Московский государственный открытый университет Научно-образовательный материал

Вид материалаРеферат
Повышение эффективности улавливания летучей золы в аппаратах мокрого золоулавливания.
Опыт эксплуатации системы золоулавливания на Смоленской ГРЭС.
1.2.5 Технология очистки дымовых газов мусоросжигательных котлов
Адиабатическая температура горения ТБО
Список литературы
Подобный материал:
1   2   3   4

1.2.4 Улавливание летучей золы (твердых частиц)на угольных тепловых электростанциях


Для этой цели используют высокоэффективные сухие золоуловители.

Для оснащения перевооружаемых и вновь строящихся российских ТЭС на основе отечественного и зарубежного опыта разработаны высокоэффективные и компактные сухие отечественные электрофильтры, учитывающие особенности котлов российских ТЭС, свойства сжигаемых углей и позволяющие обеспечить предъявляемые к ТЭС нормативные требования. Они также соответствуют международным требованиям по качеству.

В настоящее время основными типами золоуловителей, применяемых на угольных ТЭС, являются главным образом электрофильтры. На вновь вводимых зарубежных энергоблоков возрастает доля рукавных фильтров (более 100 энергоблоков в Америке)

Поскольку только сухие золоуловители позволяют широко использовать уловленную летучую золу в качестве вторичного продукта без загрязнения грунтовых вод и почвы, применение сухих золоуловителей предпочтительно при техническом перевооружении действующих ТЭС, оснащенных мокрыми золоуловителями. В некоторых странах применение мокрых технологий для улавливания твердых частиц запрещено.

Электрофильтры – это аппараты, позволяющие обеспечить высокоэффективную очистку больших объемов дымовых газов при минимальных затратах на электропитание и преодоление гидравлического сопротивления. В то же время ужесточение нормативных требований по степени очистки при одновременных ограничениях в располагаемых для размещения электрофильтров площадях требует при реконструкции действующих ТЭС максимальной интенсификации процессов электроочистки и полного использования объема аппаратов, что весьма сложно, особенно при неблагоприятных электрофизических свойств продуктов сгорания золы.

Принятие технических нормативов и гармонизация российских экологических стандартов с европейскими стандартами в соответствии с Законом о техническом регулировании обусловливает необходимость разработки экономичного компактного сухого золоуловителя, обеспечивающего очистку дымовых газов от твердых частиц до остаточной запыленности на первый период 50, а позже 30мг/м3 . Требуемая эффективность очистки – 99,8-99,9%. Также нужно иметь ввиду возможное введение в перспективе ограничения по концентрации мелких частиц размером менее 10 мкм.

Действующий парк золоуловителей ТЭС России базируется в основном на следующем оборудовании:
  • электрофильтры – 55% (по доле очищаемых газов от них общего объема);
  • мокрые центробежные золоуловители – 35%;
  • сухие инерционные золоуловители – 15%;

Средняя степень золоулавливания на ТЭС РАО «ЕЭС России» составляет около 95%.

Установленные в последние 15-20 лет более современные электрофильтры с высотой электродов 12-13,5 м имеют проектную эффективность 98-99,5%. Основную долю электрофильтров с высотой электродов более 12м занимают аппараты, разработанные зарубежными фирмами в соответствии с требованиями, которые предъявлялись к электрофильтрам за рубежом в конце 80-х годов прошлого века. Следует отметить, что в промышленно развитых странах проблема улавливания твердых частиц была решена к тому времени, поэтому новые разработки по золоуловителям, в том числе по электрофильтрам, с тех пор не финансировать.

Показательным и, безусловно, полезным является опыт реконструкции действующих электрофильтров, выполненной ведущими европейскими фирмами (фирма Alston – замена электрофильтров на ТЭЦ – 22 и других ТЭС, американская фирма ВНА – замена электрофильтров фирмы «Флэкт» на ОАО «Норильский Никель» и др.). Однако, учитывая реальный масштаб техперевооружения парка золоуловителей, большую металлоемкость, организацию снабжения запасными частями, настоятельно необходимо иметь современные технические решения по отечественным электрофильтрам


Повышение эффективности улавливания летучей золы в аппаратах мокрого золоулавливания. Один из видов пылеулавливающего оборудования на пылеугольных ТЭС России – это мокрые центробежные скрубберы. В настоящее время в эксплуатации находится около 600 таких аппаратов. Свыше 30% общего количества угля, сжигаемого для нужд российской энергетики, используется в котлах, оборудованных этими золоуловителями.

