Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Техника, Экология
Размещена 25.09.2020. Последняя правка: 24.09.2020.
Просмотров - 302

Исследование и выбор наилучшего из доступного оборудования для очистки газовоздушных выбросов, образующихся при эксплуатации котельных установок

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 (конструкционное оформление, предназначение), приведены характеристики газовоздушных выбросов, образующихся при сжигании различных видов топлива в топке котла. Предложены наилучшие из доступных методов и установок очистки газовоздушных выбросов, отходящих от котельной установки.


Abstract:
This paper defines the concept of a boiler installation, presents its General description (design, purpose), and provides characteristics of gas-air emissions generated by burning various types of fuel in the boiler furnace. The best available methods and installations for cleaning gas-air emissions from the boiler plant are proposed.


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

Keywords:
boiler plant; gas-air emissions; combustion; fuel; cleaning; carbon monoxide; sulfur dioxide; nitrogen oxides; absorption


УДК 699.871

Цель представленной работы заключается в выявлении и описании наилучших из доступных методов очистки газовоздушных выбросов, которые могли бы быть использованы собственниками котельных установок вне зависимости от их предназначения, конструкции, производительности и вида используемого топлива.

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

– рассмотрена общая характеристика котельной установки: предназначение, конструктивные особенности, виды используемого топлива, состав газовоздушных выбросов;

– изучены наилучшие доступные технические методы очистки газовоздушных выбросов;

– выбраны 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 необходимостью 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 будет подходить для очистки газовоздушных выбросов, образующихся при эксплуатации любых видов котельных установок, вне зависимости от их принадлежности, конструкции, производительности и вида используемого топлива.

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.

Сведения об источнике выделения загрязняющих веществ 

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 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 элементом интенсивного воздействия на атмосферный воздух – 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 газоочистных установок способны предложить своим потребителям широкий выбор систем, позволяющих осуществлять 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, каталитические конвертеры 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 из отходящих газов компонента, содержания примесей, наличия и доступности сорбентов и других расходных материалов, возможности использования продуктов очистки газов и рассмотрения направлений из утилизации.

Состав газовоздушных выбросов образующихся при эксплуатации источника выделения

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.

Информация, используемая для выбора методов очистки

Для определения наиболее целесообразного метода очистки газовоздушных выбросов, образующихся при эксплуатации котельных установок, была изучена практика применения газоочистных установок на предприятиях различных отраслей промышленности стран ближнего и дальнего зарубежья.

Благодаря заинтересованности ряда профильных специалистов энергетической отрасли, была изучена практика эксплуатации котельных установок и систем очистки газо-воздушных выбросов на реальном производственном объекте.

Главными источниками информации в поиске наиболее целесообразных методов очистки, явились справочные руководства по наилучшим из доступных техническим методам комиссии Европейского союза и США.

Описание наилучших из доступных методов очистки 

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.

В виду полидисперсного состава пыли, содержащейся в газовоздушных выбросах, отходящих от котельной установки, их удаление должно осуществляться в два этапа: очистка от частиц размером больше 5 мкм и очистка от частиц размером менее 5 мкм.

Для очистки газовоздушных выбросов от частиц размером более 5 мкм предлагается использовать циклоны (одиночные, батарейные и групповые), представляющие собой наиболее популярное аспирационное оборудование данного типа, зарекомендовавшее себя в различных производственных процессах. На рисунке 2 представлена схема и принцип работы газоочистной установки типа «Циклон».

 

Рисунок 2 – Газоочистная установка типа «Циклон»

 

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 могут быть объединены группу, что позволит распределить создаваемую нагрузку между аппаратами, тем самым увеличит общую производительность установки не изменяя диаметр аппарата.

Для очистки газовоздушных выбросов от частиц размером менее 5 мкм, наибольшее целесообразным будет применение сухого и мокрого электрофильтра.

В электрофильтрах (рисунок 3) 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 быть осуществлена по процессу «Chisso Engineering», основанному 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 4 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 наиболее целесообразным является использование абсорбционного или адсорбционного (физическая, хемосорбция) метода 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 5 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 %.

Заключение

Котельные установки являются источниками интенсивного воздействия на атмосферный воздух. 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.

По полной схеме, очистка газовоздушных выбросов от загрязняющих веществ образующихся при эксплуатации котельных установок может быть организована при последовательной установке следующих газоочистных установок: Циклон, электрофильтр, скруббер, орошаемый жидкостью содержащую метилендиаминтэтрауксусую кислоту, каталитический конвертер. В тех случаях, когда необходимо осуществлять очистку газовоздушных выбросов от загрязняющего вещества только одного вида, на действующем (планируемом) объекте воздействия на атмосферный воздух может быть применена одна из вышеприведенных установок очистки без применения дополнительных обработок газовоздушных выбросов.

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. – 27 с.
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.
6. Reference Documents: [Electronic resource] // European IPPC Bureau. URL: https://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/. (Date of request: 01.09.2020).
7. Clean Air Technology Center Products: [Electronic resource] // United States Environmental Protection Agency. URL: https://www.epa.gov/catc/clean-air-technology-center-products. (Date of request: 04.09.2020).
8. John Zirschky, Sherwood C. Reed The Use of Duckweed for Wastewater Treatment / John Zirschky // Journal Water Pollution Control Federation. – Jul. 1988. Vol. 60. P. 1253-1258.
9. Best Available Technology for Air Pollution Control:Analysis Guidance and Case Studies for North America [report] / MJ Bradley & Associates 1000 Elm Street Second Floor Manchester, NH 03101 USA. – USA, 2005. – 58 p.




Рецензии:

25.09.2020, 13:49 Саньков Петр Николаевич
Рецензия: Статья выполнена качественно и с научным подходом к структуре и содержанию. Совет автору: текст научной новизны постараться преобразовать по содержанию, как это звучит в разделах о научной новизне диссертаций: типа нашли дальнейшее развитие... или еще как-то. Статья может быть рекомендована к публикации даже без доработки текста о научной новизне.

25.09.2020, 20:13 Лобанов Игорь Евгеньевич
Рецензия: Тема статьи актуальна. Автор предложил классификацию, на основе которой можно решить поставленные задачи по газоочистке. К недостаткам статьи следует отнести то, что автор не показал, чем предложенный им метод преимущественно(!) отличается от существующих методов. Имеются недочёты стиля, например: "...из бесчисленного множества газоочистных установок,..." и т.п. После внесения незначительных изменений статья может быть с полным на то основанием рекомендована к публикации.

27.09.2020, 21:40 Олевский Виктор Аронович
Рецензия: Денис Леонидович, конкретизируйте в "Научной новизне", что новое Вы предлагаете в технологии и конструктивно? После этого, статью рекомендую статью к публикации.



Комментарии пользователей:

26.09.2020, 16:09 Саньков Петр Николаевич
Отзыв: Лобанов Игорь Евгеньевич точно отметил, что к недостаткам статьи следует отнести то, что автор не показал, чем предложенный им метод преимущественно(!) отличается от существующих методов. Автору следует учесть это замечание (хотя я в своей рецензии не отметил это упущение)!


Оставить комментарий


 
 

Вверх