Система селективного каталитического восстановления оксидов азота, встроенная в выхлопной тракт газоперекачивающего агрегата Российский патент 2023 года по МПК B01D53/56 B01D53/94 

Изобретение относится к промышленной экологии, а именно к устройствам, предназначенным для очистки отходящих выхлопных газов газоперекачивающего агрегата путем селективного каталитического восстановления оксидов азота (NO_x) до установленных экологических показателей, и может быть использовано для снижения концентрации оксидов азота в отходящих выхлопных газах газотурбинного двигателя газоперекачивающего агрегата.

На сегодняшний день селективная каталитическая газоочистка на основе химических процессов восстановления газом-восстановителем до простейших составляющих приобретает все большее распространение благодаря удалению загрязнителей (NO_x) при сравнительно невысоких температурах и давлении.

Известно устройство для автоматического регулирования содержания оксидов азота в газообразных продуктах сгорания газоперекачивающего агрегата (Патент №171148, дата публикации 22.05.2017), включающее газификационную камеру с верхней, нижней и боковыми стенками, канал для подачи нагретых газов при температуре как минимум 204°С в газификационную камеру, газоходы направления нагретых газов, содержащих газифицированный карбамид, из камеры через катализатор, эффективный при селективном каталитическом восстановлении NO_x, причем газификационная камера совмещена с выхлопной шахтой газоперекачивающего агрегата, устройство дополнительно содержит контроллер автоматического управления, датчики контроля и измерения параметров установки, регуляторы расхода реагента и сжатого воздуха, насосы регулируемой производительности, при этом показания газоанализаторов, термопар, расходомеров, датчиков давления поступают в контроллер автоматического управления, который управляет содержанием оксидов азота в выхлопных газах путем выдачи управляющих сигналов для регулятора расхода и насосов регулируемой производительности.

Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототипом) является установка нейтрализации оксидов азота в выбросах газовых турбин (Патент №158364, дата публикации 27.12.2015), включающая аппарат с системой форсунок в зоне смешения аминосодержащего реагента и газовых выбросов, насос, линии трубопроводов, дымосос, кроме того установка дополнительно содержит фильтр, датчики контроля, измерения и регулирования параметров установки, блок автоматического управления, к которому подключены оснащенный автоматической системой контроля концентрации оксидов азота аппарат с системой форсунок, а также снабженные регулирующими устройствами насосы, компрессоры для подачи сжатого воздуха и связанные через фильтр с насосами емкости с аминосодержащим реагентом и жидкостью для промывки установки, при этом насосы и компрессоры для подачи сжатого воздуха присоединены к аппарату с системой форсунок.

Недостатком указанных технических решений является низкая эффективность нейтрализации оксидов азота в выбросах газовых турбин, обусловленная неравномерностью смешения реагента с выхлопными газами, а также возникновением большого процента проскока реагента, не вступившего в каталитическую реакцию, и высокой вероятностью полимеризации карбамида, используемого в качестве реагента и, как следствие, засорением форсунок.

В результате, в упомянутых установках расходуется большое количество реагента. Кроме того, данные установки могут эксплуатироваться только при положительной температуре окружающей среды.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является устранение указанных выше недостатков.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении эффективности очистки отходящих выхлопных газов газоперекачивающего агрегата путем селективного каталитического восстановления оксидов азота (NO_x) за счет улучшения качества процесса распыление раствора реагента.

Технический результат достигается за счет того, что система селективного каталитического восстановления (СКВ) оксидов азота (NO_x) включает в себя блок подачи реагента для восстановления оксидов азота, выполненный в виде отапливаемого блок-бокса, аппарат смешения выхлопных газов с реагентом для восстановления оксидов азота и модуль каталитический, при этом упомянутый аппарат смешения представляет собой цилиндрический сосуд, снабженный входным патрубком, через который осуществляется подача выхлопных газов от вентилятора газоперекачивающего агрегата (ГПА), выходным патрубком, через который отводится смесь выхлопных газов с реагентом для восстановления оксидов азота и трубопроводом отвода части потока выхлопных газов, смешанных с реагентом для восстановления оксидов азота, кроме того в верхней части аппарата смешения расположена форсунка, выполненная с возможностью мелкодисперсного распыления реагента для восстановления оксидов азота и соединенная посредством теплоизолированного трубопровода, снабженного электрообогревом, с блоком подачи реагента для восстановления оксидов азота, упомянутый модуль каталитический состоит из входной нижней и выходной верхней частей и расположенного между этими частями катализатора, причем входная нижняя часть модуля каталитического выполнена в виде диффузора, а выходная верхняя часть - в виде конфузора, в нижней части конфузора расположены отверстия для отвода на газоанализатор части газового потока, выходящего после катализатора, на входе в диффузор расположена распределительная решетка, а также в диффузоре, последовательно по ходу движения по нему потока выхлопных газов, горизонтально расположены перфорированный лист и раздаточная решетка, состоящая из труб, полости которых соединены между собой посредством распределительного коллектора, причем на нижней поверхности каждой из труб выполнено множество сквозных отверстий, а распределительный коллектор снабжен входным патрубком, соединенным с трубопроводом отвода части потока выхлопных газов, смешанных с реагентом для восстановления оксидов азота, из аппарата смешения, кроме того в качестве реагента для восстановления оксидов азота на форсунку подают раствор карбамида, катализатор модуля каталитического выполнен из сотового керамического материала, поверхность которого покрыта оксидом титана (TiO₂), на слой оксида титана нанесены оксид ванадия (V₂O₅) и оксид вольфрама (WO₃), которые равномерно распределяются по всей поверхности катализатора, распределительный коллектор представляет собой П-образную конструкцию, образованную из соединенных между собой трех полых распределительных трубок квадратного сечения.

Система селективного каталитического восстановления (СКВ) оксидов азота, встроенная в выхлопной тракт газоперекачивающего агрегата, предназначена для снижения концентрации оксидов азота (NO_x) в отходящих выхлопных газах ГПА до значения 50 мг/нм³ при исходных концентрациях от 80 мг/м³ до 800 мг/м³ при автоматическом контроле газоанализатором в температурном интервале от 250°С до 550°С при расходе выхлопных газов от 30 м³/с до 300 м³/с.

Блок подачи реагента системы СКВ оксидов азота выполнен в виде отапливаемого блок-бокса с размещенным внутри оборудованием системы подачи реагента и щитовым оборудованием, а именно емкостью для реагента, насосной станцией, емкостью для хранения дистиллированной воды для промывки всей технологической линии системы, уровнемерной колонкой, шкафом системы автоматического управления (САУ) системы СКВ оксидов азота в отходящих газах ГПА, шкафом охранно-пожарной сигнализации (ОПС).

Для отопления блок-бокса предусмотрен тепловентилятор настенного исполнения. Вентиляция блок-бокса осуществляется естественным путем через неплотности конструкции. Для удаления теплоизбытков в теплое время года предусмотрен вытяжной осевой вентилятор, приток осуществляется через приточный утепленный клапан.

Для предотвращения замерзания реагента в трубопроводе от блока подачи реагента до форсунки, расположенной в верхней части аппарата смешения, предусмотрена тепловая изоляция с электрообогревом.

Для системы СКВ оксидов азота ГПА предложена конструкция аппарата смешения. Распад раствора карбамида, используемого в качестве реагента, на аммиак и углекислый газ происходит в аппарате смешения. В результате уменьшается протяженность зоны распределения и перемешивания аммиака в выхлопных газах перед катализатором.

Аппарат смешения предназначен для распыления и полного испарения реагента с одновременным равномерным смешением паров с потоком выхлопных газов. Конструкция аппарата смешения позволяет убрать форсунки из зоны высокой температуры, что снижает вероятность полимеризации карбамида и как следствие засорение форсунок.

Основной функцией модуля каталитического является осуществление процесса каталитической очистки выхлопных газов. Модуль каталитический встраивается в выхлопной тракт ГПА. В верхней части модуля каталитического, выполненной в виде конфузора, расположены отверстия для контроля показателей NO_x в отходящих газах после катализатора со стационарного датчика контроля - газоанализатора. Для выравнивания потока выхлопных газов в диффузоре, обеспечивающего стыковку с элементами штатной системы выхлопа ГПА, размещены перфорированный лист и распределительная решетка. Для равномерного распределения реагента в потоке выхлопных газов по сечению в диффузоре расположена раздаточная решетка. Конструкция раздаточной решетки обеспечивает максимально равномерное распределение аммиака в выхлопных газах перед катализатором, что позволяет достичь заданной эффективности очистки выхлопных газов от NO_x и снизить до минимума количество аммиака после катализатора.

Модуль каталитический может эксплуатироваться без снижения эффективности очитки отходящих выхлопных газов газотурбинного газоперекачивающего агрегата непрерывно в течение года. Конструкция модуля каталитического позволяет выполнять монтаж без проведения дополнительных доработок элементов штатной системы выхлопного тракта газотурбинного газоперекачивающего агрегата.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

Состав частей модуля каталитического отображен на фиг. 1.

