PL186741B1 - Sposób redukcji stężenia tlenków azotu NOx w środowisku o dużym stężeniu cząstek stałych - Google Patents

Abstract

Sposób redukcji stężenia tlenków azotu NOX w środowisku o dużym stężeniu cząstek stałych, polegający na wprowadzaniu reduktorów chemicznych tlenków azotu NOX do strumienia spalinowego gazu wylotowego, poddanego działaniu stałych sorbentów dla redukcji SOx, zawierających węglan wapnia, dwuwęglan wapnia lub wapno, które to reduktory chemiczne występują w postaci wodnych roztworów substancji z grupą iminową NH, lub mieszaniny tych substancji, znamienny tym, że w wielu punktach płaszczyzny poprzecznej do kierunku wypływu gazu spalinowego oznacza się temperatury i w oparciu o wyznaczone temperatury określa się strefę przyścienną, której średnia temperatura ma wartość odpowiednią do redukcji NOx przy pomocy selektywnej, niekatalitycznej redukcji spalin (SNCR) oraz strefę centralną, której średnia temperatura jest wyższa od średniej temperatury strefy przyściennej, a następnie do gazu spalinowego w strefie przyściennej wprowadza się substancję redukującą NO„ przy czym czynności te wykonuje się na kilku poziomach reaktora, aż do uzyskania zakładanego stopnia oczyszczenia spalin, przy czym średnia temperatura strefy centralnej jest przynajmniej o 200°C wyższa od średniej temperatury strefy przyściennej i wzrasta na kolejnych poziomach reaktora, zaś do strefy przyściennej wprowadza się substancję redukującą NOx, o stężeniu od 2 do 50%, której jedna część zawiera krople o średnicy od 5 do 100 μ średnicy Sautera, zaś druga część krople o średnicy od 100 do 1000 μ, przy czym kroplom większym nadaje sięwięksaąprędkość.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób redukcji stężenia tlenków azotu NOx w środowisku o dużym stężeniu cząstek stałych.

Gazy spalinowe są wytwarzane przez różnorodne źródła, między innymi powstąją w olbrzymich kotłach przemysłowych i komunalnych. Niektóre z nich, jak na przykład kotły opalane węglem lub drzewem, wytwarzają gazy spalinowe z dużym ładunkiem cząstek stałych. Inne, jak te spalające olej ze zmienną zawartością siarki, wytwarzają gazy z dużą zawartością SO^ które neutralizuje się takimi substancjami jak węglan, kwaśny węglan, wapno lub podobne. Natomiast głównym źródłem emisji NOx powodowanej działalnością człowieka jest spalanie stacjonarne i ruchome materiałów węglowych, takich jak węgiel, ropa i gaz oraz spalanie odpadów i organicznych chemikali przemysłowych. Materiały te są spalane w wysokich temperaturach (1000^1700°C) w piecach o dużej pojemności. Takie warunki sprzyjają tworzeniu się wolnych rodników tlenu i azotu i ich chemicznej kombinacji jako tlenków azotu.

Tlenki azotu NOx przyczyniają się do tworzenia smogu, ozonu na poziomie ziemi oraz kwaśnego deszczu. Międzynarodowe porozumienia wskazują na konieczność kontroli emisji NOx ze stacjonarnych źródeł w celu ograniczenia ilości ozonu przy powierzchni ziemi oraz kwaśnego deszczu.

Aby zredukować emisję NOx stosuje się zarówno środki podstawowe, jak i pomocnicze. Podstawowe środki to te, które modyfikują samo spalanie i wymagają użycia nadmiaru powietrza lub paliwa, albo kombinacji obydwu tych środków w spalaniu etapowym. Ponieważ środki te są zazwyczaj drogie, obecnie stosuje się je tylko jako środki zaradcze. Pomocnicze środki umożliwiają efektywne spalanie w optymalnych warunkach, a powstające tlenki azotu NOx są poddawane redukcji przez przetworzenie ich na inne związki, które mogą być albo wyemitowane wraz ze spalinami albo z nich usunięte. Selektywne reakcje w fazie gazowej, zarówno katalityczne (SCR) jak i niekatalityczne (SNCR) są korzystne, ponieważ pozwalają na redukcję NOx przy użyciu chemicznych środków redukujących o niskim stężeniu.

