Способ и установка для очистки отходящих газов

Ключевые слова: абсорбция, фильтрующие элементы, вихревое контактное устройство, озонированная вода, пары и туман кислот, оксиды азота, оксиды серы. Изобретение относится к области очистки отходящих газов, выбрасывающихся в атмосферу, и может быть использовано в химической, нефтехимической, металлургической, обогатительной отраслях промышленности, теплоэнергетике, а также в гальванических производствах машиностроения. Очистку отходящих газов осуществляют путем их не менее двухступенчатой абсорбции озонированной водой и пропусканием через фильтрующие элементы с последующим отводом жидкой фазы на утилизацию улавливаемых компонентов и выбросом очищенных газов в атмосферу, при этом не растворившийся в воде избыток озона подают в газовую фазу любой из ступеней абсорбции, предшествующей заключительной ступени. Установка для очистки отходящих газов включает: туманоуловитель 1 с вихревым контактным устройством, патрубком входа 2 загрязненной газовой фазы, патрубком выхода 3 газовой фазы, патрубками входа 4 и выхода 5 жидкой фазы; каскад из по меньшей мере двух последовательно соединенных одноступенчатых вихревых абсорберов 8, 9 с патрубками входа 10, 11 и выхода 12, 13 газовой фазы, патрубками входа 14, 15 и выхода 16, 17 жидкой фазы; блок получения озонированной воды 24, состоящий из озонатора 25 с блоком управления, эжектора 26 и необязательно циркуляционной емкости озонированной воды 27 и насоса 28 для ее перекачки. Кроме того, в состав установки входят: труба 22 выброса очищенного газа, вытяжной вентилятор 23, накопительная емкость 29 для сбора жидких фаз перед утилизацией и насос 30 для их перекачки, а также циркуляционные 31 и переточные 32 гидрозатворы и трубопроводы для подачи, транспортировки, распределения и отвода газовых и жидких фаз. Последний абсорбер 9 по ходу движения газовой фазы имеет дополнительный патрубок 33, переходящий во внутреннюю трубу, расположенную перпендикулярно нижней части аппарата соосно с вихревым контактным устройством 35 и выходящую в его центр для подвода озонированной воды из циркуляционной емкости 27 или эжектора 26 блока получения озонированной воды 24 непосредственно в контактное устройство 35. Изобретение позволяет создать универсальную установку очистки отходящих газов для работы в широком диапазоне колебаний расхода и концентраций отходящих газов, достичь улова паров, тумана кислот, оксидов азота и оксидов серы не менее 99,99%, снизить капитальные и эксплуатационные затраты и упростить аппаратурное оформление процесса очистки отходящих газов, повысить сбор уловленной кислоты для возврата ее в производство или на переработку. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области очистки отходящих газов, выбрасывающихся в атмосферу, и может быть использовано в химической, нефтехимической, металлургической, обогатительной отраслях промышленности, теплоэнергетике, а также в гальванических производствах машиностроения.

Процессы, протекающие в химическом, нефтехимическом, гальваническом производстве, а также при сжигании твердого или углеводородного топлива в стационарных или передвижных энергетических установках, источниках горения и т.д., характеризуются образованием больших объемов загрязненных газов, содержащих не только твердые мелкодисперсные частицы, но и такие примеси, как кислые газы в виде паров и тумана, а также оксиды азота и оксиды серы. Для соблюдения строгих экологических норм, установленных законодательством, и защиты окружающей среды, отходящие газы от различных источников перед их сбросом в атмосферу подвергают очистке.

На сегодняшний день известны различные способы и установки очистки отходящих газов, содержащих пары и туман кислот, а также оксиды азота и серы [1-8].

Например, при производстве нитратов целлюлозы на разных технологических фазах выделяется значительное количество вредных кислых газообразных выбросов, содержащих пары и туман кислот, а также оксиды азота и оксиды серы, поэтому решение проблемы их улова является хорошей моделью для целого ряда промышленных технологий в других отраслях.

Способы и технологические установки очистки отходящих газов в производстве нитратов целлюлозы подробно рассмотрены В.И. Гиндичем, Л.В. Забелиным, Г.Н. Марченко, А.Ф. Махоткиным [1-5].

Способы улова паров кислот из отходящих газов основаны на их хорошей растворимости в воде, поэтому самым распространенным способом является абсорбция кислых газов жидкой фазой (например, водой). Для реализации данного способа используются установки абсорбции с насадочными колоннами, тарельчатыми и пленочными абсорберами [4, стр. 83].

Недостатком данных абсорбционных установок является низкий уровень улавливания паров и тумана кислот, который не превышает 72-78% по общей кислотности и 85-90% по степени очистки от паров азотной кислоты. Кроме того, данные установки не очищают загрязненные газы от оксидов азота и оксидов серы.

Для улова туманов кислот и других жидкостей применяют сеточные брызгоуловители, если диаметр капель равен 5 мкм и более, и волокнистые туманоуловители при диаметре капель менее, чем 5 мкм [6, стр. 137].

При этом одной из наиболее эффективных установок для очистки газов от паров и тумана кислот считается установка на основе вихревых абсорберов с рукавными фильтрующими элементами [4, стр. 84], в которых предусматривается эффективный контакт фаз с учетом особенностей механизма улова паров и тумана, исходя из отличия их физического состояния.

