Очистка отходящих газов тепловых электростанций от летучей золы

Федеральное агентство по образованию РФ 

ГОУ ВПО  «Уральский государственный технический  университет – УПИ» 

Кафедра безопасности жизнедеятельности 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа 

Очистка отходящих газов  тепловых электростанций

от  летучей золы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                        Студент: Лизунов С.Л.

                                        Группа: Э-4261

                                        Преподаватель: Легкий Д.М. 
 
 
 
 
 
 

Екатеринбург 2006 г.

Содержание:

1. Введение…………………………………………………………….3

2. Технология производства электроэнергии на ТЭС……….4

3. Очистка отходящих газов на ТЭС……………………………..14

    - Электрофильтры………………………………………………..14

    - Многопольный  электрофильтр типа ДГП-42-3…………..23

4. Заключение………………………………………………………...25

5. Список литературы……………………………………………….26 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Введение. 

      Производство электроэнергии является самой важной отраслью народного хозяйства. Так как ни одна из остальных отраслей производства не обходится без нее. На данном этапе развития технологий существует три источника получения электрической энергии: энергия ядерного распада, энергия движения воды и энергия, высвобождающаяся при сжигании горючих полезных ископаемых. Станции, на которых происходит превращение этих видов энергии в электрическую, называются, соответственно,

атомными, гидро-  и теплоэлектростанциями. В своей курсовой работе я рассмотрю технологию производства электроэнергии на тепловых электростанциях и наиболее эффективные способы очистки отходящих газов. Эта технология является не только самой распространенной в нашей стране, но и самой «грязной».  В качестве топлива на  теплоэлектростанциях могут быть использованы природный газ, нефтепродукты (например, мазут), каменный уголь и другие горючие материалы. Рассмотрим производство электроэнергии на тепловых электростанциях, работающих на твердом топливе. В частности рассмотрим станции, на которых в качестве топлива используется экибастузский уголь.       

    Для обеспечения санитарных норм очистки  атмосферного воздуха от летучей  золы мощных электростанций последние  необходимо оборудовать высокоэффективными золоулавливающими аппаратами.

    Наиболее перспективным из применяемых в настоящее время методов золоулавливания является электрогазоочистка.

    Электрогазоочистка  – это процесс, при котором  твердые и жидкие частицы удаляются  из газообразной среды путем воздействия  на них электрического поля коронного разряда. 
 

    Технология  производства электроэнергии на ТЭС. 

    Технология  производства электроэнергии на  тепловых электростанциях, работающих на твердом  топливе, достаточно сложна и включает в себя множество технологических  процессов:

       - добыча топлива (угля);

       - его транспортировка;

       - разогрев и сушка;

       - размол;

       - сжигание;

       - утилизация отходов (золы);

       - нагрев воды до состояния  пара;

       - подача пара на турбину;

       - выработка электроэнергии генератором;

       - повышение напряжения для дальнейшей ее передачи.

        Начнем рассматривать эту технологию  с процесса разогрева и сушки  топлива на электростанциях.

        Отечественные электростанции и  предприятия, добывающие уголь,  во многих случаях расположены  в районах с суровой и продолжительной  зимой; топливо часто приходится транспортировать на значительные расстояния, превышающие тысячу километров. На электростанциях в значительных количествах используются угли мокрого обогащения с теплотой сгорания

    1700—3500 ккал/кг. При таких условиях топливо продолжительное время года поступает на электростанции смерзшимся и с сильно меняющейся влажностью. Такое топливо необходимо для начала разогреть. Для этой цели используются специальные устройства для разогрева вагонов с топливом, так называемые тепляки. 
 
 
 

                          Рис. 1.  

