Зменшення викидів двоокису сірки від процесів згорання палива. Зменшення викидів у процесі горіння

Для обмеження викидів двоокису сірки в енергетичних виробництвах і процесах горіння застосовують чотири основні методи:

— використання палива з пониженим вмістом сірки;

— зниження вмісту сірки в паливі;

— обмеження викидів діоксиду сірки в процесах горіння;

— видалення оксидів сірки з газів, що відходять.

Простим рішенням є заміна палива на паливо, яке містить меншу кількість сірки, звичайно якщо наявний альтернативний варіант характеризується тими ж необхідними властивостями для даного процесу горіння. Як правило, це означає вживання нафтового палива з нижчим питомим вмістом сірки замість бурого вугілля, яке зазвичай характеризується вищим питомим вмістом сірки, а якщо вимоги до зниження викидів зростають, то переходять на використання природного газу. Цей вигляд палива має ту додаткову перевагу, що для нього мінімальні викиди твердих часток.

Інколи, в разі перевищення допустимих концентрацій по диоксиду сірку лише при несприятливих атмосферних умовах (інверсії, зимовий час), істотним стає використання палива з пониженим вмістом сірки лише під час переважання вказаних несприятливих умов, тобто протягом декількох годин або доби. У цих випадках, як правило, перебудова установки по спалюванню економічно не виправдана. Таким чином, при спалюванні вугілля зазвичай переважно мати постачання його з низьким вмістом сірки, а в разі використання нафти отримувати малосірчисті або десульфовані її сорти. Набагато дешевше побудувати додаткові сховища або баки, чим перебудувати всю установку горіння.

Практичні можливості зменшення викидів диоксиду сірки в процесах горіння обмежені. В основному цього можна досягти додаванням речовин, що зв'язують диоксид сірки при високих температурах, що превалюють в процесах горіння і дозволяють отримувати з'єднання, що видаляються із золою в системі сепараторів твердих часток. Цей метод добавок був розроблений для класичних установок горіння. Нові концепції засновані на скріпленні оксидів сірки в процесі горіння вугілля в рідинному шарі. У обох випадках економічні аспекти практично обмежують вибір речовин, зручних для скріплення оксидів сірки, залишаючи лише вапняк або вапно. На невеликих виробництвах інколи можна застосовувати різні вапнякові шлами із відходів.

Метод добавок. Відповідно до цього методу в горючу суміш додають речовину, здатну зв'язати диоксид сірки. Звичайно це тонкоподрібнений вапняк, гідроксид кальцію або доломит. Тонкість помолу гарантує велику активність поверхні добавки; як правило, більшість часток мають розмір 40-90 мкм. В разі використання вапняку при високій температурі горіння відбувається його кальцинація, а оксид кальцію, що утворюється, зв'язує диоксид сірки. Потім сульфат, сульфіт і сорбент, що не прореагував, а також зола відділяються в сепараторі і прямують на зберігання у відвал. На ефективність цього процесу впливає цілий ряд чинників. До їх числа входять розмір часток вапняку, температура в точці введення вапняку в установку горіння, час перебування добавки в температурній зоні, сприятливій для реакції з диоксидом сірки, а також однорідність розподілу добавки в зоні горіння. Хімічний склад надає декілька менший вплив. Перевагою є також те, що добавка зв'язує 10-40 % оксидів азоту.