Эффективность улавливания летучей золы в мокрых золоуловителях, оснащенных трубами Вентури, в большинстве случаев не обеспечивает нормативных требований, предъявляемых в настоящее время к выбросам котлов ТЭС. В ближайшее время планируется внедрение новых, более строгих технических нормативов, что с учетом роста нагрузки ТЭС и увеличением доли угля в общем топливном балансе за счет замещения им природного газа потребует повышения эффективности золоулавливания. Эту проблему можно решить несколькими способами. Один из них – замена существующих мокрых скрубберов на электрофильтры. Однако такое решение имеет существенные недостатки: отсутствие свободной площадки для размещения более габаритных аппаратов, не целесообразность установки новых газоочистных аппаратов из-за изношенности основного оборудования энергоблоков.

Радикальный способ повышения эффективности мокрых золоуловителей с коагуляторами Вентури – увеличение плотности орошения коагуляторов. Опыт освоения мокрых золоуловителей, в том числе и с интенсивным режимом орошения, показывает, что, увеличив плотность орошения коагуляторов до 0,4-0,5 л/м3, можно повысить эффективность золоулавливания до 99,0-99,3%. Основным препятствием для внедрения этого технического решения является необходимость многократного увеличения расхода свежей воды на золоуловитель. Этого можно избежать, дооснастив существующую технологическую схему системой орошения с замкнутым циклом.


Опыт эксплуатации системы золоулавливания на Смоленской ГРЭС. На ряде ТЭС в реальных условиях эксплуатации при различных сочетаниях топлив КПД золоуловителя может составлять 70-75%, что является достаточно низким .Это объясняется тем, что в процессе эксплуатации циклонных элементов происходит забивание золой (до 40%). К тому же наблюдается значительный абразивный износ стольных выхлопных труб, в следствие чего неочищенные газы попадали и в камеру очищенных газов. Кроме того, гидравлическое сопротивление золоулавливающей установки вместе с подводящим и отводящими газоходами при 80% номинальной нагрузки котельного агрегата составило 1900-2100 Па, что больше проектного значения почти в 2 раза. Из-за пониженной их эффективности происходил значительный абразивный износ рабочих лопаток, газоходов и повышалось также сопротивление газового тракта. Все это вызвало необходимость замены золоуловителей на более совершенные.

1.2.5 Технология очистки дымовых газов мусоросжигательных котлов

В настоящее время основным технологическим процессом обезвреживания твердых бытовых отходов (ТБО) является их сжигание в устройствах различного типа. Процесс термического обезвреживания ТБО в сочетании с использованием их энергетического потенциала позволяет обеспечить эффективное решение проблемы утилизации ТБО. Сжигание ТБО сопровождается образованием ряда вредных веществ: оксидов азота NOx, серы SOx, углерода СО, хлористого водорода HCl, фтористого водорода HF, диоксинов и фуранов, поэтому современные мусоросжигательные установки оборудуются системами пылегазоулавливания для снижения содержания вредных веществ в дымовых газах до требуемых норм.

Московский мусоросжигательный завод №2 (МСЗ №2) – первое в России предприятие подобного типа, на котором реализована четырехступенчатая система газоочистки, обеспечивающая требования европейских стандартов по выбросам вредных веществ с дымовыми газами установок для сжигания ТБО. В 1 ступени очистки осуществляется высокотемпературное восстановление NOx до элементарного азота с использованием в качестве восстановителя раствора карбамида. Во II ступени за счет адсорбции на поверхности активированного угля снижается содержание в дымовых газах диоксинов, фуранов и тяжелых металлов. В III ступени происходит процесс нейтрализации кислых газов (SOx, HCl, HF) известковым молоком. В IV ступени (в рукавном фильтре) дымовые газы очищаются от пыли.

