Содержание к диссертации
Введение
1 Экологическое состояние атмосферы города барнаула, вклад теплоэнергетических установок в уровень ее загрязнения и пути его снижения 8
1.1 Воздушная среда, характеристики территории, климат и метеоусловия города Барнаула 8
1.2 Обзор традиционных и новых способов сжигания угля в энергетических агрегатах и преимущества технологии кипящего слоя 19
1.3 Выводы по первой главе 40
2 Экспериментальные исследования процессов сжигания углей в кипящем слое 45
2.1 Котел БКЗ-420-140КС со стационарным кипящим слоем, конструкция и работа 47
2.2 Экспериментальные исследования процессов горения в КС. Схемы измерений и методика газового анализа 53
2.3 Обработка и анализ полученных результатов 57
2.4 Исследование температурного поля кипящего слоя в секциях котла БКЗ-420-140КС 63
2.5 Выводы по второй главе 68
3 Моделирование эмиссии загрязняющих веществ в кипящем слое энергетических агрегатов 69
3.1 Механизм низкотемпературного образования NOx в кипящем слое 69
3.2 Превращение серы твердого топлива при его сжигании в кипящем слое 100
3.3 Моделирование эмиссии загрязняющих веществ 115
3.4 Выводы по третьей главе 128
4 Моделирование вклада энергетических котлов тэц-3 в общее загрязнение атмосферы города барнаула 130
4.1 Метод расчета и исходные данные 130
4.2. Результаты расчета и анализ рассеивания загрязняющих веществ. 132
4.3. Оценка экологической эффективности реконструкции ТЭЦ-3 147
4.4 Выводы по четвертой главе 148
Заключение 149
- Обзор традиционных и новых способов сжигания угля в энергетических агрегатах и преимущества технологии кипящего слоя
- Экспериментальные исследования процессов горения в КС. Схемы измерений и методика газового анализа
- Превращение серы твердого топлива при его сжигании в кипящем слое
- Результаты расчета и анализ рассеивания загрязняющих веществ.
Введение к работе
Сложная экологическая ситуация, особенно в развитых странах мира, в конце XX и начале XXI столетия проявляется во всех областях жизнедеятельности и является индикатором приближающейся планетарной катастрофы. Постоянный рост численности населения и процессы индустриализации при одновременном увеличении промышленного производства обуславливают возрастание объемов промышленных отходов. Лишь одна треть продуктов промышленного производства представляет собой соответствующие изделие, а две трети приходится на твердые, жидкие, пастообразные и газовые отходы, представляющие собой опасность для окружающей среды. При этом во многих случаях речь идет об органических соединениях, которые не могут быть непосредственно разрушены или уничтожены, поэтому необходимо их химическое преобразование в другие вещества, лишь в незначительной степени загрязняющие воздушный бассейн, водоемы и почвы.
Пренебрежение вопросами охраны окружающей среды, откладывание на завтра решения важнейших проблем состояния биосферы с каждым днем все больше угнетаемой возрастающими антропогенными нагрузками, приводит к ухудшению экологической обстановки в некоторых регионах на грань экологической катастрофы.
Бассейн Оби, сосредоточивший такие крупные промышленные регионы как Кузбасс, Тюменский нефтегазоносный район с нефтепереработкой Омска и Прииртышья, Новосибирская, Томская области и Алтайский край, обладают высоким потенциалом загрязнения окружающей среды.
Ряд городов этого региона входит в число 103 городов с общим населением около 50 миллионов человек, где ПДК вредных веществ в воздухе превышается в 10 и более раз. Растут объемы токсичных промышленных отходов, большая часть которых вывозится на свалки твердых бытовых отходов. Состояние двух третей водных источников не отвечает нормативам, идет опасное загряз-
5 нение подземных вод, не обеспечивается качественная очистка вод: низка доля
продукции, выпускаемой по малоотходным технологиям" [18].
Техногенное воздействие энергетической отрасли на окружающую среду является одной из основных проблем сегодняшнего дня. Энергетика, являясь основой развития всех отраслей промышленности, сельского хозяйства, транспорта и базой для повышения производительности труда и благосостояния, имеет наиболее высокие темпы роста и масштабы производства.
Если в начале нашего столетия потребление энергии в мире удваивалось приблизительно за 50 лет, в пятидесятые годы — за 30 лет, то в настоящее время — за 15—20 лет. При этом в наиболее развитых странах электроэнергетика удваивается примерно за 10 лет [1, 22, 54]. В связи с высокими масштабами производства участие энергетических предприятий в загрязнении окружающей среды является весьма значительным. Сжигание органического топлива на тепловых электростанциях связано с выбросом в окружающую среду наряду с основными продуктами сгорания (двуокисью углерода и парами воды) целого ряда вредных выбросов: окислов азота и серы, частиц недогоревшего топлива, некоторого количества окиси углерода, а также частиц золы, содержащей в своем составе ряд химических элементов и соединений тяжелых металлов.
