Шевляков (Анализ уровня загрязнения атмосферы вредными выбросами Хабаровской ТЭЦ-1 и разработка воздухоохранных мероприятий), страница 10

Устранение серы из топлива может осуществляться следующими способами:

1) Известковый и известняковые методы, основные химические реакции протекают при взаимодействии оксида серы SО₂ с пульпой гидроксида кальция или известняка.

2) Магнезитовый метод, сущность которого заключается во взаимодействии оксида серы SO2 с суспензией Mg(OH)₂.

Кристаллический сульфат магния проходит сушку и обжиг, получая при этом концентрированный поток оксида серы SO₂ и окиси магния MgO. Окись магния возвращается в цикл, а оксид серы SO₂ направляется на переработку. Преимуществами этого метода являются его кругообразность, высокая продуктивность (степень очистки 90-92%), возможность утилизации оксида серы SO₂. Основной недостаток процесса очистки - большое число твердофазных стадий, из-за которых происходит сильный абразивный износ аппаратуры и загрязнение окружающей среды твердыми частицами. Очень существенными являются и энергетические расходы на разложение сульфита и сульфата магния.

3) Аммиачные методы. В основе этих методов лежит процесс поглощения оксида серы SO₂ раствором сульфита аммония:

SO₂+(NH₄)2SO₃+H₂O ↔ 2NH₄HSO₃

Далее в результате химических реакций из образующегося гидросульфита аммония выделяют оборотный раствор сульфита аммония (NН₄)2SО₃ и концентрированный поток SО₂ . По способу восстановления абсорбционного раствора методы выделения оксида серы SО₂ из дымовых газов подразделяют на кислотный, циклический и автоклавный.

4) Очистка дымовых газов с получением серы. В некоторых странах применяется регенерационно-циклический метод очищения дымовых газов ТЭЦ от оксидов серы с получением серы. Результативность очистки газов превышает 90%, при этом с увеличением содержания серы в угле экономичность процесса за счет получения серы возрастает.

Топочные газы заранее освобождаются от пыли в электрофильтрах и доочищаются водой, в результате происходит очистка от тяжелых металлов. Далее оксид серы SО₂ взаимодействует в аппарате для поглощения газов и паров (абсорбере) с раствором сульфида натрия:2SO₂+Na₂S → Na₂SO₄+2S

Необходимо отметить, что данные способы очистки являются экономически затратными.

В настоящее время как в нашей стране так и за рубежом большое внимание учёных уделяется методам уменьшения выбросов вредных веществ, включая оксиды азота (NO_x) непосредственно в топках котлов[19].

Очищение продуктов сгорания от вредных примесей технически очень сложна и экономически невыгодна, так как относительно небольшие концентрации вредных веществ извлечь из достаточно больших объемов дымовых газов весьма затруднительно. К тому же изменение топочного процесса в необходимом направлении может привести к уменьшению выбросов вредных веществ без дорогостоящих процедур по очистке дымовых газов.

Рассмотрим основные направления борьбы с выбросами оксидов азота для котлоагрегатов работающих на различных видах топлива. При сжигании природного газа, не содержащего связанного азота, для подавления выбросов оксидов азота необходимо использовать методы, ограничивающие образование «воздушных» оксидов азота N0_X, т. е. влияющие на снижение температурного уровня в зоне горения [19].

Во время сжигании мазута в высокофорсированных топочных устройствах или качественных углей в топках с жидким шлакоудалением максимальные температуры в топке достигают 1900... 2000°С. Для подавления выбросов оксидов азота N0_X необходимо снизить температуры в зоне горения. Понижение температуры в топке имеет важное значение, хотя уже не является настолько эффективной мерой.

Конечно, используется достаточное количество пылеугольных котлов, в которых высоковлажные и зольные угли сжигаются в топках с твердым шлакоудалением с максимально развиваемой температурой 1600...1700 К. Ясно, что для уменьшения выбросов оксидов азота N0_X фактически бесполезно дальнейшее понижение температурного уровня. Более эффективными будут методы, оказывающие влияние на изменение концентрации окислителя в реакционной зоне.

