ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Работа тепловых электростанций на угле сопровождается выбросом не топочных газов с вредными компонентами. Энергетика дает до 40 % поступлений в атмосферу диоксида серы и 25 % оксида азота в атмосферу России.

Среди новых методов конверсии токсичных газовых выбросов выделяются: методы основанные на применении ускоренных электронных пучков и методы, базирующийся на применении импульсных разрядов с короткими фронтами длительностью несколько наносекунд и длительностью импульсов в пределах нескольких микросекунд. В предлагаемых газоразрядных методах в разрядном промежутке реализуется получение в газах радикалов - химических соединений, у которых на внешней электронной оболочке есть несвязанные электроны и формирование химически активных частиц, среди которых окислители, а также возбужденные атомы и молекулы, электроны и ионы, именно они приобретают высокую физическую и химическую активность.

При использовании импульсного разряда на стадии развития в разряде стримеров в резко неоднородном поле под действием сильного электрического поля в электроны приобретают энергию порядка 5—15 эВ, достаточную для возбуждения, диссоциации и ионизации молекул газа и образования радикалов и химически активных частиц.

Общее содержание отделы газов в отходящих топочных газов, представлены в таблице 1. Особую опасность для окружающей среды представляют такие компоненты как окислы углерода и азота.

Таблица 1.

Типичный состав топочных газов

Одновременная очистка топочных газов от оксидов азота и серы с использованием импульсных разрядов   происходит в несколько этапов:

Первый этап связан с наработкой в реакционной камере химически активных частиц (O, OH, N, O₃ и др.). Активные частицы нарабатываются при столкновении электронов с молекулами газов, входящих в состав топочного газа:

О₂ = е → О + О;                        CO₂ + e → CO + O + e;

O₂ + e →O + O + e;                   Н₂О +е →Н + ОН;

N₂ + e →N + N +e;                     О₂ +е → О +е +е;                                                                             (1)

H₂0 +e → H +OH +E                  CO₂ + e → CO + O;  

С другими активными частицами происходят следующие реакции электрон- ионной рекомбинации:

e + O₂ → O + O

e + N₂ → N + N;                                                                                                                                  (2)

e + NO+ → N + O;

Константы скоростей всех этих реакций являются функциями напряженности электрического поля E  и зависят от состава топочного газа.

На втором этапе наработанные химически активные частицы взаимодействуют с оксидами азота и серы, окисляя, разлагая или преобразуя их в продукты, более просто удаляемые из газа (азотная и серная кислоты):

O+NO + M → NO₂ +→M;             SO₂ + O + M → SO₃ + M;

NO+N →N₂ + O;                             SO₂ + OH + M → HSO₃+ M                                                            (3)

NO₂ + OH + M → HNO₃ + M;         SO₃ + H₂O → H₂SO₄.

Константы скоростей этих реакций зависят от температуры газа.

Характерная схема плазмохимической установки конверсии топочных газов с использованием электронных пучков показана на рис. 1.

Рисунок 1. Схема плазмохимических установок конверсии топочных газов с использованием разряда

Параметры плазмы при использовании этой плазмохимической технологии с короткими импульсными для конверсии топочных газов показывает, что плотность и температура плазмы в такой установке не высока, а температура электронов высокая и составляет единицы—десятки килоэлектронвольт; при этом температура газа остается низкой и практически не превышает температуры поступающего газа.

Промышленное применение данной технологии на ТЭС сопряжено с такими трудностями как с высокие требования по обслуживанию установки, потребление электроэнергии при работе источника с лавиностримерным разрядом.

В разрядном промежутке создается напряженность электрического поля поля не более 20 кВ/см, при этом в головке стримера напряженность достигает 150 кВ /см.

Проблемы данной технологии для промышленного и полу-промышленного применения на ТЭС связана с использованием высоко-вольтного источника напряжения с большой крутизной импульса приложенного напряжения (длительность фронта меньше 100 нс) и амплитудой импульса приложенного напряжения до 100 кВ; при малых длительностях импульса приложенного напряжения (не более нескольких сотен микросекунд); большая проблема состоит и в электромагнитной совместимости такой установки с другими установками.

Сам технологический цикл электростатической очистки топочных газов от золы, оксидов азота и серы на ТЭС с применением плазмо-химических технологий может выглядеть следующим образом.

Газ при температуре 150 °С проходит через реактор, подобный электрофильтру, где извлекаются и твердые примеси и такие вредные газы как окислы азота, серы и углерода. При наличии паров воды ее молекулы формируют гидроксилы OH, которые способствуют эффективному удалению оксидов серы и азота в реакторе с низкотемпературной плазмой.

Питающее напряжение имеет такую форму и длительность, чтобы разряд не переходил в лидер в свою завершающую стадию. Если в поток газа где присутствуют вредные продукты тепличных газов добавляются нитраты аммония в потоке появляются соли аммония, осаждение которых в виде порошка могут собираться как удобрения.

Таким образом, технологии очистки топочных газов от образованных реакций с образованием аэрозольных соединений из токсичных газовых компонентов с использованием низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении и могут стать основой создания современных и перспективных систем очистки дымовых газов от оксидов азота и серы с удалением окислов азота.

Список литературы:

1. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992 – 536 с.
2. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. М.: Наука. 1991 – 224 с.