Способ и система для удаления азотистых соединений из дымового газа с применением мешков тканевого фильтра и scr катализатора

Настоящее изобретение относится к способу и системе для восстановления эмиссионных твердых частиц и оксидов азота (NOx) из отходящих газов и дымовых газов. Дымовой газ пропускают через один или более мешков тканевого фильтра, катализированных катализатором селективного восстановления оксидов азота в присутствии аммиака, добавленного в дымовой газ либо как таковой, либо в форме его предшественника. Отходящий газ, содержащий диоксид азота, вводят в дымовой газ выше по течению одного или более мешков тканевого фильтра. Отходящий газ, содержащий диоксид азота, обеспечивают посредством каталитического окисления аммиака или его предшественника содержащей кислород атмосферой до отходящего газа, содержащего монооксид азота и кислород, в присутствии катализатора окисления. Далее отходящий газ охлаждают до температуры окружающей среды, составляющей от -20°С до 40°С. В охлажденном отходящем газе происходит окисление монооксида азота до отходящего газа, содержащего диоксид азота. Содержащий диоксид азота отходящий газ вводят в дымовой газ в количестве, приводящем к тому, что от 45 до 55 об.% оксидов азота представляют собой диоксид азота на входе в катализатор селективного восстановления оксидов азота. Технический результат: повышение эффективности катализатора SCR при температуре газа ниже 250°С. 2 н. и 6 з.п. ф-лы.

 

Настоящее изобретение относится к способу и системе для восстановления эмиссионных твердых частиц и оксидов азота (NOx) из отходящих газов и дымовых газов. В частности, способ и система согласно настоящему изобретению обеспечивает улучшенное восстановление NOx при низких температурах газа.

Дымовые газы из различных сжигательных установок, например, газ котлов силовых установок, работающих на твердом или жидком топливе, работающих на нефти генераторов или цементных печей, установок для сжигания на биотопливе и мусоросжигательных установок, содержат ряд вредных для окружающей среды или даже ядовитых соединений. Они содержат твердые частицы и NOx.

Применение фильтров для улавливания твердых частиц и каталитического очищения дымового газа сокращает количество твердых частиц и NOx и, поэтому, в общем благоприятно для окружающей среды. В большинстве областей законодательство требует снижения NOx в дымовом газе.

Мешки тканевого фильтра широко используются во многих отраслях промышленности для удаления твердых частиц из дымовых и технологических газов. Это наиболее эффективные типы пылесборников.

Как упомянуто выше, отходящие и дымовые газы очень часто содержат множество загрязняющих веществ, в том числе оксиды азота в концентрациях, которые должны быть удалены или уменьшены в зависимости от местного законодательства. Для этой цели доступно несколько традиционных методов. Во всех случаях необходимо устанавливать и эксплуатировать дополнительные узлы выше по ходу потока/ниже по ходу потока мешков тканевого фильтра.

В находящейся одновременно на рассмотрении патентной заявке заявителя US 2017/0080387, которая включена в настоящую заявку посредством ссылки в полном объеме, раскрыты фильтровальные мешки, катализированные активными катализаторами SCR. Эти фильтровальные мешки уменьшают или удаляют концентрацию NOx и твердых частиц, когда отходящий или дымовой газ проходит через фильтровальные мешки.

Из-за композиции волокон, составляющей фильтровальные мешки, они должны работать при температурах ниже 250°C.

При селективном каталитическом восстановлении (SCR) NOx, соединения оксида азота селективно восстанавливаются до безвредных азота и воды посредством реакции с восстанавливающим агентом, например, аммиаком, над катализатором.

Низкая температура газа, необходимая для композиции фильтровального мешка, создает проблему удаления NOx посредством SCR.

Проблема известных катализаторов SCR состоит в относительно низкой эффективности при температуре газа ниже 250°C.

Настоящее изобретение основано на образовании NO₂ снаружи дымовой трубы и введении полученного NO₂ в дымовой газ в количестве, которое способствует так называемой «быстрой» реакции SCR. NO₂ может быть образован из NH₃ путем окисления NH₃ до NO над катализатором, содержащим благородный металл, на первой стадии, и затем окисления NO до NO₂ на второй стадии.