В целом по стране эти выбросы в настоящее время исчисляются миллионами тонн золы, а также окислов азота и серы. В мировом масштабе ежегодные выбросы энергетических установок составляют до 1,5'Ю8 тонн SO2, 1,2109 тонн NOx и 2,5'10 тонн летучей золы [87]. Таким образом, успешное решение экологической проблемы при производстве энергии — одна из важнейших народнохозяйственных задач.
Решение проблемы снижения вредных выбросов с дымовыми газами осложняется необходимостью более широкого использования в энергетике низкосортного твердого топлива и прежде всего углей с высоким содержанием серы и золы, ресурсы которых значительно превосходят ресурсы нефти и газа, однако используются сравнительно мало [1, 34,48].
Достаточно новым технологическим решением при производстве электроэнергии и тепла является сжигание твердого топлива в псевдоожиженном (кипящем) слое при температурах до 900—950С с размещением в топочной камере теплообменных поверхностей. Полученный пар используется в обычном паротурбинном процессе.
Исследование механизмов и закономерностей эмиссии загрязняющих веществ в последнее время было посвящено значительное количество работ. Следует, однако, отметить, что изучение данного вопроса, связанного с кипящим слоем, до настоящего времени носит, в основном, качественный характер и характеризует лишь процессы, характерные для котлов малой паропроизводи-тельности. Такой подход, во-первых, не дает возможность прогнозировать эксплуатационные характеристики при различных режимах работы мощных котлов, во-вторых, отсутствие количественных связей между параметрами этих процессов препятствует полному учету факторов.
Исследование экологически чистых технологий сжигания твердых топлив в кипящем слое энергетических котлоагрегатов и их влияние на экологию является основой данной диссертации.
Целью работы является исследование работы котельного оборудования со стационарным кипящим слоем — как технологии, пригодной для модернизации существующего производства, адаптированного к местным низкосортным топливам. Осуществление управления загрязнением атмосферы от теплоэнергетических установок при сжигании угля в топках с кипящим слоем.
Научная новизна работы. Предложен комплексный подход, позволяющий связать проблему модернизации существующего котельного оборудования, путем замены его на новое, с технологией сжигания угля в кипящем слое, приспособленного к низкосортным недорогим топливам, с управлением уровнем загрязнения воздушного бассейна г. Барнаула. Данный подход позволяет не только качественно, но и количественно учитывать широкий круг технологических параметров сжигания угля в кипящем слое на примере ТЭЦ-3, а также ха-
7 рактеристики топлива, метеоусловия, географические параметры и взаимодействие с другими источниками загрязнения, при прогнозировании экологической ситуации г. Барнаула.
Получены аналитические зависимости (математическая модель) загрязнения атмосферы теплоэнергетическими установками с кипящим слоем в функции режимных параметров процессов сгорания угля, и определены оптимальные режимы процессов, позволяющих управлять загрязнением атмосферы на примере ТЭЦ-3 г.Барнаула.
Практическая ценность результатов работы состоит в том, что они позволяют более обоснованно подходить к выбору технологических режимов сжигания твердого топлива в котлах с кипящим слоем с целью управления уровнем загрязнения атмосферы, а также решать задачи оптимизации технологических параметров сжигания топлива.
Положения, выносимые на защиту.
Методология оценки и выбора технических средств управления уровнем выбросов вредных веществ предприятий теплоэнергетики.
Математические модели эмиссии загрязняющих веществ при сжигании углей в стационарном кипящем слое (применительно для котла БКЗ-420-140КС).
Высокоинформативный программный комплекс прогнозирования загрязнения районов г. Барнаула от управляемого источника выбросов ТЭЦ-3 с учетом основных загрязнителей города.
Сравнительные результаты исследований рассеивания основных загрязняющих веществ (NOx, S02, NOx +S02) от источника исследования (ТЭЦ-З) с учетом и без учета вклада других источников, при различных режимах сжигания угля в котлах с кипящим слоем и различных атмосферных условиях.
Ввиду сложности поставленных задач, круг решаемых вопросов ограничен. В работе рассматривается в качестве управляемого источника загрязнения только энергоустановки ТЭЦ-3 г. Барнаула и только наиболее опасные выбросы вредных веществ в атмосферу.