Установка для улова смеси паров и тумана кислот [4, стр. 85] состоит из трех последовательно расположенных вихревых абсорберов с фильтрующими элементами в виде рукавных фильтров. Отходящие газы подаются в первый абсорбер, где происходит абсорбционный контакт с диспергированной водой или слабой кислотой, которые раскручиваются газовым потоком внутри вихревого контактного устройства. В верхней части контактного устройства жидкость отделяется от газа и выводится из аппарата, либо по циркуляционной трубе поступает на многократную циркуляцию. Газы поднимаются вверх и через центральную трубу входят в ряд вертикальных рукавных фильтров из волокнистого пропиленового иглопробивного материала. На фильтрах улавливается туман и брызги кислоты, при этом стекающая с фильтров жидкость выводится из аппарата в виде раствора кислоты, а очищенные газы проходят в следующий аппарат установки для аналогичной очистки. Потоки газовой фазы и орошающей жидкости (воды, слабой кислоты) имеют противоположные направления. Пары кислоты поглощаются орошающей жидкостью. В результате из первого вихревого абсорбера кислота с концентрацией 50-55% поступает в промежуточную емкость, откуда насосом окачивается на регенерацию или утилизацию. Очищенные газы воздуходувкой через трубу выбрасываются в атмосферу.

Основными преимуществами установки на основе вихревых абсорберов с фильтрующими элементами по сравнению с другими видами (насадочными, тарельчатыми и пленочными) абсорбционных установок являются:

- дешевизна установки;

- небольшие габаритные размеры;

- отсутствие необходимости большого числа насосов;

- отсутствие вращающихся и трущихся узлов;

- не требуется наличие помещения;

- не требуется постоянное технологическое обслуживание;

- работа под разрежением.

Появляется возможность сокращения материалоемкости аппаратов абсорбции газов в 50-100 раз по сравнению с распространенными зарубежными насадочными колоннами [7, стр.166].

Эффективность очистки отходящих газов от паров и тумана кислот достигает 100% [9].

Вместе с тем, установки на основе вихревые абсорберов с фильтрующими элементами не позволяют полностью очистить отходящие газы от оксидов азота и оксидов серы, что является основным их недостатком.

При абсорбции паров и тумана азотной кислоты частично улавливаются оксиды азота NO₂ с образованием азотной HNO₃ и азотистой HNO₂ кислот:

Однако азотистая кислота HNO₂ разлагается с выделением оксидов: NO и N₂O₄:

или суммируя уравнения (2) и (3), получим:

В этой связи очистка отходящих газов от оксидов азота водой и водными растворами азотной кислоты малоэффективна.

Основными способами очистки газов от оксидов азота являются селективное каталитическое и некаталитическое восстановление [8].

Например, после прохождения установки вихревых абсорберов газовый поток направляется на установку селективного каталитического восстановления [4, 9], где оксиды азота, пройдя высокотемпературную топку, в которую подается природный газ, восстанавливаются до нейтральных компонентов аммиаком на катализаторе типа К-16.

Однако при селективном каталитическом и некаталитическом восстановлении оксидов азота процессы происходят при нагревании газового потока до высоких температур, что делает их очень опасными, причем селективное некаталитическое восстановление требует намного более высоких температур и дорогостоящего оборудования для осуществления. В процессе восстановления оксидов азота температура газа возрастает до 700°С и более, поэтому возникает необходимость использования термостойких катализаторов или восстановителей с низкой температурой зажигания, либо проведения ступенчатого контактирования с промежуточным охлаждением обрабатываемого газового потока. Восстановителями являются метан, природный, коксовый или нефтяной газ, оксид углерода, водород или азото-водородная смесь.

Известны также способы низкотемпературного каталитического восстановления оксидов азота, например, аммиаком в присутствии алюмопалладиевых, алюмованадиевых катализаторов [8]. Процесс восстановления протекает при 200-360°С, степень очистки составляет 96-98,5%. Основным недостатком метода является необходимость точного дозирования аммиака, что становится практически невозможным в случае колебаний концентрации оксидов азота в отходящих газах. При недостатке аммиака происходит проскок оксидов азота, а при избытке - проскок аммиака и загрязнение отходящих газов токсичными соединениями.

При низкотемпературном каталитическом восстановлении в качестве катализаторов используются дорогие металлы платиновой группы (палладий, рутений, платина, родий). Более дешевые материалы, которые включают никель, хром, медь, цинк, ванадий, церий и другие элементы, являются менее эффективными и стабильными в эксплуатации. Эффективность обезвреживания оксидов азота NOx зависит, прежде всего, от активности используемого катализатора.

Все представленные способы восстановления оксидов азота являются дорогостоящими, высокозатратными, требующими сложного термостойкого оборудования, больших расходов дорогих катализаторов, поскольку со временем происходит их отравление. Кроме того, имеются большие трудности с рекуперацией тепла.

В последнее время высокие результаты очистки отходящих газов, содержащих оксиды азота и оксиды серы, получены при их окислении газообразным озоном. Например, в патентах США №№6162409, 5206002, 7303735 предложены методы удаления примесей, включая оксиды азота и оксиды серы, из отработавших газов, выделяемых из газовых котлов и котлов, работающих на угле, основанные на данном принципе.

В патенте на изобретение РФ №2645987 (конвенционный приоритет от 15.10.2013 US 13/998,248; опубликован 28.02.2018) предложены способ и устройство для удаления примесей из выхлопных газов, в которых для окисления примесей, содержащихся в потоке газа, применяют газообразный озон, который вводят в один из отделяемых потоков газа для его смешения с примесями, в том числе оксидами азота. Окисленные оксиды азота улавливают в улавливающем устройстве, выбранном из следующего списка: тканевом фильтре, электростатических пылеуловителях мокрого или сухого типа, скруббере с водяным орошением, скруббере сухой очистки, камере рукавных фильтров, на охлаждающих поверхностях или в туманоуловителе. Обработанный озоном газовый поток подвергают орошению в улавливающем устройстве водной средой для удержания окисленных примесей в водной струе. На выходе из улавливающего устройства удаляют туман и капли из потока обработанного газа. Далее соединяют обработанный поток технологического газа с оставшейся частью необработанного потока, содержащего примеси, для их окисления избытком озона, оставшегося в первом (обработанном) технологическом газовом потоке, и сбрасывают в атмосферу.

