СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОКСИДОВ АЗОТА И УГЛЕРОДА В ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ ДВИГАТЕЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК F01N3/00 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на газотурбинных стационарных и авиационных энергоустановках, а также для транспортных двигателей: автомобильных, судовых, железнодорожных, в области химической технологии и машиностроении, в крупнотоннажных производствах неорганического и органического синтеза.

Известен способ каталитической нейтрализации оксидов азота и углерода в выхлопных газах двигателя с применением палладиевых и других катализаторов, заключающийся в том, что выхлопные газы направляют в каталитический реактор, где проводят обработку газов с помощью рабочих поверхностей каталитического реактора, с нанесенным на них каталитическим слоем, предусматривающий процесс каталитической нейтрализации монооксида углерода СО до углекислоты СО₂ путем каталитической реакции окисления кислородом О₂ выхлопных газов.

Параллельно осуществляемый процесс каталитической нейтрализации оксидов азота NO_x до молекулярного азота N₂ и углекислоты СО₂ производят путем каталитической реакции восстановления за счет присутствия монооксида углерода СО в выхлопных газах

Каталитическая нейтрализация оксидов азота и углерода осуществляется при температуре 400÷830°С ("Проблемы порошкового материаловедения", Издательство Екатеринбург, 2006 г., стр.187-190).

В известном способе нейтрализация оксидов азота происходит лишь частично и в лучших случаях достигает 80%, в результате того, что восстановление не удается полностью реализовать при дефиците монооксида углерода СО.

Известно устройство нейтрализации оксидов азота и углерода выхлопных газов двигателей, подключенного к корпусу каталитического реактора, внутри которого размещен каталитический блок, выполненный из пластин прижатых рабочими поверхностями друг к другу без зазора расположенных перпендикулярно направлению движения потока отработавших газов. Пластины выполнены из высокопористого проницаемого ячеистого материала (ВПЯМ) с нанесенным на него каталитическим слоем каталитически активных веществ, в качестве которого использованы благородные металлы (патент РФ №2024295, МКИ В01J 23/64; B01D 53/36, 1995 г., патент РФ №2111422, Б.И. №014 от 20.05.98).

Наиболее близким техническим решением, реализующим известный способ и устройство для нейтрализации выхлопных газов двигателя, является каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя (патент РФ №2117169, МКИ F01N 3/00, 1998).

Известное устройство содержит двигатель, соединенный с трубопроводом подачи газообразного топлива и на выходе выхлопных газов подключенный ко входу в каталитический реактор, состоящий из корпуса, внутри которого размещен блок катализатора в виде рабочих каталитических поверхностей, выполненных на основе жаропрочного высокопористого проницаемого ячеистого материала с каталитической композицией. Катализатор выполнен в виде блока из сборки отдельных пластин, расположенных на расстоянии, равном 10-15 диаметрам внутренних ячеек ВПЯМ, и перпендикулярно направлению движения потока отработавших газов.

Общими недостатками известных технических решений, препятствующими применению их в новых природоохранных экологичных каталитических энергоустановках мощностью 1-25 МВт и выше для требуемой глубины нейтрализации NO_x и СО>95% (вместо 70-80% в выхлопных газах для традиционных ГТУ), являются:

- высокое газодинамическое сопротивление каталитического реактора (>120 мм в. ст. против требуемого <55 мм), сопровождающееся снижением мощности газовой турбины (до 50%) с соответствующим повышением расхода топлива;

- низкая эффективность процесса нейтрализации NO_x (в среднем <70%) в каталитическом реакторе и прогрессирующее постепенное загрязнение окружающей природной среды;

- отсутствие возможности воздействовать на неуправляемый процесс нейтрализации NO_x посредством регулирования его вручную или автоматически, для изменения уровня каталитического разложения NO_x при непредсказуемом изменении нагрузки и режима работы газовой турбины (особенно в автономном режиме в пределах от 50 до 100%), сопровождающемся изменениями величины коэффициента избытка воздуха α от 3,5 до 4,43.

Задачей предлагаемого технического решения является создание природоохранного способа и устройства глубокой, практически полной, каталитической нейтрализации оксидов азота и углерода в выхлопных газах авиационных газотурбинных и стационарных энергоустановок, путем повышения эффективности процесса нейтрализации оксидов азота за счет возможности регулирования глубины уровня каталитического разложения оксидов азота.

