СПОСОБ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ Российский патент 2023 года по МПК B01D47/06 B01D53/52 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для очистки дымовых газов промышленных объектов, в которых присутствует выброс в атмосферу продуктов горения, в частности для улавливания из дымовых газов загрязняющих веществ, таких как NO_x, SO₂, СО, CO₂, и твердых частиц, золы уноса.

Очистка дымовых газов - процесс, предназначенный для уменьшения количества загрязняющих веществ, выделяемых при сжигании ископаемого топлива на промышленном объекте, электростанции или другом источнике. Дымовые газы - выбрасываемый материал, образующийся при сжигании ископаемого топлива, такого как уголь, нефть, природный газ или древесина, для получения тепла или энергии - могут содержать такие загрязнители, как твердые частицы, диоксид серы, ртуть и диоксид углерода. Однако большая часть дымовых газов состоит из оксидов азота. При отсутствии очистки дымовые газы электростанций, промышленных объектов и других источников могут существенно влиять на качество воздуха на местном и региональном уровнях. В соответствии со многими государственными правилами, касающимися очистки воздуха, электростанции и другие объекты должны использовать очистку дымовых газов для уменьшения количества выбрасываемых загрязняющих веществ. Такие подходы, в которых используются такие устройства, как электростатические осадители и скрубберы, могут успешно удалять 90% и более определенных загрязнителей. Однако их установка и эксплуатация могут быть очень дорогостоящими. На установках, которые выделяют ряд загрязняющих веществ, дымовые газы могут проходить через ряд устройств для очистки. Обработка дымовых газов достигла наибольшего успеха в сокращении твердых частиц, оксидов азота и диоксида серы. Удаление твердых частиц является неотъемлемой частью процесса, поскольку частицы, выделяемые в атмосферу, могут влиять на дыхательные системы людей и животных, снижать видимость и влиять на климат. Большинство предприятий используют мокрые скрубберы, в которых для очистки газов используется суспензия щелочного сорбента или морская вода. Другие технологии включают в себя сухую очистку распылением, в которой также используются суспензии сорбента; процесс влажной серной кислоты, который восстанавливает серу в форме серной кислоты; системы впрыска сухого сорбента; и метод десульфурациидымовых газов, который использует каталитические реакции для очистки дымовых газов от оксидов азота и макрочастиц, а также от диоксида серы. Новые технологии позволяют удалять более 90% диоксида серы из дымовых газов. Диоксид серы в атмосфере может усугубить респираторные заболевания и сердечно-сосудистые заболевания; это также приводит к кислотным дождям, ухудшает видимость и влияет на облака и климат (А.С. Фаризунова, «Очистка дымовых газов», Вестник магистратуры, 2019, №6-4 (93) стр. 61-62).

Процессы, протекающие в химическом, нефтехимическом, гальваническом производстве, а также при сжигании твердого или углеводородного топлива в стационарных или передвижных энергетических установках, источниках горения и т.д., характеризуются образованием больших объемов загрязненных газов, содержащих не только твердые мелкодисперсные частицы, но и такие примеси, как кислые газы в виде паров и тумана, а также оксиды азота и оксиды серы. Для соблюдения строгих экологических норм, установленных законодательством, и защиты окружающей среды, отходящие газы от различных источников перед их сбросом в атмосферу подвергают очистке.

Способов очистки дымовых газов существует множество, они представлены в различных вариантах очистки от одного или смеси веществ, и в общем случае способы можно разделить на группы:

- жидкофазные (мокрые), в основе которых лежит процесс обратимой или необратимой абсорбции;

- полусухие, сочетающие абсорбционно-адсорбционные методы, а также электронно-лучевой и метод коронного разряда;

- газофазные (сухие), включающие в себя каталитические, термические и адсорбционные, некоторые методы физического воздействия (например, акустических колебаний).

Известны методы и средства для мокрой очистки загрязненного газа, где его очистка осуществляется при контакте с жидкостью, в результате чего частицы пыли смачиваются, утяжеляются и выводятся из газопылевого потока под действием гравитационных и центробежных сил или захватываются жидкостью и удаляются из аппарата в виде шлама. Обычно в качестве очищающей жидкости используется вода.