186 741

Jednakże osiągnięcie regularnej, wysokiej redukcji NOx na drodze niekatalitycznej (SNCR) wymaga znacznej wiedzy inżynieryjnej i chemicznej, szczególnie tam, gdzie występują, wysokie gradienty temperatury w płaszczyźnie poprzecznej komina i gdzie pożądana jest chemiczna iniekcja. Te niekatalityczne reakcje przebiegają w fazie gazowej, i zazwyczaj dotyczą zawartości NO_X rzędu od 20 do 1500 części na milion objętościowo i wymagają stosowania albo mocznika, albo amoniaku w ilości od jeden do trzech razy większej niż ilość Sttrchiomeeryczna. Reakcje wymagają dobrania reaktywnych materiałów o wysokim stopniu rozcieńczenia w fazie gazowej we właściwej temperaturze.

Zazwyczaj czynniki o właściwościach redukujących dla NOx są wprowadzane w postaci wodnych kropelek. Dla osiągnięcia najlepszych rezultatów, kropelki wody muszą zostać odparowane, a aktywny czynnik przeprowadzony w fazę gazową do osiągnięcia kontaktu z molekułami NOx w zakresie temperatur odpowiednich dla tych reakcji, na przykład od 850°C do 1150°C. W przypadku pieców węglowych i tych, które wymagają wstrzykiwania absorbentów stałych w celu kontroli emisji tlenków siarki SOx zostało ustalone, że wysoki poziom cząstek stałych, które są porywane przez emitowane gazy, może stwarzać tak wysokie temperaturowe gradienty w przekroju czynnym, że procedury niekatalityczne, w których stosuje się chemiczną iniekcję w całkowitym przekroju czynnym przepływu gazu emitowanego, stają się nieefektywne i produkują wtórne zanieczyszczenia.

Niestety, ograniczenia przestrzenne i budowa komory spalania znacznie zawężają miejsce iniekcji w takich warunkach. Wysokie stężenie wprowadzanych ciał stałych wpływa na dynamikę odparowywania kropelek wody i uwalnianie aktywnych substancji chemicznych. W sytuacjach, gdzie w środowisku o dużej zawartości substancji stałych, stosowane były konwencjonalne środki, rezultaty były często niezgodne z oczekiwanymi, nawet gdy były spełnione wymagane warunki temperaturowe.

Cząstki stałe, znajdujące się w komorze spalania, poprzez osłabianie lub załamywanie promieniowania ciepła, powodują powstawanie gradientów temperaturowych od 100°C do 350°C i większych. W rezultacie, niektóre obszary przekroju czynnego komory są zbyt zimne a inne zbyt gorące. Jeśli są zbyt zimne, to nieodparowane kropelki wody mogą zderzać się z powierzchnią urządzenia i/lub tworzyć niepożądane produkty uboczne, takie jak amoniak, a jeśli są zbyt gorące, aktywna substancja chemiczna może zostać utleniona i wytworzyć dalsze cząsteczki.

Istnieje potrzeba uzyskania lepszego rozmieszczenia aktywnych substancji chemicznych w procesie niekatalitycznym (SNCR) w gazach spalinowych, w których występują duże gradienty temperaturowe w przekroju czynnym, tak jak w przypadku gazu z dużą ilością cząstek stałych.

Znane są sposoby niekatalitycznej (SNCR) redukcji spalin ujawnione przez Lyon w patencie USA No 3 900 554 i przez Arand i inni w patencie USA No 4 208 386 oraz 4 325 924. Patenty te ujawniaj że amoniak i mocznik mogą być wstrzykiwane do gorących gazów spalinowych, w celu uzyskania selektywnych reakcji z NOx i ich redukcji do dwuatomowego azotu i wody.

Procesy SNCR opisane przez Lyon redukują stężenie tlenku azotu (NO). Lyon ujawnia, że wstrzykiwanie amoniaku, pewnych prekursorów amoniaku lub wodnych roztworów któregoś z nich, do bogatego w tlen gazu wylotowego (spalinowego) w celu selektywnej reakcji z tlenkiem azotu, powinno odbywać się w zakresie temperatury od 870°C do 1100°C. Granica niższej temperatury może zostać obniżona przez dodatek pewnych substancji. Ważne jest jednak, że w celu osiągnięcia maksymalnego wykorzystania amoniaku do redukcji NO, temperaturę gazu należy utrzymywać w wąskim przedziale temperaturowym podczas kontaktu z gazowym amoniakiem. Nieefektywne wykorzystanie amoniaku powiększa koszty i powoduje inne problemy związane z odprowadzeniem amoniaku, takie jak reakcja z siarką do wytworzenia stałego siarczanu amonu i/lub dwusiarczku, który osadza się na powierzchni wymienników ciepła i szybko zmniejsza sprawność wymiany ciepła.

