УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ БЕЗ ВВЕДЕНИЯ ВНЕШНЕГО РЕАГЕНТА Российский патент 2023 года по МПК B01D53/86 

Изобретение относится к устройству обработки газообразных продуктов сгорания и может быть использовано для очистки от токсичных компонентов выбросов CO и NO_x в теплоэнергетической отрасли.

В настоящее время в процессе очистки выбросов энергетического оборудования применяют гранулированные катализаторы /см. Пат. RU 83945 U1. МПК (2006) B01J21/00. B01J23/10/, которые имеют значительное гидравлическое сопротивление и не могут обеспечить эффективную очистку при повышенной скорости выбросов. Решение данной задачи заключается в замене гранулированных катализаторов на катализаторы блочной сотовой структуры с многочисленными каналами, расположенными по направлению течения газового потока.

Известен катализаторный блок для очистки уходящих газов от оксидов азота /см. Пат. UA 90106 U. МПК (2014.01) B01J35/00, B01J37/00/, включающий формирование блока из предварительно гофрированных титановых пластин, прислоненных в виде каналов квадратного сечения, покрытых пористым слоем оксида, на который нанесено каталитически активное вещество.

Существенным недостатком этого устройства является большой расход дорогостоящих металлов из-за применения титановых листов и увеличение времени окислительных реакций из-за недостаточно быстрого прогрева носителя, что снижает эффективность очистки, а также достаточно высокое гидравлическое сопротивление из-за маленьких размеров ячейки.

Наиболее близким, по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству, является устройство управления выделениями из котлов, которое состоит из котла, содержащего печь, средств для введения топлива, первичного и вторичного воздуха, перегревателя, экономайзера, дымового канала с секцией катализатора, подогревателя для нагрева воздуха, пылесборника и дымовой трубы /см. Пат. RU 2299758 С2.МПК (2006.01) B01D 53/86, F23J 15/02, F23C 7/00, F23N 3/00/. Принят за прототип.

Недостатками этого устройства является регулирование общего количества воздуха, поступающего в зону горения, путем управления соотношением СО/NO_x, включая управление общими и локальными температурами внутри камеры сгорания, а также модификацию конструкции зоны первичного зажигания или конструкции горелок, что ведёт к дополнительным капитальным затратам. Кроме того, предложенное устройство рассматривает применение широкого спектра конфигураций катализаторов, включая различные материалы подложки и катализационного слоя, без учета гидравлического сопротивления носителей, что может привести к увеличению потерь давления в газоходе котла, а также повлиять на эффективность очистки.

Также в описании данного устройства отсутствуют показатели эффективности очистки в катализационном модуле, которые зависят от вида сжигаемого топлива (твердого, жидкого или газообразного) и режима работы устройства.

Техническим результатом изобретения является повышение уровня очистки дымовых газов от токсичных выбросов оксидов азота и оксида углерода, снижение гидравлического сопротивления каталитического реактора без снижения эффективности очистки дымовых газов, повышение эффективности работы и упрощение устройства для нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов NO_x и СО без введения внешнего реагента, содержащем канал дымового газа для направления дымового газа в атмосферу, размещённую в канале дымового газа секцию катализатора, включающую катализатор, активные вещества которого выбранные из группы, состоящей из платины, палладия вместе с родием, оксидов основных переходных металлов, и их смесей и нанесены на керамическую сотовую подложку, подогреватель воздуха, расположенный ниже по потоку газа, чем секция катализатора, а также дымовую трубу, особенность заключается в том, что секция катализатора представляет из себя сборный катализационный модуль с габаритными размерами L⁄D экв в диапазоне 0,6÷1,4, сформированный из монолитных блоков сотовой ячеистой структуры квадратного сечения с размерами элементарной ячейки 8 × 8 мм с нанесенным слоем каталитически активного вещества. Блоки катализационного модуля имеют параллельные каналы, выровненные в направлении потока дымовых газов. Активные вещества в каналах катализационного модуля нанесены с периферийным расположением. Катализационный модуль расположен в зоне газохода котельного агрегата с температурой дымовых газов в диапазоне 250÷350°C.

