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 углеводородного топлива 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 с последующим равномерным смешением его с ОГ при поддержании температуры в зоне горения в пределах 950-1300°С.

Этот способ пригоден только для очистки ОГ в основном от СО и несгоревших углеводородов и малоэффективен при очистке ОГ or NOx, так как скорости химических реакций образования NOX в указанном диапа1 зоне температур потока ОГ практически заморожены.

Известен также способ 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 ОГ 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.

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 температурах выше 1700°С. Такой уровень температур в ОГ может быть достигнут только при дополнительном сжигании топлива, что нецелесообразно экономически. Поэтому низкотемсл

VI

Ч)

ел

о

ю

пературное подавление эмиссии с помощью ХАС без дополнительного сжигания топлива является главным достоинством этого способа.

Известно, что концентрация МОх в ОГ изменится в несколько раз в зависимости от режима работы энергоустановки и вида углеводородного топлива, особенно при сжигании низкосортных топлив и тяжелых топлив с уменьшенным содержанием в них водорода.

Если при вводе веществ ХАС не учитывать исходное содержание в ОГ, как это имеет место в известном способе, то эффективность очистки ОГ от МОх может оказаться, очень низкой.

Цель изобретения - увеличение эффективной очистки ОГ от МОх, с учетом заданного конечного уровня концентрации М0х}кон и исходной концентрации в ОГ.

Поставленная цель достигается регулируемым вводом веществ ХАС причем отношение концентрации ХАС к исходной концентрации в ОГ должно находиться в пределах 1,0-1,5. Кроме того, вещества ХАС перед вводам в поток ОГ подогревают, увеличивая тем самым их реакционную способность. Пологрев веществ ХАС позволяет достичь поставленной цели при меньшем количестве веществ ХАС. Подогрев веществ ХАС можно осуществлять, например, за счет подвода энергии извне или за счет энергии потока ОГ. Расчеты показывают, что если для подогрева ХАС использовать энергию потока ОГ, то температура ХАС будет ниже температуры потока ОГ примерно на 50-100°, т.е. оказывается близкой к температуре потока ОГ в месте ввода ХАС.

На фиг.1 показана схема устройства очистки ОГ от ВВ; на фиг.2 - данные о влиянии концентрации МЫз на концентрацию МО в ОГ для различных температур потока ОГ.

Устройство очистки ОГ от ВВ включает в себя корпус 1, теплообменник 2, форсунки 3 для ввода ХАС и газа, содержащего кислород, вентиль 4, газоанализаторы 9 и 16, блок 10 сравнения, задатчики 11 и 24 отношения концентраций, задатчик 12 регулятора, регулятор 13, блок 14 управления исполнительным механизмом, исполнительный механизм 15, датчики 17 и 18 температуры, чувствительные элементы 19 и 20 датчиков температуры, пробоотборники 21 и 22 и блок 23 формирования отношения концентраций.

Очистка ОГот ВВ в устройстве осуществляется следующим образом.

ОГ 5 поступают из энергоустановки в устройство очистки ОГ от ВВ с произвольной начальной концентрацией , которая определяется с помощью пробоотборника 21 и стандартного газоанализатора 16. Производится настройка задатчи- ков 11 и -24 с учетом начальной концентрации .

Неокисленные компоненты, содержа0 щиеся в ОГ, вначале частично дожигаются при температуре потока ОГ, равной оптимальной температуре ХАС, путем ввода через форсунку 3 газа 6, содержащего кислород. Расход газа 6 устанавливается с

5 учетом датчика 17 температуры, чувствительный элемент 19 которого помещен в потоке ОГ в месте ввода ХАС.

Затем уменьшается в ОГ концентрация МОх за счет регулируемого вовда в поток

0 ОГ с помощью вентиля 4 и форсунки 3 подогретой в теплообменнике 2 ХАС 7. Система регулирования функционирует так, С помощью датчика 17 температуры, задатчика 12 и регулятора 13 производится установка

5 заданной рабочей точки на характеристки устройства, при этом разностный сигнал за- датчика 12 и сигнал датчика 17 воздействуют через регулятор 13 и блок 14 управления на исполнительный механизм 15 вентиля 4.

0 Сигналы датчиков 9 и 16 концентрации поступают на вход блока 23 формирования значения отношения концентраций, которое затем поступает на вход блока 10 сравнения, где сравнивается с заданным

5 значением отношения конечной и начальной концентраций, поступающим от задат- чика 11. В случае отклонения значения отношения концентраций от заданного из блока itf сравнения поступает сигнал на из0 менение задатчика 13 в блок 14 управления исполнительным механизмом 15 на открытие или закрытие вентиля 4 в зависимости от знака разностного сигнала.

Далее производится повторное дожига5 ние неокисленных компонентов (в основном СО и углеводородов), МОХ практически заморожены в ОГ при температуре не ниже 350°С путем ввода в поток О Г через форсунку 3 газа 6, содержащего кислород. Расход

0 газа б для повторного дожигания устанавливается с учетом показаний датчика 18 температуры, чувствительный элемент 20 которого помещен в области повторного дожигания ОГ.

