автор М.С. Коростылев, научный руководитель-доц. А.С. Парфенюк .

Одной из острых глобальных проблем, стоящих перед человечеством в конце ХХ века является проблема комплексной переработки твердых промышленных и бытовых отходов. Выводятся из использования значительные площади плодородных земель для захоронения непереработанных отходов. Кроме того, такие захоронения представляют собой серьезную экологическую опасность из-за загрязнения воды, воздуха токсичными веществами.

В качестве одного из наиболее эффективных методов термической переработки ТУО предлагается термолиз, как сравнительно простой и позволяющий использовать ТУОТ в качестве высококалорийного топлива.

Для эффективного сжигания ТУОТ предлагается использовать топки, в которых используется явление "кипящего" слоя. Хотя нужно отметить тот факт, что сжигание в "кипящем" слое сопровождается выделением вредных веществ, что влияет на экологическую ситуацию и состояние здоровья людей.

Вопросам изучения образования вредных веществ (в частности NO_x, SO₂) и поиску методов и устройств их снижения и устранения из дымовых газов и посвящена эта работа /1/.

Организация процессов горения топлив, исключающих или снижающих поступления в атмосферу токсичных веществ и пыли , является одной из важнейших задач при производстве электрической и тепловой энергии.

Рассмотрим некоторые особенности поведения дисперсных примесей и оксидов при сжигании твердого топлива в топках с "кипящим" слоем:

• Твердые частицы составляют около 60% общего количества аэрозолей, попадающих в воздух из промышленных источников во всем мире. Основные источники вредных выбросов-это, в первую очередь, ТЭС, промышленные и отопительные котельные, металлургические и цементные заводы, угле- и рудообогатительные фабрики. Вредное воздействие пылей на организм человека обусловлено ее концентрацией в воздухе, дисперсностью, твердостью и формой частиц, их электростатическими свойствами и химическим составом.

• Сернистый ангидрид является одним из наиболее трудноуловимых загрязнителей воздушного бассейна. Агрессивность SO₂ обусловлена тем, что он окисляется в серный ангидрид, а затем переходит в серную кислоту. Содержание окислов серы в дымовых газах не зависит от организации топочного процесса и практически определяется концентрацией серы в топливе. Процесс образования SO₂ следует рассматривать в комплексе со свойствами образующихся в результате сжигания минеральных составляющих золы, которые могут вступать во взаимодействие с соединениями серы или катализировать реакции с их участием.

• Оксиды азота образуются при высоких температурах в результате взаимодействия молекулярных азота и кислорода. Доказано, что реакция имеет чисто термическую основу, т. е. окисление азота происходит после того, как завершается процесс горения. Активное участие в этом процессе принимают азотсодержащие соединения топлива (производные мочевины, аминокислот, пептидов, карбозольных структур и т. д.) /2/.

Подготовка газов, направляемых на очистку от взвешенных частиц в газоочистные установки, проводится путем искусственного изменения технологических параметров очищаемых газов с таким расчетом, чтобы они стали соответствовать оптимальным характеристикам применяемых газоочистных аппаратов.

Наиболее часто приходится изменять следующие параметры:

1. Дисперсность взвешенных частиц;
2. Концентрация частиц;
3. Температура очищаемых газов;
4. Влажность газов.

Ниже рассматривается влияние этих параметров на работу газоочистных аппаратов.

Эффективность работы газоочистного оборудования определяется скоростью осаждения взвешенных частиц (с увеличением скорости осаждения эффективность растет). В пылеуловителях центробежного действия скорость осаждения W_ч (м/с) осаждения в области существования закона Стокса можно рассчитать, приравнивая центробежную силу, развивающуюся при вращении газового потока:

Fцс = m_ч*w²*R

стоксовой силе сопротивления:

F_c = 3*p*m _г *d_ч*W_ч

Таким образом, скорость осаждения частиц прямо пропорциональна квадрату диаметра частиц. Во всех применяемых типах газоочистных аппаратов крупные частицы улавливаются лучше, чем мелкие, и для повышения эффективности работы целесообразно искусственно укрупнять (коагулировать) находящиеся в газовом потоке частицы перед их подачей в пылеуловители.

В газоочистных аппаратах, работа которых основана на действии силы инерции, концентрация пыли не играет существенного значения и практически может быть любой.

Допускаемая запыленность газов зависит от диаметра аппарата и может принимать следующие значения:

При определении ПДК частиц следует учитывать склонность прилипания пыли к стенкам аппарата, зависящую от физико-химических свойств газов и пыли, дисперсности, влажности, материала и состояния поверхности стенок аппарата.

Каждый тип газоочистного аппарата рассчитан на работу в определенном диапазоне температур. Эффективность инерционного механизма с повышением температуры газов падает и тем значительнее, чем меньше частица. Для сухих механических пылеуловителей верхний предел температуры в основном определяется механической прочностью материала, из которого изготовлен аппарат.

Следует иметь в виду, что эффективность осаждения пыли в этих аппаратах обратно пропорциональна динамической вязкости газов, которая с ростом температуры увеличивается.

Известно, что степень очистки газов в общем виде можно выразить формулой:

h=1-е^wf

где w - эффективная скорость осаждения частиц, м/с;

f - коэффициент, характеризующий геометрические размеры аппарата и скорость газов, м2/(м3/с);

Точка росы, или температура конденсации водяных паров в газах, зависит от количества этих паров, содержащихся в единице объема газов. Изменением влажности очищаемых газов можно регулировать точку росы водяных паров в газах, что во многих случаях позволяет достичь оптимума эффективности работы газоочистных аппаратов.

Находящаяся в газах влага при определенных условиях смачивает частицы. Под смачиваемостью понимают поверхностное адсорбирование влаги частицей. Условием смачиваемости частиц является образование на их поверхности слоя жидкости, из которого влага проникает внутрь пылевой частицы. При этом она укрупняется и утяжеляется, что облегчает ее осаждение в газоочистных аппаратах.

Кроме этого, вводя влагу, можно снизить удельное электрическое сопротивление пыли, что имеет большое практическое значение при очистке газов от пыли, обладающей повышенным сопротивлением /3/.

Согласно современным представлениям окисления азота происходит по обратимой цепной термической реакции. Химическое равновесие этой реакции

N₂+O₂ = 2NO

с понижением температуры смещается в сторону уменьшения концентрации окислов азота. Механизм реакции предопределяет зависимость выхода окислов азота от концентрации молекулярного азота и кислорода и от температуры газа. Поэтому в качестве мероприятий для уменьшения выхода окислов азота при сжигании топлив рассматривается снижение температурного уровня и уменьшение избытка воздуха (рис. 1).

Объяснением значительного отличия действительных величин выбросов ОА от их возможной величины, полученных за счет окисления азота воздуха, может служить участие азотистых соединений топлива в образовании ОА. При этом надо отметить, что весь азот, содержащийся в топливе, входит в состав его органической массы, в минеральной части азот практически не содержится.

Разложение азотистых соединений топлива начинается при температурах 500 - 600 ° С. Распределение азота между продуктами термолиза (ТУОТ и газом) соответственно: 35% и 64%. В газообразных продуктах термолиза азот содержится, в основном, в виде аммиака (до 50%), элементарного азота, цианистого водорода и ОА.

Общее количество ОА можно разделить на две составляющие: первичные ОА и вторичные, вводимые с рециркуляционными газами. При этом, если не учитывать присоса воздуха по тракту котла, концентрация первичных ОА равна концентрации вторичных, то есть с вводом рециркуляционных газов увеличивается общее количество ОА.