Нейтрализация токсичных компонентов дымовых газов NOx и СО без введения внешнего реагента осуществляется в устройстве, содержащем канал дымового газа для направления дымового газа в атмосферу, размещённую в канале дымового газа секцию катализатора, включающую катализатор, активные вещества которого выбранные из группы, состоящей из платины, палладия вместе с родием, оксидов основных переходных металлов, и их смесей и нанесены на керамическую сотовую подложку, подогреватель воздуха, расположенный ниже по потоку газа, чем секция катализатора, а также дымовую трубу. При этом секция катализатора представляет из себя сборный катализационный модуль с габаритными размерами L⁄D экв в диапазоне 0,6÷1,4, сформированный из монолитных блоков сотовой ячеистой структуры квадратного сечения с размерами элементарной ячейки 8 × 8 мм с нанесенным слоем каталитически активного вещества. Блоки катализационного модуля имеют параллельные каналы, выровненные в направлении потока дымовых газов. Активные вещества в каналах катализационного модуля нанесены с периферийным расположением.

Нейтрализация токсичных компонентов дымовых газов, в заявленном устройстве, осуществляется в катализационном модуле, расположенном в рациональной зоне газохода котла, выбранной с учетом комплексного влияния содержания кислорода, скорости движения дымовых газов по тракту и температуры дымовых газов на гидравлическое сопротивление катализационного слоя и эффективность очистки.

Принцип работы устройства основан на каталитическом термическом обезвреживании оксидов азота и углерода в реакторном слое, реакции нейтрализации протекают в конструкции катализационного модуля.

Основная доля выбросов NO_х в дымовых газах котельных установок приходится на термический и быстрый сценарии окисления азота в воздухе. Концентрация NO_х, выделяющихся в процессе сжигания углеродного топлива в основном определяется стехиометрическими параметрами и температурой в зоне горения. Одной из перспективных технологий нейтрализации токсичных компонентов уходящих газов является избирательное каталитическое окисление без введения дополнительных реагентов. Ключевым элементом настоящего изобретения является определение рациональной зоны установки катализационного модуля в газовом тракте котла для повышения эффективности нейтрализации токсичных компонентов выбросов.

Особой задачей настоящего изобретения является разработка конструкции устройства сборного катализационного модуля, включая определение геометрических параметров элементарной ячейки блочного катализатора на керамическом носителе, с учетом степени внешней диффузии токсичных компонентов, ограниченной лимитирующей стадией окислительного процесса на поверхности катализационных ячеек блока реактора, определяемой по изменению ее кинетической скорости при варьировании нагрузки котла.

Материал, размер и геометрия катализационного модуля определены так, чтобы большая часть, или предпочтительно весь объем выбросов NO_x в дымовых газах, был нейтрализован на катализаторе до атомарного азота. Более того, любой избыточный СО в дымовом газе был предпочтительно доокислен в CO₂на поверхности катализатора посредством избыточного кислорода в дымовом газе.

Выбор платины, в качестве активатора катализа (сплав 0,5÷0,6 мас.%), обоснован ее способностью к повышению степени очистки за счет перехода окислительных реакций к первому порядку (для платиновых катализаторов n=1; для ванадиевых n=1,8; для железо оксидных n=2,5). Выбор керамики (кордиерит) в качестве материала сотовой подложки основан на сокращении времени окислительных реакций, за счет ускоренного прогрева и с учетом более низкой стоимости керамического носителя, по сравнению с металлическим.

Допустима замена активатора катализа - платины, на палладий или родий, нанесенные на керамическую подложку. Альтернативно, катализатор может быть выполнен из некоторых других материалов, например оксидов основных переходных металлов, таких как железо, никель, алюминий, кобальт или медь, или их смесей.

