Застосування технологій очищення димових газів для твердопаливних котлів теплоелектроцентралей

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2025.01.055
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 28, № 1, 2025 (березень)
Сторінки 55–73

 

Автори

С. В. Горяной, Інститут теплоенергетичних технологій НАН України (04070, Україна, м. Київ, вул. Андріївська, 19), Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (03056, Україна, м. Київ, пр. Берестейській, 37), e-mail: horianoisv@gmail.com, ORCID: 0000-0001-9484-6768

І. А. Вольчин, Інститут теплоенергетичних технологій НАН України (04070, Україна, м. Київ, вул. Андріївська, 19), Національний університет харчових технологій (01033, Україна, м. Київ, вул. Володимирська, 68), e-mail: volchyn@gmail.com, ORCID: 0000-0002-5388-4984

 

Анотація

У статті проаналізовано шляхи задоволення вимог сучасного екологічного законодавства України й Європейського Союзу щодо обмеження викидів забруднюючих речовин від великих і середніх спалювальних установок стосовно твердопаливних парових котлів комунальних і промислових теплоелектроцентралей (ТЕЦ) України. Розглянуто екологічні вимоги й технології очищення димових газів твердопаливних котлів від основних забруднюючих речовин, а саме твердих частинок, діоксиду сірки й оксидів азоту, проведено аналіз ефективності, переваг і обмежень для впровадження цих технологій на теплоелектроцентралі. Акцентовано на тому, що існуючий стан газоочисного обладнання, введеного в експлуатацію більше п’ятдесяти років тому, не відповідає чинним екологічним вимогам, а отже, нагальним є питання реконструкції та модернізації наявних і спорудження нових газоочисних установок. Доведено, що застосування тканинних, електростатичних фільтрів і мокрих скруберів із трубою Вентурі дозволить задовольнити вимоги європейських директив щодо граничних значень викиду пилу, а найбільш раціональним рішенням буде використання наявних мокрих скруберів із трубою Вентурі, якими оснащена переважна більшість ТЕЦ, шляхом істотного збільшення питомої витрати рідини на зрошення. Для уловлення газоподібних забруднюючих речовин перспективним напрямком є використання амонійних реагентів для високоефективної десульфуризації і отримання як продукту сіркоочищення сульфату амонію, що виступає мінеральним добривом, та відновлення оксидів азоту до молекулярного азоту. Використання водного розчину амоніаку в мокрому скрубері з трубою Вентурі дасть змогу одночасно уловлювати в одному пристрої летку золу і діоксид сірки. Для зниження викидів оксидів азоту на котлах ТЕЦ доцільним із точки зору інвестиційних затрат і просторових умов визнається застосування методу селективного некаталітичного відновлення.

 

Ключові слова: паровий котел, димові гази, труба Вентурі, тверді частинки, діоксид сірки, амоніак, оксиди азоту.

 

Повний текст: завантажити PDF

 

