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 подходов к решению проблемы ограничения вредных выбросов в атмосферу с дымовыми газами ТЭС:
Рассеивание вредных выбросов с помощью высотных дымовых труб на большой площади;
Непосредственное воздействие на механизм образований вредных примесей при горении топлив;
Очистка продуктов сгорания топлив от вредных примесей;
Удаление вредных компонентов из топлива до его сжигания. Специалисты в области теплоэнергетики должны уметь правильно выбирать оборудование и оптимальные режимы эксплуатации котлов, обеспечивающие снижение до минимума вредных выбросов в окружающую среду, в зависимости от вида сжигаемого топлива, рельефа местности и других факторов.
1.1. Высотные дымовые трубы
Хотя тепловые электростанции являются одним из наиболее крупных источников вредных выбросов в атмосферу, их участие в формировании общего фона загазованности в приземном слое воздуха отнюдь не находится в прямой зависимости от массы этих выбросов. Связано это с тем, что в отличие от других источников вредных выбросов (автотранспорта, промышленных предприятий) на ТЭС дымовые газы рассеиваются в атмосфере на высоте несколько сотен метров, благодаря чему достигают поверхности земли, разбавленные воздухом в сотни и тысячи раз. Основной задачей рассевания вредных веществ в атмосфере являются снижение их концентраций до такого уровня, когда они становятся безопасными для живой природы. Для этого на ТЭС используются дымовые трубы, высота которых (по мере укрупнения электростанций и ухудшения качества топлив) постоянно увеличивалась. В настоящее время используются трубы высотой 180, 250, 320 – 360 и 420 м.
Современные высотные дымовые трубы выполняются в виде монолитных железобетонных стволов, выдерживающих высокие ветровые и весовые нагрузки. С целью предохранения железобетона от воздействия сернистых соединений, влаги и повышенной температуры дымовых газов в трубах выполняется защитная внутренняя оболочка из кислотоупорного кирпича. Высотные дымовые трубы являются дорогостоящим элементом ТЭС.
Концентрация токсичных веществ при увеличении высоты дымовых труб значительно падает в непосредственной близости от электростанции, с увеличением же расстояния относительное снижение концентрации уменьшатся. Для упрощенного определения распределения концентраций вредных примесей на уровне земли при их рассеивании с помощью дымовых труб используется следующая формула :
где М – количество выбросов; и – скорость ветра; Н – эффективная высота трубы; k – коэффициент турбулентной диффузии; х – расстояние от трубы. Наибольшая величина приземной концентрации токсичных веществ С м устанавливается на расстоянии
(1.2)
и составляет
(1.3)
Однако в реальных условиях задача расчета концентрации токсичных примесей существенно осложняется в связи с необходимостью учитывать реальные гидрометеоусловия, неоднородность турбулентной структуры атмосферы, разность температур выбрасываемых газов и окружающего воздуха, условия выходя газов из устья трубы и их оседания на поверхности земли.
Высота дымовых труб ТЭС должна рассчитываться с учетом рассеяния токсичных примесей до норм ПДК. В табл.1.1 приведены расчетные значения максимальной концентрации NО Х в приземном слое вблизи газомазутных ТЭС мощностью 3600 и 4800 МВт с дымовыми трубами 250 и 320 м при различных скоростях ветра. Данные расчета показывают, что даже для трубы высотой 320 м в штиль содержание NO Х в приземном слое может превышать ПДК. Еще большее превышение ПДК будет наблюдаться при содержании в уходящих газах ТЭС, кроме NO Х, других вредных веществ, обладающих эффектом суммации.
Таблица 1.1
Расчетные концентрации NO X в приземном слое.
|
Высота труб, м |
Скорость ветра, м/с |
Концентрация NO X , мг/м 3 |
|
Поэтому высотные дымовые трубы не следует противопоставлять другим способам защиты окружающей среды. Пока будут существовать вредные выбросы (как следствие несовершенной технологии сжигания топлива), дымовые газы необходимо выбрасывать в верхние слои атмосферы, где их вредные компоненты будут обезвреживаться в ходе процессов естественного самоочищения воздушного океана. Высоту дымовых труб ТЭС следует выбирать после того, как использованы все возможности, связанные с уменьшением количества вредных выбросов ТЭС в атмосферу. Для этого существует специальная методика, учитывающая суммарное воздействие вредных веществ фоновую загазованность атмосферы городов и т.д. . С учетом этих факторов определяется предельная мощность тепловой электростанции по условиям защиты биосферы от воздействия вредных газообразных выбросов.
Может быть использовано при сжигании угля, нефти и других видов топлива. Готовят топливную дисперсную систему, состоящую из топлива, жидких и твердых присадок путем диспергирования и перемешивания компонентов, подают приготовленную систему в камеру сгорания, причем приготовление топливной дисперсной системы проводят в две стадии, сначала готовят суспензию твердой присадки в жидкой присадке или в топливе, а затем в суспензию присадок или в суспензию топлива и присадки вводят оставшиеся компоненты топливной дисперсной системы, диспергируют, диаметр частиц суспензии не превышает 25 мкм, а диаметр частиц твердой присадки в суспензии не превышает 20 мкм. Позволяет повысить эффективность использования присадок.
Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к сжиганию угля, нефти, и других видов топлива в топках котлов ТЭС, в отопительных котельных и т.д. Известны способы сжигания топлив, предусматривающие снижение загрязнения отходящих газов на выходе из установки сжигания путем обработки отходящих газов химическими и физико-химическими методами, которые требуют больших капитальных затрат на сооружение очистных установок и расходов на их эксплуатацию . Известны способы снижения концентрации вредных веществ при сжигании топлива непосредственно в камере сгорания путем использования дополнительных веществ, добавляемых к топливам или в топки . В способе для удаления окислов серы и азота из дымовых газов, получаемых при сжигании угля, нефти и других видов топлива, в топочные газы вдувают тонко измельченные частицы оксида магния в избыточном количестве по отношению к количеству, необходимому для полного связывания вредных веществ, в присутствии воды. Известный способ уменьшения выбросов вредных веществ при сжигании основан на впрыскивании присадки в виде водной суспензии непосредственно в камеру сгорания. Эти способы позволяют снизить концентрацию окислов азота и серы в отходящих дымовых газах в 2-2,5 раза. Однако в этих способах присадки вносят непосредственно в камеру сгорания, при этом присадки распределяются в камере относительно топлива и окислителя неравномерно, т.е. относительные концентрации воды и присадки к концентрации топлива и окислителя неоднородны и зависят от координаты пространства в камере сгорания. Поэтому подавление образования вредных компонентов отходящих газов и их поглощение происходят неэффективно. Известны способы снижения выбросов вредных веществ, предусматривающие предварительную обработку топлива и всех добавляемых компонентов перед подачей в камеру сгорания . В этих способах достигается равномерное распределение в пространстве топки всех компонентов и более полное связывание, подавление и удаление вредных выбросов, содержащихся в дымовых газах, являющихся продуктом горения. Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ повышения эффективности сжигания топлива с уменьшенным образованием оксидов азота и серы в отходящих газах путем подготовки топливной дисперсной системы, состоящей из топлива, присадок в виде поглотителя серы и ингибитора и подачи подготовленной топливной дисперсной системы в камеру сгорания . В известном способе также достигается однородность распределения компонентов топлива в камере сгорания, однако в известном способе не предусмотрены условия, обеспечивающие однородность компонентов в топливной дисперсной системе при ее приготовлении, что снижает эффективность использования добавляемых к топливу веществ. Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в более полном связывании вредных веществ, образующихся в процессе сжигания топлива. Указанная задача решается за счет приготовления топливной дисперсной системы с улучшенным распределением в ней присадок, что приводит к более эффективному использованию последних. Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе снижения выбросов вредных веществ в установках сжигания топлива, включающем приготовление топливной дисперсной системы, состоящей из топлива, жидких и твердых присадок путем диспергирования и перемешивания компонентов и подачу приготовленной топливной дисперсной системы в камеру сгорания, приготовление топливной дисперсной системы проводят в две стадии, сначала приготавливают суспензию твердой присадки в жидкой присадке или в топливе, а затем в суспензию присадок или в суспензию топлива и присадки вводят оставшиеся компоненты топливной дисперсной системы и диспергируют, при этом диаметр частиц суспензии присадок в топливе не превышает 25 мкм, а диаметр частиц твердой присадки в суспензии не превышает 20 мкм. Получают сложную топливную дисперсную систему, которая