Способ очистки отходящих газов нефтяных горелок и устройство для его осуществления - RU2095128C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу очистки отходящих газов нефтяных горелок из окиси серы и тяжелых металлов, в котором в отходящие газы вводят известь, а газы охлаждают, после чего полученный пылевидный продукт реакции отделяют от отходящих газов. Изобретение также относится к устройству для очистки отходящих газов нефтяных горелок от двуокисей серы и тяжелых металлов, включающему средство введения извести в отходящие газы, средство охлаждения отходящих газов и средство отделения пылевидного продукта реакции от отходящих газов.

Вредные выделения при сгорании тяжелого нефтяного топлива главным образом состоят из серы и окисей азота. При сгорании содержащейся в нефтяном топливе серы образуется главным образом двуокись серы (SO₂) при соотношении воздух/топливо, превышающем единицу, и температуре, превышающей 1000^oC. Трехокись серы (SO₃) всегда присутствует в небольших количествах в горелке при соотношении воздух/топливо свыше единицы. Их концентрация в окисях серы, содержащихся в отходящих газах, однако, крайне мала в том случае, когда температуру отходящих газов в горелке быстро понижают. С целью избежать проблем коррозии, связанных с этим, в горелку вводят небольшие количества окислов редкоземельных металлов или карбонатов.

При сгорании соединения азота, содержащиеся в топливе, уже при низких температурах разлагаются на азот (N₂) и моноокись азота (NO). Кроме того, при высоких температурах из присутствующего в воздухе горения кислорода (O₂) и азота образуются окиси азота. Небольшая часть окисей азота при сгорании окисляется в двуокись азота (NO₂). Количество окисей азота зависит от количества избыточного воздуха, использованного при сгорании и от температуры сгорания. По мере уменьшения количества воздуха горения и снижения температуры при сгорании нефтяного топлива могут также образовываться небольшие количества закиси азота (N₂O).

Выделяющиеся частицы тяжелого нефтяного топлива включают главным образом несгораемые соединения углерода, сажу и неорганические вещества, содержащиеся в нефтяном топливе, среди которых наиболее вредными являются некоторые соединения тяжелых металлов. Чем выше степень сгорания нефтяного топлива, тем ниже содержание пыли в отходящих газах и тем выше концентрация соединений тяжелых металлов в пыли.

Требования к охране окружающего воздуха также относятся к отходящим газам нефтяных горелок. В соответствии с существующими в Финляндии нормативами, например, максимальная допустимая концентрация серы в тяжелом нефтяном топливе составляет 1,0 мас. серы, в противном случае отходящие газы должны быть очищены от двуокиси серы до уровня ее концентрации, соответствующего уровню концентрации серы в отходящих газах, образующихся при сгорании тяжелого нефтяного топлива с низким, равным 1 мас. содержанием серы, или около 500 мг/МДж. В будущем снижение уровня выделений станет необходимостью, в результате чего удаление окисей серы из отходящих газов станет обязательным практическим требованием. С целью снижения выделения окисей азота в Финляндии было предложено, чтобы уровень выделений окисей азота у горелок, работающих на тяжелом нефтяном топливе с теплоемкостью ниже 150 МВт, не превышал 130 мг/МДж. Соответственно содержание пыли в отходящих газах должно не превышать 40 мг/МДж для горелок с теплоемкостью 5-50 МВт, работающих на тяжелом нефтяном топливе.

Необходимость очищения отходящих газов существенно повышает стоимость производимой энергии в особенности для горелок, предназначенных для выработки тепла, которая в течение холодного времени года невелика. В принципе удаление двуокисей серы от отходящих газов нефтяных горелок может быть осуществлено любым известным способом, применяющимся в настоящее время для удаления двуокиси серы. Применение этих способов, однако, ограничено высоким уровнем необходимых вложений, относительный размер которых возрастает по мере уменьшения размера установки и величины ее годовой наработки. В этой связи способы, подходящие для удаления двуокиси серы из нефтяных горелок, должны быть технически просты и не должны требовать больших вложений. Примерами таких простых способов, известных из предшествующего уровня техники, применяющихся в настоящее время являются способ LIFAC, полусухой способ DRY PACK и способ CDAC, и способы удаления двуокиси серы на основе псевдоожиженного слоя извести. Препятствием для осуществления всех этих способов является чрезмерно высокий уровень вложений.

