СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК B01D53/86 B01D53/94 F01N3/08 B01D131/00 B01D141/00 

Изобретение относится к нефтехимии и автомобильной промышленности, в частности к каталитическому дожиганию выхлопных газов нефтеперерабатывающих заводов, ТЭЦ и подобных объектов, а также утилизации конечных продуктов их переработки.

Компонентами отходящих и отработавших газов являются в том или ином количестве горючие или негорючие, токсичные или нетоксичные вещества: оксиды углерода, азота, серы, цианистые соединения, аммиак, азот, водород, углеводороды, кислород, пары воды. Их выбросы в атмосферу отравляют окружающую среду и уносят с собой огромное количество тепла.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ каталитического дожигания выхлопных газов дизельного двигателя в нейтрализаторе.

Нейтрализатор состоит из пламенного подогревателя, циклона и реакционной камеры, в которой размещен кипящий слой катализатора и статический слой катализатора дунита, активизированного смесью окислов никеля, меди или пиролюзита.

При включении двигателя начинает работать электронагреватель, топливный клапан и вентилятор. Топливо, проходя через электронагреватель, испаряется и, попадая на нагретую спираль свечи, воспламеняется в потоке воздуха.

Выхлопные газы, проходя через подогреватель, нагреваются до температуры, необходимой для протекания процесса нейтрализации, а затем попадают в камеру, приводя слой катализатора в псевдоожиженное состояние, где происходят основные процессы нейтрализации. Слой особо активного катализатора дунита завершает процесс и предохраняет первый слой от выноса из реакционной камеры.

Основными недостатками известного способа нейтрализации вредных газов и устройства на основе способа являются недостаточно эффективное использование особо активного катализатора дунита, а также сложность конструкции нейтрализатора и ограниченная область его применения.

Целью изобретения является разработка универсального способа очистки газов от вредных примесей с помощью дунитного катализатора и создание следующих устройств на основе способа: для нейтрализации отходящих газов при малом объеме их и отсутствии достаточного количества горючих компонентов, обеспечивающих требуемую температуру каталитического дожигания (например, при нейтрализации выхлопных газов двигателей автомобилей и других машин); для обезвреживания отходящих газов в большом объеме их и при содержании горючих компонентов, позволяющих получить температуру, обеспечивающую протекание интенсивного каталитического процесса (отходящие газы нефтеперерабатывающих заводов и подобных объектов); для утилизации конечных продуктов отходящих газов нефтеперерабатывающих заводов и подобных объектов с использованием тепла сгорания этих газов.

Это достигается тем, что при способе очистки газов от вредных примесей каталитическим дожиганием с помощью дунита в смеси с вторым твердофазным компонентом в качестве последнего используют железную стружку.

Преимуществами железной стружки при приготовлении дунитного катализатора являются невысокая стоимость и доступность по сравнению с оксидами металлов (можно использовать отходы металлообрабатывающих производств); прочность и жесткость стружки, что позволяет получить пористый однородный катализатор с достаточно низким гидродинамическим сопротивлением газовому потоку; при больших (более 50 кг) массах катализатора стружка препятствует прессованию и местному спеканию его.

Постепенное окисление железной стружки в процессе работы дожигателя не вредно, так как образующаяся окись железа также обладает каталитическими свойствами. Массовое соотношение катализатора и железной стружки должно составлять 9 1.

Способ очистки газов осуществляется следующим образом.

Отработавшие или отходящие газы, имеющие в своем составе горючие и негорючие компоненты оксиды углерода, азота, серы, аммиак, водород, углеводород, кислород и другие, подаются в реактор, заполненный катализатором дунитом в смеси с железной стружкой в соотношении 9:1 по массе. Движение газов в реакторе осуществляется за счет эжекционного эффекта, создаваемого на выходе из реактора воздухом, поступающим через воздухозаборник самотеком во время движения автомобиля (в случае нейтрализации выхлопного газа автомобиля) или из компрессора (при дожигании газов в стационарных установках).

При нейтрализации отходящих газов при малом объеме их и отсутствии необходимого для дожигания количества горючих компонентов предусматривается дополнительная подача горючего в реактор. При достижении температуры порядка 550-600^оС подача горючего прекращается и в дальнейшем необходимая температура поддерживается за счет дожигания выхлопного газа.