Arand i inni ujawnili w patencie USA No 4 208 386, że do bogatych w tlen gazów wylotowych mocznik może zostać dodany sam lub w roztworze, przy czym zakres temperaturowy wynosi od 700°C do 1100°C. Podobnie w patencie USA 4 325 924 Arand i inni opisują niekatalityczny proces SNCR stosujący mocznik w gazach wylotowych palnych bogatych w paliwo. Mocznik, który nie przereagowuje z NOx w ściśle określonym przedziale tempera4

186 741 turowym pomimo że pod wpływem temperatury ulega reakcji chemicznej częściowo podczas chłodzenia tworzy amoniak.

Inne patenty definiują metody redukcji NO_X w temperaturach poza wąskimi przedziałami opisanymi powyżej dla SNCR. Na przykład w patencie USA No 4 992 249 Bowers ujawnia, że jeśli rozmiar kropli zwiększa się, a stężenie mocznika maleje, to dobre rezultaty redukcji można osiągnąć w gazach wylotowych bogatych w tlen w wyższych temperaturach niż te opisane przez Aranda i innych. W patencie USANo 4 719 092 Bowers ujawnia, że dodatkowy materiał, którym jest węglowodór zawierający tlen, można wprowadzić wraz z roztworem mocznika, w celu zredukowania resztek amoniaku w roztworze. Pomimo możliwości przesunięcia temperaturowego przedziału w którym zachodzą te procesy, jest on dość stały, a rozmieszczenie aktywnych substancji chemicznych w temperaturze pracy, pozostaje nadal istotnym problemem. Wymienione patenty nie rozwiązują trudności w osiągnięciu odpowiedniego rozmieszczenia substancji chemicznych, w sytuacjach gdzie gradienty temperatur w płaszczyźnie ewentualnego ich wprowadzania są zbyt duże.

Różnorodne dysze i wtryskiwacze (iniektory) zostały zaprojektowane tak, aby w rejonie oddziaływania iniektora, umożliwić lepszy rozkład substancji chemicznych. Jednakże bez zrozumienia obecnego wynalazku osiągnięcie satysfakcjonującego rozkładu substancji chemicznych pozostaje wyjątkowo trudnym zadaniem. Dla skutecznej kontroli procesów SNCR niezbędne jest uwzględnienie czynników procesu, takich jak obecność cząstek stałych, które powodują przewidywalne odejście od konwencjonalnie rozumianych rozkładów temperatury.

Celem wynalazku jest ulepszenie sposobu wprowadzania substancji chemicznych redukujących zanieczyszczenia w gazach wylotowych, które charakteryzują się dużymi gradientami temperatur w płaszczyźnie poprzecznej względem kierunku ich przepływu. Dotyczy to szczególnie gazów takich, jak spaliny z zawartością cząstek stałych.

Rozwiązanie według wynalazku ma na celu również poprawienie niezawodności działania instalacji niekatalitycznej redukcji zawartości NO_X w gazach wylotowych, w której do spalin o dużej zawartości cząstek wprowadza się wodne roztwory substancji redukujących NO_X.

Innym celem wynalazku jest uporanie się z problemami utylizacji i rozkładu, które występują w niekatalitycznych procesach zachodzących w instalacjach opalanych węglem, a także w instalacjach stosujących iniekcję sorbentu w procesie redukcji SOx.

Sposób redukcji stężenia tlenków azotu NOx w środowisku o dużym stężeniu cząstek stałych, polegający na wprowadzaniu reduktorów chemicznych tlenków azotu NOx do strumienia spalinowego gazu wylotowego, poddanego działaniu stałych sorbentów dla redukcji SOx, zawierających węglan wapnia, dwuwęglan wapnia lub wapno, które to reduktory chemiczne występują w postaci wodnych roztworów substancji z grupą iminową NH, lub mieszaniny tych substancji, charakteryzuje się tym, że w wielu punktach płaszczyzny poprzecznej do kierunku wypływu gazu spalinowego oznacza się temperatury i w oparciu o wyznaczone temperatury określa się strefę przyścienną, której średnia temperatura ma wartość odpowiednią do redukcji NOx przy pomocy selektywnej, niekatalitycznej redukcji spalin (SNCR) oraz strefę centralną, której średnia temperatura jest wyższa od średniej temperatury strefy przyściennej, a następnie do gazu spalinowego w strefie przyściennej wprowadza się substancję redukująccąNOx, przy czym czynności te wykonuje się na kilku poziomach reaktora, aż do uzyskania zakładanego stopnia oczyszczenia spalin, przy czym średnia temperatura strefy centralnej jest przynajmniej o 200°C wyższa od średniej temperatury strefy przyściennej i wzrasta na kolejnych poziomach reaktora, zaś do strefy przyściennej wprowadza się substancję redukującą NOx, o stężeniu od 2 do 50%, której jedna część zawiera krople o średnicy od 5 do 100 μ średnicy Sauter'a, zaś druga część - krople o średnicy od 100 do 1000 μ, przy czym kroplom większym nadaje się większą prędkość.