Обзор традиционных и новых способов сжигания угля в энергетических агрегатах и преимущества технологии кипящего слоя
Предприятия теплоэнергетики являются одним из основных источников загрязняющих атмосферу города веществ. В настоящее время определились два основных подхода к решению проблемы загрязнения: разработка и внедрение безотходной технологии, при этом поступление загрязняющих веществ в окружающую среду исключается полностью; разработка и эксплуатация систем управления состоянием воздушной среды, цель функционирования которых связана с обеспечением заданного качества воздушного бассейна. Предотвращение загрязнения атмосферы промышленными выбросами невозможно без значительных материальных затрат и существенного изменения технологии действующих и проектируемых промышленных установок. Следует также отметить, что искусственные меры снижения эмиссии вредных выбросов, как правило уменьшают эффективность котлов. Управление организованными выбросами представляет собой более доступное и экономичное решение проблемы санитарной охраны воздушной среды. Наличие системы контроля за концентрациями загрязняющих веществ в воздушной среде города и системы управления технологическими режимами источника выброса - предприятия теплоэнергетики - дает возможность поставить задачу регулирования объема выброса загрязняющих веществ ТЭЦ. Неразрывная органическая связь условий обеспечения энергопотребления и окружающей среды как важнейших факторов жизнедеятельности человека и развития производительных сил привлекает постоянное внимание к проблеме взаимодействия энергетики и окружающей среды [46]. На ранних стадиях энергетики основным проявлением этого внимания был поиск в окружающей среде ресурсов, необходимых для обеспечения энергопотребления. В дальнейшем границы проблемы охватили возможности более полного использования природных ресурсов путем изыскания и рационализации процессов и технологии добычи, обогащения, переработки и сжигания топлива, а также совершенствование энергетических установок. С ростом единичных мощностей блоков, электрических станций и энергетических систем, удельных и суммарных уровней энергопотребления возникла задача ограничения выбросов в воздушный и водный бассейны, а также бо- лее полного использования их рассеивающей способности. Еще более значительные масштабы развития энергопотребления в обозримом будущем предопределяет дальнейший интенсивный рост разнообразных воздействий на все компоненты окружающей среды в глобальных масштабах.
Важным фактором, оказывающим влияние на развитие энергетики, является расширение объема практических мероприятий по предотвращению отрицательных воздействий на окружающую среду как в энергетике, так и во всех других отраслях народного хозяйства. В настоящее время на долю электроэнергетики России приходится около 1/3 всех промышленных выбросов вредных веществ в атмосферу, состоящих в основном из летучей золы, других аэрозолей, оксидов серы и азота, углеродных соединений. Среди вредных выбросов в атмосферу при работе тепловых электростанций наиболее опасными и являются оксиды серы и азота. Вклад ТЭЦ сегодня составляет около 2,2 млн. т. (42%) по 5( и 1,2 млн. т. (23,5%) по NOx от их выброса всей промышленностью и транспортом страны. При этом, если для снижения выбросов аэрозолей электростанции оснащены в большинстве своем высокоэффективными золоулавливающими устройствами (электрофильтрами, батарейными циклонами, скрубберами, а в перспективе и рукавными фильтрами, обеспечивающими степень улавливания до 99%), то очистка от газовых вредных выбросов в промышленных масштабах пока не внедрена ни на одной ТЭЦ России. Для сравнения отметим, что в США практически все ТЭЦ, работающие на твердом или жидком топливе, оборудованы устройствами, предотвращающими недопустимый выброс оксидов серы и азота в атмосферу. Для снижения выбросов оксидов серы и азота на зарубежных ТЭЦ сегодня применяются относительно дорогие методы в основном мокрой очистки дымовых газов от оксидов серы путем связывания их в сульфаты при регенерировании со щелочными реагентами (соединения кальция или магния). Для очистки от оксидов азота - мокрые или мокро-сухие методы каталитического или некаталитического восстановления их до молекулярного азота. В отечественной энергетике на Тольяттинской ТЭЦ на котлах ТП-87 станционные № 7 и 8) освоена технология селективного некаталитического восстановления (СНКВ) оксидов азота при сжигании природного газа и кузнецких углей. Эффективность установки составляет 50%, что соответствует мировому уровню (например, технологии Эксон, применяемой в США и Германии). На установке СНКВ котла ст. №7 этой Тольяттинской ТЭЦ смонтированы и опробованы газоанализаторы NOx, а также схема автоматического управления подачи реагента, обеспечивающая поддержания валового выброса оксида азота . Таким образом , создана автоматизированная установка СНКВ, которая может применяться для оснащения реконструируемых и вводимых котельных установок. Одной из причин, сдерживающих внедрение сероочисток на ТЭЦ России, была ориентация на увеличение доли газового топлива, сжигаемого на ТЭЦ. Сегодня эта доля достигла 62%. Однако, такое положение долго продолжаться не будет, и уже к началу следующего десятилетия доля газа на ТЭЦ начнет быстро сокращаться с увеличением масштабов потребления твердого топлива (угля) с содержанием серы до 1% и более. Учитывая, что уже сегодня в более чем 100 городах, особенно крупных промышленных центрах, фоновая концентрация оксидов серы в несколько раз, а в ряде случаев и на порядок, превышает предельно-допустимую по государственному стандарту, ТЭЦ, не оборудованные сероулавливающими устройствами, не смогут работать на сернистом топливе.
