PL162895B1 - Sposób usuwania kwasnych zanieczyszczen gazowych ze strumienia przemyslowych gazów odlotowych oraz urzadzenie do usuwania kwasnych zanieczyszczen gazowychze strumienia odlotowych gazów przemyslowychF i g . 1 PL - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób usuwania kwaśnych zanieczyszczeń gazowych ze strumienia przemysłowych gazów odlotowych, a zwłaszcza SO2 i NOx powstających podczas spalania paliwa oraz urządzenie do stosowania tego sposobu.

Do niedawna najwięcej uwagi poświęcano zagadnieniom usuwania SO2 z gazów odlotowych emitowanych do atmosfery, zwłaszcza z elektrowni opalanych węglem i produktami ropopochodnymi w celu wyeliminowania zjawiska tzw. kwaśnych deszczów. Opracowano wiele sposobów usuwania SO2, z których najpowszechniej stosowany jest proces FGD (flue gas desulfurization) polegający na sprzęganiu kotłów emitujących gazy ze skruberami, w których jako czynnik wychwytujący SO2 stosowano roztwory soli wapnia. Jednakże usuwanie samego SO2 z gazów odlotowych okazało się niewystarczające, albowiem stwierdzono, że równie szkodliwe są emisje NOx.

Znane tradycyjnie stosowane metody mokre polegające na absorpcji zanieczyszczeń w roztworach alkalicznych, takich jak zawiesina wapna i kamienia wapiennego nie są wolne od wad. Wadą tych metod jest konieczność operowania dużymi objętościowo strumieniami cieczy o własnościach korozyjnych i erozyjnych, powstawanie znacznych ilości uciążliwych ścieków oraz niemożność równoczesnego usuwania NOx.

Dla uzyskania 90% skuteczności usuwania SO2 konieczne jest stosowanie znacznych nadmiarów reagentów (J. Warych, Oczyszczanie przemysłowych gazów odlotowych, WNT, Warszawa, 1988, str. 383).

Dla usuwania NOx konieczny jest odrębny proces utleniania katalitycznego tlenków azotu.

Opisane są również w literaturze metody usuwania SO2 i NOx z zastosowaniem wiązki elektronów dla radiacyjnego wzbudzenia mieszaniny reakcyjnej gazów. W wyniku oddziaływania elektronów na strumień skondycjonowanych gazów zachodzą reakcje typu jonizacji, powstawania rodników, dysocjacji, rekombinacji itp. Ich końcowym wynikiem mającym znaczenie zasadnicze dla procesu oczyszczania gazu jest między innymi utlenianie zanieczyszczeń SO2 i NOx i spowodowanie reakcji z parą wodną z wytwarzaniem odpowiednio kwasów H 2SO4 i NHO3. W znanych metodach radiacyjnych produkty reakcji, to jest kwasy lub przy wprowadzeniu reagentów alkalicznych odpowiednie sole (na ogół wapniowe lub amonowe) o submikronowej wielkości cząstek usuwane są z gazu bądź na mokro przez wymywanie w skruberach mokrych, bądź na sucho przez filtrację gazów na filtrach elektrostatycznych lub tkaninowych (K. Kawamura, V. H. Shui, Rad. Phys. Chem., 24 (1), 177 (1984); D. J. Helfrich, P. L. Feldman, Rad. Phys. Chem, 24 (1), 129 (1984); polski opis patentowy nr 153259.

Wadą wyżej opisanych sposobów, w przypadku usuwania produktów reakcji na mokro, jest konieczność dużej straty energii na odpylnikach mokrych pracujących z bardzo dużym spadkiem ciśnienia co wynika z potrzeby skoagulowania mikronowych cząstek wychwytywanego produktu. W przypadku zaś usuwania produktów reakcji na sucho przy zastosowaniu filtrów tkaninowych lub elektrofiltrów suchych, ze względu na wymienioną wyżej submikronową wielkość cząstek, ich higroskopijność oraz pracę układu przy temperaturach bliskich nasyceniu powstają problemy występowania utraty przepuszczalności medium filtracyjnego oraz problemy zarastania pyłem trudno dających się usuwać osadów z elektrod zbiorczych oraz wlotowych. Mimo zastosowania szeregu środków zaradczych, zarówno filtry tkaninowe jak i elektrofiltry, aby spełniać wysokie wymagania odnośnie sprawności filtracji, muszą pracować z niższą niż normalnie wydajnością, co powoduje znaczny wzrost kosztów instalacji, niezależnie od występujących trudności w jej eksploa4 162 895 tacji. Z wyżej podanych względów metody te jak dotąd nie znalazły liczących się przemysłowych zastosowań.