При нейтрализации отходящих газов нефтеперерабатывающих заводов и подобных объектов, где объем горючих значителен, дополнительной подачи топлива не требуется, так как необходимая для каталитического дожигания температура достигается в процессе дожигания.

После нейтрализации газы, содержащие углекислый газ, азот, кислород, оксиды серы, пары воды, выпускаются в атмосферу.

В случае утилизации нейтрализованных конечных продуктов нефтеперерабатывающих заводов и подобных объектов и использования тепла, получаемого при дожигании, газы после нейтрализации по трубопроводу с помощью турбонасоса подаются в теплообменник или паровой котел, после чего остывшие газы пропускают через душевые камеры, где происходит растворение оксидов серы в воде.

Очищенный от соединений серы газ по мере необходимости поступает в охладительную колонну, откуда охлажденный до температуры 4-6^оС через змеевик подается для дальнейшей утилизации, например для получения защитных газовых смесей для сварки металлов по известной технологии.

Предложенное устройство для нейтрализации выхлопных газов двигателей автомобилей и других машин отличается от прототипа тем, что вторым твердофазным компонентом дунитного катализатора является железная стружка при массовом соотношении 9:1. Новое устройство отличается от прототипа конструкцией, позволяющей отсасывать газ из реактора благодаря эжекционному эффекту, создаваемому на выходе из реактора воздухом, поступающим через воздухозаборник во время движения автомобиля самотеком. Эти отличительные признаки способствуют снижению гидродинамического сопротивления катализатора при работе двигателя. Для обеспечения процесса горения узел для подачи очищаемых газов снабжен эжектором.

На фиг. 1 изображено предложенное устройство, где 1 корпус реактора; 2 решетка с внутренней сеткой; 3 сетка; 4 крышка; 5 эжектор для высасывания нейтрализованного выхлопного газа из реактора; 6 воздухозаборник, регулирующий скорость подачи воздуха; 7 катализатор; 8 трубка для подачи горючего; 9 эжектор, обеспечивающий подачу воздуха для дожигания.

Устройство представляет собой сварную конструкцию из нержавеющей стали толщиной 2-3 мм. Реактор может быть изготовлен из трубы толщиной 3 мм, диаметром 150-160 мм, длиной 500-600 мм. Он заполняется катализатором кусками дунита, измельченного до размера 3-5 мм, и железной стружкой при соотношении 9:1 по массе.

Устройство работает следующим образом.

Во время начала движения автомобиля воздух самотеком через воздухозаборник 6, регулирующий его подачу, проходит через нейтрализатор и, создавая эжекционный эффект, способствует движению газов в реакторе. Другой эжектор 9, установленный на входе в реактор, обеспечивает подачу воздуха для дожигания. Топливо через трубку 8 подается в реактор в начале движения автомобиля. Когда температура катализатора достигнет необходимой величины, подача топлива прекращается, в дальнейшем необходимая для дожигания температура (550-600^оС) поддерживается за счет дожигания выхлопного газа. Нейтрализованный выхлопной газ через крышку 4 нейтрализатора выводится наружу.

Наиболее экономически выгодно использовать дунитный катализатор, если двигатель работает длительное время, например при многокилометровых пробегах автопоездов. С точки зрения техники безопасности это не опасно, так как дунит -материал огнеупорный, температура плавления его 1835^оС.

На фиг.2 изображено устройство для нейтрализации отходящих и отработавших газов нефтеперерабатывающих заводов, ТЭЦ и других объектов, где 10 кожух реактора, 11 корпус реактора, 12 решетка, 13 сетка, 14 крыша нейтрализатора, 15 эжектор, обеспечивающий движение газов в реакторе, 16 труба для подачи воздуха от турбокомпрессора, 17 катализатор дунит в смеси с железной стружкой, 18 опора решетки, 19 петля для монтажных работ, 20 дно кожуха и опора нижней решетки, 21 камера сгорания и 22 нижний эжектор для засасывания воздуха.

