Федеральная целевая программа

14.583.21.0004
1
Федеральная целевая программа
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2014—2020 годы»
Рациональное природопользование
Тема: Разработка эффективной технологии снижения содержания оксидов серы и азота, а также ртути, в
дымовых газах тепловых электростанций угольной генерации
Руководитель проекта: проректор по научной работе и
стратегическому развитию Тайлаков О.В.
Соглашение 14.583.21.0004
на период 2014 - 2016 гг.
Получатель субсидии: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»
Цели и задачи проекта
Цели:
1. Разработать комплексную технологию эффективной очистки дымовых газов тепло- и электростанций, работающих на угольном топливе, от оксидов серы и азота, а также от ртути.
2. Разработать и испытать в полупромышленных условиях элементы пилотной установки, обеспечивающей эффективное снижение содержания ртути и оксидов серы и азота в газовых выбросах тепловых
электростанций, работающих на угольном топливе.
Задача: Повышение роли угля в топливно-энергетическом балансе РФ посредством обеспечения приемлемого уровня экологичности тепловых электростанций угольной генерации за счет снижения содержания
вредных веществ (оксидов серы и азота, а также ртути) в их дымовых выбросах.
Актуальность: Современные мощные ТЭС расходуют до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывают в атмосферу: 680 т SO2 и SO3, 200 т NOx, 240 т золы, пыли, сажи. Газообразные выбросы, рассеиваясь в атмосфере и
претерпевая физико-химические превращения, переносятся воздушными массами на большие расстояния и повышают техногенную нагрузку на окружающую среду. Поэтому снижение токсичности дымовых газов
ТЭС представляют собой актуальную проблему. Научная новизна заключается в разработке и обосновании комплексной технологии, основанной на применении методов подготовки угольного топлива с добавлением
серопоглощающих агентов, каталитического и адсорбционного удаления загрязняющих веществ.
Ожидаемые результаты проекта
1. Технология очистки дымовых газов тепловых электростанций, работающих на угольном топливе, от оксидов серы и азота, а также от ртути, позволяющая снизить содержание этих веществ в газовых выбросах до
значений, близких к нулевым.
2. Апробация элементов разработанной технологии очистки газовых выбросов электростанций, работающих на угле, от оксидов серы и азота, а также от ртути на пилотной установке в полупромышленных условиях.
3. Структура и состав автоматизированной системы управления процессом подавления оксидов серы и азота в выбросах тепловых электростанций угольной генерации.
Ожидаемые результаты, соответствуют мировым тенденциям в области удаления оксидов азота и серы из дымовых газов, направленных на решение проблем экологии. Принятый при реализации проекта в качестве
базового – с предполагаемой последующей модернизацией – блочный тип катализаторов широко используется в практике газовой очистки в европейских странах и в Японии.
Перспективы практического использования
Областью применения ожидаемых научных и научно-технических результатов проекта является промышленная тепло- и электроэнергетика, в которой в качестве топлива используется уголь, а также весьма
значительная по суммарной мощности местная теплоэнергетика, представленная малыми и средними котельными, работающими на угле. Элементы комплексной технологии снижения содержания оксидов серы и
азота, а также ртути в дымовых газах угольных теплоэлектростанций технологии будут опробованы на опытных установках, инсталлированных в России (очистка от NOx и SOx) и Китае (очистка от ртути). В
дальнейшем технология, объединяющая российские и китайские компоненты, будет внедрена на угольных ТЭС в России в территориальных генерирующих компаниях, преимущественно Сибири и Дальнего Востока, в
состав которых входят угольные ТЭС. Применение технологии обеспечит существенное снижение техногенного воздействие угольных ТЭС и ТЭЦ на окружающую среду с удалением до 90% NOx, SOx и паров ртути в
отходящих газах, что будет способствовать повышению энергетической безопасности РФ путем увеличения доли угля в топливно-энергетическом балансе страны, а также сохранению биоразнообразия и улучшению
здоровья населения в регионах с развитой угольной энергетикой.
Результаты исследовательской работы, полученные в 2015 г.
Разработана методика приготовления блочных носителей и образцов катализаторов на основе меди, хрома и Cu-ZSM-5, а также лабораторная установка для их изготовления методом формования пластической массы
(пасты) с помощью вертикального пневмопресса. Выполнен анализ свойств катализаторов: удельная поверхность, пористая структура, дифференциальный термический анализ (рис. 1). Создана лабораторная
проточная установка для испытания катализаторов очистки дымовых газов от NОx и SOx (рис. 2). Проведены испытания образцов катализаторов при температуре 300 ºС. Установлено, что для процесса DeNOx
наиболее перспективными являются катализаторы 5%CuO/5CeO2-TiO2, 5%CuO/5CeO2-Al2O3 и Cu-ZSM-5, которые обеспечивают конверсию NO на уровне 93-95% и характеризуются высокой стабильностью в
реакции СКВ NOx с аммиаком 4NO + 4 NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O (табл.). Создан экспериментальный стенд для исследования процессов приготовления суспензий ), в т.ч. с использованием СПА с измерением
структурно-реологических и теплофизических свойств и сжигания различных топлив с измерением расхода и давления топлива, распыляющего агента и дутьевого воздуха, а также состава дымовых газов.