Sposób według wynalazku pozwala na uniknięcie wielu niedogodności znanych sposobów, poprzez zastosowanie w procesie radiacyjnym nowego rodzaju filtra, tzw. filtra kondensacyjnego, opisanego w Umwelt nr 3, 1989.

Według wynalazku sposób usuwania kwaśnych zanieczyszczeń z przemysłowych gazów odlotowych polega na tym, że wstępnie odpylone gazy odlotowe schładza się i nawilża przez kontakt z wodą w komorze nawilżania/schładzania. Nawilżane gazy napromienia się wiązką elektronów w komorze reakcyjnej tworząc aerozol kwasu siarkowego i azotowego, który wykrapla się następnie i zbiera na zbiorczych elektrodach elektrofiltra kondensacyjnego, wykonanych z nieprzewodzącego prąd materiału, pokrytych przewodzącą prąd warstewką wykroplonego kondensatu, który odbiera się jako mieszaninę kwasu siarkowego i azotowego, mogącą być produktem handlowym. Produkt ten można zatężyć, zwiększając w nim zawartość kwasów.

W procesie tym wstępnie schłodzony i nawilżony gaz może zostać zmieszany z substancją alkaliczną, korzystnie z gazowym amoniakiem i taka mieszanina może zostać poddana napromienianiu. Wówczas zamiast aerozolu kwasu siarkowego i azotowego tworzy się aerozol roztworu soli doprowadzonej do komory reakcyjnej substancji alkalicznej z kwasem siarkowym i azotowym. Aerozol ten wykrapla się następnie i zbiera na zbiorczych elektrodach elektrofiltra kondensacyjnego w postaci soli siarczanowo-azotanowej z kationem doprowadzonej substancji alkalicznej, korzystnie w postaci siarczanu amonu i azotanu amonu.

Wprowadzenie do komory reakcyjnej mgły wodnej utworzonej ze strumienia oczyszczanego gazu, doprowadzonej wody i ewentualnie substancji alkalicznej, pozwala na zachowanie bliskiego izotermiczności przebiegu procesów radiochemicznych prowadzących do wytworzenia aerozoli kwasu siarkowego i kwasu azotowego, ewentualnie ich soli. Mgła ta zawarta w oczyszczanym gazie zbierana jest elektrostatycznie na chłodzonych z zewnątrz przeponowo zbiorczych elektrodach elektrofiltra kondensacyjnego. Warstwa przewodząca prąd spływa po elektrodach wykonanych z tworzywa sztucznego nieprzewodzącego prądu w przeciwprądzie do przepływającego przechłodzonego poniżej punktu rosy oczyszczonego gazu.

Warunek izotermiczności procesów radiochemicznych nie jest konieczny. Alternatywnie gaz napromienia się bez konieczności utrzymywania warunków izotermiczności przy temperaturze bliskiej punktowi rosy, zaś jego schłodzenie do punktu rosy przed elektrofiltracją na elektrofiltrze kondensacyjnym następuje przy zastosowaniu wstępnego chłodzenia przeponowego. Schładzanie do punktu rosy gazu po nieizotermicznym napromienianiu może być przeprowadzone w rurkach wymiennika stanowiącego odpowiednio powiększone powierzchnie elektrostatycznego urządzenia kondensacyjnego wychwytującego aerozole.

Gaz z komory reakcyjnej, korzystnie po dalszym schłodzeniu przeponowym lub przez nawilżanie kieruje się do rur wymiennika ciepła chłodzącego wodą. Rury wykonane są z tworzywa sztucznego, a wzdłuż osi rur umieszczone są elektrody liniowe. Elektrody np. pierścieniowe doprowadzają napięcie przeciwnego znaku do warstewki kondensatu spływającego wewnętrznej ścianie rur. Warstwa przewodzącego kondensatu stanowi elektrodę zbiorczą. Filtr kondensacyjny, analogicznie jak filtr elektrosattyczny zasila się prądem wysokiego napięcia.

W wyniku ochłodzenia gazu następuje kondensacja pary wodnej na zarodkach będących kropelkami mgły, którą stanowi mieszanina kwasu np. NHO3 i H2SO4 w przypadku usuwania SO2 i NOx lub na zarodkach stałych stanowiących suymi kronowe aerozole będąee produktami reakcji kwasu z alkaliami. W przypadku doprowadzania gazowego amoniaku lub roztworu amoniaku bądź innej substancji alkalicznej jest mieszanina soli, np. mieszanina azotanu i siarczanu amonu. Stężony roztwór kwasu lub soli odebrany z elektrofiltra kondensacyjnego może być dalej zatężany w wyprawce, skąd odbierany może być w postaci gotowego produktu handlowego.

