№ 6
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК 621.165
© 2013 г. САЛОМАТОВ Вл.В., САЛОМАТОВ Вас.В.1
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЕ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ТЭС С ПОЛУЧЕНИЕМ ПОЛЕЗНОЙ ПРОДУКЦИИ
Изложен инновационный подход к совместной очистке дымовых газов с ТЭС от токсичных окислов азота и серы с применением электронно-лучевой технологии. Достоинством метода является возможность получения в качестве продуктов нейтрализации дефицитных аммонийных удобрений, слабых кислот и др. По оценкам относительная стоимость очистного оборудования при комбинированном способе электронно-лучевая технология очистки (ЭЛО) находится на уровне 25—30% от капитальных вложений в ТЭС, тогда как при использовании раздельных технологий (селективный катализ, абсорбция) эти затраты составляют 40—50%, т.е. практически в два раза выше.
Введение. Радиационно-химическая технология очистки дымовых газов с использованием ускорителя электронов разработана исследователями в начале 70-х годов: фирма Ebara Corp., Японский институт атомной энергии и Токийский университет и Avco Everett (США) [1, 2]. Масштабные работы по развитию данного метода применительно к очистке дымовых газов ТЭС были проведены в Германии в 1987 г. сообществом "Электронно-лучевой метод" [3]. Вклад в разработку, усовершенствование и реализацию процесса электронно-лучевой технологии очистки (ЭЛО) газовых выбросов различных производств внесен сотрудниками Института химии твердого тела СО РАН и Государственного Научного Центра "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера" СО РАН [4].
В работе [5] приведены оптимальные соотношения между энергией и мощностью отдельного ускорительного модуля для энергоблока угольной ТЭС 500 МВт. Предложен вариант организации технологического процесса ЭЛО дымовых газов с ТЭС.
Цикл работ по ЭЛО выполнен группой исследователей [6], где авторы реализовали первую в России установку по комплексной ЭЛО. И дали оценку экономической эффективности данного способа очистки, которая показывает ее высокую финансовую эффективность [7].
Краткое рассмотрение проблемы показывает ее актуальность и необходимость решения новых задач по ее развитию и усовершенствованию.
Основы электронно-лучевой очистки дымовых газов. Поток отходящих газов подвергается облучению электронным пучком. Электронный луч осуществляет радиолиз основных компонент дымовых газов N2, O2, H2O. Получаемые активные радикалы до-окисляют моноооксид азота NO и диоксид серы SO2 до высших окислов NO2 и SO3, которые затем превращаются в кислоты HNO3 и H2SO4. Кислоты, реагируя с аммиаком, образуют белый кристаллический порошок аммонийных солей, которые улавливаются рукавным фильтром. Конечный продукт удовлетворяет ГОСТ 2-85 и ГОСТ
1Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск.
9097-82 как минеральное удобрение. Установка ЭЛО является маневренной и устойчиво работающей технической системой.
Радиационно-химический метод относится к окислительному типу совместной очистки дымовых газов от $02 и N0^ В зависимости от модификации метода токсичные компоненты $02 и N0х могут извлекаться в виде разбавленных кислот ("мокрый" способ), или смеси нитрата и сульфата аммония ("сухой" способ).
Получаемые продукты утилизируются: кислоты — как реагенты в химической промышленности, соли — как удобрения. В процессе облучения газа происходит доокис-ление $02 до $03 и N0 до N0^ Далее в газовую смесь в дозированных количествах вводят пары воды и (или) аммиак.
Основные реакции электронно-лучевой очистки в упрощенном виде следующие
е + 02, Н20) ^ ОН, О, НО2, N
Я02 + 0 ^ Я03; Я03 + Н20 ^ Н2Я04;
802 + 0Н ^ Ш03; 803 + 0Н ^ Н^04;
N0 + 0 ^ N02; N02 + 0Н ^ HN03; N0 + Н02 ^ НNО3;
Н^04 + 2NH3 ^ (N0,^0^; НNО3 + NH3 ^
Для реализации процесса по указанной схеме требуется наличие в дымовых газах кислорода и паров воды. Введение в смесь аммиака усложняет систему. При облучении газовой смеси С02, Н2О, NН3. $02, N0^, О2 образуется целая гамма короткоживу-щих ионов и радикалов типа N '0, 'ОН. В результате рекомбинационных процессов они превращаются в еще большее число промежуточных соединений: НNО2, О3, Н2О2 и др., которые, вероятно, и являются основными окислителями в системе. Точная схема реакций неизвестна. Достаточно сказать, что для моделирования радиационного эффекта предложены модели, включающие более пятидесяти отдельных элементарных реакций. Отсюда следует, что образование кислот (а через них и аммонийных солей) является лишь одним из многих каналов диссипации энергии ионизирующего излучения, поглощенного газом. Поскольку нет способов целенаправленно облучать одни компоненты газовой смеси, не затрагивая другие, КПД процесса, с точки зрения использовании энергии ионизирующего излучения, весьма невысок. Тем не менее, многочисленными экспериментами показано, что при поглощенной дозе излучения 1,5...2,0 Мрад (6 кВт • ч/1000 м3 газовой смеси), степень связывания оксидов серы и азота достигает 85.90%, эффективность очистки незначительно зависит от соотношения N0yS02 (чем больше содержание $02, тем выше эффективность удаления N0^), запыленности газового потока, количества влаги, и почти не зависит от энергии ионизирующего излучения и мощности дозы излучения.
