СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НИХ ЭЛЕКТРОННЫМИ ЛУЧАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК B01D53/60 B01D53/50 B01D53/56 B01J19/08 

Настоящее изобретение относится к способу обработки отходящих газов путем воздействия на них электронными лучами и включает добавление аммиака к отходящим гадам, содержащим оксиды серы (SO_x) и/или оксиды азота (NO_x) и после этого воздействие на газ электронным лучом для того, чтобы удалить оксиды серы и/или азота из него. Изобретение также относится к устройству для осуществления способа.

Когда отходящий газ, содержащий оксиды серы и/или азота, обрабатывают сначала посредством добавления аммиака к газу и затем воздействия на газ электронным лучом для того, чтобы удалить из него оксиды серы и/или оксиды азота, эффективность удаления оксидов серы (далее при случае упоминается просто как "процент десульфуризации") имеет тенденцию к возрастанию в условиях более низкой температуры. Эта проблема обычно решается путем понижения температуры отходящего газа в градирне с разбрызгиванием воды перед тем, как его направляют в реактор, и добавления аммиака на входе в упомянутый реактор, после чего газ подвергается воздействию электронного луча. Иногда воду разбрызгивают не только в градирне, расположенной выше по потоку, т.е. перед реактором, но также и на входе реактора, и в этом случае вода подается отдельно от газообразного аммиака.

Другой проблемой известного способа является то, что процент десульфуризации высоко чувствителен к температуре отходящего газа, подлежащего обработке, и для того чтобы обеспечить эффективную десульфуризацию, температура отходящего газа на выходе реактора должна быть понижена до температуры, близкой к его точке росы, но в этом случае не вся разбрызгиваемая вода будет испаряться, что приводит к образованию сточной воды или образованию роста на поверхности канала или трубопровода, идущего далее вниз по потоку от реактора.

В отдельных случаях, когда отходящий газ, содержащий окислы серы, обрабатывается сначала путем добавления аммиака к газу и затем подвергается воздействию электронного луча с тем, чтобы удалить окислы серы, образуется сульфат аммиака как побочный продукт; в известном процессе такой обработки вместе с сульфатом аммония образуется в количестве, которое никоим образом не является незначительным, сульфат аммония, неблагоприятно воздействующий на срок службы установки, и для того чтобы использовать побочный продукт сульфат аммония в качестве удобрения, сульфамат необходимо удалить.

Наиболее близким к изобретению является способ обработки отходящего газа, содержащего окислы серы и/или азота включающий добавление аммиака к отходящему газу с последующим воздействием на него электронным лучом, и устройство, содержащее реактор для обработки отходящего газа, питатель для подачи аммиака в отходящие газы в реакторе и ускоритель электронного луча, излучающий электронный луч в отходящие газы в реактор (EP N326686, М.кл. B 01 D 53/35, 09.08.89).

Краткое описание изобретения.

Настоящее изобретение осуществляется в данных условиях и целью его является создание технологии, посредством которой может быть осуществлена эффективная десульфуризация, даже если температура отходящего газа в процессе обработки довольно высока на выходе из реактора, и которая способна снизить концентрацию сульфамата аммония в побочном продукте.

Другие задачи и преимущества настоящего изобретения могут стать ясными для специалистов из последующего описания и приложенных чертежей.

Краткое описание чертежей.

Фиг.1 является технологической схемой способа настоящего изобретения для обработки отходящих газов путем воздействия на них электронным лучом, который включает образование гомогенной газожидкостной смеси из воды и смеси газообразного аммиака и воздуха и затем вбрызгивание гомогенной смеси в реактор.

Фиг.2 является технологической схемой известного способа обработки отходящих газов путем воздействия на них электронным лучом, который включает добавление только газообразного аммиака в реактор.

Фиг.3,A изображает пример сопла на две текучие среды, которое может быть использовано в настоящем изобретении.

Фиг. 3, B изображает пример переходного патрубка для применения с соплом на две текучие среды.

Фиг. 4 является графиком, показывающим взаимосвязь между температурой отходящего газа на выходе реактора и процентом десульфуризации для Примера 1 и Сравнительного Примера 1.

Подробное описание изобретения.

Цель изобретения может быть решена сначала посредством равномерного смешивания газообразного аммиака с воздухом, затем образования гомогенной газожидкостной смеси из упомянутой газовой смеси и воды и вбрызгивания упомянутой гомогенной смеси в реактор.

Отношение воды к газовой смеси газообразного аммиака и воздуха зависит от различных факторов, как например, конструкции используемого сопла на две текущие среды, давления добавляемых газов и давления разбрызгиваемой воды;
Обычно приемлемым диапазоном отношения является диапазон от 0,1 до 20 л/м³. Если отношение воды к газовой смеси газообразного аммиака и воздуха меньше, то существует вероятность неудачи в достижении эффективной десульфуризации, а также имеют место помехи в снижении эффективности подавления образования сульфамата аммония. С другой стороны, если отношение превышает 20 л/м³, то не вся вбрызгиваемая вода испаряется, что ведет к образованию сточных вод или образованию росы на поверхности канала или трубопровода, идущего ниже по потоку после реактора.

Аммиак должен использоваться в количестве, которое определяется, главным образом, как количество, необходимое для преобразования окислов серы и/или окислов азота в сульфат аммония и/или нитрат аммония, соответственно, но для определения точного количества используемого аммиака необходимо также принять во внимание и другие факторы, такие как требуемый процент десульфуризации, требуемый процент денитрации и концентрации вытекающего аммиака, как выражено следующим уравнением:

где Q - количество отходящего газа в м³Н/час;
SO_x - концентрация SO_x в ppm (частей на миллион);
NO_x - концентрация NO_x в ppm (частей на миллион);
C_NH2 - концентрация вытекающего аммиака в ppm (частей на миллион);
- требуемый процент десульфуризации;
- требуемый процент денитрации.

Вода должна использоваться в количестве, которое, в конечном счете, требуется для регулирования температуры отходящего газа на выходе ректора в диапазоне температуры точки росы до не более чем 100^oC. В способе обработки, воплощенном в изобретении, отходящий газ, к которому добавлен аммиак, подвергается воздействию электронного луча с тем, чтобы SO_x преобразовывался в сульфат аммония и NO_x - в нитрат аммония, при этом тепло для повышения температуры обрабатываемого отходящего газа генерируется в результате реакций, выраженных следующими схемами:
SO₂ + 2NH₃ + H₂O + 1/2O₂ ---> (NH₄)₂SO₄ + 131,0 ккал/моль
SO₃ + 2NH₃ + H₂O ---> (NH₄)₂SO₄ + 107,5 ккал/моль
NO + NH₃ + 1/2H₂O + 3/4O₂ ---> NH₄NO₃ + 68,9 ккал/моль
Доза воздействия электронных лучей выбирается из соображений концентраций SO_x и NO_x в отходящем газе и требуемой степени их удаления.

Количество тепла, генерируемого электронным лучом в ккал, равно
масса отходящего газа в кг • поглощенная доза в kGy/4,1855,
где 4,1855 является механическим эквивалентом теплоты в кДж/ккал.

При обработке отходящих газов, полученных от сжигания топлив, таких как уголь, нефть, или полученных от спекания чугунов и сталей, вода, требуемая во всех случаях, должна использоваться в количествах, для которых приняты во внимание вышеупомянутые условия.

Количество воздуха, которое должно быть использовано, определяется различными факторами, как например, количеством разбрызгиваемой воды, требуемым размером водяных капель и давлением воды и воздуха, но, в конечном счете, находится в вышеупомянутом диапазоне отношения между водой и газовой смесью, т.е. 0,1 - 20 л/м³.

При обработке отходящего газа, содержащего окислы серы, сначала путем добавления аммиака и затем путем воздействия на газ электронным лучом с тем, чтобы удалить окислы серы из газа, предполагается, что реакция с аммиаком осуществляется одним из двух путей: SO₂ и SО₃, содержащиеся в отходящем газе, реагируют непосредственно с аммиаком согласно схемам (1) и (2), указанным ниже, или, альтернативно, SO₂ окисляется до SO₃ радикалами, такими как O^o и ОН^o, которые образуются под воздействием электронного луча, при этом полученный SO₃ затем реагирует с аммиаком согласно схеме (2). Как можно видеть из факта, что обе схемы реакций (1) и (2) включают NH₃ и H₂O в левой части уравнения, любая реакция будет развиваться спокойно и плавно при увеличении концентраций аммиака и воды, но с понижением температуры обрабатываемого отходящего газа:
SO₂ + 2NH₃ + H₂O + 1/2O₂ ---> (NH₄)₂SO₄ (1)
SO₃ + 2NH₃ + H₂O ---> (NH₄)₂SO₄ (2)
Сульфат аммония, с другой стороны, как предполагается, получается, когда SO₂ реагирует согласно схеме реакции (3), указанной ниже, с аммиаком и радикалом OH^o, который образуется под воздействием электронного луча. Правая часть уравнения (3) включает H₂O, поэтому можно видеть, что интересующая нас реакция замедляется при увеличении концентрации воды в отходящем газе, подлежащем обработке:
SO₂ + 2OH + 2NH₃ ---> NH₂SO₃NH₄ + H₂O (3)
В настоящем изобретении вода вбрызгивается после смешивания ее с уже готовой газовой смесью газообразного аммиака и воздуха, так что температура на поверхностях полученных мельчайших капель водного раствора аммиака становится намного ниже, чем температура окружающего газа, вследствие испарения воды, и влажность близка к насыщенному состоянию. Более того, водный раствор аммиака испаряется одновременно с водой на поверхностях этих капель аммиака, ускоряя реакцию схемы (1) или (2), чтобы она происходила с очень большой скоростью. С другой стороны, реакция по схеме (3) будет замедляться вследствие высокой концентрации воды.

В результате эффективная десульфуризация может быть обеспечена, даже если обрабатываемый отходящий газ имеет относительно высокую температуру и, более того, может быть подавлено образование сульфамата аммония.

При разбрызгивании смеси воды с газовой смесью аммиака и воздуха можно вбрызгивать заранее приготовленную газожидкостную смесь аммиака, воздуха и воды, но в этом случае трудно изменять количества инжектируемых воды и аммиака независимо друг от друга в соответствии с температурой подлежащего обработке отходящего газа и концентрацией окислов серы, присутствующих в газе, и возникает дополнительная проблема, заключающаяся в том, что для хранения аммиака в воде водного раствора требуется крупномасштабное оборудование.

Такие проблемы не возникают, если аммиак сначала смешивают с воздухом для того, чтобы полученную газовую смесь затем смешивать с водой в отделении (12) для смешивания газа с жидкостью сопла на две текучие среды перед окончательным вбрызгиванием в реактор.

При смешивании газообразного аммиака с воздухом двуокись углерода и вода в воздухе реагируют с аммиаком с образованием бикарбоната аммония или карбоната аммония, которые потенциально могут засорить трубопровод, по которому проходит смесь аммиака и воздуха. Эти соединения будут либо затвердевать или поглощать влагу с превращением в высоковязкую жидкость, которая будет налипать в трубопроводе и, в конечном счете, становится причиной засорения. В результате различных испытаний, проведенных авторами настоящего изобретения с использованием обычного воздуха, установлено, что проблема засорения трубопровода может быть исключена путем нагревания трубопровода, по которому проходит смесь аммиака и воздуха при температуре 60^oC и выше в течение периода времени от смешивания аммиака с воздухом до смешивания полученной газовой смеси с водой с образованием газожидкостной смеси. Для этой цели могут быть использованы пар, электрический нагреватель или любые другие пригодные источники тепла.