Окислительные реакции на поверхности катализационного модуля представляют собой взаимодействие и_х с атомарным кислородом на поверхности ячеек

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Скорость каталитических реакций на поверхности катализационного модуля определяется с учетом влияния температуры процесса и лимитируется кинетической скоростью самой медленной реакции в цепи на основании в уравнения Аррениуса:

(10)

где k - константа скорости реакции, численно равная наблюдаемой скорости реакции при фиксированной температуре и концентрации 1/c; T_к - температура на поверхности катализатора, K; - предэкспоненциальный множитель, не зависящий от температуры и определяемый только видом реакции; - энергия активации реакции, показывающая избыток энергии, необходимый для осуществления реакции, ; R - газовая постоянная.

Конструкция катализационного модуля для очистки отходящих газов котельных установок, сжигающих газообразное топливо от токсичных компонентов, включает в себя монолитные блоки сотовой структуры квадратного сечения, собранные в модуль так, чтобы образовались параллельные непересекающиеся каналы, выровненные в направлении потока дымовых газов. Технический результат, а именно снижение гидравлического сопротивления при высокой степени очистки достигается путем создания конструкции катализационного модуля сотовой структуры с каналами квадратного сечения размером 8 × 8 мм, сформированного из монолитных керамических блоков, на которые нанесено равномерно распределенное каталитически активное вещество.

Выбор рациональной зоны размещения катализационного модуля в газоходе котла, учитывающей комплексное влияние режимов работы котельного агрегата, скорости движения дымовых газов по тракту и температуры дымовых газов на эффективность очистки, производился в результате решения уравнений алгоритма, описывающего взаимодействия и _х с атомарным кислородом на поверхности катализационного модуля.

(11)

Для (12)

где – время протекания реакции, с;. - концентрация NO_x на поверхности катализатора, , - концентрация СО на поверхности катализатора, ; - порядок реакции; - константа реакционной скорости , ; - число реакций; - удельная площадь поверхности катализатора, ; - коэффициент массоотдачи, ; коэффициент теплоотдачи, ; - тепловой эффект реакции , ; – высота катализационного слоя, ; - скорость потока газа, .

Наиболее оптимальные условия нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов, с использованием катализационного модуля для окисления NO_x и СО без введения внешнего реагента с учетом гидравлического сопротивления реакторного слоя, определены по результатам проведенных авторами изобретения экспериментальных исследований и основаны на следующих выводах:

- наибольшая эффективность конверсии по токсичным компонентам наблюдается при температуре дымовых газов на входе в катализационный модуль T=250÷350°C;

- максимальная эффективность очистки отходящих газов по токсичным компонентам наблюдается при относительных размерах катализационного модуля L⁄D_экв в диапазоне [0,6÷1,4];

- оптимальные показатели степени нейтрализации по всем видам токсичных компонентов наблюдаются при содержании окислителя в зоне установки катализационного модуля от 3 до 5%.

Эффективность предложенного устройства, оценивалась на типовом котельном оборудовании предприятий энергетического комплекса (КА ТГМЕ-464), с использованием данных режимных карт при концентрации NO_x в диапазоне 168-286 мг/м³, СО до 80 мг/м³, скорости движения потока дымовых газов на входе в катализационный модуль в диапазоне 5,68-10,64 м/с, температуре выбросов в диапазоне - 275-333°C, при варьировании нагрузки котельного агрегата от 220 до 500 т/ч. Полученные данные исследований демонстрируют степень восстановления оксидов азота до 96%, оксида углерода до 90%, при гидравлическом сопротивлении катализационного модуля от 4500 до 12000 Па. Предложенный блочный катализационный модуль сотового типа обеспечивает высокую степень очистки, имеет сравнительно несложную технологию изготовления и низкое гидравлическое сопротивление.

