Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗООБРАЗНЫХ ОТХОДОВ
СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗООБРАЗНЫХ ОТХОДОВ

СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗООБРАЗНЫХ ОТХОДОВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: касается очистки газов, образующихся при сжигании, газификации, химических или металлургических процессах. Сущность: способ включает добавление к газам до или после процесса реагента и/или абсорбента, взаимодействующих с содержащимися в газах веществами, загрязняющими окружающую среду, с образованием шлака, разделение газов, содержащих реагент и/или абсорбент, на два отдельных газовых потока, после чего первый поток вводят в зону осушки, расположенную в нижней части реактора орошения, и второй газовый поток вводят в зону орошения, расположенную в верхней части реактора орошения, для увлажнения суспензии газа и реагента и/или абсорбента водой и/или паром, причем частицы шлака отделяют от газа в реакторе орошения, слой отдельных частиц шлака поддерживают ниже уровня ввода в нижней части реактора орошения, отделенные мокрые частицы шлака и капли воды, падающие вниз из верхней части реактора орошения, смешивают с частицами шлака в слое шлака для гомогенизации температуры и влажности слоя шлака. 19 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2104757
Класс(ы) патента: B01D53/50, B01D53/60
Номер заявки: 94016372/25
Дата подачи заявки: 22.08.1991
Дата публикации: 20.02.1998
Заявитель(и): Фостер Вилер Энергия ОЙ (FI)
Автор(ы): Реййо Куйвалайнен[FI]
Патентообладатель(и): Фостер Вилер Энергия ОЙ (FI)
Описание изобретения: Изобретение относится к способу очистки газов, которые образуются, например, при сжигании, газификации или при проведении некоторых химических или металлургических процессов. Типичными веществами, загрязняющими окружающую среду, которые содержатся в этих газах, являются диоксид серы, аммиак, соединения хлора и фтора и сжижаемые углеводороды. Изобретение, в частности, относится к способу, в котором реагент и/или абсорбент, реагирующий с содержащимися в газах веществами, загрязняющими окружающую среду, активируется путем направления газов в реактор орошения. Реагент и/или абсорбент вводят непосредственно в процесс или же прибавляют к газам, принимающим участие в процессе. Газы вводят в реактор орошения, в котором они увлажняются водой или паром, с целью активирования реагента, содержащегося в газах. Газы вначале поступают в нижнюю часть реактора, а затем поднимаются далее вверх в зону орошения реактора, в которой суспензия, образованная газом и реагентом, увлажняется водой или паром. Частицы реагента и/или абсорбента, которые частично или же полностью прореагировали, отделяются на фильтре в верхней части реактора от газов прежде, чем они покинут реактор. В качестве реагентов или абсорбентов используют карбонаты, оксиды и гидроксиды, например, щелочных или щелочно-земельных металлов.
Известно, что при сжигании нефтяного топлива образуются дымовые газы, которые содержат оксид серы и приводят к попаданию паданию кислоты в окружающую среду. Содержание серы в дымовых газах изменяется в зависимости от содержания серы в топливе. Многочисленные усилия направлены на поиск средств, позволяющих использовать топливо, содержащее все большее и большее количество серы, несмотря на то, что ограничения на выброс серы в окружающую среду становятся все жестче и жестче. Предприятия переработки отходов озолением, количество которых постоянно возрастает, также производят дымовые газы, содержащие серу, которые необходимо очищать до допустимого уровня содержания серы. Дымовые газы, образующиеся на предприятиях переработки отходов озолением, содержат, например, в том случае, если сжигаются пластические материалы, помимо SO2 и SO3, также соляную и плавиковую кислоты, а также другие вредные газообразные и твердые вещества.
Технологические газы, получаемые во многих процессах газификации, могут также содержать вредные количества соединений серы и другие соединения, которые необходимо отделять от газов перед последующей обработкой технологических газов.
Разработано несколько способов для отсечения серосодержащих выбросов, образующихся на тепловых станциях. Наиболее общим способом, который используется в настоящее время, является отмывка газа в газопромывной колонне, в которой газы очищаются с помощью суспензии реагента, такого как известь, реагирующего, в частности, с оксидами серы. Суспензия в воде впрыскивается в поток газа, поступающего после топочного котла в газопромывную колонну (мокрый скруббер), при этом сера поглощается водной суспензией с образованием сульфата или сульфита кальция
CaO+SO2+1/202__→ CaSO4
или
CaO+SO2__→ CaSO3
Водную суспензию впрыскивают в таком количестве, что образующиеся указанные соединения не успевают потерять воду и выгружаются в виде шлама из нижней части газопромывной колонны. Процесс отмывки в газопромывной колонне является сложным, поскольку он требует использования приспособлений для приготовления водной суспензии и для ее последующей обработки. Более того, указанный способ обычно требует расхода дополнительной энергии для осушки получаемого шлама на специальном предприятии по переработке шламов. По этой причине обычно подают в систему суспензию с минимальным содержанием воды, чтобы сократить энергетические затраты. Благодаря значительному количеству используемой водной суспензии, газ в скруббере можно охладить до относительно низкой температуры и, следовательно, газ, выходящий из скруббера, может вызвать коррозию и засорению фильтров. Для повторного разогрева дымовых газов перед их выводом из системы расходуется дополнительное количество энергии. В системах с мокрым скруббером степень отделения, например, сернистого газа составляет около 95%.
