Основне забруднення атмосферного повітря пов'язане зі спалюванням органічного палива. ТЕС і котельні, споживаючи велику кількість органічного палива, істотно впливають на забруднення повітряного басейну.
Робоча маса органічного палива складається з вуглецю, водню, кисню, азоту, сірки, вологи і золи. В результаті повного згоряння палива утворюються вуглекислий газ, водяні пари, оксиди сірки (сірчистий газ, сірчаний ангідрид) і зола. З перерахованих складових до числа токсичних відносяться оксиди сірки і зола. При високих температурах в ядрі факела топкових камер котлів великої потужності відбувається часткове окислення азоту повітря і палива з утворенням оксидів азоту (оксид і діоксид азоту). При неповному згорянні палива в топках можуть утворюватися також монооксид вуглецю CO, вуглеводні, CH4. C2 H6 і ін. А також канцерогенні речовини. Продукти неповного згоряння дуже шкідливі, проте при сучасній техніці спалювання їх освіту можна виключити або звести до мінімуму.
Найбільшу зольність мають горючі сланці і буре вугілля, а також деякі сорти кам'яного вугілля (наприклад, Екібастузського). Рідке паливо має невелику зольність; природний газ є беззольного паливом. Сучасні золоуловители завдяки високому ступеню уловлювання золи дозволяють значно знизити викиди золи і довести їх до вельми малих значень.
Останнім часом серйозну увагу привернула проблема вивчення канцерогенних речовин, що утворюються при неповному згорянні палива. За своєю поширеністю і інтенсивності впливу з багатьох хімічних речовин цього типу найбільше значення мають поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАВ) і найбільш активний з них - бенз (а) пірен. Максимальна кількість бенз (а) пірену утворюється при температурі 700 - 800 ° C в умовах нестачі повітря для повного згоряння палива.
Викидаються в атмосферу з димових труб котелень і електростанцій токсичні речовини надають шкідливий вплив на весь комплекс живої природи, званий біосферою. Біосфера включає в себе прилеглий до поверхні Землі шар атмосфери, верхній шар грунту і верхні шари водних поверхонь.
МОЗ Росії встановлені гранично допустимі концентрації (ГДК) шкідливих речовин в атмосферному повітрі населених місць. ГДК називається така концентрація шкідливої речовини в атмосферному повітрі на рівні дихання людини, яка не робить на його організм прямого або непрямого впливу, не знижує його працездатності, не впливає на його самопочуття. ГДК служить основним критерієм санітарно-гігієнічної оцінки якості атмосферного повітря. Значення ГДК для основних забруднюючих речовин, що викидаються енергетичними підприємствами, наведені в табл. 15.1.
Для кожного викидається в атмосферу шкідливого речовини необхідно дотримуватися умова
де Ci. ПДКi - приземні і гранично допустимі концентрації шкідливих речовин.
Таблиця 15.1 Гранично допустимі концентрації шкідливих речовин в атмосферному повітрі населених місць
Сумарна кількість Mj забруднюючої речовини j. що надходить в атмосферу з димовими газами котельні або ТЕС, визначається на підставі вимірювання концентрацій шкідливих речовин в димових газах за рівнянням, г / с
де Cj - масова концентрація забруднюючої речовини j в сухих димових газах при стандартному коефіцієнті надлишку повітря # 945; 0 = 1,4 і нормальних умовах (p = 101,3 кПа, T = 273 К), мг / м 3; Vс.г - об'ємний витрата сухих димових газів, що утворюються при згорянні палива при # 945; 0 = 1,4 і нормальних умовах, м 3 / с; Kп - коефіцієнт перерахунку (при визначенні масової витрати (викиду) забруднюючої речовини в грамах в секунду Kп = 10 -3).
3.2 Очищення продуктів горіння від механічних домішок і газоподібних токсичних викидів.
Ефективність роботи золоуловлювальної пристроїв залежить від фізико-хімічних властивостей золи і транспортують її димових газів. Основними параметрами золи є щільність, дисперсний склад, питомий електричний опір, злипання.
