CS85192A3 - Process of catalytic combustion of combustible substances in exhaustedgases - Google Patents

Description

*11

Μ Ο <χ> X) ?Ζ ΟΙ σ* r< cn ~Ι

Způsob katalytického spalování spalitelných látek ve vypouště-ných plynech.

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu katalytického spalováníspalitelných látek vyskytujících se ve vypouštěných odpadníchplynech, přičemž těmito spalitelnými látkami jsou takovélátky, jako například organická rozpouštědla a uhlovodíkovésloučeniny, a tyto spalitelné látky se vyskytují ve zředě-ném stavu ve vypouštěných odpadních plynech obsahujícíchpřebytkové množství kyslíku. Konkrétně je možno uvést, žese vynález týká katalytického spalování spalitelných látekvyskytujících se ve vypouštěných plynech, které je kombi-nováno s výrobou energie v expanzní turbině.

Dosavadní stav techniky

Pokud se týče dosavadního stavu techniky jeznám postup eliminování spalitelných látek vyskytujících seve vypouštěných odpadních plynech při atmosférickém tlakua při teplotách pohybujících se nad 700 °C až asi do900 °C tepelným spalováním těchto spalitelných látek nebokatalytickou oxidací těchto látek při teplotách pohybujícíchse v rozmezí od 200 do 1000 °C za použití katalyzátorůna bázi platiny, paladia nebo oxidů mědi, chrómu a/nebomanganu (patent Spojených států amerických č. 4 186 801 , apatent Spojených států amerických č. 4 191 733) .

Rovněž byl podle dosavadního stavu techniky navrženpostup kombinovaného tepelného spalování organických roz-pouštědel vyskytujících se ve vzduchu a expandování tohotovzduchu podrobeného spalování v plynové turbině za součas-né výroby elektrické energie (viz evropský patent EP č. 298 941,německý patent DE DOS Č. 2 543 761). Při provádění tohoto 2 postupu se vzduch obsahující organické sloučeniny stlačujena absolutní tlak pohybující se v rozmezí od 0,3 MPa do2 MPa v jednom nebo dvou stupních s mezichlazením. Taktozískaný stlačený vzduch se potom zahřívá v tepelnémvýměníku za použití vyčištěného vypouštěného vzduchu zexpanzní turbiny, což se provádí ještě předtím, než se tentostlačený vzduch dále zahřívá na teplotu pohybující se v roz-mezí od 700 do 1200 °C ve spalovací komoře za použitízemního plynu nebo oleje, které se používají jako přídavnépalivo a které se spalují v uvedené spalovací komoře.Vyčištěný vzduch, který se odvádí ze spalovací komory přiteplotě pohybující se v rozmezí od 700 do 1200 °G sev dalším stupni nechá expandovat na atmosférický tlak vexpanzní turbině, přičemž energie získaná v této expanzníturbině se potom využívá ke stlačení vzduchu obsahujícíhoorganické sloučeniny a k výrobě elektrické energie. Výhoda této metoda ve srovnání s pouhým spalo-váním znečištěného odpadního plynu při atmosférickémtlaku spočívá v tom, že se část výhřevné hodnoty spalitelnýchlátek vyskytujících se v tomto spalovaném vzduchu převede naelektrickou energii.

Ovšem tento postup má rovněž některé nevýhody a omezení : Výstupní teplota plynu vystupujícího ze spalovacíkomory musí být nad určitou minimální teplotou z toho důvo-du, že je třeba zajistit rozštěpení všech spalitelnýchlátek v dostatečné míře a spálení oxidu uhelnatého, kterývelice často vzniká při tepelném spalování rozpouštědel.