В последнее время разработаны полумокрые способы с использованием скруббера, в которых в контактном реакторе в поток горячего дымового газа через форсунки впрыскивают хорошо распыленную суспензию щелочи, в частности, суспензия гидроокиси кальция, при этом оксиды серы растворяются в воде, а после высыхания суспензии образуют соединения с известью. Вода испаряется в контактном реакторе, так что образуются твердые отходы, при этом продукты взаимодействия, например, серы и извести, легко отделяются от газов при помощи фильтра. Делались попытки поддерживать консистенцию суспензии гидроокиси кальция на таком уровне, чтобы тепла, содержащегося в дымовых газах, было достаточно для испарения воды из суспензии. Однако густая суспензия извести легко образует осадки на стенках реактора и особенно вокруг форсунок и может в конце концов забить форсунки. Поэтому реактор приходится делать достаточно большим по размерам, чтобы свести к минимуму неудобства, вызываемые осадками. Поскольку требуется специальное оборудование для получения суспензии извести, то полутвердый метод с использованием скруббера также требует значительного количества оборудования, и процесс очистки газа остается достаточно дорогим. Еще одним недостатком является разрушающее воздействие извести на форсунки.
Полутвердый метод с использованием скруббера является тем не менее более предпочтительным, поскольку содержащиеся в газах вещества, загрязняющие окружающую среду, могут удаляться в виде сухих отходов. Недостатком способа является то, что процесс трудно контролировать и степень поглощения серы составляет менее 90%, что ниже, чем при использовании мокрого скруббера. Еще одним недостатком этого способа является то, что в полутвердом способе нельзя использовать относительно дешевый известняк, поскольку он очень медленно реагирует с серой. Вместо него приходится применять оксид или гидроксид кальция, которые значительно дороже. На крупных тепловых станциях затраты на абсорбент весьма значительны.
Было предложено вводить известняк непосредственно на стадии сжигания или газификации. В результате этого известняк прокаливается с образованием оксида кальция по следующей реакции:
CaCO3__→ CaO+CO2
Образующийся оксид кальция может далее реагировать прямо в топочной камере с образующимися здесь оксидами серы. Реакции протекает по следующей схеме:
CaO+SO2+1/2 O2__→ CaSO4
Однако в процессе этой реакции слои сульфата или сульфита кальция покрывают поверхность частиц оксида кальция, препятствуя сере проникать к ним, что приводит к торможению и в конце концов к прекращению взаимодействия между серой и известью. Таким образом, известь реагирует не полностью, а потому используется не оптимально. На степень поглощения серы влияют также и многие другие параметры, такие как мольное отношение Ca/S, температура и время контакта с известью.
Чем ближе к температуре точки росы протекает реакция, тем выше реакционноспособность щелочных соединений. Лучшая реакционноспособность достигается тем, что в увлажненных частицах реакции протекают в водной фазе или быстрые ионные взаимодействия. При температурах, близких к температуре точки росы, частицы остаются увлажненными, так что реакционноспособность также сохраняется на требуемом уровне в течение длительного времени. Увлажнение частиц предпочтительно поддерживают на таком высоком уровне, чтобы вода окружала частицы и могла проникать внутрь их. При проникновении воды в частицы извести осажденный на них слой сульфата или сульфита разрушается, обнажая новые реакционноспособные участки поверхности извести. Диоксид серы, содержащийся в газах, растворяется в воде, окружающей частицы, и взаимодействует с соединениями кальция в жидкой фазе.
В заявке на патент Финляндии 78401 описывается способ, в котором диоксид серы, содержащийся в дымовых газах, заставляют реагировать в реакционной зоне и превращают в твердые сульфаты и сульфиты, которые можно отделить от дымовых газов. Дымовые газы направляются в нижнюю часть вертикального длинного контактного реактора. Затем раздельно вводят в реактор известь в виде порошка и воду, обеспечивая поглощение серы известью. Суспензию, образованную дымовыми газами, выгружают из верхней части реактора проточного типа и направляют далее на операцию обеспыливания. За счет раздельного введения в реактор порошкообразной извести и воды отпадает необходимость в приготовлении, последующей обработке и распылении водной суспензии. Согласно описанию, этот способ, при использовании его для поглощения серы оксидом кальция, позволяет снизить содержание серы приблизительно на 80% при мольном отношении Ca/S= 1,56 и приблизительно на 90% при мольном отношении Ca/S=2,22. Поглощение оксида серы на 98% не достигается вплоть до мольного отношения Ca/S=4. В этом способе температуру дымовых газов также невозможно понизить до оптимальной температуры, близкой к температуре точки росы, поскольку в противном случае твердые вещества, содержащиеся в суспензии дымового газа, будут образовывать слои на стенках трубок и другом оборудовании, поднимая, таким образом, проблему очистки от пыли.
В Европейском патенте 0104335 приводят другую двухфазную полутвердую систему очистки газа. В этом способе на первой стадии к дымовым газам в контактном реакторе прибавляют сухой реагент, а на второй подают воду или водный раствор, к которому добавлен растворенный реагент. На первой стадии на поверхности частиц реагента образуется неактивный слой. Этот слой замедляет или ингибирует реакцию между реагентом и, например, оксидом серы. Путем прибавления воды на второй стадии реагент реактивируется. Таким образом, реагент используется более полно. Температуре газа дают понизиться до уровня, при котором она всегда остается выше температуры точки росы, например, 105oC. В указанном способе также нельзя понизить температуру газа до температуры, близкой к температуре точки росы, поскольку любые смоченные водой частицы, которые могут образоваться, приведут к сложностям при длительном проведении процесса во времени, даже несмотря на то, что реакционноспособность при более низкой температуре будет значительно выше. В соответствии с указанным способом, требуемое количество реагента можно уменьшить путем рециклирования охлажденных веществ, содержащих реагент, которые отделяют от газа на следующей стадии и затем регенерируются путем измельчения или каким-либо другим способом. Недостатком указанного метода является то, что необходимо использовать отдельное оборудование для переработки и хранения рециклированных твердых веществ.