Для очищення газів від золи і пилу застосовуються апарати, що розрізняються по конструкції і принципу осадження частинок (рис. 15.1). Їх поділяють на чотири групи: «сухі» механічні, «мокрі» механічні, фільтри і електрофільтри.
Мал. 15.1. Золо-пиловловлювачі ТЕС і котелень: а - осаджувальна камера; б - жалюзійний золо-пиловловлювач; в - циклон; г - «мокрий» пило-золоуловітель; д - рукавний фільтр; е - електрофільтр; 1 - забруднені гази; 2 - очищені гази; 3 - тверді частинки; 4 - вода; 5 - коронирующим електроди; 6 - осаджувальні електроди
Золо-пиловловлювачі характеризуються ефективністю уловлювання, яка представляє собою відношення маси уловленной пилу до загальної кількості пилу, що надходить в апарат.
До «сухим» механічним апаратів відносяться: осаджувальні камери, циклони, інерційні, жалюзійні, вихрові і динамічні пиловловлювачі.
Вони відрізняються простотою виготовлення і експлуатації. Однак ефективність уловлювання пилу в них не завжди достатня, тому їх використовують в основному для попередньої очистки газів.
Осаджувальні камери являють собою пустотілі або з горизонтальними полками камери (рис. 15.1. А). У них використовується гравітаційне осадження частинок при проходженні газу через обсяг апарату зі швидкістю 0,2-0,8 м / с.
Жалюзійні золо-пиловловлювачі (рис. 15.1. Б) прості за конструкцією і мають невелике гідравлічний опір. Вони складаються з жалюзійних ґрат і пиловловлювача (циклону). Призначення жалюзійних ґрат - розділити газовий потік на дві частини: одну - менш запилену, складову 80-90% від всього газового потоку, і іншу - відсмоктувати в циклон, що становить 10-20% усього потоку і містить основну масу пилу, яка вловлюється в циклоні . Далі очищений в циклоні газ змішується з основним потоком.
Швидкість газу в жалюзійних пиловловлювачів складає 12-15 м / с; гідравлічний опір решітки - 100-500 Па. Застосовується для уловлювання частинок більше 20 мкм.
Циклони є найбільш поширеними апаратами для очищення газів від золи і пилу. Вони прості у виготовленні, надійно працюють при високих температурах і тисках газів, мають практично постійне гідравлічне опір і не змінюють фракційну ефективність з ростом запиленості газів.
Підводка газів в циклон може бути спіральної, тангенциальной, тангенціально-гвинтовий. Циклони можуть бути циліндричними і конічними. Циліндричні циклони є високопродуктивними апаратами, а конічні - високоефективними.
Принцип дії циклону наступний (рис. 15.1. В). Потік газу, що підводиться тангенциально або спірально, закручується і рухається вниз по спіралі. Тверді домішки, що містяться в газах, під дією відцентрових сил притискаються до стінок корпусу циклону і потрапляють в бункер, а потік очищених газів відводиться з верхньої частини циклону. Ступінь очищення таких апаратів складає до 90%.
Для підвищення ступеня очищення застосовують циклони невеликого діаметра (0,23-0,5 м), що об'єднуються в батареї, так звані батарейні циклони. Поширені три типи елементів батарейних циклонів: з осьовим напрямним апаратом (БЦР-254), полууліточним підведенням газу (БЦУ-М) і четирехзаходним підведенням газу (БЦ-512). Більш високий ступінь уловлювання мають батарейні циклони типів БЦУ-М і БЦ-512.
Батарейні циклони застосовують для уловлювання золи (пилу) за котлами паропродуктивністю 500 т / год. Рекомендується застосування циклонів з тангенціальним полууліточним підведенням газу типу БЦУ-М внутрішнім діаметром 231 мм. Ступінь очищення у таких циклонів становить 88-92% при втраті тиску 500-700 Па.