Література

  1. Asghar U., Rafiq S., Anwar A., Iqbal T., Ahmed A., Jamil F., Khurram M. S., Akbar M. M., Farooq A., Shah N. S., Park Y.-K. Review on the progress in emission control technologies for the abatement of CO2, SOx and NOx from fuel combustion. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. Vol. 9. Article 106064. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.106064.
  2. Наказ № 309 від 27.06.2006 Міністерства охорони навколишнього природного середовища України «Про затвердження нормативів граничнодопустимих викидів забруднюючих речовин із стаціонарних джерел» [електронний ресурс]. https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z0912-06#Text.
  3. Наказ № 62 від 16.02.2018 Міністерства екології та природних ресурсів України «Про внесення змін до наказу Мінприроди від 22 жовтня 2008 року № 541» [електронний ресурс]. https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z0290-18#Text.
  4. Directive (EU) 2010/75 of the European Parliament and of the Council of 24 November 2010 on industrial emissions (integrated pollution prevention and control). Official Journal of the European Communities. 2010. L 334. P. 17–119. https://data.europa.eu/eli/dir/2010/75/oj.
  5. Directive (EU) 2015/2193 of the European Parliament and of the Council of 25 November 2015 on the limitation of emissions of certain pollutants into the air from medium combustion plants. Official Journal of the European Communities. 2015. L 313. P. 1–19. https://data.europa.eu/eli/dir/2015/2193/oj.
  6. Myllyvirta L., Geiners R. Health Impacts of Coal Power Plant Emissions in Ukraine. Centre for Research on Energy and Clean Air (CREA): official website. 2021. https://energyandcleanair.org/publication/health-impacts-of-coal-power-plant-emissions-in-ukraine/.
  7. Податковий кодекс України від 2 грудня 2010 року № 2755-VI (зі змінами та доповненнями). Відомості Верховної Ради України. 2011. № 13–14. Cт. 112. Верховна Рада України: офіційний вебсайт [електронний ресурс]. 2010. https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/2755-17.
  8. Rajagopalan S. T., Al-Kindi S. G., Brook R. D. Air pollution and cardiovascular disease: JACC state-of-the-art review. Journal of the American College of Cardiology. 2018. Vol. 72. Iss. 17. P. 2054-2070. https://doi.org/10.1016/j.jacc.2018.07.099.
  9. Marval J., Tronville P. Ultrafine particles: A review about their health effects, presence, generation, and measurement in indoor environments. Building and Environment. 2022. Vol. 216. Article 108992. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.108992.
  10. Arias-Pérez R. D., Taborda N. A., Gómez D. M., Narvaez J. F., Porras J., Hernande J. C. Inflammatory effects of particulate matter air pollution. Environmental Science and Pollution Research. 2020. Vol. 27. P. 42390–42404. https://doi.org/10.1007/s11356-020-10574-w.
  11. Manisalidis I., Stavropoulou E., Stavropoulos A., Bezirtzoglou E. Environmental and health impacts of air pollution: A review. Frontiers in Public Health. 2019. Vol. 8. Article 14. https://doi.org/10.3389/fpubh.2020.00014.
  12. Lecomte T., Ferrería de la Fuente J. F., Neuwahl F., Canova M., Pinasseau A., Jankov I., Brinkmann T., Roudier S., Sancho L. D. Best available techniques (BAT) reference document for large combustion plants. JRC science for policy report. EUR 28836 EN. European Commission. 2017. 986 p. https://doi.org/10.2760/949.
  13. Bianchini A., Cento F., Golfera L., Pellegrini M., Saccani C. Performance analysis of different scrubber systems for removal of particulate emissions from a small size biomass boiler. Biomass and Bioenergy. 2016. Vol. 92. P. 31–39. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2016.06.005.
  14. Miller B. G. Clean Coal Engineering Technology. Elsevier, 2017.
