комплексный способ и устройство для очистки дымовых газов с утилизацией тепла, вредных примесей и диоксида углерода

Формула изобретения

1. Комплексный способ очистки дымовых газов с утилизацией тепла, вредных примесей и диоксида углерода, включающий охлаждение дымовых газов до температуры ниже точки росы с образованием конденсата водяных паров, очистку от диоксида углерода абсорбцией, вывод очищенных газов в атмосферу и десорбцию из раствора диоксида углерода, отличающийся тем, что после охлаждения дымовые газы смешивают с озоновоздушной смесью и удаляют из них большую часть оксидов азота за счет кислотообразования при конденсации водяных паров в вертикальном трубчатом теплообменнике, охлаждаемом дутьевым и наружным воздухом, очищают конденсат от кислотных компонентов в анионитовом фильтре с получением раствора NaNO₃ очищенные от оксидов азота дымовые газы освобождают от оксидов углерода абсорбцией раствором моноэтаноламина (МЭА) в карбонизаторе и сепарируют от уносимых капель в каплеотбойнике, карбонизированный раствор МЭА нагревают за счет тепла дымовых газов до температуры насыщения при избыточном давлении, дросселируют до атмосферного давления и направляют в среднюю часть декарбонизатора, где карбонизированный раствор МЭА разделяют на легколетучую фракцию, которую в результате конденсации в охладителе выпара, охлаждаемом питательной водой, делят на конденсат МЭА и газообразный диоксид углерода, который вентилятором частично подают в поглотительную башню, где смешивают с разбрызгиваемым раствором едкого натра с образованием углекислого натрия Na₂CO₃ и частично - в чистом виде для реализации потребителям, и декарбонизированный раствор МЭА, который выводят из куба декарбонизатора, подогреваемого острым паром, смешивают с конденсатом из охладителя выпара и циркуляционным насосом снова подают на абсорбцию.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее газоход, вертикальный трубчатый теплообменник, карбонизатор с размещенным в его верхней части диспергатором жидкости, соединенный днищем через первый циркуляционный насос с декарбонизатором, отличающееся тем, что газоход соединен последовательно с подогревателем раствора моноэтаноламина (МЭА) и вертикальным трубчатым теплообменником, состоящим из соединенных последовательно по газу сверху вниз трубчатыми воздухоподогревателем и конденсатором, соответственно, последний из которых соединен по конденсату с анионитовым фильтром, а по газу - с карбонизатором, в верхней части которого дополнительно размещен каплеотбойник, причем в линию соединения днища карбонизатора с декарбонизатором включены указанный подогреватель раствора МЭА и дополнительно - дроссель, а внутри декарбонизатора помещены верхние и нижние распределители жидкости и, соответственно, секции, заполненные насадкой, причем верх декарбонизатора соединен трубопроводом с охладителем выпара, соединенного, в свою очередь, через конденсатосборник и гидрозатвор с верхним распределителем жидкости декарбонизатора, а по СO ₂ охладитель выпара соединен с вентилятором и поглотительной башней, вверху которой размещен диспергатор жидкости, причем нижний распределитель жидкости декарбонизатора соединен с дросселем, а днище декарбонизатора через трубопровод и второй циркуляционный насос соединено с гидрозатвором охладителя выпара и диспергатором жидкости карбонизатора.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в процессах очистки и утилизации дымовых газов теплоэнергетических установок ТЭС для снижения парникового эффекта окружающей атмосферы.

Известен способ очистки дымовых газов от вредных примесей оксидов азота и оксидов серы, включающий в себя охлаждение дымовых газов до температуры ниже температуры точки росы, конденсацию водяных паров в трубчатом теплообменнике, насыщение рециркуляционного конденсата озоном и кислородом воздуха, окисление и абсорбцию окислов азота и окислов серы насыщенным конденсатом с образованием кислого конденсата, стекающего в поддон, после чего очищенные дымовые газы выводятся в атмосферу, отвод части кислого конденсата из поддона в анионитовый фильтр для очистки от кислотных компонентов, которые выводят в процессе регенерации анионитового фильтра в виде солевого раствора NaNO₃.

