Выдержка из текста работы
Почти 2/3 тепловой энергии и остатков бывшего топлива в буквальном смысле вылетают в трубу, нанося вред окружающей среде. Этим обуславливается необходимость проектирования и внедрения природоохранных систем и сооружений. Процесс проектирования связан с решением ряда технических, экологических и экономических задач.
Выбор метода очистки выбросов осуществляется, исходя из сравнительного анализа известных методов с учетом информации о преимуществах и недостатках методов, применительно к конкретному источнику выделения загрязняющих веществ, принимая во внимание специфические характеристики этого источника выделения.
При выборе метода и схемы очистки учитывается состав и физико-химические свойства выбросов, их объём в расчёте на рабочие условия, условия их образования, потребность в образующихся продуктах очистки, наличии активных материалов.
Целесообразно рассмотреть возможность рекуперации уловленных компонентов, очищаемой газовоздушной смеси, возможность применения оборотных систем сточных вод. Применять рентабельные технологии переработки прочих образующихся побочных продуктов деятельности предприятия.
Решение экономической задачи играет важную роль. Для каждого варианта очистки проводят сравнительный анализ приведенных затрат. Наиболее приемлемым будет являться тот вариант очистной установки, который не только обеспечит достижение требуемого экологического эффекта, но также будет характеризоваться высокой степенью надежности, малыми габаритами, наименьшим количеством вспомогательного оборудования, наименьшей стоимостью самой установки, наименьшей стоимостью ее эксплуатации и ремонта.
При выборе метода очистки или обезвреживания выбросов предпочтение отдаётся той, схеме, для реализации которой необходимы минимальные капитальные и эксплуатационные затраты, а также затраты на электроэнергию, на реагентное хозяйство, в ряде случаев и затраты на обращение с образующимися в ходе очистки отходами, если отсутствует сброс сточных вод (или загрязнённость их не превышает установленных нормативов).
В данной работе предлагается, рассчитывается и обосновывается способ очистки выбросов, образующихся при сжигании топлива на ТЭЦ, содержащих взвешенные вещества и диоксид серы.
1. Характеристика производства как источника образования выбросов
При сжигании топлива на теплоэлектростанциях, химическая энергия превращается в тепловую энергию пара, которая затем в паровой турбине переходит в механическую энергию, а турбогенератор делает ее уже электрической.
Тепловые электростанции и теплоэлектроцентрали, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию на базе сжигания органических видов топлива, оказывают значительное отрицательное воздействие на окружающую среду. С дымовыми газами электростанций в воздушный бассейн выбрасывается большое число твердых и газообразных загрязнителей, нормируемых в атмосфере, среди которых такие вредные вещества как зола, оксиды углерода, серы и азота. Помимо этого в воздушный бассейн попадает огромное количество диоксида углерода и водяных паров. Зола, оксиды серы, азота и многие другие компоненты дымовых газов являются вредными веществами, превышение концентрации которых над санитарными нормами в воздушном бассейне недопустимо.
В настоящем проекте рассматривается работа тепловой станции, осуществляемая за счет сжигания твердого топлива.
Горючая часть топлива включает органическую, состоящую из углерода, водорода, кислорода, органической серы, и неорганическую части (в состав горючей части топлива ряда месторождений входит пиритная сера FeS2).
Негорючая (минеральная) часть топлива состоит из влаги и золы. Основная часть минеральной составляющей топлива переходит в процессе сжигания в летучую золу, уносимую дымовыми газами. Другая часть в зависимости от конструкции топки и физических особенностей минеральной составляющей топлива может превращаться в шлак.
Количество твердых веществ, выбрасываемых в атмосферу, определяется зольностью топлива, полнотой сгорания горючей массы, глубиной золоочистки.
Химический состав золы твердого топлива достаточно разнообразен.
Обычно зола состоит из оксидов кремния, алюминия, титана, калия, натрия, железа, кальция, магния. Кальций в золе может присутствовать в виде свободного оксида, а также в составе силикатов, сульфатов и других соединений. Более детальные анализы минеральной части твердых топлив показывают, что в золе в небольших количествах могут быть и другие элементы, например, германий, бор, мышьяк, ванадий, марганец, цинк, уран, серебро, ртуть, фтор, хлор. Микропримеси перечисленных элементов распределяются в различных по размерам частиц фракциях летучей золы неравномерно, и обычно их содержание увеличивается с уменьшением размеров этих частиц.
В составе золы твердых видов топлива могут присутствовать радиоактивные изотопы калия, урана и бария. Эти выбросы практически не влияют на радиационную обстановку в районе ТЭС, хотя их общее количество может превышать выбросы радиоактивных аэрозолей на АЭС той же мощности.
При горении сера, присутствующая в органическом топливе в виде колчедана Fe2S и пирита FeS2 и сульфатов в минеральной части, превращается в диоксид серы, количество которого определяется сернистостью используемого топлива. Сернистость углей в зависимости от месторождения составляет 0,3-6,0%.
