Московский государственный открытый университет Научно-образовательный материал

Вид материала

Реферат

Содержание Промышленные отходы тепловых электростанций. Оптимизация режима работы котла Малотоксичные горелки Известно о применении Ступенчатый ввод воздуха Рециркуляция уходящих газов Трехступенчатое сжигание Селективное каталитическое и некаталитическое восстановление. 1. Применение только технологических мероприятий. 2. Применение только азотоочистных технологий. 3. Совместное применение технологических и азотоочистных мероприятий. Селективное каталитическое восстановление Селективное некаталитическое восстановление

Подобный материал:

• Московский государственный открытый университет Научно-образовательный материал, 891.3kb.
• Министерство образования и науки РФ московский государственный открытый университет, 1119.23kb.
• Министерство образования и науки РФ московский государственный открытый университет, 705.26kb.
• Ассоциация Московских Вузов» федеральное государственное бюджетное образовательное, 96.41kb.
• Дорожный Государственный Технический Университет (мади) Научно-образовательный материал, 127.07kb.
• Многофункциональный нанотехнологический комплекс «Нанофаб» нтк -5 Научно-образовательный, 123.37kb.
• «Московский государственный медико-стоматологический университет Росздрава», 320.44kb.
• Гоу впо «Московский государственный открытый университет», 633.31kb.
• Гоу впо «Московский государственный открытый университет», 281.64kb.
• Гоу впо «Московский государственный открытый университет», 358.86kb.

Примечание. Разброс значений удельных выбросов связан с разным химическим составом топлива и применением различных методик расчета.

Установлено, что основным источником образования NO_х при сжигании являются азотсодержащие соединения топлива, которые в процессе выхода и горения летучих превращаются в NO и NO₂.

Важной задачей угольных ТЭС являются разработка и внедрение эффективных и экономичных современных технологий подавления эмиссии NO_x, выбросов оксидов серы, углекислого газа для обеспечения нормированных показателей газообразных выбросов в атмосферу с уходящими газами электростанций, а также для улавливания летучей золы (твердых частиц).

Подготовка России к вступлению во Всемирную торговую организацию (ВТО) обязывает отечественную энергетику производить экологически чистую электроэнергию. В это понятие вкладывается, в первую очередь, необходимость глубокой очистки продуктов сгорания от летучей золы, оксидов азота, диоксида серы (SiO₂), загрязняющих окружающую природную среду.

В Российской федерации на долю угольных тепловых электростанций в 2005 г. приходилось 27,7% сожженного условного топлива. С намеченным изменением топливного баланса в энергетике относительная доля угля к 2015 г. должна увеличиться до 34,9% при одновременном количественном росте потребления этого топлива с 68,44 млн. т условного топлива в 2001 г. до 122,30 млн.т условного топлива в 2015 г.

Поэтому проблема снижения выбросов диоксида серы с дымовыми газами угольных ТЭС является для отечественной энергетики весьма актуальной


Промышленные отходы тепловых электростанций. В настоящее время в год сжигается около 2,4 млрд.т. каменного угля и 0,9 млрд.т. бурого угля.

150 ТЭЦ РФ, работающие на твердом топливе, дают ежегодно более 55 млн.т. золошлакового материала, складируемого в специальные намывные гидротехнические сооружения – золошлакоотвалы. В настоящее время в золошлаковых отвалах ТЭЦ РФ скопилось примерно 1,2 млрд.т. отходов, а их площадь достигла около 20 тыс.га. Золоотвалы являются источником загрязнения окружающей среды: а) пылевыделение загрязняет атмосферный воздух и почву; б) грунтовые и поверхностные воды загрязняются фильтрующейся через грунты основания и дамбу водой прудов – отстойников. В Москве и Московской области накопилось более 60 млн.т. золошлаковых отходов. Для сравнения: электрофильтры ТЭЦ Германии ежегодно улавливают более 10 млн.т. золы . В 1987 г. на ТЭЦ США ежегодно образовывалось 68 млн.т. золы, а к 2020 г. возможно увеличение количества золы до 181,6 млн.т. в год. Одна из крупнейших ТЭЦ в Индии «Korba» мощностью 2100 МВт сжигает 9-10 млн.т. угля в год; на ней образуется 3-4 млн. т. золы /19, 20/. Типичная угольная ТЭЦ 500 МВт ежегодно выделяет 740 тыс.т. золы .