Следует отметить в качестве примера, что только в США к 2003 г. оборудованы системами сероулавливания электростанции суммарной мощностью свыше 90 тыс. МВт. Стоимость ТЭЦ на угле с сероочисткой превышает 2000 долл/кВт, из которых около 25% приходится на системы очистки дымовых газов от оксидов азота и серы. Возможности и планы российской энергетики более скромные: в течении ближайших 5-7 лет предполагается сооружение сероулавливающих установок на десяти крупных угольных ТЭЦ ОАО «Смоленскэнерго» и организуется демонстрационно- испытательный центр (ДИЦ) по обработке различных природоохранных технологий. Центр создается на базе опытно-промышленной установки, пуск которой осуществлен в 1997 г. Целью деятельности ДИЦ является опытное апробирование, промышленное освоение и демонстрация действия различных технологий очистки дымовых газов на ТЭЦ. Сероулавливающая установка на Дорогобужской ТЭЦ сооружена для испытания на ней аммиачно-циклического метода очистки дымовых газов от диоксида серы. На ДИЦ в период с 1997-2001 гг. проведены испытания упрощенные технологии снижения оксидов азота. Кроме технологий газоочистки на ДИЦ отработаны технологии переработки их побочных продуктов в товары народного потребления. В выполняющихся до настоящего времени исследованиях детально рассматривались многие частные вопросы: улавливание золы из уходящих дымовых газов ТЭС [39], снижение выбросов окислов серы и азота [38], расчеты необходимой для эффективного рассеивания высоты дымовых труб ТЭС [12], обобщающие результаты которых представлены в работе [43]. Развитие исследований совокупности антропогенных воздействий на биосферу - часть окружающей среды, определяющую все стороны жизнедеятельности человека и всего животного и растительного мира, включая ландшафт, недра, воздушный и водный бассейны, продукты питания, дает основание для рассмотрения всей окружающей среды как сложной большой системы. Одной из острейших проблем отечественной энергетики является снижение выбросов в атмосферу диоксида серы. Из большого многообразия существующих в настоящее время методов сероулавливания принципиально может быть использована лишь очень ограниченная часть методов: известняковый, циклический, магнезитовый и аммиачно-циклический.
Экспериментальные исследования процессов горения в КС. Схемы измерений и методика газового анализа
Проводимое при испытаниях котлов определение состава продуктов горения позволяет оценить: степень завершенности процесса сгорания топлива (потери теплоты от химической неполноты горения); условия сгорания топлива (коэффициент избытка воздуха а); характер сгорания топлива в отдельных зонах топочной камеры (динамика процесса горения); присосы воздуха в газоходы; соблюдение норм предельно допустимых концентраций вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу; топочный режим и конструктивные особенности котла в связи с выбросами вредных веществ в атмосферу. Точность и надежность результатов газового анализа во многом зависят от правильности отбора и сохранения пробы газа. Если проба отобрана неправильно, дальнейший анализ бесполезен. Повторить же взятие пробы в одинаковых условиях не всегда возможно. Необходимо избегать кратковременных проб, так как периодические колебания и случайные нарушения топочного режима могут привести к искажению состава пробы. Поэтому в процессе исследований стремились к отбору средней пробы за опыт или за определенный промежуток времени, при котором поддерживается постоянный топочный режим. Пробу газа определяли, по возможности, в наиболее узком месте газохода, где относительно высокая скорость потока, способствующая лучшему перемешиванию продуктов горения. Газоотборные трубки старались не располагать на поворотных участках или вблизи мест, где возможны присосы воздуха. Для отбора проб продуктов горения при температуре газа выше 400С, применялись медные или стальные трубки с водяным охлаждением конструкции ОРГРЭС [50] (рис.2.3). Газоотборные трубки устанавливались в контрольных точках, предварительно выбранных при снятии поля концентраций в данном сечении. Тарировку сечения проводили, определяя какой-либо один компонент, входящий в состав продуктов горения. Для тарировки сечения по ширине газохода с обеих сторон котла устанавливали ряд рабочих (подвижных) газоотборных трубок и одну или две контрольные (неподвижные) трубки. Применение двух контрольных трубок обеспечивает отбор более представительной пробы газа, особенно из газоходов больших сечений. Глубина погружения в газоход контрольных трубок при их горизонтальном расположении не превышала 2,5 м. Тарируемое сечение условно разбивали на ряд равновеликих площадей, в центре которых устанавливают рабочие трубки. При тарировке газохода нагрузка котла выдерживалась постоянной и близкой к номинальной.