Недостатком указанного изобретения на способ частичного удаления примесей из потока технологического газа является наличие остаточной концентрации оксидов азота в выбрасываемых в атмосферу газах из-за невозможности организации полного их окисления при разделении отходящего газа минимум на два потока и технологической обработки только одного из них.

Известен патент РФ №2648894 (конвенционный приоритет 16.01.2013 US 61/753,034; 10.01.2014 US 14/151,948; опубликован 28.03.2018), раскрывающий способ удаления загрязняющих веществ из выходящих газов, возникающих от операций травления металла. Способ предусматривает введение измеренного количества газообразного кислорода в травильный раствор на операции травления металла, где кислород окисляет продукты реакции азотной кислоты и металла в травильном растворе, образуя оксиды азота и регенерируя азотную кислоту, введение дополнительного кислорода в травильный раствор для дополнительного снижения истощения азотной кислоты в травильном растворе, введение газообразного кислорода в выходящий поток, который содержит пары травильной кислоты и оксиды азота, где газообразный кислород вводится регулируемым способом, собирание и транспортирование выходящего потока в первую скрубберную систему, в которой кислотный газ и оксиды азота удаляются из выходящего потока, транспортирование выходящего потока по трубопроводу во вторую скрубберную систему, введение озона в трубопровод между первой скрубберной системой и второй скрубберной системой, в результате смешивая с выходящим потоком с окислением оставшихся оксидов азота, и мокрую очистку окисленных оксидов азота в выходящем потоке во второй скрубберной системе. Следует отметить, что озон вводится в трубопровод между первой и второй скрубберными системами в газообразном состоянии в количестве примерно от 2 до 12% мас. Озонный генератор находится в непосредственном сообщении с указанным трубопроводом.

Изобретение позволяет обеспечить эффективное удаление NO_x и других загрязняющих веществ из газообразного потока, а также снизить выходящий поток жидкости, образованной на операциях травления и мокрой очистки.

Основной недостаток представленного изобретения заключается в том, что для абсорбционной очистки отходящих газов применяются две скрубберные системы, которые являются громоздкими, металлоемкими, дорогостоящими установками, требующими больших капитальных затрат.

Известен патент РФ №2602148 (конвенционный приоритет 22.08.2011 US 61/525,899; 21.08.2012 US 13/590,424; опубликован 10.11.2016), в котором описан способ снижения содержания оксидов азота в отходящем газе из процесса производства азотной кислоты, либо химического производства, осуществляющего обработку органического материала азотной кислотой. Способ заключается во введении газообразного озона в многоступенчатую абсорбционную или тарельчатую колонну, имеющую от 20 до 70 тарелок, на заключительную ступень, при необходимости нагнетая до давления абсорбционной колонны. Многоступенчатая абсорбционная колонна также может представлять собой последовательность насадочных колонн (предпочтительно от 2 до 6 штук), установленных последовательно или вертикально друг на друга, работающих при давлениях, близких к атмосферному. Тогда газообразный озон подают в заключительную насадочную абсорбционную колонну.

Газовый поток, выходящий из заключительной абсорбционной колонны, далее поступает в дымовую трубу, имея значительное снижение содержания NO_x, основная масса которого превращается в извлекаемую азотную кислоту.

Преимуществом данного изобретения является окисление оксидов азота газообразным озоном до высших оксидов N₂O₅ с последующим их растворением в воде и образованием азотной кислоты HNO₃, которая возвращается обратно в производство.

К недостаткам данного изобретения относится громоздкость и большая металлоемкость установки, состоящей из многоступенчатых абсорбционных колонн тарельчатого или насадочного типа, высокие капитальные затраты на создание установки, необходимость замены насадок и ремонта тарелок во время эксплуатации, невозможность работы установки в широком диапазоне колебаний расхода и концентраций отходящих газов.

Известен патент РФ №2161528 (приоритет от 01.03.1999; опубликован 10.01.2001) на способ и устройство для удаления окислов азота и окислов серы, заключающийся в подаче дымовых газов в зону обработки, размещенную в газоходе, где они смешиваются с озоновоздушной смесью, выделившейся из рециркуляционного конденсата, затем поступают в межтрубное пространство трубчатого теплообменника, в трубах которого циркулирует охлаждающий агент, охлаждаются до температуры ниже температуры точки росы дымовых газов, и конденсации находящихся в них водяных паров, после чего поступают в абсорбционную секцию, где контактируют с рециркуляционным конденсатом, насыщенным озоном, кислородом и кислотными компонентами, стекающим через щели распределительной решетки по поверхности насадка и поглощающим окислы азота и серы, на днище абсорбционной секции, откуда часть кислого конденсата выводят из зоны обработки, а очищенные дымовые газы по газоходу выводят в атмосферу; образовавшийся в теплообменнике свежий конденсат стекает вниз по наружной поверхности труб, контактируя при этом со смесью дымовых газов, озона и воздуха, на днище газохода, где смешивается с большой частью кислого конденсата, представляющего собой смесь разбавленной азотной и серной кислот; полученная смесь кислого и свежего конденсата самотеком через гидравлический затвор стекает на рециркуляцию в нижнюю часть корпуса эрлифта, куда также поступает озоновоздушная смесь, которая, проходя через отверстия в смесителе эрлифта, образует при этом газожидкостную эмульсию, поднимающуюся за счет своего малого веса вверх по подъемной трубе эрлифта с одновременным поглощением озона и кислорода из воздуха и их химическим взаимодействием с окислами азота, серы и водой; насыщенный рециркуляционный конденсат из устья подъемной трубы поступает в десорбционно-распределительную секцию, где из эмульсии отделяется и десорбируется часть озоновоздушной смеси, которая затем смешивается с дымовыми газами, а рециркуляционный конденсат, насыщенный озоном, кислородом и кислотными компонентами, самотеком поступает на распределительную решетку, откуда орошает абсорбционную секцию. Устройство, согласно данному изобретению, содержит зону обработки в газоходе с размещенными в нем теплообменной и абсорбционной секциями, установленной над зоной обработки на потолке газохода десорбционно-распределительной секции, в которой размещены устроенные в потолке газохода распределительная решетка, порог, входное отверстие трубы с перфорированным насадком, устье подъемной трубы эрлифта, корпус которого соединен с днищем газохода гидрозатвором.

