СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ КИСЛОГО КОНДЕНСАТА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ Российский патент 2010 года по МПК B01D53/56 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в процессах очистки дымовых газов от вредных примесей, а именно при очистке дымовых газов теплогенераторов, работающих на бессернистом топливе (природном газе) от оксидов азота, с утилизацией их в форме азотной кислоты.

Известен способ для удаления оксидов азота из дымовых газов, в котором дымовые газы охлаждают до температуры ниже точки росы с конденсацией водяных паров в трубчатом теплообменнике, смешивают с воздухом, содержащим озон для нейтрализации кислотных компонентов и отводят образовавшийся кислый конденсат и очищенные дымовые газы, который осуществляется в устройстве, представляющем собой часть газохода (зону обработки), с размещенными в нем теплообменной и абсорбционной секциями, представляющими собой трубчатые теплообменники с поддоном [1].

Основным недостатком известного способа и устройства является отсутствие технологии и оборудования для утилизации уловленных вредных примесей в кислом конденсате, что снижает его экономическую и экологическую эффективность.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ очистки дымовых газов, утилизации тепла и уловленных компонентов, проводимый в зоне обработки дымовых газов, который заключается в охлаждении дымовых газов до температуры ниже температуры точки росы, конденсации водяных паров и окислении оксидов азота (NO), находящихся в дымовых газах, до диоксидов (NO₂) и абсорбцию диоксидов азота насыщенным конденсатом с образованием кислого конденсата (раствора разбавленной азотной кислоты - HNO₃), который далее поступает на очистку, где очищается от кислотных компонентов на анионите, с получением в процессе регенерации разбавленного солевого раствора NaNO₃.

Известный способ реализуется в устройстве, состоящем из зоны обработки дымовых газов, соединенной по кислому конденсату с анионитовым фильтром, представляющим собой цилиндрический короб с коническим поддоном, заполненный анионитом (насадкой) [2].

Основными недостатками известного способа являются сложность утилизации полученного солевого раствора NaNO₃ ввиду его малой концентрации и невозможность очистки кислого конденсата с выделением товарной азотной кислоты, что снижает его экономическую и экологическую эффективность.

Основным недостатком известного устройства является невозможность выделения в нем из кислого конденсата товарной азотной кислоты, что также снижает его экономическую и экологическую эффективность.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение экономической и экологической эффективности очистки кислого конденсата дымовых газов с получением из него азотной кислоты.

Технический результат достигается тем, что способ утилизации кислого конденсата дымовых газов с получением азотной кислоты включает в себя непрерывную подачу кислого конденсата из зоны обработки дымовых газов в холодный сектор в ячейки, заполненные насадкой вращающегося ротора утилизатора, работающий в холодном режиме, где осуществляется непрерывное вымораживание воды из кислого конденсата потоком холодного воздуха при температуре ниже нуля и выше температуры кристаллизации комплекса HNO₃·3H₂O на поверхности насадки, отделение раствора 50-53%-ной азотной кислоты (HNO₃·3Н₂О) и вывода его из утилизатора в виде жидкости, причем поток нагретого воздуха с температурой 10-15°С добавляют в дутьевой воздух перед подачей его в зону обработки на охлаждение дымовых газов, очищенные дымовые газы из зоны обработки одновременно и непрерывно подают в горячий сектор утилизатора, работающий в горячем режиме, где происходит размораживание льда в процессе регенерации потоком очищенных дымовых газов на поверхности насадки, в котором они охлаждаются, дополнительно очищаясь от оставшихся оксидов азота при контакте с талой водой, освобождаются от капель воды на каплеотбойнике и выводятся из утилизатора в атмосферу, а размороженная вода выводится из поддона горячего сектора утилизатора.

Технический результат достигается также тем, что устройство для утилизации кислого конденсата дымовых газов с получением азотной кислоты (роторный утилизатор) включает цилиндрический короб, жестко соединенный с секторной плитой, делящей его на холодный и горячий секторы, в котором помещен ротор с радиальными ячейками, заполненными насадкой, изготовленной из кислотостойкого материала с развитой поверхностью, причем над первой ячейкой холодного сектора по ходу вращения ротора помещен распределитель кислого конденсата, выполненный в виде перфорированного патрубка, холодный и горячий секторы короба сверху соединены с патрубками выхода нагретого воздуха и входа дымовых газов, а снизу - с расширителями, каплеотбойником и патрубками входа холодного воздуха и выхода охлажденных дымовых газов, соответственно.

