Các chất ô nhiễm hình thành trong quá trình cháy

Posted on April 20, 2010

0


(06-05-2009 09:27:10)

Trong quá trình cháy trong lò hơi, các chất ô nhiễm chủ yếu là NOX, SOX và thủy ngân là các dạng dễ xuất hiện nhất, ngoài ra còn có các hợp chất biến đổi khác ở nồng độ đáng kể. Các dạng chính cũng như phụ đều có ảnh hưởng quyết định tới việc lựa chọn phương pháp khống chế và tính năng của thiết bị khống chế trong quá trình vận hành.

Như chúng ta đã biết, ở nhiệt độ rất cao, N2 và O2 phản ứng với nhau để tạo ra các ôxit nitơ. Cụ thể là sét trong cơn giông tạo ra các ôxít này, chúng thấm xuống đất và trở thành nguồn nitơ nuôi cây cối. Tuy nhiên, NOX tạo ra trong lò hơi nhà máy điện đốt than thường chỉ có 25% là do N2 và O2 phản ứng với nhau trong không khí đốt lò. ¾ còn lại là từ nitơ trong nhiên liệu.

NOX hình thành do sét và đốt than trong các lò hơi ngành điện

Cơ chế thứ hai này chịu ảnh hưởng rất lớn của kiểu lò đốt. Các lò hơi xiclon thường tạo ra nhiều NOX hơn so với các lò chạy bằng than bột. Như vậy chỉ từ quan điểm thiết kế lò hơi, kiểu lò hơi có tác động lớn tới lượng NOX cần loại bỏ.

Nhân tố quan trọng kia là thành phần của các NOX. Nói chung, khoảng chừng 90% sản phẩm ban đầu là NO, phần còn lại chủ yếu là NO2. NO2 có thể hòa tan phần nào đó trong nước (và thậm chí còn dễ hòa tan hơn nếu như được ôxy hoá tiếp thành N2O5), trong khi đó NO lại không. Kết quả là không thể sử dụng tháp lọc ướt để loại trừ NO và buộc phải phát triển các kỹ thuật khác để thu hồi NOX. Một trong số các kỹ thuật được áp dụng sớm nhất là sử dụng gió quá nhiệt (overfire air), theo đó giai đoạn cháy ban đầu được thực hiện với hỗn hợp có phần nghèo không khí để một phần đáng kể các nguyên tử nitơ trong than đá tự phản ứng để tạo thành N2. Giai đoạn cháy cuối cùng được thực hiện bằng việc phun thêm không khí vào bên trên ngọn lửa chính. Trong các phản ứng với nitơ, đây là phản ứng bền nhiệt động nhất, do liên kết ba giữa các nguyên tử nitơ trong phân tử N2 rất bền. Các phát triển mới trong công nghệ gió quá nhiệt tiếp tục cải thiện khả năng giảm NOX. Có thể nói rằng chỉ riêng quá trình này nhiều khi đã có thể giảm nồng độ NOX xuống dưới 0,09 kg/Mbtu.

Để giảm NOX xuống hơn nữa, tốt nhất là sử dụng phương pháp khử không xúc tác có chọn lọc (SNCR) và khử có xúc tác có chọn lọc (SCR), khử SCR có thể giảm nồng độ NOX xuống còn 0,1 pao/MBtu (0,045 kg/MBtu) hoặc thấp hơn. Trong cả hai kỹ thuật này, amoniắc (NH3) và urê (N2H4CO) được phun vào trong dòng khói thải để phản ứng với NOX. Quá trình này được mô tả sơ lược bằng các phương trình sau:


Hợp chất chứa lưu huỳnh thường gặp nhất xuất hiện trong quá trình cháy là SO2. Chính hợp chất này được loại bỏ trong tháp lọc. Tuy nhiên, lượng nhỏ SO3 cũng hình thành trong lò đốt và một tỷ lệ nhỏ SO3 nữa có thể tạo ra do ôxi hóa SO2 tại các tầng xúc tác SCR. Mọi người biết rõ rằng SO3, nếu được đưa thêm ở mức khống chế vào khói thải, sẽ làm giảm điện trở suất của tro bay á bitum (loại tro bay được tạo ra từ than vùng Powder River Basin – PRB). Nhưng SO3 nhiều quá mức lại tạo ra làn khói xanh từ ống khói, và có lẽ quan trọng hơn, SO3 phản ứng với hơi ẩm trong không khí để tạo ra axit sunfuric (H2SO4).

Mặc dù SO3 phản ứng với hơi ẩm trong không khí, nhưng tháp lọc ướt thì lại hầu như không giữ được hợp chất này. Dù vậy, để khắc phục những khó khăn đối với SO3, người ta đã phát triển một số kỹ thuật nhằm ngăn ngừa việc tạo ra hoặc thải SO3 qua ống khói. Cụ thể như phát triển các chất xúc tác SCR giảm thiểu hiện tượng ôxi hóa SO2 thành SO3 và phun chất kiềm vào để trung hòa SO3 trước, sau đó thu hồi trong tháp lọc.