Таблица.
Состав катализаторов блочного типа на основе
оксидов меди и хрома
Основные характеристики установки
•Рабочие температуры 200÷500 оС.
•Рабочее давление < 0,02 МПа.
•Загрузка катализатора 1–10 гр. для фракции.
•Блочный катализатор – цилиндр диаметром
11 ±0,5 мм, длина 10±1,0 мм, размер каналов
1,1х1,1 мм.
•Концентрация оксидов азота в исходной
смеси 500 ppm.
•Концентрация кислорода в исходной смеси
2-5 % об.
•Концентрация аммиака в исходной смеси 500
ppm.
•Расходы газовой смеси через реактор –
10 л/час – 100 л/час.
Рис. 1. Дифференциальное распределение
пор по размерам в образцах
Реактор
Блок дозировки
газов
Рис. 2. Лабораторная проточная установка
для испытания катализаторов очистки
дымовых газов от NОx и SOx
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Состав катализаторов
5%CuO/AlSi
5%CuO/10TiO2-AlSi
11%CuCr2O4/ AlSi
5%CuO/TiO2
5%CuO/TiO2(Ar)
5%CuO(glycine)/TiO2
5%(CuO-CuCr2O4)/ TiO2
7,5%CuCr2O4/ TiO2
4% CuCr2O4/ TiO2
5%CuO/5CeO2- TiO2
5%CuO/Al2O3
5%CuO/10TiO2-Al2O3
11%CuCr2O4/ Al2O3
5%CuCr2O4/ Al2O3
5%CuO/5CeO2- Al2O3
CuO/ZrO2
Сu-ZSM-5
Конверсия NO (XNO),%
фракция
24
43
48
95
99
87
94
57
53
100
96
95
52
56
99
87
100
блоки
35
86
90
81
83
93
88
90
48
46
95
62
92
На первом этапе экспериментальных исследований из смеси угля, воды, реагента-пластификатора и суспензии из серопоглощающего агента готовятся лабораторные пробы суспензионного угольного топлива. Для
приготовления лабораторных проб ВУТ используется измельчительная камера периодического действия универсальной виброустановки. Исходные компоненты дозируются в ручном режиме. Целью лабораторных
исследований является выбор рационального варианта добавки и определение основных структурно-реологических характеристик полученного ВУТ. На втором этапе, с учетом результатов лабораторных
исследований , готовятся экспериментальные партии ВУТ в измельчительном агрегате непрерывного действия универсальной виброустановки.
При выполнении международного проекта используется экспериментальный и методологический базис его участников, включая приборную базу ЦКП «Химический сервисный центр СО РАН», которая обеспечивает
возможность детального изучения природы активных центров катализаторов на наноуровне, проведения исследований всех стадий приготовления катализаторов с привлечением методов электронной микроскопия
высокого разрешения, дифракции, электронной спектроскопии (РФЭС, УФЭС, Оже-спектроскопия, UV-vis спектроскопия), колебательной спектроскопии (ИК и Раман спектроскопия), а также приборный парк
Шаньдунского научно-технического университета: растровый электронный микроскоп (SEM, Хитачи S-570), электронный микроскоп с высоким разрешением (HRTEM, JEOL JEM-2100), атомно-силовой микроскоп, наноразмерный анализатор (PSA, Zetasizer Nano ZS), рентгеновский дифрактометр (XRD, Rigaku Ultima IV), электронный зонд (EPMA, JXA-8230). Применение современных оборудования и методик при исследовании
катализаторов обусловливает высокую достоверность полученных результатов, соответствующих мировому уровню.
Партнеры проекта
Иностранный партнер: Шаньдунский научно-технический университет (КНР, г. Циндао). Университетом выполняются: обобщение и анализ опыта работ в КНР в области очистки дымовых газов угольных
электростанций от вредных примесей; эксперименты в лабораторных условиях по разработке способов снижения содержания оксидов серы и азота, а также ртути в дымовых газах угольных электростанций;
разработка технических предложений по созданию комплексной технологии и опытной установки эффективной очистки дымовых газов тепловых электростанций; совместные испытания с российской стороной
пилотной установки в полупромышленных условиях. Иностранным партнером обеспечено софинансирование выполняемых в рамках международного проекта в КНР работ в объеме, эквивалентном бюджету российской
стороны. Ключевые соисполнители проекта: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (разработка методики синтеза катализаторов процесса
DeNOx, синтез лабораторных партий катализаторов, разработка экспериментального стенда для исследования очистки газовых выбросов от NOx, SOx), Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт углехимии и химического материаловедения СО РАН (разработка научных основ технологии каталитической очистки дымовых газов тепловых электростанций, работающих на угле, от токсичных компонентов;
анализ сырья (угля): состав зольной части угля, элементный анализ CHNS, ИК спектроскопия, термогравиметрический анализ, калориметрия).
14.583.21.0004
1