И Н Шмиголь - Сероочистка дымовых газов для тепловых электростанций россии - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 621

 

И.Н. Шмиголь, канд. техн. наук

(Россия, Москва, ОАО "Всероссийский теплотехнический институт")

СЕРООЧИСТКА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ РОССИИ

Сжигание органического сернистого топлива связано с образованием диоксида серы SO2, который является активным загрязнителем окружающей среды. В связи с завершением «газовой паузы» на тепло­вых электростанциях России увеличивается сжигание углей. В абсолютном исчислении количество сжи­гаемого угля увеличится более чем в пять раз. А это повлечёт за собой соответствующее увеличение мас­сы генерируемого диоксида серы.

Любое органическое топливо, кроме природного газа некоторых месторождений, содержит серу ли­бо как составную часть его органической массы (органическая сера), либо в виде серного колчедана FeS2, входящего в минеральную часть твёрдого топлива.

При окислительном сжигании топлива, которое в энергетике является преобладающим, из органи­ческой и колчеданной серы образуются диоксид и триоксид серы:

S + O2 = SO2; 2FeS2 + 5O2 = 2FeO + 4SO2; SO2 + !/2 O2 = SO3.

Конверсия диоксида в триоксида, происходящая в топочной камере котла под действием высокой темпе­ратуры, составляется обычно до 5 %.

В земной атмосфере диоксид серы под действием озона, образующегося из кислорода воздуха в ре­зультате солнечной радиации, окисляется до триоксида SO3:

502  + О3 ® SO3 + О2.

Триоксид серы соединяется с водяными парами воздуха, в результате образуются пары серной кислоты:

503 + H2O ® H2SO4.

Озон окисляет также оксиды азота до высших окислов с конечным образованием паров азотной кислоты HNO3. В итоге образуется смесь двух кислот, которая по своей активности и способности растворять тяжелые металлы приближается к «царской» водке (смеси серной и соляной кислот). Пары этих обеих кислот имеют плотность в 3--4 раза больше плотности воздуха, что обеспечивает их интенсивное гравитационное осажде­ние. Поэтому в атмосферном воздухе оксиды серы «живут» до трёх суток и осаждаются на растительность, здания, почву и в природные водоемы преимущественно в виде паров серной кислоты. Атмосферные осадки ускоряют поступление смеси этих кислот в почву. Вымывание из атмосферы кислых компонентов дымовых газов обусловливает кислотные (или кислые) дожди. В результате пресноводные водоемы и реки быстро за-кисляются, что приводит к гибели части водной флоры и фауны или замене их другими, более стойкими фор­мами, но которые не обеспечивают необходимую регенерацию воды.

Процесс закисления пресноводных источников усугубляется тем, что смесь серной и азотной кислот хорошо растворяет тяжелые металлы, содержащиеся в минеральной части почвы, в том числе, и в золе, осаждающейся на почву. Эти растворённые металлы переносятся грунтовыми водами в пресные водо­ёмы, отравляя, таким образом, все живые организмы, включая человека.

Поведение диоксида серы в воздухе характеризуется ещё и тем, что примерно 90% SO2 выпадает из дымовых газов на почву в радиусе 15-25 высот дымовых труб. И только около 10% переносятся в дру­гие, близлежащие регионы под действием атмосферных потоков. Поэтому очистка дымовых газов от оксидов серы (и сопутствующих им оксидов азота) является как глобальной, так и локальной проблемой.

Основными энергетическими углями России являются угли следующих месторождений:

-  в Европе: Печорского, Подмосковного и Донецкого;

-  в Сибири: Кузнецкого и Берёзовского;

-  в Восточной Сибири: Харанорского.

На ряде электростанций Урала сжигают экибастузские угли.

Характеристики некоторых российских углей приведены в табл. 1, а основные характеристики про­дуктов их сгорания - в табл. 2.

Таблица 1.

(российские обозначения марок углей: Г - газовый; Д - длиннопламенный; АШ - антрацитный штыб; Т - тощий; СС - слабоспекающийся; Б - бурый).


Таблица 2.


Санитарно-экологическое законодательство России основывается как на предельно-допустимых концен­трациях (ПДК) загрязняющих веществ в воздухе на уровне дыхания человека, так и на нормативах выбросов этих веществ от стационарньгх источников в атмосферу. Последние регламентируются ГОСТ Р 50831-95 (ко­торый сейчас пересматривается), в том числе и по нормативам выбросов диоксида серы (табл. 3).

