Аппарат для мокрой сероочистки дымовых газов Российский патент 2021 года по МПК B01D53/14 B01D53/50 C01B17/16 

Область техники

Изобретение относится к контактным массообменным, реакционным и сепарационным аппаратам для очистки дымовых и промышленных газов, содержащих неорганические компоненты, образующие кислые водные растворы, органические вещества и пыль.

Уровень техники

Массообменные, реакционные и сепарационные аппараты широко используются для удаления кислотных составляющих из дымовых газов, производимых коммунальными и промышленными предприятиями. Часто особую озабоченность вызывают диоксид серы (SO₂) и другие кислотные газы, образующиеся в результате сжигания ископаемого топлива, твердых отходов нефтепродуктов и в результате различных промышленных операций. Известно, что эти газы опасны для окружающей среды, и их выбросы в атмосферу строго регламентируются законами о выбросах. Метод, за счет которого эти газы удаляются с помощью газожидкостного абсорбционного взаимодействия с поглотителем, обычно называют мокрой сероочисткой дымовых газов. При проведении процессов сероочистки дымовых и промышленных газов необходимо обеспечить как можно более низкий уровень проскока свободного аммиака и солевых аэрозолей, так как пары аммиака из аммиачно-сульфатных растворов, воды и диоксида серы могут реагировать в газовой фазе и сублимироваться до твердых трудноулавливаемых солевых аэрозолей.

Из уровня техники известен принятый в качестве прототипа заявляемого изобретения аппарат для мокрой сероочистки дымовых газов от вредных газообразных примесей и мелкодисперсных твердых частиц, содержащий вертикальный корпус с установленным в верхней части устройством для орошения дымовых газов жидким абсорбентом и с емкостью в нижней части для его сбора, а также с боковым патрубком для подвода очищаемых газов, расположенным в нижней части корпуса над указанной емкостью в направлении сверху вниз под острым углом к вертикали, при этом внутри бокового патрубка в его продольном направлении установлен по меньшей мере один жидкостно-газовый инжектор, подключенный по напорной стороне с помощью циркуляционного насоса к емкости для сбора жидкого абсорбента (RU 114871 U1, опубл. 20.04.2012 г. (далее - [1])).

Недостатками известного из [1] аппарата для мокрой сероочистки дымовых газов от вредных газообразных примесей и мелкодисперсных твердых частиц являются:

- относительно низкая производительность, вызванная невысокими скоростями по газовой фазе в свободном сечении аппарата в области провальной тарелки;

- высокий расход жидкого абсорбента в связи с недостаточно интенсивным массообменом между ним и абсорбируемыми веществами очищаемого газа;

- отсутствие возможности обеспечения удаления диоксида серы из очищаемых дымовых газов с как можно более низким уровнем проскока свободного аммиака и солевых аэрозолей.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности мокрой сероочистки дымовых газов и уменьшение расхода жидкого абсорбента, а техническими результатами - повышение производительности процесса мокрой сероочистки дымовых газов, повышение интенсивности массообмена между жидким абсорбентом и абсорбируемыми веществами очищаемых дымовых газов и обеспечение возможности удаления диоксида серы из очищаемых дымовых газов с как можно более низким уровнем проскока свободного аммиака и солевых аэрозолей.

