Известковый способ очистки дымовых газов угольных котлов ТЭС от двуокиси углерода Российский патент 2022 года по МПК B01D53/62 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в процессах очистки и утилизации дымовых газов теплоэнергетических установок ТЭС для снижения парникового эффекта окружающей среды.

Наиболее крупные источники техногенных выбросов СО₂ находятся в электроэнергетике и количество выбросов от них на порядок больше суммы остальных источников СО₂.

Самая распространенная и хорошо отработанная технология вывода СО₂ из газов - это абсорбция растворами, среди которых преобладают водные растворы различных органических аминов, из которых самым востребованным для очистки дымовых газов от диоксида углерода является моноэтаноламин. Технология дорогая. (Специальный доклад МГЭИК «Улавливание и хранение двуокиси углерода», Техническое резюме, стр. 24, п. 3. Улавливание СО₂. 2005 г. ISBN 92-9169-419-3).

Для получения двуокиси углерода в достаточно чистом виде в промышленных масштабах из источников, насыщенных СО₂ до 95%, используется мембранная технология.

Известен способ и устройство выделения СО₂ из дымовых газов с использованием абсорбции, десорбции и мембран, разделяющих газовую и жидкую среды (Полезная модель RU №128515, BO01D 63/08).

Недостатком этого способа является малая производительность и необходимость чистки мембран, что затрудняет эксплуатацию и приводит к простоям оборудования.

Наиболее близким по существу является способ и устройство для удаления СО₂ из дымовых газов, где последовательно идет: смешивание дымовых газов с аммиаком, контакт газовой смеси с водными растворами нитрата кальция, нитрата натрия, сульфата кальция с образованием карбонатных и бикарбонатных осадков в растворе сульфата аммония или нитрата аммония с последующим осаждением и удалением этих осадков, и все это под избыточным давлением 0,03-0,1 МПа и при температуре газа не более 35°С (Изобретение RU №2732399, BO1D 53/62).

Недостатками этого способа являются:

- использование аммиака в дымовых газах, находящихся под избыточным давлением, что способствует проникновению аммиака в помещение и ухудшению состояния воздушной среды в рабочей зоне;

- наличие аммиачного хозяйства, которое является опасным производственным объектом из-за возможного взрыва и отравления;

- хранение нитрата аммония (аммиачная селитра) взрывоопасно.

Одной из характеристик дымовых газов от электроэнергетических источников, сдерживающих работы по удалению СО₂, является ее низкая концентрация - менее 15%, что затрудняет отделение и вывод СО₂ из общего потока дымовых газов. В предлагаемом способе этот вопрос учтен и частично решен.

Целью настоящего изобретения является создание простой, безопасной, дешевой и эффективной технологии очистки дымовых газов угольных котлов ТЭС от двуокиси углерода в связанном виде с использованием процессов хемосорбции и с предварительным обогащением газовой среды двуокисью углерода.

Техническая реализация способа заключается в перемещении карбонатов между двумя аппаратами, в одном из которых при пониженной температуре происходит поглощение СО₂, а в другом при более высокой температуре - разложение с выделением СО₂ в свободном и связанном виде.

Поставленная цель достигается тем, что в процессе удаления двуокиси углерода последовательно по ходу дымовых газов проводят:

- сухую очистку газов от золы угля,

- промывку горячих газов после котла насыщенным раствором бикарбоната кальция Са(НСО₃)₂ в скруббере до его разложения при нагреве до 95-100°C с получением СО₂ и карбоната кальция СаСО₃, т.е., с обогащением газовой среды двуокисью углерода и выделением СО₂ в связанном виде - в виде СаСО₃,

- отстаивают полученную суспензию СаСО₃, сгущают ее до состояния шликера и отводят на распылительную сушилку для получения сухого порошка,

- охлаждают обогащенные СО₂ газы относительно холодным раствором Са(НСО₃)₂ в теплообменнике,

- промывают газы под избыточным давлением в абсорбере профильтрованным известковым молоком с температурой 20°C (насыщенным раствором известкового молока Са(ОН)₂) со связыванием СО₂ в абсорбере до Са(НСО₃)₂,

- отводят полученный раствор Са(НСО₃)₂ в скруббер в начало цикла для разложения при нагреве дымовыми газами котла,

- декарбонизированные газы очищают от жидкой фазы Са(НСО₃)₂ в каплеуловителе и выводят их в атмосферу.