Тепловые выбросы ТЭС воздействуют на окружающую среду, меняя микроклимат в районе ее размещения, а при больших концентрациях мощности могут привести к изменению циркуляции воздушных масс, их температуры и влажности. Таким образом, участие энергетических предприятий (ТЭС, котельных) в загрязнении окружающей среды продуктами сгорания, твердыми отходами и низкопотенциальным теплом значительно.
2. Факторы, влияющие на выход загрязняющих веществ
Существенное влияние на состав и концентрацию образующихся вредных веществ, при сжигании топлива, оказывают:
§ — его вид;
§ — режим горения;
§ — мощность ТЭЦ;
§ — вид и принцип работы очистных устройств.
1. На тепловых электростанциях используется твердое, жидкое и газообразное топливо.
В качестве твердого топлива в теплоэнергетике используют угли (бурые, каменные, антрацитовый штыб), горючие сланцы и торф.
В основном зола твердых видов топлива состоит из SiO2, Fe2O3, А1203, оксидов титана, калия, натрия, железа, кальция, магния, никеля. Зольность отечественных углей колеблется в широких пределах (10-55%). Соответственно изменяется и запыленность дымовых газов, достигая для высокозольных углей 60—70 г/м3.
Твердое топливо может содержать серу в следующих формах: колчедана Fe2S и пирита FeS2, в составе молекул органической части топлива и в виде сульфатов в минеральной части. Соединения серы в результате горения превращаются в оксиды серы, причем около 99 % составляет сернистый ангидрид S02. Сернистость углей в зависимости от месторождения составляет 0,3-6,0%. Сернистость горючих сланцев достигает 1,4 — 1,7 %, торфа — 0,1 %.
В качестве жидкого топлива в теплоэнергетике применяются мазут, сланцевое масло, дизельное топливо.
В состав золы мазута входят пентаоксид ванадия (V2О5), а также Ni2O3, А1203, Fe2O3, SiO2, МgО и другие оксиды. Зольность мазута не превышает 0,3%. При полном его сгорании содержание твердых частиц в дымовых газах составляет около 0,1 г/м3, однако это значение резко возрастает в период очистки поверхностей нагрева котлов от наружных отложений. При нарушения топочного режима может появиться сажа.
В мазуте, сжигаемом в котельных и на ТЭЦ, содержится много сернистых соединений. В жидком топливе отсутствует пиритная сера (FeS2). Сера в мазуте находится преимущественно в виде органических соединений, элементарной серы и сероводорода. Топочные мазуты в зависимости от содержания в них серы подразделяются на малосернистые — содержание серы Sp < 0,5 %, сернистые Sp = 0,5-2,0 % и высокосернистые Sp > 2,0 %.
Дизельное топливо по содержанию серы делится на две группы: первая—до 0,2 % и вторая—до 0,5 %. В сланцевом масле содержание серы не более 1 %.
Газообразное топливо представляет собой наиболее “чистое” органическое топливо, так как при его полном сгорании из токсичных веществ образуются только оксиды азота. При неполном сгорании в выбросах присутствует оксид углерода (СО).
2. При сжигании органического топлива различают 4 режима горения:
— нейтральное (стехиометрическое или полное сгорание топлива при коэффициенте избытка воздуха б = 1),
— окислительное (полное сгорание при небольшом избытке воздуха б > 1),
— восстановительное (неполное сгорание при недостатке воздуха б < 1),
— смешанное (окислительно-восстановительное, характерное для горения твердого топлива при неравномерном взаимодействии поверхностей его частиц с воздухом, когда б > 1).
Количество кислорода, подаваемого в топку, при сжигании сырья, влияет на образование диоксида серы и оксидов азота. Концентрация диоксида серы в газовой смеси повышается при сжигании сырья в кислороде или воздухе, обогащенном кислородом.
3. Для очистки выбросов в настоящее время применяют 2 метода: абсорбционный и адсорбционный; при обработке высококонцентрированных выбросов применяется конденсационный метод, но только в качестве предварительной ступени очистки. Из методов обезвреживания широкое распространение получил метод каталитического дожигания. Важным условием эффективной очистки является достаточное количество поглотительного раствора. При его недостатке возрастает количество не поглощённого диоксида серы и взвешенных веществ. При повышении температуры орошающей жидкости растворимость диоксида серы снижается, и увеличивается его количество в выбросах.
Перечисленные факторы влияют на выброс всех вредных веществ, содержащихся в дымовых газах — золы, оксидов азота, углерода, серы.
3. Мероприятия по сокращению выхода диоксида серы и летучей золы
Загрязнение воздушного бассейна объектами теплоэлектроэнергетики связано в основном с выбросами дымовых газов, образующихся при сжигании органического топлива в котлах электростанций. В связи с этим для снижения вредного воздействия энергетики на воздушный бассейн может быть использовано как минимум три пути:
1) — уменьшение количества и улучшение качества органического топлива, сжигаемого для производства электроэнергии и теплоты;
2) — подавление образования и улавливание вредных компонентов дымовых газов и сокращение благодаря этому выброса электростанциями вредных веществ в атмосферу;
3) — уменьшение концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы в результате рассеивания вредных выбросов высокими трубами электростанций, более рационального их размещения, усиления контроля за выбросами и экологическое управление режимами энергетических предприятий с использованием экологически чистых топлив.
