Изобретение относится к способу очистки загрязненного газа и/или к охлаждению горячего газа, при котором газ контактирует с тонкоразделенной жидкостью для отделения частиц или абсорбции газообразных загрязняющих веществ или охлаждения газа. Тонкоразделенная жидкость подается в виде зонтообразных оболочек или линейных завес с правильным расположением, распределенных в двух или более плоскостях, по существу, перпендикулярно направлению главного потока газа.
Настоящее изобретение также относится к устройству для осуществления данного способа.
Устройство содержит впускное отверстие для загрязненного и/или горячего газа, выпускное отверстие для очищенного и/или охлажденного газа и контактную секцию, расположенную между ними. Контактная секция содержит множество подающих средств, предусмотренных для впрыскивания тонкоразделенной жидкости и расположенных в двух или более плоскостях, по существу, перпендикулярно к направлению основного потока газа.
Решение технической проблемы, рассматриваемой в данной заявке, может применяться для газоочистных устройств, так называемых скрубберов и газоохлаждающих устройств, как например, градирен и устройств рекуперации тепла большинства возможных размеров. Однако, наивысшие и, следовательно, наиболее важные случаи применения приходятся на крупные промышленные предприятия, крупные энергетические установки или крупные установки для сжигания. В последующем описании таким образом предполагается, что устройства применяются в промышленном масштабе, где газоочистительные колонны могут иметь диаметр примерно 1-20 м и высоту примерно 1-40 м. Для удобства термин "промывка" будет применяться в дальнейшем в значении либо очистка, либо охлаждение, либо очистка и охлаждение вместе.
Способ может применяться только для открытых газоочистительных колонн. Так называемые наполненные скрубберы или наполненные колонны не могут применяться в качестве контактной секции в способе согласно изобретению. Однако, при расположении с каскадным подсоединением, конечно, можно использовать комбинацию предлагаемого способа промывки и например, наполненных колонн.
Способ особенно пригоден в тех случаях, когда газоочистка должна осуществляться в совокупности с рекуперацией тепла из-за загрязненного горячего газа, поскольку удовлетворительный контакт между жидкостью и газом также способствует теплопередаче.
Очистка загрязненного газа с целью удаления газообразных веществ или в виде частиц является важным и обычным способом в современном индустриальном обществе. Разработано большое количество технологий и в настоящее время часто для выбора имеются несколько способов, когда следует конструировать газоочистительную установку, даже в тех случаях, когда должны удаляться весьма специальные загрязняющие вещества.
Загрязняющие вещества в виде частиц часто удаляют посредством динамических сепараторов, например, циклонов, электростатических осадителей или запирающих фильтров, мешочных фильтров или кассетных фильтров.
Газообразные загрязняющие вещества обычно удаляют вращающимся оборудованием, используя некоторые добавки для превращения газа в вещества в виде частиц, либо склеиванием их с поверхностью подаваемых частиц, сухих или мокрых, либо посредством реакции их с подаваемыми веществами, также в газообразной или жидкой форме так, чтобы получить продукт в виде частиц. Продукт реакции затем отделяется в сепараторе для частиц.
Охлаждение газа для снижения его температуры или извлечения из него тепла в настоящее время представляет важный и обычный способ. Теплопередача обычно осуществляется либо теплообменниками рекуперационного иди регенерационного типа, либо непосредственным контактом между горячей и холодной средой. Поскольку данное изобретение относится к теплопередаче прямым контактом между газом и жидкостью, то другие способы не рассматриваются.
Один способ, прогрессивный во многих отношениях, заключается в передаче газа через завесу тонкоразделенной жидкости, либо проходящую поверхность, орошаемую сверху потоком жидкости. Эти способы делают возможным охлаждать горячий газ, а также улавливать частицы в жидкости и растворять газообразные компоненты загрязненного газа в жидкости. Затем жидкость может также содержать вещества, превращающие растворенные газообразные компоненты в твердое состояние с тем, чтобы более легко отделять их от жидкости.