Tato minimální teplota pro dostatečné spálení těchto spali-telných látek se při praktickém provádění tohoto postupupohybuje v rozmezí od 700 do 1000 °C, což závisí na typuspalovaných spalitelných látek, na obsahu těchto spalitelnýchlátek ve vzduchu a na době zdržení tohoto plynu ve spalovacíkomoře. Pro úplné rozštěpení a spálení oxidu uhelnatého a - 3 - uhlovodíkových sloučenin jako je například methan a ethana některých dalších tepelně odolných organických sloučenina chlorovaných organických sloučenin je třeba při tomtotepelném spalovacím procesu použít vysokých teplot až asi 1100°C . Rovněž při vysokém obsahu .těchto spalitelných látekv odpadním vypouštěném plynu, který odpovídá výhřevnostipohybující se v rozmezí od 400 do 1000 kJ/Nm^ spalitel-ných látek v odpadním plynu, může nastat situace, kdy je třebapoužít vysokých teplot až asi 1100 °C nebo teplot ještěvyšších ve spalovací komoře a/nebo kdy je nutno použítvelké spalovací komory za účelem dosažení úplného spáleníspalitelných složek. Za této situace je nutno použít vysokéspotřeby přídavného paliva a kromě toho je nutno použítvelice nákladných vysokoteplotních turbin. Při použitívysokých teplot, a zejména při spalování za použití přídavnéhohořáku, dochází k vytvoření vysokých koncentrací oxidůdusíku (NO ) ve vyčištěném plynu. Kromě toho je třeba Λ poznamenat, že rychlé změny obsahu spalitelných látek vevypouštěném odpadním plynu v rozmezí od 0 do hodnot nad300 až 400 kJ/Nm mohou způsobit vznik přechodnýchnadměrných teplot v katalytickém loži, což může vést k poš-kození katalyzátoru a turbiny.

Podstata vynálezu Cílem uvedeného vynálezu je poskytnout účinnoua ekonomickou metodu eliminování spalitelných látek zodpadních plynů a/nebo z vypouštěného vzduchu za současnéhovyužití výhřevné hodnoty těchto spalitelných látek vevypouštěném plynu, která by neměla nevýhody a omezení postupůpodle dosavadního stavu techniky. V širším pojetí se uvedený vynález týká způsobueliminování spalitelných složek ve vypouštěném vzduchu a/nebov odpadních plynech katalytickým spalováním, při kterém se - 4 - výhřevná hodnota těchto spalitelných složek ve vypouštěnémplynu využije k výrobě energie.

Podstata postupu podle uvedeného vynálezu spočíváv tom, že zahrnuje následující, stupně : - stlačování odpadního plynu v kompresoru , - zahřívání takto získaného stlačeného odpadního plynu natakovou teplotu, která je nutná k následujícímu katalytic-kému spalování spalitelných složek vyskytujících se vtomto odpadním plynu, - spalování a eliminování těchto spalitelných látek obsa-žených v tomto stlačeném a zahřátém odpadním plynu kontak-továním tohoto plynu s katalyzátorem, na kterém se dosáhnespálení těchto spalitelných látek, a který je uspořádán vespalovací komoře, a - expandování odpadního plynu po spalování na atmosférickýtlak v plynové expanzní turbině.

Uvedenými katalyzátory používanými v postupu podlevynálezu jsou ve výhodném provedení katalyzátory na báziplatiny a/nebo paladia , které jsou impregnovány ve forměvrstev o tlouštce menší než 50 yum na porézním, keramickémnosičovém materiálu ve formě monolitické struktury nebove formě válečků nebo kuliček, které mají geometrický povrchobvykle v rozmezí pohybujícím se od 2000 do 3000 m /m ,přičemž tyto částice jsou uloženy ve formě pevného loževe spalovací komoře. Při tomto uspořádání se dosáhneúplného spálení spalitelných složek při prostorové rychlostiasi 100 000 Nm^/h/m^ a při tlaku 0,5 MPa a dále přivstupní teplotě nad 350 °C a při výstupní teplotě pohybu-jící se v rozmezí od 700 do 1100 °C . Ve výhodném provedenípodle uvedeného vynálezu je možno použít ve spalovací komořekatalyzátorů na bázi mědi, manganu a/nebo chrómu,kterév těchto katalyzátorech tvoří účinné složky, při teplotáchzahrnujících minimální vstupní teplotu asi 300 °C amaximální výstupní teplotu 700 °C . - 5 - 2 výše uvedeného vyplývá, že ve výhodném provedenípostupu podle uvedeného vynálezu se odpadní plyn odváděný25 kompresoru zahřívá nateplotu pohybující se v rozmezí odasi 250 °C do asi 600 °C předtím, než se zavádí do spa-lovací komory.

