СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЫБРОСОВ ОТ ОКСИДОВ АЗОТА Российский патент 2010 года по МПК B01D53/56 

Изобретение относится к очистке газообразных выбросов от экологически вредных примесей, в частности к способам очистки от оксидов азота выхлопных газов, промышленных выбросов и отходов производства, и может быть использовано в тепловых двигателях, преимущественно в дизельных двигателях (ДД) и газотурбинных установках (ГТУ), и нефтехимической, нефтегазовой, металлургической и других отраслях промышленности.

Известен способ очистки газообразных выбросов от оксидов азота, включающий прохождение потока выбросов через зону низкотемпературной плазмы, образуемой воздействием на поток выбросов электрическим барьерным разрядом, и дальнейшую очистку сорбентом-катализатором, при которой используют катализатор на основе металла, нанесенного на сорбент, - гамма-окись алюминия. В качестве металлов используют индий, галлий и олово при рабочих температурах катализаторов 350-550°C (см. патент США №7081231, кл. F01N 3/10, опубл. 25.07.2006).

Недостатки известного способа - высокие материальные затраты из-за необходимости использования дорогостоящих высокотемпературных катализаторов и сложных технологий для их производства, значительные энергозатраты.

Технический результат предложенного способа - снижение энергетических и материальных затрат на обработку выбросов плазмой и сорбционно-каталитическую очистку при повышении эффективности очистки газообразных выбросов от оксидов азота.

В способе очистки газообразных выбросов от оксидов азота, включающем обработку выбросов низкотемпературной плазмой, образуемой электрическим разрядом, и сорбционно-каталитическую обработку, согласно изобретению электрический разряд формируют в виде совместной наносекундной частотно-импульсной и постоянной короны, сорбционно-каталитическую обработку проводят на сорбенте, пропитанном органическим восстановителем, а величину энергии, вводимой в электрический разряд для снижения концентрации оксида азота NO перед сорбционно-каталитической обработкой до значения меньше или равного 1% от исходного значения концентрации оксида азота NO в газообразных выбросах, поддерживают на уровне 55-100эВ на одну молекулу оксида азота NO_x.

Импульсный коронный разряд характеризуется значительными плотностями и энергиями электронов, способных создать в разрядном промежутке высокие концентрации активных промежуточных частиц (атомарного кислорода, азота, ионов и радикалов). Использование при образовании низкотемпературной плазмы электрического разряда в виде совместной наносекундной частотно-импульсной и постоянной короны позволяет значительно увеличить плотность внедренной в газ энергии, интенсифицировать происходящие в выбросах плазмохимические реакции, а также перейти от наработки диоксида азота в барьерном разряде к очистке выбросов от оксидов азота. Обработка выбросов такой плазмой позволяет на первом этапе восстановить практически весь оксид азота NO до молекулярного азота и кислорода и нейтрализовать небольшую часть диоксида азота NO₂.

Сорбционно-каталитическая обработка, проводимая на сорбенте-катализаторе, полученном пропиткой сорбента органическим восстановителем, позволяет нейтрализовать большую часть оставшегося в выбросе диоксида азота NO₂ до безвредных веществ, значительно уменьшить расходы на катализаторы и исключить энергозатраты на поддержание оптимальных температур каталитических реакций по нейтрализации молекул диоксида азота NO₂.

Снижение концентрации оксида азота NO перед сорбционно-каталитической обработкой до значения меньше или равного 1% от исходного значения концентрации оксида азота NO в газообразных выбросах является оптимальным как с точки зрения энергозатрат, так и эффективности очистки. При значении концентрации оксида азота NO перед сорбционно-каталитической обработкой больше 1%, несмотря на снижение энергозатрат на данной стадии очистки, эффективность очистки снижается, так как растет выходная концентрация оксида азота NO_x.

В качестве сорбента может быть использована гамма-окись алюминия. Данный сорбент является относительно дешевым, что позволяет дополнительно уменьшить расходы на катализаторы.

Для дополнительного снижения диоксида азота в газообразных выбросах, в качестве органического восстановителя может быть использован углеводородный восстановитель, например дизельное топливо.

На фиг.1 схематично изображено устройство для реализации способа;

на фиг.2 - зависимость концентрации (K, %) NO, NO₂, NO_x от величины средней энергии, введенной в электрический разряд;

на фиг.3 - изменение концентрации оксидов азота в выбросах дизельного двигателя;

на фиг.4 - изменение концентрации оксидов азота в выбросах газотурбинной установки.

