Каковы основные пути сокращения выбросов соединений серы от ТЭС и возможные способы их реализации?
ТЭС, работающие на жидком и твёрдом топливе являются источниками выбросов серы в атмосферу. Диоксид серы SO2, который содержится в дымовых газах, не влияет на процесс производства электроэнергии. Триоксид серы SO3 обуславливает сернокислотную точку росы. По ней выбирают температуру уходящих газов. Она является одним из важных факторов работы газоочистки. Попадая в атмосферу, SO2, взаимодействуя с озоном и солнечным светом, окисляется до SO3, который, взаимодействуя с водяными парам, образует H2SO4 – пары серной к-ты. Порядка 50% диоксида серы выпадает из дымовых газов в почву в радиусе 15 – 20 высот дымовых труб. Во многих развитых странах принято законодательство, которое требует обеспечить не только заданную концентрацию дымовых газов, но и степень улавливания диоксида серы около 90%, а для котлов малой мощности – 60%. Выбросы диоксида серы приводят к интенсивному загрязнению района расположения ТЭС, и стимулируют через кислотные дожди попадание тяжёлых металлов в почву и водоёмы, поэтому современные ТЭС должны иметь газоочистные сооружения.
Процесс образования диоксида серы в процессе горения топлива представлен в виде реакции: S + O2 = SO2. Рост производства электроэнергии и использования в будущем, в основном, твёрдого топлива делает проблему снижения выбросов диоксида серы актуальной в настоящее время.
Снижение выбросов диоксида серы возможно по трём направлениям: 1) путём очистки топлива от соединений серы до его сжигания; 2) связывание серы в процессе горения топлива; 3) очистка дымовых газов от диоксида серы.
Для очистки жидкого топлива (мазут) от соединений серы используют прямой и косвенный метод. При прямом методе – гидроочистка (происходит взаимодействие водорода с сероорганическими соединениями, в результате образуется сероводород H2S, который улавливается и может быть использован для получения серы и её соединений). Процесс гидроочистки протекает в аппарате при температуре 300 – 400 градусов и давлении до 100 МПа. Процесс идёт в присутствии катализаторов, в качестве которых используются окиси никеля, молибдена, кобальта. Катализаторы являются дорогостоящими и в процессе очистки постоянно разрушаются по действием соединений серы. Стоимость сероочистки примерно 7$ за тонну мазута при глубине сероочистки1-3%.
Метод косвенной очистки – вакуумная перегонка топлива. Стоимость перегонки – 7 – 9$ за одну тонну. Содержание серы уменьшается от 3 до 0,1 процента. В твёрдом топливе сера находится в виде органической и колчеданной серы. Основную часть колчеданной серы можно удалить из угля путём обогащения Плотность колчедана в 2,5 раза больше плотности угля. Обогащение является довольно эффективным способом, если колчеданная сера составляет большую часть серы. Удаление серы из угля позволяет одновременно решить несколько проблем: сокращаются не только выбросы SO2 в атмосферу, но и интенсивность абразивного износа поверхностей нагрева котлоагрегата, снижается точка росы дымовых газов, следовательно увеличивается надёжность работы котлоагрегата. Кроме того, при размоле топлива увеличивается срок работы шаровых барабанных мельниц. Более кардинальным решением проблемы удаления серы из жидкого и твёрдого топлива является его газификация.
Процесс газификации сернистого мазута был разработан ВНИИНП. Процесс газификации происходит в пустотелом газогенераторе. В него подаётся мазут и парокислородное дутьё. Часть мазута сгорает при коэффициенте избытка воздуха 0,45. Газификация осуществляется при температуре 1000 – 1300 градусов Цельсия. На 1 кг мазута расход пара составляет 0,4 кг и расход кислорода 0,75 кг. Газ, выходящий из газогенератора, промывается водой сначала в сажеотделителе, а затем в скруббере. В отстойнике сажа отделяется от охлаждающей воды, которая может быть в дальнейшем использована для очистки газа. Полученный газ состоит из метана и его гомологов, угарного газа и водорода. Из серы образуется сероводород. Очистка от сероводорода осуществляется абсорбцией. В качестве абсорбента используют моно- и диэтаноламины. В настоящее время в ряде стран ведутся работы по газификации угля. Газификация осуществляется в газогенераторах как в твёрдом, так и в кипящем слое. Отношение полученных газов к горючей массе топлива называется КПД газификации. Этот КПД примерно равен 80 – 85%. Газификация угля в ПГУ даёт возможность получить её КПД до 42%.
