Способ очистки газов от оксидов азота

 

Использование: производство слабой азотной кислоты, денитрация кислот или очистка дымовых газов от NO_x. Сущность изобретения: очищаемый газ пропускают через слой катализатора, разделенный на несколько частей, между которыми вводят аммиак. Направление пропускания газа периодически изменяют на противоположно. Аммиак подают в количестве выше стехиометрически необходимого до тех пор, пока его содержание в очищенном газе не превысит заданной величины, затем количество вводимого аммиака снижают до величины ниже стехиометрически необходимого количества и продолжают очистку в таком режиме, пока содержание оксидов азота в очищенном газе не превысит заданного значения. 1 табл.

Изобретение относится к способам обезвреживания отходящих газов от оксидов азота. Изобретение может быть использовано для очистки отходящих газов от оксидов азота при производствах слабой азотной кислоты, денитрации кислот или очистки дымовых газов. Основное применение изобретения химическая промышленность.

Известен способ очистки газов от оксидов азота восстановлением их аммиаком на катализаторе, разделенном на две части, с подачей аммиака между частями катализатора и при периодическом изменении направления пропускания очищаемых газов через катализатор на противоположное [1] По наибольшему количеству признаков описанный способ принят за прототип.

При периодическом изменении направления пропускания очищаемых газов через слой катализатора происходит вытеснение из него части неочищенных газов. Это снижает общую степень очистки. Таким образом, предпочтительным является максимальное увеличение времени между изменениями направления пропускания газов.

В прототипе при достижении заданного значения NO_x и/или NH₃ в очищенном газе (газе, покидающем реакционную зону) направление фильтрации изменяют на противоположное. При переменном содержании оксидов азота в очищаемых газах это ведет к необоснованно частому изменению направления пропускания газов через слой катализатора.

Второй недостаток прототипа проявляется при очистке холодных отходящих газов, когда слой катализатора выполняет дополнительно роль регенератора тепла. В этом случае при вводе аммиака в холодные газы, содержащие оксиды азота, образуются аммонийные соли, отлагающиеся на катализаторе. Цель изобретения повысить степень очистки газов от оксидов азота.

Поставленная цель достигается организацией циклического ввода аммиака в непрерывно подаваемые отходящие газы, причем аммиак подают в количестве выше стехиометрически необходимого до тех пор, пока его содержание в газах на выходе из слоя не превысит заданной величины, затем аммиак подают ниже стехиометрически необходимого количества до тех пор, пока содержание оксидов азота на выходе из слоя не превысит заданного значения, причем слой катализатора разделяют по меньшей мере на две части, между которыми вводят аммиак.

Процесс осуществляют следующим образом.

Предварительно разогревают слой катализатора до температуры 240-350^oC. Этот разогрев носит разовый характер и далее не повторяется. Очищаемый газ с концентрацией оксидов азота подают в слой катализатора. За счет контакта с предварительно нагретым катализатором очищаемые газы нагреваются. После этого в уже нагретые газы вводят аммиак в количестве выше стехиометрически необходимого для полного восстановления оксидов азота . Далее реакционную смесь пропускают через следующую часть слоя катализатора, где протекает реакция восстановления NO_x, сопровождающаяся выделением тепла. Избыточный по отношению к оксидам азота аммиак частично окисляется кислородом, а частично адсорбируется на катализаторе.

Постепенно участки слоя катализатора со стороны, прилегающей ко входу очищаемых газов, остывают, а температура на участках слоя катализатора, прилегающих к выходу, повышается (за счет аккумулирования тепла реакций восстановления NO_x и окисления NH₃ кислородом). В определенный момент времени изменяют направление пропускания отходящих газов через слой катализатора на противоположное. Теперь очищаемые газы подаются на нагретые участки слоя катализатора, служившие ранее в качестве выходных. При подаче аммиака выше стехиометрически необходимого по мере адсорбционного заполнения слоя катализатора избыточный аммиак появляется на выходе из слоя. При увеличении концентрации аммиака в очищенных газах до заданной величины уменьшают его расход ниже стехиометричемски необходимого количества. При этом процесс очистки ведут, периодически изменяя направление пропускания газов, через слой катализатора. Так как вводимого аммиака оказывается недостаточно для восстановления всего количества оксидов азота, содержащихся в очищаемых газах, адсорбированный ранее аммиак служит теперь для компенсации недостатка аммиака в реакционной смеси. Степень очистки газов от NO_x практически не снижается. В течение времени происходит использование адсорбированного аммиака, поверхность катализатора освобождается и увеличивается количество невосстановленных оксидов азота на выходе из слоя катализатора. При достижении концентрации NO_x на выходе заранее заданного значения увеличивают расход аммиака выше стехиометрически необходимого количества и вся последовательность действий полностью повторяется.

Для более равномерного распределения адсорбированного аммиака по длине слоя катализатора слой разделяют по меньшей мере на две части, а аммиак вводят в отходящие газы между частями слоя катализатора. Аммиак вводят в отходящие газы, прошедшие предварительно нагретые части слоя катализатора, а реакция взаимодействия оксидов азота и аммиака протекает при пропускании газа через последующие части слоя катализатора. Адсорбция аммиака также протекает на последующих после ввода аммиака частях слоя катализатора.

