01.03.2011 г.

  На главную раздела "Научные работы"


 И.Г.Абрамсон, д.т.н., НИЦ “Гипроцемент-Наука”,
Ю.С.Шлионский, инж., ОАО “Гипроцемент”
 
Реферат

Описана технология удаления оксидов азота и серы из отходящих газов тепловых электростанций с помощью пучков электронов высоких энергий Приведены зависимости степени их удаления от поглощённой дозы, температуры и начальной концентрации. Вносится предложение распространить этот опыт на печи цементной промышленности, в первую очередь – на печи, использующие угольное топливо.

Summary

The technology of nitrogen and sulfur oxides removal from out gases of coal fired power stations is described. The dose, temperature and initial concentrations dependencies of NOx and SO2 removal efficiency are given. The proposal to spread this experience on cement kilns, first of all – on the kilns using the coal fuel, is bringing in.

 

Читатели журнала и научно-техническое сообщество цементников, по-видимому, знакомы с интенсивно развивавшимся в 1980-ые годы амбициозным проектом радиационно-термической технологии цемента [1,2]. К сожалению, в силу известных исторических обстоятельств этот дорогостоящий, но весьма перспективный проект заморожен, несмотря на интерес, проявленный к нему и за рубежом, в Китае.

Но радиационно-химические технологии неуклонно пробивают себе дорогу в промышленность. В данном сообщении имеется в виду ознакомить читателей с одной из технологий, использующих мощные пучки электронов, ускоренных до энергий порядка 1 МэВ, для утилизации промышленных отходов и предотвращения загрязнения окружающей среды, конкретно – о технологии удаления вредных газовых выбросов. Эта технология должна представить интерес для работников цементной промышленности.

Известно, что при обжиге цементного клинкера во вращающихся печах в атмосферу, кроме пыли, выбрасываются различные токсичные вещества среди которых наиболее распространенными являются оксиды азота (NOx).

Оксиды азота образуются в основном за счет окисления азота воздуха под воздействием высокой температуры в зоне обжига (так называемые термические окислы азота) и при окислении азотсодержащих органических веществ, имеющихся в составе твердых и жидких топлив (топливные окислы азота). Конечным продуктами окисления азота являются моноокись азота (NO) и диоксид азота (NO2); смесь этих газов обычно обозначается NOx.

При обычных температурах горения >1500° идет преимущественное образование NO по реакции N2+O2=2NO. При охлаждении дымовых газов и при наличии избытка кислорода равновесие сдвигается в сторону образования NO2 по реакции 2NO+O2 = 2NO2. Поэтому в отходящих газах содержится в основном NO2 при незначительном количестве NO.

Двуокись азота NO2 вредно влияет на дыхательные пути человека. Так, например, по данным американских источников, у здоровых людей подвергшихся воздействию NO2 в концентрациях 0,7-5,0 ppm в течение 10-15 мин было обнаружено затрудненное дыхание.

По данным немецких исследователей в отходящих газах вращающихся печей NOx содержится в пределах от 0,3 до 2,0 г/м3газа.

В зарубежных странах установлены предельные содержания выбросов окислов азота печами для обжига портландцементного клинкера. Так, для печей с циклонными теплообменниками содержание NO2 в отходящих газах не должно превышать 1,3 г/м3.

Далее речь пойдет об опыте очистки от окислов азота и серы газовых выбросов тепловых электростанций [3,4].

В ряде стран (Япония, Китай, Польша, Германия) эксплуатируются несколько пилотных установок производительностью 10-20 тыс м3 газов в час, а также 6 промышленных установок производительностью более 100 тыс. м3 в час.

На рисунке 1 изображена схема такой демонстрационной установки, сооруженной в Щецине. Дымовые газы от двух котельных агрегатов, мощностью 56 МВт каждый, работающих на угле, сначала очищаются от твёрдых частиц системой электростатических фильтров. Затем половина потока после охлаждения распыленной струёй воды и добавки некоторого количества аммиака NH3 поступает в два радиационно-химических аппарата, где происходит обработка газосмеси четырьмя электронными пучками двух ускорителей общей мощностью 1200 кВт. В результате происходящих после облучения химических реакций образуются твёрдые частицы нитратов и сульфатов аммония. Последние улавливаются электростатическим фильтрами и поступают в накопительный бункер. Полученное вещество является экономичным сельскохозяйственным удобрением. Содержание окислов азота в газах после обработки снижается более чем в 3 раза, а оксидов серы – в 10 раз.
 
 
Рис.1
 
Столь ощутимый эффект объясняется именно радиационным вмешательством. При неупругом рассеянии быстрых электронов в бомбардируемом газе образуется большое число вторичных электронов, которые возбуждают и ионизируют атомы, разрывают молекулярные связи, вызывая образование высокоактивных радикалов и интенсифицируя химические реакции связывания последних.

Упрощенно механизм радиационного перевода NOx и SO2 из газовой фазы в присутствии аммиака в нитрат и сульфат аммония схематически представлен на рис. 2. При всей многовариантности соответствующих радиационно-химических превращений их конечными продуктами оказываются NH4NO3 для NOx и (NH4)2SO4 для SO2.
 