Решение указанной задачи путем достижения указанных технических результатов, обеспечивается тем, что аппарат для мокрой сероочистки дымовых газов от вредных газообразных примесей и мелкодисперсных твердых частиц, содержит вертикальный корпус с установленным в верхней части устройством для орошения дымовых газов жидким абсорбентом и с емкостью в нижней части для его сбора, а также с боковым патрубком для подвода дымовых газов, расположенным в нижней части корпуса над указанной емкостью в направлении сверху вниз под острым углом к вертикали, внутри которого в его продольном направлении установлен по меньшей мере один жидкостно-газовый инжектор, подключенный по напорной стороне с помощью циркуляционного насоса к емкости для сбора жидкого абсорбента. При этом внутри емкости для сбора жидкого абсорбента, расположенной в нижней части вертикального корпуса, установлены по меньшей мере два жидкостно-газовых инжектора, подключенных по первой напорной стороне к источнику аммиачной воды, и по второй напорной стороне к источнику газообразного окислительного компонента. Причем ось каждого из по меньшей мере двух жидкостно-газовых инжекторов, установленных внутри емкости для сбора жидкого абсорбента, расположена тангенциально по отношению к вертикали корпуса, и ее продолжение упирается в место соединения боковой поверхности и днища емкости для сбора жидкого абсорбента. При этом угол наклона оси по меньшей мере каждого из двух жидкостно-газовых инжекторов, установленных внутри емкости для сбора жидкого абсорбента, в направлении сверху вниз по отношению к вертикали корпуса составляет 30-65°. Причем внутри вертикального корпуса между устройством для орошения дымовых газов жидким абсорбентом и боковым патрубком для подвода дымовых газов установлено по меньшей мере одно устройство в виде пакетной вихревой насадки, а устройство для орошения дымовых газов жидким абсорбентом содержит по меньшей мере одно разбрызгивающее сопло, обеспечивающее перекрытие орошением жидким абсорбентом всей площади обращенной к нему поверхности пакетной вихревой насадки. При этом источник газообразного окислительного компонента представляет собой источник кислорода. Причем внутри вертикального корпуса над устройством для орошения дымовых газов жидким абсорбентом установлен каплеотбойник, а устройство для орошения дымовых газов жидким абсорбентом подключено по напорной стороне с помощью циркуляционного насоса к емкости д ля сбора жидкого абсорбента.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками заявляемого изобретения и достигаемыми техническими результатами заключается в следующем.

Процессы мокрой сероочистки дымовых газов на основе аммиака (NH₃) используются в том числе для получения более ценного побочного продукта сульфата аммония ((NH₄)₂SO₄), который можно использовать в качестве удобрения. В этих процессах диоксид серы (SO₂) поглощается из дымовых газов водным раствором абсорбента, после чего насыщенный диоксидом серы (SO₂) раствор абсорбента вступает в реакцию с кислородом (O₂) воздуха и в него дополнительно вводится аммиачная вода (NH₄OH) для повышения концентрации раствора сульфита аммония ((NH₄)₂SO₃) и образования кристаллов сульфата аммония ((NH₄)₂SO₄). Помимо необходимости реакции аммиачной воды (NH₄OH) с диоксидом серы (SO₂) с образованием сульфита, бисульфита, сульфата и бисульфата аммония, аммиак (NH₃) также служит для повышения эффективности удаления диоксида серы (SO₂) за счет понижения кислотности рабочего раствора до образования преимущественно водного сульфита аммония ((NH₄)₂SO₃), который становится более кислым с поглощением диоксида серы (SO₂), преобразуясь в раствор бисульфита аммония ((NH₄)₂HSO₃).

В процессе мокрой сероочистки дымовых газов аммиачная вода (NH₄OH), вступает в реакцию с диоксидом серы (SO₂), который содержится в очищаемых дымовых газах, в результате которой образуется водный раствор сульфита аммония ((NH₄)₂SO₃):

Затем в результате взаимодействия водного раствора сульфита аммония ((NH₄)₂SO₃) с диоксидом серы (SO₂) образуется бисульфит аммония ((NH₄)₂HSO₃):

Использование и добавление аммиачной воды (NH₄OH) для контроля содержания в дымовых газах оксида серы (SO₂) может привести к нежелательным уровням проскока аммиака (NH₃) в смеси с солевым аэрозолем. Используемый термин «аммиачный проскок» относится к свободному аммиаку (безводному аммиаку (NH₃)) и сублимированным микрочастицам, в основном бисульфита аммония ((NH₄)₂HSO₃), захваченным очищенным дымовым газом, выходящим с газовым потоком из абсорбционной области контактирования с абсорбентом. Безводный аммиак (NH₃) в очищенном дымовом газе вступает в реакцию с оставшимся диоксидом серы (SO₂) и влагой с образованием субмикронных частиц аэрозоля бисульфита аммония (NH₄HSO₃), который может наблюдаться в виде синего или белого шлейфа в разряде дымовой трубы, приводя к вторичному выбросу и новой проблеме загрязнения:

Регулирование количества свободного аммиака в процессе сероочистки частично зависит от давления паров аммиака (NH₃), обусловленного температурой процесса, которое является результатом сочетания рН жидкой фазы и уровней концентрации не окисленного бисульфита аммония ((NH₄)₂HSO₃) при отсутствии достаточного количества кислорода (O₂). Высокие значения рН приводят к высокому давлению паров аммиака (NH₃), что способствует его проскоку. Высокие уровни концентраций не окисленного бисульфита аммония также способствуют проскоку аммиака (NH₃).

Установленные внутри емкости для сбора жидкого абсорбента, расположенной в нижней части вертикального корпуса, по меньшей мере два жидкостно-газовых инжектора, подключенных по первой напорной стороне к источнику аммиачной воды, и по второй напорной стороне к источнику газообразного окислительного компонента (кислорода (O₂)) позволяют обеспечить мокрую сероочистку дымовых газов с образованием сульфита аммония ((NH₄)₂SO₃) по реакции (1) и бисульфита аммония ((NH₄)₂HSO₃) по реакции (2), который не поглощает диоксид серы (SO₂), с их последующим окислением путем подвода кислорода (O₂) и получением кристаллов сульфата аммония ((NH₄)₂SO₄) и кристаллов бисульфата аммония ((NH₄)₂HSO₄) с целью уменьшения уноса сублимированных микрочастиц бисульфита аммония ((NH₄)₂HSO₃) очищенным дымовым газом, выходящим из абсорбционной области:

Диспергирование аммиачной воды по первой напорной стороне жидкостно-газовых инжекторов, в раствор абсорбента осуществляют, чтобы уменьшить вероятность того, что в абсорбенте, накапливаемом в емкости резервуара, будут присутствовать застойные зоны - карманы с высоким рН и высоким уровнем бисульфита аммония ((NH₄)₂НSO₃), который не поглощает диоксид серы (SO₂). При этом более однородные и желательные уровни рН и уровни бисульфита аммония ((NH₄)₂HSO₃) будут достигаться в основном объеме резервуара, что способствует как можно более низкому уровню проскока свободного аммиака (NH₃) и солевых аэрозолей.

Расположение оси каждого из по меньшей мере двух жидкостно-газовых инжекторов, установленных внутри емкости для сбора жидкого абсорбента, тангенциально с углом наклона 30-65° в направлении сверху вниз по отношению к вертикали корпуса таким образом, что ее продолжение упирается в место соединения боковой поверхности и днища емкости для сбора жидкого абсорбента, обеспечивает повышение интенсивности процесса перемешивания аммиачной воды (NH₄OH), которая подводится по первой напорной стороне жидкостно-газовых инжекторов, с раствором абсорбента, а также повышение интенсивности процесса окисления бисульфита аммония ((NH₄)₂HSO₃) за счет подвода газообразного окислительного компонента (кислорода O₂) по второй напорной стороне жидкостно-газовых инжекторов.

Установленное внутри вертикального корпуса между устройством для орошения дымовых газов жидким абсорбентом и боковым патрубком для подвода дымовых газов по меньшей мере одно устройство в виде пакетной вихревой насадки, а также наличие у устройства для орошения дымовых газов жидким абсорбентом по меньшей мере одного разбрызгивающего сопла, обеспечивающего перекрытие орошением жидким абсорбентом всей площади обращенной к нему поверхности пакетной вихревой насадки, обеспечивает повышение интенсивности массообмена между абсорбентом и абсорбируемыми веществами очищаемого газа за счет более равномерного перемешивания жидкого абсорбента с потоком очищаемых дымовых газов, а также повышение производительности процесса мокрой сероочистки дымовых газов за счет повышения скоростей по газовой фазе в свободном сечении аппарата для мокрой сероочистки дымовых газов в области пакетной вихревой насадки.

