Снижение вредных выбросов тепловых электростанций Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ЭКОЛОГИЯ

УДК 66.074

Зверева Э.Р., Фарахов Т.М., Исхаков А.Р.

СНИЖЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

В статье представлены результаты расчета насадочного абсорбера, обеспечивающего высокую степень очистки дымовых газов тепловых электростанций от диоксида углерода, оксидов азота и оксидов серы по данным, предоставленным Казанской ТЭЦ-1.

Ключевые слова: дымовые газы, углекислый газ, оксиды азота, оксиды серы, хемосорбция, моно-этаноамин, насадочный абсорбер.

К числу важнейших проблем, связанных со сжиганием органического топлива на тепловых электростанциях, относятся выбросы в окружающую среду, вследствие невозможности организации безотходного производства. Энергетика сегодня поставляет в атмосферу 23,3% суммарных выбросов от стационарных источников в Российской Федерации [1]. Основными загрязняющими веществами энергетики являются оксиды серы SO2, SO3, оксиды азота NOx, оксиды углерода CO, CO2, углеводороды ОДп, сероводород H2S, бенз(а)пирен ^0^, оксиды ванадия V2O5, а также твердые частицы и др. [2].

Для теплоэнергетики характерными выбросами являются соединения серы. При сжигании мазутов и твердых топлив образуются оксиды серы SO2, SO3, зола. Так как при сжигании сернистых топлив образуется 97-98% SO2 и лишь2-3% SO3, то все выбросы оксидов серы определяют в основном в виде сернистого ангидрида. Особенностью энергетического производства является непосредственное воздействие на природную среду в процессе извлечения топлива и его сжигания. В результате полного сгорания топлива в воздушной среде в дымовых газах образуются углекислый газ СО2, водяные пары Н2О, азот N2 оксиды серы SO2 и SO3, оксиды азота NO, NO2 и N2O и зола, которые выбрасываются в атмосферу.

Наличие вредных газообразных продуктов сгорания органических топлив в атмосфере приводит к разрушению озонового слоя, образованию фотохимических туманов (смога), эрозии почвы, уничтожению флоры, вызывает различные заболевания у человека. Охрана воздушного бассейна является актуальной проблемой защиты окружающей среды, так как загрязненный воздух обладает наибольшей пространственной мобильностью по сравнению с другими составляющими среды.

Для очистки газов от примесей в настоящее время применяется большое количество технологий, основанных на различных химических и физических принципах. Применяются сухие (фильтрация, адсорбция, термическое и каталитическое окисление, электронно-лучевое воздействие), комбинированные (адсорбционно-каталитические, абсорбционнокаталитические) и мокрые (хемосорбция, абсорбция, промывка) способы очистки [3]. Одним из наиболее эффективных способов очистки дымовых газов является процесс абсорбции. При относительно небольших расходах дымовых газов целесообразно использовать аппараты насадочного и тарельчатого типов [4; 5], которые эффективнее полых вихревых аппаратов. Был произведен расчет насадочного абсорбера из двух секций и глухой тарелкой между ними для комплексной очистки дымовых газов Казанской ТЭЦ-1 от диоксида серы, оксидов азота и диоксида углерода. В первой секции насадки происходит очистка от диоксида серы и оксидов азота, а во второй - от диоксида углерода. В качестве контактных устройств использовались нерегулярные насадки «Инжехим-2000» [3] с

2 3

удельной поверхностью 100 м /м .

В работе [6] представлена сравнительная характеристика массообменных аппаратов для очистки дымовых газов от диоксида углерода с двумя типами насадок - «Инжехим-2000» и кольца Рашига. Установлено, что лучшие массообменные характеристики наблюдаются при использовании насадок «Инжехим-2000»(исходные данные см. в табл. 1).

Таблица 1. Исходные данные для расчета абсорбера

Величина Значение

Массовый расход газа 0,223 кг/с

Температура О о 1П 1П

Давление 1 атм

Начальная концентрация диоксида серы 0,003247 мольн. д

Начальная концентрация оксидов азота 0,356 мольн. д.

Начальная концентрация углекислого газа 0,109 мольн. д.

Абсорбент для поглощения диоксида серы и оксидов азота Техническая вода

Абсорбент для поглощения углекислого газа 15% МЭА

Степень извлечения 0,95

Для абсорбции оксидов азота и диоксида серы был выбран озонноаммиачный метод, заключающийся во вводе в дымовые газы озона, который окисляет низшие малореакционные оксиды серы и азота ^02 и N0) до

высших оксидов (Б03, N02, N205), хорошо поглощаемых водой [7]. В качестве абсорбента поглощения оксидов азота и диоксида серы в расчете использовалась техническая вода. Таким образом, при очистке дымовых газов от оксидов азота и диоксида серы происходит физическая абсорбция. Для улавливания углекислого газа в расчете [6] использовался 15% водный раствор моноэтаноламина (МЭА), в результате чего происходит процесс хемосорбции, сопровождающийся следующими химическими реакциями [5]:

С02 + 2ДМЯ3 +Н20 -> (2ЯМЯ3)2С03,

С02 + (ДМЯ3)2С03 + Н20 -> 2ДМЯ3ЯС03,

где Я - группа 0НСН2СН2.

В результате данного механизма коэффициент массоотдачи в жидкой фазе увеличивается на величину коэффициента ускорения [5; 8]:

Г = , (1)

»Ит’

где м = » = й- К=и^г-В^АГ.

