Снижение содержания серы в топливе

Выбросы оксидов серы в атмосферу определяются качеством и количеством сжигаемого топлива. В России месторождения углей с высоким содержанием серы расположены в основном в европейской части страны, где и сжигается наибольшее количество топлива (около 75 %).

Содержание серы в угле и нефти колеблется в зависимости от их вида и генезиса (в каменном угле — 1 %, в буром угле — 1— 5 %; в малосернистых сортах нефти — менее 1 %; в высокосернистых сортах — до 5 %, наиболее часто встречаются сорта нефти с содержанием серы около 1,5%).

При сжигании топлива 95—98 % серы переходит в отходящие газы в виде S02 и S03 и только малая ее часть остается в золе. Отходящие газы больших электростанций, работающих на буром угле, содержат в дымовых газах 0,1—0,2 % диоксида серы.

Для ограничения выбросов диоксида серы в энергетических производствах в процессах горения применяют четыре основных метода: использование топлива с пониженным содержанием серы; снижение содержания серы в топливе; ограничение выбросов серы в процессе горения; удаление оксидов серы из отходящих газов.

Наиболее простым решением является замена сернистого топлива на другой вид, содержащий меньшее количество серы. Как правило, это означает применение нефтяного топлива с более низким содержанием серы взамен бурого угля. Наиболее востребованным видом топлива является природный газ, характеризуемый минимальными выбросами твердых частиц.

Помимо диоксида серы токсичной примесью в отходящих газах может быть S03. При сжигании угля концентрация S03 достигает 3 — 5 % объема газообразных соединений серы, при сжигании нефти — 6 —8 %.

Электростанции, производящие за год 800 МВт энергии, потребляют за это время 6 млн т бурого угля. При среднем содержании в нем серы 1,5 % ежегодно в атмосферу выбрасывается 85 тыс. т серы, что составляет 165 тыс. т диоксида серы и 5 тыс.

Ввиду невысокого содержания триоксида серы в отходящих газах специальных методов очистки газов от этого компонента не применяют. Считается, что его концентрация снижается при проведении очистки от других токсичных примесей в отходящих газах.

С экологической точки зрения более выгодны электростанции, работающие на жидком топливе — здесь выбросы соединений серы в два раза ниже (по сравнению с углем). Поэтому все большее предпочтение отдается жидким и газообразным топливам как основным источникам энергии.

Удаление серы из топлива. Сжигание топлива с низким содержанием серы приводит к уменьшению выбросов оксидов серы в атмосферу. Одновременно это позволяет значительно снизить выбросы соединений ванадия, обладающих высокой токсичностью. Дополнительно решается проблема защиты котельного оборудования от сернокислотной коррозии. Извлечение серы из топлива также позволяет получить ее в виде ценного продукта — элементарной серы, которая может быть использована затем для производства всех серосодержащих продуктов. Удаление соединений серы из угля осуществляется физическими, химическими и биологическими методами.

В твердом топливе сера может присутствовать в виде сульфидов — FeS2, сульфатов и серы, связанной в органические соединения. Сульфаты составляют незначительную часть соединений серы в угле. Основные трудности связаны с извлечением пирит- ной и органической серы. Сульфидную серу удаляют физическими методами, чаще с применением гравитационной сепарации — таким образом можно уменьшить содержание серы в топливе на 10 — 50 %. Метод эффективен, когда колчедан вкраплен в топливо в виде крупных кусков. Установки для выделения колчедана из твердого топлива использовались на ряде ТЭЦ.

Выделение органической серы из топлива технически более сложно, и эти работы носят в основном опытный характер.

Извлечение серы из жидкого топлива проводят на нефтеперерабатывающих заводах (см. 10.6). Существует два способа дисуль- фуризации жидкого топлива.

При косвенном способе часть тяжелых нефтяных остатков сначала обрабатывают путем вакуумной перегонки или селективной экстракции. В результате получают легкие фракции, которые подвергают гидрированию водородом. Процесс ведут при температуре 375 —500°С и давлении 1,4 МПа в присутствии катализатора. Содержание серы в нефти снижают на 80—95 %. Степень отделения серы в низкокипящих фракциях выше, чем в высококипящих фракциях.

Сера, находящаяся в топливе, образует сероводород и выделяется в газовую фазу. Полученное обессернистое топливо смешивают с основной массой и получают топливо с более низким содержанием серы. Способ хорошо разработан и не вызывает технических трудностей, но не позволяет получить топливо с содержанием серы менее 1 %.

Прямой способ удаления серы предполагает обработку всей нефти, исключая стадию выделения легкой фракции. Процесс осуществляют методом каталитического гидрирования при повышенных температурах.

Техническое осуществление способа более сложное по сравнению с косвенным. Первая трудность заключается в присутствии в нефти соединений тяжелых металлов — ванадия, никеля, железа и др. Они отравляют катализатор, осаждаясь на его поверхности. Катализатор приходится менять достаточно часто. Второй трудностью является наличие в нефти тяжелых частиц — крупных органических структур с большим количеством ароматических ядер, насыщенных серой, которые трудно подвергаются гидрированию. При нагревании они образуют кокс на поверхности катализатора, снижая его активность. Для предотвращения этого явления необходимо иметь в реакторе избыток водорода и проводить процесс при высоком давлении.

Предварительно нефть должна быть освобождена от механических примесей. Поэтому приходится вводить дополнительную стадию фильтрации.

На рис. 7.3 приведена технологическая схема гидрообессеривания. Тяжелую фракцию совместно с газом, насыщенным водородом, подают в установку под давлением 10—10,5 МПа и нагревают сначала в теплообменнике 1 за счет охлаждения продуктов, выходящих из реактора, а затем в печи 2 до температуры 360— 420 °С.

Продукты реакции выходят из реактора, охлаждаются в теплообменниках 7 и 8 и последовательно проходят сепараторы высокого и низкого давления 6, 7. Водород очищается от газов в абсорбере 4 и перекачивается в цикл гидроочистки, а жидкие продукты поступают в отгонную колонну 5. Жидкие продукты, выходящие из отгонной колонны, представляют собой топливо с низким содержанием серы.

Стоимость полученного топлива примерно в два раза превышает стоимость обычного топлива и требует больших затрат высококачественного водорода.

В ряде зарубежных стран переработка топлива методом обессеривания осуществляется в больших масштабах. Например, в Японии, которая ввозит из стран Ближнего Востока нефть с содержа-

Рис. 7.3. Технологическая схема гидрообессеривания сернистой нефти:

/— теплообменник; 2— печь; 3— реактор; 4— абсорбер сероводорода; 5— отгонная колонна; 6, 7— сепаратор водорода; 8~ охладитель

нием серы до 4 %, нефтеперерабатывающие заводы фирм «Катима ойл» и «Ниппон Майнинг» производят около 40 млн т обессеренного топлива.