Для достижения указанного технического результата в способе каталитической нейтрализации оксидов азота и углерода в выхлопных газах двигателя, включающем подачу газов из двигателя в каталитический реактор, обработку газов в реакционной зоне каталитического реактора, предусматривающую каталитическую реакцию окисления монооксидов углерода до двуокиси углерода кислородом выхлопных газов и восстановление оксидов азота до молекулярного азота и углекислоты оксидами углерода выхлопных газов, в реакционной зоне каталитического реактора проводят дополнительную обработку выхлопных газов, предусматривающую дополнительную реакцию восстановления оксидов азота, при этом в реакционную зону каталитического реактора вводят газообразное или парообразное топливо, причем количество топлива, вводимого в реакционную зону, составляет не более 0,1% от основного расхода топлива двигателем, при этом измеряют концентрацию оксидов азота на входе и выходе из реактора, а подачу топлива в реакционную зону регулируют в зависимости от избытка оксидов азота на выходе из реактора.

В целях решения указанных выше задач устройство для каталитической нейтрализации оксидов азота и углерода в выхлопных газах двигателя, включающее трубопровод системы топливогазоснабжения двигателя, соединенный с двигателем и подключенный к двигателю каталитический реактор, входную и выходную каталитические поверхности, размещенные внутри реактора с зазором относительно друг друга, образующим полость, и выполненные из высокопористого проницаемого ячеистого материала с каталитическим слоем, снабжено дополнительным трубопроводом подачи топлива с регулирующим вентилем, микрогазораспределительной сетью с трубопроводами и форсунками, датчиком концентрации оксидов азота на входе и выходе из реактора и информационно-управляющим блоком, внутри реактора размещены вертикальные продольные и поперечные перегородки, примыкающие к внутренней поверхности корпуса реактора, а входная и выходная каталитические поверхности выполнены в виде группы пластин и размещены между вертикальными перегородками с образованием между каждой из пластин входной и выходной каталитических поверхностей и вертикальными перегородками, пересекающимися между собой и перегородками, примыкающими к внутренней поверхности корпуса реактора, локальных полостей, образующих реакционно-восстановительные зоны, при этом вход в полости подключен к трубопроводам микрогазораспределительной сети, соединенным с форсунками, а форсунки размещены внутри реакционно-восстановительных зон, на входных по движению потока выхлопных газов каталитических пластинах в углах пересечения вертикальных перегородок между собой и внутренней поверхностью корпуса реактора, при этом дополнительный трубопровод подачи топлива соединен с системой топливогазоснабжения двигателя и через регулирующий вентиль со входом в трубопроводы микрогазораспределительной сети, а вход и выход информационно-управляющего блока подключены соответственно к датчику концентрации оксидов азота и к регулирующему вентиля.

Выходные каталитические пластины выполнены с дополнительным реакционно-восстановительным катализатором.

Корпус каталитического реактора, каталитические пластины и дополнительный реакционно-восстановительный катализатор выполнены из магнитного материала.

Канал измерения концентрации оксидов азота выполнен в виде инфракрасных датчиков адсорбционного типа с излучателем и приемником, выполненным по двухлучевой оптической схеме с частотной коммутацией анализирующих лучей до и после реактора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид устройства глубокой каталитической нейтрализации оксидов азота и углерода в выхлопных газах на примере стационарной газотурбинной энергоустановки на базе авиадвигателя, на фиг.2 представлена схема инфракрасного датчика канала измерения концентрации оксидов азота информационно-управляющего блока нейтрализации оксидов азота, на фиг.3 показана схема микрогазораспределительной сети каталитического реактора, на фиг.4 представлен разрез реакционно-восстановительной зоны реактора.