Применение жидкости, такой, например, как вода, для обработки и, в частности, для нагрева или охлаждения газового потока посредством теплообмена между жидкостью и газовым потоком с использованием прямого контакта газового потока с жидкостью, является старой техникой, преимуществом которой является ее экологичность, так как она позволяет, в частности, избегать использования теплоносителей типа хладагентов.

Некоторые запатентованные технические решения касаются очистки дымовых газов с применением жидкости для нагрева или охлаждения газового потока.

Например, в техническом решении по российскому патенту на изобретение №2556656 «Способ мокрой очистки дымовых газов от твердых и токсичных элементов» (дата приоритета 12.12.2013) описан способ мокрой очистки дымовых газов от твердых и токсичных элементов, в котором поток отходящих дымовых газов проходит через эмульгатор, выполненный в виде кассетной сборки из труб с расположенными в каждой трубе завихрителями дыма и системой подачи воды на стенку трубы, при этом эмульгаторы располагают в линии очистки последовательно, один для золоочистки, второй для абсорбции окислов серы, азота, третий для поглощения двуокиси углерода, где эмульгаторы выполнены в виде набора бесшовных труб из прочных износостойких сплавов титана с соотношением длины и диаметра 10-15, при скорости газового потока в пределах 8-10 м/с при удельном расходе воды 0,25-0,50л/м³, эмульгатор имеет возможность работы на технической воде, в том числе и на осветленной воде золоотвалов. Газовый поток, после удаления из него механических нерастворимых примесей, уходит по направляющему газоходу на второй контур очистки с понижением температуры потока в среднем на 45°C.

В техническом решении по авторскому свидетельству на изобретение №656645 «Устройство для мокрой очистки газа» (дата приоритета 22.12.1976)описано устройство, в котором загрязненный газ поступает в корпус, где, проходя мокрую очистку, насыщается водными парами. Парогазовая смесь с температурой 80-85°С поступает далее на участок конденсации, при этом вода, текущая по трубам теплообменника, нагревается до 75-80°С, парогазовая смесь охлаждается до 20-25°С, а конденсат собирается в секциях поддона. Часть нагретой воды подается в теплообменник для подогрева до 40-45°С, а охлажденная до 25-30°С вода возвращается в конденсатор. Конденсат из секции поддона также поступает в теплообменник для подогрева и после охлаждения сливается в дренаж.

В техническом решении по авторскому свидетельству на изобретение №921601 «Способ золоулавливания из дымовых газов» (дата приоритета 20.11.1967) описан способ, в котором дымовые газы поступают на орошение водой, нагретой до 95-100°С, затем промытые дымовые газы поступают на охлаждение и конденсацию водяных паров, и далее на отделение капель воды из дымовых газов, и дымовые газы направляют в конвертор, в котором происходит каталитическое окисление сернистого ангидрида в серный. Прореагировавшие дымовые газы направляют в кислотный электрофильтр, в котором отделяется серная кислота, а дымовые газы выбрасывают в атмосферу через дымовую трубу.

В качестве общих недостатков перечисленных решений можно выделить то, что горячие дымовые газы увлажняют менее чем 100% влажности, что уменьшает степень очистки дымовых газов от вредных примесей на начальном этапе очистки.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемого изобретения по совокупности существенных признаков принято техническое решение по российскому патенту на изобретение №2147527«Способ и устройство для очистки загрязненного газа» (дата приоритета 03.09.1999, дата публикации 20.04.2000, Правообладатель Скроцкая Ольга Пантелеймоновна). В данном решении описывается очищение загрязненного газа способом, реализуемый с помощью устройства, который осуществляется следующим образом: предварительно подается очищающая жидкость, в качестве которой обычно используют воду. Сформированные через щели водные завесы в камере очистки способствуют образованию водяного пара. Загрязненный газ принудительно, с помощью вытяжного вентилятора, подается в камеру очистки и, подойдя к первой водной завесе, вступает с ней во взаимодействие, прорывая ее и увлажняясь водяным паром до 100% и более. При этом крупные частицы загрязняющих газ веществ смываются потоком воды, а более мелкие в промежутках между водными завесами насыщаются водяным паром, происходит образование капель жидкости с ядром конденсации в виде частицы загрязняющих газ веществ. Эти капли в виде дождя выпадают в осадок, который самотеком поступает в предназначенную емкость. Для уменьшения газодинамического сопротивления предусматривают разрывы в водных завесах. В процессе работы на внутренних стенках камеры очистки и горизонтальной перегородки образуется пленка воды, которая также участвует в процессе очистки загрязненного газа, улавливая некоторые загрязняющие газ частицы.

