Использования рукавных фильтров для улавливания ванадийсодержащей золы продуктов сгорания

  Мазут является важной составляющей в топливном балансе страны. Ежегодно на тепловых электростанциях и в промышленных котельных сжигается около 80 млн тонн мазута. В соответствии с прогнозами на ближайшую перспективу, это количество будет постепенно уменьшаться, что связано с планируемым углублением переработки нефти. Последнее неизбежно из-за ухудшения качества мазута (снижения теплотворной способности и увеличения зольности). Следовательно, в локальных масштабах (районах расположения ТЭС, промышленные узлы и т.п.) можно ожидать ухудшения экологической обстановки как за счет увеличения удельной массы выбросов, так и за счет повышения их токсичности. Важен еще и тот факт, что в городах мазут и газ постепенно вытесняют твердое топливо. Это происходит в основном из-за перегруженности железных дорог, по которым топливо доставляется на электростанции, отсутствия территорий под золоотвалы и т.п. Другими словами, экологическая политика в планах развития больших городов становится не определяющей, а зависимой. В этих условиях улавливание твердых продуктов сгорания (ТПС) мазута из дымовых газов приобрело экологически важное значение.
   ТПС мазута состоят из минеральных и органических веществ. К органическим относятся соединения не догоревшего углерода – сажа, кокс, бенз-а-пирен и пр. В состав минеральных веществ входят в основном соединения металлов, таких как железо, алюминий, натрий, калий, медь, никель, ванадий и др. (всего около 25). Особое место среди них занимает ванадий. С одной стороны, он является наиболее токсичным элементом, с другой – представляет ценное сырье для выплавки высококачественных сталей и чугунов. Содержание ванадия в зольных остатках мазутов достигает 30% (в пересчете на V2О5). Это чрезвычайно высокий показатель. Достаточно сказать, что титаномагнетитовые руды крупнейшего в России Качканарского месторождения содержат 0,12–0,15% пятиокиси ванадия. Совместными условиями энергетиков и металлургов разработаны технологии переработки зольных остатков мазутов с получением в качестве конечного продукта чистого ванадия. Это означает, что уловленные из дымовых газов ТПС мазута могут эвакуироваться не в золошлакоотвалы (где являются вторичным источником загрязнения окружающей среды), а утилизироваться для последующего использования. В настоящее время имеется несколько достаточно эффективных технологий извлечения до 80–90% ванадия из ТПС мазута.
   Таким образом высокоэффективная очистка дымовых газов от ТПС мазута одновременно решает две проблемы: улучшение экологической обстановки и расширение сырьевой базы по ванадию.
   Одним из перспективных способов очистки продуктов сгорания мазута от ТПС, как показывает анализ отечественной и зарубежной литературы, является использование в качестве золоулавливающих устройств рукавных тканевых фильтров.
   Выполненные промышленные исследования рукавного фильтра СМЦ-166 А на котле ТП-200 при изменении нагрузки в течение года от 110 до 140 т пара/ч, подтвердили надежность в течение длительного срока. В течение годовой эксплуатации было уловлено такое количество золы, в которой содержалось около 30 т пятиокиси ванадия.
   В настоящее время большинство котлов ТЭС и практически все котлы производственно-отопительных котельных, работающих на мазуте, не оборудованы установками для очистки продуктов сгорания.
   Нарушаются санитарные нормы по ряду высокотоксичных элементов, содержащихся в твердых продуктах сгорания (ТПС) мазута. Кроме этого на ряде режимов (например, очистка поверхностей нагрева) нарушаются нормы и по выбросам ТПС мазута в целом (в пересчете на нетоксичную пыль). Для выполнения санитарного законодательства по этим ингредиентам достаточно обеспечить снижение вредных выбросов в 1,5–2 раза. Однако учитывая высокую сырьевую ценность зольных остатков мазута (из-за содержания в них таких элементов, как ванадий и никель) целесообразно при выборе типа золоуловителя исходить из максимально возможной эффективности очистки газов в сочетании с другими техническими и экономическими показателями (габаритами, металлоемкостью, энергозатратами и пр.).

   Рассмотрим общие предпосылки к использованию того или иного вида золоуловителей для котлов, сжигающих мазут:
   1. Механические инерционные золоуловители (батарейные циклоны).
   Достоинствами этих аппаратов являются малогабаритность, простота изготовления и надежность в эксплуатации.
   Накоплен определенный опыт использования механических золоуловителей. Однако качество очистки невелико и очень сильно отличается от типа применяемого золоуловителя. Степень улавливания золовых частиц колеблется в зависимости от режима работы от 50 до 85%.
   При этом механические аппараты улавливают главным образом грубую пыль, а в ТПС мазута наиболее ценные элементы концентрируются в наиболее тонких фракциях. Поэтому реальная эффективность улавливания, например по ванадию, несколько ниже.
   2. Электрофильтры.
   Низкая скорость фильтрации (или скорость газа в активном сечении около 1,0–1,5 м/с) обусловливает значительные габаритные размеры электрофильтра. Их эксплуатация требует постоянного высококвалифицированного обслуживания. Широкое применение электрофильтров на электростанциях объясняется возможностью получения высокой степени очистки газов (выше 99%), в том числе от высокодисперсной пыли. При улавливании ТПС мазута в электрофильтрах можно реально рассчитывать на эффективность порядка 90–92%.
   3. Рукавные (тканевые) фильтры.
   Они позволяют получить наиболее высокую степень очистки газов от пыли любого дисперсного состава. При увеличении ТПС мазута это обстоятельство приобретает особо важное значение. Рукавные фильтры по капитальным затратам несколько дешевле, чем электрофильтры, но расходы на их эксплуатацию выше. Конструкция рукавных фильтров независимо от их типов и модификаций предусматривает исключительно вертикальное исполнение (в отличие от электрофильтров и механических аппаратов). В условиях стесненной компоновки мазутных электростанций это обстоятельство может оказаться решающим при выборе типа золоуловителя.
   4. Мокрые золоуловители.
   Большинство мокрых золоуловителей могут работать достаточно эффективно (около 95%) при пыли средней дисперсности (крупнее 5 мкм). Улавливание более мелких частиц обычно связано с повышенным расходом электроэнергии (в скоростных турбулентных золоуловителях, где эффективность может быть повышена до 97–98%). Однако эти аппараты на мазутных котлах могут применяться лишь в качестве санитарной очистки газов. Для утилизации сухого вторичного сырья они не пригодны и поэтому в дальнейшем не рассматриваются.
   Технико-экономический анализ позволил выполнить сопоставление и оценку различных вариантов применения золоуловителей, приводимую в таблице.
   Газоочистные установки, как правило, не дают прибыли, возможность использовать уловленный продукт лишь частично окупает их сооружение. Поэтому в числе технико-экономических показателей обычно отсутствуют данные, характеризующие рентабельность капитальных затрат, их окупаемость за счет ожидаемой прибыли.
   Приведенные автором некоторые результаты технико-экономических расчетов, учитывающие и эксплуатационные затраты, показывают, что получение прибыли от продажи уловленной золы на предприятия переработки ванадийсодержащего сырья возможно ориентировочно через 5–6 лет после внедрения установки.
   При этом не учитывались экологическая составляющая, связанная со снижением добычи, транспортировки руды, а также транспортировки и сброса отходов в отвал после переработки руды.