Конверсія палива. Газифікація вугілля — це процес добре освоєний промисловістю. Він має давні традиції, а перше промислове вживання його відноситься до 1926 р. (генератор Вінклера). Подальший розвиток процесів здобуття газу з вугілля включав рідинну газифікацію (Вінклер), газифікацію в постійно рухомій підкладці (Лурги), а також газифікацію в генераторі з пальником (Копперс—Тоцек). Хоча нині газифікація вугілля застосовується головним образом для виробництва синтезу-газу, аміаку, метанолу, вуглеводнів, а інколи нафтового і вугільного газу, все ж розглядаються нові сфери застосування газифікації вугілля для заміни природного газу або нафтопродуктів. У цьому напряму інтенсивні дослідження проводяться особливо у Германії і США, де ряд розроблених технологій з використанням високого тиску випробовується на пілотних установках. Оскільки отримуваний газ ефективно очищається, побічні продукти переробляються і гази, що відходять, очищаються, тобто з'являється можливість отримати паливо, що немає джерелом викидів ні диоксиду сірки, ні твердих часток. Недолік полягає в тому, що 30—40 % вугілля витрачається на досягнення високої температури, достатньої для газифікації вугілля, а це надто багато для умов топливної кризи. Відповідно багатообіцяючим є процес, в якому теплоту, потрібну для газоутворення, можна було б отримати від зовнішніх джерел, таких як ядерні реактори. Сірку нафтових палив можна видалити, зв'язавши її в кальцієві з'єднання в процесі газифікації з використанням повітря. Гарячий газ звільняється від сірки шляхом пов'язання гідросульфіду оксидом кальцію із здобуттям сульфіду кальцію частини добавки, що залишилася. Отже, здатність зв'язувати діоксид сірки різко падає, хоча ще не прореагировало істотна кількість її, що призводить до зниження міри використання вапняку. Для ефективного масоперенесення несприятливий одночасний потік газу і твердих часток добавки. Критичним параметром є температура. При нагріванні вапняку вище певною температури залежно від особливостей вапняку і тривалість випалення утворюється «неактивне перегартоване вапно», яка далі нездібна зв'язати диоксид сірки. Якщо ж температура впаде нижче певного рівня, то міра сорбції стає нехтує мала. Ефективність сорбції залежить в значній мірі від мінералогічних особливостей вапняку. Як правило, тонкоподрібнені зразки, такі як крейда, краще, ніж зразки великокристалічні. Навіть розподіл вапняку в зоні горіння дуже важливий, але із-за турбулентності газового потоку досягти рівномірність розподілу важко. Менші за розміром частки характеризуються кращою сорбційною здатністю унаслідок їх більшої питомої поверхні, що приводить до деякої більшої ефективності використання сорбенту. Проте занадто дрібнодисперсна добавка може також сприяти зниженню міри осадження з газової в тверду фазу. Зазвичай використовують 1,5—2-кратний надлишок добавки від стехіометрично необхідної її кількості. Основний недолік даного процесу — це мала його ефективність, оскільки в промислових умовах уловлюється лише 20—40 % діоксиду сірки. Даний спосіб може також створити складнощі у відділенні твердих часток. Добавка вапна знижує кількість триоксиду сірки, сприятливого для протікання процесів в електростатичних сепараторах, але збільшує концентрацію твердих часток, які необхідно відокремлювати в системах сепарацій. Скріплення сірки в процесі горіння в псевдозрідженому шарі. В процесі спалювання твердого порошкоподібного або рідкого палива горіння здійснюється в шарі, яке носить назву паливної підкладки, яка формується з твердих часток такого теплоносія як зола, пісок або яке-небудь інша інертна речовина. При горінні в псевдозрідженому шарі досягається висока щільність згорілих і незгорілих часток. Якщо величина щільності при спалюванні порошкоподібного твердого палива складає близько 1 кг/м³, то для псевдозрідженої підкладки вона майже в 500 разів вище. По наявних оцінках кількість теплоти, що виділяється, в разі псевдоржіженного режиму горіння при атмосферному тиску може досягати 15 ГДж-м³-годину. Кількість теплоти залежить від тиску; отже, збільшення тиску може ще більше підвищити це значення. Псевдозріджений шар часток формується при певній швидкості потоку, відповідно їх розміру і фізичним властивостям, коли ці частки приходять в примусове рівновагу з проходящими газами. Зважені частки завіхряються і інтенсивно перемішуються, так що шар в цілому володіє властивостями рідини.

Інтенсивне перемішування часток в псевдозрідженому шарі забезпечує інтенсивний масо- і теплообмін, тому температура часток у всьому шарі практично постійна. Величина коефіцієнта теплопередачі при псевдозрідженому згоранні варіює в діапазоні 250—550 Вт. Висока інтенсивність масообміну в псевдозріджених шарах дозволяє здійснити спалювання вугілля, розмір часток якого набагато більше (до 5 мм) того, який необхідний при класичному горінні порошку. Ще одним наслідком інтенсивного масо- і теплообміну є відносно низька температура псевдозрідженого шару, складова, як правило, 800— 900 °С. Це дає ряд переваг, до яких відносяться: зменшення зони горіння в порівнянні з класичними установками; зниження корозії теплообмінників унаслідок зниженої температури; виключення утворення і осадження відкладень, оскільки зола не досягає не лише точки плавлення, але навіть і температури зм'якшування. Постійність температури псевдозрідженого шару дозволяє вводити в нього велику частину парових нагрівачів, оскільки труби не схильні до термічної втоми. Подібні процеси горіння також менш чутливі до змін вмісту зольності і вологості палив, оскільки теплоємність псевдозрідженого шару створює буферний ефект. Отже, в них можна використовувати низко якісні сорти палив з малою теплотворною здатністю, які не можна застосовувати у звичайних установках без добавок стабілізаторів високоякісного палива. Даний процес характеризується також перевагами з позицій захисту атмосфери. При подібному способі спалювання відбувається утворення сажі, оскільки здійснюється згорання великих по розмірах часток, чим в установках порошкового горіння. Викиди твердих часток зменшуються, відділення їх полегшується, і тій же мірі очищення можна досягти з використанням менших по розмірах сепараторів із зниженим к. п. д. по дрібнодисперсним часткам. Ще одна перевага полягає в обмеженні викидів оксидів азоту, утворення яких є функцією температури, причому при перевищенні 1100 °С кількість їх значно зростає. При температурах, характерних для псевдозрідженого режиму горіння, концентрація оксиду азоту складає менш однією п'ятою від такої при спалюванні порошку. Результати деяких експериментів показали, проте, що це справедливо лише для палив, окислюваних, що не містять окисляємих з'єднань азоту.

Подальші дослідження прямують на розробку путей підвищення ефективності високотемпературних пиловіддільників, що дозволило б застосовувати комбінацію блоків високого тиску з псевдозрідженим згоранням, з подальшим використанням тиску і температури газів, що відходять, в газових турбінах. Це привело б до зниження викидів діоксиду сірки на 85—90 %, а економічні параметри були б порівнянні з такими, характерними для здобуття енергії в класичних установках горіння.

Слід зазначити, що розглядається також процес видалення сірки при двоступінчатому спалюванні, коли псевдозрідженне горіння супроводиться другим рівнем допалювання. У апаратах такого типа частки теплоносія в псевдозрідженому шарі не вступають в прямий контакт з теплообмінними поверхнями бойлера. Отже втрачається ряд переваг одностадійного процесу, головним чином в розмірах і вартості апаратури, а також знижується на 30—35 % ефективність його в порівнянні із звичайним методом добавок.