СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ОТ РТУТИ
METHOD OF PURIFYING GAS EMISSIONS FROM MERCURY

Изобретение относится к контролю загрязнений и применяется для уменьшения выделения ртути (Hg) в газовом выбросе преимущественно угольных ТЭС.
Известны способы, которые включают операции окисления ртути с использованием для этого барьерного, импульсного, коронного или электронно-лучевого электрического разрядного устройства, обеспечивающего образование окиси ртути HgO, и операции сбора окиси в электростатическом фильтре жидкой очистки и отделения частиц из собранной смеси (Патент RU 2169622). Данное изобретение обеспечивает уменьшение выделения ртути (Hg) из выбросов топливных установок при сгорании ископаемого топлива с одновременным производством полезного для промышленных целей конечного продукта.
В патенте RU 2237882 рассматривается процесс конвертирования примесей в ядра конденсации при воздействии на анализируемую примесь озона, конденсационного проявления и укрупнения ядер конденсации в аэрозольные частицы с последующим измерением их концентрации. Однако в данном патенте это процесс используется для определения примесей в газах, а не как составная часть комплексной технологии очистки газа от паров ртути.
Также рассматривается использование для очистки загрязненного газа электростатически заряженных сорбентов (патент US 5591412). В этих патентах не рассматривается одновременное воздействие ультрафиолетового излучения на пары ртути и озона, что является ключевым фактом для сформулированного объекта правовой защиты.
Известны американские патенты, которые включают операции окисления ртути, US 8071500 «Thief carbon catalyst for oxidation of mercury in effluent stream» и US 7776780 «Catalysts for oxidation of mercury in flue gas», посвященные каталитическому удалению паров ртути.
Однако в данных методах пары ртути не подвергаются воздействию ультрафиолетового излучения.
Прототипом изобретения является способ окисления паров ртути, описанный в патенте US 8071500 при помощи катализатора на основе не до конца сгоревшего каменного угля, поверхность которого обработана галогеном. К недостаткам этого метода можно отнести необходимость использования дополнительных реагентов и отсутствие селективности такого метода окисления именно к ртути, содержание которой в газовом выбросе существенно ниже, чем остальных примесей, также способных к окислению, и ограничение глубины очистки, связанное с тем, что реакция происходит на поверхности частицы твердого катализатора, и остается вероятность того, что атом ртути не успеет попасть на эту поверхность.
Техническим результатом является повышение селективности очистки газовых выбросов от ртути, повышение глубины очистки выбросов от ртути.
Для достижения указанного результата предложен способ очистки газовых выбросов от ртути путем окисления паров ртути, при этом окисление паров ртути в газовом потоке проводят в реакторе при помощи ультрафиолетового излучения ртутных кварцевых ламп, при этом вводят в реактор дополнительный поток газа, содержащий активные частицы, генерируемые плазменным генератором.
Кроме того,
- в качестве дополнительного потока газа подают воздух, содержащий в качестве активных частиц озон, электронно-возбужденные молекулы кислорода и азота и отрицательные ионы кислорода,
- уменьшают подачу дополнительного потока газа по длине реактора пропорционально уменьшению концентрации паров ртути.
На фигуре дана общая схема установки для осуществления указанного способа, где 1 - реактор, 2 - вход газа, 3 - выход газа, 4 - ультрафиолетовая ртутная кварцевая лампа, 5 - блок питания ультрафиолетовой ртутной кварцевой лампы, 6 - плазменный генератор активных частиц, 7 - распределительная система.
Газовый поток, например, отходящих газов ТЭС, содержащий частицы ртути, направляют в реактор 1 через вход газа 2, где он облучается ультрафиолетовым излучением ртутной кварцевой лампы 4, питающейся от блока питания 5. При этом в реактор 1 дополнительно подают газ, например воздух, содержащий активные частицы, генерируемые плазменным генератором 6 через распределительную систему 7. Газовый поток, очищенный от частиц ртути, выходит из реактора 1 через выход газа 3.
