способ преобразования so₂ и no_x в кислоты посредством барьерного разряда и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ уменьшения выбросов частиц, Hg, NO_x, и SO₂ из потока топочного газа и сбора образующихся кислот для промышленного использования, включающий операции:

а) преобразования Hg, NO_x, и SO_x в потоке топочного газа в HgO, НNО₃ и H₂SO₄ путем окисления с помощью электрического преобразователя;

б) улавливания твердых частиц, HgO, NO₂, SO₂, НNО₃ и H₂SO₄ при помощи электростатического фильтра жидкой очистки и формирования смеси.

2. Способ по п.1, включающий операцию отделения от смеси твердых частиц и HgO.

3. Способ по п.1, включающий технологическую обработку смеси с отделением друг от друга НNО₃ и H₂SO₄ и концентрированием НNО₃ и H₂SO₄, обеспечивающие уменьшение выбросов твердых частиц, Hg, NO_x, и SO₂ из потока топочного газа и образование кислот для промышленного использования.

4. Способ по п. 1, включающий операцию улавливания выбросов твердых частиц в сухом электростатическом фильтре, расположенном против потока от электрического преобразователя.

5. Способ по п.1, в котором операция преобразования включает окисление NO_x, и SO_x с помощью барьерного разряда, инициирующего химические реакции, приводящие к образованию НNО₃ и H₂SO₄.

6. Способ по п.5, согласно которому возбуждение барьерного разряда осуществляют с использованием высоковольтного источника питания переменного тока в диапазоне частот приблизительно 50 Гц - 10 кГц.

7. Способ по п.5, согласно которому для возбуждения барьерного разряда на входе высоковольтного источника используют напряжение с эффективным значением приблизительно 15000 - 50 000 В.

8. Способ по п.1, согласно которому в электростатическом фильтре жидкой очистки осуществляют охлаждение поверхностей улавливающей пластины.

9. Способ по п.8, включающий впрыскивание испаряемого охлаждающего аэрозоля из смеси разбавленных HNO₃ и H₂SO₄ в поток над улавливающей пластиной для дополнительного охлаждения ее поверхностей до уровня температуры ниже температуры топочного газа и конденсации H₂O, HNO₃ и H₂SO₄ на этих поверхностях с образованием конденсата и захвата в конденсат выбросов твердых частиц с образованием смеси.

10. Способ по п.1, в котором операция улавливания включает стадию отделения SO₂ и NO₂ от потока топочного газа в электростатическом фильтре жидкой очистки.

11. Способ по п.1, включающий операции окисления присутствующего в топочном газе Hg и образования HgO с помощью электрического преобразователя, накапливания HgO в электростатическом фильтре жидкой очистки и формирования компонента смеси, технологической обработки смеси с целью отделения HNO₃ от H₂SO₄ и HgO и их концентрирования и удаления HgO из H₂SO₄ с помощью устройства для удаления минеральных веществ.

12. Устройство для уменьшения выбросов твердых частиц, Hg, NO_x, и SO₂ в потоке топочного газа и сбора образующихся в результате кислот для их промышленного использования, содержащее: а) электрический преобразователь, расположенный внутри корпуса электростатического фильтра, предназначенный для преобразования NO_x, и SO₂ в НNО₃ и H₂SO₄; б) электростатический фильтр жидкой очистки, содержащий накопительный бункер, установленный внутри корпуса по потоку от электрического преобразователя и предназначенный для сбора твердых частиц, НNО₃ и H₂SO₄ в смеси.

13. Устройство по п.12, содержащее сепаратор, размещенный снаружи корпуса, соединенный гидравлическим путем с накопительным бункером и предназначенный для отделения твердых частиц от НNО₃ и H₂SO₄ в смеси.

14. Устройство по п.13, содержащее устройство технологической обработки, соединенное гидравлическим путем с сепаратором для отделения НNО₃ и H₂SO₄ и концентрирования НNО₃ и H₂SO₄ и таким образом удаления из потока топочного газа твердых частиц, Hg, NO_x, и SO₂ с образованием кислот для промышленного использования.

15. Устройство по п.12, в котором электрический преобразователь выбран из ряда, включающего барьерный, импульсный, коронный и электронно-лучевой источники разряда.

16. Устройство по п.12, в котором электрический преобразователь выбран из ряда, содержащего источники ВЧ, СВЧ и ультрафиолетового излучения.

17. Устройство по п.12, содержащее стандартный электростатический фильтр, расположенный внутри корпуса против потока от электрического преобразователя.

18. Устройство по п.12, в котором электрический преобразователь представляет собой устройство возбуждения барьерного разряда, инициирующего окисление NO_x и SO_x и химические реакции, приводящие к образованию HNO₃ и H₂SO₄.

19. Устройство по п.18, в котором возбуждение барьерного разряда осуществляется посредством высоковольтного источника питания переменного тока в диапазоне частот приблизительно 50 Гц - 10 кГц.

20. Устройство по п.18, в котором возбуждение барьерного разряда осуществляется при величине эффективного напряжения на входе приблизительно 15000 - 50000 В.