1. Снижение объема вредных выбросов в атмосферу в первую очередь может быть обеспечено за счет сокращения количества и улучшения качества сжигаемого топлива. Глобальным направлением в этой области является всемерное повышение коэффициента полезного действия (КПД) электростанций и соответствующего снижения удельных расходов топлива. Для усиления этого процесса необходимо не только все более совершенствовать оборудование, но и интенсифицировать демонтаж и реконструкцию устаревшего оборудования, доля которого в энергосистемах страны с каждым годом увеличивается. Основное новое направление в повышении КПД топливоиспользования на электростанциях в настоящее время связывается с развитием парогазовых установок (ПГУ).
Важным природоохранным мероприятием является и повышение качества используемого топлива. С позиций охраны воздушного бассейна преимущества имеют те виды топлива, которые содержат меньше нежелательных примесей, в первую очередь золы, серы и азота. Поэтому во избежание излишнего загрязнения воздушного бассейна преимущество по возможности должно отдаваться малозольным и малосернистым топливам. В связи с этим переориентация газомазутных электростанций на сжигание преимущественно природного газа и сокращение доли высокосернистого мазута может привести к не менее ощутимому результату, чем установка на электростанциях, сжигающих высокосернистые топлива, дорогостоящих сероочистных сооружений.
Отечественные топочные мазуты вырабатываются в основном из сернистых нефтей и содержат до 3,5 % серы. По имеющимся оценкам для мазутных ТЭС наиболее целесообразным путем сокращения выбросов диоксида серы с экономической и социальной точек зрения является облагораживание топлива в процессе его производства на нефтеперерабатывающих заводах со снижением содержания серы до 1 % и менее. Народнохозяйственные затраты в этом случае оказываются в 1,3 — 2 раза ниже, чем при установке на электростанциях сероочистных сооружений. При этом упрощается эксплуатация электростанций и возрастает надежность электро и теплоснабжения потребителей.
Дополнительного уменьшения выбросов оксидов серы можно достичь повышением доли использования малосернистых твердых топлив. С экологической точки зрения важное значение имеют обогащение и переработка твердого топлива, повышающие его качества, в том числе снижающие содержание в нем золы и серы. Расчеты показывают, что при снижении зольности 1 млн. т угля на 1 % можно сократить выброс золы примерно на 10 тыс. т.
За рубежом, особенно в США и ФРГ, осуществляются газификация твердого топлива и получение на этой базе транспортабельного газообразного топлива с высокой удельной теплотой сгорания.
2. Для охраны воздушного бассейна наиболее важными являются мероприятия, сокращающие выбросы с дымовыми газами электростанций твердых частиц (золы), оксидов серы и азота.
Количество летучей золы, выбрасываемой в атмосферу энергетическими установками, определяется эффективностью очистки газов в золоуловителях, устанавливаемых за котлами. В России принято, что КПД золоуловителей должен быть для электростанций, сжигающих зольные топлива, — 99,5 %.
По принципам действия золоуловители разнообразны: электрофильтры, мокрые инерционные, сухие инерционные.
Наиболее дешевы мокрые золоуловители. Ими оснащена половина электростанций страны. Такие аппараты относительно компактны, работают устойчиво, обеспечивая степень очистки газов 95 — 97 %. Наиболее надежны и удобны в эксплуатации сухие инерционные золоуловители. Однако область их применения ограничивается сравнительно низкой эффективностью, особенно для мелкодисперсных частиц.
Большинство применяемых золоуловителей избирательно улавливают относительно крупные фракции золы, тогда как именно в мелких фракциях концентрируются тяжелые металлы и другие токсичные компоненты. Установлено, что по дисперсному составу зола в известной мере копирует угольную пыль, и поэтому степень помола угля непосредственно влияет на очистку газа, так как крупная зола лучше улавливается. Таким образом, уже на этапе топливоподготовки можно предусматривать мероприятия, обеспечивающие снижение выброса золы.
Существует большое количество методов очистки дымовых газов от S02, основанных на селективном поглощении серы различными соединениями. Наиболее экономичные мокрые способы очистки имеют один существенный недостаток — ухудшают способность дымовых газов рассеиваться, в результате чего зачастую концентрация S02 в приземном слое электростанции, несмотря на очистку, оказывается выше допустимых норм.
К особенностям сероулавливающих установок электростанций относится их крупномасштабность. Площадь, занимаемая сероулавливающими установками, соизмерима с площадью основных сооружений электростанции. Эксплуатация сероулавливающих установок связана с потреблением значительного количества реагентов (известняка, извести, аммиака и др.) и образованием соответствующего количества отходов сероулавливания, которые могут иметь и товарную ценность. Для улавливания 1 т оксидов серы из дымовых газов электростанций требуется 1,8 т известняка.
