FI12950Y1 - Laitteisto päästöjen puhdistamiseksi - Google Patents

Description

LAITTEISTO PÄÄSTÖJEN PUHDISTAMISEKSI Keksinnön kohde Edellä oleva keksintö koskee itsenäisen suojavaatimuksen mukaista laitteistoa kaa- — sujen puhdistamiseksi hiilivetypitoisia polttoaineita polttavissa laitoksissa. Keksintö liittyy yleisesti kattiloiden, kaasuturbiinien, dieselvoimaloiden ja muiden energialai- tosten kaasumaisten päästöjen puhdistamiseen. Keksintö kohdistuu katalysaattorei- hin ja lämmönsiirtimiin sekä uudenlaisiin ratkaisuihin lämmönsiirron tehostamiseksi sekä päästöjen ja kustannusten alentamiseksi.

Keksinnön tausta Energian polttolaitosten päästömääräykset ovat kaikkialla maailmassa kiristymässä ilmastonmuutoksen hidastamiseksi. Savukaasuissa esiintyvät haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC) ja typen oksidit (NO;) reagoivat ilmakehässä muodostaen alailma- — kehän otsonia. Hallitustenvälisen ilmastonmuutospanelin (IPCC) mukaan NOyx-pääs- töt ovat arviolta 40 kertaa pahempia kuin hiilidioksidi (CO2) kun taas VOC-päästöjen epäsuora CO>-kasvihuonekaasukerroin on 11. Näillä päästöillä on siten merkittävä negatiivinen vaikutus ilmastonmuutokseen.

— Koska VOC- ja NOy-paastdjen vähennystekniikka on kehittynyt, viranomaiset ovat asettamassa uusien ilmaston lämpenemistietojen takia paljon tiukempia vaatimuksia kaikille suorille ja epäsuorille kasvihuonekaasuille. USA:ssa päästömääräyksiä anta- vat ja valvovat yhdessätoista osavaltiossa California Air Resources Board (CARB) ja muissa osavaltioissa United States Environmental Protection Agency (EPA). Euroo- _ 25 — passa Europan Unioni (EU) määrittää paalinjat, mutta esimerkiksi VOC-päästödirek- O tiivi EY/13 1999 sallii paikallisten viranomaisten säätää tiukemmat rajat. Tiukin di- se rektiivin EY/13 aikanaan antama VOC-raja-arvo oli 150 mg/nm3. Nyt EU:n raja-arvot N määrittää direktiivi EU/2016/902. Maailmalla ja EU:ssa yleinen raja-arvo on 20 = mg/NmM?. Joissain kohteissa ja maissa raja on jo 5 mg/Nm?. Kiinan suurissa kaupun- > 30 — geissa, kuten Pekingissä, NO,-päästöraja on 20 mg/Nm? ja rajaa ollaan laskemassa & arvoon 5 g/Nm?. Hyvin harvalla päästöjen käsittelytekniikalla tämä raja voidaan saa- = vuttaa.

8 5

Yleisesti ottaen dieselmoottorien, kattiloiden, kaasuturbiineiden ja tulisijojen savu- kaasu on laihaa.

Savukaasut puhdistetaan usein hapettamalla VOC- ja häkä (CO)- päästöt termisesti tai katalyyttisesti ja pelkistämällä NOx-kaasut selektiivisellä kata- lyyttisellä pelkistämisellä (SCR), joko ammoniakin tai urean avulla.

Koska energian — tuotantolaitteiden savukaasun lämpötila on alhaisempi (n. 150-2002C) kuin pelkis- tyslämpötila (n. 350°C), on savukaasun lämpötilaa nostettava.

Apuna voidaan käyt- tää lämmönsiirtimiä, jotka ovat useimmiten rakenteeltaan rekuperatiivisia, joiden lämmönsiirron hyötysuhde on alhainen (n. 50 %). Myös muutamia hyötysuhteeltaan tehokkaampia regeneratiivisia lämmönsiirrinratkaisuja on kehitetty.

Kaikille näille on — yhteistä se, että lämmönsiirtimet liitetään SCR-katalysaattoriin erillisillä putkistoilla.

Ratkaisut ovat kalliita ja paljon tilaa tarvitsevia.

Tällaisia ovat esimerkiksi julkaisuissa CN110579116, CN109707495, TN2011000650 ja US2016310893 esitetyt ratkaisut.

Samoista perusperiaatteesta huolimatta nämä kaikki eroavat oleellisesti nyt tehdystä keksinnöstä.

