СПОСОБ СОКРАЩЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2019 года по МПК B01D47/10 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу модификации поверхностного заряда и сокращения количества аэрозольных частиц, образующихся в результате горения органических веществ, таких как шлам, биомасса, мусор, топливо от анаэробного сбраживания и твердое топливо.

Уровень техники

Аэрозольные частицы (АЧ) представляют собой множество очень мелких (твердых или жидких) частиц, которые диспергированы в атмосфере. Указанные частицы классифицируют на основании их характерных размеров: тонкие пыли, также называемые АЧ₁₀ включают все частицы, размеры которых не превышают 10 мкм в диаметре, и АЧ_2,5 включают все частицы с диаметром, не превышающим 2,5 мкм. Существуют также ультратонкие аэрозольные частицы (УАЧ) с диаметром менее 0,1 мкм, которые образуются, в основном, при горении отходов (АЧ_0,1).

Выделяются «первичные» аэрозольные частицы, которые выпускают в атмосферу непосредственно источники, такие как транспортные средства, промышленные установки, строительные площадки и устройства для сжигания органических материалов.

«Вторичные» частицы образуются в процессах химического превращения и конденсации первичных газообразных веществ, и их составляют, в основном, сульфаты и нитраты, образующиеся в реакциях продуктов превращения диоксида серы и оксидов азота с аммиаком, и органические вещества (так называемый «вторичный органический компонент»).

Как правило, «крупнодисперсная» фракция АЧ₁₀, имеющих размеры от 2,5 до 10 мкм, состоит, в основном, из первичных частиц, в то время как АЧ_2,5 представляют собой, главным образом, вторичные частицы.

В процессах горения образуются частицы, имеющие углеродсодержащую сердцевину, поверхность которой адсорбирует разнообразные несгоревшие вещества или продукты высокотемпературных реакций. Они включают сульфаты, нитраты, металлы, органические соединения, такие как углеводороды, и их производные. Размеры указанных частиц составляют широкий диапазон от нескольких нанометров до нескольких десятков микрометров. Что касается выхлопных газов автомобилей, аэрозольные частицы в выхлопных газах дизельных двигателей состоят, главным образом, из элементарного углерода, который адсорбирует органические вещества и следы соединений металлов, в то время как аэрозольные частицы в выхлопных газах бензиновых двигателей составляют, в основном, неорганические соединения, включающие соединения металлов, и небольшая органическая фракция.

Благодаря малым размерам частиц, мелкая пыль, особенно ее тонкодисперсная фракция, может проникать в более чувствительные части легких, т.е. альвеолы, и частично поступать в лимфатические и кровеносные сосуды.

Постоянное проникновение инородного вещества в альвеолы может повреждать слой клеток, обеспечивающих газообмен (прием кислорода и выделение диоксида углерода) и вызывать респираторные проблемы. Кроме того, указанные частицы являются токсичными и/или канцерогенными и могут приводить к серьезным заболеваниям с течением времени.

Опасную природу АЧ₁₀ и особенно АЧ_2,5 продемонстрировали многочисленные эпидемиологические исследования. По существу, АЧ_2,5 представляет собой сложную смесь тысяч химических соединений, и некоторые их них являются чрезвычайно токсичными. Указанные токсичные соединения, представляют собой, в частности, полициклические ароматические углеводороды, канцерогенная природа которых была надежно доказана.

Вредное воздействие АЧ₁₀ и АЧ_2,5 пропорционально их концентрации, и (как уже объявила Всемирная организация здравоохранения) невозможно определить уровень, ниже которого АЧ₁₀ или АЧ_2,5 больше не создают риска для здоровья. Это воздействие может быть острым в те дни, когда концентрация загрязняющих веществ повышается, усиливая, например, острые респираторные инфекции, приступы астмы, проблемы кровообращения и ишемию и ухудшая респираторные и сердечные проблемы людей, склонных к таким состояниям. С другой стороны, присутствие загрязняющих веществ в воздухе в течение продолжительного периода времени вызывает хроническое воздействие: стойкий кашель и катар, хронический бронхит или уменьшение жизненной емкости легких.