В патенте США 4590049 предлагается сухая система очистки газа, в которой известь добавляют к дымовым газам в бойлере, а затем реагируют с дымовыми газами в реакторе. Известь, которая частично прореагировала с загрязняющими окружающую среду веществами, содержащимися в дымовых газах, отделяется от газов на фильтре в верхней части реактора. Отделенную от газов указанным способом сухую известь собирают и размалывают, а затею обрабатывают сухим паром с целью увеличения реакционноспособности сухой извести, после чего известь вновь возвращают в газовый поток на входе в реактор. Стадия обработки извести сухим паром протекает от 2 до 24 ч, т.е. является длительным процессом и требует значительного расхода энергии.
Целью настоящего изобретения является улучшенный способ очистки газообразных отходов, содержащих, в частности, соединения серы, хлора и фтора или другие превращаемые в жидкое состояние соединения.
Еще одной целью настоящего изобретения является способ, в котором, например, может быть достигнуто значительное снижение содержания серы, при этом не требуется увеличивать количество используемого реагента.
Еще одной целью настоящего изобретения является способ, в котором очищаемый газ может увлажняться в реакторе орошения при температуре, очень близкой к температуре точки росы, например, отличающейся от нее на 0-10oC, и тем не менее указанный способ позволяет извлекать в сухом состоянии частицы, отделенные от газов в реакторе орошения.
Поставленные выше цели достигаются тем, что, в соответствии со способом по настоящему изобретению, ниже уровня ввода газа в нижней части реактора орошения поддерживается слой шлака такой толщины, что шлак, образующийся из частиц, отделенных от газа, способен гомогенезовать влажные частицы шлака и капли воды, падающие вниз из верхней части реактора орошения.
В слое шлака преимущественно размещается механический миксер, например, миксер лопастного типа, для смешения и истирания образующихся кусочков из частиц настолько, чтобы усреднить температуру и содержание влаги в слое шлака. Целью этой операции является поддержание слоя шлака в таком сухом состоянии, чтобы шлак мог бы быть извлечен из реактора орошения пневматическим способом. Объем слоя шлака поддерживается в нижней части реактора орошения, например, путем регулирования количества извлекаемого шлака. Количество шлака должно преимущественно составлять по крайней мере 50 кг на 1 куб.м/с подаваемого газа. На практике при использовании реактора орошения с относительно прямым дном это означает, что слой шлака на дне реактора должно составлять по крайней мере 25 см. Если дно реактора имеем V-образную форму, слой шлака должен быть толще. Было обнаружено, что предпосылкой эффективного функционирования миксера лопастного типа с горизонтальным расположением является то, чтобы уровень шлака предпочтительно был выше вала миксера. С другой стороны, слой шлака не должен быть толще, чем это необходимо для эффективно функционирования миксера в верхней части слоя шлака, и он не должен препятствовать миксеру выбрасывать частицы из слоя шлака в газовое пространство над ним. Слой шлака не должен быть также выше уровня ввода газа.
Горячий газ, поступающий в реактор, может также служить в качестве осушающего газа, и он вступает в контакт с увлажненными частицами шлака и кусочками, образованными частицами, которые направляются вниз из зоны орошения. Частицы шлака из нижней части реактора увлекаются поднимающимся вверх осушающим газом и вновь попадают в зону орошения, с целью активирования еще не прореагировавшего реагента или абсорбента, который содержится в шлаке. В реакторе орошения частицы отделяются от газа с помощью фильтра и затем возвращаются в нижнюю часть реактора. Таким образом, в реакторе орошения создается внутренняя циркуляция частиц реагента или абсорбента, и в нем поддерживается относительная высокая плотность частиц.
Частицы отделяются от газа, например, на матерчатом фильтре, электрическом фильтре или другом эквивалентном типе сепаратора. Частицы удаляют с фильтра либо периодически, либо непрерывно, например, струйной промывкой, обратной промывкой или встряхиванием, при этом частицы падают вниз в реактор орошения в виде отдельных частичек или в виде образованных ими кусочков.
По крайней мере часть частиц прилипает друг к другу в зоне орошения или на фильтре с образованием больших агломератов, которые падают сквозь зону орошения в нижнюю часть реактора, в то время как отдельные маленькие частички легко уносятся поднимающимся вверх газом и удаляются из зоны орошения в верхнюю часть реактора. Более крупные куски, образованные частицами, и влажные тяжелые частицы высушиваются и размельчаются в более мелкие частицы с помощью миксера, как только они достигают слоя шлака в нижней части реактора.