Właściwe stężenie kropel większych zapewnia ich przejście do i przez strefę centralną, bez znacznego reagowania, aż do momentu, gdy znajdą się w rejonie, gdzie temperatura gazu wylotowego zmniejszyła się do zakresu odpowiedniego dla redukcji NOx.

Sposób według wynalazku znajduje szczególne zastosowanie do redukcji tlenków azotu znajdujących się w gazach wylotowych pochodzących z pieców węglowych lub innych na paliwo stałe i zawierających cząsteczki stałe o stężeniu co najmniej 5 g/m³.

186 741

Szczególnie korzystne efekty stosowania sposobu według wynalazku powstają wówczas, kiedy proces redukcji tlenków azotu z gazów wylotowych przeprowadzany jest w kilku etapach i w każdym z nich stosowany jest sposób według wynalazku. Ilość etapów oczyszczania uzależniona jest od stopnia stężenia cząstek stałych w gazie wylotowym oraz od zakładanego stopnia oczyszczenia. W poszczególnych etapach oczyszczania różnica między średnią temperaturą, strefy centralnej i strefy przyściennej powinna się zwiększać a skład substancji redukującej może ulegać różnym modyfikacjom.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w poniżej opisanym przykładzie wykonania, zilustrowanym rysunkiem, na którym na fig. 1 przedstawiono przekrój pieca o dużej pojemności z rozkładem izoterm, a na fig. 2 pokazano trójwymiarowy obraz izoterm jako powierzchni w takim piecu, z wielopoziomową iniekcją, z iniektorami umieszczonymi na każdym poziomie w kilku pozycjach wokół obwodu pieca, w celu zapewnienia dobrego wypełnienia pieca aktywną substancją chemiczną.

Na fig. 1 przedstawiono pionowy przekrój pieca 10 o dużej pojemności i izotermy w gazie wylotowym przy typowym ładunku. Palnik 20 emituje, na dole komory spalania 12, płomień spalania 22 w wyniku spalania w powietrzu paliwa takiego, jak węgiel. Gorące gazy spalinowe tworzą gaz wylotowy, który unosi się ku górze. Pod stosowanym w niniejszym opisie terminem „przelot gazu wylotowego” rozumie się całkowity obszar wewnętrzny, przez który płynie gorący gaz wylotowy. Obszar ten zawiera komorę spalania 12, przelot pionowy 14, przelot poziomy 16 i dalszą drogą nie pokazaną na rysunku. Wraz z unoszeniem się gazu wylotowego tworzą się strefy zróżnicowanej temperatury, na co ma wpływ szereg czynników. Najistotniejszymi są te, które działają na wymianę ciepła poprzez ściany przelotu gazu wylotowego oraz cząstki stałe w nim zawieszone. Cząstki stałe, zawieszone w pobliżu absorbujących ciepło ścianek, już na krótkich odcinkach skutecznie wypromieniowują ciepło. W centralnej części przepływu gazów, termiczne promieniowanie ulega załamaniom, jest ono osłabiane przez zawieszone cząstki.

Na fig. 1 pokazano przykładowe izotermy w 1300°C, 1200°C, 1050°C i 950°C. Ilustrują one gradienty temperatury większe niż 200°C do 350°C i więcej, w poziomych przekrojach poprzecznych, gdzie w pobliżu ścian temperatury są idealne dla niekatalitycznej redukcji, czyli w granicach 950°C do 1050°C. Temperaturowe gradienty temperatury powodują nieefektywność tych procedur SNCR, które stosują iniekcję kropelek jednakowych rozmiarów w celu ich jednolitego rozproszenia w płaszczyźnie poprzecznej do kierunku ruchu gazów wylotowych. Stwierdzono, że w przypadku gazów wylotowych o dużym ładunku ciał stałych, większym niż 5 g/m³, różnica pomiędzy średnimi temperaturami gazu w pobliżu ścianek i w centrum pieca wynosi co najmniej 1O0°C, zwykle przynajmniej 200°C, a może być 350°C i dużo więcej. Dlatego przynajmniej część substancji redukującej NO_X należy wprowadzić do strefy przyściennej jako drobne kropelki wodnego roztworu, aby zapewnić prawie całkowite odparowanie wody z tych kropelek w tej strefie. W większości przypadków, przynajmniej niektóre z tych kropelek powinny być większe i powinny zostać wstrzyknięte z wystarczającą prędkością, aby po wejściu w strefę centralną przetrwać aż do jej opuszczenia.

