CC BY
105
УДК 621.182.94
В.К. Любое
ГОУ ВПО «Архангельский государственный технический университет»
УМЕНЬШЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПУТЕМ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ
ЗОЛОУЛОВИТЕЛЕЙ
В настоящее время с предприятиями энергетики связаны наибольшие выбросы вредных веществ в атмосферу, что приводит к возникновению экологических проблем: локального, континентального и глобального масштаба. В соответствии с законами об охране окружающей среды многие страны значительно снизили выбросы вредных веществ в атмосферу. Однако валовые выбросы в атмосферу оксидов серы и азота, а также твердых частиц достаточно велики, и большую лепту в них вносит РФ [1], [8], [13], поэтому разработка методов снижения выбросов данных веществ является актуальной задачей нашего времени. В станционной энергетике средний КПД золоулавливающих установок составляет 92 ... 95 %, и это, безусловно, низкий уровень.
В суммарное загрязнение атмосферного воздуха Архангельской области основной вклад вносят предприятия лесопромышленного комплекса (ЛПК) (более 37 %) и электроэнергетики (более 32 %), при этом в структуре выбросов загрязняющих веществ доминируют Б02 (40,6 %), твердые частицы (25,7 %), СО (17 %) и N0* (9,4 %) [9].
Малая энергетика потребляет свыше 1/4 топлива, и в ее обслуживании занято больше людей, чем в станционной, поэтому в устранении недостатков малой энергетики заложен мощный резерв экономии топлива, трудовых резервов и охраны окружающей среды. Проведение энергоаудитов и режимно-наладочных работ позволяет выявить основные недостатки в работе котлов и в ряде случаев обеспечивает повышение КПД брутто на 10 ... 20 % [3], [4], [8].
При сжигании твердого топлива важной проблемой является снижение выбросов твердых частиц в окружающую среду. Анализ валовых выбросов вредных веществ в атмосферу объектами малой энергетики области показал, что они занимают ведущее место (42,5 %), далее следуют Б02 (34,6 %) и СО (21,6 %). Это объясняется низкой степенью очистки (5 ... 83 %) продуктов сгорания в применяемых золоуловителях, а также отсутствием газоочистных установок (ГОУ) на многих котлах, работающих на каменных углях и биотопливе. Поскольку показатели работы большинства действующих ГОУ не отвечают современному уровню развития техники и требованиям Закона РФ «Об охране атмосферного воздуха», важной задачей развития ЛПК и топливно-энергетического комплекса (ТЭК) является поэтапная модернизация и во многих случаях замена устаревшего оборудования на современное высокоэффективное. Внедрение высокоэффективных золоуловителей, особенно на котлах, сжигающих биотопливо, является важным шагом в реализации концепции экологически чистой ТЭС (котельной) [8], [13].
В настоящее время большинство пылеугольных энергоблоков оснащаются электрофильтрами, широкое применение которых обусловлено их универсальностью, высокой степенью очистки газов (98 ... 99 %) при сравнительно низких энергозатратах, а также способностью обеспечить очистку больших объемов газов с концентрацией твердых частиц до 50 г/м3 и выше и возможностью полной автоматизации. На энергетических объектах Архангельской области электрофильтры нашли ограниченное применение и используются только для очистки дымовых газов содорегенерационных котлов и вновь установленных утилизационно-энергетических котлоагрегатов, сжигающих биотопливо в топках с кипящим слоем.
Анализ факторов, влияющих на эффективность очистки газов в электрофильтрах, приведен в [1], [5], [12]. Результаты испытаний котлоагрегатов ПК-10 ТЭЦ «Явожно-2» и ОР-215 ТЭЦ «АЗ Пулавы» показали, что модернизация котлов на низкоэмиссионную вихревую технологию (ВИР-технология) сжигания позволила снизить выбросы оксидов азота и серы, повысить КПД брутто котлоагрегатов на 1 ... 2 % и КПД
электрофильтров на 0,7 ... 1,5 % [5]. Эффект повышения степени очистки газов в электрофильтрах без их модернизации связан с увеличением удельной площади поверхности летучей золы за счет меньшей степени оплавленности золовых частиц, большей полифракционности и тонкости ее гранулометрического состава. Данные явления объясняются особенностями аэродинамики топочной камеры с ВИР-технологией сжигания, обеспечившей снижение уровня максимальных температур в топке на 150 ... 200°. Повышение адсорбционной способности золовых частиц за счет увеличения удельной площади поверхности позволило им воспринимать больший электрический заряд. Кроме того, снижение температуры уходящих газов усилило адсорбцию поверхностью частиц компонент с низким удельным сопротивлением (паров Н2О и БОх) и обеспечило уменьшение удельного электрического сопротивления золы. Данные факторы увеличили скорость дрейфа частиц к осадительным электродам и степень очистки продуктов сгорания [5]. Снижение температуры уходящих газов и организация эффективного сгорания топлива при сверхмалом избытке воздуха позволили уменьшить скорость газов в активной зоне электрофильтров, что также оказало влияние на повышение их КПД [5], [12].
