К числу факторов, интенсифицирующих процесс горения, относятся:
1) повышение концентрации реагирующего газа путем обогащения воздуха кислородом;
2) увеличение реакционной поверхности топлива (путем его измельчения или использования внутренней поверхности);
3) применение повышенного давления;
4) увеличение скорости потока реагирующего газа;
5) организация непрерывного процесса горения.

С увеличением концентрации кислорода в реагирующем газе уменьшается содержание азота, увеличивается температура и растет скорость реакции. Исходя из этого, необходимо подбирать сочетание вышеуказанных параметров для того, чтобы уменьшать концентрацию NOx в газе. Кроме того, в этом случае можно уменьшить степень подогрева воздуха, что также будет способствовать уменьшению содержания окислов азота в дымовых газах.
Увлажнение воздуха в слоевых процессах способствует более интенсивному горению, особенно углей с легкоплавкой золой. При «подпаривании» воздуха, обогащенного кислородом, колосники не заливаются шлаком, доступ кислорода не тормозится, чем и обеспечивается хорошая работа топки.

Большое влияние на характер протекания процесса горения оказывает размер и количество пылевидных частиц, их однородность в смеси. Количество и размер частиц определяют долю радиационной составляющей в общем тепловом потоке горючей смеси, а однородность частиц способствует увеличению скорости их выгорания в топочном объеме. От степени измельчения топлива зависит не только скорость его горения, но и газопроницаемость слоя. Уменьшение размеров кусков в слое топлива приводит к увеличению реакционной поверхности в единице объема, которая, как известно, находится в обратной зависимости от их размера. Уменьшение размера частиц пылевидного топлива сказывается непосредственно на уменьшении времени их сгорания. C другой стороны с увеличением содержания мелочи резко возрастает сопротивление движению газов, возникают застойные зоны горения, ухудшается скорость выгорания топлива. При использовании топлива, содержащего большое количество мелочи, резко возрастает унос, снижающий к.п.д. процесса.

Немаловажным средством для интенсификации топочных процессов служит повышение давления в реакционной зоне. Оно позволяет увеличить плотность реагирующего газа в единице объема (и количество топлива при сжигании), снизить скорость движения газового потока и тем самым увеличить время контакта между реагирующим топливом и воздухом. Кроме того, появляется возможность уменьшить подсосы воздуха в топочный объем, избежать неравномерности нагрева металла и охлаждения факела. Давление оказывает влияние на скорость протекания химических реакций, но регулировать эту величину следует в пределах, которые обеспечат оптимальное время пребывания газов в реакционной зоне, допустимо высокую температуру факела для получения высокого к.п.д. агрегата и минимальное образование окислов азота.

При температурах ниже 650С начинается переход окиси азота в двуокись. Согласно нормам ПДК, двуокись азота относится ко второй группе опасности. Поэтому искусственное понижение температуры дымовых газов в результате подсоса воздуха при отрицательном давлении в печи может создать благоприятные условия для образования двуокиси азота.

Скорость и направление движения газа и воздуха влияет на интенсивность процесса сгорания топлива в потоке. При увеличении скорости потока возрастает количество сжигаемого топлива в единице объема за счет интенсификации процессов массообмена, ликвидируются застойные зоны при слоевом горении топлива, увеличивается скорость отвода дымовых газов, интенсифицируются процессы горения. Возрастание скоростей дымовых газов благоприятно сказывается на теплообмене за счет увеличения конвективной составляющей теплового потока.

Компоновка горелок в топочном объеме определяет общий размер факела, зону горения и степень заполнения дымовыми газами топочного пространства. Встречное, или параллельное движение газов в зависимости от расположения горелок повышает или понижает среднюю температуру газов в факеле и создает определенные условия теплообмена в агрегате. Однако, следует учитывать, что увеличение скорости истечения воздушного потока из горелок интенсифицирует смешение топлива с воздухом, особенно на начальном участке факела, что способствует образованию окислов азота. Поэтому необходимо подбирать такие скорости, которые определяют температуру и длину факела, способствующие равномерному теплообмену и минимальному образованию окислов азота в тепловом агрегате.

Административные методы управления: возможности и ограничения использования

Административные методы управления: возможности и ограничения использования.

Проблему уменьшения поступления ЗВ в атмосферу из стационарных источников решают двумя основными способами: путем использования технологических методов снижения и установкой пылегазоочистного оборудования. Применение того или иного метода подавления зависит от вида ЗВ, выброс которого необходимо уменьшить, технологического процесса и технических характеристик ИЗА.

Методы снижения выбросов SО2:

Технологическими методами уменьшения выбросов SО2 являются переход на сырье и топливо с более низким содержанием серы и использование на предприятиях теплоэнергетики промышленного и бытового назначения котельного оборудования с кипящим слоем.

Из-за ухудшающейся в последнее время структуры потребления топлива и использования его высокосернистых видов основным методом подавления выбросов SO2 считают применение установок по десульфуризации отходящих газов.

Известны аммиачный, аммиачно-циклический доломитовый методы очистки и метод, основанный на окислении SО2 на ванадиевом катализаторе. За рубежом широко используют метод подавления SО2, при котором дымовые газы орошаются известковым молоком в скрубберах. Однако в СССР, кроме отдельных опытно-промышленных установок, серийного оборудования по очистке отходящих газов от SO2 не выпускают. В этих условиях наиболее реальна замена высокосернистого топлива на низкосернистое.

Снижение выбросов NОх:

Основнымистационарными источниками поступления NOх в атмосферу являются процессы сжигания органического топлива и производство HNO3.

В источниках, сжигающих органическое топливо, наиболее эффективны технологические методы уменьшения выбросов NOх. К ним относятся рециркуляция дымовых газов, применение специальных режимов горения и горелочных устройств и др. При правильной организации рециркуляции дымовых газов степень подавления NOх может достигать 30 - 40 %. Однако эффективность такого метода резко уменьшается с уменьшением номинальной мощности котельного оборудования.

К технологическим методам относятся стадийное или нестехиометрическое сжигание топлива. Данный метод наиболее предпочтителен для котлов малой и средней производительности пара до 200 т/ч, при работе котлоагрегата с минимально допустимыми избытками воздуха.

Эффективное подавление NOх наблюдается и при использовании специальных горелочных устройств с низким образованием NOх, таких, как низкотемпературные вихревые горелки и др.

При производстве НNО3 в химической промышленности NOх подавляют за счет улучшения конструкции и правильной эксплуатации технологического оборудования.

В настоящее время стали активно разрабатывать методы денитрификации дымовых газов.

В первую очередь к ним относится введение NН3 в дымовые газы, содержащие NO. Этот метод наиболее эффективен при температуре дымовых газов 970 ± 50 °С.

Недостатком данного метода является наличие в выбросах NН3. При использовании сернистых видов топлива газоходы могут забиваться бисульфатом аммония.

Другой метод очистки основан на селективном каталитическом восстановлении NO до N2 аммиаком в присутствии катализатора (обычно TiO2 или V2O5).

К перспективным методам очистки в настоящее время относят метод облучения аммиачно-газовой среды электронным пучком.

Снижение выбросов СО:

Наибольшее количество СО выбрасывается в атмосферу в литейном и химическом производстве, при производстве сажи и малеинового ангидрида. Основным методом подавления выбросов СО является организация его дожигания.

Снижение выбросов углеводородов:

Основными загрязнителями атмосферы углеводородами являются металлургическая, нефтехимическая и химическая промышленности.

Организованные источники выбросов углеводородов в основном оснащаются системами мокрой очистки в скрубберах или системах дожигания, неорганизованные - системами герметизации и другими технологическими методами уменьшения выбросов.

Основные «Парниковые газы» - газы, которые предположительно вызывают глобальный парниковый эффект

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются: водяной пар, углекислый газ, метан, озон, галоуглероды и оксид азота.

Основные парниковые газы:

Водяной пар - основной естественный парниковый газ, ответственный более, чем за 60 % эффекта. Прямое антропогенное воздействие на этот источник незначительно. В то же время, увеличение температуры Земли, вызванное другими факторами, увеличивает испарение и общую концентрацию водяного пара в атмосфере при практически постоянной относительной влажности, что, в свою очередь, повышает парниковый эффект. Таким образом, возникает некоторая положительная обратная связь. С другой стороны, облака в атмосфере отражают прямой солнечный свет, тем самым, увеличивая альбедо Земли, что несколько уменьшает эффект.

Углекислый газ: Источниками углекислого газа в атмосфере Земли являются вулканические выбросы, жизнедеятельность организмов, деятельность человека. Антропогенными источниками является сжигание ископаемого топлива, сжигание биомассы (в т. ч. сведение лесов), некоторые промышленные процессы (например, производство цемента). Основными потребителями углекислого газа являются растения. В норме биоценоз поглощает приблизительно столько же углекислого газа, сколько и производит (в т. ч. за счет гниения биомассы).