Известен также аналогичный патент РФ 2186612 (приоритет от 13.12.2000; опубликован 10.08.2002) тех же авторов и заявителей (В.С. Ежов, Курганский государственный технический университет), что и предыдущий патент РФ №2161528, в котором предложены способ и устройство для очистки дымовых газов, утилизации тепла и улавливаемых компонентов, предусматривающий охлаждение дымовых газов до температуры ниже температуры точки росы, конденсацию водяных паров в трубчатом теплообменнике с образованием свежего конденсата, дальнейшее охлаждение их наружным воздухом и абсорбцию окислов азота и окислов серы в абсорбционной секции в противоточном контакте с пленкой рециркуляционного конденсата, насыщенного озоном, кислородом и кислотными компонентами в подъемной трубе эрлифта, охлаждение также наружным воздухом, абсорбцию окислов азота и окислов серы в прямоточном контакте с пленкой насыщенного конденсата, очистку от капель уносимого конденсата в сепарационной секции, удаление очищенных дымовых газов из зоны обработки, очистку кислого конденсата от кислых компонентов в анионитовом фильтре и подачу его в питательную воду. Устройство, согласно данному патенту, содержит транзитный газоход, шибера, параллельный газоход, в котором размещена зона обработки, состоящая из трубчатого теплообменника, абсорбционной секции с подъемной трубой эрлифта, сепарационной секции, выполненных в виде вертикальных трубчатых теплообменников, соединенных между собой вверху переточной камерой, внизу гидрозатвором, общий поддон, конденсатопровод и анионитовый фильтр.

Представленные по патентам РФ №2161528 и №2186612 изобретения позволяют повысить эффективность очистки дымовых газов от оксидов азота и оксидов серы с одновременной утилизацией их тепла и улавливаемых компонентов.

Основными недостатками данных изобретений являются достаточно узкие рамки их использования (только в теплоэнергетике для очистки горячих дымовых газов), невозможность работы в широком диапазоне колебаний расхода и концентраций отходящих газов (как при химическом производстве) и техническая сложность их практической реализации.

Таким образом, представленный обзор установок и способов для очистки отходящих газов любого производства показывает, что применение озона в технологическом процессе позволяет окислить содержащиеся в отходящем газе оксиды азота и оксиды серы, и перевести их в кислоту, что в дальнейшем улучшает степень очистки выбрасываемого газа в атмосферу.

На сегодняшний день наиболее распространенным и технически реализуемым способом очистки отходящих газов является их абсорбция жидкой фазой и пропускание через фильтрующие элементы с последующей утилизацией улавливаемых компонентов и выбросом очищенного газа в атмосферу. Данный способ принимаем за прототип.

Однако при разработке универсальной установки и способа для очистки отходящих газов необходимо решить следующие проблемы: обеспечить одновременный улов из загрязненной газовой фазы твердой мелкодисперсной фракции, смеси паров, тумана кислот, оксидов азота и оксидов серы; обеспечить отсутствие загрязнения атмосферы при колебаниях расхода и концентрации отходящих газов; отказаться от громоздкого оборудования и снизить его металлоемкость; сократить капитальные и эксплуатационные затраты на установку и ее обслуживание; обеспечить надежность работы установки.

Целью и техническим результатом настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и создание таких установки и способа, в которых обеспечивается:

- универсальность установки и способа, позволяющих очищать с высокой эффективностью отходящие в атмосферу газы большинства предприятий химической, нефтехимической, металлургической, обогатительной отраслей промышленности, теплоэнергетики, а также гальванических производств машиностроения;

- высокая степень очистки отходящих газов от мелкодисперсной твердой фракции и смеси паров, тумана кислот, оксидов азота и оксидов серы;

- отсутствие вторичного загрязнения атмосферы при колебаниях концентрации и расхода газовой и жидкой фазы в установке (в том числе за счет проскока из газовой фазы загрязняющих веществ и применяющихся в технологическом процессе реагентов);

- надежность эксплуатации установки при любых соотношениях контактирующих фаз и возможность обслуживания в широком диапазоне устойчивой работы;

- упрощение аппаратурного оформления процесса очистки отходящих газов;

- сокращение капитальных и эксплуатационных затрат на установку и ее обслуживание;

- извлечение улавливаемых из отходящих газов компонентов для их возврата в производство или на переработку.

Указанная цель изобретения и его технический результат достигаются с помощью предлагаемых установки и способа очистки отходящих газов.