состоит из топлива, внутри которого равномерно распределены капли суспензии твердой присадки в жидкой присадке или капли суспензии топлива с твердой присадкой, в которой равномерно распределены капли жидкой присадки. Топливная дисперсная система в виде капель, включающих капли суспензии, попадая в зону высоких температур камеры сгорания, взрывообразно распадается на еще меньшие капли под действием давления паров жидкой присадки (вскипающей воды) с суспензией, которые находятся в капле топливной дисперсной системы, полученной при ее распылении в камере сгорания топлива. При приготовлении суспензии топлива и твердой присадки и последующего диспергирования с жидкой присадкой (водой) получают топливную дисперсную систему, в которой капли жидкой присадки (воды) находятся в суспензии или смеси присадки и топлива. Распыление капель топливной дисперсной системы в камере сгорания и затем дополнительное распыление при взрывообразном вскипании воды приводит к эффективному взаимодействию с образующимися вредными веществами и уменьшению выбросов в отходящие газы вредных продуктов неполного сгорания, окислов азота и серы. В качестве твердых присадок можно использовать CaCO 2 , MgO, Ca(OH) 2 и др. В качестве жидкой присадки можно использовать воду. Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно заявленное изобретение является новым. Анализ известных из уровня техники решений в отношении отличительных признаков заявленного изобретения показал, что заявленное решение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, т.е. соответствует требованию изобретательского уровня. Обеспечиваемый изобретением технический результат по сравнению с прототипом заключается в следующем. Уменьшаются коэффициенты механического и химического недожога, и увеличивается степень сгорания топлива, за счет тонкого распыления предварительно подготовленного топлива в окислителе в топочном пространстве устройства сгорания топлива. Увеличивается поверхность контакта топлива с окислителем, а это приводит к тому, что продукты неполного сгорания топлива, которые являются вредными и содержатся в отходящих газах, образуются в уменьшенном количестве. Понижается максимальная (пиковая) температура в устройствах сжигания топлива, уменьшается градиент температуры, температурное поле становится более однородным, что приводит к уменьшению образования вредных соединений - окислов азота и продуктов неполного сгорания топлива. Увеличивается интенсивность горения мелких капель топливной дисперсной системы, дополнительно распыленной парами воды, что, кроме уменьшения коэффициентов механического и химического недожога, то есть уменьшения расхода топлива и выброса сажи, вызывает уменьшение длины факела горения, стабилизацию горения факела, что приводит к возможности уменьшения длины и объема установки сжигания топлива и капитальных затрат. При сжигании используют топливную дисперсную систему со следующими компонентами: топливо - жидкий серусодержащий нефтепродукт типа мазута, жидкая присадка - ингибитор реакции образования окислов азота - вода, серусвязующая твердая присадка - измельченный оксид магния. Кроме того, в камеру сжигания подают окислитель - кислород воздуха. На первой стадии измельченный оксид магния до размеров частиц не более 20 мкм, взятый в избыточном количестве по отношению к стехиометрическому в 1,5-1,8 раза, которого достаточно для связывания содержащейся в топливе серы, смешивают с водой, взятой в количестве 30%. Полученную суспензию твердой присадки в воде и мазут в диспергатор. В случае использования суспензии топлива и присадки на первой стадии измельченный оксид магния с размером частиц не более 20 мкм, взятый в количестве в соответствии с вышеуказанным, смешивают с топливом, затем полученную суспензию и воду подают в диспергатор. В диспергаторе непрерывного действия, при необходимости с линией рециркуляции, получают топливную дисперсную систему, в которой дисперсная фаза - суспензия присадки в воде - равномерно распределена в виде мелких частиц размером до 25 мкм в топливе. При сжигании топлива происходит относительное однородное распределение всех подаваемых компонентов системы. Капли топлива с каплями суспензии присадки в воде взрывообразно разбиваются на еще более мелкие капли топлива, сгорающие за меньшее время, что обеспечивает уменьшение коэффициентов механического и химического недожога, уменьшение количества продуктов неполного сгорания и уменьшение вредных выбросов в атмосферу. При проведении испытаний мода распределения частиц суспензии в мазуте изменялась от 7 мкм до 15 мкм в зависимости от режима работы диспергатора и содержания воды. При добавлении воды учитывалась вода, находящаяся в обводненном топливе. Таким образом, предварительное диспергирование присадки с водой или топливом позволяет равномерно распылять в камере сгорания не только топливо, но и равномерно вводить присадки, что ведет к увеличению эффективности связывания вредных компонентов и уменьшению их образования. Источники информации
