СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ УГЛЕРОДА И УДАЛЕНИЯ МУЛЬТИЗАГРЯЗНЕНИЙ В ТОПОЧНОМ ГАЗЕ ИЗ ИСТОЧНИКОВ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА И ИЗВЛЕЧЕНИЯ МНОЖЕСТВЕННЫХ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ
METHOD AND DEVICE FOR CATCHING CARBON AND REMOVING MULTIPLE CONTAMINANTS IN GAS FLOWS FROM HYDROCARBON FUEL SOURCES AND REMOVING MULTIPLE BYPRODUCTS

Предпосылки создания изобретения
Данная заявка устанавливает приоритет предварительной заявки на патент США № 60/923373 «Способ и устройство для улавливания углерода и удаления мультизагрязнений в топочном газе из источников сжигаемого ископаемого топлива и извлечения множественных побочных продуктов из него», поданной 12 апреля 2007 г., полное содержание которой приводится в данном описании в качестве ссылки.
Данное изобретение относится к способам селективного улавливания и удаления очищенного газообразного диоксида углерода, селективного удаления и регенерации диоксида серы и оксидов азота плюс тяжелые металлы и микрометаллы, такие как (но не ограничиваясь этим) ртуть, селен, кадмий, мышьяк, германий, уран и бериллий, из газообразных смесей, содержащих указанные составляющие, и, особенно, из потоков топочного газа, имеющих низкие концентрации. Указанные газообразные смеси включают в себя топочный газ сгорания или отходящие газы, получаемые при сжигании угля, нефти, природного газа и других углеводородных топлив на энергоустановках и в промышленных, сельскохозяйственных и муниципальных печах и от подобных источников.
Особенно трудными для удаления обычными средствами являются оксиды азота низкой валентности, такие как оксид азота, и микрометаллы, включая пары ртути, из указанных смесей топочного газа, без предварительных стадий предварительного окисления в низких концентрациях, при которых они имеют место. Также трудными для удаления обычными средствами из указанных потоков топочного газа являются диоксид серы и диоксид углерода из-за их растворимости в жидкости, несмотря на их отчасти большие концентрации, имеющие место отдельно или в присутствии других материалов.
Все из указанных составляющих считаются загрязнениями воздуха с рядом вредных эффектов в атмосфере и связанной экологией. Диоксид серы и оксиды азота, которые являются загрязнениями воздуха, находятся при средних концентрациях в потоках топочного газа с хорошо установленными и регулируемыми стандартами выделений и стандартами качества атмосферного воздуха многими странами. Пары ртути и подобные микрометаллические составляющие являются загрязнениями воздуха, которые присутствуют при очень низких концентрациях в потоках топочного газа, которые являются потенциальными проблемами с точки зрения здоровья людей, для которых стандарты только начинают разрабатываться. Диоксид углерода представляет собой газообразную составляющую, находящуюся при высоких концентрациях в указанных потоках топочного газа, что с возрастанием связано с наблюдаемыми обусловленными глобальным потеплением и изменением климата.
Настоящее изобретение обеспечивает согласование с указанными установленными нормами регулирования загрязнения воздуха способом, который обеспечивает их извлечение в виде коммерчески применимых побочных продуктов в таком количестве и качестве, что регулирование и повторное использование указанных компонентов может в лучшем случае стать выгодным, а в худшем случае менее затратным, чем традиционные средства регулирования выделений.
Настоящее изобретение включает в себя аэродинамическую реакторную систему, в которой удаляются тяжелые металлы и дисперсные аэрозоли и в которой диоксид серы, диоксид углерода и оксиды азота отделяются от выходящего газового потока с последующим окислением паров ртути, оксидов азота и органических соединений.
Ранее были рассмотрены различные виды газоочистителей с увлажнением. Например, патент США № 467264 (Raymond) раскрывает способ очистки дыма увлажнением его водяным паром и затем отделением твердых частиц с использованием центрифуги. Патент США № 723531 (Jackson) раскрывает устройство конденсации дыма, дымов или газов путем использования пары водяных струй и отделения частиц гравитационным осаждением или фильтрацией. Британский патент № 925711 раскрывает жидкостно-пылевой фильтр, в котором пылесодержащий газ ускоряется с помощью сужающегося канала или форсунки и затем направляется к потоку жидкости. В патенте США № 3894851 (Gorman) используются капли воды, конденсированные водяным паром, для смешения с загрязненным газом. Затем смоченные твердые частицы отделяются в циклонном сепараторе. В патенте США № 3812656 (Barnhart) рассматривается вентилируемый газоочиститель Вентури, через который выводится загрязненный воздух. В горловине газоочистителя Вентури распыляется вода для смачивания загрязненного воздуха, и грязь и воздух разделяются гравитационно, когда воздух пропускается через воздуходувку. Другой вид газоочистителя Вентури рассматривается в патенте США № 3898308 (Baum), который предусматривает ряд регулируемых водяных струй в горловине газоочистителя Вентури для контактирования газ/жидкость.
Совсем недавно был выдан ряд патентов, в которых тонкодисперсные твердые частицы улавливаются путем капсулирования или уноса дисперсных твердых частиц в небольших каплях, и затем капли растут в размере до тех пор, когда они могут быть отделены от газа в соответствии с принципами центробежного или проточного разделения. Указанные патенты включают в себя патент США № 3852408 (Ewan et al.), патент США № 3852409 (Martin, Ewan et al.), патент США № 3912469 (Ewan et al.), патент США № 4141701 (Ewan et al.), патент США № 4272499 (Cason, Ewan et al.) и патент США № 6447574В1 (Frier, Bass and Ewan). В последнем патенте топочный газ, идущий через систему, является полностью дозвуковым, и система не способна раздельно удалить загрязнения в виде дисперсных твердых частиц и кислотные газовые загрязнения или использовать их отдельно и регенерировать их в виде ценных побочных продуктов. Кроме того, ни один из вышеуказанных патентов не содержит никакой технологии или механизма, относящихся к улавливанию диоксида углерода. Некоторые из указанных выше патентов также рассматривают удаление кислотных газов, таких как диоксид серы и оксиды азота, с помощью таких щелочных химических реагентов, как карбонат натрия, гидроксид натрия, оксид кальция, гидроксид кальция, оксид магния, гидроксид аммония и перманганат калия. Конечные продукты указанных способов удаления для каждого из указанных патентов представляют собой либо материалы относительно низкого значения, такие как гипс или аммонийсодержащие удобрения, либо утилизируемый материал, такой как шлам или остатки твердых отходов.
Другой аспект настоящего изобретения представляет собой выделение и регенерацию соединений серы, азота и углерода из выходящих газов в такой форме, как сульфат калия или нитрат калия, которые являются ценными в качестве удобрений. Диоксид углерода, который удаляется и регенерируется, может быть твердым как конечный продукт, чтобы использоваться для улучшенной третичной регенерации нефти, или для улучшенного выращивания растительных культур, или для получения водорослей для биодизельного топлива, или чтобы быть изолированным. Диоксид углерода также может использоваться как исходное сырье для получения коммерческих готовых продуктов, таких как метанол, этанол (который может рассматриваться как исходное сырье для получения биотоплива и транспортного топлива) и этилен (причем этилен или особенно этилендихлорид являются промежуточным продуктом для получения поливинилхлоридных пластиков).
Способ удаления и извлечения оксидов азота и серы из газовых смесей, таких как газообразные продукты сгорания от энергоустановок, рассматривается в патентах США №№ 4425313 и 4426364 (Cooper). В указанных патентах оксиды азота и серы удаляются раздельно или вместе и преобразуются в сульфаты и нитраты, которые могут использоваться как удобрения. Однако указанные ранние патенты не рассматривают, как разделить газы с тем, чтобы предотвратить тяжелые металлы и очень мелкие дисперсные твердые вещества ((ДТВ)(PM)) в топочном газе: (1) от загрязнения ими извлекаемых сульфатов и нитратов с получением их реализуемыми в качестве удобрений в более чистой форме, или (2) от аэродинамического или химического удаляющего улавливания и выпускания в атмосферу. Как отмечено выше, тяжелые металлы, такие как ртуть и другие микрометаллы, и очень тонкодисперсные твердые вещества, обычно удаляемые улавливанием, теперь считаются загрязнениями воздуха, которые могут значительно ухудшить экологию и здоровье людей.
Энергетический способ электрокаталитического окисления, описанный в патентах США №№ 6132692 и 7052662, представляет собой в большей степени аммоний-, чем калийсодержащий способ (использующий как сухой, так и мокрый способ удаления), который дает в качестве конечных продуктов менее ценные аммонийсодержащие удобрения, такие как потенциально опасные и взрывчатые смеси нитратов аммония и сульфатов аммония. Кроме того, энергетический способ использует каталитическое окисление элементарной ртути и оксида азота, которое является менее эффективным, чем высокотемпературное газофазное термическое окисление, используемое в настоящем изобретении, и энергетический способ дает возможное закупоривание или обрастание катализатора.
Воздушный натрийбикарбонатный способ, описанный в патентах США №№ 6315976, 6375824 и 6334990, представляет собой натрийсодержащий традиционный химический способ в противоположность настоящему изобретению, которое представляет собой обычно в предпочтительном варианте калийсодержащий комбинированный аэродинамический физический и химический способ. Как результат воздушный способ не позволяет извлечь диоксид углерода и требует дополнительного использования гидроксида аммония в качестве образованного химического вещества, что дает образование сульфата аммония и потенциально опасного нитрата аммония, ситуация, подобная вышеуказанному энергетическому способу.
В патенте США № 6638342 (Gansley) недавно разработан другой аммонийсодержащий традиционный химический способ удаления диоксида серы, диоксида азота и микрометаллов или токсичных металлов. Т.к. микрометаллы удаляются одновременно с диоксидом серы и диоксидом азота, аммонийсодержащее удобрение (получаемое Gansley-способом) является по своей природе загрязненным осажденными металлическими солями без предоставления возможности каких-либо мер против возросшей проблемы вышеуказанной токсичности. Gansley-способ только пытается частично удалять токсичные металлы; однако такая попытка оказывается очень затратной в энергопотреблении и неэффективной и не может дать коммерчески реализуемые и нетоксичные побочные продукты из топочного газа.
Skyonic натрийкарбонатный способ, описанный в публикации патента США № 20060185985, использует электролиз хлорида натрия до гидроксида натрия для того, чтобы уловить диоксид углерода как карбонат и бикарбонат натрия. Газообразный диоксид углерода (который предназначен быть очищенным газом) затем высвобождается из карбонатного раствора хлористоводородной кислотой, получаемой из водорода и хлора. Однако способ не содержит удаление оксидов серы, оксидов азота и микрометаллов и дает только карбонат и бикарбонат натрия низкого значения в качестве побочных химических продуктов. Поскольку Skyonic-способ не предусматривает окисление ртути и других микрометаллов выше по потоку от их барботирования, тогда металлические твердые частицы будут накапливаться в жидком растворе. Кроме того, пары непрореагировавшей и необработанной элементарной ртути могут либо выпускаться аэродинамически в массу потока топочного газа, либо также накапливаться в абсорбирующей жидкости и затем высвобождаться вместе с газообразным диоксидом углерода с загрязнением его. Skyonic-способ способен удалять только 70% выделяемого диоксида углерода с потреблением 30% общей энергопроизводительности энергоустановки. Поэтому имеются вопросы токсичности, непрактичности и неэффективности затрат.
Патенты США №№ 6969486 и 6676912 (Cooper) относятся к фотолитическому окислению пероксида водорода до гидроксильных свободных радикалов с использованием ультрафиолетового излучения с окислением оксида азота, монооксида углерода и паров органических соединений соответственно до диоксида азота, диоксида углерода и воды. Указанные ранние патенты не устанавливают, что пары элементарной ртути могут быть окислены до солей ртути отдельно и селективно выше по потоку и поэтому становятся отделенными от оксидов азота на стадии очистки ниже по потоку, в результате избегая загрязнения нитратов калия (аналогично для других микрометаллов). Решение в данных патентах относится, рассматривается и обеспечивается настоящим изобретением, которое решает проблему. Кроме того, в противоположность настоящему изобретению в каждом из вышеуказанных ранних патентов также не предусматривается извлечение и получение метанола, или этанола, или этилена.
Краткое описание изобретения
Рассматривается селективное окисление элементарной ртути и введение диоксида хлора, газообразного хлора и хлоро-, хлороксил- и гидроксилсвободных радикалов, полученных от пероксида водорода, для удаления ниже по потоку дисперсных частиц ртути и металлических аэрозолей при взаимодействии хлорида щелочного металла через аэродинамические реакторные системы. Рассматривается извлечение твердых ртутных и других металлических соединений при рециркулировании сульфатной соли щелочного металла с регенерацией материалов гидроксида и/или хлорида щелочного металла для электролизера. Газообразные хлор и водород получают электролизом с генерированием раствора гидроксида калия для абсорбции диоксида серы, диоксида азота и диоксида углерода в рядах из аэродинамических реакторов и аэрокоагуляторов. Взаимодействие хлора с этиленом, полученным ферментацией этанола с водородным катализом, дает этилендихлоридное промежуточное соединение с дополнительной реакцией этилена с получением винилхлоридного мономера и поливинилхлоридного пластика. Взаимодействие водорода с хлором дает хлористоводородную кислоту для ртути и других металлов, например, экстракции и извлечения алюминия, с регенерацией хлорида и/или гидроксида щелочного металла в качестве электролизного питания и для рециркулирования и извлечения продукта. Взаимодействие водорода и диоксида углерода дает синтетический газ для получения этанола, метанола, этилена и их производных из собранного диоксида углерода, уловленного из потоков топочного газа.
Настоящее изобретение делает возможным улавливание и удаление эффективно (1) большой концентрации диоксида углерода из потоков топочного газа, генерированного на энергоустановках, использующих сжигание угля, и от других промышленных источников углеводородного топлива; (2) средней концентрации диоксида серы и оксидов азота из указанных потоков топочного газа; и (3) небольшой концентрации паров ртути и других металлических и других тонкодисперсных аэрозолей из указанных потоков топочного газа. Указанные удаляемые таким образом загрязнения воздуха могут быть затем извлечены из потоков топочного газа после обработки и абсорбции посредством многочисленных последовательных фаз предварительного окисления, удаления, извлечения и регенерации для каждой категории материалов как в газообразной, так и в твердой дисперсной форме путем многочисленных серий циклических способов. Загрязнения воздуха могут быть преобразованы из несобираемой формы в собираемую форму и затем удалены из потоков топочного газа энергоустановки или промышленной установки сжигания. Ожидаемая последовательная конверсия и регенерация указанных загрязнений в используемые побочные продукты вместе с регенерацией собирающих жидких сред в качестве рециркулируемых абсорбирующих растворов через ряд циклических способов дают большое сохранение невозобновляемых источников и высокоэкономичный способ извлечения оксидов серы и оксидов азота с получением калийсульфатных и калийнитратных удобрений и извлечения диоксида углерода, так что диоксид углерода может быть преобразован в ряд полезных химических побочных продуктов и чистых топливных побочных продуктов.
Данное изобретение относится к способу селективного улавливания и удаления очищенного газообразного диоксида углерода, селективным способам удаления и регенерации диоксида серы и оксидов азота и других газов из смесей газовых потоков плюс ртуть и других металлических аэрозольных выделений на энергоустановках, работающих на угле в качестве топлива, и на других промышленных источниках углеводородного топлива. Указанные загрязнения воздуха являются предметом повышенного внимания с точки зрения защиты здоровья людей и экологии, что требует генеративной и регенеративной системы широкого рециркулирования для регулирования выделения, использующей хлориды щелочных металлов в качестве рециркулируемых исходных материалов для удаления и извлечения на эффективной и экономичной основе с получением полезных химических побочных продуктов и удобрения. Указанные потоки топочного газа первоначально обрабатываются с помощью многостадийного аэродинамического реактора, использующего предварительное окисление оксида азота до диоксида азота и паров ртути до ионных соединений ртути плюс монооксида углерода и органических соединений до диоксида углерода и водяного пара. Газофазный способ включает обработку с выбором сжимающейся жидкости, такой как пар/воздух (или газ) вместе с водой, хлором, диоксидом хлора, пероксидом водорода, и выбором фотолизированного хлора, диоксида хлора и пероксида водорода в последовательности, в аэродинамической реакторной системе раствором реагента хлорида щелочного металла с последующим удалением солей ртути и металлических аэрозолей и дисперсных частиц в установке-коагуляторе разделения газ/жидкость первой стадии.
Системы конечного химического удаления и извлечения затем удаляют соединения ртути и другие металлические аэрозольные соли из системы выходящей жидкости аэрокоагулятора первой стадии с помощью фильтрации, осаждения и деминерализации в ряду с последующими кислотной и щелочной экстракциями. Получаемые извлеченные твердые вещества затем обрабатываются хлористоводородной кислотой и гидроксидом щелочного металла для извлечения металлов из потоков твердых остатков. Регенерированный раствор галогенида щелочного металла возвращается в аэродинамический реактор как рециркулированный поток жидкости со стадий отделения твердых материалов с созданием регенеративного способа рециркулирования для того, чтобы минимизировать требования получения дополнительных свежеполученных химических веществ.
Непрерывно подаваемый поток топочного газа после удаления металлов и дисперсных частиц затем пропускают через вторую аэродинамическую реакторную систему (которая, предпочтительно, включает в себя аэрокоагулятор для функции разделения газ/жидкость, хотя могут использоваться другие сепараторы газ/жидкость), использующую рециркулированный реагентный раствор гидроксида, карбоната и бикарбоната щелочного металла для удаления диоксида серы и диоксида углерода. Затем непрерывный баланс газового потока перемещается в аэродинамическую реакторную систему третьей стадии (которая, предпочтительно, также включает в себя аэрокоагулятор для функции разделения газ/жидкость), использующую параллельно рециркулируемый реагентный раствор гидроксида, карбоната и бикарбоната щелочного металла для удаления диоксида азота и остаточного диоксида углерода.
