Oblast techniky
Předložený vynález se týká způsobu odstranění NOX a N2.
Dosavadní stav techniky
Při mnoha procesech, mezi které patří například spalovací procesy nebo průmyslová výroba kyseliny dusičné, odpadá odpadní plyn obsahující oxid dusnatý NO a oxid dusičitý NO2 (tyto dva oxidy jsou společně označovány jako NOX), jakož i rajský plyn N2O. Zatímco oxid dusnatý a oxid dusičitý jsou již dlouhou dobu známé jako sloučeniny s ekotoxickým účinkem (kyselý déšť, tvorba smogu) a jsou celosvětově stanoveny hraniční hodnoty pro jejich maximální přípustné emise, obrací se v posledních letech rostoucí měrou pozornost ochránců životního prostředí také k rajskému plynu, poněvadž tento plyn přispívá nezanedbatelnou měrou k odbourávání stratosférického ozonu a ke skleníkovému efektu. Existuje tedy z ekologických důvodů potřeba technického řešení, které by umožnilo zamezit emisím rajského plynu a současně i emisím NOX.
Pro separátní odstranění N2O jsou již známé četné možnosti.
Při redukci NOX je možné uvést selektivní katalytickou redukci (SCR) NOX amoniakem v přítomnosti katalyzátorů tvořených TiO2 s obsahem vanadu (viz G. Ertl, K. Knózinger, J. Weitkamp: Handbook of heterogeneous Catalysis, sv. 4, str. 1633 až 1668, VCH Weinheim (1997)). Tato redukce se v závislosti na použitém katalyzátoru provádí při teplotě od asi 150 až do asi 450 °C a umožňuje odbourání více než 90 % NOX. Tato redukce představuje nejvíce používanou variantu pro snížení obsahu NOX v odplynech z průmyslových procesů.
Existují také způsoby redukce NOX na bázi zeolitových katalyzátorů, které probíhají za použití různých redukčních činidel. Vedle zeolitů s vyměněnou Cu (viz například EP-A 0 914 886) jeví se jako zajímavé pro praktické použití především zeolity obsahující železo.
Takto je v patentovém dokumentu US-A 4 571 329 popsán způsob redukce NOX v plynu, který je tvořen alespoň z 50 % oxidem dusičitým, pomocí amoniaku v přítomnosti zeolitu obsahujícího železo. Poměr NH3 kNO2 činí alespoň 1,3. Podle zde popsaného způsobu měly by být plyny obsahující NOX redukovány amoniakem, aniž by při tom došlo k tvorbě N2O jako vedlejšího produktu.
Patentový dokument US 5 451 387 popisuje způsob selektivní katalytické redukce NOX za použití NH3 na zeolitech obsahujících železo, který se provádí při teplotách okolo 400 °C.
Na rozdíl od snižování obsahu NOX v odplynech, které je již mnoho let součástí stavu techniky, existuje pro odstraňování N2O jen málo technických procesů, které jsou většinou zaměřeny na katalytické nebo tepelné odbourání N2O. Přehled katalyzátorů, jejichž zásadní vhodnost k odbourání a k redukci rajského plynu již byla prokázána, poskytuje Kapteijn a kol. (Kapteijn F a kol., Appl. Cat. B: Environmental 9 (1996) 25 až 64).
Jako obzvláště vhodné k tomuto účelu se ukázaly zeolitové katalyzátory obsahující Fe a Cu, které způsobují buď čistý rozklad N2O na N2 a O2 (US-A 5 171 553), nebo také slouží ke katalytické redukci N2O pomocí NH3 nebo uhlovodíků na N2 a H2, popřípadě CO2.
Takto je v patentovém dokumentu JP-A 07 126 popsán způsob redukce N2O pomocí NH3 v přítomnosti železo-obsahujícího zeolitu pentasilového typu při teplotách od 450 °C. Odbourání N2O, kterého se dosáhne pomocí tohoto způsobu, činí asi 71 %.