При осуществлении способа LIFAC порошкообразный известняк продувают через топку горелки, где он сгорает, превращаясь в известь, и связывает часть двуокиси серы, содержащейся в отходящих газах, на поверхности частиц извести. После этого в отходящие газы распыляют воду в отдельном реакторе таким образом, чтобы увлажнить их и повысить способность извести к связыванию серы, и увеличить количество серы, связанное с известью. Полученный таким образом продукт удаления двуокиси серы представляет собой сухую пыль. Ее обычно отделяют от отходящих газов вместе с золой, образовавшейся при сгорании топлива, через электрофильтр. При очистке отходящих газов нефтяных горелок возможно применять модификацию способа LIFAC, когда уже сгоревшую известь непосредственно продувают в увлажняющий реактор вместо подачи порошкообразного известняка в горелку. Таким образом можно избежать загрязнения поверхностей нагрева порошковым известняком. Требуемая 60%-ная степень удаления двуокиси серы из отходящих газов тяжелого нефтяного топлива может быть достигнута при величине мольного соотношения известь/сера равной 2, когда отходящие газы охлаждают распылением воды до температур немного ниже 70^o C.

Способ ADCA является упрощенной модификацией способа ORYPAC, применяемой на энергоустановках, работающих на угле, когда воду и сухой порошкообразный гидроксид кальция распыляют в отходящих газах в специальном реакторе, в котором воду испаряют, а кислотные соединения, такие как двуокись серы, связаны с гидроксидом кальция. А пыль, содержащаяся в отходящих газах и содержащая гидроксид кальция и кислотные соединения, связанные с ним, удаляют с помощью тканевого фильтра. Связывание двуокиси серы продолжается в осадке пыли, накапливающемся на поверхности пылеулавливающего фильтра в виде твердого слоя.

Применение гидроксида кальция в способе CDAC снижается, а его эффективность повышается при возвращении части пыли, восстановленной на тканевом фильтре, а повторный цикл в реакторе в чистом виде или в виде водной суспензии подобен тому, как это делается в обычном полусухом способе.

В способе с псевдоожиженным слоем отходящие газы подают через псевдоожиженный слой, содержащий порошковую известь или гидроксид кальция. В слой извести через сопла продувают пар, который активирует известь и повышает ее способность абсорбировать двуокись серы. Псевдоожижающей средой в псевдоожиженном слое может являться какое-либо крупнозернистое вещество, такое как кварцевый песок, который не следует за порошковым веществом, выходящим из реактора в процессе пылеотделения.

Отходящие газы, покидающие псевдоожиженный слой, очищают от извести с помощью обычных средств пылеотделения, циклонных сепараторов, электрофильтров и тканевых фильтров.

Нормативы, касающиеся выделений окисей азота при сгорании нефтяного топлива, могут быть соблюдены с помощью регулировки процесса горения. Применение горения в несколько стадий и введения воздуха горения и топлива в несколько стадий является технически более легким при сгорании нефтяного топлива, чем при сгорании угля. При сгорании нефтяного топлива использование водной дисперсии уменьшает размер капель нефтяного топлива, распыляемого в процессе горения, повышая таким образом эффективность сгорания нефтяного топлива, что, в свою очередь, позволяет снизить величину соотношения воздух/топливо в процессе горения и таким образом снизить образующиеся выделения окисей азота. Воздействие небольших количеств воды на температуру пламени является несущественным, с другой стороны, выделения окиси азота уменьшаются при увеличении количества диспергированной воды.

Что касается химического состава частиц пыли, содержащихся в отходящих газах, необходимо обратить внимание на элементарный химический состав соединений, содержащихся в них, чтобы получить информацию о степени вредности пыли. Наиболее важными вредными аэрозолями металлов являются металлы, испаряющиеся при высоких температурах и вредно воздействующие на окружающую среду, такие как ртуть, кадмий, ванадий и мышьяк. Среди обычно применяемых средств очистки отходящих газов для очистки мелких частиц могут использоваться как электрофильтры, так и тканевые фильтры, в которых пыль образует твердый слой.

Недостаток известных способов заключен в том, что они обладают низкой очищающей способностью или, что в особенности касается небольших установок, они обычно необоснованно дороги относительно размеров установки и следовательно производимой энергии. Целью настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства для очистки отходящих газов нефтяных горелок, с помощью которых можно осуществить такую очистку технически и экономически подходящим образом и в достаточной степени эффективно.

Способ настоящего изобретения отличается тем, что отходящие газы охлаждают до низкой температуры, предпочтительно ниже 100^oC, отходящие газы подают через вращающийся фильтр с гранулированным слоем, в котором пылевидное вещество, содержащееся в отходящих газах, отделяется от отходящих газов. Устройство настоящего изобретения, в свою очередь, отличается тем, что средством отделения является вращающийся фильтр с гранулированным слоем, включающий по крайней мере один дисковый фильтр с несколькими секторами, заполненными гранулированными частицами, отходящие газы подают на наружную поверхность каждого диска, откуда они проходят через сектора, заполненные гранулированными частицами, и их удаляют с другой стороны секторов с гранулированными частицами.