В качестве базового значения приняты удельные выбросы n (г/МДж), которые пересчитываются в значения концентрации C по формуле:

C = nxQW^, г/нм3, (1)

где Qrj - низшая теплотворность угля, МДж/кг; Уг0 - удельный объём газов при сжигании одного кило­грамма угля при заданном избытке воздуха, нм3/кг.

Удельный выброс позволяет легко сравнивать между собой различные сжигающие устройства, ра­ботающие с различными коэффициентами избытка воздуха.

Нормативы удельных выбросов SO2 регламентируются в зависимости от тепловой мощности ко­тельной установки и приведенной сернистости сжигаемого топлива:

S11 = Sr/ Qi, %.кг/МДжгде Sr - содержание серы в топливе, %, отнесённое к его рабочей массе.

Наряду с требованиями этого ГОСТа с 1 июля 2004 года к тепловым электростанциям, расположен­ным на европейской территории страны, применяются и требования II Протокола к Международной Конвенции о трансграничном переносе (МКТП) диоксида серы (табл. 4).

Таблица 4.

Степень улавливания диоксида серы,

%

40 (для 100-167 МВт) ~ 40 - 90

__________________________ Нормативы для диоксида серы по МКТП SO2.__________________________

Тепловая мощность,

МВт

50 - 100

 

100 - 500 > 500

(линейное уменьшение для 167 - 500 МВт) 90

Предельное значение концентрации, мг/нм3 (a=1,4) 2000 2000 - 400

В этих нормативах установлены как предельное значение концентрации диоксида серы, так и тре­буемая степень очистки газов от этого вещества. Каждая страна, подписавшая Протокол и Международ­ную конвенцию, может выбрать ограничение по выбросам диоксида серы или в виде концентрации этого вещества в газах, выходящих из котла, или в виде степени очистки дымовых газов каждого котла. Неко­торые страны (Япония, США, Европейский экономический союз) требуют одновременного обеспечения и концентрации, и степени сероочистки.

В настоящее время намечена гармонизация российских нормативов на выбросы диоксида серы с директивой 2001/80 ЕЭС Европейского экономического сообщества. Для новых энергетических устано­вок, сжигающих угли, этой директивой установлены следующие нормативы:


(линейное уменьшение) 400

 

Тепловая мощность, кВтт: Концентрация SO2, мг/нм3:


50...100 850

100...300 200


>300 200.

 

Использование в качестве базового показателя значения удельного выброса позволяет упростить расчёты, связанные с определением степени очистки газов.

Удельное количество SO2, образующееся при сжигании угля, п'без учёта частичного связывания этого вещества в топке щёлочью золы подсчитывается по формуле:

п'= 20,5 S11, г/МДж.

Степень сероочистки на основе удельных выбросов подсчитывается как:

 

_n n n

x100,%,

 

где n", г/МДж - удельный выброс диоксида серы в атмосферу в соответствии с санитарным законода­тельством.

На основе значения удельного выброса п' или п" рассчитывается количество этого вещества, отне­сённое к выработанному киловатт-часу, соответственно

—                образующегося при сжигании топлива:   g'= 29,308*10-3*qу.т.*n', г/кВт-ч,

-   выбрасываемого в атмосферу:                    g"= 29,308*10-^ут*п", г/кВт-ч,
где
q^.- удельный расход условного топлива на выработку одного киловатт-часа.

При расчёте степени сероочистки дымовых газов необходимо учитывать и частичное связывание SO2 в топочной камере щелочными компонентами золы. Как видно из таблицы 2, для подавляющего большинства российских углей (кроме углей Берёзовского месторождения), степень связывания диокси­да серы в топке не превышает 4 %, и ею можно пренебречь.

Требуемые степени сероочистки продуктов сгорания углей, приведенных в таблицах 1 и 2, для кот­лов паропроизводительностью 320 и 950 т/ч показаны в табл. 5.

Таблица 5.

Паропроизводительность| котла, т/ч

Требуемые степени сероочистки дымовых газов по ГОСТ Р 50831-95 и по II Протоколу к МКТП SO2.

по II Протоколу к МКТП 78,45 94,61 87,57 96,89

по

ГОСТ Р 50831-95 84,85 89,90 92,62 95,08

 

по директиве 2001/80 ЕЭС

97,31

97,31

98,44

98,44

Требуемая степень сероочистки, %

320 950 320 950

Месторождение, марка угля

Интинское, Д

Подмосковное, Б2

 

Донецкое, Г


320 950


88,49 92,33 83,20 95,86 97,93 97,93

 

Донецкое, Д


320

950


86,69

91,12


80,89

95,27


97,63

97,63


mso2= (C'- C")*100/C', %.

