Устройство для очистки отработавших газов от вредных веществ Советский патент 1992 года по МПК F01N3/10 

Изобретение относится к охране окружающей среды, а точнее к защите воздушного бассейна от выбросов вредных веществ (В В) при сжигании углеводородных топлив в различных энергетических установках, таких как двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные двигатели, ракетные двигатели, мартеновские печи, котлы ТЭС и т.д.

Известен способ дожигания отработавших газов (ОГ) путем регулируемого ввода подогретого воздуха с последующим равномерным смешением его с ОГ и дальнейшим самовоспламенением при поддержании температуры в зоне горения в пределах от 950до1300°С.

Этот способ пригоден только для очистки ОГ в основном от со и несгоревших углеводородов и малоэффективен при очистке ОГ от NOx, так как скорости химических реакций образования и разложения NOx в указанном диапазоне температур (950-1300°С) практически заморожены.

Известно также устройство очистки ОГ от ВВ, в соответствии с которым производится частичное дожигание неокисленных компонентов в потоке ОГ при температуре не ниже 850°С за счет ввода в поток ОГ газа, содержащего кислород, уменьшение концентрации NOx за счет воздействия на поток О Г химически активной средой (ХАС), повторное дожигание неокисленных компонентов при температуре потока ОГ не менее 350°С за счет ввода в поток ОГ газа, содержащего кислород.

В этом устройстве уменьшение NOx в ОГ происходит за счет того, что с участием вещества ХАС химические реакции образования и разложения NOx протекают с достаточной скоростью в низкотемпературной области, близкой к температуре истечения ОГ из энергоустановки.

При отсутствии ХАС интенсивное протекание реакций образования и разложения NOx наблюдается при температуре выше 1700°С. Такой уровень температур в ОГ может быть достигнут только при дополнительном сжигании топлиза, что нецелесообразно экономически. Поэтому низкотемпературное подавление эмиссии NOx с помощью ХАС без дополнительного сжигания топлива является главным достоинством этого технического решения.

Известно, что температура ОГ на вь1ходе из энергоустановки может изменяться в очень широких пределах от 600 до 1300°С и определяется в основном типом топлива, типом энергоустановки и режимом ее работы. Поэтому эффективность уменьшения NOx в ОГ с помощью выбранной ХАС при

существенном изменении температуры ОГ может оказаться очень низкой.

Цель изобретения - увеличение эффективности очистки ОГ от NOx при значительном изменении температуры потока О Г на выходе из энергоустановок.

Существенное уменьшение концентрации NOx при взаимодействии ХАС с ОГ проявляется в очень узком температурном

0 диапазоне с ярко выраженным минимумом концентрации NOx в ОГ, т.е. имеет место оптимальная температура ХАС, при которой наблюдается минимальная концентрация NOx в ОГ,

5 Поставленная цель достигается подстройкой температуры потока ОГ под оптимальную температуру ХАС путем регулируемого ввода в поток ОГ газа, содержащего кислород. Помимо этого газ, содержащий кислород, подогревают до температуры, близкой к температуре потока ОГ на выходе из энергоустановки, а ХАС перед вводом в поток О Г подогревают до температуры, близкой к температуре ОГ, в

5 месте ввода ХАС. Газ, содержащий кислород, и ХАС можно подогревать, например, за счет подвода энергии извне или за счет энергии потока ОГ.

Если газ, содержащий кислород, и ХАС

0 подогревать с помощью энергии потока ОГ,

то их температуры будут ниже температуры

ОГ примерно на 50-100°С в месте ввода, т.е.

будут близкими к температуре потока ОГ.

Подогрев газа, содержащего кислород,

5 и веществ ХАС повышает реакционную спосрбность веществ и способствует достижению поставленной цели.

На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства: на фиг,2 - график экспериментальных данных по влиянию аммиака, который выбран в качестве ХАС, и температуры потока ОГ на относительную концентрацию NOBOr.

