Спосіб обробки циркуляційної води установок очищення та утилізації тепла димових газів

Изобретение относится к области мокрой очистки дымовых газов и утилизации низкотемпературного тепла. Наиболее целесообразно применение способа в водо-оборотных системах мокрых газоочисток котлов, печей, сушилок и аналогичных технологических агрегатов в теплоэнергетике, металлургии, химической промышленности. Известен способ рекуперации тепла отходящих дымовых газов с содержанием SO2 [І]. В этом способе топочные газы, образовавшиеся в результате сгорания топлива с добавкой молотого доломита, промывают диспергированной водой в виде тумана, рекуперируют SO2 за счет использования тепла топочных газов и нейтрализуют известью. Кроме трудности равномерного смешивания доломита с топливом, к недостаткам данного способа следует отнести высокое содержание солей жесткости и взвешенных частиц известковой суспензии в нейтрализованной воде, что существенно ограничивает возможность ее повторного использования и приводит к интенсивной инкрустации поверхности оборудования и сопел для диспергирования воды в колонне. Также известен способ обработки сточных вод установок обессеривания дымовых газов, предусматривающий отделение твердых взвешенных частиц флотацией с последующей нейтрализацией и повторным использованием воды в процессе газоочистки [2]. При этом, после предусмотренной способом нейтрализации, жесткость воды, в связи с пересыщением солями жесткости, будет также весьма высокой, не менее 20-30 мг-экв/л, что препятствует ее повторному использованию. Для умягчения воды и снижения интенсивности инкрустации оборудования, было бы целесообразно нейтрализовать ее известью непосредственно после нагрева до температуры порядка 100°С, так как при высокой температуре процесса остаточная жесткость нейтрализованной воды, в зависимости от содержания карбонатов снижается до 2-5 мгэкв/л [3]. Однако в указанном способе такой нагрев не предусмотрен; более того, вследствие флотационной обработки перед нейтрализацией температура воды снижается, а остаточная жесткость соответственно, увеличивается, что ухудшает качество нейтрализованной воды. В качестве прототипа выбран способ обработки циркуляционной воды установок очистки и утилизации тепла дымовых газов, включающий нагрев диспергированной воды в результате контакта с очищаемыми дымовыми газами и последующей утилизацией ее тепла в системе теплоснабжения [4, с.105]. Данным способом предусматривается организация двух изолированных циркуляционных потоков воды - "чистого", подогреваемого через поверхность теплообменника, и "грязного", подогреваемого за счет непосредственного контакта воды с отходящими газами. Неудовлетворительное качество нагретой воды после контакта с очищаемыми дымовыми газами, обусловленное ее загрязнением, не допускает утилизации содержащегося в нем тепла, поэтому в прототипе предусмотрен второй контур "чистой" циркуляционной воды, используемой в системе теплоснабжения. Кроме того, в связи с ограничением температуры нагрева воды точкой росы очищаемых дымовых газов в пределах 55-65°С, использованием воды с такой низкой температурой в системе теплоснабжения крайне неэффективно [4, с. 107]. В основу изобретения поставлена задача создания способа обработки циркуляционной воды установок очистки и утилизации тепла дымовых газов за счет введения дополнительных операций умягчения, осуществляемых при высокой температуре, что позволило бы уменьшить растворимость и концентрацию солей жесткости и повысить температуру воды для использования ее в системе теплоснабжения. Поставленная задача достигается тем, что в предложенном способе обработки циркуляционной воды установок очистки и утилизации тепла дымовых газов, включающем нагрев диспергированной воды в результате контакта с очищаемыми дымовыми газами, согласно изобретению, воду после контакта с дымовыми газами подогревают в теплообменнике до температуры кипения, затем известкуют при рН=8,5-9.0, осветляют от взвешенных частиц и умягчают Н-катионированием, причем расход циркуляционной воды составляет часть расхода очищаемых дымовых газов, определяемую выражением C’/C(to-100)/(100-tx), где С’/С - отношение теплоємкостей дымовых газов и воды, to -начальная температура дымовых газов, tx температура воды после использования в системе теплоснабжения. Анализ гидродинамических и физико-химических