комплексный способ и устройство для очистки и утилизации дымовых газов с получением метана

Формула изобретения

1. Комплексный способ очистки и утилизации дымовых газов с получением метана, содержащий охлаждение дымовых газов до температуры ниже точки росы, конденсацию водяных паров, выделение диоксида углерода поглощением и вывод очищенных дымовых газов в атмосферу, отличающийся тем, что очистка дымовых газов включает поглощение оксидов азота, оксидов серы, диоксида углерода, капель конденсата и паров воды сырым осадком сточных вод с одновременным его нагревом в поглотительной башне до температуры брожения 30-50°С, промывку обработанных и охлажденных газов от остатков сырого осадка сырой водой в промывочной башне, разделение полученной грязевой смеси путем отстаивания на грязную воду и насыщенный сырой осадок в отстойнике, отвод грязной воды на поля орошения, смешение насыщенного нагретого сырого осадка из поглотительной башни с осадком из отстойника, брожение насыщенного нагретого сырого осадка в метантенке с получением метана и сброженного осадка.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее транзитный газоход, теплообменник, поглотительную и промывочную башни, отличающееся тем, что транзитный газоход разветвлен на резервный газоход с шибером, соединенный с дымовой трубой, и рабочий газоход с шибером, соединенный последовательно с теплообменником, поглотительной башней, внутри которой сверху вниз размещены поперечные наклонные решетчатые перегородки с проемом в виде сегмента в своей нижней части, направление уклона которых поочередно меняется в противоположные стороны, причем поглотительная башня в своей верхней части снабжена патрубком подачи сырого осадка, размещенным на входе в первую сверху решетчатую перегородку и встроенным в верхней крышку патрубком вывода обработанных газов, соединенным с обратным рабочим газоходом, а в своей нижней части снабжена патрубками подачи исходного газа и насыщенного сырого осадка соответственно, при этом обратный рабочий газоход соединен также с промывочной башней, в верхней части которой помещен распределитель жидкости, соединенный с трубопроводом сырой воды, при этом нижняя часть ее соединена трубопроводом с отстойником, верхняя часть которого соединена с трубопроводом грязной воды, а нижняя часть - с трубопроводом сырого осадка, который, в свою очередь, соединен с метантенком.

Описание изобретения к патенту

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

Известен комплексный способ для очистки и утилизации дымовых газов, включающий охлаждение дымовых газов в теплообменнике 1-й ступени до температуры ниже точки росы, конденсацию водяных паров, смешение дымовых газов с озоновоздушной смесью, окисление и абсорбцию полученным конденсатом оксидов азота и оксидов серы, последующие охлаждение в теплообменнике 2-й ступени и взаимодействие CO₂ с гидроокисью кальция с образованием нитрита и нитрата кальция (Ca(NO)₂ и Ca(NO)₃ соответственно. Устройство, в котором реализуется способ, состоит из короба, в котором помещены пластинчатые теплообменники 1-й и 2-й ступени, охлаждаемые дутьевым воздухом, и перфорированные кассеты, покрытые слоем гидроокиси кальция [1].

К недостаткам известного способа и устройства относятся короткий рабочий цикл и ограниченная поглотительная емкость по диоксиду углерода кассет, покрытых гидроокисью кальция, периодичность работы и малая производительность устройства.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению относится способ для выделения диоксида углерода, заключающийся также 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 (поглощении) диоксида углерода полученным конденсатом водяных паров, реализуемый в устройстве, содержащем транзитный газоход, в днище которого устроено окно, соединенное с вертикальным корпусом, внутри которого размещены кожухотрубчатый теплообменник, абсорбционная (поглотительная) 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 и устройства относятся малое количество улавливаемых оксидов азота и диоксида углерода, обусловленное их ограниченной растворимостью в воде, невозможность использования уловленного диоксида углерода для снижения расхода топлива, что снижает экономическую и экологическую эффективность очистки дымовых газов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение экологической и экономической эффективности процесса очистки дымовых газов теплоэнергетических установок.

