Дымовой газ: дымовой газ

Создан оригинальный метод очистки дымовых газов

По данным ВОЗ, ежегодно в мире примерно 3,7 миллиона человек умирают из-за загрязнения атмосферного воздуха. «Чемпионом» по вредным выбросам давно считаются тепловые станции, которые вырабатывают в мире около 60 процентов электроэнергии. Они выбрасывают в атмосферу гигантские объемы дымовых газов. Особо опасны как для экологии, так и для здоровья людей содержащиecя в них окислы серы и азота. Так, только российская промышленность ежегодно выбрасывает в атмосферу столько серы, что из нее можно производить до 40 миллионов тонн серной кислоты.

Разумеется, на каждой электростанции есть система очистки, но проблема в том, что традиционные методы не позволяют в одну стадию достичь санитарных норм чистоты, а внедрение многих стадий влетает в копеечку.

И выбор чаще всего делается в пользу первого варианта с выбросом в атмосферу не полностью очищенных газов. А значит, кислотные дожди продолжаются. Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) предлагают свое решение проблемы. Этот проект выиграл грант Российского научного фонда.

— В чем суть технологии? — говорит старший научный сотрудник Института физики высоких технологий ТПУ Роман Сазонов. — Вначале в дымовой газ добавляется аммиак и в некоторых случаях дополнительно вводится вода. Затем в трубу запускается поток электронов, создавая плазму. Начинаются плазмохимические реакции, и в итоге образуются твердые частицы сульфата и нитрата аммония. Их можно отфильтровать и применить как минеральные удобрения.

«Чемпионы» мира по вредным выбросам тепловые станции засоряют атмосферу гигантскими объемами газов

В Институте физики высоких технологий давно и успешно строят компактные импульсные ускорители электронов. Они работают в промышленности, например для очистки сточных вод. Теперь их попробуют использовать для решения «кислотного вопроса». Предстоит испытать различные установки, определить, как наиболее целесообразно очищать дымовые газы. Задача исследователей — разработать метод, который экономически целесообразно применять на тепловых электростанциях.

Но почему плазмохимия оказывается эффективнее традиционных методов, например пропускания дыма через раствор щелочи? Дело в том, что при сжигании образуется сложная смесь газов, и далеко не все из них, например низшие окислы азота, легко вступают в реакцию. Поэтому степень очистки не превышает 70 процентов. Преимущество плазменного метода в том, что пучок электронов запускает большое количество химических реакций в газовой смеси, а значит, содержащиеся в дыме соединения азота и серы будут из него извлечены. Это уже было показано, к примеру, в экспериментах не только в России, но и в Японии. Теперь надо доказать, что метод работает и в промышленном масштабе.

Мокрая десульфурация | Lechler

Для впрыска известкового молока в абсорбер используются специальные форсунки из керамики. Эти форсунки формируют из закачанной суспензии множество мелких капель и таким образом создают большую поверхность реакции для хорошей массопередачи. Керамика гарантирует долгий срок службы несмотря на то, что известковая суспензия с содержанием гипса обладает абразивными свойствами. При расчете параметров мы делаем упор на свободном поперечном сечении, чтобы небольшие загрязнения в суспензии не засоряли форсунки. Для обеспечения экономичности работы эти форсунки можно настроить так, чтобы насос работал в диапазоне максимального КПД. Нужные параметры форсунки можно подобрать (почти) для любой технологической системы. На выбор доступны форсунки с полным конусом и вогнуто-конические форсунки с разными углами струи и ступенями объемного расхода, в т. ч. в исполнении TwinAbsorb^{-Серия с запатентованной компенсацией завихрения.}

Зона абсорбции состоит из нескольких расположенных друг над другом ярусов форсунок и одной установленной в горизонтальном положении системы каплеотделения, чтобы возвращать в процесс попадающие в поток газа мельчайшие капли. Наши высокоэффективные системы каплеотделения позволят повысить эффективность вашей установки.

Содержащиеся в суспензии твердые вещества могут приводить к возникновению отложений, например в каплеотделителе, во впускном канале или в трубах, что, в свою очередь, приведет к неисправностям в процессе эксплуатации. Поскольку вследствие испарения из контура постоянно забирается вода, необходимо обеспечить подачу в абсорбер воды, которая сразу же будет использоваться и для очистки. Для очистки участка впуска дымового газа отлично зарекомендовали себя язычковые форсунки Lechler. Для очистки каплеотделителей обычно используются форсунки Lechler с полным конусом.

Зачастую в конструкции абсорбера используется пластик (например, для трубопроводов) и резина (например, уплотнения, обрезинивание и пр.), термостойкость которых ниже температуры неохлажденного дымового газа. Обычно находящаяся в контуре суспензия достаточно охлаждает дымовой газ; но если, например, откажет подающий насос, пластик и резина могут разрушиться. В данной ситуации хорошо зарекомендовали себя металлические форсунки, выполненные из специальных сплавов, берущие охлаждение на себя и, таким образом, оправдывающие инвестиции в установку для обессеривания дымовых газов.

Анализаторы дымовых газов

Другие продукты

Анализ дымовых газов используется для контроля эффективности и оптимизации процессов горения в различных печах, парогенераторах, котлах промышленных и коммунальных предприятий. На практике наиболее важными для управления эффективностью горения признаны два параметра. Первый — это концентрация кислорода O

2 как прямой показатель потерь вследствие избытка воздуха, подаваемого в печь. Вторым параметров является концентрация несгоревших горючих компонентов, как правило, окиси углерода СО и водорода H₂, позволяющая судить о потерях из-за неполноты сгорания.

Наибольшее распространение для непрерывного измерения концентрации кислорода в дымовых и других технологических газах получили ячейки на основе оксида циркония. Их отличает способность измерять содержание кислорода в высокотемпературных, загрязненных пылью и содержащих пары воды газах без какой-либо дополнительной подготовки пробы. Такие ячейки используются и в анализаторах Thermox. Для измерения концентрации несгоревших горючих компонентов дымового газа в этих анализаторах применяются каталитические ячейки.

Следует отметить, что датчики на основе оксида циркония применяются также для измерения концентрации кислорода на уровне ppm в чистых или защитных газах.

В последнее время все активнее используются и лазерные анализаторы кислорода, также представленные в этом разделе.



• Анализаторы кислорода (ячейка на основе оксида циркония), горючих компонентов и метана с принудительным пробоотбором
• Приложения: измерение содержания кислорода и горючих компонентов в дымовых газах печей и других энергетических установок, работающих на газообразном топливе, с температурой дымовых газов до 1650°С
• Измерения O₂ в диапазоне 0…100 % и СО в диапазоне 0…500 ppm
• Сетевой анализатор во взрывозащищенном корпусе, с масштабируемыми аналоговыми выходами по всем измеряемым компонентам, цифровыми интерфейсами Modbus или HART

• Анализаторы кислорода (ячейка на основе оксида циркония), горючих компонентов и метана с принудительным пробоотбором
• Приложения: измерение содержания кислорода и горючих компонентов в дымовых газах печей и других энергетических установок, работающих в основном на газообразном топливе, с температурой дымовых газов до 1650°С и в случаях, когда необходимо малое время отклика
• Измерения O₂ в диапазоне 0…100 %
• Исполнение с удаленным контроллером 2000 или интеллектуальное исполнение IQ (без контроллера), взрывозащищенное исполнение полевого блока

• Анализаторы кислорода (ячейка на основе оксида циркония), горючих компонентов и метана в дымовых газах с конвективным пробоотбором
• Приложения: измерение содержания кислорода и горючих компонентов в дымовых газах печей и других энергетических установок, работающих на газообразном, жидком или твердом топливе, с высокими температурой (до 1540°С) и запыленностью дымовых газов
• Измерения O₂ в диапазоне 0…100 %
• Исполнение с удаленным контроллером 2000 или интеллектуальное исполнение IQ (без контроллера), взрывозащищенное исполнение полевого блока

• Анализаторы кислорода в дымовых газах зондового типа (ячейка на основе оксида циркония) с установкой измерительной ячейки непосредственно в анализируемом газе
• Приложения: измерение содержания кислорода в дымовых газах (с температурой до 800°С) печей и других энергетических установок, работающих на газообразном, жидком или твердом топливе
• Измерения O₂ в диапазоне 0…100%
• Исполнение со встроенным контроллером 1200, с удаленным контроллером 2000 или 1210; возможно взрывозащищенное исполнение полевого блока

• Анализаторы кислорода в чистых газах (ячейка на основе оксида циркония) в портативном (CG1000) и стационарном (TM2000) исполнениях
• Приложения: измерение содержания кислорода в чистых газах, применяемых в химии и нефтехимии в качестве защитных или инертных газов, в электронной промышленности, на установках газоразделения
• Измерения O₂ в диапазоне 0,1 ppm…100%

• Лазерный анализатор кислорода в технологических газах со встроенной системой проверки правильности показаний на потоке
• Приложения: измерение содержания кислорода в различных технологических газах
• Измерения O ₂ в диапазоне 0,1…100%
• Интерфейсы Modbus, RS232 и Ethernet
• Возможно взрывозащищенное исполнение

Новости

Системы обработки топочного газа, главным образом, используются для полного соответствия применяемым стандартам на выбросы. Эти установки разработаны, основываясь на содержании отходов. Очистка топочного газа в этих системах — многопрофильный подход к контролю за загрязнением, чтобы устранить опасное содержание продуктов сгорания, возникающих при сжигании отходов из различных источников. Все топочные газы имеют различные свойства; поэтому должны

рассматриваться индивидуально. 

 

Чтобы уменьшить вредное воздействие топочных газов, их концентрация должна быть уменьшена до определенных уровней, упомянутых в стандартах. Два основных стандарта, используемых в мире — EPA и EU 2000/76/EC. 

 

ABONO предлагает рентабельные и надежные решения для очистки газа, соответствующие самым строгим стандартам на выбросы для установок тепловой обработки отходов, предлагающие различные варианты конечного продукта. Системы обработки топочного газа ABONO также имеют конструкцию, которая предотвращает образование продуктов неполного сгорания, таких как угарный газ. 

 

Существуют два основных метода в системах обработки топочного газа; а именно, сухой газоочиститель и мокрый газоочиститель.

 

Сухой газоочиститель

Сухой газоочиститель включает циклон, реактор и блоки мешочного фильтра.

 

Циклон

• Используется для удаления грубых частиц из топочного газа,

• Прост в эксплуатации,

• Очень низкая стоимость эксплуатации,

• Широкая область применения,

• Может использоваться при очень высоких температурах до 1000 °C,

• Может быть использован при высокой коррозионной активности,

• Выдерживает концентрацию пыли до 2000 г/м3.

 

Реактор

• Основан на принципах сорбции,

• Использует активированный уголь для диоксина и фурана и удаления тяжелого металла,

• Использование гашеной извести или бикарбонат извести или бикарбоната натрия для удаления кислотного содержания, такого как SO2 и HCI,

• Не требуется потребление воды,

• Не производится отстой или сточные воды,

• Низкие затраты на вывоз отходов,

• Низкий перепад давления.

 

Мешочный фильтр

• Используется для удаления твердых примесей из топочного газа с высокой

эффективностью,

• Имеет импульсный механизм для самоочиочистки,

• Улучшенный по сравнению с другими системами удаления твердых частиц,

• Прост в эксплуатации,

• Способен удалять очень маленькие частицы,

• Широкая область применения от 500 до 500000 Нм3/ч.

 

Мокрые газоочистители

Мокрые газоочистители работают по принципу распыления жидкости в газ для удаления:

 

• кислотного содержания например, SO2, HCI и HF,

• Твердых примесей в атмосфере 

 

Мокрые газоочистители используются для поглощения растворимых газов в воде или других жидкостях например, растворах и удаления макрочастиц из газовых потоков, контактирующих с водой или другой жидкостью. Поток топочного газа подается в воду, перекись водорода и/или моющий раствор, содержащие часть реактива (например, раствор гидроокиси натрия). Чтобы устранить газообразные загрязнители например, SO2, HCI, HF, топочный газ нейтрализуют специальными растворами в жидких каплях, распыляемых в щелочной раствор газа сгорания, вводимый в газ, поступающий из сухого газоочистителя. 

 

Системы обработки топочного газа ABONO разработаны с щелочными растворами. Кроме того, они разработаны как экономичные, простые в использовании системы, которые могут легко быть изготовлены их коррозионно стойких материалов. 