  15. Zhang K., Huo Q., Zhou Y.-Y., Wang H.-H., Li G.-P., Wang Y.-W., Wang Y.-Y. Textiles/metal–organic frameworks composites as flexible air filters for efficient particulate matter removal. ACS Applied Materials & Interfaces. 2019. Vol. 11. Iss. 19. P. 17368–17374. https://doi.org/10.1021/acsami.9b01734.
  16. Woo H. C., Yoo D. K., Jhung S. H. Highly improved performance of cotton air filters in particulate matter removal by the incorporation of metal–organic frameworks with functional groups capable of large charge separation. ACS Applied Materials & Interfaces. 2020. Vol. 12. Iss. 25. P. 28885–28893. https://doi.org/10.1021/acsami.0c07123.
  17. Kadam V. V., Wang L., Padhye R. Electrospun nanofibre materials to filter air pollutants – A review. Journal of Industrial Textiles. 2018. Vol. 47. Iss. 8. P. 2253–2280. https://doi.org/10.1177/1528083716676812.
  18. Луговський О. Ф., Ковальов В. А., Фесич В. П., Дудка Є. Ю. Удосконалення промислових систем осушення повітря шляхом застосування ультразвукових коливань. Mechanics and Advanced Technologies. 2018. № 1 (82). С. 20–27. https://doi.org/10.20535/2521-1943.2018.82.126108.
  19. Romero C. E., Wang X. Chapter three-key technologies for ultra-low emissions from coal-fired power plants. Advances in Ultra-Low Emission Control Technologies for Coal-Fired Power Plants. 2019. P. 39–79. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102418-8.00003-6.
  20. Електрофільтр ДВП. Вікіпедія [електронний ресурс]. https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%84%D1%96%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80_%D0%94%D0%92%D0%9F (дата звернення 10.01.2025).
  21. Bian H. Analysis on flue gas pollution of coal-fired boiler and its countermeasures. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 450. Article 012028. https://doi.org/10.1088/1755-1315/450/1/012028.
  22. Вольчин І. А., Ращепкін В. А. Моделювання процесу очищення запиленого газового потоку в рамках кінематичної моделі взаємодії дисперсних частинок та крапель у мокрому скрубері. Енерготехнології та ресурсозбереження. 2023. № 3. С. 84–98. https://doi.org/10.33070/etars.3.2021.07.
  23. Darbandi T., Risberg M., Westerlund L. Enhancing particle segregation in stem wood combustion flue gas wet scrubbers: Experimental investigation of operational conditions. Case Studies in Thermal Engineering. 2024. Vol. 64. Article 105427. https://doi.org/10.1016/j.csite.2024.105427.
  24. Byeon S.-H., Lee B.-K., Ray Mohan B. Removal of ammonia and particulate matter using a modified turbulent wet scrubbing system. Separation and Purification Technology, 2012. Vol. 98. P. 221–229. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2012.07.014.
  25. Baciak M., Warmiński K., Bes A. The effect of selected gaseous air pollutants on woody plants. Forest Research Papers. 2015. Vol. 76. Iss. 4. P. 401–409. https://doi.org/10.1515/frp-2015-0039.
  26. Goulding K. W. T. Soil acidification and the importance of liming agricultural soils with particular reference to the United Kingdom. Soil Use and Management. 2016. Vol. 32. Iss. 3. P. 390–399. https://doi.org/10.1111/sum.12270.
  27. Khalaf E. M., Mohammadi M. J., Sulistiyani S., Ramírez-Coronel A. A., Kiani F., Turki Jalil A., Almulla A. F., Asban P., Farhadi M., Derikondi M. Effects of sulfur dioxide inhalation on human health: A review. Reviews on Environmental Health. 2024. Vol. 39. Iss. 2. P. 331–337. https://doi.org/10.1515/reveh-2022-0237.
  28. Breeze P. 3-Coal-fired power plants. Power Generation Technologies. 2005. P. 18–42. https://doi.org/10.1016/b978-075066313-7/50004-8.
  29. Koech L., Rutto H., Lerotholi L., Everson R. C., Neomagus H., Branken D., Moganelwa A. Spray drying absorption for desulphurization: a review of recent developments. Clean Technologies and Environmental Policy. 2021. Vol. 23. Iss. 6. P. 1665–1686. https://doi.org/10.1007/s10098-021-02066-3.