    Конструкция тепляка (рис. 1) представляет собой  помещение (1) со сквозным движением  вагонов, в котором на стенках  установлены излучатели (2)  в виде панелей (с температурой поверхности 150—200° С ) из обогреваемых паром труб (3), для разогрева вагонов с сильно смерзшимся топливом предусматривается установка панелей на потолке и в нижней части тепляка. По всей длине помещения, кроме того, установлены сопла (4), через которые подается подогретый в паровых калориферах воздух, забираемый из тепляка вентилятором, затем воздух проходит через калориферы, подается в сопла и после этого снова забирается вентилятором (5) и осуществляется его циркуляция. Тепляк разделен на отдельные секции, в которых путем изменения давления пара в трубах-излучателях и калориферах осуществляются различные режимы разогрева. Вагоны с топливом последовательно проходят через все его секции, и, таким образом, разогрев происходит при переменном режиме с убывающей интенсивностью передачи тепла. Время разогрева:

    t=Q/q,

    где Q - расход тепла на нагрев слоя топлива  до требуемой температуры, отнесенный к 1 м^2 стенки вагона, ккал/м^2 , q - удельный тепловой поток, ккал/(м^2 ч).

        Эксплуатация электростанции, и  в первую очередь котельного  агрегата, значительно осложняется при колебаниях качества топлива, в частности при изменении его влажности, так как в этом случае приходится изменять количество газов или воздуха, подаваемых в мельницы для подсушки топлива. В зависимости от системы пылеприготовления и начальной влажности топлива количество газов, затраченных на его сушку, может составлять 15_100% расхода газов на котел. Меняющийся отбор газов для сушки топлива нарушает режим работы котла, так как при этом изменяются количество газов, проходящих через мельницы и их сепараторы, тонкость размола топлива и количество охлажденных и забалластированных уходящими из мельниц водяными парами газов.  
    Наиболее эффективным средством ликвидации всех указанных затруднений является предварительная подсушка топлива. Практика показывает, что достаточно подсушить топливо на 2—4% (в зависимости от марки угля и начальной влажности), как оно приобретает нормальные сыпучие свойства.                         

         Даже при самой неглубокой  подсушке оно нагревается до 50—60°  С и 

    при этом растаивает вся смерзшаяся влага. После этого Топливо беспрепятственно проходит по механизмам топливоподачи, не застревает в бункерах и течках, не налипает на ленты транспортеров, производительность мельниц увеличивается  и пыль выдается с нужной влажностью и необходимой тонкостью помола. «Сушенку» можно получать с очень небольшими колебаниями влажности и практически полностью стабилизировать влажность пыли. При подсушке топлива также увеличивается теплота сгорания и поэтому изменения приведенной влажности пыли становятся незначительными, так как именно эта величина определяет часовой расход газов, проходящих через котел.  
    Рассмотрим трубчатую сушилку, как наиболее распространенный тип сушилок. Трубчатая сушилка представляет собой вращающийся наклонный барабан, в днища которого ввальцованы трубы внутренним диаметром 100 мм. Через них проходит топливо, а в межтрубное пространство подается пар через полую переднюю цапфу. Пар, отдавая тепло топливу, конденсируется. Конденсат удаляется через заднюю цапфу. Для интенсификации процесса передачи тепла внутри труб установлены винтовые вставки, свернутые из стальной полосы сечением (20 - ЗО) *3 мм с шагом 200—400 мм. Через трубы вместе с топливом проходит воздух, который нагревается от соприкосновения с горячей поверхностью труб и поглощает испаренную влагу. Воздух после сушилки направляется в пылеулавливающие устройства, чаще всего в электрофильтр, в котором улавливаются частицы топлива, унесенные из сушилки воздухом.

    Количество  тепла, переданного от нагретой поверхности труб находящемуся в них материалу, равно: 
Q=Fa(t - C),ккал/ч,  
где

    t - температура насыщения пара при давлении перед сушилкой °С;         

    С - средняя температура топлива, °С, изменяющаяся в пределах от начальной  температуры (5—15°С) до 70—95°С;

    a - коэффициент теплоотдачи от  горячей поверхности труб к  слою топлива, ккал/(м2 ч град); 

    F – поверхность соприкосновения  топлива с трубой.

        К котлоагрегатам энергоблоков  в зависимости от вида топлива  устанавливаются шаровые барабанные (ШБМ) или молотковые мельницы (ММ). Первые применяются для размола твердых топлив или каменных углей с выходом летучих на гоючую массу менее 28%. Вторые - для размола бурых и каменных углей с выходом летучих более 28%.