В РФ используется термин золошлаковые отходы. В Европе используется термин – сопутствующие продукты от сжигания угля – это топочный шлак, донная зола, зола – уноса, продукты сероочистки дымовых газов в мокросухих и мокрых известковых и известняковых системах – все это представляет золошлаковые материалы (ЗШМ). В 2003 г. в Европе было произведено около 100 млн.т сопутствующих продуктов от сжигания угля; 53% их используется в строительной промышленности, 36% идет на рекультивацию карьеров и угольных разрезов. В Германии практически утилизируется 100% сопутствующих продуктов от сжигания угля. Для сравнения: в РФ ежегодный выход ЗШМ – около 30 – 40 млн.т, а средний уровень утилизации 14% .

Состав и количество ЗШМ зависят от:

1. угля;
   
2. содержание серы;
   
3. технологии сжигания – колосниковая решетка, псевдоожиженный слой, сжигание сухое;
   
4. золоулавливание – электрофильтр, мокрый скруббер и т.д.
   

1.2 Новые передовые экологически ориентированные технологии для снижение вредных выбросов оксидов азота и серы, углекислого газа и летучей золы на тепловых электростанциях


1.2.1 Технологии для снижения выбросов оксидов азота на угольных тепловых электростанциях


а) Законодательство по выбросам NO_х. Допустимая эмиссия NO_х для крупных углесжигающих промышленных котлов (тепловая мощность более 500 МВт) согласно директивам Европейского экономического сообщества :

- 500 мг/м³ при 6% О₂ для действующих ТЭС;

- 200 мг/м³ при 6% О₂ для новых ТЭС.

С 2016 г эмиссия будет ограничена 200 мг/м³ при 6% О₂ для всех действующих ТЭС.

В то же время нормы намного «мягче» для небольших котлов.

Для обеспечения нормированных показателей газообразных выбросов в атмосферу с уходящими газами электростанций необходимо внедрение современных технологий (внедренных в мировой практике или разрабатываемых).

б) Внутритопочное подавление NO_x. Установлено, что при сжигании высококачественных каменных углей в топках с твердым шлакоудалением образуется 20% термических NO_x (за счет окисления молекулярного азота в воздухе при сгорании), 75% топливного NO_х (за счет окисления химически связанного азота в топливе), 5% быстрых оксидов азота (в результате реакции между молекулярным азотом и углеводородными радикалами).

Чем выше содержание азота в топливе, тем выше эмиссия NO_x при сжигании угля (и мазута). Технологии снижения NO_x в котлах, сжигающих уголь – оптимизация режима работы котла, малотоксичные горелки, ступенчатый ввод воздуха, рециркуляция уходящих газов, трехступенчатое сжигание, селективное каталитическое и некаталитическое восстановление.

Оптимизация режима работы котла включает в себя балансировку мельниц, накладку регистров, равномерное распределение воздушного и угольного потока и др. Для работы с предельно низкими избытками воздуха необходимы надежные датчики СО; необходимы датчики для обнаружения появления несгоревшего углерода, требуется точная настройка соотношения воздух – топливо для каждой горелки.

Малотоксичные горелки применяются для снижения NO_x в топках с вихревыми, тангенциальными горелками. Для топок с вихревыми горелками проводят простую замену существующих горелок. Для тангенциальных топок необходима установка угольных инжекторов и воздушных сопел. Большие сокращения эмиссии NO_x получаются при сжигании высокореакционных углей: для высокореакционных углей удается получить эмиссию NO_x при 6% О₂ ниже 400 мг/м³.