Известно, что реакция SCR может быть значительно ускорена, а низкотемпературная активность может быть значительно повышена при эквимолярных количествах NO и NO₂ в дымовой газе при «быстрой» реакции SCR:

2NH₃+NO+NO₂ → 2N₂+3H₂O.

Таким образом, первым объектом настоящего изобретения является способ удаления оксидов азота из дымового газа из сжигательных установок, включающий стадии

пропускания дымового газа через один или более мешков тканевого фильтра, катализированных катализатором селективного восстановления оксидов азота в присутствии аммиака, добавленного в дымовой газ либо как таковой, либо в форме его предшественника;

введения отходящего газа, содержащего диоксид азота, в дымовой газ выше по ходу потока одного или более мешков тканевого фильтра;

обеспечения отходящего газа, содержащего диоксид азота, посредством стадий

каталитического окисления аммиака или его предшественника содержащей кислород атмосферой до отходящего газа, содержащего монооксид азота и кислород, в присутствии катализатора окисления;

охлаждения отходящего газа до температуры окружающей среды и окисление монооксида азота в охлажденном отходящем газе до отходящего газа, содержащего диоксид азота.

Проблема известных способов и систем заключается в относительно низкой эффективности катализатора SCR при температурах дымового газа ниже 250°С, как упомянуто в настоящей заявке выше. Эта проблема решается настоящим изобретением посредством введения NO₂ в дымовой газ при низких температурах, чтобы способствовать «быстрой» реакции SCR. Эта реакция ответственна за промотирование низкотемпературного SCR.

При температурах дымового газа выше 250°С, катализаторы SCR имеют достаточную эффективность, и введение NO₂ в дымовой газ может быть прервано, когда температура газа достигает 250°С.

Окисление аммиака до NO снаружи дымовой трубы обычно осуществляют в реакторе с использованием катализатора на основе благородного металла, как правило, платины или сплава платины с другими драгоценными металлами в качестве второстепенных компонентов при температуре реакции от 250 до 800 °С в присутствии содержащей кислород атмосферы.

Для обеспечения требуемой температуры реакции, реактор окисления может быть нагрет посредством, например, электрического нагрева или индукционного нагрева.

В варианте выполнения настоящего изобретения содержащая кислород атмосфера представляет собой воздух окружающей среды.

В варианте выполнения настоящего изобретения содержащая кислород атмосфера включает горячий рециркулирующий газ, который обеспечивает затем дополнительную часть тепловой нагрузки реактора окисления.

NO, образующийся из NH₃ на первой стадии путем окисления NH₃ при контакте с катализатором, содержащим благородный металл, затем окисляется до NO₂ в отходящем газе, содержащем NO, с первой стадии путем охлаждения газа до температуры окружающей среды, чтобы направить равновесную реакцию 2 NO+O₂2 NO₂ в направлении образования NO₂

Термин «температура окружающей среды», как применяется в настоящей заявке, означает любую температуру, преобладающую в окружающей среде установки

для сжигания, использующей способ и систему согласно настоящему изобретению. Как правило, температура окружающей среды составляет от -20°С до 40°С.

Охлаждение и окисление содержащего NO отходящего газа можно проводить в реакторе состаривания, с такими размерами, чтобы время пребывания газа составляло около 1 минуты или более.

В варианте выполнения настоящего изобретения реакцию окисления проводят в присутствии катализатора, промотирующего окисление NO до NO₂. Эти катализаторы известны в данной области техники и включают Pt на ТiO₂, Pt на SiO₂ и активированный углерод или Pt и/или Pd на оксиде алюминия.

Как упомянуто выше в настоящей заявке, для желаемой быстрой реакции SCR требуются равные количества NO и NO₂. Следовательно, количество NO₂, вводимого в дымовой газ при температуре ниже 250 °С, контролируют таким образом, что от 45 до 55 об.% содержания оксидов азота в дымовом газе составляет NO2 на входе в каталитический узел SCR.

Другим объектом настоящего изобретения является система для применения в способе согласно настоящему изобретению.