На фиг. 1 условно показана общая схема технологической линии, реализующей предложенный способ очистки дымовых газов от СО₂, с указанием теоретических расходов реагентов и движение по тракту свободного и связанного СО₂.

На схеме представлены: полый скруббер поз. 1, золоуловитель поз. 2, абсорбер поз. 3, емкость поз. 4, узел приготовления известкового молока поз. 5, узел распылительной сушилки поз. 6, отстойник поз. 7, вентилятор поз. 8, теплообменник поз. 9, каплеуловители поз. 10, сгуститель поз. 11.

Рассмотрим работу способа, например, применительно к угольному котлу паровому, типа БК3-320-140 в блоке с турбиной мощностью 100 МВт.

Расход топлива на котел 26700 кг/ч угля.

Удельный объем дымовых газов за котлом на кг. топлива.

V=7,22 нм³/кг

Парциальное давление трехатомных газов (в основном СО₂) в уходящих дымовых газах котла, r=0,103

Расход уходящих дымовых газов из котла

V^г=26700×7,22=192860 нм³/ч

Расход СО₂ в уходящих газах

V^co2=192860×0,103=19865 нм³/ч. Расход весовой G=37743 кг/ч (10,5 кг/с)

Температура уходящих газов за котлом 170°С

Работа технологической линии очистки дымовых газов от СО₂ для принятого котла и материальный баланс схемы. Мольные массы участвующих реагентов:

Са(ОН)₂=74 г/м

СаСО₃=100 г/м

СаСО₃=100 г/м

Са(НСО₃)₂=162 г/м

CO₂=44 г/м

H₂O=18 г/м

Из узла приготовления известкового молока поз. 5 Са(ОН)₂ в растворе подают в абсорбер 3, в качестве которого можно использовать, например, скруббер Вентури «ХИМВЕНТ» с каплеуловителем. Реакции хемосорбции, идущие в абсорбере и заканчивающиеся в емкости поз. 4:

По первой формуле. Согласно величинам мольных масс, чтобы связать 44 г СО₂ потребно 74 г Са(ОН)₂, а чтобы связать требуемый расход СО₂, поступающий из котла в количестве 37743 кг/ч, потребуется 74×37743/44=63477 кг Са(ОН)₂ сухого вещества.

При температуре 20°С и концентрации Са(ОН)₂ 15% потребуется подавать в абсорбер насыщенный раствор в количестве 423180 м³ в час.

В конечном итоге на выходе - по реакции 2, образуется Са (НСО₃)₂ в количестве 162×63477/74=138963 кг сухого вещества в час в растворе. Для ускорения реакций давление газа повышено на величину аэродинамического сопротивления тракта с использованием вентилятора поз. 8, а температура подаваемого раствора не более 20°С - температура максимальной растворимости Са(ОН)₂.

Насыщенный раствор Са (НСО₃)₂, частично подогретый в теплообменнике поз. 9, направляют в начало цикла для разложения горячими дымовыми газами, подводимыми с температурой 170°С, путем диспергирования в газы, например, в устройстве типа полого скруббера поз. 1, где раствор прогревается до 95-100°С, при этом Са(НСО₃)₂ разлагается с выделением, Н₂О, СО₂ и СаСО₃ по реакции (3). При нехватке тепла можно предусмотреть присадку более горячих газов или повысить температуру уходящих газов котла путем уменьшения его хвостовых поверхностей нагрева или увеличения расхода топлива.

СаСО₃ разлагается при температуре 600-900°С, а при температуре 95-100°С в жидкой среде выпадет в осадок. Полученную суспензию СаСО₃ выводят в отстойник поз. 7 для завершения реакции, декантации, сгущения СаСО₃ и вывода его в виде сгущенной суспензии - шликера через сгуститель поз. 11 на узел распылительной сушилки поз. 6 для получения сухого порошка, утилизация которого в строительной промышленности труда не составляет. Верхняя составляющая отстоя - декантат, состоящий в основном из воды, возвращают в узел приготовления известкового молока поз. 5.

