PL236851B1 - Instalacja wychwytu rtęci z gazów powstających w procesie energetycznego spalania węgla - Google Patents

Abstract

Instalacja wychwytu rtęci z gazów powstających podczas energetycznego spalania węgla, stanowi układ połączeń rurowych z sorbentem rtęci, korzystnie w postaci wielowarstwowego kompozytu, składającego się z rdzenia nośnego z metalu lub stopu na bazie metali przejściowych, na którym są dwustronnie osadzone następujące warstwy: warstwa izolująca z azotku metalu przejściowego oraz zewnętrznie usytuowana warstwa sorbująca, wykonana z mieszaniny siarczków i azotków metali przejściowych. Część dolotowa (A) z elementem kolanowym jest połączona za pośrednictwem wentylatora (B) z kanałem roboczym (C), który jest wyposażony w dwa łączniki, dyfuzor na wlocie i konfuzor na wylocie oraz w zasuwę, przy czym kanał roboczy (C) zawiera część załadowczo - wyładowczą (D) z mechanizmami załadowczym i wyładowczym, pomiędzy którymi jest usytuowany kanał wychwytu.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest instalacja wychwytu rtęci z gazów powstających podczas energetycznego spalania węgla.

Rtęć w atmosferze pochodzi między innymi z antropogenicznych źródeł emisji, których głównym źródłem jest spalanie węgla. Największymi emitorami rtęci są obecnie elektrownie lub elektrociepłownie opalane węglem. Wysoka emisja rtęci jest spowodowana bardzo specyficzną strukturą nośników energii elektrycznej i ciepła. W 2013 roku w Polsce około 50% energii elektrycznej wyprodukowano ze spalania węgli kamiennych i oraz około 34% z węgli brunatnych. Natomiast w tym samym roku w skali światowej uzyskano około 40% energii elektrycznej ze spalania obydwu rodzajów węgli. Redukcja emisji rtęci do atmosfery stanowi istotny problem współczesnej ochrony środowiska, ze względu na wyjątkowo dużą toksyczność i zdolność do kumulacji tego pierwiastka w organizmach żywych. Problematyka emisji rtęci znajduje się w obszarze prawodawstwa Unii Europejskiej, które w wyniku zaostrzenia standardów emisyjnych i zwiększenie roli BAT powinno przyczynić się w Europie do zmniejszenia emisji rtęci z procesów spalania węgla do powietrza atmosferycznego.

W „Ecomanager” nr 2012-11 zostały opisane metody adsorpcyjne usuwania rtęci z węglowych gazów spalinowych. Metody te charakteryzują się wysoką skutecznością ze względu na powinowactwo par rtęci ze znaczącą ilością różnych adsorbentów.

Usuwanie rtęci ze spalin można zapewnić poprzez iniekcję adsorbentu do spalin, a następnie usuwanie zużytego adsorbentu w systemach odpylających - elektrofiltrach lub filtrach tkaninowych.

Adsorpcja rtęci odbywa się także w trakcie przepuszczania strumienia gazów spalinowych przez złoże adsorbentu o odpowiedniej granulacji. Najczęściej używany do adsorpcji rtęci gazowej jest węgiel aktywny. Inne sorbenty stosowane do redukcji emisji rtęci to sorbenty wapniowe oraz sodowe, jak również iły i zeolity, sorbenty wapienne i krzemowo-wapienne.

Skuteczność procesu adsorpcji rtęci jest zależna od temperatury, składu spalin, czasu kontaktu spalin z sorbentem, właściwości fizycznych i chemicznych powierzchni sorbentu oraz samego stężenia rtęci w spalinach. Skuteczność adsorbentów w usuwaniu rtęci ze spalin można zwiększyć poprzez impregnację siarką, metalami szlachetnymi, jodem, chlorem i bromem.