 

Эффективность удаления загрязнителей улучшена увеличением времени контакта в газоочистителе или увеличением площади поверхности газоочистителя при помощи распыляющего сопла или поддонов, размещенных в газоочистителе. 

 

В системах обработки топочного газа ABONO есть 2 типа блоков мокрых газоочистителей:

 

• Газоочиститель Вентури,

• Башни мокрого газоочистителя

 

Газоочиститель Вентури

• Способный удалить частицы с высокой эффективностью,

• Газ входит в верхнюю часть установки и перемещается в одном направлении с водой,

• Главное удаление достигается в секции горловины установки. Для эффективного удаления газ проходит через горловину с очень высокой скоростью,

• Даже маленькие частицы могут быть удалены газоочистителем Вентури,

• В дополнение к удалению частиц в газоочистителе Вентури достигается уменьшение температуры,

• По сравнению с другими методами обработки он имеет очень высокие показатели по удалению.

 

Башни мокрого газоочистителя

Градирни или тарельчатые колонны применяются, основываясь на концентрации загрязнителя и необходимой эффективности удаления.

Общие характеристики для башен мокрого газоочистителя:

• И газообразные и твердые примеси в атмосфере могут быть удалены в этих башнях. Однако, главным образом они используются для газообразных загрязнителей,

• Обработка загрязнителей происходит в то время, когда топочный газ и вода создают противоток и перемешивают друг друга,

• В блоке мокрого газоочистителя топочный газ нейтрализуется раствором NaOH в жидких каплях и система работает по замкнутому циклу,

• pH фактор системы регулируется автоматически.

 

Градирни

• Включают пустые цилиндрические сосуды, сделанные из нержавеющей стали или FRP,

• Включает безпомеховые форсунки, чтобы распылять жидкость в сосуд,

• Форсунки размещены поперек башни на различных высотах, чтобы распылять весь газ, по мере его продвижения через башню,

• Низкий перепад давления по сравнению с другими блоками фильтрации,

• Высокая эффективность удаления, приблизительно 85 % для SO2 и HCI

 

Тарельчатые колонны

• Состоят из нескольких поддонов, сделанных из нержавеющей стали или FRP,

• Включает безпомеховые форсунки, чтобы распылять жидкость в сосуд,

• Поддоны с круглыми отверстиями, которые повышают площадь поверхности и время контакта, установлены,

• Повышенный перепад давления по сравнению с другими блоками фильтрации,

• Высокая эффективность удаления, приблизительно 99% для SO2 и HCI

Продукция

Снижение выбросов вредных веществ в атмосферу от котельных установок является одной из актуальных задач повышения экологических характеристик тепловых электрических станций. В связи с этим, наша компания в сотрудничестве с  производителями газоочистного оборудования и технологий, предлагает комплексные решения по котельной установке, включая очистку дымовых газов  от выбросов вредных веществ (NOx, SОx, CO, твердые частицы). При этом, огромное внимание уделяется как первичным методам очистки (оптимизация системы сжигания), так и вторичным – очистка уходящих продуктов сгорания.

В зависимости от вида  и состава сжигаемого топлива (отходы, пылеугольное топливо, природный газ, промышленные газ коксовых и доменных печей, дизельное топливо, мазут) предусматривается и индивидуально подбирается комплекс мероприятий, направленных на получение очищенного до нормативных значений дымового газа, перед выбросом его в атмосферу.

ИНТЕРЭНЕРГО предлагает учитывать комплексный подход при проектировании котельного острова и представляет несколько основных и наиболее распространённых методов очистки:

1. Установки DeNOX (селективное каталитическое редуцирование NOx). Является одним из основных методов очистки дымовых газов от оксидов азота. Процесс основан на способности аммиака к избирательному восстановлению оксидов азота в присутствии катализатора при 200–500°С

2. Электростатические фильтры. В основе работы электрофильтра лежит явление электризации взвешенных в газе частиц дисперсной фазы с последующим осаждением их на электроде с зарядом, противоположным по знаку заряду частиц загрязнений (осадительном электроде). По конструкции электрофильтры подразделяют на трубчатые и пластинчатые. В трубчатых электрофильтрах загрязненный газ пропускается по вертикальным трубам диаметром 20–25 см, по центру которых натянута проволока. Скорость движения газа в трубке составляет 0,5–2 м/с. Газ находится в трубке 6–8 с. Постоянный ток напряжением 50–100 кВ подается на электроды. Электродами являются стенки трубки (осадительный электрод) и проволока (каронирующий электрод).

3. Абсорберы установок десульфуризации дымовых газов — представляет собой процесс сухой десульфуризации дымовых газов, который основан на реакции между диоксидом серы SO2 и гашеной известью Ca(OH) 2 во влажных условиях. Увлажненную смесь гашеной извести и конечного продукта в виде порошка вводят в абсорбер системы NID и охлаждают входящий дымовой газ путем испарения влаги из смеси. Охлажденный дымовой газ проходит в пылеуловитель, преимущественно в рукавный фильтр или электрофильтр, где пыль осаждается из дымового газа и рециркулируется обратно в процесс через NID систему.

4. Рукавные фильтры. Конструкции матерчатых фильтров весьма разнообразны. Наибольшее распространение в настоящее время получили фильтры с цилиндрической формой рукава — рукавные фильтры. В большинстве отраслей промышленности рукавный фильтры стабильно обеспечивают эффективность пылеулавливания на уровне 99–99,9%. Гидравлическое сопротивление их лежит в пределах 1000–3000 Па, наработка на отказ определяется 10000–20000 час.

Рекуператоры тепла от дымовых газов и выбросов предприятий

]]> Данный продукт, выполненный на базе теплообменных панелей, является разновидностью Process-Therm, но может иметь большие размеры и большую производительность. Как и все теплообменники завода FIC S.p.A., данный теплообменник рассчитывается и проектируется нашим техническим отделом в соответствии со спецификой технологического процесса, в котором он будет применяться.
Использование комплексного математического моделирования и передовых методов расчета позволяет нам получить оборудование, обладающее оптимальными рабочими и эксплуатационными характеристиками.
Охладители для дымовых газов используются на участках выброса сжигательных установок, перерабатывающих влагосодержащие материалы, такие как биомасса или ТБО.
Дымовый газ, поступающий из сжигательной установки, после передачи энергии с высокой температурой в бойлер, проходит по внешней поверхности теплообменных панелей Охладителя для дымовых газов, внутри которых, как правило, циркулирует оборотная вода, используемая в сетях централизованного отопления или в комплексном отоплении предприятий.
Влага, содержащаяся в дымовых газах, конденсируется, обеспечивая латентную передачу тепла. В зависимости от размера теплообменных панелей, можно добиться оптимальной DT между газом/жидкостью и получить максимальный теплосъем.
В конструкции газоохладителей используется как обычная нержавеющая сталь AISI 316L, так и более коррозионностойкая SAF 2205, SMO 254 или другие, если того требует специфика процесса.
Данный тип теплообменников широко используется в теплоцентралях или теплоэлектроцентралях малой, средней и большой мощности (с бойлерами от 2 до 200-250 МВт).
Помимо охлаждения и рекуперации тепла, с помощью газоохладителя, можно также очищать выбрасываемые дымовые газы. Использование газоохладителя на базе теплообменных панелей позволяет выполнять данную операцию более эффективно и менее затратно финансово, по сравнению с системами на базе трубчатых теплообменников.
Охладители дымовых газов FIC могут поставляться укомплектованными секциями для входа и выхода дымовых газов даже больших размеров, чем те дымоходы, которые уже установлены на линии выброса.
Благодаря их использованию, КПД установки может увеличиться на 25%, обеспечивая быструю окупаемость.
Газоохладители могут также применяться и в других областях, где использование панельных теплообменников дает неоспоримые преимущества как в техническом, так и в экономическом плане.

Газоанализаторы дымовых газов

(Журнал «Энергетик» №4/2007)

А.В. Аксенов, руководитель отдела КИП и В.Р. Козлов, руководитель отдела НТИ, компания Пергам

Актуальность контроля процессов горения в различных печах, котлах и технологических аппаратах не вызывает сомненияВ процессе горения необходимо поддерживать точное соотношение между поступающими количествами воздуха и топлива – в соответствии со стехиометрическим уравнением реакции горения. При старении оборудования смешивание выполняется недостаточно точно, со временем изменяются теплотворная способность топлива, скорость процесса горения и внешние условия. Любой из этих факторов влияет на количество воздуха, необходимое для безопасного и эффективного сгорания топлива.

Слишком большое количество воздуха приводит к недожегу и несгоревшее топливо выбрасывается в дымовую трубу, снижая экономичность процесса и повышая потенциальную опасность взрыва. При недостаточном количестве в трубу уходит значительная доля тепла. Кроме того, при неполном сгорании топлива возрастает загрязнение атмосферы. При большом избытке воздуха увеличивается содержание оксидов SO2 и NOх. Поддержание точного соотношения «воздух/топливо» в любых процессах горения сводит к минимуму выбросы в атмосферу загрязняющих веществ.

Определение концентрации кислорода в газах

Для корректного определения концентрации O2 датчики таких приборов должны располагаться как можно ближе к зоне горения и, безусловно – перед теплообменниками, чтобы свести к минимуму отрицательное влияние утечек воздуха на показатели избытка O2. Газоанализаторы кислорода работают в дымовых газах в области высоких температур и уровней загрязнения, поэтому их конструкции должны быть устойчивы к закупориванию твердыми частицами, которые могут вызывать преждевременные отказы датчиков. Как правило, известные анализаторы O2 надолго выходят из строя, а их регламентное обслуживание отнимает много сил и времени. Конструкция многих традиционных анализаторов O2 в дымовых газах оказывается ненадежной и несоответствующей жестким условиям непрерывной эксплуатации данных приборов.

Преодолеть указанные ограничения помогут новейшие стационарные газоанализаторы кислорода OxyTrak 411 компании GE Panametrics. Объединив самые современные технологии измерения с уникальным датчиком кислорода, газоанализаторы OxyTrak 411 позволяют избежать утомительную процедуру калибровки датчика и необходимость использования дорогих поверочных газовых смесей.

В датчике OxyTrak 411 используется Запатентованный чувствительный элемент из оксида циркония с внутренней герметизированной образцовой камерой для точного определения содержания O2 в дымовых газах и для обеспечения быстрого отклика датчика OxyTrak 411 на изменения в технологическом процессе. Эта новая уникальная конструкция чувствительного элемента является «самокалибрующейся». Внутренняя электрическая калибровка датчика выполняется автоматически, исключая необходимость использования поверочных газовых смесей.

При измерениях осуществляется откачка O2 из герметизированной образцовой камеры датчика для установки точки отсчета и последующего измерения электрического заряда в равновесном состоянии – содержание ионов кислорода в камере равно парциальному давлению кислорода в дымовых газах. Измеренное количество электричества прямо пропорционально концентрации кислорода.

Таким образом, внутренняя герметизированная образцовая камера датчика исключает необходимость применения эталонного газа. Ручной контроль калибровки может быть осуществлен с помощью соответствующего штуцера прибора и одношаговой процедуры, используя только один газ. Это может быть воздух или какой-либо другой газ.

Газоанализатор OxyTrak 411 имеет модульную конструкцию, которая обеспечивает удобство обслуживания и ремонта. Отдельное отверстие обеспечивает простой доступ к датчику. Прибор работает в диапазоне температур дымовых газов от 150 до 650 ?С.

Абсолютная погрешность газоанализатора составляет ±0,1 % О2, диапазон измерения 0 – 25 % О2. По выбору пользователя OxyTrak 411 обеспечивает линеаризованный, изолированный выход 0/4 – 20 мА (связь со вторичным прибором по токовой петле) или 0 2 В, программируемый в рабочих условиях для любых измерений в пределах от 0 до 25 % О2 (например, от 0 до 5 % О2), либо цифровой выход RS485 или RS232, а также ИК-связь через защищенную стеклом клавиатуру для зон классификации Zone 1/Division 1. Кроме того, OxyTrak 411 имеет выход на сигнализацию с отказоустойчивым режимом работы и функцию встроенной диагностики. Прибор имеет взрывозащищенное исполнение 1ExdIICT6/T3 и допущен к применению на поднадзорных производствах и объектах.

