СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ ОТ АММИАКА Российский патент 1996 года по МПК B01D53/58 

Изобретение относится к химическому производству и может быть использовано для очистки отходящих газов от аммиака при производствах аммиачной селитры, нитрида бора, а также в других отраслях промышленности.

Для очистки воздуха от слабоконцентрированных паров аммиака используют его каталитическое окисление преимущественно до элементарного азота и паров воды [1] Процесс осуществляют следующим образом.

Газ, содержащий аммиак, подогревают до температуры 100 250^oС и пропускают через слой катализатора, содержащего по крайней мере один из окислов Mn, Cr, Co и двуокись титана, или один из окислов Mn, Cr, Co и Fe₂O₃, или один из окислов Mn, Cr, Co, Fe и TiO₂. Объемная скорость при осуществлении процесса составляет 500 1000 ч^-1, что соответствует времени контакта 7,2 0,36 с.

Этот способ характеризуется следующими параметрами. Катализатор содержит по крайней мере один из оксидов Mn, Cr, Co c Fe₂O₃ и/или с TiO₂. Процесс проводят при температуре 100 250^oC. Объемная скорость составляет 500 10000 ч^-1.

По наибольшему количеству сходных признаков описанный способ принят за прототип.

Прототип обладает следующими недостатками.

1. При значительном избытке кислорода по отношению к аммиаку, что имеет место при обезвреживании слабоконцентрированных газов, окисление аммиака на оксидах Со, Mn, Fe приводит к образованию вторичного загрязнителя закиси азота. Так, например, при окислении NH₃ на оксиде кобальта (Co₃O₄) при температуре 143^oС при избытке кислорода в 20 раз по отношению к аммиаку селективность по N₂O составляет около 20 25 При концентрации аммиака в исходной смеси 8 г/м³ концентрация N₂O примерно 1 1,5 г/м³. Наличие вторичных загрязнителей снижает эффективность каталитических методов очистки.

2. Использование катализаторов, которые при окислении NH₃ не приводят к образованию закиси азота и позволяют получать NO и NO₂ с их последующим восстановлением оставшимся аммиаком, требует значительных энергозатрат, т. к. температура для осуществляется такого процесса должна быть не ниже 400^oС.

Целью изобретения является повышение степени очистки газов путем уменьшения образования вторичных загрязнителей при окислении аммиака.

Поставленная цель достигается пропусканием очищаемого газа через слой катализатора таким образом, чтобы не более 50 объема очищаемого газа подавалось из участков слоя катализатора, отстоящих от входа на расстоянии не более 45 общей высоты слоя, на участки слоя катализатора, отстоящие от выхода газа на расстоянии не более 45 общей высоты слоя, а направление пропускания газа через слой периодически изменяют на противоположное.

Процесс осуществляют следующим образом (фиг. 1). Исходный газ, содержащий аммиак, подают в слой катализатора. После прохождения газом не более 45 общей высоты слоя, где он нагреется за счет контакта с предварительно разогретым катализатором и частичного превращения аммиака, часть потока, но не более 50 общего объема, отводится из слоя и, минуя центральную его часть, подается в часть слоя катализатора (К), отстоящую от выхода газа на расстоянии не более 45 общей высоты. Для того, чтобы удержать реакционную зону в центре слоя, осуществляют периодическое изменение направлений пропускания газа через слой катализатора.

Байпас (Б) части потока газа из входных участков слоя на участках, прилежащие к выходу из слоя, обеспечивает восстановление аммиаком оксидов азота, которые могут образовываться при окислении аммиака в центральной части слоя. Таким образом, при реализации процесса протекают следующие основные реакции:
На входных участках слоя:
4NH₃ + O₂ 2N₂ + 6H₂ (1)
В центральных участках слоя:
4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O (2)
4NH₃ + 7O₂ 4NO₂ + 6H₂O (3)
а также реакция (1)
На выходных участках слоя:
2NO + 2NO₂ + 4NH₃ 4N₂ + 6H₂O (4)
Эффективное протекание реакции (4) возможно при стехиометрическом соотношении NO_x(NO + NO₂) NH₃, равном (или близком) к 1,0. Переменная концентрация аммиака в исходном газе вызовет колебания температуры в центральной части слоя катализатора, где происходит окисление NH₃. Это может вызвать нарушение оптимального соотношения NO_x NH₃. Однако нарушение оптимального стехиометрического соотношения при восстановлении NO_x в выходных участках слоя не приводит при периодическом реверсе потока газа к немедленному снижению степени восстановления. Это связано с большой хемосорбционной емкостью катализаторов по отношению к аммиаку. Избыточный по стехиометрии аммиак адсорбируется на выходных участках слоя катализатора и в дальнейшем (при появлении избытка NO_x) служит для восстановления оксидов азота, которые образовались при прохождении очищаемым газом центральной части слоя катализатора.

