Сероочистващи инсталации

Серният диоксид е един от най-сериозните и в същото време трудни за отстраняване замърсители на атмосферния въздух. Той е безцветен газ с остра миризма, който при попадане в атмосферата, под въздействието на слънчевата светлина встъпва в каталитическа или фотохимическа реакция с други замърсяващи вещества, вследствие на което се образуват SO3, сярна киселина и сулфати. Той е и сред основните причинители на киселинните дъждове.

Основен източник на серни емисии в атмосферата са горивните процеси, при които се изгарят горива с високо съдържание на сяра като въглища, нефт и др. Това е причината като най-сериозен замърсител да се определят топлоелектрическите централи, изгарящи фосилни горива. Сред замърсителите са и горивните процеси в редица индустриални производства, металургията, химическата промишленост и други.

Освен че са сред основните причинители на киселинните дъждове, серните окиси оказват силно негативно влияние върху околната среда и човешкото здраве. При отлагане на големи количества серен диоксид върху земната повърхност това може да доведе до промяна на киселинността във водните басейни и почвите, което оказва неблагоприятен ефект върху състоянието на екосистемите.

Обикновено методите за намаляване на емисиите от серен диоксид в атмосферата, генерирани от горивните процеси, са свързани с намаляване на съдържанието на сяра в използваното гориво преди неговото изгаряне, предотвратяване на образуването на серен диоксид в процеса на горене и отстраняване на серния диоксид след изгаряне на горивото.

Намаляване на съдържанието на сяра в горивото
Емисиите от серен диоксид са пропорционални на съдържанието на сяра в самото гориво. Съответно, един от най-простите начини за намаляването им е чрез използването на горива с ниско съдържание на сяра. Обикновено съдържанието на сяра във въглищата може да варира от под 0,5% до над 10% от теглото им. Добиваните в България въглища могат да бъдат отнесени към тези с ниско съдържание на сяра, което обикновено е до около 2%. Сярното съдържание на донецките въглища, които са най-често внасяните в страната, е около 2,5%, поради което могат да бъдат отнесени към въглищата със средно сярно съдържание.

Във въглищата сярата обикновено е под органична и неорганична форма и сулфати. Неорганичната сяра, под формата на пирит (FeS2), може да бъде премахната сравнително лесно чрез просто измиване на въглищата. По този начин може да се постигне понижаване на съдържанието на сяра с 10 - 50% от общото съдържание. Възможностите на този метод обаче са ограничени, а в същото време това е свързано с генерирането на големи количества отпадна вода. Измиването също така може да доведе и до промяна на физичните характеристики на въглищата, което да създаде допълнително проблеми в процеса на горене.

Предотвратяване на образуването на серен диоксид в процеса на горене
Разработени са различни технологии, целящи предотвратяване на образуването на серен диоксид в процеса на горене, но много малко от тях успяват да намерят практическо приложение. Сред най-разработените до момента са изгаряне в кипящ слой (Fluidised Bed Combustion) и процесът на интегрирана газификация с комбиниран цикъл (Integrated Gasification Combined Cycle).

Изгаряне в кипящ слой. Това е горивна технология, прилагана предимно при изгарянето на антрацитни и кафяви въглища. Счита се за подходяща и при изгаряне на други твърди горива като нефтен кокс и нискокачествени горива например горими отпадъци, торф и дърва. Самият процес включва изгаряне на въглищата в слой от инертни материали като пясък например и интензивно подаване на въздух с висока скорост под слоя. С увеличаването на скоростта на въздуха отделните частици преминават от статичен слой в напълно суспендирани във въздушния поток. В това състояние слоят се държи като течност и се описва като кипящ. През слоя преминават тръби, през които тече вода. Съответно, генерираната от процеса топлина загрява водата, вследствие от което се произвежда пара, която се използва за задвижване на парни турбини и производство на електрическа енергия.

Движението на кипящия слой в рамките на горивната камера води до по-голяма ефективност при преноса на топлина към водата. По този начин се постигат по-ниски работни температури в сравнение с конвенционалните системи.

Контролиране на емисиите на SO2 е чрез добавяне на сорбент (вещество, използвано за поглъщане на SO2, например вар или варовик) към слоя инертен материал. Варовикът ефективно поглъща серния диоксид, отделен от въглищата и го запазва в рамките на пепелта, която се отстранява редовно. Ниските температури на горене позволяват протичането на ефективен горивен процес, без да се стига до размекване на пепелта, поради което пепелта, съдържаща SO2, може лесно да се отстрани. С тази технология може да се достигне до 80-90% намаляване на серния диоксид. Като основни недостатъци на системата се посочват необходимостта от голямо количество сорбент и големите количества силно алкални отпадни продукти, които обикновено биват депонирани в депа.

