Глава 1
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ УГЛЕКИСЛОТНЫХ УСТАНОВОК, РАБОТАЮЩИХ НА ОТХОДЯЩИХ ДЫМОВЫХ ГАЗАХ
- ХАРАКТЕРИСТИКА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ИСХОДНОГО ТОПЛИВА И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Горючая масса твердого топлива органического происхождения содержит, %: углерод от 63,5 (Ильницкое месторождение) до 92 (Галимовское месторождение) и до 6,2 (Углегорское месторождение), азот от 0,4 до 2,9, кислород от 0,7 до 29,2, сера органическая от 0.3 до 5,7, сера колчеданная от 0,3 до 2,2. Максимальное общее содержание серы на сухую массу обнаружено в углях Кизеловского бассейна — до 6,5%. В твердом топливе влага рабочая находится на уровне от 6,7 (Экибастузские угли) до 58% (Александрийское месторождение Украинской ССР), золы содержится на горючую массу от 7—8 (Сибирское месторождение) до 50% (Экибастузское месторождение).
В состав товарного топочного мазута входит, %: С от 84,7 до 95,3, Н от 9,62 до 11,S от 0,43 до 3,2 на горючую массу, в сумме кислород и азот от 0,1 до 1,57 и ванадий на сухую массу от 0,0005 до 0,027 .
Природный газ, используемый в качестве топлива в теплоэнергетических установках, практически не содержит металлы и составляет от 0—0,01 (Калужское месторождение) до 26,8—36,1% (Дерюжевское месторождение Куйбышевской области). В газе некоторых месторождений сероводорода от 0 до 3,6%. Сера в большинстве природных месторождений газа отсутствует, углекислоты содержится до 3—4%, а в Майкопском месторождении — 11,6%. Остальное — углеродсодержащие соединения типа СН4, С2Н6, С10Н8, С4Н6, С5Н12 и незначительное количество других соединений.
В теплоэнергетических установках сжигают искусственные газы доменного, коксового производства, газ переработки нефти, генераторные газы различного топлива, ферросплавного производства, газ от вагранок и других производств. Химический состав искусственных газов производств разнообразный. Так, в генераторном газе и газе печей доменного производства основная составляющая горючей массы — оксид углерода 25—30%, сероводород 0,1—0,3% и достигает при газификации подмосковного и лисичанского углей 1—1,2%. Содержание водорода в генераторном газе твердого топлива 15,5%, а в доменном газе 8%. Газ ферросплавного производства по химическому составу несколько отличается как от генераторного, так и от доменного.
В зависимости от марки выплавляемого ферросилиция в газе ферросплавных печей содержание оксида углерода колеблется от 72 до 94%, суммарное содержание метана и водорода — от 5,2 до 14,5% [3]. В этих газах содержание (%) кислорода не превышает 2,8, азота 4,34, диоксида углерода 0,5—12.
При сгорании топлива в теплоэнергетических установках различные его элементы образуют соединения, которые в основной массе уносятся уходящими топочными газами в атмосферу, что отрицательно влияет на экологическое состояние окружающей среды. Исследования [4] показывают, что газообразные соединения могут образовывать Zn, Pb, Сr, Sb, Sn, Со, Ni и др. по реакции α (крист.) ↔ α (газ), где α=SiO2, РbО, ΖnΟ или по реакции восстановления до субоксида или элемента:
Ζ (крист.)+С(СО)↔I (газ); [Э (газ, крист.)] +СО(СО2), где Z=GeO2; РbО; ZnO; SnO2; I=GeO; SnO и т. д. Э = Ge (крист.); Рb (газ); Zn (газ).
При охлаждении уходящих топочных газов подавляющее большинство этих микроэлементов переходит в конденсированную фазу, что облегчает процесс их улавливания. Процесс конденсации осуществляется с образованием германатов, молибдатов, арсенатов и др.
Х (крист.) [I(газ), α(газ)]+α·R(n·О2)↔Х·α·R (крист.),
где X = GeO2; МоО3; As2O3; ZnO; РbО; As2O5; R = СаО; MgO, FeO3; А12О3; GeO2 (крист.) [GeO (газ) ] · bR+c· SiO2↔GeO2·b·RXc SiO2, где a, b, c — коэффициенты.
