CC BY
237
Н. Ф. Тимербаев, Р. Г. Сафин, А. Р. Садртдинов
ОЧИСТКА ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК РАБОТАЮЩИХ НА ТВЕРДЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДАХ
Ключевые слова: твердые бытовые отходы, оксиды азота, диоксины, селективно некаталитическое восстановление, абсорбция, закалка.
Определено, что для улучшения эффективности процесса очистки топочных газов необходимо применение высокотемпературных режимов сжигания органических отходов, обеспечивающих полную деструкцию высокотоксичных органических веществ и установлено, что процесс восстановления оксидов азота можно интенсифицировать за счет повышения давления в зоне протекания реакций восстановления, а применение в качестве абсорбента известкового молока увеличивает общий эффект очистки.
Keywords: firm household waste, nitrogen oxides, dioxine, selectively not catalytic restoration,
absorption, training.
It is defined that for improvement of efficiency ofprocess of clearing of top internal gases application of high-temperature modes of burning of the organic waste providing full destruction of highly toxic organic substances is necessary and is established that redaction process of nitrogen oxides can be intensified at the expense of pressure increase in the zone where restore process occurs, nd application as absorbent limy a solution increases clearing cumulative effect.
Исследования показывают, что при термической утилизации органических отходов, в том числе и хлорсодержащих, выбрасываются значительные количества токсичных веществ, таких как: оксиды азота (NOx), двуокиси углерода и серы, диоксины, фураны и многие другие [1]. Количество выбросов химических веществ, прежде всего, зависит от вида используемого топлива и от эффективности процесса сжигания. Эффективность процесса сжигания зависит от температуры горения, от того, насколько хорошо смешиваются газы, времени нахождения топочных газов в топке, наличия достаточного количества кислорода и дисперсного состава топлива. Ввиду наличия в топочных газах большого количества токсичных веществ, установки для сжигания отходов вносят заметный вклад в общий баланс выбросов токсичных веществ в атмосферу.
Органические отходы, в том числе загрязненная древесина и другие загрязненные биоматериалы могут быть результатом многих видов антропогенной деятельности, особенно отходы деревообработки (например, стройматериалы, мебель, упаковочные материалы, игрушки, кораблестроение и строительство) [2]. Эти материалы могут усилить образование вредных веществ во время термической переработки. Поэтому следует избегать их утилизации в установках для сжигания, и перерабатывать только в специально для этого предназначенных установках по утилизации опасных отходов.
В настоящее время актуальным является разработка систем очистки сочетающих в себе традиционные и инновационные физико-химические способы очистки отходящих топочных газов.
Авторами разработана схема установки очистки отходящих топочных газов, изображенная на рис.1. позволяющая повысить эффективность традиционных способов очистки отходящих газов путем оптимальной комбинации процессов.
Установка состоит из: камеры дожигания газов 1 образованных в энергетической установке; пароперегревателя 2; электрофильтра 3 для улавливания мелкодисперсных частиц и сажи; герметичной камеры восстановления оксидов азота 4, в которую впрыскивается продукты деструкции карбамида; теплообменника 5 с развитой поверхностью и высокой интенсивностью теплообмена; скруббера 6; дымососа 7 и дымовой трубы 8.
Рис. 1 - Схема установки очистки отходящих топочных газов
Проведенные исследования показывают, что концентрация токсичных веществ в топочных газах, зависит от температуры в зоне горения. Анализ данной зависимости, изображенной на рис.2, показывает, что при увеличении температуры происходит резкое снижение содержания основных токсикантов. В связи с этим, в разработанной установке, первый этап очистки топочных газов осуществляется в камере дожига 1 при температуре свыше 1800°С. Это обеспечивает полную термическую деструкцию токсичных органических соединений содержащихся в газах.
После газы поступают в пароперегреватель 2, в котором происходит снижение их температуры до 1000-900°С.
Далее отходящие газы подвергают очистке в электрофильтре 3 от мелкодисперсных и крупных частиц золы и сажи, которые являются наиболее токсичными веществами, так как сорбируют на своей поверхности многие токсиканты и тяжелые металлы, образующиеся в процессе сжигания.
Высокая температура процесса в камере дожига 1 приводит к увеличению концентрации оксидов азота в топочных газах [3], что обуславливает необходимость наличия в системе очистки, стадии восстановления ЫОх.
В связи с этим, топочный газ после электрофильтра 3 направляется в камеру восстановления 1ЧОх 4, где происходит восстановление оксидов азота до молекулярного азота.
Т, С
ЫОх
СО
-БО2
СО2
Рис. 2 - Зависимость концентрации токсичных веществ от температуры в зоне горения
Для восстановления оксидов азота был использован метод не каталитического восстановления их до молекулярного азота [4]. В большинстве случаев для восстановления оксидов азота используется раствор аммиака. Однако данные показывают, что более рационально использовать для восстановления ЫОх продукты термического разложения водного раствора карбамида [5, 6].
Проведенные исследования показали, что степень очистки ЫОх при равных расходах растворов аммиака и карбамида, в одинаковых интервалах температур, отличаются незначительно. С учетом того, что аммиак токсичен и хранение его затруднительно, дальнейшие исследования проводились с раствором карбамида.
Было выявлено, что наиболее эффективно процесс восстановления протекает при предварительном нагреве раствора карбамида до 150°С. Также было исследовано влияние температуры топочного газа на степень восстановления ЫОх, в диапазоне температур в реакционной зоне 800-1000°С.
