Способ очистки отработавших газов Советский патент 1992 года по МПК F01N3/10 

Изобретение относится к охране окружающей среды, а точнее к защите воздушного бассейна от вредных веществ (ВВ), образующихся при сжигании углеводородных топлив в различных энергетических установках; двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных двигателях, ракетных двигателях, мартеновских печах, котлах ТЭС и т.д.

Известен способ дожигания отработавших газов (ОГ) путем регулируемого ввода подогретого воздуха при поддержании температуры в зоне горения в пределах 950 1300°С.

Этот способ пригоден преимущественно для очистки ОГ от СО и несгоревших углеводородов и малоэффективен при очистке ОГот NOx, так как скорости химических реакций образования и разложения NOx в указанном диапазоне температур практически заморожены.

Известен также способ очистки ОГ от ВВ, в соответствии с которым производят частичное дожигание неокисленных компонентов в потоке ОГ при температуре не ниже 850°С за счет ввода в поток ОГ газа, со- дёржащего кислород; уменьшение концентрации NOx за счет воздействия на поток ОГ химически активной среды (ХАС); повторное дожигание неокисленных компонентов при температуре потока ОГ не менее 350°С за счет ввода в поток ОГ газа, содержащего кислород.

Сущность этого способа уменьшения NOx в ОГ заключается в том, что с участием веществ 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 топлива, что нецелесообразно экономически. Поэтому низкотемпературное подавление эмиссии

(Л

С

ю

о

VI

со

NOx с помощью ХАС без дополнительного сжигания топлива является главным достоинством этого способа.

Однако, если температура потока ОГ изменяется в широких пределах, то эффектив- ность низкотемпературного способа уменьшения NOx в ОГ будет весьма низкой или этот эффект может совсем отсутствовать.

Цель изобретения - увеличение эффективности очистки ОГ от NOx при значительном изменении температуры потока ОГ.

Как показывают эксперименты, существенное уменьшение концентрации-NOx при взаимодействии ХАС с ОГ проявляется в очень узком температурном диапазоне с ярко выраженным минимумом концентрации NOx в ОГ, т.е. имеет место оптимальная температура, при которой наблюдается минимальная концентрация NOx в ОГ.

Поставленная цель достигается подстройкой оптимальной температуры выбранной ХАС под текущую температуру потока ОГ путем регулируемого ввода водо- родокислородных веществ (ВКВ).Кроме того, 8KB и/или ХАС подогревают перед вводом их в поток ОГ. Подогрев ВКВ и ХАС можно осуществлять как за счет энергии извне, так и за счет энергии потока ОГ. Применение утилизации энергии потока предпочтительней, так как позволяет повысить экономичность энергоустановки. Расчеты показывают, что если подогрев 8KB и ХАС осуществлять за счет энергии потока ОГ, то их температура будет примерно на 50 - 100°С ниже температуры потока ОГ в месте ввода ВКВ и ХАС, т.е. будет близкой к температуре ОГ. Подогрев ВКВ и ХАС увеличивает их реакционную способность и способствует достижению поставленной цели, В качестве ВКВ могут использоваться вещества, сдвигающие оптимальную температуру для данной ХАС в области низких и высоких температур.

На фиг.1 показана схема устройства, 8 которой реализуется способ очистки ОГ от ВВ; на фиг.2 - влияние ввода аммиака и водорода на относительную концентрацию Е1мо в ОГ при различных температурах потока ОГ в месте ввода.

Устройство очистки ОГ от ВВ содержит корпус 2 устройства, форсунки 3 для ввода ХАС, 8KB и газа, содержащего кислород, теплообменники 4, вентиль 5, датчики 11 и 13 температуры, газоанализаторы 10 и 12, блок 14 сравнения, задатчик 15 температуры, за датчик 16 регулятора, регулятор 17, блок 18 управления исполнительным механизмом, исполнительный механизм 19, чувствительные элементы 24 и 26 датчиков

температуры и пробоотборники 23, 25 и 27.

Способ очистки ОГ от ВВ в устройстве (фиг,1) осуществляется следующим

образом.

ОГ 1 поступают из энергоустановки в устройство очистки ОГ от ВВ с произвольными температурой и концентрациями ВВ. Начальные концентрации ВВ определяются

0с помощью стандартного анализатора 10 и пробоотборника 23.

