислении азота воздуха в топках котлов, может быть описана на основании теории Н. Н. Семенова -- Я. Б. Зельдовича-- Д. А. Франк-Каменецкого.

Условием окисления азота воздуха является диссоциация молекулы кислорода воздуха под действием высоких температур (более 1473 К), идущая с поглощением теплоты.

Атомарный кислород реагирует с молекулой азота, а образовавшийся в результате эндотермической реакции атомарный азот вступает в экзотермическую реакцию с молекулярным кислородом:

N₂ + O =NO + N-314 кДж/моль; (3.11)

О₂ + N = NО + О+134 кДж/моль; (3.12)

N₂ + O₂ = 2NO-180 кДж/моль. (3.13)

В результате реакций в топочной камере образуется в основном оксид азота NO (около 95%), и соответственно остальную долю оксидов азота составляет диоксид азота NO₂. Образование диоксида азота за счет окисления NO требует значительного времени и происходит при низких температурах.

Из выше сказанного следует, что равновесная концентрация оксидов азота возрастает с ростом температуры и концентрации кислорода (концентрация азота меняется мало).

При расчете топок вместо концентрации кислорода применяется величина избытка воздуха .

«Топливные» оксиды азота образуются в результате окисления в процессе горения связанного азота топлива.

Концентрация оксидов азота в этом случае определяется по приведенной концентрации азота топлива, %-кг/МДж.

Общее количество оксидов азота определяется как сумма оксидов азота, образующихся при горении за счет окисления азота воздуха и за счет окисления азота топлива.

Относительно большое влияние «топливных» оксидов азота имеет место в котлах малой мощности, для которых температуры в ядре факела невысоки и образование «воздушных» оксидов азота по этой причине незначительно.

Методы снижения выбросов оксидов азота

Специально организуя топочный процесс, можно существенно уменьшить количество образующихся при горении оксидов азота. Практическое применение нашли следующие методы:

А)Снижение температурного уровня в топке эффективно для котлов, в которых сжигается не содержащий азота природный газ. (Этот метод реализуется путем установки большего числа горелок, расположением горелок в несколько ярусов по высоте, применением двухсветного экрана.

Б)Рециркуляция дымовых газов успешно используется на газомазутных котлах с высокой температурой в ядре горения. Эффективность ее зависит от количества и температуры рециркулирующих газов, а также от организации ввода их в топку. Газы рециркуляции целесообразно подавать в топку по отдельному периферийному каналу горелки со скоростью, близкой к скорости воздуха.

На блоках 300 МВт Костромской ГРЭС применение рециркуляции дымовых газов снизило концентрацию NO_х с 800 до 400 мг/м³.

Следует учитывать, что (рециркуляция газов несколько увеличивает расход электроэнергии на собственные нужды).

В)Впрыск влаги или пара в топку как средство снижения выбросов NO_X отличается простотой, легкостью регулирования и низкими капитальными затратами. На газомазутных котлах он позволяет снизить выбросы NО_Х на 20--30%, но требует затрат теплоты на парообразование и вызывает увеличение потерь с уходящими газами при сжигании твердого топлива результаты очень незначительные. В целом этот метод целесообразен экологически в аварийных ситуациях, например при особо неблагоприятных метеорологических условиях. При двухступенчатом сжигании через все горелки подают топливо с недостатком воздуха, так чтобы кислорода не хватало для образования NO_X, а в конечную часть факела вводят недостающий для полного сгорания воздух. Таким путем при сжигании кузнецких углей в котлах БК3-210-140Ф и БКЗ-220-100 удалось снизить концентрацию NO_х, в дымовых газах с 800 до 450 мг/м³.

Г)Ступенчатая подача топлива с восстановлением NO_X в топке служит эффективным методом борьбы с оксидами азота (рис. 3.5). Выше основных пылеугольных горелок в топке устанавливаются дополнительные горелки, в которые подается часть топлива с недостатком воздуха и создается зона с восстановительной средой. Еще выше располагают сопла для ввода третичного воздуха, необходимого для завершения сгорания.

Рисунок 3.5- Схема трехступенчатого сжигания для котла БКЗ-210-140 на твердом топливе

Д)Конструкция горелочного устройства во многом определяет интенсивность воспламенения факела, скорость смешения топлива с воздухом и максимальный уровень температур в ядре горения. Например, на котлах БКЗ-420-140-5 Карагандинской ТЭЦ-3, имеющих вихревые горелки с двумя каналами по вторичному воздуху, путем замедленного подмешивания вторичного воздуха к аэросмеси при сжигании экибастузского угля концентрация оксидов азота снижена с 800 до 600 мг/м³, а на котле ГТ-57 блока 500 МВт с 960 до 550 мг/м³.

Подача пыли высокой концентрации к горелкам (10--30 кг пыли на 1 кг воздуха) по трубопроводам малого диаметра (60--90 мм) приводит к снижению выбросов оксидов азота на 20%.