Poprzez jednoczesne zastosowanie odsiarczania (FGD) oraz odpylania (ESP) wraz z iniekcją sorbentu w postaci węgla aktywnego osiąga się skuteczność usuwania rtęci przekraczającą 95%⁸. Dla węglowych złóż filtracyjnych (ang. carbon filter bed) efektywność ta, wg danych US EPA, wynosi 80-90%.

Z publikacji patentowej PL 218635 B1 (P.387124), znany jest sposób usuwania ze spalin tlenków azotu i rtęci, polegający na iniekcji do kanału spalin przed układem odsiarczania, wody, która obniża temperaturę spalin do 55-65°C i powoduje, że przed absorberem tworzą się kropelki H2SO3 czemu towarzyszy zmniejszenie SO2 w oczyszczonych spalinach. Obniżenie temperatury spalin umożliwia utlenienie NO do NO2 przez utleniacz (H2O2, O3, CIO2). Krople kwasu azotowego wraz z kroplami H2SO3, przenoszone są do absorbera i tam reagują z CaCO3. Powstały w wyniku powyższych reakcji kwas azotowy utlenia zawartą w spalinach rtęć.

Z publikacji patentu US 4,094,777 znany jest sposób absorpcji rtęci z gazu bądź cieczy z wykorzystaniem złoża w postaci siarczku miedzi na różnych nośnikach (krzemionka, tlenek glinu, krzemionka-tlenek glinu, krzemiany, gliniany, krzemiano-gliniany).

Z publikacji patentowej US 7,858,061 B2 znany jest sposób usuwania rtęci z fazy gazowej przy wykorzystaniu utleniających sorbentów zawierających jeden lub dwa krzemiany (np. montmorylonit, mika, kaolinit, zeolity, itp.) i odpowiedni kation metalu aktywnego (preferowano wykorzystanie następujących związków: CuCI, CuBr, CuCl2, CuBr2, CuSO4, FeCb, FeCb, FeSO4, Fe2(SO4)3, ZnCl2, ZnBr2, NiCl2 i NiSO4).

Z publikacji patentowej US 7,507,083 B2 znany jest sposób redukcji emisji rtęci pochodzącej ze spalanego węgla przy wykorzystaniu składników sorbentu zawierającego halogenek, wapń, glin i k rzem na różnych etapach procesu spalania węgla. Sorbenty tj. bromki wapnia mogą być dodawane przed spalaniem węgla, a inne składniki do gazów spalinowych.

Z publikacji patentowej US 8,236,185 B2 znany jest sposób wychwytywania rtęci z wykorzystaniem nasiarczonej (przy użyciu związków np. H2S, Na2S, K2S, (NH4)2S i CaSx) czerwonej glinki, zawierającej uwodnione tlenki żelaza.

Z publikacji zgłoszeń patentowych US 2010/0018395 A1, US 2009/0117019 A1 oraz US 2009/0062119 A1 znane są sposoby wychwytywania rtęci z gazów, przy zastosowaniu wstrzykiwania

PL 236 851 B1 sorbentów opartych na węglu aktywnym ze zmodyfikowaną powierzchnią poprzez impregnowanie związkami chloru, jodu, bromu, selenem lub ZnCl2, które adsorbują rtęć i wraz z popiołami lotnymi są usuwane w odpylaczach.

Znany jest także z publikacji patentowej PL 229084 B1 (P.401501) wielowarstwowy kompozyt do rewersyjnej sorpcji rtęci ze spalin węglowych, składający się z rdzenia nośnego z metalu lub stopu na bazie metali przejściowych, na którym są dwustronnie osadzone następujące warstwy: warstwa izolująca z azotku metalu przejściowego oraz zewnętrznie usytuowana warstwa sorbująca, wykonana z mieszaniny siarczków i azotków metali przejściowych.