Таким образом, было бы желательным сокращение до минимального возможного уровня выбросов аэрозольных частиц, в частности, АЧ₁₀, АЧ_2,5 и АЧ_0,1 в связи с процессами, которые включают горение органического вещества.

В настоящем описании ниже особо отмечен способ модификации поверхностного заряда и сокращения числа аэрозольных частиц, образующихся в процессах горения шлама, биомассы, мусора, топлива от анаэробного сбраживания и твердого топлива, используемый в связи с установками для производства электрической и/или тепловой энергии из таких органических материалов, но этот способ можно также применять для сокращения числа аэрозольных частиц от процесса горения любого типа.

В связи с вышеупомянутыми процессами горения шлама и биомассы, для уменьшения выбросов аэрозольных частиц в атмосферу в настоящее время используют устройства, такие как циклоны, скрубберы, рукавные фильтры и электростатические пылеуловители.

Однако эффективность указанных устройств для сокращения числа аэрозольных частиц является не вполне удовлетворительной в отношении снижения уровней АЧ₁₀, АЧ_2,5 и АЧ_0,1 в выбросах.

Указанные традиционные технологии не учитывают гидрофобные и электростатические свойства, поскольку частицы заряжаются в условиях одинаковой полярности и, таким образом, отталкиваются друг от друга.

Международная патентная заявка № WO 00/30733 А1 описывает способ обработки выделяющегося при горении потока, содержащего оксиды азота, в котором выделяющийся при горении поток обрабатывают жидкой композицией очищающих веществ, включающей карбамид, воду и кислородсодержащее органическое соединение, в присутствии катализатора. В частности, такая очищающая композиция может включать от 30 до 70 мас. % воды, от 20 до 40 мас. % карбамида и от 1 до 40 мас. % кислородсодержащего органического соединения, который может представлять собой, например, пропиленгликоль.

Цель данного способа представляет собой сокращение выбросов NO₂, а не аэрозольных частиц, и его основу составляет применение карбамида и катализатора, в то время как применение кислородсодержащего органического соединения, как следует из примера 3, является необязательным.

Международная патентная заявка № WO 00/30733 А1 не описывает какое-либо устройство, подходящее для осуществления представленного в ней способа.

Патент США № US 3209519 относится к дегидратации влагосодержащего природного газа посредством абсорбции водяных паров жидким абсорбентом. В качестве жидких абсорбентов можно использовать растворы диэтиленгликоля и триэтиленгликоля, содержащие до 2% воды.

Патент США № US 691100 В1 описывает газовый скруббер для удаления аэрозольных частиц и нежелательных газов из газового потока, включающий контейнер 110 (фиг. 1), подходящий для введения газового потока в непосредственный контакт с текучей средой 113, которая может представлять собой воду или может содержать пропиленгликоль. Данный документ не описывает реактор, подходящий для введения газа, выходящего из вышеупомянутого контейнера, в непосредственный контакт с водой.

Международная заявка на патент № WO 00/56844 А1 описывает способ и устройство для высушивания природного газа, где природный газ, содержащий воду, поступает в турбулентный контактор 11 (фиг. 1), который может представлять собой трубку Вентури, куда также вводят триэтиленгликоль, чтобы абсорбировать воду, содержащуюся в газе, который затем поступает в газожидкостной сепаратор. Здесь не описан реактор, подходящий для введения газа, выходящего из вышеупомянутого контактора, в непосредственный контакт с водой.

Сущность изобретения

Таким образом, одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа модификации поверхностного заряда и сокращения содержания аэрозольных частиц в топочных газах, выделяющихся в течение процессов горения, который включает пропускание указанных топочных газов через реактор, в котором их вводят в непосредственный контакт со смешивающимся с водой жидким многоатомным спиртом или со смесью этого многоатомного спирта с водой.

Предпочтительно способ предусматривает последующую стадию пропускания топочных газов, выходящих из вышеупомянутого реактора, через дополнительный реактор, в котором вышеупомянутые газы вводят в непосредственный контакт с водой.