Статьи по теме:

← Вернуться к списку статей

Очистка дымовых газов | технология

Очистка дымовых газов , процесс, разработанный для уменьшения количества загрязняющих веществ, выделяемых в результате сжигания ископаемого топлива на промышленном объекте, электростанции или другом источнике. Дымовой газ — выбрасываемый материал, образующийся при сжигании ископаемого топлива, такого как уголь, нефть, природный газ или древесина, для получения тепла или энергии — может содержать загрязнители, такие как твердые частицы, диоксид серы, ртуть и диоксид углерода. Однако большая часть дымовых газов состоит из оксидов азота.При отсутствии обработки дымовые газы электростанций, промышленных предприятий и других источников могут существенно повлиять на качество воздуха на местном и региональном уровнях.

Согласно многим национальным нормам, регулирующим чистый воздух, электростанции и другие объекты должны использовать очистку дымовых газов для снижения количества выбрасываемых загрязнителей. Такие подходы, в которых используются такие устройства, как электрофильтры и скрубберы, могут успешно удалить 90 или более процентов определенных загрязнителей. Однако их установка и эксплуатация могут быть очень дорогостоящими, а требования по очистке дымовых газов часто вызывают сложные юридические баталии.Методы обработки сильно различаются от одного растения к другому, и в некоторых странах требования гораздо строже, чем в других. Выбросы коммунальных предприятий и промышленных предприятий в странах с менее строгими законами о загрязнении вызывают озабоченность экологов.

Обработка дымовых газов восходит к XIX веку, когда росли опасения по поводу воздействия сульфатов на окружающую среду. На протяжении 20-го века разрабатывались все более сложные устройства для удаления загрязняющих веществ различными способами, в основном с помощью химических реакций и электростатических зарядов.Эти усилия приобрели новую актуальность, поскольку промышленно развитые страны приняли более строгие меры по борьбе с загрязнением воздуха, такие как Закон США о чистом воздухе 1970 года, а последующие нормативные акты налагали все более строгие ограничения на такие загрязнители, как мелкие частицы.

Процесс лечения

На предприятиях, выбрасывающих ряд загрязняющих веществ, дымовые газы могут проходить через ряд устройств для очистки. Обработка дымовых газов позволила добиться наибольших успехов в снижении содержания твердых частиц, оксидов азота и диоксида серы.В типичном процессе обработки газ сначала направляется в электрофильтр, хотя также могут использоваться тканевые фильтры. Это устройство удаляет золу и другие твердые частицы, заряжая их электростатическим зарядом, заставляя их притягиваться и осаждаться на пластинах или других устройствах для сбора. Удаление твердых частиц является важной частью процесса, поскольку выбросы твердых частиц в атмосферу могут влиять на дыхательные системы людей и животных, снижать видимость и влиять на климат.В зависимости от таких факторов, как размер частиц и конструкция электрофильтра, эта обработка может удалить 99 процентов твердых частиц.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

Затем газ поступает в установку денитрификации, которая изменяет химический состав оксидов азота посредством каталитической реакции с аммиаком или мочевиной. Цель состоит в том, чтобы производить газообразный азот, а не оксиды азота. Некоторые предприятия также могут снизить выбросы оксидов азота за счет модификации процесса сжигания.При попадании в атмосферу оксиды азота могут раздражать легкие и способствовать образованию смога.

Двуокись серы удаляют с помощью одного из множества процессов, в большинстве из которых используются скрубберы в той или иной форме. Большинство предприятий США полагаются на мокрые скрубберы, в которых для очистки газов используется суспензия щелочного сорбента (обычно содержащего известняк или известь) или морская вода. Другие технологии включают сухую очистку распылением, при которой также используются суспензии сорбентов; процесс мокрой серной кислоты, при котором сера восстанавливается в форме серной кислоты; системы закачки сухого сорбента; и метод обессеривания дымовых газов, известный как SNOX, который использует каталитические реакции для очистки дымовых газов от оксидов азота (NO _x ) и твердых частиц, а также диоксида серы.Новые технологии позволяют удалять из дымовых газов более 90 процентов диоксида серы. Двуокись серы в атмосфере может усугубить респираторные заболевания и сердечно-сосудистые заболевания; это также приводит к кислотным дождям, ухудшает видимость и влияет на облака и климат.

Технологии удаления ртути и диоксида углерода из дымовых газов отстают, но интерес к этим областям растет. Ртуть — это нейротоксин, который выделяется как в элементарной, так и в окисленной формах и может вызывать повреждение мозга и репродуктивные проблемы у женщин и диких животных.Электростатические фильтры или тканевые фильтры могут удалять 30–60 процентов элементарной ртути из воздушного потока и меньшее количество окисленной ртути. Мокрые скрубберы также могут удалять ртуть и особенно эффективны для окисленной ртути. Скрубберы для сухой десульфуризации дымовых газов в сочетании с рукавным фильтром (система пылеуловителя, в которой используются тканевые фильтрующие трубки или другие инструменты) могут удалить до 90 процентов ртути. Однако эти устройства в первую очередь предназначены для удаления других загрязнителей, а не ртути.

Углекислый газ, распространенный парниковый газ, являющийся причиной глобального потепления, труднее удалить и уловить после того, как он был выделен в атмосферу. Новые методы, предназначенные для связывания углекислого газа, такие как очистные башни, искусственные деревья и закачка углекислого газа, уловленного в источнике выбросов, непосредственно в полости глубоко под землей, находятся в стадии разработки и совершенствования.

Давид Хосанский

Узнайте больше в этих связанных статьях Britannica:

• ископаемое топливо

  Ископаемое топливо, любой из класса углеводородсодержащих материалов биологического происхождения, встречающихся в земной коре, которые могут использоваться в качестве источника энергии.…

• уголь

  Уголь, одно из важнейших первичных ископаемых видов топлива, твердое богатое углеродом вещество, обычно коричневого или черного цвета и чаще всего встречается в слоистых осадочных отложениях. Уголь определяется как содержащий более 50 процентов по весу (или 70 процентов по объему) углеродистого вещества, произведенного…

• нефть

  Нефть, сложная смесь углеводородов, встречающихся на Земле в жидкой, газообразной или твердой форме.Этот термин часто ограничивается жидкой формой, обычно называемой сырой нефтью, но, как технический термин, нефть также включает природный газ и вязкую или твердую форму, известную как битум, который встречается…

Анализ дымовых газов как инструмент диагностики печи

Операторы завода десятилетиями использовали анализ дымовых газов в качестве метода оптимизации соотношения топливо / воздух для сжигания в котле. Путем измерения количества избыточного кислорода и / или оксида углерода (CO) в дымовых газах можно настроить установку на работу с оптимальным тепловыделением и минимальным уровнем оксида азота (NO _x ).Работа с максимальной эффективностью также по своей сути производит наименьшее количество углекислого газа (CO ₂ ). В этой статье представлены соображения по выбору датчика и его размещению в печи, чтобы максимизировать производительность и сбалансировать работу печи.

Прежде чем обсуждать датчики и их применение, необходимо обсудить основы горения.

Теоретически идеальное, или стехиометрическое сгорание, происходит, когда все топливо реагирует только с нужным количеством кислорода в воздухе для горения, так что топливо не остается несгоревшим и кислород (O ₂ ) не остается в дымовых газах ( Рисунок 1).Любой воздух, который не используется для сжигания топлива, называется «избыточным воздухом».

1. Ключевые измерения дымовых газов определяют идеальную стехиометрию сгорания. Источник: Rosemount Analytical

.

Действующие печи никогда не достигают этого стехиометрического идеала из-за практических ограничений непрерывного смешивания больших количеств топлива и воздуха и полного сжигания смеси (рис. 2). Операторы обычно обнаруживают, что лучшая рабочая точка находится в диапазоне избытка воздуха от 1% до 4% с образованием от нуля до 200 частей на миллион CO.Эта оптимальная рабочая точка различна для каждой печи и меняется в зависимости от нагрузки котла и мощности горения. Более высокая интенсивность горения вызывает большую турбулентность в горелке (горелках), обеспечивая лучшее смешивание топлива и воздуха, тем самым оставляя меньше избыточного воздуха (или O ₂ ) до того, как несгоревшее топливо (обозначенное CO) появится или «прорвется» (рис 3). Кривая или генератор функций обычно разрабатывается на основе данных испытаний, чтобы назначить идеальную контрольную точку O ₂ на основе показателя интенсивности сжигания, такого как расход топлива или расход пара, который обычно определяется во время настройки органов управления котлом.

2. Вычислительное моделирование гидродинамики показывает турбулентное перемешивание топлива и воздуха через горелку котла. Предоставлено: Rosemount Analytical

3. Типичный отчет о тенденциях распределенной системы управления (DCS) отображает взаимосвязь O ₂ и CO и указывает точку прорыва CO. Источник: Rosemount Analytical

.

Эту идеальную кривую следует время от времени восстанавливать по мере износа горелок и других изменений состояния печи со временем.Кривая для горелок, работающих на природном газе и дизельном топливе, будет оставаться действительной в течение длительных периодов времени — даже лет. Горелки, работающие на твердом топливе, таком как уголь, нефтяной кокс или гранулированное биотопливо, будут испытывать более частое засорение и другую деградацию горелок и систем подачи топлива, и выиграют от более частых испытаний для подтверждения кривой скорости горения / O ₂ .

Операторы больших печей обычно динамически контролируют избыток кислорода до оптимального уровня с помощью распределенной системы управления установкой (DCS).Контролировать CO труднее, потому что целевые уровни обычно находятся в диапазоне миллионных долей, и сделать настройки вентилятора или заслонки достаточно малыми для контроля на этих низких уровнях сложно. Многие операторы производят ручную регулировку на основе сигнала CO или используют измерение в качестве сигнала с прямой связью для корректировки контрольной уставки O ₂ в сторону увеличения или уменьшения.

Пересмотрите свои цели в области сжигания топлива

Традиционная цель стремления к наилучшей эффективности сгорания котла часто должна быть переоценена, когда повышается выработка NO _x и на трубах котла начинает образовываться шлак.

Минимизация образования теплового NO _x . Уровни кислорода в топочной части котла и температуры пламени являются ключевыми показателями образования NO _x (Рисунок 4). Одна рабочая стратегия для производства меньшего количества NO _x заключается в использовании ступенчатого сжигания, при котором в горелке устанавливается более холодное сгорание с высоким содержанием топлива. Позднее в топку добавляется дополнительный воздух для полного сгорания. Этот процесс приводит к тому, что через горелку проходит меньше тепла и кислорода, и образуется меньше NO _x .Расширенные стратегии управления с использованием нейронных сетей, такие как Emerson Ovation Smart Process, часто устанавливаются для непрерывного поиска оптимальных настроек воздуха для горения, чтобы минимизировать образование термических NO _x .

4. Отношение NO _x , произведенных в котле, как функция избытка дымовых газов O ₂ для типичного котла коммунального хозяйства. Источник: Rosemount Analytical

.

Другой стратегией снижения NO _x является рециркуляция дымовых газов, при которой определенное количество дымовых газов смешивается с поступающим воздухом для горения.Датчик O ₂ , установленный после этой смесительной заслонки, можно использовать для контроля конечного O ₂ , поступающего в горелку, в результате чего получается более холодное пламя, которое производит меньше NO _x .

Уменьшение образования шлака. Датчики потока предоставляют хорошую информацию о скоплении сажи и шлака, но пристальное внимание к анализаторам горения может обеспечить еще один индикатор образования шлака. На температуру плавления летучей золы обычно влияет количество избытка O ₂ в дымовых газах для конкретного угля, и некоторые операторы работают с уставкой O ₂ , которая была установлена ​​для предотвращения образования шлака (рис. 5).

5. Шлакообразование на трубах котлов. Предоставлено: Rosemount Analytical.

Технологии измерения дымовых газов

Каждый значительный компонент, содержащийся в дымовых газах котла, может быть лучше всего измерен специальным технологическим датчиком, в частности датчиками кислорода и окиси углерода.

Кислород. Повсеместной технологией для измерения дымовых газов является анализатор кислорода топливных элементов на основе оксида циркония (ZrO ₂ ) (рис. 6).Все автомобили теперь используют один или несколько из этих датчиков для управления соотношением топливо / воздух, а небольшие двигатели, такие как те, которые используются в газонокосилках и цепных пилах, скоро будут использовать их в соответствии с новыми правилами сокращения выбросов. Хотя это и не является предметом внимания данной статьи, подробности нернстианского поведения, определяющего работу циркониевых датчиков кислорода, можно найти здесь, .