В качестве недостатка прототипа можно выделить недостаточное снижение энергозатрат и степени очистки дымовых газов от вредных примесей, за счет того, что в решении не предусмотрен способ снижения относительной влажности очищенных дымовых газов, после конденсации увлажненного загрязненного газа, что не исключает выпадение конденсата на выходе.

Целью настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков прототипа, а именно осуществление очистки дымовых газов производственных установок в рамках одной технологической линии без дополнительных энергозатрат для повышения степени очистки дымовых газов от вредных примесей и снижения относительной влажности очищенных дымовых газов для исключения выпадение конденсата на выходе из дымоотводящей трубы.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый способ очистки дымовых газов предусматривает этапы очистки горячих дымовых газов от источника загрязненных дымовых газов до вывода очищенных дымовых газов из дымоотводящей трубы с наличием собственных контуров водяного орошения для камеры увлажнения и аппарата мокрой газоочистки, при этом температура воды контура водяного орошения аппарата мокрой газоочистки ниже температуры увлажнённых горячих дымовых газов, поступающих в аппарат мокрой газоочистки, а также смешивание очищенных дымовых газов с подогретым чистым воздухом, поступающим из теплообменника, что обеспечивает очистку дымовых газов производственных установок в рамках одной технологической линии без дополнительных энергозатрат со снижением относительной влажности очищенных дымовых газов и исключением выпадения конденсата на выходе из дымоотводящей трубы и повышением степени очистки дымовых газов от вредных примесей.

Соответственно, технический результат заявляемого технического решения «СПОСОБ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ» состоит в следующем.

Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить снижение относительной влажности очищенных дымовых газов и исключение выпадения конденсата на выходе из дымоотводящей трубы и тем самым повысить степень очистки дымовых газов от вредных примесей без дополнительных энергозатрат, за счет того, что способ очистки дымовых газов в рамках одной технологической линии включает собственные контуры водяного орошения для камеры увлажнения и аппарата мокрой газоочистки, при этом температура воды контура водяного орошения аппарата мокрой газоочистки ниже температуры увлажнённых горячих дымовых газов, поступающих в аппарат мокрой газоочистки, что позволяет не подключать технологическую линию очистки дымовых газов к каким-либо отдельным системам (системе) водяного орошения, в которых бы реализовывалось отдельное орошение аппарата мокрой газоочистки и камеры увлажнения разной водой с разной температурой, а также включает смешение очищенных дымовых газов на выходе из аппарата мокрой газоочистки с подогретым чистым воздухом, поступающим из теплообменника, расположенного между источником горячих дымовых газов и камерой увлажнения и далее поступление в дымосос и дымоотводящую трубу.

Технический результат достигается тем, что способ очистки дымовых газов характеризуется тем, что включает источник горячих дымовых газов, последовательное их увлажнение до 100% в камере увлажнения и конденсацию в аппарате мокрой газоочистки в рамках одной технологической линии, отличающийся тем, что камера увлажнения и аппарат мокрой газоочистки подключены каждый к собственному контуру водяного орошения, причём температура воды контура водяного орошения аппарата мокрой газоочистки ниже температуры увлажнённых горячих дымовых газов, поступающих в аппарат мокрой газоочистки, после конденсации в аппарате мокрой газоочистки очищенные дымовые газы смешиваются с подогретым чистым воздухом, поступающим из теплообменника, расположенного между источником горячих дымовых газов и камерой увлажнения, и далее поступают в дымосос и дымоотводящую трубу.

Предпочтительно способ очистки дымовых газов включает дополнительно систему осветления воды в контуре водяного орошения камеры увлажнения и систему охлаждения воды в контуре водяного орошения аппарата мокрой газоочистки.

Предпочтительно в контуре водяного орошения аппарата мокрой газоочистки используется высокоминерализованная вода.