Метан: Основными антропогенными источниками метана являются пищеварительная ферментация у скота, рисоводство, горение биомассы (в т. ч. сведение лесов). Как показали недавние исследования, быстрый рост концентрации метана в атмосфере происходил в первом тысячелетии нашей эры (предположительно в результате расширения сельхозпроизводства и скотоводства и выжигания лесов). В период с 1000 по 1700 годы концентрация метана упала на 40 %, но снова стала расти в последние столетия (предположительно в результате увеличения пахотных земель и пастбищ и выжигания лесов, использования древесины для отопления, увеличения поголовья домашнего скота, количества нечистот, выращивания риса). Некоторый вклад в поступление метана дают утечки при разработке месторождений каменного угля и природного газа, а также эмиссия метана в составе биогаза, образующегося на полигонах захоронения отходов.

Озон : в земной атмосфере озон распределяется неравномерно. Большая часть озона естественного происхождения находится в нижних слоях стратосферы, где происходит множество фотохимических реакций с участием ультрафиолетового излучения. Однако, не это является главной причиной сравнительно высоких концентраций озона в этой области, так как энергии ультрафиолетового излучения в нижних слоях стратосферы не достаточно для образования больших количеств этого вещества. На концентрации озона большое влияние оказывают такие факторы, как разогрев и охлаждение (расширение и сжатие) и ветры, которые переносят озон из одного места в другое.

Некоторые количества озона попадают в нижние слои атмосферы - тропосферу. Кроме того, озон попадает в тропосферу и в результате человеческой деятельности. Когда в атмосферу попадает угарный газ (СО), метан и другие углеводороды, вместе с выхлопами автомобилей и из других источников искусственного происхождения, то, вступая в реакцию с оксидами азота, под влиянием солнечного света, они образуют озоновый смог (фотохимический смог) тропосферы. Озоновый смог является причиной возникновения проблем со здоровьем у населения в наших городах, переполненных транспортом.

Озон в верхней тропосфере и в нижней стратосфере является парниковым газом.

Галоуглероды: Представляют собой класс химических соединений как антропогенного, так и природного происхождения. Они содержат углерод и один или более атомов, относящихся к галогенам (группа химических элементов) - фтору и хлору2. С точки зрения глобального потепления наибольшее значение имеют хлорофторуглероды (CFC, также известные под своей торговой маркой, фреоны), в особенности, CFC-11 и CFC-12. Несмотря на то, что они присутствуют в атмосфере в крайне незначительных количествах, эти химические соединения, помимо своего воздействия на истощение озонового слоя, являются сильными поглотителями тепла. На галоуглероды приходится около 10 процентов глобального потепления, но концентрация этих соединений в атмосфере начала сокращаться в результате международного запрета на их производство и потребление. Измерения концентрации сходных соединений, используемых в качестве замены фреонам, - гидрохлорофторуглеродов (HCFC) и гидрофторуглеродов (HFC) - показывают ее рост. Если их концентрация будет продолжать увеличиваться, эти альтернативные вещества могут оказать значительное влияние на глобальное потепление в будущем.

Оксид азота (N2O): Как и СО2, оксид азота является естественным компонентом атмосферы. Однако интенсивное использование искусственных азотных удобрений и сжигание ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания составляет большую часть антропогенных выбросов N2O. На него приходится около 6 процентов глобального потепления.

Принципиально существует несколько разных подходов к решению за­дачи уменьшения выбросов вредных веществ с дымовыми газами в атмо­сферу. Их можно разделить на следующие три группы:

Удаление вредных компонентов из топлива путем комплексной его пе­реработки перед сжиганием в котле;

Непосредственное воздействие на механизм образования вредных ве­ществ в процессе сжигания исходного натурального топлива в топоч­ной камере;

Очистка продуктов сгорания топлива (уходящих дымовых газов) от при­сутствующих в них вредных соединений.

Наибольший эффект, конечно, может дать комплексное применение разных методов, но при этом надо учитывать, что все они требуют значи­тельных дополнительных затрат и тем больших, чем глубже очистка с при­менением сочетания разных методов.

К числу вредных выбросов электростанций, которые возможно умень­шить правильной организацией режима сжигания топлива, относятся глав­ным образом оксиды азота, полициклические углеводороды (в том числе бензапирены) и триоксид серы SO3.

Наибольшую зону загрязнения воздушного бассейна от выбросов ТЭС составляют оксиды азота, которые по характеру образования разделяются на топливные, быстрые и термические (рис. 7.26).

Образование топливных NOTJI и быстрых NO5 оксидов азота проис­ходит на начальной стадии горения. Топливные NOTJI образуются за счет азота топлива, NP, в результате его преобразования при нагреве в активные Радикалы NH3, HCN в процессе выхода летучих веществ в области темпе­ратур 600-1 120°С и при локальных избытках воздуха алок > 1 происходят Реакции:

NH3 + 02 -> NO + Н20 HCN + 02 ОН + СО + N0.

Быстрые NO6 образуются за счет разложения углеводородных соединений топлива, в результате чего в корневой части факела накапливаются ради­калы CN, HCN и при наличии некоторого количества кислорода также происходит образование N0. Максимальное значение N0 имеет место при алок = 0,7-0,8 и в области температур 930-1 250°С.

Наиболее массовый выход NOx имеет место в области ядра факела при температурах Тф > 1800°К 1 530°С) за счет прямого окисления азота воздуха атомарным кислородом:

N2 + О" N0 - 316,9 кДж/моль. (7.30)

Этот путь образования NOx называют термическим.

Основными способами подавления образования оксидов азота в топках котлов являются следующие:

1. Уменьшение избытка воздуха в зоне горения до минимального по условиям полного сгорания топлива.

2. Применение ступенчатого сжигания топлива, при котором в одну группу горелок (в нижний ярус или в горелки одной стены топки) подается основная масса топлива при избытке воздуха меньше единицы, а в дру­гую группу (верхний ярус горелок или противоположную группу горелок) поступает остаток топлива и воздуха со значением а > 1.

3.4 Рециркуляция дымовых газов с температурой 350-400°С в топку, что обеспечивает снижение температурного уровня в зоне горения и кон­центрации горючих веществ и окислителя за счет разведения горючей смеси инертными газами.

4. Ввод в зоны активного образования оксидов азота струи пара или воды для локального снижения уровня температуры и создания химических реакций, препятствующих образованию вредных соединений.

5. Создание горелок двухступенчатого сжигания с созданием времен­ного недостатка воздуха в зоне образования быстрых и топливных оксидов азота.

Характерная зависимость образования оксидов азота от избытка возду­ха в зоне горения при сжигании природного газа показана на рис. 7.27. При­ближение избытка воздуха к единице и менее обеспечивает низкий уровень выхода NOx, но при этом в разных зонах топки возникает недожог топлива и, что особенно опасно, резко растет концентрация бенз(а)пирена. Переход на значительный избыток воздуха также ведет к снижению выхода NOx за счет снижения температурного уровня реакций, но эксплуатация котлов с такими высокими избытками воздуха не экономична.

Более эффективным способом снижения выхода NOx является ступен­чатое сжигание. На рис. 7.28 показан пример снижения выхода NOx при сжигании природного газа и переходе с одноступенчатого на двухступен­чатое сжигание, используя двухъярусное расположение горелок. В первой

Рис. 7.27. Зависимость образования оксидов азота от избытка воздуха в зоне горения ври сжигании природного газа.

Ступени сжигания обеспечивают избыток воздуха а = 0, 75-0,85, при этом не происходит полного сгорания топлива. Кроме снижения уровня темпера­туры в зоне горения, здесь создаются условия для восстановления оксидов азота при их контакте с раскаленным углеродом или промежуточными про­дуктами при нехватке кислорода:

2NO + С 2СО + N2, 2NO + 2СО -> 2С02 + N2, (7.31)

2NO + СН2 СО + Н20 + N2.

В результате выход NOx в первой зоне резко сокращается. Во второй зоне при избытке воздуха больше единицы температура газов уже не достигает Уровня активного образования термических оксидов.

Организация рециркуляции газов в топку показана на рис. 7.29. Вли­яние рециркуляции наиболее значительно при вводе продуктов сгорания в воздуховоды перед горелками, когда они в смеси с горячим воздухом поступают в топку (рис. 7.29,5).

Надо отметить, что наибольший эффект снижения концентрации NOx в продуктах сгорания достигается при доле рециркуляции грц - 0, 2-0, 3 (^0-30%). Дальнейшее увеличение грц при сжигании газа и мазута ведет

К затягиванию горения и появлению недожога топлива. К тому же мак­симальное подавление образования NOx требуется при номинальной или близкой к ней нагрузке, когда ввод заметного количества газов рециркуля­ции сильно увеличивает скорость газов и аэродинамическое сопротивление газового тракта.

Частичный эффект снижения образования NOx создают горелки двухступенчатого сжигания (ГДС). Принцип их работы основан на том (рис. 7.30), что вторичный поток воздуха участвует в дожигании топлива на более поздней стадии. Таким образом, прогрев топлива, выход летучих и разложение сложных углеводородных соединений топлива происходит в зоне с а < 1. Это обеспечивает снижение образования топливных и бы­стрых NOx в начальной части факела и понижение максимальной темпера­туры горения.