6. Датчик оксида циркония может быть установлен на конце зонда длиной до 6 метров.Предоставлено: Rosemount Analytical

.

Датчик оксида циркония идеально подходит для измерения дымовых газов по следующим причинам:

• Чувствительная ячейка генерирует собственный милливольтный сигнал, аналогично тому, как работает термопара.
• Этот необработанный сигнал в милливольтах является обратным и логарифмическим, и его точность фактически улучшается по мере уменьшения уровней O ₂ , что делает его хорошим совпадением с уровнями O ₂ , обнаруживаемыми в процессах сгорания.
• Датчик работает при температурах в диапазоне от 700 ° C до 750 ° C, поэтому температура дымовых газов внутри печи обычно не представляет проблемы.
• Прочная конструкция датчика ZrO ₂ позволяет выжить в коррозионных компонентах, обычно встречающихся в дымовых газах.
• Система отбора проб не требуется. Датчик может быть помещен непосредственно в поток дымовых газов на конце зонда, длина которого может составлять от полуметра до 6 метров. Поскольку дымовые газы попадают в датчик через пассивную диффузию, возможны даже применения с высоким содержанием твердых частиц с низкой степенью засорения фильтра. Зонд ZrO ₂ на месте обеспечивает точечное измерение в дымоходе, поэтому может потребоваться несколько датчиков разной длины для получения репрезентативного среднего значения по большим дымоходам.
• Датчики можно калибровать онлайн и на месте. Возможна автоматическая калибровка, запускаемая онлайн-диагностикой «рекомендованная калибровка».

Окись углерода. CO обычно является первым горючим газовым компонентом, который появляется, когда соотношение топливо / воздух для горения начинает становиться слишком богатым. Желаемые уровни CO в дымовых газах обычно составляют менее 200 ppm, и инфракрасная (ИК) спектроскопия хорошо подходит для измерения на этих низких уровнях. В современных датчиках возможна повторяемость лучше, чем ¬ ± 5 ppm, с низким уровнем помех от H ₂ O и CO ₂ .Приборы обычно находятся в одной из двух конфигураций: вытяжные системы, в которых дымовые газы удаляются из воздуховода и очищаются перед отправкой на анализатор, установленный в стойке, или датчик прямой видимости, в котором используется источник ИК-излучения, установленный на одной стороне. воздуховода и приемника или детектора, установленного на противоположной стороне (Рисунок 7).

7. Типичная инфракрасная измерительная система с поперечным проходом. Предоставлено: Rosemount Analytical

.

Измерение концентрации CO с использованием метода прямой видимости дает среднее значение по всему воздуховоду, поэтому для измерения в большом воздуховоде требуется меньше анализаторов.И наоборот, степень детализации собранных данных ниже, когда используется меньше усредненных сигналов. Двухпроходный зонд, еще один вариант измерения, направляет инфракрасную энергию на зеркало на конце полой трубы, которое отражается обратно к концу источника для анализа. Дымовые газы могут заполнять трубку зонда через отверстия или фильтры.

Проблемы с измерением в пределах прямой видимости

Любая оптическая технология создает прикладные проблемы, которые необходимо учитывать при выборе анализатора O ₂ или CO:

• Экстракционная система включает транспортировку и фильтрацию пробы дымовых газов, удаление влаги и возврат пробы в процесс или в безопасное вентиляционное отверстие.Такой подход значительно увеличивает стоимость системы и увеличивает необходимость в обслуживании системы, если в дымовых газах есть твердые частицы.
• Система прямой видимости с поперечным проходом не может быть размещена там, где температура намного превышает 600 ° C, а также система не будет выдерживать высокие уровни твердых частиц. Тепловое расширение воздуховодов и вибрация могут отрицательно повлиять на совмещение сторон источника и приемника. Кроме того, этот тип устройства не может пройти истинную калибровку, потому что это потребует заполнения всего воздуховода калибровочным газом.Агентство по охране окружающей среды США не сертифицирует анализаторы прямой видимости.
• Двухпроходная система зонда должна бороться с загрязнением отражающего зеркала на конце зонда. Можно провести онлайн-калибровку, заполнив оптический путь внутри трубы калибровочным газом.

Настраиваемые диодные лазеры (TDL) недавно появились на сцене, опять же с использованием технологии спектроскопии, но с лазерным источником и диодно-чувствительной матрицей. В этих системах обычно используется прямая видимость через воздуховод или метод двухпроходного зонда.Эта технология также позволяет измерять O ₂ в диапазоне обертонов и NO _x . Опять же, имеется много информации о базовой технологии, поэтому в этой статье не рассматриваются основы.

Как и в случае с традиционными ИК-системами, TDL в поперечной трубе в прямой видимости по своей природе будет усредняться по всему объему печи, требуя меньшего количества инструментов для покрытия большого воздуховода, но также обеспечивает меньшее определение измеряемых дымовых газов внутри воздуховода.Опять же, анализаторы TDL, сконфигурированные для прямой видимости, не могут быть проверены с помощью известных калибровочных газов.

Новые применения в котлах большой мощности

Каждую из 20 или более горелок в большом котле можно рассматривать как отдельный процесс, каждая из которых дает свои собственные дымовые газы. Дымовые газы в печах, в которых используются горелки с одинарной или противоположной стенкой топки, имеют тенденцию образовывать «колонны», которые часто имеют тенденцию оставаться расслоенными по всей печи.

Анализаторы горения обычно устанавливаются в «обратном проходе» печи, непосредственно перед экономайзером или после него, и операторы обычно видят это расслоение при использовании нескольких датчиков O ₂ в этих больших каналах (рис. 8).Также часто можно увидеть разницу в 1% O ₂ или более в большой печи. Чтобы учесть этот градиент, в DCS часто вычисляется среднее арифметическое нескольких датчиков, и это среднее значение затем отправляется в качестве входных данных в контур управления O ₂ .

8. Набор датчиков кислорода, установленных вертикально после экономайзера. Источник: Rosemount Analytical

.

Печи, работающие на твердом топливе (особенно угле), могут иметь высокий уровень летучей золы, переносимой с дымовыми газами.Отдельные трубы сортамента 40 часто используются в качестве «абразивных экранов» для защиты датчиков кислорода на месте от эрозии летучей золы. Однако некоторые операторы обнаружили, что летучая зола часто гораздо менее абразивна в более горячих зонах печи (от 500 ° C до 700 ° C) над экономайзером. Поскольку дымовые газы охлаждаются через экономайзер и воздухонагреватель, зола часто агломерируется в более крупный «пепел попкорна», который является гораздо более абразивным. Расположение выше в печи может не только минимизировать истирание, но и лучше определить расслоение.Rosemount Analytical разработал корпус зонда с толстыми стенками, который более экономичен, чем традиционные противоизносные экраны, но который хорошо выдерживает эрозию летучей золы в высоких помещениях угольных котлов.

Дифференциальные показания нескольких датчиков O ₂ в дымовых газах могут использоваться в качестве диагностического инструмента для определения проблем печи, например:

• Загрязнение горелки
• Прилипающая втулка демпфера
• Неуравновешенность вытяжного вентилятора
• Трос в угольных трубах
• Пробка классификатора или проблемы с крупностью угля
• Дисбаланс угольной мельницы

Дымовые газы, проходящие через топку с тангенциальной топкой, не испытывают такого сильного расслоения топочных газов, как в настенном котле, но некоторые операторы заявляют о способности обнаруживать отклонения от угла к углу с помощью датчиков O ₂ в тангенциальные печи.

Кислородные зонды поставляются различной длины, как обсуждалось ранее. Итак, как инженер-технолог определяет оптимальное размещение зонда? Возможность переменной вставки позволяет помещать данный зонд в «зону наилучшего восприятия» дымохода, где его показания будут наиболее репрезентативными для данной горелки или ряда горелок (рис. 9).

9. Переменная установка O _{2 Зонды} могут быть установлены в наиболее удобной ориентации. Предоставлено: Rosemount Analytical.

Новые разработки датчиков

Продолжающиеся исследования технологии топливных элементов ZrO ₂ открывают новые возможности датчиков.Обратная логарифмическая характеристика этих датчиков обсуждалась ранее. В новой разработке была разработана чувствительная ячейка, которая будет продолжать производить сигнал нарастающего напряжения, когда уровни O ₂ дымовых газов проходят через ноль и переходят в восстановительные условия (рис. 10). Типичные датчики O ₂ будут находиться на нуле во время событий снижения, и операторы могут задаться вопросом, являются ли нулевые показания признаком того, что анализатор неисправен, или показание фактически равно нулю. Новая функция стехиометрии позволяет установить нижний уровень O ₂ на уровне 1% или 2% O ₂ , обеспечивая уверенность в наличии события восстановления и указывая на уровень дефицита кислорода.Оператор может увидеть, оказали ли его первоначальные управляющие действия желаемый эффект: предотвращение чрезмерного контроля и цикличности, которые часто возникают во время восстановления. События сокращения случаются нечасто, но большинство операторов признают, что сталкиваются с ними.

10. Милливольтный выходной сигнал от новой чувствительной ячейки ZrO ₂ может работать в окислительных и восстановительных условиях, таких как те, которые часто встречаются в топках котлов. Источник: Rosemount Analytical

.

Продолжающиеся исследования технологии топливных элементов ZrO ₂ также открывают новые возможности для измерения CO.Хотя работа началась только недавно, восемь испытательных полигонов, установленных на североамериканских электростанциях, уже дали некоторые многообещающие результаты (рис. 11). Этот датчик предоставит очень полезные данные операторам, пытающимся поддерживать работу своих котлов как можно более эффективно, для выявления проблемных мест, вызванных несовершенным сгоранием. Постоянные исследования в области сенсорных технологий топливных элементов привели к появлению нового датчика для измерения содержания CO в миллионных долях.

11. График DCS отображает концентрацию CO в печи, работающей в восстановительных условиях с использованием зонда Rosemount Analytical Alpha CO.Источник: Rosemount Analytical

.

Новые места установки предпринимаются в более горячих зонах перед экономайзером, в зоне котла с менее абразивной летучей золой. Различные варианты крепления зонда также позволяют найти идеальное место в дымоходе. Новаторские пользователи установили анализаторы дымовых газов для обнаружения утечек в воздухонагревателях или переходах воздуховодов, чтобы получить более точную оценку для их расчета теплового расхода при утечке воздуха. Независимо от области применения, максимальная выгода, получаемая от анализаторов дымовых газов, является результатом тесного сотрудничества между поставщиками приборов, инженерами по приборам предприятия, которые устанавливают их на предприятии, и эксплуатационным персоналом, который использует их ежедневно.

— Дуглас Э. Симмерс — мировой менеджер по продукции анализаторов горения в Rosemount Analytical, подразделении Emerson Process Management.

Рекуперация тепла дымовых газов на электростанциях, часть I

Каждый энергетик должен иметь четкое представление об основах переработки топлива для производства электроэнергии на объекте выработки электроэнергии. С этой статьи мы начинаем серию руководств по Power 101, которые ясно и кратко представляют эти основы.Прежде всего, это основы рекуперации тепла дымовых газов.

Основные эксплуатационные расходы угольной электростанции — это топливо. Учитывая более высокую теплотворную способность (HHV), количество угля, необходимое для выработки желаемой выходной мощности, зависит от КПД устройства (чистой удельной тепловой мощности). Таким образом, КПД установки является важным экономическим фактором, а рекуперация тепла из дымовых газов будет способствовать дальнейшему улучшению экономических показателей установки.

Предварительные сведения

Взаимосвязь между чистым КПД агрегата и чистым удельным тепловым расходом (HRnet) представлена ​​на Рисунке 1.[Загрузите этот файл ppt , чтобы просмотреть все цифры в удобочитаемом размере.] Термический КПД или КПД (η) определяется как выходная электрическая энергия как часть (или процент) от потребляемой энергии топлива. Тепловая мощность является обратной величиной КПД (умноженной на коэффициент преобразования единицы, равный 3 412). Как КПД, так и тепловая мощность могут быть выражены на основе HHV или более низкой теплотворной способности (LHV). В США HHV используется для угольных электростанций, тогда как в Европе расчеты эффективности основаны на LHV.Недавняя статья в POWER предоставила всестороннее обсуждение эффективности электростанции. Итог: будьте осторожны при сравнении эффективности из разных источников данных. Чтобы избежать путаницы, следует добавить примечание «на основе HHV» или «LHV» рядом с числовым значением эффективности или тепловой мощности.