Перевод котлов на ВИР-технологию сжигания позволил также повысить долю улавливания мелких фракций золы. Так, содержание частиц размером менее 50 мкм в золе, отобранной из-под электрофильтров модернизированного котла, увеличилось на 18,6 % [5]. Учитывая, что наиболее вредными для органов дыхания человека являются мелкие фракции (с/ч< 10 мкм), а также то, что в них преимущественно «концентрируются» радионуклиды и отмечено повышенное содержание свинца, можно утверждать, что низкотемпературная вихревая (НТВ) и ВИР-технологии сжигания позволяют уменьшить вредное воздействие летучей золы на окружающую среду.
Результаты анализов летучей золы котлов с НТВ-технологией на содержание бенз(а)пирена показали, что оно ниже, чем у золы котлоагрегатов с прямоточным пылеугольным факелом, а также намного ниже, чем ПДК для почвы и фоновые концентрации в почве [13]. Исследование удельной активности образцов летучей золы котлов с НТВ-технологией сжигания дробленых углей показало, что содержание естественных радионуклидов близко к среднему в земной коре, в 4 ... 5 раз ниже существующих нормативов для строительных материалов и в 20 ... 25 раз ниже допустимых для минеральных удобрений [13]. Полученные результаты позволили рекомендовать золу НТВ-котлов, работающих на дробленых углях, к использованию в сельском хозяйстве, а также в дорожном, промышленном и гражданском строительстве [13].
Рукавные фильтры позволяют обеспечить более устойчивую и эффективную очистку газов (до 99,9 %), чем электрофильтры при одинаковых параметрах улавливаемой твердой фазы, однако они дороже и занимают, как правило, больше места. Основной причиной, сдерживающей их распространение, является также высокое гидравлическое сопротивление (до 1,5 кПа) и невысокая температуростойкость тканей [1], [12]. По имеющимся данным, рукавные фильтры были установлены в ОАО «Савинский цементный завод», однако в результате пожара они были выведены из строя, поэтому отсутствует возможность оценки эффективности их работы на предприятиях нашего региона. Опыт внедрения рукавных фильтров за рубежом показал, что они позволяют снизить концентрацию золовых частиц в уходящих газах котельных установок до 35 ... 50 мг/м3, что соответствует показателям экологически безопасных ТЭС [1].
Большой комплекс работ по уменьшению выбросов вредных веществ в окружающую среду был выполнен в ОАО «Соломбальский ЦБК». Наиболее крупным из реализованных проектов является модернизация мазутного котлоагрегата КМ-75-40 ст. № 5 на сжигание кородревесных отходов в предтопке с «кипящим слоем» конструкции ООО «ИНЭКО». Для мокрой очистки продуктов сгорания от твердых частиц в газовом тракте перед дымососом были установлены два кассетных эмульгатора, с проектной степенью очистки газов 99 %. Опыт эксплуатации модернизированного котлоагрегата КМ-75-40 ст. № 5, оснащенного предтопком «кипящего слоя», показал, что котел стабильно работает при паропроизводительности до 65 т/ч, при повышении нагрузки появляется каплеунос из эмульгаторов. Данное явление вызывает налипание золовых частиц на лопатки рабочего колеса дымососа и нарастание вибрации, снижает экономичность работы, вызывает незапланированные остановы котлоагрегата на
чистку, сверхплановый перерасход мазута и дополнительные затраты на ремонт. Степень очистки дымовых газов, достигнутая в эмульгаторах, составила 93 ... 96 %.
Для устранения явления каплеуноса из эмульгаторов при нагрузках котлоагрегата более 65 т/ч и улучшения условий работы газового тракта и дымососа ООО «ИНЭКО» был разработан проект модернизации ГОУ, в котором был предусмотрен монтаж дополнительного двухкорпусного батарейного циклона (БЦУ 200/176) с разделительной перегородкой. БЦУ 200/176 был смонтирован в газовом тракте котлоагрегата параллельно с существующими эмульгаторами. Анализ результатов, полученных в ходе испытаний реконструированной золоулавливающей установки котлоагрегата ст. № 5, позволил сделать следующие выводы.