Наиболее глубокое подавление образования оксидов азота возможно при сочетании разных способов. Так, например, организация ступенчатого

Рис. 7.29. Влияние степени рециркуляции газов на выход оксидов азота а - общая схема рециркуляции газов: б - относительное изменение концентрации NOx от доли рециркуляции газов; 1 - без рециркуляции; 2 - ввод рециркуляции через сопла боковых стен; 3 - то же под работающие горелки; 4 - то же непосредственно в горелки (внутренний канал для газов рециркуляции).

Сжигания в топке может сопровождаться частичной рециркуляцией газов. При сжигании газа и мазута удачным является сочетание впрыска воды с рециркуляцией газов, причем при высокой нагрузке целесообразно использование впрыска воды в зону горения (0,5-0,6% от расхода перегре­того пара), а при более низкой нагрузке - усиление рециркуляции газов. Конструктивно обеспечение впрыска воды значительно дешевле, чем ре - Циркуляция газов, но при этом способе ниже КПД котла за счет увеличения потерь с уходящими газами (рост объема водяных паров в газах).

Негативное влияние вредных компонентов на здоровье населения, флору и фауну, объекты и сооружения не ограничивается территорией, прилегающей к источникам выбросов, а распространяется на сотни и тысячи километров. Поэтому в настоящее время загрязнение окружающей среды приобретает глобальный характер, а расходы на ее охрану стали соизмеримы с величиной экологического ущерба.

Проблема обеспечения энергетической эффективности и экологической безопасности энергетических объектов является многоцелевой (проектирование, эксплуатация, экспертиза, аудит, прогнозирование, мониторинг и др.) и многозначной. Это связано с необходимостью определения уровня использования топливно-энергетических ресурсов, технического состояния оборудования энергообъектов, с применением природоохранных мероприятий и т.п. Сложность решения данной проблемы обусловлена широким спектром определяющих параметров, факторов и показателей экологической опасности.

Уже на уровне выбора показателей экологической безопасности существуют некоторые противоречия. Так, использование показателей валовых выбросов вредных веществ M i (т/г или г/с) необходимо на региональном и особенно глобальном уровнях анализа экобезопасности. Однако данный критерий непригоден при сравнении локальных источников выбросов различной мощности.

Применение удельного показателя в виде отношения M i к выбрасываемому объему дымовых газов V 1 (С i = M i / V 1 – концентрация конкретной примеси в дымовых газах) требуется при оценке предельно допустимых выбросов и концентраций, построении карты загрязнения экологическими выбросами населенной местности и определении зон экологической опасности (риска) согласно установленным санитарно-гигиеническим нормам предельно допустимых концентраций (ПДК) опасных выбросов. Однако этот показатель непригоден при оценке других типов выбросов (например тепловых) и не может быть объектом анализа при сравнении источников экологической опасности различной мощности.

Критерий экологической безопасности в виде отношения M i к количеству подведенной теплоты Q 1 или расхода топлива вообще может дать парадоксальный вывод об экологических преимуществах объекта с более низкой энергетической эффективностью преобразования (использования) энергии топлива.

Наиболее универсальным показателем экобезопасности представляется критерий, который определяется как отношение произведенной энергии Е к валовому выбросу вредного вещества M i в виде g i = Е / M i (кВт·ч/ч).

Можно показать, что

(2.1) где К – коэффициент, учитывающий в общем случае влияние топливного, технологических

и эксплуатационных факторов; ηуст – к.п.д. энергетической установки; ηt – термический к.п.д. цикла; – произведение к.п.д. всех элементов и трактов энергетической установки (для ПТУ – котел, пароперегреватель, турбина, насос, паропроводы, электрогенератор и др.), учитывающее степень необратимости рабочих процессов.

При использовании критерия g i можно выделить следующие факторы влияния, обеспечивающих экологическую безопасность конкретного объекта: термодинамический, топливный, технологический и эксплуатационный (табл.2.5).

Таблица 2.5 Факторы влияния и параметры экологической опасности ТЭС

	Параметры экологической опасности
	Тепловое загрязнение					Твердые выбросы
Термодинамический
Топливный
Технологические Сжигание Очистка и переработка топлива Очистка дымовых газов
Эксплуатационные
Группа параметров

Технологическая группа факторов в свою очередь подразделяется на три подгруппы, влияющие через изменение технологии сжигания топлива, использование технологии очистки и переработки топлива или приемов очистки дымовых газов. Каждый из определенных факторов имеет свои особенности с точки зрения условий обеспечения экологической безопасности.

Термодинамический фактор – наиболее универсальный. Он влияет на все параметры и показатели экологической опасности и является самоокупаемым, так как затраты на его реализацию компенсируются экономией топлива при неизменном уровне производимой тепловой и электрической энергии.

Топливный фактор также характеризуется высокой универсальностью (слабое влияние лишь на тепловые выбросы) и при определенных условиях оказывает значительное влияние на ряд экологических показателей. Возможности его использования зависят от наличия соответствующих природных топливно-энергетических ресурсов, экономической и политической ситуации, сложившейся в данном регионе.

Оба указанных фактора характеризуются реверсивностью влияния, то есть могут улучшать или ухудшать экологическую ситуацию. Реверсивность характерна и для других воздействий.

Технологические факторы являются менее универсальным и по сравнению с двумя предыдущими и в зависимости от особенностей использования могут быть малозатратными (при совершенствовании технологии сжигания топлива) или высокозатратными (при использовании технологических приемов переработки топлива или очистки дымовых газов).

В свою очередь в зависимости от комбинации результативных приемов влияния на параметры загрязнения окружающей среды параметры экологической опасности можно условно разделить на семь характерных групп, исходя из полноты реализации определяющих факторов (см. табл. 2.5).

Пылеулавливание на ТЭС. К наиболее крупным источникам выбросов в атмосферу твердых частиц относятся электростанции, промышленные и отопительные котельные, работающие на угле. Твердые частицы, выбрасываемые топками котельных, представляют собой смесь сажи (несгоревшие частички угля или других видов топлива; их размеры около 1 мм, они очень легки, но могут соединяться между собой в крупные конгломераты, видимые невооруженным глазом), дыма (аэродисперсные системы, состоящие из частичек размером от 0,1 до 10 мкм; плотность дымов очень низка, а составляющие их частицы почти всегда окислены) и пыли (состоит из частиц угля, золы или породы). Термином пыль обычно принято обозначать все три вышеперечисленных вида твердых частиц.

Чем меньше размеры частиц, тем медленнее они оседают в атмосфере. В спокойном воздухе частицы с размерами 100, 10 и 0,5 мкм оседают со скоростями 10, 0,3 и 0,0007 см в секунду соответственно.

Таблица 2.6 Эффективность очистки газообразных выбросов от взвешенных частиц

Устройство	Размер частиц, мкм	Эффективность очистки,
Осадительная камера
Мультициклон
Тканевый фильтр
Скруббер

Природа углей и невозможность абсолютно полного их сжигания определяют неизбежность этих выбросов и необходимость использования специальной аппаратуры для улавливания твердых частиц. Пылеуловители являются обязательными элементами в технологии получения энергии из угля. Вес обеспыливающих агрегатов для крупных теплоэлектростанций может достигать полутора тысяч тонн и более.

Устройства для улавливания пыли разделяются на механические, в которых частицы отделяются посредством сил тяжести, инерции или центробежной силы; мокрые, или гидравлические, в которых частицы в газообразной среде улавливаются жидкостью; фильтры с пористым фильтрующим слоем; электрофильтры, в которых частицы осаждаются за счет ионизации.

Средняя эксплуатационная эффективность различных пылеочистных устройств с учетом размеров частиц приведена в табл. 2.6.

В промышленности наиболее распространенными аппаратами с использованием центробежной силы являются циклоны (рис. 2.6).

Основным недостатком циклонов является их значительный износ вследствие абразивного действия удара частиц пыли о стенки и их скольжения по ним. Износ циклона особенно велик при улавливании частиц размером более 5–10 мкм. Для предохранения от износа применяется покрытие из синтетических материалов и высокопрочных сплавов, которые хорошо сопротивляются истирающему действию пыли.

Удельный расход энергии на обеспыливание колеблется от 0,11 до 0,25 кВт·ч на 1000 м 3 обрабатываемого газа в зависимости от конструкции и эффективности пылеуловителя.

В обеспыливающих устройствах мокрого типа запыленный газовый поток соприкасается с жидкостью, а именно с орошаемыми ею поверхностями. В качестве смачивающей жидкости используют чистую воду или воду со смачивающими добавками. При этом пылевая частица захватывается поверхностью стекающего потока и удаляется в виде шлама. Разбрызгивание жидкости и электростатическое притяжение повышают качество обеспыливания. Простой и эффективной конструкцией мокрого пылеуловителя является скруббер, в котором запыленный поток проходит через ряд сечений, снабженных оросительной системой. В этих сечениях можно разместить различные насадки с распыливающими соплами и тогда к пылеулавливающему действию смоченной поверхности добавляется действие водяной завесы. Примером такого устройства является широко известная промывная башня (рис. 2.7), заполненная кольцами Рашига (кольцевые цилиндры с диаметром, равным высоте), стекловолокном и другими материалами.

