СПОСОБ ДОБАВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА К ЖИДКОМУ АБСОРБЕНТУ В УСТРОЙСТВЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗА
METHOD OF ADDING OXYGEN TO LIQUID ABSORBENT IN DEVICE FOR GAS PURIFICATION

Настоящее изобретение относится к способу добавления кислорода к жидкому абсорбенту в устройстве для очистки газа.
В частности, способ в соответствии с настоящим изобретением можно применять для отделения диоксида серы и твердых частиц от дымовых газов, образованных при сгорании ископаемого топлива.
Обычно для такой очистки дымового газа применяют несколько различных технологий, например скрубберы Вентури, кипящие слои и башни с распылительным орошением, в которых дымовые газы подвергают контакту с жидким абсорбентом, например водой, содержащей активный ингредиент, такой как известь, вследствие чего диоксид серы и твердые частицы переходят в абсорбент. Для получения максимальной производительности необходимо максимизировать поверхность контакта дымовых газов с абсорбентом и время их контактирования в очистном устройстве.
Башни с распылительным орошением часто являются надежными, но поскольку капли абсорбента, образованные в башне с распылительным орошением, имеют сравнительное большие размеры, они могут отделить из дымовых газов только ограниченную часть диоксида серы и твердых частиц, если не предусмотрено наличие нескольких уровней распылительного орошения. Таким образом, для обеспечения высокой производительности и высоких уровней отделения башни с распылительным орошением должны быть очень большими и, следовательно, дорогими.
С другой стороны, скрубберы Вентури производят более мелкие капли, которые, следовательно, отделяют большую часть диоксида серы. Однако они дороги в эксплуатации. Кипящие слои также являются дорогими в эксплуатации, поскольку для получения высокой производительности необходима подача сравнительно большого количества энергии, например, для обеспечения перемешивания, и, кроме того, такие слои часто должны иметь большую высоту.
Таким образом, необходим способ очистки газа от газообразных вредных примесей и/или от вредных примесей в виде твердых частиц, являющийся одновременно дешевым и эффективным и не требующий слишком громоздкого оборудования, в особенности, при применении его для очистки дымовых газов, образованных при сжигании ископаемого топлива.
Кроме того, при очистке дымовых газов от диоксида серы в скрубберах с применением в качестве абсорбента, например, извести, необходимо добавление окислителя, чаще всего воздуха, для окисления продуктов реакции в абсорбенте. Это создает проблему при очистке дымовых газов, образованных в так называемом устройстве для сжигания топлива с кислородом, т.е. в промышленном устройстве для сжигания или в устройстве для сжигания силовой установки, для работы которых требуется подача окислителя, содержащего больше кислорода и меньше азота, чем содержится в воздухе. Обычно дымовые газы, образованные такими устройствами для сжигания, содержат большую часть диоксида углерода и водяного пара, и в таких случаях часто применяют последующие этапы отделения диоксида углерода. Однако добавление в абсорбент воздуха также создает проблемы, поскольку любые последующие этапы отделения диоксида углерода, требуют обработки азота, внесенного с воздухом, который затем присутствует в очищенных газах. Таким образом, имеется потребность в экономически эффективном способе, не приводящем к добавлению большого количества азота в очищенные газы.
Решение этих задач достигается с помощью настоящего изобретения.
Таким образом, настоящее изобретение относится к способу добавления кислорода к жидкому абсорбенту, содержащему по меньшей мере одно соединение, способное вступать в реакцию с кислородом, в устройстве для очистки газа, и отличается тем, что указанное устройство содержит устройство для циркуляции абсорбента, выполненное с возможностью переноса абсорбента из первого места в устройстве во второе место в устройстве, а кислород добавляют путем добавления воздуха к абсорбенту в первой точке в устройстве для циркуляции абсорбента, разделительное устройство, выполненное с возможностью отделения газа, содержащегося в абсорбенте, от абсорбента во второй точке, расположенной выше первой точки, до возвращения абсорбента во второе место в устройстве, и часть кислорода, содержащегося в воздухе, вводят в реакцию с соединением до его поступления в разделительное устройство.
