CC BY
153
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
УДК 62i.i8i.27 В. Р. ВЕДРУЧЕНКО
В. В. КРАЙНОВ Е. В. ГАЛИМСКИЙ Д. А. МЕЩЕРЯКОВ М. В. КОКШАРОВ
Омский государственный университет путей сообщения
ВРЕДНЫЕ ВЫБРОСЫ
И МЕТОДЫ ИХ ОГНЕВОГО ДОЖИГАНИЯ В НЕЭКРАНИРОВАННЫХ КОТЕЛЬНЫХ ТОПКАХ
В статье проанализированы и обобщены виды производств различной технологической продукции и химический состав газообразных отходов. Сформулированы требования к утилизации вредных газообразных выбросов топливосжигающих установок. Разработана схема классификации методов утилизации отбросных сажевых газов. Рассмотрены методы утилизации вредных выбросов сажевого производства в ООО «Омсктехуглерод». Приоритетным методом здесь выбран метод огневого дожигания загрязняющих выбросов. Приведена схема теплотехнических измерений при испытаниях котлов-утилизаторов, установленных на предприятии. Ключевые слова: сажевые газы, утилизация, котел-утилизатор, газоанализатор, защита окружающей среды.
Промышленные предприятия и транспорт являются основными источниками загрязнения воздуха. Загрязняют городской воздух в значительной степени отопительные и промышленные котельные
[1-4].
Поэтому загрязнение атмосферного воздуха вызывает большую озабоченность, чем любой другой вид разрушения природной среды. Особенно важно отметить, что наибольшую опасность представляет загрязнение воздуха городов и поселков. Много-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
187
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Виды производства технологической продукции и химический состав газообразных отходов
№ п/п Вид производства Химический состав газообразных
Переработка нефти Меркаптаны, сероводород, аммиак, органические соединения азота, оксид углерода
2 Производство газа из каменного угля Соединения серы (сероводород, сероуглерод, тиофен, тиолы, серооксид углерода)
3 Переработка природного газа Сероводород, меркаптаны
4 Производство кислот и щелочей Кислородные соединения азота и серы
5 Производство минеральных и органических соединений Аммиак, соединения серы, фтористый водород, меркаптаны, триметиламин и др.
6 Химические заводы (по производству смол, лаков, пластмасс, жиров, масел и т. д.) Формальдегид, амины, амиды, растворители, соединения серы, ацетилен, фенол и др.
7 Фармацевтические заводы, пивоваренные заводы (процессы сбраживания) Амины, восстановление соединения серы, фурфурол, метанол
8 Текстильные и бумажные фабрики Мочевина, продукты распада, крахмал, диметилсульфид
9 Производство технического углерода (сажи) Парогазовая смесь отбросных газов (Н2, СО, СНА, 02, СО2, ^, Н2О)
этажные городские здания, преграждая путь ветру, резко снижают приток свежего воздуха в центральные районы, порой до 50%. В плотно застроенной части города, и без того сильно насыщенной различными загрязнителями, происходит застаивание загрязненного, опасного для здоровья воздуха.
В г. Омске уровень загрязнения атмосферного воздуха сегодня не приближается к критическим отметкам даже в самом «грязном» административном округе — Советском. Однако объем выбросов в атмосферу по-прежнему остается очень высоким. За 2010 год в рейтинге крупнейших российских городов по выбросам в воздух от стационарных источников Омск занимает первое место — 198,2 тыс. т. За ним следует Красноярск — 148,6; Уфа — 134,1; Челябинск — 117,8; Новосибирск — 101,7. Для сравнения: в столицах, несмотря на то, что они значительно превышают Омск по числу населения и, следовательно, количеству и мощности обслуживающих его ТЭЦ, объем выбросов в атмосферу гораздо ниже: Москва — 62,9, Санкт-Петербург — 56,6.
Угрозу экологии города несут так называемые «стационарные источники загрязнения», т. е. промышленные предприятия и теплоэлектроцентрали. Более 90 % выбросов вредных веществ дают всего пять из них: ОАО «ТГК-11», ОАО «Газпром-ОНПЗ», ООО «Омсктехуглерод», МП г. Омска «Тепловая компания», ОАО «Омскшина». Стоит заметить, что собственниками практически всех этих предприятий являются компании, зарегистрированные не в Омске.
Если рассматривать все возможные источники выбросов в атмосферу, то 58% загрязнения воздуха в городе приходится на автотранспорт, а это связано, прежде всего, с качеством топлива.
