|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Топливо для котельных агрегатов Жидкое топливо (котельный мазут) Твердое топливо и его классификация Экономия топлива в котлоагрегатах Снижение концентрации и содержания окислов серы и азота в дымовых газах --> Очистка дымовых газов от окислов серы в продуктах сгорания
Экономия тепловой энергии на предприятии
Котельные установки с паровыми и водогрейными котлами и их компоновка
Технологическая схема производства тепла в котельной
Устройство котельных помещений
Вода для питания паровых и водогрейных котлов
Требования к качеству питательной воды
Подготовка воды для питания котлов
Деаэрация питательной и подпиточной воды для питания котлов
Водный режим котельных агрегатов
Горение топлива
Энтальпия воздуха и продуктов сгорания
Тепловой баланс котельных агрегатов
Коэффициент полезного действия КПД котельных агрегатов
Составные части теплового баланса котельного агрегата |
СНИЖЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ И СОДЕРЖАНИЯ ОКИСЛОВ СЕРЫ И АЗОТА В ДЫМОВЫХ ГАЗАХ
Присутствие серы значительно снижает теплоту сгорания топлива, особенно высококалорийного, так как при сгорании 1 кг серы выделяется в среднем только 2600 калорий. Высокое содержание серы приводит к сильному загрязнению продуктов сгорания топлива сернистым ангидридом SO2. При наличии избыточного воздуха происходит частичное окисление SО2 до SО3 (соединяясь с Н2О, образуют Н2SО4). Н2SО4 вызывает коррозию поверхности нагрева, разрушает металл котельного оборудования, попадая в атмосферу, вредно действуют на живые организмы и растительность. Содержание окислов серы в продуктах сгорания значительно повышает температуру точки росы (иногда до 140 – 150 °С), что ограничивает возможную глубину охлаждения дымовых газов по условиям коррозии и тем самым снижает экономичность котловых агрегатов, а также возможность использования дополнительного оборудования для использования теплоты дымовых газов. Поэтому сера — крайне нежелательный элемент для топлива. Сернистые газы, проникая в рабочие помещения, могут вызвать отравление обслуживающего персонала. Повышенное содержание серы в автомобильном топливе (бензин, дизельное топливо) отрицательно влияет на части двигателя, снижает качество смазки, уменьшает период безаварийной эксплуатации, ухудшает экологию.
ОБЕССЕРИВАНИЕ ТОПЛИВА НА НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ЗАВОДАХПри перегонке нефти на нефтеперерабатывающих заводах в легкие фракции переходит небольшое количество серы, а подавляющая часть сернистых соединений (70 - 90%) концентрируется в высококипящих фракциях и остаточных продуктах, входящих в состав мазута. Удаление серы из нефтяных топлив можно осуществить посредством . В этом процессе происходит взаимодействие водорода с сероорганическими соединениями и образуется сероводород Н2S, который улавливается и может использоваться для получения серы и ее соединений. Процесс протекает при температуре 300—400 °С и давлении до 10 МПа в присутствии катализаторов — окислов молибдена, кобальта и никеля. Гидроочистка дистиллятных фракций в настоящее время достаточно хорошо разработана и экономически эффективна. Процесс гидроочистки остаточных нефтепродуктов осложнен тем, что присутствующие в них металлоорганические соединения отравляют дорогостоящие катализаторы и уменьшают длительность кампании очистительной аппаратуры в связи с необходимостью частой замены катализатора. К тому же при очистке остаточных продуктов резко возрастает расход водорода. Количество водорода, получаемого как побочный продукт при нефтепереработке, становится недостаточным, и возникает необходимость в сооружении специальных весьма дорогих установок для его генерации. Все это ведет к существенному удорожанию процесса обесcеривания. Обессеривание топлива на нефтеперерабатывающих заводах связано с большими капитальными затратами — примерно $2/т на каждые 0,5% снижения содержания серы. Глубокое обессеривание котельного топлива (с 2,5 до 0,5%) приводит к удвоению его стоимости и поэтому может оказаться целесообразным только в случаях, когда это особенно необходимо (например, для ТЭЦ отдельных крупных городов при высокой фоновой загазованности).