1. Комбинированная ГОУ, состоящая из эмульгаторов и параллельно включенной батарейной циклонной установки, позволила: а) повысить КПД нетто котла за счет уменьшения доли горячего воздуха, направляемого в газовый тракт за ГОУ, и увеличения температуры горячего воздуха, подаваемого для организации топочного процесса; б) повысить надежность работы дымососа за счет уменьшения налипания золовых частиц на его рабочие органы; в) снизить температуру сернокислотной точки росы и уменьшить последствия низкотемпературной сернокислотной коррозии.
2. Установка БЦУ 200/176 облегчила условия работы эмульгаторов и обеспечила повышение степени очистки газов в них. Суммарная степень очистки продуктов сгорания в комбинированной ГОУ составила 89 ... 92 % ив значительной степени определяется эффективностью работы эмульгаторов, которые в настоящее время имеют КПД ниже проектного. Следует предполагать, что пуск в эксплуатацию системы короподготовки повысит полноту выгорания горючих компонент топлива и позволит обеспечить дальнейшее повышение эффективности работы котла и его ГОУ.
3. В батарейную циклонную установку с потоком дымовых газов поступают преимущественно мелкие твердые фракции (ёч < 250 мкм), имеющие повышенное содержание горючих веществ и низкую кажущуюся плотность, что в комплексе с небольшой начальной концентрацией твердых частиц усложняет условия работы БЦУ 200/176 и снижает степень очистки газов в ней до 50 .53 %. Включение в работу батарейной циклонной установки необходимо производить только при повышенных нагрузках котлоагрегата, при этом следует ограничивать степень открытия клапанов на газоходах к БЦУ до УП лев / прав = 60 / 60 %. При регулировании степени открытия данных клапанов к числу определяющих параметров следует относить сопротивление корпусов БЦУ и температуру газов перед дымососом.
4. Для обеспечения нормальных условий эксплуатации ГОУ необходимо обеспечить: а) периодический контроль за плотностью ее элементов; б) установку штатных систем контроля за сопротивлением корпусов БЦУ; в) оптимизацию распределения газа по циклонным элементам.
Другим крупным проектом, реализованным в ОАО «СЦБК», является модернизация ГОУ угольного котлоагрегата ЦКТИ-40-34 ст. № 2 для повышения его энергоэкологоэкономических показателей. В ходе проведения модернизации был установлен батарейный золоуловитель БЦ-512-(12х6), разработанный ОАО «НПО ЦКТИ». Смонтированная ГОУ оборудована 72 циклонными элементами, каждый из которых оснащен четырьмя тангенциально расположенными входными устройствами, обеспечивающими закрутку запыленного потока дымовых газов. Циклонные элементы скомпонованы в четыре секции (по 18 элементов в каждой), каждая секция оборудована индивидуальным бункером, для сбора и вывода уловленной золы. Продукты сгорания после конвективной шахты котла по двум газоходам подводятся к золоуловителю, после которого поступают к дымососу двухстороннего всасывания и далее по газоходу направляются в дымовую трубу.
Испытания золоулавливающей установки при работе котлоагрегата ст. № 2 на длиннопламенных углях Хакасии показали, что установленный батарейный золоуловитель имеет «аэродинамическую плотность», соответствующую требованию норм [10], и обеспечивает степень очистки продуктов сгорания в диапазоне 89,3 ... 92,5 %. Повышение полноты выгорания горючих компонент в летучей золе до С гун < 6,5 % позволит повысить степень очистки газов до 93 ... 94 %. Для обеспечения нормальных условий эксплуатации ГОУ необходимо обеспечить периодический контроль за плотностью ее элементов, привести в рабочее состояние системы КИПиА котла.
Объекты малой энергетики Архангельской области в основном оборудованы котлами со слоевыми топками для сжигания каменных углей, а также топками скоростного горения и с наклонными колосниковыми решетками для сжигания древесных отходов. Кроме этого, в котельных широко
используются котлы малой мощности, работающие на мазуте [3], [4], [8].