Пока спасает то, что город расположен на продуваемой всеми ветрами равнине, а ранее построенные предприятия возводились с учетом «розы ветров». Значительная часть выбросов в атмосферу относится воздушными потоками за пределы городской черты. Однако в те периоды, когда дует северо-восточный ветер, жители городка Нефтяников, да и других восточных окраин, вынуждены дышать сильно загрязненным воздухом.
В целом по стране эти выбросы в настоящее время исчисляются миллионами тонн золы, а также окислов азота и серы. Таким образом, успешное решение экологической проблемы при производстве энергии — одна из важнейших народнохозяйственных задач.
Снижение вредных выбросов очисткой промышленных газообразных отходов, содержащих токсичные вещества, в настоящее время является непременным требованием во всех производствах [1—6].
Кроме механических, физико-химических и химических методов очистки промышленных отходов, дымовых газов котельных и разного рода печей широко применяются термические методы [3, 5, 7, 8]. Примерный состав продуктов, находящихся в промышленных газообразных выбросах, приведен в табл. 1.
Методы сжигания вредных примесей, способных окисляться, находят все большее применение для очистки дренажных и вентиляционных выбросов. Эти методы выгодно отличаются от других (например, мокрой очистки в скрубберах) более высокой степенью очистки, отсутствием в большинстве случаев коррозионных сред и исключением сточных вод. Как правило, примеси сжигают в камерных топках с использованием газообразного или жидкого топлива. Иногда на практике представляется возможным окислять органические вещества, находящиеся в газовых выбросах, на поверхности катализатора, что дает возможность понизить температуру процесса.
Существует несколько вариантов процесса термического обезвреживания газов в печах с использованием и без использования катализаторов. На рис. 1 показаны возможные варианты такого процесса.
По схеме А отходящие газы поступают на дожигание в печь. В форкамере 2 они нагреваются за счет тепла, образующегося при сгорании топлива в горелке 1, и направляются в печь 3, где заканчивается окисление органических примесей. Дымовые газы выбрасываются в атмосферу.
По схеме Б, в отличие от схемы А, для сжигания топлива используется газ, поступающий на очистку.
а)
III
I
Г1.
I II \
л_
1 2
1 2
Рис. 1. Схемы возможных вариантов процесса химического обезвреживания газообразных отходов: I — газ на очистку; II — очищенный газ; III — воздух для поддержания горения;
IV — топливо; 1 — горелка; 2 — форкамера; 3 — печь; 4 — теплообменник; 5 - катализатор
По схеме В отходящие газы перед дожиганием предварительно подогреваются за счет тепла дымовых газов в теплообменнике 4.
Схемы процессов Г и Д аналогичны соответственно схемам Б и В, но в зоне печи 3 для окисления используется еще и катализатор 5.
Каталитическое сжигание используют обычно тогда, когда содержание горючих органических продуктов в отходящих газах мало, и не выгодно использовать для их обезвреживания метод прямого сжигания. В этом случае процесс протекает при 200 — 300 °С, что значительно меньше температуры, требуемой для полного обезвреживания при прямом сжигании в печах и равной 950—1100 °С.
Многочисленные исследования, проведенные рядом фирм, в частности «Дегусса» (ФРГ), показали, что щелочные материалы и их соединения, нанесенные на различные носители (например, оксиды металлов), часто оказываются более эффективными и надежными, а также гораздо более дешевыми, чем катализаторы из благородных металлов. На таких катализаторах реакция окисления начинается при невысоких температурах (около 200°С), что значительно повышает возможность их использования для каталитического сжигания газов. В качестве носителя катализатора рекомендуются оксид алюминия, кизельгур и силикаты.
Большое распространение для уничтожения токсичных веществ в отходящих газах получили установки факельного сжигания. К факельным установкам предъявляются высокие требования в отношении обеспечения безопасной и надежной работы в условиях пожаро- и взрывоопасности химических производств.
Выполнение этих требований достигается [4, 5, 8]: —применением специальной конструкции устройств (горелок) для сжигания, обеспечивающее устойчивый режим факела при широких пределах изменения количества и состава сжигаемого газа;
—строгим соблюдением основных правил безопасной эксплуатации. В зависимости от высоты установки факельной горелки различают низкие факелы высотой приблизительно 4—25 м и высокие
факелы, которые достигают в отдельных случаях высоты 100 м и более.
ООО «Омсктехуглерод» в настоящее время является одним из крупнейших по мощности предприятием отрасли в России, а выпуск технического углерода (сажи) составляет около 180 тыс. т в год [2].
