СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в процессах очистки дымовых газов от вредных примесей, а именно, для полной утилизации дымовых газов теплогенераторов, работающих на безсернистом топливе (природном газе).

Известен способ и устройство для очистки дымовых газов от вредных примесей (оксидов азота (NO_x) и оксидов серы (SO_x)), 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, распределение насыщенного конденсата по абсорбционной секции, окисление оксидов азота (NO), находящихся в дымовых газах, до диоксидов (NO₂) и абсорбцию диоксидов азота насыщенным конденсатом с образованием кислого конденсата (раствора разбавленной азотной кислоты - HNO₃), 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 разбавленного солевого раствора NaNO₃ [Патент РФ №2186612, МКл⁴. B01D 53/60, 2000].

Основными недостатками известного способа и устройства являются низкая эффективность и скорость очистки, а также очистка кислого конденсата от кислотных компонентов в анионитовом фильтре, в результате чего получают разбавленный раствор азотнокислого натрия (Na₂NO₃), который сложно утилизировать, что снижает экономическую и экологическую эффективность очистки дымовых газов от вредных примесей.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ и устройство для очистки дымовых газов от оксидов азота с получением азотной кислоты, включающий смешение дымовых газов с озоновоздушной смесью и окисление оксидов азота до диоксидов азота, охлаждение их до температуры ниже температуры точки росы, конденсацию водяных паров, абсорбцию диоксидов азота образовавшимся конденсатом с получением кислого конденсата в зоне обработки, представляющей собой трубчатые теплообменники, откуда очищенные дымовые газы направляют для очистки от кислотных компонентов в утилизатор, работающий в периодическом или в непрерывном режиме, в котором в результате контакта с потоком холодного воздуха происходит образование льда и раствора азотной кислоты, а в результате контакта образовавшегося льда с очищенными дымовыми газами из зоны обработки очищенные дымовые газы охлаждаются и дополнительно очищаются от оксидов азота и конденсата, после чего удаляются в атмосферу [Патенты РФ №2388523, МКл⁴. B01D 53/56, 2010, №2391129, МКл⁴. B01D 53/56, 2010].

Основными недостатками известного способа являются невозможность получения из очищенных дымовых газов азота и углекислого газа, как товарных продуктов, а известного устройства - отсутствие оборудования для их выделения, что не позволяет утилизировать все основные компоненты дымовых газов и снижает экономическую и экологическую эффективность работы теплогенераторов.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение экономической и экологической эффективности теплогенераторов путем утилизации всех основных компонентов дымовых газов

Технический результат достигается тем, что способ полной утилизации дымовых газов включает смешение дымовых газов с озоновоздушной смесью, охлаждение до температуры ниже температуры точки росы, окисление оксидов азота до диоксидов, конденсацию водяных паров, абсорбцию диоксидов азота образовавшимся конденсатом с образованием кислого конденсата в зоне обработки, подачу кислого конденсата в утилизатор, в котором в результате контакта с потоком холодного воздуха происходит образование льда и раствора азотной кислоты, а в результате контакта образовавшегося льда с очищенными дымовыми газами из зоны обработки, очищенные дымовые газы охлаждаются и дополнительно очищаются от оксидов азота и конденсата, после чего поступают в газовый классификатор, где последовательно проходят через ступени улавливания углекислого газа, контактируя с гранулированным доменным шлаком, обладающим основными свойствами, который сорбирует CO₂, в результате чего на выходе из последней ступени дымовые газы очищаются от CO₂ и в виде азота выводятся из классификатора, а параллельно с поверхности гранулированного доменного шлака в ступенях улавливания углекислого газа под действием силы тяжести через щели в перфорированных перегородках и вертикальные опускные трубы происходит транспортировка СО₂ вниз в камеру углекислого газа, откуда углекислый газ удаляют из классификатора, причем по мере насыщения гранулированного доменного шлака его периодически промывают промывочной водой без остановки работы классификатора, а карбонизированную воду используют для внутрицеховых нужд.

Технический результат достигается также тем, что устройство для полной утилизации дымовых газов включает зону обработки, соединенную трубопроводом кислого конденсата и газоходом с утилизатором, который, в свою очередь, соединен газоходом с газовым классификатором, представляющим собой цилиндрическую колонну, снабженную газовыми патрубками для входа очищенного газа, выхода азота, выхода углекислого газа и жидкостными штуцерами для подачи промывочной воды и удаления карбонизированной воды, внутри которой снизу-вверх поочередно расположены поддон, камера углекислого газа с каплеотбойником, отделенная от нее горизонтальной перегородкой, приемная камера, ступени улавливания углекислого газа, каждая из которых представляет собой горизонтальную перфорированную перегородку с щелевыми отверстиями, покрытую слоем гранулированного доменного шлака с основными свойствами высотой H, соединенную с камерой углекислого газа через отверстия в горизонтальной перегородке отдельной вертикальной опускной трубой, азотная камера, в которой расположен разбрызгиватель.

Устройство для реализации предлагаемого способа полной утилизации дымовых газов приведено на фиг.1-7 (на фиг.1 - принципиальная схема устройства, на фиг.2-4 - разрезы, на фиг.5-7 - узлы газового классификатора).

