Исследование методов и устройств для снижения выбросов твердых частиц в атмосферу на Хабаровской ТЭЦ-3

Актуальность темы. Атмосфере человеческой деятельностью причиняется огромный и невосполнимый ущерб. Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха происходит вследствие выбросов в атмосферу вредных веществ при работе энергетических установок, работающих на углеводородном топливе (бензин, керосин, мазут, дизельное топливо, уголь).

Одним из основных и самых крупномасштабных источников загрязнения атмосферы являются ТЭС и ТЭЦ. Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива нетоксичные углекислый газ и водяной пар. Кроме этого, в воздушную среду выбрасываются такие вредные вещества, как оксиды серы, азота, углерода, в частности угарный газ, соединения тяжёлых металлов, таких как свинец, сажа, углеводороды, несгоревшие частицы твёрдого топлива, канцерогенный бенз(а)пирен.

Учёными подсчитано, что ТЭС и ТЭЦ выделяют 46 % всего сернистого ангидрида и 25 % угольной пыли, выбрасываемой в атмосферу промышленными предприятиями. Причиной загрязнений такого масштаба является развитие экологически несостоятельных технологических процессов, то есть таких, которые создают удовлетворение потребностей человека в тепловой и электрической энергии, но одновременно с этим и недопустимое загрязнение окружающей среды. Эти процессы развиваются без принятия эффективных мер, предупреждающих загрязнение атмосферы.

Для решения создавшейся неблагоприятной экологической ситуации в настоящее время действует Федеральный проект «Чистый воздух», согласно которому по данным Росприроднадзора к 2024 году совокупный объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу снизится на 22 % по отношению к уровню 2017 года, т.е. на 900 тыс. тонн. Также Президентом РФ в феврале 2021 г. дано поручение Правительству России в 6-месячный срок разработать Федеральную научно-техническую программу в области экологии и климата на 2021-2030 гг., направленную на создание комфортной и безопасной среды обитания человека. Следует также отметить, что в отечественной промышленности для очистки газов и воздуха от пыли и золы до сих пор используются низкоэффективные конструкции очистных устройств (циклоны, скрубберы пылеосадительные камеры и др.) с фактическим КПД 60-70 %, а для изношенных аппаратов КПД даже ниже 50 %, что не отвечает жёстким современным экологическим требованиям, сформулированным в Федеральном законе от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» [1,5].

По данным ВОЗ, загрязнение атмосферы повышает показатели смертности от неинфекционных заболеваний, вызывает аллергию, наносит непоправимый вред всем живым организмам. Загрязнение воздуха может стать причиной экологической катастрофы.

Цель исследования – разработать мероприятия по снижению выбросов в атмосферу.

Объект исследования – Хабаровская ТЭЦ-3.

Предмет исследования – процесс пылезолоулавливания и повышение его экологической эффективности.

В соответствии с намеченной целью первостепенной задачей стоит изучить основы теории золоулавливания при сжигании углей, а именно золоуловители циклонного типа и теоретический анализ их эффективности работы.

В качестве инерционных (механических) золоуловителей наибольшее применение получили циклоны, в которых осаждение происходит за счет центробежных сил при вращательном движении потока. Поступающий тангенциально через входной патрубок (рис. а) газ движется в канале, образованном наружной п внутренней цилиндрическими поверхностями циклона, где под действием центробежных сил происходит отделение пыли. Затем очищенный газ удаляется через внутренний цилиндр вверх, а осевшая на наружной стенке зола ссыпается под действием силы тяжести вниз в коническую воронку и далее в общий бункер. Величину центробежной силы F, действующей на частицу диаметром d, м, движущуюся по радиусу циклона R, м, при скорости потока газов u, м/с, можно определить по выражению [3]:

    (1)

где ρ_ч – плотность частицы, кг/м³.

Рис. Циклонные золоуловители: а) принципиальная схема циклона; 1 – входной патрубок для запыленного газа; 2 – корпус циклона (поверхность золоулавливания); 3 – выходной патрубок очищенного газа; 4 – бункер для золы; б) элемент батарейного циклона БЦУ типа «Энергоуголь»; в) батарейный циклон; 1 – входной патрубок запылённого газа; 2 – циклонный элемент; 3 – трубные доски; 4 – выходки патрубок очищенного газа; 5 – бункер для золы

Движению частицы к поверхности осаждения препятствует сила лобового сопротивления F_с, которая для частиц в диапазоне диаметров от 2 до 50 мкм определяется по закону Стокса [3]:

    (2)

где μ – коэффициент динамической вязкости газа, Па·с.

Приравнивая выражения (1) и (2), определяем скорость дрейфа частицы к поверхности осаждения:

    (3)

где  – время релаксации, с.

Временем релаксации называется время разгона частицы от нулевого до заданного значения скорости (в данном случае до скорости дрейфа v) при постоянном значении ускорения (в рассматриваемом случае ускорение а=u²/R). Время определяется размером частиц и физическими свойствами частицы и среды.