Технический результат достигается в комплексном способе для очистки и утилизации дымовых газов с получением метана, включающем охлаждение дымовых газов до температуры ниже точки росы, конденсацию водяных паров, поглощение оксидов азота, оксидов серы, диоксида углерода, капель конденсата и паров воды сырым осадком сточных вод с одновременным его нагревом в поглотительной башне до оптимальной температуры брожения за счет тепла дымовых газов, промывку обработанных газов от остатков сырого осадка сырой водой в промывочной башне и вывод очищенных дымовых газов в атмосферу, разделение полученной грязевой смеси путем отстаивания на грязную воду и насыщенный сырой осадок в отстойнике, отвод грязной воды на поля орошения, смешение насыщенного нагретого сырого осадка из поглотительной башни с осадком из отстойника, брожение насыщенного нагретого сырого осадка в метантенке с получением метана и сброженного осадка.

Способ реализуется в устройстве, содержащем транзитный газоход, разветвленный на резервный газоход с шибером, соединенный с дымовой трубой, и рабочий газоход с шибером, соединенный последовательно с теплообменником и поглотительной башней, внутри которой сверху вниз устроены наклонные решетчатые перегородки с проемом в виде сегмента в свой нижней части, направление уклона которых поочередно меняется в противоположные стороны, причем поглотительная башня в своей верхней части снабжена патрубком подачи сырого осадка, размещенным на входе в первую сверху наклонную решетчатую перегородку и встроенным в верхнюю крышку патрубком вывода обработанных газов, соединенным с обратным рабочим газоходом, а в своей нижней части снабжена патрубками подачи исходного газа и насыщенного сырого осадка соответственно, при этом обратный рабочий газоход соединен также с промывочной башней, в верхней части которой помещен распределитель жидкости, соединенный с трубопроводом сырой воды, а нижняя часть ее соединена трубопроводом с отстойником, верхняя часть которого сообщается с трубопроводом грязной воды, а нижняя часть соединена с трубопроводом насыщенного сырого осадка, который, в свою очередь, соединен с метантенком.

В основу работы предлагаемого 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]; значительное превышение растворимости диоксида углерода в сыром осадке сточных вод ввиду наличия в нем белков, жиров и других органических соединений над его растворимостью в чистой воде [4, с.490] и возможность получения метана при сбраживании сырого осадка городских сточных вод [5, с.263].

Устройство для очистки и утилизации дымовых газов с конверсией диоксида углерода в метан изображено на фиг.1, 2.

Устройство содержит транзитный газоход 1, разветвленный на резервный газоход 2 с шибером 3, соединенный с дымовой трубой (на фиг.1 не показана), рабочий газоход 4 с шибером 5, соединенный последовательно с теплообменником 6 и поглотительной башней 7, внутри которой сверху вниз устроены поперечные наклонные решетчатые перегородки 8 с проемом 9 в виде сегмента в свой нижней части, направление уклона которых поочередно меняется. Поглотительная башня 7 в своей верхней части снабжена патрубком подачи сырого осадка 10, размещенным на входе в первую сверху решетчатую перегородку 8, и патрубком вывода обработанных газов 11, соединенным с обратным рабочим газоходом 12, а в своей нижней части снабжена патрубками подачи исходного газа 13 и вывода насыщенного сырого осадка 14 соответственно. Промывочная башня 15 соединена обратным рабочим газоходом 12 с поглотительной башней 7, причем в верхней части ее помещен распределитель жидкости 16, соединенный с трубопроводом сырой воды 17, а нижняя часть соединена трубопроводом 18 с отстойником 19, который соединен сверху с трубопроводом грязной воды 20, а снизу с трубопроводом насыщенного сырого осадка 21, который, в свою очередь, соединен с метантенком 22.

Очистка и утилизация дымовых газов с получением метана осуществляется в предлагаемом устройстве следующим образом.