Энергоустановка включает двигатель 1, на выхлопе которого установлено выходное устройство 2, снабженное сильфонным термокомпенсатором 3 с диффузором, подстыкованным к раме каталитического реактора 4, например из нержавеющего швеллера №24, подключенного к котлу-утилизатору 5 с диффузором 6, выхлопной трубой 7, электрогенератором 8, воздухозаборник 9 с системой очистки, систему топливогазоснабжения 10, подключенные к двигателю 1, с камерами сгорания 11, в каталитическом реакторе 4 размещены входная 12 и выходная 13 каталитические поверхности, состоящие из группы пластин каталитических элементов магнитных (далее сокращенно КЭМ) 14 и 15, зазор между которыми образует полости - реакционно-восстановительные зоны 16, соединенные с микрогазораспределительной сетью 17, подключенной дополнительным трубопроводом подачи газа 18 через регулирующий вентиль 19 ко входу в камеры сгорания 11 двигателя 1, и информационно-управляющий блок 20, подключенный к регулирующему вентилю 19 и датчику концентрации оксидов азота, выполненному в виде инфракрасного датчика с излучающей 21 и приемной частью 22, форсунки 23, 24, 25 микрогазораспределительной сети 17 размещены на входных каталитических пластинах 14 в реакционно-восстановительных зонах 16 в углах пересечения перпендикулярных продольных 26 и поперечных 27 перегородок, размещенных внутри реакционно-восстановительной зоны 16 и выполненных примыкающими к внутренней поверхности корпуса реактора 4, крепежные рамки 28, гидрозащитную решетку из уголков 29 и трубки стока конденсата 30.

Предлагаемый способ нейтрализации оксидов азота и углерода осуществляется следующим образом.

В процессе каталитической нейтрализации проводят дополнительную обработку выхлопных газов. Для этого проводят дополнительную каталитическую реакцию восстановления путем введения в реакционную зону - полость 16, образованную в зазоре между двумя каталитическими пластинами 14 и 15 весьма малых количеств топливного газа СН₄ в количестве менее 0,1% от общего расхода топлива двигателем 1. Дополнительная каталитическая реакция осуществляется на поверхности микроструктуры магнитного ВПЯМ, на которую нанесен микрослой магнитного реакционно-восстановительного катализатора, работающего при температуре 420-830°С.

В результате возрастания в реакционно-восстановительной зоне 16 концентрации СН₄ согласно уравнению (3) падает концентрация оксидов азота NO_x за счет повышения интенсивности реакции восстановления оксидов азота до молекулярного азота N₂ и углекислоты СО₂. Указанный цикл повторяют до тех пор, пока концентрация оксидов азота не приблизится к нулю, при этом измеряют концентрацию оксидов азота на входе и выходе из реактора 1, а подачу топлива в реакционную зону 16 каталитического реактора 4 регулируют в зависимости от избытка оксидов азота в реакционной зоне 16.

Устройство каталитической нейтрализации оксидов азота и углерода в выхлопных газах двигателя на примере стационарной газотурбинной энергоустановки на базе авиадвигателя работает следующим образом.

Небольшая часть сжатого газа через трубопровод 18, например, Ду=8 мм непосредственно перед горелками камер сгорания 11 двигателя 1 выводится для последующей подачи в микрогазораспределительную сеть 17 нейтрализации оксидов азота NO_x в каталитическом реакторе 4. Информационно-управляющий блок 20 с микропроцессором известного типа через общий регулирующий вентиль 19, снабженный электроприводом (электромеханизмом), электрически соединен с каналом измерения концентрации оксидов азота NO_x 21, 22 в виде блока инфракрасных датчиков (фиг.2), включая приемную часть 22 и лазерно-гелий-неоновую излучательную часть 21 известного типа. Измерительная часть (фиг.2) абсорбционно поглощающего типа выполнена, например, по двухлучевой оптической схеме с частотной коммутацией (25 Гц), снабженной комплектом отражающих зеркал, вращаемых 2-мя синхронными электродвигателями. Приемные генерируемые импульсные сигналы линейно пропорциональны концентрации оксидов азота NO_x, которые от приемной части 22 поступают на обработку в информационно-управляющий блок 20. Анализирующий луч входной концентрации оксидов азота NO_x проходит через диффузор 3 перед реактором 4, а выходная концентрация NO_x анализируется лучом, проходящим за реактором 4. Микрогазораспределительная сеть 17 (фиг.3) включает входные пластины 14 (каталитические элементы, сокр. КЭМ) и 3 типа газовых, например сферических, форсунок с микроотверстиями диаметром 0,2 мм. 1-й тип 25, 1/4 часть сферы с 3-мя отверстиями; 2-й тип 24, 1/2 часть с 6 отверстиями и 3-й тип 23, полная сфера с 12-ю отверстиями, все 3 типа монтированы по 4 углам КЭМ 14. Газовые струи форсунок 3-х типов вместе с потоком выхлопных газов создают газодинамическое смесительное поле реакционно-восстановительной зоны 16 (фиг.4). Все форсунки подключены к трубкам микрогазораспределительной сети 17 реактора 4. Реакционно-восстановительная зона 16 (фиг.4) образована лицевой стороной входной пластины КЭМ 14 и тыльной стороной пластины КЭМ 15, между которыми образован зазор от 12 до 45 мм и более, реакционно-восстановительной зоны, в углах каждой из которых установлены форсунки, обслуживающие одновременно соответственно по 1, 2 и 4 угла каждой локальной зоны 16. Перпендикулярные перегородки продольные 26 и поперечные 27 выполнены, например, из полос листа δ=5 мм шириной 160 мм жаростойкой магнитной нержавеющей стали, имеют шип - пазы, образующие при сборке объемную решетку рамы реактора 4, прикрепленную к боковым швеллерам №24. В образовавшихся после сборки квадратных гнездах-полостях монтируются пластины КЭМ 14 и 15 и все 3 типа форсунок 23, 24, 25, располагаемые в углах реакционно-восстановительных зон 16, причем все детали закрепляются на жаростойком герметике посредством крепежных рамок 28. Каталитический реактор 4 снабжен гидрозащитной решеткой от попадания конденсата и атмосферных осадков на раскаленную реакционную поверхность каталитических элементов 15, причем гидрозащитная решетка выполнена, например, из нержавеющих уголков №4 29, установленных наклонно под <3° и снабженных трубками стока конденсата 30.

В варианте выполнения энергоустановки в виде, например, экологически чистой газотурбинной каталитической теплоэлектростанции (ГТУ КТЭС фиг.1), таковая снабжается котлом-утилизатором 5 (тепловой мощностью >2 раз механической двигателя 1) с диффузором 6 трубой 7 и электрогенератором 8. Действие предложения сводится к следующему.

После запуска двигателя 1 в штатном режиме эксплуатации засасываемый воздух 9 поступает на компрессор ГТУ двигателя 1 и после газовой турбины выхлопные газы при t=480°C через выходное устройство 2, сильфонный термокомпенсатор 3 с диффузором поступают на вход каталитического реактора 4. Через главный трубопровод системы топливогазоснабжения 10 двигателя 1, природный сжатый газ при давлении, например, 25 кг/см² поступает в камеры сгорания 11 двигателя 1 и одновременно весьма малая его часть (0,1%) по трубопроводу Ду=8 мм 18 подается через регулирующий вентиль 19 с электромеханизмом в микрогазораспределительную сеть 17 реактора 4.

При избытке оксидов азота NO_x на выходе реактора 4 с выхода 22 инфракрасного датчика генерируется электрический сигнал, линейно пропорциональный избытку оксидов азота NO_x, поступающий на вход информационно управляющего блока 20, в результате чего на исполнительный механизм газорегулирующего вентиля 19 из блока 20 поступает команда на увеличение расхода топлива в микрогазораспределительную сеть 17.

Корпус реактора 4, входные 14 и выходные пластины 15 выполнены из магнитного материала, повышающего эффективность вовлечения магнитных молекул оксидов азота NO_x в реакционно-восстановительную зону 16.

Таким образом осуществляется глубокая магнитно-каталитическая нейтрализация оксидов азота и углерода в выхлопных газах газотурбинных и других двигателей с обеспечением природоохранной практически абсолютной экологической чистоты работы энергоустановки на углеводородном топливе.