Относительно узкий температурный интервал в реакционной зоне обуславливает возможность так называемого «проскока» не восстановившихся молекул оксидов азота. Также это приводит к технологическим трудностям, связанным с поддержанием необходимой температуры в зоне восстановления [4]. Рассмотренный процесс восстановления ЫОх протекает при атмосферном давлении. Экспериментальным путем было выявлено, что процесс восстановления ЫОх можно интенсифицировать за счет повышения давления в зоне протекания реакций восстановления. Анализ экспериментальных данных позволил сделать вывод, что повышение давления позволяет расширить температурный интервал, в котором происходит эффективное восстановление оксидов азота и уменьшить вероятность проскока не восстановившихся молекул оксида азота.
Далее очищенные от ЫОх газы подвергаются процессу «закалки», т.е. резкому и интенсивному охлаждению до температуры 200°С, что способствует предотвращению повторного образования диоксинов [7].
Процесс проходит в теплообменнике 5, который имеет развитую поверхность теплообмена позволяющую интенсивно снизить энтальпию топочного газа, таким образом, что для вторичного восстановления диоксинов не хватает энергии активации.
После закалки топочные газы подвергаются мокрой очистке в скруббере 6, где происходит нейтрализация кислотных соединений.
Вода
Ca(OH)2
(Известь)
CaCO3
□ БО2 43 95 90 60 96
НС02 80 93 0 0 55
ЕЗ СО 25 38 0 0 34
Na2CO3
(Сода)
NaOH
Рис. 3 - Диаграмма зависимости степени очистки X (%) токсичных компонентов топочных газов от применяемого абсорбента
Были проведены исследования, показывающие зависимость степени нейтрализации различных компонентов топочных газов от применяемого абсорбента, результаты которых изображены в виде диаграммы на рис.3.
Как видно степень очистки компонентов топочных газов различными абсорбентами варируется. Применениее СаСО3 и Nа2СОз обеспечивает высокую степень очистки от БО2, но практически не очищает от СО и СО2. Вода и NаОН имеют низкую степень очиски по СО и средние показатели по остальным компонентам. По сравнеию с другими абсорбентами наилучшие показатели по всем компонентам имеет Оа(ОН)2, что позволяет обеспечивать наиболее эффективную очистку отходящих топочных газов.
В соответствии с выше изложенным в качестве абсорбента был выбран Оа(ОН)2. Далее была исследована зависимость влияния температуры процесса на степень очистки компонентов топочных газов Оа(ОН)2, представленная в виде графика на рис.4.
Из графика видно, что с увеличением температуры степень очистки у различных компонентов топочного газа изменяется по-разному. К примеру степень очистки СО оптимальна при 90°С и дальнейшее повышение температуры не оказывает существенного влияния, а у ЭО2 и ОО2 наилучшая при температуре 76°С и 70°С соответственно, дальнейшее повышение температуры способствует лишь к снижению степени очистки.
В завершении очищенный топочный газ за счет дымососа 7 попадает в трубу 8 и выбрасывается в атмосферу.
Т, С
-SO2 *CO2 *CO
Рис. 4 - График зависимости степени очистки компонентов топочных газов раствором известкового молока X (%) от температуры Т (°С)
Таким образом, с помощью описанного выше технологического процесса происходит эффективная очистка отходящих дымовых газов. Общая эффективность системы очистки топочных газов достигает 99%, содержание диоксинов и фуранов обнаружено, а количество токсичных веществ в отходящих газах не превышает значений ПДК. Это особенно существенно для использования на мусоросжигающих заводах, так как позволяет размещать их в черте города, недалеко от жилых массивов, что позволяет существенно снизить транспортные расходы и повысить экономическую эффективность мусоросжигания, при соблюдение действующих экологических норм.
Литература
1. Кужеватов, С.А. Очистка дымовых газов мусоросжигательных котлов от оксида азота / С.А. Кужеватов, И.Ш. Глейзер и др. // Промышленная энергетика. - 2002. - №10. - С. 54-59.
2. Сафин, Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 4. - С. 120-130.
3. Lyon R.K. Thermal DeNOx // Environ. Sci. and Technol., - 1987. - T.21. - № 3. - P. 231-236.
4. Кулиш, О.Н. Совершенствование процесса некаталитической очистки дымовых газов от оксидов азота / О.Н. Кулиш // Экология и промышленная безопасность. ООО ВНРШГАЗ. - 2003. - С. 339-345.
5. Караваев, M.M. Значение побочных реакций в процессе окисления аммиака до оксида азота (II) /
M.M. Караваев, Р.Я. Яшан // Химия и химическая технология. - 1986. - Т.29. - № 1. - С. 71-73.
6. Куценко, Е.В. Использование карбамида в процессе селективной некаталитической очистки дымовых газов от оксидов азота / Е.В. Куценко // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2003. - № 2. - С. 19-22.
7. Blanco J. Control dioxin emissions from combustion processes / J. Blanco, E. Alvarez, C. Knapp // Chem. Eng. - 1999. - № 10. - Р. 149-151.
© Н. Ф. Тимербаев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ, tnail@rambler.ru; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КГТУ, safin_rg@kstu.ru; А. Р. Садртдинов - мл. науч. сотр. той же кафедры.