Технологическое оборудование для очистки дымовых газов мусоросжигательных котлов завода от всех вышеперечисленных загрязнителей (за исключением NOx) было поставлено в комплекте с основным оборудованием французской фирмой «КНИМ». Для очистки газов от NOx была использована запатентованная отечественная технология, разработанная в Российском государственном университете (РГУ) нефти и газа.

Образование NOx при сжигании ТБО происходит как за счет окисления азота воздуха, подаваемого на горение («термические» NOx), так и за счет окисления химически связанного азота, входящего в состав ТБО («топливные» NOx). Анализ результатов измерения концентрация NOx в дымовых газах мусоросжигательных котлов, установленных на МСЗ №2, при различных режимах их работы свидетельствуют о том, что «топливная» составляющая общего количества NOx, определяемая содержанием азота в топливе, в несколько раз превышает «термическую» составляющую. В таблице приведены элементарный состав и теплота сгорания ТБО по г. Москве (данные Академии коммунального хозяйства РФ).

Показатели ТБО

Значение показателя

максимальное

среднее

минимальное

Теплота сгорания, ккал/кг

1795

1490

995

Массовая доля в составе, %

Ср

Нр

Ор

Np

Sp


21,3

2,9

16,9

0,9

0,2


18,5

2,6

15,0

0,7

0,2


13,9

1,8

9,7

0,6

0,1

Зольность Ар, %

22

21

20

Содержание влаги Wp, %

53,9

42,0

36,5


Как видно, массовое содержание связанного азота в ТБО составляет от 0,6 до 0,9%. Степень превращения химически связанного азота, входящего в состав органического топлива, в оксид азота NO зависит от содержания азота, природы соединений, в состав которых входит связанный азот, и условий горения топлива. По различным данным степень превращения связанного азота в NO может составлять от 10 до 100% в зависимости от содержания азота в топливе.

Если содержание «термических» NOx в продуктах сгорания может быть уменьшено путем воздействия на процесс горения режимно – технологических мероприятий (рециркуляция дымовых газов в зону горения, ступенчатое сжигание топлива и др.), то концентрация «топливных» NOx при этом меняется незначительно. Поэтому для снижения содержания NOx в дымовых газах мусоросжигательных котлов до лимитируемых природоохранными органами значений необходимо использовать специальные методы очистки газов.

Методы селективного каталитического восстановления NOx (СКВ), распространенные в странах Западной Европы, отличаются достаточно высокой степенью очистки (до 80-90%). Они основаны на восстановлении оксида азота аммиака на поверхности катализатора при температуре 300 - 400оС. Однако особенности работы мусоросжигательных установок в подавляющем большинстве случаев не позволяют использовать методы каталитической очистки газов от NOx.

Приведена технология очистки дымовых газов. Твердые бытовые отходы через бункер подаются на колосниковую решетку мусоросжигательного котла. Образующиеся при сжигании шлаков и зола подаются в цех шлакопереработки. Дымовые газы из зоны горения поступают в камеру дожигания, где происходит доокисление продуктов неполного сгорания и разложение хлорорганических полициклических соединений. Далее дымовые газы проходят через конвективную зону и с температурой около 300оС поступают в абсорбер-нейтрализатор кислых компонентов, а затем в фильтр, где происходит очистка газов от твердых частиц.

Вырабатываемый котлами пар с параметрами 15 кгс/см2 и 240оС идет на собственные нужды завода и направляется на теплоутилизационную электростанцию (ТУЭС). В ТУЭС установлено три турбогенератора типа П-1,2-13/6. Выработанная турбинами электроэнергия также используется на собственные нужды завода, а ее излишки передаются в сети ОАО «Мосэнерго».

Дымовые газы на выходе из котла имеют температуру, близкую к оптимальной для процесса СКВ, но содержание пыли в этой зоне достигает 10 000 мг/м3. После системы пылегазоулавливания концентрация пыли снижается до 10 мг/м3, но температура дымовых газов составляет 130-150оС. При этой температуре степень восстановления NO методом СКВ минимальна. Поэтому процессы каталитической очистки газов практически не используются в мусоросжигательных установках.

