СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И АЗОТИСТЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ДЫМОВОГО ГАЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ КЕРАМИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА И SCR КАТАЛИЗАТОРА Российский патент 2021 года по МПК B01D53/86 B01D53/56 B01J35/02 

Настоящее изобретение относится к способу и системе для восстановления эмиссионных твердых частиц и оксидов азота (NOx) из отходящего и дымового газов. В частности, способ и система согласно настоящему изобретению обеспечивают улучшенное восстановление NOx при низких температурах газа.

Дымовые газы из различных сжигательных установок, например, газ котлов силовых установок, работающих на твердом или жидком топливе, работающих на нефти генераторов или цементных печей, установок для сжигания на биотопливе и мусоросжигательных установок, содержат ряд вредных для окружающей среды или даже ядовитых соединений. Они содержат твердые частицы и NOx.

Применение фильтров для улавливания твердых частиц и каталитического очищения дымового газа сокращает количество твердых частиц и NOx и, поэтому, в общем благоприятно для окружающей среды. В большинстве областей законодательство требует снижения NOx в дымовом газе.

Керамические фильтры, например в форме фильтровальных патрон используются во многих отраслях промышленности для удаления твердых частиц из технологических газов. Они являются одним из наиболее эффективных типов доступных пылеуловителей и могут достигать более 99% эффективности улавливания твердых частиц. Фильтры могут быть изготовлены из различных керамических материалов, содержащих керамические волокна, изготовленные из силикатов щелочных и щелочноземельных металлов или алюмосиликатов.

Керамические фильтры на основе керамических волокон, импрегнированных активными катализаторами, для удаления NOX, NH₃, диоксинов, СО и различных VOC вместе с пылью раскрыты в WO 2016150464.

В частности, катализаторы на основе оксида ванадия являются повсеместно применяемыми катализаторами для восстановления NO_x посредством селективного восстановления NO_x с NH₃ в стационарных и автомобильных применениях.

Эти катализатора активны как для удаления углеводородов (VOC), так и NOx посредством объединения окисления и SCR реакции с NH3.

При селективном каталитическом восстановлении (SCR) NOx, соединения оксида азота селективно восстанавливаются до безвредных азота и воды посредством реакции с восстанавливающим агентом, например, аммиаком, над катализатором.

Проблема известного активного катализатора SCR состоит в относительно низкой эффективности при температуре газа ниже 250°С. Низкая температура дымовых газов, в частности, при запуске и остановке сжигательных установок создает проблему для удаления NOx посредством SCR.

Эта проблема решается настоящим изобретением посредством введения NO₂ в дымовой газ при температурах ниже 250°С, чтобы промотировать "быструю" реакцию SCR.

Известно, что реакция SCR может быть значительно ускорена, а низкотемпературная активность может быть значительно повышена при эквимолярных количествах NO и NO₂ в дымовой газе при «быстрой» реакции SCR:

2NH₃+NO+NO₂→2N₂+3H₂O.

Таким образом, настоящее изобретение основано на образовании NO₂ снаружи дымовой трубы и введении полученного NO₂ в дымовой газ в количестве, которое способствует так называемой «быстрой» реакции SCR. NO₂ может быть образован из NH₃ путем окисления NH₃ до NO над катализатором, содержащим благородный металл, на первой стадии, и затем окисления NO до NO₂ на второй стадии.

Первым объектом настоящего изобретения является способ удаления оксидов азота из дымового газа из сжигательных установок, включающий стадии пропускания дымового газа через один или более керамических фильтров, катализированных катализатором селективного восстановления оксидов азота в присутствии аммиака, добавленного в дымовой газ либо как таковой, либо в форме его предшественника;

при температуре ниже 250°С введения отходящего газа, содержащего диоксид азота, в дымовой газ перед одним или более керамическими фильтрами; обеспечения отходящего газа, содержащего диоксид азота, посредством стадий каталитического окисления аммиака или его предшественника содержащей кислород атмосферой до отходящего газа, содержащего монооксид азота и кислород, в присутствии катализатора окисления;

охлаждения отходящего газа до температуры окружающей среды и окисление монооксида азота в охлажденном отходящем газе до отходящего газа, содержащего диоксид азота.

