Разработка методики расчета очистки продуктов сгорания от оксидов серы

Водолажский Д.А.

Физико–металлургический факультет, Донецкий национальный технический университет, 

Украина, Донецк, 83000, ул. Артема, 58

РЕФЕРАТ

    Статья направлена на решение экологических проблем ТЭС. Известно, что основой нашей электроэнергетики нашей страны являются ТЭС. В подавляющем большинстве случаев котлоагрегаты станций работают на серосодержащем топливе. При его сжигании входящая в состав топлива сера вступает в реакцию с кислородом воздуха и образует диоксид SO₂ и триоксид SO₃ серы, которые при отсутствии очистки выбрасываются с дымовыми газами в атмосферу.Негативное влияние серосодержащих и других вредных компонентов дымовых газов ТЭС на здоровье населения, флору и фауну, строительные объекты и народно-хозяйственные сооружения не ограничивается близлежащей к ТЭС территорией, а распространяется на сотни и тысячи километров.

ВВЕДЕНИЕ

Выбросы оксидов серы при производстве электроэнергии приходятся на тепловые электрические станции, использующие в качестве топлива уголь. Оксиды серы наиболее трудно поддаются очистке и в то же время являются одними из токсичных соединений оказывающих вредное воздействие, на здоровье людей, окружающую среду. Оксиды серы, а также образующий­ся при их соединении с водяными парами, кислоты ( H₂SO₃ и H₂So₄ ) вызывают  разрушения стальных конструкций и строительных материалов, снижение прозрачности атмосферы, гибель хвойных лесов и плодовых деревьев, снижают урожайность сельскохозяйственных культур. Диоксид серы нарушает процесс фотосинтеза и дыхания, вызывает острые и, хронические повреждения листьев. Следует отметить, что вредное воздействие SO₂ увеличивается при наличии в атмосфере диоксида азота и повышении влажности. Кураховская ТЭС является одной из мощных тепло­вых станции Украины (мощность 1400 МВт) и использует в качестве топлива промпродукт (S_p=2,8%), Шламы (S_Р=2;3%), доyецкий уголь марки Г  (S_Р-1,43%). Для подсветки факела и стабилизации горения используется мазут (S_р=2,8%).Для улавливания выбросов оксидов серы принята установка, разработанная ВТИ и ЮЖЭнергоэкология, которая выполнила компоновку сероочистки в ячейке энергоблока.В настоящей работе были разработана методика и выполнен расчет абсорбции диоксида серы. 

1 ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СЕРООЧИСТКИ

            На основании указанных исходных данных подсчитаны объемы про-дуктов сгорания для различных, присосов, а также содержания в дымовых га-зах токсичных компонентов.Определены требуемые степени сероулавливания при содержании SO₂ в очищенных газах 0.4, 0.6, 1.0 и 1.2 г/нм³. Наибольшие выбросы диоксида сeры существуют при совместном сжигании высокосернистого газового промпродукта с мазутом (6057 кг/ч), а наименьшие - при совместном сжигании мазута и угля по данным ТЭС (3369 кг/ч). Концентрация хлоридов изменялась в зависимости от сжигаемого топлива слабо и средняя, их концентрация в газах составила примерно100 мг/м³ .В таблице 1.1 приведены, основные, параметры дымовых газов, на которых базируются дальнейшие расчеты схемы и аппаратов.     Поскольку характеристики дымовых газов, образующихся при сжигании шлама с мазутом, имеют промежуточное значение, то для дальнейших, расчетов взяты крайние значения характеристик. Следует оговорить, что общая, степень золоулавливания принята равной 99%. В качестве реагента по согласованию с ТЭС взят мел с содержанием кальцита СаСОз равным 95% .На дальнейших стадиях создания сероочистки будет применяться угочненный химсостав фактически поставляемого реагента. Учитывая возможное изменение количества рбразующегося в дымовых газах диоксида серы, наиболее пригодной технологией, обеспечивающей требуемую глубокую очистку газов, является мокрая известняковая  сероочистка. Она имеет следующие достоинства:

-применяемый реагент- известняк, нетоксичен и практически нерастворим в воде

 -получаемый продукт сероочистки - двухводный гипс, также нейтрален и нейтрален и не оказывает  вредного воздействия на окружающую среду

 -повышенные содержания диоксида серы в очищаемых газахдостаточно легко компенсируются, увеличением расхода циркулирующей в абсорбере суспензии;

 - избыток реагента, в цикле превышает стехиометрическое соотношение не
более чем на 5%;

 -двухводный гипс легко складируется и может при необходимости быть использован для изготовления различных строительных материалов.

