Удаление серы с помощью технологии WSA.
Технология WSA (Wet gas Sulphuris Acid) разработана датской фирмой “Хальдор Топсе АО”. Технология включает в себя процессы:
- охлаждение газа до заданной температуры в реакторе;
- конверсия SO 2 в SO 3 на поверхности катализатора;
- гидратация SO 3 в H 2 SO 4;
- конденсация паров H 2 SO 4 в конденсаторе WSA.
Газ входит в реактор, который имеет один, два или более каталитических слоёв в зависимости от содержания SO 2 и необходимой степени конверсии. Так как реакция в реакторе экзотермическая, газ охлаждается между слоями для того, чтобы оптимизировать процесс конверсии SO 2 в SO 3. После последней стадии конверсии газ охлаждается, что обеспечивает эффективное протекание реакции SO 3 с парами воды с образованием газообразной серной кислоты. Затем технологический газ поступает в конденсатор WSA.
Конденсатор WSA представляет собой вертикально расположенный корпус с трубами, изготовленными из боросиликатного кислотоупорного термостойкого стекла. Технологический газ проходит по трубам, которые охлаждаются атмосферным воздухом. Серная кислота конденсируется в трубах и стекает вниз, её концентрация увеличивается при смешивании с восходящим потоком горячего технологического газа. Серная кислота собирается в нижней части конденсатора, выложенной кирпичом, охлаждается до ~35 °C в пластинчатом теплообменнике, а затем перекачивается в хранилище.
Технологический газ выходит из конденсатора с температурой ~100 °C и направляется в дымовую трубу.
Подогретый воздух выходит из конденсатора WSA при температуре ~200 °C. Часть этого воздуха используется для горения, а оставшаяся часть может быть выведена в дымовую трубу для увеличения подъёмной силы газа или же использована для подогрева воды в котле.
Технология WSA обеспечивает удаление от 95 до 99 % SO 2, который рекуперируется в концентрированную серную кислоту.
Отличительные особенности технологии:
- не используются химические реагенты;
- отсутствуют сточные воды;
- эффективная рекуперация технологической теплоты;
- низкий расход воды для охлаждения.
Для очистки дымовых газов котлов ТЭС технология WSA может быть дополнена технологией селективного каталитического восстановления (DENOX) для очистки от оксидов азота. Такая комбинированная технология известна как технология SNOX.
Упрощённые малозатратные технологии сероочистки.
Если содержание диоксида серы SO 2 в продуктах сгорания малосернистых углей близко к нормируемым значениям или если необходимо снизить выбросы оксидов серы только на 30÷70 %, тогда для этой цели можно использовать малозатратные технологии сероочистки.
К ним, во-первых, относится связывание серы путём ввода известняка в верхнюю часть топки. Этот способ именуется сухой известняковой технологией (СИТ). Она основана на обжиге тонко размолотого известняка в топочной камере при температуре 1000÷1100 °C до образования извести с последующим её взаимодействием с диоксидом серы. Основные химические реакции этой технологии:
CaCO 3 + Q → CaO + CO 2;
CaO + SO 2 + ½ O 2 → CaSO 4.
Схема установки сероочистки по СИТ, рекомендованной УралВТИ, показана на рис. 2. Установка работает следующим образом. Размолотый известняк из стационарной силосной башни подают в расходный бункер, а из него – в верхнюю часть топочной камеры, где имеется зона с температурой дымовых газов 1000÷1100 °C. Частицы известняка при этой температуре разлагаются с образованием активной извести, которая взаимодействует с SO 2 при температуре газов около 850 °C. При температуре газов приблизительно 500 °C связывание диоксида серы прекращается, и летучая смесь золы с отходами сероочистки уходит с дымовыми газами в золоуловитель. В результате реакции образуется безводный гипс (ангидрид).
Рис. 2. Принципиальная схема сухой известняковой сероочистки.
1 – котёл; 2 – золоуловитель; 3 – силосная башня для хранения размолотого известняка; 4 – расходный бункер; 5 – система пневмотранспорта известняка в топку котла и его распределения в поперечном сечении топочной камеры
Применение СИТ имеет ряд особенностей:
1. в ней можно использовать известняк любой степени кристаллизации;
2. ввод в дымовые газы известняка изменяет химический состав золы и снижает в результате этого температуру начала деформации золы, что может привести к увеличению шлакования поверхностей нагрева;
3. известь реагирует в первую очередь с SO 3, так что температура насыщения (сернокислотная точка росы) снижается; при больших количествах вводимого известняка точку росы можно снизить почти до точки росы водяного пара.
Уменьшение температуры точки росы сказывается на работе котельной установки двояко: во-первых, это позволяет снизить температуру уходящих газов; во-вторых, электрофизические свойства дымовых газов ухудшаются, что особенно важно при использовании на котле электрофильтра. Наличие в продуктах сгорания безводного гипса может привести к образованию в скрубберах-пылеуловителях трудноудаляемых отложений, поэтому необходимо обеспечивать точный химический баланс в золоуловителях.
Известны и другие малозатратные технологии сероочистки с использованием извести, соды или поташа, предлагаемые УралВТИ, например, упрощённая мокросухая известковая сероочистка (E-SOx).
Технология E-SOx основана на связывании оксидов серы тонко диспергированной водно-известковой суспензией с последующим высушиванием этой суспензии с использованием теплоты очищенных дымовых газов. Основные химические реакции технологии E-SOx:
SO 2 + Ca (OH)2 → CaSO 3 · H 2 O;
SO 2 + Ca (OH)2 + ½ O 2 + H 2 O → CaSO 4 · 2 H 2 O;
CO 2 + Ca (OH)2 → CaCO 3 + H 2 O.
Установка сероочистки по технологии E-SOx показана на рис. 3.
Установка работает следующим образом. В уходящие из котла дымовые газы вводят диспергированную суспензию, имеющую большую поверхность контакта с дымовыми газами, что обеспечивает быстрое поглощение оксидов серы из газов и быстрое высушивание капель до поступления газов в первое поле электрофильтра.
Рис. 3. Принципиальная схема упрощённой мокросухой известковой сероочистки (E-SOx)
1 – электрофильтр; 2 – форкамера; 3 – газы из котла; 4 – очищенные газы; 5 – система тонкодисперсных форсунок в форкамере электрофильтра или в подводящем газоходе; 6 – ёмкость для хранения суспензии; 7 – насос подачи суспензии к форсункам; 8 – силос извести; 9 – установка гашения извести
Технология E-SOx позволяет наряду с улавливанием оксидов серы улучшить работу электрофильтра. Это достигается охлаждением дымовых газов при высушивании капель суспензии и увеличением их влагосодержания.
Для приготовления известковой суспензии применяют негашёную CaO или гашёную Ca (OH)2 известь. Гашёная известь всегда размолота, так что при её наличии реагент из силоса дозируют в бак-мешалку, и по достижении требуемой концентрации суспензию подают в форкамеру электрофильтра. Негашёную комовую или размолотую известь подают в аппарат гашения, откуда концентрированную суспензию сливают в бак для приготовления реагента, где её смешивают с водой и доводят до нужных параметров.
Технико-экономические показатели различных технологий сероочистки.
Технико-экономические показатели различных технологий сероочистки, полученные по данным фирм США и данным ВТИ приведены в табл. 1.
Таблица 1.
| Показатель | Способ сероочистки | ||||
| МИС | МСС | АСС | E-SOx | СИТ | |
| Содержание серы на рабочую массу в топливе S р, % | 2,0 | 0,5÷2,0 | – | 0,3÷0,8 | 0,5÷1,0 |
| Эффективность связывания SO 2, % | 95÷98 | 86÷92 | – | 50÷70 | 30÷50 |
| Удельные капитальные затраты, долл/кВт установленной мощности | 150÷240 125÷150* | 120÷160 –* | – 80÷90* | 40÷50 15÷20* | 30÷60 9÷15* |
| Стоимость удаления одной тонны SO 2, долл/т | 500÷550 290÷320* | 450÷650 –* | – 200÷215* | 240÷350* | 530÷650 270÷330* |
| Примечание: *данные ВТИ при изготовлении оборудования российскими заводами. |
МИС – мокроизвестняковый способ очистки дымовых газов от SO 2;
МСС – мокросухой способ…;
АСС – аммиачно-сульфатный способ…;
E-SOx – упрощённая мокросухая известковая сероочистка;
СИТ – сухая известняковая технология.
Можно сделать следующие выводы:
1. Существующие технологии очистки дымовых газов от соединений серы позволяют осуществлять их очистку с высокой эффективностью.
2. По данным американских фирм наибольшую эффективность даёт мокроизвестняковый способ, но он, в свою очередь, требует наибольших капитальных затрат.
3. Аммиачно-сульфатный способ имеет наиболее благоприятные характеристики среди рассмотренных высокоэффективных технологий. Незначительное потребление электроэнергии в сочетании с пониженными капитальными вложениями позволяет при самых неблагоприятных соотношениях между стоимостью реагента и продаваемым отходом сероочистки затрачивать на улавливание 1 т диоксида меньше средств, чем при мокроизвестняковом способе сероочистки.
4. Упрощённая мокросухая сероочистка (E-SOx) наиболее эффективна при приведённой сернистости сжигаемых углей около 0,1 % · кг/МДж, она обеспечивает необходимую степень сероочистки в соответствии с международными требованиями и стоимость улавливания 1 т SO 2, соизмеримую с аналогичными показателями мокроизвестнякового способа сероочистки.
5. Сухая известняковая технология применима при приведённой сернистости топлива не более 0,07 % · кг/МДж, при этом улавливается не более 35 % SO 2. при применении СИТ следует учитывать изменение шлакующих свойств золы и влияние отходов сероочистки на работу золоуловителей (мокрых и электрических).