1. Русанов А. А., Урбах И.И., Анастасиади А.П. Очистка дымовых газов в промышленной энергетике. М., Энергия, 1969. 2. Патент ФРГ N 3410731, кл. B 01 D 53/34, 1985. 3. Патент ФРГ N 3444469, кл. C 01 L 10/00, 1986. 4. Патент ФРГ N 3409014, кл. C 01 L 10/00, 1985. 5. Патент ФРГ N 3325570, кл. C 01 L 10/00, 1985. 6. Заявка RU N 94003846/26, кл. B 01 D 53/60, 1995.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ снижения выбросов вредных веществ в установках сжигания топлива, включающий приготовление топливной дисперсной системы, состоящей из топлива, жидких и твердых присадок путем диспергирования и перемешивания компонентов и подачу приготовленной топливной дисперсной системы в камеру сгорания, отличающийся тем, что приготовление топливной дисперсной системы проводят в две стадии, сначала приготавливают суспензию твердой присадки в жидкой присадке или в топливе, а затем в суспензию присадок или в суспензию топлива и присадки вводят оставшиеся компоненты топливной дисперсной системы, диспергируют, при этом диаметр частиц суспензии не превышает 25 мкм, а диаметр частиц твердой присадки в суспензии не превышает 20 мкм.Содержание раздела
8.1.1. С целью снижения образования NО x в приосевой зоне горелочных устройств в котлах ТГМП-204, отапливаемых жидким топливом, предлагается модернизировать горелки . Более эффективным по мнению авторов при сжигании жидкого топлива в силу стадийности его подготовки, является ввод газов рециркуляции через отдельный канал . При этом подбирается такое соотношение скоростей воздуха и газов, при котором газы не балластируют прикорневую область горения, а достигают активной зоны горения и тормозят образование NО x в этой зоне.
На рис. 8.1 приведена схема модернизированной горелки котла ТГМП-204. Горелка состояла из двух каналов подачи воздуха (центрального и периферийного), снабженных тангенциальными регистрами.
Рис. 8.1. Схема модернизированной горелки для сжигания жидкого топлива в топке котла ТГМП-204
Скорость истечения воздуха на выходе из каналов соответственно 60 и 70 м/с. По периферии горелки расположен канал ввода газов рециркуляции со скоростью 26 м/с. В центре горелки установлена мазутная форсунка с углом раскрытия топливного факела 85°. Выход канала газов рециркуляции перекрыт кольцом, в котором просверлены отверстия диаметром 60 мм, обеспечивающие истечение газов рециркуляции со скоростью ∼50 м/с (вместо 26 м/с). На рисунке видно, ось струи газов рециркуляции проходит через фронт пламени, и их дальнобойность позволяет достигнуть предполагаемой зоны основного образования оксидов азота. При этом основная часть газов рециркуляции не попадает в корень факела, что положительно сказывается на снижении образования механического недожога q 4 . Модернизация горелок котлов ТГМП-204 позволила сократить содержание NО x в отходящих дымовых газах на 30%.
8.1.2. На котле ТГМ-84Б с целью подавления оксидов азота внедрен дозированный впрыск воды в зону горения . При водотопливном отношении q < 10% это снижение достигает 150÷170мг/м 3 , а при водотопливном отношении q ∼ 8% с работой на пониженных избытках воздуха (α = 1,04÷1,06) концентрация NО x снижается на 200–220 мг/м 3 .
В зависимости от конкретных условий для подавления оксидов может использоваться техническая вода, основной конденсат или сетевая вода.
8.1.3. В топках с фронтальной компоновкой пылеугольных горелок для снижения концентраций NО x в уходящих газах при сжигании нешлакующегося топлива без содержания S считают целесообразным организовать ступенчатый ввод вторичных (третичных) потоков воздуха , направляя их в центральную область топки между концентрированными потоками реагентов.
8.1.4. Для одновременного улавливания оксидов N и S с эффективностью до 90% в предлагают электронно-лучевую обработку дымовых газов .
Этот сухой метод очистки позволяет решить проблемы образования отходов, удаления шламов, повторного нагрева газов. Кроме того, при такой обработке получается порошкообразная смесь побочных продуктов – удобрений (NH 4) 2 SO 2 и NH 4 NO 3 .
Утверждается , что метод электронно-лучевой обработки дымовых газов дешевле мокрых известняковых (скрубберного и каталитического) методов.