На фиг. 1 представлена схема размещения устройства, посредством которого осуществляется очистка дымовых газов в газовом тракте котельной установки, состоящей из конвективной шахты котла 1,газохода 2, присоединённого к верхнему патрубку регенеративного воздухоподогревателя 4, газохода 5, отводящего газы в дымовую трубу 6. На участке газохода 2 от конвективной шахты 1 до регенеративного воздухоподогревателя 4 установлен катализационный модуль 3, представляющий собой сборную конструкцию из монолитных катализационных блоков сотовой структуры на керамическом носителе.

На фиг. 2 изображен поперечный разрез конструкции устройства катализационного модуля очистки дымовых газов, состоящего из монолитного блока 7 в форме параллелепипеда (вариативно в виде цилиндра) с сотовой структурой квадратного сечения монолитного носителя 8 с параллельными непересекающимися каналами.

На фиг. 3 изображен профильный продольный разрез конструкции устройства катализационного модуля очистки дымовых газов, где показаны: монолитный блок 7, монолитный носитель 8.

На фиг. 4 изображен увеличенный фрагмент сотовой структуры монолитного блока с элементарной ячейкой 9, имеющей размеры 8 × 8 мм.

Очистка дымовых газов от NO_x и СО происходит следующим образом.

Дымовые газы, образовывающиеся при горении газообразного топлива, например, природного газа, от конвективной шахты котла 1 по газоходу 2 направляются в катализационный модуль 3 очистки дымовых газов, где с помощью метода каталитического термического обезвреживания происходит нейтрализация содержащихся в них оксидов азота и углерода. После нейтрализации очищенные дымовые газы направляются в регенеративный воздухоподогреватель 4, а затем по газоходу 5 отводятся дымовую трубу 6. Нейтрализация протекает при содержании окислителя от 3 до 5%, окислителем является кислород.

Предложенное техническое решение повышает эффективность работы устройства путем достижения высокого (до 99% и выше) уровня очистки дымовых газов от токсичных выбросов оксидов азота и оксида углерода и минимизирует гидравлическое сопротивление каталитического реактора без снижения эффективности очистки.

Изобретение относится к устройству обработки газообразных продуктов сгорания и может быть использовано для очистки от токсичных компонентов выбросов CO и NO_x в теплоэнергетической отрасли. Изобретение предназначено для нейтрализации токсичных компонентов NO_x и СО дымовых газов без введения внешнего реагента и может быть применено в теплоэнергетической отрасли. В устройстве нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов NO_x и СО котельных установок без введения внешнего реагента, реакции нейтрализации протекают в конструкции катализационного модуля сотовой структуры с каналами квадратного сечения, имеющей оптимальные габаритные размеры для снижения гидравлического сопротивления каталитического слоя. А также включают определение рационального места размещения реакторного модуля в газовом тракте котельной установки, при котором поддерживается высокая термическая и экологическая эффективность котла. Изобретение позволяет снизить энергозатраты при очистке дымовых газов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов NO_x и СО без введения внешнего реагента, содержащее канал дымового газа для направления дымового газа в атмосферу, размещённую в канале дымового газа секцию катализатора, включающую катализатор, активные вещества которого выбранные из группы, состоящей из платины, палладия вместе с родием, оксидов основных переходных металлов, и их смесей и нанесены на керамическую сотовую подложку, подогреватель воздуха, расположенный ниже по потоку газа, чем секция катализатора, а также дымовую трубу, отличающееся тем, что секция катализатора представляет из себя сборный катализационный модуль с габаритными размерами L⁄D экв в диапазоне 0,6-1,4, сформированный из монолитных блоков сотовой ячеистой структуры квадратного сечения с размерами элементарной ячейки 8 × 8 мм с нанесенным слоем каталитически активного вещества.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блоки катализационного модуля имеют параллельные каналы, выровненные в направлении потока дымовых газов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что активные вещества в каналах катализационного модуля нанесены с периферийным расположением.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катализационный модуль расположен в зоне газохода котельного агрегата с температурой дымовых газов в диапазоне 250-350°C.