Как аэродинамический реактор второй стадии, так и аэродинамический реактор (реакторы) третьей стадии используют их собственные соответствующие аэрокоагуляторы для отделения газового потока от выходящего потока жидкости. Потоки жидкости выходят из системы удаления диоксида серы второй стадии и системы удаления диоксида азота третьей стадии и затем обрабатываются последовательно с помощью окисления, декарбонизации и выпаривания плюс кристаллизации с облегчением удаления соответствующих солей сульфата и нитрата щелочного металла в качестве извлекаемых твердых материалов. Диоксид углерода улавливается и извлекается как отдельный поток очищенного газа из выходящих продуктов установок декарбонизации путем разложения бикарбонатов щелочного металла на карбонатные соли на стадиях удаления как диоксида серы, так и диоксида азота. Извлеченные растворы карбоната щелочного металла, образованного на стадиях выпаривания и кристаллизации на стадиях удаления как диоксида серы, так и диоксида азота, затем разбавляются водой и рециркулируются и возвращаются в их соответствующие реакторы после введения свежеполученного гидроксида щелочного металла из химической генерационной/регенерационной системы. Как результат, при использовании рециркулированного и регенерированного жидкого реагентного раствора тогда может иметь место дополнительное удаление загрязнений в идущем потоке топочного газа.
Отдельная рециркулирующая химическая генерационная/регенерационная система использует параллельные перерабатывающие установки хлорида щелочного металла и этилена, использующие существующие технологии. Этилен получают каталитической термической конверсией этанола реакцией с водородом из отдельных электролизеров, с этанолом, получаемым реакцией ферментации вверх по потоку зерна или других сельскохозяйственных источников или биоисточников, или синтезом из водорода и диоксида углерода. Раствор соли хлорида щелочного металла пропускают через электролизер, где гидроксид щелочного металла получают как жидкий раствор для введения в качестве свежеполученного химического вещества на стадии абсорбции диоксида серы и диоксида азота. На противоположных электродах также получают потоки газообразных водорода и хлора, где водород идет в отдельный каталитический реактор для конверсии метанола или этанола в этилен и все его родственные производные или для отдельного получения химического побочного продукта пероксида водорода для последующего использования на стадии предварительного окисления для бойлерного топочного газа. Кроме того, как метанол, так и этанол и все его родственные производные, включая такие как биотопливо, могут быть синтезированы из водорода, получаемого на стадии электролиза, и диоксида углерода, удаляемого из потока топочного газа, в качестве используемых и ценных побочных продуктов. Каждое из получений побочных продуктов, как описано выше, является результатом данного изобретения.
Настоящее изобретение впервые обеспечивает неожиданное полное решения проблемы удаления всех загрязнителей, загрязнений и парниковых газов из газовой смеси продуктов сгорания, так что конечный выходящий газ представляет собой по существу чистый воздух. Почти сорок лет тому назад аэродинамический способ, подтвержденный, главным образом, различными Ewan-патентами, выданными в начале семидесятых годов прошлого столетия, показал способность удалять даже субмикронные дисперсные вещества, металлы и кислотные газы из газообразных продуктов горения в виде суспензии. В лучшем случае, однако, суспензия содержит продукт, такой как гипс, загрязненный дисперсными веществами и металлами, и может быть захвачено немного (если вообще сколько-нибудь) диоксида углерода. С другой стороны, Cooper-способ, который был также разработан впервые почти сорок лет тому назад и был показан Cooper-патентами, выданными в семидесятых годах прошлого столетия, основан на стандартных химических реакторах, которые хотя являются способными разделять продукты серы и азота, но указанные продукты неизбежно загрязнены дисперсными материалами и металлами. Несмотря на то что Ewan- и Cooper-способы были доступными для специалистов в данной области техники в течение, по меньшей мере, тридцати лет, ни один из них до авторов настоящего изобретения не предложил конкретный путь объединения указанных способов, который каждый в отдельности был несовершенным, с образованием способа, который, во-первых, был способен удалять все загрязнители и загрязнения отдельно с тем, чтобы создать незагрязненные и ценные побочные продукты и в то же самое время исключить проблему парниковых газов. Огромное количество усилий и денег было затрачено на технологию очистки угля, газификацию угля и обработку топочного газа, но ни одна из указанных работ не дала экономичный способ, способный удалять свыше 90% диоксида углерода вместе с диоксидом серы и оксидами азота. В действительности было установлено, что некоторые предложенные способы являются неэкономичными, и программы разработки были прекращены. Ввиду указанных ошибок и недостатков части собственной работы авторов изобретения успех настоящего изобретения является неочевидным и неожиданным.
Краткое описание чертежей
На фигурах 1а и 1b показана технологическая схема системы, в которой дисперсные твердые вещества, тяжелые металлы, диоксид серы, оксиды азота и диоксид углерода удаляются и извлекаются из выходящего газа способа сжигания углеводородного топлива, и их соответствующих систем генерации/регенерации рециркулирующих химических реагентов для регенерации побочного продукта.
На фигуре 2 показано частично в разрезе устройство сверхзвуковой и дозвуковой форсунок и связанной смесительной/реакционной камеры.
На фигуре 3 показано частично в разрезе альтернативное форсуночное устройство, использующее множество сверхзвуковых форсунок.
На фигуре 4 показано поперечное сечение устройства сверхзвуковой форсунки, выполненное по линии А-А на фигуре 3.
На фигуре 5 показано подробное поперечное сечение устройства сверхзвуковой форсунки для впрыска водяного пара или воздуха.
На фигуре 6 показано подробное поперечное сечение аэрокоагулятора для отделения жидкости от потока топочного газа.
На фигуре 7 показана установка ультрафиолетового фотолиза для получения свободных радикалов из жидкостей и газов.
На фигуре 8 показана система обработки жидкостью для удаления и извлечения ртути из топочного газа.
На фигуре 9 показана система обработки жидкостью для удаления и извлечения селена из топочного газа.
На фигуре 10 показана технологическая схема дополнения к системе, представленной на фигурах 1а и 1b, по которой биодизельное топливо может быть получено синтезом и ферментацией водорослей.
На фигуре 11 показана технологическая схема дополнения к системе, представленной на фигурах 1а и 1b, по которой метанол, этанол, этилен, этилендихлорид и биотопливо могут быть синтезированы из водорода, хлора и диоксида углерода.
На фигурах 12а и 12b показана технологическая схема варианта системы, представленной на фигурах 1а и 1b, в частности, предназначенного для максимизации извлечения и получения диоксида углерода.
Идентификация номеров для фигур также представлена в Приложении 1.
Подробное описание предпочтительных вариантов
Данное изобретение делает возможным эффективное улавливание и удаление: (1) большой концентрации диоксида углерода из потоков топочного газа, генерированного на энергоустановках, использующих сжигание угля, и от других промышленных источников углеводородного топлива; (2) средней концентрации диоксида серы и оксидов азота из указанных потоков топочного газа; и (3) небольшой концентрации паров ртути и других металлических и тонкодисперсных аэрозолей из указанных газовых потоков. Указанные удаляемые таким образом загрязнения воздуха могут быть затем извлечены из потоков топочного газа после обработки и абсорбции посредством многочисленных последовательных фаз предварительного окисления, удаления, извлечения и регенерации для каждой категории материалов как в газообразной, так и в твердой дисперсной форме путем многочисленных серий циклических способов. Загрязнения воздуха могут быть преобразованы из несобираемой формы в собираемую форму и затем удалены из потоков топочного газа энергоустановки или промышленной установки сжигания. Ожидаемая последовательная конверсия и регенерация указанных загрязнений в используемые побочные продукты вместе с регенерацией собираемых жидких сред в виде рециркулирующихся абсорбирующих растворов путем ряда циклических способов дают значительное сохранение невозобновляемых ресурсов и высокоэкономичный способ извлечения оксидов серы и оксидов азота с получением калийсульфатных и калийнитратных удобрений и извлечения диоксида углерода, так что диоксид углерода может быть превращен в ряд используемых химических и топливных побочных продуктов.
Способ предварительной обработки предварительного окисления имеет место для того, чтобы преобразовать оксид азота, пары элементарной серы и пары других микрометаллов с характеристиками, подобными парам ртути, плюс монооксид углерода и органические пары плюс тонкодисперсные аэрозоли из их несобираемых состояний в собираемые формы. Оксид азота превращается в диоксид азота и элементарную ртуть к ионным ртутным солевым составам и как частицы большего размера являются более поддающимися к улавливанию и удалению из потока топочного газа. Способ предварительного окисления для превращения оксида азота в диоксид азота имеет место посредством ряда реакций газофазного окисления, использующих фотолизированный пероксид водорода плюс газообразные хлор и диоксид хлора в жидком реагентном растворе хлорида щелочного металла. Кроме того, стадии предварительного окисления дают частичное окисление монооксида углерода до диоксида углерода, а также паров органических соединений до диоксида углерода и водяного пара, так что они могут быть более легко удалены из потока топочного газа.
Что касается теперь фигур 1а и 7, способ предварительной обработки предварительного окисления для конверсии паров нерастворимой элементарной ртути в растворимые соединения солей окисленной ртути имеет место путем описанной газофазной многостадийной обработки. Потоки хлора и диоксида хлора 56 и пероксида водорода 18 подают в установку фотолиза 14 и обрабатывают ультрафиолетовым излучением 20 с тем, чтобы получить поток свободных радикалов хлоро, хлороксил, гидроксил и гидропероксил 22, 306. На фигуре 7 часть потока свободных радикалов по линии 306 направляется через нагреватель для свободных радикалов 308 с выпариванием жидких компонентов потока. Предпочтительно, воздух, проходящий через питательный трубопровод 11, нагревается воздушным нагревателем 309 и вводится в смесительную камеру 311, где он смешивается с выпаренным потоком свободных радикалов, водой, водяным паром и пероксидом водорода. Объединенный поток выходит из смесительной камеры 311 по трубопроводу 24 и вводится в выпускной трубопровод бойлера 26, где температура топочного газа является еще выше. Предпочтительно, как показано на фигуре 1а, такая точка может быть между предварительным нагревателем воздуха 13 и экономайзером 15. В некоторых установках экономайзер может быть расположен вверх по потоку от предварительного нагревателя воздуха. В данном случае точка впрыска, предпочтительно, находится вверх по потоку от экономайзера с получением преимущества более высокой температуры топочного газа, которая способствует прохождению желаемых реакций окисления, так что загрязнения тогда преобразуются в более легко собираемые формы.
Выпускной трубопровод 26 от бойлера соединяется с впуском первичного устройства собирания частиц 28, которым может быть, например, существующий электростатический осадитель, циклонный сепаратор или пылеуловитель с тканевым фильтром. Функцией первичного собирающего устройства является отделение крупных дисперсных твердых частиц, таких как летучая зола, от горячего топочного газа, и, если необходимо, снижение температуры горячего газа 10 до интервала от 140 до 160°C (285-320°F) и обеспечение увлажнения газового потока. Вместо первичного собирающего устройства 28 в некоторых установках может использоваться камера кондиционирования, содержащая колонну с распылительным орошением, заполненную водяными струями. Способ предварительной обработки для преобразования тонкодисперсных аэрозолей из несобираемой в собираемую форму включает в себя пропускание топочного газа через аэродинамический реактор первой стадии 30, который включает в себя звуковые и сверхзвуковые свободные струи в присутствии жидких растворов для создания турбулентного смешения, зародышеобразвания, роста частиц и конденсации для облегчения удаления из потока топочного газа аэрокоагулятора 32 с отделением жидкости от газовой фазы. Стадия обеспечивает удаление захваченных дисперсных твердых частиц и окисленных ртутных соединений в жидкий раствор для последующего пропускания в установку отделения и извлечения металлов 34, и где жидкий реагентный раствор затем пересоставляется и рециркулируется для экономичного повторного использования в газофазном способе удаления для удаления дополнительных загрязнений воздуха.
Что касается фигур 1а, 2 и 5, первый аэродинамический реактор 30 имеет впускной трубопровод 36, который имеет сообщение между выпускным трубопроводом 38 от первичного собирающего устройства 28 и смесительной/реакционной камерой 40. Сверхзвуковая форсунка 42 располагается между выходом впускного трубопровода 36 и входом смесительной/реакционной камеры 40. Форсунка, которой является, предпочтительно, сверхзвуковая форсунка 44, располагается во впускном трубопроводе 36 и может снабжаться сжимающейся жидкостью, такой как пар 47, или воздух, или газ. Под «сверхзвуковым» в данном изобретении понимается, что сжимающаяся жидкость выходит из сверхзвуковой форсунки 44 со скоростью, большей скорости звука, в среде потока загрязненного газа в поток системы каналов 36, где расположена сверхзвуковая форсунка. Патрубок 43, расположенный вблизи выпускного конца предпочтительной сверхзвуковой форсунки 44, заполнен многочисленными распылительными форсунками 45. Вода и (если используется) раствор химических реагентов, содержащий соль хлорида щелочного металла, такого как хлорид калия или натрия 164, через 58 и свободные радикалы 22 могут быть введены посредством распылительных форсунок 45 как жидкость или пар. Если желательно, газообразные хлор и диоксид хлора также могут быть введены посредством распылительных форсунок 45 в газовый поток. Сверхзвуковая свободная струя 46, выходящая из сверхзвуковой форсунки 44, контактирует с горловиной 48 сверхзвуковой форсунки 42 и действует как струйный насос с подведением, нагнетанием и уплотнением загрязненного выходящего газа 10 в и через сверхзвуковую свободную струю 46 и затем через дозвуковую форсунку 42 и в дозвуковую свободную струю 50. В науке аэродинамики термин «свободная струя» означает струю выходящего газа, которая является несвязанной, нестесненной и неограниченной. В данном изобретении использование сверхзвуковой форсунки, которая обеспечивает сверхзвуковую свободную струю, является предпочтительным для использования сверхзвуковой форсунки для начальной функции подведения и смешения, потому что сверхзвуковая форсунка обеспечивает значительно улучшенные характеристики смешения с более низкими требованиями к энергии, чем дозвуковая форсунка. С другой стороны, дозвуковая форсунка 42, расположенная на входе в реакционную камеру, является адекватной для физических и химических реакций, имеющих место в объединенной струе, образованной с помощью сжимающейся жидкости, впрыскиваемых жидкостей, вместе с загрязненным газовым потоком. Если желательно, дополнительные вода и раствор химических реагентов могут быть, предпочтительно, введены в дозвуковую свободную струю 50 с помощью патрубка, обеспеченного распылительными форсунками 51, расположенными около дозвуковой форсунки 42 на его выходном конце. Благодаря ударным волнам и энергии, существующим в сверхзвуковой свободной струе 46 и молекулярной диффузии при броуновском движении как в газообразной, так и в жидкой фазах, имеют место глубокие и неизбежные соударения между загрязненным газом 10, реагентами (если используются) и сверхзвуковой свободной струей 46, так что существует эффективный и глубокий контакт газ/жидкость и смешение всех молекул в газовом потоке.
Смесительная/реакционная камера 40 включают в себя секцию уменьшения поперечного сечения 52, которая контактирует с дозвуковой свободной струей 50, так что образуется второй струйный насос. Ряд всасывающих отверстий, называемых в данном описании апертурами 54, размещается в горловине 48 дозвуковой форсунки 42. Апертуры 54 сообщаются с зоной намного большего внутреннего диаметра в смесительной/реакционной камере 40, но снаружи дозвуковой свободной струи 50. Как результат газа, идущего через горловину 48 дозвуковой форсунки 42 с поглощающим или всасывающим внутрь эффектом апертур 54, давление в зоне смесительной/реакционной камеры 40 снаружи дозвуковой свободной струи 50 снижается до давления ниже атмосферного. Давление сразу ниже по потоку от дозвуковой форсунки 42 также становится ниже атмосферного из-за увеличения скорости струи, выходящей из форсунки, и расширения пространства, в которое газ впрыскивается и расширяется. Имеет место заметное и быстрое охлаждение таким образом обработанного газового потока. Поскольку выходящий газовый поток, тщательно смешанный с каплями, и паром, и (если используются) химическими реагентами, проходит и выходит через дозвуковую форсунку с образованием второй турбулентной свободной струи, он всасывается и дает зону давления ниже атмосферного снаружи участка дозвуковой свободной струи 50. Таким образом, выходящий газ, связанный с дозвуковой свободной струей, расширяется в смесительной/реакционной камере и испытывает быстрое падение температуры, которое улучшает конденсацию влаги на субмикронных дисперсных твердых частицах и аэрозолях, которые действуют как участки зародышеобразования для их капсулирования в каплях воды. Благодаря турбулентным условиям в дозвуковой свободной струе капли, содержащие субмикронные дисперсных твердые частицы и аэрозоли, быстро растут в размере от множественных соударений, столкновений и зародышеобразования, а также дополнительной конденсации до тех пор, пока они не достигнут размера, когда они могут быть легко отделены от выходящего газового потока. Устройство разделения газ/жидкость, предпочтительно, представляет собой аэрокоагулятор, в котором капли, содержащие загрязнение, аэродинамически отделяются в камере с увеличенным поперечным сечением, которая удаляет жидкость и унесенные ею аэрозоли и твердые дисперсные частицы в виде капель жидкости из остальной части газового потока.
Зона давления ниже атмосферного в аэродинамическом реакторе 30 дополняет и ускоряет действия смешения в свободной струе при удалении граничных слоев, окружающих аэрозоли, ускоряя в результате заданные химические реакции (если вообще они есть) и образование и рост капель жидкости, которые капсулируют твердые дисперсные частицы и продукты химических реакций (если вообще они есть), таким образом, обеспечивая последующие отделение и собирание аэрокоагулятором или другим сепаратором газ/жидкость. Т.е. это является результатом аэродинамической реакторной системы и применяемого способа в контексте молекулярной физики и химии поверхности, которая отличается от традиционной химии. Кроме того, внутренняя самоочистка и эффективность удаления аэродинамической системы является функцией энергии, подаваемой к аэродинамическому реактору, и может регулироваться регулированием количества сжатого пара или химических реагентов, подаваемых в аэродинамический реактор.
Хотя единственный узел сверхзвуковой/дозвуковой форсунки и смесительная/реакционная камера являются обычно адекватными для удаления тяжелых металлов и аэрозолей, содержащих очень малые твердые дисперсные частицы, если желательно, второй подобный узел форсунки и смесительная/реакционная камера могут быть установлены между ними и последующим аэрокоагулятором или другим сепаратором газ/жидкость. Аналогичным образом в альтернативном варианте единственная сверхзвуковая форсунка, как на фигуре 2, может быть заменена множеством небольших сверхзвуковых форсунок, как на фигуре 3, которые все направлены к горловине 48 дозвуковой форсунки 42. Если желательно, часть или все химические реагенты, указанные выше, могут быть введены с помощью одной или более сверхзвуковых форсунок в виде жидкости или пара. Однако такие реагенты, предпочтительно, вводятся через патрубки и распылительные форсунки, связанные с соответствующими сверхзвуковыми форсунками. Предпочтительно, узел сверхзвуковой/дозвуковой форсунки и смесительная/реакционная камера расположены вертикально, так что сверхзвуковая и дозвуковая свободные струи направлены вертикально вниз так, чтобы облегчить быстрое смешение и контактирование между каплями жидкости и компонентами газового потока. С другой стороны, может быть также установлен горизонтальный узел, хотя он может увеличить требования к физическому пространству участка.
