Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Экология
Размещена 07.07.2020. Последняя правка: 13.07.2020.
Просмотров - 196

Очистка газовоздушных выбросов, образующихся при эксплуатации котлов

Дубовец Денис Леонидович

-

ОАО "Управляющая компания холдинга "МИНСКИЙ МОТОРНЫЙ ЗАВОД"

Инженер по охране окружающей среды 2 категории

Аннотация:
В данной работе дано определение понятию котельной установки, представлено ее общее описание (состав, предназначение), приведены характеристики газовоздушных выбросов, образующихся при сжигании различных видов топлива в топке котла, предложены газоочистные установки, которые могут быть использованы для очистки отработанных газов.


Abstract:
In this work, given the definition of a boiler plant, represented by its General description (content, purpose), the characteristics of gas emissions from the combustion of different fuels in the boiler furnace, the proposed gas treatment installation, which can be used for exhaust gas cleaning.


Ключевые слова:
газовоздушные выбросы; сжигание; очистка; окись углерода; диоксид серы; оксиды азота; абсорбция

Keywords:
air-gas emissions; combustion; purification; carbon monoxide; sulfur dioxide; nitrogen oxides; absorption


УДК 699.871

Целью представленной работы является анализ состава газовоздушных выбросов, образующихся при сжигании различных видов топлива в котельных установках и определение наиболее рациональных путей улавливания загрязняющих веществ.

Для достижения поставленной цели, при написании работы будут решены следующие задачи:

– Рассмотрена общая характеристика котельной установки: предназначение; конструктивные особенности, виды используемого топлива сжигаемое топливо;

– Изучены современные методы очистки газовоздушных выбросов от загрязняющих веществ имеющих разное агрегатное состояние и химический состав;

– Исходя из полученных знаний, подобраны наиболее целесообразные методы очистки газовоздушных выбросов от загрязняющих веществ, образующихся при эксплуатации котельных установок.

Актуальность данной работы связана с необходимостью обязательного соблюдения организациями, эксплуатирующими котельные установки, требований законодательства в области охраны окружающей среды и необходимости внедрения газоочистных установок в случае превышения установленных нормативов.

Научная новизна: Из бесчисленного множества газоочистных установок, предлагаемых современным рынком, в данной работе сделан выбор того оборудования, которое подходит именной для очистки газовоздушных выбросов, образующихся при эксплуатации котельных установок.

Введение

Одним из принципов охраны окружающей среды в Республике Беларусь, является предотвращение загрязнения атмосферного воздуха и причинения вреда окружающей среде [1].

Для реализации данного принципа, все организации, эксплуатирующие источники вредного воздействия на атмосферный воздух, должны проводить инвентаризацию выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, разрабатывать нормативы допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух (в случаях установленных законодательством Республики Беларусь) и согласовывать их с территориальными органами Минприроды, получать разрешение на выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух или комплексное природоохранное разрешение [1,2].

При невозможности обеспечить соблюдение нормативов допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух и (или) технологических нормативов выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, организованные стационарные источники выбросов загрязняющих веществ, эксплуатируемые на предприятиях, должны оснащаться газоочистными установками [1].

Одними из наиболее интенсивных источников вредного воздействия на окружающую среду, являются котельные установки (котлы), эксплуатируемые на тепловых электростанциях (электроцентралях), промышленных и сельскохозяйственных предприятиях.

Котельная установка, представляет собой совокупность объединенный в одно целое устройств, предназначенный для получения пара и (или) нагрева воды за счет тепловой энергии получаемой при сжигании топлива или за счет преобразования электрической энергии в тепловую [3].

Тепловая энергия, представляет собой вид энергии, носителем которой являются горячая вода, пар, нагретый воздух и другие газы, технологические среды промышленных производств, используемые для технологических нужд промышленности, горячего водоснабжения, отопления помещений, вентиляции [4].

Конструктивными элементами котла являются: обшивка, тепловая изоляция, обмуровка, каркас, воздухоподогреватель, экономайзер, пароперегреватель, топка.

Для получения тепловой энергии в котельных установках, в качестве топлива используются природные и искусственные вещества (бурый и каменный уголь, антрацит, торф, природный и доменный газы, жидкие и газообразные продукты нефтехимической переработки и др.), отходящие газы промышленных печей и других устройств.