        Шаровые барабанные мельницы  представляют собой конструкцию, состоящую из цилиндра, в который засыпается топливо. Внутри цилиндра (барабана) находятся металлические шары, которые при быстром вращении барабана перемалывают топливо в пыль.   

        Молотковая мельница представлена  на рис. 2:

      Рис. 2.

     1-била;

     2-топливо;

     3-пыль.

        Наибольшее значение в нашей  энергетике имеют мельницы производительностью  50 и 70 т/ч, используемые в системах  пылеприготовления блоков, работающих  на экибастузском угле.

       Экибастузский уголь в настоящее  время применяется на блоках мощностью 300 Мвт с двухкорпусными котельными агрегатами. В ближайшие годы широкое распространение получили блоки мощностью 500—800 Мет с однокорпусными котельными агрегатами. Уголь отличается высокой зольностью, достигающей 4З% на сухую массу. Характерным является значительное содержание первичной золы, составляющее до 30% на сухую массу. Зола этого угля состоит на 90% из SiО2 и А12О3, очень тугоплавка (температура начала плавления достигает 1650 – 1700 °С, хотя изредка встречаются партии угля и более легкоплавкие). Вязкость шлака 250 пз достигается при температуре около 1800 °С. Летучая зола экибастузского угля отличается повышенной абразивностью. Реакционные свойства горючей массы экибастузского угля благоприятны для процесса горения. Однако горение частиц натурального угля имеет свои особенности. На стадии выхода и горения летучих происходит выделение смолистых компонентов с последующим их ококсовыванием и образованием на поверхности частиц пека в виде бахромы. При этом горение газообразных летучих сопровождается воспламенением и горением образовавшегося пека, что задерживает воспламенение коксового остатка. Вследствие большого содержания материнской золы и ее тугоплавкости золовой остаток частиц угля представляет собой пористую массу, сохраняя, как правило, первоначальную форму и размер частиц. Кокс - порошкообразный и слабоспекшийся. Свойства горючей и минеральной массы экибастузского угля создают благоприятные условия для его сжигания в однокамерных топочных устройствах с твердым шлакоудалением. Из-за высокой зольности, приводящей к снижению выхода горючих компонентов летучих на рабочую массу топлива, а также указанных выше особенностей воспламенения и горения коксового остатка частиц стабилизация воспламенения факела экибастузского угля затягивается. Поэтому на практике для экономичного сжигания экибастуаского угля применяют средства интенсификации воспламенения и горения пыли: более тонкий помол, чем для других каменных углей с меньшей зольностью, но с таким же выходом летучих на горючую массу; подачу пыли горячим воздухом (в схемах с промежуточным бункером); пониженную скорость выхода аэросмеси из горелки. Для создания надежных условий воспламенения пыли экибастузского угля температура газов в корне факела должна быть выше 900—1000 °С.

        Рассмотрим устройство для сжигания экибастузского угля на примере котла марки ПК-39.   

        Прямоточный котел ПК-39 блока  мощностью 300 Мвт  закритического  давления состоит из двух симметричных  корпусов с Т-образной компоновкой  (рис. 3). Топочная камера с твердым удалением шлака. Тепловое напряжение объема н поперечного сечения топки при номинальной нагрузке соответственно составляет 148*10^3 ккал/(м^3*.ч) и 4,1*10^6 ккал/(м^2*.ч). На боковых стенах топки в два яруса расположены встречно вихревые горелки (мощностью по 26*10^6 ккал/ч) с поворотными лопатками и регулируемой круткой потока вторичного воздуха с прямоточными мундштуками,

                     Рис. 3.

