ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

Полезная модель относится к природоохранным действиям, позволяющим проводить очистку дымовых (парниковых) газов промышленных предприятий, ТЭЦ, ТЭС, котельных и т.д., предотвращающим загрязнение окружающей природной среды и развитие парникового эффекта в атмосфере Земли.
В настоящее время загрязнение окружающей природной среды и развитие парникового эффекта пытаются уменьшить поиском альтернативных источников энергии от тепловых электростанций (ТЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и совершенствованием сжигания топлива в двигателях внутреннего сгорания и котлах ТЭС и ТЭЦ, что приводит к экономии топлива.
Расчеты показывают, что в лучшем случае расход топлива сократится не более, чем на 30%. Это означает, что поставленная задача решения не имеет, и загрязнение окружающей природной среды и рост содержания в атмосфере Земли парниковых газов будет продолжаться.
Известны материалы и технологии, способные связывать углекислый газ и диоксид серы.
Методы улавливания сернистого газа заключаются, в основном, в пропускании газа через слой жидкости в различного рода скрубберах, при обработке распыленной водой и т.п.
2
4
2
3
4
3
4
3
2
3
4
4
2
4
2
4
4
4
3
Так, в аммиачных методах SO абсорбируют при температуре 35÷55°С водным раствором сульфит-гидросульфта аммония (NH)SO·NHHSO с образованием NHHSO. Например, в аммиачно-гидросульфатном методе при взаимодействии так называемого отработанного раствора (полученного в результате поглощения SO водным раствором NH) с рециркулирующим NHHSO выделяются SO и (NH)SO, который при 350÷400°С разлагается на NHHSO и NH, возвращаемые в цикл; сульфат, образовавшийся при абсорбции, регенерируют добавкой серы [1].
Общим недостатком этих методов является очень большая материало- и энергоемкость и большие потери газа. Утилизация получаемых растворов, например, сернистой кислоты с очень низкой концентрацией в литературе не описана.
2
Для связывания углекислого газа используют различные абсорбционные и адсорбционные методы, а также, например, вымораживание, заключающееся в охлаждении в специально переключающихся вымораживателях жидким хладагентом, при этом водяной пар и СO при охлаждении конденсируются и кристаллизуются, образуя иней. При необходимости
2
2
3
очень тонкой очистки (до 0,001% СО) применяют щелочной метод, при котором абсорбентом является водный раствор NaOH; при его значительном расходе образующийся карбонат натрия NaCO регенерируют обработкой известью [1].
Известен так называемый жирботал-процесс, при котором раствор этаноламина поглощает углекислый газ в холодном состоянии и отдает его при нагреве [2, 3]. Могут поглощать и отдавать углекислый газ карбонаты калия (поташ) и натрия [4].
Указанные процессы обладают рядом существенных недостатков.
1. Реагенты дороги и обязательно требуют регенерации, что связано с необходимостью создания соответствующего производства.
2. Процессы поглощения идут медленно и требуют большого количества реакторов с мешалками.
3. Для ведения процессов необходимы как очень низкие, так и очень высокие температуры.
4. Трудности в утилизации, так как требуется специальное производство, оснащенное сложным оборудованием.
Отсюда следует, что для массового использования при каждой, например, ТЭС, указанные методы не будут рентабельны.
2
x
2
Задачей полезной модели является практически полное связывание дымовых газов ТЭС и ТЭЦ; выбросов химических предприятий и предприятий, производящих, например, алкогольную продукцию, содержащих углекислый газ (СО), окислы азота (NO), двуокись серы (SO) и другие газы с последующим их улавливанием и утилизацией, а также сокращение расхода топлива, что ведет к уменьшению выбросов дымовых (парниковых) газов.
Техническим результатом полезной модели является
1. Улавливание дымовых (парниковых) газов ТЭС, ТЭЦ, котельных, а также выбросов других предприятий.
2. Утилизация уловленных газов.
Технический результат по п.1 достигается тем, что газы не поступают непосредственно в дымовую трубу, как обычно, а подаются в специальные приставки, оборудованные установками активации процессов (УАП), которые эффективно улавливают и одновременно разделяют углекислый газ и двуокись серы, формируя из них различные продукты. В качестве реагента при этом используется вода.
2
2
Сущность процесса состоит в следующем. Горячие дымовые газы вначале очищаются от двуокиси серы. Процесс идет в рабочей зоне установки активации процессов. При высокой температуре растворимость СО в воде очень низка; при тех же условиях SO активно
2
3
реагирует с водой, образуя сернистую кислоту, которую отделяют и накапливают в сборнике. Углекислый газ, постепенно охлаждаясь, движется далее ко второму аппарату активации процессов, в котором он может быть уловлен водой. В случае введения в аппарат известкового молока (суспензии Са(ОН) в воде) образуется простой известняк СаСО, который выпадает в осадок. УАП устанавливают рядом друг с другом.
