СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ ОТ ЗАКИСИ АЗОТА Российский патент 1997 года по МПК B01D53/56 B01D53/86 

Изобретение относится к очистке отходящих газов от вредных примесей и решает проблему защиты атмосферы от загрязнения закисью азота, вызывающей парниковый эффект и разрушающей защитный озоновый слой. Изобретение может найти применение при каталитическом обезвреживании отходящих газов различных производств.

Существует достаточно большое количество способов очистки отходящих газов от закиси азота. Эти методы основаны либо на поглощении закиси азота твердыми или жидкими поглотителями (адсорбция или абсорбция), либо на превращении примесей в безвредные соединения.

Наибольшее внимание в настоящее время уделяется каталитическому методу разложения закиси азота. Этот метод позволяет решить проблему, связанную с утилизацией отходов, характерную для поглотительных методов, а также существенно снизить энергетические и материальные затраты [1]
Разложение закиси азота проводят с использованием гранулированного катализатора при температуре выше температуры начала реакции. Обычно температура начала реакции находится в интервале 150-550^oC. Поскольку отходящие газы, содержащие закись азота имеют температуру от 5 до 100^oC, то для осуществления процесса обезвреживания требуется нагреть отходящий газ до температуры начала реакции.

Для очистки отходящего газа от закиси азота газовую смесь предварительно нагревают, а затем подают на вход в слой катализатора, где протекает разложение закиси азота. Тепло, выделяемое в ходе химической реакции идет на дальнейший разогрев очищаемого газа. После этого горячий очищенный газ выходит из слоя катализатора, отдает избыточное тепло холодному газу, подаваемому на очистку и выбрасывается в атмосферу [2] По наибольшему количеству сходных с предлагаемым изобретением признаков этот способ принят за прототип предлагаемого изобретения.

Реализация такого способа требует наличия сложной и громоздкой теплообменной аппаратуры и значительных энергозатрат на предварительный разогрев очищаемого газа перед входом в слой катализатора. Кроме того, при осуществлении процесса возникают трудности по поддержанию высоких степеней превращения примеси при колебаниях объемов газов, идущих на очистку, а также при изменении концентрации закиси азота и температуры в отходящих газах.

Наиболее важными требованиями к катализаторам, применяемым в процессе каталитического разложения закиси азота, являются их устойчивая каталитическая активность при длительной работе, а также их термическая стабильность, поскольку высокая температура, устанавливающаяся при таком осуществлении процесса, необходима для его проведения с высокой эффективностью.

В основу изобретения положена задача создания такого способа переработки отходящих газов от закиси азота, который обеспечил бы их очистку с высокой эффективностью, порядка 99% при минимальных энергозатратах и длительном сроке службы катализатора при переменном объеме очищаемого газа и концентрации закиси азота в отходящем газе.

Эта задача решается тем, что очистку газов от закиси азота осуществляют путем пропускания их через слой катализатора, состоящий из одной или более частей и через каждые 1-100 мин температуру каждого участка слоя попеременно повышают и понижают от 150 до 800^oC (предпочтительно от 250 до 600^oC.

Изобретение основано на следующих явлениях. Эксперименты по изучению кинетики каталитического превращения N₂O в молекулярный кислород и азот, показали, что при разложении закиси азота на катализаторе в неизотермических условиях наблюдается влияние на величину каталитической активности не только значения температуры в конкретный момент времени, но и температуры в предыдущий момент времени. Если первоначально процесс разложения вели при высокой температуре (T₁), а затем понижали температуру (до T₂), то некоторое время катализатор сохранял активность, присущую первоначальной температуре T₁. Следовательно, в зависимости от условий, повышения или понижения температуры, наблюдается различная кинетика разложения закиси азота. Это явление, называемое гистерезисом, характерно как для катализаторов Pt/Al₂O₃ и Pd/Al₂O₃, так и для ряда других каталитических систем. Таким образом, изменяя температуру в слое катализатора можно добиться более высокой активности катализатора, чем при постоянной средней температуре (T=(T₁+T₂)/2).