Коэффициент избытка воздуха по возможности поддерживали оптимальным. В процессе тарировки рабочие газоотборные трубки последовательно перемещали по сечению газохода, отбирая в соответствующих точках пробы газа на анализ. Одновременно с этим отбирались пробы газа из контрольных трубок. Пробы газа из каждой точки газохода отбирали 4 раза (по 2 раза при прямом и обратном движении трубки). Интервалы между отдельными отборами были минимальными, чтобы успеть выполнить тарировку при постоянном режиме котла. По результатам тарировки подсчитывался коэффициент неравномерности поля концентраций: К=(У/С , где С, С - средние арифметические значения определяемого компонента при отборе проб соответственно через рабочие и контрольные газоотборные трубки, % (объемная доля), Поле концентраций считалось равномерным, если значение к находится в пределах 0,95-1,05. В этом случае пробы отбирались из одной точки выбранного сечения. Если же при снятии поля концентраций обнаруживалась значительная неравномерность показаний, и выбрать другое сечение газохода не представлялось возможным, то пробы продуктов горения отбирались одновре- менно из нескольких точек данного сечения. При этом для вычисления средней взвешенной концентрации анализируемых компонентов снималось также и поле скоростей в выбранном сечении. Точки для отбора проб газа выбирали в соответствии с поставленными общими целями испытаний и с учетом конструкции топочной камеры. Для проведения газового анализа на котле БКЗ-420-140КС дымовые газы отбирались следующих точках (рис.2.4.): 1) сразу за экономайзером в каждой топочной секции; 2) в каждом из четырех горизонтальных газоходах; 3) за дымососами. Отбор газов над слоем предназначался для исследования процессов образования вредных веществ в кипящем слое, а также для исследования влияния режимных параметров (температуры кипящего слоя, избытка воздуха, размера частиц подаваемого топлива и т.д.) на изменение концентрации вредных веществ. Над слоем присосы воздуха в топочную камеру отсутствуют, следовательно, не происходит разбавления дымовых газов присосами воздуха и состав дымовых газов, вследствие их взаимодействия с кислородом воздуха, не изменяется. При этом определяются концентрации вредных веществ образующихся при горении топлива. При отборе дымовых газов над слоем определяются концентрации: окислов азота NOx, оксида серы SO2, трехатомных газов RO2 и кислорода (. Избыток воздуха при горении топлива определяется по содержанию кислорода над слоем. С целью определения присосов воздуха в газоходы котла, за экономайзером и за дымососом определяют избытки воздуха.
За экономайзером и за дымососом также определяли концентрации окислов азота NOx и оксида серы SO2 с целью исследования химических превращений происходящих с окислами азо- Исследования проводились как в лаборатории АлтГТУ на малогабаритной экспериментальной установке FB - 2(150), площадью решетки 0,0122м2, так и на промышленно-экспериментальном котле БКЗ-420-140КС, расположенным на ТЭЦ- 3 г. Барнаула . Целью исследований было определение в дымовых газах концентраций кислорода, окислов азота, диоксида серы при сжигании топлива в кипящем слое. Химический анализ проб дымовых газов, взятых в результате эксперимента, проводился в лаборатории. Химический анализ дымовых газов был проведен с помощью следующих методик: методики определения О2 с помощью газоанализатора КГА-1 (Орса) методики определения концентраций оксидов азота фотоколориметрическим методом с использованием реактива Грисса - Илосвоя; методики определения концентраций суммы окислов азота фотоколориметрическим методом с использованием сульфосалициловой кислоты; методики определения концентраций диоксида серы йодометрическим методом. При сжигании топлива в кипящем слое были проведены следующие эксперименты. При сжигании топлива в кипящем слое в качестве наполнителя использовался шлак, а в качестве топлива - бурый уголь Бородинского месторождения, Для исследования влияния температуры кипящего слоя на образование окислов азота в кипящем слое была произведена подача топлива с размерами частиц 0-10 мм. Расход топлива составил Вр=0,53 - 4,2 г/с, избыток воздуха находился в пределах х= 1,3 - 1,6. При этом температура кипящего слоя колебалась от 750 до 980С. Отбор газов для определения в них концентрации диоксида серы проводился при температуре слоя 720 - 850 С. Для исследования влияния размера частиц подаваемого топлива на образование окислов азота в кипящем слое была произведена подача следующих фракций: 0 -0,4 мм; 0,4 - 0,63 мм; 0,63 - 1 мм; 1-1,6 мм; 1,6- 2,5 мм; 2,5 - 5 мм; 5 -10 мм. При этом температура слоя колебалась от 750 до 800 С. Химический анализ проб дымовых газов был произведён по выше перечисленным методикам, основанным на рекомендациях [50]. На промышленно-экспериментальном котле БКЗ-420-140КС во время пусконаладочных работ при стационарных режимах проводились измерения концентрации кислорода, а также диоксида азота с помощью автоматической измерительной системы «testo». Полученные результаты приведены на графиках рис.2.5-2.8. В результате изучения процессов образования вредных веществ при горении твердого топлива в кипящем слое концентрация NOx в среднем состави-ла Смь:=281,7мг/м и SO2 составила Cso2~№%,7 мг/м.