Тщательное перемешивание частиц лопастями миксера оказывает положительное воздействие, выравнивания распределение тепла и влаги в слое шлака, для придания однородности материалу шлака. Поскольку частицы измельчаются, их активная поверхность увеличивается и по крайней мере часть их поднимается вихревым движением в верхние слои шлака и затем увлекается и уносится вверх осушающими газами, возвращаясь вновь в зону орошения. В зоне орошения частицы реактивируются и приобретают способность снова поглощать серу в реакционной зоне. Было обнаружено, что перемешивание, которое осуществляется механическим или эквивалентным ему мощным миксером, играет существенную роль в увеличении пропускной способности реактора орошения. Перемешивание решает следующие задачи:
- служит средством подачи частиц шлака, перемещая их из различных частей нижнего узла реактора к разгрузочному отверстию,
- гомогенизует частицы шлака, перемешивая их до вида, удобного для пневматического перемещения,
- измельчают влажные и сухие куски шлака до мелких частичек.
Сухие частицы шлака, которые падают вниз в процессе очистки фильтра или образуются при другом способе отделения от дымового газа на входе реактора, служат в качестве эффективного осушающего средства для влажного шлака и капель воды, падающих из зоны орошения. Миксер смешивает влажные и сухие вещества, чем и достигается указанная выше гомогенизация.
Миксер также способствует перемешиванию частиц в верхние слои шлака или буферный слой шлака, при этом горячий газ (дымовой газ), подаваемый в нижнюю часть реактора, уносит их вверх, создавая внутреннюю циркуляцию шлака в реакторе. Это способствует интенсификации процесса передачи энергии, высвобождаемой газом, к влажным частицам шлака.
Перемешивание и рециклирование частиц увеличивает время контакта, плотность взвеси, мольное отношение Ca/S и общую площадь поверхности частиц извести в реакторной зоне, уменьшая таким образом потребность в свежем реагенте. В соответствии с изобретением, средняя плотность частиц поддерживается благодаря внутренней циркуляции в реакторе орошения, при этом она, очевидно, выше, чем плотность частиц в газе, который вводится в реактор. Внутреннюю циркуляцию можно контролировать, регулируя скорость потока частиц, поднимающихся на поверхность слоя шлака. Расположение трубопровода подачи газа также оказывает воздействие на рециклирование. Чем меньше расстояние от места ввода потока газа до поверхности слоя шлака, тем большее количество частиц подхватывается потоком газа и поднимается вместе с ним вверх.
Часть частиц предпочтительно выводят из реактора через разгрузочное отверстие, расположенное в нижней части реактора орошения ниже зоны осушки. Часть выгруженных частиц может быть, если это необходимо, возвращена в реактор орошения. Таким образом, можно осуществить также и внешнюю циркуляцию частиц вне зоны реактора орошения. Частицы за пределами реактора можно обрабатывать с целью, например, регенерирования некоторого количества реагента.
Плотность частиц можно контролировать в реакторе путем регулирования количества частиц, выгружаемых из нижней части реактора, например, путем удаления избытка вещества сверх установленного уровня через разгрузочное отверстие и далее по трубопроводу. Объем слоя шлака можно также регулировать с помощью расходомеров, которые контролируют поток вещества через разгрузочное отверстие или трубопровод для удаления шлака.
Внешнюю циркуляцию в реакторе орошения можно осуществить, соединив фильтр или эквивалентное ему приспособление для отделения частиц, который полностью или частично располагается вне реактора, с верхней частью реактора орошения. В таком фильтре или сепараторе прореагировавшие и не прореагировавшие частицы абсорбента отделяются от газов, при этом хотя бы часть частиц непосредственно возвращается в нижнюю часть реактора орошения, предпочтительно в зону осушки. Частицы можно удалять с фильтра как непрерывно, так и периодически, и возвращать их в нижнюю часть реактора орошения. Часть вещества, выделенного с помощью сепаратора, можно полностью вывести из системы.
В соответствии со способом по изобретению, оказывается возможным понизить среднюю температуру газов в реакторе орошения до уровня, который приблизительно на 0-20oC, преимущественно на 0-10oC, отличается от температуры точки росы, и даже до температуры точки росы, и тем не менее избежать неудобств, которые возникают по причине слишком увлажненных частиц в верхней и нижней зонах реактора. Частицы, увлажненные в зоне орошения и падающие вниз, высушиваются в зоне осушки потоком горячего газа, не вызывая тем самым никаких проблем в нижней части реактора. Благодаря рециклированию разница в температуре и влажности незначительна также и выше зоны орошения, в различных точках сечения реактора. Таким образом, устраняются локальные проблемы, вызываемые увлажненными частицами или каплями воды.
В соотношении с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, слои, образованные увлажненными частицами на стенках реактора орошения, можно удалить, используя схему, при которой по крайней мере часть газа, поступающего в зону орошения, направляется в реактор орошения в виде потока газа в рубашке реактора, так что газы, прямо или косвенно, нагревают стенки. Газ поступает в реактор через трубы, расположенные, например, в стенках, при этом горячий газ, проходящий по трубам, препятствует охлаждению стенок и, таким образом, образованию осадков на стенках. Газы можно вводить также непосредственно в реактор и направлять их вниз вдоль стенок, т.е. защищая их. Вследствие этого увлажненные частицы либо направляются от стенок или же они высушиваются, проходя через поток газа, прежде чем достигнут стенки. Газовая завеса создается поступающим газом, например в цилиндрический реактор с помощью кольцевого отверстия в его стенке.
Процесс удаления осадков со стенок можно также интенсифицировать путем встряхивания или за счет изготовления стенок из гибкого материала, при этом изменения давления, которые обычно возникают в системе, будут трясти стенки, заставляя осадки падать вниз.
В очень больших реакторах газ можно вводить во внутреннюю часть зоны орошения, чтобы создать как можно более однородное распределение газа в реакторе. Газ можно подавать, например, через систему форсунок или щелей, расположенных на трубопроводе в средней части реактора. Газ можно также подавать в реактор с нескольких уровней.
Горячий газ, который поступает в нижнюю часть реактора, играет важную роль, поскольку он выполняет такие задачи, как, например,
- передача энергии для осушки влажного шлака и капель воды;
- транспортировка частичек шлака, взвихренных миксером, назад в зону орошения, что создает, таким образом, внутреннюю циркуляцию шлака в реакторе; и
- поддерживание стенок реактора в нагретом состоянии, что уменьшает вероятность образования осадков на стенках.
Зона орошения создается путем подачи струй воды или пара в верхнюю или среднюю часть реактора орошения. Вода предпочтительно впрыскивается в дымовые газы, главным образом сверху вниз по отношению к отверстиям для ввода газа. Струи воды или пара направляются таким образом, чтобы была равномерно охвачена как можно большая часть газового потока.
Зону орошения реактора орошения предпочтительно оснащают направленными вниз форсунками для подачи воды или пара, расположенными, например, на конструктивных элементах, которые проходят горизонтально внутри реактора.
Фильтр, расположенный в верхней части реактора орошения, является преимущественно матерчатым фильтром, таким как рукавный фильтр или фильтр кассетного типа, или же электрическим фильтром, или каким-либо еще эквивалентным им типом фильтра, из которого частицы возвращаются в нижнюю часть реактора путем встряхивания или обратной продувки фильтра.
Нижняя часть реактора предпочтительно снабжается механическим миксером, который перемешивает твердые вещества, собирающиеся в нижней части реактора. Перемешивание твердых веществ интенсифицирует процесс выравнивания влажности и температуры частиц, при этом частицы, которые все еще остаются влажными, осушаются, вступая в контакт с более сухими и горячими частицами. В то же время миксер разрушает куски, образованные частицами шлака, и способствует их перемещению в верхнюю часть реактора газовым потоком. Таким образом, миксер усиливает воздействие осушающего газа на образование внутренней циркуляции частиц в реакторе. Скорость вращения миксера регулируется, что позволяет совместно с газовым потоком, поступающим в зону смешения, осуществлять в широких пределах регулирование процесса циркуляции частиц.
Нижнюю часть реактора орошения снабжают также приспособлениями для разгрузки частиц из реактора. Частицы преимущественно удаляются при помощи миксера, описанного выше. Лопасти миксера можно направить под углом, так что они постепенно будут продвигать частицы к одному концу нижней части реактора, откуда частицы можно удалить в сухом состоянии через соответствующий затвор. Они также могут выгружаться отдельным загрузочным шнеком или разгрузочным конвейером. Частицы преимущественно удаляются из реактора в таком сухом состоянии, что их далее можно транспортировать, например, пневматически.
Разгрузочное отверстие должно быть расположено таким образом, чтобы в миксере создавался запас шлака, при этом объем (высота) запаса шлака зависит от размеров миксера. Например, если используется миксер лопастного типа с горизонтальным расположением вала, то уровень шлака предпочтительно равен высоте вала. Однако уровень шлака не должен превышать тот уровень, при котором миксер уже не оказывает перемешивающего воздействия на верхний слой шлака. В случае использования миксера лопастного типа, эффективная высота в 1-4 раза превышает диаметр миксера. Диаметр миксера приблизительно вдвое превосходит длину лопасти.
Помимо миксера лопастного типа с горизонтальным расположением вала, можно использовать и миксеры другого типа. В цилиндрических реакторах, например, можно применять вертикальные миксеры или струйные смесители на основе локального перемешивания, в которых эффект смешения создается водяным паром или воздухом.
Если необходимо, нижнюю часть реактора орошения можно снабдить отдельными узлами загрузки реагента или абсорбента. Для удаления вредных веществ из газов за одну стадию в реактор орошения можно подавать несколько различных реагентов.
Устройства по настоящему изобретению обеспечивают, в частности, следующие преимущества над известными:
- Несколько операций, таких как поглощение серы, смачивание реагента, отделение и сушка частиц, можно проводить в одном аппарате. Орошение газа может быть осуществлено в том же самом месте, что и отделение шлака, при этом для проведения такого процесса не требуются ни отдельные приспособления, ни отдельные реакторы.
В соответствии с настоящим изобретением, можно проводить процесс при температуре, очень близкой к температуре точки росы, и даже при температуре точки росы, поскольку фильтр непосредственно устанавливается внутри реактора, и не требуются специальные трубопроводы, т.е. устраняется проблема осаждения слоев на стенках указанных газопроводов в процессе транспортировки газа, который становится влажным при температуре, близкой к температуре точки росы. Возможность проведения процесса при температуре, близкой к температуре точки росы, приводит к весьма эффективному поглощению выделений SO2, SO3, HCl и HF.
- Внутренняя циркуляция частиц через зону орошения уменьшает потребление реагента или абсорбента. При указанном способе время пребывания абсорбента в реакторе становится более длительным, преимущественно в 2-10 раз больше, по сравнению с известными реакторами проточного типа.
- В этом аппарате отделяется также шлак, содержащий маленькие частицы. Шлак и потребляемый абсорбент можно высушить обычным путем. Используется лишь одна система удаления и обработки шлака. Сухой шлак и абсорбент можно транспортировать пневматическим способом.
- В известных ранее способах практически полное поглощение серы обеспечивалось на стадии орошения газов, содержащих диоксид серы, только в том случае, если содержание диоксида серы в вводимых газах составляло не более 40 промилей. В способе по настоящему изобретению полное поглощение серы возможно даже в том случае, если содержание серы превосходит 100 промилей.
- Способ является очень простым.
- В соответствии с настоящим изобретением, можно одновременно и оптимальным образом использовать три основных фактора, оказывающих положительное воздействие на реакции, протекающие при поглощении:
- охлаждение газа до уровня температуры, близкой к температуре точки росы, с целью обеспечения протекания быстрых реакций;
- высокое мольное отношение Ca/S в реакторной зоне; и
- большое время контакта для оптимального использования абсорбента.
Фиг. 1 является схематическим описанием предпочтительного устройства для осуществления способа по настоящему изобретению; фиг. 2 и 3 являются схематическим описанием двух других устройств для осуществления способа по настоящему изобретению; и фиг. 4 показывает зависимость степени поглощения диоксида серы от мольного отношения Ca/S при осуществлении способа по настоящему изобретению.
На фиг. 1 показан реактор орошения 10, снабженный отверстиями для ввода газа 12 и 14, трубопроводом для выхода газа 16 и трубопроводом 18 для выгрузки частиц, отделенных от газа. Реактор орошения снабжен также форсунками 20 над отверстиями для ввода газа для впрыскивания воды или пара в реактор орошения. Верхняя часть реактора снабжена фильтром 22 для отделения частиц от поднимающегося вверх газа.
Реактор орошения по настоящему изобретению может устанавливаться в трубопроводе дымовых газов после топочной камеры или колосниковой печи, топочной камеры, использующей жидкое топливо, или топочной камеры с псевдоожиженным слоем, таким как реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем, при этом реактор орошения преимущественно размещается после бойлера. Перед попаданием в реактор орошения дымовые газы охлаждаются до температуры не более 300oC, преимущественно до температуры менее 150oC. Для удаления из дымовых газов оксидов серы абсорбент, такой как известняк, подается в топочную камеру или реактор с псевдоожиженным слоем или после них. Абсорбент по крайней мере частично прокаливается горячим дымовым газом с образованием оксида кальция, который связывает серу в виде сульфата или сульфита кальция. При отношении известь/сера, равном 1,5-2,1, в реакторе с циркулирующим псевдоожиженным слоем обеспечивается поглощение серы приблизительно от 80 до 95%. Попадающий в реактор орошения дымовой газ все еще содержит серу, а также непрореагировавшую известь. Важной задачей, решаемой реактором орошения, в соответствии с настоящим изобретением, является активирование извести или другого абсорбента, содержащегося в дымовых газах, с целью удаления из дымовых газов остатков серы.
В устройстве, показанном на фиг. 1, дымовые газы, содержащие серу, направляют по трубе 24 в реактор орошения. Перед вводом дымовых газов в реактор их разделяют на два отдельных потока дымовых газов в трубопроводах 26 и 28. Дымовой газ по трубопроводу 26 направляют в реактор приблизительно на том же уровне, что и форсунки для подачи воды. Поток дымового газа по трубопроводу 28 подают существенно ниже.
Таким образом, один поток дымового газа подают в реактор орошения приблизительно на том же уровне, на котором расположены форсунки для подачи воды - выше либо ниже или же на том же уровне, что и форсунки для подачи воды. Важным обстоятельством является то, что газ, поступающий в реактор, хорошо смешивают с впрыскиваемой водой. Как газ, так и воду предпочтительно подают в реактор в виде направленного вниз потока, который на небольшом расстоянии от входного отверстия поворачивает вверх. Таким образом, входные отверстия для подачи газа и форсунки для подачи воды располагаются в зоне орошения, и обеспечивается хорошее увлажнение.
Водяные брызги образуют зону орошения 30 реактора орошения. В указанной зоне орошения дымовые газы увлажняются и охлаждаются до температуры, как можно более близкой к температуре их точки росы, преимущественно до температуры, отличающейся на 0-3oC от температуры точки росы. В указанной зоне орошения частицы извести смачиваются, при этом сера поглощается частицами, и в водной фазе могут протекать быстрее ионные реакции между серой и кальцием.
Воду предпочтительно подают через форсунки, которые образуют маленькие капли, имеющие преимущественно размер меньше 100 мкм, и которые направляют под большим углом, так что хорошо перекрывается сечение реактора и газовый поток. Воду направляют вниз. Зона орошения охватывает вертикальную зону реактора, которая приблизительно равна гидравлическому диаметру реактора.
В способе осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, дымовой газ подают в реактор в виде газовой рубашки. Из трубопровода 26 газ сначала поступает в кольцевой трубопровод 32, окружающий реактор. Из кольцевого трубопровода газы далее поступают в одну или более направленных вниз трубок 36, ограниченных стенками 34 реактора. Реактор имеет двойные стенки, так что между стенками 34 и 38 образуется трубка 36 для ввода дымового газа. По трубкам 36 дымовой газ направляют через отверстия 12 в зону орошения 30 реактора.
Аналогичным образом газ из нижнего трубопровода 28 подают в кольцевой трубопровод 42, окружающий реактор, и далее по направленным вниз трубкам 46, ограниченным стенками 44 реактора. Из этих трубок 46 дымовой газ попадает в нижнюю часть, т.е. зону осушки или смешения 40 реактора.
Подачу газа в реактор орошения контролируют, например, с помощью регуляторов 27 и 29, размещенных в трубопроводах 26 и 28. Ввод газа также контролируют путем изменения ширины щели 48 трубки 46.
Газы поднимаются из зоны осушки вверх, высушивая таким образом частицы, которые падают вниз с фильтра и зоны орошения. Поток осушающего газа автоматически регулируют устройствами 47 и 49 в зависимости от температуры газа в нижней части реактора или в зависимости от температуры частиц, которые подлежат выгрузке.
Нижняя часть реактора снабжена механическим миксером 50. В способе осуществления изобретения, приведенном на фиг. 1, используют два миксера, расположенных внизу реактора и снабженные лопастями 52. Миксеры разбивают комки частиц, падающих в нижнюю часть реактора. Одновременно они выравнивают температуру и влажность частиц. Миксеры преимущественно функционируют таким образом, что они "выплескивают" порцию частиц из нижней части слоя шлака вверх в газовое пространство зоны осушки, где поднимающийся вверх поток горячего газа переносит эти частицы сквозь зону орошения, возможно, вплоть до верхней части реактора. Лопасти миксера предпочтительно расположены таким образом, что при вращении они постепенно перемещают частицы к одному концу нижней части реактора, в котором располагается трубопровод 18 для выгрузки частиц. Частицы постепенно перетекают через ограничивающую пластину (не показана) в трубопровод для выгрузки. Таким образом, в реакторе постоянно формируется "буфер" из частиц, в котором происходит выравнивание температуры и влажности падающих вниз частиц.
На фиг. 2 показан реактор орошения 10, аналогичный приведенному на фиг. 1, за исключением того, что газ подают в нижнюю часть реактора по трубопроводу 54, расположенному внутри реактора. Трубопровод снабжен направленными вниз форсунками 56, через которые газ вначале направляют вниз в сторону частиц, собирающихся в нижней части реактора, а затем движется вверх. Таким образом, с помощью газа достигается дополнительное перемешивание частиц, находящихся в нижней части реактора.
В реакторе, изображенном на фиг. 2, количество воды, подаваемой в зону орошения, регулируют устройством 21 в зависимости от температуры газа в верхней части реактора. Для обеспечения равномерного орошения газа реактор орошения может оснащаться форсунками для подачи воды, расположенными на разных уровнях.
Реакторы, показанные на фиг. 1 и 2, имеют камеры, оснащенные стандартными рукавами фильтрами, а в нижней части реактора - зоны орошения и высушивания.
На фиг. 3 приведен реактор, в котором фильтр 60 установлен сразу же за реактивной камерой. Указанным путем в реакторе в дополнение к внутренней циркуляции частиц создается также и внешняя циркуляция частиц. Некоторое количество частиц, увлажненных в зоне орошения 30, отделяются от газа самостоятельно и падают под собственным весом вниз в зону осушки, где они подпадают под воздействием осушающего газа. После осушки частицы вновь поднимаются вверх, подхваченные газами, поддерживая, таким образом, внутреннюю циркуляцию. Часть увлажненных частиц уносится вместе с потоком газа в верхнюю часть реактора к фильтру 60 и возвращается в зону осушки по трубопроводу 40. Если возникает необходимость, частицы можно исключить из циркуляции с помощью выходного отверстия 64, которое перекрывается краном 66.
На фиг. 3 трубопроводы 26 и 28 для подачи газа могут соединяться с различными стадиями процесса сгорания, например, таким образом, что газ, подаваемый в реактор по трубопроводу 26, будет более охлажденным, чем газ, подаваемый по трубопроводу 28, и по этому трубопроводу может поставляться более горячий газ, который используется в процессе осушки.
По сравнению с известными способами настоящее изобретение обеспечивает гораздо лучшее поглощение серы, содержащейся в дымовых газах, и гораздо меньшее потребление извести, что подтверждается приведенными далее результатами испытаний, в которых использовали уголь и известняк.
Пример. При проведении тестовых испытаний использовали устройства, изображенные на фиг. 1. В реактор орошения подают дымовые газы с температурой 870oC, поступающие из реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем, в который вводят известняк в мольном соотношении Ca/S, равном 1,41-2,33. Расчетное содержание диоксида серы в дымовых газах составляет от 860 до 960 ppm. Сера, содержащаяся в дымовых газах, вступает во взаимодействие уже в реакторе с циркулирующим псвдоожиженным слоем таким образом, что содержание диоксида серы в дымовых газах, поступающих в реактор орошения, составляет приблизительно от 60 до 201 промиля. Газы подаются в реактор, имея температуру приблизительно от 139 до 160oC. Расчетное значение температуры точки росы газов в реакторе орошения составляет приблизительно 54oC.
Результаты испытаний представлены в таблице.
Тестовые результаты однозначно свидетельствуют о том, что в способе по настоящему изобретению поглощение серы является практически полным даже при низких мольных отношениях Ca/S в том случае, если конечные реакции протекают при температуре, близкой к температуре точки росы, т.е. при температуре, отличающейся от температуры точки росы на 0-5oC. Очень хорошие результаты получаются даже при наивысших температурах, т.е. отличающихся на 10-30oC от температуры точки росы, и при меньшем потреблении извести, чем в известных способах.
Согласно данным, приведенным в литературе, в известных реакторах орошения достигается степень поглощения диоксида серы, равная 90%, при мольном отношении Ca/S=2,22. Приблизительно 98%-ное поглощение диоксида серы не достигается, вплоть до мольного отношения Ca/S=4.
