Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Способы очистки выхлопов теплоэнергетических установок от CO, NOx зависимость от избытка кислорода

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Промышленная экология»

Способы очистки выхлопов теплоэнергетических установок от CO, NO_x зависимость от избытка кислорода

Казань 2013

ВВЕДЕНИЕ

Промышленность и энергетика как основные и тесно взаимосвязанные отрасли народного хозяйства представляют собой совокупность предприятий, обеспечивающих производственную базу страны. Понятием «энергетика» охватывается широкий круг технических средств, предназначенных для выработки, преобразования, передачи и использования электрической, тепловой и других видов энергии, а также энергоносителей, таких как сжатый воздух, кислород и др.

Помимо централизованного электроснабжения широко используется и централизованное снабжение теплотой в виде горячих воды и пара, вырабатываемых на некоторых электростанциях одновременно с электричеством, т.е. наряду с электрическими сетями существуют тепловые сети. Основными тепловыми электрическими станциями на органическом топливе являются паротурбинные электрические станции, которые, в свою очередь, подразделяются на конденсационные (КЭС), вырабатывающие только электрическую энергию, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), предназначенные для одновременной выработки электрической и тепловой энергии.

Паротурбинные электрические станции вырабатывают одновременно два вида энергии (электрическую энергию и теплоту), т.е. дают возможность лучше использовать сжигаемое топливо, повысить мощность одного агрегата, отличаются относительно высокой экономичностью, наименьшими по сравнению с другими электрическими станциями удельными капитальными затратами на сооружение. Основными тепловыми агрегатами, например, ТЭС являются паровой котел и паровая турбина.

Паровой котел — это устройство для выработки пара с давлением выше атмосферного за счет теплоты от сжигания топлива.

Контроль за работой котельной установки и турбины и управление их работой ведется из специального помещения, в котором расположены щиты контрольноизмерительных приборов и щиты управления.

Вырабатываемый в котельном агрегате пар поступает в турбину, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электрический ток. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор, откуда конденсатным насосом направляется в подогреватель низкого давления (ПНД) и далее в деаэратор, где из воды удаляются растворенные в ней газы — О2, СО2 и др.

Из деаэратора вода питательным насосом подается в подогреватель высокого давления (ПВД). Деаэратор, ПНД и ПВД обогреваются паром регенеративных отборов от турбины. Для восполнения потерь конденсата используется вода, очищенная в установке химической очистки воды.

Тепловая схема ТЭЦ отличается от схемы КЭС наличием отводящих паропроводов к промышленным и тепловым потребителям пара и специальных подогревателей сетевой воды — бойлеров, использующих отборы пара из турбины, насосов сетевой воды, подающих горячую воду потребителям теплоты. Подпитка тепловой сети осуществляется с помощью подпиточного насоса.

Традиционные методы по очистке выбросов СО_х

Несмотря на большую опасность оксида углерода и значительное количество его выбросов, промышленных установок для очистки воздуха от оксида углерода нет. Могут применяться следующие способы очистки воздуха (газов) от оксида углерода: сорбция СО жидкими и твердыми поглотителями, каталитическое окисление СО в значительно менее опасный диоксид углерода С0₂ при сравнительно невысокой температуре и, наконец, дожигание СО до С(Ь. Сорбционные процессы малоперспективны для очистки значительных количеств воздуха (газа) главным образом из-за малой поглотительной способности сорбентов. Дожигание СО и СО2 можно осуществить, если температура поддерживается выше 800 °С, т. е. выше температуры воспламенения СО, и концентрация СО в очищаемом газе составляет более 12%. В большинстве случаев параметры воздуха не позволяют использовать данный метод.

Газы в промышленности обычно загрязнены вредными примесями, поэтому очистка широко применяется на заводах и предприятиях для технологических и санитарных (экологических) целей. Промышленные способы очистки газовых выбросов от газо- и парообразных токсичных

примесей можно разделить на три основные группы:

адсорбция жидкостями;
адсорбция твердыми поглотителями;
каталитическая очистка.

