Современные технологии мокрой очистки дымовых газов на ТЭС

После нефти уголь вносит наибольший вклад в мировой баланс производства первичных энергетических ресурсов. Уголь более всего используется при производстве электроэнергии: около 40 % производимой в мире электроэнергии вырабатывается путем сжигания угля.

Возрастающая роль угля в мире определяется некоторыми его важными преимуществами, в первую очередь, большими запасами, по сравнению с нефтью и газом, и меньшими затратами при выработке первичной теплоты. Мировая экономика не может обойтись без угля. Но уголь зачастую считают экологически неприемлемым топливом, поскольку его отрицательное воздействие на окружающую среду превосходит все стратегические и экономические преимущества его использования.

Казахстан имеет около 3,5% мировых запасов угля при том, что численность населения Казахстана составляет 0,25% от всего населения Земли. Это определяет статус Казахстана как углеизбыточного региона. При этом запасы природного газа и нефти не столь велики. Уровень обеспеченности Казахстана разведанными запасами угля составляет почти 300 лет, что в пять раз превышает аналогичный показатель по нефти (65 лет). Это определяет приоритет использования угля в качестве источника энергии на предприятиях теплоэнергетики Казахстана.

Основными потребителями продукции угольной промышленности внутри республики являются тепловые электростанции. На угольных ТЭС производится более 70% всего объема вырабатываемой в республике электроэнергии. В аспекте общего социально-экономического развития страны имеется необходимость увеличения мощностей ТЭС. К 2020 г. планируется довести мощности угольных электростанций Казахстана до 16,35 МВт [1]. Однако перспективы увеличения использования угля омрачаются соображениями экологического характера, связанными с негативными последствиями его использования на окружающую среду, в первую очередь, на атмосферный воздух.

Для очистки дымовых газов котлоагрегатов предприятий теплоэнергетики Казахстана широко применяются скрубберы. В аппаратах мокрой очистки одновременно с улавливанием твердых частиц могут улавливаться и газообразные компоненты. В качестве орошающей жидкости в мокрых пылеуловителях применяют воду. Вода также позволяет частично производить очистку дымовых газов от диоксида серы.

Степень улавливания диоксида серы повышается при увеличении щелочности орошающей воды (от 2 до 25 %) [2]. Однако при повышении щелочности возрастает и склонность к образованию твердых отложений в системе тракта дымовых газов.

Основные преимущества мокрых пылеуловителей:

• сравнительно небольшая стоимость изготовления (без учета шламового хозяйства). Рентабельность мокрой очистки газов значительно повышается в случае возможности присоединения ее к существующей системе гидрозолоудаления;
• высокая эффективность улавливания взвешенных частиц;
• возможность одновременного осуществления очистки газов от взвешенных частиц (пылеулавливание), извлечение газообразных примесей (абсорбция) и охлаждение газов (контактный теплообмен).

Основные недостатки мокрых пылеуловителей:

• происходит загрязнение воды, что обуславливает необходимость ее очистки или утилизации;
• в очищаемых газах часто имеются окислы серы. При орошении их водой образуются кислые растворы, что требует подбора кислотостойких материалов для всего оборудования и газоочистки;
• возможно засульфачивание или цементирование аппарата и трубопроводов, которое происходит за счет выпаривания растворов горячим газом с образованием кристаллов;
• значительные затраты энергии при высоких степенях очистки.

Для очистки дымовых газов, отходящих от котлоагрегатов, наибольший интерес представляют центробежные, пенные скрубберы и скрубберы Вентури. Оптимальные модификации данных типов скрубберов рассмотрены ниже.

Циклон-промыватель СИОТ (Свердловский институт охраны труда) относится к центробежным скрубберам. Промыватели СИОТ имеют достаточно сложную конструкцию, однако они экономно расходуют воду, имеют небольшие габариты, надежны в работе и могут применяться без снижения эффективности для очистки больших объемов газов (до 300 тыс м3/ч). При очистке дымовых газов котельных центробежные скрубберы обеспечивают золоулавливание до 95%. Расход воды 0,08… 0,15 л/м (н.у.). Потеря давления газов в установке 1100… 1950 Па.

