Кратко и по делу — пути образования, влияние и промышленные методы снижения выбросов.
1) Пути образования
- Сера → оксиды серы:
- Основной источник — сера в угле, при сжигании: $\mathrm{S}+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$.
- Частичное окисление в $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3$: $2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2\to 2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3$ (катализируется металлами в золе, катализаторами, поверхностями).
- $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3$ гидратируется в серную кислоту: $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$.
- Азот → $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{x}}$ ($\mathrm{NO}$ и $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$):
- Термический NO (Zeldovich): при высоких температурах происходит разрыв ${\mathrm{N}}_2$ и образование NO через реакции, например
${\mathrm{N}}_2+\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{NO}+\mathrm{N}$,
$\mathrm{N}+{\mathrm{O}}_2\rightleftharpoons \mathrm{NO}+\mathrm{O}$.
Значимо при $T\gtrsim 1500{}^{\circ }\mathrm{C}$.
- Топливный NO: органическое/хемическое связанное азот в угле превращается в HCN/NH3 в пламени и далее окисляется до NO.
- Prompt NO (Fenimore): реакция радикалов углеводородов с ${\mathrm{N}}_2$ в ранней стадии горения — существенна при избытке горючего.
2) Последствия для окружающей среды и здоровья
- Кислотные осадки: $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ и $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$/$\mathrm{NO}$ → ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$, $\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_3$ → кислотные дожди, повреждение экосистем, коррозия, снижение урожайности.
- Вторичные аэрозоли: окисление $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ и $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{x}}$ даёт сульфаты и нитраты — мелкодисперсные частицы (PM2.5) с риском для здоровья (респираторные и сердечно-сосудистые заболевания).
- Озон в тропосфере: $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{x}}$ + летучие органические вещества + солнечный свет → приземный ${\mathrm{O}}_3$ (смог).
- Видимость: образование светорассеивающих частиц.
- Удобрение/эвтрофикация: избыточные азоты способствуют эвтрофикации водоёмов.
- Технологические проблемы: образование аммония/серной кислоты ведёт к коррозии и отложению на оборудовании.
3) Методы уменьшения выбросов на промышленном уровне
A. Снижение источника (fuel-side)
- Очистка угля: промывка/обогащение — снижение содержания серы (эффект зависит от формы S). Уменьшает $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ уже в топке.
- Высококачественные топлива / смешивание с низкосерными сортами.
B. Управление процессом горения (primary measures, уменьшение образования)
- Низко-NOx горелки (Low-NOx burners): замедление смешения воздуха/топлива, понижение максимальной температуры пламени → уменьшение термического NO.
- Стадированное горение (staged combustion, air staging): создание восстановительной зоны для снижения NOx.
- Рециркуляция дымовых газов (FGR): понижение температуры пламени и O2.
- Reburning: добавка топлива в двухступенчатой камере — восстановительная зона превращает NO в N2, затем дальнейшее дожигание.
- Эффект: первичные меры обычно уменьшают $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{x}}$ на порядок $\sim 20\%-60\%$ в зависимости от технологии и котла.
C. Постобработка (secondary measures)
- Системы десульфурации дымовых газов (FGD):
- Влажный известковый/известняковый скруббер (wet limestone FGD): реагент $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3$ → продукт гипс $\mathrm{CaS}{\mathrm{O}}_4\cdot 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$. Удаление $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ типично $\sim 90\%-99\%$.
- Сухая/полувлажная инжекция адсорбента (DSI): оксид/гидроксид кальция или карбонат натрия — дешевле, эффективность ниже ($\sim 50\%-80\%$ в зависимости от условий).
- Солевые/морские варианты и регенерируемые сорбенты — выбор зависит от стоимости реагента и требований к побочным продуктам.
- Удаление $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{x}}$:
- Selective Catalytic Reduction (SCR): восстановление $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{x}}$ аммиаком/уреей на катализаторе (обычно ${\mathrm{V}}_2{\mathrm{O}}_5-\mathrm{W}{\mathrm{O}}_3/Ti{\mathrm{O}}_2$), температура работы $\sim 300-400{}^{\circ }\mathrm{C}$. Эффективность до $\sim 90\%-95\%$ при правильной работе.
- Selective Non-Catalytic Reduction (SNCR): вводимость аммиака/уреы в зону горения при $T\sim 900-1100{}^{\circ }\mathrm{C}$; эффективность обычно $\sim 30\%-70\%$.
- Комбинации reburning + SCR дают лучшие результаты на крупных ТЭС.
- Удаление вторичных частиц: электрофильтры, рукавные фильтры (baghouses) — для улавливания сульфатных/нитратных частиц.
D. Сопутствующие меры и мониторинг
- Контроль реагента и побочных продуктов: FGD → гипс (возможность продажи), DSI → увеличение золы.
- Взаимодействие технологий: SCR может окислять $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ в $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3$, что усиливает образование ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$ и отложений — требует совместной проработки SCR+FGD.
- Непрерывный мониторинг выбросов (CEMS) и оптимизация режимов работы для минимизации выбросов и расхода реагентов.
4) Практическая рекомендация для ТЭС (интегрированный подход)
- Комбинация первичных и вторичных мер: low-NOx горелки + FGR + SCR (для $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{x}}$) и wet FGD (для $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$) — типичное промышленное решение для достижения строгих нормативов.
- Экономика: выбор зависит от исходного содержания S и N в топливе, требуемых норм выбросов, капитальных затрат и операционных расходов (реагенты, энергопотребление, обслуживание).
- Оценить побочные эффекты (образование $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3$, коррозия, утилизация гипса) при проектировании системы.
Если нужно, могу дать краткую таблицу сравнения технологий по эффективности и стоимости или пример расчёта требуемой мощности SCR/FGD для конкретной котельной (тогда пришлите исходные данные: тепловая мощность, содержание S и N в угле, нормативные лимиты).