На фигурах 3 и 4 соответственно показана альтернативная конструкция сверхзвуковой форсунки 44 с фигуры 2. На фигурах 3 и 4 показаны три сверхзвуковые форсунки 44а, 44b и 44с. Каждая из трех форсунок 44а, 44b и 44с направлена к горловине 48 дозвуковой форсунки 42. Пар 47 или воздух могут использоваться для приведения в действие сверхзвуковых форсунок 44а, 44b и 44с с облегчением контактирования газ/жидкость. Свободные радикалы гидроксил и гидропероксил плюс хлоро и хлороксил, а также химические реагенты хлор, диоксид хлора и хлорид щелочного металла могут быть ведены через патрубки 43а, 43b и 43с и через распылительные или измельчительные форсунки 45а, 45b и 45с. Под «измельчительной форсункой» в данном изобретении понимается форсунка, способная размельчать жидкость на очень маленькие капли, когда она впрыскивает жидкость. Хотя на фигурах 3 и 4 показаны три сверхзвуковые форсунки, должно быть отмечено, что, если желательно, могут быть предусмотрены дополнительные форсунки. Как показано на фигуре 1, химические реагенты (если вообще используются) хлор и диоксид хлора поступают в канал 36 по линии 56, тогда как хлорид щелочного металла и свободные радикалы 22 хлоро, хлороксил, гидроксил и гидропероксил поступают в канал 36 по линии 58. Как отмечено выше, указанные химические реагенты, предпочтительно, вводят в сверхзвуковые форсунки 46 в виде жидкости или пара через соответствующие патрубки 43 и через распылительные или измельчительные форсунки 45, хотя они могут вводиться в газовый поток 10 в канале 36 и затем смешиваться сверхзвуковой форсункой струей или струями 46.
Частично очищенный топочный газ и капли, содержащие загрязнения, выходят из вертикально сконфигурированного аэродинамического реактора 30 в колено 60 и затем в горизонтально сконфигурированный аэрокоагулятор 32, как показано на фигуре 6. Что касается фигуры 6, аэрокоагулятор 32 для отделения капель жидкости от газа содержит часть увеличивающегося поперечного сечения 62 и часть постоянного или равномерного поперечного сечения 64. Аэродинамическое устройство разделения потока 66, которым может быть фиксированная, или регулируемая, или изогнутая лента, барьер, лопасть или поток жидкости, располагается вблизи входа части увеличивающегося поперечного сечения 62 аэрокоагулятора 32. Разделительное устройство потока 66 заставляет жидкостнокапельную часть газового потока быть направленной вниз к стенке аэрокоагулятора 32, тогда как газообразная часть газового потока в эффекте вращающегося завихрения поднимается вверх и выходит из аэрокоагулятора по каналу 68. Газообразная часть газового потока, выходящая из аэрокоагулятора 32, содержит диоксид серы, оксиды азота и диоксид углерода из топочного газа 10, тогда как отделенная жидкость, будучи тяжелей и, таким образом, текущей вниз, выходящей из аэрокоагулятора по линии 70, содержит дисперсный твердый материал и тяжелые металлы, микрометаллы и другие дисперсные частицы, уловленные из горячего газового потока 10, которые затем собираются и извлекаются.
Хотя без желания быть связанным какой-либо теорией, рассмотрения возможных механизмов и теорий даются ниже.
Аэродинамический механизм
Как видно из приведенного выше описания первого аэродинамического газоочистительного реактора (далее обозначаемого как АДГО (ADOC)), само АДГО-устройство является механически довольно простым и включают в себя неподвижные части, и каждый из трех или четырех аэродинамических реакторов (как использовано далее во всех системе и способах данного изобретения) являются по существу идентичными, так что их соответствующие описания являются подобными. Однако способы, осуществляемые в каждом аэродинамическом реакторе и его соответствующем аэрокоагуляторе, являются довольно сложными и неодинаковыми со способами, осуществляемыми в традиционном оборудовании регулирования загрязнений.
Сверхзвуковая форсунка 44 (или форсунки 44а, 44b, 44с) расположена во впускном трубопроводе 36 и в сочетании с дозвуковой форсункой 42 образует струйный насос, который проводит загрязненный газовый поток 10 через систему. Конструкция сверхзвуковой и дозвуковой форсунок, показанных на фигурах 2, 3 и 5, является хорошо известной специалистам в данной области техники, и нет необходимости подробно описывать ее здесь. Распылительные или измельчающие форсунки 45, связанные со сверхзвуковыми форсунками 44, распыляют измельченные воду или химические реагенты непосредственно в сверхзвуковую свободную струю 46. Капли измельченной жидкости дробятся и дополнительно уменьшаются в размере и хорошо смешиваются в сверхзвуковой свободной струе 46, которая создается форсункой 44 и движется со скоростью 1180 фут/с (0,0944 м/с). Для того чтобы свободная струя, выходящая из форсунки, формовалась и была полностью эффективной, площадь поперечного сечения впускного трубопровода 36 должна быть, по меньшей мере, примерно в четыре раза больше, чем площадь поперечного сечения выходного отверстия форсунки 44. Меньшие соотношения площадей будут отрицательно влиять на характеристики реактора. Благодаря, в частности, ударным волнам и энергии, существующей в сверхзвуковой свободной струе 46, в свободной струе 46 в зоне ударной волны сверхзвуковой свободной струи 46 имеет место турбулентное и глубокое смешение загрязненного газового потока 10, который первоначально движется с номинальной скоростью 40-60 фут/с (0,003-0,005 м/с), с очень мелкими каплями воды и химических реагентов (если используются). Смесь после турбулентного смешения смешивает их соответствующие скорости перемещения и усредняет их до скорости 150-250 фут/с (0,012-0,020 м/с).
Когда смесь газового потока проталкивается или нагнетается в и проходит через дозвуковую форсунку 42, скорость указанного потока в выпускном отверстии форсунки 42 значительно возрастает до скорости звукового интервала, потому что газообразное содержимое нагнетается через форсунку 42. Указанный ускоренный поток теперь быстро поступает в реакционную камеру значительно большего диаметра 40, которая имеет внутреннюю площадь поперечного сечения камеры, по меньшей мере, в четыре (4) раза до пяти (5) раз больше, чем площадь поперечного сечения выпускного отверстия дозвуковой форсунки 42, и газовый поток резко расширяется в объеме, тогда как давление потока резко падает до уровня ниже атмосферного после поступления в камеру 40. Как отмечено выше, меньшее соотношение площадей будет отрицательно влиять на характеристики реактора. Таким образом, в дозвуковой свободной струе 50, когда она выходит из дозвуковой форсунки 42, давление становится заметно ниже атмосферного, и температура становится заметно холодней. Кроме того, благодаря впитывающему или всасывающему внутрь эффекту апертур 54 в горловине 48 дозвуковой форсунки 42 давление в смесительной/реакционной камере 40 непосредственно снаружи дозвуковой свободной струи 50 будет также ниже атмосферного на некотором расстоянии. Сниженное давление дает в результате удаление поверхностного граничного слоя на очень малых или измельченных частицах пара или аэрозоля и капель и реагента (если используется), поэтому аэрозоли, частицы, капли и реагент (если используется), все приводятся в непосредственный контакт друг с другом и быстро взаимодействуют. В данном процессе поглощается тепло. Благодаря очень малому размеру капель и реагентов (если используются) отношение площади поверхности контакта к объему может быть в тысячи раз больше, чем связанное с или включенное в традиционные химические реакции в нормальных условиях. Кроме того, имеется молекулярная диффузия или броуновское движение как в газообразной, так и в жидкой фазах турбулентной смеси газ/жидкость. Если используются химические реагенты, ионы соединений взаимодействуют с их соответствующими противоположно заряженными ионами их целей, получаемых в заданных реакциях, и имеют место эндотермические реакции, когда энергия поглощается.
Как результат атмосферных и эндотермических условий, созданных в реакционной камере 40, использующей принципы аэродинамики, заданные химические реакции могут быть завершены в миллисекунды, и главный процесс или механизм становится одним из молекулярной химии поверхности, нетрадиционной химии. Заданные реакции имеют место при быстром падении температуры до примерно 150°F (65,6°C). Сниженная температура вызывает конденсацию водяного пара на участках зародышеобразования, обеспечиваемых дисперсными твердыми частицами и реакционными продуктами. Благодаря турбулентности в дозвуковой свободной струе 50 капли, капсулирующие твердые дисперсные частицы и реакционные продукты, растут при чрезвычайно быстром и повторяющемся столкновении, задержании, диффузии, взаимодействии, зародышеобразовании и конденсации. Непрерывное столкновение, задержание, диффузия, взаимодействие и зародышеобразование обусловлены, в частности, броуновским движением очень малых частиц и ионов. Данный процесс повторяется в хаотическом порядке очень быстро и вызывает «рост» еще более крупных капель и капсулирование-перекапсулирование еще больших зародышеобразующих участков до тех пор, пока пар не перемещается наружу и за пределы реакционной зоны.
Когда смесь газов и капель перемещается к последней части и за пределы реакционной камеры 40, имеет место извлечение сжатия: (1) экзотермические условия начинают иметь место, что обеспечивает извлечение температуры примерно 50-75°F (10-24°C), и (2) в сходящейся секции 52 начинается извлечение давления до нормального атмосферного уровня вместе с непрерывным ростом капель. Таким образом, за пределами реакционной зоны, где-то между сходящейся секцией 52 и аэрокоагулятором 32, заданные химические реакции достигают точки равновесия, и устанавливаются экзотермические условия и условия положительного давления традиционной химии.
Колено 60 между вертикально ориентированным аэродинамическим реактором 30 и аэрокоагулятором 32 служит в качестве расширенной или дополнительной трубы смешения, где имеет место дополнительный рост капель при непрерывном столкновении, зародышеобразовании и конденсации. Когда газовая смесь поступает в аэрокоагулятор 32, она содержит смесь газов и относительно крупных капель, содержащих уловленные тяжелые металлы и микрометаллы и другие твердые дисперсные частицы, капсулированные и повторно капсулированные при конденсации в очень крупные капли, которые затем могут быть отделены.
Как показано на фигуре 6, аэрокоагулятор 32 имеет сходящуюся 62, которая обеспечивает некоторое дополнительное извлечение давления для составляющих газовой фазы и секцию постоянного диаметра 64 с устройством разделения потока 66, расположенным вблизи входа сходящейся секции 62. Устройство разделения потока 66 отводит полностью капсулированные капли жидкости к нижней стенке аэрокоагулятора 32 и предназначается для введения ряда вращающихся завихрений, которые заставляют оставшиеся капли высаждаться в жидкой форме, когда составляющие газовой фазы перемещаются из и через блок выпускного трубопровода 68. Может иметься одно или более дополнительных формованных устройств разделения потока 67, расположенных в аэрокоагуляторе, предназначенных для обеспечения конечного отделения более ускоренной газовой фазы от влагосодержащих капель жидкости, капсулирующих заданный продукт реакции, которые будут намного менее ускоренными и более холодными и будут двигаться вниз как капли жидкости, собирающиеся в струйки и выходящие из днища чаши для избыточной жидкости аэрокоагулятора. В выпускном трубопроводе 68 (если желательно) может быть расположена газодувка 69, чтобы способствовать продвижению газовой фазы через выпускной трубопровод 68 и чтобы получить общую потерю давления 4-5 дюйм (102-127 мм) водяного столба, которая имеет место в аэродинамическом реакторе 30 и может не быть достаточно извлечена в аэрокоагуляторе 32. Хотя отдельная газодувка 69 может быть расположена в выпускном трубопроводе от каждого аэрокоагулятора, может быть более желательно использовать единственную введенную вытяжную газодувку 97 на конце интегрированной многостадийной аэродинамической реакторной системы и перед впуском блока 98 или альтернативно, но менее желательно, нагнетающую вытяжную газодувку перед впуском первого аэродинамического реактора, когда могут требоваться альтернативные инженерные разработки.
Частично очищенный газ, который выходит из установки аэрокоагулятора 32 по трубопроводу 68, направляется на впуск второго аэродинамического реактора 72 для удаления диоксида серы. Объединенный раствор гидроксида щелочного металла плюс солей карбоната и бикарбоната по линии 74 плюс свободные радикалы гидроксила и гидропероксила по линии 23 (если желательно) подаются во второй аэродинамический реактор 72 с помощью соответствующих распылительных или измельчительных форсунок 45, связанных со сверхзвуковой форсункой 44 данного реактора. Выходящие из реактора жидкость и газ разделяются во втором сепараторе газ/жидкость или аэрокоагуляторе 76 с выходящей жидкостью, проходящей по линии 78 в систему химического извлечения диоксида серы и триоксида серы для получения химических побочных продуктов. Удаление диоксида серы осуществляется с эффективностью 99,0% или более описанным выше аэродинамическим способом. Часть диоксида углерода также извлекается вместе с побочными продуктами серы в потоке жидкости.
x
2
Частично очищенный газ (в большой степени содержащий NO и оставшийся СО) выходит из реакторной системы оксидов серы 72, 76 по трубопроводу 84 и направляется на впуск третьего аэродинамического реактора 85 для удаления оксида азота. Данный реактор является по существу идентичным первому и второму аэродинамическим реакторам. В него подают второй раствор гидроксида-карбоната-бикарбоната щелочного металла по линии 86 и свободные радикалы гидроксил и гидропероксил по линии 23 (если желательно). Реагентный раствор подают в третий аэродинамический реактор 85 с помощью соответствующих распылительных или измельчительных форсунок 45, связанных со сверхзвуковой форсункой 44 данного реактора. Поскольку химические реакции с оксидами азота протекают более медленно, чем с оксидами серы, может быть желательно предусмотреть четвертый аэродинамический реактор 88 аналогичным образом в ряд после третьего аэродинамического реактора 85. Рециркулируемый реагентный раствор 85 также может быть введен в газовый поток с помощью соответствующих распылительных или измельчительных форсунок 45, связанных со сверхзвуковой форсункой 44 четвертого аэродинамического реактора 88.
Газ и капли жидкости, выходящие из четвертого аэродинамического реактора 88, направляются в сепаратор газ/жидкость или аэрокоагулятор 90, где отработанная реагентная жидкость 92, содержащая компоненты нитрита и нитрата щелочного металла плюс оставшуюся часть диоксида углерода, и реагентный раствор карбоната-бикарбоната щелочного металла пропускают в систему извлечения побочных продуктов, подобную системе, используемой для диоксида серы. В способе удаления оксидов азота описанным аэродинамическим способом может быть достигнута эффективность 99,0% или более.
Очищенный газ из аэродинамических реакторов оксидов азота 85, 88 выходит из системы по трубопроводу 96. Как описано ранее, может быть желательно использовать введенную вытяжную газодувку 97, чтобы способствовать движению вверх очищенного газа в данной точке. Перед высвобождением в трубу 98 очищенный газ может быть предварительно нагрет в предварительном нагревателе 100. Кроме того, может быть желательно вводить нагреватель в один или более выпускных трубопроводов 68, 84, 96 (как показано на фигурах 1а и 1b) и 407 (как показано на фигуре 12b) для регулирования температуры газового потока, поступающего в соответствующие аэродинамические реакторы 72, 85 (как показано на фигуре 1b) и 404 (как показано на фигуре 12b). Вода, извлеченная из блока конденсированной жидкости, подводится по линии 108 в установку обработки воды 110 для последующего повторного использования.
Система полного извлечения и регенерации побочных продуктов
Что касается фигуры 9, жидкость 78, выходящая из второго аэродинамического реактора 72 и второго аэрокоагулятора 76, для удаления оксидов серы сначала пропускается через предварительный фильтр 188 для удаления нерастворимых материалов промывкой водой или раствором хлорида щелочного металла 190. Удаленные нерастворимые материалы и промывочный раствор, содержащий воду и щелочь, затем идут в установку отделения металлов и регенерации 34 (см. фигуру 8) по линии 193. Отфильтрованная отработанная реагентная жидкость 192 затем пропускается на стадию удаления селена перед поступлением в емкость рециркулируемой смеси 140 по линии 205. В смесительную емкость 140 затем подают возвратный раствор карбоната щелочного металла 136 из испарителя-кристаллизатора 132 и свежий поток питания гидроксида щелочного металла 138 и воду 162 с созданием рециркулируемой жидкости 74, которая затем возвращается в аэродинамический реактор второй стадии (диоксида серы) 72 для улавливания дополнительных газовых загрязнений.
Отработанный раствор 78 (из аэродинамического реактора 72 и аэрокоагулятора 76 для удаления оксидов серы) фильтруется на стадии 188, и затем жидкость 192 пропускается в слой ионообменной смолы деминерализации 198 для селективного удаления селена в форме ионов селена. Часть или весь селен может быть удален ионоселективным удалением через слой ионообменной смолы деминерализации 198. Оставшийся раствор помещают в обводной поток жидкости 200 в зависимости от требуемого или желательного удаления селена, тогда как очищенный и деминерализованный раствор 205 возвращается в смесительную емкость 140 после того, как удаляется селен. Селен селективно отделяется от сульфатных ионов дополнительной стадией ионообменной деминерализации 201 и затем направляется на стадию извлечения селена 202. Слой ионообменной смолы деминерализации 201 регенерируется как результат введения регенерационного раствора 203, причем очищенный слой ионообменной смолы деминерализации 199 затем возвращается в слой смолы 198 для экономичного повторного использования после завершения стадии циклической регенерации.
Раствор селена 204, полученный от регенерации слоя ионообменной смолы деминерализации 201, затем направляют на утилизацию или на дополнительную стадию химического извлечения 202. Отработанный раствор селена может быть выпарен и отвержден известью или другими материалами и помещен в контейнер, если он должен размещаться в проверенном устройстве. Альтернативой является получение отработанного раствора, обогащенного селеном, и частичное концентрирование его выпариванием и затем извлечение селена для последующего повторного использования в изготовлении электрических или электронных компонентов или фотовольтных элементов солнечной энергии, или для других экономичных применений. Может быть необходимым перевести селен в карбидное или оксидное соединение, или в очищенную элементарную форму для облегчения его извлечения и повторного использования в изготовлении полезных продуктов, таких как компоненты электрической и электронной промышленности.