Dla prawidłowej pracy elektrofiltra kondensacyjnego napromieniowany gaz powinien mieć odpowiedni stopień nawilżania i warunki zbliżone do punktu rosy. Dla korzystnego podniesienia punktu rosy i zwiększenia ilości hykondunsohanej pary wodnej do oczyszczanego gazu dodawana jest z zewnątrz para wodna, jeśli jest to konieczne.

Schłodzenie napromienionego gazu przed elektrofiltrem można również osiągnąć przez zastosowanie skrubera zraszanego w układzie adiabatycznym wykroplonym roztworem z elektro162 895 5 filtra kondensacyjnego z niezbędnym dodatkiem wody zależnym od pożądanego stopnia schłodzenia.

Sposób według wynalazku realizuje się w urządzeniu według wynalazku, które ma komorę reakcyjną wyposażoną w co najmniej jeden akcelerator poprzedzoną urządzeniami odpylającymi i komorą nawilżania/schładzania, natomiast za komorą reakcyjną ma elektrofiltr kondensacyjny wyposażony w środki chłodzenia, zasilany prądem wysokiego napięcia.

Przykłady wykonania urządzenia do oczyszczania gazów odlotowych przedstawiono na fig. 1, i 3.

W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 1 gorące gazy pochodzące ze spalania węgla kamiennego odpylane są w elektrofiltrze lub wysokosprawnym urządzeniu odpylającym 1 i kierowane do komory nawilżania/schładzania, które może mieć postać wieży rozpyłowej 2. W wieży tej następuje kondycjonowanie gazów rozpylonym stumieniem wody, polegające na chłodzeniu i nawilżaniu gazów. Temperatura i stopień nasycenia gazów parą wodną powinny być bliskie punktowi rosy, ale temperatura nie powinna być niższa od 45°C. Tak przygotowany gaz przepływa do komory reakcyjnej 3, w której jest on naświetlany wiązką elektronów o energii 700 keV emitowaną przez akcelerator lub zestaw kilku akceleratorów 4.

Zachodzące w reaktorze 3 reakcje radiacyjne prowadzą do powstania mgły mieszaniny kwasu azotowego i siarkowego. Gaz przepływa następnie do elektrofiltra kondensacyjnego 5 chłodzonego wodą, w którym następuje wydzielanie kondensatu kierowanego następnie do wyparki. Elektrofiltr kondensacyjny 5 zasilany jest z zasilacza wysokiego napięcia prądu stałego 6.

W urządzeniu przedstawionym na fig. 3 do strumienia gazu przed komorą reakcyjną doprowadzany jest strumień gazowego amoniaku lub rozpylana woda amoniakalna. Aerozol wytwarzany w komorze reakcyjnej 3 doprowadzany jest do elektrofiltra kondensacyjnego 5 gdzie wychwytywany jest do elektrofiltra kondensacyjnego 5 gdzie wychwytywany jest w postaci roztworu będącego mieszaniną azotanu i siarczanu amonowego.

W urządzeniu przedstawionym na fig. 2 między komorą reakcyjną a elektrofiltrem kondensacyjnym 5 umieszczona jest wieża nawilżająca 7 lub wymiennik ciepła, w których następuje dowilżanie lub chłodzenie gazu. Uzyskany w elektrofiltrze kondensacyjnym 5 roztwór może być zatężany również w wieży 2 ciepłem zawartym w oczyszczanych gazach.

Dzięki wykorzystaniu ciepła i wilgoci zawartych w kondensacie odbieranym z elektrofiltra kondensacyjnego 5, czy to przez podawanie go do skrubera 7, czy komory schładzająco/nawilżającej 2 można znacznie poprawić ekonomikę procesu.

Sposób i urządzenie według wynalazku ilustrują następujące przykłady, które nie ograniczają jego zakresu.

Przykład I. Przedstawiono tu sposób oczyszczania gazów w instalacji przedstawionej na fig. 1.

