комплексный способ и устройство для очистки и утилизации дымовых газов

Формула изобретения

1. Комплексный способ очистки и утилизации дымовых газов, включающий охлаждение дымовых газов до температуры ниже точки росы, конденсацию водяных паров, смешение частично охлажденных дымовых газов с озоновоздушной смесью, окисление и абсорбцию окислов азота и окислов серы полученным конденсатом, вывод очищенных дымовых газов и конденсата из зоны обработки, отличающийся тем, что дымовые газы охлаждаются до температуры, близкой к температуре конденсации в противотоке с нагреваемым воздухом в пластинчатом теплообменнике-воздухоподогревателе 2-ой ступени теплообменной секции, после смешения газовая смесь охлаждается до температуры ниже температуры конденсации водяных паров в теплообменнике-воздухоподогревателе 1-ой ступени абсорбционно-теплообменной секции, в котором конденсат водяных паров стекает по поверхности стен газовых каналов под действием сил тяжести вниз и абсорбирует в противотоке двуокись азота NO2 и серный ангидрид SO3 из дымовых газов, дальнейшее окисление и абсорбцию NOx и SOx, оставшихся в дымовых газах в газовых каналах-зазорах между перфорированными кассетами, покрытыми слоем гашеной извести Са(ОН)2, в блоке вертикальных перфорированных кассет с параллельным взаимодействием NO и NO2 с Са(ОН)2 с образованием нитрита кальция Са(NO2)2, двуокиси углерода CO2 с Са(ОН)2 с образованием углекислого кальция СаСО3, который взаимодействует с азотной кислотой, находящейся в уносимых каплях конденсата и на поверхности перфорированных кассет с образованием нитрата кальция Са(NO3)2, далее дымовые газы проходят между сепарирующими пластинами и очищенные от большей части вредных примесей (NOx, SOx, CO2) уносимых капель конденсата, выводятся в атмосферу, а капли конденсата, насыщенного кислотными компонентами, падают вниз от сепарационных пластин, смешиваются с конденсатом, стекающим в виде пленки по стенкам газовых каналов воздухоподогревателя 1-ой ступени, который проходит смесительную камеру, дополнительно насыщаясь кислотными компонентами, и растекается по поверхности горизонтальных перфорированных кассет в блоке горизонтальных перфорированных кассет, покрытых также слоем гашеной извести, где протекают вышеприведенные реакции, перетекая с одной кассеты на другую через отверстия, очищаясь при этом от кислотных компонентов, после чего стекает в поддон, откуда его направляют на подпитку котельного агрегата.

2. Устройство для очистки и утилизации дымовых газов, содержащее зону обработки в коробе, в котором помещены теплообменная и абсорбционная секции, отличающееся тем, что теплообменная секция включает в себя патрубки входа дымовых газов и выхода горячего воздуха, пластинчатый теплообменник-воздухоподогреватель 2-ой ступени и сообщается через окно с абсорбционно-теплообменной секцией, снабженной патрубками выхода очищенных дымовых газов и входа холодного воздуха, поддоном, в котором размещены снизу вверх блок горизонтальных перфорированных кассет, выполненных из шероховатого коррозионно-стойкого материала, покрытого слоем гашеной извести Са(ОН)2, пропущенных через горизонтальные щели в стене короба, уложенных друг на друга с зазором между собой в шахматном порядке своих отверстий, опирающихся на опорную решетку и закрытых крышкой блока горизонтальных кассет, полую смесительную камеру с размещенной в ней перфорированной распределительной трубой, соединенной через воздуховод с патрубком холодного воздуха и снабженной озонатором, пластинчатый теплообменник-воздухоподогреватель 1-ой ступени, выполненный из коррозионно-стойкого материала и соединенный воздушными каналами с воздухоподогревателем 2-ой ступени, блок вертикальных перфорированных кассет, аналогичных по конструкции горизонтальным кассетам, пропущенных через вертикальные щели в стене короба, установленных в направляющие лотки и закрытых крышкой блока вертикальных кассет, сепарирующие пластины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в процессах очистки дымовых газов теплоэнергетических установок от вредных примесей.