Связывание серы в процессе горения топлива. Наиболее часто технологией, связанной со связыванием серы в процессе горения топлива является его сжигание в кипящем слое. Этот способ при сжигании сернистых углей даёт возможность не только значительно уменьшить содержание оксидов серы в дымовых газах, но и окислов азота. Для образования кипящего слоя на неподвижной решётке, через которую подаётся воздух под давлением, используется смесь дроблёного угля с размером частиц 1,5 – 6 мм, а также инертный материал (песок, зола, и т.д.) и разогретый известняк. Под действием восходящего потока воздуха образуется суспензионный кипящий слой. Одновременно с процессом горения происходит десульфуризация, т.к. в кипящий слой непрерывно поступает известняк. Реакция десульфуризации происходит при температуре 800 – 850 градусов.
CaCO3 -> CaO + CO2
2CaO + 2SO2 + O2 -> 2CaSO4
Эффективность удаления серы зависит от количества известняка. Оптимальное отношение известняка к сере равно двум стехиометрическим. Оптимальная температура горения – примерно 850 градусов. При такой температуре значительно уменьшается образование окислов азота. Кроме того, трубы поверхностей нагрева котла непосредственно контактируют с кипящим слоем, следовательно теплообмен интенсивней. Для полного выгорания топлива необходимо создать многократную циркуляцию в топке путём увеличения скорости воздуха. Процесс связывания серы при горении осуществляется в котлах с топкой ЦКС (с циркулирующим кипящим слоем). В топку с ЦКС подаётся известняк, топливо и инертный материал. Под решётку поступает с большой скоростью воздух, создавая кипящий слой. Горячие вещества сгорают при температуре 850 градусов. При такой температуре процесс десульфуризации идёт наиболее эффективно. Продукты сгорания поднимаются в верхнюю часть топки, где с помощью циклона происходит отделение от продуктов сгорания несгоревших частиц топлива, известняка и инертного материала. Из циклона газ поступает в вертикальную шахту котла, где установлены поверхности нагрева, а частицы топлива и т.д. снова опускаются в кипящий слой. Для подачи воздуха с целью создания кипящего слоя используют высоконапорные вентиляторы. Достоинством топок с ЦКС является не только связывание диоксида серы в процессе горения топлива и в дымовых газах, но и снижение концентрации окислов азота. Кроме того, в этих топках эффективнее теплообмен между кипящим слоем и поверхностью экранных труб котла. Коты такого типа довольно широко используются за рубежом последние 15 – 20 лет. Эффективность связывания диоксида серы в топках с ЦКС зависит от коэффициента избытка воздуха. Чем он выше, тем лучше связывание диоксида серы и тем ниже концентрация CO (угарного газа, но увеличение коэффициента избытка воздуха приводит к увеличению содержания окислов азота в дымовых газах. Следовательно, нужна оптимизация горения в каждом отдельном случае. В РФ разрабатываются котлы с ЦКС, такие котлы предполагается использовать на Ростовской ГРЭС. При соотношении кальция к сере равном 2 – 2,5 связывание серы в процессе горения примерно 90%, а содержание серы в дымовых газах не превышает 200 мг/м3.
Для очистки дымовых газов от соединений серы используются следующие методы: ввод известняка в верхнюю часть топки (сухая известняковая технология, СИТ); технология E-SOx (впрыск водоизвестняковой суспензии перед электрофильтром); промывка газов известняковой суспензией в адсорбере или скруббере (мокроизвестняковая технология); промывка газа в адсорбере типа трубы Вентури суспензией, содержащий оксид магния (магнезитовый способ); промывка газа водным раствором известняка (аммиачно-сульфатный и аммиачно-циклический способ очистки). Подробнее о способах очистки см. в вопросе №17 «Малозатратные способы очистки дымовых газов от оксидов серы».