КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ОТ ОКСИДОВ АЗОТА С ПОМОЩЬЮ АММИАКА, СОВМЕЩЕННЫЙ СО СПИРАЛЬНЫМ ПРОТИВОТОЧНЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ-РЕКУПЕРАТОРОМ Российский патент 2005 года по МПК B01J8/02 

Изобретение относится к технике очистки технологических и вентиляционных газов от примесей оксидов азота с помощью аммиака и может быть использовано в химической, электротехнической, машиностроительной и любой другой отрасли промышленности, где ведутся работы с данными химическими соединениями.

Известен каталитический аппарат окисления, состоящий из каталитической секции, электронагревателя, спирального теплообменника-рекуператора, где спиральные каналы выполнены из гофрированных полуцилиндрических обечаек одного диаметра, смещенных относительно друг друга на ширину канала, причем гофрированные складки выполнены поперек движения газового потока (патент РФ №1762459, кл. B 01 J 8/04, опубл. 10.10.1998 г.).

Недостатками данного аппарата являются большие габариты, вес и энергопотребление, так как в нем используется принцип нагрева электронагревателями всего газового потока до насыпного катализатора для обеспечения требуемой температуры каталитического процесса. Кроме того, конструкция не предусматривает безопасного проведения процесса при аварийном выбросе нейтрализуемых соединений в очищаемый газовый поток.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является раскрытое в патенте РФ №2180869, кл. B 01 D 53/86, опубл. 27.03.2002 г., устройство для очистки газов с токонагреваемым каталитическим блоком и теплообменником, в котором осуществляется очистка воздуха от органических веществ каталитическим окислением на блоках на основе пенометаллов. Потери энергии в реакторе минимизируются снижением температуры газов, так как рабочая температура поддерживается только на каталитических блоках, на которых протекает реакция. Применение блочных катализаторов на основе пеноникеля с открыто-ячеистой структурой обеспечивает интенсивный массо- и теплообмен по всему объему катализатора, увеличивает время контакта газа с рабочей поверхностью и его равномерную газодинамическую и тепловую нагрузку за счет малого гидравлического сопротивления и турбулизации потока газа.

Недостатками прототипа являются большие затраты энергии в случае малых концентраций нейтрализуемых соединений, связанные с тем, что горячий поток очищенного газа контактирует с верхней торцевой стенкой теплообменника, существенно повышая ее температуру и создавая опасность при эксплуатации из-за высокой температуры ее поверхности. Кроме того, в данном устройстве невозможно одновременное проведение как окислительных, так и восстановительных реакций, необходимых в случае нейтрализации соединений азота в воздухе.

Задачами изобретения являются повышение эффективности и безопасности каталитического процесса, которые решаются в предлагаемом каталитическом реакторе благодаря его конструктивному исполнению, которое позволяет получить технические результаты, заключающиеся в упрощении конструкции, расширении возможностей применения, уменьшении теплопотерь и в обеспечении безопасности эксплуатации.

Каталитический реактор очистки газовых выбросов от оксидов азота с помощью аммиака (далее - каталитический реактор, представлен на Фиг.1) состоит из токонагреваемой каталитической секции 1, размещенной внутри спирального противоточного теплообменника-рекуператора 2, и из электрошкафа управления 3.

Каталитическая секция 1 образована корпусом 4 с термопарой 5 и плавким предохранителем 6. В каталитической секции 1 размещены сменные каталитические блоки 7 с различной толщиной и размером ячеек на основе пенометалла с каталитическим покрытием из оксидов металлов, нагреваемые двумя зажатыми, отдельно регулируемыми сборками электронагревателей 8, 9, которые также являются сменными.

Спиральный противоточный теплообменник-рекуператор 2 состоит из корпуса 10 с входным отверстием 11, выходным отверстием 12 и слоем теплоизоляции 13. Спиральные каналы 14 теплообменника-рекуператора 2 выполнены из полуцилиндрических обечаек 15, 16 одного диаметра, смещенных относительно друг друга на ширину канала и соединенных с торцевыми стенками корпуса 10.

