microbik.ru
1
Технология селективного некаталитического восстановления оксидов азота (NOх) на Тольяттинской ТЭЦ

Пакет материалов

КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ

Несмотря на «постиндустриальное» звучание, термину «кислотные дожди» уже более ста лет. Впервые он был употреблен в 1872 году англичанином Ангусом Смитом, изучавшим эффекты смога в Манчестере, однако тогдашние ученые коллегу не поддержали и к теории кислотных дождей отнеслись скептически. Сегодня же в их существовании нет никаких сомнений.
Современная химия измеряет кислотность растворов в единицах рН. Нейтральный раствор характеризуется величиной рН 7,0. Более низкие значения указывают на кислую реакцию, а более высокие – на щелочную. «Чистый» дождь обычно имеет слегка кислую реакцию, поскольку содержащийся в воздухе диоксид углерода вступает в химическую реакцию с дождевой водой, образуя слабую угольную кислоту. «Кислотным» считают дождь, рН которого ниже 5,6. В формировании кислотных дождей участвуют оксиды серы и азота, в существенных масштабах выбрасываемые в атмосферу автомобилями и промышленными предприятиями. Оксиды азота образуются при сжигании твердого топлива, в результате жизнедеятельности некоторых почвенных микробов, а также при грозовых разрядах (из содержащегося в атмосфере свободного азота). Оксиды азота растворяются в дождевой воде, образуя разбавленную азотную кислоту.

Даже очень слабая (в тысячу раз менее кислая, чем апельсиновый сок) угольная кислота «чистого» дождя способна оказывать заметный эффект: действуя в течение столетий, она разъедает мраморные статуи и бетонные сооружения. Последствия настоящих «кислотных» дождей бывают гораздо более серьезными. Кислые вещества, накапливаясь в почве, могут выводить из нее биогенные (необходимые для питания растений) элементы, повреждать и даже уничтожать леса, а также приводить к необратимым нарушениями химического баланса экосистем.

Из-за этих разрушительных последствий именно кислотные дожди считают основной причиной очень сильного закисления озер и прудов (в некоторых из них рН понижается до 3,0, что сопоставимо с уксусом), приводящего к гибели рыб и многих водных растений. Доказано, что в сотнях озер Скандинавии по этой причине пропала рыба. Кроме того, «кислая вода» способствует лучшей растворимости в ней таких опасных металлов, как алюминий, кадмий, ртуть, свинец, из почв и донных отложений, а это ведет к болезням людей, пьющих эту воду. Растения на суше также страдают от кислотных дождей, хотя эта проблема менее изучена. Размеры ущерба, причиненного ими, не поддаются точным измерениям, но даже локальные исследования дают цифру с девятью нулями.

ОАО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ «САМАРАЭНЕРГО»
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ТЭС ОТ ОКСИДОВ АЗОТА

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА СЕЛЕКТИВНОГО НЕКАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ
(Реферат)

Алфеев Альберт Андреевич кандидат технических наук, главный инженер Тольяттинской ТЭЦ ОАО «Самараэнерго» – руководитель работы

Аветисян Владимир Евгеньевич – кандидат экономических наук, генеральный директор ОАО «Средневолжская межрегиональная управляющая энергетическая компания»


Дикоп Владимир Вильгельмович – кандидата технических наук, технический директор ОАО «Средневолжская межрегиональная управляющая энергетическая компания»

Карякин Константин Федорович –главный инженер ОАО «Самараэнерго»

Назаренко Константин Леонидович - начальник ПТО ОАО «Самараэнерго»

Передельский Александр Александрович начальник котельного цеха Тольяттинской ТЭЦ ОАО «Самараэнерго»
Бесков Вячеслав Сергеевич – старший научный сотрудник Всероссийского теплотехнического института

Ржезников Юлиан Вульфовичкандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Всероссийского теплотехнического института

Скорик Людмила Дмитриевнакандидат технических наук, пенсионер

Ходаков Юрий Степанович – доктор химических наук, главный научный сотрудник Всероссийского теплотехнического института
Саркисов Олег Михайлович ­– доктор физико-химических наук, заместитель директора Института химической физики им. Н. Н. Семенова Российской Академии Наук
Максимов Валентин Васильевич – главный конструктор проекта, заведующий отделом СКБ Всероссийского теплотехнического института

Самченко Борис Николаевич – ведущий инженер-конструктор ОАО Таганрогского котельного завода «Красный котельщик»

Щелоков Вячеслав Иванович – главный конструктор ОАО «Машиностроительный завод « ЗИО-Подольск»




г. Самара 2004 г.

Одним из главных источников техногенных выбросов оксидов азота в атмосферу является теплоэнергетика. Поэтому уже в конце 80-х годов проблема снижения концентрации NOx в отходящих газах ТЭС была выдвинута в нашей стране на уровень национальной программы. В рамках ее планировалось в 90-х годах обеспечить глубокое снижение удельных выбросов оксидов азота за счет широкого применения разработанной в Японии и широко используемой за рубежом технологии селективного каталитического восстановления (СКВ). Однако экономический кризис в новой России в начале 90-х годов перечеркнул намеченные планы.

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 азотоочистными установками увеличит эмиссию NОх на 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 малозатратное 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.

Широкое использование разработанной комплексной технологии обеспечит снижение эмиссии оксидов азота котельными установками до жестких нормативных значений, установленных в развитых странах, при инвестиционных затратах в несколько раз меньших, чем при использовании СКВ-технологии и позволит с минимизированными затратами реализовать «Энергетическую стратегию России до 2020 г.» без усугубления экологической ситуации в России.

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 NОх в 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 NH3 и 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. Достигнутые удельные выбросы NОx примерно в 3 раза выше, чем это нормируется в настоящее время в ФРГ, Австрии, Швеции и др. странах.

Согласно нашей оценке использование топочных технологий позволит снизить ежегодные валовые выбросы NОх к 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 NОх, 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, NH2,ОН, 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 NOх и О2, времени реакции и мольного соотношения NH3/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

  1. Расчетно-теоретические и стендовые газодинамические работы по разработке технологических основ раздачи аммиака, обеспечивающих достаточно полное перемешивание пароаммиачных струй с дымовыми газами в газоходе котла. Задача выбора отверстий перфорации в раздающих 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.

Развитая методология проектирования раздающего устройства была экспериментально обоснована на примере котлов ТП-87 Тольяттинской ТЭЦ, БКЗ-160-100ГМ Кироваканской ТЭЦ и ТПП-210А Змиевской ГРЭС.

При этом было теоретически обосновано и экспериментально доказано, что эффективность СНКВ-процесса при очистке от NOх достигает 71-72 % и более. Принципиально важно, что эта эффективность очистки может достигаться и при низких концентрациях NOх в очищаемых газах, что имеет принципиальное значение при сочетании СНКВ с топочными технологиями.

  1. 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.

  2. 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 азотоочистных 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 NOx на 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 NOх на 713-777 тыс. т/г. Экономический эффект при нейтрализации этого количества NOх с использованием комплексной технологии глубокой очистки дымовых газов от NOx вместо планируемой ранее СКВ составит 3,7 млрд. долларов США.
Материалы работы представлены в 47 публикациях, в том числе 11 патентов, диссертация и монография (2 издания).

Алфеев А.А.




Ходаков Ю.С.




Аветисян В.Е.




Бесков В.С.




Дикоп В.В.




Скорик Л.Д.




Карякин К.Ф.




Саркисов О.М.




Назаренко К.Л.




Максимов В.В.




Передельский А.А.




Самченко Б.Н.




Ржезников Ю.В.




Щелоков В.И.






Отдел по связям с общественностью АО «Самараэнерго»


т. 79 62 77, ф. 79 93 03

www.samaraenergo.ru pr@m2.samaraenergo.ru

Творческий коллектив сотрудников ОАО «Самараэнерго» стал лауреатом премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники 2004.

2 марта коллективу авторов, создавших и внедривших на Тольяттинской ТЭЦ уникальную технологическую разработку по сокращению выбросов в атмосферу окислов азота, присвоено звание «Лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники».

Столь высокую правительственную награду творческий коллектив под руководством кандидата технических наук, главного инженера Тольяттинской ТЭЦ Алфеева Альберта Андреевича получил за решение сложной задачи в области промышленной экологии.

Дело в том, что практически на любом производстве, где для получения энергии используется процесс сжигания топлива, в качестве побочного продукта горения образуются окислы азота. Опасность окислов азота заключается в том, что, попадая в воздушную среду, они вступают в реакцию с содержащимися в ней примесями и образуют многочисленные, в том числе и токсичные соединения. Среди них наиболее известными являются, так называемые, кислотные дожди - соединения оксидов азота с парами воды. В связи с этим все исследования и особенно практические применения нейтрализации подобного рода веществ приобретают мировое значение.

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%. Комплексный подход к разработке новой системы очистки дымовых газов от окислов азота, осуществленный авторами проекта, позволяет использовать его для всех котельных установок, действующих в настоящее время. 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.

16 марта 2005 г.

Журнал «Эксперт» 28 марта 2005 – 3 апреля 2005

Наука и технология


Зонтик от кислотного дождя



На прошлой неделе стало извес­тно, что одна из премий прави­тельства РФ в области науки и техники за 2004 год будет вруче­на за разработку технологии глубо­кой очистки дымовых газов. Ее при­менение на теплоэлектростанциях позволяет сократить выбросы окси­дов азота в атмосферу на 70%.

Известно, что там, где для выра­ботки энергии используется процесс сжигания топлива, образуются окси­ды азота [NOx]. Угольные котлы выб­расывают на кубометр дыма до нес­кольких граммов таких соединений, газовые— до 400 мгм, Годовой же выброс NOx только в России зашка­ливает за 1,7 млн тонн. Попадая в воздух, оксиды азота вступают в ре­акцию с содержащимися в нем при­месями и образуют многочисленные токсичные соединения, многие из ко­торых проливаются нам на головы в виде пресловутых кислотных дождей. В связи с тем что рост энергети­ческих мощностей в мире в послед­ние полвека происходил в основном за счет тепловых электростанций, работающих на минеральном углево­дородном сырье, проблема нейтрализации подобного рода веществ приобрела мировое значение уже к концу 70-х годов прошлого столетия, Тогда на Западе под давлением «зе­леного» движения был принят ряд драконовских законов, кнрающих предприятия, выбросы которых пре­вышали предельно допустные кон­центрации. Там сразу стале активно внедряться технологий сжигания твердых топлив в кипящем слое — из-за низкой температуры сгорания того же угля количество образую­щихся оксидов азота в таких топках уменьшалось в несколько раз, В тра­диционных же котлах снижение вредной эмиссии шло за счет при­менения разработанной в Японии и широко используемой теперь за ру­бежом крайне дорогостоящей техно­логии селективного каталитического восстановления (СКВ). Ее суть в том, что соединения азота при высо­кой температуре в присутствии ам­миака и катализаторов разлагаются до молекулярного азота и воды.

С начала 80-х годов разработка похожей технологии велась и в СССР. Ее теоретической основой стали фундаментальные исследова­ния академика Якова Зельдовича и его школы. В конце 80-х годов проблема снижения выбросов оксидов азота вышла на национальный уро­вень, была даже принята программа, которую не успели реализовать из-за развала Союза. Работы над соз­данием технологии были продолже­ны по инициативе главного инженера Тольяттинской ТЭЦ Альберта Длфе-ева. К работе подключили специа­листов отраслевого Всероссийского теплотехнического института и 1/1ХФ РАН, Ученые разработали технологи­ческие и газодинамические основы оригинального процесса селективно­го некаталитического восстановле­ния, который может быть реализо­ван на любых действующих и вновь вводимых котлах, и создали матема­тическое описание этого сложного химического процесса. Российская разработка на порядок дешевле японской. При ее внедрении на всех энергостанциях страны потребова­лось бы около 700 млн долларов, тогда как японская технология стои­ла бы около 5 млрд долларов По словам Юрия Ходакова. главного научного сотрудника ВТИ, использо­вание отечественной технологии вы­зовет рост тарифа всего на полторы копейки.

■ Ирик Имамутдинов