Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1 Вредные выбросы теплогенерирующих установках в атмосферу и методы их снижения 16
Газообразные выбросы теплогенерирующих установок 16
Влияние оксидов азота на образование комплексов
и фотохимических оксидантов 26
Глава 2 Теоретические предпосылки процесса очистки
дымовых газов абсорбцией водой 52
Глава 3 Экспериментальное определение кинетических характеристик
и эффективности очистки дымовых газов от оксидов азота 108
Глава 4 Технические решения по снижению оксидов азота
в дымовых газах и их практическая реализация 151
Испытания опытно-промышленной установки очистки дымовых
газов от оксидов азота 151
Технические решения по очистке дымовых и выхлопных газов теплогенераторов систем автономного теплоснабжения и двигателей внутреннего сгорания от оксидов азота 177
Воздухоподогреватели со стеклянными теплообменными поверхностями 186
Глава 5 Методика расчета установки дымовых газов
от оксидов азота 192
Технологические схемы установки очистки и основное оборудование 192
Глава 6 Технико-экономическая эффективность эксплуатации теплогенераторов при очистке дымовых газов от оксидов азота .. .220
Технико-экономические показатели теплогенерирующих
установок 220
Экономичность работы теплогенераторов при очистке
дымовых газов от оксидов азота 231
Комплексное экологическое ранжирование котельных агрегатов .. .250
Условные обозначения 261
Список использованных источников 267
Приложение А 295
Приложение Б 320
Приложение В 348
Приложение Г 349
Приложение Д 350
Введение к работе
Развитие современной экономики в глобальном масштабе напрямую связано с решением экологических проблем, обусловленных крупномасштабным воздействием на человека и среду его обитания в условиях непрерывно возрастающей потребности в энергоресурсах и ростом темпов их потребления.
К числу важнейших проблем, связанных со сжиганием органического топлива на теплоэнергетических предприятиях, в первую очередь, относятся выбросы в окружающую природную среду, обусловленные значительной стоимостью и технологическими затруднениями в организации безотходного производства.
Энергетика сегодня поставляет в атмосферу 23,3 % суммарных выбросов от стационарных источников в РФ. Увеличение количества углекислого газа в атмосфере вследствие выбросов теплоэлектростанции (ТЭС) может привести к неблагоприятным глобальным изменением климата на Земле, в частности к парниковому эффекту. Поскольку сжигание топлива на ТЭС и котельных происходит посредством применения окислителя (кислорода), то вполне очевидно, что процессы сжигания органического топлива могут вызвать нарушение биогеохимических циклов кислорода, углекислого газа, серы и азота при условии вовлечения в процессы больших количеств природных ресурсов. Еще В Вернадский отмечал, что человечество становится геологической силой. В настоящее время эта сила создала критическую экологическую обстановку для всего живого на Земле. Так, вклад экологической ситуации в заболеваемость населения России оценивается в настоящее время на уровне 20-30%, в том числе до 50% по онкологическим заболеваниям. По приближенной оценке ущерб от загрязнения окружающей среды в России составляет около 30-50% национального дохода.
Несмотря на устойчивую тенденцию к уменьшению объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива (выбросы от стационарных источников в энергетической промышленности снизилось с 5017,7 до 3857,27 тыс. т.) энергетика по этому показателю по-прежнему занимает одно из лидирующих мест среди отраслей экономики.
Характерной особенностью энергетических объектов, с точки зрения их взаимодействия с окружающей средой, в частности с атмосферой и гидросферой, является наличие тепловых выбросов. Выделение теплоты происходит на всех стадиях преобразования химической энергии органического топлива для выработки электроэнергии, а также при непосредственном использовании тепловой энергии.
Одними из основных вредных компонентов в дымовых газах являются оксиды азота, серы и углерода и поэтому вопросы снижения их выбросов в атмосферу имеют актуальное значение. При работе котлов на природном газе число токсогенов уменьшается, но выбросы оксидов азота остаются в прежнем количестве. Хотя концентрация оксидов азота в дымовых газах определяется главным образом режимом и организацией топочных процессов, обусловливающих концентрацию кислорода в зоне горения и температуру, однако даже при оптимальном процессе горения их содержание в дымовых газах достаточно велико и оказывает крайне отрицательное влияние на экологическую обстановку.