Установленный внутри вертикального корпуса над устройством для орошения дымовых газов жидким абсорбентом каплеотбойник обеспечивает повышение производительности процесса мокрой сероочистки дымовых газов за счет уменьшения уноса сублимированных микрочастиц бисульфита аммония ((NH₄)₂HSO₃) очищенным дымовым газом, выходящим из абсорбционной области, и жидкого абсорбента после его диспергирования в пакетной вихревой насадке.

Подключение устройства для орошения дымовых газов жидким абсорбентом по напорной стороне с помощью циркуляционного насоса к емкости для сбора жидкого абсорбента обеспечивает повышение производительности процесса мокрой сероочистки дымовых газов и повышение интенсивности массообмена между жидким абсорбентом и абсорбируемыми веществами очищаемых дымовых газов за счет возможности подвода смеси аммиачной воды (NH₄OH) и раствора абсорбента из емкости 4 к устройству для орошения дымовых газов и диспергирования указанной смеси в пакетной вихревой насадке, а также позволяет уменьшить расход жидкого абсорбента за счет обеспечения его рециркуляции.

Краткое описание чертежа

На чертеже изображена схема аппарата для мокрой сероочистки дымовых газов.

Описание позиций чертежа

1 - вертикальный корпус;

2 - устройство для орошения дымовых газов жидким абсорбентом;

3 - пакетная вихревая насадка;

4 - емкость для сбора жидкого абсорбента;

5 - боковой патрубок для подвода дымовых газов;

6, 7 - жидкостно-газовые инжекторы;

8 - циркуляционный насос;

9 - жидкостно-газовые инжекторы;

10 - наружные патрубки для подвода аммиачной воды;

11 - патрубки для подвода газообразного окислительного компонента;

12 - дымосос;

13 - отвод части жидкого абсорбента;

14 - каплеотбойник.

Осуществление изобретения

Ниже приведен частный пример конструкции аппарата для мокрой сероочистки дымовых газов и принцип его работы.

Аппарат для мокрой сероочистки дымовых газов от вредных газообразных примесей и мелкодисперсных твердых частиц содержит вертикальный корпус 1 с установленным в верхней части устройством для орошения дымовых газов жидким абсорбентом 2 и с емкостью для сбора жидкого абсорбента 4 в нижней части, а также с боковым патрубком для подвода дымовых газов 5, расположенным в нижней части вертикального корпуса 1 над указанной емкостью 4 в направлении сверху вниз под острым углом 35° к вертикали, внутри которого в его продольном направлении установлены два жидкостно-газовых инжектора 6 и 7, подключенных по напорной стороне с помощью циркуляционного насоса 8 к емкости для сбора жидкого абсорбента 4. Внутри вертикального корпуса 1 между устройством для орошения дымовых газов жидким абсорбентом 2 и боковым патрубком для подвода дымовых газов 5 установлено устройство в виде пакетной вихревой насадки 3, в качестве которой может быть использована пакетная вихревая насадка для тепло- и массообменных колонных аппаратов, описанная в патенте на изобретение RU 2416461 С1, опубл. 20.04.2011 г. ([2]). Устройство для орошения дымовых газов жидким абсорбентом 2 содержит в данном примере пять разбрызгивающих сопел, обеспечивающих перекрытие орошением жидким абсорбентом всей площади обращенной к нему поверхности пакетной вихревой насадки 3. При этом внутри емкости для сбора жидкого абсорбента 4, расположенной в нижней части вертикального корпуса 1, установлены четыре жидкостно-газовых инжектора 9 (на Фиг. 1 показаны только два жидкостно-газовых инжектора 9), содержащих наружные патрубки для подвода аммиачной воды 10 и патрубки для подвода газообразного окислительного компонента 11. Причем четыре жидкостно-газовых инжектора 9 подключены по первой напорной стороне к источнику аммиачной воды (NH₄OH) и по второй напорной стороне к источнику газообразного окислительного компонента, в качестве которого используется кислород воздуха (О₂). При этом ось каждого из четырех жидкостно-газовых инжекторов 9, установленных внутри емкости для сбора жидкого абсорбента 4, расположена тангенциально под углом 35° в направлении сверху вниз по отношению к вертикали корпуса 1, и ее продолжение упирается в место соединения боковой поверхности и днища емкости для сбора жидкого абсорбента 4. Для прокачки очищаемых дымовых газов через аппарат для мокрой сероочистки служит дымосос 12. При этом линия 13 служит для осуществления периодического или непрерывного отвода из емкости 4 части абсорбента. Внутри вертикального корпуса над устройством для орошения дымовых газов жидким абсорбентом установлен каплеотбойник 14, а устройство для орошения дымовых газов жидким абсорбентом 2 подключено по напорной стороне с помощью циркуляционного насоса 8 к емкости для сбора жидкого абсорбента 4 (Фиг. 1).