Takto získaný stlačený odpadní plyn je možno potomzahřát v zahřívací komoře opatřené přídavným hořákem nebove výhodném provedení podle vynálezu prostřednictvímtepelné výměny s vyčištěným odpadním plynem vypouštěným zexpanzní turbiny.

Podle dalšího výhodného provedení postupu podlevynálezu je expanzní turbina spojená s generátorem na výrobuelektrického proudu, takže energie obsažená ve spalovanémodpadním plynu se tímto způsobem využije k výrobě elektrickéenergie. K tomu, aby byla dosažena dostatečná energiepro výrobu elektrické energie je nutné, aby výstupní teplotavypouštěných odpadních plynů ze spalovací komory byla vrozmezí od 600 do 1100 °C . Takže podle dalšího výhodnéhoprovedení postupu podle uvedeného vynálezu se odpadní plynypodrobené spalování, které se odvádí z katalytické spalovacíkomory, dále zahřívají na teplotu pohybující se v rozmezíod 600 °C do 1200 °C , přičemž podle výhodného provedeníje tato teplota v rozmezí od 750 do 1000 °C před zaváděníma expandováním těchto odpadních plynů v expanzní turbině.

Zahřívání těchto odpadních plynů podrobenýchspalování je možno provést v zahřívací komoře, která jeumístěna mezi spalovací komorou a turbinou.

Valternativním provedení postupu podle uvedenéhovynálezu se výstupní teplota odpadních plynů podrobenýchspalování upravuje na teplotu pohybující se v rozmezí od - 6 - 600 do 1200 °C , ve výhodném provedení na teplotu pohybu-jící se v rozmezí od 750 do 1000 °C, přičemž se tentoplyn misí s plynným palivem před zaváděním tohoto plynuke katalytickému spalování. Tímto způsobem se množstvíspalitelných složek v odpadním plynu zvýší, což se projevív požadovaném zvýšení teploty na výstupu při odváděni tohotoodpadního plynu ze spalovací komory. Přehled obrázků na výkresech

Postup podle uvedeného vynálezu bude blíže vysvětlens pomocí dvou výkresů, na kterých je na obr. 1 a na obr. 2schematické znázornění dvou výhodných provedení tohotopostupu. Z vyobrazení na těchto dvou výkresech budouzřejmější některé charakteristické znaky a aspekty tohotopostupu podle vynálezu, přičemž ovšem tyto výkresy majípouze ilustrativní charakter a nijak neomezují rozsah uvede-ného vynálezu. Příklady provedení vynálezu V provedení zařízení s turbinou na obr. 1 seodpadní vypouštěný plyn obsahující spalitelné složky v množstvíodpovídajícímu výhřevné hodnotě až asi 800 k-J/Nm^ nejprvestlačuje v kompresoru 10 , obvykle na tlak 0,5 MPa (přetlak),přičemž se teplota tohoto plynu zvýší z asi 40 °C naasi 240 °C . Tento plyn se potom dále zahřívá na teplotuasi 300 °C za pomoci přídavného hořáku 12 , který jeumístěn před katalytickou spalovací komorou 14) vekteré se více než 99 % spalitelných látek obsažených vtomto odpadním plynu oxiduje na oxid uhličitý CO2 a vodnípáru H^O . Při použití některého z výše uvedených kataly-zátorů se v této spalovací komoře vytváří méně než 50 ppmoxidu uhelnatého a méně než 10 ppm oxidů dusíku Ν0χ . V případě, že tento zpracovávaný plyn obsahuje asi 10 gramů - 7 - rozpouštědel s průměrnou výhřevnou hodnotou na spodní hraniciasi 30 kJ/g je teplota vyčištěného plynu odváděného zespalovací komory asi 510 °G . Takto získaný vyčištěnýplyn je možno potom přímo zavádět do expanzní turbiny 16bez dalšího ohřívání nebo je možno tento plyn dále ohřívatna maximální teplotu, která jé ještě přijatelná pro turbinu,za pomoci přídavného hořáku 15 .

