1. Предложенный метод изготовления катализаторов из металлов, бывших в употреблении производственного процесса, может стать в будущем основным направлением использования данного метода с целью высокоэффективного снижения оксидов азота в энергетике.
2. Многовариантная разработка технического предложения позволила
выбрать наиболее оптимальный и приемлемый в экономическом отношении вариант компоновки хвостовых поверхностей нагрева при установке каталитического реактора на котле ТГМ-84Б, ст. 10.
3. Для выполнения требований ремонтопригодности, очистки конвективных поверхностей нагрева, исходя из минимальных капитальных затрат по реконструкции узлов котла рекомендуется. Заказчику утвердить 3¬х ярусную набивку катализатора. Необходимо согласовать возможность и метод периодической очистки элементов катализатора без останова котла. Нагрузки на фундамент должны быть согласованы с автором проекта каталитического реактора. Предлагается полностью заменить набивку РВП. Новая набивка холодного слоя керамическими элементами более коррозионно стойкая. Заказчику предлагается рассмотреть вопрос о целесообразности и необходимости установки дробеочистки (исходя из опыта Планируемое в рамках «Энергетической стратегии России до 2020 г.» увеличение производства электроэнергии на ТЭС при росте доли угля в структуре потребления топлива без оснащения котлов высокоэффективными газоочистными установками увеличит эмиссию ПОхна 56-70 %, что приведет к загрязнению атмосферы до уровня опасного для здоровья населения. Обеспечить снижение выбросов оксидов азота при применении метода СКВ по-прежнему является проблематичным, поскольку для этого потребовались бы инвестиции в объеме не менее 4-5 млрд. $(США).
С учетом вышеизложенного в настоящей работе разработано альтернативное мало затратное решение этой проблемы за счет применения комплексной технологии глубокой очистки (до 80-85 %) дымовых газов ТЭС с использованием метода селективного некаталитического восстановления. Эту технологию удалось создать на основе сочетания вновь разработанного и защищенного патентами оригинального процесса селективного некаталитического восстановления (СНКВ), который может быть реализован на любых действующих и вновь вводимых котлах, а также усовершенствованных методов малотоксичного сжигания. Теоретической основой для выполненных исследований явились фундаментальные исследования академика Зельдовича и его школы по изучению радикальных реакций образования и разложения оксидов азота при сжигании топлив и кинетике элементарных стадий при взаимодействии аммиака с оксидами азота, выполненные в ИХФ РАН - соучастнике работы.
Разработка комплексной технологии охватывает период с 1982 по 2002 гг. и включала в качестве первого этапа дальнейшее совершенствование методов малотоксичного сжигания топлив. Проведенные исследования кинетики образования NC)4в пылеугольном факеле показали, что для повышения эффективности топочных технологий снижения эмиссии оксидов азота необходимо обеспечить не только выделение и горение «летучих» в условиях недостатка кислорода, но и, как показано в настоящей работе, оптимизировать температурный интервал их горения и время пребывания дымовых газов в зоне с недостатком кислорода с тем, чтобы денитрификация «топливных» оксидов азота могла протекать по реакциям с углеродом и продуктами пиролиза угля, в том числе с NH3и его производными. Разработанные на основе этой концепции новые технические решения по организации малотоксичного сжигания топлив были успешно внедрены на большом числе котельных установок как в России, так и за рубежом
Проведенные исследования показали, что использование топочных технологий при сжигании газа и мазута позволяет обеспечить выполнение требований ГОСТа Р 50831-95, однако для энергетических котлов мощностью более 300 МВт (терм.) достигнутые значения удельных выбросов в 1,5-2 раза выше, нормируемых в ФРГ и в ряде других развитых стран.
В случае твердых топлив малотоксичные методы сжигания не позволяют гарантировано обеспечить даже сравнительно либеральные российские нормативные значения удельных выбросов оксидов азота.
Согласно нашей оценке использование топочных технологий позволит снизить ежегодные валовые выбросы NOхк 2020 г. на 266-290 тыс. т., в то время как, чтобы не усугубить экологическую ситуацию по сравнению с 2000 г. необходимо уменьшить эти выбросы на 713-777 тыс. т. При достижении на всех российских ТЭС удельных выбросов NOх, принятых в развитых странах, выбросы оксидов азота сократятся на 1040-1140 тыс. т, что позволит оздоровить экологическую ситуацию в нашей стране.
