Выбросы тепловых электростанций (ТЭС) и котельных на органическом топливе в атмосферу

Основное загрязнение атмосферного воздуха связано со сжиганием органического топлива. ТЭС и котельные, потребляя большое количество органического топлива, оказывают существенное влияние на загрязнение воздушного бассейна.

Рабочая масса органического топлива состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, серы, влаги и золы. В результате полного сгорания топлива образуются углекислый газ, водяные пары, оксиды серы (сернистый газ, серный ангидрид) и зола. Из перечисленных составляющих к числу токсичных относятся оксиды серы и зола. При высоких температурах в ядре факела топочных камер котлов большой мощности происходит частичное окисление азота воздуха и топлива с образованием оксидов азота (оксид и диоксид азота). При неполном сгорании топлива в топках могут образовываться также монооксид углерода CO, углеводороды, CH₄, C₂H₆ и др., а также канцерогенные вещества. Продукты неполного сгорания весьма вредны, однако при современной технике сжигания их образование можно исключить или свести к минимуму.

Наибольшую зольность имеют горючие сланцы и бурые угли, а также некоторые сорта каменных углей (например, экибастузские). Жидкое топливо имеет небольшую зольность; природный газ является беззольным топливом. Современные золоуловители благодаря высокой степени улавливания золы позволяют значительно снизить выбросы золы и довести их до весьма малых значений.

В последнее время серьезное внимание привлекла проблема изучения канцерогенных веществ, образующихся при неполном сгорании топлива. По своей распространенности и интенсивности воздействия из многих химических веществ этого типа наибольшее значение имеют полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и наиболее активный из них – бенз(а)пирен. Максимальное количество бенз(а)пирена образуется при температуре 700 – 800 °C в условиях нехватки воздуха для полного сгорания топлива.

Выбрасываемые в атмосферу из дымовых труб котельных и электростанций токсичные вещества оказывают вредное воздействие на весь комплекс живой природы, называемый биосферой. Биосфера включает в себя прилегающий к поверхности Земли слой атмосферы, верхний слой почвы и верхние слои водных поверхностей.

Минздравом России установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест. ПДК называется такая концентрация вредного вещества в атмосферном воздухе на уровне дыхания человека, которая не оказывает на его организм прямого или косвенного воздействия, не снижает его работоспособности, не влияет на его самочувствие. ПДК служит основным критерием санитарно-гигиенической оценки качества атмосферного воздуха. Значения ПДК для основных загрязняющих веществ, выбрасываемых энергетическими предприятиями, приведены в табл. 15.1.

Для каждого выбрасываемого в атмосферу вредного вещества должно соблюдаться условие

или ,

где C_i, ПДК_i – приземные и предельно допустимые концентрации вредных веществ.

Кроме того, Минздравом РФ установлено, что совместное содержание в атмосфере некоторых веществ (веществ однонаправленного действия) может усиливать их токсичность. В энергетике к числу вредных веществ однонаправленного действия относятся диоксиды азота и серы. При одновременном наличии в атмосферном воздухе вредных веществ однонаправленного действия должно соблюдаться условие

.

Таблица 15.1 Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест

Суммарное количество M_j загрязняющего вещества j, поступающего в атмосферу с дымовыми газами котельной или ТЭС, определяется на основании измерения концентраций вредных веществ в дымовых газах по уравнению, г/с

,

где C_j – массовая концентрация загрязняющего вещества j в сухих дымовых газах при стандартном коэффициенте избытка воздуха α₀ = 1,4 и нормальных условиях (p = 101,3 кПа, T = 273 К), мг/м³; V_с.г – объемный расход сухих дымовых газов, образующихся при сгорании топлива при α₀ = 1,4 и нормальных условиях, м³/с; K_п– коэффициент пересчета (при определении массового расхода (выброса) загрязняющего вещества в граммах в секунду K_п= 10^-3).

3.2 Очистка продуктов горения от механических примесей и газообразных токсических выбросов.

Эффективность работы золоулавливающих устройств зависит от физико-химических свойств золы и транспортирующих ее дымовых газов. Основными параметрами золы являются плотность, дисперсный состав, удельное электрическое сопротивление, слипаемость.

Для очистки газов от золы и пыли применяются аппараты, различающиеся по конструкции и принципу осаждения частиц (рис. 15.1). Их подразделяют на четыре группы: «сухие» механические, «мокрые» механические, фильтры и электрофильтры.

Рис. 15.1. Золо-пылеуловители ТЭС и котельных: а – осадительная камера; б – жалюзийный золо-пылеуловитель; в – циклон; г – «мокрый» пыле-золоуловитель; д – рукавный фильтр; е – электрофильтр; 1 – загрязненные газы; 2 – очищенные газы; 3 – твердые частицы; 4 – вода; 5 – коронирующие электроды; 6 – осадительные электроды

Золо-пылеуловители характеризуются эффективностью улавливания, которая представляет собой отношение массы уловленной пыли к общему количеству пыли, поступающей в аппарат.

К «сухим» механическим аппаратам относятся: осадительные камеры, циклоны, инерционные, жалюзийные, вихревые и динамические пылеуловители.

Они отличаются простотой изготовления и эксплуатации. Однако эффективность улавливания пыли в них не всегда достаточна, поэтому их используют в основном для предварительной очистки газов.

Осадительные камеры представляют собой пустотелые или с горизонтальными полками камеры (рис. 15.1. а). В них используется гравитационное осаждение частиц при прохождении газа через объем аппарата со скоростью 0,2–0,8 м/с.

Жалюзийные золо-пылеуловители (рис. 15.1. б)просты по конструкции и имеют небольшое гидравлическое сопротивление. Они состоят из жалюзийной решетки и пылеуловителя (циклона). Назначение жалюзийной решетки – разделить газовый поток на две части: одну – менее запыленную, составляющую 80–90 % от всего газового потока, и другую – отсасываемую в циклон, составляющую 10–20 % всего потока и содержащую основную массу пыли, которая улавливается в циклоне. Далее очищенный в циклоне газ смешивается с основным потоком.

Скорость газа в жалюзийном пылеуловителе составляет 12–15 м/с; гидравлическое сопротивление решетки – 100–500 Па. Применяется для улавливания частиц крупнее 20 мкм.

Циклоны являются наиболее распространенными аппаратами для очистки газов от золы и пыли. Они просты в изготовлении, надежно работают при высоких температурах и давлениях газов, имеют практически постоянное гидравлическое сопротивление и не изменяют фракционную эффективность с ростом запыленности газов.

Подводка газов в циклон может быть спиральной, тангенциальной, тангенциально-винтообразной. Циклоны могут быть цилиндрическими и коническими. Цилиндрические циклоны являются высокопроизводительными аппаратами, а конические – высокоэффективными.

Принцип действия циклона следующий (рис. 15.1. в). Поток газа, подводимый тангенциально или спирально, закручивается и движется вниз по спирали. Твердые примеси, содержащиеся в газах, под действием центробежных сил прижимаются к стенкам корпуса циклона и попадают в бункер, а поток очищенных газов отводится из верхней части циклона. Степень очистки таких аппаратов составляет до 90 %.

Для повышения степени очистки применяют циклоны небольшого диаметра (0,23–0,5 м), объединяемые в батареи, так называемые батарейные циклоны. Распространены три типа элементов батарейных циклонов: с осевым направляющим аппаратом (БЦР-254), полуулиточным подводом газа (БЦУ-М) и четырехзаходным подводом газа (БЦ-512). Более высокую степень улавливания имеют батарейные циклоны типов БЦУ-М и БЦ-512.

Батарейные циклоны применяют для улавливания золы (пыли) за котлами паропроизводительностью 500 т/ч. Рекомендуется применение циклонов с тангенциальным полуулиточным подводом газа типа БЦУ-М внутренним диаметром 231 мм. Степень очистки у таких циклонов составляет 88–92 % при потере давления 500–700 Па.

К группе «мокрых» механических пыле-золоуловителей относятся: полые, насадочные, тарельчатые, ударно-инерционного действия, центробежные, скоростные (скрубберы Вентури) скрубберы. Удаление золы (пыли) в них происходит при непосредственном контакте жидкости с запыленным газом. Принцип их действия основан на отделении частиц золы (пыли) от потока инерционными силами и их прилипании к пленке воды, омывающей стенки или поверхность насадки, что исключает возврат частиц в поток газа. В золоуловителях такого типа помимо улавливания золы протекают химические процессы поглощения из дымовых газов оксидов углерода и серы.

Мокрые золоуловители отличаются высокой эффективностью (степень очистки достигает 95–97 %), относительно невысокой стоимостью, умеренными габаритами, простотой обслуживания и относительно небольшими эксплуатационными расходами.

Полые скрубберы (рис. 15.1. г)представляют собой колонны круглого или прямоугольного сечения, в которых осуществляется контакт между газом и каплями воды, распыляемой форсунками. Форсунки устанавливаются в колонне в одном или нескольких сечениях. Наиболее распространены противоточные скрубберы. Скорость газа в них изменяется от 0,6 до 1,2 м/с. Если работа производится при скоростях газа до 5–8 м/с, то устанавливаются каплеуловители.

Гидравлическое сопротивление скруббера без каплеуловителя составляет 250 Па. Высокая эффективность скруббера обеспечивается при размере частиц, превышающем 10 мкм.

В пылеуловителях с подвижной насадкой в качестве насадки используют кольца, седла и шары из полимерных материалов или пористой резины. Плотность насадки не должна превышать плотности жидкости. Оптимальный режим пылеулавливания в таких аппаратах устанавливается при полном псевдоожижении.

Процесс очистки рекомендуется проводить при следующих условиях: скорость газа – 5–6 м/с; удельный расход жидкости на орошение – 0,5–0,7 л/м³ газа; свободное сечение решетки S₀ = 0,4 м²/м² при ширине щели 4–6 мм. Оптимальный диаметр шаров – 20–40 мм. Насыпная плотность – 200–300 кг/м³. Минимальная статическая высота слоя насадки составляет 5–8 диаметров шаров в насадке, а максимальная не должна превышать диаметр скруббера.

В тарельчатых колоннах зола (пыль) удерживается газожидкостным (пенным) слоем, образующимся на контактных тарелках при взаимодействии газа и жидкости. Наиболее распространены пенные аппараты с ситчатыми тарелками или с провальными тарелками – дырчатыми, решетчатыми, трубчатыми и колосниковыми.

В основе работы пористых фильтров всех видов лежит процесс фильтрования газов через пористые перегородки. При фильтровании твердые и жидкие частицы задерживаются на перегородке, а газ полностью проходит через нее. Фильтрующие перегородки весьма разнообразны, но в основном они состоят из волокнистых или зернистых элементов.

В зависимости от назначения пористые фильтры условно разделяют на фильтры тонкой очистки, воздушные фильтры и промышленные фильтры.

Фильтры тонкой очистки предназначены для улавливания в основном субмикронных частиц из газов с низкой начальной концентрацией (< 1 мг/м³). Их применяют для улавливания особо токсичных частиц с высокой эффективностью. Для очистки газов на 99 % от частиц размером 0,05–0,5 мкм используют материалы в виде тонких листов или объемных слоев из тонких или ультратонких волокон (диаметром менее 2 мкм).

Гидравлическое сопротивление чистых фильтров 200–300 Па, а забитых пылью – 700–1500 Па.

Фильтры тонкой очистки рассчитаны на срок работы 0,5–3 года. Они не регенерируются, а заменяются на новый.

Воздушные фильтры используются в системах приточной вентиляции и кондиционирования воздуха.

К промышленным фильтрам относятся тканевые, зернистые и грубоволокнистые фильтры, используемые для очистки промышленных газов с концентрацией золы (пыли) до 60 г/м³. Наиболее распространены тканевые фильтры, которые содержат гибкую фильтрующую перегородку, имеющую форму цилиндрических рукавов (рукавные фильтры) (рис. 7.1. д). Эффективность таких фильтров – более 99,5 %, а потери напора составляют 1–1,5 кПа при скорости фильтрования 0,5–2 м/с.

Тканевые фильтры изготавливают из материала, который должен выдерживать высокую температуру уходящих газов. Материал фильтра должен быть устойчивым к повышенной влажности и воздействию химических соединений. В качестве материала фильтров используют шерсть, шерстяной войлок или лавсан при температуре газов до 130 °C. Для температуры около 260 °C применяют стекловолокно и стекловолокно с графитом. Длительность работы ткани составляет 1–3 года. Тканевые фильтры обычно делают многокамерными. Число рукавов в одной камере может составлять 100 и более.

Дымовые газы поступают снизу внутрь рукавов, осаждение частиц пыли происходит на внутренней поверхности стенки рукава. При регенерации в одну из камер прекращается подача дымовых газов, и прилипшие к ткани слои пыли удаляются встряхиванием или вибрацией рукавов. Отделению пыли способствует также струя сжатого воздуха, направляемая против движения, осуществляемого в процессе фильтрации. Отделившаяся пыль падает в пылесборник, находящийся под рукавами, и удаляется с помощью шнеков.

Остаточная концентрация золы (пыли) после тканевых фильтров может составлять 15–50 мг/м³, что удовлетворяет самым жестким нормативам.

Промышленные электрофильтры (рис. 7.1. е)используются для очистки больших объемов газа (до 1 млн. м³/ч) с концентрацией частиц до 50 г/м². В них происходит улавливание частиц любых размеров с эффективностью более 99 %. Электрофильтры могут работать при температурах газов до 400–450 °C как под разрежением, так и под давлением. Гидравлическое сопротивление их равно 100–150 Па. Затраты энергии составляют 0,1–0,5 кВт·ч на 1000 м³ очищаемого газа.

Электрофильтры имеют следующие недостатки: большие габариты, повышенная металлоемкость, высокая стоимость, для их обслуживания необходим квалифицированный персонал.

Электрофильтры подразделяются: по конструкции – на однозонные и двухзонные; по направлению газового потока – на горизонтальные и вертикальные; по конструкции осадительных электродов – на пластинчатые и трубчатые; по способу удаления пыли с электродов – на «сухие» и «мокрые»; в зависимости от количества последовательно расположенных электрических полей – на однопольные и многопольные; в зависимости от числа параллельных электрофильтров – на одно- и многосекционные.

Основными конструктивными элементами электрофильтров являются: корпус, где размещены электроды; узлы подвода, распределения и отвода очищаемых газов; устройство для удаления уловленной пыли с электродов; устройство для вывода пыли из электрофильтра; узлы ввода в электрофильтр тока высокого напряжения – изоляторные коробки.

Очистка дымовых газов в электрофильтре происходит в результате создания неравномерного электрического поля высокого напряжения (примерно 50 кВ) и образования коронного разряда между электродами. Образующиеся в зоне коронного разряда ионы и электроны вызывают ток от коронирующих к осадительным электродам – ток короны. Частицы золы, находясь между электродами, заряжаются под действием сил электрического поля, двигаются к осадительным электродам и осаждаются на них. При длительности пребывания газов в активной зоне фильтра не менее 8 с и скорости движения газов 1,2–1,5 м/с степень улавливания составляет 99–99,8 %.

Эффективность улавливания существенно зависит от электрических свойств газового потока, прежде всего от электрического сопротивления золовых частиц. С повышением удельного электрического сопротивления частиц скорость осаждения снижается. Кроме того, эффективность работы электрофильтров зависит от режима встряхивания электродов, для чего чаще всего используют ударно-молотковые механизмы. Промежутки между встряхиваниями должны быть оптимизированы для каждого поля, так как в каждом последующем поле количество осаждаемой золы уменьшается.

Эффективность очистки дымовых газов от золы и пыли значительно повышается при использовании комбинации фильтров, например, мокрого золоуловителя и электрофильтра. Увеличение влажности и снижение температуры газов в мокром золоуловителе обеспечивает эффективное улавливание золы в электрофильтре. Общая степень улавливания золы при этом достигает 99–99,5 %.