Жидкость обычно рециркулирует в промывочном устройстве, однако, часть ее обычно непрерывно удаляется для использования ее тепла для другого применения, либо последующей обработки для отделения загрязняющих веществ, либо газообразной, либо в твердой форме, выборочно для восстановления веществ, и таким образом, охлажденная или обработанная другим способом жидкость может рециркулировать в газоочистительной установке для повторного применения.
Эти газоочистительные установки можно примерно разделить на открытые колонны, где газ только встречается с тонкоразделенной жидкостью, и наполненные колонны, где газ проходит через поле колонны с небольшими салазкообразными или бобинообразными частями, на которых жидкость распыляется так, чтобы получить пленку жидкости, стекающую вниз над, по существу, всей поверхностью.
Поскольку наполненные скрубберы не подпадают в область применения настоящего изобретения, они здесь не будут рассматриваться.
Примеры открытых колонн, например, для отделения двуокиси серы и охлаждения газа для рекуперации тепла приведены, например, в [1] где раскрыты вертикальные колонны и скрубберы с горизонтальным потоком газа и жидкость подается на нескольких уровнях или позициях. В [2] описывается колонна менее сложной конструкции, где жидкость подают только на один уровень, однако, она распределяется после улавливания на нескольких уровнях.
В [3] показана совокупность открытой колонны с наполненной секцией.
Вышеупомянутое оборудование требует, чтобы жидкость, применяемая в газоочистителе в течение основной части ее перемещения в колонне, падала или стекала вниз под действием силы тяжести. Однако, известны конструкции скрубберов, которые образуют более или менее горизонтальные завесы жидкости, через которые проходит газ. Один из таких примеров приведен в очень сложной конструкции, раскрытой в [4] где предполагается, что движение газа вниз в основном осуществляется вдоль вертикальных стенок. Два других примера приведены в [5] и [6]
Промежуточная конструкция раскрыта в [7] где промывочная жидкость подается горизонтально, однако, возможно после некоторого замедления она спадает в виде завесы из тонкоразделенных капель.
В газоочистительной колонне типа, наиболее близкого к изобретению, в известном техническом решении, например, в [8] жидкость обычно подают на 4-6 уровнях. Каждый уровень имеет несколько сопел, распределяющих малые капли на площади, обычно в виде конической оболочки типа полого конуса или в полом конусе. Угол при вершине этого конуса составляет 90-120o.
Каждый уровень оснащен соплами, расположенными с интервалом 0,5-1 м в правильной решетке, расстояние между уровнями составляет 1-2 м. По меньшей мере, некоторые уровни расположены далеко вверху над дном колонны. Цель такого решения заключается в том, что эти уровни должны выдавать капли, которые в виде хорошо распределенной завесы стекают через колонну на значительной части по ее высоте.
Эффективность газоочистителя в большой степени зависит от относительного движения между каплями и газом. Таким образом, предпочтительно, чтобы газ проходил вверх в направлении, противоположном стекающим каплям, то есть, против потока, однако, по разным причинам также имеются газоочистители, в которых газ проходит в том же направлении, как и стекающие капли, то есть, совпадая.
Если необходимо повысить эффективность газоочистки при использовании этого способа, то необходимо либо увеличить высоту колонны, либо поток промывочной жидкости. Вне зависимости от выбора результат будет заключаться в увеличенной работе насоса для заданного объема потока газа.
Основной недостаток газоочистительных колонн открытого типа заключается в том, что им требуется много места. Это также влечет за собой значительные затраты на строительство.
Другой недостаток, вытекающих из предыдущего, заключается в том, что колонны должны быть обычно очень высокими. Это означает, что жидкость, спадающая через колонну в виде завесы из мелких капель, должна сначала накачиваться на значительную высоту. Работа такого насоса оказывает значительное влияние на стоимость операции.
Газоочистка и газоохлаждение в газоочистителях мокрого типа, так называемых скрубберах, является в течение многих десятилетий хорошо отработанной технологией в обрабатывающих отраслях промышленности, энергетических установках и установках для сжигания. Эта технология удовлетворительно применяется и должна рассматриваться как эффективная, так и надежная. Большинство очевидных недостатков, которые упоминались ранее, заключается в том, что оборудованию требуется много места, делая его, таким образом, дорогостоящим, а также энергоемким, в основном, вследствие значительной работы насоса.
