EE01338U1 - Meetod suitsugaaside puhastamiseks vääveldioksiidist ja lämmastikdioksiidist - Google Patents

Abstract

Leiutis käsitleb meetodit vääveldioksiidi ja lämmastikdioksiidi kõrvaldamiseks suitsugaasidest, mis on saadud fossiilkütuste (põlevkivi, kivisüsi jt) põletamisel. Suitsugaasid juhitakse absorbeerivast vedelikust läbi, mille tulemusena eemaldatakse suitsugaasidest vääveldioksiid ja lämmastikdioksiid.

Description

TEHNIKAVALDKOND

Leiutis kuulub energeetika ja keskkonnakaitse valdkonda, ning seda kasutatakse põlevkivi ja kivisöe põletamisel suitsugaaside puhastamiseks, täpsemalt põlevkivi ja kivisöe põletamisel õhku paiskuvate vääveldioksiidi SO2 ja lämmastikdioksiidi NO2 koguste vähendamiseks.

TEHNIKA TASE

Põlevkivienergeetika on Eesti suurim keskkonnaemissioonide ja tahkete jäätmete allikas. Fossiilset kütust põletavad soojuselektrijaamad paiskavad atmosfääri vääveldioksiidi, lämmastikoksiide ja süsihappegaasi. Emiteeritavate ühendite kogus sõltub soojuselektrijaama võimsusest ja kasutatavast tehnoloogiast, ning seetõttu tuleb leida võimalusi suitsugaaside puhastamiseks enne atmosfääri paiskamist. Põlevkivi kasutamisel elektri tootmiseks on Eestile määrava tähtsusega suurte põletusseadmete direktiivis kehtestatud atmosfääriheitmete (SO2, NO, NO2 ja lendtuhk) piirangute täitmine alates 2016.a ja ELiga liitumislepingus fikseeritud kohustus SO2 koguste piiramiseks (Euroopa Parlamendi ja nõukogu direktiiv 2001/80/EÜ suurtest põletusseadmetest õhku eralduvate saasteainete piiramise kohta).

Tuntud on meetod suitsugaaside puhastamiseks, mille kohaselt suitsugaasid läbivad kõrgtemperatuurilise elektrostaatilise filtri ja lämmastikoksiidide ammoniaak-katalüütiliseks taandamiseks ette nähtud reaktori, millele järgneb suitsugaaside väävlitustamine märja lubjakivi toimel ning gaaside kuumutamine enne nende juhtimist korstnasse (Л.И.Кропп и др. „Развите технологической очистки дымовых газов ГЭС“, Теплоэнергетика, 1991, No.6, cc. 48-52).

Selle meetodi puuduseks on kahjulike ühendite eemaldamine eraldi etappides, suured ekspluatatsioonikulud ning samuti puhastusprotsessiga kaasnevad jäätmekogused.

Taotleja andmetel on käesoleval ajal Eesti soojuselektrijaamades kasutusel meetod, kus suitsugaasidest väävliühendite eemaldamiseks kasutatakse samal ajal katlas tekkivat põlevkivituhka, täpsemalt selles sisalduvat sidumata kaltsiumi ja lupja. Väävlipüüduris aktiveeritakse kaltsium vähese veega, mille tulemusel hakkavad kaltsiumühendid reageerima väävliühenditega. Tavalise tuha asemel tekib tuha ja kipsi segu, mis uuesti veega segatuna saadetakse torusid pidi tuhamägedele.

Suurem vajadus lubja järele tekib siis, kui väävlisisaldus on väga kõrge ja tuhas olevast kaltsiumist jääb vaheks. Teatavasti kõigub väävlisisaldus kaevandatavas põlevkivis olenevalt leiukohast. Aastas kulub umbes 30 000-40 000 tonni lupja. Puuduseks on suur lubja kulu, mis viib suhteliselt suurte ekspluatatsioonikuludeni.

Tehnilise lahenduse poolest on käesolevale meetodile lähim lahendus esitatud dokumendis EE 02976 B1 Protsess väävliühendite eemaldamiseks gaasist . Heitgaasidest väävliühendite eemaldamise protsess koosneb mitmest etapist ja seisneb heitgaaside kontakttöötlemises vesilahusega, milles sulfiidi sisaldavat vesilahust töödeldakse sulfiidi oksüdeerivate bakteritega ja saadud elementaarne väävel eraldatakse vesilahusest. Vesilahust võib regenereerida nii palju kordi kui võimalik. Vesilahuses reguleeritakse puhverühendite nagu karbonaadi ja/või bikarbonaadi ja/või fosfaadi kontsentratsiooni ning vesilahuse pH-d. Leiutis käsitleb ainult heitgaasidest väävliühendite eemaldamise protsessi.

Käesoleva leiutise eesmärgiks on vähendada elektrijaama kahjulike ühendite SO2 ja NO2 paiskumist atmosfääri.

LEIUTISE OLEMUS

Leiutis käsitleb meetodit vääveldioksiidi, lämmastikoksiidide ning tuha eemaldamiseks suitsugaasidest, mis on saadud fossiilkütuste nagu põlevkivi, kivisüsi jt. põletamisel. Leiutisekohase meetodi kohaselt on kahjulike ühendite eemaldamise võimaluseks suitsugaaside juhtimine läbi gaasi absorbeeriva vedeliku, mille tulemusena eemaldatakse suitsugaasidest vääveldioksiid, lämmastikoksiidid ning tuhk enne gaaside paiskamist atmosfääri. Leiutise autor on leidnud, et sobiva absorbeeriva keskkonna tagamiseks võib kasutada reagendi, milleks on sulfoonhappe sool (R-SO2ONa), vesilahust.

Antud reagent kujutab endast pindaktiivsete omadustega orgaanilise soola vesilahust (pH tase 12,7, Na sisaldus 10 g/l). Reagent on helekollane vedelik, lahustub hästi vees, ei põle, ei plahvata ning ei ole mürgine. Leiutise eelised tehnika tasemes oleva patendiga EE 02976 B1 võrreldes on:

1. Kirjeldatud meetod on universaalne, lisaks vääveldioksiidile SO2 saab meetodit kasutada ka lämmastikoksiide NO, NO2 jt. suitsugaasides sisalduvate ühendite absorbeerimiseks.

2. Kasutusel olevat reagendi vesilahust saab kasutada suures temperatuuri vahemikus (10-80 °C).

3. Pakutud meetod võimaldab kasutatud reagendi vesilahust regenereerida. Kasutatud reagendi vesilahust saab korduvalt kasutada ning sellega ressursse kokku hoida.

4. Reagendi vesilahust saab kasutada laias kontsentratsiooni vahemikus (10-90%) ja lahuse võime gaase neutraliseerida on 10-20 g SO2 liitri lahuse kohta.

ILLUSTRATSIOONIDE LOETELU

Meetodi rakendamist kirjeldavad detailsemalt joonised FIG 1 kuni FIG 3, kus:

FIG 1 on leiutise põhiskeem,

FIG 2 on leiutise põhiskeem reagendi vesilahuse regenereerimisvõimalusega ja

FIG 3 näitab katse 1 teostamise viisi ja kasutatud aparatuuri.

Joonistel FIG 1 ja FIG 2 kasutatud positsiooninumbrid:

1. Fossiilkütuste põlemiskamber

2. Suitsugaasid (põlemisgaasid)

3. Reaktor

4. Puhastatud gaas

5. Reagendi vesilahus

6. Kasutatud reagendi vesilahus

7. Kasutatud reagendi vesilahuse kogumisanum

8. Kasutatud reagendi vesilahuse regenereerimisanum

9. Reagendi vesilahuse pH taseme kontrollseade (täpsusega ±1%)

10. Reagendi vesilahuse tuhasisalduse kontrollseade (täpsusega ±5%)

MEETODI ÜKSIKASJALIK KIRJELDUS

Käesolevat leiutist iseloomustab see, et ta sobib nii lämmastikoksiidide (NO, NO2), vääveldioksiidi (SO2) kui ka tuha eemaldamiseks suitsugaasidest.

Joonisel fig 1 toodud meetodi teostamise korral fossiilkütuste (põlevkivi, kivisüsi jt.) põletamise tulemusel väljuvad põlemiskambrist 1 suitsugaasid 2, mis sisaldavad vääveloksiide, lämmastikoksiide ning tuhka.

Suitsugaasid temperatuurivahemikus 70±10 °C juhitakse reaktorisse 3, mis on täidetud 10-90% reagendi vesilahusega 5. Reagent kujutab endast pindaktiivsete omadustega orgaanilise soola vesilahust (pH tase 12,7, Na sisaldus 10 g/l).

Reagendiks on sulfoonhappe soola (R-SO2ONa) vesilahus, kus R on alküül- või arüülradikaal, sulfoonhapped on CH3SO2OH - metaansulfoonhape või C6H5SO2OH -benseensulfoonhape ning vastavad naatriumsoolad on CH3SO2ONa või C6H5SO2ONa. Happelised gaasid vääveldioksiid (SO2) ja lämmastikdioksiid (NO2) neutraliseeritakse reagendilahuses. Lämmastikdioksiidi (NO2) ning vääveldioksiidi (SO2) neutraliseerimine reagendi vesilahusega toimub järgmiste reaktsioonide järgi:

2R-SO2ONa + 2NO2 + H2O ? 2R-SO2OH + NaNO3+ NaNO2

2R-SO2ONa + SO2 + H2O ? 2R-SO2OH + Na2SO3

Pärast neutraliseerimisreaktsiooni reaktori 3 tipust väljuva puhastatud gaasi 4 võib paisata atmosfääri. Neutraliseerimisproduktid jäävad lahusesse, kasutatud reagendi vesilahus 6 väljub reaktori põhjast ja juhitakse kasutatud reagendi vesilahuse kogumisanumasse 7. Pärast vääveldioksiidi ja lämmastikdioksiidi neutraliseerimist on võimalik kasutada kahte varianti. Esiteks reagendi vesilahuse regenereerimine ja tema korduv kasutamine gaaside neutraliseerimiseks. Pärast reagendi vesilahuse kasutamist on seda võimalik töödelda regenereerimisanumas 8 ning uuesti kasutada reaktoris 3. Teiseks kasutatud reagendi vesilahuse utiliseerimine tehnoloogilisse kanalisatsiooni.

Protsessi käigus jälgitakse reaktoris oleva reagendi vesilahuse temperatuuri, mis peab olema vahemikus 70±10 °C. Sõltuvalt suitsugaasides SO2 ja NO2 sisaldusest, on ette nähtud 10-90% reagendi vesilahuse kasutamine. Lisaks sellele kontrollitakse protsessi käigus reagendi vesilahuse pH taset, mis peab olema vahemikus 12 kuni 7, seadmega 9 (pH-meeter, täpsusega ±1%). Kolmas parameeter, mida jälgitakse protsessi käigus, on tuha sisaldus. Seadmega 10 (nefelomeeter) saab reagendi vesilahuses tuha sisaldust määrata täpsusega ±5%.

Nende kolme parameetri kaudu saab efektiivselt protsessi teostada, mille tulemusena eemaldatakse suitsugaasidest lämmastikdioksiid NO2 ja vääveldioksiid SO2 ning puhastatud gaas 4 väljub reaktorist atmosfääri.

Loetletud parameetritest sõltub protsessi teine külg: kui kiiresti peab kasutatud reagendi vesilahust 6 reaktorist välja laskma kasutatud reagendi vesilahuse kogumisanumasse 7 ning kui palju reagente kulutada kasutatud reagendi vesilahuse regenereerimisel regenereerimisanumas 8.

NÄIDE

Kütuste põletamisel on üheks õhusaaste ühendiks vääveldioksiid SO02. Üheks SO2 püüdmise võimaluseks on SO2 sisaldava gaasi juhtimine läbi gaasi absorbeeriva vedeliku. Selleks kasutati reagendi, sulfoonhappe soola (R-SO2ONa) vesilahust. Reagent kujutas endast helekollast pindaktiivsete omadustega orgaanilise soola vesilahust (pH tase 12,7, Na sisaldus 10 g/l). Laboratoorsetel katsetustel püüti välja selgitada reagendi mõju SO2 absorptsioonile vees.

Happelise gaasi SO2 neutraliseerimine toimub järgmise reaktsiooni kaudu:

2R-SO2ONa + SO2 + H20 = 2R-SO2OH + Na2SO3

Samas lahustub ka vääveldioksiid ise vees, moodustades ebapüsiva väävlishappe (H2SO3).

Protsess sõltub tugevasti temperatuurist. Reagendi üleasandeks on läbi püsivama

soolalahuse moodustumise suurendada SO2 absorbeerumist.

Kuna gaaside lahustumine vees sõltub suurel määral temperatuurist ja rõhust ning SO2 lahustub ka puhtas vees, siis viidi katsed läbi paralleelselt ja samal ajal nii puhta vee kui reagendi vesilahustega.

Joonisel 3 on näidatud kasutatud katseaparatuuri, kus:

1 - SO2 sisaldava gaasiga balloon, 2 - gaasiabsorberid.

Katse teostamisel viidi reagendi vesilahus mahus 1000 ml ühte absorberisse ja teise absorberisse lisati sama kogus puhast vett. SO2 sisaldav gaas suunati paralleelselt kahte gaasiabsorberisse vedelikukihi alla, kasutades paremaks gaasi pihustamiseks vastavaid poorseid klaasfütreid. Gaasi juhiti ühesugusel kiirusel paralleelselt läbi mõlema lahuse. Iga tunni järel mõõdeti keskkonna väävli sisaldust. Katse lõpetati, kui lahus oli küllastunud, ehk väävli sisaldus selles enam ei tõusnud. Reagendi kontsentratsiooni varieeriti 5 kuni 20% (vaata tabel).

Väävli sisaldus määrati vastava sulfiidina tiitrimise teel (Metoodika toodud raamatus „Унифицированные методы анализа вод. Ю.Ю.Лурье. Москва1971 cтp. 187-190).

Kõrge sulfiti sisalduse tõttu kasutati analüüsil tugevaid lahjendusi.

Saadud tulemused

Puhas vesi absorbeerib 110 g/l SO2. Reagendi lisamisel lahuse vääveldioksiidi absorbeerimisvõime kasvab (vaata tabelit, kus puhtas vees lahustuv osa on juba arvesse võetud).

Tabel. Reagendi lahuse absorptsioonivõime sõltuvus reagendi kontsentratsioonist

TABEL

Küllastunud lahuste puhul täheldati aja möödudes teatud SO2 desorptsiooni. Antud katse põhjal tehti järgmised järeldused:

1. Reagendi lisamine suurendab vee SO2 absorptsioonivõimet võrreldes puhta veega 8,7 kuni 11,6 % uuritud reagendi kontsentratsioonide vahemikus.

2. Võrdelist sõltuvust reagendi kontsentratsiooni ja absorptsioonivõime tõusu vahel antud suhteliste kontsentratsioonide vahemikus ei tuvastatud.

3. Absorptsioon toimub toatemperatuuril, kuid protsessi käigus toimub soojuse eraldumine, mis on tõendiks toimuvast neutraliseerimisreaktsioonist.

Claims (1)

1. Meetod suitsugaaside puhastamiseks vääveldioksiidist ja lämmastikdioksiidist, kus põlevkivi või kivisöe põletamise tulemusel põlemiskambrist (1) väljuvate vääveldioksiidi ja lämmastikdioksiidi sisaldavate suitsugaaside (2) puhastamiseks töödeldakse suitsugaase reagendi vesilahusega, mis erineb sellepoolest, et suitsugaasid temperatuurivahemikus 70±10 °C juhitakse reaktorisse (3), mis on täidetud 10-90% reagendi vesilahusega; reagendina kasutatakse sulfoonhappe soola R-SO2ONa vesilahust, kus R on alküül- või arüülradikaal, sulfoonhapped on CH3SO2OH - metaansulfoonhape või C6H5SO2OH - benseensulfoonhape ning vastavad naatriumsoolad on CH3SO2ONa või C6H5SO2ONa; lämmastikdioksiid ning vääveldioksiid neutraliseeritakse reagendi vesilahusega; neutraliseerimisreaktsiooni lõppemisel juhitakse puhastatud gaas (4) välja reaktori tipust, neutraliseerimisproduktid ja kasutatud reagendi vesilahus (6) juhitakse välja reaktori põhjast ja juhitakse kogumisanumasse (7) või juhitakse kanalisatsiooni; lämmastikdioksiid, vääveldioksiid ja tuhk eemaldatakse suitsugaasidest

   .