Как показали результаты многолетних исследований и промышленного внедрения процессов селективного некаталитического восстановления NO (СНКВ), в условиях работы мусоросжигательных котлов при использовании этого способа очистки возможно снижение содержания NO до 70-90%. Процесс СНКВ протекает при температуре 900-1000оС, не требует применения катализатора, не зависит от содержания оксидов серы и степени запыленности газов. Время, необходимое для достижения максимальной степени восстановления NO, составляет не менее 0,2 с. В качестве восстановителя могут использоваться аммиак и различные аминосодержащие соединения, например карбамид. В последнем случае восстановление NO происходит в соответствии с уравнением реакции:

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

Ниже приведены основные параметры работы мусоросжигательных котлов, установленных на МСЗ №2, которые могут оказывать влияние на степень восстановления NO методом СНКВ:

Адиабатическая температура горения ТБО, оС . .. . . . . . . . . . . . . . . 990 – 1050

Расход дымовых газов, м3/ч . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25000 – 40000

Средняя скорость дымовых газов в топке котла, м/с . . . . . . . . . . . . . . . 3,8

Содержание оксидов азота в дымовых газах, мг/м3:

NO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 – 220

NO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 – 2

В связи с тем, что содержание NO2 составляет менее 1% общего количества оксидов азота, его присутствием при разработке системы очистки газов можно пренебречь.

Принимая, что оптимальная температура процесса восстановления NO находится в пределах 900 – 1000оС, расчетным путем была определена минимальная продолжительность пребывания газов в этой зоне: при 100%-ной нагрузке котла она составляет около 0,5 с, при 60%-ной – 0,4 с. Технологическая схема системы некаталитической очистки дымовых газов мусоросжигательных котлов от оксидов азота, реализованная на МСЗ №2, включает следующее. Твердый карбамид из хранилища с помощью винтового питателя направляется в емкость для приготовления раствора, куда одновременно подается химочищенная вода. Приготовленный 40%-ный раствор карбамида автоматически по сигналу датчика уровнемера перекачивается в рабочие емкости, затем насосами-дозаторами подается в смесители, где смешивается с паром.

Одно из необходимых условий эффективного проведения процесса некаталитического восстановления NO – быстрое и полное смешение восстановителя с потоком очищаемых газов. Эта задача была решена следующим образом. Полученная восстановительная смесь с помощью специальных необогреваемых распределительных устройств соплового типа вводится в поток дымовых газов с критическими скоростями, что позволяет организовать интенсивное смешение восстановителя с дымовыми газами. Критическое истечение из выходных отверстий распределительных устройств обеспечивает достаточную глубину проникновения струй восстановителя в поток дымовых газов, а также его равномассовый расход через отверстия одинакового калибра. При этих условиях полное раскрытие струй, а, следовательно, заполнение газохода восстановителем происходит практически в сечении впрыска.

Процесс восстановления NO карбамидом в случае перерасхода восстановителя, неэффективного смешения его с дымовыми газами или снижения температуры в зоне ввода восстановителя ниже оптимальных значений может сопровождаться проскоком непрореагировавшего аммиака NH3. Содержание последнего в очищенных газах регламентируется и в соответствии с международными нормами не должно превышать 10 мг/м3. Для контроля содержания NO и NH3 в дымовых газах применяются автоматические газоанализаторы GM 31 фирмы «SICK» (Германия). Эти приборы основаны на оптоэлектронном принципе измерений, позволяющем одновременно определять содержание каждого компонента в масштабе реального времени непосредственно в газовом потоке.

При разработке автоматизированной системы управления процессом очистки газов мусоросжигательных котлов необходимо учитывать наличие сильных непрогнозируемых возмущений, связанных с характером технологического процесса сжигания ТБО, в результате чего непрерывно изменяются во времени температура горения, расход дымовых газов и концентрация NO. В данном случае алгоритм прямого управления неприемлем, так как измерение состава и расхода ТБО, влияющих на эти показатели, технически неосуществимо. Поэтому единственно возможным принципом, на основе которого можно построить контур автоматического управления процессом восстановления NO, является принцип автоматического регулирования с обратной связью по регулируемому параметру.

