Способ очистки отработавших газов от окислов азота

 

Использование: очистка отработавших газов при сжигании углеводородного топлива. Сущность изобретения: в поток газов с примесью NOx вводят восстановительную газовую смесь, полученную при диссоциации NH₃ при 350-970^oС на катализаторе диссоциации NH₃. Нагрев катализатора ведут преимущественно электроподогревателем и дополнительно отработавшими газами. На диссоциацию подают аммиак или аммиачную воду при давлении более высоком, чем давление отработавших газов. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к защите воздушного бассейна от вредных веществ (ВВ), образующихся при сжигании углеводородного топлива в различных энергетических установках: ДВС, котлах ТЭС, ТЭЦ и т.д.

Известен способ очистки отходящих газов от NOx по патенту США (N 3425803, кл. С О1 В 21/26, 1969). В соответствии с этим способом газы, отходящие от установки для получения азотной кислоты, очищают от NOx с использованием природного газа и водяного пара, которые предварительно конвертируют в H₂ и СО, а затем подают их в поток, смешивают с отходящими газами и подают на основной катализатор, где NOx восстанавливается до N₂, Н₂О и СО₂. Для конверсии природный газ предварительно смешивают с водяным паром и пропускают через дополнительный катализатор, который подогревают теплом, полученным при синтезе NOx из аммиака.

Предварительная конверсия природного газа и пара в H₂ и СО, осуществляемая по этому способу, позволяет восстановить NOх при более низкой температуре основного катализатора, что удлиняет его срок службы. К недостаткам способа следует отнести тот факт, что при восстановлении NOx на основном катализаторе, кроме N₂ и H₂O, образуется еще и CO, создающая парниковый эффект. На некоторых режимах процесс конверсии природного газа может проходить с образованием сажевых частиц, снижающих эффективность этого процесса из-за отложений частиц на поверхности дополнительного катализатора.

Целью изобретения является снижение нижнего предела и расширение допустимого температурного интервала ОГ без применения основного катализатора, который устанавливается в потоке ОГ.

Поставленная цель достигается за счет того, что в магистрали подачи ХАВ помещают катализатор диссоциации этих веществ и ХАВ до ввода в поток ОГ пропускают при избыточном давлении через этот катализатор, нагретый до температуры диссоциации ХАВ за счет подвода энергии извне, например за счет электронагрева.

Для того, чтобы можно было управлять процессом диссоциации ХАВ независимо от температуры потока ОГ и, таким образом, оптимизировать процесс восстановления NOx, производят регулируемую подачу инертного газа в поток ХАВ до пропускания их через катализатор.

Поскольку процесс диссоциации ХАВ на катализаторе ведут с подводом энергии извне, то с целью экономии подводимой энергии и снижения тепловой инерционности катализатора его нагрев осуществляют за счет энергии потока ОГ и только частично за счет подвода энергии извне. ХАВ до ввода в них инертного газа также нагревают ОГ.

В качестве ХАВ, которые вводят в поток ОГ с целью восстановления NOx, можно использовать вещества, содержащие аммиак, например водные растворы аммиака, а в качестве катализатора соответствующий катализатор диссоциации аммиака, например никелевый или железный катализаторы, и процесс диссоциации аммиака ведут при температуре 350-970^oС.

Использование указанной совокупности отличительных признаков с требуемой целью автору неизвестно.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Молекулы ХАВ, которые применяются для селективного восстановления NOx, всегда содержат водород как лучший восстановитель, способный, например, на платиновом катализаторе при температуре 150-200^oС отобрать кислород у молекулы NO и конвертировать ее до N₂, Н₂О и O₂.

Чтобы получить молекулярный водород и его радикалы из молекул ХАВ, их необходимо диссоциировать. Однако, поскольку эти молекулы, как правило, многоатомные, то для их термической диссоциации требуется весьма большая температура, порядка 1000^oС. Поэтому недостатком всех известных способов, в которых применяется ввод ХАВ непосредственно в поток ОГ с целью восстановления NOx независимо от того, применяется катализатор при этом или нет, состоит в том, что стадию диссоциации ХАВ в них осуществляют за счет нагрева всего потока ОГ.

Однако диссоциацию ХАВ с целью получения водорода и его радикалов с применением катализатора или нет можно осуществить до ввода в поток ОГ путем их нагрева за счет подвода энергии извне, что энергетически выгодней, чем нагревать весь поток ОГ, т.к. расход ХАВ составляет всего лишь доли процента от расхода ОГ. Применение катализатора в данном случае позволяет уменьшить величину подводимой извне энергии для нагрева ХАВ с целью их диссоциации.

В предлагаемом способе диссоциация ХАВ, и в частности аммиака, осуществляется вне потока ОГ на катализаторе, который помещают в магистрали подачи ХАВ. Так как энергетический барьер реакции диссоциации аммиака на указанных катализаторах существенно ниже, чем при отсутствии катализатора, нагрев катализатора на большинстве режимов работы энергоустановки удается осуществить только за счет энергии потока ОГ без подвода энергии извне или за счет незначительного дополнительного подвода энергии извне, если энергии потока ОГ не достаточно для нагрева катализатора до заданной температуры.

Селективное восстановление NOx с помощью атомов, молекул и радикалов водорода, образовавшихся при диссоциации ХАВ, происходит при более низкой температуре потока ОГ по сравнению с тем случаем, когда предварительная диссоциация ХАВ отсутствует. Это позволяет отказаться на большинстве режимов работы энергоустановки от предварительного нагрева потока ОГ перед вводом в него восстановительной смеси с целью конверсии NOx, что обеспечивает основную экономическую выгоду при внедрении способа очистки ОГ с предварительной диссоциацией ХАВ.

Так как состав диссоциированных ХАВ оказывает значительное влияние на эффективность очистки ОГ от NOx для заданной температуры потока ОГ, например мольное отношение водорода к остаточному аммиаку, если в качестве ХАВ выбрать аммиак, то очень важно иметь возможность получать минимально возможную степень диссоциации ХАВ, обеспечивающей максимальную эффективность очистки потока ОГ от NOx. Для этого в предлагаемом способе предусмотрено регулирование температуры ХАВ за счет ввода инертного газа в поток ХАВ до подачи последнего на катализатор.

Пределы регулирования температуры диссоциации ХАВ, когда в качестве ХАВ выбран аммиак, будут установлены ниже после анализа результатов экспериментов.

На фиг. 1 показана схема устройства, в котором реализуется заявляемый способ очистки ОГ от NOx.

Устройство очистки Ог от NOx содержит корпус 1, катализатор 2, регулирующие органы 3 и 4, теплообменник 5, пробоотборники 6 и 7 для отбора проб соответственно неочищенных ОГ и очищенных ОГ 17, камеру 8 для смешения NH₃ и инертного газа чувствительные элементы 9 датчиков температуры 10, электронагреватель 11 корпус 12 катализатора 2 с перфорированным носиком 13, газоанализатор 14 и источник тока 15.

Реализация предлагаемого способа очистки ОГ от NOх в устройстве (фиг. 1) осуществляется следующим образом.

ОГ поступают из энергоустановки в устройство с произвольной начальной концентрацией [NOx] нач. значение которой определяется с помощью пробоотборника 6 и газоанализатора 14, и температурой потока, которая регистрируется с помощью первого чувствительного элемента 9 и датчика 10.

Задается необходимый диссоциированный состав ХАВ, который определяется соответствующей температурой катализатора 2 и контролируется датчиком 10 с помощью второго чувствительного элемента 9. Если температура потока ОГ ниже заданной температуры катализатора, то подводят энергию извне с помощью электронагревателя 11 и источника тока 15 в таком количестве, чтобы температура катализатора стала равной заданной. В противном случае открывают регулирующий орган 3 и вводят более холодные инертные газы, чем NH₃, чтобы после их смешения в камере 8 понизить этой смесью температуру катализатора до заданной. При открытии регулирующего органа 4 NH₃ после предварительного испарения в теплообменнике 5 и диссоциации на катализаторе 2 образует восстановительную смесь, которая поступает в поток ОГ через перфорацию в носике 13 корпуса 12 под избыточным давлением, где реагирует с NOx и восстанавливает их до N₂, Н₂О и О₂.