Основная идея изобретения заключена в том, что отходящие газы пропускают через вращающийся фильтр с гранулированным слоем, служащий в качестве пылеулавливающего фильтра, и таким образом отходящие газы проходят через подвижный слой извести, абсорбирующий двуокись серы, что делает более эффективным связывание двуокиси серы с окисью кальция и одновременно повышает степень утилизации извести. В то же время тяжелые металлы и другие частицы, содержащиеся в отходящих газах, остаются на пылеулавливающем фильтре, откуда их удаляют с помощью известковой пыли с тем, чтобы они не попали в окружающую среду.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство для осуществления способа; на фиг. 2 и 3 схематически изображен вращающийся фильтр в двух различных сечениях.

На фиг. 1 схематически показана нефтяная горелка 1, из которой отходящие газы, образующиеся в результате горения, поступают далее в трубопровод 2. Затем отходящие газы поступают через трубопровод в пылеотделитель 3, где окись извести из бункера с известью 4 смешивают с помощью сжатого воздуха, подаваемого компрессором 5, с отходящими газами, протекающими через трубопровод 2. Затем в отходящие газы подается вода в охладителе 6, из которого отходящие газы поступают во вращающийся фильтр с гранулированным слоем 3. Из фильтра с гранулированным слоем 3 отходящие газы поступают через пылеотделители с гранулированным слоем, которыми снабжен фильтр, о чем более подробно будет сказано ниже, таким образом, что пыль остается в пылеотделителях и одновременно двуокись серы, содержащаяся в отходящих газах, вступает в реакцию с известью, смешанной с веществом пылеотделителя. Из пылеотделителя отходящие газы затем поступают через трубопровод 7 в вытяжную трубу 8. Отработанные продукты реакции из пылеотделителя, т.е. вращающегося фильтра с гранулированным слоем, и содержащиеся в нем тяжелые металлы удаляют через циклонный сепаратор и с помощью сжатого воздуха, подаваемого компрессором 9, подают через трубопровод 10 в промежуточный резервуар 14 для отработанных продуктов реакции, откуда их затем подают далее. Часть отделенной пыли может быть возвращена через трубопровод 11 в повторный цикл в трубопровод 2 с целью более эффективного использования непрореагировавшей извести, для чего к ней может быть добавлена вода в смесителе 12 таким образом, чтобы преобразовать известь в гидроксид, таким образом, делая ее более реакционноспособной.

При осуществлении способа отходящие газы, содержащие окись серы, пыль и тяжелые металлы в виде частиц или пыли, подают из горелки 1 далее через трубопровод 2, благодаря чему с ними вначале смешивают пылевидную известь и охлаждают их, например, введением в них воды таким образом, что их температура опускается предпочтительно ниже 100^oC. Содержащаяся в отходящих газах двуокись серы вступает в реакцию с окисью кальция и образует сульфит кальция, который постепенно окисляется в сульфат кальция.

CaO + SO₂ CaSO₃ (1)
CaSO₃ + 0,5 O₂ CaSO₄ (2)
Полученные отходящие газы, содержащие пыль, затем поступают во вращающийся фильтр с гранулированным слоем 3, где они проходят через сектора, заполненные гранулированными частицами. Благодаря этому непрореагировавшая двуокись серы вступает в реакцию с известью, содержащейся в секторах, и образует твердый пылевидный отработанный продукт реакции, в то время как остальная пыль, включая тяжелые металлы, также остается на фильтре, откуда чистые отходящие газы, прошедшие через фильтр, поступают далее. Часть окиси кальция всегда остается непрореагировавшей, а с другой стороны, на поверхности частиц окиси кальция образуется сульфит кальция, что препятствует или замедляет вступление в реакцию содержащейся извести. В определенных случаях, в этой связи, предпочтительным является возвращение части удаленной пыли в повторный цикл в пылеотделитель и, если потребуется, измельчение ее с помощью специальной дробилки 13 таким образом, что оболочка частиц разрушается и выявляется не прореагировавшая окись кальция, после чего с подлежащей возврату в повторный цикл пылью смешивают воду с целью преобразовать ее в более активный гидроксид. Вода может быть добавлена как отдельно, как упомянуто выше, так и в дробилке.

Способность абсорбировать двуокись серы подлежащего возврату в повторный цикл вещества может быть повышена путем увлажнения его при эффективном смешивании, например, в дробилке с помощью воды или водяного пара, благодаря чему окись кальция преобразовывается в гидроксид кальция и, таким образом, вступает эффективным образом в реакцию с двуокисью серы в пылеотделителе.