Изобретение будет подробно описано ниже на примере некоторых вариантов его осуществления и со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 представлен разрез устройства для очистки газа.
На фиг.2 представлен увеличенный разрез пластины Вентури в соответствии с настоящим изобретением.
На чертежах одинаковые части обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
На фиг.1 представлено устройство 1 в соответствии с настоящим изобретением, применение которого позволяет предпочтительным образом осуществить способ в соответствии с настоящим изобретением. Устройство 1 содержит корпус 2, впуск 3 для газа, подлежащего очистке, и один или несколько выпусков 4 для очищенного газа. Газ, предпочтительно состоящий из дымовых газов, образованных при сжигании ископаемого топлива в промышленном устройстве для сжигания или устройстве для сжигания силивой установки, может быть горячим или уже охлажденным на предшествующем этапе (не показано). Газ подают через впуск 3 с помощью подающего устройства, которое может являться вентиляторным устройством (не показано), установленным перед или за устройством 1, естественного давления от предшествующих технологических этапов и т.п.
Корпус предпочтительно изготовлен из жесткого материала, предпочтительно из пластика, армированного стекловолокном, металла или бетона с внутренним резиновым (каучуковым) покрытием. Внутренняя часть корпуса предпочтительно изготовлена из пластика, покрыта полимером или выполнена из нержавеющей стали, чтобы выдерживать условия химических процессов внутри устройства 1.
Из впуска 3 газ пропускают к охладительному устройству 5 и мимо этого устройства, которое через сопла 5а впрыскивает абсорбент в виде струй жидкости, частично преобразуемых в капли в потоке газа, проходящем мимо этих струй. По мере понижения температуры газа некоторая часть жидкости испаряется и в газообразной форме переносится дальше вместе с газом, подлежащим очистке. Это охлаждает газ до желаемой температуры процесса. Диапазон температуры после охлаждения составляет от комнатной температуры до 80°С, предпочтительно от 50°С до 70°С. Кроме того, часть капель в жидкой фазе переносится от охладительного устройства 5 вместе с потоком газа, проходящим мимо струй. Таким образом, применение охладительного устройства обеспечивает охлаждение и насыщение проходящего мимо него потока газа, а также образование капель перед последующей стадией в устройстве Вентури, которая будет описана ниже.
Таким образом, газовая смесь переносится далее к устройству 6 Вентури в виде пластины, содержащей множество трубок Вентури в виде сквозных отверстий, выполненных в пластине рядом друг с другом и параллельно друг другу. Устройство 6 Вентури более детально показано на фиг.2, на которой представлены трубки 6а Вентури, содержащие сужения, выполненные по центру, в которых скорость газа увеличивается, так что при прохождении газа через отверстия возникает сильная турбулентность.
Таким образом, газ проходит снизу вверх в направлении, обозначенном стрелками 7, и через параллельные трубки 6а Вентури, на входе в которые он несет с собой жидкие капли из жидкой пленки 8, предпочтительно воды и абсорбента, находящейся на нижней стороне устройства 6 Вентури. Капли, содержащиеся в газе и образованные на предшествующем этапе охлаждения, вместе с жидкостью, переносимой из пленки 8, проходят вместе с газом через трубки 6а Вентури, и вследствие сильной турбулентности образуют в них очень мелкие капли 9 абсорбента. Вследствие применения нескольких параллельных трубок 6а Вентури, получают очень большую поверхность контакта между газом и абсорбентом и хорошую дисперсию капель в газе, и, таким образом, высокую производительность очистки газа.
Для дополнительного повышения способности трубок 6а Вентури образовывать мелкие капли жидкого абсорбента предпочтительно каждая из трубок 6а содержит маленький выступ 6b в месте сужения внутри трубки 6а. Выступ 6b предпочтительно выполнен в виде маленького крутого выступа от внутренней стенки трубки 6а, предпочтительно в виде кругового выступа, и предназначен для дополнительного усиления турбулентности газа, проходящего через трубку 6а.
Чтобы предотвратить высыхание пленки 8, которое может привести к возникновению отложений и закупорке, применяют смачивающее устройство 12, например, в виде последовательности распылительных сопел, выполненное с возможностью непрерывного смачивания нижней стороны устройства 6 Вентури.
Верхняя сторона устройства 6 Вентури поддерживает жидкий слой 11 движущегося абсорбента, постоянно наполняющийся при помощи наполняющего устройства 13, например, в виде лотка. Абсорбент льется из наполняющего устройства 13 по верхней стороне устройства 6 Вентури и вниз в наполняющий лоток в охладительном устройстве 5. Таким образом, льющийся абсорбент образует слой 11 абсорбента над устройством 6 Вентури. В то же время, охладительное устройство 5 постоянно пополняется абсорбентом, который распыляется через сопла 5а.
После того как смесь газа и мелких капель абсорбента проходит через трубки 6а Вентури, газ поднимается через жидкий слой 11 в виде пузырьков 10. Сильная турбулентность потока газокапельной смеси, выходящего из множества трубок 6а Вентури, позволяет получить хорошую смесь абсорбента в слое 11. Это также обеспечивает очень большую поверхность контакта между абсорбентом и газом в жидком слое 11, и, следовательно, высокую производительность очистки газа.
Абсорбент, перенесенный газом через трубки 6а Вентури, остается в жидком слое 11 и переносится вместе с ним к охладительному устройству 5.
Абсорбент, распыляемый в виде струй жидкости из охладительного устройства 5, частично переносится, как описано выше, в газовой и жидкой фазах проходящим мимо него газом, и затем возвращается в устройство 6 Вентури и проходит через него. Остальная часть абсорбента стекает вниз и собирается в резервуаре 14, расположенном под охладительным устройством 5.
Переливное устройство 15 соединено с наполняющим лотком охладительного устройства 5 и открывается в резервуар 14, так что, если поверхность абсорбента в наполняющем лотке охладительного устройства 5 превышает заданный уровень, абсорбент через переливное устройство 15 стекает в резервуар. Это позволяет легко поддерживать соответствующий уровень абсорбента, применяемого в охладительном устройстве 5, даже при добавлении большого количества абсорбента из слоя 11.
Для поддержания уровня жидкости в слое 11 наполняющее устройство 13 непрерывно пополняют абсорбентом при помощи устройства 16 для циркуляции жидкого абсорбента, расположенного снаружи корпуса 2 и содержащего выпускной трубопровод под поверхностью 14а резервуара 14. Насос 16а выполнен с возможностью откачивания абсорбента из резервуара 14 в восходящую трубу 16с и вверх по ней, и через впускной трубопровод 16d в наполняющее устройство 13 для дальнейшего переноса в жидкий слой 11. Работу насоса 16а регулируют при помощи известного соответствующего управляющего устройства (не показано), таким образом, что в жидком слое 11 сохраняется необходимая глубина жидкости. Альтернативно при помощи управляющего устройства можно регулировать соответствующее известное клапанное устройство (не показано) в наполняющем устройстве 13, таким образом, чтобы в жидком слое 11 сохранялась необходимая глубина жидкости. Управляющая система может быть соединена, с одной стороны, с насосом 16а и/или вентильным устройством, и, с другой стороны, с соответствующим известным уровнемером (не показан) для измерения уровня жидкости в слое 11.
Предпочтительно производительность устройства 16 для циркуляции обеспечивает полную рециркуляцию жидкости в резервуаре 14 приблизительно 25 раз в час.
Газ, очищенный в устройстве 6 Вентури и жидком слое 11, затем поступает на выпуск 4 через, по существу, обычный каплеотделитель 17, смачиваемый при помощи смачивающего устройства 18, подобного смачивающему устройству 12, для исключения образования отложений и закупорки.
Таким образом, газ поступает в корпус 2 через впуск 3, мимо охладительного устройства 6 и в пространство, ограниченное снизу поверхностью 14а и, по существу, ограниченное сверху нижней стороной устройства 6 Вентури. Газ не может проходить мимо устройства 6 Вентури через охладительное устройство 5, поскольку оно изолировано абсорбентом в наполняющем лотке.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, представленным на фиг.1, устройство обладает, по существу, радиальной симметрией, в соответствии с чем корпус выполнен в форме цилиндра, вдоль центральной оси 2а которого газ поступает через впуск 3. Иными словами, на фиг.1 представлен разрез вдоль центральной оси 2а цилиндрического корпуса 2. Устройство 6 Вентури и жидкий слой 11, таким образом, выполнены в виде кольца, обладающего радиальной симметрией и окружающего расположенный в центре впускной трубопровод 3 над круглым, обладающим радиальной симметрией резервуаром 14. Кроме того, корпус 2, устройство 6, слой 11 и резервуар 14 расположены соосно. Такая геометрия имеет множество преимуществ.
Помимо того, что конструкция может  являться компактной и прочной, применение цилиндрического устройства 1 упрощает процесс нанесения полимера на внутреннюю часть корпуса, если такое нанесение полимера применяют. Кроме того, улучшается поток жидкого абсорбента и газа, например, вредные градиенты давления и осаждение случаются реже, чем, например, при квадратной или другой угловой форме устройства. Наполняющее устройство 13 можно легко расположить, по существу, вокруг всего жидкого слоя, откуда абсорбент может симметрично вытекать наружу по направлению к одному обладающему радиальной симметрией выпуску, образованному наполняющим лотком охладительного устройства 5. Это позволяет обеспечить равномерный и регулируемый поток абсорбента в жидком слое 11. При необходимости также может быть выполнено несколько выпусков 4 для очищенного газа вокруг огибающей окружности корпуса 2.
3
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения устройство 1 выполнено с возможностью очистки от 80000 до 1000000 Нм/ч газа. Для этого внутренний диаметр корпуса 2 предпочтительно составляет от 4 до 15 метров.
Расстояние между охладительным устройством 5 и жидкой поверхностью 14а, т.е. высота прохода, через который газ проходит от впуска 3 до пространства, ограниченного поверхностью 14а жидкости и устройством 6 Вентури, предпочтительно составляет от 20 см до 2 м. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, высоту поверхности 14а жидкости регулируют путем добавления или удаления абсорбента при помощи имеющихся наполняющей и выпускной систем, так что высоту указанного прохода регулируют в зависимости от количества газа, подлежащего очистке за единицу времени. При уменьшении потока газа осуществляют повышение уровня жидкости 14а, так что турбулентность потока газа, проходящего через проход, увеличивается, и, таким образом, повышается эффективность переноса газом охладительной жидкости.
Когда газ барботируется через жидкий слой 11, этот слой расширяется, поскольку часть объема занимают пузырьки газа внутри жидкости, так что глубина жидкости в слое 11 увеличивается.
В нерасширенном состоянии глубина жидкого слоя 11 предпочтительно составляет от 20 до 40 см. В расширенном состоянии, т.е. в процессе работы, глубина жидкого слоя предпочтительно составляет приблизительно от 1 до 2 м. Однако это в значительной мере зависит от желаемой эффективности сбора, вязкости абсорбента и других факторов.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения высота пластины устройства 6 Вентури составляет приблизительно от 50 до 80 мм, и, следовательно, трубки 6а Вентури имеют такую же длину. Входы трубок 6а в пластину предпочтительно составляют приблизительно 15% нижней поверхности пластины и предпочтительно равномерно распределены по нижней стороне пластины. Диаметр сужения каждой из трубок Вентури предпочтительно составляет от 10 до 30 мм без учета выступов 6b. Предпочтительно устройство 6 Вентури содержит, по меньшей мере, приблизительно 100, более предпочтительно, по меньшей мере, 500 трубок 6а Вентури, работающих параллельно.
