Снижение вредных выбросов в атмосферу. Чистый воздух. Мероприятия по снижению вредных выбросов в атмосферу

3.2.9. Мероприятия по снижению экологической нагрузки
на воздушный бассейн

Общая структура мероприятий по предотвращению выбросов в окружающую среду на опасных предприятиях представлена на рис. 3.14. Благодаря такому сочетанию представленных на схеме мер достигается снижение отрицательного воздействия вредных веществ на окружающую среду. Эффективность собственно технологических мероприятий по снижению выбросов в окружающую среду определяется экологической чистотой процессов. Экологически

чистым процессом является такое производство или совокупность производств, в результате практической деятельности которых негативное воздействие на окружающую среду не происходит или сводится к минимуму. Такие малоотходные технологические системы обеспечивают максимальное и комплексное использование сырья и энергии.

Для предприятий нефтепереработки и нефтехимии, в общем случае, это означает: модернизацию технологического оборудования; контроль за герметизацией оборудования и соблюдением технологического режима; разработку аппаратуры, предотвращающей выбросы в атмосферу либо ограничивающей их до допускаемых уровней; улучшение качества моторных и котельных топлив; очистку отходящих газов; совершенствование и сокращение факельной системы и т.д.

Целесообразность и направленность технологических и организационных мероприятий по предотвращению выбросов и улучшению экологической обстановки определяется результатами наблюдений за средой и выбросами в нее. Совершенство системы наблюдений обеспечивает эффективность применения технологических мероприятий к тем или иным производствам.

Таким образом, развитая система мониторинга окружающей среды предприятия дает возможность не только получать достаточно полную информацию о состоянии окружающей среды (МС) и источников выбросов (MB) в режиме реального времени, но и обеспечивает управление окружающей средой за счет целенаправленного и эффективного использования организационных и технологических мероприятий.

К мероприятиям по снижению выбросов вредных веществ, относят:

• - совершенствование технологических процессов и внедрение малоотходных и безотходных технологий;
• - изменение состава и улучшение качества используемых ресурсов;
• - комплексное использование сырья и снижение потребления ресурсов, производство которых связано с загрязнением окружающей среды;
• - изменение состава и улучшение качества выпускаемой продукции (неэтилированные бензины, малосернистые топлива и т.д.);
• - очистку сбрасываемых промышленных газов;

К мероприятиям по снижению степени распространения вредных веществ, относят: нейтрализацию, консервацию, захоронение и утилизацию выбросов. Следует отметить, что строительство

высоких и сверхвысоких труб не уменьшает выброс вредных веществ в атмосферу и степень их распространения, а обеспечивает снижение приземной концентрации вредных примесей.

При рассмотрении технологических мероприятий по снижению выбросов вредных веществ их принято разбивать на группы в соответствии с тем, выбросы каких веществ они предотвращают.

Диоксид серы и сероводород. Снижение выбросов SO 2 и H 2 S. Для снижения выбросов диоксида серы с дымовыми газами основными методами защиты воздушного бассейна являются:

• - усреднение состава перерабатываемых нефтей и, соответственно, остаточных фракций, используемых в качестве нефтезаводского топлива;
• - увеличение доли газа в топливе;
• - очистка топливных газов.

Известные методы сероочистки составляют две основные группы:

• - мокрые способы (с использование абсорбентов, суспензий);
• - сухие способы (хемосорбция, адсорбция, катализ).

Наиболее распространенным способом мокрой очистки промышленных газов от диоксида серы является использование растворов и суспензий соединений щелочных, шелочно-земельных металлов, алюминия, органических веществ (сульфит-бисульфитные методы). При использовании 9,5-10% раствора гидроксида натрия для повышения поглотительной способности добавляют 0,05-0,08% перманганата калия. В случае очистки газов с помощью растворов соды происходит накопление тиосульфата натрия. Чтобы этого избежать, в раствор добавляют 1-3% органических соединений (спиртов, альдегидов). В таком растворе скорость образования тиосульфата в 8-9 раз ниже.

Опробован промышленный абсорбционный метод очистки газов от диоксида серы с использованием сульфита натрия. Охлажденный газ, очищенный от твердых частиц, направляют в абсорбер, орошаемый раствором сульфита натрия. Отработанный раствор регенерируют в выпарном аппарате. При этом выделяемый концентрированный диоксид серы направляют на получение серы или серной кислоты, а сухой остаток растворяют в воде и направляют в абсорбер для повторного использования. Если вместо сульфита натрия использовать сульфит калия, то образующийся в результате очистки газа сульфат калия можно использовать в качестве удобрения.

Большое количество работ посвящено изучению очистки газов

от диоксида серы с использованием растворов и суспензии оснований и солей щелочно-земельных элементов.

Для очистки газов от SO 2 предлагается использовать гидроксид магния, известковую суспензию (20-30% СаС1 2). Полученный гипс можно использовать в качестве стройматериалов. Степень очистки - до 98%. Предложена очистка дымовых газов с использованием суспензии СаСО 3 . Очистку ведут в колонном аппарате высотой 36 м и диаметром 14 м. Степень очистки 90%. Фактором, определяющим надежную работу колонны, является рН суспензии. Наибольшая эффективность достигается при рН суспензии 3,5-4,5. Для поддержания заданного значения рН вводят в требуемом количестве растворы янтарной, уксусной, молочной, сульфопропионовой кислот.

В качестве компонентов суспензии используют также СаО + СаСО 3 , СаО + Са(ОН) 2 , СаО + MgSO 4 . С целью повышения эффективности известковых способов очистки газов от диоксида серы в абсорбент добавляют различные органические соединения, например, дикарбоновые кислоты с величинами констант диссоциации между значениями констант сернистой и угольной кислот. При этом поглощающая способность суспензии в отношении SO 2 повышается в 7-30 раз.

Очистка отходящих газов от кислых примесей возможна с использованием аммиачного метода. В газовую смесь впрыскивают аммиак, который, взаимодействуя г. кислыми веществами, образует соединения аммония. Собранная на электрофильтре твердая фаза направляется на регенерацию аммиака, благодаря чему расход аммиака в процессе невелик.

Предложен цитратный способ обессеривания дымовых газов, содержащих до 30% масс, диоксида серы. Очищаемый газ контактирует при 15-80°С с водным раствором моноди или трикалий-цитрата или с их смесью. Десорбцию диоксида серы осуществляют нагреванием раствора. Газ направляют на получение серной кислоты, элементной серы или жидкого диоксида серы. Для повышения эффективности цитратного способа в раствор добавляют лимонную кислоту.

Имеется ряд эффективных способов очистки отходящих газов с использованием отходов (шламов) различных производств. Например, очистку газов от диоксида серы ведут обработкой газового потока суспензией красного шлама (отход процесса Байера), состоящего из окислов кремния, железа, титана, алюминия и натрия. Степень очистки газа от диоксида серы ≥ 90%.

Запатентован способ и состав абсорбентов для удаления диоксида

серы из дымовых газов с использованием раствора сульфата железа(III) и сульфата алюминия.

Сероводород удаляют из газа в контактной зоне водным раствором соединений кальция и натрия при рН = 7-10. Абсорбционный раствор содержит хелатные соединения поливалентных металлов (каталитические методы очистки в жидкой фазе), например, железа (катализатор окисления). В зоне окисления образуется элементная сера. Абсорбент подвергают регенерации и используют повторно.

Абсорбцию сероводорода проводят также абсорбентом, содержащим гидроксид железа(III) с последующей регенерацией насыщенного абсорбента воздухом с образованием смеси элементной серы и гидроксида железа(III) с последующим ее разделением. Для снижения расхода реагентов смесь элементной серы и гидроксида железа(III) обрабатывают углеводородным конденсатом при 110-120°С. Образующийся углеводородный раствор серы отделяют от Fe(OH)3. Fe(OH)3 подают на первоначальную стадию очистки, а из углеводородного раствора охлаждением выделяют элементную серу, после чего углеводородный конденсат возвращают в цикл.

Очистку газовых потоков, содержащих сероводород, осуществляют обработкой раствором железа(III). При этом образуется элементная сера. Образующийся раствор сульфата железа(II) регенерируют с помощью кислородфиксирующих бактерий.

Описан процесс удаления из дымовых газов сероводорода в скруббере, заполненном абсорбентом-катализатором, содержащим карбонат натрия, пятиокись ванадия и органические азотсодержащие соединения. Регенерацию абсорбционного раствора осуществляют путем окисления V +4 до V +5 . При этом сероводород количественно переходит в элементную серу, которую выделяют фильтрованием или центрифугированием. После плавления получают серу с чистотой 99,8%.

Значительное количество работ посвящено очистке газов с использованием органических сорбентов. Для очистки газов от сероводорода предложен поглотительный растворитель, содержащий органическое основание, диметилформамид и фталоцианин кобальта.

Запатентован способ удаления диоксида серы из газовых потоков контактированием с оксоалканами. Образующийся аддукт с диоксидом серы гидролизуют с образованием серной кислоты и исходного абсорбента, который возвращают в цикл.

Предложен процесс сероочистки дымовых газов с повышенным содержанием углекислого газа с использованием таких растворителей,

как метанол, N-метилпирролидон или диметиловый эфир полиэтиленгликоля. На первой стадии очистки идет поглощение сероводорода и части углекислого газа. На второй стадии ведут доочистку газа от СО 2 и H 2 S. Растворитель регенерируют повышением температуры насыщенного примесями раствора. Из газового потока, обогащенного сероводородом, после регенерации по методу Клауса получают элементную серу.

Большинство сухих хемосорбционных способов очистки газов от кислых компонентов основано на химическом взаимодействии вредных примесей с основаниями, окислами и солями щелочных и щелочноземельных элементов. Для удаления вредных примесей из газов с одновременной осушкой используют смесь гидрокарбонатов натрия, калия, аммония и магния, нанесенную на диоксид кремния или бентонит.

Очистку дымовых газов проводят с помощью порошкообразных гидрокарбоната натрия, карбоната кальция, оксида кальция, гидроксида кальция, которые вводят распылением непосредственно в камеру сгорания или трубопровод дымовых газов. Степень очистки от диоксида серы достигает 85%. Твердые частички отделяются на фильтрах, циклонах вместе с пылью.

В качестве носителя для поглотителя кислых газов используют древесные стружки, пропитанные раствором щелочи и силикатом натрия в количестве 0,13-0,78%.

Для более полной очистки от диоксида серы предварительно охлажденные до 100°С дымовые газы пропускают через слои гидроксида натрия, соды, известняка, активированного угля и пористого стекла. Степень очистки от диоксида серы составляет 90%.

Предложен способ очистки от диоксида серы и других кислых газов с помощью хемосорбента, приготовленного на основе гидроксида магния. Смесь гидроокиси магния и связующего (бентонит, каолинит, силикат натрия, диоксид кремния) гранулируют и прокаливают при 350-800°С. Содержание связующего 3-50% в расчете на гидроксид магния. Предложен способ приготовления хемосорбента на основе оксида бария. В качестве носителя используют техническую полуторную окись алюминия с 10% диоксида кремния.

Очищать газы от сероводорода и диоксида серы возможно контактированием газа с хемосорбентом в псевдоожиженном слое. Хемосорбент получают смешением 10-70% цемента с известняком или доломитом (90-30%) и водой с последующим затвердеванием смеси. Полученный продукт дробят и используют фракцию 0,7-2 мм.

Разработаны эффективные сухие способы очистки газов от вредных примесей с использованием органических нетканых материалов,

являющихся сильными основаниями (акриловые ткани, волокнистые ткани, изготовленные из ароматического моновинилового полимера).

В адсорбционных способах очистки дымовых газов преимуществом цеолитных адсорбентов по сравнению с аморфными является их высокая адсорбционная емкость даже в случае очень малых концентраций сернистых соединений в газах, что позволяет осуществлять их глубокую очистку. Из синтетических цеолитов общего назначения (NaA, CaA, NaX) лучшими свойствами по отношению к сернистым соединениям обладает цеолит СаА.

Возможно использование специальным образом приготовленной волокнистой глины, содержащей до 50% полуторной окиси алюминия и 20-25% меди, а также поглотители, приготовленные пропиткой γ-А1 2 О 3 соединениями марганца или железа с последующей прокалкой.

Чисто адсорбционные установки используют для концентрирования кислых газов, в сочетании с каталитическими установками - с целью получения серной кислоты.

Различные методы уменьшения выбросов диоксида серы разработаны применительно к установкам каталитического крекинга. При переработке сырья с содержанием серы 1,65% концентрация диоксида серы в отходящих газах регенерации катализатора достигает до 2000 мл/м 3 . Уменьшение выбросов диоксида серы на установках каталитического крекинга может быть достигнуто увеличением подачи пара для отпарки катализатора, транспортируемого из реактора в регенератор. Однако для уменьшения выбросов на 80% расход пара при крекинге на природных алюмосиликатах должен быть увеличен примерно в 10 раз. При крекинге на цеолит-содержащих катализаторах достигаемое снижение выбросов даже при таком расходе пара составляет 20%.

Одним из методов снижения выбросов серосодержащих газов является гидрообессеривание сырья. Развивающимся направлением снижения выбросов диоксида серы является применение катализаторов, содержащих оксиды металлов и связывающих серу в сульфаты. Последние вместе с катализатором переносятся в реактор, где восстанавливаются до сероводорода. Выход последнего повышается примерно на 10%, что, как правило, не требует изменения схемы газофракционирования и аппаратуры извлечения сероводорода. Различают два вида катализаторов: модифицированные - бифункциональные ("перемешивающие SO x ") и добавки к основному катализатору ("восстанавливающие SO x "). Так как при связывании сернистых соединений предпочтительно

наличие серного ангидрида, то при осуществлении процесса подбирают соответствующие режимы: полный дожиг сернистых соединений в регенераторе, избыток кислорода в газах выжига кокса, ограниченный диапазон температур регенерации, эффективную отпарку, ограничения на содержание в сырье никеля, ванадия, кремния.

Показано, что применение катализатора ПС-17 для связывания оксидов серы в сочетании с катализатором КО-9М для окисления оксида углерода обеспечивает значительное сокращение выбросов в атмосферу, и, следовательно, улучшение экологической обстановки. Кроме того, из сырья с 0,4-1,5% серы благодаря увеличению содержания сероводорода в газах крекинга можно дополнительно получить 500-1500 т/год элементной серы.

Снижение выбросов H2S на установках производства элементной серы, (процесс Клауса). Современные НПЗ становятся крупными производителями серы. Это связано с вовлечением в переработку тяжелых нефтей и в большей степени с ужесточением экологических требований по ограничению содержания серы в нефтепродуктах и серосодержащих газовых выбросах в атмосферу.