Вихревой скруббер – ЦБА (центробежно-барботажный аппарат) относится к центробежным скрубберам. Основным элементом вихревого скруббера является вихревая камера. Вихревая камера состоит из улиточного корпуса, содержащего входные и центральный выходной патрубки, и завихрителя, представляющего собой расположенные по окружности наклонные лопатки, предназначенные для закручивания поступающего в вихревую камеру газа. Улитка служит для равномерного распределения поступающего газа по наружной поверхности завихрителя. При подаче газа и жидкости в вихревую камеру закрученный газ вовлекает жидкость во вращательное движение и образует внутри камеры вращающийся газожидкостный слой. В результате поступающий в камеру газ постоянно барботируется через слой жидкости, очищается от твердых и газообразных примесей и выходит через центральный патрубок, а отработанная жидкость стекает по внутренней поверхности выходного патрубка. Высокая эффективность вихревого скруббера обеспечивается развитой поверхностью контакта фаз, интенсивным перемешиванием и высокой дисперсностью вращающегося газожидкостного слоя. Условием эффективной работы аппарата является организация однородного, покрывающего всю внутреннюю поверхность завихрителя газожидкостного слоя, исключающего возможность проскока газа без контакта с жидкостью.

В зависимости от назначения и условий работы, вихревые скрубберы могут быть выполнены в единичном, групповом или батарейном исполнении. Их производительность по газу может составлять сотни тысяч кубометров в час, а гидравлическое сопротивление одной контактной ступени от 40 до 150 мм вод. ст. При очистке мокрым карбамидным методом эффективность составляет: для золы и оксидов азота – 95%, для диоксида серы – 98%, для триоксида серы – 70%.

Скрубберы Вентури. Работа скрубберов Вентури основана на дроблении воды турбулентным газовым потоком, захвата каплями воды частиц пыли, последующей их коагуляцией и осаждением в каплеуловителе инерционного типа. Скруббер Вентури имеет небольшие габариты и прост в обслуживании.

Типовая конструкция скруббера Вентури включает в себя трубу Вентури и прямоточный циклон. В состав трубы Вентури входят следующие элементы:

конфузор – предназначен для увеличения скорости газа;

оросительное устройство – устанавливается в конфузоре для подачи жидкости;

горловина – вставка постоянного сечения между конфузором и диффузором;

диффузор предназначен для снижения скорости газа.

В каплеуловителе в результате тангенциального подвода газов создается вращение газового потока. При этом смоченные и укрупненные частицы пыли отбрасываются на стенки аппарата и удаляются в виде шлама.

Механизм коагуляции пылевых частиц в трубе Вентури обусловлен следующим. Дымовые газы направляются на вход в трубу Вентури со скоростью 14… 15 м/с, где они в суживающейся части (конфузоре) разгоняются (до 40… 150 м/с, на ТЭС до 60… 65 м/с), в соответствии с изменением площади поперечного сечения. В цилиндрическом участке, устанавливаемом для стабилизации скорости газа, она остается неизменной, а в расширяющейся части (диффузоре) газы тормозятся и на входе в скруббер их скорость составляет примерно 20 м/с. Частицы летучей золы также последовательно разгоняются и тормозятся, но вследствие их инерции они отстают от потока в конфузоре, догоняют его в горловине и опережают газ в диффузоре. Однако это скольжение относительно газа для мелких частиц невелико. Аналогичным образом ведут себя и капли воды, распыляемой в начале конфузора. Поскольку размеры капель составляют, как правило, сотни мкм, их скольжение относительно газа значительно больше, чем у частиц золы. В результате возникает относительное движение золовых частиц и капель. Причем, в конфузоре и горловине частицы опережают капли и, следовательно, наталкиваются на них. В диффузоре капли по инерции опережают частицы и также происходит их взаимное столкновение.

В скрубберах Вентури, применяемых для котлоагрегатов, дымовые газы очищаются от золы на 95… 96%. КПД скрубберов Вентури по улавливанию золы от паровых котлов (БКЗ-420, 160, 220 и др.) может быть доведен до 99%.

Батарейный эмульгатор 1-го поколения. В КазНИИЭ была предложена модернизированная конструкция центробежного скрубберы, в котором создавались условия для «подвешивания» жидкости в объеме циклона потоком газа, движущегося в противотоке. Дальнейшие разработки в этой области позволили разработать конструкцию батарейного эмульгатора с КПД более 99%. В 1990 г. изготавливаются эмульгаторы с кассетами из стеклопластика и внедряются на ТЭС Казахстана и России. КПД батарейного эмульгатора по улавливанию золы от паровых котлов оставляет 99,5… 99,7% (запыленность на выходе 200… 250 мг/м3 (н.у.)) [3].

Кассета представляет собой ряд трубчатых фильтрующих элементов, объединенных двумя трубными досками. Каждая кассета состоит из 144 труб, имеющих внутренний диаметр 130 мм. В нижней части труб размещены лопаточные завихрители, а выше над ними инициаторы эмульгирования в виде кольцевых диафрагм.