Устройство, в котором реализуется данный способ, содержит зону обработки в газоходе с размещенными в ней теплообменной секцией, выполненной в виде вертикального трубчатого теплообменника, абсорбционной секцией, выполненной также в виде вертикального трубчатого теплообменника с поддоном и размещенной в них коаксиально подъемной трубой эрлифта, сепарационной секцией, выполненной в виде вертикального трубчатого теплообменника, причем поддон соединен трубопроводом с анионитовым фильтром [1].

Основные недостатки данного способа заключаются в низкой скорости охлаждения дымовых газов и абсорбции вредных примесей (окислов азота и окислов серы), обусловленные низкой допустимой скоростью газа при пленочной абсорбции, и невозможность их очистки от диоксида углерода, что снижает экологическую и экономическую эффективность очистки дымовых газов от вредных примесей.

Основными недостатками известного устройства является отсутствие оборудования для очистки дымовых газов от диоксида углерода, что также снижает экологическую и экономическую эффективность его работы.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ для выделения диоксида углерода, заключающейся в охлаждении дымовых газов до температуры ниже точки росы с образованием конденсата водяных паров и последующем выделении из них диоксида углерода за счет разности плотностей диоксида углерода и азота и абсорбции диоксида углерода полученным конденсатом водяных паров и последующей десорбции его при снижении давления.

Способ реализуется в устройстве, содержащем транзитный газоход, в днище которого устроено окно, соединенное с вертикальным корпусом, внутри которого размещены кожухотрубчатый теплообменник, абсорбционная и десорбционно-охладительная секции, отсасывающий зонт, соединенный с вентилятором и осушителем, а днище корпуса соединено через циркуляционный насос трубопроводами с распределителем жидкости [2].

К недостаткам известного способа относятся низкая степень очистки дымовых газов от диоксида углерода, обусловленная его ограниченной растворимостью в воде, и невозможность трансформации его в другие вещества, что снижает экономическую и экологическую эффективность очистки дымовых газов.

Основными недостатками известного устройства являются малая производительность установки очистки по диоксиду углерода и отсутствие оборудования для его переработки в другие вещества, что также снижает экономическую и экологическую эффективность очистки дымовых газов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение экологической и экономической эффективности процесса очистки дымовых газов теплоэнергетических установок от вредных примесей и диоксида углерода.

Технический результат достигается в комплексном способе очистки дымовых газов с утилизации тепла, вредных примесей и диоксида углерода, включающем: охлаждение дымовых газов до температуры ниже точки росы с конденсацией водяных паров в подогревателе карбонизированного раствора моноэтаноламина (МЭА) и вертикальном трубчатом теплообменнике, охлаждаемом дутьевым воздухом и наружным воздухом, где их очищают от большей части оксидов азота в присутствии озона за счет кислотообразования при конденсации водяных паров и абсорбции конденсатом, освобождают от диоксида углерода абсорбцией его раствором МЭА и сепарацией от уносимых капель в карбонизаторе и выбрасывают в атмосферу; карбонизированный раствор МЭА первым циркуляционным насосом подают в подогреватель, где его нагревают за счет тепла дымовых газов до температуры насыщения при избыточном давлении, дросселируют до атмосферного давления, в результате чего он закипает и поступает в среднюю часть декарбонизатора, где делится на легколетучую фракцию, которую в результате конденсации в охладителе выпара, охлаждаемом питательной водой, делят на конденсат МЭА и газообразный диоксид углерода, частично подаваемый вентилятором в поглотительную башню, где упомянутый конденсат МЭА смешивается с разбрызгиваемым раствором едкого натрия с образованием углекислого натрия (Na₂CO₃), и частично в чистом виде для реализации потребителям, а декарбонизированный раствор МЭА выводят из куба декарбонизатора, подогреваемого острым паром, смешивают с конденсатом из охладителя выпара и вторым циркуляционным насосом снова подают на абсорбцию; конденсат водяных паров очищают от кислотных компонентов в анионитовом фильтре и направляют на водоподготовку, причем анионит регенерируют раствором едкого натра с получением азотнокислого натрия.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве, включающем газоход, соединенный последовательно с подогревателем карбонизированного раствора моноэтаноламина (МЭА) и вертикальным трубчатым теплообменником, состоящим из соединенных последовательно по газу сверху вниз трубчатыми воздухоподогревателем и конденсатором, соответственно, который соединен по конденсату с анионитовым фильтром, по газу - с карбонизатором, представляющим собой полую башню, в верхней части которого размещены диспергатор жидкости и каплеотбойник, а днище соединено трубопроводом и первым циркуляционным насосом через подогреватель карбонизированного раствора МЭА и дроссель с декарбонизатором, внутри которого помещены верхние и нижние распределители жидкости и секции, заполненные насадкой, соответственно, причем верх декарбонизатора соединен трубопроводом с охладителем выпара, который соединен через конденсатосборник и гидрозатвор с верхним распределителем жидкости, а по