За пять лет доля серы в перерабатываемой нефти увеличилась (согласно оценке Европейской организации по охране окружающей среды) на 23%. Например, доля серы в перерабатываемых на Московском НПЗ западно-сибирских и татарских нефтях (70% от общего объема перерабатываемых нефтей) за последние 10 лет возросла на 27%.

Организация и увеличение мощностей производства серы (процесс Клауса) или производство серной кислоты на базе утилизации ее из серосодержащих выбросов значительно увеличивают рентабельность как за счет реализации товарной серы, так и за счет сокращения штрафных санкций со стороны природоохранных органов. По оценкам порядка 90-95% мировой выработки серы приходится на процесс Клауса. В настоящее время ни один из новых методов получения серы не доведен до такой степени совершенства, как классический процесс Клауса. На большинстве предприятий при строительстве новых установок ориентируются на метод Клауса (рис. 3.15).

Сырьем для производства серы методом Клауса служит сероводород, образующийся в результате переработки нефти и очистки нефтепродуктов. Сероводород накапливается главным образом во фракции топливного газа. По химическому составу сернистые соединения нефти очень разнообразны. В нефтях встречается как

растворенная, так и элементная сера в коллоидном состоянии, сероводород, меркаптаны (тиолы, тиоспирты), сульфиды (тио-эфиры) и полисульфиды, а также смешанные серу- и кислородсодержащие соединения - сульфоны, сульфоксиды и сульфоновые кислоты.

Очистку топливного и других сероводородсодержащих газов проводят обычно с помощью абсорбции аминами: моноэтаноламином (МЭА), диэтаноламином (ДЭА), метилдиэтаноламинами (МДЭА). Очистка углеводородного газа от сероводорода осуществляется взаимодействием с 15% раствором МЭА (коррозионные ограничения).

Извлекаемый таким образом сероводород является целевым сырьем для производства серы. Более эффективным способом очистки газов от сероводорода, по сравнению с МЭА-очисткой, является очистка водным раствором МДЭА. Данный процесс имеет следующие преимущества:

• - высокая селективность извлечения сероводорода, что увеличивает концентрацию H 2 S в потоке, поступающем на процесс Клауса. Это приводит к повышению эффективности и увеличению экологической характеристики последнего;
• - меньшие затраты тепла на стадии регенерации рабочего раствора;
• - малые потери растворителя вследствие его высокой термохимической устойчивости и низкого давления паров;
• - низкая коррозионная активность МДЭА-растворов.

В отличие от процесса МЭА-очистки, где, исходя из условий коррозии, используется 15% масс, растворы, концентрация МДЭА в рабочих растворах составляет 30-35% масс. Соответственно, уменьшается количество циркулирующего раствора и его теплоемкость, что снижает затраты энергии на циркуляцию и регенерацию абсорбента. Другим преимуществом МДЭА является более низкая (примерно на 20%) теплота абсорбции кислых газов по сравнению с МЭА. Это также приводит к некоторому снижению расхода тепла при регенерации раствора.

Присутствие аммиака в кислом газе, поступающем на установку, ведет к возникновению следующих вторичных реакций:

• - образование (за счет реакций с серой) отложений твердых аммонийных комплексов на холодных участках установки, если аммиак или его часть проходит через печь, не сгорая;
• - возможное образование диоксида азота, катализирующего в присутствии кислорода окисление диоксида серы в триоксид. Последний при взаимодействии с водой образует серную кислоту, которая усиливает сульфатирование катализатора (оксида алюминия), а также способствует коррозии оборудования. Аммиак из сырьевого потока необходимо разрушать на стадии термического сжигания.

Наибольшее распространение в процессе Клауса получили катализаторы на основе γ-А1 2 О 3 . Продолжительность эксплуатации этих катализаторов на установках Клауса составляет от 3 до 5 лет. К основным факторам, вызывающим дезактивацию катализатора следует отнести:

• - снижение удельной поверхности, кристаллические изменения (за счет гидротермической и термической деструкции);
• - снижение числа активных центров за счет хемосорбции SO 2 ;
• - сульфатирование поверхности катализатора;
• - изменение пористости катализатора за счет отложения серы, кокса, минеральных солей.

На основании исследований установлено, что активность катализатора можно выразить показателями: удельной поверхностью и содержанием в нем сульфата. Фирмой "Эльф-Акитен" разработан модифицированный сульфатом железа алюмооксидный катализатор торговой марки AM. Катализатор обладает способностью конвертировать следы кислорода и триоксида серы, присутствующие в газах, в результате чего предотвращаются реакции сульфатации катализатора. Катализатор AM используется в качестве защитного лобового слоя. Особенно целесообразно его использовать в последнем каталитическом конверторе, где кинетика реакции Клауса и условия для авторегенерации оксида алюминия крайне неблагоприятны. Срок службы основного катализатора при этом увеличивается.

Фирма "Рон-Пуленк" совместно с фирмой "Эльф-Акитен" разработали катализатор на основе диоксида титана - CRS-31. Катализатор высокоактивен в реакциях окисления сероводорода диоксидом серы и гидролиза COS и CS 2:

COS + Н 2 О → H 2 S + CO 2 (3.18)

CS 2 + H 2 O → 2H 2 S + CO 2 (3.19)

и стоек к сульфатированию, что делает его особенно стабильным.

С учетом вышеизложенного фирма "Прокатализ" совместно с фирмой "Рон-Пуленк" разработала новый катализатор для процесса Клауса CR-3S на основе оксида алюминия с размерами сферических частиц 3,1-6,3 мм, соотношением V 1 /V 0,1 > 0,7 и содержанием натрия 1700-2300 Na 2 O/кг. Преимущество физических

и химических свойств катализатора CR-3S особенно проявляется в случае наиболее сильных ограничений, связанных с сульфатированием.

Фирмой "Компримо" в сотрудничестве с другими предприятиями разработан процесс - Суперклаус. В новом процессе модифицирована система управления и введена стадия прямого селективного окисления H 2 S, отходящего с конечного конвертора, до серы в присутствии специального катализатора. Степень извлечения серы достигает 99-99,5%. К основным преимуществам процесса Суперклаус следует отнести также отсутствие сточных вод, увеличение продолжительности активности и срока службы катализаторов в результате предотвращения сульфатации при работе в среде, обогащенной H 2 S.

Широко применяемым методом обезвреживания хвостовых газов на установках производства элементной серы является термический дожиг. Эффективность очистки от H 2 S данным методом достигает 94,6%, а концентрация вредных веществ в хвостовых газах после дожига составляет: H 2 S - 0,42 г/м 3 , SO 2 - 1,36 г/м 3 . Важным направлением снижения выбросов диоксида серы являются:

• - использование малосернистых остаточных топлив;
• - увеличение доли газа в нефтезаводском топливе и очистка топливных газов (табл. 3.18).

Изменение структуры потребления топлива данной системой

Таблица 3.18

Динамика расхода топлива
в печах НПЗ топливно-нефтехимического профиля

Процессы	Год
	1-й	2-й	3-й

указывает на то, что идет сокращение применения в качестве топлива мазута прямой гонки. Для компонента жидкого топлива используется очищенный газойль каталитического крекинга, содержащий меньше серы. Было показано, что сокращение потребления жидкого топлива привело к уменьшению вредных выбросов, в частности SO 2 (рис. 3.16).

Задача снижения выбросов SO 2 решается путем реконструкции и модернизации топливных систем, в т.ч.: системы энергетических паровых котлов и системы обеспечения работы технологических печей. Следует отметить, что реконструкция топливных систем позволяет снизить выбросы не только SO 2 , но и окислов азота, твердых веществ, окиси углерода.

Таким образом, комплексный подход к проблеме снижения выбросов сернистых соединений позволяет значительно снизить выбросы данного вида загрязнителей в атмосферу даже при увеличении мощностей предприятий и вводе в эксплуатацию новых производств.

Оксиды азота. Наиболее простым и экономичным методом снижения выбросов NO x является совершенствование процесса сжигания топлива. Исходя из этого, основные мероприятия по снижению выбросов окислов азота должны быть направлены на совершенствование процесса сжигания топлив.

Использование акустических ствольных горелок в печи П-3 установок первичной переработки нефти приводит к сокращению

Рис. 3.17. Динамика изменения среднегодовых значений концентрации диоксида азота в воздухе промышленной зоны: 1 - ПДК c.c. ; 2 - аппроксимация

расхода топлива на 0,063 кг/т сырья и существенному снижению выброса дымовых газов.

Результатом модернизации систем сгорания топлива и сокращения количества вредных выбросов с дымовыми газами является снижение содержания диоксида азота в атмосферном воздухе промышленной зоны предприятия, где в наименьшей степени ощущается влияние внешних источников выбросов диоксида азота (рис. 3.17).

Оксид углерода(И). К мероприятиям, проводимым по снижению выбросов оксида углерода(П), относятся:

• - каталитический дожиг отходящих газов;
• - утилизация больших количеств газа в котлах-утилизаторах;
• - дожиг отходящих газов в регенераторе (установка Г-43-107) на базе применения промотирующих добавок к основному катализатору процесса крекинга.

С ростом доли тяжелого и остаточного сырья в общем объеме сырья каталитического крекинга, а также с ужесточением экологических требований актуальность проблемы сокращения вредных выбросов в атмосферу на этих установках возрастает. Одним из наиболее рациональных и перспективных способов совершенствования процесса регенерации является регулируемое окисление СО и связывание SO 2 в объеме регенератора с помощью специальных катализаторов.

Наиболее эффективный подход к сокращению выбросов оксида

углерода - предотвращение его образования. С этой целью проектируются форсунки, обеспечивающие хорошее смешение с воздухом, внедряются системы контроля за полнотой сгорания топлива и другие мероприятия. К сожалению, меры, направленные на подавление образования оксида углерода, приводят к повышению концентрации оксидов азота и наоборот. Поэтому каждый тип устройств для сжигания следует оценивать по выбросам отдельных загрязняющих веществ.

При выделении больших количеств оксида углерода (например, при выжиге кокса на регенераторных установках) его собирают и сжигают в котлах-утилизаторах. При низких концентрациях СО в выбросе требуется применять устройства для каталитического дожигания. Оксид углерода можно избирательно отделить от других газов посредством промывки специальными растворами, например, аммиачным раствором формиата меди.

Снижение выбросов оксида углерода на установках каталитического крекинга достигается дожигом отходящих газов, осуществлением полного дожига непосредственно в регенераторе на базе применения промотирующих добавок к основному катализатору (благородный металл на оксиде алюминия). Концентрация СО в отходящих газах снижается при этом от 10 до 0,1%.

Дожиг является также основным методом нейтрализации для других источников выбросов оксида углерода и других вредных углеводородов с применением новых, более эффективных катализаторов дожига. Так, разработан гранулированный катализатор НТК-11 для низкотемпературной конверсии оксида углерода с водяным паром в производствах аммиака, водорода, синтеза метанола и других процессах.

Проведены испытания установки термокаталитического дожига газов окисления битумного производства. Ранее применительно к катализатору НИИОГАЗ-10Д было показано, что при температуре в слое катализатора 500-560°С достигаются следующие пределы окисления примесей: 72-87% для С-Н и СО; 91-92,5% для H 2 S; 73-74% для RSH. На основе исследований разработан технологический регламент процесса с использованием термической и каталитической ступеней дожига. Термический процесс при температуре 400-450°С протекает в циклонной топке со степенью окисления: 75-90% H 2 S; 23-71% RSH и 56-83% СО + (СН). Каталитическое окисление проводится при температуре 500-550°С; эффективность обезвреживания оксида углерода и органических продуктов может достигать 99,8%.

Углеводороды. Можно выделить основные способы снижения уровня загрязнения атмосферы при хранении нефтей и нефтепродуктов:

• - обеспечение поступлений на завод сырой нефти с давлением насыщенных паров и содержанием минеральных солей, отвечающих ГОСТу;
• - обеспечение стабилизации вырабатываемых на заводах бензиновых компонентов и других легких фракций, направляемых для хранения в резервуары. Причинами неудовлетворительной работы системы стабилизации бензиновых компонентов могут быть: низкое давление в стабилизаторах и недостаточное число фракционирующих тарелок, малый диаметр аппарата, низкая температура нагрева продукта, нарушения технологического режима работы и т.п.;
• - обеспечение охлаждения светлых продуктов, направляемых в резервуары для хранения, до минимально возможной температуры, для чего необходимо сооружать дополнительные концевые холодильники. Исследования показали, что при снижении на 10-15°С температуры охлаждения светлых продуктов перед поступлением их в резервуары для хранения потери от "дыханий" резервуаров уменьшаются в 1,5-2,5 раза;
• - замена резервуаров с шатровой крышей на резервуары с плавающими крышами, понтонами или резервуары, работающие при избыточном давлении. В резервуаре с плавающей крышей нет газового пространства над продуктом, т.е. исключены потери от "дыханий". Резервуары подобных конструкций могут быть большой емкости, что дает значительную экономию капитальных затрат на их сооружение, а также дополнительно сокращаются потери продукта при малых "дыханиях";
• - оборудование действующих резервуарных парков специальными системами улавливания испаряющихся из резервуаров паров нефтепродуктов: адсорбцией паров на активированных углях с циклической вакуумной регенерацией последних и поглощением десорбированных паров потоком бензина; адсорбцией паров бензином при пониженных температурах; сжиганием выделяющихся паров.

Главным узлом, имеющим открытую связь установки вакуумной перегонки с окружающей средой, является конденсационно-вакуумная система, через которую выбрасываются загрязнители. Поэтому от выбора схемы и устройства конденсационно-вакуумсоздающих систем будет в значительной степени зависеть не только уровень энергозатрат на создание вакуума, а также уровень безвозвратных потерь углеводородного сырья и выброс вредных веществ в окружающую среду.

Нефтепродукты, поступающие с оборотной водой, в основном испаряются в воздух. Например, в градирнях НПЗ удаляется с воздухом через открытые вентиляторы 2500 т/год углеводородов. Для снижения выбросов из очистных сооружений необходимо уменьшить расход сточных вод за счет использования системы оборотного водоснабжения и аппаратов воздушного охлаждения, а также заменить нефтеловушки открытого типа закрытыми, полностью или частично герметизированными.

Резервуары для нефти и бензинов, имеющих низкую температуру начала кипения, оборудуют "плавающими" крышами, снижающими потери с парами нефтепродуктов на 90% по сравнению с резервуарами обычного типа.

Значительный эффект дает модернизация старых установок завода и выведение из эксплуатации морально и физически изношенных установок. Названные мероприятия позволили значительно снизить общий выброс углеводородов, например, на Московском НПЗ (рис. 3.18).

Новые технологические установки с малыми удельными потерями, системой утилизации факельного газа, например, установки для выпуска высокооктанового бензина и очистки дизельных топлив от серы, а также ввод в действие нового производства полипропилена позволили сократить выбросы вредных веществ в атмосферу в 10 раз.