Существование такого эффекта при каталитическом разложении закиси азота в условиях периодического повышения и понижения температуры показывает, что проведение разложения закиси азота с целью очистки отходящих газов в традиционных условиях не является достаточно эффективным методом очистки газовых выбросов от закиси азота.

Предлагаемый способ обезвреживания газа может быть осуществлен различными технологическими решениями.

Очищаемый газ, поступающий на очистку, предварительно пропускают через нагреватель, периодическим включением которого через 1-100 минут создают переменную входную температуру очищаемого газа. При этом минимальная температура нагревателя не должна быть ниже 150-550^oC температуры начала реакции разложения закиси азота. Максимальная температура должна быть такой, чтобы при полном разложении закиси азота максимальная температура в слое катализатора не превышала границу термостойкости катализатора (600-800^oC) и не приводила к его разрушению. Затем нагретый газ пропускают через слой подходящего катализатора, где происходит разложение закиси азота.

Другое решение заключается в том, что очищаемый газ подают на предварительно разогретый до температуры начала реакции слой катализатора (150-550^oC), где протекает превращение закиси азота в молекулярный азот и кислород. При разложении закиси азота выделяется тепло. В результате в слое катализатора устанавливается температурный профиль с максимальной температурой не более 600-800^oC, движущийся в направлении пропускания очищаемого газа через слой катализатора. Распространение выделяющегося тепла по слою катализатора приводит к нагреву участков слоя катализатора, прилегающих к выходу из слоя. Через 1-100 мин направление потока подачи очищаемого газа изменяют на противоположное по отношению к предыдущему. При этом тепло, накопленное в участке слоя катализатора, служащем прежде выходным, используется для нагрева поступающего на очистку отходящего газа. При пропускании очищаемого газа через последующие части слоя катализатора, выделяется тепло, которое нагревает ранее остуженные участки слоя катализатора. Таким образом периодически изменяя направление пропускания отходящего газа в слое катализатора удается создать переменный температурный профиль, а именно каждые 1-100 мин температуру каждого слоя катализатора изменять от 150 до 800^oC. Это позволяет увеличить скорость реакции разложения закиси азота и добиться очистки от N₂O не менее 99% без дополнительных затрат энергии. Более эффективное использование катализатора в нестационарных условиях позволяет существенно сократить загрузки катализатора и уменьшить размеры очистного аппарата.

Третье решение заключается в том, что на катализатор, состоящий, как минимум, из двух равных частей, разогретый до температуры начала реакции превращения закиси азота в азот и кислород, подают холодный очищаемый газ. В результате химической реакции происходит выделение тепла. Распространение выделяющегося тепла по слою катализатора в направлении подачи отчищаемого газа приводит к разогреву слоев катализатора прилегающих к выходу из первой части катализатора и располагающихся у входа во вторую часть катализатора. Через 1-100 мин осуществляют переключение подачи очищаемого газа. При этом, газ начинает поступать на вход во вторую часть катализатора. Тепло, накопленное на входе во вторую часть катализатора служит для разогрева очищаемого газа до температуры начала реакции разложения закиси азота. При пропускании очищаемого газа через последующие слои второй части катализатора и через слои первой части катализатора, происходит разогрев ранее охлажденных слоев катализатора за счет тепла химической реакции превращения закиси азота. Таким образом, периодическим изменением ввода очищаемого газа в слой катализатора формируется переменный температурный профиль, двигающийся непрерывно в одном направлении. В результате этого в слое катализатора формируются нестационарные условия, позволяющие проводить реакцию разложения закиси азота с наибольшей эффективностью.

Принудительное формирование нестационарных условий в реакторе каталитической очистки газов от закиси азота позволяет эффективно использовать свойства катализатора. Этот способ позволяет достигать высоких степеней очистки (99%) при уменьшении энергетических и материальных затрат на проведение процесса.

Пример 1.

Обезвреживанию подвергается воздух содержащий 2.5 об. закиси азота. Скорость газа на входе 0.15 м/с, высота одного слоя катализатора АПК-2 0,5 м. Катализатор выполнен в виде цилиндров 8х8 мм. Температура исходного газа 20^oC. Через 12 мин направление пропускания очищаемого газа через слой катализатора изменяют на противоположное. Температура в слое катализатора при этом изменяется от 300 до 610^oC.