Na obr. 2 je znázorněno výhodné provedení postupupodle uvedeného vynálezu ve formě provozního schéma splynovou turbinou, ve kterém se výstupní teplota zpraco-vávaného plynu odváděného ze spalovací komory upravujena teplotu požadovanou v expanzní turbině pro výrobuelektrické energie, přičemž se do tohoto zpracovávanéhoodpadního plynu před zaváděním do spalovací komory vstři-kuje přídavné palivo. Tímto způsobem se množství spali-telných složek zvýší, čímž se rovněž zvýší teplota plynuodváděného ze spalovací komory na hodnotu pohybující sev rozmezí od 600 do 1100 °C. Toto přídavné palivo sevstřikuje do zpracovávaného odpadního plynu v plynnéformě, jako je například zemní plyn, plyn odpařovaný zkapaliny nebo plynný methanol, přičemž tento plyn se zcelaoxiduje působením katalyzátoru ve spalovací komoře.

Odpadní zpracovávaný plyn s množstvím spalitelných látekodpovídajícím výhřevné hodnotě pohybující se v rozmezí odO do 800 kJ/Nm^ se potom stlačuje v kompresoru 10a potom se dále zahřívá na maximální teplotu asi 380 °Cv tepelném výměníku 11 teplem obsaženým ve vypouštěnémplynu z plynové turbiny 16 . Tato teplota plynu odváděnéhoz tepelného výměníku 11 jeCdostačující k dosažení úplnéoxidace v katalytické komoře 14 aniž bylo třeba použíthořáku 12 , který se používá pouze v najížděcí fázi tohotopostupu. Přídavné palivo, jako například palivo ve forměplynu odpařovaného z kapaliny, se mísí s plynovým proudemv místě 13 pro vstřikování přídavného paliva za účelemdosažení požadované teploty (například teploty pohybujícíse v rozmezí od 700 do 900 °C) před zaváděním tohoto plynu - 8 - do turbiny 16 . K tomu, aby bylo dosaženo na vstupu dotéto turbiny teploty plynu 900 °C a při celkovém množstvíspalitelných složek ve zpracovávaném plynu odpovídajícívýhřevné hodnotě 800 kJ/Nm^ před spalovací katalytickoukomorou 14 musí být teplota zpracovávaného plynu navstupu do této katalytické spalovací komory asi 350 °C .Maximální přijatelné množství spalitelných látek vezpracovávaném plynu, které je ještě možno spalovat v tomtopostupu, je určeno teplotním rozdílem mezi minimálnívstupní teplotou do spalovací katalytické komory 14 ,ve které se na zde obsaženém katalyzátoru dosahuje úplnéoxidace, a maximální přijatelnou teplotou na vstupu doturbiny 16 . Jestliže se v této turbině 16 ponechá zpra-covávaný plyn expandovat z přetlaku 0,5 MPa na 0,1 MPa ,potom teplota za turbinou 16 bude asi 500 °C . Taktozískaný plyn po expanzi se potom chladí, přičemž nejdříve sechladí v tepelném výměníku 11 a potom v následující fáziv tepelném výměníku 18 , ze kterého se odvádí toto zbytkovéteplo ve formě páry nebo horké vody» Při spalování přídavného paliva v katalytickékomoře místo použití přídavného hořáku se dosahuje následu-jících výhod : - během katalytického spalování vzniká velmi malé množstvíoxidů dusíku NO v porovnání s tepelným spalováním zapomoci hořáku , - na výstupu ze spalovací katalytické komory se dosahujevysokých teplot plynu, přičemž tuto vysokou teplotuplynu na výstupu ze spalovací katalytické komory je možnoudržet konstantní a tím zajistit požadovanou vstupníteplotu plynu do turbiny nezávisle na změnách obsahuspalitelných látek v odpadním zpracovávaném plynu, čehož sedosáhne kontrolovaným nastřikováním paliva do tohoto zpra-covávaného odpadního plynu, takže výhřevná hodnota zpra-covávaného odpadního plynu na vstupu do spalovací komory se udržuje konstantní na požadované hodnotě. Z tohoto důvodu je možno použít pouze jednohopřídavného hořáku 12 před katalytickou komorou . Tentohořák 12 může být doplněn nebonahražen tepelným výměníkem,ve kterém dochází k zahřívání tohoto plynu prostřednictvímtepla plynu odváděného z plynové turbiny.