Микроэлементы образуют не собственные частицы, а адсорбируются на частицах летучей золы, обогащая ее этими элементами в различной степени. Гак, при сжигании твердого топлива летучая зола обогащается по сравнению с исходным топливом в зависимости от фракционного состава золы, т. е. разветвленности ее поверхности, в различной степени. После электрофильтров содержание хрома в золе увеличивается в 45 раз по сравнению с содержанием его в исходном материале, свинца в 50, ванадия в 7—8, цинка более чем в 25, мышьяка почти в 30. В более крупной золе после механических золоуловителей содержание примесей по сравнению с содержанием их в исходном топливе соответственно повышается: хрома в 10 раз, свинца в 7, ванадия в 1,5, цинка в 3—50, мышьяка в 30. Содержание микроэлементов в уходящих газах зависит также и от температуры горения топлива: с повышением температуры сжигания степень испарения микроэлементов растет и вынос их с газами увеличивается.
При использовании в теплоэнергетических установках в качестве топлива искусственных газов, например газов ферросплавных печей, наблюдаются аналогичные явления. Однако следует учитывать, что газы образованы в результате проведения высокотемпературных процессов в ферросплавных печах, где уже произошло существенное перераспределение элементов в продуктах плавки, шлаке, уходящих газах. В искусственных газах, применяемых в качестве исходного топлива в теплоэнергетических установках, содержание различных микроэлементов очень незначительно, поэтому уходящие топочные газы этих установок несравненно экологически чище газов устройств, использующих в качестве исходного твердое или жидкое топливо.
В уходящих топочных газах теплоиспользующих установок содержатся особо вредные компоненты: оксиды азота и аммиак — NO, ΝΟ2, Ν2Ο5, N2O3, N2O4, NH3; оксиды серы, сероводород и сероорганические соединения — SO2, SO3, H2S, CS, CoS; оксиды углерода, цианистые соединения, акроникрил, метиловый эфир цианмуравьиновой кислоты — HCN, C2N2, CNCOOCH3; галоиды и их соединения — фтор, хлор, бром, фтористый водород, хлористый водород, бромистый водород, фосген, хлорциан — F2, С12, Вr2, HF, НС1, НВr, CoCl2, CNCl; бенз(а)пирен C20H12; пары и аэрозоли ртути, серной, азотной и фосфорной кислот; пары легколетучих органических веществ, радиоактивные вещества, пыль, сажа и др.
При высоких температурах в топках котлов азот воздуха и азот, входящий в состав топлива, соединяясь с кислородом, образуют различные оксиды азота:
ΝΟх=ΝΟ+NO2+N2O+Ν2O3+N2O4+N2O5.
На 95% в топках котлов образуются оксиды азота в виде NO.
В уходящих топочных газах содержание сернистых соединений зависит от вида сжигаемого топлива. Так, например, при сжигании твердого топлива содержание сернистых соединений в выбросах не превышает 0,3—0,4 об. %. При сжигании сернистых видов топлива практически вся сера окисляется до сернистого ангидрида SO2 и только около 1 % — до серного ангидрида.
В зависимости от химического состава исходного топлива в уходящих топочных газах содержится от 12—14 до 35% диоксида и оксида углерода. Доля оксида углерода СО в уходящих газах теплоэнергетических установок при правильном ведении режима не превышает долей процента и характеризует потери тепла от химической неполноты сгорания [5].
При сжигании любого вида топлива, содержащего углерод и водород, в уходящих топочных газах содержатся канцерогенные вещества. Являясь продуктом неполного сгорания топлива, количество канцерогенных веществ в уходящих газах находится в прямой зависимости от режимов горения. Канцерогенные вещества — полициклические ароматические углеводороды — состоят из ряда компонентов, таких как бенз(а)пирен, бенз(а)антрацен, трифенилен, 7,12-диметилбенз(а)антрацен, 11, 12-бензфлуорантен, 1, 2, 4, 5-дибензпирен. Однако индикатором канцерогенности выбросов в атмосферу принимается бенз (а) пирен. Содержание канцерогенных веществ в уходящих газах теплоэнергетических установок, сжигающих газы, находится на уровне 1—10, твердого топлива 20—30, мазута до 15—100 мкг/100 м3. Бенз (а) пирен нерастворим в воде, растворим в концентрированной серной кислоте, этиловом спирте, эфире, бензоле. Основное агрегативное состояние его в газах — аэрозоль. При высоких температурах он может находиться в парообразном состоянии, что зависит и от характера продуктов сгорания. Бенз(а)пирен хорошо адсорбируется на поверхности сажи, что позволяет выводить его из уходящих газов вместе с улавливанием сажи, а также аэрозолей.
Примеси топочных газов типа фосфина (РH3), арсина (AsH3), цианистого водорода (HCN) хорошо растворимы в воде; обладая кислой реакцией, при пропуске через щелочные растворы их можно практически полностью удалить.
