RU80769U1 - Технологическая линия для очистки дымовых газов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к природоохранным действиям, позволяющим проводить очистку дымовых (парниковых) газов промышленных предприятий, ТЭЦ, ТЭС, котельных и т.д., предотвращающим загрязнение окружающей природной среды и развитие парникового эффекта в атмосфере Земли.

Задачей полезной модели является практически полное связывание дымовых газов ТЭС и ТЭЦ; выбросов химических предприятий и предприятий, производящих, например, алкогольную продукцию, содержащих углекислый газ (СO₂), окислы азота (NO_x), двуокись серы (SO₂) и другие газы с последующим их улавливанием и утилизацией, а также сокращение расхода топлива, что ведет к уменьшению выбросов дымовых (парниковых) газов.

Сущность процесса состоит в следующем. Горячие дымовые газы вначале очищаются от двуокиси серы. Процесс идет в рабочей зоне установки активации процессов. При высокой температуре растворимость СО₂ в воде очень низка; при тех же условиях SO₂ активно реагирует с водой, образуя сернистую кислоту, которую отделяют и накапливают в сборнике. Углекислый газ, постепенно охлаждаясь, движется далее ко второму аппарату активации процессов, в котором он может быть уловлен водой. В случае введения в аппарат известкового молока (суспензии Са(ОН)₂ в воде) образуется простой известняк СаСО₃, который выпадает в осадок. УАП устанавливают рядом друг с другом.

Description

Полезная модель относится к природоохранным действиям, позволяющим проводить очистку дымовых (парниковых) газов промышленных предприятий, ТЭЦ, ТЭС, котельных и т.д., предотвращающим загрязнение окружающей природной среды и развитие парникового эффекта в атмосфере Земли.

В настоящее время загрязнение окружающей природной среды и развитие парникового эффекта пытаются уменьшить поиском альтернативных источников энергии от тепловых электростанций (ТЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и совершенствованием сжигания топлива в двигателях внутреннего сгорания и котлах ТЭС и ТЭЦ, что приводит к экономии топлива.

Расчеты показывают, что в лучшем случае расход топлива сократится не более, чем на 30%. Это означает, что поставленная задача решения не имеет, и загрязнение окружающей природной среды и рост содержания в атмосфере Земли парниковых газов будет продолжаться.

Известны материалы и технологии, способные связывать углекислый газ и диоксид серы.

Методы улавливания сернистого газа заключаются, в основном, в пропускании газа через слой жидкости в различного рода скрубберах, при обработке распыленной водой и т.п.

Так, в аммиачных методах SO₂ абсорбируют при температуре 35÷55°С водным раствором сульфит-гидросульфта аммония (NH₄)₂SO₃·NH₄HSO₃ с образованием NH₄HSO₃. Например, в аммиачно-гидросульфатном методе при взаимодействии так называемого отработанного раствора (полученного в результате поглощения SO₂ водным раствором NH₃) с рециркулирующим NH₄HSO₄ выделяются SO₂ и (NH₄)₂SO₄, который при 350÷400°С разлагается на NH₄HSO₄ и NH₃, возвращаемые в цикл; сульфат, образовавшийся при абсорбции, регенерируют добавкой серы [1].

Общим недостатком этих методов является очень большая материало- и энергоемкость и большие потери газа. Утилизация получаемых растворов, например, сернистой кислоты с очень низкой концентрацией в литературе не описана.

Для связывания углекислого газа используют различные абсорбционные и адсорбционные методы, а также, например, вымораживание, заключающееся в охлаждении в специально переключающихся вымораживателях жидким хладагентом, при этом водяной пар и СO₂ при охлаждении конденсируются и кристаллизуются, образуя иней. При необходимости

очень тонкой очистки (до 0,001% СО₂) применяют щелочной метод, при котором абсорбентом является водный раствор NaOH; при его значительном расходе образующийся карбонат натрия Na₂CO₃ регенерируют обработкой известью [1].

Известен так называемый жирботал-процесс, при котором раствор этаноламина поглощает углекислый газ в холодном состоянии и отдает его при нагреве [2, 3]. Могут поглощать и отдавать углекислый газ карбонаты калия (поташ) и натрия [4].

Указанные процессы обладают рядом существенных недостатков.

1. Реагенты дороги и обязательно требуют регенерации, что связано с необходимостью создания соответствующего производства.