Очищенный газ выбрасывают в атмосферу. Максимальная температура в слое катализатора 540-610^oC. Степень очистки воздуха от закиси азота 99.8%
Пример 2.

Очистке подвергают воздух, содержащий 0.1 об. закиси азота. Скорость газа на входе 0.4 м/с, высота слоя катализатора ZSM-5 0,3 м. Слой катализатора разделен на две части. Катализатор выполнен в виде цилиндров 5х10 мм. Температура исходного газа 50^oC. Очистку ведут с подачей топлива в количестве 0.1 об. очищаемого газа. Через 15 мин направление пропускания газа через слой катализатора изменяют на противоположное. Температура в слое катализатора изменяется от 260 до 610^oC.

Максимальная температура в слое катализатора 550-610^oC. Степень очистки воздуха от закиси азота 99.2%
Пример 3.

Очистке подвергают воздух, содержащий 5 об. закиси азота. Скорость газа на входе 0.2 м/с, высота слоя катализатора ZSM-5 1.5 м. Катализатор выполнен в виде цилиндров 5х10 мм. Температура исходного газа 10^oC. Через 120 мин направление пропускания газа через слой катализатора изменяют на противоположное.

Температура в слое катализатора изменяется от 10 до 100^oC. Степень очистки газа от закиси азота понижается до нуля.

Пример 4.

Обезвреживанию подвергают воздух, содержащий 4 об. закиси азота. Скорость газа на входе в слой катализатора 0.4 м/с, высота слоя катализатора АПК-2 1 м. Катализатор выполнен в виде цилиндров 8х8 мм. Температура исходного газа 20^oC. Перед подачей на слой катализатора газ пропускают через нагреватель, где происходит разогрев газа до температуры 450-500^oC. Через 30 мин нагреватель выключают. В течение 30 мин на очистку подают холодный газ. После этого вновь включают нагреватель и вся последовательность действий циклически повторяется.

Температура в слое катализатора 550-620^oC. Степень очистки воздуха от закиси азота 99.5%
Пример 5.

Обезвреживанию подвергают воздух, содержащий 2.5 об. закиси азота. Скорость газа на входе в слой катализатора 0.2 м/с, высота слоя катализатора HZSM-5 1 м. Катализатор выполнен в виде цилиндров 5х10 мм. Температура исходного газа 40^oC. Перед подачей на слой катализатора газ пропускают через нагреватель, где происходит разогрев газа до температуры 760-800^oC. Через 40 с нагреватель выключают. В течение 40 с на очистку подают холодный газ. После этого вновь включают нагреватель и вся последовательность действий циклически повторяется.

Температура в слое катализатора 820-850^oC. Срок службы катализатора сокращается до нескольких месяцев из-за термического разрушения. Степень очистки воздуха от закиси азота со временем снижается до 10-20%

Использование: очистка отходящих газов, загрязненных закисью азота, вызывающей парниковый эффект и разрушающей защитный озоновый слой. Сущность изобретения: пропускание загрязненного газа через один или несколько слоев соответствующего катализатора. При этом каждый 1-100 мин (предпочтительно 5-60 мин) температуру каждого участка слоя/слоев катализатора изменяют от 150 до 800^oC (предпочтительно от 250 до 600 ^oC). 3 з.п. ф-лы.

1. Способ очистки отходящих газов от закиси азота путем ее разложения до азота и кислорода при пропускании очищаемых газов через один или несколько неподвижных слоев катализатора, отличающийся тем, что каждые 1-100 мин температуру каждого участка слоя или соответственно слоев катализатора попеременно понижают и повышают от 150 до 800^oС. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что попеременно температуру слоя или соответственно слоев повышают от 250 до 600^oС через каждые 5 60 мин. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что температуру каждого участка слоя или соответственно слоев катализатора понижают и повышают поочередным изменением направления пропускания через него или соответственно через них очищаемых газов на противоположное. 4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что пред и после слоя или соответственно слоев катализатора очищаемые и очищенные газы поочередно пропускают через два слоя инертного теплоаккумулирующего материала.