Превращение серы твердого топлива при его сжигании в кипящем слое
Оксиды серы (в основном сернистый ангидрид) являются одним из наиболее трудноуловимых загрязнителей воздушной атмосферы. Ежегодный выброс оксидов серы в окружающую среду в настоящее время превышает 150 млн. т, при этом 60—80 % этого количества выбрасывается с продуктами сгорания из котлов и печей [45]. Агрессивность сернистого ангидрида обусловлена тем, что он окисляется в серный ангидрид, а затем переходит в серную кислоту. В России, Англии, Японии, США и ФРГ ведутся работы по улавливанию сернистого ангидрида в продуктах сгорания, однако ни один из методов пока не получил широкого применения, в основном из-за высокой стоимости. Методы очистки от SO2 разделяются на процессы без утилизации серы и процессы извлечения сернистого ангидрида с прямым получением серосодержащих веществ. Известны известковый, аммиачный, магнезитовый методы очистки продуктов сгорания, а также метод, основанный на окислении сернистого ангидрида на ванадиевом катализаторе. Наиболее изученным считается известковый метод, при котором в качестве поглотителя диоксида серы в котлоагрегатах с псевдоожиженным слоем используется известняк или доломит. Дымовые газы, образующиеся в процессе сжигания сернистых топлив, содержат окислы серы при относительно невысокой концентрации, которая зависит в основном от содержания серы в топливе и лежит в пределах 0,1—0,3%. Улавливание такого слабореакционного газа, каким является SO2, при низких его концентрациях связано с известными практическими трудностями. В качестве поглотителя двуокиси серы в котлоагрегатах с псевдоожиженным слоем используется известняк или доломит, обладающие довольно высокой реакционной способностью по отношению к соединениям серы и значительными природными запасами при низкой стоимости разработки. При введении в слой горящих угольных частиц СаСОз или М СОз-СаСОз двуокись серы реагирует с добавками, выброс SO2 в атмосферу снижается на 90—95% и зависит от химической природы и размера частиц сорбента, а также режимных параметров процесса (скорости псевдоожижения, высоты слоя, температуры, молярного соотношения Ca/S). Взаимодействие двуокиси серы с карбонатом кальция изучено многими исследователями [47, 2, 8]. При нагревании СаСОз до 1000 С в окислительной атмосфере в присутствии SO2 возможно протекание ряда химических реакций.
Это термическая диссоциация и образование сульфита кальция с последующим окислением его в сульфат В газовой фазе SO2 частично окисляется в серный ангидрид а окись кальция и его карбонат сульфатизируются Полученные на основе термодинамических данных значения изобарного потенциала для реакций (3.7)— (3.12) в интервале температур 400—1000 С [40] показывают, что рассмотренные реакции сопровождаются большой убылью энергии, а это в свою очередь указывает на возможность практического осуществления улавливания двуокиси серы. Наоборот, прямое взаимодействие карбоната кальция с SO2 маловероятно Термодинамическая вероятность реакции (3.13) с повышением температуры увеличивается. Проведены термографические исследования взаимодействия двуокиси серы с карбонатом кальция марки «чда» и природным известняком, содержащим 83,84% СаСОз и 1,71% М%СОз, а также с предварительно прокаленной при 700 "С окисью кальция. Одновременно использовались химический, рентгено-структурный и кристаллооптический методы анализа [40]. Установлено, что SO2 непосредственно взаимодействует не с карбонатом кальция, а с продуктом его разложения — окисью кальция. При взаимодействии окиси кальция с дву- окисью серы в окислительной атмосфере образованию сульфата кальция соответствуют экзотермические эффекты в температурном интервале 490—655, 655—712 С и выше. Эффект при 490—655 С является следствием протекания реакции (3.9), а экзотермический эффект при 655— 712 С объясняется протеканием побочных реакций с участием свободной серы, а также сульфида кальция. Кроме того, сульфат кальция при взаимодействии окиси кальция с SO2 в окислительной атмосфере образуется в результате окисления двуокиси серы кислородом воздуха до SO з (3.16) и поглощения последнего окисью (3.11) или карбонатом кальция (3.12). Скорость реакции (3.10) в отсутствие катализаторов хотя и незначительна, но имеет место в исследуемой системе. Поэтому относительная доля образования сульфата кальция по реакциям (3.8), (3.9) или (3.11), (3.12) определяется скоростью приведенных выше реакций в данных конкретных условиях. В Институте горючих ископаемых (г. Москва) проведена оценка активности твердых реагентов (природных руд и минералов) в процессе очистки дымовых газов от SO2 при высоких температурах [2]. Наиболее активными по отношению к двуокиси серы при 700С оказались доломит и окись кальция, полученная обжигом природного известняка при 1000 С (рис. 3.17). Серия опытов по исследованию влияния скорости газовой смеси на эффективность очистки проведена при 700 С. Линейная скорость газа изменялась в пределах 0,3—1,8 м/с, начальное содержание SO2 — 0,5%, размер частиц адсорбента — 0,5-1,0 мм, высота слоя не превышала 1,5 м. Остановлено, что с увеличением скорости дутья степень очистки резко уменьшается: при скоростях, равных 0.4; 0,9; 1,2 и 1,8 м/с, степень очистки составляет соответственно 98, 50, 20 и 6%. Оптимальная скорость газовой смеси равна 0,3-0,4 м/с при времени контакта фаз 0,2-0,25 с, однако степень использования емкости сорбента составляет всего 22%. Влияние температуры на очистку дымового газа обожженным известняком исследовано при 500, 600, 700 и 800 С, концентрация SO2 в газовой смеси составляла 0,5%, С02 — 14,4, 02 — 4,0 и N2 —81%. Степень очистки для указанных температур равна соответственно 8, 47, 68 и 98%. Низкая степень очистки дымовых газов при 500 С связана с взаимодействием двуокиси углерода с СаО, но при повышении температуры до 700— 800С, когда скорость образования карбонатов уменьшается, извлечение двуокиси серы происходит значительно полнее.