Изобретение может быть использовано в энергетике на газотурбинных стационарных и авиационных энергоустановках, а также для транспортных двигателей, машиностроении, химической и других отраслях промышленности. Оно направлено на повышение эффективности процесса нейтрализации оксидов азота за счет возможности регулирования глубины уровня каталитического разложения оксидов азота. Указанный технический результат достигается тем, что в реакционную зону, созданную в каталитическом реакторе, вводят топливо до 0,1% от основного расхода двигателем и проводят дополнительную реакцию восстановления оксидов азота. Реакционная зона каталитического реактора создана между двумя каталитическими поверхностями, выполненными из ВПЯМ. Они установлены с зазором относительно друг друга. Выходная каталитическая поверхность выполнена с дополнительным восстановительным катализатором. Полость между каталитическими поверхностями разделена перпендикулярными перегородками с образованием между ними локальных полостей - реакционно-восстановительных зон, ограниченных входными и выходными каталитическими пластинами. В зоны вводят топливо через микрогазораспределительную сеть и через форсунки, которые размещены на каждой из входных каталитических пластин в углах пересечения перпендикулярных перегородок, по сигналу информационно-управляющего блока в зависимости от сигнала каналов измерения концентрации оксидов азота инфракрасным датчиком адсорбционного типа. Корпус реактора, каталитические пластины и дополнительный реакционно-восстановительный катализатор выполнены из магнитного материала. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ каталитической нейтрализации оксидов азота и углерода в выхлопных газах двигателя, включающий подачу газов из двигателя в каталитический реактор, обработку газов в реакционной зоне каталитического реактора, предусматривающую каталитическую реакцию окисления монооксидов углерода до двуокиси углерода кислородом выхлопных газов и восстановление оксидов азота до молекулярного азота и углекислоты монооксидами углерода выхлопных газов, отличающийся тем, что в реакционной зоне каталитического реактора проводят дополнительную обработку выхлопных газов, предусматривающую дополнительную реакцию восстановления оксидов азота, при этом в реакционную зону каталитического реактора вводят газообразное или парообразное топливо, причем количество топлива, вводимого в реакционную зону, составляет не более 0,1% от основного расхода топлива двигателем, при этом измеряют концентрацию оксидов азота на входе и выходе из реактора, а подачу топлива в реакционную зону регулируют в зависимости от избытка оксидов азота в выхлопных газах.

2. Устройство для каталитической нейтрализации оксидов азота и углерода в выхлопных газах двигателя, включающее трубопровод системы топливогазоснабжения двигателя, соединенный с двигателем, и подключенный к двигателю каталитический реактор, входная и выходная каталитические поверхности, размещенные внутри реактора с зазором относительно друг друга, образующим полость, и выполненные из высокопористого проницаемого ячеистого материала с каталитическим слоем, отличающееся тем, что устройство снабжено дополнительным трубопроводом подачи топлива с регулирующим вентилем, микрогазораспределительной сетью с трубопроводами и форсунками, каналом измерения концентрации оксидов азота на входе и выходе из реактора, информационно-управляющим блоком, внутри реактора размещены вертикальные продольные и поперечные перегородки, примыкающие к внутренней поверхности корпуса реактора, а входная и выходная каталитические поверхности выполнены в виде группы пластин и размещены между вертикальными перегородками с образованием между каждой из пластин входной и выходной каталитических поверхностей и вертикальными перегородками, пересекающимися между собой и перегородками, примыкающими к внутренней поверхности корпуса реактора, локальных полостей, образующих реакционно-восстановительные зоны, при этом вход в полости подключен к трубопроводам микрогазораспределительной сети, соединенным с форсунками, а форсунки размещены внутри реакционно-восстановительных зон, на входных по движению потока выхлопных газов каталитических пластинах в углах пересечения вертикальных перегородок между собой и внутренней поверхностью корпуса реактора, при этом дополнительный трубопровод подачи топлива соединен с системой топливогазоснабжения двигателя и через регулирующий вентиль на входе в трубопроводы микрогазораспределительной сети, а вход и выход информационно-управляющего блока подключены соответственно к каналу измерения концентрации оксидов азота и к регулирующему вентилю.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что выходные каталитические пластины выполнены с дополнительным реакционно-восстановительным катализатором.

4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что корпус реактора, каталитические пластины и дополнительный реакционно-восстановительный катализатор выполнены из магнитного материала.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что канал измерения концентрации оксидов азота выполнен в виде инфракрасных датчиков адсорбционного типа с излучателем и приемником, выполненным по двухлучевой оптической схеме с частотной коммутацией анализирующих лучей до и после реактора.