На электростанциях Украины наиболее широко используются мокрые золоуловители (в котлах ТЭЦ и энергоблоках мощностью 100, 150 и 200 МВт) и электрофильтры (в энергоблоках мощностью 300 МВт).

На рис. 2.8 показана схема золоуловителя с коагулятором в форме трубы Вентури. В движущийся поток газов перед трубой Вентури вводится через разбрызгивающий насадок вода. Труба Вентури состоит из конфузора, в котором пылегазовый поток разгоняется до скорости 50–70 м/с, горловины, где капли дробятся при взаимодействии с быстро движущимся потоком, и диффузора, в котором частицы золы сталкиваются с каплями воды и скорость пылегазового потока снижается. Далее поток тангенциально вводится в скруббер, стенки которого орошаются водой, и коагулированные частицы эффективно удаляются в золовой бункер.

Электрофильтры – устройства, в которых очистка газов от взвешенных в них твердых или жидких частиц происходит под действием электрических сил. Для этого частицам сообщается электрический заряд в поле коронного разряда. Коронный разряд – одна из форм самостоятельного электрического разряда, возникающая в сильно неоднородных электрических полях. Проявляется он в виде свечения ионизированного газа в приэлектродной области. В поле коронного разряда молекулы воздуха ионизируются и при движении отдают свои заряды пылинкам, которые под действием электрического поля движутся к электродам и, оседая на них, теряют свой заряд. Далее с помощью ударного механизма встряхиваются электроды и частички, отделившиеся от них под действием силы тяжести, попадают в бункер.

В зависимости от направления газового потока в активной зоне аппарата электрофильтры подразделяются на горизонтальные и вертикальные, а по конструкции осадительных электродов – на пластинчатые и трубчатые. В пластинчатых электрофильтрах осадительные электроды выполняются в виде параллельных поверхностей, набираемых из пластин определенного сечения, а в трубчатых электрофильтрах осадительные электроды выполнены в виде труб круглого, овального или шестигранного сечения.

Электрофильтры различной производительности отличаются друг от друга высотой электродов, активной длиной электрических полей по ходу газа, площадью активного сечения, площадью осаждения и активной длиной коронирующих элементов в аппаратах.

На рис. 2.9 представлена схема электрофильтров типа ЭГЗ, которые установлены на ряде крупных ТЭЦ, цементных заводах и других предприятиях.

Коронирующие электроды здесь выполнены из ленточно-игольчатых элементов с шагом между иглами 40 мм. Встряхивание коронирующих электродов осуществляется в двух уровнях ударом молотка через промежуточный шток по наковальням каждого электрода. Каждое поле секционировано на два полуполя, что позволяет применить для каждого из них отдельные агрегаты питания.

Гидравлическое сопротивление электрофильтров незначительно и составляет максимум 15–40 мм вод. ст. Потребляемая ими энергия слагается из энергии, необходимой для преодоления гидравлического сопротивления электрофильтра, и энергии, потребляемой генератором тока высокого напряжения. Ее средний удельный расход изменяется от 0,12 до 0,20 кВт·ч на 1000 м 3 очищаемого газа.

Электрофильтры, применяемые в Украине, России и других странах СНГ, выпускаются двух типов: УГЗ с высотой электрода 7,5 м и активной длиной каждого поля 2,5 м и УГЗ с высотой электрода 12,2 м и длиной поля 4 м. Полей в каждом электрофильтре может быть 3 и 4.

Методы снижения содержания оксидов азота и очистки дымовых газов от них при сжигании топлива в котлах. Пагубность воздействия оксидов азота на окружающую среду и в конечном счете на человека, велика. Длительное воздействие даже сравнительно небольших концентраций NO x в воздухе увеличивает количество острых и хронических респираторных заболеваний, а также негативно действует на растительный и животный мир. Поэтому снижение их содержания в газовых выбросах топливоиспользующих агрегатов – одна их важных забот технологов. Если раньше речь шла о концентрациях NО х в выбросах продуктов сгорания в сотни миллиграмм на кубический метр, то сегодня экологическая безопасность диктует необходимость снижения содержания этих загрязнителей до десятков и даже единиц миллиграммов на кубический метр.

При горении топлива или взрыве реакция окисления атмосферного азота свободным кислородом формально описывается уравнением
N 2 + O 2 ↔ 2NO – 180 кДж/моль. Фактически же образование NО происходит в результате ряда цепных реакций.

Наибольшее влияние на образование оксида азота оказывает температура. С ее ростом от 1500 до 2200 К выход оксида азота увеличивается примерно в 10 раз, в то время как пятикратное увеличение концентрации кислорода повышает выход NO лишь в 2 раза.

Скорость и механизм образования и разложения оксида азота впервые были исследованы Я.Б. Зельдовичем на примере горения светильного газа. По мнению Я.Б. Зельдовича горение происходит столь быстро, что окисление азота начинается только после его окончания – в уже образовавшихся продуктах сгорания. Исследования, проведенные С. Фенимором (США), И. Сигалом (СССР) и др., показали, что, кроме температуры и времени реакции, на образование «термических» NO решающее влияние имеют содержание радикалов и реакции в начальной зоне горения.

«быстрого» – за счет активации молекулярного азота по реакциям с углеводородными радикалами, присутствующими в зоне реакции; «топливного» – за счет окисления присутствующих в топливе азотсодержащих соединений; четвёртый механизм (образование через N 2 O) имеет существенное значение при больших избытках воздуха (газовые турбины и т.п.).

Методы снижения образования оксидов азота направлены на подавление «термических», а при необходимости также и «топливных» NO х .

Снижение образования «термических» NO x достигается путем воздействия главным образом на максимальную температуру горения, что обеспечивается вводом газов рециркуляции, воды и пара в зону горения или в дутьевой воздух, а также двухи трехступенчатым сжиганием топлива, снижающим максимальную температуру и содержание кислорода в зоне максимальных температур. Выход «топливных» NO х в меньшей мере зависит от максимальной температуры, но сильно зависит от избытка воздуха, поэтому здесь более эффективным является ступенчатое горение.

При сжигании газа часто удается существенно уменьшить выход «термических» NО х , приблизив их концентрации к уровню «быстрых» или к 100–120 мг/м 3 при холодном дутьевом воздухе и к 150–200 мг/м 3 при горячем воздухе.

Метод рециркуляции дымовых газов. Этот метод получил распространение в конце 70-х годов ХХ ст. и с тех пор широко применяется в котельной технике. Обычно дымовые газы с температурой 300–400°С отбираются перед воздухоподогревателем и специальным рециркуляционным дымососом подаются в топочную камеру. В результате максимальная температура в топке снижается на 120–130°С и, кроме того, падает концентрация кислорода в зоне горения, что также уменьшает образование топливных NO x. При этом к.п.д. котла снижается сравнительно мало (0,01–0,03% на 1% рециркулирующих газов).

Таблица 2.7 Влияние способа ввода газов рециркуляции в топку на снижение образования NO х при сжигании природного газа

Способ подачи газов рециркуляции в топку	Интенсивность снижения образования NOх в % на 1% газов рециркуляции
В топливо
В первичный воздух
В общий канал дутьевого воздуха
По кольцевому каналу вокруг горелки
Через шлицы напротив нижнего яруса горелок
Через шлицы под горелками
Через шлицы в поду топки

Наибольшее распространение получил ввод дымовых газов рециркуляции в смеси с дутьевым воздухом. Подача рециркуляционных газов с топливом более эффективно снижает выход оксидов азота, чем подмешивание их в дутьевой воздух. При одинаковой степени рециркуляции, например при сжигании газа, в первом случае выход NO x снижается на 45,4%, а во втором – на 22,7%. Это

имеет существенное значение, так как применение рециркуляции приводит к снижению к.п.д. котлов пропорционально количеству подаваемых газов рециркуляции. Так, при увеличении степени рециркуляции с 20 до 30% к.п.д. котла снижается соответственно на 0,5 и 0,75%.

Применение рециркуляции связано с определенными трудностями, к которым относится необходимость в специальном рециркуляционном вентиляторе и в газоходах. Кроме того, повышается сопротивление воздушного тракта, возможны нарушения стабилизации пламени или появление сажи при чрезмерной степени рециркуляции. В настоящее время рециркуляция газов применяется в мощных котлах энергоблоков, работающих на угольной пыли, мазуте и природном газе. Очень широко используется рециркуляция газов и в зарубежных котлах. По результатам исследований влияния подачи газов рециркуляции в дутьевой воздух на выход NO х , проведенных Институтом газа НАНУ, подача газов рециркуляции в количестве 20% от объёма воздуха, необходимого для горения, позволяет в 2 раза снизить выход оксидов азота, но при этом к.п.д. котла снижается на 0,64%.

Кроме того, из-за перегрузки тягодутьевых устройств на максимальной нагрузке котла, где выход оксидов азота наибольший, рециркуляция часто не используется или используется недостаточно.