W opisywanym przykładzie realizacji wynalazku, za pomocą ssącego pirometru stosującego termoparę typu k oznaczono temperatury gazu wylotowego w znacznej liczbie miejsc. Na ich podstawie zdefiniowano strefę przyścienną, gdzie warunki temperaturowe sprzyjają reakcji SNCR i strefę centralną, gdzie temperatura jest wyższa od temperatury strefy przyściennej, od 100°C do 350°C, i jest zbyt wysoka dla reakcji SNCR. W znany sposób określono prędkości gazu wylotowego w wystarczającej liczbie punktów, co umożliwiło zastosowanie znanej obliczeniowej techniki modelowej dynamiki fluidowej (Computation fluid dynamics CFD) do ustalania trójwymiarowego profilu temperaturowego. Ustalony w ten sposób profil temperaturowy ilustruje w układzie przestrzennym fig. 2. Na jego podstawie ustalono najlepsze, w zakresie strefy przyściennej, umiejscowienie dysz dla wprowadzenia substancji redukującej NO_X. Do zastosowań w przyszłych konstrukcjach lub gdy pomiary są niewykonalne, do przewidywania warunków w piecu, wystarczy samo modelowanie CFD.

Umiejscowienie punktów iniekcji w strefie przyściennej, określenie szybkości kropel, ich rozmiar i stężenie zostało ułatwione za pomocą obliczeniowej techniki modelowej dy6

186 741 namiki fluidowej (CFD) i modelowania chemiczno-kinetycznego (CKM). Technikom CFD i CKM poświęcona jest publikacja: Sun, Michels, Stametakis, Comparato i Hofmann. „Selektywna niekatalityczna kontrola NO_X z mocznikiem: teoria, praktyka, postęp do dzisiaj”, American Flame Research Commitee, 1992 Fali International Symposium, 19-21 październik 1992 r., Cambrige, MA.

Figura 1 pokazuje jedno ustawienie iniektorów do wprowadzania aktywnych substancji chemicznych do redukcji NO_X zgodnie z wynalazkiem. W omawianym przykładzie zastosowano dwa poziomy iniekcji, czyli dwie płaszczyzny poprzeczne względem kierunku przepływu gazów, w których umieszczono iniektory. Tam gdzie warunki na to pozwalają, wynalazek może być zastosowany w jednej strefie (na jednym poziomie). Zaleca się jednak stosowanie wielu stref (poziomów). Umożliwia to zarówno iniekcje różnych substancji i mieszanin równocześnie, lub wprowadzanie ich w różnych miejscach, lub przy pomocy różnych iniektorów·', dostosowując te czynniki do zmian temperatur, które występują po zmianach ładunku w piecu. Jako substancję redukującą NO_X zastosowano 10% roztwór mocznika. Na pierwszym poziomie 30 wprowadzano krople o różnych rozmiarach, mniejsze krople o wielkości rzędu 30 μ średnicy Sauter'a do płytkiej penetracji w strefę przyścienną i większe krople o wielkości ok. 300 μ do głębszej penetracji w strefę centralną. W mieszaninie tej krople mniejsze stanowiły 20%. Dla wprowadzanego 10% roztworu mocznika, ustalono strefę przyścienną w zakresie 950-H050°C jako korzystną dla metody SNCR, zaś strefa centralna na tym poziomie obejmowała wyższe temperatury

Kroplom większym nadawano prędkość wprowadzania ok. dwa razy większą niż kroplom małym.

Na drugim poziomie 130 wprowadzano drobne krople tylko do strefy przyściennej. Sposób przeprowadzono w dwóch etapach, uzyskując zadawalające oczyszczenie gazu spalinowego.

Dokładne umiejscowienie wtrysków i odwzorowanie linii przebiegu kropelek można określić obliczeniowymi technikami dynamiki fluidu. Umożliwiają one osiągnięcie optymalnych rezultatów poprzez ocenę różnych stref temperaturowych, które pojawiają się na przykład w środowisku o dużej zawartości cząstek stałych. Wykazują jednocześnie, że różne poziome przekroje stref temperaturowych muszą być traktowane oddzielnie.