CO ₂ - с вентилятором и поглотительной башней, внутри которой помещен диспергатор жидкости, нижний распределитель жидкости декарбонизатора соединен с дросселем, а его днище через трубопровод и второй циркуляционный насос соединено с гидрозатвором охладителя выпара и диспергатором жидкости карбонизатора.

В основу работы предлагаемых способа и устройства положены: особенности состава 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.%, концентрация которых зависит от вида топлива и способа его сжигания [3, с.15]; высокая растворимость диоксида углерода в растворе моноэтаноламина (МЭА) [4, с.90]; способность газов десорбироваться из абсорбента при повышении температуры и понижении давления согласно законам Генри и Дальтона [5, с.289]; взаимодействие раствора едкого натрия с кислотными остатками с образованием соответствующей соли [6, с.424] и способ связывания диоксида углерода едким натрием с получения углекислого натрия [7, с.483].

Устройство для очистки дымовых газов с утилизацией тепла, вредных примесей и диоксида углерода изображено на чертеже.

Устройство содержит газоход 1, соединенный последовательно с подогревателем карбонизированного раствора МЭА 2 и теплообменником 3, состоящим из соединенных последовательно по газу сверху вниз трубчатыми воздухоподогревателем и конденсатором, соответственно, который соединен по конденсату с анионитовым фильтром 4, по газу - с карбонизатором 5, представляющим собой полую башню, в верхней части которого размещены диспергатор жидкости 6 и каплеотбойник 7. Днище карбонизатора 6 соединено трубопроводом с первым циркуляционным насосом 8 через подогреватель 2 и дроссель 9 с декарбонизатором 10, внутри которого помещены верхние и нижние распределители жидкости 11 и верхняя и нижняя секции, заполненные насадкой 12, соответственно. Верхняя часть декарбонизатора 10 соединена трубопроводом с охладителем выпара 13, охлаждаемым подпиточной водой, который соединен через конденсатосборник 14 с гидрозатвором 15 с верхним распределителем жидкости 11, а по CO₂ - с вентилятором 16 и поглотительной башней 17, вверху которой помещен диспергатор жидкости 18. Нижний распределитель жидкости 11 соединен с трубопроводом нагретого карбонизированного раствора МЭА через дроссель 9, а днище декарбонизатора 10 через трубопровод и второй циркуляционный насос 19 соединено с диспергатором жидкости 6 карбонизатора 5.

Очистка дымовых газов с утилизацией тепла, вредных примесей и диоксида углерода осуществляется в предлагаемом устройстве следующим образом.