Система содержит внутри дымовой трубы камеру мешочного фильтра с одним или более мешками тканевого фильтра, катализированными катализатором селективного восстановления оксидов азота;

выше по ходу потока одного или более мешков тканевого фильтра или камеры мешочного фильтра средство введения для введения раствора аммиака или мочевины в дымовую трубу;

выше по ходу потока одного или более мешков тканевого фильтра или камеры мешочного фильтра, средство введения для введения содержащего диоксид азота отходящего газа; и

снаружи дымовой трубы,

каталитический узел окисления аммиака; и

средство охлаждения и окисления содержащего монооксид азота отходящего газа, извлеченного из катализатора окисления аммиака до отходящего газа, содержащего диоксид азота, соединенное на его выходном конце со средством введения для введения содержащего диоксид азота отходящего газа.

Как упомянуто выше, реакция окисления NO в NO₂ требует времени пребывания газа, содержащего NO, по меньшей мере 1 минута. Как правило, 1-2 минуты.

Это может быть достигнуто в теплообменнике либо с охлаждением газом, либо с охлаждением водой, или, альтернативно, при формировании охлаждающего и окислительного средства в виде скрученной в спираль трубы с длиной, приводящей к желаемому времени пребывания газа, проходящего через трубу.

В другом варианте выполнения настоящего изобретения, средство охлаждения и окисления содержащего монооксид азота отходящего газа снабжено катализатором окисления, промотирующим окисление NO в NO₂.

1. Способ удаления оксидов азота из дымового газа из сжигательных установок, включающий стадии

пропускания дымового газа через один или более мешков тканевого фильтра, катализированных катализатором селективного восстановления оксидов азота в присутствии аммиака, добавленного в дымовой газ либо как таковой, либо в форме его предшественника;

введения отходящего газа, содержащего диоксид азота, в дымовой газ выше по течению одного или более мешков тканевого фильтра;

обеспечения отходящего газа, содержащего диоксид азота, посредством стадий

каталитического окисления аммиака или его предшественника содержащей кислород атмосферой до отходящего газа, содержащего монооксид азота и кислород, в присутствии катализатора окисления;

охлаждения отходящего газа до температуры окружающей среды, составляющей от -20°С до 40°С, и окисление монооксида азота в охлажденном отходящем газе до отходящего газа, содержащего диоксид азота,

причем содержащий диоксид азота отходящий газ вводят в дымовой газ в количестве, приводящем к тому, что от 45 до 55 об.% оксидов азота представляют собой диоксид азота на входе в катализатор селективного восстановления оксидов азота.

2. Способ по п. 1, где содержащая кислород атмосфера содержит дымовой газ.

3. Способ по п. 1, где содержащая кислород атмосфера представляет собой воздух окружающей среды.

4. Способ по любому из пп. 1-3, где окисление монооксида азота в охлажденном отходящем газе до отходящего газа, содержащего диоксид азота, осуществляют в присутствии катализатора окисления.

5. Система для применения в способе по любому из пп. 1-4, содержащая внутри дымовой трубы камеру мешочного фильтра с одним или более мешками тканевого фильтра, катализированными катализатором селективного восстановления оксидов азота;

выше по течению одного или более мешков тканевого фильтра или камеры мешочного фильтра средство введения для введения раствора аммиака или мочевины в дымовую трубу;

выше по течению одного или более мешков тканевого фильтра или камеры мешочного фильтра, средство введения для введения содержащего диоксид азота отходящего газа; и

снаружи дымовой трубы,

каталитический узел окисления аммиака; и

средство охлаждения и окисления содержащего монооксид азота отходящего газа, извлеченного из катализатора окисления аммиака, до отходящего газа, содержащего диоксид азота, соединенное на его выходном конце со средством введения для введения содержащего диоксид азота отходящего газа.

6. Система по п. 5, где средство охлаждения и окисления содержащего монооксид азота отходящего газа находится в форме теплообменника.

7. Система по п. 5, где средство охлаждения и окисления содержащего монооксид азота отходящего газа находится в форме скрученной в спираль трубы.

8. Система по любому из пп. 5-7, где средство охлаждения и окисления содержащего монооксид азота отходящего газа снабжено катализатором окисления.