Thủy ngân bị ôxi hóa rất dễ hòa tan và sẽ được thu hồi trong dung dịch tháp lọc ướt, nhưng thủy ngân ở dạng đơn chất thì lại không.

Sự hình thành thủy ngân khi nó thoát ra khỏi than trong và sau quá trình cháy là rất đáng quan tâm và phụ thuộc vào hàm lượng clo trong than. Khi không có clo, thủy ngân có xu hướng xuất hiện ở dạng đơn chất. Clo ôxi hóa thủy ngân chủ yếu thành Hg+2. Điều này ảnh hưởng lớn tới phương pháp thu hồi thủy ngân trong khói thải. Thủy ngân ôxi hóa rất dễ hòa tan, nhưng thủy ngân ở dạng đơn chất thì lại không. Do đó, đối với các công ty điện lực đốt than bitum miền Đông, tháp lọc ướt là giải pháp tiềm năng để loại bỏ phần lớn thủy ngân trong khói thải. Thủy ngân ôxi hóa cũng sẽ được hấp thụ vào các vật liệu có chứa than, than chưa cháy hết có trong khói thải cũng như than hoạt tính được chủ động phun vào. Khi SO2 được chuyển từ pha khí sang pha lỏng (và khi nó phản ứng lần đầu tiên với chất kiềm, có thể là đá vôi hay vôi), sản phẩm anion được tạo ra là muối sunfit (SO3-2). Sunfit dễ dàng bị ôxi hóa bởi không khí trong khói thải hoặc do việc phun không khí cưỡng bức, nhưng nó cũng có thể bị ôxi hóa do thủy ngân, mà thuỷ ngân khi đó trở về dạng đơn chất, không hòa tan được.

Đối với than PRB, chứa ít clo hơn loại than bitum, thủy ngân ở dạng đơn chất thường chiếm đa số. Mặc dù cũng có một lượng nào đó thủy ngân ở dạng đơn chất sẽ bị hấp thụ vào vật liệu chứa cácbon, nhưng quá trình này sẽ hiệu quả nhiều hơn nếu có thể ôxi hóa thủy ngân. Do đó, nhiều thử nghiệm đang tiến hành để ôxi hóa thủy ngân bằng cách phun muối clorua hay brômua vào trong khói thải hoặc là vào than trước khi đốt.

Một nhân tố tác động không tốt tới việc hấp thụ thủy ngân bằng vật liệu chứa cácbon là việc phun SO3 để làm tăng hiệu suất lọc tĩnh điện (EPS). Đốt than PRB tạo ra tro có điện trở suất cao, làm giảm một lượng nhỏ SO3. Tuy nhiên, SO3 cũng bị cácbon hấp thụ, do đó giảm hiệu quả giữ thủy ngân. Đây là một khó khăn vẫn đang được nghiên cứu.

Một dạng khác

Vấn đề cuối cùng đã được biết rõ từ nhiều năm nay nhưng vẫn là mối quan ngại của các công ty điện lực đốt một số loại than, đó là natri. Nhiều chất vô cơ trong than có cấu trúc silic phức tạp trong đó các kim loại khác nhau (như natri, nhôm, kali và các kim loại khác) liên kết với nhau. Nhưng natri cũng có thể tồn tại ở dạng muối, ví dụ như clorua. Khi đốt than, lượng natri “tự do” này bay hơi, nhưng sau đó bắt đầu ngưng tụ lại trong dải nhiệt độ xấp xỉ từ 1.300 F (700oC) tới 1.500 F (815oC). Tất nhiên khoảng nhiệt độ này tồn tại ở trong khoang phía sau lò hơi. Ở đó, natri ngưng tụ và giống như một loại keo, nó gom tro bay lại, tạo thành lớp bám tụ trên các ống quá nhiệt và ống gia nhiệt lại.

Một vấn đề có thể nảy sinh ở các công ty điện lực mà cán bộ quản lý nhiên liệu có quyền mua nhiều loại than ở thị trường tự do dựa vào giá thấp nhất. Mặc dù có thể nhiên liệu đều đến từ cùng một địa phương, nhưng chất lượng than giữa các mỏ – thậm chí nhiều khi trong cùng một vỉa than – có thể rất khác nhau, đặc biệt khi xét đến các tạp chất có trong than. Trong một số trường hợp, có thể dẫn đến hiện tượng tắc lò nhanh chóng và nghiêm trọng ở khoang phía sau lò hơi, với những hậu quả nghiêm trọng. Khi đó, ít nhất cũng có một số trường hợp mà chắc chắn nguyên nhân chính là do hàm lượng tăng cao chất bốc natri có trong than đá.

HIENDAIHOA.COM Theo KHCN Điện

Tagged: , , ,