Разработанная система управления выполняет функцию автоматического регулирования и автоматизированного программно-логического управления процессом. Одновременное решение этих задач осуществляется интеллектуальным управляющим устройством – микропроцессорным контроллером. В целом система управления представляет собой цепь последовательно соединенных звеньев: анализатор NO, микропроцессорный регулятор, усилитель мощности, насос-дозатор раствора карбамида, смеситель, трубопровод подачи восстановительной смеси, зона реакции. Такой контур имеется на каждой технологической линии завода. Контроль за работой всех контуров осуществляется с помощью компьютера, который является автоматизированным рабочим местом оператора. Последний может изменять установки каждого контура регулирования, вести сбор данных для анализа истории процесса. Компьютер служит также для аварийной и технологической сигнализации и связи с АСУТП завода.

Система очистки изготовлена на основе отечественного оборудования, в качестве восстановителя используется гранулированный карбамид Пусконаладочные испытания системы очистки дымовых газов показали, что существует зависимость между содержанием NO и температурой горения ТБО: с увеличением температуры горения концентрация NO увеличивается и при температуре 950-1000оС достигает 180-220 мг/м3. Расчетный расход раствора карбамида, необходимый для проведения процесса в указанных выше диапазонах изменения концентрации NO и расхода дымовых газов составляет от 10 до 40 кг/ч на одну технологическую линию. На рис. 4 приведены зависимости степени очистки газов (кривые 1 и 2) и содержания аммиака в очищенных газах (кривые 3 и 4) от температуры в зоне ввода восстановителя при различных расходах G раствора карбамида. При температуре 850оС степень очистки составляет примерно 60%, с увеличением температуры до 900оС она возрастает до 70% и достигает максимальных значений на уровне 80-90% при 970-990оС. При температуре выше 900оС, характерной для штатного режима работы мусоросжигательных котлов, концентрация аммиака в очищенных газах не превышает 10 мг/м3 и составляет, как правило, 3-5 мг/м3.

Опыт эксплуатации системы очистки дымовых газов показала, что она позволяет полностью решить поставленную задачу и обеспечивает поддержание концентрации NO в дымовых газах после очистки в диапазоне от 30 до 70 мг/м3 в зависимости от установки, задаваемой с компьютера.

Таким образом, осуществлено промышленное внедрение первой отечественной автоматизированной системы некаталитической очистки дымовых газов от оксидов азота на энергетических агрегатах, какими являются мусоросжигательные котлы, с использованием карбамида в качестве восстановителя. По основным технологическим показателям (степени очистки газов от оксидов азота и содержанию аммиака в очищенных газах) система превосходит зарубежные аналоги. При этом ее стоимость на порядок ниже по сравнению с зарубежными установками аналогичного назначения.

Полученные результаты показывают возможность снижения выбросов оксидов азота с дымовыми газами до санитарных норм и использования разработанной технологии очистки газов от оксидов азота на тепловых агрегатах различного типа при сжигании газового, жидкого и твердого топлива.

Рассмотрен процесс очистки дымовых газов теплогенераторов от NOx, основанный на их охлаждении до температур ниже точки роста, окисления оксида азота и абсорбции оксидов азота водой (конденсатом водяных паров) в присутствии озона. При абсорбции оксидов азота из дымовых газов водой происходит образование разбавленной азотной кислоты. Анализ механизма химических процессов абсорбции NOx водой при очистке дымовых газов показал, что определяющим для процесса поглощения оксидов азота водой является присутствие озона, а также температура (оптимальное значение 30-40оС).

Рассмотрено снижение выбросов NOx на американских пылеугольных котлах с тангенциальными топками. Топливом для котла являлся высококачественный каменный уголь. Содержание серы в угле – 2,8%, азота – 1,4% (на горючую массу), выход летучих веществ – 35,6%.

Удельные выбросы оксидов азота составили 0,267 г/МДж, что соответствует ~ концентрации NOx = 720 мг/м3. При снижении нагрузки до 0,8 номинальной, концентрация NOx снижалась до 680 мг/м3 (0,254 г/МДж). После модернизации, когда часть сопел вторичного воздуха была направлена по касательной и выделено сопло, примыкающее к соплу аэросмеси, выбросы NOx составили 520 мг/м3 (0,193/МДж).