Фазовый анализ продуктов взаимодействия сернистого ангидрида с известняком зависит от содержания кислорода в дымовых газах. При обычной концентрации 02, равной 3—7%, и температурах выше 600 С в твердом остатке в основном получается сульфат кальция, а суммарное количество сульфида и сульфита не превышает 2—4% от количества образовавшегося сульфата. В [60] приводятся результаты лабораторных и промышленных опытов по снижению выбросов S02 с помощью различных присадок путем подмешивания их к топливу или вдуванием сжатым воздухом в различные температурные зоны топки. На рис. 3.18, а показана температурная зависимость степени очистки дымовых газов от двуокиси серы. Сдвиг кривых в направлении ординаты объясняется разницей в размерах частиц присадок. В опытах с присадкой MgO при температуре 900 С и выше улавливание серы прекращается, так как достигнута температура разложения образующегося сульфата магния MgSO Влияние времени пребывания присадки в газах в диапазоне до 2 с при температуре газов 600 С незначительно. При 750 С степень очистки возрастает от 7,7 до 12,2% при увеличении времени пребывания от 0,07 до 0,25 с. В процессе сжигания бурого угля благодаря составу золы поглощается большая часть содержащейся в серы. На рис. 3.18, б показано отношение доли серы, связанной с СаО, к СаО в зависимости от времени пребывания в топочном устройстве. Опыт эксплуатации электростанций, сжигающих угли, в золе которых содержится значительное количество окиси кальция, например, угли Канско- Ачинского бассейна, свидетельствует о заметном снижении выбросов двуокиси серы. Проведение процесса сжигания топлива в псевдоожиженном слое известняка или доломита при температурах 750—950 С позволяет до 99% содержащейся в. твердом топливе серы улавливать непосредственно в топочном устройстве. Наиболее вероятным представляется следующий механизм связывания соединений серы присадками на основе карбоната кальция в котлоагрегате с псевдоожиженным слоем. При температурах 900 С и выше известняк частично диссоциирует с образованием окиси кальция и взаимодействие сорбента с двуокисью серы протекает по уравнению При более низких температурах или под повышенным давлением известняк практически не диссоциирует и поглощение серы описывается реакцией В случае использования доломита механизм десульфатизации имеет более сложный характер.
Результаты расчета и анализ рассеивания загрязняющих веществ.
Результаты расчета рассеивания в точках постов наблюдений при различных режимах процесса горения для реконструируемого источника выбросов ТЭЦ-3 приведены в табл. 4.2, а для всех источников выбросов ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 -в табл. 4.3. Анализ приведенных результатов показывает, что вклад реконструируемого источника выброса ТЭЦ-3 в точках постов наблюдений по диоксиду азота снизится (в зависимости от режима горения) на 50-67 %, по диоксиду серы - на 80-33 %, а по группе суммации этих компонентов - в среднем на 60 % (табл. 4.2). Тем не менее, результаты расчета рассеивания показывают, что основной вклад по диоксидам азота в уровень загрязнения атмосферы, создаваемый выбросами предприятий ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 создают источники ТЭЦ-2, поэтому максимальные приземные концентрации по NOx в точках постов наблюдений при реконструкции котлоагрегатов ТЭЦ-3 практически не изменятся (см.табл. 4.3). Уровень загрязнений по SO2 в точках постов 1 и 2 снизится на 7-17 % в зависимости от режима горения, по группе суммации NOx + S02 снижение воздействия будет наблюдаться только в точке поста 1 в среднем на 25%. Изменение зоны влияния выбросов NOx, SO2, NOx+S02 от энергетических котлов на существующее положение и после их замены на котлы с КС показаны на картах рассеивания в виде изоконцентрат при переборе ветра и при господствующем юго-западном направлении (рис.4.1 - 4.13). Из рис.4.3 видно, что при юго-западном ветре ТЭЦ-2 не оказывает влияния на концентрацию примесей городской зоны поэтому в дальнейшем ее влияние при данных условиях не учитывается. Случаи расчета изоконцентрат при штилевых условиях только от ТЭЦ-3 и другие случаи рассеивания примесей в атмосфере производились также с помощью программы "ПДВ-Атмосфера" фирмы "Логос". Как следует из представленных материалов наблюдается значительное снижение зоны влияния по рассматриваемым компонентам. Наибольшее снижение по NOx - режим 4, по SO2 - режимы 1 и 3, по суммации компонентов режим 3. Зоны влияния выбросов от совокупности всех источников ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 из-за подавляющего вклада источников ТЭЦ-2 уменьшатся незначительно (рис.4.2, 4.7,4.11).
