Способ нейтрализации вредных газообразных примесей и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к способу и устройству для нейтрализации газообразных примесей в горячем топочном газе, образующемся в процессе сжигания. Сущность изобретения: вредные отходящие топочные газы, образующиеся в результате сгорания топлива, подвергаются химико-механической очистке, в процессе которой производится первичная конденсация, по меньшей мере, части водяного пара, присутствующего в очищаемых газах, с последующим смешиванием полученного конденсата с отсепарированными высококонцентрированными солями щелочных металлов и/или щелочами и остаточными газами и осуществлением промывки газового потока. Таким образом, из остаточного топочного газа удаляется основная часть примесного продукта, образующегося в результате очистки. Потеря тепловой энергии топочных газов на начальной стадии промывки (скруббирования) в последующем может быть скомпенсирована за счет дополнительного нагрева. Рассматриваемый процесс очистки включает в себя дополнительную обработку, состоящую в распылительном орошении первично обработанных топочных газов основным веществом типа известкового раствора с целью полного удаления из газов кислотных примесей и регулирования количества двуокиси углерода, выбрасываемого в атмосферу, 2 c.н. з.п. ф-лы.4 ил.

Данное изобретение направлено на предупреждение загрязнения атмосферы отходящими топочными газами и касается способа очистки газообразных продуктов сгорания с использованием химико-механической обработки газов, включая процесс восстановления и регулирования циклов глобального обмена веществ в атмосфере, нарушаемых при выбросе топочных и выхлопных газов. Помимо этого предметом притязаний изобретения является очистное устройство или установка для осуществления вышеуказанного способа.

Загрязнение атмосферы является проблемой мирового масштаба, все большее значение которой предопределяется возрастающей опасностью для человечества накапливающихся вредных газовых примесей, негативное действие которых проявляется на природу в виде кислотных дождей и глобального парникового эффекта, обусловленного в основном повсеместным возрастанием в атмосфере содержания двуокиси углерода.

Большинство типов примесей содержит значительное число питательных веществ. Из них для поддержания жизнедеятельности растений наибольшее значение имеют кальций и магний. Кислота, попадающая в почву из кислотного дождя, соединяется с этими полезными элементами, удаляя их из почвы. По мере закисления почвы происходит уменьшение ее водородного показателя pH. При снижении значения этого показателя до 4 и менее того металлы типа алюминия (присутствует в почве в больших количествах) и кадмия (присутствует в относительно небольшом количестве) становятся токсичными. Эти токсичные металлы поражают корни растений, нарушая процесс отбора корневой системой влаги из почвы и снижая ее защитные свойства по отношению к различным заболеваниям. Под действием токсических металлов погибают и почвенные бактерии, которые циклически восстанавливают питательные вещества, разлагая отмирающую растительность. Миллионы акров ранее плодородной земли, подверженной действию кислотных дождей, погибнут в недалеком будущем из-за обеднения питательными веществами, если не принять кардинальные меры по восстановлению их баланса в пораженной почве.

При выпадении кислотных дождей токсичный алюминий вымывается из почвы, попадая в водоемы, где он аккумулируется. Постепенно под его действием погибает все живое в воде (как и в почве), а также все живое, питающееся водой.

Из многочисленных публикаций хорошо известно, что наступающее глобальное потепление нашей планеты в перспективе приведет к таянию ледовых панцирей на северном и южном полюсах Земли и к непредсказуемому повышению уровня океанов и морей. Менее широко обсуждавшейся, но более конкретной по времени и опасности проблемой для человечества является чрезвычайно быстрое, устрашающее увеличение концентрации двуокиси углерода в атмосфере. Эксперименты показывают, что концентрация этого химического соединения в воздухе сверх 1% токсически опасный порог для лабораторных животных и людей. Увеличение содержания двуокиси углерода приводит к соответствующему уменьшению содержания кислорода (O₂) и как следствие к уменьшению количества атмосферного озона.

Двумя основными источниками кислородопоступления на нашей планете являются наземные растения и морские водоросли, которые, используя фотосинтез, превращают двуокись углерода в органику с высвобождением кислорода. Кислотные дожди уничтожают растительность, при этом в результате непрерывного поступления токсических примесей в водоемы погибают и водоросли.