Предпочтительно способ согласно настоящему изобретению также включает стадию пропускания топочных газов, выходящих из вышеупомянутого реактора, через туманоуловитель (демистер) перед их введением в вышеупомянутый дополнительный реактор.

Предпочтительно вышеупомянутый реактор состоит из скруббера, в котором в качестве промывочной жидкости используют смешивающийся с водой жидкий многоатомный спирт или смесь вышеупомянутого многоатомного спирта и воды.

Предпочтительно вышеупомянутый дополнительный реактор состоит из скруббера, в котором в качестве промывочной жидкости используют воду.

Предпочтительно вышеупомянутый смешивающийся с водой жидкий многоатомный спирт представляет собой гликоль, и преимущественно он представляет собой пропиленгликоль или смесь пропиленгликоля и воды.

Предпочтительно вышеупомянутая смесь пропиленгликоля и воды содержит не более 60 мас. % воды и преимущественно от 5 до 20 мас. % воды по отношению к полной массе смеси.

Согласно одному своему аспекту, настоящее изобретение относится к установке для модификации поверхностного заряда и сокращения содержания аэрозольных частиц в топочных газах, выделяющихся в течение процессов горения, включающей реактор, подходящий для введения указанных топочных газов в непосредственный контакт со смешивающимся с водой жидким многоатомным спиртом или смесью вышеупомянутого многоатомного спирта и воды, и дополнительный реактор, подходящий для введения топочных газов, выходящих из вышеупомянутого реактора, в непосредственный контакт с водой.

Предпочтительно установка согласно настоящему изобретению также включает туманоуловитель, расположенный между вышеупомянутым реактором и вышеупомянутым дополнительным реактором.

Предпочтительно вышеупомянутый реактор состоит из скруббера, в котором в качестве промывочной жидкости используют смешивающийся с водой жидкий многоатомный спирт или смесь вышеупомянутого многоатомного спирта и воды.

Предпочтительно вышеупомянутый дополнительный реактор состоит из скруббера, в котором используют воду в качестве промывочной жидкости.

Вышеупомянутые скрубберы могут представлять собой скрубберы Вентури, инерциальные скрубберы, скрубберы, которые описаны в европейской патентной заявке № ЕР 0749772, или их сочетание.

Согласно своему следующему аспекту, настоящее изобретение относится к применению смешивающегося с водой жидкого многоатомного спирта или смеси этого многоатомного спирта с водой в качестве промывочной жидкости в скруббере.

Предпочтительно данный многоатомный спирт представляет собой гликоль, и преимущественно он представляет собой пропиленгликоль или смесь пропиленгликоля и воды.

Предпочтительно данная смесь пропиленгликоля и воды содержит не более чем 60 мас. % воды по отношению к полной массе смеси, и целесообразной является смесь, содержащая от 5 до 20 мас. % воды по отношению к полной массе смеси.

Неожиданно было обнаружено, что применение смешивающегося с водой жидкого многоатомного спирта или смеси вышеупомянутого многоатомного спирта и воды и, в частности, пропиленгликоля или смеси пропиленгликоля и воды, в частности, смеси, содержащей пропиленгликоль и не более 60 мас. % воды, в качестве промывочной жидкости внутри скруббера, через который пропускают топочные газы, образующиеся в процессах горения, приводит к почти полному устранению аэрозольных частиц с доведением практически до нуля содержания АЧ₁₀ и АЧ_2,5 и значительным сокращением содержания АЧ_0,1 в топочных газах, выходящих из данного скруббера.

Последующее пропускание через второй скруббер, в котором воду используют в качестве промывочной жидкости, обеспечивает устранение пропиленгликоля или другого смешивающегося с водой жидкого многоатомного спирта, присутствующего в аэрозольной форме в топочных газах, выходящих из первого скруббера, и охлаждение топочных газов перед их выпуском в атмосферу.