-1 CZ 304536 B6
Mauvezin a kol. uvádějí vCatal. Lett. 62 (1999) 41 až 44 přehled vhodnosti různých zeolitů s vyměněným železem typu MOR, MFI, BEA, FER, FAU, MAZ a OFF. Přitom může být pomocí těchto katalyzátorů pouze v případě Fe-BEA dosaženo přidáním NH3 při teplotě nižší než 500 °C více než 90% redukce N2O.
Z hlediska jednoduchosti a hospodárnosti je obzvláště žádoucí jednostupňový způsob, což znamená použití jediného katalyzátoru pro redukci jak NOX, tak i N2O.
Redukce NOX amoniakem může sice probíhat při teplotách nižších než 400 °C, však pro redukci N2O je obecně třeba, jak již bylo zmíněno, obecně teplot vyšších než 500 °C.
To není nevýhodné pouze proto, že zahřívání odplynů na tyto teploty znamená větší spotřebu energie, nýbrž především proto, že použité zeolitové katalyzátory nejsou za těchto podmínek v přítomnosti vodní páry odolné vůči stárnutí.
V novějších zveřejněných materiálech je proto popsána redukce N2O a NOX v přítomnosti uhlovodíků za použití zeolitů obsahujících železo jako katalyzátorů, přičemž může být sice teplota redukce N2O snížena na teploty pod 450 °C, avšak dosáhne se přitom pouze relativně nízké konverze (nejvýše pod 50 %) (Kogel a kol., J. Catal. 182 (1999)).
V nejmladší patentové přihlášce (JP-A 09 000 884) je popsáno současné použití amoniaku a uhlovodíků. Uhlovodíky v tomto případě selektivně redukují N2O obsažený v odplynu, zatímco redukce NOX probíhá působením přidaného amoniaku. Celkový proces může být prováděn při teplotách nižších než 450 °C. Při reakci N2O s uhlovodíkem vzniká v nezanedbatelné míře jedovatý oxid uhelnatý, což vyžaduje následné čistění odpadního plynu za účelem odstranění CO z odplynu. Aby se dalekosáhle zamezilo tvorbě CO, bylo navrženo použít dále zařazený katalyzátor na bázi Pt/Pd.
Dodatečné dopování zeolitového katalyzátorů platinou je známé z Kogel a kol., Chemie Ingenieur Technik 70 (1998) 1164.
Starší předběžně nezveřejněný patentový dokument WO-A 00/48715 popisuje způsob, při kterém se odplyn, který obsahuje NOX a N2O, vede při teplotách mezi 200 a 600 °C přes zeolitový katalyzátor s obsahem železa typu Beta, přičemž odplyn kromě toho obsahuje NH3 v molámím poměru mezi 0,7 a 1,4, vztaženo na celkové množství NOX a N2O. NH3 zde slouží jako redukční činidlo jak pro NOX, tak i pro N2O. Tento způsob je sice jednostupňový a probíhá při teplotách nižších než 500 °C, má však stejně jako výše uvedené způsoby zásadní nevýhodu spočívající v tom, že k odstranění obsahu N2O je zapotřebí asi ekvimolámí množství redukčního činidla (zde NH3).
Cílem vynálezu je poskytnout jednoduchý, ale hospodárný způsob, při kterém by podle možnosti byl použit pouze jeden katalyzátor, který by umožňoval dobrou konverzi při odbourání, jak NOX, tak i při odbourání N2O, kteiý by se vyznačoval minimální spotřebou redukčního činidla a při kterém by nevznikaly žádné další ekologicky škodlivé vedlejší produkty.
Podstata vynálezu
Výše uvedeného cíle je dosaženo vynálezem.
Předmětem vynálezu je způsob snížení obsahu NOX a H2O v procesních plynech a odplynech, přičemž se tento způsob provádí v přítomnosti katalyzátoru, výhodně jediného katalyzátoru, který v podstatě obsahuje jeden nebo více zeolitů obsahujících železo, přičemž plyn obsahující N2O a NOX se vede za účelem odstranění N2O v prvním stupni v reakční zóně I při teplotě nižší než
-2CZ 304536 B6
500 °C přes katalyzátor a výsledný proud plynu se ve druhém stupni dále vede v reakční zóně II přes zeolitový katalyzátor obsahující železo, přičemž k tomuto proudu plynu se přidá podíl NH3 dostatečný k redukci NOX (viz obr. 1).