Технический результат по второму пункту - утилизация газов - идет, по существу, одновременно с первой задачей.
2
Так, SO улавливают уже в самом начале технологической линии и отделяют в сепараторе от газовой фазы. Например, при сжигании 1 т мазута, содержащего 3% серы, формируется от 80 до 120 кг сернистой кислоты (60÷70%). Это один из самых главных компонентов «кислотных дождей», которые захватывают и орошают огромные площади.
2
2
Очищенная от SO газовая фаза, состоящая, в основном, из азота и углекислого газа, поступает во вторую установку активации процессов, которая служит, по существу, реактором с высокой степенью эффективности и производительности по поглощению CO.
3
При добавлении известкового молока, как отмечено выше, образуется известняк СаСО, который может служить для известкования кислых почв. В случае добавления аммиака или его производных синтезируются карбомат аммония, мочевина и другие азотсодержащие продукты, служащие в качестве минеральных удобрений либо добавок к ним.
Аналогично могут быть уловлены и использованы другие продукты. Как известно, в нефтепродуктах и углях содержатся заметные количества германия, ванадия и других элементов. Они полностью улавливаются и имеют высокую коммерческую стоимость.
В результате в воздух сбрасываются практически чистый азот, а также избыток кислорода. Таким образом, наряду со связыванием дымовых (парниковых) газов достигается высокий экологический эффект.
В тех случаях, когда топливом служит природный газ, нейтрализуются выбросы только углекислого газа, в результате технология обезвреживания значительно упрощается, а также уменьшатся состав оборудования.
Предлагаемая технологическая линия обладает важным преимуществом: не требуется реконструкция ТЭС (ТЭЦ) и других производств, которые сбрасывают дымовые (парниковые) газы. Высокие эксплуатационные показатели УАП, их малые размеры, низкая энергоемкость и придание полученным материалам новых свойств позволяют успешно осуществлять очистку и утилизацию дымовых и других газов, используя минимальные производственные площади и не затрагивая основные производства.
На фиг.1 представлена общая схема ТЭС с технологической линией улавливания и утилизации сернистого и углекислого газов.
2
Согласно фиг.1 ТЭС снабжена мазутохранилищем 1 с насосом 2, котлом 3 с заслонкой 4, вентилятором (дымососом) 5, источником воды для процесса улавливания 7, баком для добавок 6, установкой активации процессов 8, разделителями фаз 9 и 10, сборником кислоты 11, насосом (вентилятором) 12, баками для реагентов для СО 13, установкой активации процессов 14, сепаратором 15 и сборником конечной продукции 16.
Технологическая линия работает следующим образом (фиг.1). Мазут подают из мазутохранилища 1 насосом 2 и сжигают в котле 3. Сжигание идет при закрытой заслонке 4. Тяга осуществляется за счет работы дымососа 5, который одновременно гонит дымовые газы по всей системе улавливания и утилизации.
2
Нагретые дымовые газы поступают с водой из источника 7 в установку активации процессов 8, в котором проходит реакция взаимодействия SO с водой, причем количество воды дозируется. В результате образуется сернистая кислота. Углекислый газ в реакцию практически не вступает вследствие недостатка воды и высокой температуры газов. В зависимости от вида сжигаемого топлива разделитель 9 может быть поставлен перед УАП 8. Это необходимо в том случае, если дымовые газы несут, например, много твердой фазы (пыли) в виде окислов германия, ванадия и других редких металлов.
2
2
3
В сепараторах 9, 10 газы заметно охлаждаются, а выпадающая при этом жидкая фаза стекает вниз и накапливается в сборнике 11. Газы, очищенные от SO - молекулярный азот, углекислый газ и кислород вентилятором 12 подают в УАП 14. Одновременно в эту же установку вводят из бака 13, например, суспензию Ca(OH) в воде. В результате образуется суспензия известняка СаСО, которая отделяется в разделителе 15 и собирается в сборнике 16.
2
2
2
2
В результате газовая фаза содержит только N, О и немного СО. Если ввести одновременно с суспензией Са(ОН) фосфоросодержащие соединения, то образуются высококачественные фосфорные удобрения. Аналогично могут быть синтезированы и другие соединения, которые в настоящее время получают на основе углекислого газа или соды.
2
Модификации технологической линии, представленные на фиг.2 и 3, работают подобным образом, так как из них исключен только блок связывания SO.
2
2
Пример. Улавливание CO и SO из дымовых газов ТЭЦ
Рассмотрена работа крупной ТЭС с расходом мазута 1250÷1500 т/ч. Мазут содержал около 3% (по массе) серы, имел высокую вязкость, что вынуждало его подогревать перед сжиганием. В связи с высокой вязкостью мазута и др. причинами коэффициент избытка воздуха n был принят равным 1,2.
