Введение к работе
Актуальность работы. Одним из важнейших направлешЯ экологических работ, связанных с охраной окружающей среды от загрязнений, является сокращение поступления в атмосферу оксидов азота (N0 ), образующихся при сжигании органического топлива или присутствующих е газовых выбросах химических и некоторых других производств. Эта проблема особенно актуальна для отраслей народного хозяйства, отличающихся высоким уровнем топливопотребления: энергетики, химии, нефтехимии и нефтепереработки, металлургии, эксплуатации автомобильного транспорта.
В соответствии со' статистическими денными последних лет о состоянии природной среды в Российской Федерации, в атмосфере городов и промышленных центров отмечается постоянное превышение предельно-допуотимых концентраций (ДЦК) оксидов азота. Более того, содержание ТОХ в воздухе - единственный показатель, который имеет тенденщпо к росту. Все это свидетельствует о важности проблемы, опредо-ных технических и экономических трудностях, препятствующих ее быстрому решению, а также характеризует нынешний уровень развития технологии снижения выбросов оксидов азота в стране.
Более половины от общего количества оксидов азота поступает з атмосферу о дымовыми газами тепловых агрегатов: энергетических, паровых и водогрейных котлов, технологических и нагревательных печей рез-личного назначения, а также с газовыми выбросами химических и другях производств.
Практическая эффективность применяемых в настоящее время в теплоэнергетике рекимно-технологических или,так называемых,"первичных" мероприятий, способствующих подавления образования шх в зоне горения,, составляет обычно 20-6035, что, как правило, не позволяет обеспечить существующие нормативы предельно-допустимых выбросов (ВДВ) N0 . Кроме того, "первичные" мероприятия малоэффективны в применении к высокотемпературным установкам, где снижение температуры горения недопустимо по условиям технологии, и не могут быть использованы для сокращения выбросов Шх, образовавшихся не за счет термического окисления азота, а имеющих иную природу образования.
; Снагоние содеряания оксидов азота в воздухе - неотлояная задача
как в чисто экологическом аспекте, так и в связи с необходимостью выполнения ряда международных обязательств. Так, документы Конвенции о трансграничном переносе воздушных масс обязывают участвующие в ней отраны, в том числе Российскую Федерацию, обеспечить постоянное снижение суммарных выбросов оксидов азота в атмосферу.
Очевидно, что все источники выбросов ва ограниченный период времени не могут быть оснацены установками очистки или переоборудованы для осуществления "первичных" мероприятий. Требуемое снижение суммарных выбросов Шх можот Оыть достигнуто за счет оперативного внедрения на наиболее крупных агрегатах газоочистных систем с высокой эффективностью очистки (до 80-90).
Для решения этой проблемы, наряду с совершенствованием технологии сжигания топлива, необходима разработка новых методов очистки промышленных газовых выбросов от оксидов азота, отличающихся высокой эффективностью при минимальных удельных затратах, а также простотой конструктивного решения систем очистки, что позволит в короткие сроки реализовать на практике результаты разработок. Это возможно осуществить на основе использования принципа высокотемпературного се-. лективного некаталитического восстановления оксидов азота.
Целью работы является создание и промышленное внедрение аффективных технологий универсального назначения для снижения содержания оксидов азота в газовых выбросах, обеспечивающих стабильно высокую степень очистки независимо от природа образования но , вида ожигаемого топлива, изменения параметров работы технологических агрегатов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана кинетическая модель, описывающая совместно процессы горения топлива, сопровождающегося образованием оксидов азота, охлаждения продуктов горения и ввода еминосодержащего восстановителя, на основе которой выполнены расчетно-теоретические исследования и выявлены неизвестные ранее зависимости динамики процессов восстановления ш аммиаком и карбамидом от рекимно-технологических параметров; ,
установлене расчетным путем и подтверждена експериментально определяющая роль кислорода в процессах некаталитического восстановления N0 аммиаком и карбамидом;
выявлен новый эффект снижения оптимальной температуры и значительного расширения "температурного окна" при использовании
продуктов термического разложения карбамида для каталитического восстановления оксидов азота, что открывает дополнительные тезшические возможности и значительно упрощает технологическую схему очисткг: газов;
.- експериментально установлена зависимость эффективности про-
, цессов восстановления N0 вминосодержвщими восстановителями (аммиаком
и карбамидом) от основных технологических параметров: температуры,
времени реакции, коэффициента расхода восстановителя, содержания
различных газовых компонент в реакционной смеси.
- теоретически обоснованы, разработаны и .опробованы в промышленных условиях новые способы очистки газов:
-
способ некаталитического высокотемпературного восстановления оксидов азота аммиаком;
-
способ некаталитического высокотемпературного восстановления оксидов азота карбамидом;
-
способ гомогенно-гетерогенного восстановления оксидов азота продуктами термического разложения карбамида;
-
способ совместной очистки газов от оксвдов азота и серн о использованием карбамида;
Практическая ценность и внедрение результатов работы.
Разработаны методы очистки промышленных газовых выбросов от оксидов азота, которые позволяют надекно обеспечить выполнение самых Евстких норм по выбросам N0X в атмосферу.
Но основе предложенных кинетических схем процессов восстановления N0 аммиаком и карбамидом выполнены численные расчеты, позволяющие дать оценку ожидаемой эффективности очистки газов при реальных условиях работы промышленных агрегатов различного типа и назначения.
.РвзработвЕЫ и опробованы устройства различной конструкции для ввода восстановительной смеси в поток очищаемых газов.
Системы очистки газов методом некаталитического восстановления аммиаком внедрены на 38 печах риформинга метана крупнотоннажны*: агрегатов аммиака в городах: Невинномнсске, Кемерове, Северодонецке, Тольятти', Россоши,, Новомосковске, Одессе, Березниках, Днепродзержинске ,> Гродно, Череповце, Горловке, Новгороде, Чирчике, Дорогобуке, Лонвве, «органе, Черкассах, Салавате, Кирово-Чепецке. Суммарное сокращение выбросов їЮх в атмосферу в результате внедрения разработки на печах риформинга составило в абсолютном выраяении около 80 тысяч
тонн в год при средней эффективности очистки 76-85%.
Установки очистки внедрены также на 7 паровых котлах производительностью 35 и 75 т пара в чао Кемеровского и Северодоньцкого ПО "Азот", на 5 технологических печах ПО "Салаватнефтеоргсинтез" и Севе-родонецкого ПО "Азот".
Ведутся работы по внедрению установок очистки уходящих газов от N0X с использованием карбамида на паровых и энергетических котлах, стекловаренных печах, вращающихся обжиговых печах производства строительных материалов, мартеновских печах и других крупных источниках выбросов оксидов азота.
Результаты исследований и промышленного внедрения разработок использовани Белгородским заводом энергетического машиноотро&ния при проектировании, конструировании и изготовлении новых паровых, котлов серии Е с улучшенными экологическими характеристиками.
Разработанные системы очистки газов отмечены медалями Всероссийского выставочного центра.
Апробация работы.
Результаты работы были доложены и обоуждены на следующих совещаниях и конференциях: '.»
Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену, г.Ташкент, октябрь 1979 г1;
Всесоюзном совещании "Решение биологических проблем в производстве минеральных удобрений", г.Гродно, 1987 г.;
5 Международном конгрессе по прикладной химии, Венгрия, сентябрь 1989 г.;
объединенной конференции ЩАМ и ВТИ "Снижение выбросов оксидов азота при сжигании жидких и газообразных топлив в энергетике и транспорте", г.Москва, декабрь ІШ9 г.;
Международном семинаре по очистке газов от оксидов азота в промышленных печах и котельных установках, г.Прага, октябрь 1990 г.;
Международной конференции по проблемам ожигания угля (Ooal Reeearoh Forum), г.Лондон, апрель 1993 г.;
15 Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Химические проблемы экологии), г.Минск, май 1993 г.;
2 Международном научно-практическом конгрессе "Экология России", г.Москва, июнь 1994 г.;
Международной научно-технической конференции "Экология химических
производств", г.Северодонецк, октябрь 1994 г.;
Всероссийской научно-технической конференции "Физико-химические проблемы экологии энергоустановок на углеводородных тошшвах", г.Москва, ноябрь 1995 г.;
научно-технических конференциях и научных семинарах Государственной академии нефти и газа им.И.М.Губкина в 1979-1996 г.г.
Публикации. Основное содержание выполненных теоретических и экспериментальных исследований, результаты практической реализации научных разработок опубликованы в 5 научно-технических обзорах, 42 статьях и материалах научно-технических конференций. По результатам исследований получено 9 авторских свидетельств и патентов на изобретения. Результаты исследований и практического внедрения установок очистки освещены в 22 отчетах по НИР ГАНГ им.И.М.Губкина в 1978-1995 г.г.
Структура и объем диссертации, диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Она содержит 333 страницы машинописного текста, 62 рисунка, 30 таблиц. Список использованной литературы включает 123 наименования.