Istota instalacji według wynalazku polega na tym, że część dolotowa z elementem kolanowym jest połączona za pośrednictwem wentylatora z kanałem roboczym, który jest wyposażony w dwa łączniki, dyfuzor na wlocie i konfuzor na wylocie oraz w zasuwę, a ponadto kanał roboczy zawiera część załadowczo-wyładowczą z mechanizmami załadowczym i wyładowczym kaset pakietów nośników adsorbentu, przy czym pomiędzy tymi mechanizmami jest usytuowany kanał wychwytu.

Korzystnym jest, gdy w części dolotowej jest zainstalowana chłodnica/nagrzewnica spalin, usytuowana przed wentylatorem.

Korzystnym jest także, gdy część dolotowa jest wyposażona w zwężkę pomiarową.

Ponadto korzystnym jest gdy kaseta pakietu nośników adsorbentu, stanowi konstrukcję szkieletową w kształcie prostopadłościanu z prętowymi prowadnicami nośników adsorbentu.

Instalacja wychwytu rtęci z gazów powstających podczas energetycznego spalania węgla ma na celu doprowadzenie gazów do układu technologicznego, który poprzez kontakt bezpośredni tych gazów z sorbentem pozwoli na wychwyt rtęci, a następnie oczyszczone gazy zostaną ponownie doprowadzone do kanału głównego spalin. Układ technologiczny zrealizowany poprzez instalację składa się z urządzeń, których zadaniem jest kompensacja strat ciśnienia, dostosowanie temperatury gazów do poziomu zapewniającego skuteczny proces sorpcji, jak również wykonywanie niezbędnych pomiarów pozwalających na kontrolę poprawności funkcjonowania układu. Istotną cechą innowacyjną instalacji jest fakt, że stanowi ona powiązanie znanych urządzeń, które realizują specyficznie zdefiniowane zadanie i których układ technologiczny nie jest stosowany w innych rozwiązaniach.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na podstawie przykładowego wykonania pokazanego na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:

fig. 1 - schemat instalacji wychwytu rtęci z gazów powstających w procesie energetycznego spalania węgla brunatnego w bocznym widoku perspektywicznym, fig. 2 - kanał roboczy instalacji w widoku perspektywicznym z góry, fig. 3 - kaseta załadowcza pakietu nośników sorbentu (schemat przedstawia jedynie część blach stanowiących nośniki w celu ukazania wszystkich części składowych pakietu) w bocznym widoku perspektywicznym, fig. 4 - widok konfiguracji geometrycznej blach w pakiecie nośników sorbentu;

fig. 5 - nośnik sorbentu w bocznym widoku perspektywicznym,

a) rozwinięcie powierzchni nośnika poprzez piaskowanie lub śrutowanie;

b) rozwinięcie powierzchni nośnika poprzez wygniatanie poprzecznych zagłębień;

fig. 6 - nośnik sorbentu w bocznym widoku perspektywicznym,

a) nieciągła struktura powierzchni nośnika - turbulizatory w postaci wycięć i przetłoczeń:

b) odgięcia dwustronne, a część odginana stanowi tylko część wyciętego elementu, c) odgięcia dwustronne jednokierunkowe, przy czym część odginana stanowi cały wycięty element.

Na figurach rysunku zastosowano oznaczenia wg następującego wykazu:

„A” - część dolotowa zawierająca zwężkę pomiarową; w części tej znajduje się również kolano 90° oraz opcjonalnie chłodnica/nagrzewnica spalin, umieszczona przed wentylatorem, „B” - wentylator wraz z napędem i sterowaniem za pomocą falownika, „C” - kanał roboczy wraz z łącznikami: dyfuzorem na wlocie (C1), konfuzorem na wylocie (C7) oraz zasuwą (C8) (fig. 2), „D” - część załadowczo-wyładowcza pozwalająca na wymianę pakietów z materiałem sorbującym oraz ich przemieszczanie w kanale wychwytu, „C1” - dyfuzor na wlocie (segment przepływowy z rosnącym kwadratowym przekrojem poprzecznym),

PL 236 851 B1 „C2” - mechanizm załadowczy, „C3” - kanał wychwytu, „C4” - mechanizm wyładowczy, „C5” - segment końcowy kanału wychwytu, „C6” - segment pośredniczący, „C7” - konfuzor na wylocie (segment przepływowy z malejącym kołowym przekrojem poprzecznym), „C8” - zasuwa, „1” - kaseta pakietu, „2” - prowadnice nośników adsorbentu, „3” - pakiet nośników adsorbentu.