Неокисленные компоненты, содержащиеся в ОГ, вначале частично дожигаются при температуре не ниже 850°С путем вво5 да через форсунку 3 газа 6, содержащего кислород. При этом оставшееся количество СО в ОГ должно быть больше, чем количество NOx. Концентрации СО в ОГ после первичного дожигания и N0/ измеряются с

0 помощью газоанализатора 12 и пробоотборника 27.

Затем концентрация NOX в ОГ уменьшается за счет ввода в поток ОГ с помощью форсунки 3, подогретой в теплообменнике

5 4, ХАС 7. Температура потока ОГ в месте ввода ХАС измеряется с помощью датчика 13 температуры и чувствительного элемента 24, а концентрация NOx после ввода ХАС - с помощью анализатора 12 и пробоотборни0 ка 25.

Если оптимальная температура ХАС не равна температуре потока ОГ в месте ввода ХАС 7, то производится подстройка оптимальной температуры ХАС под температуру

5 потока ОГ с помощью регулируемого ввода в поток ОГ с помощью форсунки 3 и вентиля 5 подогретых в теплообменнике 4 ВКВ 8. ВКВ сдвигают оптимальную температуру ХАС в области более низких или более высо0 ких температур потока ОГ. С помощью задатчика 16 и регулятора 17 производится установка рабочего положения вентиля 5, при этом разностный сигнал задатчика 16 воздействует через регулятор 17 и блок 18

5 управления на исполнительный механизм 19 вентиля 5. Сигнал задатчика температуры поступает на вход блока 14 сравнения, где сравниваются значение датчика 13 и .значение оптимальной температуры ХАС,

0 поступающее от задатчика 15 температуры.

В случае отклонения значения температуры

потока ОГ от оптимальной температуры ХАС

из блока 14 сравнения поступает разностный

сигнал на изменение уставки задатчика 16 и

5 в блок 18 управления для открытия вентиля 5. При положительной разности между оптимальной температурой ХАС и температурой потока ОГ и положительном разностном сигнале блока 14 сравнения вводятся ВКВ, сдвигающие значение оптимальной температуры ХАС в область более низких температур, например водород или перекись водорода, а при отрицательной разности между оптимальной температурой ХАС и температурой потока ОГ и отрицательном разностном сигнале блока 14 сравнения вводятся 8KB, сдвигающие значение оптимальной температуры ХАС в область более высоких температур, например вода. Величина сдвига оптимальной температуры ХАС определяется концентрацией 8KB в ОГ.

Далее производится повторное дожигание неокисленных компонентов (в основном СО и углеводородов, NOx практически заморожены) в ОГ при температуре не ниже 350°С путем ввода в поток ОГ через форсунку 3 газа 6, содержащего кислород. Контроль температуры потока ОГ при повторном дожигании ведется с помощью датчика 11 и его чувствительного элемента 26.

Очищенные от ВВ ОГ 9 затем отводятся в атмосферу.

Были проведены теоретические и экспериментальные исследования предлагаемого способа очистки ОГ от ВВ, в котором достигается увеличение качества очистки ОГ от NOx.

В качестве ХАС 7 использовали аммиак (МНз), в качестве газа 6, содержащего кисло- родгвоздух, а в качестве 8KB - водород, когда требовался сдвиг оптимальной температуры аммиака в область более низких температур, или вода, когда требовался сдвиг оптимальной температуры аммиака в область более высоких температур.

Эффективность очистки ОГ от NOx оценивали параметром, который.подсчитывался как отношение конечной и начальной концентраций NO в ОГ,

Вначале были проведены эксперименты, направленные на определение оптимальной температуры. Для этого в устройство очистки ОГ от ВВ подавали ОГ, температура которых изменялась от 800 до 1200°С. Контроль температуры потока ОГ производили датчиком 13. Начальную концентрацию N0 в ОГ поддерживали неизменной на протяжении всего эксперимента. Уменьшение N0 в ОГ обеспечивали воздействием на поток ОГ аммиаком 7 через форсунку 3 с постоянной концентрацией 485 ед./млк. Значения начальной и конечной концентраций No в ОГ измеряли газоанализаторами соответствен но 10 и 12 с помощью пробоотборников 23 и 25, а затем подсчитывали параметр . При этом ввод воздуха и ВКВ отсутствовал. Результаты экспериментов представлены на фиг.2 в виде кружков 20. Из графика видно, что оптимальная температура, при которой достигается максимальное уменьшение (примерно в 10 раз) концентрации NO в ОГ, равна 980°С. Именно на это значение необходимо настроить за датчик 15 температуры, если в

