3.4: Системи кінцевих заводів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 31933

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

3.4 Заводські кінцеві системи

Після закінчення установки електростанції димові гази від спалювання палива будуть виходити з штабеля. Однак, щоб відповідати встановленим нормам викидів, будуть одиниці, які допоможуть зменшити «погані» випромінювачі.

Первинні продукти згоряння надходять з вуглецю і водню і показані в рівняннях реакції нижче:

С + О ₂ СО ₂

4Н + О ₂ → 2Н ₂ О

Утворюється вуглекислий газ і вода. Але вони не є єдиними продуктами горіння.

Вугілля також має сірку, азот і мінерали, які проходять процес горіння. Сірка перетворюється на діоксид сірки та триоксид, також відомий як _{SO x}. Азот у вугіллі може утворювати NO, N ₂ O та NO ₂, також відомий як NO _x (паливо NO _x). NO _x також може утворюватися з азоту в повітрі, коли температура в котлі висока (теплова NO _x). Мінерали, які проходять горіння, називаються золою і є оксигенізованими сполуками мінералів у вугіллі. Якщо ви коли-небудь спалювали дрова в каміні або в кемпінгу, ви бачили попіл, який залишається.

Складові можуть бути підсумовані в легеневій: NO CASH. Кожен продукт згоряння, крім води, був причетний до якоїсь екологічної проблеми. У таблиці 3.1 наведено резюме NO CASH:

Таблиця 3.1: Підсумок NO CASH

Акронім	Компоненти вугілля	Емісія
П	Азот	NO _х
O	Кисень	—
C	Вуглець	СО ₂
A	Мінерали	Попіл
S	Сірка	_{SO х}
Ч	Водень	Н ₂ О

Вугільні компоненти - екологічні проблеми

Одним з найгірших екологічних наслідків, які можуть виникнути, є коли NO _x і _{SO x} виділяються в атмосферу і в кінцевому підсумку перетворюються у відповідні кислоти:

НІ _х + О ₂ + Н ₂ О → ГНО ₃

СО _х + О ₂ + Н ₂ О → Н2СО ₄

Як азотна, так і сірчана кислоти добре розчиняються у воді. Вони врешті-решт впадуть на землю або як кислотні опади (кислотні дощі або сніг), або як відкладення.

виробництво кислотних дощів див. Текстовий опис під зображенням

У багатьох районах США кількість опадів у 10 разів кислотніше, ніж дощ, що випадає в незабруднених районах. У деяких місцях або в деяких випадках він може бути в 100 разів більш кислим. Численні проблеми з навколишнім середовищем та здоров'ям пов'язані з кислотними дощами, включаючи наступне:

Кислотні опади накопичуються в струмках і озерах, тому все менше і менше водних видів можуть розмножуватися або виживати. Акваторії можуть стати біологічно «мертвими».
Кислотні дощі в ґрунті можуть вимивати ключові поживні речовини з ґрунту.
Кислотні дощі можуть впливати на дерева, особливо на верхівках гір. Тип опадів, який може бути особливо шкідливим, - це дрібний туман кислотних дощів.
Цілі ліси можуть бути знищені, якщо шкода досить велика, включаючи цілі екосистеми рослин та деяких тварин.
Кислотні дощі або відкладення можуть бути корозійними. Він може атакувати мармур, вапняк тощо Історичні будівлі, пам'ятники та статуї були зіпсовані кислотним відкладенням.
На здоров'я людини можуть вплинути кислотні дощі. Людина може вдихати туман розведених кислот, що може дратувати дихальні шляхи, що, в свою чергу, загострює хронічні респіраторні захворювання. Найбільшому ризику піддаються люди похилого віку та немовлята.

Голова скульптури на дверному отворі. Через кислотних дощів риси непомітні — Малюнок 3.11b: Докази ерозії кислотних дощів; статуя на стіні з часом була розмита.

*Кредит: мафлін через Flickr*

Ступінь кислотності у водному розчині - шкала рН

Ось кілька ключових фактів про рН:

рН = 7 ідеально нейтральний
рН <7 є кислим
рН > 7 є основним (лужним)
менше число = більш кислий розчин
на кожну 1 одиницю зміни рН відбувається десятикратне зміна кислотності
розчин з рН = 5 в 10 разів більш кислий, ніж рН = 6; рН = 4 в 100 разів більш кислий, ніж рН = 6

Природні опади є м'яко кислими, оскільки вуглекислий газ у повітрі (CO ₂) помірно кислий і розчинний у воді.

СО ₂ + Н ₂ О = Н ₂ СО ₃

(вугільна кислота, рН = 5-6)

Отже, кислотні дощі визначаються як опади, що мають рН < 5,6.

При спалюванні вугілля при відсутності контрольного обладнання утворюється дим. Дим являє собою суміш частинок золи летючої золи і незгорілого вугілля. У день підвищеної вологості частинки диму виступають в ролі точок для конденсації вологи з повітря. Коли вугілля має високий вміст сірки, у вас також є викиди _{SO x}. У цих умовах відбувається диспергування крапель сірчаної кислоти, а при пов'язуванні з частинками диму:

SM OKE + F СОБАКА = СМОГ

Відбулися події сірчанокислотного смогу, які вбили людей - в Донорі, штат Пенсільванія (1947), в Нью-Йорку (1966), і в Лондоні (1952). У більшості промислово розвинених країн це вже не проблема, оскільки нормативні акти зменшили викиди диму та сірки на електростанціях, і зараз мало внутрішнього використання вугілля.