В направлении решения проблемы кислотных дождей предприняты значительные усилия. В частности, в металлургической промышленности и на тепловых станциях действуют в настоящее время самые разнообразные очистные установки - скруббера. Однако, ныне действующие скруббера имеют 90-98%-ную эффективность по удалению O₂, вследствие чего концентрация этого токсичного соединения в атмосфере неуклонно, хотя и медленно, увеличивается, не снимая существующей экологической опасности. Индустриализация нашего общества сопровождается ухудшением экологической обстановки вследствие непрерывного загрязнения воздуха опасными химическими веществами. Из воздуха эти токсичные вещества распространяются, подобно инфекции, по всем природным средам, загрязняя воду, почву, воздушную среду и т.д. Все это приводит к нарушению естественного цикла обмена веществ, от которого полностью зависит все живое. Существует только один путь к приостановлению загрязнения природной среды - это очистка выбросов в воздух, поскольку атмосфера является тем начальным "резервуаром", из которого вредные химические вещества распространяются по всей экосреде. Действия в этой области должны быть целенаправленны и подкреплены эффективными техническими решениями. Одним из таких решений и является данное изобретение, краткое содержание которого состоит в следующем.

Предметом притязаний настоящего изобретения является усовершенствованное очистное устройство (установка) для удаления вредных примесей из отходящих топочных газов; такое устройство может использоваться самостоятельно или в объединенных батареях с оптимизированной суммарной производительностью.

Предлагаемое очистное устройство в полной мере технологически приспособлено под ныне действующие плавильные печи, тепловые станции и установки для сжигания мусора самых различных конструкций и с самыми разнообразными технологическими циклами. В основу действия такого очистного устройства положен способ, включающий в себя промывку (скруббирование) водой топочных газов с использованием реагентных добавок типа щелочей и/или солей щелочных металлов, причем воду в этом случае получают в виде конденсата из водяного пара, присутствующего в очищаемых газах.

В предпочтительном варианте исполнения в конструкции заявленного устройства предусматривается применение коррозиестойкой внутренней стенки, что обусловлено предпосылочно коррозиеактивным, кислотным характером образующегося при очистке смесевого продукта. Указанная стенка может быть выполнена как часть водоохлаждающей рубашки, ограничивающей траекторию течения (прохождения) очищаемых топочных газов. Поверхность внутренней стенки может быть профилирована, состоя из последовательности взаимосвязанных криволинейных поверхностей, организованных таким образом, чтобы максимально облегчить сбор отделяемых от газа щелочных металлов, применяемых в качестве экстракционных реагентов, может быть усилено за счет использования последовательности форсунок, через которые в зону очистки могут подаваться воздух, пар или их смесь: такой форсуночный наддув способствует усилению перемешивания продуктов конденсации и топочного газа, что в конечном итоге усиливает абсорбцию примесей, содержащихся в нем. Применение сжатого воздуха или пара в сочетании с инжектированием высококонцентрированных растворов щелочей и/или солей щелочных металлов позволяет повысить общую растворимость вредных примесных газообразных соединений типа SO₂, SO₃ и NO_x в каплях конденсата с образованием соответствующего нетоксичного смесевого продукта. Этот продукт собирается на вогнутых, криволинейных поверхностях внутренней стенки рабочей камеры очистной установки скруббера и далее выводится по трубопроводам в основании указанной камеры под вышеупомянутыми поверхностями.

Таким образом, существом притязаний настоящего изобретения является очистное устройство-эксктрактор, используемое для извлечения вредных примесей из горячих топочных газов, выводимых из камер сгорания или печей. В состав этого устройства входят: камера экстракции газовых примесей, через которую пропускаются обрабатываемые топочные газы, конденсаторное средство с внешней охладительной рубашкой, смеситель внутри указанной камеры, предназначенный для однородного перемешивания продуктов конденсации с топочными газами; средство сбора образующегося смесевого продукта; и дренажное сродство для вывода смеси, накапливающейся внутри каморы.