Дымовые газы после полого скруббера с удвоенным парциальным давлением СО₂, полученным в результате разложения Са (НСО₃)₂, подают далее на охлаждение в теплообменник поз. 9, где снижают температуру со 100°С до 40-60°С, а затем вентилятором поз. 8 под давлением газы подают в абсорбер поз. 3 для очистки от СО₂. После чего очищенные от СО₂ газы через каплеуловитель поз. 10 выводят в атмосферу.

Для усиления реакции (2) предусмотрена рециркуляция суспензии СаСО₃ из емкости поз. 4 в абсорбер поз. 3. При необходимости доохладить дымовые газы перед абсорбером следует применить впрыск захоложенной воды.

Теоретическое количество сухого вещества СаСО₃, выводимое из схемы на этапе разложения Са(НСО₃)₂ в скруббере, равно: 138963×100/162=85780 кг/ч СаСО₃, что в расчете на СО₂ составляет 85780×44/100=37743 кг/ч (10,5 кг/с) СО₂, что равно его выходу из котла. Практически ожидается 95% к.п.д. очистки газов от СО₂ из-за частичного получения других карбонатов, в зависимости от состава золы и топлива, сжигаемого котлом.

Чтобы избежать забиваний и отложений на внутренних поверхностях следует выбирать оборудование без мелких отверстий и щелей, а на трубопроводе Са(НСО₃)₂ перед теплообменником следует устанавливать электромагнитное устройство противонакипной обработки воды.

Таким образом, заявляемое изобретение решает задачу создания простой, безопасной, дешевой и эффективной технологии очистки дымовых газов угольных котлов ТЭС от двуокиси углерода в связанном виде с использованием процессов хемосорбции и с предварительным обогащением газовой среды двуокисью углерода.

Заявленный способ очистки дымовых газов от СО₂ может быть также использован для котлов, работающих на других видах топлива.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в процессах очистки и утилизации дымовых газов теплоэнергетических установок ТЭС для снижения парникового эффекта окружающей среды. Известковый способ очистки дымовых газов угольных котлов ТЭС от двуокиси углерода включает использование процессов хемосорбции, последовательно ведут сухую очистку газов от золы, промывку горячих газов раствором бикарбоната кальция Са(НСО₃)₂ в скруббере до разложения при нагреве до 95-100°C с получением суспензии карбоната кальция СаСО₃ и обогащением дымовых газов двуокисью углерода. Далее отстаивают полученную суспензию, сгущают. Затем в виде шликера отводят на распылительную сушилку для получения сухого порошка СаСО₃. Газы охлаждают после скруббера до 40-60°С в теплообменнике. Промывают их в абсорбере под избыточным давлением профильтрованным известковым молоком с температурой 20°С со связыванием СО₂ в Са(НСО₃)₂. Выводят декарбонизированные газы в атмосферу после очистки в каплеуловителе. Полученный раствор Са(НСО₃)₂ направляют в скруббер для разложения в начало цикла. Изобретение обеспечивает создание простой, безопасной, дешевой и эффективной технологии очистки дымовых газов угольных котлов ТЭС от двуокиси углерода в связанном виде с использованием процессов хемосорбции и с предварительным обогащением газовой среды двуокисью углерода. 1 ил.

Известковый способ очистки дымовых газов угольных котлов ТЭС от двуокиси углерода, включающий использование процессов хемосорбции, отличающийся тем, что последовательно ведут: сухую очистку газов от золы, промывку горячих газов раствором бикарбоната кальция Са(НСО₃)₂ в скруббере до разложения при нагреве до 95-100°C с получением суспензии карбоната кальция СаСО₃ и обогащением дымовых газов двуокисью углерода, отстаивают полученную суспензию, сгущают и в виде шликера отводят на распылительную сушилку для получения сухого порошка СаСО₃, газы охлаждают после скруббера до 40-60°С в теплообменнике, промывают их в абсорбере под избыточным давлением профильтрованным известковым молоком с температурой 20°С со связыванием СО₂ в Са(НСО₃)₂ и выводом декарбонизированных газов в атмосферу после очистки в каплеуловителе, а полученный раствор Са(НСО₃)₂ направляют в скруббер для разложения в начало цикла.