С технологической точки зрения целесообразно деление слоя катализатора на 2-4 части. При большем числе частей слоя катализатора возрастает гидравлическое сопротивление, усложняется схема ввода аммиака, ухудшается аэродинамическая обстановка, так как высота отдельных частей слоя катализатора становится малой и оказывается весьма сложно обеспечить однородность потока газа в таких частях слоя. При устранении этих технических трудностей количество частей слоя катализатора может быть произвольным.

Предлагаемое изобретение имеет следующие сходные с прототипом признаки: процесс осуществляют при периодических изменениях направлений пропускания отходящего газа через слой катализатора; очистку газов от оксидов азота осуществляют за счет взаимодействия с аммиаком в присутствии катализатора; разделение слоя катализатора по меньшей мере на две части, между которыми вводят аммиак.

Отличительным признаком изобретения, позволяющим получить заявляемый положительный эффект, является уменьшение подачи аммиака ниже стехиометрически необходимого при увеличении содержания аммиака в очищенных газах более заданной величины.

Из существующего в настоящее время уровня техники не известен способ очистки газов от оксидов азота, включающий все сходны и отличительные признаки предлагаемого изобретения, следовательно способ соответствует критерию "новизны" изобретения.

Подача аммиака выше стехиометрически необходимого до тех пор, пока его содержание в газах на выходе из слоя не превысит заданной величины, с последующим уменьшением расхода ниже стехиометрически необходимого до тех пор, пока содержание оксидов азота на выходе из слоя не превысит заданного значения, причем слой катализатора разделяют по меньшей мере на две части, между которыми подают аммиак, позволяет получить неочевидный с точки зрения известного уровня техники положительный эффект повышение степени очистки газов от оксидов азота при из изменяющейся концентрации и сохранении общего расхода аммиака. Это говорит о соответствии предлагаемого решения критерию изобретения "изобретательский уровень".

Пример 1. Отходящий газ с концентрацией оксидов азота 6 г/м³ (0,35% об.) подают в реактор, загруженный слоем зернистого ванадиевого оксидного катализатора высотой 1,0 м. Слой катализатора в реакторе состоит из двух частей по 0,5 м. Температура газа на входе 40^oC, линейная скорость на входе в слой катализатора 0,6 м/с. Предварительно слой катализатора нагревают до температуры 220^oC.

Газ, содержащий оксиды азота, пропускают через первую часть слоя катализатора. Затем перед второй частью слоя вводят аммиак. После смещения полученную газовую смесь пропускают через вторую часть слоя катализатора, на котором происходит очистка от оксидов азота, после чего очищенный газ выбрасывают в атмосферу. Направление пропускания газа через слой катализатора меняют каждые 20 мин. Концентрацию аммиака в газовой смеси изменяют циклически: первые 30 минут каждого периода концентрации NH₃ 0,5% об. В конце этого периода содержание NH₃ на выходе повышается до 10 мг/м³ после чего уменьшают концентрацию аммиака в реакционной смеси до 0,2% об и в течение последующих 30 мин ведут процесс с таким расходом. Содержание NO_x на выходе повышается до 15 мг/м³, после чего вновь увеличивают содержание NH₃ до 0,5% об. и вся последовательность полностью повторяется. Максимальное остаточное содержание NO_x в течение цикла 15,0 мг/м³. Расход аммиака соответствует стехиометрически необходимому. Средняя степень очистки газов от NO_x 99,8% Результаты приведены в таблице.

Пример 2. Отходящий газ, подвергаемый очистке, содержит 3 г/м³ (0,18% об.) NO и NO₂ в равном соотношении. Катализатор состоит из пятиокиси ванадия и оксида вольфрама на двуокиси титана. Температура газа - 100^oC. Высота слоя катализатора 1,7 метра по 0,85 метра. Скорость газа - 0,6 м/с. Направление пропускания газа через слой изменяют каждые 10 мин. Концентрацию аммиака изменяют следующим образом 0,3% об. до появления NH₃ на выходе в количестве 15 мг/м³ (15 мин) и 0,15% об. до появления оксидов азота с концентрацией 20 мг/м³ (60 мин. ). После завершения цикла (75 мин.) вся последовательность действий полностью повторяется. Расход аммиака за цикл соответствует стехиометрически необходимому. Средняя степень очистки газов от NO_x 99,85% Максимальная концентрация оксидов азота на выходе в течение цикла 20 мг/м³. Результаты приведены в таблице.

Пример 3. Отходящий газ, подвергаемый очистке содержит 4 г/м³ (0,29% об. ) оксидов азота. Слой алюмомедьцинкового катализатора общей высотой 1,5 метра состоит из трех частей по 0,5 метра. Температура газа 120^oC. Линейная скорость газа 0,4 м/с. Слой катализатора предварительно нагрет до температуры 250^oC.