  30. Córdoba P. Status of flue gas desulphurisation (FGD) systems from coal-fired power plants: Overview of the physic-chemical control processes of wet limestone FGDs. Fuel. 2015. Vol. 144. P. 274–286. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2014.12.065.
  31. Zhu Q. Non-calcium desulphurisation technologies. IEA Clean Coal Centre, 2010.
  32. Yang G., Wu D., Gou Y., Dong Y., Jiang J., Chen Y., Zhang M., Song C., Jiang J., Jia Y. Study on the mass transfer of SO2 in ammonia-based desulfurization process. Frontiers in Materials. 2022. Vol. 9. Article 1048393. https://doi.org/10.3389/fmats.2022.1048393.
  33. He R. C., Gu X. J. Study of advanced process control technology and its application for ammonia-based flue gas desulfurization process. Advanced Materials Research. 2014. Vol. 1039. P. 338–344. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1039.338.
  34. Вольчин І. А., Мезін С. В., Ясинецький А. О. Дослідження поглинання діоксиду сірки амоніаком у газовій фазі у присутності водяної пари. Екологічні науки. 2018. № 1 (20). Т. 1. С. 104–108.
  35. Dasarathy S., Mookerjee R. P., Rackayova V., Thrane V. R., Vairappan B., Ott P., Rose C. F. Ammonia toxicity: from head to toe? Metabolic Brain Disease. 2017. Vol. 32. P. 529–538. https://doi.org/10.1007/s11011-016-9938-3.
  36. Chen X., Sun P., Cui L., Xu W., Dong Y. Limestone-based dual-loop wet flue gas desulfurization under oxygen-enriched combustion. Fuel. 2022. Vol. 322. Article 124161. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.124161.
  37. Zhao Z., Zhang Y., Gao W., Baleta J., Liu C., Li W., Weng W., Dai H., Zheng C., Gao X. Simulation of SO2 absorption and performance enhancement of wet flue gas desulfurization system. Process Safety and Environmental Protection. 2021. Vol. 150. P. 453–463. https://doi.org/10.1016/j.psep.2021.04.032.
  38. Wang E. W., Lei S. M., Zhong L. L., Zhang S. C. Review of advanced technology of flue gas desulphurization. Advanced Materials Research. 2014. Vol. 852. P. 86–91. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.852.86.
  39. Flagiello D., Di Natale F., Erto A., Lancia A. Wet oxidation scrubbing (WOS) for flue-gas desulphurization using sodium chlorite seawater solutions. Fuel. 2020. Vol. 277. Article 118055. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.118055.
  40. Flagiello D., Di Natale F., Lancia A., Sebastiani I., Nava F., Milicia A., Erto A. A thermodynamic/kinetic study of ammonia-based flue gas desulfurization processes. Chemical Engineering Transactions. 2023. Vol. 100. P. 235–240. https://doi.org/10.3303/CET23100040.
  41. Wang S. J., Zhu P., Zhang G., Zhang Q., Wang Z. Y., Zhao L. Numerical simulation research of flow field in ammonia-based wet flue gas desulfurization tower. Journal of the Energy Institute. 2015. Vol. 88. Iss. 3. P. 284–291. https://doi.org/10.1016/j.joei.2014.09.002.
  42. Liu P., McLinden D. Ammonia-based flue gas desulfurization. Power engineering. 2017. Vol. 121. Iss. 7. [Electronic resource]. https://www.power-eng.com/emissions/ammonia-based-flue-gas-desulfurization/.
  43. Yang F., Liu H., Feng P., Li Z., Tan H. Effects of wet flue gas desulfurization and wet electrostatic precipitator on particulate matter and sulfur oxide emission in coal-fired power plants. Energy & Fuels. 2020. Vol. 34. Iss. 12. P. 16423–16432. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.0c03222.
  44. Zhang Z. H., Li Y. H., Lan Y. Z. Experimental study on fluid mechanics of nozzle and ammonia desulfurization of iron and steel sintering furnace. Advanced Materials Research. 2013. Vol. 803. P. 363–366. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.803.363.
  45. Yong J., Zhong Q., Fan X., Chen Q., Sun H. Modeling of ammonia-based wet flue gas desulfurization in the spray scrubber. Korean Journal of Chemical Engineering. 2011. Vol. 28. Iss. 4. P. 1058–1064. https://doi.org/10.1007/s11814-010-0472-4.