Устройство (роторный утилизатор) для реализации предлагаемого способа утилизации кислого конденсата с получением азотной кислоты приведено на фиг.1, 2.

Предлагаемый роторный утилизатор включает короб 1, жестко соединенный с секторной плитой 2, делящей его на холодный и горячий секторы 3 и 4, соответственно, в котором помещен ротор 5 с радиальными ячейками 6, заполненными насадкой 7, изготовленной из кислотостойкого материала с развитой поверхностью, причем над первой ячейкой холодного сектора 3 по ходу вращения ротора 5 помещен распределитель кислого конденсата 8, выполненный в виде перфорированного патрубка, холодный и горячий секторы 3 и 4 сверху соединены с патрубками выхода воздуха и входа дымовых газов 9 и 10, а снизу с расширителем 11 и расширителем 12, снабженным каплеотбойником 13, соединенными с патрубками входа холодного воздуха и выхода охлажденных дымовых газов 14 и 15, соответственно.

В основу получения азотной кислоты при очистке дымовых газов, получаемых при сжигании природного газа, положен их состав, в котором отсутствуют оксиды серы (SO_x) (природный газ предварительно очищают от серосодержащих компонентов), и основным вредным компонентом являются оксиды азота (NO_x), возникающие в процессе горения и количество которых определяется режимом горения [3], возможность их быстрого окисления и поглощения конденсатом водяных паров в присутствии озона с образованием раствора сильно разбавленной азотной кислоты (кислого конденсата) [2], а также температура замерзания чистой азотной кислоты и ее комплексов с водой, которая значительно ниже температуры замерзания воды (температура плавления, t_пл чистой HNO₃ равна - 42,0°С; t_пл H₂O·HNO₃ равна - 38°С; t_пл H₂O·3HNO₃ равна - 18,47°С) [5, с.793].

Предлагаемый способ утилизации кислого конденсата дымовых газов с получением азотной кислоты осуществляется в предлагаемом роторном утилизаторе следующим образом. Кислый конденсат (раствор разбавленной азотной кислоты с концентрацией около 1 вес.%) из зоны обработки дымовых газов через распределитель 8 поступает в холодный сектор 3 на насадку 7 ячеек 6, вращающегося ротора 2 (привод ротора 2 на фиг.1, 2 не показан) роторного утилизатора, работающую в холодном режиме, на поверхности которой он контактирует с поднимающимся снизу потоком холодного воздуха с температурой ((-5)-(-15))°С, поступающим в холодный сектор через патрубок 14 и расширитель 11. В холодном секторе 3, в результате многократного противоточного контакта кислого конденсата на поверхности насадки 7, вращающихся с ротором 5 радиальных ячеек 6, стекающего сверху вниз под действием силы тяжести, с потоком холодного воздуха, происходит охлаждение конденсата от температуры (50-60)°С до 0°С и ниже, сопровождаемое образованием льда из воды, который остается на поверхности насадки 7, оставшаяся незамерзшая часть кислого конденсата, представляющая собой смесь гидратных комплексов азотной кислоты (Н₂О·HNO₃ и Н₂О·3HNO₃), стекает в поддон расширителя 11 холодного сектора 3, откуда его направляют в емкость для хранения азотной кислоты (на фиг.1, 2 не показана), а ячейки 6 с насадкой 7, покрытой льдом, поступают в горячий сектор 4. Уходящий поток нагретого воздуха нагревается до температуры (10-15)°С и через патрубок 9 добавляется в дутьевой воздух перед подачей его в зону обработки на охлаждение дымовых газов. Время работы ячейки 6 в холодном режиме, соответственно, скорость вращения ротора 5, определяются временем замерзания конденсата и концентрацией получаемой азотной кислоты, которую предварительно находят опытным путем (максимальная концентрация по Н₂О·3HNO₃ - 53 вес.%). Параллельно описанному процессу выделения азотной кислоты из кислого конденсата, в холодном секторе 3 утилизатора, работающим в холодном режиме, очищенные дымовые газы из зоны обработки через патрубок 10 подают в ячейки 6, находящиеся в данный момент в горячем секторе 4, работающем в горячем режиме (регенерации), поверхность насадки 7 которых покрыта льдом, который в результате многократного контакта с горячими дымовыми газами тает, талая вода стекает в поддон расширителя 12, откуда ее направляют в сборник конденсата (на фиг.1, 2 не показан), после чего ячейки 6 с очищенной от льда насадкой 7, снова поступают в холодный сектор 3. Охлажденные дымовые газы в результате многократного контакта со льдом, дополнительно очищаются от оставшихся оксидов азота, при их взаимодействии с талой водой и, освобождаясь от капель конденсата на каплеотбойнике 13 и через патрубок 6, газоход и дымовую трубу (на фиг.1, 2 не показаны) выводятся в атмосферу, после чего цикл повторяется. При этом, для охлаждения холодного сектора 3 в зимнее время используется наружный воздух, а при наружной температуре выше -5°С воздух охлаждают в холодильной установке, холодопроизводительность которой определяют по максимальной летней температуре пятидневки и производительности утилизатора.

