Отраслевые особенности промышленной экологии. Теплоэнергетика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 4. Техника  защиты окружающей среды.

4.1 Очистка  дымовых выбросов от золы и  оксидов серы и азота.

При сжигании топлива  на ТЭС образуются продукты сгорания, содержащие летучую золу, частицы недогоревшего пылевидного топлива, сернистый и серный ангидрид, оксиды азота и газообразные продукты неполного сгорания, а при сжигании мазута, кроме того, соединения ванадия, соли натрия, коксик и частицы сажи. В золе некоторых топлив имеются мышьяк, свободный диоксид кремния, свободный оксид кальция и др.

Проектирование и сооружение электростанций ведутся с соблюдением  требований по предельно допустимым концентрациям основных выбросов, загрязняющих атмосферу отходящими газами, на уровне дыхания человека. Это обеспечивается установкой эффективных золоуловителей и сооружением дымовых труб, позволяющих рассеивать дымовые газы на большие расстояния, снижая тем самым локальные концентрации вредных веществ. [9]

Золоулавливание

Золоуловители должны иметь коэффициент золоулавливания  не менее 99 % для КЭС мощностью 2400 МВт и выше и ТЭЦ мощностью 500 МВт и выше при приведенной  зольности топлива не более 4 %, при  большей зольности коэффициент  золоулавливания должен быть не менее 99,5 %. Для КЭС и ТЭЦ меньшей мощности коэффициент.

В качестве золоуловителей, как правило, используются электрофильтры, мокрые золоуловители и батарейные циклоны золоулавливания принимается от 96 до 99 %.

Схема устройства батарейного циклона приведена на рис. 4.1 Дымовые газы по подводящему газоходу поступают во входную камеру и распределяются по расположенным в ней циклонам. Благодаря тангенциальному подводу газов к наклонно расположенным входам в циклоны и направляющим аппаратам поток газов закручивается и движется вниз по спирали. Твердые примеси, содержащиеся в газах, под действием центробежных сил прижимаются к стенкам корпуса циклона и попадают в бункер, а поток очищенных газов отводится из верхней части циклона. Степень очистки таких аппаратов составляет до 90 %. Они используются как индивидуально, так и совместно с другими типами золоуловителей, в частности электрофильтрами.

                                  

Рис.4.1 Конструкции батарейных циклонов:

а-вертикальная установка циклонов; б-установка циклонов под утлом; -угол установки входного патрубка к направлению движения потока газа; 1- запыленный поток; 2-очищенные газы; 3-циклоны; 4-опорный пояс; 5-корпус; 6-бункер золы.

Мокрые золоуловители  типов МС-ВТИ и МВ-УООРТГРЭС (рис. 4.2) позволяют очищать дымовые газы на 95—97 %. Принцип их действия основан на отделении частиц золы от потока инерционными силами и их прилипании к пленке воды, омывающей стенки, что исключает возврат частиц в поток газа. В такого типа золоуловителях помимо улавливания золы протекают химические процессы поглощения из дымовых газов оксидов углерода и серы.

Степень очистки мокрых золоуловителей зависит от скорости газов на входе, плотности золы, ее фракционного и химического состава, а также от условий монтажа и эксплуатации.

 

Рис. 4.2 Мокрые золоуловители

а-центробежный скруббер: 1-входной патрубок; 2-корпус; 3-подвод воды; 4-бункер; 5-гидрозатвор; 6-выход очищенного газа; б-скоростной золоуловитель с трубой Вентури: 1-штуцер входа запыленного потока; 2-выход очищенного газа; 3-штуцер подвода воды; 4-труба Вентури; 5-корпус; 6-бункер; 7-гидрозатвор

Мокрые золоуловители  отличаются высокой эффективностью, относительно невысокой стоимостью, умеренными габаритами, простотой обслуживания и относительно небольшими эксплуатационными расходами. Производительность таких аппаратов составляет до 250 м³/ч, а расход воды — до 40 т/ч. Гидравлическое сопротивление 800—900 Па (80—90 мм вод. ст.). Они надежны в работе и используются в качестве самостоятельных золоуловителей. Недостатком в их работе является существенное (до 30 °С) понижение температуры газов. Ограничением к их применению являются высокое содержание серы в сжигаемом топливе (более 1 % на 4,2 МДж/кг теплоты сгорания), а также низкая температура газов на входе в золоуловитель — не более 200 °С.

В качестве основных золоулавливающих устройств мощных электростанций используются электрофильтры: горизонтальные одно-, двух- и трехсекционные и унифицированные  вертикальные одно-, двух- и трехсекционные.

Для электроснабжения фильтров устанавливаются тиристорные агрегаты для выпрямления тока. Степень очистки газов в электрофильтрах зависит от свойств золы, скорости движения газов и конструкции аппарата.