ПЕРЕРАБОТКА СЕРНИСТЫХ ТОПЛИВ ПЕРЕД СЖИГАНИЕМ НА ТЭС
Снижение сернистости сжигаемого топлива можно осуществить, подвергая его воздействию высоких температур с использованием окислителей (газификация) или без них (пиролиз). Процесс газификации осуществляется при температурах 900—1300°С и ограниченном доступе кислорода и может быть описан в общем виде следующей реакцией:
CnHm + (n2 / 2 ) · O2 → n2 · CO + (m1 / 2) · H2 ,
где m1 + m2 = m, n1 + n2 = n
В результате этой реакции образуется газ, горючими компонентами которого являются метан и его гомологи, окись углерода и водород. Из серы топлива в этом случае образуется сероводород – более активное вещество, чем SO2 который может быть удален до поступления в топку котла. При паровоздушном дутье получается газ с весьма малой теплотой сгорания – около 4,5 МДж/м3; применяя парокислородное дутье, можно повысить теплоту сгорания до 12 МДж/м3. Во ВНИИНП осуществлена установка для газификации мазута под давлением 0,5 – 2 МПа на парокислородном дутье. (Рис 2,a) При этом образуется высококалорийный газ, содержащий около 90 % водорода и окиси углерода. При температуре газификации 1100 – 1300ºС расход пара составляет 0,4 кг, а кислорода 0,75 кг на 1 кг мазута. Выходящий из газогенератора газ промывается водой в скруббере и сажеотделителе. Сажа отделяется от охлаждающей воды в отстойнике, и вода используется повторно для орошения газа.
Рис.2,а. Схема установки для газификации мазута. Установка ВНИИНП. 1 — насос; 2 — подогреватель; 3 —ресивер; 4 —форсунка; 5 — газогенератор; б — сажеотделитель; 7 — скруббер; 8 — отстойник; 9 — насос. Институтом высоких температур АН СССР совместно с ВНИИНП была разработана установка для газификации на воздушном дутье (рис. 11.9,6). Воздух из компрессора с параметрами 0,8 МПа и 300 °С в количестве 40% теоретического (необходимого для горения) поступает в реактор-газификатор, куда также поступает мазут. Из реактора продукты газификации поступают в котел-утилизатор, где теплота передается котловой воде, а продукты охлаждаются до 500—550 °С; дополнительное охлаждение их происходит в газо-газовом теплообменнике, где нагревается очищенный газ. Охлажденный газ очищается от золы и сажи, а также от сероводорода. Далее подогретый в газо-газовом теплообменнике очищенный газ с давлением 0,45 МПа поступает в газовую турбину, приводящую во вращение компрессор для сжатия воздуха, где он расширяется до атмосферного давления и подводится к горелкам котла. В установке используется мокрая система очистки от золы и сажи с замкнутой циркуляцией воды; часть воды из золоуловителей осветляется и возвращается в цикл. Твердые фракции, выведенные из осветленной воды, подаются на повторную газификацию и частично сбрасываются с продувкой. Зола мазута, содержащаяся в продувке, богата ванадием и может использоваться как сырье для его получения. Очистка газа от H2S осуществляется одним из известных способов, например с помощью метаноламина. Калорийность газа оказывается низкой (около 4 МДж/м3), что не является препятствием для его использования на ТЭС.
Рис.1,б. Схема установки для газификации мазута. Установка ИВТ АН СССР. 1 — компрессор; 2 — реактор-газификатор; 3 — котел-утилизатор; 4 — газо-газовый теплообменник; 5 — мокрая очистка от сажи и золы; 6 — осветитель промывочной воды; 7 — насос циркуляции промывочной воды; 8 — система очистки от сероводорода; 9 — газовая турбина; 10 — котел; 11 — барабан котла; 12 — насос рециркуляции котловой воды. Потери теплоты в установке составляют около 7% теплоты исходного топлива. Около 70% теплоты исходного топлива превращаются в химическую энергию продуктов газификации, а 23% выделяются в виде теплоты, полезно воспринимаемой в котле-утилизаторе, и физической теплоты газа, вносимого в котел. Получающиеся при газификации сера и ванадий частично компенсируют затраты на переработку топлива. При комплексном энерготехнологическом использовании топлива, когда возникает задача получения из топлива химического сырья и чистого энергетического топлива, для термического разложения мазута может использоваться высокотемпературный пиролиз с последующей газификацией твердого продукта (нефтяного кокса). Пиролиз мазута происходит при его нагревании до температуры 700—1000 °С без доступа окислителя. Пиролиз мазута по методу ЭНИН осуществляется путем непосредственного контакта распыленного мазута с теплоносителем, находящимся как в неподвижном, так и в движущемся состоянии. В качестве теплоносителя используются твердые вещества в мелкозернистом и пылевидном состоянии (кварцит, нефтяной кокс), а также водяной пар. Размер зерен твердого теплоносителя варьируется в пределах от 3—5 мм в случае неподвижного слоя и до 100 мкм в случае циркулирующего теплоносителя. При высокоскоростном пиролизе мазут нагревается при контакте с теплоносителем за 0,02—0,40 с до 760—920 °С. Образующийся горючий газ очищается от сернистых соединений и других нежелательных примесей и используется в качестве чистого энергетического топлива. Жидкие конденсирующиеся смолопродукты разделяются при охлаждении на легкие и тяжелые фракции. Легкие фракции (бензол и др.) используются в качестве химического сырья, а тяжелые подвергаются повторному пиролизу. Образовавшийся кокс газифицируется в присутствии водяного пара. Образовавшийся водяной газ с теплотой сгорания 11,7 МДж/м3 после сероочистки используется в качестве чистого энергетического топлива. В МЭИ для пиролиза мазута, сырой нефти и тяжелых нефтяных остатков разработан способ с использованием жидкого теплоносителя — расплавов олова, свинца, цинка, шлака, NaС1, Na2СО3 и др.