Gorące gazy spalinowe o zawartości pyłu 5 g/m³ odpylano w elektrofiltrze 1, na skutek czego zawartość pyłu zmalała do 0,03 g/m³. Strumień odpylonych gazów o temperaturze 170°C w ilości 20.000 Nm³/h i składzie około 70% objętościowych azotu, około 14% objętościowych CO2, około 6% objętościowych tlenu, około 10%o objętościowych H2O (0,065 kg/kg) w postaci pary wodnej. Zanieczyszczenia gazów wynoszą około 1000 ppm SO2 i 370 ppm NOx w preeiiceeniu na NO2) (ppm - części na milion), kierowano do wieży rozpyłowej 2.

Gazy w wieży rozpyłowej schładzano do temperatury 55°C i nawilżano do zawartości około 16% objętościowych pary wodnej. Tak przygotowany gaz kierowano do reaktora 3, w którym naświetlano go wiązką elektronów z dwóch akceleratorów ELW-3 o energii 700 keV. Moc dawki wyniosła 20kGy. W wyniku reakcji radiochemicznych nastąpiło utlenienie SO2 do SO3 i NOx do NO2, będących rodnikami kwasu siarkowego i kwasu azotowego. Rodniki te w połączeniu z wodą występującą w gazie w postaci pary utworzyły mieszaninę kwasów azotowego i siarkowego w postaci mgły wynoszonej przez gaz z reaktora. W wyniku oddziaływania wizzki llekrrnóów temperatura gazu wzrosła o około 5°C do temperatury około 60 °C.

Następnie gazy skierowane do elektrofiltra kondensacyjnego 5 zostają ochłodzone przeponowo do temperatury 45°C i ulegają wykropleniu. Wykroplony kondensat w ilości 1706 kg/h zawierał około 5% wagowych kwasu siarkowego i 1% wagowy kwasu azotowego i kierowany był

162 895 do wyparki, gdzie zagęszczany był do stężenia około 60% wagowych. Otrzymana mieszanina kwasów jest produktem handlowym znajdującym zastosowanie np. w ekstrakcyjnej metodzie produkcji kwasu fosforowego.

Gazy opuszczające układ zawierają około 72% objętościowych azotu, około 6% objętościowych tlenu, około 14% objętościowych CO2 i około 8% objętościowych pary wodnej. Stężenie zanieczyszczeń gazowych wynosi około 100 ppm SO2 i około 90 ppm NO» (w przeliczeniu na NO2). Oczyszczone gazy kierowane są do strumienia gazu gorącego (nie poddanego procesowi oczyszczania) lub po podgrzaniu rekuperacyjnym do temperatury 75°C kierowane są do komina.

Przykład II. Oczyszczanie gazów prowadzono w urządzeniu przedstawionym na fig. 2.

Do gazów o składzie i w ilości podanej w przykładzie I, po skondycjnonowaniu w wieży 2 jak podano w przykładzie I, przed reaktorem 3 doprowadzano amoniak gazowy w ilości stanowiącej 0,9 stechiometrycznej ilości SO2 i NO» (tj. 32,4 kg/h). W wyniku reakcji radiacyjnej, przy naświetlaniu wiązką elektronów jak w przykładzie I powstające kwasy ulegały neutralizacji amoniakiem. W wyniku reakcji powstał aerozol będący mieszaniną azotanu i siarczanu amonu. Około 15% NO» w przeliczeniu na NO2 było redukowane przez amoniak do azotu.

Mieszaninę kierowano do elektrofiltra kondensacyjnego, gdzie ulegał ochłodzeniu do temperatury 45°C i wykropleniu. Chłodzenie prowadzono przeponowo. Można również prowadzić chłodzenie bezprzeponowe przy zastosowaniu odpowiedniej ilości wody zraszającej elektrodę zbiorczą. Otrzymany kondensat zawierał 22,4 kg/ha NH4NO3 i 106,1 kg/h (NH4)2SO4 o stężeniu mieszaniny w zależności od ilości wody zraszającej około 4-7% wagowych. Kondensat może być stosowany jako ciekły nawóz sztuczny lub po zatężeniu i krystalizacji jako nawóz stały.

Oczyszczone gazy kierowane są do komina. Tak jak w przykładzie I zawartość SO2 uległa obniżeniu z 1000 ppm do około 100 ppm oraz zawartość NO» w przeliczeniu na NO2 uległa obniżeniu z 370 ppm do 90 ppm.