Малотоксичные горелки работают на принципе стадийного подвода воздуха. Они могут быть объединены с другими первичными методами подавления NO_x – 2-х и 3-х ступенчатое сжигание для достижения более высоких суммарных показателей сокращения выбросов NO_x.

Известно о применении. Установка малотоксичных горелок на пылеугольных котлах (например, двухрегистровые горелки Бабкок – Вилькокс (США), вихревая горелка фирмы Митсуи – Бабкок (Великобретания), горелка приводит к снижению концентрации NO_x до 500 - 570 мг/м³).

Основной причиной замены горелки явилось необходимость обеспечения нормативов по выбросу NO_x. В работе [6 новое] показаны результаты испытаний горелок с малотоксичными выбросами при сжигании природного газа. Установка прямоточно - вихревых горелок конструкций ЗАО «Экотон» и фирмы «Todd Combustion» на котлах ТГ - 104 и ТГМЕ – 206 взамен заводских горелок позволила сократить выбросы NO_x в 2-2,5 раза с 700 до 250-300 мг/м³.

Ступенчатый ввод воздуха или двухступенчатое сжигание – технология для топок с вихревыми горелками и для тангенциальных топок, обеспечивающих сокращение NO_x на 50% по сравнению с малотоксичными горелками.

Технология двухступенчатого сжигания фирмы «Митсуи Бабкок»: третичный воздух вводится в топку через сопла специальной конструкции при более высокой скорости, улучшая тем самым проникновение струи третичного воздуха и смешение с продуктами сгорания. Увеличение турбулентности в зоне дожигания уменьшает неравномерность потока. Концентрация NO_x составляет 437 мг/м³ при 6% О₂.

Рассмотрено подавление эмиссии NO_x при двухступенчатом сжигании высокореакционных углей (марок Г и Д) и установлено, что двухступенчатое сжигание не уступает трехступенчатому сжиганию при глубоком снижении коэффициента избытка воздуха в прямоточных горелках (до 0,7) с применением бокового дутия. При этом наряду с боковым и верхним дутьем для глубокого снижения коэффициента избытка воздуха в горелках целесообразно применять систему нижнего дутия, обеспечивающую снижение вредных выбросов и недожога топлива.

В работе исследован механизм образования NO_x в топках котлов при ступенчатом сжигании газа. Установлено, что путем комбинирования встроенной ступени внутри горелок и перераспределения газа по ярусам удалось реализовать условия, способствующие подавлению образования NO_x по «быстрому» и «термическому» механизмам и значительно снизить концентрацию NO_x до 45 мг/м³. Авторы установили, что для эффективного подавления эмиссии «быстрых» и «термических» оксидов азота необходимо воздействие на зону образования быстрых NO_x со смещением её в сторону более «богатых» смесей и на общую зону догорания в верхней части топки с использованием газов рециркуляции.

Рециркуляция уходящих газов широко используется для контроля температуры пара в больших промышленных установках. Повторное использование газов рециркуляции (в количестве 10-20%) для сокращения NO_x связано с важнейшими факторами в снижении термических NO_x – с уменьшением температуры и разбавлением О₂ в воздухе смеси. Эффективность метода зависит от места ввода газов – наибольший эффект получается при вводе газов рециркуляции через горелки.

Однако в том случае, если на станциях сжигающих уголь вклад термических NO_x в общую эмиссию NO_x является относительно небольшим, этот метод не используется.

Трехступенчатое сжигание технология сокращения выбросов NO_x, объединяющая принципы воздушного и топливного распределения, заключается в создании трех зон сгорания. В основной зоне сжигается около 80% топлива по теплу (уголь) при нормальных избытках воздуха 1,05 – 1,1 и формируется основное количество NO_x. При этом следует учитывать, что более низкие температуры приводят к более низким термическим NO_x; более низкая концентрация кислорода приводит к более низким топливным NO_x. В восстановительной зоне вводится 20% топлива по теплу (уголь более тонкого помола, газ), разложение которого приводит к образованию углеводородных радикалов (CH, CH₂ и др.), которые могут реагировать с NO_x из первичной зоны с образованием азотных соединений HCN. Последнее распадается до молекулярного азота, обеспечивая тем самым эффективное подавление NO_x. Оптимальный избыток воздуха в восстановительной зоне 0,85-0,95. Ввод третичного воздуха создает зону догорания, где дожигаются все продукты неполного сгорания.

Проблемы, возникающие при использовании технологии трехступенчатого сжигания:

1. время нахождения: в первичной зоне – для гарантии полного выгорания основного топлива; в восстановительной зоне – должно быть достаточно для распада вторичного топлива; в зоне догорания – должно быть достаточным для приемлемого уровня содержания горючих в уносе;
   
2. потребуется дополнительное оборудование – новые короба, контролирующие аппаратуру и системы управления;
   
3. модернизация мельниц – для получения приемлемых уровней горючих в уносе, возможно, придется добиваться уменьшения размера частиц («тонина помола»).
   

В результате трехступенчатого сжигания обеспечивалась концентрация NO_x 325 ÷ 250 мг/м³ (при низких коэффициентах избытка воздуха) (фирмы Англии, Италии).

Приведены данные по снижению выбросов NO_x на котлах ТПЕ – 214 с использованием системы трехступенчатого сжигания Кузнецкого угля марок Г и Д при избытке воздуха α ~ 0,7. Содержание NO_x в дымовых газах составило 350 мг/м³, а при двухступенчатом сжигании – 440 мг/м³.

Рассмотрено также трехступенчатое сжигание с угольной ступенью восстановления и установлено, что при работе котла в обычном режиме с 5-ю мельницами:

- без организации восстановительной ступени концентрация NO_x = 580 ÷ 740 мг/м³;

- при организации восстановительной системы концентрация NO_x за экономайзером составила 530 ÷ 680 мг/м³.

При переходе на 4 – мельничный режим уровень выбросов NO_x составил 480 – 450 мг/м³.

Рассмотрено применение трехступенчатой схемы сжигания высокореакционных углей в стендовых условиях. Известно, что сущность этой схемы заключается в сжигании основной части топлива с избытками воздуха (α = 1,05) и организации после практически полного завершения выгорания топлива зоны восстановления. Последняя образуется за счет подачи в нее топлива восстановителя при избытке воздуха в зоне α = 0,9 ÷ 1,0. Третья ступень – зона дожигания – организуется путем подачи в конец зоны восстановления избыточного третичного воздуха. По результатам стеновых испытаний применение данной схемы снижает выбросы NO_x на 60%. Проверка на котлах показала снижение выбросов NO_x на 40%.

Рассмотрено трехступенчатое сжигание твердого топлива. При этом для получения восстановительной среды используется только основное твердое топливо без его специальной подготовки (сверхтонкое измельчение, получение синтез - газа и др.). Измерения показали, что трехступенчатое сжигание эктастузского угля на котлах ПК-14 ВТГРЭС выход NO_x снижен до 450-460 мг/м³, снижено также содержание горючих в уносе относительно уровня отмеченного в режиме двухступенчатого сжигания.

Селективное каталитическое и некаталитическое восстановление. Для очистки дымовых газов от оксидов азота в энергетике применяются технологии:

• селективного каталитического восстановления в присутствии катализаторов;
  
• селективного некаталитического восстановления.
  

Обе технологии используют в качестве восстановителя сжиженный аммиак, аммиачную воду, карбамид и вероятно другие азотсодержащие соединения, генерирующие аммиак при гидролизе или термическом разложении. При этом требуется размещение на ТЭС угла приема, хранения и подачи аммиака и др. или специализированного аммиачного хозяйства.

В таблице 1.2 приводятся данные по снижению выбросов NO_x.