Dosažení tak nízké teploty rozkladu N2O je podmíněno přítomností NOX. Bylo zjištěno, že NOX jako aktivační činidlo urychluje v přítomnosti zeolitů obsahujících železo odbourávání N2O.
Pro stechiometrická množství N2O a NO je tento účinek popsán v Kapteijn F., Mul G., Marban G., Rodriguez-Mirasol J., J. A., Studies in Surface Science and Catalysis 101 (1996) 641 až 650 a vysvětluje se reakcí N2O s NO podle následující rovnice:
NO + N2O —> NO2 + N2.
Poněvadž ale bylo nyní zjištěno, že zeolity obsahující železo katalyzují také rozklad vytvořeného NO2 podle rovnice:
NO2 <-> 2 NO + O2, jsou také substechiometrická množství NOX dostatečná k urychlení odbourání N2O. Tento efekt se s přibývající teplotou citelně zesílí.
Při použití jiných katalyzátorů neprobíhá žádné kokatalytické působení NO na odbourání N2O.
Způsob podle vynálezu umožňuje provádět jak rozklad N2O, tak i redukci NOX při jednotně nízké provozní teplotě, což u způsobů popsaných v rámci techniky až dosud nebylo možné.
Při použití zeolitů obsahujících železo, výhodně zeolitů typu MFI, obzvláště Fe-ZSM-5, probíhá odbourání N2O podle výše uvedených reakčních rovnic v přítomnosti NOX při teplotách, při kterých by rozklad N2O bez NOX nebyl vůbec možný.
Po opuštění první reakční zóny leží obsah N2O v rámci způsobu podle vynálezu v rozmezí od 0 do 200 ppm, výhodně v rozmezí od 0 do 100 ppm, zejména v rozmezí od 0 do 50 ppm.
Dalším předmětem vynálezu je zařízení pro snížení obsahu NOX a N2O v procesních plynech a odplynech zahrnující alespoň jedno katalyzátorové lože obsahující katalyzátor, který v podstatě obsahuje jeden nebo více zeolitů obsahujících železo, a dvě reakční zóny, přičemž první zóna (reakční zóna II) je redukován NOX a mezi první a druhou zónou se nachází zařízení pro přivedení plynného NH3 (viz obr. 1 a obr. 2).
Provedení katalyzátorového lože je v rámci vynálezu vytvořeno libovolným vhodným způsobem. Může mít například formu trubkového reaktoru nebo reaktoru ve tvaru radiálního koše. Také prostorové oddělení reakčních zón, jak je zobrazeno na obr. 2, odpovídá smyslu vynálezu.
Katalyzátory použité v rámci vynálezu obsahují v podstatě více než 50 % hmotnosti, zejména více než 70 % hmotnosti, jednoho nebo více zeolitů obsahujících železo. Takto může být například v katalyzátoru použitém v rámci vynálezu vedle zeolitu Fe-ZSM-5 obsažen další železoobsahující zeolit, jakým je například zeolit typu MFI nebo MOR. Kromě toho může katalyzátor použitý v rámci vynálezu obsahovat další o sobě známé přísady, jako například pojivo. Katalyzátory podle vynálezu jsou výhodně založeny na zeolitech, do kterých bylo zabudováno iontovou výměnou v pevné fázi železo. Obvykle se přitom vychází z komerčně dostupných amonium-zeolitů (například MHt-ZSM-5) a z odpovídajících solí železa (například FeSO4 x 7 H2O), přičemž se tyto složky mechanicky vzájemně intenzivně promísí v kulovém mlýnu při okolní teplotě (Turek a kol., Appl. Catal. 184, (1999) 249 až 256, EP-A-0 955 080). Takto získaný katalyzátorový prášek se potom kalcinuje v komorové peci na vzduchu při teplotě v rozmezí od 400 do 600 °C. Po kalcinaci se zeolit obsahující železo intenzivně promíchá v destilované vodě a po
-3 CZ 304536 B6 odfiltrování se vysuší. Potom se k takto získanému zeolitu obsahujícímu železo přidá vhodné pojivo, získaná směs se promísí a posléze vytlačuje například do tvaru válečkovitých katalyzátorových tělísek. Jako pojivá jsou vhodná obvykle používaná pojivá, přičemž nejvíce používanými pojivý jsou v daném případě hlinitokřemičitany, jako například kaolin.
V rámci vynálezu obsahují použitelné zeolity železo. Obsah železo, vztažený na hmotnost zeolitu, může přitom činit až 25 %, výhodně však 0,1 až 10 %. Výhodně jsou zeolit nebo zeolity obsahující železo a obsažené v katalyzátoru zeolity typu MFI, BEA, FER, MOR nebo/a MEF.
Přesné údaje týkající se výstavby nebo struktury těchto zeolitů jsou uvedeny v Atlas of Zeolithe Structure Types, Elsevier, 4* revised Edition 1996. Výhodnými zeolity v rámci vynálezu jsou zeolity typu MFI (pentasil) nebo MOR (mordenit). Obzvláště výhodnými zeolity jsou zeolity typu Fe-ZSM-5.
Reakční zóna I a reakční zóna II mohou být buď prostorově vzájemně spojeny, jak je to zobrazeno na obr. 1, takže plyny obsahující oxidy dusíku jsou kontinuálně vedeny přes katalyzátor, nebo mohou být vzájemně prostorově odděleny, jak je to zobrazeno na obr. 2.
Při způsobu podle vynálezu se v reakčních zónách I a II používají zeolity obsahující železo. Přitom mohou být v uvedených zónách použity rozdílné katalyzátory anebo může být výhodně v obou zónách použit jeden a tentýž katalyzátor.
Při prostorovém rozdělení reakčních zón je možné nastavit teplotu druhé zóny, popřípadě do ní vstupujícího plynného proudu odvodem nebo přívodem tepla tak, že je nižší nebo vyšší než teplota v první zóně.
Teplota reakční zóny I, ve které se odbourává rajský plyn, je při způsobu podle vynálezu nižší než 500 °C, výhodně v rozmezí od 350 do 500 °C. Teplota reakční zóny II výhodně odpovídá teplotě reakční zóny I.
Způsob podle vynálezu se obecně provádí za tlaku v rozmezí od 0,1 do 5 MPa, výhodně v rozmezí od 0,1 do 2,5 MPa. Dodávka plynného NH3 mezi reakčními zónami 1 a 2, tzn. za reakční zónou I a před reakční zónou II, se provádí vhodným zařízením, jakým je například odpovídající tlakový ventil nebo obdobně vytvořené trysky.
Plyn obsahující oxidy dusíku se obvykle vede přes katalyzátor prostorovou rychlostí 2 až 200 000 h“1, výhodně 5 000 až 100 000 h1, vztaženo na sečtené objemy katalyzátorů v obou reakčních zónách.
Obsah vody v reakčním plynu je výhodně nižší než 25 % obj., obzvláště nižší než 15 % obj. Výhodný je obecně nižší obsah vody.
Při redukci NOX v reakční zóně II hraje vysoký obsah vody podřadnou úlohu vzhledem k tomu, že se zde již při relativně nízkých teplotách dosahuje vysokého stupně odbourání NOX.
V reakční zóně I je obecně výhodný relativně nízký obsah vody, neboť by zde velmi vysoký obsah vody vyžadoval vysoké provozní teploty (například vyšší než 500 °C). To by mohlo v závislosti na použitém typu zeolitu a na provozní době překročit hydrotermální stabilitní hranice katalyzátoru. Obsah NOX zde ovšem hraje rozhodující úlohu, neboť tento obsah může eliminovat deaktivaci vodou, jak to bylo popsáno v nezveřejněné německé přihlášce 100 01 540.9 se stejnou prioritou.
Také přítomnost CO2, jakož i dalších deaktivuj ící ch složek reakčního plynu, které jsou odborníkovi v daném oboru známy, by měly být podle možností omezena na minimum vzhledem k tomu, že by mohly negativně ovlivnit odbourávání N2O.