Предпочтительно температура увлажнённых горячих дымовых газов, поступающих в аппарат мокрой газоочистки, составляет от 5 до 99°С, а температура воды в контуре водяного орошения аппарата мокрой газоочистки составляет от 0,5 до 40°С.

Заявляемое техническое решение поясняется схематическими изображениями способа очистки дымовых газов в одну технологическую линию с собственной системой водяного орошения (фигура 1), где 1 - источник дымовых газов, 2 - камера увлажнения дымовых газов, 3 - аппарат мокрой газоочистки, 4 - дымосос, 5 - дымовая труба, 6 - теплообменник. На фигуре 2 изображен способ очистки дымовых газов в одну технологическую линию с собственной системой водяного орошения, где 1 - источник дымовых газов, 2 - камера увлажнения дымовых газов , 3 - аппарат мокрой газоочистки, 4 - дымосос, 5 - дымовая труба, 6 - теплообменник, 7 - система осветления воды, 8 - система охлаждения воды.

Для получения технического результата изобретение может быть осуществлено следующим предпочтительным образом, не исключающим иные способы осуществления в рамках заявленной формулы изобретения.

Горячие дымовые газы, выходящие из источника дымовых газов 1, за счет разряжения, которое создает дымосос 4, пропускают через камеру увлажнения 2 с собственным контуром водяного орошения для доведения дымовых газов до 100% влажности, а затем дымовые газы, насыщенные влагой пропускают через аппарат мокрой газоочистки 3 с собственным контуром водяного орошения, куда подается вода, имеющая температуру Т₂ ниже температуры Т₁ увлажнённых горячих дымовых газов, поступающих в аппарат мокрой газоочистки.

В процессе контакта горячих увлажненных дымовых газов с охлажденной водой происходит процесс конденсации влаги на провокаторах конденсации пылинки соли и т.д., происходит улавливание газовых и механических примесей размером от 1 нм, с последующим выведением за пределы системы очистки газа в виде пульпы.

Аппарат мокрой газоочистки может представлять собой Сиот, вихревую трубу, трубу Вентури, центробежный аппарат, МВГ, скруббер, насадочный скруббер, насадочный скруббер с подвижной насадкой, АГЖУ, Элион, полный газопромыватель и т.д.

Далее очищенные дымовые газы на выходе из аппарата мокрой газоочистки 3 смешиваются с подогретым чистым воздухом, поступающим через теплообменник 6 на вход в дымосос 4, и далее за счет напора, создаваемого дымососом 4, очищенные дымовые газы поступают в дымоотводящую трубу 5.

Для исключения эффекта конденсации водяного пара очищенных дымовых газов в дымоотводящей трубе 5, применяется подогретый чистый воздух, подаваемый на вход дымососа 4, путем подмешивания сухого горячего воздуха происходит снижение относительной влажности очищенных дымовых газов от 40% до 60% при температуре 60°С, что исключает выпадение конденсата в дымоотводящей трубе 5 и на рабочем колесе дымососа 4.

Предлагаемый способ очистки дымовых газов может работать на высокоминерализованной воде, подаваемой в систему водяного орошения, без формирования солей кальция и формирования гипса. Высокоминерализованная вода достигается за счет конденсационного эффекта, который проходит в аппарате мокрой газоочистки, за счет разности температур насыщенного водой газа до 100% и водой, которая подается в аппарате мокрой газоочистки, имеющей температуру ниже температуры насыщенных водой горячих газов.

Данный способ распространяется также и на систему водяного орошения, с добавлением во втором контуре орошения системы осветления воды 7 и системы охлаждения воды 8. Система осветления воды 7 выполняет функцию вывода шлама и твердого осадка из контура водооборота, который формируется вследствии улавливания в аппарате мокрой газоочистки в процессе очистки дымовых газов.

Система охлаждения воды 8 служит для вывода из системы орошения аппарата мокрой газоочистки, тепловой энергии накопленной водой в процессе контакта с горячими насыщенными влагой дымовыми газами. Система охлаждения воды 8 должна удовлетворять условию, в аппарате мокрой газоочистки температура воды Т₂ должна быть ниже температуры воды Т₁ увлажнённых горячих дымовых газов, поступающих в аппарат мокрой газоочистки.