       По безопасности, потреблению энергии, возможной степени очистки мокрая, известняковая технология для данной электростанции является предпочтительной. При этом использование мела вместо известняка позволяет отказаться от весьма дорогой системы дробления и тонкого размола реагента, что снижает потребление энергии на собственные нужды.

       ТАБЛИЦА 1.1 - Основные параметры дымовых газов  

 1- мазут и газовый уголь по данным ГЭС

  2- мазут и шлам газовых углей

  3-мазут и газовый промпродукт.

2.МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС АБСОРБЦИИ ДИОКСИДА СЕРЫ

            2.1 Химические основы процесса

             Технология мокрой известняковой очистки основывается на следующих химических реакциях:

            - малорастворимый в воде мел ( известняк ) в присутствии диоксида углерода и воды переходит в растворимый бикарбонат кальция:

                                                        CaCO₃+CO₂+H₂O = CaCO₃ 

             -диоксид серы растворяется в воде, образуя слабую сернистую кислоту:

                                                         SO₂+H₂O = Ca(HCO₃)₂

            -последняя реагирует с бикарбонатом и карбонатом кальция, образуя бисульфит и                                                           сульфит кальция:

                             H₂SO₃+Ca(HCO₃)₂  = Ca(HSO₃)₂·0,5H₂O+2CO₂+0,5H₂O;

                              H₂SO₃+CaCO₃ = CaSO₃·0,5H₂O+CO₂+0,5H₂O;

             -бисульфит и сульфит кальция доокисляется с образованием устойчивого двухводного сульфата кальция (двухводного гипса):

                             Ca(HCO₃)₂·0,5H₂O+0,5O₂+0,5H₂O + CaSO₄·2H₂O;

                             CaCO₃·0,5H₂O+0,5O₂+1,5H₂O = CaSO₄·2H₂O;

                             Ca(HCO₃)₂·0,5H₂O+0,5O₂+0,5H₂O = CaSO₄·2H₂O;

Выделяющийся диоксид серы вновь растворяется в воде и улавливается суспензией. Эта реакция проходит преимущественно в сборной емкости.Подставив в формулы молекулярне массы всех реагирующих веществ и приведя все реакции к реакции образованияд вухводлного гипса полу чим, что для образования 344 г.CaSO₄·2H₂O не обходимо 200 г.CaCO₃ ,128 г. 2SO₂,54 г.H₂O и 32 г.О₂. Или для получения  1 кг чистого гипса необходимо 0,582 кг.CaCO₃, 0,372 кг SO₂ , 0,157 кг H₂O, 40,0,94 кг O₂  .

 2.2 РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА СЕРООЧИСТКИ

            Расчетное топливо: донецкий газовый промпродукт 91,1 т/ч и сернистый мазут 14,3 т/ч. Расчетный расход топлива 105,4 т/ч. Общий объём газов, подаваемых на абсорбцию 896843 нм³/ч, концентрация SO₂ в них составляет 6,75 г/нм³, следовательно на установку подается SO₂ в количестве:

                                            (896843·6,75)/1000 = 6053,7 кг/ч

необходимая степень очистки дымовых газов от SO₂при допустимой его концентрации 400 м²/нм² составит

                                            С₀ = (6,75-0,4)/6,75 = 0,94

Количество SO₂, улавливаемое в абсорбере при необходимой степени очистки 94%:

                                            G_S02 = 6953,7·0,94 = 5690,5 кг/ч.

При таком количестве улавливаемого SO₂ образуется CaSO₄·2H₂O в количестве:

                                            G_CaSO4·2H2O = 5690,5/0,372 = 15297 кг/ч.

Расход CaSO₃ составляет:

                                            G_CaCO3 = 15297·0,582 = 8903 кг/ч.

Необходимое количество Н₂О

                                            G_H2O = 15297·0?157 = 2402 кг/ч.

Расход кислорода составляет :

                                            G_O2 = 15297·0,094 = 1438 кг/ч.

            Данный расчет произведен для условий при которых взаимодействующие вещества прореагировали на100% и эти вещества взяты в чистом виде без примесей. На практике такого не происходит и, поэтому, необходимо сделать поправку. Примем для расчета мел с содержанием CaSO₃ 95%  и 5% инертных примесей

Расход мела составит

                                           G_мел=8903/0,95=9372 кг/ч.

Принимается,что 50% кислорода потребляется на окисление из дымовых газов в процессе абсорбции, а 50% потребляется за счет принудительной подачи воздуха в суспензию, то есть

                                           G_O2=1438/2=719 кг/ч.