Образующиеся в топке при сгорании топлива газовоздушные выбросы, принудительно отводимые от котла, являются источником интенсивного воздействия на атмосферный воздух и приводят в загрязнению окружающей среды.

Поскольку эксплуатация котельных установок должна осуществляться строго в соответствии с правилами, установленными в технической документации, любое изменение технологического процесса, выходящее за рамки эксплуатационных характеристик – недопустимо. В такой ситуации, единственно правильным решением является оснащение котла газоочистной установкой.

На сегодняшний день, производители систем очистки газовоздушных выбросов предлагают своим потребителям широкий выбор газоочистных установок, позволяющих проводить очистку газовоздушных выбросов от загрязняющих веществ различных дисперсных систем, со степенью очистки приближенной к 100 %.

К ним относятся: пылеосадительные камеры, рукавные фильтры, циклоны, скрубберы, абсорберы, абсорберы и другие газоочистные установки различных конструкций и модификаций.

В тоже время, всё имеющееся разнообразие предлагаемых к покупке газоочистных установок, работает на основе давно известных методов очистки. На рисунке 1 представлены действующие методы очистки газовоздушных выбросов от загрязняющих веществ. 

 Рисунок 1 – Методы очистки газовоздушных выбросов

 

Выбор метода очистки газовоздушных выбросов, отходящих от котельных установок, зависит от многих факторов: температуры, объемного расхода и скорости газовоздушных выбросов, концентрации извлекаемого в отходящих газах компонента, содержания примесей, наличия и доступности сорбентов и других расходных материалов, возможности использования продуктов очистки газов и рассмотрения направлений из утилизации. Выбор наиболее оптимального метода очистки для каждого конкретного случая должен производится на основании результатов технико-экономических расчетов.

Вне зависимости от вида используемого в котельной установке топлива, в состав газовоздушных выбросов будут входить такие вещества как диоксид серы (SO2), оксиды азота (NO, NO2), оксиды углерода (СО, СО2), пар (Н2О). При использовании твердого топлива, в выбросах будут присутствовать твердые частицы. При несоблюдении параметров технологического процесса сжигания топлива, в качестве побочных продуктов горения могут образовываться органические соединения различной сложности и степени опасности для окружающей среды (бенз(α)пирен, фракции легких органических соединений).

В таблице 1 приведены значения показателей выбросов загрязняющих веществ, образующихся при сжигании различных видов топлива.

 

Таблица 1 – Удельные показатели выбросов вредных веществ образующихся при сгорании топлива

Вид топлива

Удельный показатель образования, кг/кг

Твердые вещества, 102

SO2, 102

СО2, 102

Оксиды азота, 103

Бенз(α)пирен,

105

Уголь

3-8

2-1

2-7

1-2

1-3

Торф

3-5

1-2

2-4

1-2

1-2

Древесины

2-8

1-2

3-5

8-1

1-2

Мазут

3-6

1-6

3-4

2-3

до 1

Природный газ

до 0,002

-

1-1,5

2-3

до 5

 

Концентрация каждого отдельного компонента в газовоздушных выбросах, будет зависеть от вида используемого топлива, его элементного состава, количества кислорода (воздуха) подаваемого на горение, температуры развиваемой в печи.

Так например, присутствие в газовоздушных выбросах окиси углерода (СО), говорит о том, что в топке котла осуществляется не полный цикл сгорания топлива, что в свою очередь является частичной потерей энергоресурса и вредным воздействием на окружающую среду.

Для предотвращения химического недожога, воздух в топку котельной подается в избыточном количестве. В тоже время, увеличение содержания кислорода в газовоздушных выбросах, приводит к увеличению выхода диоксида азота (NO2), являющегося парниковым газом.

Очистка газовоздушных выбросов от твердых частиц

Начальным этапом очистки большинства газовоздушных выбросов, в том числе образующихся при эксплуатации котельных установок работающих на твердом топливе, является удаление твердых частиц.

Очистка газовоздушных выбросов от твердых частиц как правило осуществляется в два этапа: очистка от частиц размером больше 5 мкм и очистка от частиц размером менее 5 мкм.