ОЧИСТКА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ И ПЕРЕРАБОТКА СЕРНИСТЫХ ТОПЛИВДымовые газы, образующиеся в процессе сжигания сернистых топлив, содержат окислы серы при относительно невысокой концентрации (менее 0,3%). Удаление такого слабореакционного газа, каким является окисел серы SО2 при низких концентрациях, связано с необходимостью сооружения дорогостоящих очистительных устройств; стоимость установленного 1 кВт при этом может возрастать на 30—40%, а себестоимость выработанной энергии - на 15 - 20 %
Простейшим и наиболее дешевым способом очистки дымовых газов котельных установок является использование извести СаО или известняка СаСО3
(рис. 1,
а).
Рис 1а. Известковый способ очистки дымовых газов от окисла серы SО2 1 — абсорбер; 2 — фильтр; 3— отстойник; 4 — аэратор; 5 — шламовый насос; 6 — воздуходувка; 7 — очищаемые дыгловые газы; 8 — очищенные дымовые газы; 9 — речная вода; 10 — известковое молоко; 11 — ввод сернокислого марганца; 12 — сброс шлама; 13 — сброс очищенной воды в реку; Очищаемый дымовой газ промывается в скруббере водой с добавкой известкового молока. С целью обеспечения возможности сброса отработавшей воды в реку перед отстойником добавляется раствор сернокислого марганца, который способствует образованию сульфата кальция. Окисление производится в отстойнике, куда подается воздух. Шлам из отстойника задерживается на фильтре. При очистке по этому способу не предусматривается получение продуктов, пригодных к реализации.Значительное распространение имеет сульфитный способ очистки дымовых газов от окислов серы (рис. 1,6), который происходит при низкой температуре (примерно 40 °С) по реакции
Na2SО3 + SО2 + Н2О ↔ 2NaНSО3.
Рис 1б . Сульфитный способ очистки дымовых газов от SО2: 1 — сажеуловитель; 2 — байпас; 3 — скруббер; 4 — подача щелочи; 5 —подача пара; 6 — кристаллизатор; 7 — возврат; 8 — сепаратор соли; 9 — конденсатор; 10 — SО2 на производство Н2SО4; 11 — отбор соли; 12 — подача реагента на скруббер; 13 — емкость для приготовления реагента; 14 — установка для производства Н2SО4;
После очистки раствор сульфит-бисульфита натрия поступает в испаритель-кристаллизатор, где при нагреве его до 110°С происходит разложение бисульфита на сульфит натрия и двуокись серы (обратная реакция). Выпар, состоящий из смеси двуокиси серы с парами воды, охлаждается для конденсации паров воды и подается на компримирование в качестве товарного продукта. Образовавшийся в виде кристаллов сульфит натрия окисляется до сульфата натрия и выводится из системы, другая часть в виде раствора направляется снова в абсорбер. Степень очистки дымовых газов от оксида серы SО2 достигает при этом способе 90%. Достаточно близким к сульфитному является аммиачно-циклический способ очистки, при котором в дымовом газе, охлажденном до 30 — 35 С, происходит реакция с раствором сульфита аммония:
SO2 + (МН4)2 SO3 + Н2О ↔ 2МН4 НSО3.