Установка для очистки отходящих газов (Фиг. 1) содержит:

- туманоуловителъ 1 с вихревым контактным устройством и фильтрующими элементами, имеющий патрубок входа 2 и выхода 3 газовой фазы, патрубки входа 4 и выхода 5 жидкой фазы, входа 6 и выхода 7 циркуляционной жидкости;

- каскад из по меньшей мере двух последовательно соединенных одноступенчатых вихревых абсорберов 8, 9, размещенных по ходу движения газовой фазы с увеличением высоты расположения последующего абсорбера по сравнению с предыдущим для обеспечения самотека жидкости между ступенями, имеющие патрубки входа 10, 11 и выхода 12, 13 газовой фазы, патрубки входа 14, 15 и выхода 16, 17 жидкой фазы, входа 18, 19 и выхода 20, 21 циркуляционной жидкости;

- трубу 22 выброса очищенного газа;

- вытяжной вентилятор 23 для создания разрежения в туманоуловителе 1 и каскаде из вихревых абсорберов 8, 9, а также нагнетания очищенной газовой фазы под давлением в трубу 22 для сброса в атмосферу;

- блок получения озонированной воды 24, включающий промышленный озонатор 25 с блоком управления, эжектор 26, а также необязательно циркуляционную емкость озонированной воды 27 и насос 28 для перекачки озонированной воды;

- накопительную емкость 29 для сбора жидких кислых фаз перед утилизацией;

- насос 30 для перекачки жидких кислых фаз;

- циркуляционные 31 и переточные 32 гидрозатворы между туманоуловителем 1 и вихревыми абсорберами 8, 9;

- а также трубопроводы для подачи загрязненной газовой фазы, воды, для транспортировки, распределения и отвода газовых и жидких фаз, получаемых в качестве промежуточных и конечных продуктов и отводимых очищенных газов;

при этом последний абсорбер 9 по ходу движения газовой фазы содержит дополнительный патрубок 33, переходящий во внутреннюю трубу 34, расположенную перпендикулярно нижней части аппарата соосно с вихревым контактным устройством 35 и выходящую в его центр для подвода озонированной воды из циркуляционной емкости 27 или эжектора 26 блока получения озонированной воды 24 непосредственно в контактное устройство 35.

Способ очистки отходящих газов с помощью описанной установки включает в себя не менее двухступенчатую их абсорбцию жидкой фазой и пропускание через фильтрующие элементы с последующим отводом жидкой фазы на утилизацию улавливаемых компонентов и выбросом очищенных газов в атмосферу, причем в качестве жидкой фазы применяют озонированную воду, а не растворившийся в воде избыток озона подают в газовую фазу любой из ступеней абсорбции, предшествующей заключительной ступени.

Положительный эффект настоящего изобретения реализуется за счет применения в качестве жидкой фазы - озонированной воды, которая в установке выполняет две главные функции:

1. абсорбента паров кислых газов, содержащихся в газовой фазе, поступающей на установку;

2. одновременного окислителя оксидов азота NO_x, оксидов серы SO_x, и абсорбента образующихся вместо них высших оксидов N₂O₅ и SO₃, которые хорошо растворяются в воде, с превращением последних, соответственно, в азотную и серную кислоты:

Образующиеся кислородсодержащие азотная HNO₃ и серная H₂SO₄ кислоты обладают высокой реакционной способностью и также очень хорошо растворяются в воде, поэтому их можно легко отделить от газового потока в аппаратах абсорбции.

Не растворившийся в воде избыток озона подают в газовую фазу любой из ступеней абсорбции, предшествующей заключительной ступени. Такое техническое решение одновременно с использованием озонированной воды в качестве жидкой фазы позволяет максимально окислить оксиды азота и оксиды серы, поступающие с отходящими газами в установку, и предотвратить вторичное загрязнение очищенного газа, сбрасываемого в атмосферу, не прореагировавшим в установке избытком озона.

Организация подачи озонированной воды в установку, состоящую из аппаратов вихревого типа (туманоуловителя и каскада абсорберов), обеспечивает комплексное решение проблемы улова смеси паров и тумана кислых газов с одновременной их очисткой от оксидов азота и оксидов серы при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах на реализацию проекта.

Основными отличительными признаками представленного изобретения от любых других являются:

1. универсальность установки и способа, обеспечивающих очистку отходящих газов на предприятиях различных отраслей промышленности и теплоэнергетики;

2. высокая эффективность протекающих в жидкой фазе физико-химических процессов за счет использования озонированной воды;

3. отсутствие вторичного загрязнения атмосферы за счет невозможности проскока избытка озона с отходящими газами, поскольку весь озон в установке на заключительной ее ступени находится в связанном с водой состоянии в виде озонированной воды, а не растворившийся в воде избыток озона подается в газовую фазу любой из ступеней абсорбции, предшествующей заключительной ступени;

4. высокая степень очистки отходящих газов (свыше 99,99%) и практическое отсутствие в них мелкодисперсных частиц твердой фазы, паров и тумана кислот, а также оксидов азота и оксидов серы;

5. комплексная очистка отходящих газов на одной установке при минимальных капитальных вложениях и затратах на ее создание и эксплуатацию;

6. высокая технологическая надежность установки, вихревые аппараты которой не имеют вращающихся и трущихся узлов и работают под разрежением;

7. обеспечение надежной бесперебойной работы установки в широком диапазоне соотношений контактирующих фаз за счет использования озонированной воды;

8. легкость в обслуживании установки за счет простоты конструкции входящих в состав вихревых аппаратов;

9. самонастраиваемость работы установки в широком диапазоне устойчивой работы под колебания расхода и концентрации поступающей газовой фазы.

Вышеперечисленные отличительные признаки данного изобретения в совокупности обеспечивают получение положительного технического результата.

Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема установки для очистки отходящих газов; на фиг. 2 - вихревой абсорбер с дополнительным патрубком для подачи озонированной воды непосредственно в вихревое устройство.