Твердые вещества. С химическими методами переработки углеводородного сырья, особенно каталитическими, помимо вышеуказанных

загрязнителей атмосферы, связан и выброс пылеобразующих веществ.

Выбор системы пылеочистки должен базироваться на комплексном рассмотрении всего технологического процесса. Предопределенные технологией каталитического крекинга методы снижения расхода катализатора путем его извлечения из контактных газов в аппаратах технологической пылеочистки и принудительного возврата в реакционную систему устанавливают взаимно однозначное соответствие между фракционным составом катализатора в системе, скоростью его уноса из псевдосжиженного слоя, интенсивностью истирания и весовой скоростью потерь. На балансовые показатели процесса каталитического крекинга и систем пылеулавливания значительное влияние оказывают свойства катализатора. Поэтому при расчете систем пылеулавливания необходимо учитывать различия в физико-механических характеристиках рабочих и поступающих на установку катализаторов.

Уровень выбросов вредных веществ в окружающую среду в значительной степени зависит от параметров технологических установок. Так, например, при переработке дистиллятного сырья каталитическим крекингом поддержание высокой средневзвешенной активности катализатора достигается повышенной кратностью его циркуляции. Но увеличение кратности циркуляции ведет к более интенсивному износу катализатора и выносу большого количества катализаторной пыли в атмосферу.

На современных установках каталитического крекинга обычно применяют двухступенчатые системы циклонов в регенераторе и одноступенчатые - в реакторе. При этом ограничения технологии (например, максимальное содержание легких фракций лимитируется величиной механических примесей в тяжелых продуктах крекинга) требуют вполне определенной эффективности каталитических систем и, естественно, предопределяют уровень потерь катализатора в атмосферу. Однако, если этот уровень превышает нормы предельно допустимых выбросов или допустимую концентрацию катализаторной пыли в приземном слое, то возникает необходимость установки дополнительных выносных систем очистки газов. При этом выносные (дополнительные) системы пылеулавливания могут иметь различные схемы, которые должны отвечать следующим требованиям:

• - обеспечивать санитарные требования по уровню предельно допустимых концентраций катализаторной пыли в приземном слое;
• - обладать высоким уровнем надежности, низким гидравлическим сопротивлением и малой металлоемкостью.

Наибольшее применение нашли выносные схемы, включающие одновременно групповые или батарейные циклоны, электрофильтр, сепараторы тонкой очистки для подготовки газов и рекуперации их энергии в турбинах. При этом возможны различные модификации схем тонкой санитарной очистки, сущность которых заключается в повышении эффективности сепарации путем откачки части газа с уловленной пылью и очистки в отдельном сепараторе газов отсоса перед выбросом их в атмосферу или применение мокрого скруббера взамен мультициклона.

Повышение эффективности работы факельной системы.

Сокращение объемов газов, сбрасываемых на факел, и возврат их в производство - одна из актуальных задач нефтепереработки. Опыт показывает, что сброс газов при пуске установок, в аварийных ситуациях и нарушениях технологических режимов пока неизбежен. При этом состав и объемы газов могут сильно различаться. Факельная установка всегда должна быть готова к приему и обезвреживанию аварийных и периодических сбросов, поэтому она снабжена пилотными горелками. Постоянные сбросы должны собираться на установке утилизации и возвращаться на переработку или использоваться в качестве топливного газа.

По месту расположения горелок факельные установки разделяют на высотные (надземные) и наземные. В зависимости от высоты факельной трубы надземные установки принято подразделять на средние (4-25 м) и высокие (> 25 м). В некоторых случаях высота факельной трубы составляет 80-120 м. Выбор высоты и расположения факела определяется топографией производственной площадки, характером близлежащих технологических установок, населенных пунктов и др. С целью снижения вредного воздействия высокие факелы располагают обычно в подветренной части производственной площади.

Основными достоинствами факельных установок являются:

• - удаленность от пожароопасных объектов (10-15 м);
• - возможность обезвреживания значительных объемов сбрасываемых газов (более 400 т/ч).

Эксплуатационные показатели факельных систем должны характеризоваться стабильностью пламени, полнотой сгорания газа, уровнем шума, надежностью воспламенения, эффективностью управления при изменении объемов или состава сгорающего газа, бездымностью работы.

Применявшиеся ранее факельные системы утилизации газов, например на Московском НПЗ (рис. 3.19а), не отвечали современным

экологическим требованиям по следующим причинам: отсутствие независимых источников подачи и потребления газа, систем с различным давлением и достаточно емкого буфера для сглаживания давления; регулировка производительности установки утилизации вручную; малая производительность установок.

Модернизация предприятия с вводом новых установок неизбежно приводит к изменению параметров и режимов сжигания сбрасываемых газов (паров). Поэтому были проведены проектные проработки для определения направления реконструкции факельной установки с целью улучшения экологической обстановки предприятия. Результаты исследований на предприятиях топливно-нефтехимического профиля показывают, что не все количество сбрасываемого газа сгорает на наземном факеле. Строительство наземного факела не дает преимуществ с экономической и с экологической точек зрения. Для обеспечения стабильной работы наземного факела требуется увеличить расход топливного газа приблизительно на 3,2 т/ч, что приведет к увеличению выброса вредных веществ. Это связано с низкой высотой наземной факельной установки и малой скоростью выхода продуктов сгорания.

Спроектирована высотная факельная установка, которая состоит из гидрозатвора, факельного ствола, газового затвора для сокращения расхода продувочного (топливного) газа, факельного оголовка, дежурных горелок и системы зажигания (3.196). Все эти элементы обеспечивают стабильную (без погасания) работу факельной установки в широких технологических режимах. Наличие устройств для распыления пара обеспечивает полноту сгорания углеводородов, содержащихся в сбросном газе. Специальные факельные горелки обеспечивают автономное сжигание сероводорода независимо от расхода углеводородных газов. Предусмотрены резервные стволы с оголовками как для сероводородного, так и для углеводородного сбросов. Это позволяет обеспечить бесперебойную работу факельной установки.

Факельная установка рассчитана на достаточно полное сжигание сбросных газов в широком интервале их расходов. В частности, для сжигания относительно небольших сбросов газов, содержащих сероводород, предусмотрена отдельная факельная горелка, а для бездымного сжигания углеводородных газов подведен пар, количество которого обеспечит качественное сжигание до 40 т/ч углеводородов.

Сравнительные характеристики ранее действующей и новой факельных установок приведены в табл. 3.19. Конструкция, размеры новой факельной установки и системы ее привязки позволяют

Таблица 3.19

Сравнительные характеристики факельных установок

Высота, м	40	99	99
Диаметр ствола, м	0,6	1,4	0,5
250	400	9
Молекулярная масса (средняя)	17,71	17,71	32
Плотность, кг/м 3	0,79	0,79	1,29
Температура сборного газа, °С	70	70	112
Давление МПа (изб.)	0,015/0,05	0,04	0,09
Скорость сброса, м/с	122,2	61	8,9
Расход продувочного (топливного) газа, м 3 /ч	1630	-	-
Расход продувочного газа (азота), м 3 /ч	-	60,2	8,0
Количество пара, т/ч	Около 5	12	-
Количество бездымно сжигаемого газа, т/ч	15	40	-
Степень превращения, %	Не более 90	Не менее 90	Не менее 90
Длина пламени (максимальная), м	8	40	25

исключить строительство дополнительной факельной установки для производства полипропилена.

Ввиду сложности экспериментального определения количества вредных веществ, образующихся при сжигании сбросов на факельной установке, использовались расчетные методы определения эмиссии от старого и нового факелов при различных вариантах сжигания газов (табл. 3.20).

Как видно из представленных в табл. 3.20 данных, ввод новой факельной установки приводит к снижению выбросов вредных веществ на два порядка по сравнению со старой факельной установкой. Такое снижение обеспечивается за счет замены продувки углеводородным газом на продувку азотом.

При замене углеводородного газа на азот не снижается количество вредных веществ, образующихся при максимальном аварийном сбросе, но при работе новой факельной установки в дежурном режиме выброс вредных веществ с факельной установки уменьшается на 300 т/год.

Отметим, что длина пламени на новом факеле в два раза больше, чем на старом, и составляет ∼140 м, что значительно улучшает рассеяние вредных веществ в атмосфере.

Таблица 3.20

Параметры выбросов загрязняющих веществ в атмосферу

Максимальный аварийный выброс
Новый факел (основной)	99	1,4	77,14	110,4	1000	Углеводороды	0,0312
						Диоксид азота	0,187
						Оксид углерода	1,250
						Диоксид серы	0,063
Новый факел (вспомогательный)	99	0,5	11,84	2,32	1000	Диоксид серы	0,388
						Диоксид азота	0,00675
Старый факел	40	0,6	389	110,4	1000	Углеводороды	0,0326
						Диоксид азота	0,194
						Оксид углерода	1,250
						Диоксид серы	0,102
Постоянное горение
Новый факел (дежурные горелки)	99	0,05	2,8	0,0055	1000	Углеводороды	0,06192
						Диоксид азота	0,40248
						Оксид углерода	2,69352
Старый факел (продувочный газ)	40	0,6	1,74	0,4906	1000	Углеводороды	6,00624
						Диоксид азота	35,9136
						Оксид углерода	232,2
						Диоксид серы	26,0064

* максимальный аварийный сброс рассчитан по максимальному сбросу установки ЭЛОУ-АВТ-6.

По результатам расчетов рассеяния вредных веществ, образующихся при факельном сжигании сбросных газов, рассчитаны максимальные приземные концентрации на границе санитарно-защитной зоны по предельным углеводородам, диоксиду азота, оксиду углерода, диоксиду серы (табл. 3.21).

Из табл. 3.21 видно, что при постоянном горении концентрации вредных веществ при сжигании на новом факеле уменьшаются в 115-125 раз, а в режиме максимального аварийного сброса - в 2-2,5 раза. При аварийном сбросе концентрация диоксида серы несколько возрастает. Это объясняется раздельным сжиганием сероводорода (91,77% в сероводородном сбросе), поступающего на вспомогательный факел, и более низкими скоростями выхода сероводорода из устья факельной горелки.

Несмотря на это, во всех расчетных точках в пределах санитарно-защитной зоны и за ее границами получено существенное снижение концентрации вредных веществ в приземном слое. Новая факельная установка имеет ряд преимуществ, которые заключаются в следующем:

Благодаря увеличению подъема факельных горелок и сооружению звукоизолирующего кольца снижается до нормативного уровня воздействие шума на поверхности земли при сгорании аварийных сбросов;

Вследствие использования дополнительного количества

Таблица 3.21

Максимальные концентрации вредных веществ в приземном слое

	Горение продувочного газа		Горение дежурных горелок
Углеводороды	0,194	-	0,0022	- *
Окись углерода	7,5	0,01156	0,087	-
Диоксид азота	1,16	0,1424	0,013	-
Диоксид серы	0,84	0,0175	-	-
	Сжигание аварийного сброса		Сжигание аварийного сброса
Углеводороды	34,74	-	34,74	-
Окись углерода	11388,8	0,0512	1388,8	0,0616
Диоксид азота	215,8	0,4677	215,8	0,6099
Диоксид серы	113,33	0,0453	113,33	0,1224

* расчет не проводился ввиду очень малой концентрации (менее 0,01 ПДК).

пара увеличивается диапазон бездымного сжигания аварийных сбросов (с 15 до 40 т/ч);

• - за счет применения эффективных факельных горелок уменьшается количество образующихся вредных веществ (полнота сжигания превышает 99%);
• - при компьютерном регулировании соотношения горючий газ-пар обеспечивается бездымное сжигание тяжелых углеводородов как в случае периодических, так и аварийных сбросов;
• - с увеличением высоты факельного ствола и уменьшением сажеобразования уменьшается тепловая нагрузка на поверхность земли;
• - с помощью отдельного ствола (вспомогательной факельной установки) обеспечивается стабильное (независимое от колебаний расхода углеводородных сбросов) сжигание сероводорода;
• - благодаря прекращению постоянной подачи топливного газа на продувку и переводу факельной установки в дежурный режим снижается образование вредных веществ более чем в 100 раз и в несколько раз уменьшается световое излучение пламени;
• - для исключения негативного воздействия факельных газов на окружающую среду используются газо-жидкостные струйные компрессоры нового поколения.

• Какие тенденции в динамике загрязнения воздушной среды имеются в последние годы?
• Укажите классификацию мероприятий по снижению выброса в атмосферу вредных веществ?
• Как снизить потери сероводорода в процессе Клауса?
• Какие пути снижения оксидов серы являются наиболее рациональными?
• Какие способы очистки газов от опасных оксидов вам известны?
• Какие технологические мероприятия надо проводить для уменьшения содержания вредных газов?
• Как осуществляется очистка газов от твердых примесей?
• Какие требования предъявляются к существующим химическим способам очистки воздуха?
• Назовите преимущества и недостатки факельной утилизации газов.
• Опишите принципиальную схему факельных установок утилизации газовых выбросов.
• В чем заключаются основные преимущества новых факельных установок?

Негативное влияние вредных компонентов на здоровье населения, флору и фауну, объекты и сооружения не ограничивается территорией, прилегающей к источникам выбросов, а распространяется на сотни и тысячи километров. Поэтому в настоящее время загрязнение окружающей среды приобретает глобальный характер, а расходы на ее охрану стали соизмеримы с величиной экологического ущерба.

Проблема обеспечения энергетической эффективности и экологической безопасности энергетических объектов является многоцелевой (проектирование, эксплуатация, экспертиза, аудит, прогнозирование, мониторинг и др.) и многозначной. Это связано с необходимостью определения уровня использования топливно-энергетических ресурсов, технического состояния оборудования энергообъектов, с применением природоохранных мероприятий и т.п. Сложность решения данной проблемы обусловлена широким спектром определяющих параметров, факторов и показателей экологической опасности.

Уже на уровне выбора показателей экологической безопасности существуют некоторые противоречия. Так, использование показателей валовых выбросов вредных веществ M i (т/г или г/с) необходимо на региональном и особенно глобальном уровнях анализа экобезопасности. Однако данный критерий непригоден при сравнении локальных источников выбросов различной мощности.

Применение удельного показателя в виде отношения M i к выбрасываемому объему дымовых газов V 1 (С i = M i / V 1 – концентрация конкретной примеси в дымовых газах) требуется при оценке предельно допустимых выбросов и концентраций, построении карты загрязнения экологическими выбросами населенной местности и определении зон экологической опасности (риска) согласно установленным санитарно-гигиеническим нормам предельно допустимых концентраций (ПДК) опасных выбросов. Однако этот показатель непригоден при оценке других типов выбросов (например тепловых) и не может быть объектом анализа при сравнении источников экологической опасности различной мощности.