21. Устройство по п. 18, в котором устройство возбуждения барьерного разряда, соединенное с высоковольтным источником переменного тока, содержит, по крайней мере, один высоковольтный электрод и, по крайней мере, один заземляющий электрод, причем высоковольтный электрод окружен высокоизоляционным диэлектрическим экраном и отделен от заземляющего электрода интервалом.

22. Устройство по п.21, в котором высоковольтные и заземляющие электроды являются по существу параллельными пластинками, выполненными из электропроводного материала.

23. Устройство по п.21, в котором высоковольтные и заземляющие электроды представляют собой решетку из по существу параллельных пластин.

24. Устройство по п.21, в котором высоковольтные и заземляющие электроды представляют собой по существу плоскопараллельные полосковые проводники с пошаговым расположением.

25. Устройство по п.21, в котором высоковольтный и заземляющий электроды являются цилиндрическими, причем высоковольтный электрод расположен внутри заземляющего электрода.

26. Устройство по п. 21, в котором высокоизоляционный диэлектрический экран выполнен из стекла, кварцевого стекла, окиси алюминия или слюды.

27. Устройство по п.12, в котором электростатический фильтр жидкой обработки представляет собой конденсационный электростатический фильтр, имеющий, по крайней мере, одну улавливающую пластину, снабженную приспособлением для охлаждения поверхностей.

28. Устройство по п.27, содержащее против потока от улавливающей пластины систему впрыскивания охлаждающего распыляемого материала.

29. Устройство по п.13, в котором сепаратор содержит по крайней мере, фильтр, отстойный резервуар и центрифугу.

30. Устройство по п.14, в котором устройство технологической обработки содержит устройство денитрации, устройство концентрации H₂SO₄ и устройство концентрации НNО₃.

31. Устройство по п.30, в котором устройство денитрации содержит обрабатывающую колонну, имеющую вход и первый и второй выходы, причем вход обрабатывающей колонны гидравлическим путем соединен с сепаратором; отгоночную колонну, имеющую вход и выход, причем вход отгоночной колонны гидравлическим путем соединен с первым выходом обрабатывающей колонны; резервуар накачки, имеющий вход и выход, причем вход резервуара накачки гидравлическим путем соединен с выходом отгоночной колонны, и кислотный насос, имеющий вход и выход, вход кислотного насоса гидравлическим путем соединен с выходом резервуара накачки, тем самым обеспечивая получение денитрированной H₂SO₄ с выхода кислотного насоса.

32. Устройство по п.31, в котором устройство концентрации H₂SO₄ содержит сепаратор, имеющий вход и первый и второй выходы, причем вход сепаратора гидравлическим путем соединен с выходом кислотного насоса устройства денитрации; перекачивающий насос, имеющий вход и выход, причем вход перекачивающего насоса гидравлическим путем соединен с первым выходом сепаратора; резервуар накачки, имеющий вход и выход, причем вход резервуара накачки гидравлическим путем соединен с выходом перекачивающего насоса, и кислотный насос, имеющий вход и выход, причем вход кислотного насоса соединен с выходом резервуара накачки, тем самым обеспечивая получение концентрированной H₂SO₄ c выхода кислотного насоса и дистиллята Н₂O - со второго выхода сепаратора.

33. Устройство по п.32, в котором устройство концентрации НNO₃ содержит обрабатывающую колонну, имеющую первый и второй входы и первый и второй выходы, причем первый вход обрабатывающей колонны гидравлическим путем соединен с H₂SO₄ - выходом кислотного насоса, второй вход обрабатывающей колонны гидравлическим путем соединен со вторым выходом обрабатывающей колонны устройства денитрации; отгоночную колонну, имеющую вход и выход, причем вход отгоночной колонны гидравлическим путем соединен с первым выходом обрабатывающей колонны; резервуар накачки, имеющий вход и выход, причем вход резервуара накачки гидравлическим путем соединен с выходом отгоночной колонны, и кислотный насос, имеющий вход и выход, причем вход кислотного насоса гидравлическим путем соединен с выходом резервуара накачки, а выход кислотного насоса гидравлическим путем соединен с выходом кислотного насоса устройства денитрации, тем самым обеспечивая получение концентрированной HNO₃ на втором выходе колонны химической обработки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оборудованию для контроля загрязнений и применяется для уменьшения выделения твердых частиц, оксидов азота (NO_x), сернистого ангидрида (SO₂) и ртути (Hg) при сжигании ископаемого топлива.

Уровень техники

Электростанции и промышленные заводы обычно сжигают различное ископаемое топливо типа каменного угля для производства электроэнергии и тепла для технологических нужд. Сжигание ископаемого топлива ведет к образованию потока выбросов, содержащих ряд токсичных веществ как побочных продуктов. Такие вещества включают мелкодисперсные твердые частицы, ртуть и оксиды азота и серы. Как показали последние исследования, мелкодисперсные твердые частицы способствовали смерти 64 000 человек в одних только Соединенных Штатах Америки. Оксиды азота, так называемые NO_x, приводят к образованию и концентрации в приземном слое атмосферы озона, O₃, который при вдыхании является токсичным. Оксиды серы, известные как SO₂, также создают проблему. Соединения как NO_x, так и SO₂ приводят к образованию кислотных дождей, вредных как для жизни растений и животных, так и для предметов имущества. Ртуть, как известно, даже в очень малых концентрациях высокотоксична для человека.