Корпус реактора внутреннего диаметра 800-1000 мм и высотой 1300-1500 мм изготавливается из хромоникелевой коррозионно-стойкой стали толщиной 3 мм из огнеупорного кирпича. Катализатор в реакторе располагается в 3-5 секциях высотой 300 мм и массой 180-200 кг катализатора каждая, разделенных между собой решетками для предотвращения спрессования дунита. С этой же целью дунит, измельченный до кусков размером 3-5 мм, смешивают с железной стружкой в соотношении 9:1 по массе. Секция создается внутренней стороной корпуса и решеткой, устанавливаемой на опорах. Решетка сваривается из отдельных штампованных частей, имеет сферическую форму и отверстия диаметром 10 мм, расстояние между которыми 20 мм. Для монтажных работ решетка снабжена петлей. Сверху решетка покрывается сеткой, привариваемой к основаниям решетки и петли. Снизу к корпусу приваривается кольцо из листовой коррозионно-стойкой стали толщиной 3 мм, которое служит с одной стороны дном кожуха реактора, а с другой опорой для нижней решетки. Для других решеток опорами являются небольшие кронштейны (угольники), приваренные к корпусу в несколько рядов. В одном ряду должно быть 10-12 таких опор.

Эжекционный эффект в реакторе достигается воздухом, подаваемым турбокомпрессором. Предусмотрены два эжектора: один на выходе из реактора создает в нем разрежение, благодаря которому уменьшается гидродинамическое сопротивление катализатора нейтрализованные газы удаляются в атмосферу; другой на входе в реактор способствует газам до нейтрализации засасывать атмосферный воздух для их дожигания в необходимом количестве. В зависимости от объема газов, выбрасываемых в атмосферу, внутри крыши корпуса нейтрализатора можно установить несколько самостоятельных эжекторов, что увеличит эффективность работы реактора. Возможно размещение трех эжекторов в одном реакторе. Каждый килограмм дунита обеспечивает нейтрализацию 2 м³/ч газов, а один реактор 2000 м³/ч отходящих газов. Из этого расчета следует выбирать количество самостоятельных эжекторов, следовательно и производительность компрессора. При значительном объеме отходящих газов можно рекомендовать устройство, состоящее из блока автономных реакторов.

В процессе каталитического дожигания корпус реактора может нагреваться до температуры 800-1000^оС. Поэтому реактор необходимо охладить. С этой целью реактор снабжен водяной рубашкой.

Реактор устройства, изображенным на фиг.2, не позволяет утилизировать конечные продукты дожигания отходящих газов и использовать тепло, теряемое при этом. Кроме того, не происходит очистка от оксидов серы. Поэтому это устройство может быть использовано в тех случаях, когда отходящие газы не содержат соединения серы или содержат их в незначительных количествах.

Полная утилизация отходящих газов производится в устройстве, образующем вместе с первым (фиг.2) новое устройство. Отпадает необходимость в применении турбокомпрессора и верхнего эжектора, а нейтрализованные газы из реактора с помощью турбонасоса подаются для утилизации. Устройство изображено на фиг. 3, где 23 кожух реактора, 24 корпус реактора, 25 решетка, 26 сетка, 27 крыша реактора, 28 труба для отвода горячих газов после нейтрализации, 29 паровой котел, 30 теплообменник, 31 турбонасос, 32 душевые (брызговые) камеры, 33 колонна со змеевиком, 34 змеевик, 35 ванна, 36 трубка для стока конденсата, 37 трубопровод для отвода охлажденного газа, 38 опоры для решеток, 39 катализатор, 40 петля для монтажных работ, 41 дно кожуха и опора нижней решетки, 42 камера для сжигания отходящих газов, 43 эжектор, обеспечивающий подачу воздуха для дожигания, 44 труба для выхода газов.

Устройство работает следующим образом.

Отходящие газы нефтеперерабатывающих заводов и подобных объектов подаются в реактор, в котором катализатор 39 (смесь измельченного до кусов 3-5 мм дунита с железной стружкой в соотношении 9:1 по массе) размещен на нескольких полках-решетках секциями по 180-200 кг каждая. Отходящие газы имеют температуру порядка 600^оС, достаточную для каталитического дожигания на дуните. В процессе нейтрализации газы нагреваются до температуры 800-900^оС. Нейтрализованные горячие газы, минуя атмосферу, с помощью турбонасоса 31, подаются в теплообменник 30, горячая вода из которого может подаваться или в паровой котел для образования перегретого пара, используемого, например, для работы турбокомпрессора, или для других заводских нужд.

Из теплообменника остывшие газы, содержащие углекислый газ, азот, кислород, пары воды, сернистый и серный газы, поступают в душевые камеры 32, где происходит очистка газов от оксидов серы. Сернистый и серные газы растворяются в мельчайших каплях воды, и образующийся слабый раствор серной и сернистой кислот накапливается в ванне 35. Сюда же по трубе 36 поступает конденсат из теплообменника.