2. Процессы поглощения идут медленно и требуют большого количества реакторов с мешалками.

3. Для ведения процессов необходимы как очень низкие, так и очень высокие температуры.

4. Трудности в утилизации, так как требуется специальное производство, оснащенное сложным оборудованием.

Отсюда следует, что для массового использования при каждой, например, ТЭС, указанные методы не будут рентабельны.

Задачей полезной модели является практически полное связывание дымовых газов ТЭС и ТЭЦ; выбросов химических предприятий и предприятий, производящих, например, алкогольную продукцию, содержащих углекислый газ (СО₂), окислы азота (NO_x), двуокись серы (SO₂) и другие газы с последующим их улавливанием и утилизацией, а также сокращение расхода топлива, что ведет к уменьшению выбросов дымовых (парниковых) газов.

Техническим результатом полезной модели является

1. Улавливание дымовых (парниковых) газов ТЭС, ТЭЦ, котельных, а также выбросов других предприятий.

2. Утилизация уловленных газов.

Технический результат по п.1 достигается тем, что газы не поступают непосредственно в дымовую трубу, как обычно, а подаются в специальные приставки, оборудованные установками активации процессов (УАП), которые эффективно улавливают и одновременно разделяют углекислый газ и двуокись серы, формируя из них различные продукты. В качестве реагента при этом используется вода.

Сущность процесса состоит в следующем. Горячие дымовые газы вначале очищаются от двуокиси серы. Процесс идет в рабочей зоне установки активации процессов. При высокой температуре растворимость СО₂ в воде очень низка; при тех же условиях SO₂ активно

реагирует с водой, образуя сернистую кислоту, которую отделяют и накапливают в сборнике. Углекислый газ, постепенно охлаждаясь, движется далее ко второму аппарату активации процессов, в котором он может быть уловлен водой. В случае введения в аппарат известкового молока (суспензии Са(ОН)₂ в воде) образуется простой известняк СаСО₃, который выпадает в осадок. УАП устанавливают рядом друг с другом.

Технический результат по второму пункту - утилизация газов - идет, по существу, одновременно с первой задачей.

Так, SO₂ улавливают уже в самом начале технологической линии и отделяют в сепараторе от газовой фазы. Например, при сжигании 1 т мазута, содержащего 3% серы, формируется от 80 до 120 кг сернистой кислоты (60÷70%). Это один из самых главных компонентов «кислотных дождей», которые захватывают и орошают огромные площади.

Очищенная от SO₂ газовая фаза, состоящая, в основном, из азота и углекислого газа, поступает во вторую установку активации процессов, которая служит, по существу, реактором с высокой степенью эффективности и производительности по поглощению CO₂.

При добавлении известкового молока, как отмечено выше, образуется известняк СаСО₃, который может служить для известкования кислых почв. В случае добавления аммиака или его производных синтезируются карбомат аммония, мочевина и другие азотсодержащие продукты, служащие в качестве минеральных удобрений либо добавок к ним.

Аналогично могут быть уловлены и использованы другие продукты. Как известно, в нефтепродуктах и углях содержатся заметные количества германия, ванадия и других элементов. Они полностью улавливаются и имеют высокую коммерческую стоимость.

В результате в воздух сбрасываются практически чистый азот, а также избыток кислорода. Таким образом, наряду со связыванием дымовых (парниковых) газов достигается высокий экологический эффект.

В тех случаях, когда топливом служит природный газ, нейтрализуются выбросы только углекислого газа, в результате технология обезвреживания значительно упрощается, а также уменьшатся состав оборудования.

Предлагаемая технологическая линия обладает важным преимуществом: не требуется реконструкция ТЭС (ТЭЦ) и других производств, которые сбрасывают дымовые (парниковые) газы. Высокие эксплуатационные показатели УАП, их малые размеры, низкая энергоемкость и придание полученным материалам новых свойств позволяют успешно осуществлять очистку и утилизацию дымовых и других газов, используя минимальные производственные площади и не затрагивая основные производства.

На фиг.1 представлена общая схема ТЭС с технологической линией улавливания и утилизации сернистого и углекислого газов.