Самое известное технологическое решение радиационной газоочистки — Эбара-процесс с использованием аммиака ("сухой" способ) — показано на рис. 1. Дымовые газы из котлов ТЭС поступают на электрофильтры, где удаляется зола (99%). Далее в газовый поток вводится аммиак в эквимолярном количестве, и дымовые газы поступают в камеру облучения. Образовавшиеся продукты реакции улавливаются на дополнительном блоке пылеочистки.
Базовая схема (рис. 1а) при всей привлекательности имеет один существенный недостаток: необходимость хранить и строго дозировать аммиак, причем дозировка должна "отслеживать" текущие изменения концентраций $02 и N0^, поскольку условием полноты очистки является введение в газовый поток стехиометрического количества аммиака. Отклонение от оптимума приведет к выбросу в атмосферу $02 и N0^ или аммиака. Следует учитывать, что для крупных ТЭЦ, расположенных в черте города, доставка и использование аммиака связано с риском его утечки в результате аварий.
Дымовые газы
А.
ни
1 N0, 807 22£
Частицы ^
_Г
"1_
Очищенный газ в атмосферу
г
Золы
Дымовые газы
п
Частицы
NH3 ^-^ ....
ни
(ОТ4)^041 NH4N03
1 1 ДМ .......Г
Очищенный газ в атмосферу
J 1_
2&
золы Золы
(ОТ4)^04 * NH4N03 (ОТ4)^04 V
Рис. 1. Схема Эбара — процесса: а — базовый вариант; б — вариант последовательного облучения с оптимизацией режима облучения на каждой стадии: 1 — электрофильтр; 2 — камера облучения; 3 — рукавный фильтр
а
3
золы
б
3
1
Дымовые газы ^02; N0,; С02; зола)
Товарный СaS04 ■ 0,5Н20
в цементную промышленность Рис. 2. Схема процесса радиационной газоочистки без использования аммиака ("мокрый" способ)
"Мокрый" способ радиационной очистки, схема которого приведена на рис. 2, лишен этих недостатков. Поскольку при облучении дымовых газов окисление оксидов S02 и N0, приводит к образованию слабых растворов Н^04 и Н^03, дальнейшую переработку получаемых кислот можно осуществлять известными способами. Например, в работе [8] для ТЭС, работающих на канско-ачинских углях, в золе которых содержится значительное количество несвязанного оксида кальция, предлагается использовать часть золы для получения технологического раствора Са(ОН)2, которым можно "орошать" затем дымовые газы в мокром скруббере. В результате будет образовываться пульпа, содержащая СаS04 ■ 2Н2О (гипс) и Са^03)2 в растворе. Отделение CаS04 ■ 2Н2О от второго продукта можно осуществлять в отстойниках или загустителях. Следует отметить, что выбор варианта завершения процесса определяется экономическими показателями, для этого все они должны быть опробованы на крупных пи-
лотных установках, пока такие данные имеются только для схемы без использования аммиака.
При использовании "чистого" Эбара-процесса для достижения требуемого эффекта очистки газа (удаления из него более 95% оксидов серы и более 80% оксидов азота) должно быть поглощено 1,8 Мрад излучения или 25 кДж/м3 газа. Это означает, что для обработки отходящих газов электростанции мощностью 500 МВт (расход дымового газа 1,6 млн м3/ч) необходим источник излучения, который мог бы обеспечить поглощение в газе излучения мощностью 10.12 МВт. Более того, установочная мощность излучения должна быть больше указанной из-за потерь энергии на стенках дымохода, конструкционных элементах облучающего устройства на 20.50%.
Для использования новой технологии необходимо располагать производством ускорительных установок значительной мощности.
При оценке возможностей крупномасштабного применения электронно-лучевой технологии с использованием аммиака следует учитывать удельную стоимость самой установки, которая составляет величину ~(310.375) евро/кВт. Удельная стоимость комбинированной установки, сочетающей мокрую десульфуризацию по известковому методу с денитрификацией селективным каталитическим методом, оценивается в 230.520 евро/кВт. Таким образом, увеличение электроэнергии на собственные нужды при использовании электронно-лучевого метода очистки имеет тот же порядок, что и в случае комбинации десульфуризационной и денитрификационной установок с использованием указанных выше методов.
Электронно-лучевое обезвреживание газовых выбросов ТЭС. Ежегодно тепловые электростанции выбрасывают с дымовыми газами в атмосферу ~9 млн т $02 и до 3.4 млн т N0^, при этом степень очистки не превышает 2% [9].
Анализ показывает [8], что существующая в мире скрубберная схема улавливания громоздка, ненадёжна, не обеспечивает приемлемых степеней очистки (~85.90%) и приводит к накоплению неутилизируемого Са$03, N0x улавливается на 7.12%.
Существуют три противопоставленные электронно-лучевому методу схемы газоочистки:
1. Метод каталитического окисления субоксидов серы и азота до $03 и ^05 не имеет реальных преимуществ перед радиационной очисткой. Метод селективен по азоту и сере (требует различных катализаторов и режимов обработки), критичен к концентрации пыли и аэрозолей (происходит "от
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.