Химические методы очистки дымовых газов от оксидов серы

Содержащаяся в топливе сера служит источником образования оксидов серы SO_x: сернистого SО₂ и серного SО₃ ангидридов. Суммарный массовый выброс SO_x зависит только от содержания серы в топливе S^r.

Сера в твердых топливах может содержаться в трех видах: органическая S_op, колчеданная S_K и сульфатная S_c. Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Колчеданная сера - это ее соединения с металлами (чаще железный колчедан FeS₂), она входит в состав минеральной части топ­лива. Сульфатная сера находится в минеральной части топлива в виде сульфатов щелочных металлов (CaS0₄ и MgS0₄) и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается и переходит в золу. В состав газообразных топлив сера входит только в виде сероводорода H₂S или сернистого ангидрида S0₂. Сера в мазуте находится главным образом в составе сероорганических соединений и в меньшей степени в виде H₂S и серы элементарной:

2H₂S + 3O₂ →2SO₂ + 2Н₂О (8.1)

O₂

S_op → SО₂ (8.2

FeS₂ + 11O₂ →2FeO ₃ + 8SO₂ (8.3)

Часть SO₂ (1–5 %) затем доокисляется до серного ангидрида SO₃ в ходе гомогенных реакций непосредственно при горении топлива:

SO₂ + O+ M→SO₃ + M (8.4)

SO₂+l/2O₂->SO₃, (8.5)

а также в результате протекания гетерогенных реакций окисления SO₂

на поверхностях нагрева с участием катализаторов, которыми могут быть V₂O₅, Fe₂O₃:

kat

SO₂ + О₂→SO₃, (8.6)

где М -– любая частица либо молекула.

Образование оксидов серы при сжигании сернистых топлив в топочных устройствах паровых котлов в основном происходит на начальном участке факела. Наиболее высокие концентрации SО₃, в несколько раз превышающие равновесные, наблюдаются в непосредственной близости от горелки. Конечная концентрация серного ангидрида SО₃ в продуктах сгорания не превышает тысячных долей процента и зависит от состава топлива, режима горения, конструкции котла и состояния поверхностей нагрева.

Как правило, объемная долят SO₂ составляет 97–99 %, а доля SO₃ 1-–3 % суммарного выхода SO_x. Фактическая объемная концентрация SО₂ в уходящих из котлов газах колеблется от 0,08 до 0,6 %, а концентрация SO₃ – от 0,0001 до 0,0080 %.

В процессе сжигания топлива сера переходит не только в дымовые газы в виде SO_x,но может отчасти связываться твердыми продуктами сгорания: золой и шлаком при сжигании угля, коксом и золовыми отложениями при сжигании мазута. Поэтому концентрации SO_x в газах по длине газового тракта котла могут изменяться.

Сухая известняковая технология основана на обжиге в топочной камере котла при 1000–1100 °С тонко размолотого известняка, который превращается в этих условиях в активную известь. Интенсивность улавливания диоксида серы известью в диапазоне температур 500–850 °С зависит от тонины помола реагента, поскольку процесс сорбции определяется преимущественно поверхностью контакта реагента с газом, которая, в свою очередь, зависит от размера частиц. Естественно, что обжиг известняка сопровождается использованием части тепла дымовых газов, что снижает КПД котла. Например, при сжигании бурых углей с Q= 8,5–9,0 МДж/кг, продукты сгорания, которых содержат 4 г/м³ SO₂, ввод в дымовые газы известняка в небольшом количестве снижает КПД котла на 1,1 %. Оправданная (без заметного влияния на экономичность котельного агрегата) степень сероочистки дымовых газов с помощью такой технологии составляет 30–35 %. Капитальные вложения для ее реализации, в частности, на энергоблоке мощностью 200 МВт Харанорской ГРЭС не превышают 5 дол/кВт, а доля потребляемой электроэнергии равна 0,1–0,2 %. Для размещения оборудования в ячейке котла практически не требуется дополнительные площади. Существующие отечественные технологии позволяют отказаться от пневматических систем транспортирования реагента, что резко снижает износ трубопроводов и в 3–4 раза уменьшает потребление электроэнергии на транспортирование.

Модификацией рассмотренного метода является подача тонкодисперсной извести (известковая технология)в конвективную шахту котла или соды в газоходы уходящих газов.

Если котел оснащен мокрыми золоуловителями, то общая степень сероочистки может быть повышена до 60–65 % за счет того, что непрореагировавшая известь в мокром золоуловителе, орошаемом водой, дополнительно сорбирует SO₂. В результате пульпа характеризуется повышенным содержанием кальция. Для предотвращения образования отложений в мокром золоуловителе и системе внутреннего и внешнего гидрозолоудаления (ГЗУ) ВТИ выбирал безопасный солевой режим работы золоотвала и системы оборотного водоснабжения, исключающий отложения карбонатов и сульфатов.