Следовательно, главная задача настоящего изобретения заключается в создании усовершенствованного способа, требующего газоочистительного оборудования с гораздо меньшим объемом при сохранении надежности и эффективности известных способов.
Другая задача настоящего изобретения заключается в создании способа и устройства, требующих меньше энергии для газоочистки и газоохлаждения.
Настоящее изобретение относится к способу для очистки загрязненного газа и/или охлаждения горячего газа, где газ контактирует с тонкоразделенной жидкостью для отделения частиц или абсорбции газообразных загрязняющих веществ или охлаждения газа. Тонкоразделенная жидкость подается в виде зонтообразных оболочек или линейных завес с правильным расположением, распределяемых в двух или более плоскостях, по существу, перпендикулярно к направлению основного потока газа.
Согласно изобретению, решение рассматриваемой технической задачи достигается подачей тонкоразделенной жидкости так, что газ попеременно распределяется посредством импульсного действия, оказываемого жидкостью на газ в направлении, перпендикулярном направлению основного потока газа.
Ортогональное расстояние между смежными плоскостями, в которые подается тонкоразделенная жидкость, регулируют так, что не происходит значительного выравнивания потока газа между плоскостями.
Подача жидкости в смежные плоскости происходит прямоточно и противоточно направлению потока газа.
В последующем описании термин "колонна" одинаков с "газоочистительной колонной", а термин "жидкость" является синонимом "промывочная жидкость". Термин "газ" означает входящий газ, загрязненный газ или горячий газ, причем, газ очищается или охлаждается в контактной секции.
В способе, согласно изобретению, газ подают с тонкоразделенной жидкостью от равномерно расположенных средств подачи. Эти средства даются далее, как сопла, и они могут иметь различные конструкции. Наиболее обычный тип представляет средство, подающее вокруг цилиндрического корпуса тонкоразделенную жидкость в полом конусе, подобном зонтообразной оболочке, либо удлиненные средства, подающие вдоль, по существу, прямой линии тонкоразделенную жидкость в виде завесы, образуемой воображаемым перемещением этой линии.
Сопла расположены так, что тонкоразделенная жидкость при подаче придает газу движение в боковые стороны, то есть, поперечно направлению основного потока газа. Сопла обычно подают жидкость в направлении, имеющем свою основную составляющую, перпендикулярном направлению основного потока газа через скруббер. Сопла могут быть ориентированы для разбрызгивания в одном и том же направлении в полной плоскости и в противоположном направлении в следующей плоскости, однако, предпочтительно все плоскости оснащены соплами, создающими зонтообразное круговое разбрызгивание, либо линейными соплами, распределяющими жидкость, в, по меньшей мере, двух противоположных направлениях.
Посредством сопел, размещенных в виде решетки, подающих жидкость в направлениях, по существу, перпендикулярных направлению основного потока газа, осуществляется смещение газа так, что, по существу, весь поток проходит через плоскость на участках, которые не смежные с каким-либо соплом. При этом узлы решетки в плоскости с противоточным направлением смещены по высоте относительно узлов решетки с прямоточным направлением жидкости.
Кроме того, смежные плоскости, в которых размещены сопла, должны располагаться так близко, чтобы отсутствовало достаточное пространство или время для потока газа, уравновешиваемого до любого основного предела до того, как газ контактирует с тонкоразделенной жидкостью из сопел в следующей плоскости, после которой подобным образом расположены третья плоскость, четвертая плоскость и т.д. как требуется. Таким образом, зигзагообразное движение сообщается газу через контактную секцию.
Расстояние между плоскостями должно подгоняться к конструкции сопел так, чтобы жидкость, подаваемая в одной плоскости, не взаимодействовала в значительной степени с противоположным потоком жидкости от смежных сопел в смежных плоскостях. Однако, это расстояние должно быть таким малым, чтобы по возможности, полностью исключить участки без капель. Расстояние должно быть менее 1 м, предпочтительно менее 0,6 м.