5 Очищенные от В В ОГ 8 затем отводится в атмосферу.

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

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

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

Эксперименты были проведены для трех различных температур потока ОГ. Начальная концентрация в ОГ во всех трех случаях поддерживалась одинаковой и равной 300 ед/млн.

Первичное достижение неокисленных компонентов, содержащихся в ОГ, производилось при вводе воздуха через форсунку 3 в количестве до 25% от расхода ОГ через устройство очистки. В результате такого дожигания температура ОГ с учетом отвода энергии от потока ОГ к теплообменнику 2 в месте ввода ХПС 7 устанавливалась равной 900, 1000 и 1100°С, а концентрация СО в ОГ устанавливалась выше NO и была соответственно равной 441 ед/млн., 400 ед/мл и 365 ед/млн.

Для трех указанных температур потока ОГ производился регулируемый ввод ХАС 7 в поток ОГ с помощью вентиля 4 и форсунки 3, подогретой а теплообменнике 2. Концентрация (ХАС) в ОГ изменялась от 0 до 750 ед/млн.

Повторное дожигание неокисленных компонентов, содержащихся в ОГ, производилось путем ввода воздуха, составляющего 11,5% от расхода ОГ через устройство Такое дожигание обеспечивало поддержание температуры потока ОГ выше 350°С.

Результаты экспериментальных исследований представлены на фиг.2. Из графиков видно, что для всех трех температур потока О Г концентрация NO в ОГ существенно зависит от концентрации аммиака в ОГ. Следовательно, путем регулируемого ввода в поток ОГ подогретой ХАС можно эффективно уменьшать концентрацию NOX в потоке ОГ, Однако при достаточном увеличении концентрации NOs в ОГ эффективность подавления концентрации NO уменьшается.

В точках, соответствующих значению отношения ,0, касательные кривых имеют максимальный угол наклона к оси абсцисс, а вторые производные функций меняют знак с отрицательного на положительный, так как кривые лежат по разные стороны от общих касательных. Эффективность использования ХАС с целью подавления NO в потоке ОГ а этих точках максимальная.

Сувеличением концентрации МНз в ОГ эффективность подавления N0, как видно из графика фиг.2, снижается и при значении отношения больше 1,5 дальнейшее увеличение концентрации NHa в потоке ОГ нецелесообразно экономически, так как непроизводительно растет расход ХАС без заметного снижения концентрации NO. Так увеличение концентрации МНз в

0 ОГ с 450 ед/млн до 800 ед/млн, т.е. в 1,78

раз, при значениях отношения

1,5 привело бы к снижению

концентрации NO всего лишь на 3-5%.

Поэтому можно установить пределы изменения концентрации ХАС при вводе ее в поток ОГ, определяемые значением отно- ХАС

шения 1,0

МДГ

1,5, при котором про0

5

0

5

0

5

0

5

является максимальный эффект подавления концентрации NOx в потоке ОГ Нижний предел определяется точкой перегиба кривой зависимости, а верхний - неэкономичным расходованием ХАС Увеличение расхода ХАС выше значения 1,5 может привести к большим концентрациям ХАС в потоке ОГ, как правило, они также являются токсичными.

Использование предлагаемого способа очистки ОГ от ВВ обеспечит надежную очистку ОГ от NOX до уровня, определяемого нормами на выбросы ВВ, а также повышение экономичности путем применения утилизации энергии потока ОГ при подогреве ХАС «

Формула изобретения

1 Способ очистки отработавших газов путем замера начальной концентрации оксидов азота в потоке отработавших газов, ввода в поток газа, содержащего кислород, с последующим дожиганием неокисленных компонентов при температуре не ниже 850°С, ввода в поток химически активной среды и повторного ввода в поток отработавших газов газа, содержащего кислород, с последующим дожиганием неокисленных компонентов при температуре не ниже 350°С, отличающийся тем. что, с целью повышения эффективности, после повторного ввода в поток газа, содержащего кислород, замеряют концентрацию химически активной среды в потоке, и ввод химически активной среды регулируют, поддерживая отношение концентрации химически активной среды к начальной концентрации оксидов азота в пределах 1,0-1,5.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что перед вводом в поток химически активную среду подогревают отработавшими газами.

{

На управление.

pOCXOUOIt Cf3CJ 6

Фиг. I

Использование: двигателя внутреннего сгорания газотурбинные двигатели, ракетные двигатели, мартеновские печи, котлы ТЭС и т.д. Сущность изобретения: в потоке отработавших газов (ОГ) определяют концентрацию NOx, вводят в поток ОГ, газ, содержащий кислород, при температуре не ниже 850°С, затем вводят в поток ОГ химически активную среду (ХАС), вводят повторно газ, содержащий кислород, измеряют концентрацию ХАС в потоке ОГ и регулируют ее подачу, поддерживая отношение концентрации ХАС к начальной концентрации NOX в пределах 1,0-1,5 ХАС подогревают перед вводом в поток ОГ. 1 з.п. Ф-лы. 2 ил.

0,t 0,8 1,2 1,6 20 2 ЫНЛ