Niissä laitteistot muodostuvat erillisistä yksiköistä, jotka ovat putkistolla — yhdistetty toisiinsa, eivätkä ne sisällä kaikkia tarvittavia hapetus- ja pelkistystoimin- toja.

Regeneratiivista lämmönsiirrinratkaisua hyödyntävä VOC-yhdisteiden käsittelylait- teisto on esitetty julkaisussa FI128603. Tämä ratkaisu käsittää hapetuskatalysaatto- — rin, mutta ei pelkistyskatalysaattoria, jolloin samanaikainen NO,-päästöjen elimi- nointi ei ole mahdollista.

Keksinnön kuvaus Keksinnön kohteena on savukaasujen puhdistuslaitteisto, erityisesti dieselmootto- _ 25 — rien, kattiloiden, kaasuturbiineiden ja tulisijojen savukaasujen puhdistuslaitteisto.

O Keksinnön mukaiselle laitteistolle on tunnusomaista itsenäisen suojavaatimuksen 1 se tunnusmerkkiosassa esitetyt asiat.

Laitteistossa puhdistettava savu- tai pakokaasu N lämmitetään reaktiolämpötilaan, jonka jälkeen kaasu ohjataan hapetuskatalysaatto- = rivyöhykkeeseen, jossa on ainakin yksi hapetuskatalysaattori hiilivety- ja häkäpääs- > 30 — töjen hapettamiseksi.

Hapetuskatalysaattorivyöhykkeen jälkeen on annostelulait- 2 teisto pelkistinaineelle, kuten ammoniakille (NH3) tai urealle, jonka avulla typen oksi- N dit (NOx) pelkistetään pelkistyskatalysaattorivyöhykkeessä, jossa on vähintään yksi S pelkistyskatalysaattori, esimerkiksi SCR-katalysaattori.

Laitteistossa on kaasun vir- taussuunnassa tämän jälkeen vielä kolmas hapetuskatalysaattorivyöhyke, jossa mahdolliset NH3-, CO- ja VOC-jäämät hapetetaan. Reaktioissa muodostunut lämpö kerätään lämmönsiirtimiin. Rakenteeltaan laitteisto on kaksikammioinen, mikä mahdollistaa regeneratiivisten lämmönsiirtimien käytön. Tällöin virtaussuuntaa vaihdetaan tarvittaessa lämpötila- tai aikaohjauksella. Keksinnön mukaisessa laitteistossa edellä mainitut savukaasun puhdistuksessa tar- vittavat toiminnot ovat sijoitettu yhteen kompaktiin laitteeseen ilman yhtään yhdys- putkea. Laitteistossa lämmitetään kaasu, hapetetaan VOC- ja CO- päästöt, pelkiste- tään NOx-päästöt sekä hapetetaan mahdollinen ammoniakkiylijäämä ja kerätään energia varaajaan. Lämmönsiirtimen korkean, usein jopa 90 %:n tehon ansiosta li- säenergian kulutus on pieni tai sitä ei lainkaan tarvita, koska hapetusreaktion lisäksi myös pelkistysreaktio on lievästi eksoterminen. Nykytekniikan ratkaisussa ongelmana on laitosten suuri koko ja energiakulutus, joh- — tuen osittain alhaisemman tehon lämmönsiirtimistä ja erillisistä laitoksista, jotka ovat liitettynä toisiinsa putkiyhteyksillä. Nykytekniikan SCR-pelkistimissä on lisäksi ongel- mana ammoniakkijäämän, eli ammoniakkislipin pääseminen ilmakehään. Keksinnön mukainen kolmivaiheinen hapetus-, pelkistys- ja hapetuslaitteisto ratkaisee edellä mainitut ongelmat energia-, tila- ja kustannustehokkaalla tavalla.

Kuvioiden lyhyt kuvaus Keksintöä kuvataan seuraavaksi viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa: O kuva 1 on poikkileikkauskuva eräästä keksinnönmukaisesta laitteistosta.