W większości procesów SNCR substancja redukująca jest wprowadzana do gazu wylotowego przy pomocy iniektora, którego przewód może być zaopatrzony na wierzchołku w dyszę skierowaną w strumień gazu wylotowego. W niektórych przypadkach, część gazu wylotowego lub innego gazu bierze udział w atomizowaniu i rozpraszaniu substancji redukującej. Odwzorowanie linii przebiegu kropelek wtrysku, czyli iniekcji, jest określane precyzyjnie, często przy pomocy komputerowego przetwarzania danych, aby zapewnić optymalny rozkład i reakcję. Iniektory mogą być użyte do osiągnięcia pożądanych linii przebiegu kropel wtrysku, rozmiarów kropel, stężeń czynnika redukującego w kroplach i prędkości kropel dla osiągnięcia założonych wyników zastosowania wynalazku. W procesach SNCR próbuje się penetrować strumień gazu wylotowego przy kompletnym pokryciu kroplami wtrysku, płaszczyzny poprzecznej względem kierunku przepływu gazu wylotowego. Niniejszy wynalazek pomaga usprawnić proces redukcji NOx poprzez zdefiniowanie strefy przyściennej mającej optymalne temperatury dla SNCR oraz wprowadzanie aktywnych substancji chemicznych w tę strefę pomimo faktu, że w tej samej płaszczyźnie występują temperatury wyższe, niż pożądane. Ułatwione jest to dzięki wprowadzaniu drobnych kropelek do strefy przyściennej i średnich oraz dużych kropel do strefy centralnej.

Na fig. 2 pokazano wiele iniektorów 230 usytuowanych wokół obwodu komory spalania. W korzystnym wykonaniu wynalazku iniektory są rozmieszczone na tyle równomiernie na ile jest to uwarunkowane wymaganiami efektywności procesu, która zmienia się wraz z prędkością wprowadzanych kropel i rozkładem temperatury w obrębie przepływu gazu. Aby osiągnąć równomierne pokrycie strefy przyściennej drobnymi kropelkami, dysze muszą być rozmieszczone w odległości od około 1 m do około 3 m. Pożądane jest, przynajmniej w pierwszym etapie procesu, wstrzykiwanie większych kropli. Wprowadzanie zarówno małych, jak i dużych kropli może być realizowane poprzez pojedynczy iniektor lub poprzez wiele iniektorów, jeśli zajdzie taka potrzeba.

186 741

Pokrycie kropelkami centralnej strefy, która ma wyższą temperaturę niż strefa przyścienna, osiąga się albo przez wstrzykiwanie substancji redukującej NO_X dalej w strumień gazu (tam, gdzie gaz wylotowy jest już nieco ostudzony) albo przez wstrzykiwanie większych kropli przy względnie niskim stężeniu i dużej prędkości tak, aby te krople przetrwały wyższe temperatury i uwolniły aktywny czynnik w dalszej, dolnej części strumienia gazu, gdzie temperatura jest bardziej odpowiednia dla SNCR. Przy optymalnym prowadzeniu procesu osiąga się większą chemiczną utylizację, zmniejszenie ilości produktów ubocznych a niebezpieczeństwo kolizji i uszkodzenia wymiennika ciepła i innego sprzętu znacznie maleje.

Rozmiary kropli są określane za pomocą urządzenia Malvem 2000 zawierającego dyfrakcyjny, laserowy system Fraunhofer.

Korzystnie jest, jeśli przynajmniej część (tzn. przynajmniej 10%) substancji redukującej NOx jest wprowadzana do strefy przyściennej w postaci takiej, aby osiągnąć zamierzony skutek. Korzystnie jest ona rozpraszana z dyszy tak, aby uzyskać jednolite drobne kropelki o średnim rozmiarze kropli w zakresie 5+ 100 μ średnicy Sauter'a. Stężenie aktywnej chemicznie substancji w drobnych kropelkach powinno pozwolić na całkowite odparowanie wody w obrębie tej strefy. Tak więc, względnie wysokie stężenie substancji redukującej NOx, na przykład 20+50% jest do tego celu korzystne. Szybkość iniekcji kropli nie jest szczególnie istotna, jeśli rozmiary kropli są wystarczająco małe, ale można ustalić jej optymalny zakres na 5+60 m/s.

Jest także korzystnie, gdy część substancji redukującej NOx, którą wprowadza się w strefę przyścienną o odpowiedniej temperaturze reakcji, jest wstrzykiwana tak, aby ta część substancji przeszła przez strefę przyścienną i weszła do strefy centralnej. Ponieważ strefa centralna posiada zbyt wysoką temperaturę z punktu widzenia reakcji SNCR, kropelki powinny mieć taki rozmiar, stężenie i prędkość efektywną, aby przeszły przez tę część strefy, która jest za gorąca, przetrwały do niższych temperatur przeważających w dole strumienia gazu i tam uwolniły aktywną substancję chemiczną. Stężenie aktywnej substancji redukującej NOx w kropelkach, które wchodzą w strefę centralną o wyższej temperaturze jest wybrane tak, że woda chroni aktywny skład podczas przebywania kropli w tej strefie.