Устройство для очистки о г от в в содержит корпус 1, форсунки 2 для ввода ХАС и газа, содержащего кислород, теплообменники 3, запорные органы 4, датчики 9 и 16 температуры, чувствительные элементы 23 и 24 датчиков температуры, задатчики 11 и

0 18 температуры, блоки 10 и 17 сравнения со своими задатчиками температуры соответственно 11 и 18, задатчики 12 и 19 регуляторов, регуляторы 13 и 20, блоки 14 и 21 управления запорными органами 4, исполнительные механизмы 15 и 22, пробоотборники 26-28 ОГ и газоанализатор 25.

Устройство работает следующим образом.

ОГ 5 поступают из энергоустановки в устройство очистки ОГ от ВВ. Температура

or может изменяться в широких г ределах, например от 600°С и выше. Верхний предел по температуре ОГ на входе в предлагаемое устройство определяется температурой, которая равна сумме оптимальной температуры для данной ХАС и падению температуры ОГ на двух теплообменниках.

Неокисленные компоненты, содержащиеся в О Г, вначале частично дожигаются при температуре ОГ, которая в месте ввода ХАС 7 равна оптимальной температуре для данной ХАС, путем ввода через форсунку 2 подогретого в теплообменнике 3 газа 6, содержащего кислород. При этом дожигание производится так, что оставшееся количество СО больше, чем начальное количество NOx в ОГ. Концентрация СО и начальная концентрация NOx определяются с помощью стандартного газоанализатора 25 и пробоотборников 27 и 26 соответственно. Если температура потока ОГ в месте ввода ХАС не равна ее оптимальной температуре, то на основании сигналов датчика 1 б температуры и задатчика 18 температуры разностный сигнал из блока 17 сравнения поступает на изменение уставки задатчика 19 регулятора 20 и в блок 21 управления исполнительным механизмом 22 на открытие или закрытие запорного органа 4 в зависимости от знака разностного сигнала.

Затем уменьшается концентрация NOx в ОГ за счет воздействия на поток ОГ подогретой в теплообменнике 3 ХАС 7 через форсунку 2. Начальная и конечная концентрации NOx определяются с помощью пробоотборнико 26 и 28 и газоанализатора 25.

Далее производится повторное дожигание неокисленных компонентов в ОГ при температуре не ниже 350°С путем ввода в поток ОГ через форсунку 2 подогретого в теплообменнике 3 газа 6 содержащего кислород. Если температура пЬтока ОГ после ввода газа 6 не равна заданной, то на основании сигналов датчика 9 температуры и задатчика 1 разностный сигнал из блока 10 сравнения поступает на именение уставки задатчика 12 регулятора 13 и в блок 14 управления исполнительным механизмом 15 на открытие или закрытие запорного органа 4 в зависимости от знака разностного сигнала.

Отличие систем регулирования подачей газа 6, содержащего кислород, состоит в том, что при первичном дожигании неокисленных компонентов в ОГ задатчик 18 настроен на оптимальную температуру ХАС 7, а при повторном дожигании задатчик 11 настроен на любую заданную температуру не ниже 350°С.

Проведены экспериментальные исследования предлагаемого устройства, с помощью которого достигается -увеличение эффективности очистки ОГ от NOx.

Эффективность очистки ОГ от NOx оценивалась величиной, которая является отношением измеренной конечной концентрации NOx в ОГ на выходе из устройства очистки к измеренной начальной концентрации NOx в ОГ на входе в устройство очистки.

В качестве газа 6, содержащего кислород, использовался воздух, а в качестве ХАС 7 использовался аммиак.

Вначале экспериментально определена оптимальная температура для аммиака, при которой достигается максимальное подавление концентрации N0. ОГ 5 в устройство очистки подавались такими, чтобы с учетом отвода энергии от потока ОГ к теплообменнику 3 их температура в месте ввода ХАС 7 изменялась от 800 до 1150°С. При этом исходная концентрация N0 в ОГ поддерживалась неизменной и равной 300 ед/млн. Воздействуя на поток ОГ одним и тем же количеством аммиака, концентрация которого равна 480 ед/млн, уменьшалась концентрация N0. Воздействие на поток ОГ с помощью воздуха исключалось, так как запорные органы 4 были полностью закрыты.

Из графика (фиг.2) видно, что оптимальная температура, при которой достигается максимальное подавление N0, равна 980°С. При этом концентрация N0 уменьшается примерно в 10 раз. Диапазон температур, в котором проявляется весьма существенное уменьшение N0 в ОГ, как видно из графика (фиг.2), составляет 200250°С.