В связи с этим в Институте газа НАНУ разработан метод и созданы опытно-промышленные газогорелочные устройства с подачей газов рецируляции не в дутьевой воздух, а в топливо (природный газ). При этом интенсивность воздействия 1 м 3 газов рециркуляции (в %) на выход NO х возрастает в 2 раза и более, что позволяет использовать рециркуляцию дымовых газов при полной нагрузке котла (табл. 2.7).

Технически возможно обеспечить рециркуляцию и без специального рециркуляционного дымососа. Для этого в дымоходе котла вблизи дымососа устанавливается специальный языковый шибер, позволяющий регулируемо отбирать около 20% дымовых газов и направлять их на вход дутьевого вентилятора. По такой схеме Институтом газа НАНУ и другими организациями оборудован ряд котлов производительностью 10–220 т/ч пара в Украине и России. Аналогичные схемы применяются и в ряде других стран.

Ступенчатое сжигание топлива. Сущность этого метода подавления образования оксидов азота заключается в том, что в первичную зону горения подается воздуха меньше, чем необходимо теоретически (α = 0,70–0,95), остальное количество воздуха, требуемое для полного сжигания топлива, подается далее на одном или нескольких уровнях по длине факела, в результате чего снижаются максимальная температура в зоне горения, содержание кислорода в ядре факела, уменьшается скорости реакции образования оксида азота, увеличиваются длина и светимость факела.

Важнейшей особенностью ступенчатого сжигания является наличие восстановительной зоны, где из-за недостатка воздуха появляются продукты неполного сгорания СО и Н 2 , а оксид азота не образуется. Этот основополагающий принцип – формирование в факеле восстановительной зоны – в настоящее время широко применяется также при разработке малотоксичных горелок.

При ступенчатом сжигании концентрация NО в восстановительной зоне снижается, а при трехступенчатом сжигании оксид азота, поступивший из окислительной зоны, даже восстанавливается до молекулярного азота.

Конструктивно стадийное горение применяют в котельных агрегатах с многоярусным расположением горелок, что позволяет регулировать соотношение топливо–воздух по длине факела. Горелочные устройства нижнего яруса работают с недостатком воздуха, остальной воздух подается через фурмы воздушного дутья или горелочные устройства верхнего ряда, куда топлива подается мало или оно совсем не подается.

Следующим эффективным методом является ввод небольших количеств воды или пара в зону горения. Ввод воды или пара в количестве более 5–6% массы подаваемого в горелки воздуха может оказать отрицательное влияние на полноту сгорания и снизить к.п.д. на 4–5% из-за существенного снижения температуры.

Наряду с этим следует отметить сравнительную простоту реализации данного метода, более глубокое дожигание в факеле оксида углерода и бензпирена, а также возможность использования при сжигании твердых топлив.

Горелочные устройства с пониженным выходом оксидов азота. В горелках энергетических котлов обычно только часть воздуха смешивается с топливом до поступления в топочную камеру, поэтому скорость процесса горения на разных этапах развития факела может определяться или кинетикой процесса, или скоростью диффузии кислорода. В связи с этим проблема создания малотоксичных горелок – это в первую очередь проблема образования топливовоздушной смеси. В Украине в 1978–1985 гг. в Институте газа НАНУ под руководством И.Я.Сигала были разработаны газомазутные горелки двухстадийного горения ГДС-50 и ГДС-100 соответственно для водогрейных котлов ПТВМ-50 и ПТВМ-100. В горелках дутьевой воздух разделяется на первичный (α 1 = 0,80) и вторичный (α 2 = 0,20–0,25), подаваемый по центральной трубе (рис. 2.11) прямым незакрученным потоком в зону горения за плоскостью максимальных температур.

Такие горелки эксплуатируются более чем на 100 мощных водогрейных котлах производительностью 58 и 116 МВт в Киеве, Львове, Москве, Казани, Вильнюсе, Риге и других городах. Они позволили уменьшить выброс оксидов азота на 30–50% без снижения к.п.д. котлов.

Схема пылеугольной горелки, разработанная при использовании концепции двухстадийного сжигания, показана на рис 2.12.

Топливовоздушная смесь и внутренний вторичный воздух образуют восстановительную зону. Эти потоки организованы таким образом, что перед горелкой формируется зона с сильной внутренней рециркуляцией, обеспечивающая быстрый нагрев угольных частиц и выделение летучих веществ, Использование таких горелок позволяет снизить эмиссию NО практически в 1,5–2 раза. Уже в 1986 г. в ФРГ эксплуатировались около 400 таких горелок. Ими были оснащены котлы общей мощностью 19000 МВт, включая блоки 550 МВт.

Большой объем работ по разработке горелочных устройств и процессов ступенчатого горения выполнен в Институте газа НАНУ под руководством И.Я. Сигала, во Всероссийском теплотехническом институте (Москва) под руководством Ю.П. Енякина, В.А. Котлера, В.И. Бабия и в Московском энергетическом институте под руководством П.В. Рослякова.

Процессы химического восстановления оксидов азота. Оксид азота способен восстанавливаться до N 2 или N 2 О метаном, водородом, оксидом углерода и аммиаком. Из этих восстановителей только аммиак способен реагировать с диоксидом азота в присутствии кислорода, всегда содержащегося в выбросах топливосжигающих устройств. Остальные восстановители в первую очередь реагируют с кислородом, поэтому их использование в ряде случаев неэффективно. В окислительной среде оксиды азота могут восстанавливаться аммиаком, что приводит к его дополнительному расходованию. Конструктивно аммиачно-каталитическая очистка (СКВ-процесс) осуществляется следующим образом. В поток дымовых газов, обычно между экономайзером и воздухоподогревателем котла, вводится коллектор – перфорированная труба, через отверстия которой выходит аммиак. На расстоянии 0,5–1,5 м от нее расположена кассета с катализатором (V 2 O 5 или другие). При этом одна из главных проблем – снижение сопротивления катализатора.

В США, ФРГ и особенно в Японии с конца 1970-х годов аммиачно-каталитический метод весьма широко применяется для очистки от NO х дымовых газов котлов энергоблоков и ряда городских ТЭЦ. Степень восстановления аммиаком обычно составляет 70–95%. При очистке с продуктами сгорания выбрасывается избыточный аммиак, что несколько повышает токсичность продуктов сгорания и является недостатком метода. Сопротивление слоя катализатора обычно невысокое и составляет 245–392 Па. Применяются различные катализаторы в виде пластин, таблеток и сот. Пониженная степень восстановления, которая иногда наблюдается, объясняется тем, что наряду с азотом (наиболее вероятная реакция) в заметных количествах образуется N 2 О.

Вторым направлением в очистке дымовых газов от оксидов азота является прямое вдувание аммиака в топочную камеру, дающее наибольший эффект в области температур 950–1000°С. Этот процесс, разработка которого впервые начата фирмой «ЭССО», позволяет избавиться от катализатора. Исследования, проведенные при непосредственном вводе аммиака в топочную камеру в области температур 850–1200°С, показали, что степень восстановления NO зависит от ряда факторов, основные из которых: а) температура, б) соотношение NH 3 /NO; в) концентрация NO; время реакции. Этот процесс был открыт Р. Лайоном в 1978 г. и называется селективным неката7 литическим процессом восстановления (СНКВ) . С точки зрения химического механизма в процессе СНКВ может быть использован как аммиак, так и аммиачная вода, поскольку в реакционной зоне в обоих случаях присутствует газообразный аммиак. Процесс СНКВ имеет следующие особенности:

• эффективность очистки с ростом температуры проходит через максимум в районе 900°С;
• расход аммиака на нейтрализацию 1 моля оксидов азота во всех случаях превышает 1 моль и возрастает с ростом температуры;
• проскок аммиака непрерывно падает с ростом температуры.

Таким образом, эффективная очистка может быть реализована только в определенном температурном диапазоне (температурное окно) процесса. Так как проскок аммиака ограничен принятыми нормами, то и эффективность очистки оказывается ограниченной. Основным достоинством этой технологии являются низкие капитальные вложения и металлоемкость.

В установках СНКВ аммиак из хранилища подают в испаритель в виде трубы Вентури, в которой происходит испарение аммиака (или аммиачной воды) паром.

Температура восстановления оксидов азота аммиаком может быть существенно понижена – до уровня 120–500°С – за счет применения катализаторов. Такая технология называется селективным каталитиче7 ским восстановлением (СКВ) . Эффективность СКВ-процесса составляет 80–90%.

Применение катализатора позволяет также уменьшить расход аммиака до одной молекулы NH 3 на одну нейтрализованную молекулу NO x .

В случае применения в качестве реагентов аммиачной воды или мочевины перед подачей в каталитический реактор они должны быть конвертированы до аммиака.

Впервые СКВ-процесс был реализован в Японии в конце 70-х годов прошлого века и в настоящее время широко используется, причем исследования этого процесса продолжаются и направлены в основном на увеличение ресурса традиционных катализаторов и разработку принципиально новых каталитических систем.