Характерным для завода является высокое содержание органических веществ и сажи в производственных выбросах: по количеству вредных выбросов завод занимает 4-е место; в атмосферу за год выбрасывается около 37 тыс. т оксидов углерода, азота, серы, технического углерода, предельных и ароматических углеводородов [2].
Завод находится на территории города Омска в юго-восточном направлении от центра города. Этот район города считается одним из наиболее загрязненных [2]. Согласно санитарно-эпидемиологическим нормативам, установленным Главным санитарным врачом РФ, предприятия по производству сажи отнесены к первому классу опасности и для них размер санитарно-защитной зоны должен быть не менее 1000 м [2], что не совсем соответствует омской действительности.
Для получения технического углерода используются продукты нефтехимии, поступающие на завод. Часть их заливается на хранение в резервуары, другая часть готовится к подаче в производство: смешивается, нагревается до нужных температур. Собственно процесс получения техуглерода происходит в печах, где под действием высокой температуры происходит разложение углеводородов. Слив предварительно нагретого до 50—80 °С сырья связан с выделением в атмосферу паров углеводородов В производстве технического углерода источниками загрязнения атмосферы и заводской территории могут быть также технологические газы от реакторов дымовые газы сушилок мокрой грануляции те-хуглерода и линии из выбросов пневмотранспорта предприятия. При сжигании сырья в реакторах вместе с техуглеродом образуются большие количества таких токсичных компонентов, как оксиды углерода, азота и серы, на долю которых приходится 99% основных выбросов, оставшуюся долю занимают
3
3
3
5
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Рис. 2. Классификация методов использования и утилизации отбросных сильно забалластированных газов производства технического углерода
бензапирен, метан, фенол, толуол, нафталин, бензол, сероводород. Для снижения выбросов этих загрязняющих веществ на предприятии применяются утилизационные котельные и установки дожига газов, позволяющих обезвреживать до 98% этих токсикантов [2]. Такой, основанный на сжигании газов, способ очистки целесообразен в связи с высоким содержанием горючих веществ (окись углерода, водород, метан, сероводород) в отходящих газах сажевых производств. Продукты сгорания газов разбавляют для охлаждения воздухом и выбрасывают в атмосферу.
Технологический процесс производства основных видов технического углерода (сажи), например, марок ПМ-75, ПМ-100 связан с образованием больших количеств отбросных газов, которые представляют собой фактически парогазовую смесь следующего состава (%, об.): Н2 — 7 — 8%; СО — 6 — 7%, СН4 — 0,5 — 0,7%; 02 — 2 — 3%; С02 — 2%; N.
— 40%; Н20 — 40%. Кроме того, эти газы содержат до 2 г/м3 мелкодисперсной (остаточной) сажи. В не-осушенном виде (при температуре 200 — 230°С) газы имеют теплоту сгорания 1,47 — 2,10 МДж/м3 (350 — 500 ккал/м3).
На рис. 2 приведена приближенная классификация методов использования и утилизации отбросных сильно забалластированных сажевых газов, разработанных нами на основе изучения и производственного опыта ООО «Омсктехуглерод».
Для смесей сильно забалластированных газов с воздухом характерна низкая скорость распространения пламени. Устойчивость их сжигания зависит от ряда факторов: физико-химических (свойств горючих и балластных компонентов газа); режимных (начальная температура газа и воздуха, диапазон изменения избытков воздуха и скоростей истечения) и конструктивно аппаратурных (стабилизирующая способность горелки). Следовательно, для
суждения о том, будет ли гореть смесь сильно забалластированного газа с воздухом, необходимо знать пределы устойчивости горения данной смеси в конкретном газогорелочном устройстве [9, 10]. Тогда для этой цели привлекают опытные данные по пределам (нижнему и верхнему) воспламенения СН4, Н2, СО и других горючих компонентов в смеси с N. и С02.
Вместе с тем, известно, что пределы воспламенения определяются в статических условиях, т.е. в неподвижной среде. Вследствие этого они не характеризуют устойчивость горения в потоке и не отражают стабилизирующую способность горелки. Другими словами, один и тот же сильно забалластированный газ можно с успехом сжигать в газогоре-лочном устройстве, хорошо стабилизирующем горение, тогда как в другой горелке такая попытка может оказаться безуспешной.
Для сжигания больших количеств низкокалорийного забалластированного сажевого газа Белгородский завод энергетического машиностроения (БелКЗ) серийно выпускает пакетно-конвективные котлы типа ПКК, специально предназначенные для работы на неосушенном сажевом газе [4, 8].
Котлы типа ПКК однобарабанные с естественной циркуляцией.