Давление газа (газовой смеси воздуха и газообразного аммиака) в сопле на две текучие среды обычно установлено порядка 1-10 кгП/см², предпочтительнее 3-5 кгП/см². Перед смешиванием газообразного аммиака с воздухом трубу для подачи аммиака желательно нагревать с помощью подходящего средства, такого как пар или электрический нагреватель, для гарантирования того, что аммиак, текущий через нее, не будет сжижаться при низкой температуре окружающего воздуха, а именно для поддержания аммиака в газообразном состоянии.

Степень нагревания трубы для подачи аммиака должна изменяться, как указано ниже, поскольку при более высоких давлениях аммиак имеет тенденцию к сжижению, даже если температура высокая:
Давление, кгП/см² - Температура, ^oC
1 - ≥около -35
3 - ≥около -10
5 - ≥около 3
10 - ≥около 23
С целью дополнительной иллюстрации изобретения приведены следующие примеры, никоим образом не ограничивающие изобретение.

Пример 1.

Эксперимент по обработке отходящего газа путем воздействия на него электронным лучом проводили в соответствии с технологической схемой способа изобретения, приведенной на фиг. 1, которая включает сначала приготовление газовой смеси газообразного аммиака и воздуха, затем смешивание ее с водой с образованием газожидкостной смеси и вбрызгивание последней в реактор.

Отходящий газ (12,500 м³/час) из бойлера 1, содержащий 800 ppm (частей на миллион) окислов серы и 200 ppm окислов азота охлаждали до 110^oC посредством подогревателя воздуха 2 и газового нагревателя 3, дополнительно охлаждали до 60^oC в градирне с разбрызгиванием воды 4 и направляли в реактор 5. На этапе разделения газообразный аммиак (20 м³/час), подаваемый из питателя аммиака 6, смешивали с воздухом (1000 м³/час) в магистральном смесителе 7; полученную газообразную смесь, которую пропускали через внутреннюю часть трубы, заключенной в кожух, смешивали с водой в газожидкостном смешивающем отделении сопла 8 на две текучие среды и полученную газожидкостную смесь вбрызгивали на входе в реактор 5 из наконечника 10 сопла через сердечник 11, в то время как на нее воздействовали потоком электронных лучей (12 KGy) из ускорителя электронных лучей 9. В эксперименте воду подавали в различных количествах от 50 до 200 кг/час для изменения температуры на выходе реактора 5, которая, как установлено, находится во взаимосвязи с эффективностью десульфуризации, как показано сплошной линией на фиг.4. Концентрация сульфамата аммония в побочном продукте сульфате аммония составляла 0,05%, что совсем не составило проблемы при использовании побочного продукта в качестве удобрения.

Сравнительный пример 1.

Газожидкостную смесь, используемую в Примере 1, содержащую газообразный аммиак, воздух и воду, заменяли только газообразным аммиаком и проводили эксперимент по обработке отходящего газа путем воздействия на него электронным лучом в соответствии с технологической схемой известного способа, показанной на Фиг.2.

Отходящий газ, полученный из бойлера 1, пропускали через подогреватель воздуха и нагреватель газа для обеспечения тех же условий температуры и концентраций, что и в Примере 1. Обработанный таким образом отходящий газ охлаждали в башенном холодильнике с разбрызгиванием воды 4. Количество воды, разбрызгиваемой в башне 4, изменяли для регулирования температуры воды на выходе реактора 5. Аммиак (20 м³/час), подаваемый из питателя аммиака 6, инжектировался в виде газа в реактор 5. Отходящий газ, введенный в реактор 5, подвергали воздействию потока электронных лучей (12 kGy) из ускорителя электронного луча 7. Взаимосвязь между температурой на выходе реактора и эффективностью десульфуризации показана на Фиг.4 пунктирной линией. Концентрация сульфата аммония в побочном продукте сульфате аммония составила 2,0% и была слишком высокой для обеспечения возможности непосредственного использования побочного продукта в качестве удобрения.