Критерий экологической безопасности в виде отношения M i к количеству подведенной теплоты Q 1 или расхода топлива вообще может дать парадоксальный вывод об экологических преимуществах объекта с более низкой энергетической эффективностью преобразования (использования) энергии топлива.

Наиболее универсальным показателем экобезопасности представляется критерий, который определяется как отношение произведенной энергии Е к валовому выбросу вредного вещества M i в виде g i = Е / M i (кВт·ч/ч).

Можно показать, что

(2.1) где К – коэффициент, учитывающий в общем случае влияние топливного, технологических

и эксплуатационных факторов; ηуст – к.п.д. энергетической установки; ηt – термический к.п.д. цикла; – произведение к.п.д. всех элементов и трактов энергетической установки (для ПТУ – котел, пароперегреватель, турбина, насос, паропроводы, электрогенератор и др.), учитывающее степень необратимости рабочих процессов.

При использовании критерия g i можно выделить следующие факторы влияния, обеспечивающих экологическую безопасность конкретного объекта: термодинамический, топливный, технологический и эксплуатационный (табл.2.5).

Таблица 2.5 Факторы влияния и параметры экологической опасности ТЭС

	Параметры экологической опасности
	Тепловое загрязнение					Твердые выбросы
Термодинамический
Топливный
Технологические Сжигание Очистка и переработка топлива Очистка дымовых газов
Эксплуатационные
Группа параметров

Технологическая группа факторов в свою очередь подразделяется на три подгруппы, влияющие через изменение технологии сжигания топлива, использование технологии очистки и переработки топлива или приемов очистки дымовых газов. Каждый из определенных факторов имеет свои особенности с точки зрения условий обеспечения экологической безопасности.

Термодинамический фактор – наиболее универсальный. Он влияет на все параметры и показатели экологической опасности и является самоокупаемым, так как затраты на его реализацию компенсируются экономией топлива при неизменном уровне производимой тепловой и электрической энергии.

Топливный фактор также характеризуется высокой универсальностью (слабое влияние лишь на тепловые выбросы) и при определенных условиях оказывает значительное влияние на ряд экологических показателей. Возможности его использования зависят от наличия соответствующих природных топливно-энергетических ресурсов, экономической и политической ситуации, сложившейся в данном регионе.

Оба указанных фактора характеризуются реверсивностью влияния, то есть могут улучшать или ухудшать экологическую ситуацию. Реверсивность характерна и для других воздействий.

Технологические факторы являются менее универсальным и по сравнению с двумя предыдущими и в зависимости от особенностей использования могут быть малозатратными (при совершенствовании технологии сжигания топлива) или высокозатратными (при использовании технологических приемов переработки топлива или очистки дымовых газов).

В свою очередь в зависимости от комбинации результативных приемов влияния на параметры загрязнения окружающей среды параметры экологической опасности можно условно разделить на семь характерных групп, исходя из полноты реализации определяющих факторов (см. табл. 2.5).

Пылеулавливание на ТЭС. К наиболее крупным источникам выбросов в атмосферу твердых частиц относятся электростанции, промышленные и отопительные котельные, работающие на угле. Твердые частицы, выбрасываемые топками котельных, представляют собой смесь сажи (несгоревшие частички угля или других видов топлива; их размеры около 1 мм, они очень легки, но могут соединяться между собой в крупные конгломераты, видимые невооруженным глазом), дыма (аэродисперсные системы, состоящие из частичек размером от 0,1 до 10 мкм; плотность дымов очень низка, а составляющие их частицы почти всегда окислены) и пыли (состоит из частиц угля, золы или породы). Термином пыль обычно принято обозначать все три вышеперечисленных вида твердых частиц.

Чем меньше размеры частиц, тем медленнее они оседают в атмосфере. В спокойном воздухе частицы с размерами 100, 10 и 0,5 мкм оседают со скоростями 10, 0,3 и 0,0007 см в секунду соответственно.

Таблица 2.6 Эффективность очистки газообразных выбросов от взвешенных частиц

Устройство	Размер частиц, мкм	Эффективность очистки,
Осадительная камера
Мультициклон
Тканевый фильтр
Скруббер

Природа углей и невозможность абсолютно полного их сжигания определяют неизбежность этих выбросов и необходимость использования специальной аппаратуры для улавливания твердых частиц. Пылеуловители являются обязательными элементами в технологии получения энергии из угля. Вес обеспыливающих агрегатов для крупных теплоэлектростанций может достигать полутора тысяч тонн и более.

Устройства для улавливания пыли разделяются на механические, в которых частицы отделяются посредством сил тяжести, инерции или центробежной силы; мокрые, или гидравлические, в которых частицы в газообразной среде улавливаются жидкостью; фильтры с пористым фильтрующим слоем; электрофильтры, в которых частицы осаждаются за счет ионизации.

Средняя эксплуатационная эффективность различных пылеочистных устройств с учетом размеров частиц приведена в табл. 2.6.

В промышленности наиболее распространенными аппаратами с использованием центробежной силы являются циклоны (рис. 2.6).

Основным недостатком циклонов является их значительный износ вследствие абразивного действия удара частиц пыли о стенки и их скольжения по ним. Износ циклона особенно велик при улавливании частиц размером более 5–10 мкм. Для предохранения от износа применяется покрытие из синтетических материалов и высокопрочных сплавов, которые хорошо сопротивляются истирающему действию пыли.

Удельный расход энергии на обеспыливание колеблется от 0,11 до 0,25 кВт·ч на 1000 м 3 обрабатываемого газа в зависимости от конструкции и эффективности пылеуловителя.

В обеспыливающих устройствах мокрого типа запыленный газовый поток соприкасается с жидкостью, а именно с орошаемыми ею поверхностями. В качестве смачивающей жидкости используют чистую воду или воду со смачивающими добавками. При этом пылевая частица захватывается поверхностью стекающего потока и удаляется в виде шлама. Разбрызгивание жидкости и электростатическое притяжение повышают качество обеспыливания. Простой и эффективной конструкцией мокрого пылеуловителя является скруббер, в котором запыленный поток проходит через ряд сечений, снабженных оросительной системой. В этих сечениях можно разместить различные насадки с распыливающими соплами и тогда к пылеулавливающему действию смоченной поверхности добавляется действие водяной завесы. Примером такого устройства является широко известная промывная башня (рис. 2.7), заполненная кольцами Рашига (кольцевые цилиндры с диаметром, равным высоте), стекловолокном и другими материалами.

На электростанциях Украины наиболее широко используются мокрые золоуловители (в котлах ТЭЦ и энергоблоках мощностью 100, 150 и 200 МВт) и электрофильтры (в энергоблоках мощностью 300 МВт).

На рис. 2.8 показана схема золоуловителя с коагулятором в форме трубы Вентури. В движущийся поток газов перед трубой Вентури вводится через разбрызгивающий насадок вода. Труба Вентури состоит из конфузора, в котором пылегазовый поток разгоняется до скорости 50–70 м/с, горловины, где капли дробятся при взаимодействии с быстро движущимся потоком, и диффузора, в котором частицы золы сталкиваются с каплями воды и скорость пылегазового потока снижается. Далее поток тангенциально вводится в скруббер, стенки которого орошаются водой, и коагулированные частицы эффективно удаляются в золовой бункер.

Электрофильтры – устройства, в которых очистка газов от взвешенных в них твердых или жидких частиц происходит под действием электрических сил. Для этого частицам сообщается электрический заряд в поле коронного разряда. Коронный разряд – одна из форм самостоятельного электрического разряда, возникающая в сильно неоднородных электрических полях. Проявляется он в виде свечения ионизированного газа в приэлектродной области. В поле коронного разряда молекулы воздуха ионизируются и при движении отдают свои заряды пылинкам, которые под действием электрического поля движутся к электродам и, оседая на них, теряют свой заряд. Далее с помощью ударного механизма встряхиваются электроды и частички, отделившиеся от них под действием силы тяжести, попадают в бункер.

В зависимости от направления газового потока в активной зоне аппарата электрофильтры подразделяются на горизонтальные и вертикальные, а по конструкции осадительных электродов – на пластинчатые и трубчатые. В пластинчатых электрофильтрах осадительные электроды выполняются в виде параллельных поверхностей, набираемых из пластин определенного сечения, а в трубчатых электрофильтрах осадительные электроды выполнены в виде труб круглого, овального или шестигранного сечения.

Электрофильтры различной производительности отличаются друг от друга высотой электродов, активной длиной электрических полей по ходу газа, площадью активного сечения, площадью осаждения и активной длиной коронирующих элементов в аппаратах.

На рис. 2.9 представлена схема электрофильтров типа ЭГЗ, которые установлены на ряде крупных ТЭЦ, цементных заводах и других предприятиях.

Коронирующие электроды здесь выполнены из ленточно-игольчатых элементов с шагом между иглами 40 мм. Встряхивание коронирующих электродов осуществляется в двух уровнях ударом молотка через промежуточный шток по наковальням каждого электрода. Каждое поле секционировано на два полуполя, что позволяет применить для каждого из них отдельные агрегаты питания.

Гидравлическое сопротивление электрофильтров незначительно и составляет максимум 15–40 мм вод. ст. Потребляемая ими энергия слагается из энергии, необходимой для преодоления гидравлического сопротивления электрофильтра, и энергии, потребляемой генератором тока высокого напряжения. Ее средний удельный расход изменяется от 0,12 до 0,20 кВт·ч на 1000 м 3 очищаемого газа.

Электрофильтры, применяемые в Украине, России и других странах СНГ, выпускаются двух типов: УГЗ с высотой электрода 7,5 м и активной длиной каждого поля 2,5 м и УГЗ с высотой электрода 12,2 м и длиной поля 4 м. Полей в каждом электрофильтре может быть 3 и 4.

Методы снижения содержания оксидов азота и очистки дымовых газов от них при сжигании топлива в котлах. Пагубность воздействия оксидов азота на окружающую среду и в конечном счете на человека, велика. Длительное воздействие даже сравнительно небольших концентраций NO x в воздухе увеличивает количество острых и хронических респираторных заболеваний, а также негативно действует на растительный и животный мир. Поэтому снижение их содержания в газовых выбросах топливоиспользующих агрегатов – одна их важных забот технологов. Если раньше речь шла о концентрациях NО х в выбросах продуктов сгорания в сотни миллиграмм на кубический метр, то сегодня экологическая безопасность диктует необходимость снижения содержания этих загрязнителей до десятков и даже единиц миллиграммов на кубический метр.

При горении топлива или взрыве реакция окисления атмосферного азота свободным кислородом формально описывается уравнением
N 2 + O 2 ↔ 2NO – 180 кДж/моль. Фактически же образование NО происходит в результате ряда цепных реакций.

Наибольшее влияние на образование оксида азота оказывает температура. С ее ростом от 1500 до 2200 К выход оксида азота увеличивается примерно в 10 раз, в то время как пятикратное увеличение концентрации кислорода повышает выход NO лишь в 2 раза.

Скорость и механизм образования и разложения оксида азота впервые были исследованы Я.Б. Зельдовичем на примере горения светильного газа. По мнению Я.Б. Зельдовича горение происходит столь быстро, что окисление азота начинается только после его окончания – в уже образовавшихся продуктах сгорания. Исследования, проведенные С. Фенимором (США), И. Сигалом (СССР) и др., показали, что, кроме температуры и времени реакции, на образование «термических» NO решающее влияние имеют содержание радикалов и реакции в начальной зоне горения.

«быстрого» – за счет активации молекулярного азота по реакциям с углеводородными радикалами, присутствующими в зоне реакции; «топливного» – за счет окисления присутствующих в топливе азотсодержащих соединений; четвёртый механизм (образование через N 2 O) имеет существенное значение при больших избытках воздуха (газовые турбины и т.п.).

Методы снижения образования оксидов азота направлены на подавление «термических», а при необходимости также и «топливных» NO х .

Снижение образования «термических» NO x достигается путем воздействия главным образом на максимальную температуру горения, что обеспечивается вводом газов рециркуляции, воды и пара в зону горения или в дутьевой воздух, а также двухи трехступенчатым сжиганием топлива, снижающим максимальную температуру и содержание кислорода в зоне максимальных температур. Выход «топливных» NO х в меньшей мере зависит от максимальной температуры, но сильно зависит от избытка воздуха, поэтому здесь более эффективным является ступенчатое горение.

При сжигании газа часто удается существенно уменьшить выход «термических» NО х , приблизив их концентрации к уровню «быстрых» или к 100–120 мг/м 3 при холодном дутьевом воздухе и к 150–200 мг/м 3 при горячем воздухе.

Метод рециркуляции дымовых газов. Этот метод получил распространение в конце 70-х годов ХХ ст. и с тех пор широко применяется в котельной технике. Обычно дымовые газы с температурой 300–400°С отбираются перед воздухоподогревателем и специальным рециркуляционным дымососом подаются в топочную камеру. В результате максимальная температура в топке снижается на 120–130°С и, кроме того, падает концентрация кислорода в зоне горения, что также уменьшает образование топливных NO x. При этом к.п.д. котла снижается сравнительно мало (0,01–0,03% на 1% рециркулирующих газов).

Таблица 2.7 Влияние способа ввода газов рециркуляции в топку на снижение образования NO х при сжигании природного газа

Способ подачи газов рециркуляции в топку	Интенсивность снижения образования NOх в % на 1% газов рециркуляции
В топливо
В первичный воздух
В общий канал дутьевого воздуха
По кольцевому каналу вокруг горелки
Через шлицы напротив нижнего яруса горелок
Через шлицы под горелками
Через шлицы в поду топки

Наибольшее распространение получил ввод дымовых газов рециркуляции в смеси с дутьевым воздухом. Подача рециркуляционных газов с топливом более эффективно снижает выход оксидов азота, чем подмешивание их в дутьевой воздух. При одинаковой степени рециркуляции, например при сжигании газа, в первом случае выход NO x снижается на 45,4%, а во втором – на 22,7%. Это

имеет существенное значение, так как применение рециркуляции приводит к снижению к.п.д. котлов пропорционально количеству подаваемых газов рециркуляции. Так, при увеличении степени рециркуляции с 20 до 30% к.п.д. котла снижается соответственно на 0,5 и 0,75%.

Применение рециркуляции связано с определенными трудностями, к которым относится необходимость в специальном рециркуляционном вентиляторе и в газоходах. Кроме того, повышается сопротивление воздушного тракта, возможны нарушения стабилизации пламени или появление сажи при чрезмерной степени рециркуляции. В настоящее время рециркуляция газов применяется в мощных котлах энергоблоков, работающих на угольной пыли, мазуте и природном газе. Очень широко используется рециркуляция газов и в зарубежных котлах. По результатам исследований влияния подачи газов рециркуляции в дутьевой воздух на выход NO х , проведенных Институтом газа НАНУ, подача газов рециркуляции в количестве 20% от объёма воздуха, необходимого для горения, позволяет в 2 раза снизить выход оксидов азота, но при этом к.п.д. котла снижается на 0,64%.