На вход каталитического реактора подается регулируемое количество аммиака: на входном отверстии 11 корпуса 10 расположен расходомер подачи аммиака 17, соединенный с линией подачи аммиака.

В предлагаемом каталитическом реакторе устранены недостатки, имеющиеся у прототипа, и решены поставленные задачи с получением следующих технических результатов.

Повышена эффективность и расширены возможности взаимодействия газового потока с каталитическим слоем, а также повышена эффективность нейтрализации очищаемой газовой среды - за счет того, что каталитические блоки 7 каталитической секции 1 имеют различную толщину и размер ячеек и на вход каталитического реактора подается необходимое количество газообразного или сжиженного аммиака или его водного раствора, регулируемое с помощью расходомера 17.

Упрощены конструкция и обслуживание каталитического реактора благодаря тому, что поджим каталитических блоков 7 к сборкам электронагревателей 8, 9 осуществляется за счет их собственного веса, а не посредством ленточных пружин, как в прототипе, а электронагреватели разделены на две отдельно регулируемые сборки электронагревателей 8, 9: для достижения необходимой температуры при запуске каталитического процесса и для поддержания температуры каталитического процесса, что поднимает КПД каталитического реактора, продлевает рабочий ресурс электронагревателей и облегчает замену каталитических блоков 7 и сборок электронагревателей 8, 9.

Уменьшены теплопотери каталитического процесса за счет того, что исключен перегрев верхних частей каталитических блоков 7 и каталитического реактора, так как каталитическая секция 1 и спиральные каналы 14 теплообменника-рекуператора 2 расположены горизонтально (в прототипе - вертикально, что и приводит к перегреву), а верхняя часть и торцы корпуса 10 теплообменника-рекуператора 2 защищены слоем теплоизоляции 13. При таком конструктивном исполнении предлагаемого каталитического реактора в силу конвекции теплового потока обеспечивается более равномерное распределение температуры по каталитическим блокам 7, при этом температура поверхности каталитического реактора снижается, и потери тепла в окружающую среду уменьшаются.

Повышена безопасность эксплуатации каталитического реактора за счет того, что имеется плавкий предохранитель 6 в каталитической секции 1, который механически отключает концевой включатель при достижении температуры 660°С в каталитической секции 1 при проведении каталитического процесса или в случае сбоев в работе электрошкафа управления 3 и тем самым обесточивает каталитический реактор.

Каталитический реактор работает следующим образом.

Вентилятор (на Фиг.1 не показан) через вход каталитического реактора подает технологические и вентиляционные газы. Входящий газ поступает в теплообменник-рекуператор 2, соприкасается с его стенками и подогревается до температуры ниже начала процесса каталитического окисления, а попадая на каталитические блоки 7, нагретые с помощью сборки электронагревателей 8, подогревается до температуры, соответствующей началу процесса каталитического восстановления-окисления. Термокаталитическое восстановление оксидов азота аммиаком в присутствии кислорода воздуха происходит на каталитических блоках 7 из пеноникеля с нанесенным слоем оксидов металлов по реакциям:

4NO+4NH₃+O₂=4N₂+6Н₂О;

4NO₂+4NH₃+O₂=3N₂+6Н₂O;

NO+NO₂+2NH₃=3N₂+6Н₂O.

Аммиак в качестве реагента добавляется к отходящему из реактора синтеза нитрата марганца газовому потоку и реагирует с оксидами азота, образуя воду и азот с выбросом продуктов реакции в атмосферу.

Эффективность процесса, происходящего в предлагаемом каталитическом реакторе в зависимости от условий проведения, показана на диаграммах Фиг.2 и Фиг.3. В этом процессе может быть использован как газообразный или сжиженный аммиак, так и раствор аммиака в воде. Каталитические блоки 7 работают в оптимальном температурном диапазоне от 350 до 450°С, обеспечивающем максимальную конверсию аммиака и оксидов азота.