Ссылка делается на способ химического извлечения металлов и регенерации компенсирующих химических веществ 34, как показано на фигурах 1b и 8. Отфильтрованную промывку 193 (от предварительного фильтра удаления селена 188) и отфильтрованную промывку 194 (от предварительного фильтра твердых материалов 93) объединяют как поток промывки фильтра 195, который соединяют с металлобогащенным потоком жидкости 70. Поток жидкости 70, 195 сначала фильтруют 31 для удаления нерастворимых частиц и затем пропускают через адсорбционный слой активированного угля 33 для удаления любых остаточных элементарной ртути и органических веществ.
Раствор хлорида щелочного металла 164 используют в качестве промывки для установки предварительной фильтрации 31, и выходящую промывочную жидкость 165 затем пропускают на центрифугу 39 для удаления твердых веществ. Поток жидкости затем пропускают через установку предварительного осаждения 37, где соединения сульфата щелочного металла 131 из смесительной емкости 130 и вода 162 (см. фигуру 1а) вводятся для осаждения растворимого соединения хлорида ртути в виде сульфата ртути 133. Поток жидкости затем центрифугируют 39 для удаления сульфата ртути и других нерастворимых твердых веществ, которые затем идут на водную промывку 220, затем на кислотную экстракцию 222 и в систему щелочной экстракции 224 (см. фигуру 1а). Растворимая жидкость с центрифуги пополняется хлоридом щелочного металла 118, который рециркулируется на впуск системы химического извлечения для регенерации раствора гидроксида щелочного металла.
Что касается способа химической регенерации диоксида серы, показанного на фигуре 1b, система химической регенерации диоксида серы использует установку термической декарбонизации 124, где нестабильные соли бикарбоната щелочного металла превращаются в стабильные соединения карбоната щелочного металла. Газообразный диоксид углерода 127, высвободившийся при нагревании паром 128, затем после конденсации водяного пара выходит как очищенный газообразный диоксид углерода. Кроме того, часть невысвободившегося диоксида углерода, оставшаяся в растворе, может быть рециркулирована в результате работы установки декарбонизации по линии 159 с увеличением конечного выхода газообразного диоксида углерода как ценного побочного продукта. После декарбонизации система регенерации диоксида серы использует стадию окисления 126 пероксидом водорода 18 (ответвление на линии 146) и воздухом 125 с окислением нестабильных соединений сульфита щелочного металла до стабильных соединений сульфата щелочного металла. Раствор окисленной и декарбонизированной жидкости, содержащий сульфатные и карбонатные соли щелочного металла, со стадии декарбонизации затем пропускают в установку выпаривания-кристаллизации 132 для концентрирования до уровня содержания твердых веществ, достаточного для удаления соединений сульфата щелочного металла в качестве твердого материала 134. Оставшийся раствор карбоната щелочного металла 136, воду 162 и гидроксид щелочного металла 138 экономично рециркулируют и вводят как свежеполученные химические вещества и после пропускают через смесительную емкость 140. Указанные компоненты затем возвращаются в аэродинамический реактор 72 для удаления дополнительного диоксида серы из потока топочного газа 10 посредством ряда множественных стадий рециркулирования по линии 74.
Ссылка делается на родственный способ химической регенерации оксидов азота, показанный на фигуре 1b. Система химической регенерации оксидов азота является подобной системе удаления диоксида серы. Раствор жидкости 92, выведенный из аэродинамической реакторной системы оксидов азота 85, 88, пропускают через предварительный фильтр 93 или промывочным раствором хлорида щелочного металла 190 и затем через смесительную емкость 142. Входящий подаваемый промывочный раствор 190 пропускают в установку выделения и извлечения металлов 34 по линиям 194 и 195. Раствор жидкости 92 из смесительной емкости 142 затем пропускают по линии 143 на стадию окисления 144, главным образом, раствором пероксида водорода 146 для конверсии солей нитрита щелочного металла в соли нитрата щелочного металла. Поток окисленной жидкости, содержащий нитраты щелочного металла плюс соли карбоната и бикарбоната щелочного металла, затем пропускают в установку термической декарбонизации 148 для разложения соединений бикарбоната щелочного металла нагреванием паром 128 с получением стабильных соединений карбоната щелочного металла.
Газообразный диоксид углерода 152 со стадии декарбонизации оксидов азота затем удаляют и объединяют с газообразным диоксидом углерода 127, выходящим со стадии декарбонизации диоксида серы. Кроме того, часть невысвободившегося диоксида углерода, оставшаяся в растворе, может быть рециркулирована посредством работы установки декарбонизации 148 по линии 149 с увеличением конечного выхода газообразного диоксида углерода как ценного побочного продукта. Очищенный газообразный диоксид углерода затем осушают в конденсаторе 154 и откачивают насосом для использования в третичной улучшенной регенерации нефти в нефтяных областях или для других применений, таких как секвестрация потоком 155. Это представляет собой часть полной химической системы для регулирования, улавливания углерода и использования диоксида углерода для получения ценных побочных продуктов, включая метанол, этанол и этилен, в качестве химических веществ или биотоплива. Воду, удаляемую на стадии 154, направляют в установку обработки воды 110 по линиям 109 и 113, так что она затем может быть обработана для повторного использования.
Раствор декарбонатной жидкости, содержащий соли нитрата и карбоната щелочного металла, затем охлаждается при прохождении через охлаждающую установку 156. Указанный раствор затем пропускают через установку выпаривания-кристаллизации 158 для извлечения соединения нитрата щелочного металла в виде кристаллов 160. Оставшийся раствор карбоната щелочного металла 161 затем рециркулируется в аэродинамические реакторы оксидов азота 85, 88 после смешения 142 и разбавления введенной водой 162 по линии 86. Подаваемый раствор гидроксида щелочного металла 138 вводят в смесительную емкость 142 в качестве свежеполученных химических веществ для компенсации для удаления оксидов азота в виде нитратных солей на стадии кристаллизации 158 для того, чтобы поддержать равновесие в химической системе регенерации.
Раствор гидроксида щелочного металла 138, вводимый в аэродинамические реакторы диоксида серы и оксидов азота 72, 85, 88, получают электролизом раствора хлорида щелочного металла 164 в электролизере 120 (см. фигуру 1а). Электролиз солей хлорида щелочного металла дает в результате образование газообразных водорода 166 и хлора 168 вместе с раствором гидроксида щелочного металла 138. Газообразный водород затем может быть либо использован для превращения этанола в этилен в установке крекинга 170, либо для взаимодействия с кислородом с получением пероксида водорода в установке 172, оба из которых являются свежеполученными химическими веществами для системы удаления загрязнений данного изобретения. Газообразный хлор может взаимодействовать с водородом с получением хлористоводородной кислоты для экстракции металлов или с получением этилендихлорида реакцией с этиленом в установке 176, который затем может использоваться для получения винилхлоридного мономера 178, а затем поливинилхлоридного полимерного материала 180. Множественные применения рециркулирующей и регенерационной химической системы данного изобретения предназначены для оптимизации сохранения ресурсов и экономичного повторного использования для получения множественных ценных побочных продуктов из загрязнений воздуха, уловленных из топочного газа.
Фотолиз свободных радикалов для облегчения удаления микрометаллов и NO
x
2
Установка фотолиза 14 предназначена для получения свободных радикалов гидроксил (ОН*) и гидропероксил (НО*) из пероксида водорода и свободных радикалов хлоро (Cl*) и хлороксил (ClO*) из газообразных хлора и диоксида хлора. При высоких температурах свободные радикалы благоприятствуют быстрому окислению оксидов низкой валентности азота до диоксида азота, тогда как при низких температурах указанные свободные радикалы способствуют реакции оксидов серы и азота с карбонатами и бикарбонатами щелочного металла. При высоких температурах 500-600°C (930-1110°F) свободные радикалы также благоприятствуют реакции элементарной ртути, паров ртути, тяжелых металлов и микрометаллов, таких как кадмий, мышьяк, германий, уран и бериллий, с образованием твердых дисперсных веществ, которые могут быть затем уловлены аэродинамическим реактором 30. Время удерживания в установке фотолиза должно составлять, по меньшей мере, от 0,1 до 3,0 с. При более низких температурах (даже таких низких, как 120°C (или 250°F)) желательная реакция может требовать более длительного времени пребывания.
Что касается теперь фигуры 7, установка фотолиза 14, предпочтительно, содержит удлиненную цилиндрическую металлическую секцию 266 и концевые плиты 268, 270, скрепленные множеством болтов 271. Предпочтительно, внутренняя поверхность цилиндрической секции 266 является полированной или иным образом обеспечена отражающей поверхностью 272. Кварцевый или стеклянный цилиндрический корпус 274 герметично скрепляется с концевыми плитами 268, 270, так чтобы быть по существу концентрическим с секцией 266, определяя в результате центральное пространство 276 и кольцевое пространство 276 в цилиндрической секции 266. Воздух 19 под давлением от насоса 280 подается по воздушным линиям 282, которые проходят через концевую плиту 268 в кольцевое пространство 278. Если желательно, соответствующие воздушные форсунки 284 могут быть расположены на воздушных линиях 282 в кольцевом пространстве 278. Пероксид водорода 18 предусматривается как поток жидкости и поступает в кольцевое пространство 278 и центральное пространство 276 через концевую плиту 268. Измельчительная форсунка 286 располагается в кольцевом пространстве 278 и центральном пространстве 276 на конце линии пероксида водорода для измельчения пероксида водорода. Если желательно, может быть предусмотрено множество линий пероксида водорода и измельчительных форсунок 286 для более однородного диспергирования пероксида водорода в кольцевом пространстве 278 и центральном пространстве 276. Газообразный хлор 168 и газообразный диоксид хлора 16 подаются в установку фотолиза 14 по линии 56, которая проходит через концевую плиту 268. Если желательно, может быть предусмотрена соответствующая форсунка 288 для диспергирования хлора и диоксида хлора в кольцевом пространстве 278. Конечно, если желательно, может быть предусмотрено множество форсунок хлора и диоксида хлора. Вода 17 предусматривается как поток жидкости в центральное пространство 276 по линиям воды 290, которые проходят через концевую плиту 268 и заканчиваются в вихревой форсунке 292. Хотя на фигуре 7 показаны две таких форсунки 292, должно быть отмечено, что, если желательно, могут быть предусмотрены дополнительные форсунки для того, чтобы улучшить распределение капель жидкости.
Множество ламп ультрафиолетового излучения 294 расположены в кольцевом пространстве 278, и их расположение определено кольцами 296, которые прикреплены к внутренней поверхности удлиненной цилиндрической секции 266. Предпочтительно, втулки 297, помещенные в отверстия, образованные в кольцах 296, закрепляют лампы ультрафиолетового излучения 294. Если желательно, могут быть предусмотрены кварцевые или стеклянные трубки (не показано) для защиты ламп ультрафиолетового излучения от окружающих газов. Источник энергопитания 298 подает электрическую энергию для ламп ультрафиолетового излучения с помощью электрических выводов 300 вместе с воздуходувками и насосами для воды. При работе смесь воздуха, измельченного пероксида водорода и газообразных хлора и диоксида хлора подвергается фотолизу под ультрафиолетовым излучением от ламп 294, так что получаются свободные радикалы гидроксил, гидропероксил, хлоро и хлороксил вместе с непрореагировавшими воздухом, пероксидом водорода, хлором и диоксидом хлора в кольцевом пространстве 278. Подобным образом в центральном пространстве вода и пероксид водорода подвергаются фотолизу под ультрафиолетовым излучением от ламп 294, так что получаются свободные радикалы гидроксил и гидропероксил, и непрореагировавшие вода и пероксид водорода вводятся в топочный газ.
Продукты фотолиза, полученные в центральном и кольцевом пространствах 276, 278 установки фотолиза 14 вместе с непрореагировавшими воздухом, водой, пероксидом водорода, хлором и диоксидом хлора, объединяются на выходе из установки фотолиза 14. Линии продукта свободных радикалов 302 выходят из кольцевого пространства 278 через концевую плиту 270, тогда как линия продукта свободных радикалов 304 выходит из центрального пространства 276 через концевую плиту 270. Линии продуктов свободных радикалов 302 и 304 соединяются с образованием линии продукта свободных радикалов 306. Линия 306 подает питание в нагреватель 308, расположенный в смесительной камере 311. Жидкие компоненты потока свободных радикалов в линии 306 выпариваются нагревателем 308 и затем смешиваются с нагретым воздухом из трубопровода 11 с помощью нагревателя воздуха 309. Объединенные потоки воздуха и свободных радикалов затем вводятся по трубопроводу 24 обратно в выпускной трубопровод бойлера 26 в точке, где температура является достаточно высокой для облегчения химических реакций.
Предпочтительно, как показано на фигуре 1а, указанная точка впрыска может находиться между предварительным нагревателем воздуха 13 и экономайзером 15. В некоторых установках экономайзер может быть расположен выше по потоку от предварительного нагревателя воздуха. В данном случае точка впрыска, предпочтительно, находится выше по потоку от экономайзера, чтобы получить преимущество более высокой температуры топочного газа, которая облегчает прохождение желаемых реакций окисления, так что загрязнения тогда преобразуются в более легко собираемые формы.
Главная точка введения жидкого раствора, содержащего свободные радикалы гидроксил, гидропероксил, хлоро и хлороксил, может находиться там, где поток горячего газа перемещается в интервале температур 500-600°C (930-1110°F). Предпочтительно, данная точка находится выше по потоку от экономайзера для некоторых типов углей, тогда как она может быть ниже по потоку от экономайзера для других типов углей.
Главная часть окисления оксида азота до диоксида азота имеет место при указанных высоких температурах вместе с конверсией паров элементарной ртути в аэрозоли оксида ртути. Часть оксида ртути может быть затем удалена ниже по потоку в электростатическом осадителе или тканевом фильтре в качестве первичного устройства собирания твердых дисперсных частиц 28, которое также может действовать как камера кондиционирования для удаления твердых дисперсных частиц. Кроме того, по меньшей мере, часть монооксида углерода может быть окислена до диоксида углерода при указанных повышенных температурах ниже по потоку от нагревателя воздуха. Также часть паров органических веществ и аэрозолей, присутствующих в качестве побочных продуктов горения, может быть превращена в диоксид углерода и водяной пар с завершением процесса окисления.
Выходящие из установки фотолиза 14 линии продуктов свободных радикалов 302 и 304 соединяются с образованием линии свободных радикалов 22. Вторая точка введения для впрыска обогащенного свободными радикалами водного жидкого потока 22 может находиться на входе в первый аэродинамический реактор 30 (см. фигуры 1а, 7, 8) ниже по потоку от первичного устройства удаления твердых дисперсных частиц при температурах 135-150°C (275-300°F). В указанном месте имеется дополнительное окисление паров ртути до оксида ртути и конверсия в растворимые аэрозоли хлорида ртути. Частицы оксида ртути могут быть затем удалены в секции предварительной обработки при взаимодействии с растворами хлорида калия и воды. Растворенный хлорид ртути в растворимой форме затем пропускают в секцию отделения и извлечения металлов 34, где сульфат щелочного металла (калия) 131 со стадии удаления оксидов серы добавляется к осадку ртути как нерастворимый сульфат ртути 133. Осадок сульфата ртути 133 затем удаляют и отделяют и затем либо сушат и помещают в контейнер, либо дополнительно перерабатывают для регенерации с получением полезных побочных продуктов.
Отдельно и альтернативно, выделенная линия 23, выходящая из центральной камеры 276 установки фотолиза 14, распределяет только свободные радикалы гидроксил и гидропероксил в точки впрыска три или четыре, связанные с аэродинамическими реакторами 72, 85 и 88 (см. фигуры 1а, 1b, 7, 9 и 10).
Третья точка введения для селекции обогащенного свободными радикалами водного жидкого раствора из установки ультрафиолетового фотолиза может быть на впуске газового потока системы второго аэродинамического реактора 72 для удаления оксидов серы. Если желательно вводить только свободные радикалы гидроксил и гидропероксил, данная стадия может осуществляться при использовании линии свободных радикалов 23, как описано выше. Главной причиной получения данного впрыска является облегчение завершения окисления оксида азота до диоксида азота путем обеспечения достаточного времени удерживания для газофазной реакции, имеющей место выше по потоку от последующего аэродинамического реактора оксидов азота 85, 88. Однако имеется также выгода частичного газофазного окисления диоксида серы до триоксида серы, также имеющего место, с участием в конверсии сульфитного иона в сульфатный ион в растворе с облегчением образования удобрения сульфата щелочного металла (калия), а также с исключением выделений триоксида серы на данной стадии. Кроме того, перемещение гидроксильных свободных радикалов в жидкую фазу может также улучшить окисление сульфитного иона до сульфатного иона в отработанном реагентном растворе для того, чтобы облегчить кристаллизацию.
Четвертое местоположение для введения селекции обогащенного свободными радикалами раствора из установки ультрафиолетового фотолиза может находиться на впуске третьего и четвертого аэродинамических реакторов 85, 88 для удаления оксидов азота. Если желательно вводить только свободные радикалы гидроксил и гидропероксил, данная стадия может осуществляться при использовании линии свободных радикалов 23, как описано выше. Указанное введение свободных радикалов гидроксил и гидропероксил делает возможным завершить окисление оксида азота до диоксида азота, так что его можно превратить в удобрение нитрата щелочного металла (калия). Кроме того, части диоксида углерода (образованного окислением газообразного монооксида углерода плюс пары органических веществ и аэрозоли в газовом потоке после воздушного нагревателя плюс идущий непосредственно из зоны горения бойлера) могут быть удалены в обоих ниже по потоку аэродинамических реакторах оксидов серы и оксидов азота. Это представляет собой часть полной химической системы для регулирования и улавливания углерода и использования диоксида углерода для образования ценных побочных продуктов, включая метанол, этанол и этилен в качестве химических веществ или биотоплива.
Система извлечения металлов и регенерации побочных продуктов
Что касается фигуры 1а, система извлечения металлов 116 использует трехстадийную водную промывку 220, кислотную экстракцию 222 хлористоводородной кислотой 175 и щелочную экстракцию 224 гидроксидом щелочного металла (калия) 138 выходящего потока жидкости отделения металлов 35 с захваченными твердыми материалами из системы первого аэродинамического реактора 30, 32 с выделением извлекаемых металлов.