Таблица 1.2. Снижение выбросов NO_x и удельные капитальные затраты мероприятий по снижению выбросов оксидов азота.

№ п/п	Снижение выбросов NOx,%	Мероприятия	Стоимость улав – ливания 1т NOx, $
1. Применение только технологических мероприятий.
1.	До 15	За счет режима топочного процесса, рециркуляция газов	-
2.	15-30	2-х ступенчатое сжигание	100
3.	20-40	Малотоксичные горелки	83
4.	40-50	3-х ступенчатое сжигание	200
5.	40-60	2-х ступенчатое сжигание и малотоксичные горелки	-
6.	60-75	3-х ступенчатое сжигание и малотоксичные горелки	-
2. Применение только азотоочистных технологий.
7.	30-60	СНКВ	140
8.	40-90	СКВ	190
3. Совместное применение технологических и азотоочистных мероприятий.
9.	50-75	2-х ступенчатое сжигание совместно с СНКВ	110
10.	70-90	3-х ступенчатое сжигание совместно с СНКВ	180

Селективное каталитическое восстановление. Установка состоит из системы подачи и ввода аммиака, реактора с набором ячеек – катализаторов, подводящих трубопроводов и средств управления. Аммиак вводится через систему сопел в уходящие газы и получающаяся смесь проходит через 3-5 слоев металлических катализаторов на основе ванадия, титана, платины, расположенных между экономайзером и воздушным подогревателем. На поверхности катализатора NН₃ реагирует с NO₂, генерируя молекулярный азот и водяной пар:

4NO + 4NH₃ + O₂ = 4N₂ + 6H₂O.

Данный метод позволяет сократить эмиссию NO_x до 90%. Однако существуют определенные проблемы:

• метод дорогостоящий;
  
• возможен проскок аммиака.
  

Аммиак: 1) делает непригодной для использования летучую зону;

2) попадая в сероочистку приводит к выходу гипс, который удаляется как твердые отходы;

3) приводит к неприятному запаху в помещении;

• возможно забивание катализатора летучей золой.
  

Селективное некаталитическое восстановление – способ сокращения выбросов NO_x посредством аммиака, мочевины, реагирующие с NO_x в присутствии кислорода и разлагающие NO_x на азот и воду. Такая реакция протекает при высоких температурах 850-1100^оС и поэтому реагент вводят в конвективный газоход. В основе работы системы очистки газов лежит принцип селективного некаталитического высокотемпературного восстановления оксидов азота карбамидом. Процесс очистки протекает в интервале температур 850-1150^оС в соответствии с брутто-реакцией:

2CO(NH₂)₂ + 4NO +O₂ = 4N₂ + 2CO₂ + 4H₂O.

Время пребывания восстановителя в зоне реакции, необходимое для достижения максимальной степени очистки газов, составляет 0,3 - 0,5 сек. Коэффициент расхода восстановителя, равный отношению расхода твердого карбамида (кг/ч) к величине массового выброса оксида азота (кг/ч), в зависимости от режима работы котла изменяется в диапазоне 1,1 – 2.

Для восстановления NO_x используется 40%-ный водный раствор карбамида, который готовится непосредственно на объекте растворением гранулированного карбамида в химочищенной воде или поставляется в готовом виде.

Узел приготовления раствора карбамида включает в себя емкость для хранения твердого карбамида, бак для приготовления раствора и циркуляционные насосы (они же перекачивающие), предназначенные для растворения карбамиды и перекачивания раствора в расходную емкость.

Твердый карбамид и химически очищенная вода в количествах, необходимых для получения раствора заданной концентрации, подаются в бак для приготовления раствора.

Для интенсификации процесса растворения на период приготовления раствора включается циркуляционный насос.

Готовый раствор перекачивается в рабочую расходную емкость, затем с помощью насоса-дозатора подается в смеситель, где смешивается с водяным паром (Р ≤ 13 кгс/см², t = 240-290^оС). Необходимые параметры пара (расход, температура и давление) уточняются в процессе проектирования. Далее парокарбамидная восстановительная смесь подается через распределительные устройства в зону котла с оптимальной температурой.