В качестве меры взаимодействия может указываться на часть капель из сопла в определенной плоскости, которая сталкивается с высокой концентрацией или плотностью потока капель из смежного сопла в смежной плоскости. В точках пространства, где это происходит, плотность потока капель, рассматриваемая, как распределение в пространстве поперечно потоку, по меньшей мере, 10% от максимальной величины при рассматриваемом расстоянии от сопла.
Поскольку эффективность зависит от интенсивности контакта между газом и жидкостью, то расстояние между плоскостями и распределение капель из сопел должно предпочтительно регулироваться так, чтобы происходило незначительное взаимодействие. Таким образом, небольшое количество капель из одного сопла должно контактировать с малым количеством из смежного сопла. Согласно изобретению следует иметь, по меньшей мере, 0,01% предпочтительно 0,1% максимальной плотности потока капель, где проводится граничная воображаемая линия между потоками, в месте, где два потока имеют равную плотность.
Если используются только две плоскости с соплами, то угол конусности "зонтика" может произвольно выбираться для первой плоскости, тогда как для второй плоскости он регулируется так, что "зонтики" от двух плоскостей располагаются по номинальной касательной друг к другу. Если требуется применять несколько плоскостей сопел, то предпочтительно подавать жидкость в данной плоскости, то есть, с углом конуса 180o. Это дает простую симметрию. Также в случае использования только двух плоскостей этот угол может быть наиболее оптимальным.
Распределение сопел в одной плоскости предпочтительно выполнять в виде правильной решетки. Если все плоскости должны оснащаться одинаково, то квадратная конструкция будет иметь наибольшее преимущество. Однако, применение решетки из равносторонних треугольников не привело бы к значительным недостаткам, даже если бы затем плоскости должны представлять собой разные пары. Ромбические решетки и, как упоминалось, полностью прямолинейные параллельные сопла также могут применяться.
Для достижения преимуществ изобретения число узлов решетки должно быть относительно большим, по меньшей мере, 16, предпочтительно по меньшей мере, 25. В случае применения линейных сопел, по меньшей мере, 5 сопел следует использовать в каждой плоскости.
На фиг. 1 изображен вид в вертикальном разрезе газоочитсительной колонны в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 2 и 3 вид, показывающий предлагаемое распределение сопел в газоочистительной колонне с круглым поперечным сечением; на фиг. 4 вид, показывающий альтернативное распределение сопел в газоочистительной колонне круглого поперечного сечения; на фиг. 5 вид, показывающий более подробно распределение капель жидкости вокруг нескольких сопл; на фиг. 6 вид, показывающий распределение плотности потока капель в зависимости от пространственной координаты для сопел на фиг. 5; на фиг. 7 и 8 вид, показывающий предлагаемое распределение сопел в газоочистительной колонне с квадратным поперечным сечением; на фиг. 9 - схематический вид потока газа через газоочистительную колонну согласно изобретению; на фиг. 10 и 11 вид, показывающий распределение капель жидкости вокруг нескольких сопел в альтернативной конструкции.
На фиг. 1 дан схематический вид газоочистительной колонны 1, имеющей впускной патрубок 2 для загрязненного газа, выпускной патрубок 3 для очищенного газа и промежуточную контактную секцию 4. В нижней части 5 газоочистительной колонны 1 собирается промывочная жидкость. Промывочная жидкость 6 накачивается насосом 7 вверх к распределительным трубам 8 с соплами 9, расположенными в верхней части контактной секции 4. Сопла 9, показанные чисто схематически, представляют тип полого конуса, то есть, они разбрызгивают тонкоразделенную промывочную жидкость в конической оболочке с углом при вершине 120o. Затем промывочная жидкость стекает в виде завесы из мелких капель через контактную секцию и собирается в нижней части 5. Над распределительными трубами 8 и соплами 9 предусмотрен капельный сепаратор 10. Свежая промывочная жидкость может подаваться через трубопровод 18 и отработанная загрязненная промывочная жидкость удаляется через другой трубопровод 19.