Газ, содержащий оксиды азота, пропускают через первую часть слоя катализатора, смешивают с половинным количеством аммиака от вводимого в данный момент времени и пропускают через вторую часть слоя катализатора, где происходит частичная очистка газов от оксидов азота. После выхода газа из второй части слой его смешивают с оставшимся аммиаком и пропускают через третью часть слоя катализатора, где происходит окончательная очистка от NO_x и выбрасывают в атмосферу. Направление пропускания газов через слой меняют каждые 15 мин. Аммиак вводят следующим образом: 0,3% об. (из этого количества 0,15% об. после первой части слоя и 0,15% об.после второй части) до появления NH₃ на выходе с концентрацией 8 мг/м³. Продолжительность подачи 15 мин. Затем снижение расхода аммиака до 0,02% об. (по 0,01% об. после первого и второго слоя) до тех пор, пока концентрация оксидов азота на выходе не превысит 9,0 мг/м³. Продолжительность такой подачи 5,3 мин. После завершения цикла (16 + 5,3) мин) вся последовательность полностью повторяется. Расход аммиака за цикл соответствует стехиометрически необходимому. Средняя степень очистки газов от оксидов азота 99,9% Максимальная концентрация NO_x на выходе из слоя в течение цикла изменения концентрации аммиака 9,0 мг/м³. Результаты приведены в таблице.

Пример 4. Процесс ведут по методике, описанной в примере 3, для тех же характеристик отходящего газа. Направление пропускания газа изменяют через 15 мин. Аммиак вводят следующим образом: 16 мин. 0,30% об. (из этого количества 0,1% об. после первой части слоя и 0,2% об. после второй); 5,3 мин 0,02% об. (по 0,01% об. после первой и второй частей). Результаты приведены в таблице.

Пример 5. Процесс ведут для условий примера 3 по той же методике. Аммиак вводят следующим образом: 16 мин 0,3% об. (из этого количества 0,15% об. после первой части слоя и 0,15% об. после второй); 5,3 мин. подача аммиака прекращается. Результаты приведены в таблице.

Пример 6. Отходящий газ содержит 3 г/м³ Оксида азота (NO). Температура газа 300^oC. Катализатор состоит из пятиокиси ванадия, оксида вольфрама и двуокиси титана. Высота слоя катализатора 1,7 м, скорость газа 0,6 м/с. Объемная скорость 1270 час ^-1. Направление пропускания газа изменяют каждые 24,5 мин. В первые 15 мин на очистку подают газы, содержащие аммиак в избытке (3,0 г/м³ аммиака). Затем прекращают подачу аммиака и оставшиеся 9,5 мин на обезвреживание поступают отходящие газы, содержащие только NO. После этого вся последовательность повторяется. Концентрация оксидов азота на выходе из слоя перед изменением направления пропускания газа составляет 220 мг/м³. Средняя степень очистки газов от NO_x - 97,5% Из сравнения примеров 1-4 и 6 видно, что циклическая подача аммиака, когда в начале каждого периода его подают в количестве выше стехиометрически необходимого, до появления NH₃ на выходе выше заданного значения, затем уменьшают его расход ниже стехиометрически необходимого, пока содержание оксидов азота не превысит заданного значения, причем слой катализатора разделяют по меньшей мере на две части, между которыми вводят аммиак, ведет к значительному снижению максимальных концентраций остаточного содержания NO_x (10 30 мг/м³ против 200 230 мг/м³). Следствием этого является повышение также средней за цикл степени очистки газов от NO_x. Общий расход аммиака за цикл соответствует стехиометрически необходимому для восстановления NO_x.

Результаты, полученные в примерах 1-2 показывают, что эффект повышения степени очистки сохраняется независимо от количества слоев катализатора, однако при увеличении количества слоев удается более равномерно распределить адсорбирующийся аммиак по высоте слоя и вследствие этого снизить максимальную концентрацию (см. примеры 4 и 3). Достигаемый эффект также не зависит от соотношения количества аммиака, вводимого между различными частями слоя (см. примеры 3 и 4). Выбор этого соотношения позволяет проводить оптимизацию процесса очистки.

При снижении концентрации аммиака в очищаемых газах до нуля (при его появлении на выходе слоя) (пример 5) максимальная концентрация NO_x увеличивается по сравнению с заявляемым способом и одновременно снижается общая степень очистки. Это говорит о существенности сохранения подачи аммиака ниже стехиометрически необходимого.

Формула изобретения

Способ очистки газов от оксидов азота восстановлением их аммиаком на катализаторе, разделенном по крайней мере на две части, с подачей аммиака между частями катализатора и при периодическом изменении направления пропускания очищаемых газов через катализатор на противоположное, отличающийся тем, что аммиак подают выше стехиометрически необходимого до тех пор, пока его содержание в газах на выходе из слоя не превысит заданной величины, затем аммиак подают ниже стехиометрически необходимого до тех пор, пока содержание оксидов азота на выходе не превысит заданного значения.

РИСУНКИ

Рисунок 1