В литературе также часто упоминаются изменения эффективности в процентных пунктах (% -пунктах), которые следует отличать от относительных изменений в процентах.Например (рис. 1), изменение КПД на 1% (с 36% до 37%) представляет собой относительное изменение на 2,7%. Разница в эффективности между HHV и LHV для битуминозного угля составляет около 2% (относительных 5%), в то время как для суббитуминозных углей с высокой влажностью и лигнитов разница составляет примерно от 3% до 4% (от 8% до 10%). % отн., в зависимости от состава угля).

Помимо более низкой стоимости топлива, сокращение расхода топлива приводит к снижению выбросов NO _x , SO _x , Hg, PM и других загрязнителей.Повышение эффективности, как единственный практический вариант сокращения выбросов CO ₂ в краткосрочной перспективе, стало ключевым фактором при выборе технологии для новых электростанций и для модернизации существующих электростанций. Взаимосвязь между улучшением тепловыделения и сокращением выбросов CO ₂ , представленная на Рисунке 2, показывает, что сокращение выбросов CO ₂ пропорционально увеличению тепловыделения. То есть улучшение тепловыделения на 1% приводит к снижению выбросов CO ₂ на 1%, независимо от типа угля или его сорта.

Экономия топлива и затраты на выбросы CO ₂ для типичной электростанции мощностью 580 МВт, работающей на угле штата Иллинойс, представлены на рисунке 3 в зависимости от улучшения теплового режима и стоимости на тонну CO ₂ в предполагаемом диапазоне выбросов углерода надбавки. Результаты показывают, что улучшение чистой удельной тепловой мощности на 1% (на относительной основе) приводит к ежегодной экономии топлива в размере 1,6 миллиона долларов США при стоимости энергии в размере 4 долларов США на миллион британских тепловых единиц (MBtu) и коэффициенте удельной мощности 85%.При стоимости CO ₂ 30 долларов за тонну годовая экономия почти удваивается (2,8 миллиона долларов в год).

Эффективность угольной электростанции также будет иметь сильное влияние на стоимость улавливания углерода; с более высокой эффективностью расход дымового газа, который необходимо обработать, будет ниже, что приведет к уменьшению размера и стоимости системы улавливания и связывания углерода (CCS). УХУ меньшего размера будет иметь меньшее негативное влияние на эффективность завода.

Существует множество возможностей и вариантов повышения эффективности существующих электростанций.Ниже описывается использование отходящего тепла для повышения эффективности котла, увеличения тепловой мощности цикла паровой турбины и повторного нагрева дымовой трубы. Повышение эффективности котла, достигаемое за счет использования тепла, регенерированного из дымовых газов, для сушки высокотемпературных и промытых углей, будет обсуждаться в Части II. Улучшение характеристик парового цикла, достигаемое за счет использования тепла, рекуперированного из дымового газа, для нагрева питательной воды и предварительного нагрева воздуха для горения, будет обсуждаться в Части III.

Рекуперация тепла из дымовых газов

Температура дымового газа, выходящего из котла, обычно снижается в воздухоподогревателе (APH), когда явное тепло дымового газа, выходящего из экономайзера, используется для предварительного нагрева воздуха для горения.Предварительный нагрев воздуха для горения оказывает значительное положительное влияние на КПД котла. Обычной практикой является рекуперация явного тепла из дымовых газов до тех пор, пока температура дымовых газов не упадет примерно до 300 ° F. Основным препятствием для рекуперации тепла за счет дополнительного охлаждения является риск конденсации серной кислоты на теплообменных поверхностях APH и последующих воздуховодах.

Кислотные отложения приводят к коррозии пораженных поверхностей, а также к загрязнению и закупорке проходов теплопередачи APH.Загрязнение APH увеличивает перепад давления на APH (как на стороне воздуха, так и на стороне дымовых газов), что увеличивает требования к мощности для нагнетательных (FD) и вытяжных (ID) вентиляторов, что приводит к более высокой эксплуатационной мощности станции и более высокому полезному теплу агрегата. скорость (более низкая чистая эффективность агрегата). Более высокие перепады давления также приводят к более высокому перепаду давления между потоками воздуха и дымовых газов, что приводит к более высокой утечке воздуха в дымовые газы. Более высокая утечка увеличивает требования к мощности вентилятора и увеличивает скорость потока дымовых газов через оборудование для контроля загрязнения.

Серная кислота в дымовых газах образуется в газофазных реакциях SO ₃ и H ₂ O перед APH. SO ₃ образуется из SO ₂ в результате гомогенных и гетерогенных реакций в топке и конвекционном проходе котла. Присутствие SO ₃ в дымовых газах увеличивает точку росы дымовых газов. Температура точки росы по кислоте представлена ​​на рисунке 4 как функция концентрации SO ₃ и H ₂ O в дымовых газах.Серная кислота конденсируется при понижении температуры ниже точки росы. Конденсированная серная кислота (смесь кислоты и воды — серная кислота гигроскопична) вызывает коррозию недорогих материалов, используемых в конструкции поверхностей теплопередачи APH и последующих воздуховодов. Улучшение тепловыделения, которое может быть достигнуто за счет увеличения теплопередачи в APH, обычно недостаточно для оправдания более дорогих коррозионно-стойких материалов, которые потребуются для холодного конца APH, электрофильтра (ESP) и воздуховодов, а также для устранения неисправностей. более высокий уровень загрязнения и забивания APH.

Предполагая, что концентрация SO ₃ в дымовых газах составляет 5 частей на миллион и битуминозный уголь (концентрация H ₂ O в дымовых газах составляет 8% по объему), получаем кислотную точку росы приблизительно 263F. Следует отметить, что, хотя температура дымовых газов на выходе из APH обычно на 50 ° F или более выше температуры кислотной точки росы, температура поверхности металла может быть ниже, как в случае APH Люнгстрема. В APH Люнгстрема температура поверхностей теплопередачи, расположенных в слое холодного конца APH, контролируется температурой входящего воздуха и значительно ниже температуры точки росы кислоты.Более подробная информация о теплопередаче APH, характеристиках, а также засорении и засорении будет представлена ​​в Части II.

Помимо кислотного осаждения, другим препятствием для рекуперации тепла дымовых газов за счет дополнительного охлаждения в APH является производительность ЭЦН. Как показано на Рисунке 5, удельное сопротивление летучей золы уменьшается по мере того, как температура дымовых газов опускается ниже 300 ° F. Однако в случае золы с высоким удельным сопротивлением (рис. 5) снижение температуры не будет проблемой, поскольку для золы с низким удельным сопротивлением низкие температуры дымовых газов окажут существенное негативное влияние на характеристики ЭЦН.

Парогенераторы

, которые используют впрыск аммиака для селективного каталитического восстановления (SCR) или селективного некаталитического восстановления (SNCR) NO _x , сталкиваются с дополнительной проблемой при проектировании и эксплуатации низкотемпературного оборудования для рекуперации тепла, особенно APH. Непрореагировавший аммиак соединяется с SO ₃ в потоке дымовых газов и SO ₃ , образующимся на катализаторах СКВ, с образованием бисульфата аммония (ABS). АБС образуется в температурном диапазоне между температурами на входе и выходе дымовых газов APH.Эти отложения являются липкими и вызывают коррозию сталей, обычно используемых в APH.

На выходе из ЭЦН обычно охлаждают дымовой газ испарительным охлаждением до температуры, близкой к температуре адиабатического насыщения, путем распыления воды в поток дымового газа в системе мокрой десульфуризации дымового газа (FGD). По данным производителя FGD, оптимальная температура дымовых газов для процесса обессеривания составляет примерно 149F (65C). Охлаждение дымового газа до температуры насыщения происходит в зоне распыления, и дымовой газ выходит из реактора FGD при температуре, близкой к температуре насыщения.В тех же случаях дымовой газ выходит из FGD в перенасыщенном состоянии с температурой немного ниже температуры насыщения. Эта практика приводит к значительному использованию воды для испарительного охлаждения. Что еще более важно, явное тепло дымовых газов не используется с пользой.

Температура насыщения является функцией содержания влаги в дымовых газах, которая зависит от общей влажности угля (TM) и влажности входящего воздуха. Влагосодержание дымовых газов показано на Рисунке 6 как функция от общего содержания влаги в угле.Расчеты проводились для коэффициента избытка воздуха (E) 17,2% и влажности входящего воздуха 0,01149 моль H ₂ O / моль воздуха.

Содержание влаги в дымовых газах и температура насыщения для битуминозных и промытых углей штата Иллинойс, суббитуминозных углей (бассейн Паудер-Ривер, PRB) и лигнитов сведены в Таблицу 1. Температура насыщения представлена ​​на Рисунке 7 как функция TM. Для этих углей и условий горения температура насыщения колеблется в диапазоне от 104F до 134F.

Таблица 1. Температура насыщения для различных углей. Источник: Центр энергетических исследований

Низкотемпературная рекуперация тепла

Количество тепла, доступного в дымовых газах, представлено на Рисунке 8 как функция температуры дымовых газов для четырех углей: битуминозного, промытого Иллинойса, PRB и лигнита. Промытые угли штата Иллинойс содержат значительное количество влаги (от 18% до 22% или более), что снижает его значение HHV. Большая часть этой влаги — это поверхностная влага, которую можно удалить сушкой.По мере снижения температуры дымовых газов количество доступного физического тепла увеличивается. Явная теплота, которая может быть извлечена из дымового газа путем его охлаждения в охладителе дымового газа (FGC) от температуры газа на выходе APH 310 ° F до температуры на входе FGD 140 ° F, составляет от 43 до 46 БТЕ на фунт дымового газа (в зависимости от угольный тип).

Когда дымовой газ охлаждается ниже температуры насыщения, влага дымового газа конденсируется, чтобы поддерживать парциальное давление водяного пара в дымовом газе, которое соответствует температуре дымового газа, и содержание водяного пара в дымовом газе уменьшается (Рисунок 9).Количество (масса) конденсированной воды увеличивается по мере снижения температуры дымовых газов и сильно зависит от влажности угля.

По мере конденсации влаги из пара дымовых газов скорость потока дымовых газов уменьшается, вызывая небольшое уменьшение количества явного тепла в дымовых газах (рис. 8). Изгиб кривой явного тепла происходит при температуре насыщения дымовых газов.

Как показано на Рисунке 9, большую часть влаги можно удалить из дымового газа, охладив его до очень низкой температуры.Концепция охлажденного аммиака, разработанная Alstom Power, предусматривает охлаждение дымовых газов до очень низкой температуры с помощью чиллеров. При текущем уровне развития технологий такое низкотемпературное охлаждение дымовых газов является дорогостоящим из-за высоких требований к мощности чиллеров.

Конденсация влаги дымовых газов выделяет скрытое тепло. Количество выделяемого скрытого тепла зависит от температуры дымовых газов и типа угля (Рисунок 10). Количество выделяемой скрытой теплоты увеличивается по мере увеличения содержания ТМ в угле и снижения температуры дымовых газов.Скрытая теплота может быть рекуперирована в конденсационных теплообменниках (CXE), но из-за низкой температуры охлаждающей жидкости существуют практические температурные ограничения (примерно от 100F до 110F), которые накладывают ограничения на количество скрытой теплоты, которую можно извлечь с экономической точки зрения. из дымовых газов. Доступные радиаторы ограничивают количество низкотемпературного тепла, которое может быть эффективно использовано.

Общая (явная и скрытая) теплота дымового газа представлена ​​на рисунке 11. Когда дымовой газ охлаждается ниже температуры насыщения, количество общего тепла значительно увеличивается.Однако, как обсуждалось ранее, существуют практические ограничения, связанные с охлаждением дымового газа до низких температур и выгодным использованием рекуперированного низкотемпературного тепла.

Чтобы проиллюстрировать общее количество тепла, доступного в дымовом газе, были выполнены расчеты образцов для традиционной сверхкритической пылевидной угольной электростанции и четырех различных углей. Полная выходная мощность турбинного цикла мощностью 642,18 МВт (HRcycle) составляет 7467 БТЕ / кВтч (ηцикл, брутто = 45,69%), утечка APH 10%, температура дымовых газов на выходе из котла 680F и уголь TM содержание из таблицы 1 было принято в расчетах.Результаты представлены в Таблице 2 и на Рисунке 12. Явная теплота была определена для случая, когда дымовой газ охлаждается в FGC, расположенном выше по потоку от FGD, от температуры 310F (выход газа APH) до 140F (вход FGD).