-4CZ 304536 B6
Všechny tyto faktory ovlivňující reakce probíhající v rámci vynálezu, stejně jako zvolené množství katalyzátoru a tedy i prostorovou rychlost plynu je třeba vzít v úvahu při volbě vhodných provozních teplot v reakčních zónách. Odborníkovi je vliv těchto faktorů na rychlost odbourání N2O znám, přičemž tento odborník je schopen tyto faktory v rámci své odbornosti zohlednit.
Způsob podle vynálezu umožňuje odbourat N2O a NOX na N2, O2 a H2O při teplotách nižších než 500 °C, výhodně při teplotách nižších než 450 °C, aniž by přitom docházelo k tvorbě ekologicky škodlivých vedlejších produktů, jako je například oxid uhelnatý, které by potom musely být zase odstraňovány. Redukční prostředek, kterým je NH3, se přitom spotřebovává pro redukci NOX, nikoliv však nebo pouze nepodstatně pro odbourání N2O.
Stupně konverze N2O a NOX dosažené v rámci vynálezu jsou vyšší než 80 %, výhodně vyšší než 90 %. Způsob podle vynálezu je takto, pokud jde o jeho účinnost a tedy o dosažitelnou míru odbourání N2O a NOX a o provozní a investiční náklady, jednoznačně lepší než odpovídající způsoby dosavadního stavu techniky.
V následující části popisu bude vynález blíže ilustrován pomocí konkrétního příkladu jeho provedení, přičemž tento příklad má pouze ilustrační charakter a nikterak neomezuje rozsah vynálezu, který je jednoznačně definován formulací patentových nároků a obsahem popisné části.
Příklady provedení vynálezu
Jako katalyzátor byl použit zeolit obsahující železo typu ZSM-5. Výroba tohoto Fe-ZSM-5 katalyzátoru se provádí iontovou výměnou v pevné fázi, přičemž se vychází z komerčně dostupného zeolitu v amoniovém cyklu (Alsipenta, SM27). Detailní údaje pro přípravu tohoto zeolitu lze najít v M. Rauscher, K. Kesore, R. Mónig, W. Schwieger, A-Tissler, T. Turek: Preparation of highly active Fe-ZSM-5 catalyst through solid statě ion exchange for the catalytic decomposition of N2O, in Appl. Catal. 184 (199) 249 až 256.
Katalyzátorové prášky se potom kalcinují na vzduchu po dobu 6 hodin při teplotě 823 K, promyjí a vysuší přes noc při teplotě 383 K. Po přidání odpovídajícího pojivá, následuje vytlačování na válečkovitá katalyzátorová tělíska, která se potom rozdrtí na granulát s velikostí částic v rozmezí od 1 do 2 mm.
Jako zařízení pro snížení obsahu NOX a N2O se použijí dva za sebou zařazené trubkové reaktory, které jsou naplněny takovými množstvími výše uvedeného katalyzátoru, že se vždy dosáhne, vztaženo na vstupující plynný proud, prostorové rychlosti 10 000 h1. Mezi oběma reaktory se přidává plynný NH3. Provozní teplota reakčních zón se nastaví zahříváním. Analýza plynného proudu vstupujícího do zařízení a vystupujícího ze zařízení se provádí pomocí analyzátorů plynů FTIR.
Při vstupních koncentracích 1 000 ppm N2O, 1 000 ppm NOX, 2 500 ppm H2O a 2,5 % obj. O2 v N2 a při mezilehlém přidání NH3 rezultují při jednotné provozní teplotě 400 °C konverzní výsledky pro N2O, NOX a NH3, které jsou uvedeny v následující tabulce.
-5CZ 304536 B6
Tabulka
|
Vstupní
koncentrace |
Výstupní
koncentrace |
Stupeň
konverze |
n2o |
1 000 ppm |
39 ppm |
96,1 % |
NO2 (x=1-2) |
1 000 ppm |
78 ppm |
92,2 % |
nh3 |
1 200 ppm*’ |
0 ppm |
100 % |
*) přidán mezi první a druhou reakční zónou