Е)Снижение избытка воздуха в топке при всех видах топлива приводит к снижению выброса оксидов азота. Предел применимости этого способа заключается в появлении в уходящих газах продуктов неполного сгорания (СО, Н₂), увеличении содержания горючих в уносе, увеличении интенсивности шлакования поверхностей нагрева и высокотемпературной коррозии экранов.

Г)Предварительный подогрев топлив до 700° С изучен еще недостаточно. По предварительным данным этот метод позволяет снизить выброс NO_X в 2--2,5 раза. Результат достигается предварительным (до подачи в топку) выделением части летучих.

Следует иметь в виду, что применение того или иного метода подавления NO_X вызывает много трудностей. Объясняется это сложностью топочных процессов, разнообразием конструкции топок, горелочных устройств и свойств топлив.

В тех случаях, когда путем подавления образования NО_Х в процессе сжигания топлива достичь требуемого снижения выбросов не удается, можно применить очистку от них.

Методы химической очистки газов от NO_х разделяются на следующие группы:

-окислительные, основанные на окислении оксида азота в диоксид с последующим поглощением различными поглотителями;

-восстановительные, основанные на восстановлении оксида азота до азота и кислорода с применением катализаторов;

-сорбционные, основанные на поглощении оксидов азота различными сорбентами (цеолитами, торфом, коксом, водными растворами щелочей). Применительно к очистке дымовых газов котлов наиболее перспективны восстановительные методы. Наиболее изученный метод заключается в восстановлении оксидов азота с помощью аммиака. Этот метод основан на селективном взаимодействии аммиака с оксидами азота при определенных температурах.

При высоких (900--1100° С) температурах они протекают достаточно быстро (за доли секунды) без катализаторов. При более высоких температурах происходит разложение аммиака с образованием дополнительных оксидов азота; при меньших -- реакция резко замедляется и аммиак будет выбрасываться в дымовую трубу. Для сокращения времени реакции и, следовательно, длины тракта, в котором она происходит, необходимо обеспечить хорошее перемешивание аммиака с дымовыми газами. Аммиак подается в свободный от поверхностей нагрева объем в верхней части газоходов котла в зоне пароперегревателя с газами или с паром. Необходимый для интенсивного перемешивания расход газов рециркуляции составляет около 15%, расход пара -- от 1 до 3% паропроиз-водительности котла в зависимости от способа ввода и перемешивания пароаммиачной смеси с дымовыми газами. Требуемое отношение NH₃/NO_X составляет 0,9--1 стехиометрического. Весовой расход аммиака 0,5 части на одну весовую часть NO.

Дозирование аммиака должно осуществляться в зависимости от режима котла так, чтобы избежать проскока аммиака в атмосферу.

При более низких температурах газов (573--723 К) реакция разложения оксидов азота активно протекает только в присутствии катализаторов. В качестве катализатора используются оксиды различных металлов (титан, хром, ванадий).' Они наносятся на элементы с развитой поверхностью, выполненные в виде гранул, пластин или сот. Установки разложения оксидов азота могут работать на котлах, сжигающих природный газ, мазут и уголь (рис. 3.6). Дымовые газы из котла /, пройдя экономайзер, поступают в реактор 3 с блоками катализатора. Перед реактором через распределительную систему форсунок 2 в газы вводится аммиак, разбавленный воздухом, который отбирается за дутьевым вентилятором 5. Аммиак подается со склада жидкого аммиака через испаритель 10. Блоки катализатора устанавливаются в реакторе в несколько слоев. Эффективность разложения NO_х с использованием катализатора достигает 90%.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Рисунок 3.6- Схема установки для разложения оксидов азота: 1 -- котел; 2--ввод аммиака; 3 -- реактор с катализатором; 4 -- воздухоподогреватель; 5--вентилятор; 6 -- электрофильтры; 7--дымовая труба: 8--система питания аммиаком; 9--хранилище жидкого аммиака; 10--испаритель; 11 -- емкость

Через несколько тысяч часов работы эффективность катализатора на пылеугольных котлах (по опыту их работы за рубежом) снижается. В этом случае возможно добавление еще одного ряда блоков катализатора.

Для снижения концентрации NO_х с 800 до 200 мг/м³ на энергоблоке на угле 500 МВт требуется 0,7 т/ч газообразного аммиака. При условии автоматизации процесса остаточная концентрация аммиака в дымовых газах составляет 0,005%.

За последние годы делались попытки использования различных присадок к топливу с целью снижения выхода оксидов азота при горении. Интересные исследования выполнены в Среднеазиатском филиале института ВНИИпромгаз.

При добавке минеральной присадки типа ВТИ-4 (10%-ный водный раствор хлористого магния), предназначенной для снижения высокотемпературной сульфидной и низкотемпературной сернистой коррозии в котле ПК-41-1 наблюдалось снижение выброса оксидов азота при сжигании мазута с 0,6 до 0,42 г/м³.

Краткие сведения о способах снижения выбросов других вредных веществ, содержащихся в дымовых газах котлов

Среди прочих вредных выбросов, образующихся при сжигании органического топлива, наибольшее значение имеют продукты неполного сгорания -- оксид углерода и бенз(а)пирен.