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В научно-образовательном материале рассмотрены вопросы: основные источники вредных выбросов оксидов азота и серы, углекислого газа в атмосферу, новые передовые экологически ориентированные технологии для снижения вредных выбросов оксидов азота и серы, углекислого газа и летучей золы на тепловых электростанциях, технологии для снижения выбросов оксидов азота на угольных тепловых электростанциях, технология для снижения выбросов оксида серы на угольных тепловых электростанциях, технологии для улавливания углекислого газа на угольных тепловых электростанциях, улавливание летучей золы (твердых частиц) на угольных тепловых электростанциях, технология очистки дымовых газов мусоросжигающих котлов.

Внедрение новых передовых экологически ориентированных технологий позволит создать экологически чистую тепловую электростанцию, которая будет решать основную задачу - выработку тепловой и электрической энергии и не будет загрязнителем окружающей среды.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Шевердяев О.Н., Гвоздев В.М. и др. Методы снижения эмиссии оксидов азота на пылеугольных котлах// Энергосбережение и водоподготовка. – 2010. № 4. – с. 58-64.
  2. Тиммс А., Хессельман Г. Снижение эмиссии оксидов азота на пылеугольных котлах // III Международная научно – практическая конференция и специализированная выставка « Экология в энергетике»: Москва, ВТИ. 14 – 16 июня 2006 г., с. 196-203.
  3. Шмиголь И.Н. Перспективы использования установок сероочистки на ТЭС России // // III Международная научно – практическая конференция и специализированная выставка « Экология в энергетике»: Москва, ВТИ. 14 – 16 июня 2006 г., с. 189-195.
  4. Шмиголь И.Н. Сероочистка на тепловых электростанциях России // Первая специализированная тематическая выставка. – Москва. ВВЦ, 26-29октября 2004г. с.98-100.
  5. Шмиголь И.Н. Технологии сероочистки дымовых газов для угольных ТЭС РФ // Электрические станции. – 2006 - №6, с. 27-35.
  6. Глебов В.П. и др. Высокоэффективные сухие золоуловители для техперевооружения действующих ТЭС России // Энергетик. – 2007 - №2 – с. 8-10.
  7. Аничков С.Н. и др. Повышение эффективности улавливания летучей золы в аппаратах мокрого золоулавливания // Электрические станции – 2009. - №8. – с. 59-62.
  8. Шевердяев О.Н., Кулиш О.Н., Гвоздев В.М. и др. Экологически чистая тепловая электростанция // Тез. докл. междунар. науч – метод. конф. «Химия и экология». – Москва. МГОУ, 17-18 февраля 2010, с. 249-253.
  9. Крейнинг Е.В., Михалина Е.С. Выбросы в атмосферу в электроэнергетике.// Экономика и промышленность России – 2003.- №2 – с. 22-26.
  10. Кормилицын В.К., Ежов В.С. Механизм процессов поглощения оксидов азота водой из дымовых газов // Энергосбережение и водоподготовка. – 2008. - №6, - с. 74-75.
  11. Щатиль А.А. и др.. Подавление эмиссии оксидов азота при ступенчатом сжигании высокореакционных углей // Теплоэнергетика.- 2009. - №1 – с. 81-83.
  12. Кулиш О.Н. и др. Очистка дымовых газов мусоросжигательных котлов от оксидов азота // Промышленная энергетика. – 2002 – №10
  13. Котлер В.Р., Серков Д.Е. Снижение выбросов оксидов азота на пылеугольных котлах с тангенциальными топками // Электрические станции.- 2001 - №4.
  14. Енякин Ю.П., Котлер В.Р. Малотоксичные горелки как средство снижения выбросов оксидов азота на ТЭС РФ // Труды III Междун. научно- практич. конф. и специал. выставки «Экология и энергетика. – Москва, ВТИ 14 -16 июня 2006. – с. 153-157
  15. Котлер В.Р. Технологии одновременного снижения выбросов оксидов азота и серы на пылеугольных котлах // Теплоэнергетика. – 2002. - №1