Известен способ для удаления вредных примесей (окислов азота и окислов серы) из дымовых газов, осуществляющийся в устройстве, представляющем собой часть газохода (зону обработки) с размещенными в нем теплообменной и абсорбционной секциями, представляющими собой трубчатый теплообменник, и заключающийся в том, что дымовые газы охлаждают до температуры точки росы с конденсацией водяных паров в трубчатом теплообменнике, смешивают с газом, содержащим аммиак, для нейтрализации кислотных компонентов и отводят образовавшийся конденсат и очищенные дымовые газы [1].

Недостатками известного способа и устройства являются низкая экологическая, техническая и экономическая эффективность процесса очистки дымовых газов от вредных примесей, обусловленная использованием аммиака для нейтрализации кислотных компонентов в зоне обработки, непрореагировавшая часть которого выбрасывается в атмосферу, размещение оборудования в газоходе котла, отсутствие оборудования для предотвращения уноса капель конденсата и утилизации уловленных вредных примесей.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ очистки дымовых газов от вредных примесей (окислов азота и окислов серы (NO_x и SO_x)), включающий в себя охлаждение дымовых газов до температуры ниже температуры точки росы, конденсацию водяных паров в трубчатом теплообменнике, насыщение рециркуляционного конденсата озоном и кислородом воздуха и подъем в подъемной трубе эрлифта в результате смешения с озоновоздушной смесью, распределение насыщенного конденсата по абсорбционной секции, окисление и абсорбцию окислов азота и окислов серы, находящихся в дымовых газах, насыщенным конденсатом с образованием кислого конденсата, стекающего в поддон, после чего очищенные дымовые газы выводятся в атмосферу, отвод части кислого конденсата из поддона в анионитовый фильтр для очистки от кислотных компонентов, которые выводят в процессе регенерации анионитового фильтра в виде солевого раствора.

Устройство, в котором реализуется данный способ, содержит зону обработки в газоходе (коробе) с размещенными в ней теплообменной секцией, выполненной в виде вертикального трубчатого теплообменника, абсорбционной секцией, выполненной также в виде вертикального трубчатого теплообменника с поддоном, и размещенной в них коаксиально подъемной трубой эрлифта, сепарационной секцией, выполненной в виде вертикального трубчатого теплообменника, причем днище поддона соединено трубопроводом с анионитовым фильтром. [2].

Основные недостатки данного способа заключаются в невозможности очистки дымовых газов от двуокиси углерода (СО₂) и его утилизации, необходимости использования дорогостоящего анионита в качестве наполнителя анионитового фильтра для утилизации кислого конденсата, образующегося в результате очистки дымовых газов от вредных примесей (окислов азота и окислов серы (NO_x и SO_x)), в результате чего снижается экологическая и экономическая эффективность очистки дымовых газов от вредных примесей.

Основными недостатками известного устройства являются отсутствие оборудования для очистки дымовых газов от СО₂ и его утилизации, использование для утилизации кислого конденсата анионитового фильтра, регенерация которого предусматривает использование дополнительного специализированного оборудования, что ведет к увеличению рабочего пространства теплоэнергетической установки в целом, использование в качестве основного оборудования в секциях зоны обработки трубчатых теплообменников, конструкция которых отличается громоздкостью и высоким аэродинамическим сопротивлением, что ограничивает возможность использования устройства в теплогенерирующих установках малой мощности и снижает эффективность его работы.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение экологической и экономической эффективности процесса очистки и диапазона нагрузки устройства путем очистки дымовых газов не только от окислов азота и серы (NO_x и SO_x), но и от двуокиси углерода (СO₂), утилизации наряду с теплом, водяными парами, окислами азота и серы, также и двуокиси углерода без использования дорогостоящих и вредных реактивов в одном компактном аппарате.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый комплексный способ включает в себя охлаждение дымовых газов до температуры ниже точки росы, конденсацию водяных паров, смешение охлажденных дымовых газов с озоновоздушной смесью, окисление и абсорбцию окислов азота и окислов серы полученным конденсатом, вывод очищенных дымовых газов и конденсата из зоны обработки, причем дымовые газы охлаждаются до температуры близкой к температуре конденсации в противотоке с нагреваемым воздухом в пластинчатом теплообменнике-воздухоподогревателе 2-ой ступени теплообменной секции, после смешения газовая смесь охлаждается до температуры ниже температуры конденсации водяных паров в теплообменнике-воздухоподогревателе 1-ой ступени абсорбционно-теплообменной секции, в котором конденсат водяных паров стекает по поверхности стен газовых каналов под действием сил тяжести вниз и абсорбирует в противотоке двуокись азота (NO₂) и серный ангидрид (SO₃) из дымовых газов, дальнейшее окисление и абсорбцию NO_x и SO_x оставшихся в дымовых газах в газовых каналах-зазорах между перфорированными кассетами, покрытыми слоем гашеной извести (Са(ОН)₂), в блоке вертикальных перфорированных кассет с параллельным взаимодействием NO и NO₂ с (Са(ОН) ₂) с образованием нитрита кальция (Ca(NO₂) ₂), двуокиси углерода (СО₂) с Са(ОН)₂ с образованием углекислого кальция (СаСО₃), который взаимодействует с азотной кислотой, находящейся в уносимых каплях конденсата, и на поверхности перфорированных кассет с образованием нитрата кальция (Ca(NO₃)₂), далее дымовые газы проходят между сепарирующими пластинами и очищенные от большей части вредных примесей (NO_x, SO_x, CO ₂) уносимых капель конденсата, выводятся в атмосферу, а капли конденсата, насыщенного кислотными компонентами, падают вниз от сепарационных пластин, смешиваются с конденсатом, стекающим в виде пленки по стенкам газовых каналов воздухоподогревателя 1-ой ступени, который проходит смесительную камеру, дополнительно насыщаясь кислотными компонентами, и растекается по поверхности горизонтальных перфорированных кассет в блоке горизонтальных перфорированных кассет, покрытых также слоем гашеной извести, где протекают вышеприведенные реакции, перетекая с одной кассеты на другую через отверстия, очищаясь при этом от кислотных компонентов, после чего стекает в поддон, откуда его направляют на подпитку котельного агрегата.

Поставленная техническая задача решается еще и тем, что устройство для очистки и утилизации дымовых газов содержит зону обработки в коробе с размещенной в ней по ходу движения дымовых газов теплообменной секцией, которая включает в себя патрубки входа дымовых газов и выхода горячего воздуха, пластинчатый теплообменник -воздухоподогреватель 2-ой ступени и сообщается через окно с абсорбционно-теплообменной секцией, снабженной патрубками выхода очищенных дымовых газов и входа холодного воздуха, поддоном, в котором размещены снизу вверх блок горизонтальных перфорированных кассет, выполненных из шероховатого коррозионно-стойкого материала, покрытого слоем гашеной извести (Са(ОН₂), пропущенных через горизонтальные щели в стене короба, уложенных друг на друга с зазором между собой в шахматном порядке своих отверстий, опирающихся на опорную решетку и закрытых крышкой блока горизонтальных кассет, полую смесительную камеру, с размещенной в ней перфорированной распределительной трубой, соединенной через воздуховод с патрубком холодного воздуха и снабженной озонатором, пластинчатый теплообменник-воздухоподогреватель 1-ой ступени, выполненный из коррозионно-стойкого материала и соединенный воздушными каналами с воздухоподогревателем 2-ой ступени, блок вертикальных перфорированных кассет, аналогичных по конструкции горизонтальным кассетам, пропущенных через вертикальные щели в стене короба, установленных в направляющие лотки и закрытых крышкой блока вертикальных кассет, сепарирующие пластины.