O <Q

N I 25 —Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus o & Uusi savukaasujen puhdistuslaitteisto on pienikokoinen integroitu yksikkö, jossa on = kaikki edellä kuvatut toiminnot. Keksinnön mukainen laitteisto käsittää vähintään yh- N den tulokanavan, jonka kautta puhdistettava kaasu ohjataan reaktoriin. Tämä ta- pahtuu edullisesti laitteistossa olevan välitilan (1) kautta, esimerkiksi sisääntulopuhaltimen avulla. Reaktorissa on vähintään kaksi kammiota (2, 29, jolloin kumpikin kammio käsittää vähintään yhden lämminsiirtimen tai lämmönsiirrinken- noston (3, 3”), joka lämmittää puhdistettavan kaasun reaktiolämpötilaan ja/tai va- rastoi reaktiossa syntynyttä energiaa, vähintään yhden hapetuskatalysaattorin (4, 4), vähintään yhden pelkistyskatalysaattorin (5, 5") ja välineet (6, 6) pelkistinaineen lisäämiseksi kaasuun ennen pelkistyskatalysaattoria. Laitteisto käsittää lisäksi vähin- tään yhden kaasun poistokanavan, laitteiston tukienergian tuottamiseksi, ja ohjaus- järjestelmän reaktioiden ja kaasun suunnanvaihdon ohjaamiseksi. Kammioiden vä- lissä on tila (1), johon kaasun virtaussuuntaa ohjaavat venttiilit sekä kaasun tulo- ja — poistokanavat edullisesti ovat järjestettynä. Kuvassa 1 kaasun tulo- ja poistovirtauk- set ovat esitettynä esimerkinomaisesti katkoviivoilla. Mainittu ohjausjärjestelmä on edullisesti automaattinen, jolloin suunnanvaihto tapahtuu esim. lämpötila- tai aika- ohjauksen avulla. Ohjauksen avulla voidaan säätää kaasun suunta, virtausnopeus ja lämpötila, esimerkiksi puhallintehon tai lämmitystehon muutoksilla. Edullisesti oh- —jaus on automatisoitu lämpötila-antureiden antamien tietojen perusteella. Puhdistuslaitteistoon tuleva kaasu on tyypillisesti lämpötilassa noin 150-200%€. Kaasu lämmitetään mainitun vähintään yhden lämmönsiirtimen tai lämmönsiirrin- kennoston (3, 3") avulla 300-350°C:n toimintalämpötilaan. Lämmönsiirrin tai läm- mönsiirrinkennosto (3, 3") on edullisesti rakenteeltaan ja toimintaperiaatteeltaan re- — generatiivinen, esimerkiksi sekoittava metallirakenteinen lämmönsiirrin. Lämmönsiir- timessä toinen puoli lämmittää tulokaasua ja toinen puoli kerää energian talteen. Lämmönsiirrin on sijoitettuna kaasun virtaussuunnassa ennen hapetuskatalysaatto- ria tai tämän yhteydessä.

— Seuraavaksi kaasu kulkee mainittuun vähintään yhteen hapetuskatalysaattoriin (4, O 25 4), joka edullisesti on metallirakenteinen platinalla (Pt) ja/tai palladiumilla (Pd) akti- g voitu hapetuskatalysaattori. Rakenteeltaan tämä on edullisesti sekoittava ristivirtaus- N katalysaattori. Myös erilaisia honeycomb-ratkaisuja ja muita monikerros-katalyyttira- Ek kenteita voidaan ajatella käytettäviksi. Jalometallilataus on esimerkiksi 30 g/ft?. Siinä N CO- ja VOC- päästöt hapetetaan ja samalla nostetaan savukaasun lämpötilaa, sillä S 30 — hapetusreaktio on eksoterminen.

N N Hapetuskatalysaattorivyöhykkeen jälkeen on kaasun virtaussuunnassa järjestetty vä- lineet (6, 6,) pelkistinaineen lisäämiseksi kaasuun ennen mainittua vähintään yhtä pelkistyskatalysaattoria (5, 5"). Pelkistysaine on usein ammoniakki tai urea, jota edullisesti annostellaan kaasuvirtaan sumuttamalla. Välineet (6, 6") pelkistinaineen lisäämiseksi ovat siten esimerkiksi suihkutusputket. Eräässä edullisessa sovellusmuo- dossa laitteistossa on venttiileillä varustettu putkiyhteys erilliseen pelkistinainesäili- 5 — öön ja automaattinen annostelulaitteisto pelkistinaineen annostelemiseksi. Pelkistys- katalysaattori (5, 5") on edullisesti selektiivinen pelkistyskatalysaattori (SCR). Eräässä sovellusmuodossa mainittu pelkistyskatalysaattori on kaksiosainen. Raken- teeltaan tämä voi olla metallifoliosta tai -levystä, esimerkiksi aaltolevystä, valmis- tettu sekoittavarakenteinen kennosto, esimerkiksi divanadiinipentoksidilla (V2Os) ak- — tivoitu kennosto.

Pelkistyskatalysaattorin (5, 5") jälkeen on kaasun virtaussuunnassa järjestetty toinen hapetuskatalysaattori (4”, 4), joka edullisesti on rakenteeltaan samanlainen kuin en- simmäinen hapetuskatalysaattori (4, 4). Siinä hapetetaan mahdolliset NH3-, CO- ja VOC-jäämät.

