Способ обезвреживания окислов азота и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК F23G7/06 

1 .

Изобретение относится к защите аткюсферы от загрязнения токсичными веществами, а именно к снижению до санитарных норм выброса больших количеств окислов азота, образующихся при нагреве кислородно-азотных смесей или при сжигании топлив.

Известен способ обезвреживания нитрозных газов, который обеспечивает разложение окислов азота в низкотемпературном потоке газа. Способ .заключается в том, что газовую смесь, содержащую окислы азота и находящуюся при комнатной температуре, перед выпуском в атмосферу направляют в зону углеводородного топлива 1.

Йедостаток этого способа заключается в том, что эффект нейтрализации окислов азота низок, а диапазон исходных параметров газовой смеси, содержащей окислы азота, ограничен, в частности, способ не обеспечивает

.нейтрализацию высокотемпературных нитрозных газовых потоков.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаекадм является способ обезвреживания окислов азота, содержащихся 9 высокдтемпературном потоке, путем предварительного охлаждения потока газа до 2iOO-2600 K, введения в него топлива и сжигания топли10ва при указанны температуре в течение времени, обеспечивающего релаксационные процессы, а та1аке устройство для ос паествления этого способа содер жит корпус с охлаждаеtsмыми стенками с последовательно рас . положенны и1 нем входной и реакционной камерами, узлам1 подачи и впрыска топлива и топливохранйлице.

При осушествлении известного спо20соба высокотемпературный воздушный поток предварительно охлаждают до 2) К и затем, после; введения в него углеводородного горючего (топ 39 лива), поддерживают температуру продуктов сгорания приблизительно на постоянном, указанном выше уровне в тeчeн e не менее 0,05-0,005 с в зависимости от давления. При осуществлении этого способа предварител ное охлаждение газовой смеси до 2600 К и поддержание этой температуры в дальнейшем в течение заданного времени при одновременном протекании процессов горения обеспечивает оптимальные условия для максимального разложения окислов азота на элементы 2. . Недостаток известного способа заключается в том, что в зоне разложения окислов азота сжигается углеводо родное горючее с коэффициентом избыт ка окисления oL 0,6-0,8, при этом образуется окись углерода (до 20 от общего объемного |эасхода , а также сажа и аэрозоли, содержащие полицикличёские ароматические углеводороды, в частности 3,-бензпирен, т. е. при нейтрализации окислов азота генериру ются другие вредные веи ества.

Цель изобретения - предотвращение образования в процессе обезвреживания окиси углерода и полициклических ароматических углеводородов.

Эта цель достигается тем, .что coi- ласно способу обезвреживания окислов азота, содержащихся в высокотемпературном потоке газа, путем предварительного охлаждения потока до 2 002бООК, введения в него топлива и .сжигания топлива при указанной температуре в течение времени, обеспечива.ющего релаксационные процессы в потоке, в качестве топлива используют во- 40 дород, а температурный дежим процесс поддерживают путем дозированного впрыска вЪды. В устройстве для осуществления способа, содержащем корпус с охлажда иыми стенками, в котором последовательно расположены входная и реакционная камеры, узлы подачи и впрыска топлива и топливохранилище, последне размещено за реакционной камерой и выполнено в виде теплообменника, заполненного гидридом металла, б качестве гидрида металла исполь зуют гидрид титана. Кинетика процессов, происходящих в высокотемпературном потоке газа, описывается уравнениями

Целям снижения концентрации кис лорода служит ввод в поток водорода в избытке, .т. е, обеспечение коэффициента избытка кислорода dl 1. Целям создания условий минимального времени релаксации потока служит организация процесса горения (уравнения 1, k, 6, 8 и 9) при 2000-2800 К.