Таким образом, кинематический параметр для циклонных золоуловителей принимает вид [3]:

    (4)

Параметр формы из рисунка а определяется по формуле:

    (5)

где h – высота потока в циклоне, м; D₀ – диаметр внутреннего цилиндра циклона, = D₀/D, n – число оборотов потока до выхода из циклона.

Окончательное выражение для определения параметра золоулавливания в циклоне принимает вид [3]:

    (6)

Из этого выражения следует, что степень улавливания возрастает с ростом времени релаксации (т. е. для крупных и плотных частиц), скорости газов и уменьшением радиуса циклона. Вторая дробь в формуле (6) определяется формой циклона – относительным диаметром выходного отверстия, глубиной погружения трубы и углом установки подводящего к циклону патрубка.

Входящая в формулу времени релаксации величина динамической вязкости для условий золоулавливания меняется мало, составляя при температуре газов 150°С в среднем 22‧10^-6 Па‧с [3].

Формула (6) позволяет оценить лишь характер влияния основных величин на параметр золоулавливания; практический же расчет параметра золоулавливания циклона ведется на основании эмпирических зависимостей [3].

В настоящее время циклоны устанавливаются на котлах паропроизводительностью до 500 т/ч. Причем для повышения эффективности применяются батарейные циклоны, составленные из циклонов малого диаметра, обычно около 250 мм. Степень улавливания батарейных циклонов находится на уровне 82-90 % при гидравлическом сопротивлении 500-700 Па [3].

В качестве элемента батарейных циклонов используется большое количество модификаций: с аксиальным подводом газа и лопаточными завихрителями, с тангенциальным подводом газа, прямоточные и др.

В настоящее время для энергетических установок рекомендуется применение элемента с тангенциальным улиточным подводом газа типа «Энергоуголь» с внутренним диаметром 231 мм (рис. б). Нормальный ряд таких циклонов для котлов паропроизводительностью от 20 до 500 т/ч представлен в таблице.

Таблица

Типоразмеры батарейных циклонов БЦУ-М

В маркировке циклонов содержатся основные данные по типоразмерам, например 4x14хт означает четырехсекционный аппарат с 14 элементами в глубину, с т элементами по ширине (их может быть от 7 до 24).

Противопоказанием для применения батарейных циклонов является сильная слипаемость пыли, приводящая к их замазыванию. Поэтому не рекомендуется их применение для сильнослипающейся пыли IV группы, в частности на АШ [3].

К пылеотделителям предъявляется ряд требований, (производительность, степень очистки, т.е. эффективность, удельная стоимость очистки, надежность аппарата, его габариты, удобство обслуживания, взрывопожаробезопасность и др.).

Циклоны обладают широким диапазоном производительности, обеспечивают сравнительно высокую эффективность очистки, невысокие удельные затраты на очистку воздуха. Однако их эффективность снижается при уменьшении размеров улавливаемых частиц. Аэродинамическое сопротивление циклонов, в значительной мере определяющее удельные энергозатраты и соответственно стоимость очистки, во многих случаях довольно велико и возрастает при уменьшении размеров улавливаемых частиц. В то же время снижение эффективности очистки в ряде случаев приводит не только к ухудшению здоровья работников или экологическому ущербу, но и к прямым экономическим потерям вследствие высокой стоимости теряемого пылеобразующего продукта. Поэтому важно дальнейшее улучшение технико-экономических показателей циклонов. Очевидно, что эффективное совершенствование конструкции циклонов должно опираться на их математическую модель. В настоящее время существуют различные математические модели, описывающие движение частицы в циклоне с потоком воздуха. При этом обычно делается допущение, что улавливаются все частицы, достигшие стенки циклона, и их дальнейшее движение не рассматривается [2, 4].

Однако в некоторых случаях возможно отражение частицы от поверхности стенки циклона и ее дальнейшее движение в потоке воздуха. Знание траектории движения частицы по стенке циклона и действующих на нее сил создает предпосылки для конструктивного совершенствования циклона, в частности узла отвода пыли, а также дает возможность определения вероятности вторичного уноса ранее уловленных частиц пыли.

Для достижения поставленной цели в [4] рассмотрено движение частицы пыли по стенке циклона. При этом были сделаны следующие допущения: взаимодействия между отдельными частицами пыли отсутствуют; в момент контакта частицы пыли со стенкой циклона радиальная составляющая скорости равна нулю, адгезионное взаимодействие частицы пыли со стенкой циклона отсутствует или пренебрежимо мало; частица пыли совершает чистое скольжение, неконтролируемым сочетанием качения и вращения пренебрегаем в силу малых размеров частицы и ее неправильной формы.

В случае движения по цилиндрической поверхности ρ = const, = = 0 в работе [4] получены уравнения:

     (7)

    (8)

    (9)

где скорость частицы . По мнению авторов, [4] при принятых допущениях уравнения (7) – (9) могут служить приближенной математической моделью движения частицы по стенке циклона в его цилиндрической зоне.