Система извлечения металлов 231 принимает твердые потоки летучей золы 208 и зольного остатка 206 от сгорания угля для переработки. Целью указанной переработки является выделение полезных металлических и других компонентов из угольной золы для рециркулирования и извлечения в качестве ценных металлических материалов и для удаления возможных токсичных материалов для последующего отделения и утилизации. Неизвлеченные нетоксичные компоненты 210 из летучей золы 208 могут использоваться для получения цемента, тогда как неизвлеченный зольный остаток 212 может использоваться в дорожном базовом материале в качестве полезных побочных продуктов.
Система регенерации летучей золы и зольного остатка 231 использует трехстадийную систему контакта твердые вещества/жидкость для обработки твердых потоков летучей золы и зольного остатка, использующую водную промывку 219, экстракцию хлористоводородной кислотой 112 и экстракцию гидроксидом щелочного металла (калия) 114 последовательно для удаления металлов. Выходящие жидкости 216, 228, 230 (соответственно из установки экстракции системы водной промывки золы 219, со стадии экстракции хлористоводородной кислотой 112 и со стадии экстракции гидроксидом щелочного металла (калия) 114, содержащие растворенные металлические компоненты), в целом составляющие систему извлечения металлов из золы 231, затем направляются в систему извлечения металлов 232 для разделения на отдельные металлические компоненты, которые могут быть затем дополнительно переработаны в полезные продукты на внешних установках плавления и очистки металлов.
Система извлечения металлов 232 состоит из любой одной из четырех или всех четырех последовательных стадий жидкостной экстракции, состоящих последовательно из окислительной экстракции 234, нитратной экстракции 236, карбонатной экстракции 238 и органической экстракции 240 для разделения металлов на отдельные компоненты с использованием химических растворов, легко доступных от других собственных потоков способа. Алюминий может быть непосредственно извлечен потоком кислотной экстракции 228 как хлорид алюминия для конверсии в оксид алюминия при обработке гидроксидом щелочного металла (калия) 138 в установке 250 и последующей сушке 252. Извлеченный оксид алюминия может быть затем перегружен в оборудование, перерабатывающее оксид алюминия, или печь для плавления алюминия, где оксид алюминия перерабатывается в алюминий-металл. Магний может быть прямо извлечен как гидроксид магния со стадий щелочной экстракции 114 и 224 при сушке потока 233 с получением твердого остатка.
Кроме того, уран может быть извлечен посредством подобной двухстадийной последовательности 256 из установки нитратной экстракции 236 с азотной кислотой и нитратом калия как растворимый уранилнитрат в потоке 255, который затем превращается при осаждении гидроксидом калия в установке 257 в форму нерастворимого твердого гидроксида урана 258. Твердый гидроксид урана затем сушат нагревом с образованием оксида урана 261 в установке 260, тогда как жидкость рециркулируется по линии 259 в установку карбонатной экстракции 238 для регенерации и повторного использования. Извлеченный оксид урана перегружают в оборудование, перерабатывающее уран, для превращения в стержни топлива для получения электрической энергии в ядерных реакторах посредством сложной многостадийной последовательности, использующей одно за другим измельчение, конверсию, обогащение и изготовление.
Другие металлы могут быть отдельно извлечены при прохождении через четырехстадийную экстракцию при селективной последовательной обработке окисляющим раствором пероксида водорода 18, 146 и водным раствором нитратной экстракции 160 и раствором азотной кислоты 229 в установке 236. Воднорастворная обработка линией подачи потока карбоната щелочного металла (калия) 139 может быть введена в установку карбонатной экстракции 238 для дополнительного удаления остаточного урана и других металлов, и этанол 119 или другие реагенты могут быть введены на конечную стадию органической экстракции 240 для удаления других металлов, которые могут быть экстрагированы как органические комплексы. Извлеченные жидкости с любой или всех стадий могут быть затем обработаны с помощью различных ионообменных смол или других стадий для удаления других металлов, получаемых из угля или любого углеводородного топлива, как может потребоваться. Отдельные потоки экстракционной жидкости могут быть затем дополнительно обработаны для удаления и извлечения отдельных металлов внутри способа или транспортированы в другие места для плавления или очистки или других операций извлечения металлов в ряду полезных продуктов.
В системе извлечения металлов 232 поток жидкости окислительной экстракции 235 выходит из установки окисления 234 и поступает в установку нитратной экстракции 236. Поток жидкости нитратной экстракции 237 выходит из установки нитратной экстракции 236 и поступает в установку карбонатной экстракции 238. Поток жидкости карбонатной экстракции 239 выходит из установки карбонатной экстракции 238 и поступает в установку органической экстракции 240. Поток жидкости органической экстракции 241 выходит из установки органической экстракции 240 и поступает в установку обработки возвратных жидкостей 243, где жидкости обрабатываются хлоридом щелочного металла (калия) 164. Промытые твердые вещества возвратной жидкости 215 направляются на утилизацию твердых отходов 218, а неэкстрагированные поташ и другие жидкости 214 возвращаются в установку очистки жидкости 213. В установке 213 нерастворимые твердые вещества 218 удаляются, и обновленный питательный раствор гидроксида щелочного металла (калия) 118 возвращается в смесительную емкость 209. Жидкость из смесительной емкости 209 направляют в электролизер 120 для получения гидроксида щелочного металла (калия). Поэтому сбережение ресурсов данного изобретения также достигается при рециркулировании растворов для извлечения металлов и электролизе в системе химической регенерации для экономичного повторного использования.
Металлы, извлеченные из установки окислительной экстракции 234, установки нитратной экстракции 236, установки карбонатной экстракции 238, установки органической экстракции 240 и установки обработки возвратных жидкостей 243, направляются в оборудование для хранения извлеченных металлов 244 и затем по линии 242 в подходящие внешние плавильные, очистительные или другие установки извлечения.
Рециркулирование химических реагентов для оптимального сбережения ресурсов
Частично очищенный поток топочного газа 10 после стадии удаления металлов в первом аэродинамическом реакторе 30 затем пропускают через второй аэродинамический реактор 72, где диоксид серы и триоксид серы удаляются абсорбцией в рециркулируемом растворе гидроксида-карбоната-бикарбоната щелочного металла 74. Удаление диоксида серы имеет место при температуре реакции примерно 50-60°C (120-140°F) с соотношением рецикл-поток примерно 4,0-5,0 общего рециркулируемого раствора 74 к свежему питанию жидкости 138 и с соотношением концентрации реагента щелочного металла к оксидам серы (диоксид плюс триоксид) примерно 2,0-3,0 и при рН жидкости примерно 7,0-7,5. Очищенный газовый поток затем направляется в аэродинамический реактор оксидов азота 85, 88 после того, как удаляется более 99,0% диоксида серы вместе с по существу всем триоксидом серы. Кроме того, на данной стадии от 50 до 75% диоксида углерода также улавливается из газового потока в системе выходящего жидкого реагента вместе с диоксидом серы на данной второй стадии всего способа обработки топочного газа.
Рециркулирование потоков жидкости реагента, используемое в способе и обеспечиваемое комплексом химической генерации-регенерации, предназначенное для оптимального сбережения ресурсов и экономии, описывается следующим образом. Поток жидкости 76, выходящий из реакторной системы диоксида серы, содержит смесь соединений сульфита и бисульфита щелочного металла как результат удаления диоксида и триоксида серы вместе с солями бикарбоната и карбоната щелочного металла от удаления диоксида углерода. Может также иметься очень небольшое количество соединений нитрита и нитрата щелочного металла, присутствующих в потоке жидкости из реакторной установки диоксида серы 72, который также может быть удален из потока топочного газа. Указанный поток жидкости идет в установку декарбонизации 124, где значительная часть газообразного диоксида углерода 127 сначала высвобождается и удаляется, причем часть невысвободившегося диоксида углерода, оставшаяся в растворе, рециркулирует как поток 159 в установку декарбонизации 124 с улучшением его последующего высвобождения газообразного диоксида углерода и общего выхода при повторении.
Рециркулируемый выходящий поток жидкости 196 перегружается из смесительной емкости 140 и подается в установку термической декарбонизации 124 для отпаривания паром 128. Входящая жидкость в установку декарбонизации содержит сульфиты и бисульфиты плюс сульфаты щелочного металла вместе с карбонатными и бикарбонатными солями. Поток жидкости доводится до кипения нагреванием паром 128, что вызывает разложение бикарбонатных солей щелочного металла на карбонаты щелочного металла и газообразный диоксид углерода 127. Газообразный диоксид углерода удаляется и высвобождается из установки декарбонизации как влажный насыщенный газовый поток, который пропускается через конденсатор 154 с удалением захваченного водяного пара и извлекается как очищенный газовый поток 155 из систем регенерации как оксидов серы, так и оксидов азота, как часть всей системы регулирования углерода и улавливания диоксида углерода данного настоящего изобретения для конверсии в ряд полезных побочных продуктов, которые могут включать в себя метанол, этанол и этилен или их производные.
Поток декарбонизированной жидкости затем пропускают в установку окисления 126, где соли сульфита щелочного металла превращаются в сульфаты щелочного металла при введении воздуха 125, где кислород взаимодействует с сульфитным ионом с получением сульфатов щелочного металла как растворимых солей. Стадия окисления воздухом 126 также действует с частичным концентрированием отработанной реагентной жидкости при выпаривании воды в выходящем газовом потоке, который затем выбрасывается в атмосферу. Конверсия сульфита в сульфат в сочетании с ионами щелочного металла в растворе также действует со снижением рН отработанного реагентного раствора из установки окисления воздухом. Жидкость, выходящую из установки окисления воздухом, затем пропускают в установку кристаллизации испарением 132 обычно как загущенную суспензию для извлечения сульфатных соединений.
Сульфат калия имеет значительно более низкую растворимость в воде, чем сульфит калия, и имеет довольно низкую растворимость в растворах карбоната калия, так что он может быть легко удален из водной среды продукта кристаллизацией. Выгрузка из установки окисления сульфита обычно представляет собой суспензию благодаря значительному удалению воды и низкой растворимости сульфата калия в водной среде продукта. Суспензия может быть затем охлаждена, и сульфат калия 134 удален в испарителе-кристаллизаторе 132. Извлеченный сульфат калия 134 обычно центрифугируют и удаляют для сушки 245 и упаковки 246 в качестве ценного удобрения, и водная среда продукта выходит из центрифуги. Водная среда продукта 136 из кристаллизатора представляет собой, главным образом, карбонат калия и может также содержать небольшое количество сульфата калия плюс любой неокисленный сульфит калия. Водный маточный раствор рециркулируется, когда имеется смешанный поток 137, для предотвращения накапливания избыточных количеств нереакционных материалов в реагентном растворе. Гидроксид щелочного металла (калия) 138 затем вводят в смесительную емкость 140, так что рециркулируемая водная среда продукта 136 может компенсировать удаленный компонент диоксида серы в получении продукта сульфата калия 134 для поддержания надлежащего химического баланса.
2
2
Оставшийся частично очищенный поток топочного газа (содержащий оксиды азота и оставшийся диоксид углерода), выходящий из системы аэродинамического реактора диоксида серы 72, 76, затем пропускают в аэродинамическую реакторную установку оксидов азота 85, которая может использовать второй аэродинамический реактор 88, в оба из которых может быть подан полученный фотолизом пероксид водорода по линии 23 с жидкостью реагента гидроксида-карбоната-бикарбоната щелочного металла 86 при рН примерно 9,0-9,5, в результате чего удаляется до 98% оксидов азота и до всего 90% оставшегося диоксида углерода. Очищенный газ (состоящий из N и О, водяного пара и возможных летучих микровыделений) выходит по трубопроводу 96. Химически предварительное удаление диоксида серы в аэрокоагуляторе 76 снижает значительно количество требуемого окислителя и предотвращает образование сульфата калия в процессе удаления и извлечения оксидов азота. Получаемый рециркулируемый гидроксид калия, химически необходимый для получения продукта нитрата калия, может быть введен из рецикла карбоната калия 86 или из гидроксида калия 138, электролитически получаемого в электролизере 120 из потока питания хлорида калия 164. Отработанная жидкость 92 из АДГО-реакторной установки оксидов азота 85, 88 затем идет в систему извлечения оксидов азота 141, которая является подобной системе, используемой для установки химической регенерации продукта диоксида серы 123. Раствор пероксида водорода 146 сначала вводят в установку окисления 144 для облегчения окисления нитритов щелочного металла в нитратные соли. Рециркулируемый поток водной среды продукта 143, содержащий регенерированные или неизрасходованные пероксид водорода, нитрат калия и нитрит калия, карбонат калия и бикарбонат калия, выходит из смесительной емкости 142 и рециркулируется на впуск установки окисления 144 до тех пор, пока концентрация нитрита или нитрата или обоих не достигнет достаточного значения. Поэтому, по меньшей мере, часть водной среды продукта поступает в цикл извлечения побочного продукта. Предпочтительно, водная среда продукта, подвергаемая извлечению побочного продукта, проходит через стадию конверсии нитрата, где раствор пероксида водорода вводят для окисления нитритного иона до кристаллов нитрата, что дает нитратное удобрение в качестве ценного побочного продукта.
Поток жидкости после окисления нитритов щелочного металла до нитратных солей затем пропускают в установку термической декарбонизации 148, использующую обработку паром 128 аналогично обработке для удаления диоксида серы. Невысвободившийся диоксид углерода в растворе рециркулируется от выпуска по линии 149 для максимизации образования бикарбоната щелочного металла, где диоксид углерода рециркулирует через установку декарбонизации, что способствует превращению карбоната в бикарбонат, таким образом снижая рН до менее примерно 9,0 и способствуя окислению нитрита до нитрата неизрасходованным окислителем - пероксидом водорода. Водная среда продукта, теперь обогащенная нитратом калия и бикарбонатом калия, проходит из установки термической декарбонизации 148 в установку охлаждения 156 и затем в испаритель-кристаллизатор 158. Таким образом, значительная часть бикарбонатных солей превращается в карбонатные соли и газообразный диоксид углерода при термическом разложении в установке термической декарбонизации 148.
Диоксид углерода и водяной пар затем поднимаются вверх, и очищенный диоксид углерода может быть извлечен, высушен и использован в другом месте. Он также может быть рециркулирован для превращения карбоната калия в бикарбонат и для облегчения окисления нитрита калия в нитрат. Сжатый диоксид углерода способствует превращению карбоната в бикарбонат и облегчает образование угольной кислоты в водной среде продукта. Окисление нитрита калия до нитрата может проходить быстрее, когда угольная кислота присутствует, а карбонат отсутствует в потоке жидкости, что создает рН от слабокислого до нейтрального в жидкой фазе, сопутствующей кристаллизации нитрата калия.
Водная среда продукта, выходящая из установки декарбонизации 148, содержит, главным образом, нитрат и нитрит калия плюс карбонат калия и охлаждается в установке охлаждения 156 до примерно 10°C (50°F) и затем проходит в испаритель-кристаллизатор 158, где кристаллизуется нитрат калия 160. Кристаллы нитрата калия 160 удаляются из жидкости после центрифугирования. Нитрат калия затем сушат 247 и упаковывают 248. Первая часть потока остаточной щелочной водной среды 161 рециркулируется обратно в смесительную емкость 142. После смешения она соединяется с рециркулированием обогащенного карбонатом раствором водной реагентной среды 86, который рециркулируется на впуск АДГО-реактора 85, 88 системы удаления оксидов азота вместе с введением раствора питания гидроксида калия 138 и воды 162. Часть рециркулируемой водной среды 161 может быть смешана в отдельный поток 137 для минимизации концентрации инертных твердых веществ. Вторая часть остаточного нитрита калия, оставшаяся в потоке водной среды продукта 161, может быть отведена регулировочным клапаном и рециркулирована как поток 145 в установку окисления 144 либо по прямой линии, либо с соединением с введением окислителя - пероксида водорода по линии 146, также питающей установку окисления 144, для того, чтобы максимизировать извлечение нитрата.
Система химической регенерации и извлечения диоксида серы, диоксида углерода, ртути и других металлов использует ряд циклических способов для удаления загрязнений воздуха. Извлечение побочных продуктов соединений сульфата и нитрата щелочного металла вместе с газообразным диоксидом углерода происходит прямо из потока топочного газа вместе с соединениями ртути и другими металлическими компонентами. Получение раствора гидроксида щелочного металла 138 электролизом солей хлорида щелочного металла 164 делает возможным генерирование газов водорода 166 и хлора 168 на противоположных электродах. Тогда можно получать побочные продукты: хлористоводородную кислоту 175 и газообразный диоксид хлора 16 плюс этилендихлорид 176 и поливинилхлорид 180, а также пероксид водорода 18 и этилен 121 в качестве свежеполученных химических веществ в общей комплексной системе регулирования выделений. Кроме того, возможно, что соли хлорида щелочного металла 115 и этанол станут только внешними полученными химическими веществами, требуемыми в качестве исходного сырья в системе, если этилен получается извне в месте, где производится обработка топочного газа. Множественные применения рециркулирующей и регенеративной химической системы данного изобретения предназначены для оптимизации сбережения ресурсов и экономичного повторного использования для получения множественных ценных побочных продуктов. Таким образом, это является примером систематического сбережения ресурсов и общей регенерации каждого из требуемых реагентных растворов.
В данной настоящей системе ряд циклических регенеративных способов используется для удаления отдельных загрязнений воздуха и превращения их в полезные побочные продукты при извлечении свежеполученных химических веществ для повторного использования. Имеются отдельные циклические способы химической регенерации для решения извлечения ртути и металлов, регенерации оксидов серы и регенерации оксидов азота плюс циркулирования газообразного хлора в хлористоводородную кислоту для извлечения металлов. Кроме того, также регенерируется газообразный водород для последующего использования в получении пероксида водорода и газообразный этилен в качестве химических веществ для всего способа.
2
4
3
Ведущей и критической стадией циклической регенерации во всей системе химического получения и регенерации является электролиз 120 соли хлорида щелочного металла 164 в растворе жидкости гидроксида щелочного металла 138 плюс высвобождение газообразных водорода 166 и хлора 168 с хлоридом калия в качестве предпочтительного хлорида щелочного металла для всего способа удаления, потому что KCl может быть дополнительно использован для получения сульфата калия (KSO) 134, 246 и нитрата калия (KNO) 160, 248, оба в качестве ценных удобрений. Свежеполученный гидроксид калия 138 удобно получается в электролизере 120, где концентрированный раствор хлорида калий 164 подают в анодный отсек, где он электролитически превращается в гидроксид калия 138 в жидкости, с водородом 166 и хлором 168, высвобождающимися в виде газовых потоков на противоположных электродных концах электролизера 120. Катионообменная мембрана используется для фильтрации и получения раствора продукта гидроксида калия, не содержащего хлорид, 138 для его многочисленных применений посредством последующих способов.
