Очистка дымовых газов

Непременной составной частью котельных установок, использующих твердое топливо, является система очистки дымовых газов от твердых частиц (золы).

Очистные установки. В зависимости от мощности котельной установки и требований к полноте очистки в конкретных условиях применяются следующие типы очистных установок.

Наиболее простой и широко распространенной системой очистки является циклон. Минимальный размер частиц, улавливаемых промышленными циклонами, примерно 30 мкм. Эффективность очистки 50 ... 60 %. Применяется главным образом на установках малой мощности. Более высокое качество очистки обеспечивают мультициклоны, представляющие собой блоки, объединенные по входу и выходу циклонов малого размера. Минимальный размер улавливаемых частиц 10…15 мкм, эффективность очистки 90…95 %.

Достаточно широко распространены мокрые золоуловители (центробежные и мокропрутковые скруберы), позволяющие улавливать частицы до 0,5 мкм с эффективностью 75 ... 85 % (в лучших образцах до 98 %). Они отличаются меньшей стоимостью и значительно меньшими габаритными размерами по сравнению с электрофильтрами, однако возможность их применения определяется не только по показателю эффективности, но и значительным расходом воды (0,1 ... 1 л/м³).

В качестве основного типа золоуловителя для мощных энергетических котлов применяют электрофильтр. Он обладает наиболее высокими показателями качества очистки дымовых газов. При этом требуется высокая равномерность скоростного поля при скорости течения дымовых газов на рабочих участках 1…1,5 м/с. Поэтому электрофильтр имеет большие габаритные размеры и требует большой площади для установки. Минимальный размер улавливаемых частиц 0,1 мкм, а эффективность очистки 96…99 %.

К наиболее эффективным системам очистки дымовых газов относятся тканевые фильтры (рукавные), которые позволяют улавливать частицы размером 0,5 мкм, а их эффективность достигает 99 %.

Методы очистки дымовых газов. Важным требованием к таким методам является получение в результате очистки дымовых газов продуктов экологически безопасных и пригодных для полезного использования.

Способы очистки дымовых газов от серы. Наиболее распространенным типом установок сероочистки являются установки, работающие по мокрому известняковому методу и обеспечивающие эффективность очистки 80 ... 90 % . Метод заключается в том, что дымовые газы после предварительного охлаждения в дополнительном регенеративном теплообменнике поступают в нижнюю часть специального аппарата-абсорбера, в котором сверху орошаются известняковой суспензией. При контакте дымовых газов с известняковой суспензией идет реакция, в результате которой получается сульфит кальция.

С целью максимального использования известняка в абсорбере организуется рециркуляционное орошение, т.е. выпадающая в нижнюю часть абсорбера суспензия насосом повторно подается на орошение. Очищенные и охлажденные примерно до 45 °С дымовые газы проходят каплеуловитель и после выхода из абсорбера смешиваются с небольшим количеством горячего неочищенного газа для испарения оставшихся капель. После подогрева в том же регенеративном теплообменнике дымовые газы выбрасываются в дымовую трубу.

В нижнюю часть абсорбера вводится воздух, который доокисляет сульфит кальция в нейтральный сульфат - гипс. Из сборной емкости в нижней части абсорбера часть прореагировавшей суспензии в виде пульпы направляется в гидроциклон, где отделяются крупные кристаллы гипса. Мелкие кристаллы гипса и непрореагировавший известняк возвращаются в абсорбер. Крупные кристаллы гипса с помощью специального фильтра отделяются от жидкости, собираются в силос и отправляются потребителю. Часть фильтрата выводится из цикла, нейтрализуется, очищается от тяжелых металлов и сбрасывается в водоемы.

Полная автоматизация установки обеспечивает стабилизацию значений РН суспензии в сборной емкости абсорбера в узком диапазоне 4,5 - 5,5. Благодаря этому исключается зарастание абсорбера минеральными отложениями и обеспечиваются товарные свойства гипса. Для длительной и надежной работы установки внутренние поверхности абсорбера и газохода защищены слоем резины толщиной 3 ... 4 мм, орошающие сопла и суспензионные насосы выполнены в износоустойчивом исполнении.