Традиционный подход решения проблемы уменьшения выбросов мелкодисперсных твердых частиц заключается в использовании электростатического уловителя (ЭСУ) или пылеуловительной камеры с тканевым фильтром. Традиционные способы уменьшения выбросов SO₂ - использование жидкостных скрубберов или скрубберов сухой очистки, сжигание угля с низким содержанием серы и применение установок десульфуризации дымовых газов (ДСУ). Уголь с низким содержанием серы при горении снижает эффективность сбора частиц в ЭСУ, а также является значительно более дорогим, по сравнению с обычным углем. Оборудование ДСУ является очень дорогим с точки зрения как создания, так и эксплуатации. Для снижения эмиссии NO_x традиционно используют специальные горелки с малым выходом NO_x для охлаждения температуры горения до точки, где связи азота N₂, присутствующего в воздухе для горения, с наименьшей вероятностью могут быть разорваны. Как следствие, при этом происходит снижение эффективности сгорания и увеличение выделений частиц. Предпринимались также попытки применить дорогостоящие каталитические и некаталитические восстанавливающие системы, использующие впрыскивание аммиака и мочевины. Такие установки очень дороги с точки зрения закупки и эксплуатации. Кроме того, для их размещения требуются большие производственные площади. Таким образом, все существующие способы снижения уровня выделений мелкодисперсных твердых частиц, ртути, оксидов азота и серы приводят к увеличению стоимости электроэнергии, вырабатываемой электростанцией, более чем на пятьдесят процентов.

В патенте США N 4925639, выданном Штофферу 15 мая 1990 года, раскрыт способ выведения оксидов азота NO_x из топочного газа и образования азотной кислоты (HNO₃) как побочного продукта. Процесс заключался в том, что газ подвергали циклической очистке азотной кислотой с последующим электролизом растворенного оксида азота для образования добавочного количества азотной кислоты. Недостатком этого способа является то, что воздействие происходит только на один вид загрязнения.

Предпринимались попытки удалять также множественные загрязнения из потоков топочных газов. Плэкс и др. в патенте США N 5601791, выданном 11 февраля 1997 г., раскрыли способ и устройство, которые позволяют нейтрализовать "кислотные газы", такие как SO₂, в ЭСУ известной конструкции. Согласно способу по этому патенту в верхний поток над улавливающими пластинами ЭСУ, собирающими частицы, распыляется нейтрализующий реактив, нейтральные соли и непрореагировавший нейтрализующий реактив. Вещество, скопившееся на пластинах, затем промывается посредством орошения, подобно ЭСУ жидкой очистки. Эти способ и устройство не обеспечивают целенаправленного создания и сбора кислот, являющихся ценными промышленными продуктами. Напротив, собранный в результате фильтрат предназначен для сброса и уничтожения.

Спаркс и др. в патенте США N 4885139, выданном 5 декабря 1989 г., раскрывают способ удаления SO₂ и других "кислотных газов" из топочного газа с помощью многостадийной обработки в ЭСУ в едином корпусе. Этим способом из топочного газа удаляются SO₂ и частицы. Однако подобно способу по предыдущему патенту данный способ не направлен на формирование H₂SO₄ из SO₂, а фильтрат предназначен для сброса и уничтожения. Ни один из этих способов также не направлен на удаление NO_x или образование азотной кислоты HNO₃.

Вредное воздействие этих токсичных составляющих на здоровье стало более очевидно по мере проведения большего числа медицинских исследований. В результате законодательство по вопросам охраны окружающей среды становится по всему миру более строгим. Хотя выбросы ртути с топливных установок, работающих на ископаемом топливе, еще не регулируются, это необходимо делать, поскольку, как показали, исследования, более 20 процентов всех выбросов ртути в США происходит на энергетических установках, работающих на угольном топливе. По мере усиления законодательства по вопросам охраны окружающей среды увеличиваются затраты на удовлетворение его требованиям. Вынужденно приобретается и поддерживается в рабочем режиме более дорогостоящее оборудование контроля загрязнений, причем это не обеспечивает денежной прибыли владельцам предприятий.

Одновременно с возрастанием затрат на согласование с окружающей средой по всему миру существует тенденция объединения прав владения энергетическими установками и увеличения конкуренции в этой области. В результате, как правило, в попытке сохранить низкой цену вырабатываемого электричества урезаются основные расходы бюджетов. Способ контроля загрязнений и оборудование, которые, уменьшая выход твердых частиц, NO_x и SO₂, в то же время обеспечивали бы их владельцам денежную прибыль, разрешало бы ряд серьезных проблем одновременно.

На сегодня ограниченное число предприятий способны коммерческим путем реализовать накопленные твердые частицы. Что касается газов, только SO₂ превращают в полезные продукты, способные обеспечить денежный возврат. В частности, он используется при производстве гипса и для извлечения элементарной серы. Также из выхлопных газов посредством каталитических реакций изготавливают разбавленные кислоты. Названные технологии ограничены и не используются широко.

