СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ И ПЕРЕРАБОТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК B01D53/62 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в процессах очистки и утилизации дымовых газов теплоэнергетических установок.

Известно устройство для очистки дымовых газов с утилизацией тепла, вредных примесей и диоксида углерода, включающее газоход, вертикальный трубчатый теплообменник, карбонизатор с размещенным в его верхней части диспергатором жидкости, циркуляционный насос с декарбонизатором, трубчатый воздухоподогреватель, конденсатор, анионитовый фильтр, карбонизатор и подогреватель раствора моноэтаноламина.

Комплексный способ очистки дымовых газов с утилизацией тепла, вредных примесей и диоксида углерода, включает охлаждение дымовых газов, очистку от диоксида углерода абсорбцией, вывод очищенных газов в атмосферу и десорбцию из раствора диоксида углерода, освобождение очищенных от оксидов азота дымовых газов от оксидов углерода абсорбцией и получение диоксида углерода для реализации потребителю (патент РФ №2371238, опубл. 27.10.2009, Бюл. №30).

Недостатком известного устройства является необходимость применения материалоёмкого и технически сложного оборудования - холодильника дымовых газов, колонны абсорбера, отпарной колонны, холодильника абсорбента.

Недостатком известного способа является необходимость предварительной сложной многоступенчатой и затратной подготовки дымовых газов к переработке: стабилизация температуры дымовых газов, очистка газов от оксидов азота, абсорбция и десорбция углекислого газа тройной этаноламинной композицией, очистка и регенерация абсорбента.

Известно устройство для очистки и утилизации дымовых газов с конверсией диоксида углерода в кислород, включающее газоход, подогреватель карбонизированного раствора моноэтаноламина, вертикальный трубчатый теплообменник, анионитовый фильтр, карбонизатор, циркуляционный насос, диспергатор.

Комплексный способ для очистки и утилизации дымовых газов с конверсией диоксида углерода в кислород включает охлаждение дымовых газов, очистку от оксидов азота, освобождение от оксидов углерода абсорбцией, взаимодействие выделенного углекислого газа с водой, в которой присутствуют фотосинтезирующие водоросли, фотосинтез с образованием углеводов и кислорода, сбор и вывод кислорода (патент РФ №2537858, опубл. 10.01.2015, Бюл. №1).

Недостатком известного устройства, является наличие дорогостоящего аппаратурного оформления сложной технологической стадии извлечения диоксида углерода из дымовых газов.

Недостатком известного способа, ограничивающим его широкое применение, является наличие сложной и затратной технологической стадии извлечения диоксида углерода из дымовых газов, все этапы которой требуют значительных эксплуатационных затрат на приобретение реагентов, на выработку острого пара, затрат электроэнергии на низкотемпературное охлаждение.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство по утилизации и переработке дымовых газов и водяных паров с получением синтез-газа для действующих и проектируемых ТЭЦ, ТЭС и районных котельных, содержащее металлический реактора синтез-газа, с которым соединен при помощи сварки один конец металлического дымопровода, второй конец которого отходит от действующего дымососа, соединенный с ним при помощи фланцевого соединения и сварки; газовую горелку (патент РФ №180149, опубл. 05.06.2018, Бюл. №16).

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявленным изобретением, металлический реактор синтез-газа, соединенный дымопроводом с действующим дымососом.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является использование значительного количества водяного пара высокого давления, необходимого для высокотемпературной конверсии углекислого газа в синтез газ (смесь угарного газа и водорода) - соотношение пар/газ для паровой конверсии составляет, как правило, 3:1. Кроме того, предлагаемый реактор характеризуется низкой степенью конверсии реакционной смеси в синтез газ, в следствие незначительного времени контакта реакционной смеси с металлом стенки корпуса, а также малой площадью контакта реакционной смеси с металлом, ограниченной площадью внутренней поверхности металлической трубы реактора.

Задачей изобретения является, снижение выбросов дымовых газов, повышение экономической эффективности процесса утилизации и переработки дымовых газов, расширение арсенала технических средств.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для утилизации и переработки дымовых газов печи, содержащее реактор синтез-газа, соединённый дымопроводом с дымососом печи, причем оно дополнительно содержит последовательно соединённые теплообменник-рекуператор, аппарат воздушного охлаждения, двухфазный гравитационный сепаратор центробежного типа, компрессор, трубчатый каталитический реактор синтеза углеводородов, холодильник-сепаратор с рубашкой, при этом теплообменник-рекуператор соединён с реактором синтез-газа и дымососом печи.

Отличительными признаками предлагаемых решения является то, что устройство дополнительно содержит последовательно соединённые теплообменник-рекуператор, аппарат воздушного охлаждения, двухфазный гравитационный сепаратор центробежного типа, компрессор, трубчатый каталитический реактор синтеза углеводородов, холодильник-сепаратор с рубашкой, при этом теплообменник-рекуператор соединён с реактором синтез-газа и дымососом печи.

Для решения поставленной задачи предлагается также способ утилизации и переработки дымовых газов, в котором дымовые газы смешивают с метаном или природным газом соотношении в 2:1 и подают в реактор синтез-газа, где производят конверсию метана в синтез-газ при температуре +750-950°С и давлении 1-5 бар, при этом дымовые газы перед подачей в реактор синтез-газа нагревают в теплообменнике-рекуператоре до температуры +400-700°С теплом горячего синтез-газа, отходящего из реактора синтез-газа, при этом в реакторе синтез-газа сжигают дополнительный объём смеси метана или природного газа с воздухом для получения в синтез-газе соотношения СО:Н2, равного 1:1, далее синтез-газ в аппарате воздушного охлаждения охлаждают до температуры +30-40°С, после чего в двухфазном гравитационном сепараторе центробежного типа из потока синтез-газа выделяют конденсат и обезвоженный синтез-газ компримируют компрессором до давления 20-30 бар и подают в трубчатый каталитический реактор синтеза углеводородов с температурой +140-170⁰С, а в трубчатом каталитическом реакторе синтеза углеводородов на железном катализаторе при температуре +200-300°С производят синтез диметилового эфира, который из реактора подают в холодильник-сепаратор с рубашкой, где его охлаждают хладогентом до температуры конденсации и выводят из сепаратора.

Отличительными признаками предлагаемых решений является то, что

дымовые газы смешивают с метаном или природным газом в соотношении 2:1 и подают в реактор синтез-газа, где производят конверсию метана в синтез-газ при температуре +750-950°С и давлении 1-5 бар, при этом дымовые газы перед подачей в реактор синтез-газа нагревают в теплообменнике-рекуператоре до температуры +400-700°С теплом горячего синтез-газа, отходящего из реактора синтез-газа, причём в реакторе синтез-газа сжигают дополнительный объём смеси метана или природного газа с воздухом для получения в синтез-газе соотношения СО:Н2, равного 1:1,

далее синтез-газ в аппарате воздушного охлаждения охлаждают до температуры +30-40°С, после чего в двухфазном гравитационном сепараторе центробежного типа из потока синтез-газа выделяют конденсат и

обезвоженный синтез-газ компримируют компрессором до давления 20-30 бар и подают в трубчатый каталитический реактор синтеза углеводородов с температурой +140-170°С, в трубчатом каталитическом реакторе синтеза углеводородов на железном катализаторе при температуре +200-300°С производят синтез диметилового эфира, который из реактора подают в холодильник-сепаратор с рубашкой, где его охлаждают хладогентом до температуры конденсации и выводят из сепаратора.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют обеспечить расширение арсенала технических средств, снижение выбросов дымовых газов, повышение экономической эффективности процесса утилизации и переработки дымовых газов.

