CC BY
25Т Е Х Н И Ч Е С К И Е
НАУКИ
УДК 661.248
И.Т. Акпамбеков, Н.Ш. Вафин
ОПИСАНИЕ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ СОЕДИНЕНИЙ ВАНАДИЯ ПРИ СЖИГАНИИ МАЗУТНОГО ТОПЛИВА
В статье рассматривается краткое описание методов снижения выбросов соединений ванадия, а также зарубежный опыт внедрения установок для сокращения выбросов соединений ванадия.
Ключевые слова: ванадий, жидкое топливо, мазутный котел, электрофильтры, выбросы.
При сжигании мазутного топлива в котельных установках кроме газообразных продуктов сгорания образуются и твердые вещества, состоящие из минеральных компонентов топлива и органических веществ - продуктов неполного сгорания (сажи, кокса, бенз(а)пирена). В состав минеральных компонентов входят в основном соединения металлов: ванадия, никеля, железа, алюминия, кобальта и др. В усредненном составе минеральной части отечественных мазутов в пересчете на оксиды содержатся: оксид натрия - 20...40%, оксид кремния - 5...20%, пентаоксид ванадия - 20...30%, оксид магния - 3...10%, триоксид железа - 3.20%, триоксид серы - 20.40%.
В российской энергетике мазутные котлы не имеют устройств для очистки газов от твердых частиц, поэтому в атмосферу выбрасываются практически все указанные компоненты, за исключением незначительной доли, оседающей на поверхностях нагрева котлов. Для мазутной золы в качестве контролирующего показателя принят ванадий, по содержанию которого в золе установлена ПДК. В связи с этим в ряде случаев нельзя обеспечить соблюдение санитарных норм в части выбросов твердых частиц.[1]
В этой ситуации единственно возможным вариантом снижения выбросов мазутной золы является установка на котлах газоочистного оборудования. Являясь в первую очередь природоохранным мероприятием, очистка газов от твердых продуктов сгорания мазута позволяет решить еще одну важную проблему - утилизацию и использование в других отраслях промышленности ценных отходов энергетического производства. В некоторых отечественных мазутах содержание в золе ванадия в пересчете на У205 достигает 30%, что является очень высоким показателем для ванадийсодержащего сырья. Учитывая, что в мазутной золе содержатся и другие микроэлементы, ее можно с успехом использовать в металлургии при производстве легированных сталей. Кроме того, мероприятия, направленные на снижение выброса сажистых частиц с продуктами сгорания мазута, одновременно решают и вопросы уменьшения концен-
© Акпамбеков И.Т., Вафин Н.Ш., 2016.
ISSN 2223-4047
Вестник магистратуры. 2016. № 1(52). Т.1.
трации в атмосфере бенз(а)пирена и других канцерогенных полициклических ароматических углеводо-родов.[2]
К настоящему времени за рубежом накоплен значительный опыт внедрения и эксплуатации различных устройств для улавливания твердых продуктов сгорания мазута. Основными аппаратами такого типа являются:
• электрофильтры;
• рукавные фильтры;
• механические уловители;
• комбинации перечисленных устройств.
Электрофильтры для улавливания мазутной золы имеют ряд особенностей по сравнению с пыле-угольными. Основными отличиями являются повышенные требования к агрегатам питания, изоляторам высокого напряжения, системам выгрузки золы и т.д. Для предотвращения отложений уловленных частиц внутри изоляторов устанавливают вентиляторы, создающие избыточное давление в отсеках изоляторов во избежание электрического пробоя. Учитывая повышенную адгезионную способность твердых частиц, образующихся при сжигании топлива, их гигроскопичность и повышенную способность слеживаться, электрофильтры оборудуют нагревателями, обычно электрическими, для повышения температуры газов при пуске котла выше точки росы. Для надежного удаления золы из бункеров устанавливаются электрические или паровые обогреватели бункеров под тепловой изоляцией.
Чтобы избежать скопления уловленных частиц в бункерах под электрофильтрами, их необходимо непрерывно удалять из бункеров пневматическим либо механическим путем. Важным в эксплуатации является обеспечение надежной плотности фланцевых соединений бункеров, так как при подсосе воздуха сажа может самовоспламеняться.
При налипании частиц к электродам и другим элементам, когда при встряхивании не удается полностью удалить уловленные частицы, степень их улавливания снижается. Характеристики электрофильтров восстанавливаются в результате водных промывок электродов, газораспределительной решетки и бункеров. Эффективность улавливания электрофильтрами твердых частиц при сжигании мазута достигает 95%.
Весьма эффективным средством улавливания мазутной золы являются тканевые фильтры, которые размещают обычно за дымососами котлов. Газы поступают в верхние отверстия рукавов, фильтруются и выходят через боковые поверхности фильтрующей ткани.
На газоходах предусмотрены заслонки, позволяющие направлять газы в обход установки при работе котла на газе. Перед входом газов в фильтровальную установку в них вводится щелочная присадка для нейтрализации S03.
Рукава обычно очищают каждый час путем изменения направления потока газов в течение примерно 1 мин при помощи вентиляторов, высасывающих отфильтрованный газ обратно через боковые поверхности рукавов в их открытые нижние торцы. Для защиты рукавов от излишнего прогиба ткани во время очистки вдоль внутренней их поверхности устанавливаются проволочные кольца. Обратный поток газа сбрасывает часть уловленной золы, которая затем удаляется при помощи гидравлической системы. Скорость фильтрации при температуре газов 125 °С составляет около 0,3 м3/мин на 1 м2 фильтрующей ткани при работе всех секций и 0,34 м3/мин на 1 м2 при отключении одной секции на продувку. Эффективность улавливания твердых частиц при использовании тканевых фильтров может достигать 95%. [3]
В ряде стран на мазутных котлах довольно широкое распространение получили механические уловители как наиболее дешевые при сооружении и простые в эксплуатации. Чаще всего для этих целей применяют литые или сварные из конструкционных сталей батарейные циклоны с диаметром элемента 152...305 мм. Аппараты с диаметром элемента 254 мм используют на объектах с высотой дымовых труб 120 м и выше.