Первичная конденсация части летучих компонентов из топочного газа в основном это водяной пар в сочетании со смешиванием реагентных щелочей и/или солей щелочных металлов и конденсата в виде капель при соответствующем балансе топочного газа позволяет связать значительное количество вредных газовых примесей с каплями конденсата, все эти операции осуществляются одновременно.

Образующийся, таким образом, смесевой продукт собирается с достаточно большой рабочей площади осаждения и выводится дренажно наружу. Обладая достаточно большой концентрацией, он может легко подвергаться утилизационной обработке, включая в себя в основном окислы серы и азота, отсепарированные из топочного газа.

Количество влаги, содержащейся в угле, используемом в печах, в большинстве случаев превышает тот уровень, который необходим для сепарационного связывания примесей, содержащихся в отходящих топочных газов. В свою очередь, при использовании в качестве топлива нефтепродуктов влаговыделение составляет порядка 11% что также вполне достаточно для связывания примесей при очистке газообразных продуктов сгорания.

Помимо очистного устройства предметом притязаний данного изобретения является способ очистки, реализуемый вышеуказанным устройством. Этот способ, рассчитанный на эффективное селективное удаление вредных газовых примесей из горячего топочного газа, отходящего из зоны сжигания топлива, включает в себя следующие рабочие операции: смешивание обрабатываемого топочного газа с выделяемым из него полностью или частично конденсатом; одновременное смешивание топочного газа с конденсатом и щелочами и/или солями щелочных металлов с целью интенсификации абсорбции конденсатом, по меньшой мере, некоторый части вредных примесей из очищаемого газа с образованием жидкого смесевого продукта; сбор смесевого продукта по вогнутым, криволинейным поверхностям внутренней стенки экстракторной камеры, окружающей траекторию течения топочного газа; и удаление собранного продукта из выходящего остаточного потока топочного газа.

Остаточный топочный газ, очищенный, по меньшей мере, частично в (в последовательности) экстракторно-очистной камере (камерах), продолжает течь дальше в направлении входа дымовой трубы. На этой стадии при необходимости газ может подвергаться подогреву или повторному нагреву.

Изобретение предусматривает, помимо всего прочего, смешивание химически активного агента с топочным газом для химической дегазации кислотных компонентов последнего. Химически активный агент лучше всего распылять в виде горячего жидкого раствора в остаточный (частично очищенный) топочный газ. В этом смысле предпочтительным является использование сырьевого материала типа кальциевого соединения в виде негашеной извести. В том случае, когда в состав используемого печного оборудования входит дымовая труба для выпуска топочных газов, распыление раствора извести лучше всего производить у выхода этой трубы.

Вышеуказанная химическая обработка остаточного топочного газа путем инжектирования в него сырьевого материала в виде нагретого жидкого раствора проводится с помощью последовательности жидкостных форсунок, размещаемых предпочтительно у точки или сечения выхода топочных газов в атмосферу, причем количество и производительность форсунок должны подбираться так, чтобы в потоке топочного газа создавалась потребно большая концентрация инжектируемого реагента (извести). Температура инжектируемого материала должна быть ниже точки каления. Применение датчика водородного показателя PH и регистратора SO₂, располагаемых по потоку за экстрационной очистной камерой, позволяет определять количество известкового раствора, необходимое для раскисления предварительно очищенного газа.

Таким образом, существо изобретения предполагает использование дополнительного газоочистного оборудования, при функционировании которого предусматривается смешивание различных потребных химических веществ с топочными отходящими газами в канале дымоходной трубы. Это выходное дымоходное оборудование включает в себя; накопительные средства для используемых реагентов; средства подачи реагентов в канал дымоходной трубы; и средства распыления применяемых реагентов с целью их смешивания с выходящими по дымовой трубе предварительно очищенными топочными газами.

Указанное дымоходное оборудование предназначается для ускорения процесса очистки и нейтрализации горячего топочного газа на конечной стадии вывода его в атмосферу. Принцип действия такого оборудования включает в себя следующие рабочие операции: смешивание различных необходимых химических веществ-реагентов с выходным потоком топочного газа (в оптимуме в такой смеси предполагается использование известковой воды, сжатого воздуха, пара или каких-то их комбинаций) с целью хотя бы частичной нейтрализации кислотообразующих загрязняющих примесей; выпуск сформированного таким образом продукта в атмосферу.