Кроме того, из-за перегрузки тягодутьевых устройств на максимальной нагрузке котла, где выход оксидов азота наибольший, рециркуляция часто не используется или используется недостаточно.

В связи с этим в Институте газа НАНУ разработан метод и созданы опытно-промышленные газогорелочные устройства с подачей газов рецируляции не в дутьевой воздух, а в топливо (природный газ). При этом интенсивность воздействия 1 м 3 газов рециркуляции (в %) на выход NO х возрастает в 2 раза и более, что позволяет использовать рециркуляцию дымовых газов при полной нагрузке котла (табл. 2.7).

Технически возможно обеспечить рециркуляцию и без специального рециркуляционного дымососа. Для этого в дымоходе котла вблизи дымососа устанавливается специальный языковый шибер, позволяющий регулируемо отбирать около 20% дымовых газов и направлять их на вход дутьевого вентилятора. По такой схеме Институтом газа НАНУ и другими организациями оборудован ряд котлов производительностью 10–220 т/ч пара в Украине и России. Аналогичные схемы применяются и в ряде других стран.

Ступенчатое сжигание топлива. Сущность этого метода подавления образования оксидов азота заключается в том, что в первичную зону горения подается воздуха меньше, чем необходимо теоретически (α = 0,70–0,95), остальное количество воздуха, требуемое для полного сжигания топлива, подается далее на одном или нескольких уровнях по длине факела, в результате чего снижаются максимальная температура в зоне горения, содержание кислорода в ядре факела, уменьшается скорости реакции образования оксида азота, увеличиваются длина и светимость факела.

Важнейшей особенностью ступенчатого сжигания является наличие восстановительной зоны, где из-за недостатка воздуха появляются продукты неполного сгорания СО и Н 2 , а оксид азота не образуется. Этот основополагающий принцип – формирование в факеле восстановительной зоны – в настоящее время широко применяется также при разработке малотоксичных горелок.

При ступенчатом сжигании концентрация NО в восстановительной зоне снижается, а при трехступенчатом сжигании оксид азота, поступивший из окислительной зоны, даже восстанавливается до молекулярного азота.

Конструктивно стадийное горение применяют в котельных агрегатах с многоярусным расположением горелок, что позволяет регулировать соотношение топливо–воздух по длине факела. Горелочные устройства нижнего яруса работают с недостатком воздуха, остальной воздух подается через фурмы воздушного дутья или горелочные устройства верхнего ряда, куда топлива подается мало или оно совсем не подается.

Следующим эффективным методом является ввод небольших количеств воды или пара в зону горения. Ввод воды или пара в количестве более 5–6% массы подаваемого в горелки воздуха может оказать отрицательное влияние на полноту сгорания и снизить к.п.д. на 4–5% из-за существенного снижения температуры.

Наряду с этим следует отметить сравнительную простоту реализации данного метода, более глубокое дожигание в факеле оксида углерода и бензпирена, а также возможность использования при сжигании твердых топлив.

Горелочные устройства с пониженным выходом оксидов азота. В горелках энергетических котлов обычно только часть воздуха смешивается с топливом до поступления в топочную камеру, поэтому скорость процесса горения на разных этапах развития факела может определяться или кинетикой процесса, или скоростью диффузии кислорода. В связи с этим проблема создания малотоксичных горелок – это в первую очередь проблема образования топливовоздушной смеси. В Украине в 1978–1985 гг. в Институте газа НАНУ под руководством И.Я.Сигала были разработаны газомазутные горелки двухстадийного горения ГДС-50 и ГДС-100 соответственно для водогрейных котлов ПТВМ-50 и ПТВМ-100. В горелках дутьевой воздух разделяется на первичный (α 1 = 0,80) и вторичный (α 2 = 0,20–0,25), подаваемый по центральной трубе (рис. 2.11) прямым незакрученным потоком в зону горения за плоскостью максимальных температур.

Такие горелки эксплуатируются более чем на 100 мощных водогрейных котлах производительностью 58 и 116 МВт в Киеве, Львове, Москве, Казани, Вильнюсе, Риге и других городах. Они позволили уменьшить выброс оксидов азота на 30–50% без снижения к.п.д. котлов.

Схема пылеугольной горелки, разработанная при использовании концепции двухстадийного сжигания, показана на рис 2.12.

Топливовоздушная смесь и внутренний вторичный воздух образуют восстановительную зону. Эти потоки организованы таким образом, что перед горелкой формируется зона с сильной внутренней рециркуляцией, обеспечивающая быстрый нагрев угольных частиц и выделение летучих веществ, Использование таких горелок позволяет снизить эмиссию NО практически в 1,5–2 раза. Уже в 1986 г. в ФРГ эксплуатировались около 400 таких горелок. Ими были оснащены котлы общей мощностью 19000 МВт, включая блоки 550 МВт.

Большой объем работ по разработке горелочных устройств и процессов ступенчатого горения выполнен в Институте газа НАНУ под руководством И.Я. Сигала, во Всероссийском теплотехническом институте (Москва) под руководством Ю.П. Енякина, В.А. Котлера, В.И. Бабия и в Московском энергетическом институте под руководством П.В. Рослякова.

Процессы химического восстановления оксидов азота. Оксид азота способен восстанавливаться до N 2 или N 2 О метаном, водородом, оксидом углерода и аммиаком. Из этих восстановителей только аммиак способен реагировать с диоксидом азота в присутствии кислорода, всегда содержащегося в выбросах топливосжигающих устройств. Остальные восстановители в первую очередь реагируют с кислородом, поэтому их использование в ряде случаев неэффективно. В окислительной среде оксиды азота могут восстанавливаться аммиаком, что приводит к его дополнительному расходованию. Конструктивно аммиачно-каталитическая очистка (СКВ-процесс) осуществляется следующим образом. В поток дымовых газов, обычно между экономайзером и воздухоподогревателем котла, вводится коллектор – перфорированная труба, через отверстия которой выходит аммиак. На расстоянии 0,5–1,5 м от нее расположена кассета с катализатором (V 2 O 5 или другие). При этом одна из главных проблем – снижение сопротивления катализатора.

В США, ФРГ и особенно в Японии с конца 1970-х годов аммиачно-каталитический метод весьма широко применяется для очистки от NO х дымовых газов котлов энергоблоков и ряда городских ТЭЦ. Степень восстановления аммиаком обычно составляет 70–95%. При очистке с продуктами сгорания выбрасывается избыточный аммиак, что несколько повышает токсичность продуктов сгорания и является недостатком метода. Сопротивление слоя катализатора обычно невысокое и составляет 245–392 Па. Применяются различные катализаторы в виде пластин, таблеток и сот. Пониженная степень восстановления, которая иногда наблюдается, объясняется тем, что наряду с азотом (наиболее вероятная реакция) в заметных количествах образуется N 2 О.

Вторым направлением в очистке дымовых газов от оксидов азота является прямое вдувание аммиака в топочную камеру, дающее наибольший эффект в области температур 950–1000°С. Этот процесс, разработка которого впервые начата фирмой «ЭССО», позволяет избавиться от катализатора. Исследования, проведенные при непосредственном вводе аммиака в топочную камеру в области температур 850–1200°С, показали, что степень восстановления NO зависит от ряда факторов, основные из которых: а) температура, б) соотношение NH 3 /NO; в) концентрация NO; время реакции. Этот процесс был открыт Р. Лайоном в 1978 г. и называется селективным неката7 литическим процессом восстановления (СНКВ) . С точки зрения химического механизма в процессе СНКВ может быть использован как аммиак, так и аммиачная вода, поскольку в реакционной зоне в обоих случаях присутствует газообразный аммиак. Процесс СНКВ имеет следующие особенности:

• эффективность очистки с ростом температуры проходит через максимум в районе 900°С;
• расход аммиака на нейтрализацию 1 моля оксидов азота во всех случаях превышает 1 моль и возрастает с ростом температуры;
• проскок аммиака непрерывно падает с ростом температуры.

Таким образом, эффективная очистка может быть реализована только в определенном температурном диапазоне (температурное окно) процесса. Так как проскок аммиака ограничен принятыми нормами, то и эффективность очистки оказывается ограниченной. Основным достоинством этой технологии являются низкие капитальные вложения и металлоемкость.

В установках СНКВ аммиак из хранилища подают в испаритель в виде трубы Вентури, в которой происходит испарение аммиака (или аммиачной воды) паром.

Температура восстановления оксидов азота аммиаком может быть существенно понижена – до уровня 120–500°С – за счет применения катализаторов. Такая технология называется селективным каталитиче7 ским восстановлением (СКВ) . Эффективность СКВ-процесса составляет 80–90%.

Применение катализатора позволяет также уменьшить расход аммиака до одной молекулы NH 3 на одну нейтрализованную молекулу NO x .

В случае применения в качестве реагентов аммиачной воды или мочевины перед подачей в каталитический реактор они должны быть конвертированы до аммиака.

Впервые СКВ-процесс был реализован в Японии в конце 70-х годов прошлого века и в настоящее время широко используется, причем исследования этого процесса продолжаются и направлены в основном на увеличение ресурса традиционных катализаторов и разработку принципиально новых каталитических систем.

Общее число СКВ-установок в мире только на ТЭС в настоящее время превышает 400. СКВ-метод очистки от оксидов азота широко применяется как для котлов, так и для газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания, мусоросжигательных установок.

Процессы очистки дымовых газов от оксидов азота также получают широкое применение. При совмещении различных технологических процессов очистки в одном цикле можно добиться существенного снижения выбросов NO x .

В заключение следует подчеркнуть, что затраты на очистку газов от оксидов азота, включая каталитические методы, как минимум, на 1–2 порядка превышают стоимость методов снижения их образования. Поэтому очистку следует применять после использования имеющихся методов подавления, если требуется более существенное снижение концентрации NO x .

Сероочистка на ТЭС. Большая часть серы выбрасывается в воздух в форме диоксида серы, образующегося при сжигании ископаемого топлива. В угле, добываемом в Украине, содержание серы очень высоко – от 1,7 до 3,6%. На долю электростанций приходится не менее 50% диоксида серы. Примерно 25% переносится в Украину из других стран через западную границу. Существует ряд технологий обессеривания топлива и улавливания серы из продуктов сжигания. К сожалению, сероочистка дымовых газов в Украине почти не используется, что объясняется высокими затратами и работой значительной части котлов энергоблоков в течение ряда лет в летний период на природном газе. Однако в связи с увеличением доли угля на ТЭС оснащение системами сероочистки хотя бы котлов энергоблоков 300 МВт уже в ближайшие годы является необходимым.

Улавливание сернистых соединений в выбросах ТЭС и различных производств является одним из наиболее сложных и трудоемких процессов по следующим причинам: количество выбрасываемых газов очень велико; поглощение сернистых соединений сопровождается отложением солей кальция и магния на стенках труб, т.е. забиванием аппаратуры; санитарные нормы на содержание сернистых соединений в атмосфере достаточно низки и составляют: 0,5 мг/м 3 – максимально-разовое и 0,05 мг/м 3 – среднесуточное в воздухе населенных мест.

Использование углей и мазута с высоким содержанием серы вызывает загрязнение воздушного бассейна, а также приводит к повреждениям и остановкам котлов вследствие коррозии топочных экранов и хвостовых поверхностей нагрева. В ряде стран применяется десульфурирование угля путем дробления и промывки водой и щелочными растворами или путем удаления колчедана из угля магнитными сепараторами. Такими способами в принципе можно уменьшить общее содержание серы в топливе на 30–75%. Для Украины, где во многих энергоблоках мощностью 200 и 300 МВт используются низкосортные газовые угли с содержанием серы 3–3,5% и более половины из них состоят из ферромагнитных соединений, серу можно извлекать с помощью магнитной сепарации.

Сероочистка угля и мазута разработана недостаточно и применяется в ограниченном объёме. Поэтому в мировой практике, как правило, очищают от серы дымовые газы, для чего применяют различные процессы. Их можно разделить на три главные группы: процессы с применением жидких поглотителей – абсорбционные (мокрые) и процессы, основанные на взаимодействии газа с твердым веществом – адсорбционные и каталитические (сухие). Преимущественно в этих процессах поглотителем служат известняк (СаСО 3) или известь (СаО).

Чаще для очистки дымовых газов от серы применяют известняковый метод очистки, при котором газы орошают циркулирующей пульпой известняка (СаСО 3 ). При этом протекают реакции:

СаСО 3 + SO 2 → CaSO 3 + СО 2 .

Сульфит кальция выпадает в осадок, а получаемую суспензию переводят в сульфатную форму окислением воздухом в нижней части абсорбционной башни.

К недостаткам применения известняка относят сравнительно низкую степень использования кальция – 60–70%. Поэтому его часто заменяют оксидом кальция – известью:

СаО + SO 2 → CaSO 3 ,

что позволяет также увеличить эффективность очистки. Но 85% всех работающих установок в мире используют именно мокрый известняковый метод. Существенной проблемой мокрого метода является кристаллизация гипса: соединения железа, алюминия и хлора, попадая в раствор, препятствуют росту кристаллов, что приводит к образованию мелкокристаллического осадка гипса, который плохо фильтруется и быстро схватывается.

Вместо известняка и извести применяют также водную суспензию MgO (магнезитовый метод) или сульфит-гидросульфит аммония – (NH 4 ) 2 SO 3 ·NH 4 HSO 3 (аммиачный метод).

Сущность магнезитового способа заключается в связывании диоксида серы суспензией магния при 45–65°С. Получающийся при этом сульфат магния выпадает в виде крупных кристаллов MgSO 3 ·6H 2 O и небольшого количества MgSO 4 . Кристаллы отделяют от раствора, сушат и направляют в печь обжига, где при 900–1000°С происходит термическая диссоциация сульфита магния с образованием MgO и газов, содержащих 10–12% SO 2, которые используют для получения серной кислоты. Степень очистки составляет 90–92%. Хотя этот метод прост, он осложняется наличием многочисленных операций с твердыми веществами, а значит, пылеобразованием, абразивным износом аппаратуры и коммуникаций. Для сушки кристаллов и удаления из них гидратной воды требуется значительное количество тепла.

Впервые в мировой практике скруббер для улавливания SO 2 с помощью суспензии MgO был применен на территории бывшего СССР еще в 1937 году на Каширской электростанции; в послевоенные годы установка известковой очистки была построена на Киевской ТЭЦ-4.

Сульфит-бисульфитные методы очистки позволяют очищать дымовые газы с любым содержанием SO 2. В качестве абсорбента используют сульфит натрия (процесс Wellman–Lord) или аммония (процесс Walter), которые при поглощении SO 2 образуют бисульфиты.

К нетрадиционным мокрым методам относятся озонная и электронно-лучевая технологии. В первом методе SO 2 и NO х окисляются озоном до SО 3 и NO 2 , которые затем вступают в реакцию с впрыскиваемым аммиаком.

При электронно-лучевой технологии дымовые газы облучаются мощными электронными пучками. При этом образуются атомы и радикалы, также обеспечивающие эффективное окисление SO 2 и NO, которые связываются аммиаком и улавливаются в виде сульфата и нитрата аммония. Метод имеет те же недостатки, что и озонный и аммиачные методы и, кроме того, требует применения высоковольтной аппаратуры и радиационной защиты.

«Сухие» методы очистки основаны на подаче химических реагентов в топку или газовый тракт котла. В настоящее время в ряде случаев при разработке систем очистки для их удешевления стремятся совмещать снижение выброса SO 2 с подавлением образования оксидов азота (NО х ). Известно, что образование NO подавляется при ступенчатом сжигании топлива, когда в факеле образуется восстановительная зона. Технологически этот процесс, как и сухая очистка от SO 2 , осуществляется в верхней части топочной камеры. Это позволило создать технологическую схему, объединяющую оба процесса. Этот метод получил название GR-SI и был внедрен на электростанциях в США, где сжигается высокосернистый битуминозный уголь с содержанием серы до 2,9%. Сорбент распыливали воздухом в верхнюю часть топки при соотношении Ca/S = l,75. Метод позволил уменьшить одновременно выбросы сернистого ангидрида на 50–60% и оксидов азота на 60–70%. При этом надежность и экономичность котлов не снизились.

К сухим методам очистки относится также каталитическое окисление сернистого ангидрида в серный с использованием ванадиевого катализатора (рис. 2.13). Он заключается в окислении диоксида серы до SО3 на катализаторе с дальнейшим поглощением его водой.

Подлежащие очистке дымовые газы отводят из парового котла при температуре 300°С (предельная температура эксплуатации электрофильтров). Газы подвергаются грубой очистке в инерционном аппарате и тонкой – в электрофильтре. Затем очищенные от пыли газы при той же температуре направляются в рекуператор, встроенный в паровой котел, где они подогреваются до 450°С и поступают в контактный аппарат с катализатором, где SO 2 окисляется в SО 3 .

Для улавливания SО 3 и использования тепла дымовых газов их пропускают через отдельный воздухоподогреватель, где влажные дымовые газы охлаждаются ниже точки росы для H 2 SO 4 . Образующийся туман серной кислоты улавливается в электрофильтре. Очищенные газы выбрасываются через дымовую трубу, серная кислота поступает в специальную тару и отправляется на склад. Аппаратурное оформление сухой каталитической очистки чрезвычайно громоздко, требует значительных капитальных затрат на ремонт, обслуживание и размещение. Повышение к.п.д. процесса улавливания серы до 90% и снижение эксплуатационных затрат может быть достигнуто при сжигании топлива в кипящем (псевдоожиженном) слое. В этом случае может быть обеспечено связывание сернистого ангидрида собственной щелочью топлива. Некоторые виды топлива (эстонские сланцы, березовские и ирша-бородинские угли) содержат достаточно большое количество СаО для связывания оксида серы. В таких случаях, т.е. когда отношение CaO/SO 2 >l, процесс в кипящем слое выгоден в первую очередь. Кроме того, сжигание угля в кипящем слое протекает при более низких температурах (до 900–950°С), в связи с чем образуются сравнительно малые количества оксидов азота. При сжигании в кипящем слое донецких углей, имеющих высокое серосодержание, необходимо дополнительное количество СаО добавлять в топливо или вводить в топку котла.

В то же время применение котлов с кипящим слоем при улавливании 80–90% сернистого ангидрида и снижении выхода оксидов азота позволило бы обеспечить эксплуатацию котлов устаревших конструкций производительностью 100–230 т/ч пара, а также части энергоблоков на донецких углях без существенного загрязнения окружающего воздуха.

Западными зарубежными фирмами введены в эксплуатацию или переоборудованы несколько десятков котлов электростанций, в которых уголь сжигается в кипящем слое или циркулирующем кипящем слое с добавкой в топку оксида кальция.

Удельные затраты на сооружение современных систем сероочистки, являющихся технологически сложными и капиталоемкими сооружениями, колеблются от 50 до 250 дол. США на 1 кВт электрической мощности котла (или от 15 до 65 млн. дол. США на энергоблок 300 МВт).

Последние 30 лет практически все работающие на угле котлы электростанций Германии, а также значительное количество их в США и других развитых странах оборудованы системами сероочистки дымовых газов.

Наиболее капиталоемкими являются природоохранные мероприятия. Капиталовложения в них составляют 2% внутреннего продукта в США и Японии, 1,2–1,8% – в странах Западной Европы. Эти средства используют на сооружение и эксплуатацию очистных сооружений. Их объем может составлять 30% стоимости основных промышленно-производственных фондов и более. При этом природоохранные мероприятия не дают 100%-ного эффекта очистки вредных выбросов. Улавливание выбросов не решает проблему отходов и лишь переводит их в более безопасную для окружающей среды форму. Поэтому в последнее время во всем мире преимущественное развитие получила стратегия использования отходов производства, ресурсои энергосбережения. В соответствии с этой стратегией создаются условия комплексного использования сырья (топливно-энергетических ресурсов) и энергии в цикле сырьевые ресурсы – производство – использование – вторичные ресурсы таким способом, чтобы исключить какое-либо влияние, способствующее нарушению равновесного состояния функционирования окружающей среды.

К основным направлениям безотходных технологий относятся комплексное использование сырья; создание замкнутых газои водооборотных систем; разработка принципиально новых и совершенствование действующих процессов производства; переработка и использование энергетических отходов (теплота, зола, шлак, продукты очистки дымовых газов и т.п.).

Сегодня во многих странах отходы тепловых электростанций служат сырьем для изготовления строительных материалов – бетонных блоков, панелей, дорожного покрытия, силикатного кирпича. В США с этой целью они используются на 20%, в Великобритании – на 60%, во Франции – на 72% и в Финляндии – на 84%.

Одним из направлений повышения эффективности в энергетике является энергосбережение, осуществляемое, например, путем уменьшения энергоемкости единицы продукции за счет модернизации производственных процессов.

Во многих странах используют различные меры для экономии энергии на производстве и в быту. К ним относятся внедрение норм и ограничений потребления энергии и топлива с соответствующими системами штрафов за перерасход; введение летнего времени; улучшение теплоизоляции жилых зданий и производственных помещений и т.д.

В некоторых штатах США существует система льготных кредитов для энергогенерирующих компаний при реализации мероприятий по снижению токсичности дымовых газов энергоустановок.

Важным направлением повышения экологической безопасности энергетических объектов является внедрение экологического мониторинга и развитие систем экологической информации. Экологический мониторинг осуществляется на четырех уровнях:

• локальном – на территории отдельных объектов, городов, на участках ландшафтов, на промышленных объектах и прилегающих к ним территориях;
• региональном – в границах административно-территориальных единиц, на территории экологических и природных регионов;
• национальном – на территории страны, в том числе с использованием космических средств наблюдения;
• глобальном, который осуществляется на основе международных соглашений.

Значительным направлением повышения энергетической эффективности и экологической безопасности объектов теплоэнергетики являются стимулирование развития и практического использования новейших научных достижений и научно-технических разработок в области технологии переработки и сжигания топлива, совершенствование и разработка новых технологий преобразования химической энергии топлива в другие виды энергии, совершенствование рабочего процесса с целью снижения уровня необратимых потерь в отдельных элементах и фрагментах энергетических установок, снижения потерь тепловой и электрической энергии при передаче ее потребителю, улучшения условий эксплуатации и повышения надежности работы энергетических установок. Особая роль при этом отводится профессиональной подготовке обслуживающего персонала и совершенствованию систем автоматизации и управления энергоустановок.

Кроме того, немаловажным фактором в повышении уровня энергетической эффективности и экологической безопасности процессов энергопроизводства и энергопотребления являются непрерывный процесс научных исследований и внедрения разработок, развитие отечественных научных школ. Например, в НТУУ «Киевский политехнический институт» уже много десятилетий плодотворно развивается научная школа, связанная с повышением уровня энергоэффективности и экологической безопасности газосжигания. В последнее время учеными этой школы разработана и успешно внедряется современная уникальная трубчатая технология сжигания газообразного топлива, использование которой позволяет получить комплексный позитивный эффект для установок: повышение к.п.д., снижение удельных вредных выбросов газообразных продуктов, улучшение технологических характеристик эксплуатации, которые позитивно влияют на продление ресурса установки. Трубчатая технология газосжигания основана на использовании эффектов насадки Борда, широко опубликована в специальных изданиях, защищена патентами Украины и Российской Федерации и имеет широкий спектр применения в котлах, теплогенераторах и камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ). В качестве примера на рисунке 2.14 приведено изображение нового типа горелочного устройства трубчатого типа для камеры сгорания ГТУ в составе газоперекачивающего агрегати типа ГТ-750-6.

После проведенной модернизации фронтового устройства камеры сгорания к.п.д. установки повысился на 4,35%, экономия технологического (топливного) газа составила 15%, выбросы оксида углерода снижены более чем в 3 раза, равномерность температурного поля в зоне горения увеличилась на 45%.

Данная отечественная трубчатая технология газосжигания не имеет аналогов в мире и позволяет успешно сжигать любое газообразное топливо с очень высокими показателями энергетической эффективности и экологической безопасности.

а

б

Рис. 2.15. Горелка с термохимической подготовкой угля: а – схема процесса термохимической подготовки: 1 – канал подачи на ТХП; 2 – улитка первичной аэросмеси; 3 – коллектор подсветочного газа; 4 – улитка вторичного воздуха; 5 – трубки подачи газа; 6 – аксиальные регистры; 7 – канал первичной аэросмеси; 8 – канал вторичного воздуха; 9 – муфель; б – общий вид горелки с ТХП для котла ТПП 210А Трипольской ТЭС

Украинскими учеными разрабатываются также малотоксичные горелки для пылеугольных котлоагрегатов. Так, в Институте угольных энерготехнологий НАНУ создана и отработана технология термохимической подготовки угля. Термохимическая подготовка – это процесс высокоскоростного нагрева угольной пыли высокотемпературным газообразным теплоносителем (продукты сгорания любого топлива, плазма), в результате которого угольная пыль нагревается, изменяется ее дисперсный состав и пористая структура из-за термического растрескивания и разработки пор, происходит пиролиз и частичная газификация. Процесс сжигания такой угольной пыли сопровождается уменьшением выхода оксидов азота, поскольку ее нагрев происходит в среде продуктов сгорания, т.е. при недостатке кислорода. При этом соединения азота разлагаются с образованием не оксидов, а молекулярного азота (рис. 2.15, а ). Такая термообработка сокращает время задержки воспламенения угольных частиц, повышает полноту их выгорания, что особенно актуально для антрацита повышенной зольности, который периодически сжигается на ТЭС Украины.

На основе этой технологии Харьковским центральным конструкторским бюро «Энергопрогресс» разработаны рабочие проекты горелок котлоагрегатов ТПП 210А Трипольской ТЭС (рис. 2.15, б ) и котла ТП 170 Дарницкой ТЭЦ. ВАТ «Центрэнерго» изготовлена горелка тепловой мощностью 70МВт с термохимической подготовкой антрацита. Эта горелка обеспечит сокращение в 3–5 раз использование природного газа на подсветку и снижение выбросов оксидов азота до 40%. На технологию сжигания и конструкцию горелки получены патенты Украины. В настоящее время горелка успешно проходит промышленные испытания на Трипольской ТЭС.

Таким образом, для снижения выбросов токсических веществ в атмосферу и повышения энерго-экологической эффективности теплоэнергетики реализуются несколько направлений, среди которых можно выделить выполнение природоохранных мероприятий; использование мероприятий по энергосбережению; внедрение экологического мониторинга; стимулирование развития научных исследований и практического применения новейших научных достижений и научно-технических разработок.

Принципиально существует несколько разных подходов к решению за­дачи уменьшения выбросов вредных веществ с дымовыми газами в атмо­сферу. Их можно разделить на следующие три группы:

Удаление вредных компонентов из топлива путем комплексной его пе­реработки перед сжиганием в котле;

Непосредственное воздействие на механизм образования вредных ве­ществ в процессе сжигания исходного натурального топлива в топоч­ной камере;

Очистка продуктов сгорания топлива (уходящих дымовых газов) от при­сутствующих в них вредных соединений.

Наибольший эффект, конечно, может дать комплексное применение разных методов, но при этом надо учитывать, что все они требуют значи­тельных дополнительных затрат и тем больших, чем глубже очистка с при­менением сочетания разных методов.

К числу вредных выбросов электростанций, которые возможно умень­шить правильной организацией режима сжигания топлива, относятся глав­ным образом оксиды азота, полициклические углеводороды (в том числе бензапирены) и триоксид серы SO3.

Наибольшую зону загрязнения воздушного бассейна от выбросов ТЭС составляют оксиды азота, которые по характеру образования разделяются на топливные, быстрые и термические (рис. 7.26).

Образование топливных NOTJI и быстрых NO5 оксидов азота проис­ходит на начальной стадии горения. Топливные NOTJI образуются за счет азота топлива, NP, в результате его преобразования при нагреве в активные Радикалы NH3, HCN в процессе выхода летучих веществ в области темпе­ратур 600-1 120°С и при локальных избытках воздуха алок > 1 происходят Реакции:

NH3 + 02 -> NO + Н20 HCN + 02 ОН + СО + N0.

Быстрые NO6 образуются за счет разложения углеводородных соединений топлива, в результате чего в корневой части факела накапливаются ради­калы CN, HCN и при наличии некоторого количества кислорода также происходит образование N0. Максимальное значение N0 имеет место при алок = 0,7-0,8 и в области температур 930-1 250°С.

Наиболее массовый выход NOx имеет место в области ядра факела при температурах Тф > 1800°К 1 530°С) за счет прямого окисления азота воздуха атомарным кислородом:

N2 + О" N0 - 316,9 кДж/моль. (7.30)

Этот путь образования NOx называют термическим.

Основными способами подавления образования оксидов азота в топках котлов являются следующие:

1. Уменьшение избытка воздуха в зоне горения до минимального по условиям полного сгорания топлива.

2. Применение ступенчатого сжигания топлива, при котором в одну группу горелок (в нижний ярус или в горелки одной стены топки) подается основная масса топлива при избытке воздуха меньше единицы, а в дру­гую группу (верхний ярус горелок или противоположную группу горелок) поступает остаток топлива и воздуха со значением а > 1.

3.4 Рециркуляция дымовых газов с температурой 350-400°С в топку, что обеспечивает снижение температурного уровня в зоне горения и кон­центрации горючих веществ и окислителя за счет разведения горючей смеси инертными газами.