8.1.5. В для снижения выхода NО x не менее, чем на 60–70%, предлагается ступенчатое сжигание топлива с вводом азотосодержащих веществ в восстановительную зону горения . Утверждается, что присутствие значительного количества азотосодержащих радикалов RNi в продуктах сгорания в области высоких температур при α < 1обеспечивает эффективное восстановление NО x , образовавшихся на начальной стадии факела, до молекулярного азота. В качестве восстановителя применяются: аммиак – NH 3 , аммиачная вода – NH 4 OH, мочевина – (NH 2) 2 CO, циануровая кислота – (HOCN) 3 .
8.1.6. Модернизация котла, отапливаемого природным газом, БКЗ-420-140 НГМ-4 путем оснащения его дутьем воздуха над горелками верхнего яруса привело к резкому снижению содержания NО x в дымовых газах .
8.1.7. На котлах с жидким шлакоудалением ТПП-312 (паропроизводительность 950 т/ч, параметры пара: 25 МПа, 545 °С) с целью снижения NО x внедрено трехступенчатое сжигание топлива . Внедрение осуществлялось путем установки дополнительных прямоточных газовых горелок и установки сопл третичного дутья (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Схема трехступенчатого сжигания на котле ТПП-312: 1 – основные грелки; 2 – дополнительные горелки и газы рециркуляции; 3 – сопла третичного воздуха; 4 – верхние сопла рециркуляции
Дополнительные горелки были установлены встречно на фронтовом и заднем экранах, а сопла третичного дутья были размещены выше дополнительных горелок. Для обеспечения требуемой по условию шлакования ширм температуры газов в верхней части топки был выполнен аэродинамический выступ.
В результате модернизации выбросы NО x сократились в два раза. Надежность и экономичность работы котла при этом не снизились.
8.1.8. При сжигании углей различных видов в основной горелке и подаче природного газа или жидкого топлива во вторую ступень , позволили получить качественные характеристики процесса:
- - ввод вторичного топлива следует осуществлять за зоной активного горения по потоку газов;
- - количество топлива, подаваемого во вторую ступень, должно составлять около 20–25% по теплу;
- - коэффициент избытка воздуха – á в агенте, транспортирующем топливо-восстановитель, не должен превышать 0,35;
- - в качестве топлива-восстановителя предпочтительней природный газ.
Соблюдение при модернизациях указанных качественных характеристик обеспечивает снижение концентрации оксидов азота в 3 и более раз .
Там же утверждается, что высокотемпературный (до 600–800 °С) подогрев топливной пыли позволяет снизить в 3–5 раз образование «топливных» оксидов азота в пылеугольном факеле.
8.1.9. Результат от внедрения комплекса различных методов подавления NО x применительно к котлу ТГМП-114 (а) и котлу ТГМ-96Б, отапливаемых мазутом, приведен на рис. 8.3 .
Рис. 8.3. Применение комплекса технологических методов для подавления NО x на газомазутных котлах при О 2 = 6%: I – исходный вариант; II – малотоксичные горелки; III – горелки + рециркуляция; IV – горелки + ступенчатое сжигание + рециркуляция; V – ступенчатое сжигание; VI – ступенчатое сжигание + рециркуляция
8.1.10. Замена инжекционных горелок (ИГК) на вихревые газомазутные горелки дутьевого (напорного) типа у котлов паропроизводительностью до 10 т/ч («ДКВ», «ДКВР», «ДЕ», «Универсал» и др.) снижает содержание NО x в дымовых газах ∼ в 1,5–1,6 раза .
8.1.11. Модернизация горелок на котле ТГМ-84, отапливаемого природным газом, позволила снизить содержание NО x в уходящих дымовых газах н 30% и довести концентрацию NО x до 110 мг/м 3 при á = 1,4 .
Рис. 8.4. Газомазутная горелка котла ТГМ-84: а – проектная, б – модернизированная
До модернизации эксплуатировались горелки конструкции ЦКТИ (рис. 8.4, а ): газы рециркуляции в горелки подавались по периферии улиточного короба. В модернизированных горелках (рис. 8.4, б ) газы рециркуляции подаются по всему радиусу улитки.
8.1.12. Предварительная (вне топки) термическая подготовка угля – нагрев угля в бескислородной среде до температуры 650–850 °С способствует развитию процесса пиролиза угольных частиц с разрушением термически неустойчивых азотосодержащих соединений и переходом выделяющегося атомарного азота в молекулярный инертный азот.
Разработанная «Уралтехэнерго» встроенная система подогрева пыли (ВСП) полностью обеспечивает предварительную термическую подготовку угля . ВСП может быть использована в пылеугольных грелках различного типа – вихревых, прямоточных, плоскофакельных – при подаче в систему высококонцентрированной аэросмеси. Конструктивно ВСП состоит из двух основных разъемных блоков – камеры сжигания вспомогательного топлива и рабочего канала (рис. 8.5).
Рис. 8.5. Конструктивная схема вихревой пылегазовой горелки со встроенной системой подогрева угольной пыли (ВСП): 1 – основная горелка; 2 – камера сжигания вспомогательного топлива; 3 – рабочий канал; 4 – вспомогательная газовая горелка; 5 – патрубок подачи высококонцентрированной аэросмеси; 6 – запальник
Камера сжигания служит для воспламенения топливовоздушной смеси и формирования факела в ограниченном объеме.
В рабочем канале происходит: догорание вспомогательного топлива; смешение угольной пыли с высокотемпературными продуктами сгорания вспомогательного топлива; подогрев угля и выделение летучих.
Опыт промышленной эксплуатации ВСП позволил существенно улучшить выгорание топлива – содержание горючих в уносе составляет 5–6%. Концентрация оксидов азота в дымовых газах снижается до 60–70% от исходного уровня.
8.1.13. Низкоэмиссионная вихревая технология – НВТ или образование вихревого низкотемпературного процесса (НВТ) происходит в результате взаимодействия встречно-смешенных струй, вытекающих из наклоненной вниз под углом á горелки, и воздушного сопла нижнего дутья, установленного внизу топки по всей ее ширине и направленного вдоль ската холодной воронки под горелки (рис. 8.6).
Рис. 8.6. Аэродинамическая схема низкотемпературного вихревого процесса
Наклон горелок позволяет направить значительную массу топлива в нижнюю часть топки, где наиболее крупные фракции при развороте струи под действием инерции и собственной массы сепарируются из потока, вовлекаются нижним дутьем в многократную циркуляцию и сгорают в низкотемпературном вихре, а мелкие сгорают в прямоточной части факела .
Подача практически всего вторичного воздуха только через верхние сопла обеспечивает на начальном участке нижних ярусов избытки воздуха, равные 0,3–0,5. Поэтому горение в верхней части топки ведется в режиме дожигания, а в нижней – в полувосстановительной атмосфере. Снижение максимальной температуры в топке и на выходе из нее исключает шлакование экранов и пароперегревателя.
Внедрение НВТ путем модернизации котлов ПК-10, отапливаемых твердым топливом, позволило снизить в отходящих газах содержание:
- - NО x (при О 2 = 6% и при нормальных условиях) с 900–860 мг/м 3 до 330–415 мг/м 3 ;
- - SO 2 на 25–35%.
В объем модернизации (рис. 8.7) входят:
- реконструкция горелок, связанная с установкой дополнительных насадок на сопла аэросмеси и вторичного воздуха;
- устройство ввода нижнего дутья;
- размещение воздуховодов с регулирующими органами (шиберами);
- ввод дробленки CaCO 3 (фракция 0,035 м) посредством дозатора на угольную ленту существующей топливоподготовки.
Рис. 8.7. Схема модернизации котлов ПК-10
8.1.14. При реализации схемы двухступенчатого сжигания пылеугольного топлива на котлах с фронтальным расположением горелок или открытыми амбразурами (например, на котлах БКЗ-75-39 ФБ) в предлагают определять по следующим формулам.
Оптимальную область ввода третичного воздуха в соответствии с :
H = 0,5(D г + h 3) + 1,5(V daf /10) 0,5 , м,
где Н – расстояние между осями горелок и воздушных сопл, м; D г – диаметр горелки, м; h 3 – высота выходного сечения сопла, м; V daf – выход летучих на горючую массу, %.
Долю третичного воздуха по формуле:
∆α 3 = α″ т – (α г + ∆α т),
где α т – коэффициент избытка воздуха на выходе из топки, ∆α т – присосы воздуха в топочную камеру, α г – коэффициент избытка воздуха в горелках.
Эффективность ступенчатого сжигания в соответствии с :
η Nox = 340 (H 0,5 – 3∆α3) × , %;
Увеличение температуры газов на выходе из топки – ∆Θ″ т в соответствии с :
∆Θ″ т = 35Н(1,1 – α г) 0,5 , °С;
Потери тепла с механическим недожогом – ∆q 4 в соответствии с :
∆q 4 = 30*H /V daf *(1,1 – α г) 2 , %.
8.1.15. Количество «термических NO x », образующихся при горении топлива, зависит от уровня максимальной температуры в ядре горения, а при горении природного газа образуются еще и «быстрые NO x », количество которых практически не зависит от температуры факела. Считают , что единственным средством для снижения «быстрых» – это полное предварительное смешение топлива с воздухом .
Фирмой Radiom Corporation (США) разработана горелка R-RMB TM . Эта горелка по данным подавляет образование как «термических» так и «быстрых» NO x . Принципиальная схема горелки приведена на рис. 8.8. Особенностью горелки является способность чрезвычайно быстрого смешения топлива с газовоздушной смесью. Достигается это в результате вода мельчайших струй природного газа в поток газовоздушной смеси в межлопаточном пространстве, обеспечивая тем самым высокую турбулентность потока.
Рис. 8.8. Схема работы горелки R-RMB TM: 1 – центральная форсунка для мазута; 2 – природный газ; 3 – воздух и газы рециркуляции; 4 – закручивающие лопатки (в промежутки лопаток подается природный газ); 5 – распыленный (дисперсный) мазут; 6 – смесь природного газа, воздуха и газов рециркуляции; 7 – стенка топочной камеры; 8 – наружная зона рециркуляции; 9 – внутренняя зона рециркуляции; 10 – участок интенсивного перемешивания топлива с газовоздушной смесью
Ориентировочно: длина факела ∼1,8 м; сопротивление по воздуху ∼1650 Па; сопротивление по природному газу ∼34–35 Па – соответствуют оптимальному режиму работы горелки.
Горелка R-RMB TM по данным обеспечивает снижение концентраций NO x в отходящих дымовых газах до уровня, который возможен при использовании метода селективного каталитического восстановления с использованием аммиака, т.е. до 9 ÷ 5 ppm (1 ppm = 1 см 3 /м 3). Отсутствие ступенчатой подачи топлива или воздуха при использовании горелок R-RMB TM позволяет избегать побочных отрицательных явлений. В частности в продуктах сгорания практически отсутствуют CO и углеводороды.
8.1.16. Эффективным методом снижения выбросов NO x является применение трехступенчатой схемы сжигания топлива (схема с восстановлением NO x или «Ребенинг») . Сущность схемы заключается в сжигании основной части топлива с избытком воздуха выше стехиометрического, например, α = 1,05 и организации после практически полного завершения выгорания топлива зоны восстановления. Зона восстановления образуется за счет подачи в нее топлива – восстановителя при α = 0,9–1,0. Третья ступень – зона дожигания организуется путем подачи в конец зоны восстановления избыточного третичного воздуха.
Сжигание высокореакционных углей с применением такой схемы позволяет снизить выбросы NO x на 40–60%.
Промышленно-экономическое развитие сопровождается, как правило, ростом загрязнения окружающей среды. Большинство крупных городов характеризуются значительной концентрацией промышленных объектов на относительно незначительных территориях, что представляет опасность для здоровья людей.
Одним из экологических факторов, оказывающих наиболее выраженное влияние на здоровье человека, является качество воздуха. Особую опасность в настоящее время представляют выбросы в атмосферу загрязняющих веществ. Это обусловлено тем, что токсиканты поступают в человеческий организм в основном через дыхательные пути.
Выбросы в атмосферу: источники
Различают природные и антропогенные источники поступления загрязнителей в воздух. Основными примесями, которые содержат выбросы в атмосферу от естественных источников, являются пыль космического, вулканического и растительного происхождения, газы и дым, образующиеся в результате лесных и степных пожаров, продукты разрушения и выветривания горных пород и почв и пр.
Уровни загрязнения воздушной среды природными источниками носят фоновый характер. Они достаточно мало изменяются со временем. Основными источниками поступления в воздушный бассейн загрязняющих веществ на современном этапе являются антропогенные, а именно − промышленность (различные отрасли), сельское хозяйство и автотранспорт.
Выбросы предприятий в атмосферу
Самыми крупными «поставщиками» различных загрязнителей в воздушный бассейн являются металлургические и энергетические предприятия, химическое производство, стройиндустрия, машиностроение.
В процессе сжигания топлива различных видов энергетическими комплексами в атмосферу выделяются большие количества сернистого ангидрида, оксидов углерода и азота, сажи. Также в выбросах (в меньших количествах) присутствует ряд других веществ, в частности углеводороды.