Топки с наклонной колосниковой решеткой установлены на многих предприятиях ЛПК и позволяют сжигать топливную смесь, состоящую из опилок, щепы и стружки. Для повышения эффективности работы котлоагрегатов с данными топками они часто оборудуются дымососами - золоуловителями [3], [12]. Исследования показывают, что удлинение вала дымососа для установки улитки-концентратора и дополнительной крыльчатки вызывает увеличение параметров вибрации и уменьшение его межремонтной компании. Кроме этого, применение золоуловителей данного типа вызывает необходимость перехода на менее эффективный метод регулирования производительности дымососа, так как взамен осевого направляющего аппарата устанавливается языковая заслонка на входе газов в улитку-концентратор. Работа данных золоуловителей характеризуется также повышенным абразивным износом выносного циклона и газохода, подводящего газовый поток с высокой концентрацией твердой фазы к циклону, при номинальной нагрузке котла и близких к ней.
На многих котлах малой энергетики и утилизационно-энергетических котлоагрегатах предприятий ЛПК золоулавливающие установки отсутствуют. Выброс золовых частиц с дымовыми газами неблагоприятно сказывается на состоянии окружающей среды и здоровье людей, наносит вред готовой продукции предприятий, складируемой на открытом воздухе, и может явиться причиной пожара. Для устранения данных негативных явлений, учитывая тесную компоновку основного и вспомогательного оборудования котельной, была разработана объединенная ГОУ (на три котла), расположенная за пределами котельной перед дымовой трубой. Данная ГОУ состоит из пяти коаксиальных циклонных элементов, расположенных по ходу газов, каждый из которых имеет по четыре «обратных» связи для повышения степени очистки, а также оснащена жалюзийным сепаратором для исключения вторичного уноса из сборного бункера [9]. Испытания ГОУ показали, что ее КПД составляет 79,6 ... 86,6 % при расходе дымовых газов 10,6 ... 11,8 нм3/с (проектный >13,9 нм3/с), а сопротивление - 0,6 ... 0,72 кПа при работе двух котлов КЕ-10-14, сжигающих древесные отходы.
Исследования показали, что материал, уловленный в ГОУ, является полифракционным (п = 1,67) и крупнодисперсным (Ь = 0,2 • 10"4), при этом два первых по ходу газов циклона улавливают преимущественно крупную фракцию с > 0,4 мм, которой содержится около 52 %. Содержание горючих веществ в данной фракции составляло 85 . 92 %, а летучих веществ - 5 . 10 % (от первоначального количества). Реконструкция зольного бункера с организацией раздельного сбора и вывода крупной фракции, уловленной в двух первых циклонах ГОУ, и мелкой позволит получать углеродный сорбент с насыпной плотностью 100 ... 170 кг/м3 и удельной поверхностью 350 ...500 м2/г. Производительность установки по углеродному сорбенту составит 80 кг/сут (при работе двух котлов на средних нагрузках), а максимальная - до 260 кг/сут. Данный сорбент имеет более низкие качественные показатели, чем активированные угли промышленного производства, но значительно дешевле. Мелкую фракцию < 0,4 мм) с повышенной зольностью следует использовать в сельском хозяйстве, так как она богата элементами, необходимыми для повышения плодородия почвы [8].
Данное направление по переводу котлов, сжигающих древесные отходы, в энерготехнологический режим работы является перспективным, так как наряду с уменьшением выбросов твердых частиц в атмосферу позволяет получить углеродный сорбент для очистки сточных вод и уходящих газов, а также мелкофракционную золу для повышения плодородия почвы.
При проведении промышленных испытаний данной золоулавливающей установки и других ГОУ запыленность дымовых газов определялась при изокинетических условиях с использованием метода внутренней фильтрации газов через фильтровальные патроны с объемной набивкой из стекловолокна, для регулирования расхода отбираемого газа использовалось ПУ-4Э [11]. Расчет концентраций твердой фазы в дымовых газах проводился в соответствии с требованиями [11], [12]. При исследовании гранулометрического состава твердой фазы использовался ситовой метод [6], [7], реализуемый с помощью анализаторов «029» и воздушно-струйного ВС 1С-15-01, обработка полученных результатов выполнялась по методике [2].
На утилизационно-энергетических котлах с предтопками скоростного горения для очистки продуктов сгорания часто устанавливаются улиточные золоуловители различных модификаций. Результаты
испытаний показали, что многие из них находятся в неудовлетворительном техническом состоянии, поэтому степень очистки дымовых газов на обследованных объектах находилась в диапазоне 5 ... 42 % при сжигании древесных отходов, в которых доминировали опилки (W rt = = 47.49 %). ОАО «НПО ЦКТИ» и фирмой «Лесэнерго» была разработана усовершенствованная модель улиточного золоуловителя [8]. На котлах КЕ-10-14МТ ЗАО «Лесозавод 25» фирмой «Лесэнерго» были смонтированы золоуловители данной конструкции с выносными циклонами ЦН-24. ГОУ данного типа имеют небольшую металлоемкость, габариты и умеренное аэродинамическое сопротивление.
