Экологичность и безопасность при эксплуатации котла с топочным устройством кипящего слоя, работающим на высокозольном топливе
экологичность котел оксид сера
Травкин Антон Сергеевич
2009
При рассмотрении проекта котла или другой ВТУ необходимо рассматривать его экономичность, безопасность и безаварийность производственных процессов. Предусмотренные политикой государства в области охраны труда и экологии законы, «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.1997 года, законом «О рациональной безопасности населения» от 09.01.1996 года, законом «Об охране окружающей природной среды» от 19.12.1991 года, направлены в первую очередь на оценку опасностей и предотвращение их.
Оценка опасностей различных производственных объектов заключается в определении возможных чрезвычайных ситуаций, разрушительных воздействий пожаров и взрывов на эти объекты, а также воздействия этих факторов на людей. Происходит оценка этих опасностей на стадии проектирования на основе нормативных требований, разработанных с учётом наихудшего варианта чрезвычайной ситуации.
Оценка экологичности происходит по нормативным документам в зависимости от воздействия объекта на окружающую среду. К примеру, в случаи рассмотрения котла таким воздействием будет выбросы вредных веществ в атмосферу.
При традиционных методах сжигания твёрдого топлива наиболее массовыми вредными выбросами являются летучая зола с недогоревшими частицами топлива, оксиды серы, углерода и азота. Наиболее опасно сочетание в продуктах сгорания диоксида азота и серы. Кроме того, сжиганию углей может сопутствовать поступление в атмосферу микроэлементов, а также полициклических ароматических углеводородов, сажи, естественных радионуклидов и т.д.[1,2], которые в данной работе не рассматриваются, так как используется метод сжигания в низкотемпературном кипящем слое. В этом случае может быть подобранна оптимальная комбинация температурного уровня процесса, коэффициента избытка воздуха и времени пребывания частиц в слое, позволяющая избавиться от значительной части из выбросов. Потому далее рассматриваем только выбросы оксидов азота, серы и углерода.
2.1 Расчёт выбросов оксидов азота в атмосферу и методы их снижения
Количество оксидов азота (в пересчёте на NO2), выбрасываемых в единицу времени (т/год, г/с), рассчитываем по формуле[3]:
МNO2 = 0.001*B*Qнр*KNO2(1-β), где
В – расход топлива за рассматриваемый период времени (В = 520 г/с)
Qнр – теплота сгорания топлива (16,9 МДж)
КNO2 – параметр, характеризующий количество оксидов азота, образующихся на 1 ГДж тепла (0,027 кг/ГДж)
β – коэффициент, учитывающий степень снижения выбросов в результате применения технических решений.
МNO2 = 0,001*520*16,9*0,027 = 0,24 г/с
Эффективное снижение выбросов оксидов азота (в сравнении с традиционными методами сжигания) достигается при сжигании топлива в кипящем слое при температурах слоя 950 0С. Метод дозированного впрыска воды в зону горения [1,2] является, малозатратным методом, предназначенным для подавления образования оксидов азота в топочной камере.
При этом сохраняется высокая надёжность и экономичность работы установки в случаи оптимального количества впрыска воды (около 7% от расхода топлива). Применение низкотемпературного кипящего слоя для котлов не только позволяет использовать не обогащенный уголь, но и высокозольные угли и углеотходы, позволяет уменьшить габариты топочной камеры и снизить поступление в атмосферу выбросы оксидов азота в несколько раз по сравнению с традиционными методами сжигания топлив.
2.2 Расчёт выбросов оксидов серы в атмосферу и методы их снижения
Количество оксидов серы, выбрасываемых в атмосферу, рассчитаем по формуле[3]:
МSO2 = 0.02*B*SP*(1-η'SO2)(1-η''SO2), где
B – расход топлива, г/с;
SP – содержание серы в топливе на рабочую массу, %;
η'SO2 – доля оксидов серы, связываемых летучей золой топлива ( при сжигании углей принимаем значение 0.1);
η''SO2 – доля оксидов серы, оседающих в золоуловителе (принимаем равной нулю);
МSO2 = 0,02*520*0,6*(1-0,1) = 5,62 г/с
Образование SO2 и SO3 при сжигании зависит от содержания серы в топливе. Значительная часть серы твёрдых топлив сосредоточенна в органическом веществе, а также входит в состав горючих (сульфидных) и негорючих (сульфатных) минеральных веществ. В процессе горения все эти виды серы могут стать источниками образования оксидов серы. Поступление SO2 и SO3 в окружающую среду приводит к образованию серной кислоты (при реакции обоих этих вещества с атмосферной влагой).
Обеспечить снижение выбросов оксидов серы можно использую достаточно простые методы.
Метод подачи в кипящий слой дроблёного известняка [1,2], который связывает диоксиды серы в твёрдое нетоксичное вещество – сульфат кальция, который уже легко можно отделить от газов:
CaCO3 = CaO + CO2
CaO + SO2 + 0.5O2 = CaSO4
Данный метод известен и его эффективность доказана многочисленным применением и практикой.
В температурном диапазоне слоя от 800 до 950 0С достигается максимальное связывание серы. Это подтверждается результатами многих исследований. Степень связывания серы данным способом зависит от многих факторов: мольного соотношения Ca/S, качества (активности) известняка, размеров его частиц (так например степень превращения крупнодроблёного известняка в сульфат кальция не превышает 30%[1,2]), пористости, размеров пор. Так же для обеспечения эффективности метода необходимо обеспечить достаточное время пребывания его в слое. Тип поровой структуры (образующийся при обжиге) является во многом определяющим при выборе нужного известняка.
Второй метод разработан в Институте Горючих Ископаемых (ИГИ) и связан с осуществление процесса сжигания в кипящем слое сернистых топлив с одновременным удалением из слоя серного колчедана. Подтверждением целесообразности такого метода может служить ряд работ [2].
Третий метод, разработанный так же ИГИ, является улучшением первого. Основан он на подачу в слой водоизвестняковой смеси. Такой метод позволяет стабилизировать температуру в слое, уменьшить выбросы оксидов азота, снизить возможный унос пыли из слоя, повысить степень превращения в сульфат кальция. Твёрдый сульфат кальция имеет склонность перекрывать входную часть пор частиц известняка и препятствовать полному его использованию. Применение таких методов позволяет снизить выбросы оксидов азота, в топках с кипящим слоем, на 90% по сравнению со слоевым методом сжигания.
2.3 Выбросы оксидов углерода в атмосферу и методы их снижения
Оксид углерода – горючее вещество.
Средством устранения оксидов углерода из выбросов при сжигании твёрдых топлив является правильный подбор соотношения между топливом и окислителем – коэффициент избытка воздуха для данной технологии сжигания, ликвидация локальных избытков углерода, плохого смешения его с окислителем, неблагоприятных температурных условий в кипящем слое. Так при технологии кипящего слоя, с погружёнными поверхностями нагрева непосредственно в слой, установлено, что оксид углерода исчезает из продуктов сгорания при довольно высоких значениях коэффициента избытка воздуха (α=1,3). Образовавшийся в слое оксид углерода не догорал в надслоевом пространстве вследствие снижения там температуры из-за отвода тепла ещё в зоне горения. Используемая в данной работе технология низкотемпературного кипящего слоя не предусматривает совмещения зоны горения и зоны теплосъемных поверхностей. Используемый коэффициент избытка воздуха (α=1,2) предотвращает появление оксидов углерода в продуктах сгорания.
Персонал ВТУ не подвергается прямой опасности для организма при соблюдении техники безопасности, санитарных норм и порядка проведения технологического процесса.
Перегрев организма возможен из-за неудовлетворительного состояния тепловой изоляции, плохой вентиляции рабочего помещения. Способствует этому плотная, рабочая одежда, высокая влажность и недостаток питьевой воды. Вследствие перегрева организма может наступить тепловой удар и расстройство центральной нервной системы.
При перегревании появляются головные боли, сонливость, головокружение, шум в ушах, повышение температуры, боли в конечностях, а затем потеря сознания. Когда появляются симптомы перегрева или тепловой удар, нужно вывести или вынести потерпевшего на свежий воздух, обеспечить свободное дыхание.
Нагрев атмосферы цеха при работе ВТУ полностью устранить невозможно, но его необходимо свести к минимуму.
Интенсивность инфракрасного излучения на рабочих местах измеряется на высоте 0,5-1,5м от пола в направлении максимального излучения от каждого источника[4]. По СН 4088-86 инфракрасное излучение делиться на три области: А (коротковолновое) – допустимая плотность потока 100 Вт/м2; В (длинноволновое) – допустимая плотность потока 120 Вт/м2; С (длинноволновое) – допустимая плотность потока 150 Вт/м2.
Электрическое оборудование цеха также представляют опасность для персонала, так как вследствие неисправности может возникнуть электрический контакт между токоведущими частями и другими металлическими элементами котла, с которыми в процессе эксплуатации может соприкасаться персонал. Ток, проходящий через тело человека, может вызвать повреждения: термические (ожоги, перегрев кровеносных сосудов), электролитическое (разрушение крови, лимфы и тканей), биологическое (судороги, полное прекращение и дыхания) и механическое (переломы, вывихи).