СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B01D53/32 B01D53/34 B01D53/78 B01J19/08 

Настоящее изобретение относится к области химической очистки отходящих газов при работе технологических установок в различных отраслях промышленности, в частности при сжигании органического топлива в котлах электростанций, в двигателях внутреннего сгорания.

Очистка газовых выбросов и, в частности, дымовых газов промышленных установок от окислов азота и серы является важной экологической задачей.

Известен способ очистки дымовых газов от оксида азота, включающий впрыскивание воды, снижение температуры дымовых газов до 80-120^oC и смешивание их с воздухом, введение реагента в виде водного раствора карбоната и нитрата калия при их молярном соотношении соответственно 10:1 и концентрации соответственно 0,15-0,19 и 0,015-0,019 и последующим облучением электронным пучком (см. авторское свидетельство СССР N 1662647 по кл. B 01 D 53/34 от 03.11.1988 г.).

Известный способ очистки газовых выбросов имеет недостаточную энергетическую эффективность из-за небольшой степени использования образующихся свободных радикалов, требует использования ускорителей электронов, что связано к тому же с необходимостью радиационной защиты от моющих высоковольтных электронных пушек.

Известно устройство для очистки газовых выбросов, содержащее реактор, электронную пушку, стволы которой размещены на противоположных стенках реактора, электронный ускоритель, соединенный с источником электропитания и устройство для ввода аммиака. На выходе газов из реактора установлен солеуловитель. (см. авторское свидетельство СССР N 1472118 по кл. B 01 J 19/08 от 09.03.1987 г.).

Недостатками известного устройства являются невысокая энергетическая эффективность и сложность конструкции.

Известен способ очистки газовых выбросов от окислов азота и серы, включающий пропускание газовых выбросов через зону стримерной короны, образованную системой электродов "нить-цилиндр" или "нить-плоскость", на которые подаются импульсы электрической энергии достаточно высокого напряжения, обеспечивающие перевод окислов серы и азота в кислотный туман (см. патент США N 4695358 по кл. B 01 D 53/34 опубл. 22.03.1987 г.).

Реализация известного способа в большом реакторном объеме представляет большие технические трудности, так как разряд развивается от электродов в виде отдельных проводящих нитей, занимающих лишь незначительную часть межэлектродного пространства.

Известно устройство для очистки газовых выбросов с помощью импульсной стримерной короны, включающее цилиндрический реактор с входным и выходным патрубками для впуска очищаемого газа и выпуска очищенного газа. По оси реактора закреплен на изоляторе нитевидный электрод, соединенный с импульсным высоковольтным источником (см. патент США N 4695358 по кл. B 01 D 53/34, опубл. 22.09.1987 г.).

Недостатками известного устройства являются значительные технические трудности обеспечения существования разряда в большом реакторном объеме, эрозия электродов.

Наиболее близким по технической сущности к решаемой задаче является способ очистки газовых выбросов, включающий введение в газ реагента, воздействие диффузным электрическим разрядом, создаваемым между двумя электродами, поверхность одного из которых (катода) равномерно усеяна тонкими металлическими штырями, каждый из которых нагружен на индивидуальное балластное сопротивление (см. Акишев Ю.С., Левкин В.В., Напартович А.П., Трушкин Н.И.- Применение тлеющего разряда в потоке газа для разрушения малых примесей. - Мат-лы семинара "Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки дымовых газов".- М.:ИВТАН, 1991, с. 37-41).

В известном способе областью, интенсивно генерирующей химически активные частицы, является весь объем разряда в отличие от способа с применением стримерной короны, однако и данный способ не лишен недостатков: имеет место эрозия электродов, требуется предварительное охлаждение очищаемого газа и принудительное охлаждение электродов, для создания диффузного электрического разряда необходимо применять напряжение одной полярности.

Известно устройство для очистки газовых выбросов, включающее реактор, в котором размещены плоские электроды, один из которых снабжен множеством острий, направленных перпендикулярно второму плоскому электроду. Электроды образуют внутреннюю поверхность канала для пропуска очищаемого газа. Электроды соединены с источником постоянного тока через балластное сопротивление, пределы которого выбраны таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить необходимый энерговклад, а, с другой стороны, избежать дуговой стадии разряда. На выходе из реактора установлен фильтр для улавливания твердых частиц (см. заявка PCT WO N 88/08325 по кл. B 01 D 53/34, опубл. 03.11.1988 г.).

Известное устройство имеет сложную конструкцию, требует принудительное охлаждение острий, в устройстве происходит эрозия электродов, отсутствует возможность применения переменного напряжения.

Задачей являлось создание такого способа очистки газовых выбросов и устройства для его осуществления, которые бы обеспечивали повышение энергетической эффективности процесса очистки без дополнительного вклада энергии за счет увеличения вклада циклических реакций с регенерацией свободных радикалов, позволили упростить аппаратурное оформление и применить переменное напряжение.