Таблица 2. Базовая электростанция. Источник: Центр энергетических исследований

Общее тепло (включая скрытую теплоту) было определено для случая, когда дымовой газ охлаждался в FGC и CXE от температуры 310F (выход газа APH) до 110F (вход в абсорбер CO ₂ ).Для эффективной работы системы улавливания CO ₂ (абсорбер CO ₂ ) потребуется охлаждение дымовых газов до температуры около 110 ° F. Для процесса с охлажденным аммиаком требуется еще более глубокое охлаждение.

Результаты показывают, что для битумных и промытых углей штата Иллинойс с низким содержанием влаги, имеющих низкие температуры насыщения, выгода от охлаждения дымовых газов до 110F невелика. По мере увеличения содержания TM в угле, например, для PRB и лигнитов, количество общего тепла значительно увеличивается, особенно для лигнитов.Следовательно, для углей с высоким содержанием влаги может быть экономически выгодным рекуперация низкотемпературного тепла. Это не относится к углям с низким содержанием влаги, где охлаждение дымовых газов в FGC перед FGD является наиболее экономичным вариантом.

Подогрев питательной воды и предварительный подогрев воздуха для горения

Технология рекуперации низкотемпературного тепла из дымовых газов возникла в Европе, где она уже более 15 лет используется для повышения производительности угольных электростанций и промышленных предприятий.Коммунальные предприятия, такие как RWE Power, Vattenfall и другие, используют низкотемпературное тепло дымовых газов для нагрева питательной воды (FW) и предварительного нагрева воздуха для горения. Несколько различных конфигураций с разными коммерческими названиями, такие как Powerise, были разработаны и успешно использовались на таких электростанциях, как Schwarze Pumpe, Mehrum, Niederaussem, Lippendorf и Werndorf в Германии; Фойцберг в Австрии; и в других местах, включая промышленные предприятия и заводы по переработке отходов в энергию, такие как Vestforbraending в Дании, где рекуперированное низкотемпературное тепло используется для централизованного теплоснабжения.

Типичные конфигурации для использования низкотемпературного тепла дымовых газов включают конфигурации, позволяющие нагревать горячую воду и предварительно нагревать воздух для горения. Низкотемпературное тепло утилизируется из дымовых газов с помощью охладителя дымовых газов (FGC), расположенного перед FGD. Конфигурация была разработана для модернизации системы улавливания CO ₂ или новой конструкции, где дымовой газ охлаждается до диапазона от 105 до 110 ° F. Эта конфигурация включает в себя FGC перед FGD и конденсирующий теплообменник (CXE) после FGD и перед абсорбером CO ₂ .Давайте оценим преимущества в производительности, достигаемые при использовании рекуперированного низкотемпературного тепла.

Чтобы проиллюстрировать преимущества использования тепла, регенерированного из дымового газа, для нагрева FW и предварительного нагрева воздуха для горения, был проведен анализ для базовой конфигурации электростанции, представленной на Рисунке 13, и трех углей: промытый Иллинойс, PRB и лигнит. Базовая конфигурация представляет собой обычную угольную электростанцию, использующую котел, цикл паровой турбины с семью ступенями регенеративного нагрева конденсата и ДДГ для контроля SOx.Температура конденсата, выходящего из главного конденсатора пара, в этом примере составляет 85,9 ° F. Обратите внимание, что температура на выходе из конденсатора в значительной степени зависит от места установки и зависит от температуры охлаждающей воды в конденсаторе, чистоты конденсатора и состояния технического обслуживания. Температура охлаждающей воды подвержена сезонным колебаниям и местоположению установки. Для заводов, оборудованных градирней, производительность градирни добавляет еще один уровень сложности, поскольку на ее производительность влияют окружающие и технологические условия.Воздух для горения предварительно нагревается в паровом воздухонагревателе (SAH) с использованием пара, отбираемого из цикла паровой турбины. Данные по расходу и температуре, представленные на Рисунке 13, относятся к бурому углю. Результаты по всем трем углям приведены в таблицах 3–5.

Таблица 3. Увеличение выходной мощности по сравнению с исходным уровнем, показанным в таблице 2. Источник: Центр энергетических исследований


Таблица 4. Улучшение чистого удельного тепла по сравнению с исходным уровнем, показанным в Таблице 2. Источник: Центр энергетических исследований

Таблица 5.Увеличение чистой эффективности агрегата по сравнению с исходным уровнем, показанным в таблице 2. Источник: Центр энергетических исследований

Первая исследованная конфигурация — Конфигурация A, для использования низкотемпературного тепла дымового газа, включая FGC перед ДДГ, — представлена ​​на рисунке 14. Вместо использования пара, отбираемого из цикла паровой турбины для предварительного нагрева воздуха для горения, происходит сжигание. воздух предварительно нагревается за счет тепла, извлекаемого из потока дымовых газов. Это увеличивает поток пара через турбину низкого давления (НД), что приводит к увеличению выходной мощности паровой турбины.Увеличение выходной мощности турбины приводит к повышению тепловой мощности турбинного цикла и, в конечном итоге, чистой удельной тепловой мощности. Один из эффектов заключался в том, что тепло, отводимое конденсатором, и поток конденсата увеличивались. Кроме того, количество тепла, подаваемого вытяжным паром и извлекаемого из дымового газа, было согласовано для достижения того же уровня предварительного нагрева воздуха для горения. Наконец, температура питательной воды, поступающей в котел, поддерживалась постоянной для всех проанализированных случаев.

Вторая конфигурация, Конфигурация B, использует низкотемпературное тепло дымовых газов и включает FGC перед ДДД (рис. 15).Сто процентов потока конденсата, выходящего из основного конденсатора пара, проходит через FGC, где он нагревается. Нагретый конденсат циркулирует обратно в цикл паровой турбины, минуя нагреватели питательной воды низкого давления (FWH) 6 и 7. Такая конструкция исключает отбор пара низкого давления, а пар, который обычно используется в FWH6 и FWH7, расширяется в турбина НД. В результате увеличивается выходная мощность паровой турбины, увеличивается поток пара в конденсатор и основной поток конденсата, а также увеличивается количество тепла, отводимого основным конденсатором пара.Увеличение выходной мощности турбины приводит к улучшению турбинного цикла и чистых удельных тепловых ударов. В этом примере дымовой газ охлаждается до температуры 135 ° F. Воздух для горения предварительно нагревается паром, отбираемым из цикла паровой турбины.

Конфигурация C представляет собой комбинацию конфигураций A и B, где часть тепла, рекуперированного из дымовых газов, используется для нагрева FW, а оставшееся тепло используется для предварительного нагрева воздуха для горения. Схема конфигурации C показана на рисунке 16.Для ясности, FGC разделен на две части, где FGC1 используется для предварительного нагрева воздуха для горения, а FGC2 используется для нагрева FW.

Конфигурации D и E позволяют охлаждать дымовой газ до диапазона от 105F до 110F, который требуется для улавливания CO2 после сжигания. Конфигурация D (рисунок 17) является вариантом конфигурации B и включает CXE после FGD и перед абсорбером CO ₂ (обозначенным как CCS). Явное тепло дымовых газов утилизируется в FGC.Первая ступень конденсационного теплообменника (CXE1) утилизирует явное и скрытое тепло дымовых газов. Рекуперированное тепло используется для нагрева горячей воды. Вторая ступень CXE (CXE2) используется для дальнейшего снижения температуры дымовых газов и уменьшения содержания влаги в дымовых газах.

Обратите внимание, что дымовой газ выходит из FGD в насыщенном или перенасыщенном состоянии. Пониженное содержание влаги в дымовых газах положительно влияет на эффективность процесса абсорбции / десорбции CO ₂ .При охлаждении дымового газа до температуры примерно 105 ° F из потока дымового газа удаляется около половины влаги. Рекуперированное тепло имеет очень низкую температуру и имеет ограниченное использование, например, для отопления зданий. Альтернативой является использование распылительного охладителя вместо CXE2. Однако в таких случаях дымовой газ входит в абсорбер CO ₂ в насыщенном или перенасыщенном состоянии. Высокое содержание влаги в дымовых газах отрицательно влияет на эффективность процесса абсорбции / десорбции CO ₂ и размер оборудования.Для определения наиболее экономичной конфигурации необходим анализ компромиссов, и это выходит за рамки данной статьи.

Конфигурация E (рисунок 18) является вариантом конфигурации C. Как и в конфигурации D, в ней используются FGC и двухступенчатый CXE. Рекуперированное скрытое и явное тепло используется для нагрева FW и предварительного нагрева воздуха для горения.

Результаты суммированы в таблицах 3–5 и представлены на рисунках 19–21 для циклов, описанных выше.Возможное улучшение зависит от конфигурации и типа угля. Улучшение тепловыделения варьируется от 1,24% до 3,65% относительного для всех конфигураций. Обратите внимание, что сокращение выбросов CO ₂ прямо пропорционально увеличению теплового расхода.

Для конфигураций, не включающих CXE, улучшение ниже, с 1,24% до 3,18% относительного, но все же значительное. Соответствующее улучшение чистой эффективности устройства составляет с 0,51% до 1,39% с учетом всех конфигураций.Для конфигураций, в которых не используется CXE, повышение чистой эффективности блока составляет от 0,51% до 0,90%.

Улучшения производительности для конфигурации A относительно нечувствительны к углю. Для конфигураций B, C, D и E потенциальное улучшение характеристик обычно увеличивается с увеличением содержания влаги в угле и является самым высоким для лигнитов. На другом подкритическом блоке более высокая температура конденсата, выходящего из конденсатора (105,3 F против 85,9 F) для топлива с низким и средним содержанием влаги, показала приблизительно 0.Улучшение чистой удельной тепловой мощности на 2% ниже по сравнению с нашим выводом, представленным на Рисунке 20.

Таким образом, повышение производительности, достижимое за счет использования тепла, рекуперированного из дымовых газов для нагрева FW и предварительного нагрева воздуха для горения, может быть значительным и должно рассматриваться как меры по повышению производительности и сокращению выбросов для существующих и вновь построенных электростанций. Для существующих электростанций, где трудно или невозможно повысить параметры пара для улучшения характеристик цикла паровой турбины, использование тепла, рекуперированного из дымовых газов, является привлекательной альтернативой.Оптимизация конфигурации системы, например, температуры подогреваемого воздуха, выходящего из APH и байпаса FW (часть потока FW, минуя FWH низкого давления [в этой работе использовался 100% байпас]) — необходимая часть любой надежной установки. дизайн.

Еще не все

Во второй части мы рассмотрим типы доступных технологий сушки угля, их производительность и экономику эксплуатации. В части III мы рассмотрим варианты повторного нагрева дымовых газов, нагрева питательной воды и предварительного нагрева воздуха для горения.

—Ненад Сарунак ([email protected]) — главный инженер-исследователь и заместитель директора Центра энергетических исследований Университета Лихай. Иллинойский институт чистого угля частично профинансировал эту работу.

Система рециркуляции дымовых газов (FGR) — CCA Combustion Systems

Рециркуляция дымовых газов (FGR) — это мощная технология контроля оксидов азота (NOx) , которая значительно снижает выбросы NOx за счет рециркуляции дымовых газов из выхлопного тракта котла в основную камеру сгорания.Этот процесс снижает пиковую температуру пламени и снижает процентное содержание кислорода в смеси воздуха для горения и дымовых газов, тем самым уменьшая образование NOx при нагревании.

Наша торговая марка CCA Combustion Systems предлагает Рециркуляция дымовых газов в сочетании с другими нашими запатентованными инновационными технологиями, предназначенными для снижения выбросов NOx для новых или существующих котлов, работающих на угле, мазуте и газе.

Льготы

• Низкая совокупная стоимость владения
• Высокоэффективное удаление NOx
• Минимальное время простоя при установке

Характеристики

• Принудительная ЛГР и индуцированная ЛГР, совместимые с другими технологиями контроля NOx
• Наиболее эффективен на газообразном топливе, где выбросы NOx почти всегда 100% термические NOx

Рециркуляция дымовых газов из CCA

С 1980 года высокие стандарты CECO CCA на всех этапах производственного процесса сделали его мировым лидером в области систем сгорания.От проектирования до производства и установки CCA создает только лучшие продукты для своих клиентов, гордясь тем, что предоставляет высокоэффективные системы сгорания с непревзойденными характеристиками и впечатляюще низкими выбросами. Не ищите ничего, кроме CCA, если вам нужна первоклассная система сжигания, которая позволит снизить расходы и увеличить прибыль. Опытные инженеры CCA с их многолетним производственным опытом сосредоточены на разработке уникальных и эффективных решений для сжигания топлива для различных промышленных применений.Наша технология Рециркуляция дымовых газов является одним из примеров того, почему наша запатентованная технология является отраслевым стандартом.