Устройство для осуществления предлагаемого способа полной утилизации дымовых газов содержит зону обработки А, соединенную трубопроводом кислого конденсата и газоходом с утилизатором В (установкой для выделения азотной кислоты), который, в свою очередь, соединен газоходом с газовым классификатором С, представляющим собой цилиндрическую колонну 1, снабженную газовыми патрубками для входа очищенного газа, выхода азота, выхода углекислого газа 2, 3 и 4, соответственно, и жидкостными штуцерами для подачи промывочной воды и удаления карбонизированной воды 5, 6, соответственно, внутри которой снизу-вверх поочередно расположены поддон 7, камера углекислого газа 8 с каплеотбойником 9, отделенная от нее горизонтальной перегородкой 10, приемная камера 11, ступени улавливания углекислого газа I, II, III, IV, V, соответственно, представляющие собой горизонтальные перфорированные перегородки 12 с шелевыми отверстиями 13, каждая из которых покрыта слоем гранулированного доменного шлака с основными свойствами 14 высотой Н и соединена с камерой углекислого газа 8 через отверстия в горизонтальной перегородке 10 вертикальными опускными трубами 15, 16, 17, 18, 19, соответственно, азотная камера 20, в которой расположен разбрызгиватель 21.

Предлагаемый способ полной утилизации дымовых газов осуществляется в предлагаемом устройстве следующим образом. Дымовые газы из транзитного газохода направляются в зону обработки А, где в процессе взаимодействия с озоновоздушной смесью и охлаждения их до температуры ниже температуры точки росы происходит окисление оксидов азота до диоксидов, конденсация водяных паров, абсорбция диоксидов азота образовавшимся конденсатом с образованием кислого конденсата, который подается в утилизатор В, где в результате его контакта с потоком холодного воздуха происходит образование льда и раствора азотной кислоты. Образовавшийся лед растапливают очищенными дымовыми газами из зоны обработки А и направляют в сборник конденсата, раствор азотной кислоты направляют в емкость для хранения азотной кислоты (на фиг.1-7 не показаны), а очищенные дымовые газы в результате контакта со льдом в утилизаторе В охлаждаются до температуры 30-40°C и дополнительно очищаются от оксидов азота и конденсата. Далее охлажденные и дополнительно очищенные дымовые газы выводятся из утилизатора В, через патрубок 2 поступают в приемную камеру 11 газового классификатора С и последовательно проходят через все ступени улавливания углекислого газа I, II, III, IV, V. В каждой из этих ступеней дымовые газы проходят через щелевые отверстия 13 в горизонтальных перфорированных перегородках 12, после чего контактируют с гранулированным доменным шлаком 14, обладающим основными свойствами [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А.С. и др. - М.: Стройизд.,1989, с.423; Домокеев А.К. Строительные материалы. - М.: Высш. школа, 1989, с.163], что позволяет сорбировать на поверхности и в порах его гранул вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся углекислый газ CO₂ [Справочник химика, т.1. - М.-Л.: Химия, 1968, с.484]. В результате неоднократного контакта с гранулированным доменным шлаком 14, который сорбирует CO₂, на выходе из последней ступени V дымовые газы представляют собой практически чистый азот, который собирается в азотной камере 20 и через патрубок 3 поступает в сборник азота (на фиг.1-7 не показан). Параллельно этому процессу с поверхности гранулированного доменного шлака 14 в ступенях I-V под действием силы тяжести (плотность углекислого газа в 1,5 раза превышает плотность азота [Справочник химика, т.1. - М.-Л.: Химия, 1968, с.816]) через щели 13 и вертикальные опускные трубы происходит перемещение молекул CO₂ вниз в камеру углекислого газа 8, откуда через каплеотбойник 9, предотвращающий унос капель воды, и патрубок 4 углекислый газ поступает в сборник углекислого газа (на фиг.1-7 не показан). При этом по мере насыщения гранулированного доменного шлака 14 CO₂ ступени улавливания углекислого газа I-V периодически промывают промывочной водой через штуцер 5 и разбрызгиватель 20 без остановки работы классификатора С, а карбонизированную воду из поддона 7 через штуцер 6 направляют в сборник карбонизированной воды (на фиг.1-7 не показан), из которого она используется для внутрицеховых нужд (например, для стабилизации оборотной воды [Абрамов Н.Н. и др. Водоснабжение. - М.: Госстройиздат, 1968, с.437]).

Диаметр классификатора С, число ступеней улавливания углекислого газа, высота слоя Н гранулированного доменного шлака 14 на горизонтальной перфорированной перегородке 12, расстояние между перегородками 12, площадь живого сечения перегородок 12 (ширину щелей 13 принимают меньшей величины среднего диаметра гранул доменного шлака 14), расход промывочной воды, периодичность промывок зависят от заданной производительности классификатора С, требуемой чистоты конечных продуктов (N₂ и CO₂) и определяют опытным и расчетным путем.

Одним из побочных положительных результатов предлагаемого изобретения является также то, что попутное получение при очистке дымовых газов азотной кислоты, азота и углекислого газа хотя бы на нескольких ТЭС позволит сократить их производство на специализированных предприятиях, являющихся крупнейшими загрязнителями окружающей среды и дополнительно (в масштабе региона или страны) снизить выбросы вредных веществ в окружающую среду.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет полностью утилизировать дымовые газы, образующиеся при сжигании природного газа в теплогенераторах, с получением азотной кислоты, конденсата водяных паров, азота и углекислого газа, что, в целом, повышает экономическую и экологическую эффективность работы теплогенерирующей установки.