Стратегії очищення

Існує кілька варіантів очищення від поганих викидів:

Нічого не робіть. (Використовуйте високий стек для розсіювання забруднюючих речовин: розчин забруднення - це розведення.)
Видалити або зменшити сірку і азот у паливній сировині перед його спалюванням (попереднім спалюванням). Сюди входять сірка, азот, мінерали.
Дозвольте _{SO x}, NO _x та RO _x утворюватися в котлі, але захоплюйте їх, перш ніж вони можуть бути викинуті в навколишнє середовище. Вони називаються стратегіями допалювання.

Стратегія «нічого не робити» є незаконною в США. Закон про чисте повітря 1977 року та поправки до Закону про чисте повітря 1990 року змінили повітряне середовище в США. Однак це все ще є проблемою в колишньому радянському блоці, Китаї та країнах третього світу.

До стратегій попереднього спалювання можна підійти наступними способами. Один із способів - перейти на більш чисте паливо, наприклад, природний газ. Однак для цього можуть знадобитися великі зміни в пальники та котли. Інший спосіб - перехід на більш чистий вид вугілля. Більшість вугілля з низьким вмістом сірки знаходяться в західній частині США і повинні бути перевезені на схід. Ці вугілля, як правило, мають меншу теплотворну здатність, що призводить до дорожчих експлуатаційних витрат, пов'язаних з необхідністю придбання більшої кількості вугілля. Нарешті, домішки можна видалити з вугілля; це можна зробити, видаливши мінерали, що містять сірку або азот, такі як пірит (FeS). Однак деякі S і N хімічно пов'язані з органічною частиною самого вугілля і не можуть бути видалені. Нафта і природний газ також можуть мати сірку, пов'язану з ним. Для нафтопродуктів, як обговорювалося в Уроці 2, водень використовується для реакції з сіркою з утворенням сірководню (H ₂ S). H ₂ S також може бути захоплений з природного газу; H ₂ S може бути перетворений у тверду сірку і проданий хімічній промисловості.

Існують також стратегії доспалювання для видалення домішок. Велика частина золи, яка утворюється при горінні, опускається на дно котла (~ 80%) і може бути видалена для утилізації назад в шахту. Однак до 20% здійснюється з котла через димовий газ і відомий як зола (і може називатися твердими частинами). Зола також може стати причиною проблем зі здоров'ям. Крихітна частинка золи може потрапити в вузькі повітряні проходи легенів. Якщо організм не може видалити його, покривши його слизом і вигнавши, то організм спробує закрити його рубцевою тканиною. Тверді тверді частинки можуть бути оброблені двома способами: зола може бути спіймана в гігантських тканинних фільтр-мішках (як мішок для пилососа), який називається рукавного фільтра (див. Малюнок 3.12а і 3.12b). Частинкам також можна дати електричний заряд. При високих електричних потенціалах заряджені частинки притягуються до електрода протилежного заряду; пристрій, що використовується для цього, називається електрофільтром (ЕСП) (див. Рис.

Ми також можемо видалити _{SO x} у димових газах. _{SO x} може розчинятися у воді, утворюючи кислоту, яку потім можна нейтралізувати, реагуючи її з основою. Найдешевшою і доступною основою є вапно або вапняк, який реагує:

Са (ОН) ₂ + СО _х → КаСО ₄ + Н ₂ О

Сульфат кальцію (CaSO ₄) є нерозчинним осадом; _{SO X} не був зруйнований; ми просто перетворюємо його з газу в більш легку в обробці тверду речовину. Технологія видалення _{SO x} називається десульфурацією димових газів (ФГД). Фурнітура називається скрубером (див. Рис. 3.14). Скрубери SO _x ефективні, оскільки вони захоплюють 97% викинутої сірки. Вироблений CaSO ₄ називається скруберним мулом і або поміщається назад в шахту, або продається як гіпс для виготовлення гіпсокартону.

Найважчим забруднювачем для боротьби є NO _x. Скрубер не працює для контролю NO _x, оскільки нітратні солі нерозчинні у воді. Щоб обмежити виробництво теплового NO _x, низькотемпературні пальники виробляють менше NO _x або використовують поетапне горіння, щоб температура була досить низькою, щоб дозволити зворотну реакцію:

2НО → Н ₂ + О ₂

Димові гази NO _x можна обробити нашатирним спиртом:

2Н ₃ + НІ ₂ + НІ → 2Н ₂ + 3Ч ₂ О

Всі розглянуті технології працюють. Усі додають витрати на виробництво електроенергії (скрубер додасть ~ 33% до капітальних витрат заводу, а також експлуатаційних витрат). Очищення вугілля додає 2-3 долари за тонну вугілля до вартості вугілля. А гідроочищення дизельного палива та нагрівального масла додають 5-7 ¢/гал до вартості палива. І ці витрати передаються споживачеві.