Работа аппарата для мокрой сероочистки дымовых газов осуществляется следующим образом.

До начала работы аппарата для мокрой сероочистки дымовых газов емкость 4 заливают жидким абсорбентом, в качестве которого используется вода или водный раствор реагента, состав которого зависит от вида очищаемых газов. Очищаемые газы вводятся в аппарат через боковой патрубок 5. Ввод жидкого абсорбента в область взаимодействия с очищаемыми дымовыми газами из емкости резервуара 4 осуществляется с помощью циркуляционного насоса 8 через жидкостно-газовые инжекторы 6 и 7, расположенные в боковом патрубке 5, а также через устройство для орошения дымовых газов жидким абсорбентом 2. При этом с помощью четырех жидкостно-газовых инжекторов 9 в емкость 4 осуществляется ввод аммиачной воды (NH₄OH) через наружные патрубки 10 и ввод газообразного окислительного компонента (кислорода воздуха О₂) через патрубки 11.

На первой стадии очистки дымовых газов с участием жидкостно-газовых инжекторов 6 и 7 используется рециркуляция абсорбента из емкости резервуара 4 с помощью циркуляционного насоса 8, что позволяет экономить его расход. На следующей стадии очистка дымовых газов осуществляется на высокоскоростном контактном устройстве в виде пакетной вихревой насадки 3, орошаемой абсорбентом через форсунки устройства для орошения дымовых газов 2 с помощью циркуляционного насоса 8. Использование пакетной вихревой насадки 3 позволяет развивать скорость очищаемых дымовых газов в свободном сечении вертикального корпуса 1 в ее области величиной 4,5 м/с, что позволяет существенно снизить диаметр и высоту абсорбционной области аппарата для мокрой сероочистки дымовых газов и в целом его материалоемкость.

Подпитка аппарата для мокрой сероочистки дымовых газов свежим поглотительным реагентом, в данном примере при получении сульфата аммония ((NH₄)₂SO₄) - это аммиачная вода (NH₄OH), осуществляется с одновременным окислением сульфит-бисульфитной аммонийной смеси абсорбента до сульфата и бисульфата аммония через жидкостно-газовые инжекторы 10. Диспергирование аммиачной воды (NH₄OH) в раствор абсорбента в направлении места соединения боковой поверхности и днища емкости 4 осуществляют, чтобы уменьшить вероятность того, что в абсорбенте, накапливаемом в емкости 4, будут присутствовать застойные зоны - карманы с высоким рН и высоким уровнем бисульфита аммония ((NH₄)₂HSO₃), который не поглощает диоксид серы (SO₂). При этом более однородные и желательные уровни рН и уровни сульфита аммония ((NH₄)₂SO₃) будут достигаться в основном объеме вертикального корпуса 1, чему способствует поглощение аммиака (NH₃) и что контролирует его проскок из абсорбента. Часть накопленного в емкости 4 отработавшего жидкого абсорбента непрерывно или периодически отводится на сброс по линии отвода 13, а очищенные дымовые газы после прохождения через каплеотбойник 14 выводятся через дымосос 12 в дымовую трубу (на чертеже не показана).

Промышленная применимость

Аппарат для мокрой сероочистки дымовых газов согласно патентуемому изобретению отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертеже достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами на основании современного уровня техники в области мокрой сероочистки дымовых газов.