Согласно фиг.1 ТЭС снабжена мазутохранилищем 1 с насосом 2, котлом 3 с заслонкой 4, вентилятором (дымососом) 5, источником воды для процесса улавливания 7, баком для добавок 6, установкой активации процессов 8, разделителями фаз 9 и 10, сборником кислоты 11, насосом (вентилятором) 12, баками для реагентов для СО₂ 13, установкой активации процессов 14, сепаратором 15 и сборником конечной продукции 16.

Технологическая линия работает следующим образом (фиг.1). Мазут подают из мазутохранилища 1 насосом 2 и сжигают в котле 3. Сжигание идет при закрытой заслонке 4. Тяга осуществляется за счет работы дымососа 5, который одновременно гонит дымовые газы по всей системе улавливания и утилизации.

Нагретые дымовые газы поступают с водой из источника 7 в установку активации процессов 8, в котором проходит реакция взаимодействия SO₂ с водой, причем количество воды дозируется. В результате образуется сернистая кислота. Углекислый газ в реакцию практически не вступает вследствие недостатка воды и высокой температуры газов. В зависимости от вида сжигаемого топлива разделитель 9 может быть поставлен перед УАП 8. Это необходимо в том случае, если дымовые газы несут, например, много твердой фазы (пыли) в виде окислов германия, ванадия и других редких металлов.

В сепараторах 9, 10 газы заметно охлаждаются, а выпадающая при этом жидкая фаза стекает вниз и накапливается в сборнике 11. Газы, очищенные от SO₂ - молекулярный азот, углекислый газ и кислород вентилятором 12 подают в УАП 14. Одновременно в эту же установку вводят из бака 13, например, суспензию Ca(OH)₂ в воде. В результате образуется суспензия известняка СаСО₃, которая отделяется в разделителе 15 и собирается в сборнике 16.

В результате газовая фаза содержит только N₂, О₂ и немного СО₂. Если ввести одновременно с суспензией Са(ОН)₂ фосфоросодержащие соединения, то образуются высококачественные фосфорные удобрения. Аналогично могут быть синтезированы и другие соединения, которые в настоящее время получают на основе углекислого газа или соды.

Модификации технологической линии, представленные на фиг.2 и 3, работают подобным образом, так как из них исключен только блок связывания SO₂.

Пример. Улавливание CO₂ и SO₂ из дымовых газов ТЭЦ

Рассмотрена работа крупной ТЭС с расходом мазута 1250÷1500 т/ч. Мазут содержал около 3% (по массе) серы, имел высокую вязкость, что вынуждало его подогревать перед сжиганием. В связи с высокой вязкостью мазута и др. причинами коэффициент избытка воздуха n был принят равным 1,2.

Для выбора установки активации процессов произведен расчет процесса горения мазута по методике [3]. В таблице 1 представлены полученные данные из расчета на 1 т мазута.

Таблица 1
Состав дымовых газов при сжигании мазута, модифицированного водой (содержание серы 3%, воды 15%, избыток воздуха 20%.)
Состояние	Единица измерения	Состав дыма
		CO2	Н2О	SO2	N2	O2	Всего
До очистки	кг	271,3	127,2	96	1383,6	60,6	1 938,7
	м3	6800	2850	2150	31000	1357	44157
	%	15,4	6,4	4,9	70,2	3,1	100,0
После очистки	%	1,2	1,5	не обнаружен	93,2	4,2	100,0

В таблице 2 представлен расчет количества продуктов горения на один котел.

Таблица 2
Расход мазута и количество СО2 и SO2 в дымовых газах
Расход мазута, т/ч	Расход дыма, м3/ч	Расход СO2		Расход SO2		Расход H2SO3, кг/ч
		кг/ч	м3/ч	кг/ч	м3/ч
1423	630000	3860	97000	1 370	30600	1700

В таблице 3 представлен номенклатурный ряд аппаратов и установок активации процессов

Таблица 3
Технико-экономические показатели аппаратов активации процессов
Наименование показателей	Единица измерения	Наименование аппаратов активации процессов						Примечания
		В-150К	УАП-2	УАП-1В2	УАП-4	УАП-8 (10)	УАП-1000 модульная
Производительность:							1000÷1200 до 1,5 млн.	1 модуль имеет производительность по воде 100÷150 м3/ч
- по воде	м3/ч	до 30	до 1	до 5	до 12	до 100
- по газу	нм3/ч	-	-	20000	30000	150000
Потребляемая мощность	кВт	9,5	2,0	3,0	6,0	50	480÷600	активная
Напряжение	В	380	380	380	380	380	380	3-х фазный ток
Частота	Гц	50	50	50	50	50	50
Габаритные размеры	м	3,0×3,0×1,8	⌀0,2 l=1,2	⌀0,32 l=1,2	⌀0,35 l=1,3	1,5×1,0×l,5	l=12 b=3
Масса	т	0,8	0,05	0,07	0,08	0,6	10,0

По данным таблиц 2 и 3 для одного котла могут применяться установки активации процессов типов УАП-8 (10) и УАП-1000.