Одним из проявлений рассматриваемого процесса очистки топочного газа является изменение его массы в дымовыводной трубе, что может изменять характер осаждения выброса на землю. Это явление может быть в полной море скомпенсировано путем увеличения энергии выводимого в атмосферу топочного газа, что может быть обеспечено за счет подогрева или увеличения кинетической энергии потока. В том случае, когда вывод топочного газа в атмосферу через дымоходную трубу используется целенаправленно для улучшения или выправления ранее нарушенной загрязняющими выбросами экологической обстановки, схема осаждения полезных осадков на землю через выводимый в атмосферу топочный газ приобретает особое значение. С этой целью в выбрасываемый в атмосферу газ могут вводиться соответствующие воздухообразующие добавки, такие как магнезитовое молоко и другие питательные вещества.

Следует указать, что подветренная зона выседания полезных примесей может быть увеличена или удлинена с помощью дополнительных передвижных дымоотводящих труб или колонн с использованием воздуха и/или пара в качестве носителя соответствующего полезного химического вещества. Такие дымоотводящие трубы, монтируемые на переносных установках, используются исключительно для рассеивания в атмосферу экологически полезных химических реагентов.

Для пояснения существа изобретения ниже в качестве примера приводится описание частных вариантов его исполнения, которые, однако, не следует рассматривать как ограничивающую информацию по признакам предлагаемого технического решения. Вышеуказанное описание сопровождено чертежными материалами, краткое содержание которых состоит в следующем.

На фиг. 1 приведена упрощенная схема тепловой станции, в состав которой входит очистное оборудование в соответствующем частном варианте исполнения, представляющее данное изобретение; на фиг. 2 в увеличенном масштабе показана часть схемы фиг. 1; на фиг. 3 приведена схема выходной дымотрубной части очистной установки согласно данному изобретению в модифицированном варианте исполнения; и на фиг. 4 в увеличенном масштабе показана часть фиг. 3.

Рассмотрим подробно фиг. 1. Служебное здание 1 станции связано коллектором 1.2 вывода отработанных топочных газов с электростатическим осадителем (фильтром) 3. Выходной канал 2 этого осадителя связан с камерой-экстрактором 4 очистной установки, представляющей предмет притязаний настоящего изобретения. Выход камеры 4 связан с подогревной камерой 17 и далее через вытяжной вентилятор-экскаустер 18 с газовыводной трубой 10. С очистной экстракторной камерой 4 связаны накопительные резервуары 11.

Выход очистной камеры 4, через который выводятся топочные газы, оснащен датчиком 15 водородного показателя PH и измерителем концентрации SO₂. Далее подробно рассматривается схема на фиг. 2. Показанная здесь очистная камера-экстрактор 4 имеет гофрированную внутреннюю поверхность 5 и внешнюю стенку 6, между которыми образована кольцевая камера, использующаяся в качестве охлаждающей рубашки. Подача охлаждающей воды в камеру-рубашку 5.5 осуществляется по питающей трубе 13; в свою очередь, трубопровод 14 служит для отвода воды. Внутренний объем 5.7 камеры 4 связан по впадинам 7 гофрировки через набор дренажных патрубков 8 и коллектор 8.5 с накопительными резервуарами 11.

Труба 12 большого диаметра, проходящая по оси камеры 4, имеет систему отходящих от нее радиально по кругу и с соответствующим продольным смещением инжекционных труб 9. Питающий трубопровод 19 подключен к источнику воздуха и/или пара (не показан). В свою очередь, другой питающий трубопровод 19.5 связан с источником щелочи и/или соли щелочного металла (не показан).

В процессе работы рассматриваемого оборудования горячий топочный газ, образующийся при сгорании природного топлива, к примеру угля, нефтепродуктов, природного газа и т.п. проходит по каналу 1.2 к электростатическому фильтру 3, где из газа удаляются тонкодисперсная пыль и другие аэрозольные частицу продуктов сгорания. Далее горячий топочный газ поступает по каналу 2 в очистную камеру-экстрактор 4. Внутренняя стенка 5 этой газоочистной камеры охлаждается водой, пропускаемой через пространство 5.5 встречно направлению течения обрабатываемого топочного газа через внутренний объем 5.7.

