Золоулавливание на ТЭС

Основная часть минеральной составляющей топлива переходит в процессе сжигания в летучую золу, уносимую дымовыми газами. Зольность отечественных углей колеблется в широких пределах (10–55 %). Соответственно изменяется и запыленность дымовых газов,

которая для высокозольных углей становится равной 60–70 г/м³ .

Химический состав золы твердого топлива достаточно разнообразен. Обычно зола состоит из оксидов кремния, алюминия, титана, калия, натрия, железа, кальция и магния. Кальций в золе может находиться в виде свободного оксида, а также в составе силикатов, сульфатов и других соединений. В зависимости от содержания оксида кальция в золе твердого топлива меняется ее токсичность.

Физико-химические свойства золы (плотность, дисперсионный состав, химический состав, электрическое сопротивление, слипаемость, абразивность) определяют эффективность работы газоочистных устройств. Например, при повышенном содержании оксидов кальция в золе становится невозможной работа мокрых золоуловителей из-за цементации золы. А для инерционных золоуловителей существенное значение имеет свойство слипаемости золы.

Масштаб загрязнения окружающей среды выбросами золы твердого топлива значителен. Так, для электростанции мощностью

2400 МВт при средней зольности топлива А^г = 17–20 % массовый выброс летучей золы через дымовые трубы составляет около 700 г/с (2,5 т/ч). В отличие от газовых компонентов, которые в процессе диффузии распространяются как на нижние, так и на верхние слои атмосферы, вследствие чего их концентрация в приземном слое значительно снижается, золовые частицы в основном оседают на землю.

Твердые частицы, имеющие размер более 2–5 мкм, отделяются в верхних дыхательных путях и, следовательно, не слишком опасны. Однако иногда эти частицы могут оказывать большее разрушающее действие, чем мелкие. При попадании в глаза крупные частицы могут вызвать сильное раздражение и даже ожог. Частицы меньшего размера поступают внутрь дыхательного тракта, накапливаются в лимфатических узлах и могут привести к отложениям пыли в легких. Помимо общего отрицательного эффекта загрязнения приземного воздуха и поверхности земли твердыми частицами, вредными для дыхательных путей, в золе топлив содержатся в малых дозах примеси металлов, имеющих высокую токсичность, например мышьяк, свинец, ртуть и др.

Тепловые электростанции оказывают существенное влияние на состояние воздушного бассейна в районе их расположения. На рис. 9.1. показаны основные источники выбросов вредных веществ ТЭС, оказывающих влияние на состояние атмосферы в районе ее расположения.

Таблица 9.1.

Нормативы удельных выбросов в атмосферу твердых частиц котельными установками для твердого топлива всех видов (ГОСТ Р 50831–95)

Тепловая мощность котла Q,МВт (паропроизво- дительность котла D, т/ч)	Приведенное содержание золы Aпр, % кг/МДж	Ввод котельных установок на ТЭС до 31 декабря 2000 г.	Ввод котельных установок на ТЭС с 1 января 2001 г. V',
Массовый выброс твердых частиц на единицу тепловой энергии, г/МДж	Массовый выброс твер­дых частиц, кг/т у.т.	Массовая* кон­центрация частиц в дымовых газах при α = 1,4, мг/м3	Массовый выброс твердых частиц на единицу тепловой энергии, г/МДж	Массовый выброс твер­дых частиц, кг/т у.т.	Массовая* кон­центрация частиц в дымовых газах при α = 1,4, мг/м3
До 299 (до 420)	Менее 0,6	0,06	1,76		0,06	1,76
0,6–2,5	0,06–0,20	1,76–5,86	150–500	0,06–0,10	1,76—5,86	150—500
Более 2,5	0,20	5,86		0,10	5,86
300 и более (420 и более)	Менее 0,6	0,04	1,18		0,02	0,59
0,6–2,5	0,04–0,16	1,18–4,70	100–400	0,02–0,06	0,59—1,76	50—150
Более 2,5	0,16	4,70		0,06	1,76

* При нормальных условиях (температура 0 °С, давление 101,3 кПа).