Kiedy krople wchodzą w dół strumienia gazu o niższej temperaturze, woda powinna być wystarczająco z nich odparowana, tak aby aktywna substancja redukująca NOx mogła szybko uwolnić się w obrębie efektywnych temperatur. W tym celu korzystnie jest, gdy krople mają rozmiar w zakresie 100+1000 μ, na przykład od 100 μ do 500 μ przeciętnej średnicy Sauter'a, a stężenie wynosi 2+35% aktywnego czynnika redukującego NOx, który powinien mieć niską lotność, takąjak mocznik, przy czym korzystna prędkość wynosi od około 10 do 60 m/s.

Zaletą wynalazku jest to, że wstrzykiwane kropelki cieczy zawierającej czynniki redukujące NOx posiadają zadane rozmiary cząstek oraz uzyskują określone prędkości, tak, aby przynajmniej część aktywnego czynnika była dostępna w pobliżu punktu iniekcji w strefie przyściennej, przy czym krople, które wchodzą w strefę centralną mają możność przetrwania wyższej temperatury aż dostaną się w strefę temperaturową odpowiednią dla redukcji NOx. Taki rozkład kropelek może zostać zrealizowany przy zastosowaniu jednego lub więcej iniektorów. Dzięki dobrze kontrolowanej polidyspersyjności rozmiarów kropli otrzymuje się optymalne rezultaty. Czynnik redukujący NOx jest najkorzystniej w postaci wodnego roztworu mocznika Iub innej substancji-składnika z grupą iminową NH. Może on też zawierać jedną Iub więcej substancji wspomagających. Różnorodne aktywne roztwory są wstępnie mieszane tak, aby czynnik redukujący NOx i substancja wspomagająca, były najodpowiedniejsze dla najbardziej prawdopodobnych zakresów temperatur.

Całkowita ilość czynnika redukującego, wstrzykiwanego do gazu wylotowego z wielu stron, powinna wystarczać do uzyskania redukcji stężenia tlenku azotu. W szczególności, całkowite ilości czynników redukujących wystarczają do uzyskania stosunku molowego czynnika redukującego do początkowej ilości tlenku azotu (tzn. przed wstrzykiwaniem na danym etapie) od około 1:4 do około 1:5. Stosunek ten jest korzystny w zakresie od 1:2 do 3:1, a nawet bardziej wąsko, od 2:3 do 2:1. W większości sytuacji ta ilość będzie w sumie dostarczona przez pewną liczbę dysz, rozmieszczonych w punktach jak pokazano na fig. 1.

Nadmiar substancji redukującej NOx można użyć do zwiększenia redukcji NOx w strefie przyściennej i wyprodukowania ciekłego amoniaku. Jest to skuteczne tam, gdzie produkt

186 741 uboczny, amoniak, miesza się za pomocą prądów konwekcyjnych przynajmniej z częścią gazu wylotowego strefy centralnej po tym, jak został schłodzony do temperatury odpowiedniej dla tej reakcji. Różnorodne mieszaniny zawierające grupę iminową NH, kiedy wprowadzane są w postaci wodnego roztworu i poddawane działaniu podwyższonych temperatur, wytwarzają w fazie gazowej czynniki (np. grupa amidowa), skuteczne dla procesu SNCR. Spośród głównych mieszanin zawierających grupę iminową NH, wybrano składające się z amoniaku, mocznika, prekursorów mocznika (substancji wyjściowych do otrzymania mocznika), produktów hydrolizy mocznika, produktów reakcji mocznika z sobą samym i innymi składnikami, substancji pokrewnych oraz mieszanin tychże. Wśród tych związków są: węglan amonowy, mrówczan amonu, cytrynian amonu, octan amonu, szczawian amonu, inne sole amonowe (nieorganiczne i organiczne), szczególnie kwasów organicznych, wodorotlenku amonu, różnorodnych trwałych amin, guanidyny, węglan guanidyny, diguanidyna, guanylomocznik, melamina, cyjanoguanidyna, cyjamid, metanol podstawiony podwójnie mocznikiem, dimetylomocznik, urotropina (sześciometylenoczteramina HMTA) i mieszaniny tychże.

