ЕЛ МЕДИА - направление СТРОИТЕЛСТВО ЕЛ МЕДИА - направление СЕЛСКО СТОПАНСТВО
ЕЛ МЕДИА - направление ИНДУСТРИЯ

ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина III, брой 5, август 2011

Индустриални филтри за вредни емисии

Индустриални филтри за вредни емисии

снимка: SIEMENS

В Проекта на новата Енергийна стратегия на България до 2020г. един от приоритетите в развитието на енергетиката е намаляване на вредните емисии. Устойчивото, екологосъобразно управление на енергетиката е водеща тема в енергийната политика на Европейския съюз. По-малко емисии в енергийния сектор могат да се получат по няколко начина. Единият от тях е да се увеличи енергийната ефективност в производството и потреблението на енергия. Друг метод е чрез подобряване на енергийния микс, т.е. с увеличаване дела на нискоемисионната енергия. Трета възможност е внедряването на нови технологични решения в производствения цикъл и в пречистването на отпадъчните газове. В настоящия материал ще разгледаме последния вариант – намаляване на емисиите от енергетиката чрез подходящи пречистващи технологии.

Видове емисии от енергетиката
Енергетиката е сектор с основен принос в емитирането на вредни вещества в атмосферата чрез отпадъчните газове. При изгаряне на въглища, освен въглероден диоксид (CO2), в димните газове се отделят въглероден оксид (CO), в резултат на непълното горене, въглеводороди и сажди (не изгорели твърди въглеродни частици, образувани при разлагане на въглеводородите). Отделят се и серни съединения. Това е основно серен диоксид (SO2), като една част от него се окислява до серен триоксид (SO3) и при наличие на водни пари образува аерозоли на сярна киселина. От изкопаемите горива най-голямо количество сяра има във въглищата – от 4% до 6%. В процеса на горене около 80% от тази сяра се превръща в серен диоксид, а малка част остава в пепелта. Когато количеството на сяра в горивата е под 0.5%, значителна част – около 70-80% от сярата остава в пепелта. Друга основна група замърсители на въздуха от енергетиката са азотните окиси – главно азотен оксид (NO), който се окислява до азотен диоксид (NO2). Хлор и флуор съдържащите горива след изгаряне образуват хлороводород (HCl), флуороводород (HF) и силициевтетрафлуорид (SiF4). Тъй като нефта се подлага на предварително пречистване (обезсоляване), тези газове се отделят предимно при изгаряне на въглища. От съдържащия се във въглищата хлор 90% излизат под формата на газове, а 10% под формата на аерозоли (диспергирани пепел, мъгла и дим). При флуора съотношението е 70% в газове към 30% в пепел. Пепелта обикновено се изнася в резултат на механично увличане с димните газове.

При изгаряне на течни горива в енергетиката се отделят аналогично количество азотни окиси, както и при въглищата. Серните окиси, обаче тук са по-малко, тъй като течните горива предварително се подлагат на сероочистка. Около 3% от образувалия се SO2 се окислява до SO3 и създава условия за аерозолно замърсяване със сярна киселина. Течните горива са източник на емисии от ванадий, никел и други метали. Газовите горива пък съдържат по-малко компоненти и при изгарянето им не се отделят прах и сажди. Серен диоксид се емитира в минимални количества, ако газта не е добре пречистена. Основни замърсители тук остават CO2, CO и азотните окиси NOx. Геотермалните електро- и топлоцентрали пък емитират сероводород (H2S).

Всички тези разнообразни замърсители в определени концентрации са опасни за здравето на хората и за околната среда, и могат да окажат негативно влияние върху обекти и бизнеса. За тях има законово определени норми на допустими емисии (НДЕ), които всеки емитер трябва да спазва. За да се справят с това, централите за производство на енергия, при които има емисии на вредни вещества във въздуха, използват разнообразни филтриращи системи. Те не само им помагат да отговарят на екологичните изисквания за НДЕ, но и подобряват позициите им в общоевропейската схема за търговия с квоти на емисии на парникови газове.