Наиболее распространенным устройством, предназначенным для очистки газовоздушных выбросов от частиц размером более 5 мкм, являются циклоны (одиночные, батарейные и групповые). На рисунке 1 представлена схема и принцип работыгазоочистной установки типа «Циклон».


 

 

 

Рисунок 2 – Газоочистная установка типа «Циклон»

 

Данный тип газоочистного оборудования может быть использован в качестве первой ступени очистки газовоздушных выбросов, образующихся при эксплуатации котельных установок.

Циклоны имеют следующие преимущества:

– отсутствие в аппарате движущихся частей и механизмов;

– способность поддерживать заданную эффективность работы при температурах газов до 500 оС;

– сохранение постоянных величин гидравлического сопротивления аппарата;

– возможность работать при высоких скоростях и объемных расходах газового потока;

 – простота изготовления и эксплуатации;

– сохранение высокой фракционной эффективности очистки при увеличении запыленности газов.

Эффективность работы газоочистной установки типа «Циклон» прямо пропорциональна скорости газов в степени ½ и обратно пропорциональна диаметру аппарата в степени ½. Таким образом, процесс очистки целесообразно вести при больших скоростях газа и небольших диаметрах циклона.

При расходах очищаемого газа более 4000 м3/ч, отдельные (единичные) циклоны объединяют в группу, что позволяет распределить создаваемую нагрузку между аппаратами, тем самым увеличивая общую производительность установки не изменяя диаметр аппарата.

Для очистки газовоздушных выбросов от частиц размером менее 5 мкм, наибольшее распространение получили сухие и мокрые электрофильтры.

В электрофильтрах (рисунок 2) очистка газовоздушных выбросов от пыли осуществляется под действием электрических сил. Источником электрического тока, является коронирующий электрод выполненных из металлической проволоки или тонкой пластины. В процессе ионизации молекул газов электрическим разрядом, происходит заряд содержащихся в них твердых частиц. Ионы абсорбируются на поверхности пылинок, а затем под действием электрического поля они перемещаются и осаждаются на осадительных электродах [5].


 

Рисунок 3 – Трубчатый электрофильтр

 

Электрофильтры способны работать в широком интервале температур (до 450 оС), очищая газовоздушные выбросы от частиц размером от 0,01 до 100 мкм. При этом расход электроэнергии на очистку 1000 м3 газа составляет 0,8-1,1 кВт.

Очистка газовоздушных выбросов от твердых частиц ведет к неизбежному образованию отходов, обращение с которыми должно осуществляться в соответствии с действующим законодательством в области охраны окружающей среды, санитарными нормами и правилами, правилами пожарной безопасности.

 

Очистка газовоздушных выбросов от диоксида серы и оксидов азота

 

Наилучшим технологическим процессом является тот, который позволяет осуществить очистку газовоздушных выбросов от наибольшего количества загрязняющих веществ при наименьших эксплуатационных расходах.

Совместная очистка газовоздушных выбросов от оксидов азота и диоксида серы может осуществляться по процессу «Chisso Engineering», основанном на следующем механизме.

Топочные газы после очистки от твердых частиц подаются в тарельчатый скруббер, орошаемый циркулирующей жидкостью (абсорбентом), в состав которой входят ионы железа и метилендиаминтэтрауксусной кислоты.

В процессе абсорбции, из газовоздушных выбросов поглощается 70-85 % NOx и 90 % SO2. Часть использованного абсорбента после скруббера отводится на окисление, которое проводят путем аэрации отобранного раствора атмосферным воздухом. После этого, для снижения водородного показателя раствора до 0,5, в него вводят серную кислоту, а затем охлаждают в холодильнике до 0–(-10)оС. Данная процедура позволяет кристаллизовать 90% метилендиаминтэтрауксусной кислоты.

Выделенную кислоту отделяют от раствора в центрифуге и возвращают в скруббер. Содержащийся в маточной жидкости имидодисульфанат аммония и дитионат, подвергают химической деструкции до сульфата аммония, путем нагревания их раствора до 120-130 оС и увеличения давления до 0,3 МПа.

Выделяющийся при этом диоксид серы направляют в основной скруббер, а жидкость нейтрализуют аммиаком, концентрируют, освобождают от соединений железа и направляют на кристаллизацию сульфата аммония.