  46. Zhu F., Gao J., Chen X., Tong M., Zhou Y., Lu J. Hydrolysis of urea for ammonia-based wet flue gas desulfurization. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2015. Vol. 54. Iss. 37. P. 9072–9080. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b02041.
  47. Khan R. R., Siddiqui M. J. Review on effects of particulates: sulfur dioxide and nitrogen dioxide on human health. International Research Journal of Environment Sciences. 2014. Vol. 3. Iss. 4. P. 70–73.
  48. De Vries W. Impacts of nitrogen emissions on ecosystems and human health: A mini review. Current Opinion in Environmental Science & Health. 2021. Vol. 21. Article 100249. https://doi.org/10.1016/j.coesh.2021.100249.
  49. Gholami F., Tomas M., Gholami Z., Vakili M. Technologies for the nitrogen oxides reduction from flue gas: A review. Science of the Total Environment. 2020. Vol. 714. Article 136712. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.136712.
  50. Zhu Z., Xu B. Purification technologies for NOx removal from flue gas: A review. Separations. 2022. Vol. 9. Iss. 10. Article 307. https://doi.org/10.3390/separations9100307.
  51. Machač P., Baraj E. A simplified simulation of the reaction echanism of NOx formation and non-catalytic reduction. Combustion Science and Technology. 2018. Vol. 190. Iss. 6. P. 967–982. https://doi.org/10.1080/00102202.2017.1418335.
  52. Ahli Gharamaleki M. Selective non-catalytic reduction of NOx in a cyclone reactor. Technical University of Denmark, 2018. 180 p. https://orbit.dtu.dk/files/161971285/Final_thesis_klar_til_print_31.10.2018_Mohammad_Ahli_Gharamaleki.pdf.
  53. Park P.-M., Park Y.-K., Dong J.-I. Reaction characteristics of NOx and N2O in selective non-catalytic reduction using various reducing agents and additives. Atmosphere. 2021. Vol. 12. Iss. 9. Article 1175. https://doi.org/10.3390/atmos12091175.
  54. Svith C. S., Lin W., Dam-Johansen K., Wu H. An experimental and modelling study of the selective non-catalytic reduction (SNCR) of NOx and NH3 in a cyclone reactor. Chemical Engineering Research and Design. 2022. Vol. 183. P. 331–344. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2022.05.014.
  55. Locci C., Vervisch L., Farcy B., Domingo P., Perret N. Selective non-catalytic reduction (SNCR) of nitrogen oxide emissions: A perspective from numerical modeling. Flow, Turbulence and Combustion. 2018. Vol. 100. P. 301–340. https://doi.org/10.1007/s10494-017-9842-x.
  56. Yang W. Summary of flue gas denitration technology for coal-fired power plants. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 300. Article 032054. https://doi.org/10.1088/1755-1315/300/3/032054.
  57. Volchyn I., Kryvosheiev S., Yasynetskyi A., Zaitsev A., Samchenko O. Selective non-catalytic reduction of nitrogen oxides in the production of iron ore pellets. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2022. No. 1. P. 88–94. https://doi.org/10.33271/nvngu/2022-1/088.
  58. Lai J.-K., Wachs I. E. A perspective on the selective catalytic reduction (SCR) of NO with NH3 by supported V2O5−WO3/TiO2 catalysts. ACS Catalysis. 2018. Vol. 8. Iss. 7. P. 6537−6551. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b01357.
  59. Sorrels J. L., Randall D. D., Schaffner K. S., Fry C. R. Chapter 2. Selective Catalytic Reduction. U.S. Environmental Protection Agency, 2019. 107 p. https://www.epa.gov/sites/default/files/2017-12/documents/scrcostmanualchapter7thedition_2016revisions2017.pdf.
  60. Xu J., Chen G., Guo F., Xie J. Development of wide-temperature vanadium-based catalysts for selective catalytic reducing of NOx with ammonia: Review. Chemical Engineering Journal. 2018. Vol. 353. P. 507–518. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.05.047.
  61. Shan W., Song H. Catalysts for the selective catalytic reduction of NOx with NH3 at low temperature. Catalysis Science & Technology. 2015. Vol. 5. Iss. 9. P. 4280–4288. https://doi.org/10.1039/C5CY00737B.

 

Надійшла до редакції 03.02.2025

Прийнята 28.02.2025