Данный аппарат работает следующим образом. Поток грязных газов поступает в нижнюю часть корпуса и через контактные элементы закручиваясь, перемещается в его верхнюю часть. Через отверстия (диаметр 5 мм) труб системы орошения в каждую ячейку подается вода. При ее контакте с закрученным газовым потоком над лопатками завихрителей возникает вращающийся эмульсионный слой, обеспечивающий глубокую очистку дымовых газов. Шлам стекает в нижнюю часть аппарата. Выносимые из контактного элемента капли воды отделяются от газового потока на каплеуловителе.

Однако из-за неравномерности распределения газов по эмульгаторным трубкам не все из них работали в оптимальном режиме. При пониженных скоростях жидкость проваливается сквозь трубку без образования эмульсионных пробок, а при повышенных выбрасывается из них и растекается по верхней трубной доске, образуя отложения из уловленной золы. Постепенно трубки зарастают твердыми отложениями, что является причиной возрастания гидравлического сопротивления от 150 до 250 мм вод. ст. и вынужденной остановки котла для очистки кассет. Описанные явления затрудняли эксплуатацию устройства и поддержание его эффективности на высоком уровне. Кроме того, стеклопластиковые пакеты неремонтопригодны.

Батарейный эмульгатор 2-го поколения. Совершенствование эмульгаторов 1-го поколения в плане долговечности завихрителей, уменьшения габаритных размеров, повышения надежности работы, экономии материалов на конструктивные элементы привело к созданию батарейных эмульгаторов 2-го поколения.

Основное отличие эмульгаторов 2-го поколения от эмульгаторов 1-го заключается в конструкции контактного элемента:

• вместо цилиндрических контактных элементов кассет, используются элементы в форме параллелепипеда;
• для изготовления контактного элемента используется не стеклопластик, а титан.

Данный аппарат работает следующим образом. Поток грязных газов поступает в нижнюю часть корпуса через завихритель и, закручиваясь, перемещается в его верхнюю часть. Через отверстия (диаметр 15… 25 мм) труб системы орошения в каждую ячейку подается вода. При ее контакте с закрученным газовым потоком в контактных элементах над завихрителями возникает вращающийся эмульсионный слой с высоким уровнем тепломассообмена, обеспечивающий глубокую очистку дымовых газов. Уловленные орошающей жидкостью примеси удаляются через гидрозатвор. Выносимые из завихрителя капли воды проходят через центробежный каплеуловитель, где сепарируются на стенку корпуса и стекают по ней вниз. Очищенные газы направляются в выходной газоход и имеют температуру 50… 600С. Чтобы исключить конденсацию влаги на стенках дымососа, газ из эмульгатора требуется разбавить горячим воздухом, расход которого составляет около 10% расхода основного потока.

На сегодняшний день батарейные эмульгаторы II поколения введены в промышленную эксплуатацию на ТЭС: Серовская ГРЭС, Верхнетагильская ГРЭС, Нижне-Туринская ГРЭС, Карагандинская ТЭЦ3; Алматинская ТЭЦ-1; ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 АО «Астанаэнергосервис»; Усть Каменогорская ТЭЦ.

Максимальное время наработки батарейных эмульгаторов II поколения составляет 30000 час (Серовская ГРЭС); отказов в работе котлов по вине титановых элементов (коррозия, забивание, брызгоунос) не было, за исключением случая разрушения части лопаточных аппаратов на эмульгаторе котла № 7 Карагандинской ТЭЦ-3, где оборудование работало в нерасчетном режиме (аyx = 1,65/1,7 вместо 1,4 согласно тех. задания), что привело к повышенным скоростям, вибрации и разрушению сварных швов.

Технические показатели работы батарейных эмульгаторов II поколения:

• степень золоочистки при номинальной нагрузке до 99,5% (при снижении нагрузки котла до 70 % КПД золоулавливания падает на 0,3… 0,4%);
• аэродинамическое сопротивление эмульгатора 1600… 1960 Па;
• удельный расход воды 0,2…0,22 л/нм3 (н.у.), используется осветленная вода из золоотвала;
• отсутствие брызгоуноса;
• очистка от окислов серы до 5… 15% (в зависимости от угля и щелочности воды).