Количество частиц золы и несгоревшего топлива в продуктах сгорания зависит от вида и характеристики топлива, способа его сжигания и конструкции топки. Часть золы топлива и несгоревших его частиц осаждается в топке и газоходах парогенератора. В парогенераторах с топками для слоевого сжигания топлива вместе с продуктами сгорания удаляется до 10–15 % золы топлива. При факельном сжигании пылеугольного топлива и жидком шлакоудалении унос золы продуктами сгорания составляет 30–40 %, а при топках с сухим шлакоудалением достигает 75–85 %. Удельное содержание золы в уходящих газах составляет, например, при работе парогенератора на АШ и сухом шлакоудалении до 20 г/м³, а при использовании бурых углей – до 40 г/м³, что значительно превышает допустимые концентрации твердых частиц в газах, установленные санитарно-техническими нормами. В парогенераторных установках для очистки продуктов сгорания от твердых частиц применяют следующие устройства:

1. Механические инерционные золоуловители, в которых частицы уноса отделяются от газов под влиянием сил инерции при вращательном вихревом движении потока газов.

2. различные конструкции циклонов, в том числе с омываемыми водой стенками и решетками.

3. Электрофильтры, очистка газов в которых основана на ионизации газовой среды и притяжении заряженных частиц уноса к электродам.

4. Комбинированные золоуловители, состоящие из последовательно установленных золоуловителей различной конструкции, например циклон и электрофильтр.

Рис. 9.1. Схема взаимодействия ТЭС с атмосферой

Основной характеристикой золоуловителей являются коэффициенты очистки (коэффициенты обеспыливания) газов, общий и фракционный:

и , (9.1)

где G_ул, , G_вx, – общая масса уловленных частиц уноса, масса данной его фракции, общая масса частиц уноса, входящих в золоуловитель, и масса данной его фракции соответственно.

Коэффициенты обеспыливания зависят от характеристик уноса и режимов работы парогенератора.

Важными показателями золоуловителей являются добавочный расход электроэнергии на тягу, вызываемый аэродинамическим сопротивлением золоуловителя, удельный расход воды на очистку газов при мокрых золоуловителях, а также стоимость золоуловителя.

Рис. 9.2. Схема действия циклона: 1 – корпус циклона; 2 - входной патрубок; 3 - крышка; 4 - выходной патрубок; 5 - конусная часть корпуса

Инерционные золоуловители-циклоны. Инерционные золоуловители применяются различной конструкции. На рис. 9.2 показана схема простейшего циклона. Запыленный поток газов подводится в циклон тангенциально, выход газов осуществляется через трубу, расположенную в центре циклона. Под воздействием центробежной силы твердые частицы отбрасываются к стенкам циклона, теряют скорость и выпадают в бункер. Эффективность обеспыливания в циклоне повышается при увеличении окружной скорости газов w_г, увеличении массы частицы m и уменьшении радиуса циклона r_ц.

В простейших циклонах скорость газов, отнесенная к его сечению, принимается примерно 3,5 м/с, на входе – 20–25 м/с и на выходе – 12–15 м/с. Аэродинамическое сопротивление циклона, Па,

, (9.2)

где x – суммарный коэффициент сопротивления,x = 10-12;

р_г – плотность газов, кг/м³.

Простейшие циклоны используются в парогенераторных установках малой мощности при слоевом сжигании топлива. Согласно ГОСТ установлена шкала диаметров циклона от 200 до 3000 мм. Цилиндрические циклоны НИИОГАЗ применяются с диаметром до 2000 мм

Батарейные циклоны.

Для повышения эффективности работы инерционного золоуловителя, а также для уменьшения его габаритов применяют батарейные циклоны, состоящие из большого числа параллельно включенных циклонных элементов малого диаметра. Схема батарейного циклона показана на рис. 9.3, а применяемые конструкции элементов батарейных циклонов – на рис. 9.4. Максимально допустимая запыленность газов при входе в батарейный циклон зависит от диаметра и конструкции элемента. При диаметре элемента 250 мм она составляет 100 г/м³ при «винтовой» насадке и 75 г/м³ при насадке в виде «розетки». При диаметре элемента 150 мм – соответственно 50 и 35 г/м³. Температура газов в циклоне допускается не более 450 °С.