— Kaasun virtaussuunnassa on toisen hapetuskatalysaattorivyöhykkeen (4, 4) jälkeen järjestetty toinen lämmönsiirrin (3”, 3), joka edullisesti on rakenteeltaan samanlai- nen kuin ensimmäinen lämmönsiirrin (3, 3"). Siihen kerätään reaktioissa lämminneen kaasun energia. Edullisesti tämä muodostaa tulopuolen samanlaisen lämmönsiirti- men kanssa tehokkaan regeneratiivisen lämmönsiirtimen, joka edellyttää virtaus- — suunnan määräaikaisen vaihtamisen. Tämä tapahtuu laitteiston ohjausjärjestelmällä, joka edullisesti toimii automaattisella lämpötila- tai aikaohjauksella, esimerkiksi hyö- dyntäen katalysaattorien jälkeen sijaitsevia lämpötila-antureita.

Virtaussuunnan vaihdosta aiheutuvien häviöiden minimoimiseksi laitoksessa on edul- S lista käyttää lyhytiskuiset ja nopeat venttiilit, joiden toiminta-aika on korkeintaan O 25 0,1 s, usein 0,05-0,1 s. <Q = Eräässä erityisen edullisessa sovellusmuodossa laitteiston kumpikin kammio käsittää E ainakin kaksi virtauskanavaa. Virtauskanavat ovat pelkistyskatalysaattoreiden jal- s keen yhdistettynä toisen kammion vastaaviin virtauskanaviin, jolloin laitteisto on Sg olennaisesti U-muotoinen ja jolloin kukin kanava kaasun kulkusuunnassa käsittää 3 30 — ensimmäisen lämmönsiirtimen tai lämmönsirrinkennoston (3, 3"), ensimmäisen ha- > petuskatalysaattorivyöhykkeen (4, 4), ensimmäisen pelkistyskatalysaattorivyöhyk- keen (5, 5), toisen pelkistyskatalysaattorivyöhykkeen (5’, 5), toisen hapetuskatalysaattorivyöhykkeen (4, 4) ja toisen lämmönsiirtimen tai lämmönsiirrin- kennoston (3’, 3). Puhdistettava kaasu syötetään kammioihin vuorotellen, jolloin puhdistettava kaasu kulkee kanavissa vastakkaisiin suuntiin. Lämmönsiirtimien toi- nen puoli lämmittää tulokaasua ja toinen puoli kerää energian talteen. Rakenteel- — taan laitteisto voi olla kuvan 1 mukainen laitteisto, jonka yläosassa on kammiot yh- distävä välitila, joka on pysyvästi auki ja mahdollistaa kaasun virtauksen puolelta toiselle.

Esillä olevan keksinnön mukaisessa laitteistossa lämmönsiirrin valmistetaan edulli- sesti vinoon aallotetuista metallifolioista tai -levyistä. Nämä voivat olla järjestettynä — ristikkäin siten, että ne muodostavat suorakaiteen muotoisia kennoja, joissa virtaus- kanavistot risteilevät. Pelkistyskatalysaattorit ovat lähtökohtaisesti aktivoitu divanadiinipentoksidilla (V2Os) ja hapetuskatalysaattorit Pt- tai Pd/Pt -pitoisilla pinnoitteilla. Pinnoitteita voidaan tar- vittaessa vaihtaa. Tehokkaan lämmönsiirron ansiosta laitteisto toimii erittäin alhaisella tukienergialla. Laitteisto tukienergian tuottamiseksi on esimerkiksi kaasu- tai sähkökäyttöinen läm- mitysjärjestelmä, jota tarvitaan erityisesti laitteiston käynnistysvaiheessa. Markkinoilla oleviin ja tunnettuihin ratkaisuihin verrattuna laitteiston arvioitu energi- — ankulutus on oleellisesti alhaisempi. Tämä johtuu metallirakenteisista lämmönsiirti- mistä, joissa on suuri lämmönsiirtopinta-ala sekä sekoittavilla virtauskanavistoilla te- hostetusta lämmönsiirrosta. Sekoitus rikkoo laminaarisen virtauksen kennojen kana- vissa ja tehostaa lämmön- ja aineensiirtoa reaktoreissa. Sekoituksen ansiosta ai- N neensiirron tehokkuutta kuvaava Nusseltin luku kolminkertaistuu. Laitteiston läm- N 25 — mönsiirtoteho on siten usein 80-90 %. Edullisesti laitteisto on olennaisesti valmis- = tettu ruostumattomasta teräksestä, joka on esimerkiksi EN-standardia 1.4512. Me- > tallirakenteista ja integroidusta rakenteesta johtuen laitteisto on pieni kompakti yk- E sikkö. Laitteiston yksi etu on, että standardiosia hyväksikäyttämällä voidaan raken- & taa laitokset, joiden kapasiteetti on 1500, 5000, 11 000, 16 000, 23 000 ja 30 000 3 30 —Nm?/h.

S > Keksinnön mukaisella laitteistolla saavutetaan tehokas savukaasujen puhdistus, jossa NOx, VOC, CO-konversiot ovat yli 99 % sekä ammoniakkislipin osuus minimoitu. Laitteistojen yhdistämisen ja tehokkaampien lämmönsiirtimien ansiosta laitoksen koko pienenee noin kolmasosaan perinteiseen laitteistoon verrattuna. Li- säksi laitoksen energiankulutus on alhainen. Tehokkaiden lämmönsiirtimien ansiosta laitteiston autoterminen piste on usein n. 1 g/Nm3.

Keksinnön mukaisen tekniikan käyttämät regeneratiiviset lämmönsiirtimet ovat levy- rakenteisia ja niiden virtauskanavat ovat sekoittavia. Samanaikainen NOx-, VOC- ja CO- päästöjen eliminointi sekä kompakti koko alentavat laitoksen kustannuksia.

N O N

O <Q

N

I jami o 0) 0

O +

N O

N 5

Claims (6)

Suojavaatimukset

1. Laitteisto VOC-, CO- ja NOx-pitoisten kaasujen puhdistamiseksi tunnettu siitä, että laitteisto käsittää - — vähintään yhden tulokanavan, jonka kautta kaasu ohjataan reaktoriin, - — vähintään kaksi kammiota (2, 2"), kumpikin käsittäen - — vähintään yhden lämmönsiirtimen tai lämmönsiirrinkennoston (3, 3), joka lämmittää puhdistettavan kaasun reaktiolämpötilaan ja/tai varas- toi reaktiossa syntynyttä energiaa, - — vähintään yhden hapetuskatalysaattorin (4, 4), - — vähintään yhden pelkistyskatalysaattorin (5, 5), - — välineet (6, 6”) pelkistinaineen lisäämiseksi kaasuun ennen pelkistys- katalysaattoria (5, 5”), - — vähintään yhden kaasun poistokanavan, - laitteiston tukienergian tuottamiseksi, - — ohjausjärjestelmän reaktioiden ja kaasun suunnanvaihtojen ohjaamiseksi.

2. Suojavaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistossa kukin kammio käsittää ainakin kaksi virtauskanavaa, jotka ovat pelkistyskatalysaattoreiden —(5,5") jälkeen yhdistettynä toisen kammion vastaaviin virtauskanaviin, jolloin lait- teisto on olennaisesti U-muotoinen ja jolloin kukin kanava kaasun kulkusuunnassa käsittää ensimmäisen lämmönsiirtimen tai lämmönsirrinkennoston (3, 3"), ensimmäi- sen hapetuskatalysaattorivyöhykkeen (4, 47, ensimmäisen pelkistyskatalysaattori- vyöhykkeen (5, 5"), toisen pelkistyskatalysaattorivyöhykkeen (57, 5), toisen hapetus- _ 25 — katalysaattorivyöhykkeen (4, 4) ja toisen lämmönsiirtimen tai lämmönsiirrinkennos- S ton (3, 3).

N

S N

3. Suojavaatimuksen 1 tai 2 mukainen laitteisto tunnettu siitä, että mainittu vä- = hintään yksi lämmönsiirrin tai lämmönsiirrinkennosto (3, 3’) on rakenteeltaan ja toi- > 30 — mintaperiaatteeltaan regeneratiivinen.

S N

4. Jonkin suojavaatimuksen 1-3 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteis- N tossa on venttiileillä varustettu putkiyhteys erilliseen pelkistinainesäiliöön ja auto- maattinen annostelulaitteisto pelkistinaineen annostelemiseksi.

5. Jonkin edeltävän suojavaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistossa on vähintään yksi kaasun virtaussuunnan ohjausventtiili, joka on hyvin lyhytiskuinen ja nopea siten, että sen toiminta-aika on korkeintaan 0,1 s.

6. Jonkin edeltävän suojavaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteiston kaasunkäsittelykapasiteetti on 1500, 5000, 11 000, 16 000, 23 000 tai 000 Nm3/h.

N

O

N

O <Q

N

I jami a 0) 0

O +

N

O

N >