Реализация способа рассмотрена на примере очистки выбросов от оксидов азота дизельного двигателя.

Устройство содержит источник 1 выбросов - дизельный двигатель (ДД), выхлопная труба 2 которого подсоединена к реакторной камере 3 с низкотемпературной неравновесной плазмой, формируемой электрическим разрядом при работе генератора 4 импульсного напряжения, и сорбционно-каталитический фильтр 5.

Электрический разряд формируют в виде совместной наносекундной частотно-импульсной и постоянной короны. Сорбционно-каталитическую обработку выбросов осуществляют в сорбционно-каталитическом фильтре 5, например, выполненном трубчатым и заполненном сорбентом γ-Al₂O₃ и пропитанном органическим восстановителем, например углеродным восстановителем - дизельным топливом.

Термин «низкотемпературная неравновесная плазма» является общеизвестным и широко используется в данной области техники.

Способ реализуется следующим образом.

При включении дизельного двигателя выбросы с оксидами азота NO_x по выхлопной трубе 2 поступают в реакторную камеру 3. Одновременно включают в работу генератор 4 импульсного напряжения. При работе генератора 4 в реакторной камере 3 формируется электрический разряд в виде совместной наносекундной частотно-импульсной и постоянной короны, позволяющий образовать плазменную среду из поступающих в реакторную камеру 4 выбросов. В результате оксиды азота разлагаются на азот и кислород, т.е. в реакторной камере 3 происходит очистка выбросов от оксидов азота и частично от диоксидов азота.

Для очистки выбросов от остатков диоксида азота NO₂ выбросы пропускают через сорбционно-каталитический фильтр 5 при температуре 310-320 K, т.е. сорбционно-каталитическую операцию проводят без нагрева, при нормальных атмосферных условиях.

Технические результаты работы с использованием заявленного способа по очистке выхлопов ДД ЯМ3-740 от оксидов азота представлены в таблице.

Измерения концентрации производились газоанализатором Testo t350 XL. Температура газа на входе в устройство 420 K. Расход потока выбросов 15 м³/час. Концентрация кислорода в выхлопе 18,5%. Концентрация CO² - 2%.

Таблица N п/п Способ очистки Концентрация, ppm Степень очистки, % NO NO₂ NO_x   1 Без очистки 95 222 317 0 2 Плазменный 3 210 213 32 3 Сорбционно-каталитический 67 42 109 65 4 Плазменный + сорбционно-каталитический 2,5 32 34,5 89

Частота следования импульсов - 450 Гц, длительность импульса ≈100 нс, амплитуда импульса ≈90 кВ, ток в импульсе ≈400 А.

Как видно из представленной таблицы, предлагаемый способ обеспечивает эффективную очистку выбросов от оксидов азота NO_x реального ДД.

Величину энергии, вводимой в электрический разряд, постоянно поддерживают на определенном уровне - оптимальном для соотношения: качество очистки и величина энергозатрат. При выходе за оптимальный уровень появляются либо экономически неоправданные затраты энергии, либо низкое качество очистки. Оптимальный уровень - это снижение концентрации оксида азота NO перед сорбционно-каталитической обработкой до значения меньше или равного 1% от исходного значения концентрации оксида азота NO в газообразных выбросах. Так, если исходное значение концентрации оксида азота в выбросах ДД находится в пределах 100-300 ррm, то перед сорбционно-каталитической очисткой концентрацию оксида азота снижают до величины, меньшей 3 ррm или равной 1 ррm, что соответствует стандартной погрешности стационарных автоматических газоанализаторов. При снижении концентрации оксида азота NO перед сорбционно-каталитической обработкой до значения меньше или равного 1% от исходного значения концентрации оксида азота NO в газообразных выбросах, величина энергии, вводимая в электрический разряд, находится на уровне 55-100 эВ на одну молекулу оксида азота NO_x. Поддержание величины энергии, вводимой в электрический разряд, на заданном уровне осуществляют подобранными частотой следования и/или амплитудой импульсов напряжения и, соответственно, импульсного тока.

Оптимальность указанного уровня снижения концентрации оксида азота NO перед сорбционно-каталитической обработкой подтверждается графиком фиг.2.

Начальная концентрация в выхлопе ДЦ GP5-DE оксидов азота NO₂ - 300-350 ррm, NO₂ - 70-80 ррm, расход потока 40 м³/ч, частота следования импульсов 427 Гц. Увеличение введенной в электрический разряд энергии производилось увеличением амплитуды импульсов напряжения.

Как это следует из диаграммы (фиг.2), при увеличении амплитуды импульсов напряжения на начальном участке наблюдается резкое снижение NO и возрастание NO₂. При величине средней энергии, внедренной в электрический разряд, более 12,5 Вт·ч/м³ продолжается снижение концентрации NO при одновременной стабилизации концентрации NO₂, которая начинает уменьшаться при дальнейшем увеличении средней энергии свыше 25 Вт·ч/м³ при одновременном менее плавном снижении NO до значения, равного или менее 1% от начальной концентрации. При величине средней энергии около 30 Вт·ч/м³ и вышеприведенных значениях начальной концентрации оксидов азота величина энергии, вводимая в электрический разряд на одну молекулу оксида азота NO_x, находилась на уровне 58-68 эВ. Таким образом, нецелесообразно повышать величину энергии, вводимой в электрический разряд, больше 100 эВ, так как, несмотря на снижение концентрации оксида азота NO перед сорбционно-каталитической обработкой до значения меньше или равного 1% от начальной происходит рост энергетических затрат вследствие образования озона.

Измерение концентрации оксида азота в выбросах проводится в непрерывном режиме работы прибором Testo t 335 с разрешением 1 ррm с записью на персональный компьютер. В случае превышения заданной концентрации оксида азота в выбросах перед сорбционно-каталитической обработкой увеличивают амплитуду и/или частоту импульсов напряжения для увеличения величины энергии, введенной в электрический разряд.

Графически подтверждение эффективности предложенного способа для дизельного двигателя GP5-DE представлено на фиг.3.

Диаграмма условно разбита на три участка.

I участок - начальная концентрация оксидов азота, точка измерений I (в соответствии с фиг.1).

II участок - изменение концентрации под действием электрического разряда, точка измерений II.

III участок - концентрация оксидов азота при отключении установки, точка измерений II.

Из представленной диаграммы видно снижение суммарной концентрации оксидов азота NO_x на участке II по сравнению с суммарной концентрацией оксидов азота на участках I и III. На участке II - оптимальное снижение концентрации оксида азота NO.

Несмотря на то, что реализация способа рассмотрена на примере очистки выхлопных газов от оксидов азота дизельного двигателя, для очистки от оксидов азота выхлопных газов ГТУ, промышленных выбросов и отходов производства реализация способа аналогична.

Графически подтверждение эффективности предложенного способа для ГТУ представлено на фиг.4.

Обозначения на фиг.4 аналогичны обозначениям фиг.3.

Изобретение может быть использовано в тепловых двигателях, преимущественно в дизельных двигателях и газотурбинных установках, и нефтехимической, нефтегазовой, металлургической промышленности. Способ включает обработку выбросов низкотемпе-ратурной плазмой, образуемой электрическим разрядом, и последующую сорбционно-каталитическую обработку. Электрический разряд формируют в виде совместной наносекундной частотно-импульсной и постоянной короны. Величину энергии, вводимой в электрический разряд для снижения концентрации оксида азота NO перед сорбционно-каталитической обработкой до значения меньше или равного 1% от исходного значения концентрации оксида азота NO, поддерживают на уровне 55-100 эВ на одну молекулу оксида азота NO_x. Сорбционно-каталитическую обработку проводят на сорбенте, пропитанном органическим восстановителем. В качестве сорбента можно использовать гамма-окись алюминия, а в качестве органического восстановителя - углеводородный восстановитель, например дизельное топливо. Технический результат - снижение энергетических и материальных затрат, повышение эффективности очистки газовых выбросов от оксидов азота. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ очистки газообразных выбросов от оксидов азота, включающий обработку выбросов низкотемпературной плазмой, образуемой электрическим разрядом, и сорбционно-каталитическую обработку, отличающийся тем, что электрический разряд формируют в виде совместной наносекундной частотно-импульсной и постоянной короны, сорбционно-каталитическую обработку проводят на сорбенте, пропитанном органическим восстановителем, а величину энергии, вводимой в электрический разряд для снижения концентрации оксида азота NO перед сорбционно-каталитической обработкой до значения, меньшего или равного 1% от исходного значения концентрации оксида азота NO в газообразных выбросах, поддерживают на уровне 55-100 эВ на одну молекулу оксида азота NO_x.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют гамма-окись алюминия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического восстановителя используют углеводородный восстановитель, например дизельное топливо.