 

           

Рис. 4..3. Трехпольный двухсекционный электрофильтр типа ЭГА

1-штуцер для входа  запыленного потока газа; 2-выход очищенного газа; 3-газораспределительная решетка решетка; 4-клеммы подвода токе высокого напряжения; 5,6-коропирующий и осадительный электроды. 7,8 — механизмы встряхивания соответственно коронируюших и осадительных электродов; 9 — корпус; 10 — бункер. 11-перегородка для уменьшения перетока газа; 12-подъемная шахта; 13-объемные газораспределительные элементы; 14-конфузорный отвод газов; 15— смотровые люки

Очистка дымовых газов  в электрофильтре (рис. 4.3) происходит в результате создания неравномерного электрического поля высокого напряжения (примерно 50 кВ) и образования коронного  разряда между электродами. Образующиеся в зоне коронного разряда ионы и электроны вызывают ток от коронируюших к осадительным электродам —ток короны (удельный ток короны при сжигании каменных углей 0,2— 0,35, при сжигании бурых углей 0,3—0,5 мА/м²). Частицы золы, находясь между электродами, заряжаются под действием сил электрического поля, двигаются к осадительным электродам и осаждаются на них. При длительности пребывания газов в активной зоне фильтра не менее 8 с и скорости движения их 1,2—1,5 м/с степень улавливания составляет 99—99,8 %. При этом концентрация примесей в очищаемом газе для горизонтальных электрофильтров должна составлять не более 50, а для вертикальных — не более 30 г/м³. Эффективность улавливания существенно зависит от электрических свойств газового потока, прежде всего от электрического сопротивления золовых частиц. С повышением удельного электрического сопротивления частиц скорость осаждения снижается. Наибольшее электрическое сопротивление имеет зола углей с малыми содержаниями горючих в уносе, серы и влаги в топливе. К такому топливу относятся экибастузский и кузнецкий каменные угли. Наибольшее электрическое сопротивление имеет зола при температуре 100—200 °С. Любое отклонение от указанных значений температуры способствует повышению эффективности улавливания золы. Поэтому может рассматриваться вариант установки электрофильтров до воздухоподогревателя, хотя это сопряжено с определенными трудностями и потерями теплоты. Для повышения эффективности улавливания возможно также введение в дымовые газы присадок, уменьшающих электрическое сопротивление золы (карбоната натрия, аммиака, триоксида серы).

Самым простым способом повышения эффективности улавливания  является увлажнение дымовых газов. В этом плане благоприятна комбинация фильтров: мокрого золоуловителя  и электрофильтра. Увеличение влажности  и снижение темпертуры газов в мокром золоуловителе обеспечивают эффективное улавливание золы в электрофильтре. Общая степень улавливания золы при этом достигает 99—99,5 %.

Выбор электрофильтров  производится по активному сечению  для прохода газов, необходимой  площади осаждения и требуемому числу полей. При этом рекомендуется устанавливать число корпусов фильтра равное числу дымососов. Скорость газов в активном сечении фильтра принимается 1,3—1,8 м/с в зависимости от электрических свойств золы. Необходимая площадь осаждения и число полей определяются исходя из принятого значения проскока золовых частиц и скорости их дрейфа к осадительным электродам с учетом свойств золы углей и дымовых газов.

Очистка от соединений серы.

Для снижения выбросов соединений серы существуют два подхода: очистка от соединений серы продуктов сгорания топлива или удаление серы из топлива до его сжигания.

К числу достоинств первого  подхода следует отнести его  значительную эффективность (удаление до 90-95% серы) и его универсальность  применения для топлив всех видов, к числу недостатков- высокие капитальные вложения и эксплуатационные расходы. Наиболее перспективными в промышленном отношении являются известняковый, аммиачно-циклический и магнезитовый методы. В основе известнякового метода лежит реакция

СаС0₃+SO₂+1/2Н₂О = CaSO₄ 1/2Н₂0 + СО₂

В результате реакции  образуется шлам, состоящий из сульфита кальция, летучей золы и непрореагировавших компонентов, который после обезвоживания  удаляется в отвал. Этот способ достаточно освоен, требует сравнительно умеренных капитальных затрат и имеет степень улавливания серы на уровне 90%. Недостатками его являются отсутствие выхода товарной продукции и большое количество шлама. Последнее препятствует его применению на ТЭЦ в больших городах.

Значительные перспективы  имеет двухцикличный щелочной способ очистки газов от оксидов сери. В основе метода лежит скрубберный процесс очистки дымовых газов осветленным слабым раствором солей натрия или аммиака с последующей обработкой известью или известняком. В результате образуется шлам, содержащий CaSO₄, идущий в отвал, и щелочной раствор, который используется для скрубберного процесса. Эффективность процесса лежит на уровне 90—95%. Преимуществами способа являются умеренная стоимость, минимальная коррозия оборудования, недостатком — удаление большого количества шлама.

При магнезитовом методе (используется MgO— магнезия) при поглощении SO₂ образуется сульфит магния MgSO₃, который после обжига образует исходные продукты: MgO, который снова используется в процессе очистки, и SO₂, который может быть переработан в товарную серную кислоту. Использование конечных продуктов является главным преимуществом данного метода.