До групи «мокрих» механічних пило-золоуловителей відносяться: порожнисті, насадок, тарілчасті, ударно-інерційного дії, відцентрові, швидкісні (скрубери Вентурі) скрубери. Видалення золи (пилу) в них відбувається при безпосередньому контакті рідини з запилених газом. Принцип їх дії заснований на відділенні частинок золи (пилу) від потоку інерційними силами і їх прилипании до плівці води, що омиває стінки або поверхню насадки, що виключає повернення частинок в потік газу. У золоуловлювачах такого типу крім уловлювання золи протікають хімічні процеси поглинання з димових газів оксидів вуглецю і сірки.
Мокрі золоуловители відрізняються високою ефективністю (ступінь очищення досягає 95-97%), відносно невисокою вартістю, помірними габаритами, простотою обслуговування і відносно невеликими експлуатаційними витратами.
Порожні скрубери (рис. 15.1. Г) представляють собою колони круглого або прямокутного перерізу, в яких здійснюється контакт між газом і краплями води, що розпорошується форсунками. Форсунки встановлюються в колоні в одному або декількох перетинах. Найбільш поширені протиточні скрубери. Швидкість газу в них змінюється від 0,6 до 1,2 м / с. Якщо робота проводиться при швидкостях газу до 5-8 м / с, то встановлюються краплевловлювачі.
Гідравлічний опір скрубера без краплевловлювача становить 250 Па. Висока ефективність скрубера забезпечується при розмірі частинок, що перевищує 10 мкм.
У пилоуловлювачах з рухомою насадкою в якості насадки використовують кільця, сідла і кулі з полімерних матеріалів або пористої гуми. Щільність насадки не повинна перевищувати щільності рідини. Оптимальний режим пиловловлювання в таких апаратах встановлюється при повному псевдозріджених.
Процес очищення рекомендується проводити при наступних умовах: швидкість газу - 5-6 м / с; питома витрата рідини на зрошення - 0,5-0,7 л / м 3 газу; вільний перетин решітки S0 = 0,4 м 2 / м 2 при ширині щілини 4-6 мм. Оптимальний діаметр куль - 20-40 мм. Насипна щільність - 200-300 кг / м 3. Мінімальна статична висота шару насадки складає 5-8 діаметрів куль в насадці, а максимальна не повинна перевищувати діаметр скрубера.
У тарілчастих колонах зола (пил) утримується газорідинним (пінним) шаром, що утворюється на контактних тарілках при взаємодії газу і рідини. Найбільш поширені пінні апарати з сітчатимі тарілками або з провальними тарілками - дірчастими, гратчастими, трубчастими і колосниковими.
В основі роботи пористих фільтрів всіх видів лежить процес фільтрування газів через пористі перегородки. При фільтруванні тверді і рідкі частинки затримуються на перегородці, а газ повністю проходить через неї. Фільтруючі перегородки досить різноманітні, але в основному вони складаються з волокнистих або зернистих елементів.
Залежно від призначення пористі фільтри умовно поділяють на фільтри тонкого очищення, повітряні фільтри і промислові фільтри.
Фільтри тонкого очищення призначені для уловлювання в основному субмікронних частинок з газів з низькою початковою концентрацією (<1 мг/м 3 ). Их применяют для улавливания особо токсичных частиц с высокой эффективностью. Для очистки газов на 99 % от частиц размером 0,05–0,5 мкм используют материалы в виде тонких листов или объемных слоев из тонких или ультратонких волокон (диаметром менее 2 мкм).
Гідравлічний опір чистих фільтрів 200-300 Па, а забитих пилом - 700-1500 Па.
Фільтри тонкого очищення розраховані на термін роботи 0,5-3 року. Вони не регенеруються, а замінюються на новий.
Повітряні фільтри використовуються в системах припливної вентиляції і кондиціонування повітря.
До промислових фільтрів відносяться тканинні, зернисті і грубоволокнисті фільтри, які використовуються для очищення промислових газів з концентрацією золи (пилу) до 60 г / м 3. Найбільш поширені тканинні фільтри, які містять гнучку систему фільтрів перегородку, що має форму циліндричних рукавів (рукавні фільтри) (рис . 7.1. д). Ефективність таких фільтрів - більше 99,5%, а втрати напору складають 1-1,5 кПа при швидкості фільтрування 0,5-2 м / с.