Принципиально новая конструкция эмульгаторов II поколения определяет его надежность работы по отношению как к пластиковым эмульгаторам I поколения (отсутствие забивания элементов, неразрушающая конструкция, полное отсутствие брызгоуноса); так и кольцевым эмульгаторам «КОЧ» (снижение износа титана в 10…12 раз и, соответственно, увеличение сроков службы) из-за снижения скорости абразивных дымовых газов в лопаточном аппарате вдвое (12 м/с вместо 24 м/с в кольцевом эмульгаторе). Практически на всех котлах, оборудованных кольцевыми эмульгаторами «КОЧ», через 1-3 года (в зависимости от типа угля и загрузки котла) наблюдается интенсивный (до 100%) износ сил;

• воздействие магнитного поля;
• воздействие акустического поля;
• применение поверхностно активтитановых элементов (Павлодарская ТЭЦ1, Карагандинская ТЭЦ-3, Томь-Усинская ГРЭС, Южно – Уральская ГРЭС, ТЭЦ ПВС (Темиртау), Жезказганская ТЭЦ).

Современные аппараты мокрой очистки дымовых газов, применяемые на ТЭС, позволяют снизить выбросы золы на 98… 99,5%. Остальная часть золы, выбрасываемая в атмосферу, представляет собой тонкодисперсную пыль, которая трудноуловима. Поэтому для увеличения КПД установок пылегазоулавливания эффективной мерой является коагуляция (укрупнение) частиц пыли. Процесс коагуляции заключается в столкновении и сцеплении пылевых частиц между собой или с каплями жидкости. Сближение частиц, приводящее к их столкновению, может быть самопроизвольным (самопроизвольная коагуляция) и вынужденным (вынужденная коагуляция).

Самопроизвольная коагуляция может быть обусловлена тепловым (броуновским) движением частиц (тепловая или броуновская коагуляция) или электрическими силами, действующими между заряженными частицами при отсутствии внешнего электрического поля (самопроизвольная электрическая коагуляция).

Вынужденная коагуляция пылевых частиц обусловлена внешними силами, действующими на частицы высокодисперсной пыли. К ней относится ультразвуковая, аэродинамическая, турбулентная и вынужденная электростатическая коагуляция, обусловленная действием внешнего электрического поля.

Коагуляции частиц пыли с каплями жидкости, наряду с силами инерции, способствуют также броуновское (тепловое) движение частиц, турбулентная диффузия, электростатические силы, акустические волны. Большое влияние оказывает конденсация водяных паров на пылинках.

Для интенсификации процесса мокрой очистки дымовых газов могут быть использованы следующие физические явления:

• конденсация водяных паров;
• взаимодействие электростатических ных веществ.

Использование эффекта конденсации. Использование конденсационного эффекта может значительно улучшить осаждение пыли, как следствие этого повышается КПД установки. При капельном орошении аппарата эффективность осаждения мелких частиц при высоком перепаде влагосодержаний значительно превосходит эффективность их осаждения за счет сил инерции. Эффект конденсации наблюдается при охлаждении газов, предварительно насыщенных водяными парами. Интенсивная конденсация водяных паров происходит также при вдувании пара в холодный поток запыленного газа. При этом увеличиваются размер и масса частиц пыли, как вследствие конденсации на их поверхности водяных паров, так и в результате перемешивания с водяными парами и каплями жидкости.

Использование электростатических сил. Предварительная электризация частиц пыли и жидкости может быть использована для интенсификации процесса коагуляции. Коагуляцию аэрозолей методом предварительной электризации производят пропусканием газа через электризационную камеру с коронирующими электродами, где происходит зарядка и коагуляция частиц, а затем через мокрый газоочиститель, в котором газожидкостный слой служит осадительным электродом. Осадительным электродом может служить пенный слой в пенных аппаратах, слой газожидкостной эмульсии в насадочных скрубберах и других мокрых газопромывателях, в которых решетки или другие соответствующие детали должны быть заземлены.

Использование магнитного поля. В Институте горного дела имени А.А. Скочинского были проведены исследования по изучению смачиваемости различных веществ водой, подвергшейся воздействию магнитного поля. Было установлено, что если воду предварительно обработать в магнитном поле, частицы к воздушным пузырькам прилипают значительно быстрее и прочнее. Эффективность процесса флотации повышалась на 20… 50%. Аналогичным образом омагничивание воды влияет на работу мокрых пылеуловителей барботажного типа. Имеются сведения о том, что 24 кА/м оптимальная величина напряженности магнитного поля для обработки воды, идущей в барботер. Коэффициент очистки воздуха, запыленного тонкими фракциями размолотой глины, повысился при этом с 92 до 99 %.