условий газоочистки показал, что при непосредственном взаимодействии диспергированного капельного потока воды с очищаемыми дымовыми газами происходит интенсивный тепломассообмен, эффективность которого возрастает с уменьшением диаметра капель и увеличением поверхности контакта. Температура нагрева капель зависит также от длительности контакта, температуры газов, соотношения расходов взаимодействующих потоков. Необходимость повышения температуры воды в теплообменнике после каплеуловителя вызвана недостаточным ее нагревом при контакте с отходящими дымовыми газами, ограниченным температурой точки росы этих газов [4, с. 107]. Дополнительный нагрев воды в теплообменнике до максимально возможней при нормальном давлении температуры кипения 100°С позволяет в 5-10 раз снизить жесткость нагретой и известкованной при такой температуре воды по сравнению с известкованием без подогрева [3, с. 276]. С другой стороны, нагрев обрабатываемой воды только в теплообменнике, без контакта с очищаемыми дымовыми газами, не обеспечивает их очистку и влечет за собой значительное увеличение габаритов и металлоемкости теплообменника. Ограничение расхода подогреваемой воды величиной заявляемого соотношения с расходом очищаемых дымовых газов основано на тепловом балансе взаимодействующих потоков и, в случае превышения указанного соотношения, температура воды после теплообменника будет ниже точки кипения, что приведет к повышению ее жесткости в процессе известкования. Если же расход циркуляционной воды будет меньше оптимального, то в теплообменнике начнется кипение, сопровождающееся пульсациями давления, накипеобразованием, нарушением гидравлического режима, что в результате приведет к выходу теплообменника из строя. Таким образом, ограничение циркуляционного расхода воды относительно расхода очищаемых дымовых газов определяет условия максимального нагрева воды перед известкованием и, соответственно, ее минимальную остаточную жесткость, снижающуюся до 0,2-0,4 мг-экв/л перед Н-катионированием. Добавление извести в нагретую воду после теплообменника в количестве, большем, чем необходимо для нейтрализации кислот, вызывает распад бикарбонатов, в результате которого из воды выделяется карбонат кальция: При этом следует иметь ввиду, что, хотя для удаления карбонатной жесткости необходимо повышение рН до 9,6 (5), оптимальное значение рН находится в пределах 8,5-9,0. Избыток извести, приводящий к росту рН>9,0, нецелесообразен вследствие повышения щелочности и остаточной жесткости циркуляционной воды после умягчения (см. табл.) а недостаток извести, с другой стороны, не позволяет достичь оптимального значения рН=8,5, высадить карбонат кальция и снизить остаточную жесткость циркуляционной воды. Последующая операция Н-катионирования с предварительным осветлением воды необходима для более глубокого умягчения и снижения рН перед использованием воды в системе теплоснабжения. Процесс ведут до снижения жесткости менее 0.1 мг/экв/л, что соответствует нормативным требованиям к воде систем теплоснабжения [5, с. 43]. Эффективность Н-катионирования на этой стадии обработки обусловлена тем, что именно этой операцией достигается одновременное снижение рН и жесткости обрабатываемой воды. При этом катионитовая загрузка (например, КУ-2-8) может эксплуатироваться при высоких температурах [5, с. 43], что обеспечивает работоспособность процесса и достижение поставленной задачи качественной обработки горячей циркуляционной воды. Отметим также, что, благодаря высокой температуре обработки, достигается не только более глубокое умягчение циркуляционной воды, но и возможность дальнейшей утилизации содержащегося в ней тепла. Таким образом, за счет указанных операций обработки циркуляционной воды уменьшается растворимость и концентрация солей жесткости, что позволило повысить качество воды для использования ее в системе теплоснабжения. На чертеже представлена установка для реализации предложенного способа. Установка содержит центробежный скруббер 1 с осесимметрично расположенной трубой-коагулятором 2, подводящим 3 и отводящим 4 дымовыми патрубками, шламосборник 5 и теплообменник 6, установленный в подводящем патрубке 3. Скруббер оснащен оросителем 7, каплеуловителем 8 и регулятором расхода подпиточной воды 9, обеспечивающего 5-10 мм зазор между нижним краем трубы-коагулятора 2 и поверхностью воды в