а б в

Рис. 9.3. Схема батарейного циклона: 1 - входной патрубок; 2 - распределительная камера; 3 - циклонные элементы; 4 - выхлопные трубы; 5 - направляющие аппараты; 6 - пылевыводящие отверстия; 7 - сборный бункер; 8 - камера очищенного газа; 9 - опорные решетки; 10 - опорный пояс

Рис. 9.4.. Конструкция элементов батарейного циклона: а - с направляющим аппаратом типа «винт»; б - с направляющим аппаратом «розетка»; в - с направляющим аппаратом «розетка» и безударным входом

Эффективность пылеулавливания в батарейном циклоне в процессе эксплуатации парогенератора и при наличии вторичного уноса отсепарированной пыли из бункера значительно уменьшается при отклонениях скорости газов от расчетной. Потеря напора в батарейном циклоне при обычно принятых скоростях газа 3,5–4,75 м/с и номинальной нагрузке составляет 500–700 Па. При очистке газов в парогенераторах со слоевыми топками h_оч = 80–90 %, а при пылеугольном сжигании топлива h_оч = 65-70 %.

Батарейные циклоны применяются в парогенераторных установках с производительностью до 320 т/ч. Промышленностью выпускаются батарейные циклоны типа БЦ, состоящие из одной, двух, четырех и шести секций с числом элементов от 25 до 792 шт. Число элементов циклона может быть приближенно определено по формуле

(9.3)

где V – объем газов, м/с; d – диаметр элемента; x– общий коэффициент сопротивления для элемента d = 250 мм с винтовым направляющим аппаратом x = 85; Dр – сопротивление элемента циклона, Па; r_г – плотность газа, кг/м³.

«Мокрые» циклонные золоуловители.

С целью повышения коэффициента улавливания пыли применяют «мокрые» циклонные золоуловители, в которых орошаются водой стенки циклона и поток газов.

На рис. 9.5 показана схема центробежного скруббера-золоуловителя ЦС – ВТИ, в котором орошаются водой его стенки. Такие золоуловители выполняют диаметром от 600–1700 мм и производительностью 1,1–11 м³/с. Расход воды на орошение стенок составляет 0,2–0,9 кг/с; на промывку бункера - 0,85 кг/с. Перепад давлений в золоуловителе 650–800 Па.

Рис.9.5. Центробежный скруббер ЦС - ВТИ: 1 - корпус; 2 - входной патрубок; 3 - оросительные сопла; 4- смывные сопла; 5 - золосмывной аппарат

Рис 9.6. Мокропрутковый золоуловитель МП - ВТИ: 1 - корпус; 2 - входной патрубок; 3 - оросительные сопла; 4- распределительное кольцо; 5 - смывные сопла; 6 - прутковая решетка; 7 - оросительные форсунки прутковой решетки

На рис. 9.6. показана схема мокропруткового золоуловителя МП-ВТИ, в котором на входе газов в золоуловитель имеется прутковая орошаемая водой решетка. Золоуловители применяются диаметром от 2300 до 3300 мм, производительностью от 18 до 38,2 м³/с. Расход воды составляет 2,9–4,1 кг/с. Перепад давлений 650–800 Па. В усовершенствованных золоуловителях вместо трубной решетки применяются трубы Вентури, служащие для коагуляции частиц золы. Степень очистки в мокропрутковом золоуловителе достигает h_оч = 92 %. Мокрые золоуловители могут применяться при приведенном содержании серы в топливе менее 0,3 % на 1 МДж/кг и содержании свободной щелочи в золе менее 12 %. Жесткость воды, подаваемой на орошение, должна быть не выше 15 мг-экв/кг. Основным преимуществом мокрых золоуловителей является исключение вторичного уноса уловленной пыли, что повышает их КПД. Мокрые золоуловители в эксплуатации сложнее и менее надежны, чем батарейные циклоны, и их применение ограничивается предельным содержанием серы в топливе и щелочностью золы. Помимо этого, при применении таких золоуловителей необходима очистка загрязненной воды.

В процессе очистки газов происходит их насыщение парами воды, увеличение объема и частичное охлаждение.

Электрофильтры.

Очистка газов в электрофильтрах основана на том, что вследствие коронного разряда, происходящего между двумя электродами, к которым подведен пульсирующий электрический ток высокого напряжения до 60 кВ отрицательного знака, проходящий через электрофильтр поток газов заполняется отрицательными ионами, которые под действием сил электрического поля движутся от коронирующего к осадительному электроду. При этом находящиеся в газе частицы адсорбируются и увлекаются к осадительным электродам. Накапливающийся на осадительных электродах унос периодически стряхивается специальными устройствами в бункеры, из которых затем удаляется. Коронирующие электроды выполняются в виде металлических стержней, ленточно-игольчатыми или в виде стержней штыкового сечения. Осадительные электроды делаются из труб или пластин. Применяются электрофильтры с горизонтальным и вертикальным потоком газов. Для парогенераторных установок преимущественно применяются горизонтальные электрофильтры с пластинчатыми электродами. В зависимости от числа последовательно расположенных электродов различают одно-, двух-, и четырехпольные электрофильтры.

Схема конструкции горизонтального двухпольного электрофильтра показана на рис. 9.7. Оптимальная скорость газов в электрофильтре 1,5–1,7 м/с. При этом аэродинамическое сопротивление электрофильтра составляет 200–300 Па. Расход электроэнергии на очистку газов составляет 0,1–0,15 кВт×ч на 100 м³ газа. Температура газов перед электрофильтром должна быть не более 200 °С. Степень очистки газов в электрофильтре зависит от скорости газов, длины электродов и расстояния между ними, а также характеристик пыли.

В применяемых конструкциях электрофильтров улавливается большая часть пыли с размерами частиц более 10 мкм; коэффициент очистки составляет h_оч = 96-97 %.

Рис. 9.7. Горизонтальный пластинчатый двухпольный электрофильтр: 1 - газораспределительная решетка; 2 - коронирующие электроды; 3 - осадительные электроды; 4 - механизм встряхивания коронирующих электродов; 5 - механизм встряхивания осадительных электродов

Тканевые фильтры.

В настоящее время в энергетике получают применение тканевые фильтры, применявшиеся ранее в других отраслях промышленности для улавливания пыли. Фильтрация осуществляется через гибкую ткань, выполняемую из тонких нитей (диаметр нитей около 100-300 мкм). Ткань имеет цилиндрическую форму, поэтому фильтры получили название рукавных. С помощью тканевых фильтров можно получить очень высокую степень улавливания - более 99 %. Однако их использование связано с рядом трудностей и значительными капитальными затратами. Скорость газового потока через ткань должна быть очень низкой - 0,01-0,02 м/с, гидравлическое сопротивление оказывается высоким, на уровне 0,5–1,5 кПа. Наибольшую трудность в эксплуатации представляет удаление осевшей на ткани золы. Для ее удаления применяется либо механическое встряхивание, либо продувка воздухом ткани в обратном направлении, причем на это время очищаемая секция должна отъединяться от газового потока соответствующими шиберами.

Тканевые фильтры за паровыми котлами должны выполняться из материала, выдерживающего работу при температуре уходящих газов. В частности, получили применение ткани из стекловолокна (до 300 °С) или оксалина (до 250 °С). Длительность работы ткани составляет обычно 1–3 года.

Комбинированные золоуловители. Комбинированный золоуловитель обычно состоит из батарейного циклона в качестве первой ступени очистки и электрофильтра с горизонтальным или вертикальным ходом газов, объединенных в один агрегат. В батарейном циклоне происходит улавливание крупных частиц уноса, что улучшает работу электрофильтра. Коэффициент очистки в комбинированных золоуловителях достигает h_оч = 98 %.