На фиг. 4 показана зависимость степени поглощения диоксида серы от мольного отношения Ca/S, достигнутая в приведенных выше тестовых испытаниях, при использовании способа по настоящему изобретению. Для сравнения представлена зависимость степени поглощения диоксида серы от мольного отношения Ca/S при испытаниях, в которых реактор орошения отсутствовал.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет объединить в единое целое различные стадии нескольких различных процессов:
- Реактор орошения, который располагается ниже кассет фильтров или подобного приспособления для отделения частиц. Через расположенную в этом пространстве систему форсунок впрыскивается вода для увлажнения шлака частиц абсорбента и для понижения температуры дымового газ до температуры, близкой к температуре точки росы, т.е. отличающейся от нее на 0-20oC.
- Матерчатый фильтр или аналогичный ему фильтр, который очищается по принципу противотока, импульсами давления, обратной промывкой или встряхиванием.
- Объединенное устройство для перемешивания и перемещения шлака и абсорбента, расположенное, например, в накопительном бункере в нижней части реактора. Приспособление для перемешивания преимущественно вращается с такой высокой скоростью, что оно разбивает осадки, которые во влажном состоянии падают со стенок и фильтра и которые осушаются потоком горячего газа.
- Циркуляция шлака и абсорбента, которая создается надувом входящего в реактор дымового газа через его нижнюю часть. Газ можно подавать в реактор также из-под миксеров таким образом, что газ приводит к псевдоожижению массы частиц, накопившейся в нижней части реактора. Газ, поступающий в реактор из его нижней части, совместно с основным потоком, поступающим со стороны стенок, высушивает влажные куски, образованные частицами, падающими из верхней части реактора орошения. Газы увлекают часть частиц обратно в зону орошения, что приводит к внутренней циркуляции частиц в реакторе орошения.
Формула изобретения: 1. Способ очистки газов, образующихся в процессе сжигания, в процессе газификации или в химическом процессе, которые содержат вещества, загрязняющие окружающую среду, такие как оксиды серы, соединения хлора или фтора, включающий добавление к газам до или после процесса реагента и/или абсорбента, взаимодействующих с содержащимися в газах веществами, загрязняющими окружающую среду, разделение газов, содержащих реагент и/или абсорбент, на два отдельных газовых потока, после чего первый газовый поток вводят в зону осушки, расположенную в нижней части реактора орошения, второй газовый поток вводят в зону орошения далее вверх в реакторе орошения для увлаженения суспензии газа и реагента и/или абсорбента водой и/или паром, отличающийся тем, что частицы шлака отделяют от газа в реакторе орошения, слой отделенных частиц шлака поддерживают ниже уровня ввода в нижней части реактора орошения, отделенные мокрые частицы шлака и капли воды, падающие вниз из верхней части реактора орошения, смешивают с частицами шлака в слое шлака для гомогенизации температуры и влажности слоя шлака.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частицы шлака отделяют от газа на фильтре и отделенные частицы шлака отделяются прерывисто от фильтра и падают в зону орошения и/или в нижнюю часть реактора орошения.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что влажные частицы, падающие вниз из зоны орошения, контактируют с газом, введенным в реактор орошения, для высушивания указанных влажных частиц.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть частиц, накопившихся в нижней части реактора орошения, увлекается газом, введенным в пространство ниже зоны смачивания.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что влажные частицы и капли воды смешивают со слоем шлака с помощью миксера, расположенного в слое шлака.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что миксер разбивает большие куски, образованные частицами, в слое шлака.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что одна или более по крайней мере частично направленных вниз струй газа, введенного в пространство ниже зоны смачивания, разрушает куски частиц, накопленных в нижней части реактора, и смешивает частицы.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что частицы выгружают из нижней части реактора орошения.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что часть частиц, выгружаемых из нижней части реактора орошения, рециркулируют в реактор орошения.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что частицы перед их рециркулированием увлажняют за пределами реактора орошения.
11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газы охлаждают в реакторе орошения до температуры, которая приблизительно на 0 20oС превосходит температуру точки росы.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что газы охлаждают до температуры, приблизительно на 0 10oС выше температуры точки росы.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество слоя шлака составляет по меньшей мере 50 кг·м3/с вводимого газа.
14. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина слоя шлака составляет по меньшей мере 25 см.
16. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой шлака подвергают механической обработке, при этом слой шлака поддерживают таким, что он простирается только до рабочих пределов средства механической обработки.
16. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть газа, который должен быть введен в зону орошения, поступает в реактор орошения в виде потока в рубашке реактора так, что газ поступает в зону орошения через трубки, расположенные в стенках реактора орошения и/или вдоль стенок реактора орошения в виде направленного вниз потока, при этом поток в рубашке реактора препятствует охлаждению стенок и осаждению слоев твердых веществ на стенках.
17. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть газа, который должен быть введен в зону осушки, поступает в реактор орошения в виде потока в рубашке реактора так, что газ поступает в зону осушки через трубки, расположенные в стенках реактора орошения, при этом предотвращается охлаждение стенок.
18. Способ по п.1, отличающийся тем, что воду или пар подают в зону орошения в виде направленных вниз струй.
19. Способ по п.1, отличающийся тем, что воду или пар подают в различные участки зоны орошения реактора.
20. Способ по п.1, отличающийся тем, что рециркулирование или внутреннюю циркуляцию частиц в реакторе орошения контролируют путем регулирования потока выгружаемого шлака.