Produktami hydrolizy są między innymi amoniak, karabaminiany takie jak karbaminian amonu, węglan amonu, dwuwęglan i inne sole amonowe, różnorodne kompleksy mocznika i sole jednoamonowe. Dokładny wzór niektórych z tych związków nie jest znany, ponieważ techniki zastosowane do ich analizy mogą fałszować wynik.

Substancje wspomagające są substancjami dodatkowymi, które modyfikują skuteczność czynnika redukującego zanieczyszczenia w sensie przedziału skutecznej temperatury, skuteczności jego wykorzystania i tym podobne. Wśród substancji wspomagających są materiały wymienione wyżej, również użyte w odpowiedniej kombinacji, utlenione węglowodory i mieszaniny tychże. Przykładowo są to: ketony, aldehydy, alkohole z alkoholami wielowodorotlenowymi, kwasy karboksylowe, cukry, hydrolizaty skrobi, uwodornione hydrolizaty skrobi, pozostałości zawierające cukier, takie jak melasa i mieszaniny tychże.

Można zastosować mieszaninę zmniejszającą twardość, zawierającą przynajmniej jedną substancję z grupy składającej się z polimerów, fosfonianów, związków chelatowych, fosforanów i mieszaiiny dwu lub więcej z tych substtanjj w iiloś<^i^<^łi skutecznych dka zmiejszeenia twardości. Tak więc, tam, gdzie jest to skuteczne, mogą być zastosowane pojedyncze substancje z tej grupy, jak również dwie lub więcej substancji z jednej grupy oraz mieszaiiny substancji z różnych grup. Stosowane są również czynniki powierzchniowo czynne i stabilizatory.

Wymagane rozmiary kropli cieczy mogą być uzyskane zarówno środkami chemicznymi, jak i mechanicznymi. Na przykład, dodatek substancji powierzchniowo czynnych wpływa na uzyskiwanie mniejszych rozmiarów kropli. Natomiast dodatek pewnych polimerów może pomóc w uzyskaniu większych rozmiarów kropli.

W celu określenia wpływu różnych iniektorów i dysz na rozmiary kropli można przeprowadzić testy przy różnych prędkościach przepływu i ciśnieniach.

Mieszaniny substancji redukującej NOx są przygotowywane i przewożone w formie koncentratu, który należy rozcieńczać przed użyciem. Typowe koncentraty zawierają od 23% do 65% mocznika i 0,05% do 1,0°% skutecznego czynnika zmniejszającego twardość. Koncentrat jest zwykle rozcieńczany przed wstrzyknięciem tak, aby osiągnąć stężenie mocznika skuteczne w warunkach iniekcji. Skuteczne jest rozcieńczanie koncentratu do stężeń 1.35% mocznika. Typowe pH roztworu wodnego jest powyżej 5, zazwyczaj jest w zakresie od 7 do 11, na przykład od 8 do 10.

186 741

F/G. 2

186 741

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób redukcji stężenia tlenków azotu NO_X w środowisku o dużym stężeniu cząstek stałych, polegający na wprowadzaniu reduktorów chemicznych tlenków azotu NO_X do strumienia spalinowego gazu wylotowego, poddanego działaniu stałych sorbentów dla redukcji SO_X, zawierających węglan wapnia, dwuwęglan wapnia lub wapno, które to reduktory chemiczne występują w postaci wodnych roztworów substancji z grupą iminową NH, lub mieszaniny tych substancji, znamienny tym, że w wielu punktach płaszczyzny poprzecznej do kierunku wypływu gazu spalinowego oznacza się temperatury i w oparciu o wyznaczone temperatury określa się strefę przyścienną, której średnia temperatura ma wartość odpowiednią do redukcji NOx przy pomocy selektywnej, niekatalitycznej redukcji spalin (SNCR) oraz strefę centralną, której średnia temperatura jest wyższa od średniej temperatury strefy przyściennej, a następnie do gazu spalinowego w strefie przyściennej wprowadza się substancję redukującą NOx, przy czym czynności te wykonuje się na kilku poziomach reaktora, aż do uzyskania zakładanego stopnia oczyszczenia spalin, przy czym średnia temperatura strefy centralnej jest przynajmniej o 200°C wyższa od średniej temperatury strefy przyściennej i wzrasta na kolejnych poziomach reaktora, zaś do strefy przyściennej wprowadza się substancję redukujątcąNOx, o stężeniu od 2 do 50%, której jedna część zawiera krople o średnicy od 5 do 100 μ średnicy Sauter'a, zaś druga część krople o średnicy od 100 do 1000 μ, przy czym kroplom większym nadaje się większą prędkość.