Дымовые газы, количество которых обусловлено производительностью устройства, из транзитного газохода 1 под напором, создаваемом дымососом (не показан), подают в подогреватель карбонизированного раствора МЭА 2, где их охлаждают до температуры, близкой к точке росы, и далее - в трубное пространство теплообменника 3, вверху которого размещен воздухоподогреватель, охлаждаемый дутьевым воздухом до температуры 80-85°С, а внизу конденсатор, охлаждаемый наружным воздухом (после использования его выбрасывают в атмосферу). В конденсаторе теплообменника 3 происходит смешение дымовых газов с озоновоздушной смесью, охлаждение с образованием конденсата, стекающего вниз по стенкам труб, окисление оксидов азота до высших, абсорбция их конденсатом и интенсивное кислотообразование в процессе конденсации водяных паров [8, с.44]. Из конденсатора очищенные от оксидов азота и охлажденные до температуры 35-45°С, в интервале которой рекомендуется осуществлять абсорбцию CO ₂ раствором МЭА, дымовые газы поступают в карбонизатор 5, где контактируют в противотоке с разбрызгиваемым из диспергатора 6 8-10% раствором МЭА, который поглощает диоксид углерода и карбонизированный собирается в кубе карбонизатора 5. Очищенные дымовые газы в карбонизаторе 5 от диоксида углерода до концентрации его 3-4% объемных (большая степень очистки экономически нецелесообразна с точки зрения себестоимости целевого продукта - CO₂) сепарируют от уносимых капель раствора МЭА в каплеотбойнике 7 и удаляют в атмосферу. Конденсат, насыщенный кислотными компонентами, из конденсатора направляют в анионитовый фильтр 4, очищают от кислотных компонентов и направляют на водоподготовку для последующего использования. При этом регенерацию анионита фильтра 4 производят раствором едкого натра (NaOH) с получением раствора NaNO₃, который затем реализуют как азотное удобрение. Карбонизированный раствор МЭА из куба карбонизатора 5 первым циркуляционным насосом 8 с давлением выше атмосферного подают в подогреватель карбонизированного раствора МЭА 2, нагревают до температуры насыщения при развиваемом давлении, подают в дроссель 9, где его давление снижается до атмосферного, в результате чего он вскипает и в виде парожидкостной смеси через нижний распределитель жидкости 11 подают в декарбонизатор 10, работающий по принципу ректификации [5, с.270]. Легкая фракция из распределителя 11 в парообразном состоянии поднимается в верхнюю секцию, заполненную насадкой (например, кольцами Рашига), где в противотоке с опускающейся жидкостью обогащается CO₂ и поступает в охладитель выпара 13, охлаждаемый питательной водой, в котором происходит конденсация раствора МЭА, поступающего в конденсатосборник 14, и отделение от него газообразного CO ₂. Далее газообразный CO₂ вентилятором 16 подают в поглотительную башню 17, в которой происходит его взаимодействие с частицами раствора едкого натра, разбрызгиваемыми диспергатором 18 с образованием углекислого натрия (соды) по реакции

водный раствор которого реализуют потребителю, а непрореагировавший CO₂ выбрасывают в атмосферу. Тяжелая фракция из распределителя 11 в парожидкостном состоянии опускается в нижнюю секцию, заполненную насадкой (например, кольцами Рашига) 12 декарбонизатора 10, где в противотоке с поднимающимся CO₂ обогащается раствором МЭА и поступает в куб декарбонизатора 10, который подогревают острым паром (например, паром из сепаратора непрерывной продувки), количество которого незначительно, т.к. предварительно карбонизированный раствор МЭА доводят до кипения при повышенном давлении в подогревателе 2, после чего декарбонизированнй раствор МЭА вторым циркуляционным насосом 19 вновь подают на орошение в карбонизатор 5.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство обеспечивают повышение скорости и степени очистки дымовых газов с одновременной утилизацией вредных компонентов, водяных паров, тепла, диоксида углерода, снижение угрозы парникового эффекта окружающей атмосферы и, в конечном счете, увеличение экологической и экономической эффективности процесса очистки дымовых газов.

Литература

1. Патент РФ № 2186612, МКл. ⁴B01D 53/60, БИПМ № 22, 2002.

2. Патент РФ № 2217221, МКл. В01D 53/14, 53/62, 2003.

3. Н.В.Кузнецов и др. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). - М.: Энергия, 1973, 296 с.

4. Н.В.Атрощенко и др. Методы расчета по технологии связанного азота. - К.: Вища школа, 1978, 312 с.

5. А.Н.Плановский, П.И.Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1972, 496 с.

6. Н.Н.Абрамов и др. Водоснабжение. - М.: Госстройизд. 1960, 580 с.

7. Неницеску К. Общая химия. - М.: Мир, 1968, 816 с.

8. Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной мощности [Текст] / под. ред. В.М.Олевского - М.: Химия, 1985, 400 с.