Использование акустического поля. Акустическая (ультразвуковая, звуковая и инфразвуковая) коагуляция основана на укрупнении аэрозольных частиц, облегчающем их улавливание традиционными методами. Аппаратура звуковой коагуляции состоит из генератора звука, коагуляционной камеры и осадителя. Акустические методы интенсификации коагуляции применимы для мелкодисперсных аэрозольных частиц (тумана серной кислоты, сажи и др.) перед их улавливанием другими методами. Акустическая коагуляция достаточно эффективна при начальной концентрации аэрозоля более 2 г/м3 для частиц размером l… 10 мкм.

Имеются разработки по мокрой очистке дымовых газов, отходящих от котлоагрегата, перпендикулярным воздействием инфразвуковых волн частотой 1… 30 Гц на пылегазовый поток, содержащий 20% воды. При этом удалось добиться снижения выбросов диоксида серы на 27%, оксидов азота на 7%, окиси углерода 40%, золы на 10%.

Предложенная специализированным предприятием Энергогазоочистка (г. Кишинёв) технология аэроакустической интенсификации золоулавливания на ТЭС базируется на эффекте наложения аэроакустического поля на процесс инерционной коагуляции аэрозолей в трубах Вентури в условиях активной турбулизации газопылевого потока. Генераторами аэроакустических колебаний являются аэроакустические резонансные пучки, принцип действия которых основан на явлении синхронного срыва вихрей со стержней при течении воздушного потока в каналах. Резонансные пучки врезаны в горловину трубы Вентури тангенциально, что к турбулизации и аэроакустической коагуляции добавляет инерционный фактор.

Применение поверхностно-активных веществ (смачивателей). Добавка поверхностноактивных веществ к орошающей жидкости может способствовать увеличению эффективности улавливания для некоторых пылей (особенно гидрофобных). Смачиватели способствуют растеканию воды в виде сплошной пленки по поверхности осаждения, и поэтому частицы, ударившись о поверхность, не могут быть сдуты с нее. Применение смачивателей неэффективно, если частицы пыли не будут соприкасаться с каплями воды, т.е. до тех пор, пока частицы не будут подведены к каплям за счет какого-нибудь механизма осаждения. Поэтому применение смачивателей может быть эффективным только при улавливании крупных частиц. Однако в большинстве случаев высокая эффективность осаждения крупных частиц в мокрых аппаратах достигается и без применения смачивателей. При осаждении же мелких частиц вся сложность заключается в подводе их к капле или пленке жидкости, а этому не могут способствовать смачиватели. Заметное влияние плохой смачиваемости пыли на эффективность ее улавливания сказывается лишь для частиц размером 5 мкм и менее.

К настоящему времени разработано большое разнообразие аппаратов мокрой очистки дымовых газов. Требованиям промышленных производств наиболее удовлетворяют высокоскоростные скрубберы (скорость газов в зоне активного контакта с жидкостью более 2 м/с). Они характеризуются высокой производительностью и высоким КПД (в сравнении с низкоскоростными скрубберами). Однако это достигается за счет больших энергозатрат, обусловленных высокими гидравлическими сопротивлениями высокоскоростных аппаратов. Среди высокоскоростных аппаратов мокрой очистки дымовых газов для предприятий теплоэнергетики получили применение скрубберы Вентури и батарейные эмульгаторы. Эти аппараты обладают наибольшей эффективностью при мокрой очистке дымовых газов котлоагрегатов.

В данной статье представлен общий обзор физических явлений, которые могут быть использованы для интенсификации процесса мокрой очистки дымовых газов в скрубберах Вентури и батарейных эмульгаторах. Необходимо произвести тщательные исследования в данном направлении, так как развитие промышленного производства заставляет ужесточать требования к эффективности установок пылегазоулавливания для обеспечения величины общих выбросов загрязняющих веществ в регионе, по крайне мере, на прежнем уровне. В связи с этим совершенствование наиболее эффективных технологий очистки дымовых газов должно являться неотъемлемым процессом индустриального развития.

ЛИТЕРАТУРА

1. Асланян Г.С. Экологически чистые угольные технологии. – М., 2004. – 66 с.
2. Запасный В.В. Очистка технологических и вентиляционных газов при различных производственных процессах: Учебное пособие/ ВКГТУ. Усть-Каменогорск, 2006. 178 с.
3. Алияров Б.К. Особенности работы отраслевого института в условиях интеграции Республики Казахстан в мировую экономику (на примере КазНИИЭ) // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана. – 1994.-№3. – с. 5-13.