примесей можно разделить на три основные группы:

адсорбция жидкостями;
адсорбция твердыми поглотителями;

Традиционные методы по очистке выбросов СО _х

№

Методы

Сущность метода

Достоинства и недостатки метода

Абсорбция жидкостями

Применяется в промышленности для извлечения из газов диоксида серы, сероводорода и других сернистых соединений, оксидов азота, паров кислот (HCl, HF, H2S04), диоксида и оксида углерода, разнообраз-

+: метод характеризуется непрерывностью и универсальностью процесса, экономичностью и возможностью извлечения больших количеств примесей из газов.

Недостаток этого метода в

ных органических соединений (фенол, формальдегид, летучие растворители и др.).

том, что насадочные скрубберы, барботажные и даже пенные аппараты обеспечивают достаточно высокую степень извлечения вредных примесей (до ПДК) и полную регенерацию поглотителей только при большом числе ступеней очистки.

Адсорбция твердыми поглотителями

метод основан на избирательном извлечении из парогазовой смеси определенных компонентов при помощи адсорбентов — твердых высокопористых материалов, обладающих развитой удельной поверхностью

(Буд — отношение поверхности к массе, м2/г).

+: Наиболее перспективны непрерывные циклические процессы адсорбционной очистки газов в реакторах с движущимся или взвешенным слоем адсорбента, которые характеризуются высокими скоростями газового потока.

глубокая очистка газов от токсичных примесей;
сравнительная легкость регенерации этих примесей с превращением их в товарный продукт или возвратом в производство; таким образом осуществляется принцип безотходной технологии.

периодичность процесса и связанная с этим малая интенсивность реакторов, высокая стоимость периодической регенерации адсорбентов. Применение непрерывных способов очистки в движущемся и кипящем слое адсор-

бента частично устраняет эти недостатки, но требует высокопрочных промышленных сорбентов, разработка которых для большинства процессов еще не завершена.

Каталитическая

очистка

Метод основан на реакциях в присутствии твердых катализаторов, т. е. на закономерностях гетерогенного катализа. В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превращаются в другие соединения, т. е. в отличие от рассмотренных методов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвредные соединения, присутствий: которых допустимо в выхлопном газе, либо в соединения, легко удаляемые из газового потока. Если образовавшиеся вещества подлежат удалению, то требуются дополнительные операции (например, извлечение жидкими или твердыми сорбентами).

+: наиболее реальный и перспективный способ очистки газов от СО. Большое значение придается выбору наиболее эффективного катализатора. Одним из них является катализатор платиновой группы. При пропуске очищаемого газа через данный катализатор с толщиной слоя 150 мм, при температуре 300- 350 °С и гидравлическом сопротивлении слоя 15 кПа достигается полное окисление СО до СО2.

образование новых веществ, которые подлежат удалению из газа другими методами (абсорбция, адсорбция), что усложняет установку и снижает общий экономический эффект.

ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

И ПРОЦЕССОВ

Определение котельной установки

Котельными установками называется комплекс оборудования, предназначенного для превращения химической энергии топлива в тепловую с целью получения горячей воды или пара заданных параметров.

В зависимости от назначения различают следующие котельные установки: отопительные — для обеспечения теплом систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения; отопительно-производственные — для обеспечения теплом систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологического водоснабжения и производственные — для технологического теплоснабжения.

Котельная установка состоит из котельного агрегата, вспомогательных механизмов и устройств.

Котельный агрегат включает топочное устройство, трубную систему с барабанами, пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель, а также каркас с лестницами и помостами для обслуживания, обмуровку, газоходы и арматуру.

К вспомогательным механизмам и устройствам относят дымососы и дутьевые вентиляторы, питательные, водоподготовительные и пылеприготовительные установки, системы топ- ливоподачи, золоулавливания (при сжигании твердого топлива), мазутное хозяйство (при сжигании жидкого топлива), газорегуляторную станцию (при сжигании газообразного топлива), контрольно-измерительные приборы и автоматы.

В процессе получения горячей воды или пара для отопления, производственнотехнических и технологических целей служат вода, топливо и воздух (рабочим телом является вода).

В промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве применяют различные виды

котлов.

Паровой котел представляет собой устройство с топкой, обогреваемое продуктами сжигаемого в ней топлива и предназначенное для получения пара давлением выше атмосферного, используемого вне устройства, а водогрейный котел — такое же устройство, но предназначенное для нагревания воды, находящейся под давлением выше атмосферного и используемой в качестве теплоносителя вне устройства.

Котел-утилизатор — это паровой или водогрейный котел, в котором в качестве источника тепла используются горячие газы технологического процесса, котел-бойлер — паровой котел, в паровом пространстве которого размещено устройство для нагревания воды, используемой вне котла, а в естественную циркуляцию включен отдельно стоящий бойлер.

Стационарным называют котел, установленный на неподвижном фундаменте, передвижным — котел, имеющий ходовую часть или установленный на передвижном фундаменте.

Пароперегреватель представляет собой устройство, предназначенное для перегрева пара выше температуры насыщения, соответствующей давлению в котле, в результате передачи ему тепла дымовыми газами, а экономайзер — устройство, обогреваемое продуктами сгорания топлива и служащее для подогрева или частичного испарения воды, поступающей в котел.

Воздухоподогреватель предназначен для подогрева поступающего в топочное устройство воздуха теплом уходящих газов.

Питательная установка состоит из питательных насосов для подачи воды в котел под давлением, а также соответствующих трубопроводов и арматуры, тягодутьевое устройство - из дутьевых вентиляторов, системы газовоздуховодов, дымососа и дымовой трубы, обеспечивающих подачу необходимого количества воздуха в топочное устройство, движение продуктов сгорания по газоходам, и удаление их за пределы котлоагрегата.

Устройство теплового контроля и автоматического управления включает контрольноизмерительные приборы и автоматы, обеспечивающие бесперебойную и согласованную работу котельной установки для выработки необходимого количества пара определенной температуры и давления.

В устройство для подготовки питательной воды входят аппараты и приспособления, обеспечивающие очистку воды от механических примесей и растворенных в ней накипеобразующих солей, а также удаление из нее газов.

Котельные установки, работающие на пылевидном топливе, оборудуют дробилками, сушилками, мельницами, питателями, вентиляторами, а также системой транспортеров и пыле- газопроводов.

Устройство для удаления золы и шлака состоит из гидравлических систем и механических приспособлений: вагонеток или транспортеров или тех и других.

Топливный склад служит для хранения топлива. В зависимости от вида используемого топлива склад оборудуют:

при твердом топливе — механизмами для разгрузки и подачи топлива в котельную или топливоподготовительное устройство;

при жидком — приемными и подготовительными устройствами для слива топлива, а также хранилищами;

при газообразном — газорегуляторным пунктом (ГРП) или газорегуляторной установкой (ГРУ).

1. ВЫБРОСЫ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЖИГАНИИ

ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА И ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО

ВОЗДУХА

1.1. Выбросы загрязняющих веществ

Бытовые и производственные энергопотребности удовлетворяются

следующими видами энергии:

- тепловой (технологические процессы, отопление, кондиционирование

воздуха),

- электрической (привод машин, электроаппаратуры, освещение),

- электромагнитной (радиосвязь, телефонная связь, телевидение, приборы).

Наиболее универсальная - электрическая энергия, обеспечивающая

потребность в электромагнитной и в значительном количестве в тепловой

энергии. До настоящего времени большая часть энергопотребления

покрывается за счет непосредственного сжигания органического топлива в

печах.

Предприятия, вырабатывающие электроэнергию на базе органического

топлива, называются тепловыми электростанциями (ТЭС). При сжигании

топлива химическая энергия превращается в тепловую энергию пара, которая

затем в паровой турбине переходит в механическую энергию, а

турбогенератор делает ее уже электрической. Тепловой КПД обычной ТЭС

весьма низкий - 37-39%. Почти 2/3 тепловой энергии и остатков бывшего

топлива в буквальном смысле вылетают в трубу, нанося вред окружающей

среде.

На производство электроэнергии тепловыми электростанциями

расходуется менее четверти всех добываемых горючих ископаемых,

остальная часть расходуется в основном на получение промышленной и

бытовой тепловой энергии. Предприятия, вырабатывающие как

электрическую, так и тепловую энергию, называются

теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Электрическая энергия ТЭЦ подается в

электросеть, а тепловая - в теплопроводы.

При сжигании органического топлива в топках промышленных и

коммунальных котлоагрегатах и теплогенераторах производится тепловая

энергия (водяной пар или горячая вода на отопление или горячее

водоснабжение). Котельные установки, предназначенные для снабжения

паром предприятий, принято называть производственными котельными; в

случае, когда котельная вырабатывает пар и нагревает воду для предприятия

и нужд отопления, ее называют производственно-отопительной; и когда

котельная установка сооружается лишь для потребностей отопления и

горячего водоснабжения, ее называют отопительной. Представленные

3котельные могут быть различной мощности: различают котельные с

паропроизводительностью до 30 т/ч и выше 30 т/ч.

Тепловые электростанции и теплоэлектроцентрали, вырабатывающие

электрическую и тепловую энергию на базе сжигания органических видов

топлива, оказывают значительное отрицательное воздействие на

окружающую среду. С дымовыми газами электростанций в воздушный

бассейн выбрасывается большое число твердых и газообразных

загрязнителей, среди которых такие вредные вещества как зола, оксиды

углерода, серы и азота. Помимо этого в воздушный бассейн попадает

огромное количество диоксида углерода и водяных паров.

Объемы вредных выбросов ТЭС в атмосферу для примера можно

характеризовать данными материального баланса угольной ТЭС мощностью

2400 МВт, работающей на угле типа донецкого антрацитового штыба (рис.

1). На такой ТЭС в час сжигается до 1060 т угля (калорийностью порядка

22,7 МДж/кг, зольностью 23 %, сернистостью 1,7 %), из топок котлов

удаляется 34,5 т/ч шлака и из бункеров электрофильтров (очищающих

дымовые газы от золы на 99 %) - 193,5 т/ч уловленной золы. Уловленная зола

и шлак в количестве 228 т/ч попадают в золоотвал электростанции, засоряя и

загромождая огромные территории. При этом часовой выброс дымовых газов

составляет около 8 млн. м

, содержащих 2350 т углекислого газа, 251 т

водяных паров, 34 т сернистого ангидрида, 9,3 т оксидов азота, 2 т летучей

золы (при эффективности золоуловителей 99 %).

Рис. 1. Материальный баланс угольной ТЭСмощностью 2400 МВт

При сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива вся егомасса превращается в отходы, причем количество продуктов сгорания в

несколько раз превышает массу использованного топлива за счет включения

азота и кислорода (в 5 раз - при сжигании газа, в 4 раза - угля).

Существенное влияние на состав образующихся вредных веществ при

сжигании топлива оказывают: 1) его вид; 2) режим горения.

1) На тепловых электростанциях используется твердое, жидкое и

газообразное топливо.

Твердое топливо

В качестве твердого топлива в теплоэнергетике используют угли

(бурые, каменные, антрацитовый штыб), горючие сланцы и торф.

Горючая часть топлива включает органическую, состоящую из

углерода, водорода, кислорода, органической серы, и неорганическую части

(в состав горючей части топлива ряда месторождений входит пиритная сера

FeS2).

Негорючая (минеральная) часть топлива состоит из влаги и золы.

Основная часть минеральной составляющей топлива переходит в процессе

сжигания в летучую золу, уносимую дымовыми газами. Другая часть в

зависимости от конструкции топки и физических особенностей

минеральной составляющей топлива может превращаться в шлак.

Зольность отечественных углей колеблется в широких пределах (10—

55 %). Соответственно изменяется и запыленность дымовых газов, достигая

для высокозольных углей 60—70 г/м

Химический состав золы твердого топлива достаточно разнообразен.

Обычно зола состоит из оксидов кремния, алюминия, титана, калия, натрия,

железа, кальция, магния. Кальций в золе может присутствовать в виде

свободного оксида, а также в составе силикатов, сульфатов и других

соединений.

Более детальные анализы минеральной части твердых топлив

показывают, что в золе в небольших количествах могут быть и другие

элементы, например, германий, бор, мышьяк, ванадий, марганец, цинк, уран,

серебро, ртуть, фтор, хлор. Микропримеси перечисленных элементов

распределяются в различных по размерам частиц фракциях летучей золы

неравномерно, и обычно их содержание увеличивается с уменьшением

размеров этих частиц.

В составе золы твердых видов топлива могут присутствовать

радиоактивные изотопы калия, урана и бария. Эти выбросы практически не

влияют на радиационную обстановку в районе ТЭС, хотя их общее

количество может превышать выбросы радиоактивных аэрозолей на АЭС той

же мощности.