Для ввода восстановительной смеси используется специальные устройства типа струйных форсунок. Место ввода восстановителя, количество распределительных устройств и их конструкция также определяются при проектировании.

Процесс очистки газов регулируется с помощью автоматизированной системы управления. Возможно также осуществление процесса очистки в режиме ручного управления.

На период проведения режимно-наладочных работ на одном котле целесообразно использовать готовый раствор карбамида, который может доставляться автоцистернами с Московского мусоросжигательного завода №2. Договоренность с руководством завода о возможности такой поставки имеется. При получении удовлетворяющих Заказчика результатов и оценки фактически необходимого расхода карбамида на один котел следует решить вопрос либо о строительстве на объекте собственного узла приготовления раствора карбамида, либо организовать постоянную поставку готового раствора карбамида в количестве, достаточном для непрерывной работы системы очистки.

На основе технической документации по котлу ТП-87, представленной ТЭЦ-22 (чертежи котла, данные по изменению нагрузки, скоростей, температуры и объемов дымовых газов, содержанию оксидов азота и др.), определено, что оптимальной зоной для размещения распределительных устройств являются боковые стенки котла (между ширмовым пароперегревателем и фестоном) на высоте от отметки 26 м до 34 м. Подача восстановительной смеси должна осуществляться с критической скоростью истечения из отверстий сопловых устройств, что обеспечит максимально быстрое и равномерное ее распределение в потоке дымовых газов.

Параметры пара, подаваемого в смеситель, должны обеспечивать образование парогазовой восстановительной смеси и необходимое качество распределения смеси в объеме газохода. В периоды временного отключения подачи раствора карбамида пар (в меньшем количестве) должен подаваться в систему для охлаждения распределительных устройств.

Все оборудование, входящее в состав системы очистки, изготавливается на российских заводах. Исключение может составлять только газоанализатор для непрерывного определения оксидов азота и использования в автоматизированной системе управления. Разработчик рекомендует использовать для определения оксидов азота газоанализатор GM-31 фирмы SICK (ФРГ).

Автоматизированная система управления позволяет задавать и поддерживать необходимую степень очистки газов от оксидов азота; оптимизировать расход раствора карбамида; контролировать все параметры процесса и, при необходимости, изменять их значения; обрабатывать статистические данные процесса очистки и выводить их на дисплей компьютера в графическом или другом виде.

Стандартное оборудование (емкость, насосы, оборудование КИПиА и др.) может быть приобретено в любой организации, специализирующейся на производстве или продаже данных видов оборудования.

Предлагаемая система очистки обеспечит требуемое в соответствии с техническим заданием снижение выбросов оксидов азота при условии, что исходная концентрация оксидов азота при работе на природном газе ≤ 500 мг/нм³, а при работе на угле ≤ 1500 мг/нм³. Концентрация NO_x в очищенных газах будет не более 125 мг/нм³ при работе на природном газе (α = 1,4) и не более 570 мг/нм³ при работе на угле (α = 1,4).


Эксплуатационные расходы определяются, в основном количеством потребляемых в процессе очистки карбамида и низкопотенциального водяного пара.

Массовый расход карбамида примерно равен количеству восстанавливаемых в единицу времени оксидов азота.

Например, если расход дымовых газов, выбрасываемых из котла, составляет около 400000 м³/ч, то для снижения концентрации оксидов азота с 400 до 125 мг/м³ требуется примерно 75 кг/ч гранулированного карбамида. Соответственно, расход 40%-ного раствора карбамида составит около 190 кг/ч.

При этом расход пара (Р=13 кг/см², t=260-290^оС) составит около 2000 кг/ч.

Значение расходных показателей определяются в процессе проектирования и корректируются при проведении режимно-наладочных испытаний.