Очистка дымовых газов от оксидов азота представляет собой более сложную задачу, чем очистка их от оксидов серы, различные способы которой успешно используются в теплоэнергетике и ее решение позволит уменьшить выбросы в атмосферу наиболее опасных загрязнителей комплексно.
Известные вторичные методы снижения выбросов оксидов азота, связанные с системами газоочистки, хотя и обеспечивают высокую степень очистки дымовых газов, но при этом требуют значительных энергетических затрат с использованием различных химических реагентов, что снижает их экономическую и экологическую эффективность и находятся, как правило, на стадии опытно- промышленных испытаний.
Наряду с улучшением экологических характеристик атмосферы и повышением эффективности энергетических установок, снижение тепловых и вредных выбросов в дымовых газах влечет за собой принципиальную возможность создания на базе установок очистки устройств для утилизации основных вредных компонентов (оксиды азота, оксиды серы, диоксид углерода, пары воды и пр.), входящих в состав дымовых газов с использованием достижений современной химической технологии. Таким образом, комплексное сочетание одновременной очистки дымовых газов от вредных компонентов, снижение их тепловых выбросов и утилизация большей части тепла и улавливаемых компонентов, в конечном счете, приближает показатели работы теплогенерирующей установки к идеальным, а именно, к безотходному экологически чистому получению тепловой энергии. При этом, следует заметить, что хотя разработка мер по снижению тепловых и загрязняющих выбросов и их практическая реализация весьма актуальны, их реализация зачастую требует значительных капитальных вложений, что и является основным тормозом широкого применения разработанных технических решений в практику. Хотя принципиально многие вопросы очистки дымовых газов решены, но это не исключает возможности дальнейшего их усовершенствования. Особенно это касается очистки дымовых газов от оксидов азота, количество которых в дымовых газах даже при оптимальном процессе горения достаточно велико. Так как известные вторичные методы снижения выбросов оксидов азота основаны на использовании различных химических реагентов, то требуется разработка иных, экономически и экологически эффективных методов.
Общая характеристика работы
Актуальность. Проблема снижения выбросов оксидов азота с дымовыми газами теплоэнергетических установок определяет большое количество способов и подходов к ее решению. Широкое распространение получили режимно-технологические (первичные природоохранные) мероприятия по снижению концентрации оксидов азота в дымовых газах. Но в больших городах и промышленных центрах с высокими фоновыми загрязнениями, первичные мероприятии несмотря на результативность
получения низких концентраций МЭХ в дымовых газах (80-120 мг/м ) с учетом ограничений высоты дымовых труб по архитектурным и другим требованиям, в ряде случаев не исключают превышения ПДК оксидов азота в воздушной атмосфере на уровне дыхания человека. Поэтому для обеспечения чистоты воздушного бассейна, требуются дополнительные (вторичные) природоохранные мероприятия с более глубоким снижением концентраций оксидов азота в дымовых газах.
Анализ теплового баланса котельного агрегата, работающего на газообразном топливе, при котором основными вредными выбросами являются оксиды азота, показывает, что наиболее значительным видом потерь являются потери с уходящими газами (д2), которые определяют масштаб тепловых выбросов с продуктами сгорания топлива в атмосферу установки (при снижении температуры дымовых газов на (12-14) С, КПД теплогенерирующей установки повышается на 1%).
Потери теплоты с уходящими газами имеют значительную величину и в парогазовых установках, которые в перспективе должны заменить большинство энергетических паровых котлов. Так, в наиболее перспективной парогазовой установке с котлами-утилизаторами =12,9%. Таким образом, вопросы снижения тепловых потерь с уходящими газами имеют актуальное значение для большинства теплоэнергетических агрегатов, работающих на органическом топливе.
Тематика работы соответствует выполнению Государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития (указ президента РФ от 01.04.96 III, 440), Федеральной целевой программе «Предотвращение опасных изменений климата и их отрицательных последствий» (Постановление правительства РФ от 19.10.96, №1242), правительственной программы Курской области «Энергосбережение промышленных предприятий г. Курска и Курской области» и научно- технической программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направления науки и техники. Экология и рациональное природопользование».
Цель работы — разработка вторичных природоохранных мероприятий по снижению оксидов азота в дымовых газах теплогенерирующих установок, а именно: создание методологии для очистки дымовых газов теплогенерирующих установок от NOx - комплексного процесса, совмещающего очистку дымовых газов от NOx, утилизацию их тепла и улавливаемых компонентов при охлаждении ниже точки росы в присутствии озона и выбора оборудования.