Твердое топливо может содержать серу в следующих формах:

колчедана Fe2

S и пирита FeS2, в составе молекул органической части топлива

и в виде сульфатов в минеральной части. Соединения серы в результате

5горения превращаются в оксиды серы, причем около 99 % составляет

сернистый ангидрид S02.

Сернистость углей в зависимости от месторождения составляет 0,3—

6,0 %. Сернистость горючих сланцев достигает 1,4—1,7 %, торфа—0,1 %.

Жидкое топливо

В качестве жидкого топлива в теплоэнергетике применяются мазут,

сланцевое масло, дизельное топливо.

В состав золы мазута входят пентаоксид ванадия (V2

О5), а также Ni2

O3,

А1203, Fe2

O3, SiO2, МgО и другие оксиды. Зольность мазута не превышает 0,3

%. При полном его сгорании содержание твердых частиц в дымовых газах

составляет около 0,1 г/м

, однако это значение резко возрастает в период

очистки поверхностей нагрева котлов от наружных отложений.

В жидком топливе отсутствует пиритная сера (FeS2). Сера в мазуте

находится преимущественно в виде органических соединений, элементарной

серы и сероводорода. Ее содержание зависит от сернистости нефти, из

которой он получен.

В мазуте, сжигаемом в котельных и на ТЭЦ, содержится много

сернистых соединений. После его сгорания образуется диоксид серы,

являющийся причиной выпадения так называемых кислотных дождей.

Предотвратить вредное воздействие кислоты на здоровье людей, жизнь

животных и растительный мир, особенно при сверхнормативной ее

концентрации, можно при внедрении эффективных технологических схем по

обессериванию мазутов. При переработке высокосернистой нефти только 5—

15 % серы переходит в дистилляционные продукты; остальная часть серы

остается в мазуте, сжигание которого в больших количествах на установках

НПЗ и крупных ТЭЦ, расположенных вблизи них, связано с большой

концентрацией сернистых соединений в отходящих дымовых газах.

Топочные мазуты в зависимости от содержания в них серы

подразделяются на малосернистые - содержание серы Sp < 0,5 %, сернистые

p = 0,5-2,0 % и высокосернистые Sp > 2,0 %.

Дизельное топливо по содержанию серы делится на две группы:

первая—до 0,2 % и вторая—до 0,5 %. В сланцевом масле содержание серы

не более 1 %.

Газообразное топливо представляет собой наиболее “чистое”

органическое топливо, так как при его полном сгорании из токсичных

веществ образуются только оксиды азота. При неполном сгорании в

выбросах присутствует оксид углерода (СО).

ТЭС на природном газе значительно экологически чище угольных,

мазутных и сланцевых, но нельзя забывать о вреде, который наносит природе

добыча газа и прокладка тысячекилометровых трубопроводов, особенно в

северных районах страны, где сосредоточены месторождения газа (ущерб

тайге, тундре, оленеводству).

В составе загрязняющих веществ, характерных для объектов газовой

промышленности, обычно выделяют сероводород H2

S. Природные газы

могут быть бессернистыми или содержать значительные количества

сероводорода. Добыча и переработка сероводородсодержащих газов,

токсичность и летучесть компонентов которых выше, чем у нефти,

сопровождается выделением больших количеств H2

S в атмосферу и является

более опасной по загрязнению воздуха и других экологических объектов по

сравнению с природным газом, свободным от сероводорода. В процессе

переработки газов, содержащих Н2

S, происходит разрушение и износ

оборудования, в результате чего выделяются в окружающую среду в опасных

объемах сероводород и сопутствующие ему токсичные сернистые, азотные и

другие соединения.

Природные газы различаются содержанием сероводорода. Например,

природные газы Оренбургского месторождения содержат 4-6 %

сероводорода, астраханского - 25 %. В Канаде эксплуатируются газовые

месторождения с содержанием сероводорода до 50 %. Газы

нефтепереработки могут содержать от 0,5 до 15 % сероводорода.

Требования к степени очистки зависят от назначения газа. При очистке

газа, выбрасываемого в атмосферу, содержание сероводорода должно

соответствовать ПДК. При очистке технологических газов содержание

сероводорода регламентируется требованиями процессов дальнейшей

переработки. Сероводород, выделяемый при очистке, перерабатывают в

элементарную серу или серную кислоту. Методы очистки от сероводорода

можно разделить на две основные группы: сорбционные методы и методы