Claims (9)

1. 1. Způsob eliminování spalitelných látek obsa- žených ve vypouštěném vzduchu a/nebo odpadních plynechkatalytickým spalováním těchto spalitelných látek ,vyznačující se tím, že zahrnuje následující stupně : - stlačování vypouštěného plynu v kompresoru, - zahřívání tohoto stlačeného zpracovávaného odpadního plynu na teplotu požadovanou pro následující katalytickéspalování spalitelných odpadních látek v tomto zpracová-vaném plynu, - spalování a eliminování těchto spalitelných látek obsaženýchv tomto stlačeném a zahřátém zpracovávaném plynu kontakto-váním se spalovacím katalyzátorem uspořádaným ve spalovacíkomoře, a - expandování tohoto vypouštěného plynu podrobeného spalo-vání na atmosférický tlak v plynové expanzní turbině.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačují-cí se t í m , že uvedený aktivní katalyzátor prospalování plynu se vybere ze skupiny katalyzátorů na báziplatiny, paladia, mědi, manganu a chrómu.
3. 3. Způsob podle nároku 2 , vyznačují-cí se tím, že tento katalyzátor je nanesen nanosičovém materiálu s monolitickou strukturou.
4. 4. Způsob podle nároku 1, vyznačují-cí se tím, že se stlačený zpracovávaný plyn dáleohřívá na teplotu pohybující se v rozmezí od 250 °C do 600 °C před zaváděním do spalovací komory.
5. 5. Způsob podle nároku 4, vyznačují- - 11 - c í se tím, že stlačený zpracovávaný plyn je dálezahříván v zahřívací komoře opatřené přídavným hořákem. 6. c í sedále zahříváným plynem z Způsob podle nároku 4 , vyznačují-t í m , že stlačený zpracovávaný plyn se nepřímou tepelnou výměnou s vyčištěným vypouátě-expanzní turbiny.
6. 7. Způsob podle nároku 1, vyznačují-cí se tím, že uvedená expanzní turbina je připojenana generátor elektrické energie.
7. 8. Způsob podle nároku 6, vyznačují-cí se tím, že vypouštěný zpracovávaný plyn podrobe-ný spalování a odváděný ze spalovací komory se dále zahří-vá na teplotu pohybující se v rozmezí od 600 °C do 1200 °C , ve výhodném provedení na teplotu v rozmezí od700 °C do 1000 °C , před zaváděním tohoto zpracovávanéhoplynu k expandování v expanzní turbině.
8. 9. Způsob podle nároku 7, vyznačují-cí se tím, že spalovaný zpracovávaný plyn sezahřívá v zahřívací komoře opatřené přídavným hořákem.
9. 10. Způsob podle nároku 7, vyznačují-cí se t í m , že teplota spalovaného zpracováva-ného plynu se upraví na teplotu pohybující se v rozmezí od600 °C do 1200 °C smícháváním tohoto stlačeného zpraco-vávaného plynu s plynným palivem před katalytickým spalo-váním. Zastupuje : Dr. Pavel Zelený