Достижение поставленной цели осуществляется путем решения следующих задач:
аналитическое исследование теоретических основ процессов очистки дымовых газов от NOx;
разработка теоретических положений, применительно к процессу очистки дымовых газов от NOx при температуре ниже точки росы в присутствии озона абсорбцией водой;
экспериментальное исследование кинетики массопередачи абсорбции труднорастворимого в воде газа на лабораторной модели установки;
экспериментальное исследование эффективности очистки реальных дымовых газов от Ж)х на лабораторной модели установки в присутствии озона;
выполнение натурных экспериментальных исследований на промышленной установке для определения оптимальных конструктивно- технологических параметров с применением планирования эксперимента;
разработка алгоритма расчета технологических параметров процесса очистки дымовых газов методом абсорбции совместно с утилизацией их тепла и конструктивных характеристик основного оборудования;
разработка технологической схемы установки очистки дымовых газов с привязкой к котельному агрегату, работающему на природном газе;
разработка конструкции узлового аппарата установки синхронной очистки и утилизации - воздухоподогревателя-абсорбера;
экономическое обоснование очистки дымовых газов теплогенерирующих установок от оксидов азота.
Научная новизна
В результате анализа существующих теоретических и экспериментальных исследований, экспериментальных исследований автора обоснованы механизм химических и массообменных процессов при очистке газообразных выбросов теплогенераторов на примере их очистки от наиболее трудноудаляемых вредных компонентов, а именно, оксидов азота путем их окислении и абсорбции подпиточной водой и конденсатом водяных паров дымовых газов в присутствии озона при температуре ниже точки росы.
Обоснован и разработан способ очистки дымовых газов от ЫОх с использованием многократного ускорения скорости окисления оксида азота в присутствии озона с последующим поглощением, образовавшегося диоксида азота конденсатом в ходе конденсации водяных паров.
Предложен и разработан способ интенсификации процесса поглощения 1чЮх водой в области малых концентраций, характерной для дымовых газов, с использованием межфазного контакта газа с жидкостью в эмульгационном режиме с многократной рециркуляцией абсорбента.
Разработана конструкция эмульгационно - пленочного абсорбера, позволяющего проводить процесс очистки дымовых газов от оксидов азота в эмульгационном и пленочном режимах с обеспечением многократной рециркуляции абсорбента.
Предложена и разработана конструкция воздухоподогревателя- абсорбера, позволяющая одновременно проводить процессы очистки дымовых газов от NOx, утилизацию их тепла и уловленных компонентов.
Разработана технологическая схема и основное оборудование установки очистки дымовых газов от NOx с одновременной утилизацией их тепла и уловленных компонентов.
Установлена взаимосвязь между тепловыми потерями с уходящими газами, влaro содержанием и концентрацией NOx в них.
Предложено комплексное экологическое ранжирование однотипных котельных агрегатов вторичных методов очистки, учитывающее одновременно выбросы вредных веществ и тепловые потери с уходящими газами.
Предложены технические решения, новизна которых подтверждена патентами РФ, основанные на предлагаемом способе, по очистке дымовых и отработавших газов от NOx для систем центрального, автономного, квартирного теплоснабжения и двигателей внутреннего сгорания, выделению СОг из дымовых газов, реабилитации уличного воздуха, основанные на охлаждении газов до температуры ниже точки росы и контакте их с водой, Са(ОН)2 в присутствии озона и подогрева дутьевого воздуха при прямом контакте с дымовыми газами, а также разработаны конструкции теплообменного оборудования для их реализации.
10. Предложены расчетные зависимости, методика расчета основных технологических и конструктивных параметров узловых аппаратов установки очистки дымовых газов при сжигании природного газа.
Методы исследований. Основные теоретические и экспериментальные разработки, представленные в диссертации, основаны на применении, методов теории моделирования, проведения эксперимента и химических анализов, планирования эксперимента, статистической обработки результатов эксперимента, теплотехнических испытаний и теплотехнических измерений.
Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается адекватностью теоретического обоснования результатам экспериментальных данных, что подтверждается количественным и качественным совпадением результатов при абсорбции модельной газовой смеси в лабораторных условиях, эффективности процесса очистки дымовых газов в лабораторных и промышленных условиях с расчетными данными, полученными на основе разработанного алгоритма.