Потребуется установок УАП-8 (10):

630000:150000=4 шт.

С учетом запасной установки потребуется 5 шт.

Потребуется установок УАП-1000:

630000:150000≈0,42.

Поскольку установка является модульной, то будут задействованы 7-8 модулей. Два модуля могут быть запасными.

Опыты, проведенные на аппаратах типов В-100К-02 и УАП-1В-2 показали, что глубина улавливания весьма высока (см. табл.1).

Количество реагентов, необходимых для связывания СО₂ и SO₂, а также количество образующихся продуктов, представлено в табл.4.

Таблица 4
Расход реагентов и количество получающихся продуктов при улавливании парниковых газов на 1 котел
Расход реагентов на единицу топлива	Расход, т		Получено, т		Примечания
	СаО	Н2O	Н2SO3	СаСО3
На 1 т	0,345	1,875	0,123	0,382	Учтена вода, полученная при сгорании топлива
За 1 час	4,91	26,7	1,75	4,55
В 1 сутки	117,8	640,3	42,0	109,2

Данные таблицы 4 свидетельствуют о том, что улавливание дымовых (парниковых) газов только на одном технологическом котле может стать не только экологически обоснованным, но и коммерчески выгодным предприятием на любой ТЭС (ТЭЦ) с крупнотоннажным производством. Причем выпускаемая продукция может быть самой разнообразной: от очищенных нефтепродуктов до азотных удобрений.

Литература

1. Химическая энциклопедия: В 5 т.: Т.1: А - Дарзана / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др. - М.: Сов. энцикл., 1988. - 623 с.: ил. Стр.436, 462-463.

2. Химическая энциклопедия: В 5 т.: Т.5: Триптофан - Ятрохимия / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др. - М.: Большая Российская энцикл., 1998. - 783 с.: ил. Стр.492.

3. Реми Г. Курс неорганической химии: В 2-х т.Т.1. - М.: Мир, 1972. - 824 с.: ил. Стр.483.

4. Химическая энциклопедия: В 5 т.: Т.2: Даффа - Меди / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др. - М.: Сов. энцикл., 1990. - 671 с.: ил. Стр.288.

Claims (6)

1. Технологическая линия для очистки дымовых газов, включающая вентилятор для отсасывания дымовых газов, соединенный посредством трубопровода с одним или более бункерами для добавок и воды и посредством трубопровода с как минимум одной установкой вращающегося электромагнитного поля - установкой активации процессов, которая, в свою очередь, трубопроводом соединена с одной или более установкой для разделения твердой и жидкой фаз и далее посредством трубопровода и вентилятора с емкостью для реагентов и как минимум еще одной установкой вращающегося электромагнитного поля - установкой активации процессов, которая соединена с сепаратором и емкостью для сбора конечной продукции, при этом установка для разделения твердой и жидкой фаз соединена трубопроводом с емкостью для сбора кислоты.

2. Линия по п.1, отличающаяся тем, что улавливают CO₂ водой, причем количество воды, необходимой для его связывания, составляет теоретически необходимое количество плюс 5÷10%.

3. Линия по п.1, отличающаяся тем, что в рабочей зоне второй установки при добавке известкового молока в виде суспензии в количестве 10% образуется известняк в виде суспензии.

4. Линия по п.1, отличающаяся тем, что улавливание SO₂ производят в присутствии CO₂ без образования смеси между компонентами.

5. Линия по п.1, отличающаяся тем, что предварительно очищенные от SO₂ дымовые газы используют для синтеза из CO₂ химических продуктов, например, карбамидов, мочевины и др. азотсодержащих соединений.

6. Линия по п.1, отличающаяся тем, что одновременно с улавливанием сернистого газа синтезируют сернистую (серную) кислоту.