Одной из существенных трудностей при эксплуатации батарейных циклонов на мазутных котлах является отложение уловленных частиц в элементах, что приводит с течением времени к снижению эффективности и росту аэродинамического сопротивления аппарата. Для предупреждения подобных отложений аппараты оборудуют промывочными устройствами.
При работе батарейных циклонов на котлах, сжигающих отечественное топливо, на один элемент приходится около 300 мг/ч уловленных частиц. Аэродинамическое сопротивление аппарата при этом составляет около 800 МПа, рекомендуемая температура дымовых газов перед аппаратом - примерно 200 °С. Степень улавливания частиц меняется от 70 до 90%, что обеспечивает содержание твердых частиц в уходящих дымовых газах на уровне 50 мг/м3. При рассмотрении батарейных циклонов в качестве одного из вариантов золоуловителей следует иметь в виду, что изменение нагрузки котла существенно влияет на эффективность их работы.
Удаление из бункеров золоуловителей твердых частиц, образующихся при сжигании мазута, является отдельной достаточно сложной задачей. Это объясняется такими свойствами уловленных частиц, как их гигроскопичность, потеря сыпучести при температурах ниже 150 °С и высокое содержание горючих. [4]
В зарубежных установках для этой цели применяют пневматические и гидравлические системы. В пневматических системах для транспортировки уловленных частиц используют воздух с температурой не ниже 150 °С. В пневматической системе имеется клапан с верхним вращающимся шлюзом дискового типа, обеспечивающий разъединение бункера уловителя и верхней камеры, а также нижний шлюз, отделяющий камеру от транспортера. Система работает следующим образом. Вначале открывается верхний шлюз и уловленные частицы заполняют верхнюю камеру. Через некоторое время верхний шлюз закрывается и с помощью уравнительного клапана давление в верхней камере повышается до значения, несколько превышающего давление в трубопроводе для транспортирования. После выравнивания давления в верхней камере открывается нижний шлюз и ее содержимое поступает в трубопровод. Затем нижний шлюз закрывается, и через определенное время весь цикл повторяется. К недостаткам системы со шлюзами относятся большое количество движущихся элементов, сложность электрических систем управления последовательностью работы затворов, возможность утечки воздуха в бункеры уловителя, что может вызвать самовоспламенение уловленных частиц.
В наиболее эффективных пневматических системах применяют инжекторы. Сжатый воздух под избыточным давлением 0,3 .1,0 ат (30 .100 кПа) проходит через сопло и создает в камере вакуум, который обеспечивает поступление из бункера уловленных частиц. Преимуществом системы с инжекторами является более высокая надежность вследствие отказа от движущихся частей и полное предотвращение попадания транспортирующего воздуха в бункеры золоуловителя. Наиболее существенный недостаток -повышенный расход.
Реже используются системы под давлением с вращающимися звездообразными питателями для подачи уловленных частиц из бункеров в трубопровод. Питатель состоит из вращающегося колеса в форме звезды. Верхним фланцем питатель соединен с бункером уловителя, нижним - с трубопроводом для транспортирования. Уловленные частицы под действием силы тяжести попадают в выемки ротора и при его вращении переносятся в трубопровод. Избыточное давление нагретого воздуха в таких системах - около 0,21 ат (21 кПа). Ограниченное применение таких схем объясняется опасностью залипания выемок питателя, а также попадания воздуха в бункер уловителя.
Реже применяются гидравлические системы удаления уловленных частиц. В этом случае уловленный материал из бункеров ссыпается в резервуар, заполненный водой, затем под давлением перемещается в отстойный резервуар. В качестве транспортирующей среды используется подаваемая насосом вода. Накапливающийся в отстойном резервуаре материал забирается ковшовыми элеваторами и загружается в автомашины. Этот метод требует большого количества воды и средств для ее очистки. [5]
В США на небольших котлах (до 20 т/ч) практикуется сбор уловленных частиц из бункеров непосредственно в пластиковые мешки высокой прочности. Мешки отделены от бункеров системой скользящих заслонок и камерой охлаждения материала до температуры, допустимой для пластика.
В связи с тем, что в уловленном материале содержится большое количество углерода, в некоторых схемах предусмотрен возврат уловленных частиц на повторное дожигание.
Биографический список
1. Аничков С.Н., Глебов В.П. Охрана воздушного бассейна от выбросов энергопредприятий. - М.: Экология производства, 2007.
2.Новоселов С.С. Очистка дымовых газов от твердых частиц при сжигании мазута. - М.: СПО Союзтехэнер-го, 1989.
3.Тосихиро X. Электрофильтр для котлов, работающих на жидкомтопливе. Нэнье себи нэнсе (Япония). 2002. - Т. 39. - № 5. - С. 455-469.
4.Геллер З.И. Мазут как топливо. М.: Недра, 1995. - 496 с.
5.Гаврилов А.Ф., Новоселов С.С. Пути обеспечения санитарных норм воздушного бассейна при сжигании мазута в котлах.- Казань, КГТУ-2007.
АКПАМБЕКОВ ИЛЬНАЗ ТАЛГАТОВИЧ - магистрант кафедры «Инженерная экология и рациональное природопользование», Казанский государственный энергетический университет, Россия.
ВАФИН НАИЛЬ ШАМИЛЬЕВИЧ - доцент кафедры «Инженерная экология и рациональное природопользование», Казанский государственный энергетический университет, Россия.