5 качестве ХАС выбрать аммиак. Область температур, в которой реализуется существенное уменьшение концентрации N0, локализуется в окрестности оптимальной температуры аммиака и (± 120 ... ± 130°С).

0 т.е. в очень узком диапазоне температур. Поэтому для эффективного уменьшения концентрации NOx необходимо обеспечить точное совпадение температуры потока ОГ с оптимальной температурой ХАС.

5 Влияние ввода водорода на сдвиг оптимальной температуры аммиака исследовалось численно. Достоверность математического моделирования проверялась по результатам сопоставления данных

0 физического и численного экспериментов (фиг.2). На графике (фиг.2) видно, что теоретическая кривая 21 удовлетворительно модулирует экспериментальные точки 20. особенно хорошее совпадение наблюдает5 ся в определении оптимальной температуры аммиака. На фиг.2 приведена теоретическая кривая 22, моделирующая сдвиг оптимальной температуры в область более низких температур при вводе водоро0 да с концентрацией 450 ед./млн. Такой ввод водорода сдвигает оптимальную температуру аммиака примерно на 90°С в область более низких температур. Причем сдвиг оптимальной температуры аммиака сущест5 венно не изменяет размеры области, в которой наблюдается уменьшение концентрации N0 в ОГ.

Физический эксперимент проводился 0 только для одной температуры потока ОГ.ОГ 1 подавали в устройство очистки при 790°С с концентрацией N0 300 ед./млн. Ввод 16% воздуха от расхода О Г через устройство очистки обеспечил поддержание температуры 5 потока ОГ в месте ввода аммиака 890°С, а автоматизированный ввод водорода с концентрацией 450 ед./млн привел к сдвигу оптимальной температуры аммиака в область более низких температур на 90°С, 0 что хорошо согласуется с численным экспериментом (фиг.2). Экспериментальная точка 28 на графике (фиг.2) обозначена квадратом.

5 Использование предлагаемого способа очистки ОГ от ВВ обеспечит по сравнению с известным следующие преимущества: надежную очистку ОГ от NOx до уровня, предусмотренного нормами на выбросы ВВ; снижение содержания сажи в ОГ; повышение экономичности энергоустановки за счет утилизации энергии ОГ для подогрева веществ 8KB и ХАС.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 1. Способ очистки отработавших газов путем ввода в поток отработавших газов газа, содержащего кислород, последующей подачи в поток химически активной среды и повторного ввода в поток газа, содержащего кислород, отличающий ся тем, что, с целью повышения эффективности, измеряют температуру потока отработавших газов в месте ввода в него химически активной среды и при неравенстве оптимального значения температуры химически активной среды и значения температуры отработав0

5

ших газов осуществляют подачу водородо- кислородных веществ в поток перед повторной подачей газа, содержащего кислород.

2.Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что водородокислородные вещества и/или химически активную среду подогревают отработавшими газами.

3.Способ по пп.1 и 2, отличающий- с я тем, что в качестве водородокислород- ных веществ используют водород и воду.

4.Способ по пп.1 и2,отличающий- с я тем, что в качестве водородокислород- ных веществ используют перекись водорода и воду,

Использование: энергетические установки,- двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные двигатели, ракетные двига тели, мартеновские печи, котлы ТЭС и т.д. Сущность изобретения: в поток отработавших газов подают химически активную среду, в месте ввода замеряют температуру потока отработавших газов, при неравенстве оптимального значения температуры химически активной среды и значения температуры отработавших газов подают водородокислородные вещества перед повторной подачей газа, содержащего кислород. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1 7

фиг1

EI#0 -r

HNO

6QO 700 BOO 900 WOO 1100 1200, C

Фиг. 2

/

u -3MCf&pw e /n --Расчет. .... ta

« VST&

2B