На рисунке 10.1 изображена схема классификации теплотехнических методов подавления вредных выбросов при сжигании топлива в котлах, которая включает в себя наиболее испытанные в промышленности способы борьбы с оксидами азота N0_X при сжигании различных видов топлива.

Рисунок 10.1 Классификация основных способов сокращения выбросов вредных веществ

Как свидетельствуют результаты многочисленных испытаний, частичное многократное возвращение дымовых газов в топочную камеру является одним из наиболее эффективных методов подавления выбросов оксидов азота N0_X. В этом случае дымовые газы на выходе из котла собираются и частично возвращаются в топку либо через шлицы под горелками, либо через кольцевой канал вокруг горелок, либо путем смешивания потока газов и воздуха перед горелками [20]. Это делается с целью регулирования температуры в смесях в зоне горения. Рециркуляция дымовых газов кроме снижения температуры в топке приводит ещё и к снижению концентрации кислорода, т.е. к растягиванию зоны горения и более эффективному охлаждению этой зоны топочными экранами. Смешивая до 20–25 % продуктов сгорания с воздухом, удаётся снизить содержание оксидов азота N0_X на 30–35 % [23].

Также к снижению выбросов оксидов азота приводит и подача воды или пара в ядро факела. Этот метод сопровождается впрыском влаги в количестве 3­5 % от расхода топлива, что по аналогии с вводом рециркулирующих газов снижает максимальную температуру в топке. Если сравнивать с обычным сжиганием газа и мазута, то данный метод разрешает на 10 % уменьшить образование оксидов азота N0_X. Помимо этого, впрыск влаги в зону горения эффективен не только для подавления оксидов азота, но и для снижения образования оксида углерода, углеводородов и сажистых частиц благодаря увеличению скорости их выгорания за счет повышения концентраций радикалов Н* и 0Н*в реакционной зоне.

Уменьшение температуры подогрева и избытка воздуха в топке котлоагрегата тоже немного снижают образование оксидов азота N0_X. Такой результат достигается за счет уменьшения температурного уровня в зоне горения и за счет снижения концентрации свободного кислорода [23].

На рисунке 10.2 представлена схема частичной рециркуляции дымовых газов в дутьевой воздух и топку котлоагрегата, где 1 - топка котлоагрегата, 2 - водяной экономайзер, 3 - воздухоподогреватель, 4 - дымосос, 5 - дутьевой вентилятор, потоки: I - дутьевой воздух, II - дымовые газы на рецеркуляцию, III - продукты сгорания в дымовую трубу.

Рисунок 10.2 Принципиальная схема частичной

рециркуляции дымовых газов в дутьевой воздух и топку котлоагрегата

Кардинальным методом подавления образования оксидов азота является организация многоступенчатого сжигания топлива (рисунок 10.3). На рисунке 10.3 цифрами указано: 1 - топка котлоагрегата, 2,3 - горелки, I и II ступени (ярусы) по высоте топочной камеры котла, I - мазутная эмульсия, II - воздух на горение, III - природный газ.

В отличие от традиционного (одноступенчатого) сжигания топливо сжигают в несколько ступеней. На каждой ступени подводят только ту часть воздуха, которая необходима для процесса горения. Чаще на практике применяют двухступенчатое сжигание топлива в котлах. Зарубежные и отечественные примеры эксплуатации котлов свидетельствует о возможности при организации двухступенчатого сжигания в 1,5­2,0 раза по сравнению с обычным сжиганием топлива снизить концентрацию оксидов азота N0_X в продуктах сгорания. Если объем пространства в топочной камере позволяет, в некоторых случаях применяют трех­ и многоступенчатое сжигание топлива в котлах, необходимого для завершения процесса выгорания топлива.

Рисунок 10.3 Принципиальная схема двухступенчатого

сжигания топлива в котлоагрегате

Суть этого метода заключается в том, что в первичную зону горения подаётся воздуха меньше, чем это необходимо теоретически, т. е.

,

.