CaO + H₂O Ca(OH)₂ (3)
Ca(OH)₂ + SO₂ CaSO₃ + H₂O (4)
На фиг. 2 и 3 показан вращающийся фильтр с гранулированным слоем в поперечном и продольном сечении относительно оси ротора. Фильтр с гранулированным слоем 3 снабжен фильтровальной камерой 31, внутри которой вращается ротор 32 фильтра с гранулированным слоем. Ротор расположен в верхней части фильтровальной камеры 31, в которую отходящие газы поступают по касательной через трубопровод 33, как показано на фиг. 3. Ротор 32 включает несколько дисковидных фильтров с гранулированным слоем 34, каждый из которых имеет два взаимно разнесенных диска 36, содержащих сектообразные камеры 35, причем наружные края дисков расположены настолько близко, что исключена возможность просачивания между дисками 36 в периферическом направлении. Могут иметься один или несколько дисков в зависимости от необходимости, несмотря на то что на фиг. 2 и 3 показан фильтр с гранулированным слоем, включающий несколько дисков. Соответственно, пространство между дисками 36 сообщается посредством трубопровода 37, расположенного вокруг вытяжной трубы ротора 32, причем отходящие газы, вытекающие с наружной поверхности диска 36 через нее, выпускают через этот трубопровод. С целью повышения мощности, несколько таких дисковидных фильтров с гранулированным слоем располагают рядом друг с другом на вытяжной трубе ротора 32, благодаря чему отходящие газы способны проникать между соседними фильтрами и затем далее через их диски таким образом, что их выпускают в отводящий канал 37. Каждый сектор 35 дисковидного фильтра содержит гранулированное вещество, отделяющее пыль от отходящих газов. Поскольку между гранулированным веществом накапливается пыль, образуя таким образом слой пыли, подлежащие очистке отходящие газы должны пройти через окись кальция, содержащуюся в слое пыли, в результате чего происходит отделение большего количества двуокиси серы, что дополнительно уменьшает количество двуокиси серы, содержащейся в отходящих газах. При вращении ротора фильтра с гранулированным слоем его секторы по одному за каждый оборот достигают разделительной камеры 39, отделенной от входной камеры отходящих газов перегородками 38, и затем пыль, накопившаяся в секторах, может быть удалена, например, под воздействием давления сжатого воздуха, созданного внутри каждого сектора через трубопровод 40, благодаря чему пыль попадает в нижний циклонный сепаратор 41 и может быть удалена из него через, например, равные промежутки времени.

Вещество, содержащееся в секторах фильтра с гранулированным слоем, может быть гранулированным или состоять из шаровидных частиц или им подобных. Поскольку отходы, состоящие из тяжелых металлов, первоначально находятся в виде пыли при низкой температуре, они могут быть отделены в пылеулавливающем фильтре и удалены из него вместе с остальной пылью таким образом, что они все же попадают в окружающую среду. Отделенные таким образом из отходящих газов отходы удаления серы могут быть обработаны целым рядом различных способов, принципиально известных per se.

При осуществлении настоящего способа, концентрация двуокиси серы в отходящих газах, образующихся при сгорании тяжелого нефтяного топлива, богатого серой, может быть преимущественно снижена до уровня, соответствующего содержанию двуокиси серы в отходящих газах, образующихся при сгорании нефтяного топлива, бедного серой. В тех случаях, когда абсорбирующим веществом является порошковый известняк, введенный в горелку и преобразуемый в окись кальция в горелке, поверхности нагрева горелки очищают с помощью акустических очистителей. В связи с повышенным количеством золы горелка должна быть снабжена выпускным отверстием для выхода золы. Диспергирование воды и добавок в нефтяном топливе с целью улучшить процесс сгорания и снизить выделения окиси азота является приемлемым при использовании нефтяного топлива. Изобретение было пояснено на приведенном выше примере и чертежах, однако оно не никаким образом не ограничено ими. Вместо охладителя, распыляющего воду, может использоваться охлаждающее устройство другого типа или могут в сочетании применяться охладители обоих видов. Вместо гранул, в фильтре с гранулированным слоем могут использоваться шаровидные частицы или подобные им вещества, пригодные для такого применения. Вместо раздельной подачи извести в трубопровод для отходящих газов, как показано на фиг. 1, возможно также ввести известь в дробилку 13, где ее затем смешивают с подлежащим возврату в повторный цикл веществом. В качестве альтернативы вместо части извести целиком вся известь может быть введена через дробилку 13, благодаря чему как вновь введенную известь, так и известь, возвращаемую в повторный цикл, подают в трубопровод в одной и той же точке (-ах).

Реферат

Изобретение относится к способу очистки отходящих газов нефтяных горелок. Сущность изобретения: отходящие газы из нефтяных горелок проходят через вращающийся фильтр с гранулированным слоем так, что пылевидное вещество остается в фильтре и в то же время образует слой для дальнейшего абсорбирования окисей серы 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула