CC BY
54
УДК 66.048
И. А. Дубков, Н. З. Дубкова, А. Н. Николаев
СПОСОБ ОЧИСТКИ ПЫЛЕГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Ключевые слова: очистка, газовые выбросы, массоотдача, двухфазный поток.
Предложена новая технология очистки больших объёмов газовых выбросов энергетических установок, работающих на твёрдом топливе, как от вредных газовых примесей, так и от высокодисперсных твёрдых частиц, с использованием высокоэффективных и высокопроизводительных прямоточных плёночных аппаратов с интенсивным взаимодействием фаз.
Keywords: cleaning, gas emissions, mass transfer, two-phase flow.
The new technology of purification of large volumes of gaseous emissions of power plants running on solid fuel as a gas from harmful impurities, and the finely dispersed solid particles, using efficient and highly productive in-line film machines with intensive interaction phases.
В связи с высокой токсичностью и сильной запылённостью газов, образующихся в результате сжигания твёрдого топлива, большинство крупных энергетических установок в нашей стране в 60-70-х годах было переведено на газ и мазут, поскольку это более дешевое сырьё и в данном случае наиболее удачно решаются задачи по обессериванию самих топливных газов и нефтяных фракций, что значительно улучшило экологическую обстановку в крупных промышленных центрах [1-3].
По данным World Energy Council (WEC), на угольные станции в США и Германии приходится более половины вырабатываемой электроэнергии, а в Австралии, Индии и Китае эта доля подтягивается к 80% или даже превышает ее, за счет дешевизны угля. В России уголь занимает значительно меньше места, по различным статистическим отчетам, не более 18%. Во всем мире разрабатываются современные технологии, позволяющие кардинально изменить свойства угля и существенно повысить его энергетическую ценность, увеличив теплоту сгорания и уменьшив зольность, а также его экологич-ность, такие как мембранные и нанотехнологии, плазменные технологии и другие. Угольная промышленность России имеет наиболее обеспеченную сырьевую базу в виде разведанных запасов угля -193,3 млрд тонн, что закладывает годовую добычу угля в 500 млн тонн в течение нескольких сотен лет.
Однако с переводом топок на угольное топливо будут изменяться не только составы выбросов (табл. 1), но и сами принципы организации очистки. Сохранение старого принципа «котёл - золоулавлива-тель - вытяжная труба» приведёт к резкому, запредельному ухудшению экологической обстановки в крупных промышленных центрах, чреватому непредсказуемыми последствиями. Резкое увеличение аллергических и лёгочных заболеваний, включая рак лёгких, кислотные дожди и уничтожение окружающей экосистемы, генетические изменения и повышение детской смертности - вот далеко не полный перечень последствий перехода на использование твёрдого топлива. Особенно сильно пострадают жители районов, прилегающих к действующей на угле энергетической установке.
Поэтому перевод крупных энергетических установок на твёрдое топливо должен сопровождаться
переходом на принципиально новую технологию, заключающуюся в организации эффективной очистки дымовых газов как от взвешенных твёрдых частиц, так и от токсичных газообразных примесей. Достаточно большую часть дисперсной фазы (до 50%) [4], составляют тонкодисперсные частицы диаметром до 10 мкм, что существенно сказывается при выборе аппаратуры.
Таблица 1 - Состав газовых выбросов энергетических установок [4]
Вид топлива Содержание компонентов в топливе, (%) масс. Концентрация S02 в газах, г/м3 Концентрация тв. частиц в газах, г/м3
Сера Зола
Уголь 0.6-4.5 5-40 1-20 12-49.1
Мазут 0.5-2.8 <0.1 1-10 <0.1
Газ 0.010.8 - 0.01-0.2 -
Техническое решение проблемы осложняется ещё и тем, что расход дымовых газов может достигать нескольких миллионов метров кубических в час, что исключает возможность применения для их очистки большинства известных аппаратов.
Состав газовых выбросов энергетических установок зависит от двух причин: от технологии сжигания и от состава топлива. Если при переходе на сжигание твёрдого топлива концентрация оксидов азота NОх, оксида углерода СО и сероводорода Н2Э можно привести к норме путём регулирования самого технологического процесса, то значительно увеличивающиеся выбросы золы-уноса и двуокиси серы необходимо обязательно подвергать очистки. Это особенно касается ТЭС, использующих высокосернистые угли (интинского, донецкого, подмосковного, челябинского).