Енергетика и климат
Когато говорим за емисии от енергетиката, не можем да не споменем за връзката между климатичните промени и нарастващите количества парникови газове, които се отделят от електро- и топлоцентралите. По последни данни делът на емисиите парникови газове от всички енергийни дейности, включени в секторите енергетика, индустрия, транспорт, селско стопанство и домакинства представляват 70%, като тези от сектор енергетика са 40% от общите емисии на парникови газове в страната. Електропроизводствените централи и топлофикациите са основен замърсител и емитират над 25 млн. тона СО2 годишно, като за 2009г. отделените емисии само от въглищните централи са 19,8 млн. тона СО2.

Приоритетите в енергийната политика на ЕС са обвързани с дългосрочни количествени цели, които трябва да бъдат постигнати от всяка страна-членка, а именно: 20% намаляване на емисиите на парникови газове до 2020г. спрямо 1990г; 20% дял на ВЕИ в общия енергиен микс и 10% дял на биогоривата в транспорта до 2020г.; подобряване на енергийната ефективност с 20% до 2020г., известни като „целите 20-20-20”. Необходимите действия за минимизиране въздействието на енергетиката върху климата ще бъдат стимулирани чрез европейската схема за търговия с емисии. Основен принцип в нея е „замърсителят плаща”. Плащането се състои в закупуване на разрешителни за отделяне на определени количества парникови газове при производството на електроенергия и топлинна енергия. Целта на схемата е да насърчи по пазарен начин развитието и разпространението на ниско емисионни и високоефективни пречистващи технологии.

Постигането на целевото намаляване на емисиите и успешното включване в схемата за търговия с емисии на топло- и електроцентралите ще е възможно с комплексни мерки, основна роля в които ще играят съвременните технологии за пречистване на отпадъчните газове и минимизиране на вредните емисии. Нека разгледаме някои от най-ефективните и използвани напоследък пречистващи методи и индустриални филтри, които позволяват на инсталациите за производство на енергия да придобият конкурентоспособен и екологичен вид.

Сорбционни филтри
Методите на адсорбция и абсорбция са универсални в пречистването на газове и аерозоли. Те позволяват практически пълно пречистване на газове от съдържащите се в тях примеси. Ролята на филтър играят твърди тела, които поглъщат газове, многократно надвишаващи тения обем. Когато поглъщането се извършва на повърхността, където газовите молекули се задържат във вид на тънък слой, филтрите са адсорбционни. Ако газът прониква и във вътрешността на адсорбента, говорим за абсорбционни филтри, като приемаме, че газът се разтваря във вътрешността на твърдото тяло. Много често протичат и двата процеса на пречистване и филтрите се наричат сорбционни. Отделянето на сорбирания газ е известно като десорбция или регенерация на сорбента. Основни фактори, които влияят върху процеса на пречистване чрез сорбция са повърхността на филтъра, типа на неговата порьозност, вида на поглъщания газ и налягането. При този вид филтри протичат два типа процеси на пречистване – физическа и химична адсорбция. Физическата е резултат от дисперсионни, индукционни и ориентационни сили, които задържат газа върху филтъра, докато при химическата има химично взаимодействие. Често протичат и двата процеса и е трудно да се разграничат.