Предпочтительно, керамический фильтр(фильтры) находится в форме патронного фильтра(фильтров).

При температурах дымового газа выше 250°С, катализаторы SCR имеют достаточную эффективность, и введение NO₂ в дымовой газ может быть прервано, когда температура газа достигает 250°С.

Окисление аммиака до NO снаружи дымовой трубы обычно осуществляют в реакторе с использованием катализатора на основе благородного металла, как правило, платины или сплава платины с другими драгоценными металлами в качестве второстепенных компонентов при температуре реакции от 250 до 800°С в присутствии содержащей кислород атмосферы.

Для обеспечения требуемой температуры реакции, реактор окисления может быть нагрет посредством, например, электрического нагрева или индукционного нагрева.

В варианте выполнения настоящего изобретения содержащая кислород атмосфера включает горячий рециркулирующий дымовой газ, который обеспечивает затем дополнительную часть тепловой нагрузки реактора окисления.

Предпочтительно, содержащая кислород атмосфера представляет собой воздух окружающей среды.

NO, образующийся из NH₃ на первой стадии путем окисления NH₃ при контакте с катализатором, содержащим благородный металл, затем окисляется до NO₂ в отходящем газе, содержащем NO, с первой стадии путем охлаждения газа до температуры окружающей среды, чтобы направить равновесную реакцию в направлении образования NO₂.

Термин «температура окружающей среды», как применяется в настоящей заявке, означает любую температуру, преобладающую в окружающей среде установки для сжигания, использующей способ и систему согласно настоящему изобретению. Как правило, температура окружающей среды составляет от -20°С до +40°С.

Охлаждение и окисление содержащего NO отходящего газа можно проводить в реакторе состаривания, с такими размерами, чтобы время пребывания газа составляло около 1 минуты или более. Как правило, от 1 до 2 минут.

В варианте выполнения настоящего изобретения реакцию окисления проводят в присутствии катализатора, промотирующего окисление NO до NO₂. Эти катализаторы известны в данной области техники и включают Pt на ТiO₂, Pt на SiO₂ и активированный углерод или Pt и/или Pd на оксиде алюминия.

Как упомянуто выше в настоящей заявке, для желаемой быстрой реакции SCR требуются равные количества NO и NO₂. Следовательно, количество NO₂, вводимого в дымовой газ при температуре ниже 250°С, контролируют таким образом, что от 45 до 55 об.% содержания оксидов азота в дымовом газе составляет NO₂ на входе в каталитический узел SCR.

Вторым объектом настоящего изобретения является система для применения в способе согласно настоящему изобретению.

Система содержит внутри дымовой трубы камеру фильтра с одним или более керамическими фильтрами, катализированными катализатором селективного восстановления оксидов азота;

перед одним или более керамическими фильтрами или камерой фильтра средство введения для введения раствора аммиака или мочевины в дымовую трубу;

перед одним или более керамическими фильтрами или камерой фильтра, средство введения для введения содержащего диоксид азота отходящего газа; и

снаружи дымовой трубы,

каталитический узел окисления аммиака; и

средство охлаждения и окисления содержащего монооксид азота отходящего газа, извлеченного из катализатора окисления аммиака до отходящего газа, содержащего диоксид азота, соединенное на его выходном конце со средством введения для введения содержащего диоксид азота отходящего газа.

Как упомянуто выше, реакция окисления NO в NO₂ требует времени пребывания газа, содержащего NO, по меньшей мере 1 минута. Как правило, 1-2 минуты.

Это может быть достигнуто в теплообменнике либо с охлаждением газом, либо с охлаждением водой, или, альтернативно, при формировании охлаждающего и окислительного средства в виде скрученной в спираль трубы с длиной, приводящей к желаемому времени пребывания газа, проходящего через трубу.

В другом варианте выполнения настоящего изобретения, средство охлаждения и окисления содержащего монооксид азота отходящего газа снабжено катализатором окисления, промотирующим окисление NO в NO₂.

Во всех вариантах выполнения системы согласно настоящему изобретению, один или более керамических фильтров находятся в форме керамических патронных фильтров.