После каталитических блоков 7 очищенный газ снова попадает в теплообменник-рекуператор 2 и отдает тепло поступающим газам. Сборка электронагревателей 8 после выхода на рабочий режим отключается, и температура, регистрируемая термопарой 5 через электрошкаф управления 3, затем автоматически поддерживается на необходимом уровне с помощью сборки электронагревателей 9. Потери энергии в каталитическом реакторе минимизируются за счет снижения температуры проходящих газов, так как рабочая температура поддерживается только на каталитических блоках 7, на которых протекает реакция, а также за счет теплоизоляции корпуса 10 теплообменника-рекуператора 2 каталитического реактора. Использование по ходу движения газового потока разного типа пеноникелевых каталитических блоков 7 позволило уменьшить гидравлическое сопротивление и стоимость каталитического реактора при сохранении высокой эффективности его работы и ресурса.

Технические решения, последовательно, друг за другом, примененные в предлагаемом каталитическом реакторе, дают синергическиий эффект, обеспечивающий высокую эффективность очистки газов, в том числе воздуха, от оксидов азота, повышают безопасность эксплуатации и обеспечивают существенную экономию энергозатрат при малой материалоемкости.

Фигура 1 схематично представляет устройство каталитического реактора.

Фигура 2 графически представляет процесс конверсии оксидов азота в зависимости от количественного соотношения между аммиаком и оксидами азота при определенной температуре газа.

Фигура 3 графически представляет процесс конверсии оксидов азота в зависимости от температуры газа при определенном количественном соотношении между аммиаком и оксидами азота.

Предлагаемое изобретение подтверждено и реализовано в промышленном масштабе на ОАО «Элеконд», г. Сарапул. Результаты, полученные в ходе промышленных испытаний каталитического реактора при выполнении конкретного процесса очистки газовых выбросов, приведены в таблице.

ВеществоКонцентрация на входе, мг/м³Концентрация на выходе, мг/м³Температура каталитических блоков, °СОксид азота 10400Диоксид азота500042400Аммиак5500,0400

Предложенный реактор относится к химической промышленности и используется для очистки газов от примесей оксидов азота с помощью аммиака. Реактор имеет электрошкаф управления и каталитическую секцию, которая содержит нагреваемые сменными электронагревателями сменные каталитические блоки на основе пенометалла с каталитическим покрытием из оксидов металлов. Каталитическая секция размещена внутри спирального противоточного теплообменника-рекуператора. Спираль теплообменника-рекуператора с каталитической секцией расположена горизонтально. Верхняя часть и торцы теплообменника-рекуператора защищены слоем теплоизоляции. В каталитической секции имеется плавкий предохранитель, обесточивающий каталитический реактор при достижении в каталитической секции температуры 660°С. Каталитические блоки имеют различную толщину и размер ячеек. Электронагреватели разделены на две отдельно регулируемые сборки, поджим к которым каталитических блоков осуществляется под их собственным весом, а в каталитический реактор подается регулируемое с помощью расходомера небольшое количество аммиака. Данное техническое решение повышает эффективность и безопасность каталитического процесса. 3 ил., 1 табл.

Каталитический реактор, имеющий электрошкаф управления и каталитическую секцию, которая содержит нагреваемые сменными электронагревателями сменные каталитические блоки на основе пенометалла с каталитическим покрытием из оксидов металлов и размещена внутри спирального противоточного теплообменника-рекуператора, имеющего корпус с входным и выходным отверстиями и спиральные каналы, выполненные из полуцилиндрических гофрированных обечаек одного диаметра, смещенных относительно друг друга на ширину канала и соединенных с торцевыми стенками корпуса, отличающийся тем, что спираль теплообменника-рекуператора с каталитической секцией расположена горизонтально, верхняя часть и торцы спирального противоточного теплообменника-рекуператора защищены слоем теплоизоляции, в каталитической секции имеется плавкий предохранитель, обесточивающий каталитический реактор при достижении в каталитической секции температуры 660°С, каталитические блоки имеют различную толщину и размер ячеек, электронагреватели разделены на две отдельно регулируемые сборки, поджим к которым каталитических блоков осуществляется под их собственным весом, а в каталитический реактор подается регулируемое с помощью расходомера небольшое количество аммиака.