Ввиду высоких капитальных  и эксплуатационных затрат на сероочистные устройства, а также трудностей, возникающих при их эксплуатации, в США проблему снижения выбросов SO; пытаются решить применением на ТЭС углей с малым содержанием серы. Этот способ также связан с большими расходами, так как при этом предполагается закрытие шахт с высокосернистыми углями и увеличение добычи в районах более дорогих малосернистых углей.

В настоящее время  ведутся исследования по очистке  топлива от серы в процессе горения. Для этого может использоваться кипящий (псевдоожиженный) слой. Применение этого способа возможно для котлов умеренной мощности.

Используются также разнообразные способы очистки от соединений серы исходного топлива. Так, при переработке сернистой нефти на нефтеперерабатывающих заводах удаление серы может осуществляться методом гидроочистки. При давлении 10 МПа и температуре 400 °С сера топлива соединяется с водородом, образуя сероводород, который затем улавливается в может использоваться для получения серы и ее соединений.

Возможно также использование  методов газификации или пиролиза мазута с одновременным удалением  серы и ее соединений до поступления его в топку парового котла. При газификации топливо подвергается неполному окислению при высокой температуре, а при пиролизе — нагреву с разложением без применения окислителя. Газификация осуществляется при подаче в газогенератор воздуха или кислорода, а также водяного пара. При этом получается сероводород, переработка которого в элементарную серу более рентабельна, чем диоксида серы. Степень использования теплоты газификации невысока и составляет 70—90%. Продуктами переработки мазута являются горючий газ, кокс и жидкие фракция нефти.

Очистка от соединений азота.

Оксиды азота могут  образовываться в процессе горения  в топках мощных паровых котлов при  высоких температурах в ядре факела.

Особенностью образовании  оксидов азота являются малая  зависимость от вида и состава топлива, но большая зависимость от режима горения и организации топочного процесса.

В топочной камере образуется в основном монооксид азота. При  перемешивании дымовых газов  с атмосферным воздухом после  выхода из дымовой трубы происходит в значительной степени превращение монооксида азота в более токсичный диоксид. В расчетах условно принимается, что в дымовых газах содержится только диоксид азота.

При сжигании природного газа и мазута содержание оксидов  азота можно существенно уменьшить  путем специальной организация топочного процесса. Большинство мероприятий по подавлению образования оксидов азота связано со снижением температуры в ядре зоны горения к числу таких мероприятий относятся следующие:

• рециркуляция дымовых газов с помощью специального дымососа, забирающего дымовые газы после экономайзера и подающего их в топку. Подмешивая приблизительно 20% дымовых газов, удается концентрацию NO снизить на 40%;
• двухстадийное сжигание топлива, когда в нижний пояс горелочных устройств подается все топливо и часть воздуха, необходимого для его сжигания (0,8— 0,9 теоретически необходимого количества). При этом происходит частичная газификация топлива при пониженной температуре в ядре факела по сравнению с полным сжиганием. Далее в верхний пояс подается остальное количество воздуха для дожигания продуктов неполного горения, однако температура при этом возрастает не сильно;
• ввод воды вместо пара в мазутные форсунки в количестве 8—10% массы топлива позволяет уменьшить концентрацию оксидов азота на 20—30%;
• существенно снижается образование оксидов азота при низких избытках воздуха (а = 1,02 ч-1,03) при работе на природном газе и жидком топливо.

Кроме вышеперечисленных  мероприятий по подавлению оксидов NO₂ могут применяться и другие: сооружение топки с пониженным напряжением топочного объема, повышенной степенью экранирования, специальными типами стрелочных устройств и др. Перечисленные методы подавления оксидов азота и процессе горения оказываются наиболее эффективными для жидких и газообразных топлив, где процесс горения протекает достаточно быстро. Для твердого топлива эти мероприятия не всегда могут применяться, так как понижение температуры процесса может приводить к неполному выгоранию топлива.

В настоящее время  газовые выбросы не проходят достаточную  очистку от оксидов серы и азота, т.к. в России плохо освоены технологии очистки и требуются большие капитальные затраты.

4.2 Удаление  дымовых газов в атмосферу.

Уменьшение загрязнения  атмосферы вредными примесями дымовых  газов достигается максимальным их рассеиванием с помощью дымовых труб. Эффективность рассеивания выбросов тем выше, чем больше высота дымовой трубы и скорость газов на выходе из ее устья. Существенное значение при этом имеет состояние атмосферы.

При определении высоты дымовой трубы исходят из того, что наибольшая концентрация вредных примесей на уровне земли и на некотором расстоянии от трубы при неблагоприятных метеорологических условиях должна быть не выше предельно допустимых значений. Неблагоприятные метеорологические условия складываются тогда, когда скорость ветра достигает опасного значения и происходит вертикальный турбулентный обмен в атмосфере. При этом концентрация вредных примесей на уровне дыхания людей достигает максимального значения. Расчет ведется для условий, при которых атмосфера уже имеет некоторую (фоновую) загазованность от других промышленных объектов или других электростанций, а на ТЭС, для которой определяется высота дымовой трубы, приняты все меры для снижения количества вредных примесей в дымовых газах.