Осуществление процесса очистки газов от аммиака при периодических изменениях направлений пропускания газа через слой катализатора и подачей не более 50 объема очищаемого газа из участков слоя катализатора, отстоящих от входа газа не более 45 общей высоты слоя на участки слоя, отстоящие от выхода газа не более 45% общей высоты слоя, позволяет:
избежать появления на выходе из слоя вторичных загрязнителей (оксидов азота), т. к. образующиеся при окислении аммиака NO_x эффективно восстанавливаются на выходных участках слоя аммиаксодержащим газом;
сохранить высокую степень очистки газов от аммиака (98 99) за счет его окисления и адсорбции на выходных участках слоя катализатора;
повысить экономичность процесса за счет сокращения энергии на подогрев газов перед очисткой.

Предложенное изобретение имеет следующий сходный с прототипом признак:
1. Очистку газов от аммиака ведут путем его окисления кислородом в слое катализатора.

Отличительными признаками изобретения, позволяющими получить заявляемый положительный эффект являются:
1. Подача не более 50 объема очищаемого газа из участков слоя катализатора, отстоящих от входа газа не более 45 общей высоты слоя, на участки слоя катализатора, отстоящие от выхода газа не более 45 общей высоты слоя.

2. Процесс осуществляют при периодических изменениях направлений пропускания очищаемого газа через слой катализатора.

Из существующего в настоящее время уровня техники не известен способ очистки газов от аммиака, включающий все сходные и отличительные признаки предлагаемого изобретения, следовательно способ соответствует критерию "новизна" изобретения.

Подача части потока (не более 50) очищаемого газа из входных участков слоя, отстоящих от входа газа не более 45 общей высоты слоя, на участки слоя, отстоящие от выхода газа не более 45 общей высоты слоя катализатора, при периодических изменениях направлений пропускания газа через слой катализатора позволяет получить неочевидный с точки зрения известного уровня техники положительный эффект уменьшение образования вторичных загрязнителей (оксидов азота), что говорит о соответствии предлагаемого решения критерию "изобретательский уровень".

Примеры конкретной реализации изобретения.

Пример 1.

На очистку подаются газы объемом 2 тыс. м³/ч при нормальной температуре с концентрацией аммиака 6 г/м³. В реактор загружено 400 л алюмованадиевого катализатора АВК-10 (V₂O₅/Al₂O₃) с высотой слоя 0,6 м. Отходящие газы пропускают через слой катализатора 0,2 м (33 общей высоты слоя), после чего 70 объема очищаемых газов пропускают через последующий катализатор, а 30 объема газов подают минуя центральную часть на участки слоя, отстоящие от выхода газа на 0,2 м (33 общей высоты слоя). Направление пропускания газов через слой катализатора через каждые 20 мин меняют на противоположное. Степень очистки газов от аммиака на выходе 99,3 Остаточное содержание оксидов азота 15 мг/м³.

Пример 2.

По методике, приведенной в примере 1, очищают газ, содержащий газ с концентрацией аммиака 4 г/м³ на катализаторе П-17 (V₂O₅/Pd/Al₂O₃). Результаты приведены в таблице.

Пример 3.

Очистке подвергаются газы, содержащие 10 г/м³ аммиака. Процесс осуществляют по методике, описанной в примере 1. Процесс осуществляют на катализаторе АМЦ (алюмомедьцинковый). Результаты приведены в таблице.

Пример 4.

Процесс осуществляют по методике примера 1 на ванадийтитановом катализаторе (V₂O₅/TiO₂. Объем газов, подаваемых из входных участков в выходные участки слоя катализатора, увеличен до 60 от общего потока. Результаты приведены в таблице.

Пример 5.