Модуль каталитический включает конфузор 1, катализатор 2, диффузор 3, площадку обслуживания 4, лестницу 5, газоанализатор 6, зонд пробоотборник 7, место отбора проб до катализатора 8, место отбора проб после катализатора 9, отверстие для подачи выхлопных газов в аппарат смешения 10, отверстие для подачи выхлопных газов, смешанных с реагентом, в раздаточную решетку 11, раздаточную решетку 12, перфолист 13, распределительную решетку 14.

Раздаточная решетка показана на фиг. 2.

Раздаточная решетка состоит из труб 15, полости которых соединены между собой посредством П-образного распределительного коллектора 16, причем на нижней поверхности каждой из труб выполнено множество сквозных отверстий, а распределительный коллектор снабжен входным патрубком 17, соединенным с трубопроводом отвода части потока выхлопных газов, смешанных с реагентом для восстановления оксидов азота, из аппарата смешения.

На фиг. 3 представлен общий вид аппарата смешения.

Аппарат смешения 18 включает форсунку 19, отверстие для подачи выхлопных газов в аппарат смешения 10, отверстие для подачи выхлопных газов, смешанных с реагентом, в раздаточную решетку 11, трубопровод подачи реагента 20, площадку обслуживания 21, вентилятор 22, клапан разбавления 23.

Система селективного каталитического восстановления оксидов азота работает следующим образом:

Реагент, в качестве которого используется раствор карбамида 32,5%, от блока подачи реагента по трубопроводу подается в аппарат смешения. С помощью форсунки, расположенной в верхней части аппарата смешения, производится мелкодисперсионное распыление. Мелкие капли реагента, направляемого в поток выхлопных газов, испаряются и термолизуются за счет тепловой энергии выхлопных газов.

Перемешивание реагента с частью выхлопных газов от газотурбинного двигателя газоперекачивающего агрегата происходит в аппарате смешения перед подачей в модуль каталитический при подготовке к очистке выбросов.

Движение выхлопных газов через аппарат смешения и подача смеси выхлопных газов с реагентом в раздаточную решетку осуществляется при помощи вентилятора. Для предотвращения перегрева корпуса вентилятора предусмотрен клапан разбавления, настройка которого выполняется при проведении пуско-наладочных работ. Температура смеси выхлопных газов с реагентом на входе в раздаточную решетку составляет от 150°С до 200°С.

В модуле каталитическом в присутствии восстановителя происходят реакции разложения загрязняющих веществ. В результате чего содержащиеся в потоке выхлопных газов оксиды азота восстанавливаются до безвредного молекулярного азота с последующим отведением очищенного потока выхлопных газов от оксидов азота в атмосферу.

Для постоянного мониторинга содержания оксидов азота в выхлопных газах после катализатора установлен газоанализатор. Кроме того, по данным с газоанализатора осуществляется корректировка объема подаваемого реагента в аппарат смешения.

Все процессы работы системы СКВ контролируются и управляются системой автоматического управления (САУ).

Компоновка системы СКВ обеспечивает выравнивание потока, разрушение вихревых образований, обеспечение отклонений векторов скоростей от нормали на входе в катализатор не более 15%.

Заявленное изобретение позволяет повысить эффективность по снижению концентрации выбросов NO_x.

Кроме того, преимуществами предлагаемой системы СКВ являются возможность встраивания блоков системы СКВ в выхлопной тракт газотурбинного ГПА как вновь изготовленного, так и уже эксплуатируемого на объекте, где модуль каталитический совмещен с выхлопной шахтой газотурбинного ГПА и установлен на элементы штатного выхлопного тракта, возможность прямого регулирования количества подаваемого карбамида в шахту выхлопа и, соответственно, возможность регулирования эффективности очистки выхлопных газов от оксидов азота.

Концентрации оксидов азота в выхлопных газах ГТУ в значительной степени зависят от режимов сгорания топливного газа и технического состояния ГПА. Для ГТУ с низким коэффициентом технического состояния выбросы оксидов азота значительно выше, кроме того, низкий коэффициент технического состояния приводит к перерасходу топлива. Одним из предложений по снижению вредных выбросов в атмосферу является дооборудование различных типов ГПА системами СКВ оксидов азота отходящих газов ГПА, в том числе и при проведении плановых капитальных ремонтов.

Дооборудование различных типов ГПА системами СКВ - замена штатного шумоглушителя ГПА на модуль каталитический, который составляет единое целое с ГПА, придает ему новые дополнительные функции, а именно, снижение выбросов оксидов азота и расхода топливного газа, изменяет показатели работы - уменьшение сопротивления выхлопного тракта и увеличение мощности двигателя. Такой вариант может использоваться как менее финансово затратный по сравнению с заменой устаревших ГПА на более современные и экологичные.