Комплексные исследования, выполненные на данных котлах, показали, что смонтированные золоуловители имеют КПД 77,5 ... 81,0 % (при режимных параметрах приемлемых для котлов) и позволяют снизить выбросы твердых частиц в окружающую среду до 142 мг/нм3, обеспечивают возврат уноса (С г = 89 ... 96 %) на дожигание в топочную камеру, стабилизируя уровень эмиссии NOx до значений, не превышающих 80 мг/МДж за счет эффекта ступенчатого сжигания и дополнительного разложения NOx на поверхности коксовых частиц, циркулирующих в вихревых потоках, даже при повышении производительности котлов на 30 % выше номинальной [8]. Исследования показали, что возврат очищенных продуктов сгорания из ЦН-24 должен проводиться в газоход до воздухоподогревателя (экономайзера). Учитывая, что степень очистки газов в выносном циклоне больше, чем в улитке-концентраторе, необходимо конструктивными методами обеспечить повышение ее сепарационной способности [14]. Это дает возможность повышения КПД золоуловителя до 82 ... 84 % и обеспечивает концентрацию твердой фазы в удаляемых газах до 120 мг/нм3. Выполненный комплекс работ позволил повысить технико-экономические и экологические показатели работы котлов малой и станционной энергетики даже при сжигании непроектного топлива.
Список литературы
1. Абрамов А.И., Елизаров Д.П., Ремезов А.Н. и др. Повышение экологической безопасности тепловых электростанций: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.С. Седлова. - М.: Изд-во МЭИ, 2001. - 378 с.
2. Любов В.К., Дьячков В.А. Программно-методический комплекс для обработки результатов испытаний теплоэнергетического оборудования и расчета вредных выбросов // Тр. II Рос. нац. конф. по теплообмену. Т. 3. Свободная конвекция. Тепломассообмен при химических превращениях. - М.: Изд-во МЭИ, 1998. - С. 225-228.
3. Любов В.К., Дьячков В.А. Резервы энергосбережения в малой энергетике // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: Межвуз. сб. науч. тр. - СПб.: СПб ГТУ РП, 2002. - С. 138-147.
4. Любов В.К., Дьячков В.А., Ефимов Р.А. Анализ схем сжигания отходов переработки древесной биомассы // Тр. III Рос. нац. конф. по теплообмену. Т. 1. Пленарные и общие проблемные доклады. Доклады на круглых столах. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. - С. 228-231.
5. Любов В.К., Дьячков В.А., Финкер Ф.З., Кубышкин И.Б. Влияние схемы организации топочного процесса на степень очистки газов в электрофильтрах // Повышение эффективности энергетических систем и оборудования: Сб. науч. тр. к 70-летию АГТУ. - Архангельск: АГТУ, 1999. - С. 100-105.
6. Любов В.К., Опякин Ю.К. Испытания твердых топлив // Метод. указания. - Архангельск: РИО АЛТИ, 1988. - 24 с.
7. Любов В.К. Определение гранулометрического состава производственной пыли методом ситового воздушно-струйного сортирования // Метод. указания. - Архангельск: РИО АГТУ, 1996. - 13 с.
8. Любов В.К. Уменьшение загрязнения окружающей среды // Изв. вузов. Лесн. журнал. - 2007. - № 2. - С. 135-142.
9. Любов В.К. Совершенствование энергохозяйств предприятий лесопромышленного комплекса // Изв. вузов. Лесн. журнал. - 2006. - № 4. - С. 135-142.
10. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. - М.: ПИО ОБТ, 1996. - 215 с.
11. Сборник методик по определению концентраций загрязняющих веществ в промышленных выбросах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 275 с.
12. Справочник по пыле- и золоулавливанию / Под общ. ред. А.А. Русанова. - М.: Энергия, 1975. - 296 с.
13. Шестаков С.М. Низкотемпературная вихревая технология сжигания дробленого топлива в котлах как метод защиты окружающей среды: Автореф. дис. ... на соис. учен. степ. д-ра техн. наук: 05.14.16. - СПб.: СПбГТУ, 1999. - 39 с.
14. Пат. 2309786 Российская Федерация, МПК С2. Пылеулавливающее устройство / Любов В.К., патентообладатель Архангельский гос. техн. ун-т. - Заявка № 2005138190/15; Заявл. 08.12.05; Опубл. 10.11.07, Бюл. № 31. - 5 с.: ил.