Таким образом, существует потребность в технологии и оборудовании, обеспечивающих при сжигании ископаемого топлива уменьшение выбросов твердых частиц, оксидов азота (NO_x) и сернистого ангидрида (SO₂) с одновременным образованием конечного продукта, пригодного для коммерческой реализации, и устраняющих необходимость уничтожения нежелательных с точки зрения охраны окружающей среды побочных продуктов.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на создание способа и устройства, обеспечивающих уменьшение выбросов твердых частиц, SO₂, NO_x и Hg в результате сгорания ископаемого топлива и одновременное получение полезного в коммерческом отношении конечного продукта.

Для достижения указанного результата способ согласно изобретению включает преобразование Hg, NO_x и SO_x в потоке топочного газа в HgO, HNO₃ и H₂SO₄ путем окисления с помощью электрического преобразователя, улавливание твердых частиц, а также HgO, NO₂, SO₂, HNO₃ и H₂SO₄ при помощи электростатического фильтра жидкой очистки и формирования смеси.

Способ включает также отделение от смеси твердых частиц и HgO, технологическую обработку смеси с отделением друг от друга HNO₃ и H₂SO₄ и концентрированием HNO₃ и H₂SO₄.

Особенностью способа в соответствии с настоящим изобретением является также то, что он включает операцию улавливания выбросов твердых частиц в сухом электростатическом фильтре, расположенном против потока от электрического преобразователя.

Еще одной особенностью данного способа является то, что операция преобразования включает окисление NO_x, и SO_x с помощью барьерного разряда, инициирующего химические реакции, приводящие к образованию HNO₃ и H₂SO₄. При этом возбуждение барьерного разряда осуществляют с использованием высоковольтного источника питания переменного тока в диапазоне частот в пределах от приблизительно 50 Гц до приблизительно 10 кГц. Для возбуждения барьерного разряда на входе высоковольтного источника используют напряжение с эффективным значением в диапазоне 15000 вольт до 50 000 вольт.

При осуществлении способа в соответствии с настоящим изобретением поверхности улавливающей пластины в электростатическом фильтре жидкой очистки охлаждают, для чего в поток над улавливающей пластиной может впрыскиваться испаряемый аэрозоль, состоящий из смеси разбавленных HNO₃ и H₂SO₄ - для дополнительного охлаждения поверхностей пластины до уровня температуры ниже температуры топочного газа, конденсации на этих поверхностях H₂O, HNO₃ и H₂SO₄ с образованием конденсата, захватывающего выбросы твердых частиц с образованием смеси. Операция улавливания включает также стадию отделения SO₂ и NO₂ от потока топочного газа в электростатическом фильтре жидкой очистки.

Еще одной особенностью способа в соответствии с настоящим изобретением является то, что присутствующий в топочном газе Hg с помощью электрического преобразователя окисляют с образованием HgO, которая накапливается в электростатическом фильтре жидкой очистки как компонент смеси. Смесь затем подвергают технологической обработке с целью отделения HNO₃ от H₂SO₄ и HgO, их концентрирования и удаления HgO из H₂SO₄, для чего используют устройство для удаления минеральных веществ.

Устройство для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением содержит электрический преобразователь, расположенный внутри корпуса электростатического фильтра и предназначенный для преобразования NO_x и SO₂ в HNO₃ и H₂SO₄, и электростатический фильтр жидкой очистки, содержащий накопительный бункер, установленный внутри корпуса в направлении потока от электрического преобразователя и предназначенный для сбора твердых частиц, HNO₃ и H₂SO₄ в смеси.

Устройство может содержать также стандартный электростатический фильтр, расположенный внутри корпуса против потока от электрического преобразователя.

Кроме того, в соответствии с изобретением устройство включает сепаратор для отделения твердых частиц от HNO₃ и H₂SO₄ в смеси, размещенный снаружи корпуса и соединенный гидравлическим путем с накопительным бункером. Для отделения HNO₃ от H₂SO₄ и концентрирования HNO₃ и H₂SO₄ и, таким образом, удаления из потока топочного газа твердых частиц, Hg, NO_x и SO₂ с образованием кислот для промышленного использования, устройство содержит блок технологической обработки, соединенный гидравлическим путем с сепаратором.

Особенностью устройства по настоящему изобретению является также то, что электрический преобразователь в его составе выполнен на основе барьерного, импульсного, коронного или электронно-лучевого источника разряда. Кроме того, электрический преобразователь может быть выбран из ряда, содержащего источники ВЧ, СВЧ и ультрафиолетового излучения. При этом электрический преобразователь представляет собой устройство возбуждения барьерного разряда, инициирующего окисление NO_x и SO_x и химические реакции, приводящие к образованию HNO₃ и H₂SO₄. Для возбуждения барьерного разряда в устройстве используется высоковольтный источник питания переменного тока в диапазоне частот в пределах от 50 Гц до 10 кГц. При этом величина эффективного напряжения на входе может иметь значение в диапазоне от 15000 вольт до 50000 вольт.