Очищенный от оксидов серы газ поступает в охладительную колонну 33, откуда охлажденный до температуры 4-6^оС через змеевик 34 подается для дальнейшей утилизации, например, для получения защитных газовых смесей для сварки и пайки металлов. Часть газов, не используемая в установке, выбрасывается в атмосферу через трубу.

Обычно в отходящих газах нефтеперерабатывающих заводов и подобных объектов содержится большое количество углеводородов. Нейтрализация этих газов осуществляется с помощью заявленных устройств. Применение дунитного катализатора в смеси с железной стружкой в соотношении 9:1 по массе позволит снизить содержание углеводородов в отходящих газах, определяемое нижним уровнем горючести последних, и позволит поддерживать температуру каталитического дожигания в пределах 600-700^оС за счет интенсификации химических процессов. Минимально допустимый предел содержания углеводородов определяется экспериментальным путем.

Этот способ даст ряд экономических преимуществ: более надежная работа самого реактора при более низких температурах; уменьшение габаритов теплообменников, брызговых камер, расхода воды; повышение выхода полезных компонентов.

Показанные на фиг.2 и 3 устройства являются универсальными установками по очистке газов от вредных примесей. Степень очистки от горючих газов составляет 95-98% от оксидов серы 90-95% Кроме того, они обеспечивают безотходную обработку отходящих газов, выбрасываемых в атмосферу, и позволяют использовать огромное количество тепла, получаемого при утилизации газов. Это позволяет решать весьма важные экономические и экологические задачи, отвечающие целям изобретения.

Использование: очистка выхлопных газов нефтеперерабатывающих заводов, ТЭЦ и автомобилей. Сущность изобретения: выхлопные газы очищают каталитическим дожиганием на дуните в смеси с вторым твердофазным компонентом железной стружкой. Массовое соотношение дунита и железной стружки равно 9 1. Устройство для очистки газов содержит реактор с катализатором в виде смеси дунита с железной стружкой, который снабжен узлом для подачи очищаемых газов и узлом для подачи топлива. Предпочтительно узел для подачи очищаемых газов снабжен эжектором, второй эжектор, соединенный с воздухозаборником, установлен на выходе газов из реактора. Второй вариант устройства для очистки газов по второму варианту содержит узел для подачи газов, реактор с катализатором из дунита и железной стружки, эжектор на входе в реактор для подачи воздуха. Катализатор расположен в виде секций на нескольких уровнях. Реактор снабжен водяной рубашкой для охлаждения. На выходе из реактора может быть установлен второй эжектор, соединенный с турбокомпрессором. Предпочтительно на выходе из реактора последовательно установлены паровой котел, теплообменник и турбонасос. После него имеется узел для улавливания SO₂ в виде душевых камер. За ними предусмотрена охладительная колонна со змеевиком. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ очистки газов от вредных примесей каталитическим дожиганием на дуните в смеси с вторым твердофазным компонентом, отличающийся тем, что в качестве второго твердофазного компонента используют железную стружку. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют массовое соотношение дунита и железной стружки 9 1. 3. Устройство для очистки газов от вредных примесей, включающее снабженный узлом для подачи очищаемых газов и узлом для подачи топлива реактор с катализатором на основе дунита с вторым твердофазным компонентом, отличающееся тем, что вторым твердофазным компонентом является железная стружка. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что узел для подачи очищаемых газов снабжен эжектором, второй эжектор, соединенный с воздухозаборником, установлен на выходе газов из реактора. 5. Устройство для очистки газов от вредных примесей, включающее снабженный узлом для подачи очищаемых газов реактор с катализатором на основе дунита в смеси с вторым твердофазным компонентом, отличающееся тем, что вторым твердофазным компонентом является железная стружка, на входе в реактор расположен эжектор для подачи воздуха, катализатор в реакторе расположен в виде секций на нескольких уровнях и реактор снабжен водяной рубашкой для охлаждения. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что на выходе газов из реактора установлен второй эжектор, соединенный трубопроводом с турбокомпрессором. 7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что на выходе газов из реактора последовательно установлены паровой котел, теплообменник и турбонасос. 8. Устройство по п.7 отличающееся тем, что после турбонасоса установлен узел для улавливания оксидов серы в виде душевых камер. 9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что после душевых камер предусмотрена охладительная колонна со змеевиком.