Газообразный водород 166 из электролизера 120 может использоваться для получения как этилена 121, так и пероксида водорода 18. Пероксид водорода может быть получен на месте из водорода плюс кислород или из установки разделения воздуха 171, или из внешнего источника. Когда пероксид водорода получают на месте, газообразный водород взаимодействует с воздухом. Предпочтительно, водород 166 подают во весь или часть электролизера 120 с получением раствора пероксида водорода 18, 146. Пероксид водорода затем фотолизируется в установке ультрафиолетового фотолиза 14 ультрафиолетовым излучением 20 с получением свободных радикалов гидроксил и гидропероксил для их многочисленных применений посредством последующих способов. Хотя часть водорода потребляется в получении хлористоводородной кислоты и крекинге этилена, существует избыток водорода, который может не потребоваться для химических процессов, включенных в настоящее изобретение. Указанный излишек водорода может быть извлечен и сжат в качестве очищенного газа или жидкости и продан как дополнительный ценный побочный продукт, такой как для установки для очистки нефти для крекинга сырой нефти в такие продукты, как бензин, или для использования в водородных топливных элементах, или в качестве источника транспортного топлива. Хлор 168 из электролизера 120 может успешно использоваться для получения жидкой хлористоводородной кислоты 175 или газообразного диоксида хлора 16. Газообразный хлор 168 непосредственно взаимодействует с газообразным водородом 166 с получением жидкой хлористоводородной кислоты 175 для использования в операциях извлечения металлов. Газообразный диоксид хлора 16 может быть использован для окисления оксида азота до диоксида азота, а также паров элементарной ртути до хлорида ртути. Главным применением газообразного хлора 168, получаемого в электролизере 120, является взаимодействие его с газообразным этиленом 121, получаемым из этанола 119. Кроме того, газообразный хлор может давать очень ценную цепь побочных продуктов при взаимодействии с этиленом с получением этилендихлорида ((EGC)(ЭДХ)) 176 в качестве структурного блока для получения пластика поливинилхлорида (ПВХ) 180 через промежуточное соединение винилхлоридного мономера ((ВХМ)(VCM))178, где дополнительный газообразный этилен 121 может быть введен на каждой стадии. Существует рынок таких побочных продуктов, потому что они являются прямыми заменителями для некоторых получаемых химических веществ для многих более дорогостоящих исходных материалов, поставляемых нефтехимической промышленностью.
Система улавливания и регулирования углерода с получением газообразного водорода
2
Содержание диоксида углерода (CO) в газообразных продуктах сгорания может находиться в интервале от 5 до 60% об. от объема газообразных продуктов сгорания. Теперь общепризнанно, что диоксид углерода вносит значительный вклад в глобальное потепление. Усилия, сделанные по ограничению выброса диоксида углерода в атмосферу и правительственные регулирования могут скоро потребовать дополнительных ограничений. Настоящее изобретение особенно предназначено для регулирования диоксида углерода, поскольку стадии декарбонизации способа химической регенерации как оксидов серы, так и оксидов азота высвобождают диоксид углерода как чистый газ, который затем может быть извлечен как собранный газ или сжатый в жидкость. Большая часть оставшегося углерода оказывается в виде карбоната щелочного металла, который рециркулируется в реакторы оксидов серы и азота. Комбинация использования щелочно-карбонатного-бикарбонатного раствора в качестве инструмента регулирования содержания углерода и значений углерода представляет собой новую выгоду данного изобретения. Когда имеется избыток количеств углерода, содержащегося в растворе, дополнительные количества карбонатов и бикарбонатов щелочного металла могут быть получены в форме, продаваемой пользователям, или для получения синтетического топлива (как показано на фигуре 11). Это представляет собой часть полной химической системы для регулирования углерода, улавливания и утилизации диоксида углерода с образованием ценных побочных продуктов. Как результат настоящего изобретения, только микроколичества оксидов углерода и других компонентов могут стать летучими и выходящими в вытяжную трубу как отработанный газ.
Очень ценным побочным продуктом является газообразный диоксид углерода, который получается при высвобождении из растворов бикарбоната щелочного металла (калия) в процессе термической декарбонизации паром и нагревом в процессе стадий химической регенерации оксидов серы и оксидов азота. Диоксид углерода высвобождается из раствора в каждом случае при нагревании рециркулирующихся потоков жидкости карбоната-бикарбоната щелочного металла из соответствующих процессов химической регенерации оксидов серы и оксидов азота в условиях кипения. Бикарбонат щелочного металла (калия) в каждом потоке тогда разлагается с высвобождением диоксида углерода из раствора в виде насыщенного влажного газа 127, 152 плюс карбонат щелочного металла (калия). Диоксид углерода затем пропускают через конденсатор 154 для осушения и затем его выпускают как продукт для использования в третичной улучшенной регенерации нефти и других применениях, таких как улучшенный вегетативный рост в теплицах или выращивание водорослей фотосинтезом для получения синтетического топлива или биодизельного топлива (как показано на фигуре 10).
2
4
3
Обычный вариант осуществления способа представляет собой использование хлорида калия (поташа) в качестве свежего раствора, вводящего химические вещества, с тем, чтобы можно было получать ценные сульфат калия (KSO) и нитрат калия (KNO) в качестве удобрений.
2
Диоксид углерода (СО), который извлекается как очищенный газ, представляет собой побочный продукт, имеющий существенное значение либо для регулярной изоляции, либо для коммерческих целей. Часть газообразного диоксида углерода, который извлекается, может быть использована для третичной улучшенной регенерации нефти при впрыске воды, заполняющей соседние нефтяные области с увеличением пористости породы и снижением плотности жидкости. Результатом введения диоксида углерода является то, что молекулы сырой нефти в пористых слоях имеют тогда больше места для течения и могут более легко течь из пласта. Тогда могут быть извлечены большие количества нефти с получением, таким образом, улучшенных выходов сырой нефти, увеличением оценок резерва области и увеличением существующих сроков службы области. Использование диоксида углерода в качестве агента либо вместе с впрыском пара, либо самим по себе для третичной улучшенной регенерации нефти представляет собой значительную экономическую выгоду для нефтяного рынка в увеличении потенциальных энергоресурсов.
Диоксид углерода может быть также введен либо отдельно, либо вместе с входящих воздухом в гидроаэропонные теплицы для улучшенного получения сельскохозяйственных культур, таких как растения, фрукты и саженцы. Тогда можно расширить сезон выращивания культур и агрокультур в холодном климате с искусственным освещением с использованием электроэнергии от энергоустановки с участием диоксида углерода от энергоустановки. Побочный продукт - диоксид углерода может также использоваться для получения этанола, метанола, этилена, синтетического топлива и других химических веществ или использоваться для выращивания водорослей фотосинтезом для получения синтетического топлива или биодизельного топлива. Данное изобретение с его способностью регулировать и контролировать высвобождение диоксида углерода из раствора содержит новый способ фактического улавливания общего углерода, повторного использования углерода и регулирования углерода и в результате минимизирования выброса диоксида углерода в атмосферу и получения ценных побочных продуктов - производных углерода.
2
2
2
4
2
4
2
Газообразный водород 330, 166 представляет собой дополнительный продукт электролиза хлорида щелочного металла (калия) в качестве исходного материала. Часть газообразного водорода используется для получения пероксида водорода (НО) взаимодействием с кислородом в качестве химического агента для окисления оксида азота до диоксида азота для облегчения его удаления вместе с элементарной ртутью в хлорид ртути в соединении с хлором. Дополнительная часть газообразного водорода используется для взаимодействия с хлором с получением хлористоводородной кислоты (HCl) для извлечения алюминия и других ценных металлов из экстрактов золы из угля. Другая часть газообразного водорода, получаемого электролизом, потребляется реакцией с этанолом с образованием газообразного этилена (CH), который затем объединяется с частью газообразного хлора с получением этилендихлорида (CHCl) - промежуточного соединения в качестве структурного блока для получения поливинилхлоридных пластиков. Кроме того, возможно, что любой иным образом неиспользованный газообразный водород может быть затем продан в качестве будущего транспортного топлива или для использования в качестве химического агента крекинга и реформинга на любых соседних нефтеочистительных установках или для других целей, таких как транспортное топливо.
Альтернативные реагенты щелочного металла для получения других побочных продуктов
2
4
3
В некоторых случаях поставляемый хлорид калия не может быть легко доступен, или побочные продукты калийсодержащего удобрения, получаемые при осуществлении данного изобретения, могут быть неподходящими в соответствующих количествах для существующего рынка. Для такого случая может быть предпочтительно использовать другое химическое основание для электролиза вместо хлорида калия (поташа). Другой альтернативой использования поташа в качестве исходного материала является использование соли хлорида натрия (NaCl), что дает менее ценные сульфат натрия (NaSO) и нитрат натрия (NaNO) в качестве промышленных химических продуктов.
В некоторых случаях, когда требуется высокая эффективность удаления диоксида углерода при низкой стоимости либо по причинам регулирования, либо по экономическим причинам, тогда можно использовать либо объединенное химическое основание калия и натрия, либо даже замену калийсодержащего реагентного материала для способа электролиза на менее дорогостоящую и более легко доступную натрийсодержащую соль.
В других альтернативных случаях некоторые из аэродинамических реакторов данного изобретения могут использовать калийсодержащие химические вещества для достижения удаления оксидов серы и оксидов азота, тогда как дополнительная стадия аэродинамического реактора для удаления диоксида углерода может использовать натрийсодержащие химические вещества. Такое размещение будет требовать отдельных электролизеров и систем химической регенерации для различных растворов щелочного металла, где осуществляется использование двойных натрий- и калийсодержащих исходных материалов. Размещение двойного химического основания способствует гибкости работы настоящего изобретения для случаев, особенно когда большие количества диоксида углерода требуются для третичной улучшенной регенерации нефти в существующих нефтяных областях или чтобы соответствовать будущим стандартам регулирования, таким как условия «нулевого выделения».
Пример практического использования натрийсодержащей системы химической регенерации показан на фигуре 10, на которой представлена технологическая схема получения биодизельного топлива из водорослей с помощью фотосинтеза. Понятно, что фигура 10 дополняет фигуры 1а и 1b, где аэродинамический реактор диоксида серы 72 и аэродинамические реакторы оксидов азота 85, 88 работают с реагентными растворами карбоната-гидроксида натрия. В частности, на фигуре 10 показано, что поток топочного газа 10 из первого аэродинамического реактора 30 и аэрокоагулятора 32 поступает во второй аэродинамический реактор 72 по трубопроводу 68 и проходит через аэрокоагулятор 76, который отделяет жидкую часть 78, содержащую раствор бикарбоната и карбоната натрия с сульфитными и сульфатными компонентами, от оксидов серы, от газовой части, содержащей диоксид и монооксид углерода, оксиды азота, воздух и водяной пар.
Оставшийся топочный газ в трубопроводе 84 от аэрокоагулятора 76 затем продолжает двигаться далее и проходит через третий и четвертый аэродинамические реакторы оксидов азота 85, 88 и аэрокоагулятор 90, который разделяет жидкий и газообразный компоненты выходящего газового потока. Жидкий компонент, содержащий карбонаты и бикарбонаты натрия с нитритными и нитратными компонентами, направляют в смесительную емкость химической регенерации оксидов азота 142 по линии 92. Выходящий газ в трубопроводе 96, содержащий воздух, водяной пар и микроколичество летучих оксидов углерода, главным образом, диоксида углерода (если он вообще находится), направляется в вытяжную трубу 98 как по существу чистый воздух.
На фигуре 10 показано, что гидроксид натрия, необходимый как свежеполученное химическое вещество, получается электролизом раствора соли в электролизере 322. Соль (NaCl) 324 и вода 326 вместе с электроэнергией 327 подводятся к электролизеру 322. В результате электролизер 322 дает гидроксид натрия 328, газообразный водород 330 и газообразный хлор 332. Гидроксид натрия 328 отводится в смесительные емкости 140, 142, тогда как газообразный водород 330 и газообразный хлор 332 могут использоваться в другом месте в способе, как описано выше, или могут быть проданы как побочные продукты. Гидроксид натрия затем используется как свежеполученное химическое вещество для удаления диоксида серы и диоксида азота из потока топочного газа.
Отработанная реагентная жидкость 334 может быть рециркулирована из смесительных емкостей 140, 142 соответствующих систем химической регенерации соответствующих оксидов серы и оксидов азота в смесительную емкость 336, где она смешивается с дополнительным водным раствором соли 338. Водный раствор соли 338 может быть обеспечен из любого удобного источника, такого как прямая смесь соли 324 и воды 326 в емкости 340 или местное питание жесткой воды 342. Выходящие сбросовые воды рассола 344 нефтяного промысла могут также использоваться в качестве альтернативного источника рассола после обработки в установке флотационного разделения нефть-вода 346 с удалением нефти из воды рассола 344. Извлеченную нефть затем регенерируют для повторного использования, тогда как очищенная вода соли может затем использоваться для получения водорослей фотосинтезом, так что может быть получено биодизельное топливо.
3
4
Раствор 348, содержащий карбонаты и бикарбонаты натрия и хлорид натрия, служит в качестве главного питания для бассейна водорослей 350. Для того чтобы способствовать быстрому росту водорослей в бассейне 350, сульфат натрия и нитрат натрия, оба получаемые в качестве побочных продуктов способом настоящего изобретения, вводят в бассейн непосредственно или, если желательно, в смесительную емкость 336. При введении для обеспечения роста водорослей могут быть добавлены соответствующие посевные организмы 352, такие как йогурт или дрожжи. Наконец, в бассейн 350 может быть введена фосфорная кислота (НРО) 354. Фосфорная кислота 354 уже не обеспечивается способом настоящего изобретения и поэтому должна быть обеспечена из коммерческих или других источников.
В бассейне 350 применение солнечного света или искусственного света 356 дает в результате реакции фотосинтеза, которые потребляют диоксид углерода и дают водоросли и высвобожденный кислород 358. Избыточная вода 360 из бассейна 350 может быть рециркулирована в смесительную емкость 336 или повторно использована в другом месте 111. Часть водорослевой взвеси может быть рециркулирована в бассейн водорослей 350 по линии 363 для способствования более быстрому росту водорослей. Остальная часть водорослевой взвеси 362 может быть направлена в очистительную установку биодизельного топлива 364 для получения биодизельного топлива 366, ценного транспортного топлива. Способ очистки биодизельного топлива является хорошо известным в технике и не требует подробного описания.
Водоросли могут быть получены реакциями фотосинтеза с образованием либо газообразного кислорода, либо газообразного водорода вместе с водорослевой взвесью. Для потоков жидкого питания, где сера в форме сульфатных соединений введена с нитратом, фосфатом и другими питательными веществами, реакции фотосинтеза дают клетки водорослей плюс газообразный кислород из реакции диоксида углерода и воды в присутствии солнечного света. Для потоков жидкого питания, содержащих нитрат, фосфат и другие питательные вещества плюс органические отходы, реакции фотосинтеза могут дать клетки водорослей плюс газообразный водород вместо кислорода в присутствии солнечного света, когда соединения серы отсутствуют.
Улавливание углерода и получение метанола, этанола, биотоплива, этилена и их производных
Должно быть отмечено, что в соответствии с настоящим изобретением, как дополнено получением водорослей, почти весь диоксид углерода, образованный при сгорании углеводородного топлива в энергоустановке или в другом промышленном способе, либо улавливается, либо потребляется с тем, чтобы стать ценными коммерческими побочными продуктами, и не способен выбрасываться в окружающую среду, за исключением летучих следов. Диоксид углерода, уловленный из топочного газа, также может быть превращен в этанол, метанол или этилен реакцией с водородом от электролиза хлорида калия (или натрия) до гидроксида калия (или натрия) в качестве абсорбирующего раствора для диоксида серы, диоксида азота и диоксида углерода из потока топочного газа энергоустановки или промышленной установки. Результатом является то, что почти все 100% диоксида углерода могут быть превращены в полезные химические побочные продукты (метанол, этанол, этилен и все их производные), которые могут использоваться как промышленные химические исходные материалы или как транспортное топливо. Настоящее изобретение описывает, как следует ниже, новый путь получения углеводородного топлива и производные химические вещества из уловленного топочного газа, содержащего диоксид углерода, органические вещества, водород или хлор, в качестве прямых заменителей исходных химических веществ, поставляемых нефтехимической промышленностью. Такой уникальный способ данного изобретения является возможным только при применении аэродинамики с молекулярной химией поверхности и традиционной химией, комбинация которых до настоящего времени является неизвестной или неиспользуемой.
Что касается фигур 1а, 1b и 11, газообразный диоксид углерода собирается из потоков топочного газа энергоустановки или промышленной установки из систем химической регенерации диоксида серы и диоксида азота 123 и 141. Данный объединенный поток газообразного диоксида углерода 155 из конденсатора водяного пара 154 подводится к впуску реактора сдвиговой конверсии 368, где газообразный водород 166 из электролизера 120 взаимодействует с паром 128 с образованием монооксида углерода и водяного пара в синтезе согласно следующей химической реакции:
СО
+Н
→СО+Н
О
2
2
2
Синтез-газ 370, содержащий монооксид углерода, может затем взаимодействовать с газообразным водородом 166 с помощью хромоксидного-цинкоксидного катализатора 372 с получением жидкого метанола 374 согласно следующей химической реакции:
<b>СО</b><sub>2</sub><b>+Н</b><sub>2</sub><b>→<u>CrO, ZnO</u>→CH</b><sub>3</sub><b>OH (Метанол)</b>
катализатор
Полученный в результате метанол 374 может затем либо использоваться непосредственно в качестве промышленного химического вещества, либо пропускаться через нагревательную установку или печь крекинга 376 с получением газообразного этилена 378 при нагревании паром или газом 128 и газообразным водородом 166 (для установления восстановительной атмосферы) согласно следующей химической реакции:
<b>нагрев</b>
<b>2CH</b><sub>3</sub><b>OH→→С</b><sub>2</sub><b>Н</b><sub>4</sub><b>+2 Н</b><sub>2</sub><b>О (Этилен)</b>
Газообразный этилен 378 (который может быть получен из метанола) затем может взаимодействовать с газообразным хлором 168 из электролизера 120 с получением этилендихлорида 177 в реакторной установке 176 согласно следующей химической реакции:
С
Н
+Cl
→С
Н
Cl
(Этилендихлорид)
2
4
2
2
4
2
Этилендихлорид ((ЭДХ)(EDC)) 177 затем может взаимодействовать с дополнительным газообразным этиленом 121 с получением винилхлоридного мономера 179 и затем дополнительно взаимодействовать с дополнительным газообразным этиленом 121 с получением поливинилхлоридного пластика (ПВХ) 180, тогда как неиспользованный или излишний газообразный этилен может быть отправлен в другое место и также может быть использован для получения других нефтехимических продуктов. Этилен 121, 378 может также взаимодействовать с водой 111 и газообразным водородом 166 (для поддержания восстановительной атмосферы) в реакторе синтеза этанола 380 с получением жидкого этанола 382, который затем может быть использован для получения химических продуктов или использован в качестве источника транспортного топлива согласно следующей химической реакции:
С
Н
+Н
О→С
Н
ОН (Этанол)
2
4
2
2
5
Кроме того, метанол или этанол могут быть непосредственно превращены в биотопливо (и исходное сырье топлива, такое как компоненты для получения бензина 384) и с помощью прохождения через катализатор 386, такой как цеолит.