Являясь универсальным поставщиком мощных решений для сжигания, CCA может удовлетворить ваши потребности, от создания до установки и обслуживания. Мы создаем самые современные продукты, которые сохранят ваш бизнес в плюсе и ваши выбросы в чистоте, производя самое производительное и надежное оборудование для сжигания. Наше оборудование универсально и достаточно мощно, чтобы справиться с самыми высокими требованиями.Эксклюзивная технология CCA снижает выбросы оксида азота, твердых частиц, несгоревшего углерода и оксида углерода до безопасных, приемлемых уровней для предприятий по всему миру. Когда пришло время искать лучшее в отрасли оборудование для сжигания, CCA предлагает самую мощную линейку вариантов оборудования, отвечающую всем требованиям вашего предприятия или области применения.

Fluid Components International — Приложения

Дымовые газы удаляются во многих процессах, включая металлообработку, химическую, пищевую, нефтеперерабатывающую, фармацевтическую промышленность, бумажные фабрики, электростанции и котельные.Одно- или многоточечные расходомеры

FCI предлагают точные и экономичные решения для измерения дымовых газов.

Компании, использующие расходомеры FCI для дымовых газов, включают US Steel, Kraft Foods, Georgia-Pacific, Dupont, Rohm & Haas, Shijiazhuang Refinery, ELF Atochem, Kemirea Pigments, Fundia Wire, Noranda Mining и Foster-Wheeler Energy, в том числе другие.

Дымовые газы — это общее название газов смешанного состава, которые являются побочным продуктом процесса сгорания.Дымоход обычно представляет собой большую трубу, воздуховод, дымовую трубу или другое вентиляционное отверстие, присоединенное к технологической системе, такой как котел, печь, парогенератор, печь и т. Д., Через которую отходящие дымовые газы удаляются из процесса сгорания.

В зависимости от процесса, используемого топлива и эффективности дымовые газы могут состоять из азота, диоксида углерода, следовых количеств кислорода и водяного пара, а также экологически чувствительных загрязнителей, таких как оксиды серы, оксид азота, оксид углерода и твердые частицы.Помимо измерения потока дымовых газов для получения данных управления технологическим процессом, отчетность часто требуется в соответствии с экологическими и региональными нормативными актами, касающимися качества воздуха.

При выборе подходящего расходомера для дымовых газов возникает несколько проблем:

• Газы смешанного состава
• Влажный и / или грязный газ
• Большие и труднодоступные трубы
• Широкий диапазон расхода и искаженные, закрученные профили потока

Ключевые критерии выбора расходомера

• Точность и калибровка для газов смешанного состава
• Низкая стоимость монтажа на трубах большого диаметра
• Одно- и многоточечные решения
• Измерение массового расхода
• Отсутствие засорения, отсутствие движущихся частей, низкие эксплуатационные расходы
• Широкий диапазон изменения расхода для измерения расхода в широком диапазоне
• Выносной преобразователь / электроника
• Температурная компенсация

Встраиваемые расходомеры с термодисперсией FCI представляют собой экономичное и точное решение для измерения расхода дымовых газов.Эти расходомеры предназначены для решения уникальных задач измерения дымовых газов и соответствуют всем вышеперечисленным критериям. Для линий размером до 30 дюймов [760 мм] обычно применяются одноточечные расходомеры FCI. Для линий большего размера многоточечные системы FCI предоставляют до 16 датчиков для достижения усреднения расхода в больших площадях поперечного сечения. Кроме того, эти расходомеры FCI предназначены для прямого измерения массового расхода, поэтому, в отличие от методов измерения объемного расхода, не требуется приобретать или устанавливать дополнительные датчики для измерения массового расхода.

Для линий размером более 2,5 дюймов [63 мм]

Измерение кислорода в дымовых газах — GasLab.com

Измерение содержания кислорода имеет решающее значение при проверке отходящих дымовых газов в печах или котлах. Дымоход, также известный как дымовая труба или дымовая труба, представляет собой вертикальную трубу, которая позволяет выхлопным газам от сгорания выбрасываться в атмосферу. Выхлопные газы образуются в результате сжигания топлива в печи, духовке, котле или парогенераторе.

Где бы ни произошло возгорание, будут выхлопные газы.Измерение уровня кислорода в выхлопных газах является показателем эффективности процесса сгорания.

Печи с принудительной циркуляцией воздуха

В печах жилых или коммерческих зданий газ или масло смешиваются с воздухом и воспламеняются, образуя пламя внутри камеры сгорания. Теплообменник передает тепло из камеры сгорания свежему воздуху, циркулирующему по всему зданию.

Для максимального повышения эффективности печь регулирует соотношение топлива и воздуха, попадающих в камеру сгорания.Слишком много топлива или слишком много воздуха (кислорода) снижает энергоэффективность печи и может увеличить количество образующихся молекул NOx и монооксида углерода.

В бытовых печах оптимальное соотношение топлива и воздуха приводит к снижению уровня кислорода с 21% (свежий воздух) до 8,5-10% кислорода по объему после сгорания. Чтобы проверить уровень кислорода, используется инструмент, называемый анализатором горения, который измеряет количество кислорода, остающегося в дымовых выхлопных газах.

Несмотря на то, что на рынке представлено множество анализаторов горения, все они включают кислородный датчик.Например, AlphaSense O2-A2 — это обычный электрохимический датчик кислорода, используемый во многих моделях анализаторов горения. Преимущество этого датчика заключается в том, что он дешев, легко заменяется в полевых условиях и требует небольшого количества энергии, поэтому его можно использовать в портативном устройстве с батарейным питанием.

Вариантом топки с приточным воздухом является топка котла. Вместо воздуха теплообменник передает тепло воде, которая циркулирует в виде пара по трубам по всему зданию. Однако даже при отоплении котла все равно требуется анализатор горения для проверки соотношения топливо-кислород во время горения.

Промышленные печи

В отличие от печей для обогрева домов или зданий, промышленные печи представляют собой печи прямого нагрева, используемые для обеспечения теплом промышленных процессов, таких как химические реакции, кремация, очистка нефти или производство стекла. Кроме того, некоторые промышленные печи также передают тепло через змеевики жидкости, которая затем может циркулировать для обеспечения тепла в здании или для других процессов.

Самая большая разница между бытовой печью и промышленной печью заключается не в размере, а в количестве выделяемого тепла.Для промышленных процессов часто требуется 400 ° C (750 ° F) или более.

Из-за высоких температур и необходимости постоянного контроля для поддержания эффективного соотношения топлива и воздуха в промышленных печах используются стационарные кислородные датчики.

Одним из примеров этого является анализатор кислорода OXY-FLEX. Он имеет зонд диаметром 400 мм (16 дюймов), который вставляется в дымовую трубу. Такая большая длина зонда делает датчик идеальным для дымоходов с толстыми стенками. Наконечник зонда измеряет содержание кислорода от 0.От 01 до 100% и при температуре от -100 до 400 ° C (-148-750 ° F).

Для более высоких температур другим датчиком кислорода, используемым для измерения дымовых газов, является датчик OXY-GAP Oxygen Gas Analyzer. OXY-GAP выдерживает температуру до 700 ° C (1300 ° F). Он предназначен для контроля содержания кислорода в дымовых или дымовых газах, что делает его полезным для оптимизации сжигания в котлах, работающих на природном газе, дизельном топливе, дизельном топливе и биомассе, а также в системах регулировки горелки / котла.

Помимо более высоких уровней нагрева, в зависимости от сжигаемого топлива в промышленных печах могут образовываться частицы сажи.Это особенно актуально для печей, работающих на угле или некоторых жидких топливах. Сажа может забить кислородный датчик. Поэтому при установке кислородного датчика в промышленную печь важно учитывать используемое топливо. Хотя некоторые кислородные датчики не предназначены для работы в среде с высоким содержанием сажи, загрязнение сажей можно уменьшить, используя перегородки, которые заставляют твердые частицы окружать датчик.

Обессеривание дымовых газов на основе аммиака | Энергетика

ДДГ с использованием аммиака вместо извести или известняка может обеспечить более высокий уровень удаления SO ₂ при удалении жидких и твердых отходов.

Д-р Питер Лу и Деннис МакЛинден , Jiangnan Environmental Technology Inc.

Системы обессеривания дымовых газов (FGD), в которых в качестве химического реагента используются известь или известняк, широко используются во всем мире для контроля выбросов SO ₂ на угольных электростанциях. Однако системы на основе аммиака становятся жизнеспособной альтернативой устранению ограничений в отношении образования жидких и твердых отходов и обращения с ними. Эффективная технология обессеривания на основе аммиака (EADS) не приводит к образованию потоков жидких отходов или нежелательных твердых побочных продуктов, требующих утилизации; скорее, процесс с замкнутым циклом дает коммерческий побочный продукт сульфатного удобрения аммония, который может снизить более чем на 50 процентов эксплуатационных расходов.

Завод угля для производства жидкостей Shenhua Ningxia. Завод начал серийное производство в декабре 2016 г.

Недостатки извести / известняка

Как показано на Рисунке 1, системы FGD, использующие принудительное окисление извести / известняка (LSFO), включают три основные подсистемы:

• Подготовка, обращение и хранение реагентов
• Емкость абсорбера
• Обращение с отходами и побочными продуктами

Подготовка реагентов заключается в транспортировке измельченного известняка (CaCO ₃ ) из бункера для хранения в резервуар с мешалкой.Затем полученная суспензия известняка перекачивается в емкость абсорбера вместе с дымовым газом котла и воздухом-окислителем. Распылительные форсунки доставляют мелкие капли реагента, которые затем движутся противотоком входящему дымовому газу. SO ₂ в дымовых газах реагирует с богатым кальцием реагентом с образованием сульфита кальция (CaSO ₃ ) и CO ₂ . Воздух, введенный в абсорбер, способствует окислению CaSO ₃ до CaSO ₄ (дигидратная форма).

Основные реакции LSFO:

CaCO ₃ + SO ₂ → CaSO ₃ + CO ₂ · 2H ₂ O

Окисленная суспензия собирается в нижней части абсорбера и затем возвращается вместе со свежим реагентом обратно в коллекторы распылительных форсунок.Часть рециркулирующего потока отводится в систему обработки отходов / побочных продуктов, которая обычно состоит из гидроциклонов, барабанных или ленточных фильтров и резервуара для хранения сточных вод / щелока с перемешиванием. Сточные воды из сборного резервуара рециркулируют обратно в резервуар для подачи известнякового реагента или в гидроциклон, где перелив удаляется как сточные воды.

Типовая схема процесса мокрой очистки от извести / известняка с применением оксидатина

Влажные системы LSFO обычно могут обеспечить эффективность удаления SO ₂ 95-97 процентов.Однако достичь уровней выше 97,5% для выполнения требований по контролю за выбросами сложно, особенно для предприятий, использующих угли с высоким содержанием серы. Могут быть добавлены магниевые катализаторы или известняк может быть кальцинирован до извести с более высокой реакционной способностью (CaO), но такие модификации включают дополнительное оборудование установки и связанные с этим затраты на рабочую силу и электроэнергию. Например, кальцинирование до извести требует установки отдельной печи для обжига извести. Кроме того, легко осаждается известь, что увеличивает вероятность образования отложений накипи в скруббере.

Стоимость кальцинации в печи для обжига извести может быть снижена путем непосредственного впрыскивания известняка в топку котла. При таком подходе известь, образующаяся в котле, уносится с дымовыми газами в скруббер. Возможные проблемы включают засорение котла, нарушение теплопередачи и инактивацию извести из-за перегорания котла. Кроме того, известь снижает температуру потока расплавленной золы в угольных котлах, в результате чего образуются твердые отложения, которые в противном случае не возникли бы.

