Способ химического кондиционирования дымовых газов Российский патент 2024 года по МПК B01D51/10 B03C3/13 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к кондиционированию дымовых газов перед подачей их в электрофильтр и может применяться для повышения эффективности улавливания частиц летучей золы.

Эффективность удаления летучей золы электрофильтром из газового потока зависит от физико-химических свойств золы. Для снижения удельного электрического сопротивления золы и увеличения эффективности очистки дымовых газов электрофильтрами применяют технологию кондиционирования триоксидом серы.

Уровень техники

Известна установка химического кондиционирования дымовых газов триоксидом серы, когда создаётся отдельный каталитический реактор, в котором диоксид серы окисляется в триоксид серы, и затем вводится в поток дымовых газов [RU 7349 U1, B03C 3/01, 16.08.1998]. К недостаткам такого способа относится необходимость закупки, поставки и хранения диоксида серы, выделение места для установки реактора, затраты на его эксплуатацию и техническое обслуживание, а также незначительное повышение количества серосодержащих соединений на выходе.

Способом получения триоксида серы для кондиционирования без введения дополнительных серосодержащих соединений является окисление диоксида серы, который присутствует в дымовых газах. Такие способы основаны на отведении части потока в отдельную установку, в ней происходит каталитическое окисление диоксида серы в триоксид серы, который затем вводится обратно в общий газовый поток. Забор части газового потока в таких системах может происходить в разных местах, например, для использования газа, очищенного от твердых частиц, поток может отводиться после электрофильтра [US 8449653, B03C 3/01, 08.03.2012]. Преимущества такого способа заключаются в независимости от дополнительных реагентов, возможности регулировать содержание триоксида серы, отсутствии негативного влияния гидравлического сопротивления слоя катализатора. Однако в таком случае требуется создание системы газоходов и отдельного каталитического реактора, что повышает капитальные затраты на очистку газов.

Прототипом данного изобретения выбран способ химического кондиционирования дымовых газов, включающий каталитическое окисление содержащегося в них диоксида серы в триоксид серы, когда катализатор размещают непосредственно в основном потоке подаваемых на очистку дымовых газов [RU 2094099 C1, B01D 53/86, 27.10.1997]. Дымовые газы, направляемые на очистку в электрофильтр, проходят через катализатор, который перекрывает всё поперечное сечение газохода, при этом происходит окисление диоксида серы в триоксид серы. В роли катализатора в прототипе используется активированный уголь со щелочными элементами. Такой способ значительно снижает капитальные затраты на создание дополнительных установок и каталитических реакторов, делает технологию эффективной и независимой от дополнительных реагентов. Однако недостатками известного технического решения является невозможность регулирования количества триоксида серы в газовом потоке, а избыточное количество триоксида серы приводит к коррозии оборудования и образованию аэрозоля серной кислоты в атмосфере, что приводит к загрязнению окружающей среды. Также катализатор, который полностью перекрывает сечение газохода, имеет значительный объём и создаёт высокое гидравлическое сопротивление.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема способа кондиционирования дымовых газов состоит в создании управляемого превращения диоксида серы, содержащегося в дымовых газах, в триоксид серы, а также в уменьшении гидравлического сопротивления каталитического слоя, в котором происходит это превращение, с минимальными капитальными затратами.

Согласно предлагаемому способу, это достигается использованием каталитического картриджа, который представляет собой блок (систему) параллельно расположенных слоев катализатора окисления диоксида серы, при этом каталитический картридж размещают непосредственно в газоходе, перекрывая часть газохода так, что через каталитический картридж проходит от 5 до 50% газового потока. Данный интервал выбран исходя из того, что при прохождении через катализатор менее 5% газового потока не будет обеспечиваться достаточного образования триоксида серы для эффективного кондиционирования, а при прохождении через катализатор более 50% газового потока будет образовываться чрезмерное количество триоксида серы, который способствует коррозии газоходов.

Каталитический картридж выполняют, например, из слоёв стекловолокнистого катализатора, представляющего собой стеклотканый носитель с нанесенным активным компонентом, например, платиной, и слоёв плоской металлической сетки либо слоёв металлических гофрированных структурирующих элементов. В качестве каталитических картриджей могут, в частности, использоваться блоки, описанные в патентах (RU 182285 U1, B01J 8/00, 13.08.2018; RU 145037 U1, B01J 8/00, 10.09.2014), а в качестве катализатора - в том числе катализатор, описанный в патенте (RU 2674341, B01J 23/38, 07.12.2018).