Во вторичную же зону горения воздух подаётся с некоторым избытком. В результате чего в первичной зоне горения происходит понижение максимальной температуры в ядре факела и уменьшение концентрации кислорода. Этот приём способствует подавлению образования оксидов азота N0_X в продуктах сгорания. В результате разбавления продуктами сгорания последующий процесс горения протекает при более низкой температуре. Поэтому во вторичной зоне горения оксиды азота N0_X практически не образуются. Конструктивно метод двухступенчатого процесса сжигания топлива можно осуществить в котельных агрегатах с двухъярусным расположением горелок на высоте нахождения топочной камеры. При этом практически не требуется дополнительных затрат для реконструкции котла. Приведём математическую зависимость для определения экологической эффективности процесса двухступенчатого сжигания [23]:

В выражении показатель степени ”m” принимается равным = 3.

За рубежом в последние годы разработаны топочные устройства котлов для трехстадийного сжигания угля, которые представляются весьма перспективными.

Перечисленные выше теплотехнические методы, при комплексном их использовании, могут существенно уменьшить образование оксидов азота N0_X в топке. В таблице приведены данные по экологической эффективности названных способов подавления оксидов азота N0_X в топках котлоагрегатов.

Выбор приоритетных методов сокращения выхода оксидов азота N0_X из котлоагрегатов необходимо определять в каждом конкретном случае отдельно: не только технико­экономическими соображениями, но и конструктивными особенностями котельных агрегатов. Бывают случаи, когда мероприятия, успешно внедренные на одном котле, оказываются совершенно непригодными на котлоагрегате с другой конструкцией топочной камеры. Изменении некоторых характеристик сжигаемого топлива тоже может повлиять на выбор способа уменьшения выброса оксидов азота N0_X. Существуют способы, эффективно подавляющие образование оксидов азота N0_X в котлах с большим топочным объемом. Но в то же время эти способы неприемлемы для котлоагрегатов с малыми топками. К примеру, для котлов конструкции «Универсал» и других с небольшими по объему топочными камерами совсем недопустим метод рециркуляции дымовых газов, так как вместе с подавлением оксидов азота N0_X резко возрастают выбросы оксида углерода, сажи и углеводородов. В таких котлах имеет смысл применение способов интенсивного охлаждения факела с помощью дополнительного экранирования топки, рассредоточения фронта горения. Для этого необходимо использовать большое количество маломощных горелок в котлоагрегатах вместо одной горелки высокой теплопроизводительности. Также целесообразно секционирования топки двухсветными экранами. Суть последнего способа подавления оксидов азота N0_X заключается в интенсификации теплообмена в топках котлов. Такой метод снижает время протекания реакции окисления азота в зоне горения за счет роста скорости охлаждения продуктов горения. Применительно к котлоагрегатам и печам секционирование топок двухсветными экранами позволяет на 20–30 % снизить выход оксидов азота N0_X. Фактические возможности использования указанных теплотехнических способов необходимо рассматривать в комплексе, учитывая протекания взаимосвязанных процессов горения в топках котлов, а также теплообмена и образования не только оксидов азота N0_X, но и сопутствующих загрязняющих веществ в дымовых выбросах[24]. Обычно на практике при эксплуатации котлоагрегатов для подавления образования оксидов азота N0_X используют метод снижения избытка воздуха в топке котлоагрегатов. Но всё-таки в этом случае может появиться опасность загрязнения атмосферного воздуха сажей, оксидом углерода и углеводородами. По этой причине данный метод можно рекомендовать для котельных агрегатов при условии хорошего смесеобразования, а также в сочетании с мероприятиями дожигания продуктов неполного сгорания в хвосте факела [24].

Для подавления выбросов оксидов азота N0_X, предлагается к практическому применению в котельных установка для приготовления водомазутной эмульсии (ВМЭ) и её подготовки к сжиганию в топках паровых котлов. Главным отличием от аналогичных устройств является расположение и установка приемного трубопровода на три четверти длины цистерны и на высоте 100-200 мм от дна цистерны. Это позволяет более качественно подготовить водомазутную эмульсию к сжиганию в котлах. В этом случае это уменьшит на 15-20% токсичность продуктов сгорания жидкого топлива, выбрасываемых в атмосферу, что позволит в определённой степени решить проблему охраны окружающей среды от загрязнения токсичными веществами.

На рисунке 10.4 изображена схема устройства для подготовления ВМЭ к сжиганию, описанного в патенте [25].