Общее число СКВ-установок в мире только на ТЭС в настоящее время превышает 400. СКВ-метод очистки от оксидов азота широко применяется как для котлов, так и для газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания, мусоросжигательных установок.

Процессы очистки дымовых газов от оксидов азота также получают широкое применение. При совмещении различных технологических процессов очистки в одном цикле можно добиться существенного снижения выбросов NO x .

В заключение следует подчеркнуть, что затраты на очистку газов от оксидов азота, включая каталитические методы, как минимум, на 1–2 порядка превышают стоимость методов снижения их образования. Поэтому очистку следует применять после использования имеющихся методов подавления, если требуется более существенное снижение концентрации NO x .

Сероочистка на ТЭС. Большая часть серы выбрасывается в воздух в форме диоксида серы, образующегося при сжигании ископаемого топлива. В угле, добываемом в Украине, содержание серы очень высоко – от 1,7 до 3,6%. На долю электростанций приходится не менее 50% диоксида серы. Примерно 25% переносится в Украину из других стран через западную границу. Существует ряд технологий обессеривания топлива и улавливания серы из продуктов сжигания. К сожалению, сероочистка дымовых газов в Украине почти не используется, что объясняется высокими затратами и работой значительной части котлов энергоблоков в течение ряда лет в летний период на природном газе. Однако в связи с увеличением доли угля на ТЭС оснащение системами сероочистки хотя бы котлов энергоблоков 300 МВт уже в ближайшие годы является необходимым.

Улавливание сернистых соединений в выбросах ТЭС и различных производств является одним из наиболее сложных и трудоемких процессов по следующим причинам: количество выбрасываемых газов очень велико; поглощение сернистых соединений сопровождается отложением солей кальция и магния на стенках труб, т.е. забиванием аппаратуры; санитарные нормы на содержание сернистых соединений в атмосфере достаточно низки и составляют: 0,5 мг/м 3 – максимально-разовое и 0,05 мг/м 3 – среднесуточное в воздухе населенных мест.

Использование углей и мазута с высоким содержанием серы вызывает загрязнение воздушного бассейна, а также приводит к повреждениям и остановкам котлов вследствие коррозии топочных экранов и хвостовых поверхностей нагрева. В ряде стран применяется десульфурирование угля путем дробления и промывки водой и щелочными растворами или путем удаления колчедана из угля магнитными сепараторами. Такими способами в принципе можно уменьшить общее содержание серы в топливе на 30–75%. Для Украины, где во многих энергоблоках мощностью 200 и 300 МВт используются низкосортные газовые угли с содержанием серы 3–3,5% и более половины из них состоят из ферромагнитных соединений, серу можно извлекать с помощью магнитной сепарации.

Сероочистка угля и мазута разработана недостаточно и применяется в ограниченном объёме. Поэтому в мировой практике, как правило, очищают от серы дымовые газы, для чего применяют различные процессы. Их можно разделить на три главные группы: процессы с применением жидких поглотителей – абсорбционные (мокрые) и процессы, основанные на взаимодействии газа с твердым веществом – адсорбционные и каталитические (сухие). Преимущественно в этих процессах поглотителем служат известняк (СаСО 3) или известь (СаО).

Чаще для очистки дымовых газов от серы применяют известняковый метод очистки, при котором газы орошают циркулирующей пульпой известняка (СаСО 3 ). При этом протекают реакции:

СаСО 3 + SO 2 → CaSO 3 + СО 2 .

Сульфит кальция выпадает в осадок, а получаемую суспензию переводят в сульфатную форму окислением воздухом в нижней части абсорбционной башни.

К недостаткам применения известняка относят сравнительно низкую степень использования кальция – 60–70%. Поэтому его часто заменяют оксидом кальция – известью:

СаО + SO 2 → CaSO 3 ,

что позволяет также увеличить эффективность очистки. Но 85% всех работающих установок в мире используют именно мокрый известняковый метод. Существенной проблемой мокрого метода является кристаллизация гипса: соединения железа, алюминия и хлора, попадая в раствор, препятствуют росту кристаллов, что приводит к образованию мелкокристаллического осадка гипса, который плохо фильтруется и быстро схватывается.

Вместо известняка и извести применяют также водную суспензию MgO (магнезитовый метод) или сульфит-гидросульфит аммония – (NH 4 ) 2 SO 3 ·NH 4 HSO 3 (аммиачный метод).

Сущность магнезитового способа заключается в связывании диоксида серы суспензией магния при 45–65°С. Получающийся при этом сульфат магния выпадает в виде крупных кристаллов MgSO 3 ·6H 2 O и небольшого количества MgSO 4 . Кристаллы отделяют от раствора, сушат и направляют в печь обжига, где при 900–1000°С происходит термическая диссоциация сульфита магния с образованием MgO и газов, содержащих 10–12% SO 2, которые используют для получения серной кислоты. Степень очистки составляет 90–92%. Хотя этот метод прост, он осложняется наличием многочисленных операций с твердыми веществами, а значит, пылеобразованием, абразивным износом аппаратуры и коммуникаций. Для сушки кристаллов и удаления из них гидратной воды требуется значительное количество тепла.

Впервые в мировой практике скруббер для улавливания SO 2 с помощью суспензии MgO был применен на территории бывшего СССР еще в 1937 году на Каширской электростанции; в послевоенные годы установка известковой очистки была построена на Киевской ТЭЦ-4.

Сульфит-бисульфитные методы очистки позволяют очищать дымовые газы с любым содержанием SO 2. В качестве абсорбента используют сульфит натрия (процесс Wellman–Lord) или аммония (процесс Walter), которые при поглощении SO 2 образуют бисульфиты.

К нетрадиционным мокрым методам относятся озонная и электронно-лучевая технологии. В первом методе SO 2 и NO х окисляются озоном до SО 3 и NO 2 , которые затем вступают в реакцию с впрыскиваемым аммиаком.

При электронно-лучевой технологии дымовые газы облучаются мощными электронными пучками. При этом образуются атомы и радикалы, также обеспечивающие эффективное окисление SO 2 и NO, которые связываются аммиаком и улавливаются в виде сульфата и нитрата аммония. Метод имеет те же недостатки, что и озонный и аммиачные методы и, кроме того, требует применения высоковольтной аппаратуры и радиационной защиты.

«Сухие» методы очистки основаны на подаче химических реагентов в топку или газовый тракт котла. В настоящее время в ряде случаев при разработке систем очистки для их удешевления стремятся совмещать снижение выброса SO 2 с подавлением образования оксидов азота (NО х ). Известно, что образование NO подавляется при ступенчатом сжигании топлива, когда в факеле образуется восстановительная зона. Технологически этот процесс, как и сухая очистка от SO 2 , осуществляется в верхней части топочной камеры. Это позволило создать технологическую схему, объединяющую оба процесса. Этот метод получил название GR-SI и был внедрен на электростанциях в США, где сжигается высокосернистый битуминозный уголь с содержанием серы до 2,9%. Сорбент распыливали воздухом в верхнюю часть топки при соотношении Ca/S = l,75. Метод позволил уменьшить одновременно выбросы сернистого ангидрида на 50–60% и оксидов азота на 60–70%. При этом надежность и экономичность котлов не снизились.

К сухим методам очистки относится также каталитическое окисление сернистого ангидрида в серный с использованием ванадиевого катализатора (рис. 2.13). Он заключается в окислении диоксида серы до SО3 на катализаторе с дальнейшим поглощением его водой.

Подлежащие очистке дымовые газы отводят из парового котла при температуре 300°С (предельная температура эксплуатации электрофильтров). Газы подвергаются грубой очистке в инерционном аппарате и тонкой – в электрофильтре. Затем очищенные от пыли газы при той же температуре направляются в рекуператор, встроенный в паровой котел, где они подогреваются до 450°С и поступают в контактный аппарат с катализатором, где SO 2 окисляется в SО 3 .

Для улавливания SО 3 и использования тепла дымовых газов их пропускают через отдельный воздухоподогреватель, где влажные дымовые газы охлаждаются ниже точки росы для H 2 SO 4 . Образующийся туман серной кислоты улавливается в электрофильтре. Очищенные газы выбрасываются через дымовую трубу, серная кислота поступает в специальную тару и отправляется на склад. Аппаратурное оформление сухой каталитической очистки чрезвычайно громоздко, требует значительных капитальных затрат на ремонт, обслуживание и размещение. Повышение к.п.д. процесса улавливания серы до 90% и снижение эксплуатационных затрат может быть достигнуто при сжигании топлива в кипящем (псевдоожиженном) слое. В этом случае может быть обеспечено связывание сернистого ангидрида собственной щелочью топлива. Некоторые виды топлива (эстонские сланцы, березовские и ирша-бородинские угли) содержат достаточно большое количество СаО для связывания оксида серы. В таких случаях, т.е. когда отношение CaO/SO 2 >l, процесс в кипящем слое выгоден в первую очередь. Кроме того, сжигание угля в кипящем слое протекает при более низких температурах (до 900–950°С), в связи с чем образуются сравнительно малые количества оксидов азота. При сжигании в кипящем слое донецких углей, имеющих высокое серосодержание, необходимо дополнительное количество СаО добавлять в топливо или вводить в топку котла.