Разработанная система СКВ является эффективным средством снижения выбросов NO_x, справляется с выбросами оксидов азота, характерными для газотурбинных установок. Газоперекачивающие агрегаты, дооборудованные системой СКВ, могут успешно внедряться как при строительстве новых объектов или газопроводов, так и при проведении плановых капитальных ремонтов.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для очистки отходящих выхлопных газов газоперекачивающего агрегата путем селективного каталитического восстановления оксидов азота (NO_х) до установленных экологических показателей. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) оксидов азота (NO_х) включает в себя блок подачи реагента, аппарат смешения, модуль каталитический. Блок подачи реагента для восстановления оксидов азота выполнен в виде отапливаемого блок-бокса. Аппарат смешения представляет собой цилиндрический сосуд, снабженный входным патрубком, выходным патрубком и трубопроводом. Через входной патрубок осуществляется подача выхлопных газов от вентилятора газоперекачивающего агрегата (ГПА) в аппарат смешения. Через выходной патрубок отводится смесь выхлопных газов с реагентом для восстановления оксидов азота. По трубопроводу отводится часть потока выхлопных газов, смешанных с реагентом для восстановления оксидов азота. В верхней части аппарата смешения расположена форсунка, которая выполнена с возможностью мелкодисперсного распыления реагента для восстановления оксидов азота. Форсунка соединена посредством теплоизолированного трубопровода, который снабжен электрообогревом, с блоком подачи реагента для восстановления оксидов азота. Каталитический модуль состоит из входной нижней и выходной верхней частей и расположенного между этими частями катализатора. Входная нижняя часть выполнена в виде диффузора, выходная верхняя часть - в виде конфузора. В нижней части конфузора расположены отверстия для отвода на газоанализатор части газового потока, выходящего после катализатора. На входе в диффузор расположена распределительная решетка. Также в диффузоре, последовательно по ходу движения по нему потока выхлопных газов, горизонтально расположены перфорированный лист и раздаточная решетка. Раздаточная решетка состоит из труб, полости которых соединены между собой посредством распределительного коллектора. Причем на нижней поверхности каждой из труб выполнено множество сквозных отверстий. Распределительный коллектор снабжен входным патрубком, соединенным с трубопроводом отвода части потока выхлопных газов, смешанных с реагентом для восстановления оксидов азота, из аппарата смешения. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности очистки отходящих выхлопных газов газоперекачивающего агрегата путем селективного каталитического восстановления оксидов азота (NO_х) за счет улучшения качества процесса распыление раствора реагента. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) оксидов азота (NO_х), которая включает в себя блок подачи реагента для восстановления оксидов азота, выполненный в виде отапливаемого блок-бокса, аппарат смешения выхлопных газов с реагентом для восстановления оксидов азота и модуль каталитический, при этом упомянутый аппарат смешения представляет собой цилиндрический сосуд, снабженный входным патрубком, через который осуществляется подача выхлопных газов от вентилятора газоперекачивающего агрегата (ГПА), выходным патрубком, через который отводится смесь выхлопных газов с реагентом для восстановления оксидов азота и трубопроводом отвода части потока выхлопных газов, смешанных с реагентом для восстановления оксидов азота, кроме того, в верхней части аппарата смешения расположена форсунка, выполненная с возможностью мелкодисперсного распыления реагента для восстановления оксидов азота и соединенная посредством теплоизолированного трубопровода, снабженного электрообогревом, с блоком подачи реагента для восстановления оксидов азота, упомянутый модуль каталитический состоит из входной нижней и выходной верхней частей и расположенного между этими частями катализатора, причем входная нижняя часть модуля каталитического выполнена в виде диффузора, а выходная верхняя часть - в виде конфузора, в нижней части конфузора расположены отверстия для отвода на газоанализатор части газового потока, выходящего после катализатора, на входе в диффузор расположена распределительная решетка, а также в диффузоре, последовательно по ходу движения по нему потока выхлопных газов, горизонтально расположены перфорированный лист и раздаточная решетка, состоящая из труб, полости которых соединены между собой посредством распределительного коллектора, причем на нижней поверхности каждой из труб выполнено множество сквозных отверстий, а распределительный коллектор снабжен входным патрубком, соединенным с трубопроводом отвода части потока выхлопных газов, смешанных с реагентом для восстановления оксидов азота, из аппарата смешения.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве реагента для восстановления оксидов азота на форсунку подают раствор карбамида.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что катализатор модуля каталитического выполнен из сотового керамического материала, поверхность которого покрыта оксидом титана (TiO₂), на слой оксида титана нанесены оксид ванадия (V₂O₅) и оксид вольфрама (WO₃), которые равномерно распределяются по всей поверхности катализатора.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что распределительный коллектор представляет собой П-образную конструкцию, образованную из соединенных между собой трех полых распределительных трубок квадратного сечения.