Настоящее изобретение относится к способу и системе для восстановления эмиссионных твердых частиц и оксидов азота (NOx) из отходящего и дымового газов. Дымовой газ пропускают через один или более керамических фильтров, катализированных катализатором селективного восстановления оксидов азота, в присутствии аммиака, добавленного в дымовой газ либо как таковой, либо в форме его предшественника. При температуре ниже 250°С вводят отходящий газ, содержащий диоксид азота, в дымовой газ перед одним или более керамическими фильтрами. Отходящий газ, содержащий диоксид азота, получают путем каталитического окисления аммиака или его предшественника содержащей кислород атмосферой до отходящего газа, содержащего монооксид азота и кислород, в присутствии катализатора окисления. Далее отходящий газ охлаждают до температуры окружающей среды (от -20 до +40°С) и окисляют монооксид азота в охлажденном отходящем газе до отходящего газа, содержащего диоксид азота. Содержащий диоксид азота отходящий газ вводят в дымовой газ в количестве, приводящем к тому, что от 45 до 55 об.% оксидов азота представляют собой диоксид азота на входе в катализатор селективного восстановления оксидов азота. Технический результат: повышение эффективности катализатора SCR при температуре газа ниже 250°С. 2 н. и 8 з.п. ф-лы.

1. Способ удаления оксидов азота из дымового газа из сжигательных установок, включающий стадии

пропускания дымового газа через один или более керамических фильтров, катализированных катализатором селективного восстановления оксидов азота, в присутствии аммиака, добавленного в дымовой газ либо как таковой, либо в форме его предшественника;

при температуре ниже 250°С введения отходящего газа, содержащего диоксид азота, в дымовой газ перед одним или более керамическими фильтрами;

обеспечения отходящего газа, содержащего диоксид азота, посредством стадий

каталитического окисления аммиака или его предшественника содержащей кислород атмосферой до отходящего газа, содержащего монооксид азота и кислород, в присутствии катализатора окисления;

охлаждения отходящего газа до температуры окружающей среды и окисление монооксида азота в охлажденном отходящем газе до отходящего газа, содержащего диоксид азота,

где содержащий диоксид азота отходящий газ вводят в дымовой газ в количестве, приводящем к тому, что от 45 до 55 об.% оксидов азота представляют собой диоксид азота на входе в катализатор селективного восстановления оксидов азота.

2. Способ по п. 1, где содержащая кислород атмосфера содержит дымовой газ.

3. Способ по п. 1, где содержащая кислород атмосфера представляет собой воздух окружающей среды.

4. Способ по п. 1, где окисление монооксида азота в охлажденном отходящем газе до отходящего газа, содержащего диоксид азота, осуществляют в присутствии катализатора окисления.

5. Способ по любому из пп. 1-4, где один или более керамических фильтров находятся в форме керамических патронных фильтров.

6. Система для применения в способе по любому из пп. 1-5, содержащая внутри дымовой трубы камеру фильтра с одним или более керамическими фильтрами, катализированными катализатором селективного восстановления оксидов азота;

перед одним или более керамическими фильтрами или камерой фильтра средство введения для введения раствора аммиака или мочевины в дымовую трубу;

перед одним или более керамическими фильтрами или камерой фильтра, средство введения для введения содержащего диоксид азота отходящего газа; и

снаружи дымовой трубы,

каталитический узел окисления аммиака; и

средство охлаждения и окисления содержащего монооксид азота отходящего газа, извлеченного из катализатора окисления аммиака до отходящего газа, содержащего диоксид азота, соединенное на его выходном конце со средством введения для введения содержащего диоксид азота отходящего газа,

где содержащий диоксид азота отходящий газ вводят в дымовой газ в количестве, приводящем к тому, что от 45 до 55 об.% оксидов азота представляют собой диоксид азота на входе в катализатор селективного восстановления оксидов азота.

7. Система по п. 6, где средство охлаждения и окисления содержащего монооксид азота отходящего газа находится в форме теплообменника.

8. Система по п. 6, где средство охлаждения и окисления содержащего монооксид азота отходящего газа находится в форме скрученной в спираль трубы.

9. Система по п. 6, где средство охлаждения и окисления содержащего монооксид азота отходящего газа снабжено катализатором окисления.

10. Система по любому из пп. 6-9, где один или более керамических фильтров находятся в форме керамических патронных фильтров.