Предпочтительно пластина изготовлена из жесткого и стойкого материала, обладающего также химической стойкостью по отношению к газу и абсорбенту. В качестве примеров можно привести жесткие пластики, такие как полипропилен, и кислостойкие металлы.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения устройство 1 применяют для отделения диоксида серы от дымовых газов, образованных при сжигании ископаемого топлива, такого как природный газ, нефть, уголь и т.д. В качестве абсорбента для этой цели можно применять, например, воду с добавлением извести и/или известняка, который в таком случае образует суспензию, обладающую относительно высокой вязкостью. Кроме того, в абсорбент может быть добавлен кислород, вследствие чего из диоксида серы, в конце концов, в результате следующих реакций:
3
2
3
2
СаСО+SO→СаSО+СO
3
2
2
2
4
2
1
СаSО+НO+/O→CaSO+HO
4
2
образуется гипс (СаSO·2НO), который может быть собран и использован в дальнейшем.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения абсорбент в резервуаре 14 в процессе работы содержит приблизительно от 97 до 98% твердого гипса и приблизительно от 2 до 3% твердого порошкового известняка.
На фиг.1 показан подающий трубопровод 19 для абсорбента и насос 20 для накачивания дополнительного абсорбента, представляющего собой, например, смесь извести и воды в соответствующем соотношении, в резервуар 14. Кроме того, имеется выпускной трубопровод 21 для продуктов реакции с дополнительным насосом 22. В случае с вышеописанными реакциями образовавшийся гипс отделяют и пропускают через обычный гидроциклон (не показан). Затем мелкие кристаллы гипса возвращают в устройство 1, а более крупные отбирают для дальнейшей обработки.
Устройство 1 в соответствии с настоящим изобретением эффективно также для отделения от газа твердых частиц, которые затем также выводят через выпускной трубопровод 21.
2
В резервуаре 14 установлено известное, по существу, сенсорное устройство 23, предназначенное для измерения отношения масс между известью и гипсом в резервуаре 14, например, путем измерения плотности абсорбента в резервуаре 14 и затем, на основе этого измерения, расчета отношения масс. Количество продуктов реакции, отводимых насосом 22, регулируют в зависимости от измеренной плотности. В то же время, регулируют количество добавляемой извести, таким образом, чтобы оно соответствовало количеству серы, отделенной при помощи устройства 1, которое определяют путем измерения рН абсорбента также при помощи сенсорного устройства 23. Таким образом, вышеупомянутое управляющее устройство выполнено с возможностью управления подачей новой извести и жидкости в резервуар 14 через подающий трубопровод 19 путем регулирования насоса 20 так, чтобы поддерживать указанное отношение масс на постоянном уровне. Соответственно, помимо прочего, изменение величины газового потока, проходящего через устройство 1, и количество абсорбированного в устройстве 1 SO, оказывающее влияние на скорость преобразования добавляемой извести, соотносятся таким образом, что постоянно обеспечивают эффективную абсорбцию.
Управляющее устройство предпочтительно выполнено также с возможностью управления насосами 20, 22, таким образом, чтобы расстояние между уровнем 14а жидкости и охладительным устройством 5 соответствовало текущей скорости потока, как описано выше.
3
4
3
Предпочтительно окислитель, необходимый для окисления СаSО до CaSO в соответствии с приведенным выше уравнением реакции, добавляют к абсорбенту, проходящему через восходящую трубу 16с, в которой также осуществляется основное окисление СаSО. Обычно подачу кислорода осуществляют при помощи добавления воздуха через подающий трубопровод 16b в нижней части восходящей трубы 16с.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения газ, подлежащий очистке, состоит из дымовых газов, образованных в устройстве для сжигания топлива с кислородом, и газообразные соединения, содержащиеся в жидком абсорбенте, присутствующем в восходящей трубе 16с, отделяют при помощи разделительного устройства 16е, расположенного в верхнем конце восходящей трубы, перед добавлением абсорбента в слой 11, и выводят из устройства 1 через выпускной трубопровод 16f.