Пропускание при необходимости через туманоуловитель топочных газов, выходящих из первого скруббера, выполняет функцию достижения первоначального устранения аэрозоля пропиленгликоля или другого многоатомного спирта, содержащегося в топочных газах, перед их введением во второй скруббер.

Не придерживаясь какой-либо конкретной теории, можно считать, что неожиданное сокращение содержания аэрозольных частиц, достигаемое посредством использования смешивающегося с водой жидкий многоатомного спирта, в частности, пропиленгликоля, или его смеси с водой в качестве промывочной жидкости внутри первого скруббера может быть обусловлено сродством многоатомного спирта, в частности, пропиленгликоля, к липофильным органическим соединениям (например, полициклическим ароматическим углеводородам), адсорбированным на углеродсодержащих частицах, из которых состоят аэрозольные частицы, образующиеся в процессах горения. Поскольку жидкий многоатомный спирт, например, пропиленгликоль, также растворяется в воде, последующее пропускание топочных газов, которые выходят из первого скруббера и содержат аэрозоль пропиленгликоля или другого смешивающегося с водой жидкого многоатомного спирта, через второй водяной скруббер обеспечивает устранение пропиленгликоля (или другого смешивающегося с водой жидкого многоатомного спирта), который образует аэрозоль, перед выпуском топочных газов в атмосферу.

Что касается смешивающегося с водой жидкого многоатомного спирта, который является особенно предпочтительным для целей настоящего изобретения, а именно, пропиленгликоля, следует отметить, что данное соединение имеет достаточно высокую температуру кипения (188,2°С) для полностью безопасного применения в обработке топочных газов.

Топочные газы, обрабатываемые на впуске скруббера с использованием пропиленгликоля, должны иметь менее высокую температуру, чем температура кипения последнего.

Кроме того, пропиленгликоль представляет собой вещество, которое является совершенно безопасным с токсикологической точки зрения, поскольку его отличает абсолютное отсутствие канцерогенных и генотоксических эффектов.

По этой причине его в настоящее время используют в фармацевтической, пищевой и косметической промышленности (экспертная группа по обзорной проверке косметических ингредиентов (ПКИ) считает пропиленгликоль безопасным для косметического применения в концентрации вплоть до 50%).

Таким образом, способ согласно настоящему изобретению позволяет удалять аэрозольные частицы, присутствующие в топочных газах, производимых в процессах горения, в полностью безопасных условиях для обслуживающего персонала и при полной защите окружающей среды.

Далее настоящее изобретение будет описано в отношении его варианта реализации, представленного исключительно в качестве неограничительного примера, а также со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет в полностью схематической форме установку для осуществления способа согласно варианту реализации настоящего изобретения.

Фиг. 2 представляет схематическое поперечное сечение скруббера, который может быть использован в способе согласно настоящему изобретению.

Подробное описание предпочтительного варианта реализации

Фиг. 1 представляет в полностью схематической форме установку для осуществления способа согласно настоящего изобретения, которая включает реактор 1, обычно состоящий из скруббера, туманоуловитель 2 и дополнительный реактор 3, также обычно состоящий из скруббера.

Как показано на данном чертеже, способ согласно настоящему изобретению предусматривает введение топочных газов, производимых в процессе горения, в реактор 1. Внутри реактора 1 топочные газы вступают в непосредственный контакт с потоком жидкости, состоящей из смешивающегося с водой многоатомного спирта, в частности, гликоля и предпочтительно пропиленгликоля, или смеси этого многоатомного спирта с водой, предпочтительно смеси пропиленгликоля и воды, которая удаляет из указанных топочных газов содержащиеся в них твердые частицы. Жидкий поток, выходящий из реактора 1, выводят на стадию очистки (посредством фильтрования или центрифугирования), и после очистки его можно повторно вводить в реактор 1.

Топочные газы, выходящие из реактора 1, направляют в туманоуловитель 2, который может, например, относиться к типу решетки или металлического поддона, чтобы удалять многоатомный спирт, в частности, пропиленгликоль, который увлекают в форме аэрозоля топочные газы, выходящие из реактора 1.

Топочные газы, выходящие из туманоуловителя 2, затем направляют в дополнительный реактор 3, где они вступают в контакт с потоком воды, которая экстрагирует из топочных газов остаточные капли многоатомного спирта, например, пропиленгликоля, которые не были удалены внутри туманоуловителя 2. Таким образом, реактор 3 выпускает поток воды, содержащей в растворенной форме вышеупомянутый многоатомный спирт, например, пропиленгликоль, не удаленный внутри туманоуловителя 2, и поток топочных газов, практически очищенных от аэрозольных частиц, при температуре, которая является подходящей для непосредственного выпуска в атмосферу.

Воду, выходящую из реактора 3, направляют на подходящие стадии для очистки (посредством мембранных фильтров) и, таким образом, освобождают от многоатомного спирта, например, пропиленгликоля, и остаточных аэрозольных частиц.

Реакторы 1 и 3, как указано выше, обычно представляют собой скрубберы, причем могут присутствовать традиционные скрубберы Вентури или инерциальные скрубберы или такие скрубберы, которые описаны в европейской патентной заявке № ЕР 0749772 и схематически проиллюстрированы на фиг. 2. Вышеупомянутый скруббер включает:

- трубчатый корпус 11 с цилиндрической внутренней стенкой, который оборудован охлаждающей рубашкой 14, закрывается с противоположных концов торцевыми пластинами 12, 13 и имеет впускное отверстие 15 для приема топочных газов и по меньшей мере одно выпускное отверстие 16;

- коаксиальный вал 17, проходящий в продольном направлении и имеющий возможность вращения на опоре внутри трубчатого корпуса 11;

- по меньшей мере одну группу лопастей 18, фиксированных в радиальном направлении на вышеупомянутом валу 17;

- по меньшей мере один вращающийся корпус 19, имеющий полностью коническую форму и фиксированный на вышеупомянутом валу 17 коаксиально с ним, причем основание данного корпуса обращено к выпускному отверстию и имеет диаметр, приблизительно равный диаметру внутренней стенки цилиндрического трубчатого корпуса 11, с которой оно образует кольцевой канал;

- устройство 10 для впуска жидкости в трубчатый корпус 11 выше по потоку относительно по меньшей мере одного вышеупомянутого вращающегося корпуса с полностью конической формой, и

- необязательно одно или несколько сопел 20 на внутренней стенке цилиндрического трубчатого корпуса 11, для подачи распыленной жидкости.

С применением такого устройства в представленном ниже примере способ согласно настоящему изобретению был использован в отношении топочных газов из установки, производящей электроэнергию посредством сжигания биомассы.

ПРИМЕР

Топочные газы из установки для производства электроэнергии посредством сжигания биомассы (лигнифицированный материал/сельскохозяйственные и промышленные отходы) непрерывно поступали в скруббер Вентури 1, в котором использовали пропиленгликоль в качестве промывочной жидкости.

Поток топочных газов, которые подвергали промыванию пропиленгликолем, и поток пропиленгликоля, непрерывно выпускали из скруббера 1. Топочные газы, выходящие из скруббера 1, непрерывно направляли в туманоуловитель 2 типа решетки для удаления основной части пропиленгликоля, увлекаемого в форме аэрозоля топочными газами.

Поток топочных газов и поток пропиленгликоля непрерывно выпускали из туманоуловителя. Пропиленгликоль объединяли с пропиленгликолем, выходящим из скруббера 1, и направляли на стадию очистки путем центрифугирования.

Топочные газы, выходящие из туманоуловителя, направляли в скруббер Вентури 3, в котором воду использовали в качестве промывочной жидкости.

Поток воды, содержащей остаточный пропиленгликоль, не удаленный туманоуловителем, и поток топочных газов, практически очищенных от аэрозольных частиц, непрерывно выпускали из скруббера 3.

В частности, измеренное содержание АЧ₁₀ в указанных топочных газах составляло менее чем 0,2 мкг/м³, а измеренное содержание АЧ_2,5 составляло менее чем 0,1 мкг/м³ (содержание АЧ_0,1 составляло менее 0,05 мкг/м³).

Воду, выпускаемую из скруббера 3, направляли на мембранный фильтр для очистки воды.

Изобретение относится к способу сокращения количества аэрозольных частиц. Способ сокращения содержания аэрозольных частиц, содержащихся в топочных газах, выделяющихся в ходе процессов горения, включающий: пропускание указанных топочных газов через реактор, в котором указанные газы приводят в непосредственный контакт со смешивающимся с водой жидким многоатомным спиртом или со смесью указанного многоатомного спирта и воды, пропускание указанных топочных газов, выходящих из указанного реактора, через туманоуловитель перед введением указанных топочных газов в дополнительный реактор, пропускание указанных топочных газов через указанный дополнительный реактор, в котором указанные топочные газы приводят в непосредственный контакт с водой. Технический результат – сокращение количества аэрозольных частиц. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ сокращения содержания аэрозольных частиц, содержащихся в топочных газах, выделяющихся в ходе процессов горения, включающий:

пропускание указанных топочных газов через реактор (1), в котором указанные газы приводят в непосредственный контакт со смешивающимся с водой жидким многоатомным спиртом или со смесью указанного многоатомного спирта и воды, пропускание указанных топочных газов, выходящих из указанного реактора (1), через туманоуловитель (2) перед введением указанных топочных газов в дополнительный реактор (3), пропускание указанных топочных газов через указанный дополнительный реактор (3), в котором указанные топочные газы приводят в непосредственный контакт с водой.

2. Способ по п. 1, в котором указанный смешивающийся с водой жидкий многоатомный спирт представляет собой гликоль, предпочтительно пропиленгликоль.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором указанный реактор (1) представляет собой скруббер, предпочтительно скруббер Вентури или инерциальный скруббер.

4. Способ по п. 1 или 2, в котором указанный дополнительный реактор (2) представляет собой скруббер, предпочтительно скруббер Вентури или инерциальный скруббер.

5. Установка для сокращения содержания аэрозольных частиц, содержащихся в топочных газах, выделяющихся в ходе процессов горения, содержащая реактор (1) для приведения указанных топочных газов в непосредственный контакт со смешивающимся с водой жидким многоатомным спиртом или смесью указанного многоатомного спирта и воды, дополнительный реактор (3) для приведения топочных газов, выходящих из указанного реактора (1), в непосредственный контакт с водой и туманоуловитель (2), расположенный между указанным реактором (1) и указанным дополнительным реактором (3).

6. Установка по п. 5, в которой указанный реактор (1) и указанный дополнительный реактор (3) состоят из скрубберов.

7. Установка по п. 6, в которой указанные скрубберы состоят из скрубберов Вентури, или инерциальных скрубберов, или скрубберов, включающих:

- трубчатый корпус (11), имеющий цилиндрическую внутреннюю стенку (11a), причем трубчатый корпус оборудован охлаждающей рубашкой (14), закрывается на своих противоположных концах торцевыми пластинами (12, 13) и имеет по меньшей мере одно впускное отверстие (15) для приема топочных газов и по меньшей мере одно выпускное отверстие (16),

- коаксиальный вал (17), проходящий в продольном направлении и имеющий возможность вращения на опоре внутри трубчатого корпуса (11),

- по меньшей мере одну группу лопастей (18), фиксированных в радиальном направлении на вышеупомянутом валу (17),

- по меньшей мере один вращающийся корпус (19), имеющий полностью коническую форму и фиксированный на указанном валу (17) коаксиально с ним, причем основание корпуса обращено к выпускному отверстию и имеет диаметр, приблизительно равный диаметру внутренней стенки цилиндрического трубчатого корпуса (11), с которой оно образует кольцевой канал,

- устройство (10) для впуска жидкости в трубчатый корпус (11) выше по потоку относительно по меньшей мере одного вращающегося корпуса (19) с полностью конической формой и

- необязательно одно или несколько сопел (20) на внутренней стенке цилиндрического трубчатого корпуса (11) для подачи распыленной жидкости.