Химическая продукция, получаемая при очистке дымовых газов от диоксида серы, зависит от выбранного технологического процесса. При очистке аммиачно-циклическим методом в качестве готовых продуктов можно получить 100%-ный сжиженный диоксид серы и сульфат аммония. При использовании магнезитового метода получается промежуточный продукт — кристаллы сульфата магния, которые после их обработки (сушка, обжиг) поступают в сернокислотное производство.
3. Рассеивание вредных веществ в атмосфере. Концентрация вредных веществ в приземном слое атмосферы зависит не только от объема вредных выбросов, но и от климатических и метеорологических условий местности, а также от конструкции дымовой трубы. При данных природных условиях и заданных размерах выбросов вредных веществ в атмосферу уровень их концентрации зависит от конструкции дымовой трубы, в первую очередь от ее высоты (концентрация обратно пропорциональна квадрату высоты трубы). В связи с этим рост требований к охране воздушного бассейна при прочих равных условиях ведет к необходимости увеличения высоты дымовых труб, наиболее высокие из которых в настоящее время превысили 300м.
Создание высоких труб обходится достаточно дорого, причем их стоимость по мере увеличения высоты возрастает почти по квадратичной зависимости. Тем не менее стоимость дымовых труб значительно ниже, чем сооружений по очистке дымовых газов, что с экономической точки зрения говорит в пользу труб. Однако в настоящее время сооружение высоких дымовых труб не признается в качестве генерального направления охраны воздушного бассейна, так как вредные выбросы из высоких дымовых труб рассеиваются на весьма значительные расстояния. Отрицательное воздействие электростанций на обширные территории страны может иметь различные неблагоприятные последствия, в том числе такие, как кислотные дожди, ухудшение состояния атмосферы в удаленных районах в результате наложения выбросов на повышенные антропогенные и природные концентрации вредных веществ и т.п. В связи с этим в настоящее время приоритет отдается методам, позволяющим максимально снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, после чего для обеспечения должного ПДК допускается выбирать соответствующую высоту труб.
4. Выбор и обоснование метода и схемы очистки
Очистка дымовых газов объектов промышленной теплоэнергетики имеет ряд особенностей. Они заключаются в то, что объём дымовых газов достаточно велик, при этом концентрация SO2 в указанных газах составляет всего (0,1 ч 0,25) % по объёму. Современные методы улавливания диоксида серы в столь больших потоках газовых выбросов пока ещё не позволяют очищать их до санитарных норм, поэтому снижение SO2 в дымовых газах промышленной теплоэнергетики осуществляется двумя путями:
— предварительное удаление серы из топлива;
— очистка дымовых газов в ходе или после процесса сжигания топлива.
При выборе технологической схемы очистки выбросов целесообразно применить метод, для реализации которого необходимы минимальные капитальные и эксплуатационные затраты, а также существует возможность рекуперации уловленных веществ с возможностью их дальнейшей реализации.
В промышленности применяется несколько способов очистки выбросов от диоксида серы. Наибольшее распространение, среди сухих и мокрых методов очистки, получили адсорбционный и абсорбционный методы.
Адсорбционный метод целесообразно применять при очистке выбросов, содержащих однотипные загрязняющие вещества с концентрацией не менее 1,0 — 1,5 г·м3, плохо растворимые в воде. При меньших значениях концентраций загрязняющих веществ и сложном составе реализация метода существенно затрудняется в следствии высоких затрат на обслуживание адсорбционной установки и необходимости решения вопросов, по обращению с образующимися отходами. При очистке относительно концентрированных выбросов, загрязненных малорастворимыми в воде загрязнителями, метод позволяет достигнуть реального экономического эффекта за счет рекуперации уловленных компонентов.
Среди сухих способов улавливания диоксида серы, в наибольшей степени исследован и опробован в производственных условиях, адсорбционный с использованием углеродных поглотителей (в основном активные угли и полукоксы), позволяющих проводить обработку газов при 110 — 150°С.
Динамическая активность углеродных адсорбентов по диоксиду серы при содержании его в газах 0,5% (об.) в интервале температур 50-100°С находится в пределах 3-43 г/кг. В присутствии в очищаемых газах кислорода и паров воды величина адсорбции возрастает, а поглощение углеродными адсорбентами диоксида серы сопровождается каталитическими процессами окисления, приводящими к образованию серной кислоты, концентрация которой определяется условиями сорбции и влагосодержанием обрабатываемого газового потока.
Разработанные способы улавливания диоксида серы углеродными адсорбентами («Reinluft» и «Lurgi» в ФРГ, «Hitashi» в Японии, «Westvaco» в США) ввиду дефицитности и высокой стоимости адсорбентов могут быть рекомендованы лишь для обработки относительно небольших объемов отходящих газов в производствах серной кислоты и целлюлозы, на нефтеперерабатывающих предприятиях и в ряде других процессов.
Сорбционная способность силикагелей по диоксиду серы высокая даже при температурах 150-200°С и низких концентрациях целевого компонента в газах, что объясняется происходящим окислением адсорбированного SO2 в SO3 кислородом, содержащимся в обрабатываемых потоках. Регенерацию насыщенного поглотителя ввиду его негорючести можно проводить нагретым воздухом. Если в очищаемых газах содержатся пары воды, величина поглощения силикагелями диоксида серы резко уменьшается.