Предлагаемые решения иллюстрируются чертежом, на котором изображена общая схема устройства.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Устройство содержит реактор синтез-газа 1, представляющий собой автотермический реактор риформинга с горелкой 2, соединенный металлическим дымопроводом 3 с дымососом 4, благодаря чему образуемые при сжигании топлива в теплоэнергетической установке 5 дымовые газы, поступающие в дымовую трубу 6, направляются в реактор синтез-газа 1.

При этом в металлическом дымопроводе 3, соединяющим реактор синтез-газа 1 с дымососом 4, установлен теплообменник-рекуператор 7, в котором дымовые газы смешиваются с метаном или природным газом, подаваемым в теплообменник-рекуператор 7 по линии 8 и нагреваются теплом горячего синтез-газа, отходящего из реактора синтез-газа 1 по трубопроводу 9.

Реактор синтез-газа 1 соединен с входом аппарата воздушного охлаждения 10 металлическим трубопроводом 11.

Выход аппарата воздушного охлаждения 10 соединен с двухфазным гравитационным сепаратором центробежного типа 12, имеющим линию отвода конденсата 13 металлическим трубопроводом 14.

На выходе двухфазный сепаратор 12 соединен с компрессором 15 при помощи металлического трубопровода 16.

Компрессор 15 соединен с каталитическим реактором синтеза углеводородов трубчатого типа 17 металлическим трубопроводом 18.

Выход каталитического реактора 17 соединен с входом холодильника-сепаратора с рубашкой 19 металлическим трубопроводом 20. При этом холодильник-сепаратор 19 имеет линии отвода углеводородов 21 и отходящих газов 22.

Таким образом, дымосос, теплообменник-рекуператор, реактор синтез-газа, аппарат воздушного охлаждения, сепаратор, компрессор, трубчатый каталитический реактор синтеза и холодильник-сепаратор с рубашкой, входящие в состав устройства, соединены меду собой последовательно. При этом соединение аппаратов осуществляется металлическими трубопроводами при помощи фланцевых соединений или сварки.

Способ утилизации и переработки дымовых газов реализуется в устройстве следующим образом.

В основу предлагаемого способа положен состав дымовых газов теплоэнергетических агрегатов, основными компонентами которых на основании опытных данных и расчета состава продуктов сгорания являются азот 76-82 об.%, диоксид углерода 7-14 об.%, водяные пары 5-17 об.%.

При работе теплоэнергетической установки 5 при сжигании топлива, образуются дымовые газы, поступающие в дымовую трубу 6. Благодаря дымососу 4, установленному у дымовой трубы 6, образуемые дымовые газы по металлическому дымопроводу 3 направляются в реактор синтез-газа 1.

При этом в металлическом дымопроводе 3 установлен теплообменник-рекуператор 7, в котором дымовые газы с температурой +150-250°С смешиваются с метаном или природным газом, подаваемом по трубопроводу 8, и нагреваются теплом горячего синтез-газа, отходящего из реактора синтез-газа 1, до температуры +400-700°С.

Реактор синтез-газа 1 представляет собой автотермический каталитический реактор риформинга дополнительно подогреваемый теплом от сжигания в воздушной горелке 2 смеси метана или природного газа с воздухом, подаваемом по трубопроводу 23, на гранулированном никелевом катализаторе, в следствие чего происходит конверсия метана в синтез-газ при температуре +750-950°С и давлении 1-5 бар. При этом дымовые газы, образующиеся при сжигании дополнительного объема метана, также поступают на катализатор для конверсии. Полученный в результате углекислотной и паровой конверсии метана синтез-газ имеет соотношение СО:Н₂ равное 1:1, оптимальное для синтеза диметилового эфира.

Полученный в реакторе 1 синтез-газ, подается по металлическому трубопроводу 11 в аппарат воздушного охлаждения 10, где потоком наружного воздуха, нагнетаемого вентилятором, охлаждается до температуры +30-40°С.

Охлажденный синтез-газ по трубопроводу 14 поступает в двухфазный гравитационный сепаратор центробежного типа 12, где из потока синтез-газа выделяется конденсат, выводящийся по трубопроводу 13.