Иными словами, окислитель добавляют к абсорбенту в устройстве 16 для циркуляции в первой точке в нижней части восходящей трубы 16с, а азот, содержащийся в добавленном окислителе, отводят из абсорбента во второй точке, расположенной выше первой точки, и до соединения абсорбента с оставшейся частью абсорбента в устройстве 1.
Такая конструкция обеспечивает возможность добавления достаточного количества кислорода к абсорбенту в процессе его прохождения вверх по восходящей трубе 16с, и, в то же время, препятствует прохождению азота, остальной части кислорода и других газов, содержащихся в добавленном воздухе, которые при данных обстоятельствах рассматриваются как вредные примеси, в устройство 1 и смешиванию их там с очищенным газом. Следовательно, это позволяет получить дешевый способ устранения проблем, связанных с азотом, содержащимся в очищенных дымовых газах, образованных в устройстве для сжигания топлива с кислородом, на последующих этапах отделения углекислого газа.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, разделительное устройство 16е состоит из водоотделителя, через который направляют поток абсорбента, и в верхней части которого отделяются содержащиеся в нем азот и другие газы.
Предпочтительно, устройство 1 содержит от 4 до 12 восходящих труб, аналогичных описанной выше, равномерно распределенных по цилиндрической поверхности корпуса 2 для обеспечения равномерного потока и во избежание больших градиентов концентрации в абсорбенте.
В соответствии с настоящим изобретением газ проходит через трубки 6а Вентури снизу вверх, иными словами, в направлении, противоположном направлению силы тяжести. Преимущество этого состоит в том, что абсорбция вредных примесей, присутствующих в газе, может являться до некоторой степени саморегулирующейся. А именно, при уменьшении скорости газового потока некоторое количество абсорбента проникает из слоя 11 абсорбента, расположенного над трубками 6а Вентури, вниз, против движения газового потока, в трубки 6а Вентури. Такое проникновение абсорбента вниз уменьшает эффективный размер сужения в каждой из трубок 6а Вентури, таким образом усиливая действие Вентури путем увеличения турбулентности проходящего газа, вследствие чего абсорбция может сохраняться на прежнем уровне, несмотря на уменьшение объемного расхода газа.
Применение способа в соответствии с настоящим изобретением для отделения диоксида серы от дымовых газов позволяет получить отличный массоперенос серы из газа в абсорбент, благодаря очень большой общей поверхности контакта между газом и абсорбентом в охладительном устройстве 5, устройстве 6 Вентури и слое 11. Обычно можно получить эффективность сбора до 99% при энергозатратах, не превышающих существующие для обычной технологии. Для сравнения можно сказать, что эффективность сбора обычных башен с распылительным орошением нормально составляет приблизительно от 85 до 95%, в некоторых случаях до 97-98%. Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением можно получить компактное, не занимающее много места устройство для осуществления такого способа, которое, в то же время, требует минимальной подачи энергии, поскольку отсутствует необходимость нагрева и ограничена потребность в электроэнергии для циркуляции абсорбента.
Кроме того, дымовые газы, образованные в устройстве для сжигания топлива с кислородом, можно обрабатывать дешево и надежно без добавления азота к очищенным газам, усложняющего последующие этапы отделения диоксида углерода.
Выше были описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Однако специалисту в данной области техники ясно, что возможны многие модификации описанных вариантов осуществления без отклонения от основной идеи изобретения. Таким образом, описанные варианты осуществления не являются ограничивающими и могут изменяться без отклонения от сущности настоящего изобретения, ограниченной прилагаемой формулой изобретения.