В то же время применение котлов с кипящим слоем при улавливании 80–90% сернистого ангидрида и снижении выхода оксидов азота позволило бы обеспечить эксплуатацию котлов устаревших конструкций производительностью 100–230 т/ч пара, а также части энергоблоков на донецких углях без существенного загрязнения окружающего воздуха.

Западными зарубежными фирмами введены в эксплуатацию или переоборудованы несколько десятков котлов электростанций, в которых уголь сжигается в кипящем слое или циркулирующем кипящем слое с добавкой в топку оксида кальция.

Удельные затраты на сооружение современных систем сероочистки, являющихся технологически сложными и капиталоемкими сооружениями, колеблются от 50 до 250 дол. США на 1 кВт электрической мощности котла (или от 15 до 65 млн. дол. США на энергоблок 300 МВт).

Последние 30 лет практически все работающие на угле котлы электростанций Германии, а также значительное количество их в США и других развитых странах оборудованы системами сероочистки дымовых газов.

Наиболее капиталоемкими являются природоохранные мероприятия. Капиталовложения в них составляют 2% внутреннего продукта в США и Японии, 1,2–1,8% – в странах Западной Европы. Эти средства используют на сооружение и эксплуатацию очистных сооружений. Их объем может составлять 30% стоимости основных промышленно-производственных фондов и более. При этом природоохранные мероприятия не дают 100%-ного эффекта очистки вредных выбросов. Улавливание выбросов не решает проблему отходов и лишь переводит их в более безопасную для окружающей среды форму. Поэтому в последнее время во всем мире преимущественное развитие получила стратегия использования отходов производства, ресурсои энергосбережения. В соответствии с этой стратегией создаются условия комплексного использования сырья (топливно-энергетических ресурсов) и энергии в цикле сырьевые ресурсы – производство – использование – вторичные ресурсы таким способом, чтобы исключить какое-либо влияние, способствующее нарушению равновесного состояния функционирования окружающей среды.

К основным направлениям безотходных технологий относятся комплексное использование сырья; создание замкнутых газои водооборотных систем; разработка принципиально новых и совершенствование действующих процессов производства; переработка и использование энергетических отходов (теплота, зола, шлак, продукты очистки дымовых газов и т.п.).

Сегодня во многих странах отходы тепловых электростанций служат сырьем для изготовления строительных материалов – бетонных блоков, панелей, дорожного покрытия, силикатного кирпича. В США с этой целью они используются на 20%, в Великобритании – на 60%, во Франции – на 72% и в Финляндии – на 84%.

Одним из направлений повышения эффективности в энергетике является энергосбережение, осуществляемое, например, путем уменьшения энергоемкости единицы продукции за счет модернизации производственных процессов.

Во многих странах используют различные меры для экономии энергии на производстве и в быту. К ним относятся внедрение норм и ограничений потребления энергии и топлива с соответствующими системами штрафов за перерасход; введение летнего времени; улучшение теплоизоляции жилых зданий и производственных помещений и т.д.

В некоторых штатах США существует система льготных кредитов для энергогенерирующих компаний при реализации мероприятий по снижению токсичности дымовых газов энергоустановок.

Важным направлением повышения экологической безопасности энергетических объектов является внедрение экологического мониторинга и развитие систем экологической информации. Экологический мониторинг осуществляется на четырех уровнях:

• локальном – на территории отдельных объектов, городов, на участках ландшафтов, на промышленных объектах и прилегающих к ним территориях;
• региональном – в границах административно-территориальных единиц, на территории экологических и природных регионов;
• национальном – на территории страны, в том числе с использованием космических средств наблюдения;
• глобальном, который осуществляется на основе международных соглашений.

Значительным направлением повышения энергетической эффективности и экологической безопасности объектов теплоэнергетики являются стимулирование развития и практического использования новейших научных достижений и научно-технических разработок в области технологии переработки и сжигания топлива, совершенствование и разработка новых технологий преобразования химической энергии топлива в другие виды энергии, совершенствование рабочего процесса с целью снижения уровня необратимых потерь в отдельных элементах и фрагментах энергетических установок, снижения потерь тепловой и электрической энергии при передаче ее потребителю, улучшения условий эксплуатации и повышения надежности работы энергетических установок. Особая роль при этом отводится профессиональной подготовке обслуживающего персонала и совершенствованию систем автоматизации и управления энергоустановок.

Кроме того, немаловажным фактором в повышении уровня энергетической эффективности и экологической безопасности процессов энергопроизводства и энергопотребления являются непрерывный процесс научных исследований и внедрения разработок, развитие отечественных научных школ. Например, в НТУУ «Киевский политехнический институт» уже много десятилетий плодотворно развивается научная школа, связанная с повышением уровня энергоэффективности и экологической безопасности газосжигания. В последнее время учеными этой школы разработана и успешно внедряется современная уникальная трубчатая технология сжигания газообразного топлива, использование которой позволяет получить комплексный позитивный эффект для установок: повышение к.п.д., снижение удельных вредных выбросов газообразных продуктов, улучшение технологических характеристик эксплуатации, которые позитивно влияют на продление ресурса установки. Трубчатая технология газосжигания основана на использовании эффектов насадки Борда, широко опубликована в специальных изданиях, защищена патентами Украины и Российской Федерации и имеет широкий спектр применения в котлах, теплогенераторах и камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ). В качестве примера на рисунке 2.14 приведено изображение нового типа горелочного устройства трубчатого типа для камеры сгорания ГТУ в составе газоперекачивающего агрегати типа ГТ-750-6.

После проведенной модернизации фронтового устройства камеры сгорания к.п.д. установки повысился на 4,35%, экономия технологического (топливного) газа составила 15%, выбросы оксида углерода снижены более чем в 3 раза, равномерность температурного поля в зоне горения увеличилась на 45%.

Данная отечественная трубчатая технология газосжигания не имеет аналогов в мире и позволяет успешно сжигать любое газообразное топливо с очень высокими показателями энергетической эффективности и экологической безопасности.

а

б

Рис. 2.15. Горелка с термохимической подготовкой угля: а – схема процесса термохимической подготовки: 1 – канал подачи на ТХП; 2 – улитка первичной аэросмеси; 3 – коллектор подсветочного газа; 4 – улитка вторичного воздуха; 5 – трубки подачи газа; 6 – аксиальные регистры; 7 – канал первичной аэросмеси; 8 – канал вторичного воздуха; 9 – муфель; б – общий вид горелки с ТХП для котла ТПП 210А Трипольской ТЭС

Украинскими учеными разрабатываются также малотоксичные горелки для пылеугольных котлоагрегатов. Так, в Институте угольных энерготехнологий НАНУ создана и отработана технология термохимической подготовки угля. Термохимическая подготовка – это процесс высокоскоростного нагрева угольной пыли высокотемпературным газообразным теплоносителем (продукты сгорания любого топлива, плазма), в результате которого угольная пыль нагревается, изменяется ее дисперсный состав и пористая структура из-за термического растрескивания и разработки пор, происходит пиролиз и частичная газификация. Процесс сжигания такой угольной пыли сопровождается уменьшением выхода оксидов азота, поскольку ее нагрев происходит в среде продуктов сгорания, т.е. при недостатке кислорода. При этом соединения азота разлагаются с образованием не оксидов, а молекулярного азота (рис. 2.15, а ). Такая термообработка сокращает время задержки воспламенения угольных частиц, повышает полноту их выгорания, что особенно актуально для антрацита повышенной зольности, который периодически сжигается на ТЭС Украины.

На основе этой технологии Харьковским центральным конструкторским бюро «Энергопрогресс» разработаны рабочие проекты горелок котлоагрегатов ТПП 210А Трипольской ТЭС (рис. 2.15, б ) и котла ТП 170 Дарницкой ТЭЦ. ВАТ «Центрэнерго» изготовлена горелка тепловой мощностью 70МВт с термохимической подготовкой антрацита. Эта горелка обеспечит сокращение в 3–5 раз использование природного газа на подсветку и снижение выбросов оксидов азота до 40%. На технологию сжигания и конструкцию горелки получены патенты Украины. В настоящее время горелка успешно проходит промышленные испытания на Трипольской ТЭС.

Таким образом, для снижения выбросов токсических веществ в атмосферу и повышения энерго-экологической эффективности теплоэнергетики реализуются несколько направлений, среди которых можно выделить выполнение природоохранных мероприятий; использование мероприятий по энергосбережению; внедрение экологического мониторинга; стимулирование развития научных исследований и практического применения новейших научных достижений и научно-технических разработок.