Активные частицы генерируются неравновесным газовым электрическим разрядом в потоке газа (например, воздуха), продуваемого через разрядную зону. В качестве неравновесного газового разряда может быть использован диэлектрический барьерный разряд, коронный разряд и т.п. Состав относительно долгоживущих активных частиц, которые могут дойти до реактора, зависит от состава продуваемого газа и в случае воздуха представляет собой озон, электронно-возбужденные молекулы азота и кислорода, отрицательные ионы, гидратированные электроны и т.п.
Предлагаемый способ окисления паров ртути в газовом выбросе угольных ТЭС заключается в одновременном облучении газового потока, входящего в реактор 1, ультрафиолетовым излучении ртутной кварцевой лампы (одной или нескольких) 4 и впрыском в него активных частиц, генерируемых плазменным генератором активных частиц 6 через распределительную систему 7, обеспечивающую оптимальный профиль концентраций активных частиц по длине реактора. Такой подход обеспечивает селективность процесса окисления за счет механизма селективного воздействия именно на пары ртути, не затрагивая или почти не затрагивая другие примеси, и одновременно с этим глубину очистки от паров ртути. Решение проблемы селективности воздействия на пары ртути связано тем обстоятельством, что именно ртуть используется как рабочий газ в ультрафиолетовых лампах. Ультрафиолетовое излучение основной линии ртутной лампы с длиной волны 253,7 нм поглощается парами ртути резонансным образом. Сечение поглощения резонансного излучения в десятки раз больше газокинетического сечения атома ртути. Поглощение кванта ультрафиолетового излучения атомом ртути приводит к его электронному возбуждению и резкому увеличению константы окисления как молекулярным кислородом, так и озоном или другими активными частицами, генерируемыми плазмой. Для решения проблемы глубины очистки в поток обрабатываемого газа впрыскиваются активные частицы, генерируемые плазмой, для дополнительного окисления паров ртути. Это необходимо для достижения максимальной глубины очистки при разумных размерах реактора, сохраняя при этом высокую энергетическую эффективность. Дело в том, что в процессе окисления паров ртути их концентрация падает по длине реактора и длина поглощения ультрафиолетового излучения растет. При этом растет проскок ультрафиолетового излучения на стенку реактора и эффективность использования ультрафиолета падает. Для эффективного окисления паров ртути при малых концентрациях более эффективно использовать реакции, стимулированные активными частицами, генерируемыми плазмой. Таким образом, комбинируя облучение потока отходящих газов, содержащих пары ртути, ультрафиолетовым излучением и впрыск активных частиц генерируемых плазмой, управляя их концентрацией и распределением этой концентрации по длине реактора за счет распределительной системы, имеющей разную плотность выпускных отверстий в разных точках по длине реактора, уменьшая подачу потока газа, обработанного плазменным генератором активных частиц по длине реактора, следуя уменьшению концентрации паров ртути. Таким образом, можно обеспечить необходимую глубину очистки от паров ртути в максимально широком диапазоне ее концентраций, не теряя энергетическую эффективность процесса.
Пример 1
3
Через реактор объемом 0,5 л подавался поток воздуха при температуре 400°C и расходом 3 нормальных м/час. Входная концентрация ртути составляла 0,25 ррм. Реактор просвечивался ультрафиолетовым излучением от двух ртутных кварцевых ламп через кварцевые окна, установленные на противоположных стенках. Потребляемая мощность ламп составляла 2 Вт. В реактор впрыскивался поток воздуха, прошедший через зарядную камеру импульсного барьерного разряда с вкладываемой мощностью 0,5 Вт. При этом концентрация ртути на выходе реактора упала в 25 раз до величины 0,01 ррм.
Пример 2
3
Через реактор объемом 0,5 л подавался поток воздуха при температуре 700°C и расходом 10 нормальных м/час. Входная концентрация ртути составляла 0,3 ррм. Реактор просвечивался ультрафиолетовым излучением от двух ртутных кварцевых ламп через кварцевые окна, установленные на противоположных стенках. Потребляемая мощность ламп составляла 10 Вт. В реактор впрыскивался поток воздуха, прошедший через зарядную камеру импульсного барьерного разряда с вкладываемой мощностью 2,5 Вт. При этом концентрация ртути на выходе реактора упала в 50 раз до величины 0,005 ррм.