Устройство возбуждения барьерного разряда соединено с высоковольтным источником переменного тока и содержит по крайней мере один высоковольтный электрод и по крайней мере один заземляющий электрод, причем высоковольтный электрод окружен высокоизоляционным диэлектрическим экраном и отделен от заземляющего электрода интервалом. Высоковольтные и заземляющие электроды являются по существу параллельными пластинками, выполненными из электропроводного материала. Высоковольтные и заземляющие электроды также могут представлять собой решетку из по существу параллельных пластин или плоскопараллельные полосковые проводники с пошаговым расположением.

В одном из примеров реализации устройства высоковольтный и заземляющий электроды являются цилиндрическими, причем высоковольтный электрод расположен внутри заземляющего электрода. Высокоизоляционный диэлектрический экран может быть выполнен из стекла, кварцевого стекла, окиси алюминия или слюды.

Электростатический фильтр жидкой обработки в составе устройства по настоящему изобретению может представлять собой конденсационный электростатический фильтр, имеющий по крайней мере одну улавливающую пластину, снабженную приспособлением для охлаждения поверхностей. При этом устройство может содержать систему впрыскивания охлаждающего распыляемого материала, расположенную против потока от улавливающей пластины.

Сепаратор в составе устройства в соответствии с настоящим изобретением содержит по крайней мере фильтр, отстойный резервуар и центрифугу.

Устройство технологической обработки в составе устройства по настоящему изобретению содержит устройство денитрации, устройство концентрации H₂SO₄ и устройство концентрации HNO₃. При этом устройство денитрации содержит обрабатывающую колонну, имеющую вход и первый и второй выходы, причем вход обрабатывающей колонны гидравлическим путем соединен с сепаратором; отгоночную колонну, имеющую вход и выход, причем вход отгоночной колонны гидравлическим путем соединен с первым выходом обрабатывающей колонны; резервуар накачки, имеющий вход и выход, причем вход резервуара накачки гидравлическим путем соединен с выходом отгоночной колонны; и кислотный насос, имеющий вход и выход; вход кислотного насоса гидравлическим путем соединен с выходом резервуара накачки, тем самым обеспечивая получение денитрированной H₂SO₄ с выхода кислотного насоса.

Устройство концентрации H₂SO₄ в составе устройства по настоящему изобретению содержит сепаратор, имеющий вход и первый и второй выходы, причем вход сепаратора гидравлическим путем соединен с выходом кислотного насоса устройства денитрации; перекачивающий насос, имеющий вход и выход, причем вход перекачивающего насоса гидравлическим путем соединен с первым выходом сепаратора; резервуар накачки, имеющий вход и выход, причем вход резервуара накачки гидравлическим путем соединен с выходом перекачивающего насоса; и кислотный насос, имеющий вход и выход, причем вход кислотного насоса соединен с выходом резервуара накачки, тем самым обеспечивая получение концентрированной H₂SO₄ с выхода кислотного насоса и дистиллята H₂O - со второго выхода сепаратора.

Устройство концентрации HNO₃ в составе устройства по настоящему изобретению содержит обрабатывающую колонну, имеющую первый и второй входы и первый и второй выходы, причем первый вход обрабатывающей колонны гидравлическим путем соединен с H₂SO₄ - выходом кислотного насоса, второй вход обрабатывающей колонны гидравлическим путем соединен со вторым выходом обрабатывающей колонны устройства денитрации; отгоночную колонну, имеющую вход и выход, причем вход отгоночной колонны гидравлическим путем соединен с первым выходом обрабатывающей колонны; резервуар накачки, имеющий вход и выход, причем вход резервуара накачки гидравлическим путем соединен с выходом отгоночной колонны; и кислотный насос, имеющий вход и выход, причем вход кислотного насоса гидравлическим путем соединен с выходом резервуара накачки, а выход кислотного насоса гидравлическим путем соединен с выходом кислотного насоса устройства денитрации, тем самым обеспечивая получение концентрированной HNO₃ на втором выходе колонны химической обработки.

Эти и другие признаки, параметры и достоинства настоящего изобретения станут более понятными из последующих описания и чертежей.

Перечень чертежей

Фиг. 1 представляет вид в разрезе корпуса ЭСУ, включающего секции ЭСУ сухой очистки, электрический преобразователь и секции ЭСУ жидкой очистки внутри корпуса, а также показанные в виде блок-схемы устройства разделения фильтрата ЭСУ жидкой очистки (сепаратор) и технологической обработки.

Фиг. 2 более детально представляет тот же, что и на фиг. 1, вид в разрезе.

Фиг. 3 представляет вид электродов барьерного разряда, выполненных в виде плоских пластин.

Фиг. 4 представляет поперечный разрез плоской пластины электрода барьерного разряда, имеющей оболочку из стойкого диэлектрического высокоизоляционного материала.

Фиг. 5 представляет горизонтальный вид плоской пластины электрода барьерного разряда, имеющей оболочку из стойкого диэлектрического высокоизоляционного материала.

Фиг. 6 представляет вид сбоку электродного узла, содержащего пространственно разнесенные проводники электрода, окруженные стойким диэлектрическим высокоизоляционным материалом.

Фиг. 7 представляет пространственное изображение пакетов сборки устройства химического преобразования внутри корпуса ЭСУ.

Фиг. 8 представляет блок-схему устройства технологической обработки, обеспечивающего разделение и концентрирование HNO₃ и H₂SO₄.