Кристализованный сульфат аммония, содержащий 21 % азота, может использоваться в качестве минерального удобрения при выращивании сельскохозяйственных культур.

На рисунке 3 представлена принципиальная схема установки очистки газов от оксидов азота и серы с получением сульфата аммония [5].

 

 

1 – тарельчатый скруббер; 2 – реактор окисления; 3 – холодильник; 4 – центрифуга;

5 – реактор; 6 – нейтрализатор; 7 – конденсатор; 8 – узел отделения железа;

9 – кристаллизатор; 10 – центрифуга.

Рисунок 4 – Схема установки очистки газов от оксидов азота и серы с получением сульфата аммония

 

В случае необходимости очистки газовоздушных выбросов только от оксидов азота, на предприятиях эксплуатирующих котельные установки могут использоваться абсорбционные и адсорбционные (физическая, хемосорбция) методы очистки.

С целью улавливания оксидов азота (NOx) из отходящих газов, разработан метод адсорбции оксидов азота торфощелочными сорбентами в аппаратах кипящего слоя. Так например, при использовании наиболее дешевого и доступного сорбента, представляющего собой смесь торфа и извести-пушонки, степень очистки газов, содержащих 0,1-2,0 % NOx, при времени контакта фаз 1,6-3 с достигает 96-99 %.

Еще больший эффект в очистке газовоздушных выбросов от оксидов азота может быть достигнут при использовании торфа, обработанного аммиаком или при введении аммиака в кипящий слой торфа. В этих случаях, торф способствует окислению нитритов до нитратов. Образующийся при этом отработанный сорбент представляет собой хорошо хранящееся не слеживающееся азотное удобрение, содержащее 8-12 % усвояемого азота и 27-30 % хорошо усвояемых растениями гуминовых кислот, пригодное для использования на любых почвах и являющихся эффективным стимулятором роста [5].

Очистка газовоздушных выбросов от окиси углерода

Каталитическое окисление, является наиболее рациональным способом очистки газов от окиси углерода. Для этих целей используют медно-хромовые, марганцевые и содержащие металлы платиновой группы катализаторы.

На рисунке 4 представлена принципиальная схема каталитического конвертера.


 

Рисунок 5 – Схема каталитического конвертера с катализатором в виде решеток

 

Очистка газовоздушных выбросов каталитическим методом осуществляется в конвертере. Катализатор может иметь вид металлических сеток (решеток, сит) или порошок, располагаемый насыпью на пористые материалы.

В процессе каталитической очистки газов, необходимо поддерживать определенную температуру газовоздушных выбросов на уровне, обеспечивающем работу катализатора (выше температуры активации катализатора) и содержание в газовоздушных выбросах поступающих на очистку загрязняющих веществ, способных вывести из строя катализатор (веществ являющихся каталитическими ядами).

Степень очистки газовоздушных выбросов при каталитической конверсии окиси углерода достигает 90-99,9 %.

Вывод

Котельные установки являются источниками интенсивного воздействия на атмосферный воздух. В тоже время, ужесточение требований законодательства в области охраны окружающей среды, в том числе к количественному составу газовоздушных выбросов, приводит к необходимости разработки и реализации мероприятий по снижению вредного воздействия на атмосферный воздух, путем модернизации котлов, перехода на более «чистые» виды топлива, внедрения отдельных газоочистных установок и крупных систем очистки.

Очистка газовоздушных выбросов образующихся при эксплуатации котельных установок может быть организована при последовательной установке следующих газоочистных установок: циклон; электрофильтр; скруббер, орошаемый жидкостью на основе метилендиаминтэтрауксусной кислоты; каталитический конвертер.

Библиографический список:

1. Закон Республики Беларусь «Об охране атмосферного воздуха» [Электронный ресурс] : Закон Респ. Беларусь, 16 дек. 2008 г., № 2-З : в ред. Закона Респ. Беларусь от 18.06.2019 г. // Консультант Плюс. Беларусь / ООО «ЮрСпектр», Нац. центр правовой информ. Респ. Беларусь. — Минск, 2019.
2. Об утверждении инструкции о порядке инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух : Постановление Минприроды Республики Беларусь, 23 июня 2009 г. № 42 // Нац. Реестр правовых актов Респ. Беларусь. – 2009. – 8/21379
3. Котлы стационарные. Термины и определения = Катлы стацыянарныя. Тэрміны і азначэнні : ГОСТ 23172-78. – Минск, 1979. – 27с.
4. Об утверждении правил пользования тепловой энергией : Постановление Министерства экономики Республики Беларусь, 19 янв. 2006 г. № 9 // Нац. Реестр правовых актов Респ. Беларусь. – 2006. – 8/13870
5. Родионов А.И. и др. Техника защиты окружающей среды / Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. – М: Химия, 1989. – 512 с.




Рецензии:

8.07.2020, 11:00 Саньков Петр Николаевич
Рецензия: Начал читать статью, и в первом же абзаце был обескуражен научно. "... все организации, являющиеся источниками вредного воздействия на атмосферный воздух..." 1. Организация не может быть источником. 2. Предложение: "В случаях установленных законодательством Республики Беларусь, разрабатывать нормативы допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух и согласовывать их с территориальными органами Минприроды, получать разрешение на выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух или комплексное природоохранное разрешение [1,2]." - нет окончания утверждения. Научная новизна работы; "Научная новизна: Из огромного множества газоочистных установок предлагаемых современным рынком, в данной работе сделан выбор того оборудования, которое подходит именной для очистки газовоздушных выбросов образующихся при эксплуатации котельных установок." заканчивается выводом: "...Выбор наиболее рациональной системы очистки газовоздушных выбросов должен осуществляться на основании проектно-технических расчетов, проводимых квалифицированными специалистами, учитывающими производительность котла, вид используемого топлива, требования предъявляемые к выбросам в разрешении на выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух (комплексном природоохранном разрешении) и законодательных актах Республики Беларусь", который не подтверждает саму научную новизну авторкого исследования! Рекомендую: 1) поработать с грамматикой и лингвистикой. 2)Провести научный анализ реферативных сведений в статье для подтверждения научной новизны.

13.07.2020 15:15 Ответ на рецензию автора Дубовец Денис Леонидович:
Здравствуйте, перепроверил свою работу, действительно было много ошибок в части орфографии и пунктуации. Благодарю за внимательность и прошу еще раз оценить работу после внесенных мной изменений и дополнений.

13.07.2020, 19:33 Саньков Петр Николаевич
Рецензия: Уважанмый, Денис Леонидович! Линвистические успехи на лицо. Вот по научной стороне есть вопросы.В инете есть требования к содержанию научной статьи. Я не могу в рецензии это писать. Подсказки: цель достигается путем постановки и решения ряда задач, из решения которых вытекает научная новизна. Выводы посвятить своим задачам с указанием Ваших достижений научных. Этого пока в статье не заметно. Любой вывод подтверждается цифрами, сравннием и т.д. Привлекли бы ученого из этой области техники себе в руководители. Вы, вижу, практик! А вот с наукой только начинаете дружить, но на вытянутую руку. Где подтверждение научно обоснованное и практически подтвержденное Вашего каскада очистки? Если убрать из цепи одно звено, что на выходе? Может нужно еще одно. два или более звеньев для резкого увеличения эффективности очистки. А может у Вас есть звено дорогое, но не эффективное. Наука не для науки, а для экономии, охраны, защиты. Покажите это. Если нет эконом эффекта, есть социальный, который так же может быть завязан на экономике. Пока статья не может быть рекомендована



Комментарии пользователей:

8.07.2020, 11:15 Саньков Петр Николаевич
Отзыв: Вопрос к редколлегии журнала и к пользователю - Эшкурбонову Фуркату Бозоровичу: Разве оформление научнойстатьи по требованиям - это первейший и главнейший показатель возможности публикации научной статьи? Где здесь НАУЧНАЯ ДОБРОЧЕСНОСТЬ? А ответственность ученого пеед НАУКОЙ? Перед молодыми учеными? Комментарии пользователей: 8.07.2020, 9:02 Эшкурбонов Фуркат Бозорович Отзыв: Статья оформляется по требованию. Я рекомендую опубликовать стать


Оставить комментарий


 
 

Вверх