При очистке больших объёмов газовых выбросов энергетических установок от двуокиси серы целесообразно применение известковых или известняковых методов как наиболее дешёвых, технологически простых и достаточно эффективных. Наиболее эффективным среди них является известково-гипсовый
метод (метод Митсубиси) [4] позволяющий использовать практически полностью суспензии извести или известняка и получать при этом дополнительно высококачественный товарный гипс. Недостатком данного метода является низкая пропускная способность, за счёт используемых в нём аппаратов наса-дочного типа, что при очистке больших объёмов газовых выбросов значительно увеличивает их габаритные размеры и в итоге снижает эффективность очистки. Поэтому для очистки больших объёмов газовых выбросов необходимо ориентироваться на аппараты с интенсивными гидродинамическими режимами, такие, например, как плёночные прямоточные аппараты.
Сравнительный анализ параметров работы плёночных аппаратов, использующих сильное взаимодействие фаз с различными аппаратами мокрого типа представлен в таблице 2, позволяющей заключить, что при сравнительно небольших габаритах, они обладают наибольшими коэффициентами мас-соотдачи в жидкой фазе и наибольшей эффективностью очистки как от Э02, так и от тонкодисперсных частиц, при минимальном диаметре улавливаемых частиц 1-3 мкм. В них возможна реализация совместной очистки газов как от газообразных, так и от тонкодисперсных частиц, а также возможна организация нескольких последовательных зон очистки (ступеней), достаточно просто обеспечивается оптимальная температура во всей зоне контакта, малые габариты и сравнительно простое конструктивное оформление. При этом в плёночных аппаратах исключены проблемы масштабного перехода. Эффективность очистки дымовых газов в плёночных аппаратах с прямоточным интенсивным взаимодействием фаз от тонкодисперсных частиц представлена на рисунке 1 из которого видно, что в плёночных аппаратах достигается достаточно высокая эффективность очистки дымовых газов от тонкодисперсных частиц, которая возрастает с увеличением длины трубки и расхода газа [3].
• к0»
40
20
1
2
3 4
0,5 1,0 1.5 I, га
Рис. 1 - Зависимость эффективности улавливания частиц на каплях жидкости от длины канала для различных значений скорости и плотности орошения: Б=16 мм; р6 =1500 кг/м3 , 8=3 мкм, q=2.54 м3/м ■ ч; ^ , м/с: 1 - 16.4; 2 - 22.6; 3 - 31.2; 4 - 40.8
Технологическая схема известково-гипсового метода очистки газовых выбросов с использованием плёночных аппаратов с интенсивным взаимодействием фаз, представлена на рисунке 2.
Неочищенный газ с температурой 135-145°С поступает в полый скруббер 1, орошаемый циркулирующей водой. Здесь газовый поток охлаждается до 55-60 °С и очищается от крупных твёрдых частиц летучей золы-уноса. Часть циркулирующей воды направляется в центрифугу 13, а затем с помощью насоса 5 поступает в ёмкость 11, а шлам после центрифуги вывозится в отвал.
"ТО
ГШ
Ч
С«|'ОН'|- +С.|&0 >
О.......
7
1-7
/*
к
-л
Рис. 2 - Модернизированная технологическая схема установки известково-гипсового метода очистки газовых выбросов ТЭС от диоксида серы с использованием плёночных аппаратов с сильным взаимодействием фаз: 1 - скруббер; 2, 3 - плёночные аппараты; 4, 5, 6, 7, 14, 15, - насосы; 8 - турбогазодувка; 9 - аэратор; 10, 11 -циркуляционные сборники; 12, 13 - центрифуги
После скруббера газовый поток направляется в первую зону очистки 2 плёночного аппарата, где происходит очистка дымовых газов от тонкодисперсных частиц как плёнкой жидкости, так и каплями, срываемыми с волновой поверхности плёнки. В аппаратах данного типа особенно эффективно производится очистка от частиц диаметром 5-10 мкм. Кроме того, в первой зоне плёночного аппарата происходит предварительная очистка дымовых газов от вредных газовых примесей.
В первой зоне данного аппарата (рис.3) организуется восходящее прямоточное движение фаз с интенсивным брызгоуносом с волновой поверхности плёнки жидкости, который может достигать на длине канала в 1м до 70 % и более от общей подачи жидкости. Дополнительный брызгоунос при необходимости может организовываться за счёт кольцевых вставок по длине трубки. В конце трубок первой зоны устанавливаются спиральные ленточные завихрители для сепарации капель обратно в плёнку жидкости. К тому же установка завихрителей интенсифицирует процессы массообмена в «1.5-2 раза, что увеличивает скорость поглощения газовых примесей. Отвод плёнки из трубок может осуществляться за счёт установки дырчатых сепараторов в конце трубок. Трубки первой зоны выполняются такой длины, чтобы обеспечить полную очистку газов от дисперсных включений и плюс длина участка с завихрителем для сепарации капель.
Далее газ подаётся на вторую зону очистки 3 (рис.3) плёночного аппарата, где при закрутке потока происходит доочистка газовых выбросов от двуокиси серы.