Газовый поток движется по каналам, образованным слоями стекловолокнистого катализатора, параллельно их поверхности, расстояние между которыми составляет 3 - 15 мм. Каталитический картридж благодаря своей регулярной геометрической структуре с высокой долей свободного объема и отсутствием застойных зон обладает низким гидравлическим сопротивлением и высокой проницаемостью, что делает его пригодным для использования в запыленных потоках. Каталитический картридж размещается непосредственно в высокотемпературной зоне газохода, в диапазоне температур 350 - 500°С, что достаточно для обеспечения необходимой степени превращения диоксида серы в триоксид серы на катализаторе.

Кроме того, каталитический картридж может быть оснащён устройством для управления количеством проходящего через катализатор газа и, соответственно, количеством диоксида серы, окисленного в триоксид серы. Необходимость такого управления обусловлена непостоянными параметрами газового потока и состава дымовых газов в зависимости от используемого угля. Устройство имеет регулятор потока дымовых газов на входе в каталитический картридж, устройство изменяет гидравлическое сопротивление каталитического картриджа, тем самым уменьшая или увеличивая расход поступающего в каталитический картридж диоксида серы из потока, и соответственно снижая или увеличивая количество получаемого в картридже триоксида серы.

Одним из вариантов технической реализации такого устройства может быть многолепестковый клапан с поворачивающимися пластинами, которые могут управляемо перекрывать частично или полностью каналы в блоке, пример такого устройства (https://www.directindustry.com/prod/rimor/product-192247-2071213.html).

Поток дымовых газов, который направляется на очистку в электрофильтр, проходит через газоход, часть которого перекрывают каталитическим картриджем, в который проходит от 5 до 50% газового потока. В результате диоксид серы, который содержится в газовом потоке, проходящем через катализатор, окисляется с образованием триоксида серы в температурном диапазоне 350-500°С. Триоксид серы затем сорбируется на частицах золы, улучшая их электрофизические свойства, тем самым повышая эффективность удаления этих частиц в электрофильтре.

Техническим результатом, достигаемым предлагаемым способом, является получение требуемого для эффективного кондиционирования дымовых газов количества триоксида серы с минимальными капитальными затратами за счет размещения каталитического картриджа непосредственно в газоходе, частично его перекрывая, без использования дополнительно создаваемого реактора, с помощью каталитического слоя с низким гидравлическим сопротивлением и высокой проницаемостью за счет использования структурированной системы параллельных слоев катализатора, например, на основе стекловолокнистого носителя, а также с возможностью управления концентрацией триоксида серы в дымовых газах за счет управления расходом газа, поступающего в каталитический картридж.

Краткое описание чертежей

Пример расположения каталитического картриджа в газоходе показан на Фигуре, где: 1 - газоход; 2 - устройство для регулирования газового потока, поступающего в каталитический картридж; 3 - каталитический картридж; стрелками показано направление газового потока.

Осуществление изобретения

Примеры осуществления предлагаемого способа выполнены методом расчёта степени превращения и гидравлического сопротивления по методике, описанной в (А.Н.Загоруйко, С.А.Лопатин. «Структурированные каталитические системы на основе стекловолокнистых катализаторов». Новосибирск, издательство НГТУ. 2018. 204 с.).

Пример 1

Для угольного котла мощностью 300 МВт, расходом 1200000 норм. м³/ч, при этом скорость газового потока составляет 10,1 м/с, начальное содержание диоксида серы в газовом потоке - на уровне 200 ppm, для кондиционирования дымовых газов требуется 10 рpm SO₃. Для обеспечения такой концентрации триоксида серы необходим каталитический картридж, состоящий из параллельных слоёв стекловолокнистого катализатора, где в роли активного компонента выступает платина, и плоских металлических сеток, с высотой канала (расстояние между слоями) 15 мм, размещенный в зоне газохода, где температура 450°С. При этом каталитический картридж перекрывает 30% площади сечения газохода и через него проходит 360000 норм. м³/ч газа, протяженность каталитического картриджа составляет 1,5 м.

Расчётная степень превращения диоксида серы - 5%, а содержание SO₃ в дымовых газах после каталитического картриджа - 10 ppm. Расчётное гидравлическое сопротивление такого слоя катализатора составляет 560 Па.