Контактная секция 4 оснащена соплами 9, разбрызгивающими тонкоразделенную жидкость, по существу, горизонтально, то есть, сопло в виде полого конуса имеет угол при вершине 180o. В этом случае разница в уровне между плоскостями с соплами составляет лишь 20-60 см.
На фиг. 2, 3 показано при практическом применении распределение сопел 9 над поперечным сечением колонны, имеющей круглое поперечное сечение. Колонна имеет диаметр примерно 12 м и вмещает внутри примерно 100 сопел в каждой плоскости в квадратной решетке с шагом примерно 1 м. Распределение указано кругами 31, показывающими, как тонкоразделенная жидкость 6 разбрызгивается на каждом узле решетки.
Таким образом, на фиг. 2 показано распределение сопел 9 в плоскостях 81 и 83 фиг. 1, а на фиг. 3 показано соответствующее распределение сопел в плоскостях 82 и 84.
Для исключения возможности почти прямолинейного прохода небольшой части газа через колонну вдоль стенок можно рассмотреть распределение сопел на фиг. 4. Здесь колонна по всей окружности оснащена соплами 9, направленными внутрь и разбрызгивающими жидкость, по существу, в полукруге и распределение сопел 9 в колонне регулируется для этого. Как видно, конфигурация не становится полностью правильной и распределение сопел в следующей плоскости должно регулироваться посредством способа, слегка отличающего от теоретически требуемого.
На фиг. 5 показано более подробно, как сопла 9 в смежных плоскостях расположены относительно друг друга, и на участке которых тонкоразделенная жидкость подается через воображаемый вертикальный разрез диагонально через конфигурации по фиг. 3. Для лучшего понимания изобретения масштаб искажен увеличением расстояний в вертикальном направлении относительно расстояний в горизонтальной плоскости.
Из сопла 51 в плоскости 81 тонкоразделенная жидкость приходит в поток 61. Из сопла 52 в плоскость 82 приходит противоположный поток 62. Потоки 61 и 62 не ограничены указанными линиями потоков 511, 512 и 521, 522, отмечающих границы, в переделах которых расположены главные части потоков. Потоки частично сталкиваются друг с другом и граница, где они, по существу, являются одинаково большими, указана линией 66. Однако, здесь плотность капель значительно меньше, чем в центральной части.
На фиг. 6 приведен пример распределения плотности потока капель по фиг. 5 в плоскости по линии 65. Термин "плотность потока капель" означает здесь массу потока на единицу площади. Из этой фигуры видно последовательное уменьшение потока с увеличением расстояния от соответствующей плоскости. Как упоминалось, линия 66 указывает границу участков, где соответствующий поток капель является преобладающим.
Согласно изобретению, расстояние между плоскостями 81 и 82 должно быть приспособлено для распределения тонкоразделенной жидкости так, что обе плотности потока капель 61 и 62 на граничной линии 66 снижаются ниже 10% от максимальной величины, существующей вблизи соответствующей плоскости 81, 82. Однако, для оптимального использования преимуществ данного изобретения предполагается, что расстояние между плоскостями 81, 82 не становится слишком большим.
Следовательно, плотности потока капель 61, 62 должны превышать 0,01% максимальной величины на граничной линии 66, предпочтительно, превышать 0,1% от максимальной величины.
На фиг. 7 показано при практическом применении распределение сопел 9 над поперечным сечением колонны с квадратным поперечным сечением. Квадрат имеет сторону размером примерно 12,4 м и вмещает внутри примерно 100 сопел, в каждой плоскости, в конструкции квадратной решетки с шагом примерно 1,2 м. Распределение указано кругами 71, показывающими, как тонкоразделенная жидкость 6 впрыскивается в каждом узле решетки. Таким образом, на фиг. 8 показано распределение сопел 9 в плоскостях 81 и 82 по фиг. 1, а на фиг. 7 показано соответствующее распределение сопел в плоскостях 82 и 84. На фиг. 7 и 8 показано, что квадратное поперечное сечение не ведет обязательно к любым отклонениям от теоретически требуемой правильной решетки.
На фиг. 9 схематически показано, как газ проходит через контактную секцию 4. Линии потока 11 извиваются вокруг сопел 9.