В качестве поглотителей диоксида серы из газов исследованы ионообменные смолы — аниониты. Их сорбционная способность по диоксиду серы практически не зависит от концентрации указанного компонента в газе и влагосодержания обрабатываемого потока. Оптимальные температуры газоочистки находятся в интервале 25 — 60°С. Использование ионообменников предусматривает тщательную очистку обрабатываемых газов от твердых взвешенных примесей. Регенерация насыщенных по диоксиду серы анионитов возможна раствором гидроксида натрия.
Как эффективные агенты улавливания диоксида серы из отходящих газов зарекомендовали себя кислотостойкие цеолиты, в том числе природные (в основном клиноптилолит и морденитсодержащие породы).
Способность цеолитов поглощать значительные количества диоксида серы при повышенных температурах и низких концентрациях SO2 в газах выгодно отличает их от других промышленных адсорбентов при использовании в процессах санитарной газоочистки. В то же время, присутствующая в обрабатываемых газах влага ухудшает поглощение SO2 цеолитами. Наряду с этим цеолиты катализируют реакцию окисления SO2 в SO3, что приводит к накоплению последнего в цеолитах и постепенной их дезактивации по отношению к SO2. Негативной стороной использования цеолитов является проблема их утилизации, а также значительные энергозатраты на десорбцию насыщенных поглотителей и другие обстоятельства.
Описанные методы очистки газов от диоксида серы требует значительных затрат тепла на регенерацию. Их реализация связана также с повышенными капитальными затратами ввиду необходимости выполнения адсорбционной аппаратуры из дорогостоящих специальных материалов, поскольку она предназначается для работы в условиях коррозионных сред при повышенных температурах.
Для санитарной очистки слабосернистых промышленных газовых выбросов может быть применен диоксид свинца в качестве поглотителя диоксида серы.
Также применяется электрическая очистка газов от окислов серы с помощью импульсных электронных пучков облучением потока смеси дымовых газов с водяными парами электронным пучком в направлении, перпендикулярном потоку. Облучение осуществляют импульсно-периодическим электронным пучком. Таким методом очищают дымовые газы.
Практическое использование вышеперечисленных способов достаточно сложно с технической точки зрения и сопряжено со значительными экономическими затратами.
Среди методов мокрой очистки выбросов широко применяется абсорбционный метод. Его целесообразно применять при очистке от парогазообразных загрязняющих веществ кислого или щелочного характера.
Для очистки выбросов абсорбционным методом в промышленности чаще всего используются насадочные абсорберы, абсорберы с взвешенным слоем насадки (ВН), скрубберы (полые и Вентури) и барботажные абсорберы (тарельчатые).
При выборе конструкции абсорбера учитываются следующие параметры: удельный расход абсорбента (l0), число единиц переноса (Nог), фиктивную линейную скорость (щ) потока газовой смеси, возможность протекания химической реакции в абсорбенте, лимитирующее сопротивление процессу массоотдачи, степень рециркуляции абсорбента.
В ряде случаев, замена насадочного абсорбера на абсорбер со взвешенным слоем насадки позволяет исключить из схемы очистки специальный пылеулавливающий аппарат [1].
В качестве абсорбентов используются водно-щелочные и водно-кислотные растворы, сточные и оборотные воды, суспензии солей щелочных и щёлочноземельных металлов, которые могут быть использованы в дальнейшем в качестве технологических растворов. Предпочтение в выборе абсорбентов отдаётся технологическим растворам, использование которых даёт возможность возвратить уловленный SO2 в производственный цикл вместе с технологическим раствором. При использовании в качестве абсорбентов сточных и оборотных вод, целесообразно, что бы они содержали в качестве активного компонента вещества, способные образовывать труднорастворимые или легколетучие соединения с загрязняющими веществами, легко выводимые из систем газоочистки. Примером такого способа является известняковый (известковый) способ очистки газов от диоксида серы. В данном случае труднорастворимое соединение легко выводятся из системы, однако при этом необходимо решать вопрос его полезного использования. Реализация такого метода во многом определяется технологией утилизации осадка, спросом и ценой на продукт его утилизации.
Для очистки газов от сернистых соединений применяют несколько способов, но наиболее полно разработаны три метода, основанных на селективном поглощении диоксида серы: аммиачно-циклический, магнезитовый и известковый.
Известковый метод.
Газ поступает в скруббер, орошаемый известковым раствором:
SO2 + Ca(OH)2 = CaSO3 + H2O
CaCO3 + SO2 = CaSO3 + CO2
CaSO3 + 1/2O2 = CaSO4
В настоящее время разработано множество вариантов этого метода. Наиболее простые схемы, обеспечивающие низкие капитальные затраты дают возможность получать неутилизируемый шлам, состоящий из смеси солей кальция. При этом шлам после обезвоживания подвергают захоронению (сбрасывают в отвал). В более сложных схемах за счет дополнительного узла окисления возможно получение в качестве продукта утилизации — влажного гипса, который после соответствующей подготовки, отвечает требованиям строительной промышленности. Степень очистки этим методом достигает 98%.