Так как водород более активно

вступает в реакцию с кислородом, чем азот (энергия активации реакций 3, , 8, 9 намного ниже, чем реакций 10-13,при вводе водорода происходит н + н + м Н -ь М о + о + м 02;+ м ; н«о + м он + н + м он + м- и + Ni + м г N + О г HI и о + о 5 он + он Но + о он + н Ог + н он + о N + 0, N0 + N0 N + О 3 N0 + N On + N N0 + 0 N + 0 + + M Равновесное значение концентрации окиси азота в газовой смеси пропорционально корню квадратному из величины концентрации свободного кислорода (уравнение ТО). Для достижения требуемого эффекта нейтрализации окиси азота путем ее термического разложения необходимо снизить до необходимого уровня концентрацию свободного кислорода в смеси и создать уело- . ВИЯ для того, чтобы релаксация потока протекала в течение минимального времени. разложение NQ, т.е. реакции 10-13 следуют справа налево.При сжигании водорода в воздухе продуктами сгорания являются вода и другие комбинации элементов Н, О, N, т. е. отсутствуют элемент С и его комбинации с Н, О и N, которые образуются при сжигании углеводородов.Таким образом,при сжигании водорода не могут вырабатываться окись углерода, полициклические углеводороды, цианиды и другие вещества, которые являются очень ядовитыми. При нейтрализации окислов азота сжиганием углеводородных горючих создаются условия для генерации полициклических ароматических углеводородов, в частности 3, -бензпирена, которые являются канцерогенами, так как о( 1 и высокая температура способствуют их образованию. Концентрация кислорода в смеси определяется степенью диссоциации продуктов полного сгорания и будет тем меньше, чем ниже температура про дуктов сгорания. Этим обстоятельством объясняется необходимость, предва рительного охлаждения высокотемпературного газового потока. Причем при охлаждении газового потока дозирован ным впрыском воды oбecпeчивaetcя не только охлаждение, но и снижается необходимое количество водорода для нейтрализации окислов азота. При тем пературе более 1300 К происходит дис социация водяного пара ( уравнение 3 с образованием ионов водорода и гидроксильной группы, причем водород активно вступает в реакцию с кислородом, находящимся в потоке. При понижении температуры в зоне реакции ниже 2000 К значительно увеличивается время релаксации потока, что значительно увеличивает габариты устройства для нейтрализации N0. Поэтому диапазон нейтрализации следу ет поддерживать в пределах 2000 2800 К. Диапазон температур расширен по сравнению с известным за счет того, что энергия активации реакций с водородом, ниже, чем с углеводородами. Для осуществления процесса предлагается устройство, в котором топливохранилище содержит гидрид металла, например титана. Водород имеет малую удельную массу (в 1 м водорода содержится всего 90 г), поэтому в стандартном промышленном баллоне под давлением помещает ся 0,5 кг водорода, в то время как сам баллон весит 70-80 кг. Увеличение количества водорода в топливохранилище можнЬ достичь двумя способамииспользованием жидкого водорода или использованием гидридов металлов. Для хранения жидкого водорода топливохранилище необходимо оснастить громоздким и дорогим оборудованием, к тому же такое топливохранилище взрывоопасно. Топливохранилище, наполненное гидРИдом металла, лишено указанных недостатков. Суть этого решения состоит в том, что некоторые металлы и сплавы обладают способностью впитывать водород. При этом атомы водорода внедря ются в пустоты между атомами металла но прочных химических связей с ними не образуют. При охлаждении металла водород впитывается, а при нагревании освобождается. При минимальном, насыщении, например, титана, плотность водорода может быть вдвое выше, чем в сжиженном состоянии. На фиг. 1 представлено устройство для обезвреживания окислов азота; на фиг, 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 вид Б на фиг. 1. Устройство содержит корпус 1 с охлаждаемыми стенками. Корпус имеет входную и реакционную камеры 2 и 3, расположенные друг за другом. На вхо де каждой камеры имеются узлы и 5 впрыска соответственно воды и водорода с водой, представляющие собой охлаждаемые коллекторы с форсунками. На выходе из реакционной камеры размещено топливохранилище 6, заполненное гидридом металла 7. Топливохранилище имеет коллектор 8 для сбора водорода. Коллектор водорода соединен трубопроводом 9 с узлом 5 впрыска. Трубопровод оснащен заправочным устройством 10 и отсечным клапаном 11. В топливохранилище смонтирован змеевик 12 с охлаждающей жидкостью, подключенный к коллектору 13 воды, и развитые поверхности , омываемые горючим газом. Устройство работает следующим образом. Высокотемпературный поток газа (например, воздуха) с температурой большей или равной 2000 К поступает во входную камеру 2, в которой осуществляется впрыск воды из узла 4 впрыска, чем обеспечивается необходимый уровень температуры газа на входе в реакционную камеру 3 Длина . входной камеры выбрана таким образом, чтобы газовый поток пришел в равновесие. На входе в реакционную камеру 3 осуществляется впрыск водорода и воды из узла 5 впрыска, В реакционной камере 3 производится сжигание водорода при оС 1, чем достигается термическое разложение NC. Длина реакционной камеры 3 выбрана таким образом, чтобы обеспечить релаксацию потока на выходе камеры. На выходе из реакционной камеры 3 размещено топливохранилище 6, которое выполнено в- виде теплообменника, наполненного гидридом металла 7 например титана. Газовый поток-выходящий из реакционной камеры 3 омывает

развитые поверхности топливохранилища-теплообменника, тем самым нагревает гидрид металла 7, а сам схг лаждается. При нагреве гидрид освобождает водород, который собирается в коллекторе В и затем по трубопроводу 9 подается в узел 5 впрыска. После топливохранилища нейтрализованный газ охлаждается приблизительно до 100-200 С и выбрасывается выхлопной трубой.

Перед рабочим процессом топливохранилище наполняется водородом следующим образом.

Топливохранилище 6 отсекается от узла 5 впрыска клапаном 11, к заправочному устройству 10 подсоединяется мобильная емкость с водородом и вклю чается., подача воды в охлаждающий змеевик 12. При температуре воды металл насыщается водородом до необходимой плотности.

Изобретение позволяет снижать со ержанйе окислов азота в высокотемпературном потоке до уровня санитарных норм, при этом предотвращается обря ование в процессе обезвр еживанйй окиси углерода и полициклических ароматических углеводородов вследствие ого, что.в реакционной зоне сжи гается водород. Кроме того, реализация изобретения не требует дорогостояа1их катализаторов, и обеспечивает обезвреж44вдиие потока газа любого массового расхода в широком диапазоне давлений и температур.

Фориула изобретения.

1. Способ обезвреживания окислов азота, содержащихся в высокотемпературном пртоке газа, путем предварительного охлаждения потока до К, введения в него топлива и сжигания топлива при указанной температуре в течение времени, обеспечивающего релаксационные процессы в потоке, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью предотвращения образования в процессе обезвреживания окиси углерода и полициклических ароматических углеводородов, в качестве топлива используют водород, а температурный режим процесса поддерживают путем дозированного впрыска воды.

2. Устройство для обезвреживания окислов азота, содержащее корпус с охлаждаемыми стенками и Последовательно размещенными в нем входной и реакционной камерами, узлы впрыска топлива и Топливохранилище, отличающееся тем, что Топливохранилище размещено за реакционной камерой и выполнено в виде теплообменника, заполненного гидридом металла.

3 Устройство по п. 1, отличаю щ е ее я тем, что в качестве гидрида металла используют гидрид титана.

Источники информации, принятые во внимание при .экспертизе

1.Патент США W 2673U1, кл. 110-8R, 196.

2.Авторское свидетельство СССР № 565009, кл. С 01 В 21/20, 1977.

7,/Ш