Тканинні фільтри виготовляють з матеріалу, який повинен витримувати високу температуру відхідних газів. Матеріал фільтра повинен бути стійким до підвищеної вологості і дії хімічних сполук. Як матеріал фільтрів використовують шерсть, вовняний повсть або лавсан при температурі газів до 130 ° C. Для температури близько 260 ° C застосовують скловолокно і скловолокно з графітом. Тривалість роботи тканини становить 1-3 роки. Тканинні фільтри зазвичай роблять багатокамерними. Число рукавів в одній камері може становити 100 і більше.
Димові гази надходять знизу всередину рукавів, осадження частинок пилу відбувається на внутрішній поверхні стінки рукава. При регенерації в одну з камер припиняється подача димових газів, і прилип до тканини шари пилу видаляються струшуванням або вібрацією рукавів. Відділенню пилу сприяє також струмінь стисненого повітря, що спрямовується проти руху, що здійснюється в процесі фільтрації. Відокремилася пил падає в мішок, що знаходиться під рукавами, і видаляється за допомогою шнеків.
Залишкова концентрація золи (пилу) після тканинних фільтрів може становити 15-50 мг / м 3. що задовольняє найжорсткішим нормативам.
Промислові електрофільтри (рис. 7.1. Е) використовуються для очищення великих обсягів газу (до 1 млн. М 3 / ч) з концентрацією частинок до 50 г / м 2. У них відбувається уловлювання частинок будь-яких розмірів з ефективністю більше 99%. Електрофільтри можуть працювати при температурах газів до 400-450 ° C як під розрідженням, так і під тиском. Гідравлічний опір їх одно 100-150 Па. Витрати енергії складають 0,1-0,5 кВт · год на 1000 м 3 газу, що очищається.
Електрофільтри мають такі недоліки: великі габарити, підвищена металоємність, висока вартість, для їх обслуговування необхідний кваліфікований персонал.
Електрофільтри поділяються: по конструкції - на Однозонна і двозонні; у напрямку газового потоку - на горизонтальні і вертикальні; по конструкції осаджувальних електродів - на пластинчасті і трубчасті; за способом видалення пилу з електродів - на «сухі» і «мокрі»; в залежності від кількості послідовно розташованих електричних полів - на однопільні і багатопільні; в залежності від числа паралельних електрофільтрів - на одно- і багатосекційні.
Основними конструктивними елементами електрофільтрів є: корпус, де розміщені електроди; вузли підвода, розподілу і відведення газів, що очищаються; пристрій для видалення уловленной пилу з електродів; пристрій для виведення пилу з електрофільтру; вузли введення в електрофільтр струму високої напруги - ізоляторні коробки.
Очищення димових газів в електрофільтрі відбувається в результаті створення нерівномірного електричного поля високої напруги (приблизно 50 кВ) і освіти коронного розряду між електродами. Утворені в зоні коронного розряду іони і електрони викликають струм від коронирующих до осаджувальних електродів - струм корони. Частинки золи, перебуваючи між електродами, заряджаються під дією сил електричного поля, рухаються до осаджувальних електродів і осідають на них. При тривалості перебування газів в активній зоні фільтра не менше 8 с і швидкості руху газів 1,2-1,5 м / с ступінь уловлювання становить 99-99,8%.
Ефективність уловлювання істотно залежить від електричних властивостей газового потоку, перш за все від електричного опору золових частинок. З підвищенням питомої електричного опору частинок швидкість осадження знижується. Крім того, ефективність роботи електрофільтрів залежить від режиму струшування електродів, для чого найчастіше використовують ударно-молоткові механізми. Проміжки між струшуванні повинні бути оптимізовані для кожного поля, так як в кожному наступному полі кількість осаждаемой золи зменшується.
Ефективність очищення димових газів від золи і пилу значно підвищується при використанні комбінації фільтрів, наприклад, мокрого золоуловітеля і електрофільтру. Збільшення вологості і зниження температури газів в мокрому золоуловлювачів забезпечує ефективне уловлювання золи в електрофільтрі. Загальна ступінь уловлювання золи при цьому досягає 99-99,5%.