В практиката се използват разнообразни адсорбционни филтри. Това са твърди тела с ажурна структура, определяща се от съвкупността от пори и капиляри с различен размер. В зависимост от вътрешната си структура са микро-, мезо- и макропорести. Промишлените сорбционни филтри са най-често от активен въглен, силикагел, активен алуминиев окис, зеолит и природни глинести сорбенти. По адсорбционен капацитет и десорбционни способности активният въглен се е наложил като най-широко използван в практиката. Силикагелите пък имат предимството, че температурата им на десорбция е сравнително ниска – 100-200оС, което намалява разходите при регенерация. Те са много подходящи за пречистване на киселинни газове и аерозоли на киселини. Като цяло за индустриални адсорбционни филтри са подходящи материали, които могат да се използват дълго, т.е. инертни са при конкретните промишлени условия, и могат да се регенерират, което означава многократно използване. В практиката се използват различни методи на регенерация на филтрите – нагряване на адсорбента, вакуумиране, продухване с инертен газ, изтласкване с по-лесно адсорбиращ се газ и комбинация от тях. В зависимост от технологията на протичане на процеса сорбционните филтри са четири типа – със сменяеми контейнери с адсорбент, филтри с постоянно регенериращи се слоеве, адсорбери с движещ се адсорбент и филтри с кипящ слой на адсорбента. При сменяемите контейнери, замяната става когато се забележи проскок в изпускания газ.

Адсорбционните филтри са едни най-широко използваните инсталации за очистване на отпадни газове. При тях един и същ адсорбент може да се използва за почти всички газове. Всички адсорбционни системи са приложими при очистване на различни прахо-газови емисии, независимо от количеството на емитираните газове, а също и от състава им. Абсорбционните филтри също са с универсално приложение. Разликата при тях е, че поглъщането се извършва от течност – вода, водни разтвори на киселини и основи, органични течности. Когато пречистваме киселинни газове, по-голяма ефективност имат алкалните водни разтвори. Органичните течности пък са за филтриране на органични газове.

Електростатични утаители
Филтрите, които работят на принципа на електростатичните сили се наричат електростатични утаители. В процеса на йонизация на газовите молекули чрез електрични разряди протича зареждане на частиците, съдържащи се в отпадните газове. Тук отпадните газове преминават през заземен метален цилиндър. По оста на филтъра има проводник, по който се подава силно отрицателно напрежение. Силното електрично поле генерира електрони, които йонизират частиците на замърсителите, т.е. те се наелектризират. Така електричното поле ги изтласква към стената на цилиндъра или електроди. Там частиците се полепват, неутрализират се и се натрупват. След насищане на електрофилтрите, те трябва да се почистват. Една от най-модерните форми на електрофилтри са тези с високо устойчиви освобождаващи електроди. В горната част на утаителя се монтират компоненти с електромагнитно въздействие. Те подават почистваща сила към колекторните плочи. Този тип регенерация е лесен и минимизира времето за поддръжка.

Инерционни сепаратори
Това са вид сухи филтри (прахоуловители), при които протича инерционно утаяване на праховите частици. Когато масата или скоростта на движение на праховите частици имат такива стойности, че те не могат да се движат с газовите частици, те запазват някаква инерционна сила на движение. Инерционните сепаратори представляват препятствието, което спира инерционното движение на частиците и те се утаяват. Освен инерционни, могат да действат центробежни и гравитационни сили, каквито са случаите с циклоните и вихровите прахоуловители. При тези сухи филтри се използват камери с рязко увеличаване на диаметъра, което забавя скоростта на въздушния поток и улеснява утаяването на твърдите частици. Друг начин е поставянето на преграда, някакво препятствие на пътя на потока, което убива скоростта на частиците и те падат на дъното. При центрофужните колектори или циклонни сепаратори в камерата се създава циклонно движение, а отпадния въздух се подава под ъгъл. Когато влезнат в контакт с центробежните сили, твърдите частици от прахо-газовия поток се удрят в стените на камерата и се утаяват на дъното. Чистият въздух излиза през изход в горната част на камерата.