Дымовые газы из котельного агрегата, количество которых обусловлено производительностью устройства, в результате напора, создаваемого дымососом (на фиг.1 не показан), из транзитного газохода 1 через рабочий газоход 4 при открытом шибере 5, поступают в теплообменник 6, охлаждаемый, например, дутьевым воздухом или питательной водой, где охлаждаются до температуры (60-70)°С с образованием конденсата, смешивающегося с дымовыми газами, которые через патрубок 13 поступают в поглотительную башню 7. В башне 7 дымовые газы двигаются снизу вверх, контактируют в противотоке с сырым осадком городских сточных вод, поступающим через патрубок 10 и сползающим с одной перегородки 8 на другую под действием силы тяжести и угла наклона (наклон перегородок 8 равен углу естественного откоса сырого осадка и определяется экспериментально для конкретного вида осадка), проходя через щели в перегородках 8. В результате многократного контакта дымовых газов и частиц сырого осадка газы охлаждаются и освобождаются от оксидов азота, оксидов серы, диоксида углерода, капель конденсата и паров воды, после чего поступают через обратный рабочий газоход 12 в промывочную башню 15, а сырой осадок насыщается этими элементами в результате процессов абсорбции, адсорбции и хемосорбции, которые протекают при этом с компонентами осадка (водой, частицами белков, жирами, песком, глиной и. д.), нагревается до оптимальной температуры брожения 30-50°С за счет тепла дымовых газов и выводится через патрубок 14 и трубопровод насыщенного осадка 21 в метантенк 22. В промывочной башне 15 очищенные и охлажденные дымовые газы в противотоке контактируют с сырой водой, поступающей из распределителя жидкости 16, количество которой определяется из условия обеспечения необходимой плотности орошения, очищаясь при этом от частиц сырого осадка и других примесей, уносимых из поглотительной башни 7, и выводятся в атмосферу, а грязевая смесь, обогащенная также оксидами азота, серы и углерода, стекает по самотечному трубопроводу 18 в отстойник 19. В отстойнике 19 грязевая смесь в результате отстаивания делится на насыщенный сырой осадок, оседающий на дно и грязную воду, скапливающуюся в верхней зоне, которая по трубопроводу 20 подается на поля орошения, где она благодаря повышенному содержанию диоксида углерода интенсифицирует процесс фотосинтеза [6, с.210], а осадок из нижней зоны поступает в трубопровод 21, где смешивается с насыщенным осадком из поглотительной башни 7, откуда полученная смесь подается в метантенк 22. В метантенке 22 происходит обезвреживание насыщенного сырого осадка путем анаэробного сбраживания, которое является основным методом обезвреживания городских сточных вод. При этом в результате распада органических веществ осадка и взаимодействия продуктов распада с диоксидом углерода в качестве основных продуктов получается метан.

Метан образуется в результате восстановления СО₂ или метильной группы уксусной кислоты

где AH₂ - органическое вещество, служащее для метанобразующих бактерий донором водорода (жирные кислоты, кроме уксусной, и спирты, кроме метилового);

Кроме этого, многие виды метанообразующих бактерий окисляют молекулярный водород, образующийся в кислой фазе по реакции

Микроорганизмы, использующие уксусную кислоту и метиловый спирт, осуществляют реакции

При этом в данном случае скорость реакций (1), (2) в связи с наличием в осадке свободного CO₂ увеличивается, а (3), (4) уменьшается, что повышает долю метана в получаемом газе.

Периодически поглотительную башню 7 во избежание зарастания осадком промывают сырой водой (периодичность промывки и расход сырой воды устанавливают из опыта эксплуатации). После промывки грязную воду направляют в отстойник 19, где она смешивается с грязной водой из промывочной башни 15 и совместно с ней осветляется.

В случае отказа или ремонта установки очистки в работу включают резервный газоход 2, открывая шибер 3, и отключают рабочий газоход 4 путем закрытия шибера 5.

Полученный метан может быть использован как добавка к топливу основных котельных агрегатов или для обеспечения топливом вспомогательного теплогенератора, увеличивая таким образом коэффициент использования топлива, а сброженный осадок используется как высокоэффективное удобрение для сельского хозяйства.

Использование предлагаемого способа и установки очистки и утилизации возможно при размещения теплогенераторов на территории очистных сооружений, в непосредственной близости от них или при обеспечении транспортировки сырого осадка на территорию ТЭС.

Таким образом, предлагаемые комплексный способ и устройство очистки и утилизации дымовых газов с получением метана обеспечивают высокую степень поглощения оксидов азота, оксидов серы, диоксида углерода, паров воды, утилизацию тепла, получение дополнительного топлива, интенсификацию работы очистных сооружений, одновременное снижение угрозы парникового эффекта и разрушения озонового щита окружающей атмосферы, что увеличивает экологическую и экономическую эффективность процесса очистки дымовых газов.

Литература

1. Патент РФ № 2254161, МКл B01D 53/60, 53/14, 2005.

2. Патент РФ № 2217221, МКл. B01D 53/14, 53/62, 2003.

3. К.Ф.Роддатис и др. Справочник по котельным установкам малой производительности. - М.: Энергия, 1975, 370 с.

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

5. С.В.Яковлев и др. Канализация. - М.: Госстройизд. 1976, 632 с.

6. Комов В.П., Шведова В.Н. Биохимия. - М.: Дрофа, 2004, 640 с.