Процес на интегрирана газификация с комбиниран цикъл. Този процес включва газификация на въглища и комбиниран цикъл за генериране на енергия в газова и парна турбина. Въглищата се газифицират под налягане със смес от въздух и пара. Полученият газ се подава към газова турбина за производство на електричество. Поради превръщането на въглищата в газ при газификацията, съдържащата се сяра се превръща в сероводород, който може лесно да бъде отстранен и продаден за използване в химическата индустрия. В процеса може да се интегрира и система за очистване на газовете, с което емисиите могат да бъдат редуцирани с повече от 99%. Също така отпадните получени отпадни продукти са в малки количества. Получената отпадна топлина от газовата турбина се насочва към парна турбина за производство на енергия.

Отстраняване на серния диоксид след изгаряне на горивото
Емисиите от серен диоксид могат да бъдат намалени чрез пречистване на димните газове преди изхвърлянето им в атмосферата. Използваните технологии могат да бъдат класифицирани като регенеруеми и нерегенеруеми и са познати още като процес на десулфуризация на димните газове. Те се явяват вторични, тъй като целят отстраняването на вече образувани серни оксиди.

Съвременните технологии за обработка на димните газове се основават на отстраняването на сярата чрез мокри, сухи или полусухи и каталитични химични процеси. В различните сектори се използват различни процеси за обработка на димните газове. В топлоелектрическите централи например, тези процеси обикновено включват - мокро очистване с вар/ варовик (МПВ); абсорбция със сухо впръскване (АСВ); метод на Уелман Лорд (УЛ); промиване с амоняк (ПА); комбинирани процеси за отстраняване на NOx/SOx (процес с активен въглен (АВ) и отстраняване на NOx/SOx с комбиниран катализатор). В енергийния сектор се използват предимно мокрото очистване с вар/ варовик и абсорбцията със сухо впръскване, като делът на първия метод е в пъти по-висок. Разработени са и няколко нови процеса за десулфуризация на димни газове, които обаче все още не са преминали пилотния етап.

Мокрото очистване с вар/ варовик е една от най-често използваните системи в световен мащаб, като една от причините за това е нейната простота. Пречистването на димните газове е посредством впръскването на каша, получена от смесването на натрошен варовик/вар с вода, в съдържащите сяра димни газове. Сорбентът реагира със серния диоксид, образувайки водна суспензия на калциев сулфит. Продуктът след това се обработва за премахване на излишната вода и се използва или депонира. Посредством тази технология се постига около 90% улавяне на серния диоксид.

При абсорбцията със сухо впръскване каша от алкален сорбент, обикновено гасена вар, се впръсква в димните газове под формата на фин спрей. От топлината на димните газове водата се изпарява, което води до охлаждане на газовете. Съдържащият се SO2 реагира със сорбент, образувайки твърд продукт без отпадъчни води.

Процесът на Уелман Лорд може да бъде разделен на два основни етапа – абсорбция и регенерация. При абсорбцията горещите димни газове преминават първо през скрубер, където пепелта, хлороводородът, флуороводородът и SO3 се отстраняват. Газовете се охлаждат и се отвеждат към абсорбционен апарат. След попадането на димните газове в абсорбера, от горната му част в димните газове се впръсква наситен разтвор на натриев сулфит. Натриевият сулфит реагира със серния диоксид, вследствие от което се получава натриев бисулфит. Концентрираният разтвор на натриев бисулфит се събира и се отвежда към изпарителна система за регенерация. При регенерацията натриевият бисулфит се разрушава с помощта на пара за образуването на натриев сулфит, който се връща обратно в димните газове. Останалият продукт – свободен серен диоксид, се превръща в елементарна сяра, сярна киселина или течен серен диоксид. Тази система предлага редица предимства в сравнение с останалите. Като основно предимство обикновено се посочва фактът, че сорбентът се регенерира по време на горивния процес и протича непрекъсната рециркулация.

За отстраняване на серния диоксид може да се използва и морска вода. При този процес се използва естествената алкалност на морската вода за улавяне на киселинни газове. Димните газове се подават към абсорбцинен апарат, където се обтичат с насрещно течение от морска вода. Топлината на димния газ загрява морската вода и газовете се охлаждат. По време на този процес SO2 се абсорбира от морската вода, след което се подава към пречиствателна станция, където се добавя допълнително морска вода, за да се увеличи рН. За окисляване на абсорбирания SO2 до сулфат и за насищане на морската вода с кислород допълнително се добавя въздух. След процеса морската вода се зауства в морето. Тази система е елементарна и надеждна, с ниски капиталови и оперативни разходи. С нея може да се постигне премахване на серния диоксид до 99%. Добре е да се има предвид обаче, че в заустваната в морето вода се съдържат тежки метали и хлориди.