Аммиачный метод.
Основан на взаимодействии диоксида серы с водными растворами сульфита аммония.
SO2 + 2NH3 + H2O = (NH4)2SO3
SO2 + (NH4)2SO3 + H2O = 2NH4HSO3
В зависимости от способа разложения бисульфита аммония различают несколько вариантов этого метода:
— аммиачно-циклический метод. Заключается в поглощении диоксида серы растворами сульфит-бисульфит аммония при низкой температуре и выделении его при нагревании, степень извлечения диоксида серы — 90 %;
— аммиачно-автоклавный. Сульфит и бисульфит аммония нагревают в автоклаве при 140-160°С с получением товарных продуктов: S и (NH4)2SO4;
— при обработке бисульфита аммония серной кислотой выделяющийся SO2 используют для производства H2SO4 — аммиачно-сернокислотный метод;
— при обработке бисульфита аммония азотной (фосфорной) кислотой -аммиачно-азотнокислотный (фосфорнокислотный). При этом образуется диоксид серы, азотные и фосфорные удобрения.
Аммиачные методы относительно экономичны и эффективны, недостаток их — безвозвратные потери дефицитного продукта — аммиака.
Магнезитовый метод.
Основан на взаимодействии диоксида серы с суспензией оксида магния:
MgO + SO2 + 6Н2О = MgSO3?6Н2О
Сульфит магния отфильтровывают, сушат и разлагают термически (900 ч 1000 єС), при этом получается чистый SO2, который используется как сырье для получения серной кислоты. Преимущества метода — степень очистки до 95 — 96 %, возможность очистки запыленных газов с высокой температурой, отсутствие отходов и сточных вод. Но способ громоздок, требуются значительные капитальные и эксплуатационные расходы (на регенерацию поглотителя), применяется редко — в основном на установках, которые работают на сернистом топливе.
В данной работе предпочтение отдаётся известковому методу абсорбционной очистки с применением абсорбера со взвешенным слоем насадки, поскольку он имеет ряд преимуществ перед другими методами очистки выбросов ТЭЦ. Достоинством этого метода является простота технологической схемы, низкие эксплуатационные затраты, дешевизна применяемого сорбента, возможность очистки газа без предварительного обеспыливания, что значительно упрощает схему очистки и позволяет снизить затраты на оборудование вследствие исключения из схемы очистки специального пылеулавливающего аппарата, а также существование возможности рекуперации уловленных веществ, реализация которых позволяет в кратчайшие сроки окупить стоимость очистного оборудования.
5. Выбор и обоснование конструкции абсорбера
Исходные данные:
1) Объем выбросов — 60000 нм3/ч;
2) Температура выбросов — 170°С = 443К;
3) Температура при очистке — 25°С = 298 К;
4) Давление в аппарате — 1 атм = 101325 Па;
5) Состав выбросов: N2 — 78 %;
O2 — 17 %;
CO2 — 4,5 %;
SO2 — 3 г/м3;
NO2 — 600 мг/м3;
СО — 100 мг/м3;
Взвешенные вещества — 3 г/м3;
6) Абсорбент — 2 % -ая суспензия Са(ОН)2;
7) Эффективность очистки — 88 % и выше;
8) ПДВ= 2,84 г/с.
1.Предварительные расчеты:
Для перевода исходных данных к необходимым единицам измерения, производим некоторые расчёты.
Химический состав золы твердого топлива представлен различными оксидами металлов: оксидов кремния, алюминия, титана, калия, натрия, железа, кальция, магния и др. В зависимости от места происхождения углей процентное соотношение от общей массы золы различно. В любом случае в составе золы процентное содержание SiO2 А1203, Fe2O3 от общей массы, выше, чем остальных оксидов. В данной работе оно составляет:
SiO2 — 62 %;
А1203 — 28 %;
Fe2O3 — 10%.
1. Расчёт массы каждого компонента взвешенных веществ от общей доли:
m(SiO2) = = 1,86 г;
m(Al2O3) = = 0,84 г;
m(Fe2O3) = = 0.3 г.
2. Масса (моль) твердых и газообразных веществ в 1м3 составит:
н = ;
н (SiO2) = = 0,0309 моль;
н (Al2O3) = = 0,0014 моль;
н (Fe2O3) = = 0,0082 моль;
н (CO) = = 0,00357 моль;
н (SO2) = = 0,0468 моль;
н (NO2) = = 0,0130 моль;
н (N2) = = 34,82 моль;
н (O2) = = 7,59 моль;
н (СO2) = = 2 моль.
3. Мольная доля взвешенных веществ в газовой смеси:
= 0,039/(0,0014 + 0,0082 + 0,00357 + 0,0468 + 0,0130 + 34,82 + 7,59 + 2) = 0,000694;
= 0,0082/(0,0014 + 0,039 + 0,00357 + 0,0468 + 0,0130 + 34,82 + 7,59 + 2) = 0,000184;
= 0,0014/(0,039+ 0,0082 + 0,00357 + 0,0468 + 0,0130 + 34,82 + 7,59 + 2) = 0,0000314.