Рис 1в . Сухая очистка дымовых газов от окисла серы SО2 с помощью активированной окиси марганца : 1 — адсорбер; 2 — отделитель пыли; 3 — регенератор; 4 — реактор для получения гипса. Полученный раствор бисульфита подается в регенератор, где подвергается нагреванию до кипения, вследствие чего реакция смещается влево с выделением SО2 и сульфита аммония. После охлаждения раствор подается повторно для улавливания SО2. Часть регенерированного раствора направляется на выпарку под вакуум; из раствора выделяется сульфат аммония, образовавшийся при частичном окислении SО2 в SО3. Выделение других солей побочных реакций может быть осуществлено в автоклаве. При нагревании подаваемого в автоклав регенерированного раствора примерно до 140 °С происходит разложение сульфит-бисульфитных солей с образованием сульфата аммония и серы по реакции
(NH)2 SО3 + 2NН4 НSО3 ↔ 2 (NH4)2 SО4 + S + Н2O
Получаемая сера является дополнительным товарным продуктом этого способа.
Выбор типа сероулавливающей установки должен производиться на основании технико-экономического расчета. Сравниваемые варианты должны приводиться к одинаковой концентрации окисла серы SО2 на уровне дыхания. Если сравниваемые варианты дают разную степень очистки, приведение к одинаковой концентрации вредностей на уровне дыхания выполняется за счет различной высоты дымовых труб. Выбор варианта сероочистки для той или иной ГЭС зависит от большого количества параметров: концентрации SО2 в дымовых газах, мощности ТЭС, характера нагрузки и других факторов и осуществляется по минимуму расчетных затрат. В табл. 11.15 приводятся результаты технико-экономического сравнения аммиачно-циклического и магнезитового способов очистки от сернистого ангидрида на ГРЭС мощностью 1200 МВт, спроектированной для работы на низкокалорийном (QРн = 10,9 МДж/кг) высокосернистом (SР= 3,68%) буром угле. Степень улавливания SO2 в обоих способах принята равной 94%. Температура поступающих на сероочистку газов равна 140°С, после сероочистки 28 °С.
Таблица 11.15. Результаты технико-экономического сравнения способов очистки дымовых газов от сернистого ангидрида.
Из таблицы видно, что даже с учетом реализации серной кислоты и других побочных химических продуктов увеличение капитальных затрат и стоимости энергии за счет сероочистки оказывается весьма высоким. Расчетные затраты у магнезитного способа оказываются несколько меньшими, что свидетельствует о большой его экономической эффективности для данных конкретных условий по сравнению с аммиачно-циклическим способом. В табл. 11.16 приведены ориентировочные данные по экономической оценке глубокого обессеривания сернистой нефти до содержания серы в котельном топливе на уровне 0,5%. При сухих способах сероочистки в качестве адсорбента применяются окиси алюминия, марганца, железа, калия, активированный уголь, полукокс. На рис. 11.10, в показана схема сухой очистки дымовых газов от окисла серы SО2 активированной окисью марганца. Последняя получается путем обработки сульфата магния аммиаком по реакции
Mn SO4 + 2NН3 + Н2O + O2 ↔ MnO + (NH4)2SO4
Тонко размолотая окись марганца подается в дымовые газы, где реагирует с SO2с образованием сульфата марганца. Часть абсорбента, выделенная в пылеуловителях, возвращается на очистку дымовых газов, другая идет на регенерацию. Образующийся при регенерации сульфат аммония может использоваться в качестве удобрения. Степень очистки от SО2 по данному сухому способу составляет около 90%. Вследствие больших потерь адсорбента эксплуатационные затраты при сухих способах очистки обычно оказываются выше, чем при мокрых. В отличие от продуктов сгорания в котлах, где сера содержится в виде окислов SО2 и SО3, при переработке топлива с целью снижения содержания в нем серы как на нефтеперерабатывающих заводах, так и на ТЭС обычно получается сероводород Н2S. Сероводород довольно хорошо абсорбируется. Эффективными абсорбентами являются моно- и диэтаноламины. При абсорбции сероводорода, идущей при температуре 30 — 50 °С, происходит образование химических соединений по реакции RNН2 + Н2S ↔ RNН3НS. При температуре 105°С реакция идет в обратном направлении с образованием этаноламинов и выделением сероводорода. Регенерированный раствор направляется обратно в абсорбер. На рис. 11.11 показана схема очистки газа, содержащего Н2S, моноэтаноламином. Извлечение из газа сероводорода и попутно некоторого количества двуокиси углерода происходит в противоточном абсорбере, где сорбент насыщается Н2S и СO2 и затем направляется в отгонную колонну, в которой производится регенерация раствора при кипении его в нижней части колонны. Эффективность очистки газа от сероводорода при таком способе может достигать 99%.