С учетом вышеизложенного для обеспечения дальнейшего снижения удельной эмиссии оксидов азота было предложено использовать процесс СНКВ, который за рубежом с достаточно высокой эффективностью не удалось внедрить на котельных установках мощностью более 50 МВт. Причиной этого явились отсутствие разработанных технологических и газодинамических решений, связанных с отсутствием математического описания этого сложного химического процесса, осложненного проскоком токсичного аммиака, а также в связи с нерешенными проблемами по раздаче аммиака с учетом конструктивных особенностей котла.
Поэтому выполненные исследования по развитию СНКВ -процесса включали следующие основные этапы:
1. Фундаментальные экспериментальные и теоретические исследования по выявлению основных элементарный стадий взаимодействия оксидов азота с аммиаком и изучению кинетических параметров ранее не изученных радикальных реакций. Это позволило впервые определить механизм процесса денитрификации с помощью цепного разветвленного механизма, включающего 16 стадий с участием радикалов 0, N^^, Н02, N2H, Н, NH, N2H4, N2H3, а также разработать и экспериментально обосновать математическое описание процесса.
Использование численного моделирования процесса позволило:
• выявить зависимость эффективности азотоочистки от температуры, концентрации ИОхи О2, времени реакции и мольного соотношения NHs/NOx,
• рассчитывать эффективность очистки от оксидов азота с учетом конструктивных особенностей котельных установок;
• обеспечить оптимальный выбор места размещения в котле раздающих устройств;
• оптимизировать раздачу аммиака при неоднородном распределении температуры по сечению газохода с учетом режима работы котла.
• оценить влияние паровой нагрузки котла на эффективность очистки и удельный расход аммиака, сформулировав оптимальную для СНКВ- процесса концепцию автоматического регулирования дозированной подачи аммиачной воды
2. Расчетно-теоретические и стендовые газодинамические работы по разработке тех. основ раздачи аммиака, обеспечивающих достаточно полное перемешивание пароаммиачных струй с дымовыми газами в газоходе котла. Задача выбора отверстий перфорации в раздающие трубах решалась на основе полуэмпирической теории перемешивания турбулентных струй с поперечным потоком и использованием разработанной программы расчета температуры раздающих труб с учетом уравнений движения пара с переменным расходом и теплопередачи от дымовых газов к пару через стенку трубы.
Требуемая неравномерность распределения аммиака по сечению газохода достигается выбором шага между отверстиями по длине раздающих труб и размеров отверстий в трубах.
При этом было теоретически обосновано и экспериментально доказано, что эффективность СНКВ-процесса при очистке от ИОх достигает 71-72 % и более. Принципиально важно, что эта эффективность очистки может достигаться и при низких концентрациях NO4в очищаемых газах, что имеет принципиальное значение при сочетании СНКВ с топочными технологиями.
3. Технико-экономическая оценка эксплуатационных расходов показала, что при рекомендуемом способе раздачи аммиака влажным паром затраты на генерацию раздающего пара, полностью компенсируются теплотой реакции окисления аммиака оксидами азота, так что эксплуатационные затраты определяются стоимостью аммиачной воды и потерями конденсата. Кроме того, за счет сочетания СНКВ с малотоксичными методами сжигания существенно снижаются затраты на аммиак.
4. Проектно-конструкторские разработки технологических схем и оборудования стендовых и опытно-промышленных установок и их отработка в процессе испытаний на Зуевской, Тольяттинской, Кироваканской ТЭЦ и Змиевской ГРЭС, позволившие
оптимизировать найденные технические решения.
Итогом проведенных исследований явилось внедрение на Тольяттинской ТЭЦ головных промышленных автоматизированных газоочистных установок.
Основные технико-экономические преимущества разработанной комплексной технологии по сравнению с технологией СКВ: высокая маневренность, не требуется новых производственных площадей в здании котельной, малые металлоемкость и капитальные затраты, пригодность для любых топлив, возможность сооружения установок силами ТЭС, малый период останова котла для монтажа установки, малый объем строительных работ. Важно также отметить, что при использовании разработанной технологии не происходит окисления диоксида серы до более токсичного серного ангидрида. При СКВ- процессе за счет катализатора окисляется до 2 % диоксида серы, что осложняет применение этой технологии в случае котельных установок, сжигающих высокосернистое топливо. Полная автоматизация СНКВ- процесса обеспечивает постоянство концентрации NOx в очищаемом газе даже при нештатном режиме работы котла, когда топочные технологии оказываются неэффективными.
Комплексная технология глубокой очистки дымовых газов с использованием метода СНКВ найдет, в первую очередь, широкое применение на угольных ТЭС, выбросы NOxна которых достигают 64,5 % от суммарной эмиссии теплоэнергетики. Инвестиции на внедрение этой технологии с эффективностью 80-85 %, обеспечивающей достижение жестких нормативных выбросов оксидов азота развитых стран, не превышают 6-16 $/кВт, что в 8-4 раза ниже, чем при использовании СКВ-установок.
При сжигании мазута в работе рекомендовано использовать СНКВ-процесс, при внедрении которого инвестиции не превышают 4 $/кВт, что на порядок ниже, чем при используемой за рубежом технологии СКВ.
Для газовых котлов обеспечить нормативы удельных выбросов, регламентируемых в России, возможно при использовании предложенных в работе малотоксичных методов сжигания с капитальными затратами 2-12 $/кВт, что в 25-5 раз ниже, чем при СКВ-методе.
Согласно энергетической стратегии России в период до 2020 г. предполагается рост производства электроэнергии на ТЭС в 1,36-1,47 раз (умеренный - оптимистический вариант развития) при увеличении доли угля в структуре потребления топлива до 44.4 % и снижении удельных выбросов оксидов азота до значений, регламентируемых ГОСТом Р 50831¬95. По нашей оценке это потребует уменьшения выбросов NOхна 713-777 тыс. т/г. Экономический эффект при нейтрализации этого количества ЫОх с использованием комплексной технологии глубокой очистки дымовых газов от NOx вместо планируемой ранее СКВ составит 3,7 млрд. долларов США.
На протяжении десятилетий ученые многих стран мира пытались разработать технологию по очистке дымовых газов от опасных соединений азота. Подобные работы заканчивались созданием громоздких, дорогостоящих установок, широкомасштабное внедрение которых было невозможным.
Группа ученых под руководством академика Зельдовича разработала сначала теоретически, а затем подтвердила лабораторно около тридцати возможных химических реакций по связыванию соединений азота. Однако многие годы труд теоретиков оставался незамеченным, т.к. в промышленных условиях необходимый ход этих реакций было очень сложно поддерживать.
Возможно, работа так и осталась бы невостребованной, если бы не интерес, который проявил к ней главный инженер Тольяттинской ТЭЦ Альберт Андреевич Алфеев. Как гражданин Тольятти он остро чувствовал необходимость улучшения экологической ситуации в родном городе. Тольятти - крупнейший промышленный город Самарской области, включенный в приоритетный список Комитета природных ресурсов по ИЗА (индексу загрязнения атмосферы). По собственной
инициативе А.А. Алфеев продолжил исследования ученых. Новатору - практику показалось реальным апробировать возможность соединения окислов азота с аммиаком при работе котельного агрегата. Во время данного процесса соединения азота, при высокой температуре в присутствии аммиака, разлагаются до молекулярного азота и воды, уменьшая тем самым выбросы в атмосферу. Одним из ресурсов для реализации проекта было наличие рядом с Тольяттинской ТЭЦ предприятия Тольяттиазот - близкого источника дешевого аммиака.
Исследования по разработке и внедрению на Тольяттинской ТЭЦ новой системы очистки выбросов проводились более четырнадцати лет. В ходе них пришлось протянуть аммиакопровод на котлы, научиться, сначала на глазок, вручную, регулировать процесс впрыска в котел определенного количества аммиака для осуществления необходимых химических реакции. Однако закончить работы с требуемым результатом не удавалось, из-за сложности регулирования процесса. Для точного ведения сложного химического процесса специализированная автоматическая система управления процессом, которая требовала значительных финансовых вложений и создания определенного программного обеспечения, но микропроцессорных устройств в то время еще не было, а существующая вычислительная техника была несовершенной.
С приходом в 1999 году к управлению АО «Самараэнерго» новой команды менеджеров под управлением В.Е. Аветисяна экологическое направление стало одним из приоритетных в деятельности компании. Первоочередное внимание было уделено именно Тольятти. Разработка инженеров - энтузиастов Тольятитинской ТЭЦ получила финансовую поддержку. В настоящее время АО «Самараэнерго» ежегодно инвестирует в экологические программы более 90 миллионов рублей.
В результате, удалось достичь того, что работу котла и поступление в него химических реагентов стала осуществлять новая автоматизированная система управления. Это позволило достичь необходимого результата и перевести разработки коллектива авторов с экспериментального на промышленный уровень.
В настоящее время в нашей стране ежегодные валовые выбросы оксида азота составляют 1,7 млн. тонн. Разработка комплексной технологии глубокой очистки дымовых газов ТЭС и ее применение на ТЭЦ позволяет сократить выбросы окислов азота в атмосферу на 70%. Широкое использование данной технологии позволит с минимальными затратами реализовывать «Энергетическую стратегию России до 2020 года», значительно сократить выбросы окислов азота в атмосферу, что позволит улучшить экологическую обстановку как в России, так и за ее приделами.


Купить