Регулируемый по расходу поток воздуха и/или пара, поступающего по питающему трубопроводу 19, выводится через форсунки в рассматриваемую камеру 4, интенсифицируя образование капель и создавая трубулентное перемешивание в ней; этому способствует гофрированная внутренняя поверхность 5. В объем камеры 4 распыляются щелочи и/или соли щелочных металлов, подаваемые регулируемо по питающему трубопроводу 19.5 и используемые как катализаторные реагенты, повышающие растворимость в воде примесей отходящих топочных газов.

Охлаждаемая внутренняя поверхность 5 образует "развитую" по площади коллекторную поверхность сбора экстрагируемой из топочного газа жидкой примесной смеси. Впадины 5 в нижней части гофрированной стенки 5 направляют собираемую смесь в дренажные патрубки 8 и далее через трубный коллектор 8.5 в накопительные резервуары 11. Собирающаяся в этих резервуарах смесь выводится наружу с помощью насоса 11.5.

При определении оптимального размера и профиля гофров внутренней примесесборной стенки 5 очистной камеры 4 необходимо руководствоваться точкой кипения применяемой воды. В этом смысле ограничительной предпосылкой является то, что отделяемая от газа смесь примесей не должна испаряться, будучи охлаждена до безопасного уровня, и должна в полном объеме проходить (стекать) по охлажденной стенке 5 к нижерасположенным впадинам 7 гофров, собираясь в конечном счете в накопительных резервуарах 11 и поступая в них по набору дренажных патрубков 8 и трубному коллектору 8.5.

Энергетический уровень частично очищенных, остаточных топочных газов может быть восстановлен за счет подвода тепла (в камере 17 дополнительного нагрева) и/или увеличения кинетической энергии потока (с помощью вытяжного вентилятора 18).

Далее рассматривается схема на фиг. 3, на которой показана выходная часть химической обработки (дегазации) заявленной очистной установки; в эту часть установки входит источник используемого известкового раствора в виде резервуаров-смесителей 21, оснащенных механическими мешалками 21.5 и подающими насосами 25.

Выходной срез дымовыводящей трубы 10 оснащен кольцевой системой форсуночных сопел 22, 23 (см. также фиг.4), связанных с кольцевыми раздаточными каналами 19, 20. Трубопровод 27 связывает кольцевой раздаточный канал 19 с питающими насосами 25 системы подачи известкового раствора. Трубопровод 28 подсоединяет кольцевой канал 20 к источнику пара (не показан). Байпасный паропровод 26, вводимый в действие при помощи отсечного клапана 26.5, обеспечивает продувку системы подачи известкового раствора. Следует обратить внимание на то, что различные трубопроводы и форсуночное оборудование необязательно должны размещаться вне дымовыводящей трубы 10, как это показано на фиг. 3 и 4: при определенных климатических условиях может оказаться целесообразным размещать все это оборудование внутри трубы 10.

В дополнение к пару, который усиливает испарение известкового раствора, может быть использован сжатый воздух, отбираемый от соответствующего источника, вместо или наряду о паром. В этом случае в систему выходной очистки должны быть введены дополнительный кольцевой раздаточный трубопровод, воздухопитающий трубопровод, насосы подачи и кольцевая система форсунок (не показано). При функционировании рассматриваемой очистной системы необходимо поддерживать определенные температуры всех применяемых для очистки веществ, причем на всех стадиях процесса, что предполагает использование соответствующих нагревательных средств. Только в этом случае можно достигнуть максимальной эффективности и желаемого результата.

При осуществлении очистки по способу данного изобретения осуществляются следующие химические реакции: Далее целесообразно обратить внимание на то, что эффективность известковальной стадии процесса очистки зависит от количества и концентрации Ca (OH₂ раствора, инжектируемого в остаточный, частично очищенный, топочный газ. Инжектирование известкового раствора вблизи выхода дымовой трубы позволяет эффективно рассеивать на относительно большой площади образующиеся соли кальция, что предназначается для регенерации ранее загрязненной почвы. Применение многоступенчатого процесса очистки позволяет практически полностью нейтрализовать в топочных выбросах газовые примеси сернистых и азотистых соединений. Степень очистки от двуокиси углерода будет зависеть от относительного количества известкового раствора, применяемого на стадии химической дегазации.