На фиг. 10, 11 схематически показано распределение капель жидкости вокруг некоторых сопел 9, имеющих угол разбрызгивания при вершине 120o. На фиг. 10 показаны некоторые линейные разбрызгиватели сопла 9, которые образуют две линейные завесы, каждая с промежуточным углом 120o.
Как можно видеть, плоскости 81-84 могут быть парными на одном и том же уровне или даже газ может первым встретить жидкость от последней плоскости. На фиг. 11 показана та же конфигурация, когда применяются сопла 9 типа полого конуса. В этой конструкции предпочтительно допускать попарную разницу на расстоянии между потоками капель жидкости для согласования отклонения от полной симметрии.
Устройство на фиг. 1 работает следующим образом.
Газ поступает в колонну 1 через впускной патрубок 2 к контактной секции 4. Он поднимается, в сущности, вертикально до тех пор, пока не подходит к границе первой плоскости 81 с соплами 9.
Через сопла 9 жидкость 6 впрыскивается, по существу, горизонтально, в газ со скоростью 10-15 м/сек. Тонкоразделенная жидкость оказывает влияние на газ и посредством этого он увлекается в направлении, которое примерно горизонтальное до тех пор, пока он не сталкивается с другим газом, проходящим в противоположном направлении, в сущности, посередине между соплами 9 в одной и той же плоскости 81.
Поскольку здесь капли жидкости имеют значительно меньшую плотность потока капель, чем вблизи сопла 9 (т.к. они занимают обычно больший объем с увеличением расстояния), то газ проходит между каплями жидкости вверх к следующей плоскости 82 прямо противоположно соплу 9 в этой второй плоскости. Таким образом, поток газа, концентрируемый импульсом промывочной жидкости в плоскости 81, там распределяется посредством импульса капель жидкости, впрыскиваемой в газ этим соплом 9. Газ также проходит там, по существу, горизонтально до тех пор, пока не сталкивается с газом, увлекаемым каплями жидкости смежных сопел 9.
Эта операция затем повторяется при проходе к плоскости 83 и т.п. Посредством повторяющегося отклонения и изменяющегося ускорения и замедления создается интенсивное и эффективное взаимодействие между газом и жидкостью.
Жидкость, которая в виде тонкоразделенных капель увлекается газом, отделяется в капельном сепараторе 10.
Через трубопровод 18 часть жидкости спускается для последующей обработки, а свежая или регенерированная жидкость подается через трубопровод 18 по мере необходимости.
Способ в соответствии с изобретением несомненно не ограничивается воплощением, описанным ранее, однако, он может быть модифицирован несколькими различными путями в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.
Как упоминалось, могут применяться сопла различных конструкций, Также сопла могут располагаться многими различными способами. Правильные решетки предпочтительны, однако, отклонения от них приемлемы. Треугольные или ромбические решетки могут дать очень хорошие результаты.
Предпочтительное альтернативное исполнение заключается в оснащении каждой другой плоскости соплами, расположенными на треугольной решетке, а каждая другая с соплами, расположенными в гексагональной решетке.
Кроме того, способ может, конечно, применяться не только для очистки загрязненных газов или охлаждения горячих газов. Он может успешно применяться в большинстве случаев, где газ должен контактировать с тонкоразделенной жидкостью.
Использование: для очистки газа и/или охлаждения газа. Сущность изобретения: тонкоразделенную жидкость подают в форме, по существу, зонтообразных оболочек или, по существу, линейных завес в правильном расположении и распределенных в двух или больше плоскостях, по существу, перпендикулярно направлению основного потока газа. Тонкоразделенную жидкость подают таким образом, что газ распределяется за счет действия, создаваемого жидкостью на газ, в направлениях, перпендикулярных направлению основного потока газа. Ортогональное расстояние между смежными плоскостями, в которых подают тонкоразделенную жидкость, регулируют так, что между плоскостями отсутствует значительное выравнивание потока газа. Подачу жидкости в смежных плоскостях осуществляют прямоточно и противоточно направлению основного потока газа. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.