Затем на входе в устройство очистки устанавливалась температура ОГ 5, равная 700°С. Исходная концентрация N0 в ОГ поддерживалась такой же, как и в предыдущем эксперименте. Путем регулируемого ввода через форсунку 2с помощью запорного органа 4 подогретого в теплообменнике 3 воздуха производилось дожигание неокисленных компонентов в ОГ, температура которых в месте ввода ХАС 7 поддерживалась равной оптимальной температуре аммиака ( 980°С). Для увеличения температуры потока ОГ с 700°С на входе в устройство очистки до 980°С в месте ввода ХАС с учетом теплоотдчи в теплообменниках 3 потребный расход воздуха составил 27% от расхода О Г через устройство очистки.

При этом концентрация СО в ОГ после первичного дожигания составляла 400 ед/млн. Повторное дожигание неокисленных компонентов в потоке ОГ при температуре не ниже 350°С осуществлялось регулируемым вводом в поток ОГ подогретого в лгеплообменнике 3 через форсунку 2 12% воздуха от расхода ОГ через устройство очистки с помощью запорного органа 4.

Как и в первом эксперименте, концентрация ХАС, с помощью которой уменьшалась N0 в О Г, составляла 480 ед/млн. Конечная измеренная концентрация N0 в ОГ 8 на выходе из устройства очистки соответствовала минимально возможной для данной концентрации аммиака в ОГ.

Аналогичный результат может быть достигнут при любой другой температуре потока ОГ на входе в устройство очистки, если N0 в потоке ОГ уменьшать в соответствии с п редлагаемым техническим решением (фиг.1).

Использование предлагаемогого устройства обеспечивает по сравнению с известными надежную очистку ОТ от NOx до уровня, определяемого нормами на выбросы ВВ, увеличение экономичности энергоустановки за счет приг енения утилизации энергии ОГ при подогреве веществ ХАС и газа, содержащего кислород.

Формула изобретения

1, Устройство для очистки отработавших газов от вредных веществ, содержащее

корпус с установленными в нем первой, второй и третьей форсунками с запорными органами, причем первая и третья форсунки предназначены для подачи газа, содержащего кислород, а вторая - для подачи химически активной среды, отличающееся тем, чтр, с целью повышения эффективности очистки отработавших газов от NOx, оно дополнительно содержит орган регулирования подачи газа, содержащего кислород, а запорные органы первой и третьей форсунок снабжены исполнительными механизмами, орган регулирования выполнен в виде двух датчиков температуры, один из которых размещен после первой форсунки, а другой - после третьей форсунки, блоков сравнения с задатчиками, регуляторов с задатчиками и блоков управления исполнительными механизмами, каждый из которых сообщен с соответствующим задатчиком блока сравнения через последний.

2.Устройство по П.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что содержит теплообменник, связанный с первой и третьей форсунками.

3.Устройство по ПП.1-И 2, отличающее с я тем, что оно содержит дополнительный теплообменник, связанный с второй форсункой.

Изобретение позволяет повысить эффективность очистки отработавших газов от NOx. Отработавшие газы (ОГ) поступают в устройство очистки от вредных веществ ВВ. Неокисленные компоненты вначале частично дожигаются при температуре ОГ путем ввода через форсунку 2 подогретого в теплообменнике 3 газа, содержащего кислород. Если температура потока ОГ в месте ввода химически активной среды (ХАС) не равна ее оптимальной температуре, то на основании сигналов датчика 16 температуры и задатчика 18 температуры разностный сигнал из блока 17 сравнения поступает на изменение уставки задатчика 19 регулятора 20 и в блок121 управления исполнительным механизмом 22 запорного органа 4. Концентрация NOx в ОГ уменьшается путем ввода ХАС через форсунку 2. Далее производится повторное дожигание неокисленных компонентов в ОГ путем ввода газа, содержащего кислород. Если температура потока ОГ после ввода газа не равна заданной, то сигналы от датчика 9 и задатчика 11 поступают в блок 10 сравнения, а оттуда - на изменение уставки задатчика 12 регулятора 13 и в блок 14 управления исполнительным механизмом 15 запорного органа 4. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.ОXIОСл)