шламосборнике 5. Установка содержит также осветитель 10 со взвешенным слоем известковой суспензии и Н-катионитовый фильтр 11, соединенные подающим 12 и обратным 13 трубопроводами с системой теплоснабжения 14. Заявляемый способ в представленной установке осуществляется следующим образом. Дымовые газы через тангенциально установленный подводящий патрубок 3 поступают в скруббер 1, внутренние стенки которого орошаются циркуляционной водой из оросителя 7. При этом частицы пыли задерживаются на стенках скруббера и смываются в шламосборник 5, уровень воды в котором поддерживается регулятором расхода подпиточной воды 9. Затем очищаемые дымовые газы через зазор 510 мм поступают в трубу-коагулятор 2, на входе в которую они контактируют с поверхностью воды образуя диспергированный капельный поток, который поглощает пыль и кислотообразующие окислы в дымовых газах, подкисляюсь ори этом и нагреваясь до температуры “точки росы" 55-65°С. Очищенные дымовые газы удаляются из скруббера отводящим па.руб-ком4. Нагретые в трубе-коагуляторе 2 капли улавливают в каплеуловителе 8, откуда нагретая до температуры "точки росы" вода поступает в теплообменник 6, где нагревается до температуры кипения за счет тепла отходящих газов. Горячую воду из теплообменника 6, не охлаждая, известкуют при рН=8,5-9,0 и осветляют от взвешенных частиц в осветлителе 10, после чего фильтруют на Н-катионитовом фильтре 11 при рН 6,5-8,5 и подающей трубой 12 направляют в систему теплоснабжения 14. Пример 1. Отходящие дымовые газы котельной в количестве 0=40 тыс.м3/час имеют температуру 250°С. В скруббере мокрой газоочистки они охлаждаются до температуры 85°С при эффективности улавливания пыли 99%, а кислотообразующих окислов - 86%. Температура циркуляционной воды после каплеуловителя равна температуре "точки росы" отходящих дымовых газов 65°С, а в теплообменнике она повышается до температуры кипения 100°С. В процессе последующего известковая (без охлаждения) рН обрабатываемой воды доводят до 8,7, с одновременным снижением ее жесткости до 0,4 мг-экв/л. После известкования воду осветляют от взвешенных частиц суспензии в осветлителе 10, затем фильтруют на Н-катионитовом фильтре 11с термостойкой загрузкой КУ-2-8, в результате чего ее жесткость снижается до 0,1 мг-экв/л, а рН до 6,8. Умягченная таким образом циркуляционная вода с температурой порядка 90°С удовлетворяет нормативным требованиям систем теплоснабжения [5, с. 43]. Циркуляционный расход при соотношении теплоємкостей отходящих дымовых газов и воды С’/С=0,254 и температуре циркуляционной воды (в обратке) после использования в теплосети tx=50°C составляет: q=0,254(250-100)/(100-50)Q=23,6 м3/час. Пример 2. Температура запыленных отходящих дымовых газов после сушильной печи равна 320°С. Вначале они охлаждаются до 160°С в теплообменнике, где, согласно заявляемому способу, происходит нагрев циркуляционной воды до температуры кипения, а затем в скруббере мокрой газоочистки до температуры 85°С. Циркуляционная вода из теплосети поступает в скруббер с температурой 40°С, нагреваясь в нем до температуры 60°С, после чего через слив каплеуловителя вода стекает в теплообменник. Известкование нагретой таким образом циркуляционной воды при температуре кипения 100°С повышает значение рН воды с 6,2 (подкисление дымовыми газами в скруббере) до 9,0. Общая жесткость воды снижается при этом до 1,2 мг-экв/л, что позволяет фильтровать ее в Н-катионитовом фильтре. Умягченная вода в результате обработки имеет жесткость 0,09 мг-экв/л и нейтральную реакцию рН=7,0. Снижение температуры на стадиях обработки составляет не более 10°С, т.е. температура подачи воды в систему теплоснабжения составляет не менее 90°С, что делает достаточно эффективной утилизацию содержащегося в ней тепла. Максимальный нагрев циркуляционной воды в теплообменнике достигается при соотношении весовых расходов воды и дымовых газов что составляет около 1400 м3 дымовых газов заданных параметров на 1 т циркуляционной воды. Изменение показателей качества циркуляционной воды при обработке согласно заявляемому способу и различных значениях рН приведены в таблице. На основании приведенных данных можно сказать, что введение дополнительных операций умягчения циркуляционной воды, согласно заявляемому способу, является необходимым и достаточным для повышения ее качества при использовании в системе теплоснабжения.