Таблица 11.16. Экономическое сравнение разных способов очистки дымовых газов и снижения выбросов серы на ТЭС
Рис. 4. Схема очистки горючего газа от Н2S. 1 — абсорбер; 2 — отгонная колонна (десорбер); 3 — теплообменник; 4 — холодильник; 5 — конденсатор; 6 — паровой подогреватель; 7 — сепаратор; 8 — насос. Абсорбция сероводорода может быть также проведена растворами солей щелочных металлов. Газ промывается раствором в противоточном абсорбере, где происходит реакция поглощения сероводорода. Регенерируется раствор продувкой сжатым воздухом. Подача воздуха приводит к понижению концентрации сероводорода в растворе. Некоторые преимущества имеет вакуумный вариант процесса. Полнота извлечения составляет около 90%. Имеется большое количество других способов мокрой очистки газов от сероводорода (фенолятный, гликольаминовый, фосфатный и др.). Несмотря на простоту и эффективность мокрых способов очистки горючего газа от сероводорода, все они требуют охлаждения газа до комнатной температуры, что связано с дополнительными тепловыми потерями. Некоторые перспективы могут в этом случае иметь сухие способы очистки при высокой температуре газа. Для этого может быть использована железная руда. При контакте с сероводородом гидроокись железа переходит в сульфиды железа. Образующиеся ферросульфиды затем регенерируются в процессе выжига в присутствии водяного пара с образованием элементарной серы. Поскольку содержание сероводорода в горючем газе сравнительно велико, а его улавливание происходит более эффективно, чем SО2, большинство способов очистки газов от Н2S является рентабельным.
ПОДАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА Концентрация окислов азота в результате процесса горения в топочной камере котла зависит от температурного уровня в ядре факела и концентрации кислорода. На рис. 11.12, а показана теоретическая зависимость концентрации образующихся окислов азота от температуры и времени нахождения газов при соответствующей температуре. В топочной камере образуется низший окисел азота NO по реакциям N2O + O = NО + N; N + O2 = NO + O Первая реакция идет с атомарным кислородом, образующимся в результате диссоциации молекул кислорода воздуха О2 при высокой температуре. Образовавшийся в ядре горения топочной камеры NO не может быть доокислен в пределах газового тракта ТЭС. Доокисление до NО2 может постепенно происходить в атмосфере (последний окисел является более токсичным). Для прикидочных расчетов концентрацию окислов азота в топочных газах, г/м3, можно определять по выражению
c NO2 = 0,17 · Dэ0,8 · qv0,5 · α m3 где qv — тепловое напряжение объема, МВт/м3; Dэ — эквивалентный диаметр топки, м; α m — коэффициент избытка воздуха в топке.
Рис. 11.12. Снижение и подавление образования окислов азота в топках котлов. а — теоретическая концентрация N02 в продуктах горения в зависимости от температуры и времени реакции; б — влияние степени рециркуляции газов и способа его подачи на снижение концентрации окислов азота: 1 — подача газов через холодную воронку; 2 — то же через подовые боковые шлицы; 3 —- то же через шлицы под горелками; 4 — то же через горелки вторичного воздуха; 5 — подача газов через горелки со всем воздухом. Частичное подавление генерации окислов азота в дымовых газах котельных установок может осуществляться соответствующей организацией топочного процесса при возможно более низкой температуре в зоне горения и малом избытке воздуха. Ниже приводятся некоторые способы подавления образования окислов азота в топке котла.
Наиболее полно большинство мероприятий (поз. 1, 2, 3, 4, 6) может быть реализовано в котлах, работающих на природном газе, частично — при сжигании мазута. В случае твердых топлив не удается достигнуть значительного эффекта по подавлению образования окислов азота, так как большинство мероприятий ухудшает воспламенение и процесс горения угольной пыли. Кроме окислов серы и азота в дымовых газах котельных и ТЭС могут образовываться при определенных условиях другие вредные вещества (например, угарный газ СО). При недостатке кислорода в отдельных частях топки может протекать высокотемпературный пиролиз с образованием высокомолекулярных соединений, в частности бензапирена С20Н12, обладающего канцерогенными свойствами. Предельная его концентрация в атмосферном воздухе населенных мест — 0,1 мкг/ 100 м3. Основным способом подавления образования бензапирена является дожигание продуктов неполного сгорания.
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
на главную