Для оценки экологической эффективности, полученной при вводе в эксплуатацию котлов с КС определим значение перспективного фонового загрязнения Сфп в соответствии с действующей методикой [37]: где Сф - фоновая концентрация, из которой исключается вклад реконструируемого источника; См- максимальная концентрация веществ от источников рассматриваемого предприятия где Сф - фоновая концентрация в точке поста наблюдений; С - максимальная расчетная концентрация вещества от данного источника для точки размещения поста. Расчет ведем по наиболее загрязняющей из наблюдаемых примесей диоксиду азота Максимальная концентрация по диоксидам азота после ввода нового котла на реконструируемом источнике Сп = 0,025 мг/м (режим 1) и Сп = 0,018 мг/м3 режим 4) Суммарная перспективная приземная концентрация по диоксидам азота составит Т.о., уровень загрязнения по диоксиду азота, как наиболее загрязняющей примеси при реконструкции котлоагрегатов ТЭЦ-3 с учетом фоновой концентрации будет ниже ПДК населенных мест. Это свидетельствует о целесообразности мероприятий по переводу котлоагрегатов ТЭЦ-3 на технологию сжигания топлива в кипящем слое, что снижает антропогенное воздействие на воздушный бассейн г. Барнаула. 4.4 Выводы по четвертой главе В данном разделе приведены исходные данные и методики расчета рассеивания ЗВ на территории города. Показано, что введение в строй реконструируемого производства ТЭЦ-3 значительно ослабит техногенную нагрузку на воздушный бассейн. Особенно это ощутимо при господствующим северозападном ветре. Приведена оценка экологической эффективности реконструкции ТЭЦ-3 при различных режимах работы котлоагрегатов. Основные результаты и выводы по работе Дан анализ экологической ситуации г. Барнаула. Определен вклад в уровень общего загрязнения воздушного бассейна выбросов теплоэнергетических установок (около 80%). Дана оценка перспективы регулирования загрязнения воздушного бассейна, за счет изменения режима их работы котлов ТЭЦ-3. Определены характеристики территории исследований и географо-метеорологические условия распространения загрязняющих веществ от теплоэнергетических установок.
Определены параметры объекта исследований, источника загрязнений. Показано, что наиболее приемлемым способом снижения и управления уровнем загрязнения в рассматриваемых условиях является технология сжигания угля в топках энергетических котлов с кипящим слоем. Проведены экспериментальные исследования работы котла БКЗ-420-140КС ТЭЦ-3 г. Барнаула со стационарным кипящим слоем. Проведены экспериментальные исследования эмиссии ЗВ и температурных полей кипящего слоя котла, показавшие неравномерность его температур до 200 К. На основании исследования механизма образования загрязняющих веществ и широкого круга экспериментальных данных формирования окислов серы и азота в стационарном кипящем слое разработаны регрессионные модели эмиссии загрязняющих веществ, применительно к котлу БКЗ-420-140КС. На базе использования программного комплекса "Эра", фирмы "Логос-плюс" и разработанных моделей сформирован общий программный комплекс прогнозирования загрязнения районов г. Барнаула от управляемого источника выбросов ТЭЦ-3 с учетом основных загрязнителей города. С использованием программного комплекса был проведен расчет рассеивания основных загрязняющих веществ (NOx, SO2, NOx + SO2) от источника исследования (ТЭЦ-3) с учетом и без учета вклада других источни- ков, преобладающего ветра при различных режимах сжигания угля в котлах с кипящим слоем на ТЭЦ-3. Результаты расчетов показывают, что вклад реконструируемого источника выбросов ЗВ ТЭЦ-3 (в зависимости от режима горения) снизится на 50-67% по оксидам азота, на 33-80% по диоксиду серы, а по группе суммации данных компонентов в среднем на 60%. 6. На основании проведенных расчетов рассеивания загрязняющих веществ показана возможность управления уровнем загрязнения приземного слоя атмосферы г. Барнаула. 7. Показано, что при перевооружении ТЭЦ-3 на котлы с кипящим слоем основной вклад в загрязнение приземного слоя атмосферы города вносят энергетические котлы ТЭЦ-2. Для улучшения экологической ситуации города Барнаула необходимо проведение соответствующих мероприятий на ТЭЦ-2.