Выходящий из двухфазного гравитационного сепаратора центробежного типа 12 обезвоженный синтез-газ подается по трубопроводу 16 в компрессор 15, компримируется компрессором 15и под давлением 20-30 бар подается в трубчатый каталитический реактор синтеза углеводородов 17 с температурой +140-170°С.

В каталитическом реакторе синтеза углеводородов трубчатого типа 17 на железном катализаторе при температуре +200-300°С происходит синтез диметилового эфира. При этом разогрев катализатора до температуры +200-300°С осуществляется теплом экзотермической реакции синтеза, а избыточное тепло отводится из зоны реакции через металлические стенки трубок реактора потоком наружного воздуха, нагнетаемого вентилятором.

Парогазовая смесь из реактора 17 по трубопроводу 20 поступает в холодильник-сепаратор с рубашкой 19, где охлаждается хладогентом до температуры конденсации диметилового эфира, который выводят из сепаратора 19 по трубопроводу 21 в накопительную емкость (на схеме не указана) и отгружают потребителю на дальнейшую переработку. Выделившиеся в холодильнике-сепараторе 19 отходящие газы, содержащие 3-5% непрореагировавшего синтез-газа, направляются на выброс в дымовую трубу по трубопроводу 22.

Таким образом, в процессе утилизации и переработки дымовых газов, осуществляемом согласно приведенному способу в предлагаемом устройстве, образуется товарный продукт конверсии - диметиловый эфир, коммерческая реализация которых сокращает затраты на переработку и утилизацию дымовых газов, что позволяет обеспечить снижение выбросов дымовых газов, повышение экономической эффективности процесса утилизации и переработки дымовых газов, расширение арсенала технических средств,

Реализация изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример №1: Дымовые газы, поступающие по дымопроводу из дымососа смешали в теплообменнике-рекуператоре с метаном в соотношении 2:1, нагрели до температуры +750°С теплом горячего синтез-газа, отходящего из реактора синтез-газа и подали в реактор синтез-газа. В реакторе произведена конверсию метана в синтез-газ при температуре +750°С и давлении 1 бар.

В реакторе синтез-газа сжигали дополнительный объём смеси метана с воздухом для получения в синтез-газе соотношения СО:Н₂ равное 1:1.

Затем в аппарате воздушного охлаждения синтез-газ охладили до температуры +30°С.

Далее в двухфазном гравитационном сепараторе центробежного типа из потока синтез-газа выделили воду и обезвоженный синтез-газ компримировали компрессором до давления 20 бар, затем подав в трубчатый каталитический реактор синтеза углеводородов с температурой +140°С.

В трубчатом каталитическом реакторе синтеза углеводородов на железном катализаторе при температуре +220°С был произведен синтез диметилового эфира, который из реактора подали в холодильник-сепаратор с рубашкой, где диметиловый эфир охладили воздухом до температуры конденсации +140°С и вывели из сепаратора.

Пример №2:

Дымовые газы, поступающие по дымопроводу из дымососа смешали в теплообменнике-рекуператоре с метан в соотношении 2:1, нагрели до температуры +950°С теплом горячего синтез-газа, отходящего из реактора синтез-газа и подали в реактор синтез-газа. В реакторе произведена конверсию метана в синтез-газ при температуре +950°С и давлении 5 бар.

В реакторе синтез-газа сжигался дополнительный объём смеси природного газа с воздухом для получения в синтез-газе соотношения СО:Н₂ равное 1:1.

Затем в аппарате воздушного охлаждения синтез-газ охладили до температуры +40°С.

Далее в двухфазном гравитационном сепараторе центробежного типа из потока синтез-газа выделили воду и обезвоженный синтез-газ компримировали компрессором до давления 30 бар, затем подав в трубчатый каталитический реактор синтеза углеводородов с температурой +170°С.