Так как холодный воздух подается в холодный сектор 3 роторного утилизатора специальным вентилятором (на фиг.1, 2 не показан) при избыточном давлении, которое превышает давление дымовых газов в горячем секторе 4 (газовый тракт большинства котельных установок находится под разрежением) [4, с.438], то поступление горячих дымовых газов в холодный сектор 3 исключено, что обеспечивает надежный режим охлаждения конденсата до требуемой температуры и последующего его замораживания. Переток воздуха из холодного сектора 3 в горячий сектор 4 зависит от качества радиальных уплотнений, обеспечиваемых секторной плитой 2, жестко прикрепленной к коробу 1, и периферийных уплотнений, размещенных по периметру короба 1 (на фиг.1, 2 не показаны) и составляет 10-20% от расчетного количества холодного воздуха [4, с.280], поэтому для нормальной работы роторного утилизатора обеспечивают повышенный расход холодного воздуха (требуемый расход холодного воздуха находят опытным путем).

Экономическая и экологическая эффективность предлагаемого изобретения подтверждается следующим примером.

При конденсации водяных паров дымовых газов в зоне обработки выделяется тепло в количестве 10,764 ккал/моль (2630 кДж/кг), тогда как расход холода на замерзание воды кислого конденсата в предлагаемом способе утилизации кислого конденсата равен 1,4363 ккал/моль (348 кДж/кг) [5, с.793], т.е. количество утилизированной энергии в 7,5 раз превышает энергию, затраченную на получение холода для охлаждения воздуха в теплое время года (в холодное время холодильная установка не используется). Кроме того, при снижении концентрации оксидов азота в дымовых газах, например, от 0,35 г/м³ до 0,1 г/м³ конденсатом водяных паров поглощается 0,25 г/м³ NO_x, состоящих на (95-99)% из NO [3], молекулярная масса которых и, соответственно, вес после их окисления до NO₂ и поглощения водой увеличивается до 0,5 г/м³. Из расчета и справочных данных видно: при сжигании природного газа и коэффициенте избытка воздуха в уходящих газах α_yx=1,33 средний расход дымовых газов на единицу мощности котла (1 мВт) составляет приблизительно 1500 м³/ч [6, с.20], откуда получается, что удельное количество получаемой HNO₃ (в пересчете на 100%-ную концентрацию) составит 0,5 кг/ч или 1 кг 50%-ной азотной кислоты на 1 мВт установленной мощности котла. При работе котла, оснащенного предлагаемой установкой, 8000 часов в год получаем, что 1 мВт установленной мощности теплогенератора обеспечивает получение 8 т 50%-ной азотной кислоты в год. Соответственно, средняя ТЭС мощностью 1000 мВт, работающая на природном газе, при относительно небольших затратах на оборудование предлагаемой установкой очистки обеспечит, наряду с очисткой дымовых газов от оксидов азота и улучшением экологических характеристик окружающей атмосферы в месте своего расположения, получение практически бесплатной азотной кислоты в количестве 8000 т/год, что позволяет окупить все расходы на очистку и получить дополнительную прибыль от ее реализации. Кроме того, попутное получение азотной кислоты хотя бы на нескольких ТЭС позволит сократить производство азотной кислоты на специализированных предприятиях, являющихся крупнейшими загрязнителями окружающей среды и дополнительно (в масштабе региона или страны) снизить выбросы вредных веществ в окружающую среду.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет совместить процесс очистки дымовых газов от оксидов азота с выделением из продуктов очистки азотной кислоты, получение которой на специализированных предприятиях сопряжено со значительными энергетическими и экономическим затратами и высокой экологической опасностью для окружающей среды, что, в целом, повышает экономическую и экологическую эффективность процесса очистки дымовых газов и работы теплогенерирующей установки.