Пример 2

Для условий, аналогичных примеру 1, с тем отличием, что перекрывание каталитическим картриджем составляет 50% площади сечения газохода, через него проходит 600000 норм. м³/ч газа. При этом для степени превращения диоксида серы 5% и получения 10 ppm триоксида серы в газовом потоке необходим каталитический картридж, состоящий из параллельных слоёв стекловолокнистого катализатора, где в роли активного компонента выступает платина, и плоских металлических сеток, с высотой канала (расстояние между слоями) 15 мм, протяженностью 0,9 м, расчётное гидравлическое сопротивление слоя 330 Па.

Пример 3

Для условий, аналогичных примеру 2, с тем отличием, что каталитический картридж размещён в зоне газохода, где температура 500°С. При этом для получения 10 ppm триоксида серы в газовом потоке необходим каталитический картридж, состоящий из параллельных слоёв стекловолокнистого катализатора, где в роли активного компонента выступает платина, и плоских металлических сеток, с высотой канала (расстояние между слоями) 10 мм, протяженностью 0,4 м, расчётное гидравлическое сопротивление слоя 230 Па.

Пример 4

Для условий, аналогичных примеру 2, с тем отличием, что каталитический картридж размещён в зоне газохода, где температура 350°С. При этом для получения 10 ppm триоксида серы в газовом потоке необходим каталитический картридж, состоящий из параллельных слоёв стекловолокнистого катализатора, где в роли активного компонента выступает платина, и плоских металлических сеток, с высотой канала (расстояние между слоями) 15 мм, протяженностью 2,5 м, расчётное гидравлическое сопротивление слоя 1050 Па.

Пример 5

Для получения 70 ppm триоксида серы в газовом потоке, расходом 1200000 норм. м³/ч, со скоростью газового потока 10,1 м/с, требуется каталитический картридж, состоящий из параллельных слоёв стекловолокнистого катализатора, где в роли активного компонента выступает платина, и плоских металлических сеток, с высотой канала 5 мм, протяженностью 4 м, размещенный в зоне газохода, где температуре 450°С, при этом каталитический картридж перекрывает 50% площади сечения газохода и через него проходит 600000 норм. м³/ч газа. Расчётная степень превращения диоксида серы 35%, а содержание SO₃ в дымовых газах после каталитического картриджа 70 ppm.

Пример 6

Для условий, аналогичных примеру 5, с тем отличием, что каталитический картридж дополнительно оснащен устройством для регулирования количества газового потока, поступающего в картридж, так что в каталитический картридж поступает 120000 норм. м³/ч газа, расход газа снижается с 50% до 10% общего объема дымовых газов. При этом концентрация триоксида серы в дымовых газах снижается с 70 ppm до 15 ppm.

Изобретение относится к кондиционированию дымовых газов перед подачей их в электрофильтр и может применяться для повышения эффективности улавливания частиц летучей золы. Способ химического кондиционирования дымовых газов заключается в каталитическом окислении диоксида серы, который содержится в дымовых газах, в триоксид серы в каталитическом картридже. Каталитический картридж расположен в газоходе в зоне температур 350-500°С и перекрывает часть газохода так, что через каталитический картридж проходит от 5 до 50% газового потока. Слои катализатора в картридже параллельны направлению движения газового потока. Каталитический картридж дополнительно оснащен устройством, регулирующим количество проходящего газа через слой катализатора за счет изменения гидравлического сопротивления картриджа. Обеспечивается создание управляемого превращения диоксида серы, содержащегося в дымовых газах, в триоксид серы, а также в уменьшении гидравлического сопротивления каталитического слоя, в котором происходит это превращение, с минимальными капитальными затратами. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 6 пр.

1. Способ химического кондиционирования дымовых газов триоксидом серы, который получают путём окисления диоксида серы, содержащегося непосредственно в потоке дымовых газов, в каталитическом картридже, расположенном в газоходе и перекрывающем его часть в зоне температур 350-500°С так, что через каталитический картридж проходит от 5 до 50% газового потока, при этом слои катализатора в картридже параллельны направлению движения этого потока, отличающийся тем, что каталитический картридж на входе дополнительно оснащают устройством, которое регулирует количество газового потока, проходящего через каталитический картридж, за счет изменения гидравлического сопротивления картриджа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каталитический картридж состоит из параллельных слоёв стекловолокнистого катализатора, представляющего собой стеклотканный носитель с нанесенным активным компонентом, например платиной, и слоёв плоской металлической сетки либо слоёв гофрированных структурирующих элементов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве устройства на входе в каталитический картридж используют многолепестковый клапан с поворачивающимися пластинами.