Описание сущности изобретения

Изобретение направлено на создание способа и устройства, обеспечивающих уменьшение выделения твердых частиц, SO₂, NO_x (включая NO₂) и Hg из выхлопов, образованных продуктами сгорания ископаемого топлива топочных установок, с одновременным образованием ценных в коммерческом отношении кислот как продуктов химической реакции.

Как видно из фиг. 1, при сгорании ископаемого топлива в котлоагрегате образуется топочный газ 10. Виды топлива, обычно используемые в электростанциях общего пользования и промышленных установках, включают каменный уголь и нефтепродукты, но могут содержать и другие материалы, такие как газ, отработанные шины, мусор или биомассу. Выброс топочного газа 10 поступает в корпус электростатического фильтра 15 (ЭСУ), при этом секция 14 стандартного ЭСУ сухой очистки обеспечивает удаление примерно 90% зольных частиц.

В оптимальном варианте конструкции целесообразно исключение из устройства последних зон имеющегося ЭСУ сухой очистки для освобождения места под размещение электрического преобразователя 100 и секции ЭСУ жидкой очистки 120. Электрический преобразователь 100 окисляет присутствующие в составе топочного газа NO_x, SO₂ и Hg с образованием HNO₃, H₂SO₄ и HgO. Кислоты и большинство мелкодисперсных частиц, не собранных в ЭСУ сухой очистки 14, улавливаются ЭСУ жидкой очистки 120. ЭСУ жидкой очистки 120 одновременно собирает HgO, газообразный NO₂ и газообразный SO₂. После удаления большинства NO_x, SO₂ и твердых частиц топочный газ, содержащий значительно меньшее количество NO_x, SO₂ и Hg и почти не содержащий частиц, поступает в электрофильтр 20. Возможна также установка электрического преобразователя 100 и ЭСУ жидкой очистки 120 снаружи существующего корпуса ЭСУ 15. Еще одной альтернативой является снабжение устройства преобразования 100 и ЭСУ жидкой очистки 120 дополнительными преобразователем и секцией ЭСУ жидкой очистки, которые могут быть расположены для достижения нужной продуктивности как внутри, так и снаружи корпуса ЭСУ 15.

Фильтрат из ЭСУ жидкой очистки 120 в виде смеси перемещается в сепаратор 140, где удаляются частицы и HgО. Сепаратор может содержать отстойный резервуар, фильтр, центрифугу или эти устройства в любой известной из уровня техники комбинации.

Оставшаяся смесь поступает в устройство технологической обработки 160, обеспечивающее разделение HNO₃ и H₂SO₄ и концентрирование их для промышленного использования. Результатом является получение концентрированных кислот HNO₃ 200 и H₂SO₄ 210.

На схеме фиг. 2, топочный газ 12 изначально перед попаданием в ЭСУ сухой очистки 14 представляет собой композицию порошковой золы, N₂, CO₂, H₂O, O₂, SO₂, NO_х, Hg и следов тяжелых металлов.

Электрический преобразователь 100 представляет собой сборку из электродов барьерного разряда, сгруппированных в связки, или пакеты - 106. Электроды питаются от источника 102, который преобразует энергию системы трехфазного источника в энергию переменного тока высокого напряжения. Источник энергии электрически подсоединен к преобразователю. Эффективное напряжение, прикладываемое к устройству 100, составляет величину в диапазоне от 15000 до 50000 вольт с частотой в пределах от 50 Гц до 10 кГц. Оптимальный вариант реализации изобретения предполагает работу при частоте 1 кГц. Работа при повышенной частоте уменьшает размеры и стоимость требующегося трансформатора.

Для создания барьерного электрического разряда переменный ток высокого напряжения подается на электроды, разделенные заполненным газом пространством и диэлектрическим барьером. Прикладываемое напряжение может иметь любую из известных форм сигнала, включая синусоидальную, прямоугольную и импульсную, но не ограничивается названными формами. Другими типами электрических разрядных устройств, которые могут применяться для превращения NO_x и SO₂ в кислоты, являются, в частности, импульсные, коронные, электронно-лучевые разрядные устройства и др. Ни барьерный электрический разряд, ни другие энергетические источники из числа названных прежде не использовались для уменьшения содержания NO_x и SO₂ в работающих на ископаемом топливе котлоагрегатах электростанций и промышленных установок. Полезный эффект от такого их применения явился поразительным и неожиданным.

Основными химическими реакциями в процессе превращения NO_x в HNO₃ являются следующие реакции:

(1) O₂ + e ---> O + O + e

(2) H₂O + e ---> OH + H + e

(3) NO + O ---> NO₂

(4) NO₂ + O ---> NO₃

(5) NO₂ + OH ---> HNO₃

(6) NO₃ + NO₂ ---> N₂O₅

(7) N₂O₅ + H₂O ---> 2HNO₃

В процессе превращения SO₂ в H₂SO₄ основными химическими реакциями являются следующие реакции:

(1) SO₂ + O ---> SO₃

(2) SO₂ + OH ---> HSO₃

(3) HSO₃ + OH ---> H₂SO₄

(4) SO₂ + HO₂ ---> HSO₄ ---> H₂SO₄

(5) SO₃ + H₂O ---> H₂SO₄

В составе топочного газа 18 после прохождения им электрического преобразователя, но перед стадией ЭСУ жидкой очистки 120 содержатся в основном мелкодисперсные частицы, ₂, CO₂, H₂O, O₂, фракция первичного SO₂, фракция первичного NO_x, (преимущественно в форме NO₂), HgO, H₂SO₄ и HNO₃. Заметим, что в преобразователе 100 происходит превращение имеющейся в топочном газе Hg в окись ртути HgO, которая легко улавливается ЭСУ жидкой очистки 120.

Испарительное устройство 122 для впрыскивания охлаждающего распыляемого вещества впрыскивает воду, смесь кислот или и то, и другое в топочный газ перед тем, как он достигает ЭСУ жидкой очистки 120. Такое распыление позволяет охлаждать топочный газ до температуры ниже уровней точки росы серной и азотной кислот, что приводит к образованию в потоке газа аэрозолей таких кислот. Это позволяет осуществить последующее накапливание кислот в секции ЭСУ жидкой очистки. Кроме того, если распыляемым материалом являются разбавленные азотная и серная кислоты, от топочного газа отделяется дополнительное количество SO₂ и NO₂. Подобно ЭСУ сухой очистки 14, ЭСУ жидкой очистки 120 содержит множество улавливающих пластин 128, между которыми расположены высоковольтные, преимущественно жесткие электроды. В оптимальном варианте воплощения изобретения пластины целесообразно переохлаждать до уровня температуры ниже чем температура топочного газа, например за счет использования охлаждающей воды 124, имеющейся на электростанции. В этом случае кислоты в составе топочного газа 18 будут стремиться конденсироваться на поверхностях пластин 128 ЭСУ жидкой очистки. Это устройство известно как "конденсационный" ЭСУ жидкой очистки. Очень немного примесей из состава 18 с выхода электрофильтра 20 поступает в окружающую среду через дымовую трубу 22.

Фильтрат 126 от ЭСУ жидкой очистки представляет собой преимущественно суспензию или смесь, в основном жидкую, разбавленной H₂SO₄, разбавленной HNO₃, отделенного SO₂, мелкодисперсных частиц и HgO. Эта смесь перемещается к сепаратору 140. Смесь разделяется с помощью отстойного резервуара, центрифуги или фильтра 142. Образованный в результате сухой остаток 144 извлекают и уничтожают или перерабатывают с соблюдением мер безопасности. Оставшиеся разбавленные кислоты 148 транспортируют, например, посредством насоса 146 в устройство технологической обработки 160, которое разделяет кислоты и концентрирует их, образуя HNO₃ 200 и H₂SO₄ 210.

На фиг. 3 показана секция электрического преобразователя 100, включающая высоковольтный плоский электрод 101, соединенный с высоковольтным источником питания 102 (не показан), и отделенный расстоянием от двух плоских пластинчатых заземляющих электродов 103. Хотя в качестве варианта воплощения изобретения показана пластинчатая конфигурация электродов, возможны и другие конструктивные решения. Это могут быть цилиндрические высоковольтные электроды и плоские пластинчатые заземляющие электроды или коаксиальные цилиндрические высоковольтные электроды, помещенные в центр внешних коаксиальных цилиндрических заземляющих электродов. Высоковольтные электроды 101 и заземляющие электроды 103 могут иметь идентичную конструкцию и отличаться только тем, что один имеет проводное соединение с источником энергии 120, а другой - с землей. При работе высоковольтные и заземляющие электроды могут чередоваться вдоль всего ряда и заканчиваться заземляющими электродами. Возможно также присоединять чередующиеся электроды к противоположным концам вторичной обмотки заземленного от средней точки высоковольтного трансформатора. Важным требованием является наличие градиента высокого напряжения между электродами.

На фиг. 4 и 5 показаны виды в разрезе плоских пластинчатых электродов, оптимальных с точки зрения изобретения. Собственно электрод 112 может быть изготовлен из любого проводящего металла. Вместо плоских пластин могут быть использованы также трубки, проволочные сеточные экраны, токопроводящие пасты или пластинки на основе эпоксидных связующих. Высокоизоляционный экран 114 играет важную роль для обеспечения энергии, достаточной для преобразования NO_x и SO₂ в химические продукты, которые приведут к образованию HNO₃ и H₂SO₄. С этой целью диэлектрический материал, из которого изготовлен экран, размещается между высоковольтным и заземляющим электродами, повторяя пространственную форму электродов и полностью разделяя их между собой, или наносится непосредственно на поверхности электродов в виде оболочки. В качестве диэлектрического материала может быть использована слюда. Однако могут быть также использованы кварц, окиси алюминия и титана, кварцевое стекло и керамика.

На фиг. 6 представлен вариант, альтернативный плоскому пластинчатому электроду 112. Этот пример предполагает использование плоского, размещенного с интервалом проводника электрода 116, окруженного высокоизоляционным экраном 114.

На фиг. 7 показано пространственное изображение сборки пакетов электрического преобразователя - 106a, 106b и 106c, установленных внутри корпуса 15 электрофильтра. Узлы включают короткие ряды из пластин, оптимально имеющие протяженность около 90 см в длину и интервал между пластинами около 1,3 см. Оптимальная высота пластин составляет около 104 см, а оптимальная ширина - менее 30 см. Пластины представляют собой высоковольтные пластины 101, а также или заземляющие пластины, или высоковольтные пластины противоположной полярности 103. Компоновка пластин может быть организована по принципу чередования заземляющих 103 и высоковольтных пластин 101, или чередования по рядам с заземляющими пластинами 103 на конце. Или каждая высоковольтная пластина 101 может быть окружена с каждой стороны двумя заземляющими пластинами 103. Ряды закреплены посредством механической конструкции (не показана) и подвешены с помощью изоляторов 108a и 108b к верхней поверхности корпуса 15 так, чтобы в проекции пластины были параллельны направлению потока топочного газа внутри корпуса. Таким образом, максимальное количество топочного газа подвергается воздействию преобразователя при минимальном перепаде давления в направлении устройства. Ряды могут быть механически скреплены между собой, один ряд над другим, формируя пакеты 106, которые в совокупности занимают пространство по существу от верхней поверхности до дна корпуса, высота которого обычно составляет приблизительно от девяти до двенадцати метров. Хотя это не показано, пластины каждого ряда и каждый ряд электрически соединены для обеспечения требуемого входного напряжения от источника питания 102.

Возможно использование множества пакетов 106, установленных рядом и фактически перекрывающих весь просвет корпуса по ширине. Количества пластин, рядов и пакетов на фиг. 7 выбраны только для иллюстрации, а реальное их число выбирается с учетом действительных размеров корпуса.

На фиг. 8 показана блок-схема оптимального варианта реализации устройства технологической обработки 160, предназначенного для разделения и концентрирования HNO₃ и H₂SO₄ 148 из продукта, состоящего из разбавленных кислот на выходе сепаратора 140. Блок-схема иллюстрирует только поток массы, а не энергий, но специалистам понятно, что в таких устройствах можно использовать теплообменники и конденсаторы для осуществления требуемого разделения и концентрирования кислот. Другие устройства и процессы также подходят для разделения и концентрирования кислот, что также понятно специалистам. Элементы соединены гидравлическим путем так, что жидкости могут перемещаться по кислотостойким трубам, шлангам и резервуарам. В различных местах показаны насосы, но их наличие произвольно, и вместо них может быть использована гравитационная подача или другие средства транспортировки жидкости.

В соответствии с фиг. 8 устройство технологической обработки 160 в оптимальном воплощении содержит три обозначенных зоны: устройство денитрации 170, устройство концентрации H₂SO₄ 180 и устройство концентрации HNO₃ 190. В устройстве денитрации 170 разбавленные кислоты 148 входят в колонну химической обработки 172, имеющую два выхода. Первый выход гидравлическим путем соединен с входом отгоночной колонны 174. Выход отгоночной колонны 174 гидравлическим путем соединен с входом резервуара накачки 176. Выход резервуара накачки 176 гидравлическим путем соединен с входом кислотного насоса 178. С выхода кислотного насоса 178 отводится разбавленная и денитрированная H₂SO₄ 181.

В устройстве концентрации H₂SO₄ 180 разбавленная и денитрированная H₂SO₄ 181 натекает в сепаратор 182, имеющий два выхода. Вход сепаратора 182 гидравлическим путем соединен с выходом кислотного насоса 178 устройства денитрации. Первый выход сепаратора 182 гидравлическим путем соединен с входом перекачивающего насоса 184. Выход перекачивающего насоса 184 гидравлическим путем соединен с входом резервуара накачки 186. Выход резервуара накачки 186 гидравлическим путем соединен с входом кислотного насоса 188. С выхода кислотного насоса 188 стекает концентрированная H₂SO₄ 200, пригодная для промышленного использования. С второго выхода сепаратора 182 стекает дистиллят H₂O 183.

В устройстве концентрации HNO₃ 190 концентрированная H₂SO₄ 200 поступает на первый вход колонны химической обработки 192. Первый вход колонны химической обработки 192 гидравлическим путем соединен с выходом кислотного насоса 188 устройства концентрации H₂SO₄. Второй вход колонны химической обработки 192 гидравлическим путем соединен с вторым выходом колонны химической обработки 172 устройства денитрации для обеспечения подачи разбавленной кислоты HNO₃ в устройство концентрации HNO₃ 190. С второго выхода колонны химической обработки 192 стекает концентрированная кислота HNO₃ 210, пригодная для промышленного использования. Первый выход колонны химической обработки 192 гидравлическим путем соединен с входом отгоночной колоны 194. Выход отгоночной колоны 194 гидравлическим путем соединен с входом резервуара накачки 196. Выход резервуара накачки 196 гидравлическим путем соединен с входом кислотного насоса 198. Выход кислотного насоса 198 гидравлическим путем соединен с входом сепаратора 182 устройства концентрации H₂SO₄.

Специалистам будет очевидно, что в устройстве, реализованном в соответствии с настоящим изобретением, могут быть произведены разнообразные замены и модификации. Соответственно, предполагается, что такие видоизменения включаются в объем настоящего изобретения в пределах его формулы.