Конечная концентрация [NOx] кон. регистрируется газоанализатором 14 с помощью пробоотборника 7.

Очищенные от NOx ОГ поступают в атмосферу.

Были проведены экспериментальные исследования на базе автомобильного двигателя с искровым зажиганием ЗИЛ-130, и получены результаты, подтверждающие работоспособность заявляемого способа очистки ОГ от NOx.

В качестве ХАВ использовался аммиак, в качестве катализатора 2 - никелевый катализатор, а в качестве инертного газа азот.

Температура ОГ при заданном составе регулировалась с помощью специального теплообменника, который на чертеже не показан.

В процессе экспериментальных исследований измерялась температура потока ОГ, температура потока после смешения NH₃ и инертного газа, начальная и конечная концентрации [NOx]нач.кон. причем начальная концентрация [NOх]нач. 300 млн^-1.

Вначале был проведен эксперимент, в результате которого была установлена зависимость степени диссоциации аммиака от температуры катализатора 2 (фиг. 2). На графике (фиг. 2), кроме того, приведена зависимость мольного отношения молекулярного водорода H₂ к аммиаку NH₃ от температуры катализатора 2. Причем для получения приемлемых размеров графика применены две кратные шкалы мольного отношения H₂/NH₃.

Заданная температура катализатора 2 поддерживалась с помощью электроподогревателя 11 и источника тока 15 и контролировалась по температуре потока аммиака датчиком 10 с помощью второго чувствительного элемента 9. Концентрации [H₂] и [NH₃] измерялись газоанализатором 14 с помощью пробоотборника 7. После перехода к новой температуре катализатора 2 производилось выдерживание с целью стабилизации всех параметров, чтобы исключить влияние инерционности катализатора 2 на показания приборов. Точка перегиба 22 на графике диссоциации аммиака (фиг. 2) соответствует точке "зажигания" катализатора, в которой температура катализатора равна приблизительно 300^oС, а степень диссоциации равна примерно 50% Затем исследовалось влияние степени диссоциации аммиака и температуры потока ОГ на эффективность очистки ОГ от NOx. Результаты экспериментальных исследований представлены на графике (фиг. 3), причем с увеличением степени диссоциации аммиака остаточная концентрация аммиака поддерживалась постоянной за счет увеличения его расхода. Из графика видно, что с увеличением диссоциации аммиака температура потока ОГ, при которой достигается максимальная эффективность очистки ОГ от NOx существенно уменьшается. Так, при мольном отношении H₂/NH₃ 2, что соответствует степени диссоциации аммиака, равной примерно 50% ввод водородно-аммиачной смеси с таким отношением в поток ОГ сдвигает эту оптимальную температуру в область более низких температур примерно на 300^oC (см. график фиг. 3).

Можно установить следующие пределы изменения температуры катализатора, в рамках которого целесообразно вести диссоциацию аммиака. Нижний предел определяется температурой "зажигания" катализатора, т.е. не ниже 300-350^oС, а верхний определяется температурой потока ОГ, при которой достигается максимальная эффективность очистки ОГ от NOх за счет ввода в поток ОГ только чистого аммиака, т.е. примерно 970^oC, когда его предварительная диссоциация полностью отсутствует.

Использование предлагаемого способа позволит расширить допустимый температурный интервал высокоэффективной очистки ОГ от NOx за счет снижения нижнего температурного предела и область применения этого способа.

Формула изобретения

1. Способ очистки отработавших газов от окислов азота путем введения в поток отработавших газов восстановительной газовой смеси, полученной превращением водородсодержащего химического вещества на катализаторе при нагреве его за счет подвода энергии извне, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют катализатор диссоциации аммиака при 350-970^oС, на диссоциацию подают аммиак или аммиачную воду при давлении более высоком, чем давление отработавших газов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев катализатора ведут отработавшими газами и/или электроподогревателем.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что аммиак или аммиачную воду смешивают с регулируемым количеством инертного газа до подачи на катализатор.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что аммиак или аммиачную воду подогревают отработавшими газами до смешения с регулируемым количеством инертного газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3