Instalacja wychwytu rtęci z gazów powstających podczas energetycznego spalania węgla, stanowi zespół połączeń rurowych, w którym część dolotowa A z elementem kolanowym jest połączona za pośrednictwem wentylatora B - z kanałem roboczym C, który jest wyposażony w dwa łączniki: dyfuzor C1 na wlocie i konfuzor C7 z zasuwą C8 na wylocie, przy czym kanał roboczy C zawiera część załadowczo-wyładowczą D z mechanizmami załadowczym C2 i wyładowczym C4 kaset 1 pakietów nośników adsorbentu 3, pomiędzy którymi jest usytuowany kanał wychwytu C3, a ponadto w części dolotowej A, przed wentylatorem B, jest zainstalowana chłodnica/nagrzewnica spalin.

Kaseta 1 stanowi konstrukcję szkieletową w kształcie prostopadłościanu z prętowymi prowadnicami 2 nośników adsorbentu 3, osadzonych równolegle względem siebie, w rozstawie pomiędzy ich osiami symetrii od 4 mm do 12 mm, w zależności od ich wielkości i grubości, jak również od geometrii związanej z kształtowaniem struktury przepływu.

Adsorbent rtęci ma strukturę kompozytu składającego się z nośnika adsorbentu 3 z metalu lub stopu na bazie metali przejściowych, na którym są obustronnie osadzone następujące warstwy: izolująca, wykonana z azotku metalu przejściowego, oraz adsorbująca, wykonana z mieszaniny siarczków i azotków metali przejściowych

W części przepływowej instalacji zdefiniowano pięć przekrojów kontrolno-pomiarowych:

- przekrój znajdujący się w połowie długości walcowej części wlotowej zwężki (fig. 1);

- przekrój znajdujący się w połowie długości gardzieli zwężki (fig. 1);

- przekrój na wlocie do wentylatora (za opcjonalną chłodnicą spalin);

- przekrój na wylocie z wentylatora - w rzeczywistości jest to przekrój umieszczony za dyfu- zorem C1, w połowie odległości pomiędzy wylotem z dyfuzora a pierwszym kołnierzem kanału o stałym przekroju, łączącego segmenty C1 i C2 (fig. 2);

- przekrój wylotowy (przed zasuwą C8), umieszczony w połowie długości segmentu C6 leżącego pomiędzy strefą roboczą instalacji a segmentem przejściowym C7 (fig. 2).

Zadaniem części przepływowej instalacji jest zapewnienie przepływu spalin od punktu ich poboru do kanału roboczego, w którym zachodzi proces sorpcji rtęci, a następnie odprowadzenie spalin z powrotem do głównego kanału spalin. Przepływ spalin w instalacji wychwytu jest generowany za pomocą wentylatora promieniowego o regulowanej wydajności, umieszczonego przed kanałem roboczym instalacji.

W części kanału roboczego C znajduje się odcinek D - część załadowczo-wyładowcza (fig. 1), która obejmuje układ załadowczy C2 (fig. 2), składający się z części kanału, w którym przepływają spaliny poprzez przestrzenie wyznaczone przez układy sorbujące oraz układu śluz, komór pomocniczych załadowczych i siłowników pozwalających na załadunek kasety 1 ze „świeżym” pakietem nośników adsorbentu 3 (fig. 3) do kanału wychwytu C3 (fig. 2), w którym przemieszczają się pakiety adsorbujące podczas załadunku i wyładunku, a poprzez które płyną spaliny w przestrzeniach wyznaczonych przez nośniki adsorbentu 3, a także układ wyładowczy C4 (fig. 2) składający się z części kanału, w którym przepływają spaliny, oraz układu śluz, komór pomocniczych wyładowczych i siłowników pozwalających na wyładunek „zużytego” pakietu i przemieszczenie z kanału do komory wyładowczej i dalej poza układ komory i śluz na zewnątrz instalacji.