Диапазон температур Т₁ =5-99°С, Т₂ =0,5-40°С, разница температур даже в 1°С приводит к конденсации влаги из насыщенных дымовых газов, как показывает практика, разница температур достигается в диапазоне от 10-40°С.

Заявленный способ очистки дымовых газов угольного котла показал эффективность, от уноса золы - 99,98%, от SO₂ - 100%, NO_x-72,7%, CO - 65,9%.

Таким образом, новизна и изобретательский уровень заявленного изобретения состоят в том, что предложенный способ очистки дымовых газов в рамках одной технологической линии включает наличие собственных контуров водяного орошения для камеры увлажнения и аппарата мокрой газоочистки, в которых температура воды контура водяного орошения аппарата мокрой газоочистки ниже температуры увлажнённых горячих дымовых газов, поступающих в аппарат мокрой газоочистки, а также смешение очищенных дымовых газов на выходе из аппарата мокрой газоочистки с подогретым чистым воздухом, поступающим из теплообменника, расположенного между источником горячих дымовых газов и камерой, что обеспечивает снижение относительной влажности очищенных дымовых газов и высокую степень очистки дымовых газов от вредных примесей без дополнительных энергозатрат.

Заявитель в настоящее время осуществляет собственное промышленное использование способа очистки дымовых газов.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для очистки дымовых газов промышленных объектов, в которых присутствует выброс в атмосферу продуктов горения, в частности для улавливания из дымовых газов загрязняющих веществ, таких как NO_x, SO₂, СО, CO₂, и твердых частиц, золы уноса. Способ очистки дымовых газов включает источник горячих дымовых газов, последовательное их увлажнение до 100% в камере увлажнения и конденсацию в аппарате мокрой газоочистки в рамках одной технологической линии. Камера увлажнения и аппарат мокрой газоочистки подключены каждый к собственному контуру водяного орошения. Температура воды контура водяного орошения аппарата мокрой газоочистки ниже температуры увлажнённых горячих дымовых газов, поступающих в аппарат мокрой газоочистки. После конденсации в аппарате мокрой газоочистки очищенные дымовые газы смешиваются с подогретым чистым воздухом, поступающим из теплообменника, расположенного между источником горячих дымовых газов и камерой увлажнения, и далее поступают в дымосос и дымоотводящую трубу. Изобретение позволяет обеспечить снижение относительной влажности очищенных дымовых газов и исключение выпадения конденсата на выходе из дымоотводящей трубы и тем самым повысить степень очистки дымовых газов от вредных примесей без дополнительных энергозатрат, за счет того, что способ очистки дымовых газов в рамках одной технологической линии включает собственные контуры водяного орошения для камеры увлажнения и аппарата мокрой газоочистки, при этом температура воды контура водяного орошения аппарата мокрой газоочистки ниже температуры увлажнённых горячих дымовых газов, поступающих в аппарат мокрой газоочистки, что позволяет не подключать технологическую линию очистки дымовых газов к каким-либо отдельным системам (системе) водяного орошения, в которых бы реализовывалось отдельное орошение аппарата мокрой газоочистки и камеры увлажнения разной водой с разной температурой. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ очистки дымовых газов, включающий источник горячих дымовых газов, последовательное их увлажнение до 100% в камере увлажнения и конденсацию в аппарате мокрой газоочистки в рамках одной технологической линии, отличающийся тем, что камера увлажнения и аппарат мокрой газоочистки подключены, каждый, к собственному контуру водяного орошения, причём температура воды контура водяного орошения аппарата мокрой газоочистки ниже температуры увлажнённых горячих дымовых газов, поступающих в аппарат мокрой газоочистки, после конденсации в аппарате мокрой газоочистки очищенные дымовые газы смешиваются с подогретым чистым воздухом, поступающим из теплообменника, расположенного между источником горячих дымовых газов и камерой увлажнения, и далее поступают в дымосос и дымоотводящую трубу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает дополнительно систему осветления воды в контуре водяного орошения камеры увлажнения и систему охлаждения воды в контуре водяного орошения аппарата мокрой газоочистки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в контуре водяного орошения аппарата мокрой газоочистки используется высокоминерализованная вода.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура увлажнённых горячих дымовых газов составляет от 5 до 99°С, а температура воды в контуре водяного орошения аппарата мокрой газоочистки составляет от 0,5 до 40°С.