Практическая ценность. Полученные результаты исследований позволили разработать установку очистки дымовых газов от оксидов азота (воздухоподогреватель - абсорбер) в котельной завода железобетонных конструкций ООО «Сибсервис» г. Омска.
Разработанная методика расчета установки очистки дымовых газов используется при проведении лабораторных, практических и лекционных занятий, дипломном и курсовом проектировании в учебном процессе Курского государственного технического университета при обучении студентов по специальности 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция» по дисциплинам: «Теплогенерирующие установки», «Повышение эффективности теплогенерирующих установок», «Очистка и утилизация выбросов теплогенерирующих установок», «Теплоиспользующие установки и вторичные энергоресурсы промышленных предприятий».
В настоящее время масштабы использования результатов работы ограничены одной котельной, но в перспективе, в результате их высокой экологической и экономической эффективности, они могут быть использованы в масштабах всей страны и за рубежом на существующих и проектируемых котельных и ТЭС.
Экологическая значимость результатов работы обусловлена возможностью резкого снижения выбросов в атмосферу оксидов азота, водяных паров и тепла с дымовыми газами теплоэнергетических установок.
Экономическая значимость результатов работы обусловлена снижением расхода топлива теплоэнергетических установок при одновременном снижении ими выбросов вредных веществ в атмосферу.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты исследований:
1. основные положения вторичных природоохранных мероприятий по снижению ИОх в дымовых газах теплогенерирующих установок при сжигании природного газа, а именно: теоретические предпосылки предлагаемого процесса очистки дымовых газов, включающего одновременное охлаждение дымовых газов до температуры ниже точки росы, конденсацию водяных паров, доокисление оксида азота дымовых газов до диоксида, абсорбцию высших оксидов азота смесью подпиточной воды и конденсата водяных паров в присутствии озона и утилизацию отводимого тепла и уловленных компонентов;
обоснование интенсификации процесса абсорбции оксида азота (III) водой в области малых концентраций, характерной для дымовых газов, при межфазном контакте газа с жидкостью в эмульгационном и пленочном режимах с использованием многократной рециркуляции абсорбента;
результаты исследования кинетики массопередачи при снижении в дымовых газах МЭХ, полученных при сжигании природного газа на экспериментальном стенде;
результаты опытно-промышленных испытаний установки очистки дымовых газов otNOx на паровом котле ДКВР-6,5—13;
методика расчета основных технологических и конструктивных параметров узловых аппаратов установки очистки дымовых газов от NOx;
расчетные схемы теплового баланса парового котла, оснащенного установкой очистки дымовых газов;
экономическое обоснование использования рассматриваемой очистки дымовых газов теплогенераторов;
метод комплексного экологического ранжирования котельных установок с применением вторичных природоохранных мероприятий по снижению выбросов NOx;
конструктивные решения аппаратуры установки очистки дымовых газов теплогенераторов от NOx, утилизации их тепла и уловленных компонентов для систем центрального и автономного теплоснабжения, основанные на охлаждении дымовых газов до температуры ниже точки росы.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и получили положительную оценку:
на международном Экологическом Форуме «Современные экологические проблемы провинции (Modern ecological problems of the suburbs)» (1995 г.), научно-технических конференциях Курского государственного технического университета (1998—2000 г.г.), 4-й Российской национальной конференции по теплообмену (2006 г.) Российской академии наук, 5-й международной конференции «Новейшие технологические решения и оборудование» Российской академии естествознания (2007 г.), на научно- техническом совете ОАО «Энергетический институт
им. Г. М. Кржижановского» апрель, 2008 г.).
Изобретение автора по устройствам для использования ВЭР (патент РФ №2283461) отмечено дипломом и медалью (MEDAILLE A.I.F.F.) Ассоциации изобретателей и промышленников Франции (ASSOCIATION DES
INVENTEURS ET FABRICANTS FRANCAS) (на Международном Салоне изобретений «Конкурс Лепин» в г. Страсбург, Франция, 09.2007).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в монографии, 17 научных публикациях, 20 патентах на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, основных выводов, списка используемой литературы и приложений. Объем работы — 350 листов, в том числе: 235 с. текста, 54 рис. на 22 е., 31 таблиц на 11 е., списка литературы из 272 наименований на 28 с. и приложений на 55 с.