Изобретение относится к контактным массообменным, реакционным и сепарационным аппаратам для очистки дымовых и промышленных газов, содержащих неорганические компоненты, образующие кислые водные растворы, органические вещества и пыль. Аппарат для мокрой сероочистки дымовых газов от вредных газообразных примесей и мелкодисперсных твердых частиц содержит вертикальный корпус с установленным в верхней части устройством для орошения дымовых газов жидким абсорбентом и с емкостью в нижней части для его сбора, а также с боковым патрубком для подвода дымовых газов, расположенным в нижней части корпуса над указанной емкостью в направлении сверху вниз под острым углом к вертикали. Внутри корпуса в его продольном направлении установлен по меньшей мере один жидкостно-газовый инжектор, подключенный по напорной стороне с помощью циркуляционного насоса к емкости для сбора жидкого абсорбента. При этом внутри емкости для сбора жидкого абсорбента, расположенной в нижней части вертикального корпуса, установлены по меньшей мере два жидкостно-газовых инжектора, подключенных по первой напорной стороне к источнику аммиачной воды, и по второй напорной стороне к источнику газообразного окислительного компонента. Изобретение позволяет повысить производительность процесса мокрой сероочистки дымовых газов, повысить интенсивность массообмена между жидким абсорбентом и абсорбируемыми веществами очищаемых дымовых газов и обеспечить возможность удаления диоксида серы из очищаемых дымовых газов с как можно более низким уровнем проскока свободного аммиака и солевых аэрозолей. 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Аппарат для мокрой сероочистки дымовых газов от вредных газообразных примесей и мелкодисперсных твердых частиц, содержащий вертикальный корпус с установленным в верхней части устройством для орошения дымовых газов жидким абсорбентом и с емкостью в нижней части для его сбора, а также с боковым патрубком для подвода дымовых газов, расположенным в нижней части корпуса над указанной емкостью в направлении сверху вниз под острым углом к вертикали, внутри которого в его продольном направлении установлен по меньшей мере один жидкостно-газовый инжектор, подключенный по напорной стороне с помощью циркуляционного насоса к емкости для сбора жидкого абсорбента, отличающийся тем, что внутри емкости для сбора жидкого абсорбента, расположенной в нижней части вертикального корпуса, установлены по меньшей мере два жидкостно-газовых инжектора, подключенных по первой напорной стороне к источнику аммиачной воды, и по второй напорной стороне к источнику газообразного окислительного компонента.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что ось каждого из по меньшей мере двух жидкостно-газовых инжекторов, установленных внутри емкости для сбора жидкого абсорбента, расположена тангенциально по отношению к вертикали корпуса, причем ее продолжение упирается в место соединения боковой поверхности и днища емкости для сбора жидкого абсорбента.

3. Аппарат по п. 1 или 2, отличающийся тем, что угол наклона оси по меньшей мере каждого из двух жидкостно-газовых инжекторов, установленных внутри емкости для сбора жидкого абсорбента, в направлении сверху вниз по отношению к вертикали корпуса составляет 30-65°.

4. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что внутри вертикального корпуса между устройством для орошения дымовых газов жидким абсорбентом и боковым патрубком для подвода дымовых газов установлено по меньшей мере одно устройство в виде пакетной вихревой насадки.

5. Аппарат по п. 4, отличающийся тем, что устройство для орошения дымовых газов жидким абсорбентом содержит по меньшей мере одно разбрызгивающее сопло, обеспечивающее перекрытие орошением жидким абсорбентом всей площади обращенной к нему поверхности пакетной вихревой насадки.

6. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что источник газообразного окислительного компонента представляет собой источник кислорода.

7. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что содержит каплеотбойник, установленный внутри вертикального корпуса над устройством для орошения дымовых газов жидким абсорбентом.

8. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что устройство для орошения дымовых газов жидким абсорбентом подключено по напорной стороне с помощью циркуляционного насоса к емкости для сбора жидкого абсорбента.