В противном случае будут получены только фиктивные значения nSO2, не соответствующие фактическо­му состоянию газоочистки.


Концентрации диоксида серы в очищенных газах, регламентированные требованиями II Протокола к МКТП и нормативами Европейского сообщества были пересчитаны в значения удельного выброса по формуле (1) (табл. 6). Для котлов паропроизводительностью 320 т/ч (200 МВтт) значения концентраций SO2 были приняты равными соответственно 1600 мг/нм3 и 200 мг/нм3; для котлов паропроизводительно-стью 950 т/ч (> 300 МВтт) - 400 мг/нм3 и 200 мг/нм3.

Из таблицы 5 следует, что требуемая степень сероочистки дымовых газов зависит как от свойств уг­ля и тепловой мощности котла, так и от принятого норматива выброса SO2. Так, при сжигании малосер­нистого Берёзовского бурого угля с большим содержанием оксида кальция в золе, когда степень связы­вания диоксида серы в топочной камере достаточно велика, дополнительная сероочистка дымовых газов для обеспечения требований ГОСТ и МКТП не требуется. Для котлов средней паропроизводительности (320 т/ч) по этим нормативам при сжигании большинства кузнецких углей также не требуется дополни­тельных мероприятий по снижению выброса SO2 в атмосферу, или степень улавливания диоксида серы должна быть небольшой (для Харанорского угля - 9,46 %). При увеличении тепловой мощности котель­ных агрегатов дополнительные мероприятия по сероочистке, как правило, требуются.

Широкий диапазон требуемых степеней сероочистки для удовлетворения нормативов ГОСТ и II Протокола к МКТП не позволяет обойтись одной или двумя технологиями, а требует достаточно боль­шого набора методов очистки - мокрые, мокро-сухие и сухие. Этим будут обеспечены минимальные ка­питальные вложения и эксплуатационные затраты в установки сероочистки.

Применение нормативов Европейского экономического сообщества потребует обеспечения степени сероочистки не ниже 79%, а при сжигании Берёзовского угля - дополнительной очистки газов на 46,34%.

Здесь преимущественное применение получают мокрые технологии, и лишь в некоторых случаях - мок­ро-сухие.

Отечественная наука разработала и освоила широкий набор технологий сероочистки, позволяющий обеспечить нормативы выброса диоксида серы при действии любого из указанных директивных доку­ментов: ГОСТ, II Протокола к МКТП или 2001/80 ЕЭС.

Обеспечить указанные степени улавливания SO2 можно различными технологиями, выбор которых определяется их технико-экономическими характеристиками. Общий принцип выбора технологии в за­висимости от начальной концентрации диоксида серы основан на том, что при небольшой степени серо­очистки (30-35 %) целесообразны дешёвые технологии; при этом возможно использование активного дорогого реагента; при большой степени сероочистки (80 % и более) необходимы дорогие технологии с использованием сравнительно дешёвых реагентов.

Относительно дешёвые технологии основаны преимущественно на использовании уже имеюще­гося энергетического оборудования: топочной камеры, газоходов, сухих и мокрых золоуловителей. В таких технологиях отходы сероочистки всегда смешаны с уловленной золой и складируются на общем золоотвале.

При оснащении котельных установок электрофильтрами и при небольших начальных концентраци­ях диоксида серы применимы технологии:

-  сухая известняковая с вводом в определённую температурную зону котла известняковой пыли, ко­торая сначала в топке котла кальцинируется с образованием оксида кальция СаО; в конвективной шахте котла эта известь на 30...35% связывает диоксид серы;

-  упрощенная мокро-сухая с подачей тонко диспергированной известковой суспензии в форкамеру электрофильтра или в газоход перед форкамерой. Жидкий реагент связывает диоксид серы, и под дейст­вием тепла дымовых газов из него испаряется вода, так что в электрофильтр поступает сухая смесь лету­чей золы и отходов сероочистки; охлаждение и увлажнение очищаемых газов повышают эффективность электрогазоочистки. Такая мокро-сухая технология позволяет связать SO2 до 50 %;

-  технология с циркулирующей инертной массой, когда часть уловленной золы смешивается с сухой известью и водой. Эту смесь с влажностью 5-6 % подают в газоход перед золоуловителем, и с её помо­щью можно уловить до 75 % SO2, а иногда и больше; при этом электрофизические свойства дымовых газов, как и в предыдущем случае, улучшаются.