Известняковая суспензия готовится из тонко размолотого известняка (95 % частиц размером менее 90 мкм). Для очистки 1-10⁶ м³/ч дымовых газов с содержанием оксидов серы на уровне 7,3 г/м³ требуется 13 т/ч известняка с 95 %-ным содержанием СаСО₃. При этом получается 23 т гипса, содержащего не более 6 % нейтральных примесей.

На применении недифицитного известняка основан также сухой известняковый (аддитивный) метод очистки дымовых газов от оксидов серы, существенно уступающий предыдущему по эффективности (30…40 %), но начительно дешевле его. Тонко размолотый известняк вдувается в тракт дымовых газов котла в зону с температурой 900 ... 1100 °С. После обжига получается негашенная известь. В зоне конвективной шахты с температурой 600…800 °С происходит связывание сернистого ангидрида известью.

Образовавшаяся смесь сульфита, оксида кальция, золы и непрореагировавшей извести улавливается в золоуловителях и складируется на специальных золоотвалах. Однако применение этого способа сопровождается опасностью шлакования поверхностей нагрева.

На основе применения более активной, но и более дорогой (в 2-3 раза) по сравнению с известняком, извести освоен мокросухой метод распылительной абсорбции. Установка включает бак для приготовления известковой суспензии (мокросухой абсорбер), устанавливаемый за электрофильтром, а также рукавный фильтр или электрофильтр второй ступени.

В баке приготовления известковой суспензии после смешения с водой образуется гашеная известь. Суспензия распыляется в абсорбере и смешивается с предварительно очищенными от золы дымовыми газами. На развитой поверхности контакта мелких капель суспензии с дымовыми газами происходит поглощение известью сернистого ангидрида.

Вода в абсорбере испаряется, а сульфит в сухом виде улавливается в рукавном фильтре или в электрофильтре второй ступени и поступает в специальные золоотвалы или доокисляется до нейтрального сульфата кальция.

Этот метод отличается высокой эффективностью (80…85 %), но требует высококачественное дорогое сырье и аппарат больших размеров.

На основе комбинации процессов в аддитивном методе и распылительной абсорбции фирмой "Тампелла" (Финляндия) разработана установка обессеривания дымовых газов "Лифак". В газоход котла вдувается размолотый известняк в избыточном количестве. Непрореагировавшая в газоходе негашенная известь поступает при температуре 140…160 °С вместе с дымовыми газами в установленный за воздухоподогревателем активационный реактор, в который впрыскивается вода. В результате контакта с водой негашенная известь переходит в активную гашенную, которая реагируя с SO₂, образует сульфит. Общая степень очистки достигает 80 ... 85%.

Циклические методы очистки дымовых газов от оксидов серы основаны на многократном использовании регенерируемых реагентов, например, водного раствора соединений аммония или окиси магния.

В аммиачно-циклическом способе поглощение сернистого ангидрида происходит аммиачной водой (NH₃ > 25 %) при температуре газов 50 °С. Образующиеся сульфит и бисульфит аммония регенерируются под вакуумом при 95 ... 100 °С с выделением в смеси с паром SO₂. В конденсаторе водяной пар конденсируется, а концентрированный SO₂ (93 ... 95 %) поступает на переработку в элементарную серу или серную кислоту. Эффективность этого метода 85…95 %.

В магнезитовом циклическом способе очищаемый газ орошается в абсорбере суспензией оксид магния, которая реагирует с SO₂ с образованием сульфита магния, которая обезвоживается, сушится до удаления кристаллизационной влаги. Затем при температуре 900…1000 °С в специальной печи происходит термическое разложение сульфита магния с выделением концентрированного серистого газа SO₂. Регенерированный оксид магния возвращается в цикл, а сернистый газ перерабатывается в элементарную серу или серную кислоту.

Из относительно простых способов обессеривания дымовых газов следует отметить способ с использованием щелочных свойств летучей золы. Поглощение сернистого ангидрида в этом методе происходит осветленной водой гидрозолоудаления, содержащей растворенные элементы щелочно-земельных металлов. Процесс улавливания происходит в существующих на ТЭС мокрых золоуловителях при повышенном расходе воды на орошение. Эффективность этого способа достигает 35%. Продукты очистки вместе с золой направляются в золоотвал.