В котельной ООО «Омсктехуглерод» (филиал) установлены котлы-утилизаторы марки ПКК-75/24-150-5 для сжигания (утилизации) отбросных (сажевых) газов. Утилизация сажевых газов осуществляется дожиганием их в неэкранированных предтопках названных котлов, на фронте которых установлены специальные газогорелочные устройства комбинированного типа ЭНИН-СТУ 15-10-200 [7].
В ряде работ [5, 7 и др.] показано, что наиболее эффективным методом утилизации отбросных газов из числа других является их огневое обезвреживание. Метод основан на предварительном смешении
Pt
t,K , PK , CO2 , O2 , CO , NOx
неосушенного отбросного газа с воздухом и последующем сжигании получаемой газопаровоздушной смеси в горелочных устройствах.
При сжигании низкокалорийный сажевый газ является основным топливом, а с целью интенсификации горения в предтопок подается дополнительное количество природного газа (1,5—2,0% от расхода отбросного газа по объему).
Значительное влияние на изменение значений температуры на выходе из предтопка оказывает состав отбросного низкокалорийного газа производства технического углерода и его смесей с природным газом [11].
Пусконаладочные работы в соответствии с разработанной программой при испытании котлов типа ПКК выполняются по прилагаемой схеме теплотехнических измерений (рис. 3), где обозначения соответствуют их содержательному описанию, приведенному ниже:
Dпп — паропроизводительность котла;
Рпп — давление перегретого пара;
^ — температура перегретого пара;
Р6 — давление пара в барабане котла;
Gпв — расход питательной воды;
Рцв — давление питательной воды;
^ — температура питательной воды;
Оог — расход природного газа;
Рог — давление природного газа;
— температура природного газа;
Оог — расход отбросного газа;
Рог — давление отбросного газа;
— температура отбросного газа;
Рэк — разряжение после экономайзера;
С02, 02, СО, N0^ SO2 — содержание соответствующих компонентов в дымовых газах;
^ — температура холодного воздуха;
^ — температура воздуха за воздухоподогревателем;
Рвг — давление воздуха за воздухоподогревателем;
Рвг — давление воздуха перед горелками;
^ — температура воздуха перед горелками;
Опг — расход воздуха на горелки;
^,г — температура дымовых газов в горелках;
t — температура дымовых газов в топке; t — температура дымовых газов перед воздухоподогревателем;
tj-взп — температура дымовых газов после воздухоподогревателя;
tryx — температура уходящих газов;
Рт — разряжение в топке;
Рк — разряжение перед воздухоподогревателем; Рвзп — разряжение после воздухоподогревателя. Состав отходящих газов оценивается газоанализатором модели MSJ 150 Pro.
Ниже приведены пределы измерений параметров, а также параметры, получаемые расчетом.
Измеряемые газоанализатором параметры (пределы измерений):
1.Кислород (O2) — 0^21 об. %
2.Окись азота (NO) — 0^2000 ppm З.Окись углерода (CO) — 0^4000 ppm 4.Окись углерода высокой концентрации
5.(CO) с доп. сенс. — 1^2 об. %
6.Двуокись азота (NO) с доп. сенс. — 0^200 ppm
7.Двуокись серы (SO2) с доп. сенс. — 0^4000 ppm
8.Температура горючего газа — 0^ 1200 °С
9.Температура окружающей среды — 20^ 100 °С Параметры, получаемые расчетом:
1.Диоксид углерода (CO2).
2.Коэффициент избытка воздуха.
3.Коэффициент газа в мг/м3.
4.Концентрации газа в соотношении у выбранной точке отсчета кислорода.
5.Коэффициент полезного действия.
6.Потери тепла с уходящими газами. Последующая разработка практических рекомендаций по совершенствованию процессов утилизации отбросного сажевого газа, с целью минимизации количества выбросов вредных компонентов в дымовых газах и повышения экономичности работы котла-утилизатора, проводятся за счёт настройки оптимальных режимов его сжигания, рационального выбора регулировочных параметров, численного моделирования теплообмена в предтопке, оптимизации состава газового топлива [9-11].
Выводы. 1.Разработана схема классификации методов использования и утилизации сильно забал-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
ластированных сажевых газов, образующихся при производстве технического углерода.
2.Методы огневого обезвреживания отходящих газов различных производств весьма распространены в разных отраслях, отвечают требованиям по снижению токсичности вредных выбросов.
3.Огневое обезвреживание сажевых газов методом их дожигания позволяет не только эффективно уменьшать загрязнение окружающей среды в районах сажевых заводов, но и снижать затраты тепловой энергии на основное производство за счет экономии вторичных энергетических ресурсов.