Источники информации

1. Патент РФ № 2161528, МКл.⁴ B01D 53/00, 2001.

2. Патент РФ № 2186612, МКл.⁴ B01D 53/60, 2002.

3. Зельдович Я.Б. окисление азота при горении. М.; Л.: АН СССР, 1947. 147 с.

4.Делягин Г.Н. и др. Теплогенерирующие установки. М. Стройиздат, 1986, с.560.

5. Справочник химика, т.I. - Л.: Химия, 1965, 1006 с.

6. Роддатис К.Ф., Соколовский Я.Б. Справочник по котельным установкам малой производительности. - М.: Энергия, 1975, 368 с.

Изобретение может быть использовано в теплоэнергетике. Кислый конденсат из зоны обработки дымовых газов подают в холодный сектор 3 непрерывно вращающегося роторного утилизатора, в котором осуществляется вымораживание воды из кислого конденсата и отделение раствора азотной кислоты (HNO₃·3Н₂О). Параллельно из зоны обработки подают очищенные дымовые газы в горячий сектор 4 утилизатора, где происходит размораживание льда. Устройство включает цилиндрический короб 1, снабженный секторной плитой 2, патрубками входа 14 и выхода 9 воздуха, патрубками входа 10 и выхода 15 дымовых газов, расширителями 11, 12, каплеотбойником 13. В коробе 1 помещен ротор 2 с радиальными ячейками 6, заполненными насадкой 7. Над первой ячейкой холодного сектора 3 по ходу вращения ротора помещен пефорированный патрубок 8 распределителя кислого конденсата. Технический результат - повышение экономической и экологической эффективности очистки кислого конденсата дымовых газов с получением азотной кислоты. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ утилизации кислого конденсата дымовых газов с получением азотной кислоты, включающий подачу кислого конденсата из зоны обработки дымовых газов на очистку от кислотных компонентов, отличающийся тем, что кислый конденсат из зоны обработки дымовых газов непрерывно подают в ячейки холодного сектора вращающегося ротора утилизатора, работающего в холодном режиме, где осуществляют непрерывное вымораживание воды из кислого конденсата потоком холодного воздуха при температуре ниже нуля и выше температуры кристаллизации комплекса HNO₃·3H₂O на поверхности насадки, отделение раствора 50-53%-ной азотной кислоты (HNO₃·3H₂O) и вывод его из утилизатора; очищенные дымовые газы из зоны обработки одновременно и непрерывно подают в ячейки горячего сектора утилизатора, работающего в горячем режиме, где происходит размораживание льда в процессе регенерации на поверхности насадки, в котором их охлаждают, дополнительно очищают от оставшихся оксидов азота при контакте с талой водой, освобождают от капель воды на каплеотбойнике и выводят из утилизатора в атмосферу, а размороженную воду выводят из поддона горячего сектора утилизатора.

2. Устройство для утилизации кислого конденсата дымовых газов с получением азотной кислоты, включающее цилиндрический короб с поддоном, отличающееся тем, что цилиндрический короб снабжен секторной плитой, делящей его на холодный и горячий секторы, в котором помещен ротор с радиальными ячейками, заполненными насадкой, изготовленной из кислотостойкого материала с развитой поверхностью, причем над первой ячейкой холодного сектора по ходу вращения ротора помещен распределитель кислого конденсата, холодный и горячий секторы короба сверху соединены патрубками выхода нагретого воздуха и входа дымовых газов, а снизу - с расширителями, каплеотбойником и патрубками входа холодного воздуха и выхода охлажденных дымовых газов, соответственно.