Здесь Вж - концентрация активной части хемосорбента в основной массе жидкости, кмоль/м , п - стехиометрический коэффициент, Ар - концентрация свободного С02 в растворе на границе раздела фаз, кмоль/м , БВ -коэффициента молекулярной диффузии хемосорбента, м /с, - коэффициент молекулярной диффузии С02 в абсорбенте, м /с, рж - коэффициент

массоотдачи в жидкой фазе, а - порядок реакции по А, гп - константа ско-

рости прямой реакции, (кмоль/м3)1-а-в/с, в - порядок реакции по В.

Коэффициенты массоотдачи для жидкой и газовой фаз рассчитываются по формулам (2 и 3) [9]:

Рж = 0,93 (2)

(£г_жм°'25

(Зг = 0,028 ^ г , (3)

5С 3^0,4

3 2

где q - плотность орошения м /(м •с), ау - удельная поверхность насадки,

2 3

м /м , у - коэффициент смачиваемости, 8св - свободный объем насадки м3/м3, 8г-ж - диссипация энергии газового потока, Вт/м3.

Результаты расчета по модели идеального вытеснения и диффузионной модели представлены в табл. 2 и табл. 3.

Таблица 2. Характеристика абсорбера (модель идеального вытеснения)

Тип насадки Инжехим-2000 35мм

Рабочая скорость газа, м/с 1,47

Рабочий расход технической воды, кг/с 1,27

Рабочий расход МЭА, кг/с 0,78

Расход газовой смеси, кг/с 0,223

Диаметр колонны, м 0,4

Высота секции насадки для улавливания Б02 и N0*, м 1,3

Высота секции насадки для улавливания С02, м 1,4

Таблица 3. Характеристика абсорбера (с учетом перемешивания потоков)

Тип насадки «Инжехим-2000»35мм

Диаметр колонны, м 0,4

Высота секции насадки для улавливания диоксида серы и оксидов азота, м 2,0

Высота секции насадки для улавливания СО , м 2,1

На рис. 2 показана схема рассчитанной массообменной колонны для комплексной очистки дымовых газов от оксидов азота, оксидов серы и диоксида углерода.

Техническая вода + 502 + N04

Рис. 2. Абсорбер для комплексной очистки дымовых газов: 1 - абсорбер; 2, 4, 7 - входные патрубки; 8, 9, 10 - выходные патрубки; 3 - секция насадки для улавливания Б02 и N0* с высотой Их; 6 -секция насадки для улавливания С02 с высотой И2; 5 - «глухая» тарелка.

Предлагаемый массообменный аппарат (рис.2) состоит из двух секций насадки и глухой тарелкой между ними. Дымовые газы поступают через патрубок 2 в абсорбер 1. Далее они проходят через секцию насадки 3, где происходит их очистка от оксидов азота и оксидов серы с использованием в качестве поглотителя технической воды, поступающей в патрубок 4 и стекающей вниз по насадочному слою 3. Далее дымовые газы, минуя «глухую» тарелку 5, проходят через секцию насадки 6, где происходит их очистка от диоксида углерода, поглощаемого раствором моноэтаноламина, поступающего в абсорбер через патрубок 7. Очищенные дымовые газы покидают массообменную колонну через патрубок 8. Отработанные абсорбенты МЭА и техническая вода выходят из колонны через патрубки 9 и 10 соответственно.

Аппарат работает в пленочном режиме при малых скоростях газа. Таким образом, отсутствует влияние газового потока на скорость стека-

ния по насадке жидкой пленки и, следовательно, на количество задерживаемой в насадке жидкости.

Выводы. Рассчитана массообменная колонна с нерегулярными насадками «Инжехим-2000» для комплексной очистки дымовых газов по данным, представленным Казанской ТЭЦ-1 от диоксида серы, оксидов азота и углекислого газа. Рассчитанный аппарат обеспечивает высокую эффективность очистки и при этом имеет относительно небольшие геометрические размеры.

Источники

1. Николаев А.Н., Дмитриев А.В., Латыпов Д.Н. Очистка газовых выбросов ТЭС, работающих на твердом и жидком топливе. Казань: ЗАО «Новое знание», 2004. 135 с.

2. Крейнин Е.В., Михалина Е.С. Выбросы в атмосферу в электроэнергетике // Экология и промышленность России, 2002, декабрь. С. 9-13.

3. Лаптев А.Г., Фарахов М.И. Гидромеханические процессы в нефтехимии и энергетике. Казань: Изд-во Казанск. гос. ун-та, 2008. 729 с.

4. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты газоочистки: уч. пос. Пенза: Изд-во ПГУ, 2006. 201 с.

5. Зиятдинова Л.Р. Поглощение диоксида углерода из дымовых газов в полых вихревых аппаратах: дисс... канд. техн. наук. Казань: КГТУ, 2009.

6. Зверева Э.Р., Фарахов Т.М., Исхаков А.Р. Очистка газовых выбросов тепловых электростанций от диоксида углерода насадочными абсорберами // Энергетика Татарстана. 2010, № 4. С. 46-49.

7. Росляков П.В. Методы защиты окружающей среды: учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. 336 с.

8. Аксельрод Ю.В. Газожидкостные хемосорбционные процессы. Кинетика и моделирование. М.: Химия, 1989. 240 с.

9. Лаптев А.Г., Фарахов М.И., Минеев Н.Г. Основы расчета и модернизация теплообменных установок в нефтехимии. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2010. 574 с.

Зарегистрирована 01.02.2011 г.