Жидкие отходы процесса LSFO обычно направляются в стабилизационные бассейны вместе с жидкими отходами из других мест на электростанции.Жидкие сточные воды влажной ДДГ могут быть насыщены сульфитами и сульфатными соединениями, и экологические соображения обычно ограничивают их сброс в реки, ручьи или другие водотоки. Кроме того, рециркуляция сточных вод / щелока обратно в скруббер может привести к накоплению растворенных солей натрия, калия, кальция, магния или хлорида. Эти частицы могут в конечном итоге кристаллизоваться, если не будет обеспечен достаточный слив для поддержания концентрации растворенной соли ниже насыщения. Дополнительной проблемой является медленная скорость осаждения твердых частиц отходов, что приводит к необходимости использования больших прудов-стабилизаций большого объема.В обычных условиях осажденный слой в пруду-стабилизации может содержать 50 или более процентов жидкой фазы даже после нескольких месяцев хранения.

Сульфат кальция, извлеченный из суспензии рециркуляции абсорбера, может содержать большое количество непрореагировавшего известняка и золы сульфита кальция. Эти загрязнители могут препятствовать продаже сульфата кальция в виде синтетического гипса для использования в производстве стеновых плит, штукатурки и цемента. Непрореагировавший известняк — преобладающая примесь синтетического гипса, а также обычная примесь природного (добытого) гипса.Хотя сам по себе известняк не влияет на свойства конечных изделий из стеновых плит, его абразивные свойства создают проблемы с износом для технологического оборудования. Сульфит кальция является нежелательной примесью в любом гипсе, поскольку его мелкий размер частиц создает проблемы с образованием накипи и другие проблемы обработки, такие как промывка и обезвоживание кека.

Если твердые частицы, образующиеся в процессе LSFO, не продаются на коммерческой основе как синтетический гипс, это создает значительную проблему удаления отходов. Для котла мощностью 1000 МВт, работающего на угле с 1 процентом серы, количество гипса составляет приблизительно 550 тонн (коротких) / день.На той же установке, работающей на угле с 2% серы, производство гипса увеличивается примерно до 1100 тонн в день. Если добавить около 1000 тонн в день для производства летучей золы, это приведет к увеличению общего тоннажа твердых отходов примерно до 1550 тонн в день для угля с 1 процентом серы и 2100 тонн в день для случая с 2 процентами серы.

Преимущества EADS

Проверенная технология, альтернативная очистке LSFO, заменяет известняк аммиаком в качестве реагента для удаления SO ₂ . Компоненты измельчения, хранения, обработки и транспортировки твердых реагентов в системе LSFO заменены простыми резервуарами для хранения водного или безводного аммиака.На рисунке 2 показана блок-схема системы EADS, предоставленная JET Inc.

.

Аммиак, дымовой газ, воздух-окислитель и технологическая вода поступают в абсорбер, содержащий несколько уровней распылительных форсунок. Форсунки генерируют мелкие капли аммиачного реагента для обеспечения тесного контакта реагента с поступающим дымовым газом в соответствии со следующими реакциями:

(1) SO ₂ + 2Nh4 + H ₂ O → (NH ₄ ) 2SO ₃

(2) (NH ₄ ) 2SO ₃ + ½O ₂ → (NH ₄ ) 2SO ₄

SO ₂ в потоке дымовых газов реагирует с аммиаком в верхней половине емкости с образованием сульфита аммония.Дно емкости абсорбера служит резервуаром для окисления, где воздух окисляет сульфит аммония до сульфата аммония. Полученный раствор сульфата аммония перекачивается обратно в коллекторы распылительных форсунок на нескольких уровнях абсорбера. Прежде чем очищенный дымовой газ выходит из верхней части абсорбера, он проходит через туманоуловитель, который объединяет любые захваченные капли жидкости и улавливает мелкие частицы.

Реакция аммиака с SO ₂ и окисление сульфита до сульфата позволяет достичь высокой степени использования реагента.Четыре фунта сульфата аммония производятся на каждый фунт израсходованного аммиака.

Как и в случае процесса LSFO, часть рециркулирующего потока реагента / продукта может быть отведена для получения промышленного побочного продукта. В системе EADS раствор продукта отбора перекачивается в систему извлечения твердых частиц, состоящую из гидроциклона и центрифуги, для концентрирования продукта сульфата аммония перед сушкой и упаковкой. Все жидкости (перелив гидроциклона и центрифуга на центрифуге) направляются обратно в резервуар для суспензии, а затем повторно вводятся в рециркулирующий поток сульфата аммония абсорбера.

Технология EADS обеспечивает многочисленные технические и экономические преимущества, как показано в Таблице 1.

• Системы EADS обеспечивают более высокую эффективность удаления SO ₂ (> 99%), что дает угольным электростанциям больше возможностей для смешивания более дешевых углей с повышенным содержанием серы.
• В то время как системы LSFO создают 0,7 тонны CO ₂ на каждую тонну удаленного SO ₂ , процесс EADS не производит CO ₂ .
• Поскольку известь и известняк обладают меньшей реакционной способностью по сравнению с аммиаком при удалении SO ₂ , для достижения высокой скорости циркуляции требуется более высокий расход технологической воды и энергия перекачивания.Это приводит к более высоким эксплуатационным расходам для систем LSFO.
• Капитальные затраты на системы EADS аналогичны затратам на строительство системы LSFO. Как отмечалось выше, хотя для системы EADS требуется оборудование для обработки и упаковки побочного продукта сульфата аммония, оборудование для подготовки реагентов, связанное с LSFO, не требуется для измельчения, обработки и транспортировки.

Самым отличительным преимуществом EADS является устранение как жидких, так и твердых отходов. Технология EADS — это процесс с нулевым сбросом жидкости, что означает, что очистка сточных вод не требуется.Твердый побочный продукт сульфат аммония легко продается; Сульфат аммония является наиболее часто используемым компонентом удобрений и удобрений в мире, рост мирового рынка ожидается до 2030 года. Кроме того, хотя для производства сульфата аммония требуются центрифуги, сушилки, конвейеры и упаковочное оборудование, эти продукты не являются собственностью и коммерчески доступны. имеется в наличии. В зависимости от экономических и рыночных условий удобрение на основе сульфата аммония может компенсировать затраты на обессеривание дымовых газов на основе аммиака и потенциально обеспечить значительную прибыль.

Схема эффективного процесса обессеривания аммиака

Enhanced EADS в Китае

В 2016 году Китай стал одним из 194 государств, подписавших Рамочную конвенцию Организации Объединенных Наций об изменении климата, состоявшуюся в Париже (Парижское соглашение). Во время этой конференции правительство Китая объявило, что сократит загрязнение от угольных электростанций на 60%, включая выбросы пыли, NOx и SO ₂ , а также выбросы углерода на 180 миллионов метрических тонн в течение следующих пяти лет.Это должно быть достигнуто за счет модернизации электростанций с использованием чистых угольных технологий, таких как десульфуризация дымовых газов и избирательное каталитическое восстановление.

Китай согласованно реализует план действий по энергосбережению, сокращению выбросов, модернизации и модернизации угольных электростанций на период 2014-2020 годов. Это требует, чтобы концентрации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для новых угольных энергоблоков в целом соответствовали нормам выбросов для газовых котлов / электрогенераторов.Выбросы твердых частиц и SO ₂ в отходящих дымовых газах должны быть ниже 1,18 фунта / MMSCF, 12 PPM и, соответственно.

Базовый процесс EADS, описанный выше, был установлен более чем на 150 электростанциях, химических предприятиях, предприятиях по извлечению серы и сталелитейной промышленности в Китае, демонстрируя эффективность удаления SO ₂ более 99% и концентрации SO ₂ в очищенных дымовых газах. до 17 частей на миллион. Кроме того, процесс абсорбции EADS в сочетании с запатентованным демистером в верхней части емкости абсорбера удаляет мелкие частицы (1-20 мкм) до уровня ниже 4.72 фунта / MMSCF. Однако, поскольку эти уровни выбросов не соответствуют китайским стандартам сверхнизких выбросов, компания JET Inc. разработала усовершенствованную версию своей технологии EADS, которая была установлена ​​на 40 проектах, представляющих более 100 поглотителей.

Усовершенствования технологии улучшают характеристики исходной системы EADS с помощью трех механизмов, как показано на рисунке 3. В совокупности повышение эффективности поглощения, акустическая агломерация мелких частиц и эффективный антизапотеватель составляют улучшенный ультразвуком SO ₂ и контроль твердых частиц ( USPAC) технологии.

Механизмы, включающие усовершенствованный ультразвуком SO 2 и технологию контроля твердых частиц.

Повышенная абсорбция SO ₂ достигается за счет оптимизации плотности распыления, распределения жидкости и газа и процесса окисления. Мелкие частицы в дымовых газах агломерируются с помощью механизмов очистки и ультразвука и удаляются с помощью высокоэффективного запатентованного туманоуловителя. Благодаря усовершенствованию USPAC основного процесса EADS, выбросы SO ₂ и твердых частиц соответствуют или превышают китайские правила сверхнизких выбросов, достигая <35 мг / Нм ³ для SO ₂ и <5 мг / Нм ³ для всех твердых частиц.

В сентябре 2013 года началось строительство крупнейшего в мире завода по производству жидкого угля (CTL) в автономном районе Нинся-Хуэй в Китае. Рекламируемый как крупнейший в мире химический проект в нефтехимической и углехимической отраслях (общий капитал 8 миллиардов долларов США), завод перерабатывает 22,55 миллиона ST угля в год в 4,46 миллиона ST / год нефти и 174 400 SCFM синтез-газа олефинов. Компания Shenhua Ningxia Coal Industry Group ввела этот завод в промышленную эксплуатацию в декабре 2016 года.

Центральным элементом электростанции CTL является тепловая электростанция, состоящая из угольных котлов сверхвысокого давления мощностью 10 * 200 МВт. К каждому котлу подключена система контроля качества воздуха, состоящая из:

• Реакторы селективного каталитического восстановления (SCR) для контроля NOx
• Электростатические осадители (ЭЦН) для улавливания твердых частиц (каждый с двумя камерами и шестью электрическими полями)
• Системы обессеривания дымовых газов на основе аммиака для удаления SO ₂ и дополнительного удаления мелких твердых частиц

В 2014 году завод выбрал JET Inc.поставить системы ДДГ. Поскольку выбросы должны соответствовать китайским Правилам сверхнизких выбросов, JET выбрала технологию USPAC. Каждая система USPAC предназначена для обработки 475 500 кубических футов в минуту дымового газа с концентрацией SO ₂ 980 частей на миллион. Первоначальные характеристики систем USPAC с момента ввода завода в эксплуатацию в конце 2016 года соответствовали или превышали Правила по сверхнизким выбросам, достигая концентраций SO ₂ на выходе в чистом дымовом газе менее 12 ч / млн (в сухом состоянии, стандартные условия, 6% кислорода) и концентрации твердых частиц менее 0.29 фунтов / MMSCF. Кроме того, система USPAC продемонстрировала доступность более 98% при извлечении аммиака более 99%.

Чтобы обеспечить бесперебойную реализацию этого проекта и поставки абсорбента десульфурации, Shenhua Ningxia Industry Group инвестировала в завод синтетического аммиака мощностью 165 300 коротких тонн в год для поставки абсорбента десульфурации для этого проекта и других проектов ДДГ в группе, тем самым существенное снижение стоимости безводного аммиака с 318 долларов США за тонну при передаче на аутсорсинг до 227 долларов США за сто тонн, а также дальнейшее сокращение операционных затрат установок ДДГ.

Сравнительная экономика с использованием EADS

В таблице 2 сравниваются эксплуатационные расходы на заводе CTL в Shenhua Ningxia для EADS и LSFO. Если бы процесс LSFO был применен к этому проекту вместе с коммерческой продажей побочного продукта гипса, годовые эксплуатационные расходы составили бы 14 642 000 долларов. Для сравнения, процесс EADS может по существу устранить эти затраты, одновременно генерируя прибыль в размере более 500 000 долларов США от продажи сульфата аммония (по цене 90 долларов США за единицу), что дает общую годовую экономию примерно в 15 000 000 долларов США.

Заключение

Технология EADS позволяет операторам электростанций и промышленных котлов соблюдать строгие экологические нормы, обеспечивая при этом экономические выгоды. EADS доступен по нескольким бизнес-моделям, включая инженерные пакеты с поставкой ключевого оборудования и запчастей, проектирование, закупки и строительство, строительство-эксплуатация-передача и сборка-эксплуатация-собственная.