Ръкавни филтри
Тъканните прахоуловители са известни още като ръкавни филтри. Тези колектори се използват за филтриране на отделни частици прах от прахо-газови отпадни потоци. Те са един от най-ефикасните и икономически ефективни видове прохоуловители. Могат да постигнат ефективност на събиране повече от 99% за много фини прахови частици. Отпадъчните газове влизат в ръкав, в който са разположени множество тъканни филтри. Те са от памук, вълна или синтетични влакна и имат формата на торбичка или плик. Праховите частици се задържат от тъканта на филтрите в резултат на инерционни сили, брауново движение и електростатични сили. Филтрите трябва да се почистват периодично. В зависимост от метода на регенерация, ръкавните филтри се делят на три групи. Първата група се пречистват чрез механично разклащане на горната хоризонтална лента, на която висят ръкавите. Мотор създава вълни по филтрите и те се отърсват от праха. За да не се прекъсва процеса на пречистване на отпадните газове, се правят няколко колектора с ръкавни филтри. Когато един се регенерира, въздуха се пренасочва към друг. Другите два начина на пречистване на ръкавите са с инжектиране на сгъстен въздух или с прокарване на чист въздух в противоток на замърсения.

Скрубери
Наричани още мокри филтри или мокри прохоуловители, скруберите са надеждни системи за обезвреждане на отпадъчни газове. При тях протича процес на мокро прахоулавяне, който се изразява във фазов контакт на запрашения газов поток с течност. Най-често течността се разпръсква в камера върху отпадния газ, който се подава от долната част на колектора. Така водните капки захващат диспергираните прахови частици от отпадния газ и ги изнасят от колектора във вид на суспензия или шлам. При разпръскване на течната фаза се използват тръби-вентури, отражатели и статични смесители. При тръбите-вентури водата тече в тръба, която на изхода силно се стеснява. Така течността излиза с голяма скорост и засмуква въздуха (създава вакуум). Отражателите се използват за пречистване на газови смеси, склонни да образуват накипи и налепи. Представляват перки, увеличаващи фазовия контакт и отстраняващи накипите. Статичните смесители пък представляват такива препятствия в тръбите, където се осъществява фазовия контакт, които сменят посоката на движение на газовете стотици пъти. Скруберите са лесни за експлоатация и водят до ефективно обезпрашаване до нормативните изисквания. Друг вид мокри филтри са така наречените турили, при които се осъществява фазов контакт между газовата фаза на димните газове и спокойно движещ се течен слой. Тук абсорбентът тече спокойно по плоскости в различно положение (хоризонтално, вертикално, наклонено), а газовата фаза се пропуска през или над него, най-често в противоток. Разновидност на мокрите прахоуловители са S-образните абсорбери, в които течността тече по S-образни тръби по посока надолу, а изходните газове се подават отдолу нагоре. Вертикално-кожухотръбните мокри филтри също са добра алтернатива. При тях в един реактор (кожух) има множество тръби, в които се подава абсорбент отгоре, а газовете се внасят в тръбите в противоток. За ускоряване на абсорбцията в кожуха около тръбите се охлажда с вода. Десорбцията се извършва с нагряване. Решение при мокрите филтри дават и тези с барбутираща газова фаза през течен слой. Тук фазовият контакт се осъществява чрез пропускане на газа под формата на мехурчета през течната фаза, която се намира в покой или се движи бавно. Най-често използваните в практиката мокри филтри са насадкови скрубери, тарелкови газпромиватели, мокри апарати с ударно отражателно действие, газпромиватели с подвижен пълнеж, механични и динамични скрубери. Мокрите филтри са приложими при всички замърсители на атмосферния въздух – SO2, NOx, органични газове, прах и аерозоли.

В края на този обзор на пречистващи технологии за отпадни газове от енергетиката е важно да поясним, че разделението на групите филтри е до голяма степен условно. Мокрите филтри са частен случай на абсорбционни филтри, а електростатичните могат да бъдат едновременно и ръкавни. Много често инерционните сепаратори се комбинират с адсорбционните (сухи) филтри. В практиката не са редки случаите, в които пречистващите инсталации съчетават няколко от разгледаните технологии и е трудно да се причислят само към една група. Това е така, защото замърсителите са разнородни и за тяхното ефективно пречистване понякога се налага комбинация от методи.