В трубчатом каталитическом реакторе синтеза углеводородов на железном катализаторе при температуре +300°С произведен синтез диметилового эфира, который из реактора подавали в холодильник-сепаратор с рубашкой, где диметиловый эфир охлаждали воздухом до температуры конденсации +140°С и выводили из сепаратора.

Группа изобретений относится к теплоэнергетике и может быть использована в процессах очистки и утилизации дымовых газов теплоэнергетических установок. Устройство для утилизации и переработки дымовых газов печи содержит реактор синтез-газа, соединённый дымопроводом с дымососом печи. Устройство дополнительно содержит последовательно соединённые теплообменник-рекуператор, аппарат воздушного охлаждения, двухфазный гравитационный сепаратор центробежного типа, компрессор, трубчатый каталитический реактор синтеза углеводородов, холодильник-сепаратор с рубашкой. При этом теплообменник-рекуператор соединён с реактором синтез-газа и дымососом печи. Способ утилизации и переработки дымовых газов, в котором дымовые газы смешивают с метаном или природным газом в соотношении 2:1 и подают в реактор синтез-газа, где производят конверсию метана в синтез-газ при температуре +750-950°С и давлении 1-5 бар. Дымовые газы перед подачей в реактор синтез-газа нагревают в теплообменнике-рекуператоре до температуры +400-700°С теплом горячего синтез-газа, отходящего из реактора синтез-газа. В реакторе синтез-газа сжигают дополнительный объем смеси метана или природного газа с воздухом для получения в синтез-газе соотношения СО:Н2, равного 1:1. Синтез-газ в аппарате воздушного охлаждения охлаждают до температуры +30-40°С, после чего в двухфазном гравитационном сепараторе центробежного типа из потока синтез-газа выделяют конденсат. Обезвоженный синтез-газ компримируют компрессором до давления 20-30 бар и подают в трубчатый каталитический реактор синтеза углеводородов с температурой +140-170°С. В трубчатом каталитическом реакторе синтеза углеводородов на железном катализаторе при температуре +200-300°С производят синтез диметилового эфира, который из реактора подают в холодильник-сепаратор с рубашкой, где его охлаждают хладогентом до температуры конденсации и выводят из сепаратора. Группа изобретений обеспечивает снижение выбросов дымовых газов, повышение экономической эффективности процесса утилизации и переработки дымовых газов, расширение арсенала технических средств. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Устройство для утилизации и переработки дымовых газов печи, содержащее реактор синтез-газа, соединённый дымопроводом с дымососом печи, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит последовательно соединённые теплообменник-рекуператор, аппарат воздушного охлаждения, двухфазный гравитационный сепаратор центробежного типа, компрессор, трубчатый каталитический реактор синтеза углеводородов, холодильник-сепаратор с рубашкой, при этом теплообменник-рекуператор соединён с реактором синтез-газа и дымососом печи.

2. Способ утилизации и переработки дымовых газов, отличающийся тем, что дымовые газы смешивают с метаном или природным газом в соотношении 2:1 и подают в реактор синтез-газа, где производят конверсию метана в синтез-газ при температуре +750-950°С и давлении 1-5 бар, при этом дымовые газы перед подачей в реактор синтез-газа нагревают в теплообменнике-рекуператоре до температуры +400-700°С теплом горячего синтез-газа, отходящего из реактора синтез-газа, при этом в реакторе синтез-газа сжигают дополнительный объём смеси метана или природного газа с воздухом для получения в синтез-газе соотношения СО:Н2, равного 1:1, далее синтез-газ в аппарате воздушного охлаждения охлаждают до температуры +30-40°С, после чего в двухфазном гравитационном сепараторе центробежного типа из потока синтез-газа выделяют конденсат и обезвоженный синтез-газ компримируют компрессором до давления 20-30 бар и подают в трубчатый каталитический реактор синтеза углеводородов с температурой +140-170°С, где на железном катализаторе при температуре +200-300°С производят синтез диметилового эфира, который из реактора подают в холодильник-сепаратор с рубашкой, где его охлаждают хладогентом до температуры конденсации и выводят из сепаратора.