Известковый способ очистки дымовых газов угольных котлов тэс от двуокиси углерода
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.
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
Vг=26700×7,22=192860 нм3/ч
Расход СО2 в уходящих газах
Vco2=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.
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.