GAZY

I

ΖΑΤζΖΟΝΖ

ROZTWÓR

PRODUKTÓW

Fig.3

Fig.2

6Azr

OCZYSZCZONE

KONDENSAT

Fig.1

Departament Wydawnictw UP RP Nakład 90 egz Cena 10 000 zł

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób usuwania kwaśnych zanieczyszczeń gazowych ze strumienia przemysłowych gazów odlotowych, przez napromieniowanie ich wiązką elektronów, a następnie odbiór produktu z elektrofiltra, znamienny tym, że gazy odlotowe schładza się i nawilża, korzystnie do wilgotności bliskiej punktowi rosy przez kontakt z wodą, ewentualnie z dodatkiem amoniaku lub innych substancji alkalicznych, następnie napromienia się je wiązką elektronów w komorze reakcyjnej tworząc aerozol kwasu siarkowego, azotowego, ewentualnie w postaci soli, który wykrapla się i zbiera elektrostatycznie na zbiorczych elektrodach elektrofiltra kondensacyjnego, wykonanych z materiału nieprzewodzącego prąd, pokrytych przewodzącą prąd warstewką wykroplonego kondensatu, który odbiera się.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbce poddaje się gazy odlotowe wstępnie oczyszczone z pyłów.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do komory reakcyjnej doprowadza się dodatkową wilgoć w postaci mgły lub rozpylonej wody i napromieniowanie prowadzi się w warunkach izotermiczności procesu radiochemicznego.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do strumienia gazu, przed jego napromieniowaniem, doprowadza się gazowy amoniak o temperaturze bliskiej temperaturze strumienia przepływającego gazu, a następnie z elektrofiltra kondensacyjnego odbiera się roztwór soli amonowych (NH₄)₂SO₄ i NH₄NOa.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ze napromieniowany gaz, przed kondensacją na elektrofiltrze kondensacyjnym, schładza się za pomocą wstępnego chłodzenia przepono wego.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że napromieniowany gaz schładza się w rurkach wymiennika stanowiącego odpowiednio powiększone powierzchnie elektrofiltra kondensacyjnego wychwytującego aerozole.
7. 7. Sposób według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że do oczyszczonego wstępnie gazu odlotowego dodaje się parę wodną dla podniesienia punktu rosy i zwiększenia ilości wykroplonej pary wodnej.
8. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że napromieniowany gaz, przed elektrofiltrem kondensacyjnym, schładza się do punktu rosy w skruberze zraszanym w układzie adiabatycznym roztworem wykraplanym z elektrofiltra z ewentualnym dodatkowym chłodzeniem wodą.
9. 9. Urządzenie do usuwania kwaśnych zanieczyszczeń gazowych ze strumienia przemysłowych gazów odlotowych, znamienne tym, że ma komorę reakcyjną (3) wyposażoną w co najmniej jeden akcelerator (4), korzystnie poprzedzoną odpylaczem (1), zwłaszcza elektrofiltrem i komorą (2) schładzania/nawilżania usytuowaną pomiędzy odpylaczem (1) a komorą reakcyjną (3), zaś za komorą reakcyjną (3) ma zainstalowany elektrofiltr kondensacyjny (5) wyposażony w zasilacz/regulator (6) wysokiego napięcia, środki do przeponowego chłodzenia oraz przewody odprowadzające oczyszczone gazy odlotowe i kondensat, a ponadto urządzenie to ewentualnie zaopatrzone jest w przewód doprowadzający substancje alkaliczne, zwłaszcza amoniak, do strumienia gazów poddawanych oczyszczaniu przed, do lub za komorę (2) schładzania/nawilżania i/lub przewód bocznikujący łączący elektrofiltr kondensacyjny (5) z komorą schładzania/nawilżania (2) do doprowadzania kondensatu do tej komory, wówczas komora ta zaopatrzona jest w przewód odprowadzania kondensatu.
10. 10. Urządzenie do usuwania kwaśnych zanieczyszczeń gazowych ze strumienia przemysłowych gazów odlotowych, znamienne tym, że ma odpylacz (1), korzystnie elektrofiltr przed komorą (2) schładzania nawilżania, zaopatrzoną w środki do doprowadzania wody, substancji alkalicznych, zwłaszcza gazowego amoniaku, za którą usytuowana jest komora reakcyjna (3) wyposa162 895 żona co najmniej w jeden akcelerator (4), za komorą tą zainstalowana jest wieża (7) nawilżająco-chłodząca zaopatrzona w przewód bocznikujący połączony z komorą (2), za komorą reakcyjną (3) i wieżą (7) zainstalowany jest elektrofiltr kondensacyjny (5) zasilany wysokim napięciem, zaopatrzony w środki do chłodzenia oraz przewody odprowadzania kondensatu i oczyszczonych gazów odlotowych.