Применение сухой известняковой технологии может приводить к изменению температуры плавления золы. Например, при сжигании углей, зола которых имеет температуру размягчения 1300 °С, применение этой технологии возможно. Но при использовании углей, которые размягчаются при 1100–1175 °С, ее применение может вызвать повышенное шлакование поверхностей нагрева котла.

Использование мокрых золоуловителей для сероочистки приемлемо при сжигании твердого топлива, в летучей золе которого имеются повышенные концентрации оксида кальция. Технология (рис. 8.1.) основана на том, что в орошающей воде искусственно увеличивают содержание ионов кальция дополнительным выщелачиванием уловленной в аппарате золы

При этом часть свободной извести превращается в гидрокарбонат Са(НСОз), растворимость которого существенно больше, чем у извести. После выщелачивателя поток разделяют в гидроциклоне на сгущенную пульпу и осветленную воду. Последнюю направляют на орошение скруббера (трубы Вентури и каплеуловителя), что и обеспечивает повышенное улавливание диоксида серы в мокром золоуловителе. Сгущенную пульпу сбрасывают на золоотвал. Гипс и другие соединения кальция, содержащиеся в этой пульпе, способствуют герметизации ложа золоотвала и прекращению фильтрации загрязненных вод в природные водоемы.

Такой режим работы мокрого золоуловителя обеспечивает 35%–ное улавливание диоксида серы и 98%-ное улавливание летучей золы.

Технология с выщелачиванием золы позволяет достигнуть указанной степени сероочистки при капитальных вложениях на уровне 8–15 дол/кВт при увеличении расхода энергии на собственные нужды, не превышающем 0,05 %.

Обеспечить очистку дымовых газов с помощью скрубберов на 50-60 % можно за счет использования в качестве реагента соды Na₂CO₃ (двойная щелочная технология). В этом варианте при нейтрализации диоксида серы содой образуются сульфиты и бисульфиты натрия. Обработка этих солей второй щелочью (отсюда название технологии) – известью – дает гипс, который в смеси с золой можно сбрасывать на золоотвал. Образовавшаяся после регенерации щелочь возвращается на орошение золоуловителя. Применение регенератора и двух реагентов – соды и извести – увеличивает капитальные затраты на такую сероочистку до 15–20 дол/кВт. Также увеличивается до 0,07 % и расход электроэнергии на собственные нужды.

Следует иметь в виду, что удельные площади для размещения дополнительного оборудования в районе зольного помещения невелики и составляют примерно 0,001 м²/кВт.

Технологии с применением скрубберов могут быть использованы, например, на ТЭЦ Иркутскэнерго при сжигании на них мугунского бурого и головинского каменного углей.

Для котельной установки большой мощности, оснащаемой электрофильтрами, в аналогичных условиях целесообразны мокросухие технологиисероочистки. В них реагент вводят в дымовые газы в виде суспензии, вода которой за счет тепла этих газов полностью испаряется до начала процесса электрогазоочистки. Испарение воды сопровождается охлаждением и увлажнением уходящих за котла дымовых газов, в результате чего их физический объем уменьшается на 15–18 % и соответственно увеличивается время пребывания в активной части электрофильтра. Для обеспечения эффективного размера частиц извести в суспензии на уровне 4–6 мкм (при исходном среднемедианном диаметре частиц 30–40 мкм) применяют специальный аппарат, механически обрабатывающий исходную суспензию. Суспензия с такими частицами извести начинает расслаиваться только через 3 сут. Удельные капитальные затраты для реализации этой технологии не превышают 6 дол/кВт. Все необходимое оборудование является отечественным. Увеличение расхода энергии на собственные нужды составляет примерно 0,03 %.

Рис. 8.1 Скруббер Вентури с выщелачиванием золы

Промышленное опробование было выполнено на электрофильтре типа ЭГА2-56-12-4-250-44, установленном на Дорогобужской ТЭЦ. На входе дымовых газов в форкамеру электрофильтра были установлены 24 пневматические форсунки с углом раскрытия факела 120–130°. При расходе 10%-ной известковой суспензии до 50 кг/ч образовывались капли среднемедианного диаметра 40–50 мкм. Испытания по очистке 500 000 м³/ч дымовых газов при сжигании углей типа кузнецких показали степень улавливания диоксида серы 50–60%.

Дата добавления: 2015-10-28