Реализация предлагаемого комплексного способа для очистки и утилизации дымовых газов осуществляется в устройстве, представленном на фиг.1, содержащем зону обработки, имеющую форму короба 1, в которой помещены по ходу движения дымовых газов, теплообменная секция 2 с патрубками входа горячих дымовых газов и выхода горячего воздуха 3 и 4 соответственно, в которой помещен вертикальный пластинчатый теплообменник-воздухоподогреватель 2-ой ступени 5, сообщающаяся через окно 6 с абсорбционно-теплообменной секцией 7, снабженной патрубками выхода очищенных дымовых газов и входа холодного воздуха 8 и 9 соответственно, поддоном 10 со штуцером слива конденсата 11, в котором помещены по порядку снизу вверх по ходу движения дымовых газов блок горизонтальных перфорированных кассет 12 с отверстиями 13, выполненных из шероховатого коррозионно-стойкого материала, покрытого слоем гашеной извести (Са(ОН)₂ ) 14, пропущенных через горизонтальные щели 15 в стенке короба 1, уложенных друг на друга с зазором между собой в шахматном порядке своих отверстий 13, опирающихся на опорную решетку 16 и закрытых крышкой блока горизонтальных кассет 17, перфорированная распределительная труба 18, соединенная через воздуховод 19, снабженный озонатором 20 с патрубком холодного воздуха 9, размещенная в полой смесительной камере 21, пластинчатый теплообменник-воздухоподогреватель 1-ой ступени 22, выполненный из коррозионно-стойкого материала и соединенный воздушными каналами с воздухоподогревателем 2-ой ступени 5, блок вертикальных перфорированных кассет 23, аналогичных по конструкции горизонтальным кассетам 12, пропущенных через вертикальные щели 24 в стенке короба 1, установленных в направляющие лотки 25 и закрытых крышкой блока вертикальных кассет 26, и сепарирующие пластины 27.

Предлагаемый комплексный способ для очистки и утилизации дымовых газов осуществляется в предлагаемом устройстве следующим образом. Дымовые газы из патрубка 3 поступают в верхнюю часть теплообменной секции короба 1, где распределяются по газовым каналам пластинчатого воздухоподогревателя 2-ой ступени 5, конструкция которого по сравнению с трубчатым позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи [3, с.272; 4, с.316], двигаются сверху вниз, охлаждаясь до температуры близкой к температуре конденсации находящихся в них водяных паров за счет теплообмена через стенку с нагреваемым воздухом, двигающимся по воздушным каналам снизу вверх, попадают через окно 6 в смесительную камеру 21 абсорбционно-теплообменной секции 7, где смешиваются с озоновоздушной смесью, поступающей из перфорированной распределительной трубы 18, после чего полученная газовая смесь распределяется по газовым каналам коррозионно-стойкого пластинчатого воздухоподогревателя 1-ой ступени 22, двигаясь снизу вверх, за счет теплообмена через стенку с нагреваемым холодным воздухом, двигающимся по его воздушным каналам, охлаждается до температуры (40-50)°С, при которой происходит конденсация большей части находящихся в дымовых газах водяных паров на поверхности стен газовых каналов в виде пленки конденсата, стекающей под действием силы тяжести вниз, и контактируют с ней. При этом параллельно процессу конденсации, в газовой фазе, ввиду появления там озона и кислорода, интенсивно протекают реакции окисления вредных примесей (NO_x и SO_x) в виде легкорастворимых в воде двуокиси азота (NO₂) и серного ангидрида (SO₃ ), их абсорбция конденсатной пленкой в противотоке, что повышает движущую силу абсорбции [5, с.264; 6, с.632], с последующим образованием азотной и серной кислот (HNO₃ и Н ₂SO₄) [7, с.275; 8, с.348], после чего насыщенный кислотными компонентами конденсат стекает вниз в смесительную камеру 21, взаимодействуя аналогично вышеописанному с газовой смесью, а частично очищенные от NO_x и SO_x дымовые газы поднимаются в газовые каналы-зазоры между вертикальными перфорированными кассетами 23, которые покрыты слоем гашеной извести (Са(ОН)₂) 14, где также происходят вышеописанные реакции окисления и абсорбция оставшихся окислов азота в газовой и жидкой фазах, и дополнительно, на поверхности слоя Са(ОН) ₂ реакции смеси NO и NO₂ с Са(ОН)₂ с образованием нитрита кальция (Ca(NO₂)₂ ), двуокиси углерода (СO₂), находящейся в значительных количествах (до 14%) в дымовых газах с Са(ОН)₂ с образованием углекислого кальция (СаСО₃) [7, с.483; 9, с.406], который, в свою очередь, взаимодействует с азотной кислотой, находящейся в уносимых каплях конденсата с образованием нитрата кальция (Са(NО₃)₂) [10, с.227], после чего очищенные от большей части вредных примесей (NO_x, SO_x, CO₂), дымовые газы проходят между сепарирующими пластинами 27, где освобождаются от уносимых капель конденсата, и через патрубок 8, окончательно очищенные, выводятся в атмосферу. Конденсат, насыщенный кислотными компонентами, капающий вниз от сепарационных пластин 27, через зазоры между вертикальными перфорированными кассетами 23 смешивается с конденсатом, стекающим в виде пленки по стенкам газовых каналов воздухоподогревателя 1-ой ступени 22, проходит смесительную камеру 21, дополнительно насыщаясь кислотными компонентами, и падает на поверхность блока горизонтальных перфорированных кассет 12, покрытых слоем гашеной извести 14, перетекая с одной кассеты 12 на другую через отверстия 13, очищаясь при этом от кислотных компонентов по вышеописанным химическим реакциям [10, с.227], после чего стекает в поддон 10, откуда через штуцер 11 его направляют на подпитку котельного агрегата.