Получение воздуха из горячих газообразных продуктов сгорания (топочного газа)
Как показано в описании данного изобретения до настоящего момента, способ изобретения сначала отделяет такие металлы (иные, чем селен) и твердые дисперсные частицы, которые могут присутствовать в горячих газообразных продуктах сгорания в аэродинамическом реакторе, и выделяет их для регенерации или утилизации, когда это может быть наиболее экономично. Тогда способ удаляет селен (если присутствует) для регенерации или утилизации и оксиды серы в форме твердого сульфата щелочного металла вместе с частью диоксида углерода, высвобождаемого как чистый газ (и регенерируемого и повторно используемого) от разложения бикарбоната щелочного металла. Наконец, способ удаляет оксиды азота в форме твердого нитрата щелочного металла вместе с частью диоксида углерода, высвобождаемого как чистый газ (и регенерируемого и повторно используемого) от разложения бикарбоната щелочного металла.
Имея удаленные металлы, твердые дисперсные частицы, оксиды серы, оксиды азота и диоксид углерода из газообразных продуктах сгорания, выходящий газ содержит кислород, азот, водяной пар и возможно микроколичества других летучих составляющих. Поскольку указанная композиция представляет собой по существу воздух (как обычно и повсеместно понятно), способ настоящего изобретения может быть соответствующе определен как способ получения воздуха из газообразных продуктов сгорания. Данный способ изобретения дает чистый воздух из грязного топочного газа.
Способ максимизации регенерации и получения диоксида углерода
Хотя способ настоящего изобретения описан к настоящему моменту применительно к бойлерам на углеводородном топливе, таким как энергоустановки, или промышленные установки, или морской бойлер и работы с турбинным двигателем, он также может быть применен к максимизации регенерации и получения диоксида углерода с небольшими модификациями, такими как для муниципальных или промышленных установок прокаливания, или для способа нефтеочистки отходящих газов, или для сельскохозяйственной ферментации и переработки выходящего газа (например, углеродной секвестрации), с получением в результате полного повторного улавливания и регулирования топочного газа. Ссылка теперь делается на фигуры 12а и 12b, которые показывают перегруппировку и модификацию технологической схемы, показанной на фигурах 1а и 1b. Для ясности и согласованности компоненты, осуществляющие одинаковую или подобную функцию на обеих группах фигур, идентифицируются одинаковыми номерами с последующей буквой «А» на фигурах 12а и 12b.
На фигуре 12а в бойлер 12А подают твердые отходы 400 и, если необходимо, вспомогательное топливо 402, такое как природный газ, нефть или порошкообразный уголь, и воздух 19А. Конечно не требуется, чтобы твердые отходы использовались во многих процессах. Горячий топочный газ 10А проходит через предварительный нагреватель 13А, трубопровод 26А, экономайзер 15А и первичное устройство собирания 28А. В установку фотолиза 14А, использующую ультрафиолетовое излучение 20А, подают воздух 19А, воду 17А, пероксид водорода 18А и хлор и диоксид хлора 56А и получают свободные радикалы гидроксил, гидропероксил, хлоро- и хлороксил, которые вместе с нагретым воздухом 11А отводятся в трубопровод 26А по линии 24А. Зольный остаток 206А и летучая зола 208А соответственно из бойлера 12А и первичного устройства собирания частиц 28А отводятся в систему извлечения металлов 231 для дополнительной обработки, как показано на фигуре 1а.
Горячий топочный газ 10А выходит из первичного устройства собирания частиц 28А по трубопроводу 38А и поступает в аэродинамический газоочистительный реактор первой стадии 30А по впускному трубопроводу 36А. Аэродинамический реактор 30А заполняют паром 47А, воздухом или газом и подают в него раствор хлорида щелочного металла по линии 164А, свободные радикалы, гидроксил, гидропероксил, хлоро- и хлороксил по линии 22А и газообразные хлор и диоксид хлора по линии 56А. В реакторе 30А твердые дисперсные вещества, металлы и аэрозоли капсулируются в капли жидкости, как описано выше. Капли жидкости отделяются от газового потока в сепараторе газ/жидкость 32А, как описано выше, и выходят из сепаратора газ/жидкость 32А по линии 70А, тогда как частично очищенный газ выходит из сепаратора газ/жидкость 32А по трубопроводу 68А и поступает в аэродинамический газоочистительный реактор второй стадии 72А по впускному трубопроводу 36А.
Аэродинамический реактор 72А заполняют паром 47А, воздухом или газом и подают в него по линии 74А гидроксид щелочного металла, раствор карбоната-бикарбоната и по линии 23А гидропероксильные свободные радикалы. В реакторе 72А диоксид серы и часть диоксида углерода, содержащегося в топочном газе, капсулируются в жидких реакционных продуктах, как описано выше, и смесь газ/жидкость отводится в сепаратор газ/жидкость второй стадии 76А. Капли жидкости отделяются от газового потока в сепараторе газ/жидкость 76А, как описано выше, и выходят из сепаратора газ/жидкость 32А по линии 78А, тогда как частично очищенный газ выходит из сепаратора газ/жидкость 76А по трубопроводу 84А и поступает в аэродинамический газоочистительный реактор третьей стадии 85А по впускному трубопроводу 36А.
Аэродинамический реактор 85А заполняют паром 47А, воздухом или газом. Если желательно, в реактор 85А по линии 23А могут быть введены дополнительные количества гидроксильных и гидропероксильных свободных радикалов, тогда как в реактор подают гидроксид щелочного металла, раствор карбоната-бикарбоната по линии 86А. В реакторе 85А оксиды азота и другая часть диоксида углерода, содержащегося в топочном газе 10А, капсулируются как реакционные продукты, как описано выше. Капли жидкости, образовавшиеся в реакторе 85А, отделяются от топочного газа в сепараторе газ/жидкость 90А, как описано выше, и выходят из сепаратора газ/жидкость 90А по линии 92А, тогда как более полно очищенный газ выходит из сепаратора газ/жидкость 90А по трубопроводу 407.
Раствор гидроксида, карбоната-бикарбоната щелочного металла 74А вводится в реактор 72А при уровне рН примерно 7,0-7,5, где он, предпочтительно, взаимодействует с диоксидом серы, тогда как раствор гидроксида, карбоната-бикарбоната щелочного металла 86А вводится в реактор 85А при уровне рН примерно 9,0-9,5, где он, предпочтительно, взаимодействует с оксидами азота. Таким образом, диоксид серы улавливается в реакторе 72А, тогда как оксиды азота улавливаются в реакторе 85А. Часть диоксида углерода улавливается в каждом реакторе в форме раствора карбоната-бикарбоната щелочного металла.
Более полно очищенный топочный газ в выпускном трубопроводе 407 поступает в аэродинамический газоочистительный реактор четвертой стадии 404 по впускному трубопроводу 36А. Аэродинамический реактор 404 является подобным по конструкции и работе реакторам 30А, 72А и 85А, как описано выше. Аэродинамический реактор 404 заполняют паром 47А, воздухом или газом и подают в него раствор гидроксида-карбоната-бикарбоната щелочного металла 408. В реакторе 404 остальная часть диоксида углерода и любые следы диоксида серы и оксидов азота улавливаются в жидкой форме как карбонаты-бикарбонаты, сульфиты и нитриты при рН примерно 10,0-11,0 и отделяются в аэрокоагуляторе-сепараторе газ/жидкость 406. Очищенный газ выходит из аэрокоагулятора-сепаратора 406 по трубопроводу 96А, проходит через необязательный повторный нагреватель 100А, нагреваемый паром 128А, и необязательную вытяжную воздуходувку 97А и в трубу 98А. Вода 108А, извлекаемая из трубы 98А, обрабатывается и используется повторно, как описано выше.
Система химической генерации-регенерации, используемая на фигурах 12а и 12b, является подобной системе, используемой на фигурах 1а и 1b. Сначала раствор питания соли хлорида щелочного металла 115 (предпочтительно, поташа или хлорида калия) и воду 17А смешивают в смесительной емкости хлорида щелочного металла 209А с образованием раствора питания хлорида щелочного металла 164А. Часть раствора хлорида щелочного металла 164А направляют в электролизер хлорида щелочного металла 120А, где образуется гидроксид щелочного металла 138А вместе с газообразным водородом 166А и газообразным хлором 168А. Как показано на фигурах 1а и 1b, газообразный водород 166А и газообразный хлор 168А используются вместе с кислородом из установки разделения воздуха 171 для образования пероксида водорода 18А, хлористоводородной кислоты 175А и диоксида хлора 16А и 56А, требуемых в различных местах в способе.
Раствор хлорида щелочного металла 164А отводится в реактор 30А, тогда как отработанная жидкость 70А из аэрокоагулятора-сепаратора газ/жидкость 32А возвращается в систему извлечения-регенерации металлов 34, показанную на фигуре 1а.
Раствор гидроксида щелочного металла 138А также отводится в смесительные емкости 410, 412 и 414. Из смесительной емкости 412 рециркулируемый раствор 74А, содержащий гидроксид щелочного металла и сульфиты, нитриты и карбонаты-бикарбонаты щелочного металла, рециркулируется в реактор 72А, тогда как отработанный раствор возвращается в смесительную емкость 412 после прохождения через фильтр 418. Часть раствора в смесительной емкости 412 выводится по линии 416 и последовательно проходит через термический декарбонизатор 420, окислитель 422 и испаритель-кристаллизатор 426. Выходящий поток жидкости 428 рециркулируется в смесительную емкость 412, тогда как смешанный поток 429 используется для минимизации концентрации инертных твердых веществ. В термическом декарбонизаторе 420 пар 128А используют для разрушения бикарбонатов до карбонатов и высвобождения насыщенного газообразного диоксида углерода 430. Как показано на фигуре 12b, насыщенный газообразный диоксид углерода 430 может быть очищен конденсацией воды, которую он содержит, в конденсаторе 462. В окислительном реакторе 422 пероксид водорода 146А используют для превращения сульфитов и нитритов щелочного металла в сульфаты и нитраты щелочного металла. Затем раствор выпаривают паром 128А и кристаллизуют в испарителе-кристаллизаторе 426. Продуктом испарителя-кристаллизатора 426 являются кристаллы сульфата щелочного металла 432, которые могут быть высушены, упакованы и проданы как удобрение, как показано на фигуре 1b.
Гидроксид щелочного металла 138А, отведенный в смесительную емкость 410, подают как поток 86А в реактор 85А, тогда как отработанный раствор из аэрокоагулятора-сепаратора газ/жидкость 90А возвращается по линии 92А в смесительную емкость 410 после прохождения через фильтр 450. Часть раствора в смесительной емкости 410 выводится по линии 452 и последовательно проходит через окислитель 454, термический декарбонизатор 456, охладитель 458 и испаритель-кристаллизатор 460. Поток 128А подают в термический декарбонизатор 456 для высвобождения насыщенного газообразного диоксида углерода 430. Пероксид водорода 146А подают в окислитель 454, и пар 128А подают в испаритель-кристаллизатор 460 с получением кристаллов нитрата щелочного металла 434, которые могут быть высушены, упакованы и проданы как удобрение, как показано на фигуре 1b. Поток жидкости, выходящий из испарителя-кристаллизатора 460, возвращается в смесительную емкость 410 по линии 464, тогда как инертные твердые вещества удаляются с помощью смешанного потока 466, чтобы избежать нежелательного накопления.
Гидроксид щелочного металла 138А, отведенный в смесительную емкость 414, подают как поток 408 в реактор 404, тогда как отработанный раствор из аэрокоагулятора-сепаратора газ/жидкость 406 возвращается в смесительную емкость 414 по возвратной линии 436 и через фильтр 440. Часть раствора в смесительной емкости 414 выводится по линии 438 и пропускается через подкисляющий реактор 470, в который подается хлористоводородная кислота 175А, и затем в термический декарбонизатор 456, где он нагревается паром 128А для высвобождения насыщенного газообразного диоксида углерода 430. Хлористоводородную кислоту 175А вводят в подкисляющий реактор 470 для взаимодействия с раствором карбоната-бикарбоната щелочного металла, подаваемым по линии 438, чтобы способствовать образованию иона менее химически стабильного бикарбоната за счет иона более химически стабильного карбоната, так чтобы имело место предпочтительное высвобождение газообразного диоксида углерода из жидкой фазы. Насыщенный газообразный диоксид углерода 430 может быть очищен конденсацией воды в конденсаторе 462. Выходящий поток жидкости 446 рециркулируется в смесительную емкость 414, тогда как смешанный поток 448 используют для минимизации концентрации инертных твердых веществ.
Должно быть отмечено, что система, показанная на фигурах 12а и 12b, является другим примером полной системы регулирования углерода настоящего изобретения, примененной к проблеме регулирования загрязнения, созданного промышленными способами. В частности, очищенный диоксид углерода, полученный в результате данного изобретения, может использоваться для получения топлива, как показано на фигурах 10 и 11, третичной регенерации в нефтяных областях и как коммерческий конечный продукт.
Решение для сжигания высоконатриевого углеводородного топлива, такого как лигнитный и другие низкосортные угли
Сжигание углей с высоким содержанием натрия, таких как лигнитные угли из Северной Дакоты (Техас) и других областей, может вызвать значительные рабочие проблемы благодаря присутствию повышенных концентраций натрия в зольных остатках. Рабочие проблемы, которые могут быть результатом повышенных уровней натрия в золе, как в случае лигнитных углей, могут включать в себя обрастание и закупоривание бойлера или нежелательное осаждение на теплопередающих поверхностях со снижением термической эффективности. Кроме того, может иметься унос мелких частиц, избегающих улавливания при проскоке через электростатические осадители или тканевые фильтры, которые обычно используются для собирания твердых дисперсных частиц, из-за чрезвычайно низких уровней удельного сопротивления золы (скользкость), связанных с высокими уровнями натрия в угле. Как результат, часто трудно надлежащим образом и эффективно сжигать лигнитный и другие угли с высоким содержанием натрия в традиционном сжигательном оборудовании.
Традиционное сжигание лигнитных углей путем распылительного сжигания имеет место, когда уголь измельчается в мелкие частицы и сжигается при суспендировании в воздушном потоке. Результатом является то, что натрий, присутствующий в золе, сначала плавится при горении органических материалов в угле и затем повторно конденсируется и затвердевает в виде мелких аэродинамических частиц, которые улавливаются в топочном газе, чтобы затем неизбежно осесть на трубах бойлера или теплообменных поверхностях. Частично расплавленные частицы натриевой золы могут затем осесть и прилипнуть на поверхностях, так что адгезируют или цементируют к поверхностям или к другим частицам, и являются трудными для удаления традиционными операциями продувки нагара. Кроме того, такие мелкие частицы натриевой золы могут легко осесть на и вдоль плит собирания электростатических осадителей и затем повторно поступить в газовый поток благодаря их низким уровням удельного сопротивления и затем быть аэродинамически выброшенными в атмосферу как видимый факел.
Один путь смягчения вышеуказанных проблем с высоким содержанием натрия в такой золе лигнитного угля состоит в использовании циклонного сжигания вместо распылительного сжигания в бойлерах. В случае циклонного сжигания уголь измельчают в небольшие, но не мелкие частицы, и сжигают в цилиндрической трубе первичного сжигания с воздухом перед поступлением в главную камеру вторичного сжигания вместо измельчения в мелкодисперсную порошковую суспензию и впрыска с воздухом в главную камеру сжигания. Двухстадийный способ циклонного сжигания позволяет высоколетучим углям выпариваться перед сгоранием, и высокое содержимое натрия в углях должно предварительно расплавиться перед сгоранием. Поэтому циклонное сжигание позволяет летучим газам и парам первоначально и быстро сгорать с высоким высвобождением тепла в трубе первичного сжигания, тогда как более медленное горение связанного углерода имеет место, главным образом, в камере вторичного сжигания. Высокая скорость высвобождения тепла в трубе сжигания расплавляет натриевые и другие зольные материалы угля. Поэтому расплавленный выгружаемый материал может быть удален из днища бойлера в виде жидкого шлака для более легкого удаления и последующей регенерации вместо поступления в выходящий топочный газ, как в случае распылительного сжигания угля.
Циклонное сжигание делает возможным эффективное сжигание высоколетучих лигнитных углей с высоким содержанием натриевой золы с минимальными рабочими трудностями путем высокотемпературного предварительного сжигания в ограниченной цилиндрической трубе с центробежным воздушным смешением. Циклонное сжигание делает возможным быстрое сгорание легколетучих органических соединений в лигнитных углях при быстром выпаривании влаги в водяной пар и расплавлении золы в расплавленный жидкий поток, удаляемый из днища бойлера. Как результат имеется значительное снижение уноса летучей золы в потоке топочного газа, поступающем ниже по потоку в устройство собирания частиц со снижением в результате общей рабочей нагрузки и технического сопровождения.
x
Однако, высокие температуры, связанные с циклонным сжиганием лигнитных углей в трубах первичного сжигания, также дают в результате образование значительных количеств оксидов азота, которые являются намного больше, чем выделения от сравнительного распылительного сжигания угля. Указанные по своей природе более высокие выделения оксидов азота, связанные с традиционным циклонным сжиганием лигнитных и других низкосортных углей, приводят к объявлению их незаконными органами управления для того, чтобы подавить образование загрязнения оксидами азотов как часть защиты окружающей среды. С другой стороны, инновационный способ настоящего изобретения по исключению оксидов азота делает возможным перевоплощение циклонного сжигания в качестве подходящей и желательной технологии для сжигания лигнитных и других низкосортных углей с высоким содержанием натрия и летучих с минимальными рабочими проблемами. Настоящее изобретение эффективно удаляет и исключает загрязнения оксидами азота, ранее так пренебрегаемыми, и оно эффективно превращает их в полезные калийнитратные побочные продукты - удобрения в таких больших количествах, что приближает к общему извлечению доступных азотных соединений. Должно быть отсутствуют определяемые вредные NO, выходящие затем из трубы. Поэтому это представляет собой новое и полное решение по использованию известного способа циклонного сжигания и превращение его в лучшее, по сравнению с традиционным распылительным сжиганием угля.