Концентрация оксида углерода в продуктах сгорания природного газа около 0,02% сопровождается потерей теплоты от химической неполноты сгорания q₃ = 0,1 %. Столь малое значение обычно не привлекает особого внимания наладчиков котлов и эксплуатационного персонала. Вместе с тем при работе на таком режиме (q₃ = 0,l%) при сжигании 107 м³/сут природного газа в атмосферный воздух поступает 30--40 т/сут оксида углерода.

Как правило, с уменьшением мощности котлов концентрация СО в уходящих газах возрастает..

Следует помнить, что оксид углерода вступает в реакцию с гемоглобином крови. При концентрации СО в воздухе 0,01--0,02% в течение нескольких часов возможно отравление, при концентрации 0,2% через 30 мин наступает обморок.

На концентрацию оксида углерода в продуктах сгорания влияют кроме мощности котла и вида топлива аэродинамика топочной камеры, эффективность перемешивания топливовоздушного потока, температура факела, расположение поверхностей нагрева по отношению к факелу и другие факторы. В любом случае сжигание топлива в топке следует налаживать таким образом, чтобы снизить до нуля химический недожог и, следовательно, СО.

В последние 10 лет в поле зрения исследователей попали канцерогенные вещества, поступающие в атмосферу с продуктами сгорания топлив, а также с газовыми выбросами нефтеперерабатывающих, коксохимических и асфальтобетонных заводов, обогатительных фабрик, терриконов угольных и сланцевых шахт. В первую очередь таким веществом является бенз(а)пирен, который обнаруживается в дымовых газах и саже.

Значительное количество бенз(а)пирена выделяется при режимах горения, сопровождающихся сажеобразованием, и зависит прежде всего от избытка воздуха в топке и температуры факела. В хорошо отрегулированных топочных устройствах выход бенз(а)пирена не превышает 0,4 * 10^-4 мкг/м продуктов сгорания. Следует отметить, что бенз(а)пирен хорошо растворяется в ацетоне, бензоле, толуоле и ряде других растворителей и может быть уловлен фильтрами из ткани ФПП-15, разработанными академиком И. В. Петряновым-Соколовым.

Из сказанного выше следует вывод, что любое топочно-горелочное устройство котла, печи, сушилки должно пройти наладку с целью обеспечения минимума выбросов вредных веществ, образующихся в процессе сжигания топлива, и составления режимной карты для эксплуатационного персонала.

Оценка эффективности мероприятий по защите атмосферы от выбросов ТЭС

Ущерб окружающей среде (человеку, животному и растительному миру), а также творениям человека (памятникам истории, зданиям, сооружениям и т. д.) от любых вредных выбросов можно рассматривать в нескольких аспектах: экономическом, моральном, социальном и т. д. Под ущербом понимаются фактические или возможные потери, урон или отрицательные изменения в моральном, престижном, социальном, стоимостном отношениях.

Стоимостной ущерб является экономическим ущербом. Таким образом, экономический ущерб -- это ущерб, выраженный в деньгах, т. е. фактические или возможные потери, урон, отрицательные изменения природы, человека, зданий, сооружений и т. п.

Методически определение ущерба или эффективности мероприятий по защите атмосферы от вредных выбросов необходимо вести в следующей последовательности:

-определение уровня загрязнения окружающей среды; (выявление зависимости между уровнем загрязнения окружающей среды и качественным и количественным влиянием этого фактора на человека, природу и объекты человеческой деятельности;

-расчет экономического ущерба исходя из количественных оценок влияния загрязнения на человека и окружающую среду.

Из всех рассматриваемых вариантов мероприятий по защите воздушного бассейна наиболее приемлем тот, который обеспечивает минимум приведенных затрат.

Вопросы и задания

1.В чем состоят принципиальные отличия циклических и нециклических методов очистки дымовых газов от сернистого ангидрида?

2.Какие продукты образуются при известковом (известняковом) методе очистки дымовых газов от SO₂.

3.Объясните, до какого уровня снижается температура уходящих газов при использовании мокрых методов очистки. Какие проблемы возникают по этой причине?

4.Что представляет собой мокро-сухой метод очистки дымовых газов от SO₂?

5.Какие процессы происходят в аппаратах при магнезитовой и аммиачной системах очистки дымовых газов от SO₂?

6.Какие вредные вещества улавливаются при использовании озонного метода очистки дымовых газов? Как это происходит?

7.Что Вы знаете об основных технико-экономических особенностях различных методов очистки дымовых газов от SO₂?

8.Каким путем можно снизить содержание серы в твердом топливе?

9.Объясните процесс сжигания топлива в кипящем слое. Каким образом можно связать серу при сжигании топлива в кипящем слое?

10.Объясните механизм образования оксидов азота при сжигании органического топлива.

11. Какие пути снижения выбросов оксидов азота Вы знаете?

12. Как обеспечить максимально возможное снижение выброса бенз(а)пирена?

Размещено на Allbest.ru