Скорость диспергирования этого раствора на выходе дымоотводящей трубы прямо пропорциональна и может автоматически задаваться в соответствии с нагрузкой котельной установки; кроме того, она взаимосвязана со скоростью преобладающего ветра. Диспергируемый известковый раствор смешивается о газообразными примесями топочного газа, эффективно нейтрализуя остающиеся в нем вредные соединения типа двуокиси серы и азота, а также часть газообразной CO₂.

Формула изобретения

1. Способ нейтрализации вредных газообразных примесей в горячем топочном газе, образующемся в процессе сжигания, включающий понижение температуры топочного газа до образования конденсата посредством косвенного теплообмена, инжектирование в топочный газ водного раствора щелочи, сбор и удаление из топочного газа образовавшихся продуктов, отличающийся тем, что понижение температуры топочных газов и инжектирование в него водного раствора щелочи ведут при одновременном принудительном перемешивании топочного газа, конденсата и инжектируемого водного раствора щелочи, после чего в потоке частично очищенного топочного газа в сечении выхода из канала дымовой трубы в атмосферу испаряют водный раствор химического реагента, выбранного из группы, состоящей из гидроксида кальция, гидроксида магния и их смеси, и выводят в атмосферу топочный газ, содержащий аэрозольный субпродукт, затем в распространяющийся по ветру поток частично очищенного топочного газа в атмосфере вблизи выхода дымовой трубы с подветренной стороны в зоне выпадения осадка аэрозольного субпродукта распыляют подогретый водный раствор химического реагента, выбранного из указанной группы, в виде дополнительного внешнего потока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что операции принудительного перемешивания, испарения и распыления ведут при перемещении топочного газа посредством инжекции пара и/или сжатого воздуха в условиях турбулентности.

3. Устройство для нейтрализации вредных газообразных примесей, включающее подогревательную камеру, установку для сжигания, выделяющую горячие загрязняющие топочные газы, обрабатываемые в 3 стадии в точке выброса из отверстия дымовой трубы в атмосферу и с подветренной стороны относительно зоны, благоприятной для выпадения осадка побочного продукта, образующегося в воде твердых частиц, отличающееся тем, что оно включает приспособление для экстракции кислот, содержащее конденсационную камеру с конденсационными средствами, средства обеспечения турбулентности, коллекторные средства и дренажно-выпускные средства, при этом средства обеспечения турбулентности включают в себя питающую трубу для подачи текучей среды под давлением, проходящую в продольном направлении по конденсационной камере и имеющую множество отводных патрубков, расположенных с промежутками друг от друга и отходящих от нее в наружном направлении так, чтобы обеспечить получение внутри камеры множества турбулизирующих струй, коллекторные средства включают в себя коррозионно-стойкую гофрированную внутреннюю стенку профилированного сечения, обеспечивающую получение расширенной и легкодоступной площади поверхности сбора, при этом отверстие для выпуска газов из приспособления для экстракции кислот сообщается с впускным отверстием дымовой трубы, кольцевую структуру из распылительных сопл для жидкости, расположенную вблизи от выпускного отверстия дымовой трубы, при этом сопла соединяются со средствами для подачи текучей среды посредством комплекта труб, проложенных вниз параллельно дымовой трубе, дополнительную кольцевую структуру из распределительных сопл для текучей среды, расположенную вблизи от выпускного отверстия дымовой трубы и соединенную посредством комплекта труб, проложенных вниз параллельно дымовой трубе к источнику пара или сжатого воздуха, вспомогательную дымовую трубу, опирающуюся на высотное сооружение, отверстие которой оснащено двумя кольцевыми структурами из сопл, подобными предыдущей дымовой трубе.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что средства для подачи текучей среды включают источник щелочи.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средства для подачи текучей среды включают источник пара, или источник сжатого воздуха, или оба эти источника в сочетании друг с другом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3