По завершении активного цикла кассет 12 и 23, что можно определить по увеличению проскока вредных примесей в атмосферу, отработанные кассеты 12 и 23 заменяют без остановки котельного агрегата на регенерированные через щели 15 и 24 поочередно по одной штуке, чтобы не нарушить аэродинамический режим. Процесс регенерации заключается в том, что отработанные кассеты 12 и 23 очищают от слоя покрытия 14, состоящего из смеси углекислого кальция (СаСО₃), нитрита кальция (Са(NO₂ )₂), нитрата кальция (Са(NO₃)₂ ), которые являются азотсодержащими удобрениями, используемыми в сельском хозяйстве [10, с.227], и снова покрывают слоем гашеной извести (Са(ОН)₂), после чего повторно используют для очистки дымовых газов в предлагаемом устройстве.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет проводить очистку дымовых газов не только от окислов азота и серы (NO_x и SO _x), но и от двуокиси углерода (CO₂), утилизировать наряду с теплом, водяными парами, окислами азота и серы, также и двуокись углерода без использования дорогостоящих и вредных реактивов в одном компактном аппарате, что позволяет его использовать в больших и малых теплогенерирующих установках, увеличивает экологическую и экономическую эффективность процесса очистки и надежность работы устройства.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Патент США №4753784, МКл.⁴ В 01 D 53/00,1988.

2. Патент РФ №2186612, МКл⁴. В 01 D 53/60,2000.

3. М.А.Михеев и др. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1973, 320 с.

4. Водяные тепловые сети. Справочное пособие / Под. ред. Н.К.Громова и др. - М.: Стройиздат, 1988, 376 с.

5. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987,496 с.

6. Кафаров В.В. Основы массопередачи. - М.: Высшая школа, 1962, 655 с.

7. Неницеску К. Общая химия. - М.: Мир, 1968, 816 с.

8. Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. - М.: Высшая школа, 1985,448 с.

9. Абрамов Н.Н. и др. Водоснабжение. - М.: Госстройиздат, 1960, 579 с.

10. Позин М.Е. Технология минеральных удобрений. - Л.: Химия, 1983, 360 с.