В то же время такие сероочистки требуют специальных мер по исключению влияния на работу электрофильтра повышенной запылённости газов (мокро-сухие технологии) и сниженной температуры сернокислотной точки росы (сухая технология). Повышение доли кальциевых соединений в твёрдых от­ходах такой газоочистки требует перехода с наиболее распространённой на отечественных ТЭС системы гидрозолоудаления (ГЗУ) на сухие технологии сбора и складирования этих отходов. Это обусловлено тем, что концентрация ионов кальция в воде превышает предельное значение, что приведёт к образова­нию в пульпопроводах и трубопроводах осветлённой воды трудно удаляемых карбонатных и гипсовых отложений. Альтернативой ГЗУ является применение, например, трубного транспорта, трубчатых рези­новых конвейеров и других систем, что обычно связано с достаточно серьёзными и дорогими реконст­руктивными работами. Применяется также вывоз сухих отходов на колёсном транспорте, что наиболее распространено в США и Канаде. При этом для снижения эксплуатационных затрат на такую систему складирования на угольных ТЭС сжигают преимущественно обогащённое топливо с зольностью не бо­лее 7...10 %. Применительно к российским энергетическим углям, зольность которых обычно сущест­венно больше, вывоз твёрдых отходов мокро-сухой газоочистки на большегрузных КАМАЗах при плече поездки 10 км увеличит себестоимость производства электроэнергии на 12...15 %; при плече поездки до 20 км увеличение себестоимости составит 27...28 %.

Особенность российских котлов малой и средней мощности состоит в том, что на них, как правило, установлены скрубберы различных конструкций, преимущественно Вентури. Эти аппараты также можно использовать для целей сероочистки дымовых газов.

Если требуется уловить до 35 % SO2, то в скруббере это вещество можно нейтрализовать соедине­ниями кальция, содержащимися в летучей пыли. Последние выщелачивают в орошающую скруббер во­ду, что позволяет отказаться от использования дополнительных реагентов.

При необходимости улавливания до 50-60 % SO2 мокрый золоуловитель орошают раствором соды с последующей конверсией образовавшихся солей в двухводный гипс.

Основные технико-экономические показатели технологий с использованием оборудования энерго­блоков приведены в табл. 7.

Таблица 7.

_______ Технико-экономические показатели технологий сероочистки на основе оборудования энергоблоков._________

Технология

Сухая известняковая

Упрощенная мокро-сухая

Циркулирующая инертная масса

С использованием скруббера

Степень сероочистки, %

30...35

50...60

93

50...60

 

Коэффициент избытка реагента

2...3

1,3...1,5

1,2...1,3

1,1...1,15

Удельная площадь для оборудования, м2/кВт

<0,0005

<0,0005

0,0005

0,001

Увеличение расхода энергии на собственные нужды, %

<0,2

0,03

0,4

<0,3

Удельные капитальные вложения, $/кВт

2,4...3,9

1,8...5,7

15...17

10...16

Технологии с эффективностью сероочистки 80 % и более основаны, как правило, на интенсив­ной промывке дымовых газов суспензиями или растворами в специальных абсорберах, установленных после эффективных золоуловителей. В настоящее время наибольшее распространение получила извест­няковая (известковая) технология, основанная на интенсивной промывке этих газов суспензией извест­няка или извести. Причиной такой популярности этой технологии является то, что она использует веще­ства, не загрязняющие окружающую среду, а отходом сероочистки является высококачественный двух-водный гипс, который также нейтрален. К настоящему времени технология отработана до такой совер­шенства степени, что избыток реагента по отношению к стехиометрическому соотношению не превыша­ет 2-3 %. Однако особенность этого технологического процесса состоит в том, что время выхода на эф­фективную сероочистку достигает 60...72 часов, из-за чего мокрая известняковая (известковая) сероочи­стка предназначена для энергетических объектов, работающих в базовом режиме нагрузок прт иалых изменениях мощности. Получаемый гипс может быть двухводным CaSO4.2H2O или безводным CaSO4 (ангидрит, который наиболее ценен при производстве строительных материалов). Этот гипс имеет зачас­тую более высокие потребительские свойства (практическое отсутствие инородных веществ, высокая белизна, хороший гранулометрический состав), чем природный материал, и его часто используют при производстве строительных материалов. Однако количество гипса, получаемого при сероочистке дымо­вых газов весьма велико, так что полное его использование проблематично.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

И Н Шмиголь - Сероочистка дымовых газов для тепловых электростанций россии