Системи за прахоулавяне в енергетиката

• За контрол на емисиите на прахови частици от енергийния сектор се използват предимно електрофилтри, ръкавни филтри, циклони и мокри скрубери
  
  
• Наличието на система за селективна каталитична редукция преди електрофилтъра може да измени характеристиките на димните газове чрез окисляване на част от серния диоксид до серен триоксид
  
  
• Използването на ръкавен филтър изисква селекция на текстилен материал, подходящ за характеристиките на димните газове и максималната работна температура

Големите горивни инсталации държат около 40% от капацитета за производство на електроенергия на Европейския съюз (ЕС). Те до голяма степен работят на изкопаеми горива, което води до отделянето на замърсители в атмосферния въздух, водата и почвата, които оказват вредно въздействие върху екосистемите. За да се ограничи въздействието върху околната среда, политиката на ЕС цели редуциране на емисиите от тези съоръжения.

През периода 2004 – 2019 г. емисиите от големи горивни инсталации са намалели значително – емисиите на серен диоксид с 89%, на азотни оксиди – с 60%, и на прахови частици – с 88%. Важно е да се отбележат два ключови момента в този период. Първата повратна точка е периодът от 2007 до 2009 г., когато емисиите намаляват поради новите емисионни ограничения, зададени в Директивата за големи горивни инсталации, и финансовата криза, започнала в края на 2008 г. Втората важна точка във времето, около 2015 – 2016 г., съвпада с момента, в който операторите трябва да постигнат съответствие с по-стриктните норми, въведени с Директивата за емисиите от промишлеността, която влиза напълно в сила в този период.

Капацитетът на големите горивни инсталации варира съществено – от 50 MWt до над 2000 MWt. Спадовете в емисиите се дължат на значителни подобрения в екологичните параметри на инсталациите от всякакъв мащаб, най-вече при много големите съоръжения, които макар да съставляват само 21% от големите горивни инсталации, държат 70% от инсталирания капацитет.

Тези спадове демонстрират значимостта на европейската политика по отношение на подобренията на екологичните показатели на големите горивни инсталации. За да постигнат съответствие със законодателството, операторите им внедряват мерки за редуциране на замърсяването, по-ефективни работни процеси и техники за ограничаване на емисиите тип “в края на тръбата”.

За контрол на емисиите на прахови частици от енергийния сектор се използват предимно електрофилтри, ръкавни филтри, циклони и мокри скрубери.

Електрофилтри

При електрофилтрите праховите частици получават заряд и се отделят под въздействието на електрическо поле. Електрофилтрите могат да функционират в широк диапазон от работни условия. Ефективността им може да зависи от броя полета, времето на задържане (размера) и предхождащите ги по веригата съоръжения за прахоулавяне. Обикновено броят на полетата е между 2 и 5, но най-съвременните електрофилтри от висок клас имат до 7 полета.

Съществуват както мокри, така и сухи видове електрофилтри, като двата типа се характеризират с устойчивост на корозия и абразия. Електрофилтирте се състоят от бункери, включващи редове от плочи, образуващи коридори, през които преминават димните газове. Централно разположени във всеки коридор са излъчващи електроди, през които преминава високонапреженов постоянен ток, подаван от система от трансформатор и токоизправител. Електрическото поле се прилага към електродите от малък по величина ток при високо напрежение (60 – 120 kV). Приложеното напрежение е достатъчно високо, за да йонизира газовите молекули в близост до електродите, което води до видим коронен разряд.

При преминаване през димните газове заредените йони се сблъскват с и прилепват към частиците пепел в потока. Под действието на електрическото поле заредените частици от газа се насочват към заземените плочи, където се натрупват в слой. Плочите се почистват периодично, като слоят натрупани частици се отделя в бункерите за пепел като агломерирана маса. На практика електрофилтрите са разделени на няколко дискретни зони (обикновено до 6). В повечето случаи електрофилтрите са разположени след въздушен подгревател или икономайзер. При специални случай тези съоръжения се разполагат преди въздушния подгревател, за да се оползотвори по-високата температура.

Частиците се отстраняват от газовия поток в четири етапа: чрез прилагане на електрически заряд към праха; чрез поставяне на заредения прах в електрическо поле; чрез улавяне (агломериране) на праха върху събирателния електрод; чрез отстраняване на праха от повърхността на електрода.

За всяко поле или част от поле на електрофилтъра се използва отделна токоизправителна секция. Това дава възможност за вариране на напрежението във входната и изходната зона, за да се отчете по-ниското съдържание на прах на изход, и опериране с полетата при прогресивно нарастващо напрежение, без да се стига до искрене. Добрият дизайн включва и използването на автоматични системи за управление. Те поддържат оптималното високо напрежение, прилагано към електродите в определена зона, предотвратявайки искрене. Автоматично следящо устройство се използва за прилагане на максималното напрежение без искрене и за постоянно вариране на високото напрежение. Захранванията с фиксирано високо напрежение обикновено не предоставят добра ефективност на улавяне на частиците.