Перечень сокращений на рисунках:

1 - туманоуловитель с вихревым контактным устройством и фильтрующими элементами;

2 - патрубок входа газовой фазы (отходящих газов) в туманоуловитель;

3 - патрубок выхода газовой фазы из туманоуловителя;

4 - патрубок входа жидкой фазы в туманоуловитель;

5 - патрубок выхода жидкой фазы из туманоуловителя;

6 - патрубок входа циркуляционной жидкости в туманоуловитель;

7 - патрубок выхода циркуляционной жидкости из туманоуловителя;

8, 9 - каскад из двух одноступенчатых вихревых абсорберов;

10, 11 - патрубки входа газовой фазы в соответствующие вихревые абсорберы 8, 9;

12, 13 - патрубки выхода газовой фазы из соответствующих вихревых абсорберов 8, 9;

14, 15 - патрубки входа жидкой фазы в соответствующие вихревые абсорберы 8, 9;

16, 17 - патрубки выхода жидкой фазы из соответствующих вихревых абсорберов 8, 9;

18, 19 - патрубки входа циркуляционной жидкости в вихревые абсорберы 8, 9;

20, 21 - патрубки выхода циркуляционной жидкости из вихревые абсорберы 8, 9;

22 - труба выброса очищенного газа в атмосферу;

23 - вытяжной вентилятор;

24 - блок получения озонированной воды, в том числе:

25 - промышленный озонатор с блоком управления;

26 - эжектор;

27 - циркуляционная емкость озонированной воды;

28 - насос для перекачки озонированной воды;

29 - накопительная емкость для сбора жидких кислых фаз перед утилизацией;

30 - насос для перекачки жидких кислых фаз;

31 - циркуляционные гидрозатворы в аппаратах 1, 8, 9;

32 - переточные гидрозатворы между туманоуловителем 1 и вихревым абсорбером 8, между вихревыми абсорберами 8 и 9;

33 - дополнительный патрубок на последнем вихревом абсорбере 9 для подачи озонированной воды;

34 - внутренняя труба в последнем вихревом абсорбере 9;

35 - вихревое контактное устройство;

36 - линия подачи воды;

37 - линия подачи озонированной воды;

38 - регулирующий клапан для сброса избытка озона в трубопровод газовой фазы вихревых аппаратов 1 и 8 (сам трубопровод от регулирующего клапана 38 до места подачи избытка озона на фиг. 1 не показан).

39 - регулирующий кран на линии подачи воды.

В соответствии с данным изобретением очистка отходящих газов с помощью описанной установки (фиг. 1) осуществляется путем их не менее двухступенчатой абсорбции озонированной водой и пропусканием через фильтрующие элементы с последующим отводом жидкой фазы, содержащей уловленные компоненты (мелкодисперсные частицы твердой фазы, кислоту), на утилизацию и выбросом очищенных газов в атмосферу, при этом не растворившийся в воде избыток озона подается в газовую фазу любой из ступеней абсорбции, предшествующей заключительной ступени.

Работа установки очистки отходящих газов осуществляется следующим образом. Поступление газовой и жидкой фазы в установку осуществляются в противоточном режиме. Перед началом эксплуатации установки туманоуловитель 1 с вихревым контактным устройством и фильтрующими элементами, каскад из последовательно соединенных одноступенчатых вихревых абсорберов 8, 9, а также циркуляционные 31 и переточные 32 гидрозатворы заполняются водой, поступающей по линии подачи воды 36. Каскад вихревых абсорберов состоит из по меньшей мере двух аппаратов 8, 9, размещенных по ходу движения газовой фазы с увеличением высоты расположения последующего абсорбера 9 по сравнению с предыдущим 8 для обеспечения самотека жидкости между ступенями. Туманоуловитель 1 и вихревые абсорберы 8, 9 работают под разрежением, а труба 22 выброса очищенного газа - под давлением в результате нагнетания очищенной газовой фазы вентилятором 23.

Загрязненные отходящие газы, содержащие мелкодисперсные частицы твердой фазы, пары и туман кислот, а также оксиды азота и оксиды серы, по воздуховоду через патрубок 2, расположенный тангенциально по отношению к корпусу аппарата, поступают в нижнюю контактирующую часть туманоуловителя 1, где освобождаются от мелкодисперсных примесей и частично - от паров кислот в результате абсорбционного взаимодействия газовой и жидкой фазы при прохождении через вихревое контактное устройство, затем транспортируются в верхнюю фильтрующую часть аппарата 1, где очищаются от мелкодисперсных капель и тумана кислоты фильтрующими элементами.

Наиболее эффективными для очистки отходящих газов от тумана кислот являются волокнистые фильтрующие элементы, например, с полипропиленовым полотном, которое обычно применяется в несколько слоев, в зависимости от его толщины. Полипропиленовое полотно - стойко к агрессивным средам (кислотам, окислителям, восстановителям), поэтому широко применяется в качестве фильтрующего материала в химической промышленности и цветной металлургии.

Капли уловленных жидких частиц при контакте с поверхностью волокон фильтрующих элементов в результате коалесценции образуют на них пленки жидкости, которые по мере накопления стекают под действием силы гравитации по поверхности фильтрующих элементов и скапливаются внутри туманоуловителя 1 на его внутренней тарелке до достижения уровня, обеспечивающего циркуляцию жидкости внутри аппарата по линии 7-31-6 и ее гарантированный слив через патрубок выхода жидкой фазы 5 из туманоуловителя 1 в накопительную емкость 29 для сбора жидких кислых фаз перед их утилизацией.

Предварительно очищенная газовая фаза через патрубок 3 выходит из туманоуловителя 1 и далее через патрубок 10 поступает в каскад последовательно установленных вихревых абсорберов 8 и 9, где каждый аппарат рассматривается как отдельная ступень абсорбции.

Окончательная очистка газовой фазы от паров кислот, оксидов азота и оксидов серы происходит за счет их взаимодействия с озонированной водой, подающейся в последний по ходу движения газовой фазы вихревой абсорбер 9 через патрубок входа жидкой фазы 15 и дополнительный патрубок 33 по линии 37 с блока получения озонированной воды 24.

Блок озонированной воды 24 состоит из промышленного озонатора 25 с блоком управления, эжектора 26, а также циркуляционной емкости озонированной воды 27 и насоса 28 для ее подачи по линии озонированной воды 37 в патрубок входа жидкой фазы 15 и дополнительный патрубок 33 на последнем вихревом абсорбере 9. Количество генерируемого озона определяется технологическими нуждами и производительностью промышленного озонатора.

Через входной регулирующий кран 39 вода по линии подачи воды поступает в эжектор 26, куда также подается озон из промышленного озонатора 25. Эжектор 26 выполняет роль смесителя озона с водой. Далее образующаяся озонированная вода из эжектора 26 поступает в циркуляционную емкость озонированной воды 27, откуда насосом перекачивается в последний вихревой абсорбер через патрубки 15 и 33, либо непосредственно, минуя циркуляционную емкость 27 подается в последний вихревой абсорбер 9 для осуществления процесса окисления содержащихся в газовой фазе примесей.

За счет тангенциального расположения патрубка 11 входа газовой фазы Э вихревой абсорбер 9 (фиг. 2) происходит захват имеющейся в аппарате озонированной воды газовым потоком, в результате чего газожидкостная смесь приобретает вращательно-поступательное движение. Проходя через тангенциально расположенные вертикальные пластины вихревого контактного устройства 35, жидкая фаза раскручивается дополнительно. При этом вовлекается в круговорот озонированная вода, поступающая в вихревое контактное устройство 35 через дополнительный патрубок 33, переходящий в трубу 34, расположенную перпендикулярно нижней части аппарата соосно с вихревым контактным устройством 35 и выходящую в его центр. Происходит озонирование низших оксидов азота и оксидов серы и одновременный контакт с водой окисленных высших оксидов с получением дополнительной кислоты в виде жидкой фазы.

На внутренней поверхности вихревого контактного устройства 35 образуется вращающийся высокотурбулизированный капельный слой жидкости, содержащей разбавленную кислоту и растворенный в воде озон, который взаимодействует с вновь подходящими порциями газового потока, поступающего через патрубок 11, и очищает его, окисляя содержащиеся в газе низшие оксиды и превращая их в результате взаимодействия с водой - в кислоту.

Очищенный газовый поток через патрубок выхода 13 воздуходувкой 23 выводится из аппарата 9 и нагнетается в трубу 22, откуда выбрасывается в атмосферу.

Озонированная вода поступает в последний абсорбер 9 в противотоке с газовой фазой, выходит из него через патрубок 17 в виде слабой кислоты с остаточным содержанием растворенного озона, далее по линии 17-32-14 через патрубок 14 перетекает на следующую ступень в вихревой аппарат 8, где в результате абсорбции также взаимодействует с кислотными парами и одновременно окисляет низшие оксиды NO_x и SO_x до высших, а присутствующая в достаточном количестве вода взаимодействует с ними с образованием в жидкой фазе дополнительной кислоты.

При прохождении всех ступеней абсорбционной очистки и туманоуловителя 1 жидкая фаза наращивает концентрацию кислоты и полностью расходует растворенный в ней озон на окисление содержащихся в газовой и жидкой фазе компонентов. Из туманоуловителя 1 жидкая фаза отводится для сбора в накопительную емкость 29, откуда насосом 30 откачивается на утилизацию улавливаемых компонентов, или возвращается обратно в производство.

Избыток озона, не растворившийся в воде циркуляционной емкости 27, с помощью регулирующего клапана 38 сбрасывается в воздуховод линии газовой фазы вихревых аппаратов 1 и 8 (т.е. на любую из ступеней абсорбции, предшествующую заключительной ступени), для первоначального окисления низших оксидов азота и серы.

В случае снижения расхода газовой фазы, поступающей в установку очистки отходящего газа, происходит заполнение жидкой фазой нижней части туманоуловителя 1 с вихревым контактным устройством до уровня, при котором скорость газа в щелях тангенциально расположенных пластин вихревого контактного устройства обеспечивает раскрутку жидкости и ее дальнейший транспорт в верхнюю часть аппарата, благодаря чему происходит саморегулирование и самонастраивание работы туманоуловителя 1 и всей установки в целом, в том числе при колебаниях расхода газовой фазы в больших пределах.

Преимуществом изобретения также является то, что предложенная конструкция последнего вихревого абсорбера 9 в составе установки позволяет подавать озонированную воду непосредственно в зону реакции за счет установки дополнительного патрубка 33, переходящего во внутреннюю трубу 34, которая расположена перпендикулярно нижней части аппарата соосно с вихревым контактным устройством 35 и выходит в его центр. Это позволяет дополнительно подать растворенный в воде озон в сформированный газожидкостной поток внутри самого вихревого контактного устройства 35, повысить эффективность окислительных реакций и максимальную интенсивность межфазного контакта внутри него. В результате улучшается окисление содержащихся в газовом потоке примесей и абсорбция жидкой фазой паров кислот, соответственно повышается эффективность газоочистки установки.

Эффективность установки по улову тонкодисперсных частиц твердой фазы - 100%, по улову тумана, паров кислот, оксидов азота и оксидов серы - не менее 99,99%.

Таким образом, представленное изобретение позволяет создать универсальную установку очистки отходящих газов для работы в широком диапазоне колебаний расхода и концентраций газовой фазы, достичь улова паров, тумана кислот, оксидов азота и серы - не менее 99,99%, снизить капитальные вложения и затраты на эксплуатацию установки за счет организации комплексной очистки газов на одной установке, упростить аппаратурное оформление процесса очистки газов, повысить сбор уловленной кислоты для возврата ее в производство или на переработку. Самонастраиваемость вихревых аппаратов под колебания расхода газового потока гарантирует устойчивую бесперебойной работу всей установки.

Вышеизложенный способ очистки отходящих газов с помощью описанной установки достаточно прост, а сама установка - надежна в эксплуатации, легка в обслуживании и ремонтопригодна, при этом обеспечивает высокую эффективность протекающих физико-химических процессов за счет применения озонированной воды.

На основе данного изобретения возможно создание современных, компактных, высокотехнологичных установок для очистки отходящих газов в различных отраслях народного хозяйства.

Литература

1. Гиндич В.И. Технология пироксилиновых порохов. Т. 1. Производство нитратов целлюлозы и регенерация кислот. - Казань: Татарское газетно-журнальное изд-во, 1995. - 568 с.

2. Гиндич В.И., Забелин Л.В., Марченко Г.Н. Производство нитратов целлюлоз. Технология и оборудование. - М.: ЦНИИНТИ, 1984. - 360 с.

3. Гиндич В.И., Забелин Л.В., Марченко Г.Н. Производство нитратов целлюлоз. Регенерация отработанных и рекуперированных нитрационных кислотных смесей. - М.: НПО «Информ ТЭИ», 1991. -216 с.

4. Забелин Л.В. Очистка воздуха от кислотных выбросов в производствах нитратов целлюлозы /Известия Томского политехнического университета, 2003. - Т. 306. №1. - С. 83-88.

5. Махоткин А.Ф. Теоретические основы очистки газовых выбросов производства нитратов целлюлозы. - Казань: изд-во Каз. гос. ун-та, 2003. - 267 с.

6. Технико-экономические аспекты промышленной экологии: Учебное пособие для вузов / Я.С. Амиров, Р. Н. Гимаев, Н. Р. Сайфуллин. -Уфа: Уфим. гос. нефтяной техн. ун-т, 1995. - 4.1: Защита атмосферного воздуха - 274 с.

7. Новые технологии и аппараты для решения экологических проблем производства энергонасыщенных материалов / Махоткин А.Ф., Петров В.И., Халитов Р. А., Махоткин И. А. // Бутлеровские сообщения. -2015. - Т. 41, №1. - С. 163-167.

8. Термическая и каталитическая очистка газовых выбросов в атмосферу. / Сб. науч. тр. - Киев: Наук. думка, 1984. - С. 36-39.

9. Халитов Р.А., Петров В.И., Махоткин А.Ф. и др. Разработка и внедрение вихревого абсорбера нитрозных газов на Стерлитамакском ФКП «АВАНГАРД» /Вестник Казанского технологического университета, 2014. - С. 256-258.

1. Установка для очистки отходящих газов, содержащая:

- туманоуловитель 1 с вихревым контактным устройством и фильтрующими элементами, имеющий патрубок входа 2 и выхода 3 газовой фазы, патрубки входа 4 и выхода 5 жидкой фазы, входа 6 и выхода 7 циркуляционной жидкости;

- каскад из по меньшей мере двух последовательно соединенных одноступенчатых вихревых абсорберов 8, 9, размещенных по ходу движения газовой фазы с увеличением высоты расположения последующего абсорбера по сравнению с предыдущим для обеспечения самотека жидкости между ступенями, имеющие патрубки входа 10, 11 и выхода 12, 13 газовой фазы, патрубки входа 14, 15 и выхода 16, 17 жидкой фазы, входа 18, 19 и выхода 20, 21 циркуляционной жидкости;

- трубу 22 выброса очищенного газа;

- вытяжной вентилятор 23 для создания разрежения в туманоуловителе 1 и каскаде из вихревых абсорберов 8, 9, а также нагнетания очищенной газовой фазы под давлением в трубу 22 для сброса в атмосферу;

- блок получения озонированной воды 24, включающий промышленный озонатор 25 с блоком управления, эжектор 26, а также необязательно циркуляционную емкость озонированной воды 27 и насос 28 для перекачки озонированной воды;

- накопительную емкость 29 для сбора жидких кислых фаз перед утилизацией;

- насос 30 для перекачки жидких кислых фаз;

- циркуляционные 31 и переточные 32 гидрозатворы между туманоуловителем 1 и вихревыми абсорберами 8, 9;

- а также трубопроводы для подачи загрязненной газовой фазы, воды, для транспортировки, распределения и отвода газовых и жидких фаз, получаемых в качестве промежуточных и конечных продуктов и отводимых очищенных газов;

при этом последний абсорбер 9 по ходу движения газовой фазы содержит дополнительный патрубок 33, переходящий во внутреннюю трубу 34, расположенную перпендикулярно нижней части аппарата соосно с вихревым контактным устройством 35 и выходящую в его центр для подвода озонированной воды из циркуляционной емкости 27 или эжектора 26 блока получения озонированной воды 24 непосредственно в контактное устройство 35.

2. Способ очистки отходящих газов с помощью установки по п. 1 путем их не менее двухступенчатой абсорбции жидкой фазой и пропусканием через фильтрующие элементы с последующим отводом жидкой фазы на утилизацию улавливаемых компонентов и выбросом очищенных газов в атмосферу, отличающийся тем, что в качестве жидкой фазы применяют озонированную воду, при этом не растворившийся в воде избыток озона подают в газовую фазу любой из ступеней абсорбции, предшествующей заключительной ступени.