    имеющими  конические насадки для первичного воздуха. На каждом корпусе котла  установлено 12 горелок. Котел оборудован тремя пылесистемами с шаровыми барабанными мельницами Ш-50, с сушкой топлива горячим воздухом, двумя промбункерами и подачей пыли в горелки горячим воздухом четырьмя вентиляторами горячего дутья. Поступление пыли из промежуточного бункера в пылепроводы осуществляется 24 пылепитателями. Сбросные горелки прямоугольного сечения 560х200 мм установлены на боковых стенах топки над основными горелками с наклоном вниз на 15°.  
    Расчетные и режимные данные этого котла приведены ниже:

    Паропроизводительность - 495 т/час

    Давление  первичного пара - 140 кгс/см2

    Температура - 5700С 

    Расход  вторичного пара - 540 т/час

    Температура вторичного пара – 570 0С 

    Температура уходящих газов – 138 0С

    КПД котла ( брутто ) - 92,14%

    Часовой расход угля ( Экибастузского ) - 130 т/час

    Теплотворная  способность угля - 3900 - 4200 ккал/кг

        Изнутри топочная камера покрыта  сетью труб диаметром в несколько  сантиметров. По этим трубам  подается специально очищенная  вода, которая прямо в них превращается  в пар. Далее при температуре 570 0С и давлении 130 кгс/см^2 пар подается на лопатки турбины. Турбина представляет собой вал, установленный на опорных подшипниках, с закрепленными на нем под определенным углом на роторах лопатками. Как правило турбина имеет четыре ротора: высокого (1), среднего (2) и два ротора низкого давления (3) (рис. 4).

         Рис. 4.

    Свежий  пар поступает к турбине по 2 паропроводам через главные паровые  задвижки, расположенные в непосредственной близости от стопорных клапанов.

        После главных паровых задвижек пар, пройдя два стопорных клапана с проходным сечением, поступает через 4 перепускные трубы и 4 регулирующих клапана к сопловым коробкам ротора высокого давления.

        После него пар направляется  по 2 паропроводам к промежуточному  пароперегревателю котла, откуда по 4 паропроводам поступает к 2 отдельно стоящим защитным клапанам ротора среднего давления. От защитных клапанов пар поступает через 4 регулирующих клапана в ротор среднего давления. Из него пар по 2 рессиверным трубам направляется в двухпоточный ротор низкого давления и далее в конденсатор турбины. В нем пар охлаждается проточной водой до 30 0С.

        Турбогенератор типа ТГВ-2ОО соединен  с турбиной посредством полумуфты.  Герметическое исполнение корпуса  генератора и торцевые масляные  уплотнения вала обеспечивают нормальную работу генератора при давлении водорода 3-4 атм. Со стороны турбины в корпус встроены два вертикальных газоохладителя с латунными трубками. В нижней части статора имеются люки, позволяющие производить внутренний осмотр генератора.

        Сердечник статора состоит из  отдельных пакетов, собранных  из изолированных сегментов высоколегированной  холоднокатаной электротехнической  стали. Пакеты разделены между  собой распорками, образующими радиальные  вентиляционные каналы. Для предотвращения вибрации корпуса статора с двойной частотой сердечник статора подвешен к корпусу при помощи специальных пружин. Пазы сердечника статора открытые. Обмотка статора - двухслойная, стержневая, корзинчатого типа, с непосредственным охлаждением. Внутри каждого стержня, между транпозированными проводниками расположены вентиляционные трубки из немагнитной стали, через которые продувается водород. На концах вентиляционных трубок надеты газонаправляющие колпачки из кремне - органической резины, которые одновременно являются изоляцией головок обмотки статора. Каждая фаза обмотки статора имеет 2 параллельные ветви.

    Напряжение  статора  15,75 + 5 %  кВ.

        Ротор - цельнокованный, из высококачественной  легированной стали. В бочке  ротора выфрезованы пазы для  обмотки возбуждения, выполненной из корытообразных проводников, образующих каналы для внутреннего охлаждения. Материалом проводников служит медь повышенной прочности с присадкой серебра.

       Закрытыми шинопроводами генератор  подключен к главному повышающему  трансформатору. Параллельно главному  трансформатору подключены: отпаечный  трансформатор собственных нужд  и трансформатор тиристорного  возбуждения. Главный повышающий  трансформатор повышает напряжение с 15,75 кВ до 110 кВ. С таким напряжением электроэнергия передается по линиям электропередачи к понижающим трансформаторам потребителя.  
 

    Очистка отходящих газов  на ТЭС. 

    Электрофильтры.

    Электрофильтры  задерживают почти 100% пыли, содержащейся в воздухе или отходящих газах. Начальные затраты на электрофильтры высоки. Эффективность действия этих пылеуловителей в большой мере зависит от конструкции и качества пополнения вытяжных зонтов и воздуховодов.

    Электрофильтры  обладают тем преимуществом, что на степень очистки в них не оказывает заметного влияния фракционный состав пыли. Механический износ и падение давления в них незначительны. Но для установки электрофильтров требуются высокие капитальные затраты и большая площадь. 
 
 

    Осадительные электроды.

    Увеличение  скорости газов без коренного  изменения конструкции осадительных электродов невозможно. При скорости газов в электро-фильтрах сверх 2 м/сек степень очистки ухудшается вследствие вторичного уноса пыли газовым потоком при встряхивании электродов.

    Уменьшение  скорости в электрофильтрах за счет увеличения активного сечения путем удлинения электродов в вертикальном направлении невозможно по конструктивным и производственным условиям. Увеличить ширину электрофильтра в направлении, поперечном ходу газов, не позволяют размеры котельной ячейки. Поэтому, естественно, что первым возникает вопрос об увеличении высоты электрофильтра с одновременным улучшением его аэродинамических качеств.

    На электростанции с котлами паропроизводительностью 650 т/ч и более устанавливаются горизонтальные электрофильтры с двумя и большим числом полей по ходу газов, с электродами высотой до 7,3 м. 

    Рис. 5. Осадительный электрод. 

    Новая конструкция осадительного электрода - желобчатая(рис.5), обладает следующими преимуществами по сравнению с карманными электродами:

    а) увеличение высоты электрода до 7,2 м, 
т.е. на 15% по сравнению с карманным, при достаточной жесткости конструкции и без затруднений процесса их производства;

    б) уменьшение вторичного уноса при встряхивании;

    в) увеличение поверхности осаждения. 
Второй и третий факторы непосредствен 
но влияют на эффективность улавливания в то 
время, как первый позволяет увеличить активное сечение электрофильтра в пределах заданной ширины котельной  ячейки.

    Влияние второго и третьего факторов вполне объяснимо. Оказавшись вблизи поверхности осадительных электродов частицы пыли, основная масса которых заряжена отрицательно, должны были бы все осесть на их поверхности и перезарядиться, приобретая положительную полярность. Однако после перезарядки частиц в силу одноименности их заряда осадительного электрода возникают условия, способствующие возврату их в газовый поток, особенно при встряхивании. В случае применения гладких осадительных электродов это явление возникает при меньшей скорости газов, чем при установке фигурных  электродов.

    Эффект  от применения желобчатых электродов заключается в том, что электрически заряженная пыль оседает на них в виде торчащих наростов на кромках желобов. Эти наросты имеют очень малое основание и поэтому легко отваливаются при встряхивании. Отрицательно заряженная пыль нароста вовлекается внутрь желоба и соскальзывает по нему в сборный бункер пыли.

    Завихрение  газов, образующееся у кромок желобов, способствует попаданию в них  отряхнутых наростов пыли.

    Для своевременного удаления наростов, учитывая продолжительность их образования  на желобчатых электродах периодичность  их отряхивания должна быть большей, чем принято для карманных электродов.

    Желоба, из которых состоит осадительный электрод, установлены с наклоном, чтобы пыль при скольжении не отрывалась от желоба.

    Если необходимо улавливать пыль с высоким электрическим сопротивлением, выгодность желобчатых электродов проявляется в том, что их поверхность больше на ~50%, чем поверхность карманных электродов, поэтому толщина слоя пыли на желобчатом электроде меньше, и ток короны легче проходит через слой; слишком высокий потенциал образуется только при относительно большом сопротивлении пыли.

    Общепринятым теоретическим выражением для эффективности улавливания взвешенных в газе частиц η  служит экспоненциальная формула, один из вариантов которой имеет следу 
ющий вид: 

    η=1-е^-wF;

    где

    w – кажущаяся скорость дрейфа частиц в направлении осадительного электрода, м/сек;

    F - удельная поверхность осадительных электродов фильтра на единицу расхода газов, м²/м³/сек;

    е - основание натуральных логарифмов (2,718).

    В поле коронного разряда с пластинчатыми осадительными электродами напряженность поля может быть определена приближенно по формуле

    Е=√4i/b;

    где   

    i - ток короны на единицу длины коронирующего провода;

    b - подвижность ионов.

    Следовательно, эффективность электрофильтра зависит от величины удельной поверхности осадительных электродов и от скорости дрейфа частиц. В свою очередь скорость дрейфа пропорциональна радиусу улавливаемых частиц, квадрату напряженности поля и удельному расходу тока короны.

    Важный  качественный показатель работы электрофильтра - скорость дрейфа частиц - может быть улучшен путем увеличения силы тока короны, протекающего, через электрофильтр. Таким путем может быть существенно увеличена эффективность осаждения.

    Применение  желобчатых электродов вместо карманных  является самым существенным конструктивным отличием новых электрофильтров. 

    Коронирующие    электроды.

    Остальные узлы новых электрофильтров заимствованы из аппаратов ДГПН и подверглись лишь частичным изменениям с целью увеличения их эксплуатационной надежности, улучшения транспортабельности или облегчения изготовления.

    Коронирующие  электроды выполнены составными, из двух рам вместо одной общей рамы.

    В этих рамах, как и в аппаратах  ДГПН, натянута стальная проволока "штыкового" сечения с диаметром описанной окружности 4 мм. 

    Механизмы    встряхивания.

    Пыль, самопроизвольно осевшая на поверхности осадительного электрода, спадает только при очень большой толщине слоя. Во избежание образования в толстом слое пыли обратной короны или расстройства золоудаления при обвалах большой массы пыли ее необходимо удалять принудительно, что достигается встряхиванием электродов.  

    Смещенные с осадительного электрода пылинки могут быть вторично увлечены газовым потоком. Очевидно, что на эффективность электрофильтр значительное влияние будут оказывать сила и частота ударов, а также продолжительность периода отряхивания.

    Обоснованной методики расчета силы и частоты ударов при отряхивании не имеется. В связи с этим успешно можно применять только такой встряхивающий механизм, который легко регулируется по силе и частоте ударов.

    Наиболее  широко применяемыми типами встряхивающих  устройств как для осадительных, так и для коронирующих электродов являются следующие: ударные с приводом от электродвигателя, вибрационные, магнитно-импульсные. Все эти способы в одинаковой степени достигают цели.

    Также проводились стендовые испытания магнитно-импульсного встряхивающего устройства. Его встряхивающий элемент представляет собой соленоидный электромагнит с подвижным плунжером, приводимым в движение от разряда конденсатора, причем разряд синхронизируется тиратроном. Коробка встряхивающего элемента приварена к концу встряхивающей штанги, проходящей через стенку корпуса электрофильтра и соединенной с группой осадительных электродов. При возбуждении обмотки соленоида коротким импульсом тока, поступающего от генератора импульсов, плунжер резко выталкивается к встряхивающей штанге, вызывая ударные вибрации, необходимые для отряхивания электрода. По имеющимся данным такое встряхивание является наиболее эффективным, отличаясь компактностью и малым расходом электроэнергии.

    В связи с тем что коронирующий электрод составлен из нескольких рам, предусмотрено самостоятельное отряхивание каждой рамы, для чего молотки располагаются в два яруса. 

    Корпус электрофильтра.

    Корпусы электрофильтров для дымовых  газов часто сооружают из монолитного железобетона. Также для электрофильтров дымовых газов корпусы изготовляют металлическими - стальными. В отношении устойчивости против коррозии стальной корпус, имеющий хорошую тепловую изоляцию, не менее долговечен, чем железобетонный, но проще в изготовлении. Однако учитывая большой расход стали на изготовление металлических корпусов электрофильтров крупных электростанций целесообразно изготовление корпусов из сборного железобетона.  

    Выпрямители    для    питания током    электрофильтров.

    Электрофильтр работает тем лучше, чей ближе к пробивному напряжение на его электродах. В электрофильтрах для дымовых газов напряжение пробоя сильно колеблется, так как зависит от ряда факторов: расхода газов, их запыленности, физико-химических свойств золы.