4. Ввод в зоны активного образования оксидов азота струи пара или воды для локального снижения уровня температуры и создания химических реакций, препятствующих образованию вредных соединений.

5. Создание горелок двухступенчатого сжигания с созданием времен­ного недостатка воздуха в зоне образования быстрых и топливных оксидов азота.

Характерная зависимость образования оксидов азота от избытка возду­ха в зоне горения при сжигании природного газа показана на рис. 7.27. При­ближение избытка воздуха к единице и менее обеспечивает низкий уровень выхода NOx, но при этом в разных зонах топки возникает недожог топлива и, что особенно опасно, резко растет концентрация бенз(а)пирена. Переход на значительный избыток воздуха также ведет к снижению выхода NOx за счет снижения температурного уровня реакций, но эксплуатация котлов с такими высокими избытками воздуха не экономична.

Более эффективным способом снижения выхода NOx является ступен­чатое сжигание. На рис. 7.28 показан пример снижения выхода NOx при сжигании природного газа и переходе с одноступенчатого на двухступен­чатое сжигание, используя двухъярусное расположение горелок. В первой

Рис. 7.27. Зависимость образования оксидов азота от избытка воздуха в зоне горения ври сжигании природного газа.

Ступени сжигания обеспечивают избыток воздуха а = 0, 75-0,85, при этом не происходит полного сгорания топлива. Кроме снижения уровня темпера­туры в зоне горения, здесь создаются условия для восстановления оксидов азота при их контакте с раскаленным углеродом или промежуточными про­дуктами при нехватке кислорода:

2NO + С 2СО + N2, 2NO + 2СО -> 2С02 + N2, (7.31)

2NO + СН2 СО + Н20 + N2.

В результате выход NOx в первой зоне резко сокращается. Во второй зоне при избытке воздуха больше единицы температура газов уже не достигает Уровня активного образования термических оксидов.

Организация рециркуляции газов в топку показана на рис. 7.29. Вли­яние рециркуляции наиболее значительно при вводе продуктов сгорания в воздуховоды перед горелками, когда они в смеси с горячим воздухом поступают в топку (рис. 7.29,5).

Надо отметить, что наибольший эффект снижения концентрации NOx в продуктах сгорания достигается при доле рециркуляции грц - 0, 2-0, 3 (^0-30%). Дальнейшее увеличение грц при сжигании газа и мазута ведет

К затягиванию горения и появлению недожога топлива. К тому же мак­симальное подавление образования NOx требуется при номинальной или близкой к ней нагрузке, когда ввод заметного количества газов рециркуля­ции сильно увеличивает скорость газов и аэродинамическое сопротивление газового тракта.

Частичный эффект снижения образования NOx создают горелки двухступенчатого сжигания (ГДС). Принцип их работы основан на том (рис. 7.30), что вторичный поток воздуха участвует в дожигании топлива на более поздней стадии. Таким образом, прогрев топлива, выход летучих и разложение сложных углеводородных соединений топлива происходит в зоне с а < 1. Это обеспечивает снижение образования топливных и бы­стрых NOx в начальной части факела и понижение максимальной темпера­туры горения.

Наиболее глубокое подавление образования оксидов азота возможно при сочетании разных способов. Так, например, организация ступенчатого

Рис. 7.29. Влияние степени рециркуляции газов на выход оксидов азота а - общая схема рециркуляции газов: б - относительное изменение концентрации NOx от доли рециркуляции газов; 1 - без рециркуляции; 2 - ввод рециркуляции через сопла боковых стен; 3 - то же под работающие горелки; 4 - то же непосредственно в горелки (внутренний канал для газов рециркуляции).

Сжигания в топке может сопровождаться частичной рециркуляцией газов. При сжигании газа и мазута удачным является сочетание впрыска воды с рециркуляцией газов, причем при высокой нагрузке целесообразно использование впрыска воды в зону горения (0,5-0,6% от расхода перегре­того пара), а при более низкой нагрузке - усиление рециркуляции газов. Конструктивно обеспечение впрыска воды значительно дешевле, чем ре - Циркуляция газов, но при этом способе ниже КПД котла за счет увеличения потерь с уходящими газами (рост объема водяных паров в газах).

Может быть использовано при сжигании угля, нефти и других видов топлива. Готовят топливную дисперсную систему, состоящую из топлива, жидких и твердых присадок путем диспергирования и перемешивания компонентов, подают приготовленную систему в камеру сгорания, причем приготовление топливной дисперсной системы проводят в две стадии, сначала готовят суспензию твердой присадки в жидкой присадке или в топливе, а затем в суспензию присадок или в суспензию топлива и присадки вводят оставшиеся компоненты топливной дисперсной системы, диспергируют, диаметр частиц суспензии не превышает 25 мкм, а диаметр частиц твердой присадки в суспензии не превышает 20 мкм. Позволяет повысить эффективность использования присадок.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к сжиганию угля, нефти, и других видов топлива в топках котлов ТЭС, в отопительных котельных и т.д. Известны способы сжигания топлив, предусматривающие снижение загрязнения отходящих газов на выходе из установки сжигания путем обработки отходящих газов химическими и физико-химическими методами, которые требуют больших капитальных затрат на сооружение очистных установок и расходов на их эксплуатацию . Известны способы снижения концентрации вредных веществ при сжигании топлива непосредственно в камере сгорания путем использования дополнительных веществ, добавляемых к топливам или в топки . В способе для удаления окислов серы и азота из дымовых газов, получаемых при сжигании угля, нефти и других видов топлива, в топочные газы вдувают тонко измельченные частицы оксида магния в избыточном количестве по отношению к количеству, необходимому для полного связывания вредных веществ, в присутствии воды. Известный способ уменьшения выбросов вредных веществ при сжигании основан на впрыскивании присадки в виде водной суспензии непосредственно в камеру сгорания. Эти способы позволяют снизить концентрацию окислов азота и серы в отходящих дымовых газах в 2-2,5 раза. Однако в этих способах присадки вносят непосредственно в камеру сгорания, при этом присадки распределяются в камере относительно топлива и окислителя неравномерно, т.е. относительные концентрации воды и присадки к концентрации топлива и окислителя неоднородны и зависят от координаты пространства в камере сгорания. Поэтому подавление образования вредных компонентов отходящих газов и их поглощение происходят неэффективно. Известны способы снижения выбросов вредных веществ, предусматривающие предварительную обработку топлива и всех добавляемых компонентов перед подачей в камеру сгорания . В этих способах достигается равномерное распределение в пространстве топки всех компонентов и более полное связывание, подавление и удаление вредных выбросов, содержащихся в дымовых газах, являющихся продуктом горения. Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ повышения эффективности сжигания топлива с уменьшенным образованием оксидов азота и серы в отходящих газах путем подготовки топливной дисперсной системы, состоящей из топлива, присадок в виде поглотителя серы и ингибитора и подачи подготовленной топливной дисперсной системы в камеру сгорания . В известном способе также достигается однородность распределения компонентов топлива в камере сгорания, однако в известном способе не предусмотрены условия, обеспечивающие однородность компонентов в топливной дисперсной системе при ее приготовлении, что снижает эффективность использования добавляемых к топливу веществ. Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в более полном связывании вредных веществ, образующихся в процессе сжигания топлива. Указанная задача решается за счет приготовления топливной дисперсной системы с улучшенным распределением в ней присадок, что приводит к более эффективному использованию последних. Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе снижения выбросов вредных веществ в установках сжигания топлива, включающем приготовление топливной дисперсной системы, состоящей из топлива, жидких и твердых присадок путем диспергирования и перемешивания компонентов и подачу приготовленной топливной дисперсной системы в камеру сгорания, приготовление топливной дисперсной системы проводят в две стадии, сначала приготавливают суспензию твердой присадки в жидкой присадке или в топливе, а затем в суспензию присадок или в суспензию топлива и присадки вводят оставшиеся компоненты топливной дисперсной системы и диспергируют, при этом диаметр частиц суспензии присадок в топливе не превышает 25 мкм, а диаметр частиц твердой присадки в суспензии не превышает 20 мкм. Получают сложную топливную дисперсную систему, которая состоит из топлива, внутри которого равномерно распределены капли суспензии твердой присадки в жидкой присадке или капли суспензии топлива с твердой присадкой, в которой равномерно распределены капли жидкой присадки. Топливная дисперсная система в виде капель, включающих капли суспензии, попадая в зону высоких температур камеры сгорания, взрывообразно распадается на еще меньшие капли под действием давления паров жидкой присадки (вскипающей воды) с суспензией, которые находятся в капле топливной дисперсной системы, полученной при ее распылении в камере сгорания топлива. При приготовлении суспензии топлива и твердой присадки и последующего диспергирования с жидкой присадкой (водой) получают топливную дисперсную систему, в которой капли жидкой присадки (воды) находятся в суспензии или смеси присадки и топлива. Распыление капель топливной дисперсной системы в камере сгорания и затем дополнительное распыление при взрывообразном вскипании воды приводит к эффективному взаимодействию с образующимися вредными веществами и уменьшению выбросов в отходящие газы вредных продуктов неполного сгорания, окислов азота и серы. В качестве твердых присадок можно использовать CaCO 2 , MgO, Ca(OH) 2 и др. В качестве жидкой присадки можно использовать воду. Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно заявленное изобретение является новым. Анализ известных из уровня техники решений в отношении отличительных признаков заявленного изобретения показал, что заявленное решение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, т.е. соответствует требованию изобретательского уровня. Обеспечиваемый изобретением технический результат по сравнению с прототипом заключается в следующем. Уменьшаются коэффициенты механического и химического недожога, и увеличивается степень сгорания топлива, за счет тонкого распыления предварительно подготовленного топлива в окислителе в топочном пространстве устройства сгорания топлива. Увеличивается поверхность контакта топлива с окислителем, а это приводит к тому, что продукты неполного сгорания топлива, которые являются вредными и содержатся в отходящих газах, образуются в уменьшенном количестве. Понижается максимальная (пиковая) температура в устройствах сжигания топлива, уменьшается градиент температуры, температурное поле становится более однородным, что приводит к уменьшению образования вредных соединений - окислов азота и продуктов неполного сгорания топлива. Увеличивается интенсивность горения мелких капель топливной дисперсной системы, дополнительно распыленной парами воды, что, кроме уменьшения коэффициентов механического и химического недожога, то есть уменьшения расхода топлива и выброса сажи, вызывает уменьшение длины факела горения, стабилизацию горения факела, что приводит к возможности уменьшения длины и объема установки сжигания топлива и капитальных затрат. При сжигании используют топливную дисперсную систему со следующими компонентами: топливо - жидкий серусодержащий нефтепродукт типа мазута, жидкая присадка - ингибитор реакции образования окислов азота - вода, серусвязующая твердая присадка - измельченный оксид магния. Кроме того, в камеру сжигания подают окислитель - кислород воздуха. На первой стадии измельченный оксид магния до размеров частиц не более 20 мкм, взятый в избыточном количестве по отношению к стехиометрическому в 1,5-1,8 раза, которого достаточно для связывания содержащейся в топливе серы, смешивают с водой, взятой в количестве 30%. Полученную суспензию твердой присадки в воде и мазут в диспергатор. В случае использования суспензии топлива и присадки на первой стадии измельченный оксид магния с размером частиц не более 20 мкм, взятый в количестве в соответствии с вышеуказанным, смешивают с топливом, затем полученную суспензию и воду подают в диспергатор. В диспергаторе непрерывного действия, при необходимости с линией рециркуляции, получают топливную дисперсную систему, в которой дисперсная фаза - суспензия присадки в воде - равномерно распределена в виде мелких частиц размером до 25 мкм в топливе. При сжигании топлива происходит относительное однородное распределение всех подаваемых компонентов системы. Капли топлива с каплями суспензии присадки в воде взрывообразно разбиваются на еще более мелкие капли топлива, сгорающие за меньшее время, что обеспечивает уменьшение коэффициентов механического и химического недожога, уменьшение количества продуктов неполного сгорания и уменьшение вредных выбросов в атмосферу. При проведении испытаний мода распределения частиц суспензии в мазуте изменялась от 7 мкм до 15 мкм в зависимости от режима работы диспергатора и содержания воды. При добавлении воды учитывалась вода, находящаяся в обводненном топливе. Таким образом, предварительное диспергирование присадки с водой или топливом позволяет равномерно распылять в камере сгорания не только топливо, но и равномерно вводить присадки, что ведет к увеличению эффективности связывания вредных компонентов и уменьшению их образования. Источники информации 1. Русанов А. А., Урбах И.И., Анастасиади А.П. Очистка дымовых газов в промышленной энергетике. М., Энергия, 1969. 2. Патент ФРГ N 3410731, кл. B 01 D 53/34, 1985. 3. Патент ФРГ N 3444469, кл. C 01 L 10/00, 1986. 4. Патент ФРГ N 3409014, кл. C 01 L 10/00, 1985. 5. Патент ФРГ N 3325570, кл. C 01 L 10/00, 1985. 6. Заявка RU N 94003846/26, кл. B 01 D 53/60, 1995.

Формула изобретения

Способ снижения выбросов вредных веществ в установках сжигания топлива, включающий приготовление топливной дисперсной системы, состоящей из топлива, жидких и твердых присадок путем диспергирования и перемешивания компонентов и подачу приготовленной топливной дисперсной системы в камеру сгорания, отличающийся тем, что приготовление топливной дисперсной системы проводят в две стадии, сначала приготавливают суспензию твердой присадки в жидкой присадке или в топливе, а затем в суспензию присадок или в суспензию топлива и присадки вводят оставшиеся компоненты топливной дисперсной системы, диспергируют, при этом диаметр частиц суспензии не превышает 25 мкм, а диаметр частиц твердой присадки в суспензии не превышает 20 мкм.

Производственная деятельность железнодорожного транспорта оказывает воздействие на окружающую среду всех климатических зон нашей страны. Негативное воздействие железнодорожного транспорта на природную среду в настоящее время остается достаточно высоким в результате выброса вредных веществ, как от подвижного состава, так и от многочисленных производственных и подсобных предприятий, обслуживающих перевозочный процесс.

Министерство путей сообщения Российской Федерации (МПС России) проводит экологическую работу в отрасли, руководствуясь Основными положениями государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития, а также постановлениями Правительства Российской Федерации о планах действий Правительства Российской Федерации в области охраны окружающей среды и природопользования.

Основой природоохранной работы является "Экологическая программа железнодорожного транспорта на 2006 – 2010 годы", главная цель которой – поэтапное приближение фактического загрязнения окружающей природной среды предприятиями железнодорожного транспорта к установленным предельно допустимым нормам за счет строительства очистных сооружений, совершенствования применяемых технологических процессов и перехода к экологически безопасным, ресурсосберегающим технологиям.