4.Предложенная схема испытаний котлов-утилизаторов и аппаратурное обеспечение позволят получить адекватные результаты для дальнейшего анализа и выводов.
Библиографический список
1. Спейшер, В. А. Сжигание газа на электростанциях и в промышленности / В. А. Спейшер. — М. : Госэнергоиздат, 1960. — 240 с.
2. Денисова, Е. С. Техногенная нагрузка ООО «Техугле-род» на атмосферный воздух г. Омска / Е. С. Денисова // Сб. науч. тр. Вып. 8 ; Омский институт водного транспорта (филиал) НГАВТ. — Омск, 2010. — С. 197 — 201.
3. Михеев, В. П. Сжигание природного газа в промышленных установках / В. П. Михеев. — М. : Гостоптехиздат, 1962. — 232 с.
4. Спейшер, В. А. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках / В. А. Спейшер, А. Д. Горбаненко. — М. : Энергоиздат, 1982. — 240 с.
5. Спейшер, В. А. Огневое обезвреживание промышленных выбросов / В. А. Спейшер. — М. : Энергия, 1977. — 262 с.
6. Котлы, работающие на отбросных газах сажевых заводов / В. А. Спейшер, [и др.] // Промышленная энергетика. — 1975. — № 7. — С. 19 — 22.
7. Спейшер, В. А. Обезвреживание промышленных выбросов дожиганием / В. А. Спейшер. — М. : Энергоатомиздат, 1986. — 168 с.
8. Ивановский, В. И. Технический углерод. Процессы и аппараты / В. И. Ивановский. — Омск : Техуглерод, 2004. — 228 с.
9. Ведрученко, В. Р. Оптимизация состава сильно забалластированных отбросных газов сажевого производства при их утилизации в пакетно-конвективном котле / В. Р. Ведрученко, Е. В. Галимский // Ресурсосберегающие технологии на обособленных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги : матер. науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 2002. — С. 97 — 99.
10. Ведрученко, В. Р. О температуре и условиях теплообмена в неэкранированной топке котла-утилизатора при сжигании сильно забалластированного газового топлива / В. Р. Ведрученко, Е. В. Галимский // Дизельные энергетические установки : сб. науч. тр. / Новосибирская государственная академия водного транспорта. — Новосибирск, 2002. — С. 114—124.
11. Ведрученко, В. Р. Исследование влияния состава сажевых газов на температуру продуктов сгорания на выходе из предтопка и экологические показатели котла-утилизатора методом математического планирования экспериментов / В. Р. Ведрученко, Е. В. Галимский // Омский научный вестник. — 2006. — № 1(34). — С. 158—161.
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры теплоэнергетики.
КРАЙНОВ Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики. ГАЛИМСКИЙ Евгений Викторович, инженер кафедры теплоэнергетики.
КОКШАРОВ Максим Валерьевич, старший преподаватель кафедры теплоэнергетики. МЕЩЕРЯКОВ Денис Александрович, студент-дипломник гр. 37Ж.
Адрес для переписки: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35.
Статья поступила в редакцию 14.02.2012 г.
© В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, Е. В. Галимский, М. В. Кокшаров, Д. А. Мещеряков
Книжная полка
621.3/Б53
Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле : учеб. для техн. вузов по направлениям «Электротехника», «Электротехнологии», «Электромеханика», «Электроэнергетика» и «Приборостроение» для бакалавров / Л. А. Бессонов. - 11-е изд. - М. : Юрайт, 2012. - 315 с. - ISBN 978-59916-1451-1.
Рассмотрены традиционные и появившиеся за последние годы новые вопросы теории и методы расчета физических процессов в электрических, магнитных и электромагнитных полях, предусмотренные программой курса ТОЭ.К числу традиционных разделов курса относятся: постоянные во времени электрическое поле в диэлектрике и проводящих средах, постоянное во времени магнитное поле, переменное электромагнитное поле в диэлектрике, проводящей и полупроводящей средах, изучение электромагнитных волн, волны в направляющих системах, объемные резонаторы, моделирование полей, метод конформных преобразований, метод Грина, движение заряженных частиц в электромагнитных полях и др. К числу нетрадиционных разделов — основные положения магнитной гидродинамики, электродинамика движущих сред, сверхпроводящие среды в электромагнитных полях, волны в гиротропных средах, метод интегральных уравнений, метод конечных элементов и др. По всем главам даны примеры с подробными решениями. В конце каждой главы — вопросы и задачи для самопроверки.