Przez instalację wychwytu przepuszczano z prędkością liniową spaliny powstałe podczas energetycznego spalania węgla brunatnego o następującym składzie: 10-12% pary wodnej; 0,01% SO2; 10% CO2; 25-30 μg/m³ Hg. Po przejściu gazu przez instalację ich skład nie był wyznaczany. Jedynym miernikiem na etapie badań była zdolność sorpcyjna (8 m/s i/lub 12 m/s).

PL 236 851 Β1

W instalacji zastosowano pakiet o następującej geometrii:

wymiary główne: 0,5 m wysokość; 0,5 m szerokość; 1 m długość rozstaw nośników adsorbentu: 7 mm (odległość pomiędzy osiami symetrii blach)

Dla takich konfiguracji uzyskano wyniki adsorpcji:

1) Dla blach według kształtu z fig. 5 - (wartość sorpcji w mg zaadsorbowanej rtęci na 1 kg

	Fig. 5a	Fig. 5b
wlot	wylot	wlot	wylot
V = 8 m/s	76	25	432	386
V= 12 m/s	240	210	510	440

2) Dla blach według kształtu z fig. 6a - (wartość sorpcji w mg zaadsorbowanej rtęci na 1 kg blachy)+

	T = 6 mm	T - 12 mm (rozstaw blach 10 mm)
a= 10°	a = 15°	a= 10°	15°
V = 8 m/s	800	980	560	1010
V = 12 m/s	13600	1520	1270	1810

3) Dla blach według kształtu z fig. 6b - (wartość sorpcji w mg zaadsorbowanej rtęci na 1 kg blachy)

	T = 7 mm	T =12 mm
a= 10°	a =15°	a=10°	a=15“
V = 8m/s	780	920	650	710
V = 12 m/s	1060	1250	870	1110

Zastrzeżenia patentowe

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Instalacja wychwytu rtęci z gazów powstających podczas, energetycznego spalania węgla, stanowiąca układ połączeń rurowych z adsorbentem rtęci, korzystnie w postaci wielowarstwowego kompozytu, składającego się z nośnika z metalu lub stopu na bazie metali przejściowych, na którym są obustronnie osadzone następujące warstwy: warstwa izolująca z azotku metalu przejściowego oraz warstwa adsorbująca, wykonana z mieszaniny siarczków i azotków metali przejściowych, znamienna tym, że część dolotowa (A) z elementem kolanowym jest połączona za pośrednictwem wentylatora (B) z kanałem roboczym (C), który jest wyposażony w dwa łączniki, dyfuzor na wlocie (C1) i konfuzor na wylocie (C7) oraz w zasuwę (C8), a ponadto kanał roboczy (C) zawiera część załadowczo-wyładowczą (D) z mechanizmami załadowczym (C2) i wyładowczym (C4) kaset (1) pakietów nośników adsorbentu (3), przy czym pomiędzy mechanizmami (C2) i (C4) jest usytuowany kanał wychwytu (C3).
2. 2. Instalacja według zastrz. 1, znamienna tym, że w części dolotowej (A) jest zainstalowana chłodnica/nagrzewnica spalin, usytuowana przed wentylatorem (B).
3. 3. Instalacja, według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że część dolotowa (A) jest wyposażona w zwężkę pomiarową.
4. 4. Instalacja według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienna tym, że kaseta (1) pakietu nośników adsorbentu (3), stanowi konstrukcję szkieletową w kształcie prostopadłościanu z prętowymi prowadnicami (2) nośników adsorbentu (3).