Термины и выражения, которые были использованы, используются как термины описания, а не ограничения, и отсутствует намерение использовать такие термины и выражения, за исключением любых эквивалентов и характеристик, показанных и описанных, или их частей, но признается, что различные модификации возможны в объеме патентуемого изобретения.
Хотя и без желания быть связанным какой-либо теорией, включенные химические реакции приводятся в Приложении 2.
Приложение 1
Идентификационные номера
4 - Угольное топливо к бойлеру
6 - Секция ультрафиолетового фотолиза жидкости
8 - Секция газообразного ультрафиолетового фотолиза
9 - Свободные радикалы хлоро и хлороксил
10 - Поток горячего топочного газа
11 - Трубопровод, подающий воздух в смесительную камеру свободных радикалов
12 - Бойлер (с углем в качестве топлива)
13 - Предварительный нагреватель воздуха
14 - Установка ультрафиолетового фотолиза
15 - Экономайзер
16 - Поток газообразного диоксида хлора
17 - Поток воды
18 - Поток жидкого пероксида водорода
19 - Источник атмосферного воздуха
20 - Ультрафиолетовое излучение
22 - Линия питания свободных радикалов хлоро, хлороксил, гидроксил и гидропероксил к АДГО-реактору первой стадии
23 - Линия питания свободных радикалов гидроксил и гидропероксил к АДГО-реакторам последних стадий
24 - Трубопровод, содержащий горячий воздух, смешанный с потоком свободных радикалов из установки фотолиза
26 - Выпускной трубопровод бойлера
28 - Первичное устройство собирания твердых дисперсных частиц (обычно электростатический осадитель)
30 - Аэродинамический реактор очистки газа (АДГО-реактор) первой стадии (или АДГО-реактор очистки металлов)
31 - Предварительный фильтр отделения металлов
32 - Первый аэрокоагулятор-сепаратор
33 - Адсорбер с активированным углем
34 - Установка способа сепарации и извлечения/регенерации металлов
35 - Жидкость, выходящая из установки отделения металлов
36 - Впускной трубопровод аэродинамического реактора очистки газа
37 - Установка химического осаждения
38 - Выпускной трубопровод устройства собирания твердых дисперсных частиц
39 - Многоступенчатая центрифуга
40 - Смесительная/реакционная камера
42 - Дозвуковая форсунка
43 - Патрубок, связанный со сверхзвуковой форсункой
44 - Сверхзвуковая форсунка
45 - Распылительная форсунка для сверхзвуковой форсунки
46 - Сверхзвуковая свободная струя
47 - Подводимая среда пара/воздуха для АДГО-реакторов
48 - Горловина дозвуковой форсунки
49 - Патрубок, связанный с дозвуковой форсункой
50 - Дозвуковая свободная струя
51 - Распылительная форсунка для дозвуковой форсунки
52 - Сужающееся или сходящееся поперечное сечение смесительной/реакционной камеры
54 - Апертуры форсунки
56 - Впускная линия хлора и диоксида хлора
57 - Впускная линия хлорида щелочного металла для реактора металлов
60 - Колено-соединитель с аэрокоагулятором
62 - Увеличивающаяся часть поперечного сечения аэрокоагулятора
64 - Постоянная или равномерная часть поперечного сечения аэрокоагулятора
66 - Аэродинамическое устройство разделения потока
67 - Аэродинамическое устройство разделения потока (другая форма)
68 - Выпускной трубопровод первого аэрокоагулятора
69 - Газодувка (необязательная), расположенная на выпускном трубопроводе аэрокоагулятора
70 - Выпускная линия жидкости первого аэрокоагулятора
71 - Второй аэродинамический реактор очистки газа (АДГО-реактор) (или АДГО-реактор оксидов серы)
72 - Линия питания гидроксида-карбоната-бикарбоната щелочного металла для рециркулируемого раствора
76 - Второй аэрокоагулятор
78 - Линия удаления жидкости второго аэрокоагулятора
84 - Выпускной трубопровод второго аэрокоагулятора
85 - Третий аэродинамический реактор очистки газа (АДГО-реактор) (или первый АДГО-реактор оксидов азота)
86 - Линия питания гидроксида-карбоната-бикарбоната щелочного металла для рециркулируемого раствора
88 - Четвертый аэродинамический реактор очистки газа (АДГО-реактор) (или второй АДГО-реактор оксидов азота)
90 - Третий аэрокоагулятор
92 - Линия удаления жидкости третьего аэрокоагулятора
93 - Предварительный фильтр твердых материалов
96 - Выпускной трубопровод третьего аэрокоагулятора
97 - Вытяжная воздуходувка, расположенная ниже после всех аэрокоагуляторов
98 - Выпускная разгрузочная труба
100 - Повторный нагреватель газа выпускной трубы
102 - Демистер газа выпускной трубы (необязательный)
104 - Конденсатор газа выпускной трубы (необязательный)
106 - Линия подачи воды демистера (необязательная)
108 - Линия удаления воды газа трубы
109 - Линия удаления жидкости конденсатора диоксида углерода
110 - Установка обработки воды конденсата
111 - Линия удаления обработанной воды
112 - Установка кислотной экстракции потока золы
2
2
113 - Линия воды конденсатора СО и НО и воды газа трубы (входящий поток в установку обработки воды)
114 - Установка щелочной экстракции потока золы
115 - Раствор питания соли щелочного металла (калия)
116 - Система извлечения металлов твердых веществ
117 - Установка ферментации этанола
118 - Пересоставленный поток питания хлорида щелочного металла
119 - Поток жидкого этанола
120 - Электролизер хлорида щелочного металла (калия)
121 - Поток газообразного этилена
122 - Смесительная емкость раствора хлорида щелочного металла (калия) (альтернативная емкость/накопитель - необязательная)
123 - Система химической регенерации оксидов серы
124 - Установка термической декарбонизации оксидов серы
125 - Линия подачи воздуха
126 - Установка окисления оксиды серы/сульфит/сульфат
127 - Линия сброса газообразного диоксида углерода из раствора соединений серы
128 - Линия нагревания паром
130 - Смесительная емкость сульфата щелочного металла
131 - Раствор осаждения сульфата щелочного металла
132 - Установка кристаллизации выпариванием сульфата
133 - Поток осажденного твердого сульфата ртути
134 - Сульфаты щелочного металла (калия)
136 - Возвратный раствор карбоната щелочного металла
137 - Смешанный поток возвратного раствора
138 - Раствор гидроксида щелочного металла
139 - Поток питания карбоната щелочного металла (калия)
140 - Смесительная емкость рециркулируемой жидкости из реакторной системы серы
141 - Система химического извлечения оксидов азота
142 - Смесительная емкость для отработанной жидкости из реакторной системы азота
143 - Линия питания раствора извлечения оксидов азота
144 - Установка окисления оксидов азота/нитрита/нитрата
145 - Жидкая среда рециркулирующего продукта раствора нитрита/нитрата щелочного металла
146 - Раствор пероксида водорода, ответвление от линии 18
148 - Установка термической декарбонизации оксидов азота
149 - Рециркуляционная линия декарбонизации нитрата щелочного металла
150 - Выпускная линия водяного пара из аппарата выпаривания сульфата
151 - Конденсатор водяного пара
152 - Выпускная линия газообразного диоксида углерода из установки нитратной декарбонизхации
153 - Выпускная линия водяного пара из аппарата выпаривания нитрата
154 - Конденсатор диоксида углерода
155 - Выходящий газовый поток диоксида углерода
156 - Рефрижераторная установка охлаждения
157 - Линия жидкого конденсата конденсатора водяного пара
158 - Установка испарительной кристаллизации нитратов
159 - Рециркуляционная линия декарбонизации сульфата щелочного металла
160 - Нитраты щелочного металла (калия)
161 - Возвратный раствор карбоната щелочного металла из системы нитратов
162 - Линия воды
163 - Подвод тепла способа
164 - Раствор питания хлорида щелочного металла
165 - Выходящая промывочная жидкость
166 - Линия газообразного водорода
168 - Линия газообразного хлора
170 - Установка крекинга этилена
171 - Установка сепарации воздуха
172 - Установка получения пероксида водорода
174 - Установка получения хлористоводородной кислоты
175 - Поток хлористоводородной кислоты
176 - Установка получения этилендихлорида
177 - Поток продукта этилендихлорида
178 - Установка получения винилхлорида
179 - Поток продукта винилхлоридного мономера
180 - Установка получения поливинилхлорида
181 - Продукт поливинилхлорида (ПВХ)
184 - Установка получения диоксида хлора
186 - Система удаления селена
188 - Предварительный фильтр удаления селена
190 - Питание воды или раствора хлорида щелочного металла
192 - Отфильтрованный раствор отработанного реагента
193 - Линия питания отработанной жидкости к установке отделения металлов 34
194 - Отработанная жидкость от рециркулирующего промывочного раствора соединений азота
195 - Объединенный рециркулирующий промывочный раствор предварительного фильтра металлов с выходящим раствором аэрокоагулятора металлов
196 - Раствор десульфуризационной химической регенерации
198 - Ионообменный деминерализационный слой для селена
199 - Очищенная и регенерированная ионообменная деминерализационная смола
200 - Обводной поток жидкости
201 - Дополнительная стадия ионообменной деминерализации
202 - Стадия извлечения селена
203 - Ионообменный регенеративный раствор
204 - Раствор селена
205 - Разгрузочная линия от стадии ионного обмена селена 198 в смесительную емкость 140
206 - Поток зольного остатка
208 - Поток летучей золы
209 - Смесительная емкость раствора щелочного металла (калия)
210 - Неизвлеченная летучая зола
211 - Неизвлеченный зольный остаток
213 - Установка очистки возвратной жидкости
214 - Неизвлеченный поташ и другие жидкости
215 - Твердые вещества возвратной промывочной жидкости
216 - Выходящий поток воды золы
217 - Объединенная водная промывочная жидкость
219 - Установка водной промывки золы
220 - Установка водной промывки
222 - Установка кислотной экстракции извлеченных металлов
224 - Установка щелочной экстракции извлеченных металлов
225 - Жидкость щелочной экстракции извлеченных металлов
228 - Выходящий поток экстракции хлористоводородной кислоты
229 - Раствор экстракции азотной кислоты
230 - Выходящий поток экстракции гидроксида щелочного металла (калия)
231 - Система регенерации металлов потока золы
232 - Система экстракции объединенного потока металлов
233 - Объединенная жидкость щелочной экстракции (из 3 225 и №230)
234 - Установка окислительной экстракции металлов
235 - Поток жидкости окислительной экстракции
236 - Установка нитратной экстракции
237 - Выходящая жидкость нитратной экстракции
238 - Установка карбонатной экстракции металлов
239 - Поток жидкости карбонатной экстракции
240 - Установка органической экстракции металлов
241 - Выходящая жидкость органической экстракции
242 - Выходящий поток продукта извлеченных металлов
243 - Установка обработки возвратных жидкостей
244 - Оборудование для хранения извлеченных металлов
246 - Установка упаковки сульфата калия
247 - Установка сушки нитрата калия
248 - Установка упаковки нитрата калия
249 - Система извлечения оксида алюминия
250 - Система извлечения алюминия-металла
251 - Твердый извлеченный гидроксид алюминия
252 - Установка сушки гидроксида алюминия
253 - Поток извлеченного оксида алюминия
255 - Выходящий раствор нитратной экстракции
256 - Система извлечения оксида урана
257 - Установка осаждения гидроксида урана
258 - Выходящие твердые вещества гидроксида урана
259 - Выходящая жидкость извлечения урана в линию питания карбонатной экстракции
260 - Установка сушки гидроксида урана
261 - Твердый извлеченный оксид урана
262 - Сбрасываемый газ сушилки оксида алюминия (к конденсатору водяного пара №151)
263 - Сбрасываемый газ сушилки оксида урана (к конденсатору водяного пара №151)
264 - Объединенный сбрасываемый газ сушилки оксидов (к конденсатору водяного пара №151)
266 - Удлиненная цилиндрическая секция
268 - Концевая плита - входящий конец
270 - Концевая плита - выходящий конец
271 - Болты
272 - Отражающая поверхность
274 - Кварцевый или стеклянный корпус
276 - Центральное пространство
278 - Кольцевое пространство
280 - Воздушный насос
282 - Воздушные линии
284 - Воздушные форсунки
2
2
286 - Форсунка измельчения НО
2
2
288 - Форсунка Cl и ClO
290 - Линии воды
292 - Вихревые форсунки воды
294 - Ультрафиолетовые лампы
296 - Кольца
297 - Втулки
298 - Энергопитание ультрафиолетовых ламп
300 - Электрические выводы
302 - Линия свободных радикалов (кольцевая)
304 - Линия свободных радикалов (центральная)
306 - Объединенная линия свободных радикалов
308 - Нагреватель для свободных радикалов
309 - Нагреватель для воздушного трубопровода
310 - Гидроксид натрия (система оксидов серы)
311 - Смесительная камера для объединения свободных радикалов и горячего воздуха
312 - Карбонаты и бикарбонаты натрия
314 - Смесительная емкость (система оксидов серы)
316 - Гидроксид натрия (система оксидов азота)
318 - Карбонаты и бикарбонаты натрия
320 - Смесительная емкость (система оксидов азота)
322 - Электролизер
324 - Соль (NaCl)
326 - Вода
327 - Электроэнергия
328 - Гидроксид натрия
330 - Газообразный водород
332 - Газообразный хлор
334 - Отработанная жидкость скруббера
336 - Смесительная емкость
338 - Водный раствор соли
340 - Емкость
342 - Жесткая вода
344 - Вода рассола
346 - Установка флотационного разделения нефти
348 - Раствор
350 - Бассейн водорослей
352 - Семенной организм
354 - Фосфорная кислота
356 - Солнечный свет или искусственный свет
358 - Кислород
360 - Избыточная вода
362 - Твердые вещества водорослей
363 - Линия рециркуляции твердых веществ водорослей
364 - Установка очистки биодизельного топлива или нефти
366 - Биодизельное топливо
368 - Реактор сдвиговой конверсии
370 - Монооксид углерода
372 - Синтез метанола
374 - Метанол
376 - Установка крекинга этилена
378 - Этилен
380 - Реактор синтеза этанола
382 - Этанол
384 - Бензин
386 - Катализатор для синтеза бензина
Номерные идентификаторы для фигур 12а и 12b
400 - Твердые отходы
402 - Вспомогательное топливо
404 - Четырехстадийный аэродинамический газоочистительный ((АДГО)(ADGC)) реактор
406 - Четырехстадийный аэрокоагулятор
407 - Выпускной трубопровод из аэрокоагулятора 90А
408 - Раствор гидроксида-карбоната-бикарбоната щелочного металла
410 - Смесительная емкость
412 - Смесительная емкость
414 - Смесительная емкость
416 - Отводящая линия
418 - Фильтр
420 - Установка термической декарбонизации
422 - Окислитель
424 - Установка охлаждения
426 - Испаритель-кристаллизатор
428 - Выходящий поток жидкости
429 - Смешанный поток
430 - Насыщенный газообразный диоксид углерода
432 - Сульфат калия (щелочного металла)
434 - Нитрат калия (щелочного металла)
436 - Возвратная линия
438 - Линия
440 - Фильтр
442 - Установка термической декарбонизации
446 - Выходящий поток жидкости
448 - Смешанный поток
450 - Фильтр
452 - Отводящая линия
454 - Окислитель
456 - Установка термической декарбонизации
458 - Установка охлаждения
460 - Испаритель-кристаллизатор
462 - Конденсатор
464 - Линия
466 - Смешанный поток
468 - Фильтр
470 - Реактор подкисления
Приложение 2
Перечень химических реакций способа
Химические реакции пероксида водорода
Химические реакции соединений хлора
Реакции углерода и органических соединений
Реакции удаления и извлечения металлов
Реакции обработки промывкой металлов
Металлы + Неорганические вещества + Вода → Экстракт металлов + Нерастворимая зола
Металлы + Неорганические вещества + HCl → Хлориды металлов + Нерастворимая зола
Металлы + Неорганические вещества + КОН → Гидроксид металла + Нерастворимая зола
Химические реакции извлечения металлов
2
2
Металлы + Неорганические вещества + НО → Окисленные металлы + Нерастворимая зола
2
3
Металлы + Неорганические вещества + KCO → Карбонат металла + Нерастворимая зола
2
5
Металлы + Неорганические вещества + СНОН → Металлоорганические соединения + Нерастворимая зола
Металлы + Неорганические вещества + KCl → Хлориды металлов + Нерастворимая зола
Реакции извлечения алюминия
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (твердое вещество) + 3H<sub>2</sub>O (жидкость)
---→
2Al(OH)<sub>3</sub> (осадок в растворе)
2Al(OH)<sub>3</sub> (основание) + 6HCl (кислота)
---→
2AlCl<sub>3</sub>(соль) + 3H<sub>2</sub>O (жидкость)
2AlCl<sub>3</sub>(соль) + 3KOH (основание)
---→
Al(OH)<sub>3</sub>(основание) + 3KCl (соль)
2Al(OH)<sub>3 </sub>+ тепло
---→
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (твердое вещество) + 3H<sub>2</sub>O(пар)
Операции сушки удобрения
Сульфат калия
K<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>×H<sub>2</sub>О (твердое вещество) + тепло
---→
K<sub>2</sub>SO<sub>4 </sub>(кристаллы) + Н<sub>2</sub>О (пар)
Нитрат калия
KNO<sub>3</sub>×H<sub>2</sub>O (твердое вещество) + тепло
---→
KNO3 (кристаллы) + Н<sub>2</sub>О (пар)
Фотосинтез водорослей и получение биодизельного топлива
Реакции получения метанола