Одной из важнейших задач, решаемых в рамках отраслевой экологической программы, является сокращение выбросов вредных веществ в атмосферный воздух предприятиями железнодорожного транспорта.

В результате выполнения природоохранных мероприятий, направленных на более широкое применение на железнодорожном транспорте менее токсичных видов топлива, ликвидацию источников загрязнения, внедрение газопылеулавливающих устройств, удалось добиться снижения выбросов загрязняющих веществ на 22,9 тыс. т, или на 8,5% к уровню 2005 г. Тем не менее, анализ природоохранной деятельности показывает, что, наряду со снижением воздействия на окружающую среду, поступление загрязняющих веществ в атмосферу от промышленных предприятий остается на достаточно высоком уровне. В частности, на очистных сооружениях улавливается и обезвреживается всего 35,5% выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Основная причина негативного воздействия железнодорожного транспорта на атмосферу заключается в недостаточно эффективной работе технологического оборудования, природоохранных сооружений и оборудования в хозяйствах железных дорог и на заводах, а именно:

В хозяйстве гражданских сооружений и водоснабжения - недостаточная очистка выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух котельными, работающими на твердом и жидком топливе;

В локомотивном хозяйстве - значительные выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух маневровыми тепловозами, котельными, работающими на твердом и жидком топливе;

В путевом хозяйстве - на шпалопропиточных заводах выбросы токсичных загрязняющих веществ в атмосферу происходят при остывании шпал после пропитки их антисептиком; на рельсосварочных предприятиях в воздушную среду выбрасываются пыль, газообразные вещества при литейных процессах, сжигании газа или мазута в печах пескосушильных камер, сварочных работах;

В вагонном хозяйстве - выбросы вредных веществ в атмосферу котельными, работающими на твердом и жидком топливе; выбросы вредных веществ в атмосферу на промывочно-пропарочных станциях;

В грузовом хозяйстве - загрязнение окружающей среды сыпучими грузами вследствие их распыления при перевозке на открытом подвижном составе.

Для всех хозяйств железных дорог и заводов характерным является: высокий износ основных фондов оборудования и сооружений природоохранного назначения, их недостаточная эффективность и производительность; отсутствие или неудовлетворительная работа пылегазоулавливающих установок; нарушение сроков разработки и согласования нормативных экологических документов.

Из всего многообразия загрязняющих веществ, воздействующих на атмосферный воздух при работе предприятий железнодорожного транспорта, наиболее масштабными являются продукты сгорания различных топлив: оксиды азота, серы, углерода, газообразные углеводороды и твердые частицы(сажа, зола). Очистку от этих соединений, поступающих от стационарных источников(например, при работе котельных) производят с использованием методов и технических средств рассмотренных ранее.

Одним из основных источников загрязнения атмосферы от подвижного состава являются отработавшие газы дизельных двигателей тепловозов. В них содержится окись углерода, окись и двуокись азота, различные углеводороды, сернистый ангидрид, сажа. Высокое содержание вредных примесей в отработавших газах дизелей при работе в режиме холостого хода обусловлено не только плохим смешиванием топлива с воздухом, но и сгоранием топлива при более низких температурах. Режим работы маневровых тепловозов менее стабилен, чем поездных, поэтому и выделение токсичных веществ у них в несколько раз больше. Уровень загрязнения воздушной среды станций и прилегающих к ним зон отработавшими газами маневровых тепловозов зависит от числа одновременно занятых локомотивов. При этом наиболее значительно выделение оксидов азота и сернистого ангидрида.

Анализ методов оценки и путей снижения отрицательного экологического воздействия дизелей на окружающую среду показывает, что в настоящее время основными направлениями являются усовершенствование конструкции отдельных узлов дизеля, рециркуляция газов, применение нейтрализаторов и катализаторов, электрофизических методов очистки выхлопных газов, использование альтернативных топлив. Кроме того, представляет интерес применение различных присадок к топливу, а также использование различных методов обработки топлива перед впрыском в камеру сгорания.

Уменьшением угла опережения впрыска топлива на 4-5° от штатного снижается максимальная температура цикла, что приводит к снижению концентрации оксидов азота (NOx) в среднем на 30-35%. Увеличение угла опережения повышает концентрацию NOx на 15-17%. Иное влияние изменение угла опережения впрыска топлива оказывает на содержание продуктов неполного сгорания топлива. Так, уменьшение угла приводит к снижению концентрации СО при работе дизеля в диапазоне малых нагрузок и, наоборот, к увеличению - при работе дизеля в области средних и максимальных нагрузок. При угле впрыска больше штатного концентрация СО увеличивается в области малых нагрузок и снижается в области нагрузок, превышающих среднюю. Результаты эксперимента показывают, что уменьшение угла опережения впрыска топлива вызывает рост содержания продуктов неполного сгорания топлива, но общая токсичность дизеля не увеличивается, так как выход наиболее токсичного и трудно обезвреживаемого оксида азота снижается. Применение такого способа требует разработки и установки на дизеле специальной муфты, позволяющей автоматически менять угол опережения впрыска топлива в зависимости от нагрузки.

Положительные результаты дает и рециркуляция отработавших газов на линии всасывания. В этом случае в свежем заряде цилиндра снижается доля свободного кислорода, что, в свою очередь, приводит к снижению скорости и температуры сгорания топлива а, следовательно, к ухудшению условий образования оксида азота. При этом выброс оксидов азота снижается до 55%, однако, происходит некоторое увеличение продуктов неполного сгорания топлива (окиси углерода). Кроме того, уменьшается выбрасываемая масса газов на величину перепускаемых.

Однако, количественное изменение свежего заряда может негативно отразиться на технико-экономических показателях двигателя. В частности, при чрезмерном перепуске отработавших газов может увеличиться расход топлива с одновременным падением развиваемой дизелем мощности. Поэтому количество перепускаемых газов для каждого двигателя подбирается индивидуально, исходя из условий минимального ухудшения технико-экономических показателей дизелей и режимов его работы. Как правило, в этом случае за основу берется топливная характеристика. Следовательно, экономические показатели дизеля должны увязываться с указанными ограничениями. Так же при применении рециркуляции газов возникает дополнительная проблема - отложение сажи на внутренних поверхностях дизеля - воздухоподводящем канале, впускных окнах, форсунках. Эту проблему можно решить с помощью использования специальных сажевых фильтров. В настоящее время ряд отечественных и зарубежных исследователей ведут работы по созданию керамических фильтров (пористые сотовые структуры на основе кордиерита), фильтров на основе металлических сеток и войлока (волокна из нержавеющей стали), а также электрофильтров. Такие фильтры способны задерживать до 80 – 95 % твердых частиц, содержащихся в отработавших газах. Однако в процессе работы первые два из указанных типов фильтров вскоре забиваются сажей, что приводит к резкому росту противодавления в выхлопном трате. Поэтому требуется их регенерация - либо огневая (за счет выжигания сажи специальными горелками), либо за счет противотока, встряхивания. В целом рециркуляцию предпочтительно применять на тех тепловозах у которых, в общем времени эксплуатации преобладают режимы холостого хода и малых нагрузок.

Одним из направлений в очистке отработавших газов от вредных выбросов (NOх, СО, СО2, SO2 и др.) является применение нейтрализаторов с катализаторами дожигания углеводородов. Из других методов очистки отработавших газов от оксида азота следует отметить каталитическое его восстановление с помощью платинованадиевого катализатора в присутствии аммиака. Использование аммиака наиболее приемлемо для применения в кислородосодержащей среде. Несмотря на сложность и относительно большую стоимость, этот метод может найти применение на железнодорожном транспорте, в первую очередь на станциях реостатных испытаний дизелей. Известны также случаи применения для восстановления оксида азота мочевины, метана, природного газа. Перечисленные способы снижения токсичности тепловозного дизеля могут быть мокрыми и сухими. Применение на тепловозах жидкостных нейтрализаторов нереально ввиду их громоздкости, сложности эксплуатации и обслуживания.

В настоящее время во многих странах ведутся исследования по применению электрофизических методов очистки газов от экологически вредных составляющих. Одним из способов является использование импульсной стримерной короны для очистки отработавших газов. По сравнению с другими способами очистки, очистка с помощью стримерной короны не сопряжена с решением сложных инженерных задач обеспечения высокого ресурса источника энергии - ускорителя электронов в агрессивной среде выхлопных газов. Выхлопные газы проходят через реакционную камеру, к которой прикладываются импульсы высокого напряжения столь малой длительности, что пробоя камеры не происходит. При этом в камере возникает интенсивный импульсный коронный разряд представляющий собой одновременное развитие большого числа тонких светящихся каналов разряда - стримеров. Во время прорастания стримеров в межэлектродном промежутке, за счет высокой напряженности электрического поля на головках стримеров нарабатывается большое количество электронов имеющих сравнительно высокую энергию. Взаимодействие этих электронов с молекулами газа приводит к образованию химически активных частиц таких как О , О3, ОН- , Н2O2 и прочих которые, взаимодействуя в свою очередь с молекулами примесей, окисляют и доокисляют их с образованием безвредных малоактивных соединений. При этом привлекательными являются как простота технологий очистки, позволяющая совмещать реакционную камеру с существующими технологическими схемами, так и относительно невысокие затраты энергии на процесс очистки. Наличие в газах только коронирующего электрода является несомненным преимуществом этого способа очистки по сравнению с другими способами, что не исключает их комплексного применения. Энергия, требуемая на очистку 1 м3 газа, меняется в зависимости от концентраций и вида загрязняющего компонента. Так по экспериментальным данным очистка воздуха от диоксида азота NO2 на 80% требует затрат энергии около 15 Вт ч/м3, от диоксида серы SO2 на 90% - 10 Вт ч/м3.

Большое значение для снижения вредных выбросов дизелей имеет разработка и внедрение альтернативных низкотоксичных видов топлив. Так в качестве дизельного топлива можно использовать диметиловый эфир, это топливо может радикально решить проблему использования дизельных двигателей в городских условиях, только необходимо разработать дополнительную к обычной, топливную аппаратуру для серийных двигателей. Но топливо должно быть доступным. В ИНХС РАН разработали эффективный способ получения дешевого диметилового эфира из синтез-газа в одну стадию. Диметиловый эфир СН3ОСН3 (ДМЭ) при комнатной температуре газ, но при минус 25° С он сжижается и под небольшим давлением может быть помещен в топливные баки дизельных двигателей. Параметры сгорания ДМЭ такие же, как и у дизельного топлива и при сохранении мощности и экономичности полностью отсутствует в выхлопных газах сажа на всех режимах работы, а так же снижается содержание оксидов азота.

В связи с тем, что дизельный ДВС не может работать на природном газе, поэтому одной из мер по снижению токсичности выхлопных газов и экономии дизельного топлива может стать применение газодизелей - ДВС с двухтопливной системой: дизельное топливо - газ. Принцип этой системы состоит в том, что количество подаваемого в цилиндры дизельного топлива уменьшается примерно на 35%, а во впускной коллектор вместе с воздухом подается 35% сухого газа, которые тщательно перемешиваются перед впуском в цилиндр. Это позволяет двигателю развивать такую же мощность, какую он развил бы при использовании 100% дизельного топлива. Сгорание топлива в цилиндрах происходит более активно, уменьшая дымность отработанных газов почти на 50%.

Так же рекомендуется использование топливных присадок и водотопливных эмульсий, подача воды в воздушный ресивер. В качестве добавок к топливу возможно использование растительных масел (до 10 %) без потери мощности, после их предварительной переработки (прессование, извлечение эфиров, очистка, рафинирование и прочие операции).

Одним из способов улучшение экологических и технико-экономических показателей тепловозных дизелей является электромагнитная обработка топлива перед непосредственной подачей его в камеру сгорания. При этом изменяется физическое состояние топлива на молекулярном уровне (ионизация топлива). Такие изменения ведут к улучшению распыления топлива по всему периметру камеры сгорания, что приводит к хорошему смесеобразованию и более качественному и полному сгоранию горючей смеси. Это ведет к уменьшению нагара в камере сгорания, снижению содержания в отработавших газах окиси углерода на 20-50%, углеводородов - на 20-60%, оксидов азота - на 15%, дымность - на 30-60%, снижение расхода топлива - до 15% (в зависимости от режима работы). Кроме этого облегчается пуск в зимнее время, повышается надежность и мощность двигателя; улучшается теплообмен; уменьшается уровень шума ДВС. При этом потребляемая мощность составляет 2,0 - 5,0 Вт, в зависимости от типа двигателя.

Из вышеизложенного следует, что единого (универсального) технического решения, удовлетворяющего ужесточающиеся экологические требования, для дизелей нет. Поэтому при разработке комплекса антитоксичных устройств для транспортных средств с дизельным приводом необходимо учитывать тип дизеля, режим его работы, тип топлива и состав его примесей, назначение тяговой единицы. Каждый из используемых элементов такой комбинированной системы должен вносить свой вклад в повышение экологической чистоты без ущерба для экономичности двигателей.

В 2006 году особое значение придавалось работе по снижению негативного воздействия передвижных источников железнодорожного транспорта на атмосферный воздух. Основное внимание уделялось совершенствованию технологических процессов работы тепловозов и разработке нейтрализаторов для обезвреживания выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами дизелей тепловозов. В течение года были проведены испытания макетных образцов нейтрализаторов вредных веществ отработавших газов тепловозов, разработана конструкторская документация на опытный образец нейтрализатора-глушителя для установки на тепловозе ТЭП-70. Разрабатываемые нейтрализаторы рассчитаны на 1–2 года работы без замены блоков, их применение позволит снизить выбросы вредных веществ по оксидам азота на 40%, оксидам углерода и углеводородам – на 60–70%, сажи – на 50–60%.

В целях совершенствования качества рабочих и технологических процессов работы дизелей тепловозов выполнены исследования влияния девяти различных факторов на стендах, в том числе обеспечивающих повышенную топливную экономичность и, следовательно, в наибольшей степени улучшающих экологические характеристики тепловозов.

Продолжены испытания маневрового тепловоза, работающего на сжатом газе. При работе такого тепловоза выбросы оксидов азота снижаются в 2 раза, углеводородов – в 3 раза, оксидов углерода – в 5–10 раз.

С 1998 года на железных дорогах начаты и продолжаются работы по капитальному ремонту эксплуатируемых тепловозов 2М62М, 2ТЭ10М, 2ТЭ10У с продлением срока их службы до 15 лет: производится замена устаревших, малоэкономичных двухтактных дизелей 10Д100, 14Д40 на современные экономичные дизели типа Д49 производства АО "Коломенский завод". В результате повышается топливная экономичность отремонтированных тепловозов на 15%, улучшаются экологические показатели: токсичность отработавших газов снижается на 34%, дымность выпуска – на 12%, звуковое давление – на 8%. Одновременно сводится к минимуму возможность утечки нефтепродуктов на земляное полотно.