В рамках соглашений о взаимодействии, подписанных министерством с предприятиями Калужской области проводятся мероприятия-мониторинг по контролю за предельно допустимыми выбросами. Например, Агрегатный завод вложит миллион рублей в дальнейшее развитие проекта «Завод-парк». В рамках данного проекта планируется высадить несколько сот деревьев и кустарников, организовать аллеи и пешеходные дорожки, выделить зоны для отдыха и занятий спортом. В свою очередь, Чугунолитейное предприятие уже инвестировало в модернизацию вытяжной вентиляции 1450 тыс. рублей

Одной из главных задач в Курской области стало снижение выбросов вредных загрязняющих веществ в атмосферу. Для этого проведена работа по замене автобусов с дизельным двигателем на автобусы, работающие на газомоторном топливе. Внедрено односторонне движение, а также строительство транспортных узлов и развязок, в результате которых за последние 3 года уменьшен объем выбросов от передвижных источников на 11 тыс. тонн.

Управлением экологии Липецкой области была введена акция «День отказа от использования личного автотранспорта», которая проводится в середине последнего месяца каждого квартала. Хочется отметить, что данное мероприятие не только формирует экологическую культуру населения, но и помогает повысить чистоту атмосферного воздуха в области.

Москва также уделяет большое внимание вопросам загрязнения воздуха, так, например, с января 2016 года введены требования по качеству моторного топлива на уровне Евро-5. А уже с 1 января 2017 года стали действовать ограничения для грузовых автомобилей и автобусов по экологическим классам при въезде в пределы МКАД и на МКАД. Данные экологического мониторинга в городе показывают, что, несмотря на рост количества зарегистрированных в городе автомобилей, в результате перечисленных мер удалось не только сдерживать рост загрязнений атмосферного воздуха, но и снижать по ряду показателей. Также в Москве на всех объектах первой категории по негативному воздействию на окружающую среду созданы и функционируют автоматизированные системы локального экологического мониторинга промышленных выбросов — это ТЭЦ, мусоросжигательные заводы, нефтеперерабатывающий завод, котельные. Системы начали создаваться на московских предприятиях с 2007 года, в настоящее время Системы функционируют на 55 объектах.

В Тамбовской области была проведена операция «Чистый воздух», которая направлена на профилактику фактов превышения предельно допустимой концентрации вредных выбросов в атмосферу от передвижных источников. Особое внимание при проведении данного мероприятия уделялось пассажирскому автомобильному транспорту. Поэтому экологами с помощью измерителей содержания загрязняющих веществ в выхлопных газах ООО «Контольавтоцентр» было проверено 8 автобусов, в 4 случаях были выявлены нарушения природоохранного законодательства. Владельцам автобусов, находящихся в технически неудовлетворительном состоянии, пришлось не только выплатить штраф, но и принять меры к ремонту транспорта.

СЗФО: Улучшение атмосферы

По данным Калининградского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в Калининграде за 2016 год наблюдается тенденция по улучшению качества атмосферного воздуха и снижению вредных веществ в атмосфере (по диоксиду азота и взвешенным веществам). Впервые за много лет степень загрязненности атмосферного воздуха в городе Калининграде характеризовалась как низкая. В центральной части Калининграда на базе программно-аппаратных средств АПК «Безопасный город» запущена рабочая версия системы, которая осуществляет мониторинг выбросов парниковых газов. Система помогает оценивать экологический эффект от принимаемых мер транспортной политики города.

Продолжается газификация населенных пунктов региона, переводятся на газ угольные котельные. Всего с 2016 по 2020 годы на газ планируется перевести 86 котельных, в 2017 году — 35 котельных. Это мероприятие позволит сократить вредные выбросы в атмосферу более чем на 3 тысячи тонн.

В июле 2017 года по решению суда была приостановлена деятельность производства по плавке металлов ООО «Браво БВР», несколько лет отравлявшего воздух в поселке Прибрежном. Рассмотрение вопроса о приостановке деятельности завода, расположенного в нескольких десятках метров от жилых домов и социальных объектов, было инициировано губернатором Калининградской области Антоном Алихановым на основании многочисленных жалоб местных жителей. По его поручению региональное Минприроды во взаимодействии с Калининградской межрайонной природоохранной прокуратурой усилили работу по привлечению к ответственности промышленных предприятий, загрязняющих атмосферный воздух в Прибрежном.

Наблюдения за состоянием атмосферного воздуха ведутся Псковским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды — филиалом федерального государственного бюджетного учреждения «Северо-Западное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» на двух стационарных постах в городе Пскове и в городе Великие Луки.

Уровень загрязнения атмосферного воздуха в целом по городу Пскову невысокий, в городе Великие Луки степень загрязнения атмосферы оценивается как низкая.

В настоящее время Государственным комитетом Псковской области по делам строительства и жилищно-коммунального хозяйства ведется разработка региональной программы по обращению с отходами. В указанную региональную программу планируются включить следующие мероприятия: строительство, реконструкция объектов размещения отходов; строительство объектов по переработке и утилизации отходов; ликвидация несанкционированных свалок.

ЮФО: Электричество вместо бензина

В настоящее время в целях улучшения качества атмосферного воздуха на территории муниципальных образований Краснодарского края реализуются мероприятия, направленные на использование электрического транспорта (трамвай, троллейбус), перевод автомобилей на сжиженный газ и реализация мер по повышению привлекательности для населения общественного пассажирского транспорта, обеспечение его приоритетного движения. Например, ООО «Электо» планирует создание сети быстрых электрозарядных станций, такси на электромобилях, а также сервиса аренды электромобилей (каршеринг).

Также в целях снижения вредных выбросов в атмосферный воздух в 2017 году на ООО «ЕвроХим-Белореченские Минудобрения» (город Белореченск) проведена реконструкция склада апатитового концентрата. Модернизирована система газоочистки электросталеплавильного цеха для ООО «Абинский ЭлектроМеталлургический завод».

СКФО: Передвижные посты наблюдения

На территории Чеченской Республики в настоящее время не высокий уровень загрязнения атмосферы, в связи с отсутствием крупных промышленных источников загрязнения. Вместе с тем, в соответствии с Государственной программой «Охрана окружающей среды и развитие лесного хозяйства Чеченской Республики» планируется внедрение программных продуктов и организация системы передвижных постов наблюдения по системному учету выбросов в атмосферный воздух за счет средств республиканского бюджета в размере три миллиона рублей.

ПФО: Солнечная энергия

В Оренбургской области реализуются мероприятия, направленные на развитие альтернативной энергетики: строительство солнечных электростанций, суммарная мощность которых на территории области должна достигнуть 100 МВт, а также установка ветроэнергетических и биогазовых установок. Немаловажными в этом направлении являются мероприятия по переводу городского общественного автомобильного транспорта и коммунальной техники на использование газомоторного топлива, газификации населенных пунктов, что позволяет значительно сокращать выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух.

Также на территории области проводятся мероприятия по снижению вредных выбросов в атмосферу. Например, были построены установки по утилизации и сжигании попутного нефтяного газа (ПНГ) (ООО «Бугурусланнефть», ПАО «Оренбургнефть»). ООО «ММСК» произвели техническое перевооружение цеха серной кислоты.

В республике Марий Эл промышленными предприятиями с целью снижения объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух осуществляется перевод оборудования от использования традиционных видов топлива на газообразное топливо, приобретение газоочистных сооружений, а также реконструкция сооружений газоочистки. Так, на ОАО «Марийский целлюлозно-бумажный комбинат» для очистки поступающих в атмосферный воздух выбросов осуществляется установка газоочистных сооружений; в границах промышленной площадки предприятия будут посажены более 1000 саженцев сосны.

УФО: Защита от пыли

В Курганской области ведётся запланированная установка (ремонт) пылегазоочистительных установок на ОАО «НПО «Курганприбор», ЗАО «Катайский насосный завод», ООО «Зауральский кузнечно-литейный завод», АО «Кургандормаш». Также, Планируется перевод четырех котельных с твердого топлива на природный газ в Шатровском районе.

В Ханты-Мансийском автономном округе — Югре благодаря реализации нефтяными компаниями долгосрочных программ по утилизации попутного нефтяного газа (строительство газопроводов, компрессорных станций) наблюдается снижение объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух на 1 млн. тонн.

Необходимо отметить, что большинство крупных нефтяных компаний не только достигли требований национального стандарта Российской Федерации по 95-процентному уровню утилизации, но и превысили его. Это связано с развитием «малой» энергетики, представленной газотурбинными и газопоршневыми электростанциями, которые обеспечивают электроэнергией и теплом предприятия нефтегазового комплекса.

СФО: Централизованное теплоснабжение

На территории Забайкальского края проведена реконструкция существующих золоуловителей на котлах Читинской ТЭЦ-1, что помогло снизить годовой выброс твердых веществ в атмосферный воздух на 146 тонн золы в год и на 16 тонн сажи.

Также были закрыты две котельные в городе, находящиеся в муниципальном управлении. Суммарный экологический эффект от закрытия котельных и переключения на централизованное теплоснабжение, выраженный в годовом снижении вредных выбросов, поступающих в атмосферу Читы, составит 67 тонн в год для двух объектов.

ДФО: Газ как топливо

На территории Сахалина реализуется программа «Развитие промышленности в Сахалинской области на период до 2020 года». Ее основной цель — создание газозаправочной инфраструктуры и переоборудование автотранспорта и сельскохозяйственной техники, использующих природный газ в качестве моторного топлива.