4. Концентрация газов в выбросах в мольных долях:
2 = = 0,292 • 10-3;
2 = = 1,049 • 10-3;
= = 0,080 • 10-3;
5. Плотность сухой газовой смеси при нормальных условиях:
1,250* 0,78 + 1,429* 0,17 + 1,963* 0,045 + 2,055* 0,000292 + 2,927 * 0,00105 + 1,250* 0,00008 + 0,000694* 2203 + 0,000184* 5242 + + 0,0000314* 3970 = 3,928 кг/н.м3 с.г.
6. Плотность влажной газовой смеси вычисляется по формуле:
= = 3,805 кг/н.м3
Влагосодержание газов при t = 25°C составит = 26 • 10-3 кг/н.м3с.г.
7. Плотность газовой смеси при рабочих условиях:
= (3,805 101325 273) / (101325 (25 +273)) = 3,486 кг/м3
8. Динамическая вязкость составляющих газовой смеси при t = 25°C и константы Сатерленда составят:
= 165 • 10-7 Па•с, = 104;
= 191 • 10-7 Па•с, = 133;
= 137 • 10-7 Па•с, = 254;
= 166 • 10-7 Па•с, = 101;
= 111 • 10-7 Па•с, = 433;
= 117 • 10-7 Па•с, = 396.
9. Динамическая вязкость составляющих смеси газов:
= 165 • 10-7= 176,47 • 10-7 Па•с,
= 191 • 10-7= 205,19 • 10-7 Па•с,
= 137 • 10-7= 149,17 • 10-7 Па•с,
= 166 • 10-7= 177,46 • 10-7 Па•с,
= 111 • 10-7= 122,26 • 10-7 Па•с,
= 117 • 10-7= 128,63 • 10-7 Па•с.
1. Молекулярная масса газовой смеси вычисляется по формуле:
= 28,02 • 0,78 + 32 • 0,17 + 44,01 • 0,045 + 28,01 • 0,000008 + 46,01 • • 0,000292 + 64,07 • 0,001049 = 29,359 кг/кмоль
10. Динамическая вязкость смеси газов при рабочих условиях рассчитывается по формуле:
= 1642821;
= = = 0,178 • 10-4 Па•с.
11. Расход влажных газов при нормальных условиях определяется по формуле:
Q0 = Q0с (1 + dос/с0 Н2О) = 60000 (1 + 0,026/0,804) = 61940 нм3/ч.
12. Расход газов при рабочих условиях:
Q = Q0
Q = (61940 (25 + 273) 101325)/(273 101325) = 67612 м3/ч.
13. Исходя из заданной начальной концентрации SO2, расхода газов, ПДВ, требуемая степень очистки определяется по формуле:
G = 3 ? 67612/3600 = 56,3 г/с,
з = ((56,3 — 2,84)/56,3) ? 100% = 95 %.
14. Концентрация диоксида серы во влажных газах составит:
= = 0,0028 кг/нм3
или в мольных долях эта концентрация составит:
2 = = 0,979 • 10-3;
15. Концентрация диоксида серы в газе на выходе из абсорбера при заданной эффективности поглощения составит:
= 0,979 • 10-3 (1 — 0,95) = 0,049 • 10-3.
2.Основные расчеты:
I.Расход абсорбента:
Расход абсорбента можно определить, исходя из величин удельного расхода l0 и расхода очищаемого газа.
В качестве абсорбента используется двухпроцентная суспензия Са(ОН)2. При этом протекает следующая реакция с хемособрции диоксида серы:
SO2 + Ca(OH)2 = CaSO3 + H2O
1. Удельный расход абсорбента для данной реакции при противоточном движении фаз определяется по формуле:
Где Сгн, Сгк — концентрации диоксида серы начальная и конечная соответственно;
В0, Вк — концентрации активного компонента в абсорбенте начальная и конечная соответственно, моль/л;
q — стехиометрический коэффициент, для данной реакции = 1.
2. Начальная и конечная концентрации диоксида серы вычисляются по формулам:
Сгн = = 0,0437 моль/м3,
Сгк = = 0,00218 моль/м3.
3. Начальная концентрации активного компонента в поглотительном растворе двухпроцентного раствора Са(ОН)2 составляет:
В0 = = 0,27 моль/л
Вк принимается равной нулю.
Тогда, согласно формуле (1) удельный расход абсорбента:
= 0,2 л/м3
Данный удельный расход не обеспечивает условия смачиваемости насадки, поэтому принимаем = 6 л/м3
4. Расход абсорбента определяется исходя их величин удельного расхода и объёма очищаемого потока газа:
L = Q l0 / сж,
L = 6 ? 67612/999,73 = 405,78 м3/ч = 1,13 м3/с.