По методике примера 1 осуществляют очистку газов, содержащих 4 г/м^3> аммиака. Использован катализатор П-17. Результаты приведены в таблице.

Пример 6.

По методике примера 1 очищают газ с концентрацией NH₃ 4 г/м³. Использован катализатор АВК-10. Результаты приведены в таблице.

Пример 7.

По методике примера 1 на катализаторе АМЦ осуществляют очистку газов, содержащих 6 г/м³ аммиака. Результаты приведены в таблице.

Пример 8.

По методике примера 1 обезвреживают газы от аммиака. Исходная концентрация NH₃ 8 г/м³. Результаты приведены в таблице.

Пример 9.

Очистке подвергается газ, содержащий аммиак в концентрации 6 г/м³. Объем газов 2000 м³/ч. Процесс ведут на слое катализатора АМЦ при изменении направлений пропускания газа через каждые 15 мин. Объем катализатора 500 л. Высота слоя катализатора 0,6 м. Отходящий газ пропускают без подачи части потока с входных на выходные участки. Результаты приведены в таблице.

Пример 10 (прототип).

Очистке подвергают газы объемом 2000 м³/ч с содержанием NH₃ 6 г/м³. Газ с температурой 230^oС подают на слой катализатора, содержащего оксид кобальта на двуокиси титана (CoO/TiO₂) при объемной скорости 4000 ч^-1. Результаты приведены в таблице.

Из представленных данных видно, что осуществление способа очистки газов по заявляемому способу (примеры 1 3, 5) позволяет снизить количество образующихся вторичных загрязнителей оксидов азота по сравнению с прототипом (пример 10) и сохранить степень очистки газов от NH₃ (98 99). При очистке газов по заявляемому способу остаточное содержание оксидов азота не превышает 20 30 мг/м₃, а по прототипу достигает 180 190 мг/м³.

Увеличение объема газов, подаваемых из входных участков на выходные участки слоя катализатора, выше 50 ведет к снижению степени очистки газов от аммиака (пример 4). Это связано с превышением фактического количества аммиака над необходимым для восстановления оксидов азота на выходных участках слоя. Поэтому остаточное содержание оксидов азота невелико 10 мг/м^3>, а аммиак не успеет превратиться и появится на выходе.

Подача газа из участков, отстоящих от входа более, чем на 45 общей высоты слоя (примеры 7, 8), не позволяет снизить содержание оксидов азота, т. к. содержащийся в газах аммиак успел уже в значительной степени окислиться и газ оказывается обеднен NH₃, что снижает его эффективность как восстановителя при подаче на выходные участки слоя.

Эффект уменьшения вторичных загрязнителей (оксидов азота) достигается только при осуществлении подачи газов (не более 50 объема) из входных участков слоя, отстоящих не более, чем на 45 общей высоты слоя, на выходные участки, отстоящие от выхода не более, чем на 45 общей высоты слоя, и периодических изменениях направлений фильтрации газа через слой. Это следует из сравнения примера 1, реализуемого по заявляемому способу, и 9, реализованному без подачи газов из входных участков на выходные участки. В случае примера 9 эффект снижения вторичных загрязнителей не достигается.

Использование: очистка отходящих газов от аммиака в производстве аммиачной селитры, нитрида бора, в других отраслях промышленности. Сущность и изобретения: поток отходящих газов, загрязненных аммиаком, в присутствии кислорода пропускают через катализатор окисления аммиака. Часть потока, но не более его половины, отводят из участков слоя катализатора, отстоящих от входа в слой на расстоянии не более 45 % длины этого слоя. Эту часть потока байпасируют на участки слоя катализатора, отстоящие от выхода из слоя на расстоянии не более 45 % длины слоя катализатора. Направление пропускания очищаемого газа через слой катализатора периодически изменяют на противоположное. 1 ил., 1 табл.

Способ очистки отходящих газов от аммиака, включающий пропускание потока очищаемого газа через слой катализатора окисления аммиака в присутствии кислорода, отличающийся тем, что часть потока очищаемого газа, но не более его половины, отводят из участков слоя катализатора, отстоящих от входа в слой на расстоянии не более 45% длины этого слоя, и подают на участки слоя катализатора, отстоящие от выхода из слоя на расстоянии не более 45% длины слоя катализатора, причем направление пропускания потока очищаемого газа через слой катализатора периодически изменяют на противоположное.