Способы очистки дымовых газов от оксидов азота. Они могут быть условно разделены на две группы по виду получаемых конечных продуктов.

К первой группе, конечными продуктами которой являются азот и вода, относятся следующие способы:
- селективное каталитическое восстановление;
- селективное некаталитическое восстановление;
- восстановление на активированном угле. В качестве восстановителя во всех трех способах применяется аммиак.

Основными преимуществами этих способов являются относительно незначительные производственные расходы и получение нейтральных по отношению к окружающей среде продуктов разложения NO.

Ко второй группе, конечными продуктами которой являются комплексные аммонийные удобрения, относятся:
- мокрый магнезитовый метод; мокрый озонно-аммиачный метод; сухая обработка дымовых газов потоком электронов.

Отличительной особенностью второй группы способов является то, что очистка дымовых газов происходит не только от оксидов азота, но и от оксидов серы. Эти установки отличаются большой сложностью и требуют больших производственных расходов. Получаемый конечный продукт - комплексные аммонийные удобрения - необходимо непрерывно удалять из установки, доводить до кондиции и отправлять потребителю.

Опыт применения тех или иных установок очистки дымовых газов от оксидов азота показал, что наиболее полно по эффективности и простоте исполнения соответствует сухой способ каталитического разложения аммиаком.

Максимальная степень восстановления достигается при температуре 300 ... 430 °С в присутствии катализатора и составляет не менее 80 %. По тракту котельного агрегата установка может располагаться за водяным экономайзером перед воздухоподогревателем или в конце тракта после системы сероочистки. В последнем случае требуется установка дополнительного теплообменника для подогрева охлажденных дымовых газов до указанной оптимальной температуры и дополнительный регенеративный подогреватель дымовых газов перед дымовой трубой.

Установка включает реактор с катализатором, аммиачную станцию с емкостью жидкого аммиака и испарителем, смеситель аммиака с воздухом, узел ввода аммиачно-воздушной смеси в реактор. Основным элементом и по значению (и по стоимости) является катализатор. Применяют два вида катализаторов: керамические и пластинчатые.

Керамические катализаторы обычно изготовляют в виде элементов прямоугольной формы с мелкоячеистыми сквозными каналами. Основой керамического катализатора обычно является оксид титана, "пропитанный" для повышения активности в большинстве случаев оксидами вольфрама и молибдена. Гарантийный срок службы в условиях пылеугольных котлов 2 года.

Пластинчатые катализаторы представляют собой собранные в блоки тонкостенные стальные профилированные листы, на которые после придания им шероховатости (плазменным способом) наносится каталитическая масса. Толщина пластин 1 мм, расстояние между ними 6 ... 10 мм. Пластинчатые катализаторы обладают рядом преимуществ перед керамическими, основными из которых является большая активность и селективность, больший срок службы. Имеются модификации этих катализаторов для различного содержания SO₂, запыленности потока до 30 мг/м³.

С целью сведения к минимуму "проскока" аммиака в атмосферу обычно ограничивают эффективность установки 80 %, для чего молярное отношение NH₃ / NO_x устанавливают в пределах 0,80 ... 0,85.

Применение установок каталитического разложения NO приводит к увеличению удельной стоимости ТЭС на 5 ... 9 % .

Установки некаталитического разложения оксидов азота не приводят к столь существенному удорожанию ТЭС, так как они состоят только из систем приготовления аммиачновоздушной смеси и ввода ее в газоход котла (в зону температур 800 ... 900 °С). Недостатком таких систем является низкая эффективность (не более 40 %), "проскок" непрореагировавшего аммиака в дымовую трубу, загрязнение поверхностей нагрева сульфатом аммония. Поэтому этот способ практически не применяется.

Не получили распространения и рассмотренные способы одновременной очистки дымовых газов от оксидов азота и оксидов серы ввиду высокой стоимости установок и большого расхода энергии на получение озона (необходимого для доокисления азота и серы до их высших оксидов), или потока электронов.