Так как в воздухе содержится 21% кислорода, то расход воздуха принимаем с пятикратным избытком

                                              G_возд=719·5=3595 кг/ч.

В результате процесса абсорбции гипс смешивается с различными примесями,доля примесей примерно 8%.Таким образом количество конечного  продукта равно

                                            G_пр =15297·1,08=16521 кг/ч.

Теоретические расчеты и характеристики предлагаемой сероочистки сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1-Расчетные данные и практические результаты мокроизвестковой очистки дымовых газов

Расхождение теоретических расходов с характеристиками и практических результатов объясняется тем, что при расчетах взяты идеальные условия прохождения реакции, то есть все вещества прореагировали на 100%. Поэтому выход продукта получается больше ,чем на практике, при меньших затратах материалов.

В реальной установке неизбежны всевозможные потери, колебания состава реагирующих веществ, технологические особенности и т. п.

3.ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА СЕРООЧЕСТНОЙ УСТАНОВКИ И ЕЕ РАБОТА

Принципиальная технологическая схема сероулавливающей установки показана на рисунке 3.1.

Установка состоит из следующих технологических узлов и систем:

-ступень предпромывки дымовых газов перед абсорбером;

-абсорбером со сборной емкостью и брызгоуловителем;

-узел приготовления меловой суспензии;

-узел нейтрализации сточных вод;

-узел отделения от воды двухводного гипса;

-технологические емкости;

-АСУ ТП;

-склад реагента.

Рассмотрим особенности каждого узла и системы. Ступень предпромывки газов предназначена для удаления из них хлоридов и избыточных количеств летучей золы. Поскольку в донецких углях фоновое содержание хлоридов составляет в среднем 0,1%, то при сероочистки  в  водном цикле будут накапливаться значительные концентрации хлорида кальция CaCl₂,который будет тормозить основной процесс. Ввести его можно со сточными водами, причем количество этих вод прямо пропорционально концентрации в воде хлоридов. В ступени предпромывки можно довести содержание CaCl₂ вплоть до 100 г/л, тогда как в абсорбере концентрации этого вещества не должна превышать 10-15 г/л. Такая концентрация хлоридов в воде обусловливает  ее pH на уровне 1,5-2, когда диоксид серы практически не улавливается. Удаление из газов избыточных количеств летучей золы  уменьшает последующий  абразивный износ элементов абсорбера, а также локализует в ступени предпромывки выщелачивание из нее тяжелых металлов, концентрация которых, как и в случае с хлоридом ,будет повышена. Кроме того, удаление избыточных количеств золы улучшает белизну двухводного гипса и его товарные качества.

Абсорбер включает в себя кроме сборной емкости и брызгоуловителя  узлы ввода циркулирующих суспензии, окислительного воздуха, меловой суспензии, и также патрубки для присоединения к аппарату циркуляционных насосов, насосов откачки гипсовой суспензии и аварийного слива. Абсорбер  выполнен по прямоточной схеме что, позволяет повысить в нем скорость газов до 6 м/с и существенно уменьшить высоту и диаметр по сравнению с раннее разработанными аппаратами. При этом, однако, достижимая предельная концентрация диоксида серы несколько возрастает и составляет примерно 350 мг/нм³ по сравнению с 250 мг/нм³ в противоточных конструкциях.

Брызгоуловитель располагается непосредственно над сборной емкостью , что упрощает его обслуживание в процессе эксплуатации. Кроме того, этот узел работает при пониженных pH циркулирующей суспензии, что уменьшает вероятность его зарастания сульфитными отложениями.

Склад реагента для уменьшения его пыления целесообразно разместить в легком закрытом помещении. Он оборудуется грейферным механизмом, который загружает реагент в узел приготовления меловой суспензии.

Узел приготовления меловой суспензии включает в себя расходный бункер с питателем, глиномешалку и емкость для хранения суспензии. Узел оборудуется также насосами для перекачки суспензии и подачи ее в абсорбер.

Узел нейтрализации сточных вод предназначен для нейтрализации кислых стоков из ступени предпромывки и выделения из них тяжелых металлов. Нейтрализованные стоки, обогащенные хлоридами, могут либо перерабатываться, либо сбрасываться на золоотвал.

Узел отделения от воды двухводного гипса включают в себя систему гидроциклонов, которые предварительно сгущают гипсовую суспензию, и вакуумные фильтры или центрифуги, которые доводят влажность гипса примерно до 5%.

Технологическими емкостями являются емкость для сбора фильтрата (фугата) и аварийная емкость. Последняя предназначена для слива в нее циркулирующей в абсорбере суспензии при технологических авариях и капитальных ремонтах абсорбера.