Поставленная задача решается тем, что в способе очистки газовых выбросов, включающем введение в газ реагента, воздействие диффузионным электрическим разрядом, создаваемым между электродами, и удаление из отработанного газа продуктов реакции, на обращенную к газу поверхность по крайней мере одного электрода подают электролит, в качестве которого может быть использована обычная техническая вода. Реагент (которым может быть вещество, связывающее вредные примеси в газе, каталитические присадки и т.д.) может быть введен непосредственно в электролит, подаваемый на поверхность электрода. Электролит можно также подавать на обращенные друг к другу поверхности двух электродов, к которым прикладывают в этом случае переменное напряжение.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для очистки газовых выбросов, включающем реактор, в котором размещены электроды, образующие внутреннюю поверхность канала для пропуска очищаемого газа и подключенные к источнику электропитания, и установленный на выходе газов из реактора улавливатель продуктов реакции, по крайней мере один из электродов снабжен патрубком, соединенным с нагнетателем электролита, и сборником для приема отработавшего электролита. Патрубком для подачи электролита и сборником для приема отработавшего электролита могут быть снабжены два противолежащих электрода. Один из электродов может быть выполнен пористым и непосредственно подсоединен к патрубку для подачи электролита.

В результате подачи электролита на поверхность одного из электродов, обращенную к газу, между поверхностью жидкости и вторым электродом возникает объемный диффузный разряд, при этом в поток газа интенсивно вводятся пары воды и капли электролита испарением и разбрызгиванием электролита, покрывающего электрод. Все это существенно увеличивает интенсивность реакций связывания твердых примесей и регенерации свободных радикалов в капельной фазе и, соответственно увеличивает энергетическую эффективность очистки. Появляется возможность использовать находящийся на поверхности электрода электролит для охлаждения очищаемого газа, что упрощает процесс очистки. При горении объемного диффузного разряда в случае подачи электролита на электрод и введении в него реагента (восстановителя, каталитических присадок и т.д., в зависимости от состава примесей в очищаемом газе) появляется возможность обеспечить дозированное их введение в поток очищаемого газа, что открывает новые каналы реакций связывания примесей и регенерации радикалов и ведет к увеличению энергетической эффективности процесса. При подаче электролита на обращенные друг к другу поверхности двух электродов появляется возможность использовать переменное напряжение, что упрощает реализацию способа. Снабжение по крайней мере одного из электродов устройства для очистки газовых выбросов патрубком, соединенным с нагнетателем электролита, и сборником для приема отработавшего электролита обеспечивает надежное покрытие слоем электролита поверхности металла и тем самым стабильное горение объемного диффузного разряда, постоянство состава электролита за счет подпитки свежим раствором. При жидком электроде отсутствует эрозия металла, так как происходит распыление жидкости, а не металла электрода, как в способе-прототипе; при этом одновременно происходит и охлаждение электрода, исключается возникновение контрагированного разряда. Кроме того, испарение и разбрызгивание электролита может быть использовано для охлаждения очищаемого газа. Снабжение патрубком для подачи электролита и сборником для приема отработавшего раствора двух противолежащих электродов позволяет работать на переменном напряжении, исключив необходимость применения выпрямляющих устройств. Выполнение одного из электродов пористым и подсоединение его непосредственно к патрубку для подачи электролита позволяет дозированно подавать электролит через поры на поверхность электрода, обеспечивая одновременно охлаждение всего его объема.

В технике известно применение жидких электродов для травления металлов (см. Гайсин Ф.М., Сон Э.У. -Электрофизические процессы в разрядах с твердыми и жидкими электродами.- Свердловск: Изд-во Уральск. Университета, 1989, 432 с. ). В заявляемом способе очистки газовых выбросов, наоборот, отсутствует травление (эрозия) металла, а в результате подачи электролита на электрод происходит охлаждение очищаемого газа, охлаждение электрода, изменение характера протекающих в разряде процессов. Авторам из научно-технической литературы неизвестно использование разряда между твердыми и жидкими электродами для целей газоочистки.

Устройство для очистки газовых выбросов изображено на чертеже, где на фиг.1 схематически изображен общий вид устройства в разрезе; на фиг.2 - один из возможных вариантов конструкции электродного узла при подаче воды на поверхности двух электродов; на фиг.3 - конструкция электродного узла для создания кольцевого диффузного разряда; на фиг.4 - конструкция электродного узла с пористым электродом.

Устройство для очистки газовых выбросов включает реактор 1, в котором размещены электроды 2 и 3, образующие внутреннюю поверхность канала для пропуска очищаемого газа, для подачи которого служит патрубок 4. Электрод 3 снабжен патрубком 5, подсоединенным к нагнетателю электролита 6, соединенным, в свою очередь, трубопроводом 7 с емкостью 8 для электролита. С противоположной от патрубка 5 стороны электрода 3 установлен сборник 9 для приема отработавшего электролита. При подаче электролита на оба электрода 2 и 3 (см. фиг. 2) патрубком 5 и сборником 9 снабжают и электрод 2. Электрод 3 с трех сторон (кроме стороны, обращенной к сборнику 9) снабжен буртиком 10, который образует таким образом стенки ванночки для удержания слоя 11 электролита на поверхности электрода 3. Сборник 9 соединен трубопроводом 12 с емкостью 8. Электрод 2 подключен к источнику электропитания 13 и вольтметру 14. В случае подачи электролита на оба электрода 2 и 3 (см. фиг.2) их можно подключать к источнику 13 переменного напряжения. Электрод 3 при использовании униполярного напряжения обычно заземлен. Реактор 1 снабжен выходными патрубками 15 с фильтрами 16 для улавливания продуктов реакции. В патрубке 15 может размещаться датчик анализатора состава газа 17. Электрод 3 может быть снабжен порами 18 для подачи электролита на его поверхность (см. фиг. 4).

Устройство для очистки газовых выбросов работает следующим образом. Электролит требуемого состава из емкости 8 по трубопроводу 7 с помощью нагнетателя 6 через патрубок 5 подают на поверхность электрода 3. При изготовлении электрода 3 пористым электролит через поры 18 поступает на его поверхность. Избыток электролита через сборник 9 и трубопровод 12 возвращается в емкость 8. При подаче на электрод 2 высокого напряжения от источника электропитания 13 между поверхностью электрода 2 и поверхностью электролита 11 зажигается объемный диффузный электрический разряд, образующий химически активные свободные радикалы. Очищаемый от вредных примесей газ через патрубок 4 подают в область объемного диффузного электрического разряда между электродами 2 и 3. В результате реакции вредных примесей газа со свободными радикалами в присутствии, при необходимости, катализатора или восстановителя, а также испарения и разбрызгивания электролита с электрода 3 с инициированием циклических реакций поглощения окислов и регенерации свободных радикалов в капельной фазе происходит очистка газа от вредных примесей с переводом их в твердую фазу. Одновременно происходит и охлаждение очищаемого газа. Пройдя через объемный диффузный разряд, газ через патрубки 15 поступает в фильтры 16, где от газа отделяются твердые частицы, после чего очищенный газ выпускают из реактора 1.

Заявляемый способ очистки газовых выбросов был опробован на макете устройства. Расстояние между электродами было равно 1 см, на электроды подавалась разность потенциалов 2-4 кВ в зависимости от качественного и количественного состава электролита. Скорость очищаемого газа составляла в межэлектродном промежутке порядка 10 м/с, ток в диффузом разряде достигал 1 А. На электроды в качестве электролита подавалась обычная техническая вода. Проведенные эксперименты полностью подтвердили преимущества заявляемого способа очистки и устройства для его осуществления перед способом и устройством - прототипами.

Может быть использовано в области химической очистки отходящих газов при работе технологических участков. В газ вводят реагент, воздействуют диффузорным электрическим разрядом, создаваемым между электродами, и удаляет из отработанного газа продукты реакции, причем на обращенную к газу поверхность по крайней мере одного электрода подают электролит. Устройство содержит реактор, в котором размещены электроды, образующие внутреннюю поверхность канала для пропуска очищенного газа и подключенные к источнику электропитания, и установленный на выходе газа из реактора улавливатель продуктов реакции, причем по крайней мере один из электродов снабжен патрубком, соединенным с нагнетателем электролита, и сборником для приема отработавшего раствора, 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ очистки газовых выбросов, включающий введение в газ реагента, воздействие диффузным электрическим разрядом, создаваемым между электродами, и удаление из отработанного газа продуктов реакции, отличающийся тем, что на обращенную к газу поверхность по крайней мере одного электрода подают электролит. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реагент вводят в электролит, подаваемый на поверхность электрода. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что электролит подают на обращенные друг к другу поверхности двух электродов, к которым прикладывают переменное напряжение. 4. Устройство для очистки газовых выбросов, включающее реактор, в котором размещены электроды, образующие внутреннюю поверхность канала для пропуска очищаемого газа и подключенные к источнику электропитания, и установленный на выходе газа из реактора улавливатель продуктов реакции, отличающееся тем, что по крайней мере один из электродов снабжен патрубком, соединенным с нагнетателем электролита, и сборником для приема отработавшего раствора. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что патрубком для подачи электролита и сборником для приема отработавшего раствора снабжены два противолежащих электрода. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что по крайней мере один из электродов выполнен пористым и непосредственно подсоединен к патрубку для подачи электролита.