Пример 2.

Процедуру Примера 1 повторяли за исключением того, что температуру трубопровода от смешивания газообразного аммиака с воздухом до смешивания упомянутой газовой смеси с водой для образования газожидкостной смеси изменяли в точках 60, 70, 80 и 100^oC. Экспериментальная установка работала при каждой из этих температур в течение нескольких недель без каких-либо проблем засорения трубопровода.

Сравнительный пример 2.

Процедуру Примера 2 повторяли за исключением того, что температуру трубопровода от смешивания газообразного аммиака с воздуховодом до смешивания упомянутой газовой смеси с водой для образования газожидкостной смеси поддерживали при температуре 40^oC или нормальной температуре (около 20^oC). Трубопровод засорялся через несколько дней работы.

Согласно изобретению эффективная десульфуризация могла быть осуществлена, даже если температура обрабатываемого отходящего газа на выходе реактора была довольно высока, и при этом возможно снизить концентрацию сульфамата аммония в побочном продукте сульфата аммония.

Изобретение может быть использовано при очистке газов от оксидов серы и/или оксидов азота. Способ обработки отходящих газов, включающий добавление аммиака к отходящему газу, содержащему окислы серы (SO_x) и/или окислы азота (NO_x), и после этого воздействие на газ электронными лучами для того, чтобы удалить из него окислы серы и/или окислы азота, отличающийся тем, что сначала равномерно смешивают газообразный аммиак с воздухом, затем образуют гомогенную газожидкостную смесь из упомянутой газовой смеси и воды и вбрызгивают упомянутую смесь в реактор. Эффективная десулфуризация может быть реализована, даже, если температура обрабатываемого отходящего газа на выходе реактора довольно высока, при этом может быть понижена концентрация сульфата аммония в субпродукте сульфата аммония. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ обработки отходящего газа, включающий добавление аммиака к отходящему газу, содержащему окислы серы (SO_x) и/или окислы азота (NO_x), и после этого воздействие на газ электронным лучом для того, чтобы удалить окислы серы и/или азота из него, отличающийся тем, что сначала равномерно смешивают газообразный аммиак с воздухом, затем образуют гомогенную газожидкостную смесь из газовой смеси и воды и вбрызгивают гомогенную смесь в реактор. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение воды к газовой смеси газообразного аммиака и воздуха находится в диапазоне от 0,1 до 20 л/м³, количество аммиака в газовой смеси находится на уровне, необходимом для преобразования окислов серы и/или окислов азота в газовой смеси в сульфат аммония и/или нитрат аммония соответственно, и количество воды находится на уровне, необходимом для регулирования температуры отходящего газа на выходе реактора, в диапазоне температур от точки роста воды до не более 100^oC. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что температуру трубопровода, по которому проходит смесь аммиака и воздуха, поддерживают при 60^oC или выше в течение промежутка времени от смешивания газообразного аммиака с воздухом до смешивания полученной смеси с водой для образования газожидкостной смеси. 4. Устройство для обработки отходящего газа, содержащего окислы серы (SO_x) и/или окислы азота (NO_x), включающее реактор для обработки отходящего газа, питатель для подачи аммиака в отходящие газы в реакторе и ускоритель электронного луча, излучающий электронный луч в отходящие газы в реакторе, отличающееся тем, что реактор содержит сопло на две текучие среды, содержащее наконечник и отделение для смешивания газа с жидкостью, и магистральный смеситель, в котором сначала равномерно смешивают газообразный аммиак с воздухом с образованием газообразной смеси, затем в отделении для смешивания газа с жидкостью образуют гомогенную газожидкостную смесь упомянутой газовой смеси и воды и впрыскивают указанную газожидкостную смесь в отходящий газ в реакторе из наконечника сопла.