Основные источники пылегазовых выбросов в металлургическом производстве - плавильные печи, разливочные установки, травильные отделения, агломерационные машины, дробильноразмольное оборудование, разгрузка-погрузка материалов и пр. Наибольшую долю среди общего количества веществ, поступающих в атмосферу, занимают окись углерода, пыль, ангидрид сернистый, оксид азота. В несколько меньших количествах выбрасываются марганец, мышьяк, свинец, фосфор, пары ртути и пр. Также в процессе сталеплавильного производства выбросы в атмосферу содержат парогазовые смеси. В их состав входит фенол, бензол, формальдегид, аммиак и ряд других опасных веществ.
Вредные выбросы в атмосферу от предприятий химической отрасли, несмотря на небольшие объемы, представляют особую опасность для природной среды и человека, поскольку характеризуются высокой токсичностью, концентрированностью и значительным разнообразием. Поступающие в воздух смеси в зависимости от вида выпускаемой продукции могут иметь в своем составе летучие органические соединения, соединения фтора, нитрозные газы, твердые вещества, хлористые соединения, сероводород и пр.
При производстве стройматериалов и цемента выбросы в атмосферу содержат значительные количества различной пыли. Основными технологическими процессами, приводящими к их образованию, являются измельчение, обрабатывание шихт, полуфабрикатов и продуктов в потоках горячих газов и пр. Вокруг заводов, производящих различные стройматериалы, могут образовываться зоны загрязнения радиусом до 2000 м. Они характеризуются высокой концентрацией в воздухе пыли, содержащей частицы гипса, цемента, кварца, а также ряда других загрязняющих веществ.
Выбросы автотранспорта
В крупных городах огромное количество загрязнителей в атмосферу поступает от автотранспортных средств. По разным оценкам, на их долю приходится от 80 до 95%. состоят из большого количества токсичных соединений, в частности оксидов азота и углерода, альдегидов, углеводородов и пр. (всего около 200 соединений).
Наибольшие объемы выбросов отмечаются в зонах расположения светофоров и перекрестков, где автомобили передвигаются на малой скорости и в режиме холостого хода. Расчет выбросов в атмосферу показывает, что основными составляющими выхлопов в этом случае являются и углеводороды.
При этом следует отметить, что, в отличие от стационарных источников выбросов, работа автотранспорта приводит к загрязнению воздуха на городских улицах на высоте человеческого роста. В результате вредному воздействию загрязнителей подвергаются пешеходы, жители расположенных у дорог домов, а также произрастающая на прилегающих территориях растительность.
Сельское хозяйство
Влияние на человека
Согласно различным источникам, имеется прямая связь между загрязнением воздуха и рядом заболеваний. Так, например, длительность течения респираторных заболеваний у детей, которые живут в относительно загрязненных районах, в 2-2,5 раза больше, нежели у тех, что проживают в других районах.
Кроме того, в городах, характеризующихся неблагоприятной экологической обстановкой, у детей отмечены функциональные отклонения в системе иммунитета и кровообразования, нарушения компенсаторно-адаптационных механизмов к условиям внешней среды. Многими исследованиями выявлена также связь между загрязнением воздуха и смертностью людей.
Основными составляющими выбросов, поступающих в воздух от различных источников, являются взвешенные вещества, оксиды азота, углерода и серы. Выявлено, что зоны с превышением ПДК по NO 2 и CO охватывают до 90% городской территории. Приведенные макрокомпоненты выбросов способны вызвать серьезные заболевания. Накопление этих загрязнений приводит к повреждению слизистых оболочек верхних дыхательных путей, развитию легочных заболеваний. Кроме того, повышенные концентрации SO 2 могут вызвать дистрофические изменения в почках, печени и сердце, а NO 2 - токсикозы, врожденные аномалии, сердечную недостаточность, нервные расстройства и др. Некоторыми исследованиями выявлена взаимосвязь между заболеваемостью раком легких и концентрациями SO 2 и NO 2 в воздухе.
Выводы
Загрязнение окружающей природной среды и, в частности, атмосферы, имеет неблагоприятные последствия для здоровья не только настоящего, но и последующих поколений. Поэтому можно смело утверждать, что разработка мероприятий, направленных на то, чтобы уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу, − одна из самых актуальных на сегодняшний день проблем человечества.