Для выбора установки активации процессов произведен расчет процесса горения мазута по методике [3]. В таблице 1 представлены полученные данные из расчета на 1 т мазута.
Таблица 1
Состав дымовых газов при сжигании мазута, модифицированного водой (содержание серы 3%, воды 15%, избыток воздуха 20%.)
Состояние
Единица измерения
Состав дыма
CO<sub>2</sub>
Н<sub>2</sub>О
SO<sub>2</sub>
N<sub>2</sub>
O<sub>2</sub>
Всего
До очистки
кг
271,3
127,2
96
1383,6
60,6
1 938,7
м<sup>3</sup>
6800
2850
2150
31000
1357
44157
%
15,4
6,4
4,9
70,2
3,1
100,0
После очистки
%
1,2
1,5
не обнаружен
93,2
4,2
100,0
В таблице 2 представлен расчет количества продуктов горения на один котел.
Таблица 2
Расход мазута и количество СО<sub>2</sub> и SO<sub>2</sub> в дымовых газах
Расход мазута, т/ч
Расход дыма, м<sup>3</sup>/ч
Расход СO<sub>2</sub>
Расход SO<sub>2</sub>
Расход H<sub>2</sub>SO<sub>3</sub>, кг/ч
кг/ч
м<sup>3</sup>/ч
кг/ч
м<sup>3</sup>/ч
1423
630000
3860
97000
1 370
30600
1700
В таблице 3 представлен номенклатурный ряд аппаратов и установок активации процессов
Таблица 3
Технико-экономические показатели аппаратов активации процессов
Наименование показателей
Единица измерения
Наименование аппаратов активации процессов
Примечания
В-150К
УАП-2
УАП-1В2
УАП-4
УАП-8 (10)
УАП-1000 модульная
Производительность:
1000÷1200 до 1,5 млн.
1 модуль имеет производительность по воде 100÷150 м<sup>3</sup>/ч
- по воде
м<sup>3</sup>/ч
до 30
до 1
до 5
до 12
до 100
- по газу
нм<sup>3</sup>/ч
-
-
20000
30000
150000
Потребляемая мощность
кВт
9,5
2,0
3,0
6,0
50
480÷600
активная
Напряжение
В
380
380
380
380
380
380
3-х фазный ток
Частота
Гц
50
50
50
50
50
50
Габаритные размеры
м
3,0×3,0×1,8
⌀0,2 l=1,2
⌀0,32 l=1,2
⌀0,35 l=1,3
1,5×1,0×l,5
l=12 b=3
Масса
т
0,8
0,05
0,07
0,08
0,6
10,0
По данным таблиц 2 и 3 для одного котла могут применяться установки активации процессов типов УАП-8 (10) и УАП-1000.
Потребуется установок УАП-8 (10):
630000:150000=4 шт.
С учетом запасной установки потребуется 5 шт.
Потребуется установок УАП-1000:
630000:150000≈0,42.
Поскольку установка является модульной, то будут задействованы 7-8 модулей. Два модуля могут быть запасными.
Опыты, проведенные на аппаратах типов В-100К-02 и УАП-1В-2 показали, что глубина улавливания весьма высока (см. табл.1).
2
2
Количество реагентов, необходимых для связывания СО и SO, а также количество образующихся продуктов, представлено в табл.4.
Таблица 4
Расход реагентов и количество получающихся продуктов при улавливании парниковых газов на 1 котел
Расход реагентов на единицу топлива
Расход, т
Получено, т
Примечания
СаО
Н<sub>2</sub>O
Н<sub>2</sub>SO<sub>3</sub>
СаСО<sub>3</sub>
На 1 т
0,345
1,875
0,123
0,382
Учтена вода, полученная при сгорании топлива
За 1 час
4,91
26,7
1,75
4,55
В 1 сутки
117,8
640,3
42,0
109,2
Данные таблицы 4 свидетельствуют о том, что улавливание дымовых (парниковых) газов только на одном технологическом котле может стать не только экологически обоснованным, но и коммерчески выгодным предприятием на любой ТЭС (ТЭЦ) с крупнотоннажным производством. Причем выпускаемая продукция может быть самой разнообразной: от очищенных нефтепродуктов до азотных удобрений.
Литература
1. Химическая энциклопедия: В 5 т.: Т.1: А - Дарзана / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др. - М.: Сов. энцикл., 1988. - 623 с.: ил. Стр.436, 462-463.
2. Химическая энциклопедия: В 5 т.: Т.5: Триптофан - Ятрохимия / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др. - М.: Большая Российская энцикл., 1998. - 783 с.: ил. Стр.492.
3. Реми Г. Курс неорганической химии: В 2-х т.Т.1. - М.: Мир, 1972. - 824 с.: ил. Стр.483.
4. Химическая энциклопедия: В 5 т.: Т.2: Даффа - Меди / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др. - М.: Сов. энцикл., 1990. - 671 с.: ил. Стр.288.