Во второй зоне очистки организуется восходящее закрученное движение фаз за счёт установки по всей длине трубок спиральных ленточных завихри-телей [5], позволяющих увеличить время пребывания фаз в зоне контакта, устранить брызгоунос с поверхности плёнки жидкости и, к тому же, интенсифицировать процесс массообмена. Количество ступеней очистки во второй зоне выбирается с учетом необходимой степени очистки газовых выбросов от сернистого ангидрида.
дымс-Еойгаз
Рис. 3 - Плёночный аппарат с восходящим прямоточным движением фаз первой зоны очистки: 1 - трубка; 2 - распределительное устройство
После второй зоны очистки дымовой газ при необходимости направляется в блок доочистки от оксидов азота и далее полностью очищенный, проходя турбогазодувку 8, выбрасывается в атмосферу.
Приготовленный раствор Ca(OH ) + CaSO3 поступает в циркуляционный сборник 10, в котором pH раствора поддерживается в пределах 6.5-7.5. Из сборника 10 раствор поступает на орошение второй зоны плёночного аппарата, после чего, проходя через циркуляционные сборники 10 и 11, подаётся в первую зону плёночного аппарата с сильным взаимодействием фаз. pH раствора в сборнике 11 поддерживается в пределах 3.5-4.5.
Удалённый из первой зоны плёночного аппарата с восходящим движением фаз, раствор разделяется на две части, одна из которых направляется обратно
© И. А. Дубков, канд. техн. наук, доц. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ; Н. З. Дубкова, канд. техн. наук, доц. той же кафедры, [email protected]; А. Н. Николаев, д-р техн. наук, проф., зав. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ, [email protected].
© I. A. Dubkov, candidate of technical Sciences, docent of the Department "Equipment of food production", KNRTU; N. Z. Dubkova, candidate of technical Sciences, docent of the Department "Equipment of food production", KNRTU, [email protected]; A. N. Nikolaev, doctor of technical Sciences, professor of the Department "Equipment of food pro-
duction", KNRTU [email protected].
в циркуляционный сборник 11 для орошения колонны, другая часть подаётся с помощью насоса 7 в аэратор 9, где происходит окисление CdS03 в CaS04 кислородом воздуха, подаваемым под давлением 0.4-0.5 МПа. Суспензия сульфата кальция подаётся на центрифугу 12, где кристаллы отделяются от раствора и поступают на сушку для получения товарного гипса CaS04 ■ 2H20. Отфильтрованный раствор возвращается при помощи насоса 6 в циркуляционный сборник 11 для орошения абсорбера.
Следует отметить, что при известковой очистке в удаляемых растворах после первой зоны также будет содержаться некоторое количество Cd(N03)2
из-за присутствия в отходящих газах ТЭС оксидов азота. Однако содержание оксидов серы в газах в среднем в 15 раз больше, чем содержание оксидов азота, а скорость их абсорбции щелочными растворами, к примеру, на ситчатых тарелках в среднем в 3.88 раз больше скорости абсорбции N0x при тех же условиях. Следовательно, концентрация Ca(N03)2 в товарном CaS04 -2H20 не превысит 2% [6].
Выводы: Предложенная технология, с использованием высокоэффективных и высокопроизводительных плёночных аппаратов с сильным взаимодействием фаз, позволяет производить эффективную очистку больших объёмов газовых выбросов (до нескольких миллионов кубических метров в час) тепловых электростанций, работающих на твёрдом топливе, как от двуокиси серы, так и от тонкодисперсных частиц. При этом существенно уменьшаются габариты используемых аппаратов, а тем самым и капитальные затраты на очистное оборудование, отпадает проблема рассеивания газов, что не является эффективным решением проблемы очистки отходящих газов, а также не ставится проблема потери напора на линии очистки, которая особенно была актуальна при использовании дымовых труб.
Литература
1. М.Р. Вахитов, Н.М. Нуртдинов, А.Н. Николаев, Вестник Казан. Технол. Ун-та, 8, 130-134 (2011)
2. И.А. Дубков, А.И. Дубкова, А.Н. Николаев, Вестник Казан. Технол. Ун-та, 17, 19, с.263-267 (2014)
3. М.Р. Вахитов, Ю.А. Хакимова, А.И. Дубкова, И.А. Дубков, А.Н. Николаев, Вестник Казан. Технол. Ун-та, 17, 1, С. 103-105 (2014)
4. И.А. Дубков, Н.А. Николаев, Изв. вузов «Проблемы энергетики», 9-10, С.52-59 (2002)
5. Патент РФ 15668 (2000)
6. А.М. Кутепов, Г.Я. Рудов, Химическая промышленность^, С.499-502 (1994)