Специфичното съпротивление на праха е от особено значение. Ако то е прекалено ниско, частиците, достигащи събирателния електрод, губят лесно своя заряд и могат отново да бъдат отнесени от газовия поток. Когато специфичното съпротивление на праха е прекалено високо, върху електрода се формира изолиращ слой, който възпрепятства нормалния коронен разряд, водейки до понижаване на ефективността. Широко разпространена практика при наличие на прах с високо специфично съпротивление е газът да се кондиционира предварително чрез впръскване на серен триоксид например, което води до образуването на сярна киселина. Тя ефективно се поглъща от частиците, което намалява специфичното повърхностно съпротивление на пепелта. Наличието на система за селективна каталитична редукция преди електрофилтъра може да измени характеристиките на димните газове чрез окисляване на част от серния диоксид до серен триоксид, което на практика води до същия ефект на кондициониране.

Ръкавни филтри

Ръкавните филтри са конструирани от порьозен тъкан или сплъстен текстил, през който газовете преминават с цел отстраняване на праховите частици. Използването на ръкавен филтър изисква селекция на текстилен материал, подходящ за характеристиките на димните газове и максималната работна температура.

Този тип филтри се използват за отстраняване на частици (особено летяща пепел) от димните газове, отделящи се от индустриални горивни инсталации. В допълнение ръкавните филтри често се използват съвместно със системи за впръскване или добавяне на прахообразен абсорбент (варно мляко или натриев бикарбонат) с цел едновременен контрол на емисиите серен диоксид и летяща пепел.

Ръкавните филтри се състоят от едно или повече изолирани отделения, включващи редове от ръкави или тръби. Съдържащият прах газ преминава по повърхността на ръкавите и радиално през текстила. Частиците се задържат в ръкавите, а пречистеният газов поток се изпуска в атмосферата. Съоръжението работи на цикли от сравнително продължителни периоди на филтриране и кратки периоди на почистване. При почистване събралият се по ръкавите прах се отстранява от текстила и се подава към бункер за последващо обезвреждане. Основната оперативна характеристика на ръкавните филтри, която ги отличава от други видове филтри, е възможността за периодично проверяване на филтриращата повърхност при почистване.

Регулярното отстраняване на праха от текстила е важно с оглед поддържането на ефективно отделяне, но е определящ фактор и за експлоатационния живот на текстила. Ръкавните филтри обикновено се класифицират спрямо метода на почистване на филтриращата среда. Най-разпространената технология на почистване се състои в пулсации със сгъстен въздух. Сред другите методи са използването на обратен въздушен поток, механично стръскване и вибрации. Механизмите на почистване не връщат текстила в първоначалното му състояние, но частиците, попаднали в дълбочина, допринасят за редуциране на диаметъра на порите между нишките, което води до високи нива на ефективност при филтриране на субмикронни частици.

Циклони

Циклоните са прахоулавящи системи, работещи на база центробежни сили, които са подходящи за всякакви видове отпадъчни газове при сухи условия. Механичните сепаратори представляват комплект от циклони (например масив от 31 х 24 циклона, всеки с диаметър от около 240 mm, за третиране на 700 000 m3/h димни газове при 130°C), асемблирани в един или няколко корпуса. Предвидените за пречистване газове се разпределят между циклоните посредством подходящо проектирана камера. Центрофугираният прах се събира в периферията на циклоните и се извежда през дъното им, откъдето преминава в бункер. При всеки циклон пречистеният газ напуска във възходяща посока през централно разположена тръба и се събира в изходна камера, откъдето се изпуска по транспортни въздуховоди.

Механичните сепаратори не улавят финия прах. Поради това ефективността им обикновено е ограничена между 30 и 90%. Ефективността се понижава с повишаване на вискозитета и плътността на газа, увеличаване на площта на входния въздуховод и изтичане на въздух през отвора за прах.

Мокри скрубери

Мокрите скрубери са група от прахоулавящи устройства, използващи течност за улавяне на праховите частици от димните газове. Най-разпространени са скруберите тип вентури и тези с подвижен слой.

Вентури скруберите са вероятно най-простият вид мокър скрубер. При тях течността се подава равномерно от горния стесняващ се край на вентури тръбата. Съдържащият прах димен газ и скруберната течност навлизат в гърлото на тръбата, където течността се пулверизира поради скоростта на димния газ.

Омокрянето на газа по този начин води до събирането на малки частици в по-големи и по-тежки капки, които се улавят лесно в сепаратора. Така се преодоляват трудностите при отстраняването на фини частици чрез инерционни методи. За да се гарантира задържането на праховите частици в капките, е необходима висока първоначална относителна скорост. Пречистеният газ и капките с уловени в тях частици излизат през долния разширяващ се участък на тръбата.

Скруберите с подвижен слой са запълнени с пластмасови сфери с ниска плътност, които могат свободно да се движат в корпуса на съоръженията. Улавянето на прахови частици може да се оптимизира чрез прилагането на няколко етапа на пречистване в серия. Скруберите с подвижен слой обикновено работят в противотоков режим. Пълнежът се поддържа в непрекъснато движение благодарение на преминаващите през него газове и скруберна течност. Непрекъснатото движение на пълнежа значително намалява риска от запушвания.