II. Число единиц переноса:
Число единиц переноса определяется по упрощенной формуле:
Nог = — ln (1 — ) = — ln (1 — 0,95) = 3
Вычисленным характеристикам удовлетворяет абсорбер с взвешенным слоем насадки.
Его параметры: 1. — константа фазового распределения — mxy 1;
2. — число переноса — Nог ? 2,3;
3. — удельный расход жидкости — l0 = до 15 л/м3;
4. — производительность — Q ? 100 000 м3/ч.
6. Расчет основного оборудования
Абсорбер со взвешенным слоем насадки представляет собой колонну, разделенную по высоте рядом опорных решеток, на которые насыпан слой насадки. Газовый поток, проходя через отверстия в решетках, воздействует на орошаемую поглотительным раствором насадку, поддерживая её во взвешенном состоянии. Возможное перемещение насадки по высоте аппарата определяется расстоянием между опорной и ограничительной решетками.
I. Скорость газа и диаметр в абсорбере:
1. Для определения скорости газа и диаметра абсорбера необходимо выбрать насадку. В качестве насадочного материала выбираем шаровую насадку из пористой резины диаметром dш = 0,04 м, плотностью ш = 650 кг/м3.
Значение линейной (рабочей) скорости газового потока находится в пределах от щмин до щмакс.
Минимальная скорость псевдоожижения вычисляется по формуле:
щмин = (1)
где U — плотность орошения абсорбера, принимаем U = 40 м/ч;
щкрит — критическая скорость псевдоожижения сухой насадки.
2. Значение критической скорости определяется по формулам:
Ar = (dш3 (ш — г) г g) / мг2 = = 4,46 109
Reкрит = Ar / (1400 + 5,22 ) = 4,46 109/(1400+5,22 ) = 12742,5
Reкрит = щкрит dш сг / мг ,
следовательно, значение критической скорости псевдоожижения определяется из выражения для критерия Рейнольдса:
щкрит = = = 1,63 м/с.
3. Согласно формуле (1), минимальная скорость равна:
щмин = = 0,69 м/с
Рабочая скорость газового потока принимается щ = 4,5 м/с.
4. Диаметр абсорбера находится по формуле:
Д = ; F = ,
следовательно:
Д = = = 2,3м.
Принимается стандартный диаметр абсорбера D = 2,6м.
Площадь сечения абсорбера: S = D2/4 = 5, м2.
5. Обоснуем принятую величину линейной скорости. Она не должна превышать максимальной скорости газового потока.
щмакс = 2,9 FCB0,4 (U/Vг) — 0,15 ,
где FCB — доля живого сечения решетки, FCB = 0,4;
Vг — удельный объемный расход газовой фазы,
Vг = Q/S = 67612 / 5,3 = 12756,98 м/ч.
щмакс = 2,9 0,4 0,4 (40/12756,98) — 0,15 = 4,77 м/с.
Принятая рабочая скорость не превышает максимальную (щ щмакс).
6. Динамическая высота слоя шаровой насадки рассчитывается по формуле:
Ндин = 0,172 щ0,88 U0,23 Нст0,5 FCB-0,15
где Нст — статическая высота слоя насадки, Нст = 0,3м.
Ндин = 0,172 (4,5)0,88 (40)0,23 (0,3)0,5 (0,4)-0,15 = 0,95м,
7. Расстояние между ступенями рассчитывается при максимальной скорости газового потока (щ = щмакс = 4,77 м/с):
Ндин = 0,172 (4,77)0,88 (40)0,23 (0,3)0,5 (0,4)-0,15 = 0,99м.
Расстояние между ступенями (решетками) принимаем Ндин = 1м.
II. Коэффициент массопередачи.
1. Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе вычисляется по формуле:
ж = 1,45 щ1,35 U0,75 HСТ-0,85 dш-0,15
ж = 1,45 (4,5)1,35 (40)0,75 (0,3)-0,85 (0,04)-0,15 = 792,27 ч-1.
2. Объемный коэффициент массоотдачи в газовой фазе вычисляется по формуле:
г = 2860 F-0,5 щ1,05 U0,15 HСТ-0,77
г = 2860 (0,4) -0,5 (4,5)1,05 (40)0,15 (0,3) -0,77 = 96405,68 ч-1
3. Для расчёта коэффициента ускорения массоотдачи в жидкой фазе б в следствии химической реакции определяют кинетический критерий R:
R = ,
где = 1,47 • 10-9 м2/с;
= 3,4 • 105 м3/моль•с;
Для пересчёта ж из [ч-1] в [м/с] необходимо произвести следующие расчёты:
1) — Площадь живого сечения:
= 5,3 • 0,4 = 2,12 м2.
2) — Скорость газа в отверстиях опорной решетки:
= 8,89 м/с.
3) ) — Поверхность контакта фаз вычисляется по формуле:
= 60,53
. Объём и высота активной части абсорбера
Гидравлическое сопротивление абсорбера.
1,03
0,56
0,82
1,03
0,56
0,82
. Выбор теплообменника (холодильника):
Параметры теплообменника:
. Выбор вентилятора:
. Выбор насоса:
