Лекция 3. Технологии десульфуризации на ТЭС

Термин "десульфуризация" можно относить ко всем путям и способам ограничения содержания серы, в том числе, в котлоагрегатах, в дымовых газах.

По данным США до 55–60% выбрасываемой в атмосферу серы приходится на долю энергетических предприятий, а ущерб за сброс серных соединений относимый на 1 кВт∙ч вырабатываемой тепловой и электроэнергии может достигать 5÷10% их себестоимости.

Выбросы соединений серы вызывают:

- заболеваемость и смертность людей;

- гибель хвойных пород деревьев;

- разрушения строительных конструкций;

- выпадение "кислотных" дождей;

- снижение урожайности продукции в сельском хозяйстве;

- разрушение памятников архитектуры.

Приведенные характеристики зольности и серности топлива следующие.

Приведенная зольность

Приведенная сернистость

– органическая и колчеданная;

S_с – сульфатная (почти вся переходит в золу)

Здесь: A_пр, S_пр – содержание в % на 10⁶ Дж низшей теплоты сгорания топлива, или это вес золы, серы в кг, приходящейся на 10⁸ Дж (100 МДж) низшей теплоты сгорания.

Топлива с A^п 4 кг/10⁵ ккал – малозольные (антрацит, бурые угли – частично, каменные угли – в большинстве).

Для горючих сланцев A^п = 20÷40 кг/10⁵ ккал.

Для бурых углей A^п = 8÷10 кг/10⁵ ккал.

Различают три возможные стадии удаления серы:

- удаление серы из топлива, мазутов;

- в процессе горения в котле;

- из дымовых газов.

Десульфуризация твердого топлива:

а) сухое или твердое обогащение;

б) гидротермическая переработка;

в) воздействие высоких температур и давлений в присутствии кислорода, водяного пара или водорода и катализатора.

Сера в твердом топливе содержится в виде:

- включенный колчедан (FeS₂);

- соединения органической массы вещества топлива;

- сульфатная серы (малая доля).

Способ а). Простыми методами обогащения из угля может быть удалена только колчеданная сера или (пирит).

Плотность колчедана 4,85–5,1, т.е. в 2,5 раза выше плотности собственного угля. Если доля колчеданной серы значительна и крупными включениями, а уголь измельчен, то тогда процесс обогащения эффективен.

Способ б). Химическое отделение от угля органической серы – гидротермическое обессеривание углей – сложно. Измельченное топливо обрабатывается в автоклавах при Т=225–350 °C и давлении 1,75 МПа щелочными растворами, содержащими гидраты окиси натрия и кальция. Уголь отделяется от жидкости, в центрифугах сушится, а жидкость, содержащая сульфиды натрия и кальция, регенерируется в результате обработки углекислотой. Получающийся сероводород перерабатывается в элементарную серу.

Способ в). Гидрогенизация (H₂), парокислородное дутье (H₂O), газификация (О₂) – это возможные пути удаления из твердых топлив серы. Для десульфуризации жидких топлив применяют: крекинг, гидрокрекинг.

Гидрогенизация(Н₂-гидрогениум) – это присоединение водорода к простым или сложным химическим соединениям, главным образом, в присутствии катализаторов. Если при этом происходит разрушение молекул под воздействием тепла, света, давления – это деструктивная гидрогенизация.

Примером деструктивной гидрогенизации является метод Ф.Бергиуса, К.Боша – 1931г. (Германия) – Фридрих Бергиус – "бергинизация" – в 1912–13г. разработал способ получения жидкого моторного топлива, деструктивной гидрогенизацией угля и тяжелых масел.

Совместно с К. Бошем они стали лауреатами Нобелевской премии за создание реальной установки для взаимодействия угля и водорода при высоких давлениях и температурах в присутствии катализатора с получением метанола (CH₃OH).

Газификация угля. Успешно ведется переработка бурого подмосковного угля в генераторах на парокислородном дутье в газообразное топливо (в том числе подземная). Газификация топлива – производство генераторных газов из углей, мазута, сланцев, торфа, древесины, биомассы, окислением топлива в газогенераторах при высокой температуре, воздухом (воздушный газ), водяным паром (водяной газ), комбинированным окислителем (полуводяной газ). Под давлением при парокислородном дутье – получают "городской" газ (до 15% метана), для жидких топлив применяют крекинг – процесс (англ. cracking – разрушение, разрушающий удар) переработка нефти и ее фракции для получения моторных топлив.

Термический крекинг – при действии высокого давления(4-5 МПа) и температуры (450–550 °С), каталитический крекинг – при параметрах 0,2–0,3 МПа, 450–520 °С, в присутствии катализаторов (алюмосиликатов).

Для переработки нефти с высоким содержанием сернистых и смолистых веществ применяют каталитический крекинг при 350–450 °С и давлении водорода 3–14 МПа (гидрокрекинг) в присутствии катализаторов – алюмосиликатов.

В отличие от крекинга пиролиз – разложение веществ под воздействием высоких температур – глубокое термическое превращение нефтяного и газового сырья для получения непредельных и ароматических углеводородов.

Ароматические углеводороды – бензол, нафталин, их производные – анилин, фенол и др., содержащие в молекулах циклы из 6 атомов углерода. Первые из открытых представителей обладали приятным запахом, отсюда название "ароматические".

Непредельные – спирты, кислоты, в молекулах которых все или некоторые атомы углерода соединены между собой кратными или ненасыщенными связями в открытые цепи или циклы C_nH_2n, C_nH_2n-2.

Подготовка к сжиганию горючих сланцев.

Горючие сланцы наиболее трудное топливо из всех видов органического топлива, применяемых в энергетике.

Содержание SO₂ в уходящих газах доходит до 7–11 грамм на м³ (т.е. более чем в 10 раз выше допустимого).

Трудности при сжигании:

- шлакование топочной камеры;

- занос газового тракта летучей золой;

- повышенный эрозионный износ поверхностей нагрева, особенно тех, что расположены в зоне конвективного теплообмена.

Необходима газификация пылевидного сланца в восходящем потоке.

Пирогазификация высокосернистых сланцев.

Сланец в виде пыли грубого помола нагревается до 700–750 °С путем смешения с газовым теплоносителем в реакторе, расположенным перед фронтом котла. До 80% органической части переходит в летучие продукты, в составе которых H₂S.

Карбонаты минеральной части диссоциируют с образованием диоксида углерода и свободной окиси кальция. В результате их взаимодействия с сероводородом образуется сульфид кальция и сера из смеси газов переходит в твердую фазу потока.

На выходе из реактора из смеси газов улавливается основная масса пылевидного кокса, который дожигается в циклонной топке, для получения газового теплоносителя, направляемого в реактор.

В топочную камеру котла поступает горячий газ – смесь теплоносителя с газом скоростного пиролиза сланцев.

При дожигании пылевидного кокса в циклонной топке сульфид кальция доокисляется до сульфата.

Основная часть серы исходного топлива удаляется с зольным остатком.