Рис. 2
 
Эффективность радиационной обработки отходящих газов зависит от первоначальной концентрации окислов. Чем она выше, тем эффективнее при прочих равных условиях (температура, концентрация впрыскиваемого NH3) работает электронный пучок – увеличивается кратность снижения окислов N и S в газах. Это следует из полученной зависимости от поглощённой дозы D доли удалённых окислов от их первоначальной концентрации. (Напомним, что поглощённой дозой называется энергия излучения, поглощённая единичной массой облучаемого вещества в процессе возбуждения и ионизации содержащихся в ней молекул. Единицей измерения поглощённой дозы в системе СИ служит грей (Гр): 1 Гр = 1 Дж/1 кг, 1 кГр = 1 кДж/ 1 кг.)

Графически эта зависимость при одностадийном облучении показана на рис.3.

Аналитически, для окислов азота, она выражается уравнением

h NOx=100[ (NOx)0 – (NOx)1] /(NOx)0 = k1[1 – exp(- k2D/(NOx)0],

где (NOx)0 – концентрация NOx на входе в облучаемую камеру,

(NOх)1 - концентрация NOx на выходе из облучаемой камеры,

k1 и k2 – параметры процесса.

Чем выше (NОх)0, тем большая доля энергии пучка данной мощности будет поглощена, т. е. тем выше D. При этом D растёт нелинейно, превышая рост начальной концентрации NОх.

Эффективность удаления NОх можно повысить, применяя двухстадийное облучение. Именно такой приём осуществлён в пилотной установке на ТЭС в Щецине, схема которой приведена на рис. 1. В случае двухстадийного облучения доля удалённых газов a NОх больше, нежели h NОх при одностадийном:

a NОх = 100 [(NOx)0 – (NOx)2] / (NOx)0 = 100 – 0,01YсYf,

где (NОх)2 – концентрация NОх после второй стадии,

Yc = 100 – k1[1 – exp (- k2Dx/(NOx)0)],

Yf = 100 – k2[1 – exp (- k2Dy/0,01Yc)],

x - доля общей дозы D, приходящаяся на первую стадию,

y - доля общей дозы D, приходящаяся на вторую стадию (x+y=1)

Опыты на различных пилотных установках показали также более высокую эффективность удаления NОх, когда при той же поглощённой дозе имеет место более высокая концентрация SО2 (см. рис. 4). Это может быть объяснено поглощением NО2 в сернокислом тумане, образуемом возрастающей концентрацией SО3. Данное обстоятельство может представить дополнительный интерес для предприятий, работающих на угольном топливе. Радиационная очистка окажется здесь вдвойне выгодной: помимо резкого уменьшения при соответствующей дозе концентрации SО2 она даёт большее по сравнению с печами, работающими на других топливах, снижение концентрации NОх.

Может возникнуть вопрос: зачем следует охлаждать газовый поток? Две причины лежат в обосновании этого технологического требования. Первая состоит в том, что оптимальная температура для стимулируемых электронным пучком реакций SO2 и NOx с NH3 лежит в интервале 60 - 90° С, на 16-20° С выше точки росы (см. рис. 5). Вторая причина – в том, что более высокая температура опасна для титановых фольг выпускных окон ускорителей электронов.

В заключение зададимся вопросом: если успешно функционирует радиационная газоочистка на тепловых электростанциях ряда стран и если эта эффективная технология ускоренными темпами захватывает всё новые объекты теплоэнергетики (и не только), почему бы не подумать о том, чтобы применить её и на столь мощных генераторах NОx и SO2 , как печи цементной промышленности, особенно работающие на угле? Или ждать, пока штрафы за превышение ПДК по NОx и SO2 станут достаточно ощутимыми для собственников цементных заводов? Стоит ли? Ведь чем позже начать воплощение метода в новой для него отрасли, тем большим окажется финансовый проигрыш. Сегодня стоимость современного отечественного ускорителя электронов мощностью 500 кВт составляет примерно $ 2 млн, что сопоставимо с остальными капитальными вложениями.


Литература


   1. И.Г.Абрамсон. Производство цемента может быть экологически чистым. Цемент, №1, 1996.
   2. Abramson I. G., Egorov G. B. and Nikiforov Yu. V. The Design of Pilot Line for Cement Clinker Production by RT-technology. The 5th International Symposium on Cement & Concrete. Shanghai, 2002.
   3. Chmielewski A.G. Electron Beam Gaseous Pollutants Treatment. Preprint of the Institute of Nuclear Chemistry and Technology. Warszawa, 1999.
   4. М.П.Свиньин. Перспективы использования высоковольтных ускорителей электронов в природоохранных технологиях. Устное сообщение СПб, 2003.


Подрисуночные надписи

Рис.1. Схема пилотной установки радиационный очистки газов на ТЭЦ в Щецине, Польша.

Рис.2. Возможные пути перевода NОx и SO2 в нитрат и сульфат аммония.

Рис.3. Зависимость доли удаленных окислов от поглощенной дозы.

(SO2)o = 280 ppm

(NOx)o = 200 ppm

t вых = 63-65°C

Рис.4. Влияние концентрации SO2 на эффективность удаления NOx.

1 – Индианаполис, США: (NOx)o = 290-440 ppm, RNH3=0,95-1,3, t=83-91°C, D=18-20 кГр.

2 – Кавещин, Польша: (NOx)o = 135 ppm, RNH3=0,6-0,75, t=70-80°C, D=11,5 кГр.

Рис.5. Эффективность удаления SO2.

1 – температура газа на выходе из облучаемой реакционной камеры находится в пределах 66-72°C,

2 – то же, 64-66°C,

3 – то же, 62-64°C.

Начальная концентрация SO2 составляла 650-950 ppm.

Начальная концентрация NOx составляла 150-230 ppm.

Статья поступила в редакцию 28.01.2006г.
 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить