RU158364U1 - Установка нейтрализации оксидов азота в выбросах газовых турбин - Google Patents

Abstract

1. Установка нейтрализации оксидов азота в выбросах газовых турбин, включающая аппарат с системой форсунок в зоне смешения аминосодержащего реагента и газовых выбросов, насос, линии трубопроводов, дымосос, отличающаяся тем, что дополнительно содержит фильтр, датчики контроля, измерения и регулирования параметров установки, блок автоматического управления, к которому подключены оснащенный автоматической системой контроля концентрации оксидов азота аппарат с системой форсунок, а также снабженные регулирующими устройствами насосы, компрессоры для подачи сжатого воздуха и связанные через фильтр с насосами емкости с аминосодержащим реагентом и жидкостью для промывки установки, при этом насосы и компрессоры для подачи сжатого воздуха присоединены к аппарату с системой форсунок.2. Установка нейтрализации оксидов азота в выбросах газовых турбин по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена гасителем пульсаций.3. Установка нейтрализации оксидов азота в выбросах газовых турбин по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве датчиков контроля, измерения и регулирования параметров установки используют датчики расхода, давления и температуры.4. Установка нейтрализации оксидов азота в отходящих от газовых турбин выбросах по п. 1, отличающаяся тем, что снабжена устройством для замера концентрации оксидов азота (NO) и аммиака в выбросах до начала очистки.

Description

Заявляемая полезная модель относится к области экологии, а именно к устройствам и оборудованию, предназначенному для очистки и стерилизации воздуха путем селективного каталитического восстановления, снижающего уровень загрязнения отработавших газов от оксидов азота (NO_X), и может быть использовано в газоочистной системе промышленных предприятий, преимущественно газовых турбин.

Каталитические методы очистки от токсичных примесей получают все большее распространение благодаря удалению загрязнений при сравнительно невысоких температурах и обычном давлении. Установки каталитической очистки просты в эксплуатации и малогабаритны.

Очистка газов от оксидов азота (NO_X) - наиболее удачный пример использования химических способов для обеспечения экологической чистоты промышленных предприятий, при этом в качестве химического восстановительного реагента чаще всего используют аминосодержащие вещества, например, водный раствор карбамида, аммиака, карбоната аммония, оксалата аммония и другие.

Особенно отмечены два способа: некаталитическое гомогенное восстановление NO_X добавками аммиака и селективное гетерогенное каталитическое восстановление (СКВ) в присутствии NH₃. Способы основаны на восстановлении NO_X до N₂ и Н₂О.

Применение катализаторов позволяет многократно усилить эффективность некаталитического восстановления оксидов азота, снизить расходы реагентов, значительно снизить температуру процесса и повысить стабильность системы очистки, при этом эффективность очистки - выше 90%.

Каталитическая газоочистка состоит из химических реакций восстановления токсичных вредных веществ до простейших составляющих с применением восстановительных агентов (реагентов). Конечными продуктами реакции являются безопасные компоненты, в частности, пары воды, углекислый газ, азот.

Как правило, восстановительный агент инжектируется в поток отходящих газов до катализатора, вблизи поверхности которого с разной степенью интенсивности происходят восстановительные реакции, в результате которых оксиды азота переходят в молекулярный азот. Скорость подачи и расход восстановительного реагента определяются концентрацией NO_X на входе в систему очистки и выходе из нее.

Так, например, инжекция аммиака осуществляется преимущественно путем вдува смеси воздуха, содержащего предварительно испаренный и добавленный безводный аммиак, или впрыска водного раствора аммиака непосредственно в поток.

Инжекция аминосодержащего восстановителя осуществляется преимущественно впрыском раствора в поток дымовых газов, либо предварительной газификацией и разложением карбамида с получением аммиачно-газовой смеси и последующим ее вдувом.

С практической точки зрения наиболее важно установить место ввода аминосодержащего реагента в газовый поток, чтобы обеспечить максимально быстрое смешивание реагента в оптимальном температурном режиме.

Эффективность восстановления возрастает с уменьшением количества кислорода в газовом потоке, однако лишь до определенного уровня в соответствии с уравнением брутто-реакции. На практике для уменьшения образования оксидов поддерживают небольшой избыток воздуха.

Селективное каталитическое восстановление основано на реакции восстановления оксидов азота аминосодержащим реагентом на поверхности гетерогенного катализатора в присутствии кислорода. Термин «селективный» в данном случае отражает предпочтительное протекание каталитической реакции аммиака с оксидами азота по сравнению с кислородом, который в то же время является реагентом в каталитической реакции.

Взаимодействие катализатора с реагентом приводит к постепенному разрушению каталитического слоя, что, в свою очередь, снижает степень очистки. Кроме того, возникает вероятность проскока реагента, не вступившего в реакцию, причем, чем выше температура, тем выше опасность проскока реагента и разрушения катализатора.

Как правило, выпускают катализаторы трех типов, предназначенных для разных температурных режимов: низких - 170-350°C; средних - 350-480°C и высоких - свыше 500°C. Для низких и средних температур применяют катализаторы на основе оксидов ванадия-титана-вольфрама, для высоких - β-цеолитные.

Для оптимального использования карбамида при селективном каталитическом восстановлении (СКВ) NO_X в газификационном оборудовании и системах, обеспечивающих подачу карбамида в камеру, предназначенную для полной газификации карбамида и обеспечении подачи аммиака в установку СКВ, существует необходимость в возможности контроля выработки аммиака без закупорки оборудования или избыточного потребления реагентов, или потери эффективности борьбы с загрязнением окружающей среды.

При СКВ реагент впрыскивается в дымовые (выхлопные) газы до того, как они проходят через слой катализатора.

Из уровня техники известно устройство для газификации карбамида для снижения концентрации оксидов азота в газообразных продуктах сгорания, включающее: газификационную камеру с верхней, нижней и боковыми стенками, инжекторное устройство для подачи карбамида в газификационную камеру, выполненное с возможностью распределения карбамида внутри камеры в виде мелких частиц или капель, канал для подачи нагретых газов при температуре, как минимум 204°C, в газификационную камеру перед инжекторным устройством, перфорированную газораспределительную пластину в газификационной камере, где газораспределительная пластина является перфорированной с различными размерами отверстий, включая центральное отверстие и множество меньших отверстий, а инжекторное устройство расположено рядом, и центрально ориентировано относительно центрального отверстия в газораспределительной пластине, и снабжено отверстием инжектора, расположенным сверху, снизу или на уровне газораспределительной пластины из условия протекания газа через центральное отверстие газораспределительной пластины и между инжектором и газораспределительной пластиной, которая имеет расположение и размещение меньших отверстий, эффективное для обеспечения более высокой скорости газа поблизости от инжекторного устройства по сравнению с пространством около боковых стенок камеры, и устройства для выхода газа для направления нагретых газов, содержащих газифицированный карбамид, из камеры. Возможно использование катализатора (см. патент №2480270 на изобретение «Способ селективного каталитического восстановления NO_X и устройство, обеспечивающее повышенную газификацию карбамида для образования аммиаксодержащего газа», дата подачи 27.05.2009 г., опубликовано 27.04.2013 г.)

Недостатки известного решения обусловлены тем, что при использовании карбамида или другого аналогичного химического вещества в газификационной камере для эффективной эксплуатации без засорения оборудования требуется однородное распределение и быстрый пиролиз и/или гидролиз. Однако, несмотря на то, что для обеспечения однородности потока перед инжекцией карбамида предложен перфорированный лист, на практике может возникнуть обратный поток или рециркуляция реагента, что, в свою очередь, приведет к оседанию твердого карбамида на этом листе и стенках камеры или около насадок, вызывая, например, закупорку или иные схожие проблемы.

Кроме того, в конструкции не предусмотрены устройства для контроля и измерения параметров, а также их регулирования.

Известно устройство для селективного каталитического восстановления NO_x в энергетическом котле, включающем топочную камеру для сжигания топлива в печи котла и получения в результате этого потока топочного газа, содержащего NO_x; канал топочного газа для прохождения потока топочного газа из печи в вытяжную трубу; теплоутилизационную область, включающую секцию экономайзера, установленную в канале топочного газа для охлаждения потока топочного газа; катализатор восстановления NO_x, находящийся в канале топочного газа ниже по потоку относительно секции экономайзера, для восстановления, по меньшей мере, части NO_x до N₂; и газовый воздухоподогреватель, установленный в канале топочного газа ниже по потоку относительно секции экономайзера и выше по потоку относительно катализатора восстановления NO_x, для дополнительного охлаждения топочного газа и получения нагретого воздуха, причем энергетический котел включает дополнительный воздухоподогреватель, установленный в канале топочного газа ниже по потоку относительно катализатора восстановления NO_x, при этом газовый воздухоподогреватель и дополнительный воздухоподогреватель соединены параллельно относительно воздушного потока. Котел может быть оснащен регулятором для регулирования потока воздуха, термометром для измерения температуры топочного газа, поступающего на катализатор восстановления NO_x, и регулятором для регулирования потока воздуха, поступающего в газовый воздухоподогреватель, в зависимости от измеренной температуры (см. патент №2543096 на изобретение «Способ и устройство для селективного каталитического восстановления NO_x в энергетическом котле», дата подачи 02.03.2012 г., опубликовано 27.02.2015 г.).

Недостатки данного решения связаны с неэффективной, а именно частичной очисткой газового потока от оксидов азота при избытке кислорода. Устройство имеет громоздкую структуру, в состав которой входят многочисленные теплообменные каналы, служащие для охлаждения топочного газа. Кроме того, в конструкции не предусмотрены приборы для измерения параметров и контроля за ними.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является установка очистки дымовых газов, включающая зону смешения аминосодержащего реагента и пара для подачи через распределительные сопла в высокотемпературную зону энергоустановки, форсунки, насадочный скруббер, циркуляционный насос для подачи раствора в теплообменный аппарат на охлаждение, бак-накопитель, дымосос, линии трубопроводов, при этом в качестве аминосодержащего реагента используют, например, водный раствор карбамида (см. патент №2102122 на изобретение «Способ очистки дымовых газов от токсичных продуктов сгорания топлива», дата подачи 05.06.1994 г., опубликовано 20.01.1998 г.).

Недостатки данного изобретения связаны с необходимостью многократного использования орошающей жидкости до достижения достаточной для дальнейшей переработки концентрации аммонийных солей, после чего часть раствора выводится в бак-накопитель. Эффективность очистки выхлопных газов от оксидов азота - 50%.

Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение эффективности очистки выбросов газовых турбин от оксидов азота.

Указанный технический результат достигается тем, что установка нейтрализации оксидов азота в выбросах газовых турбин, включающая аппарат с системой форсунок в зоне смешения аминосодержащего реагента и газовых выбросов, насос, линии трубопроводов, дымосос, согласно полезной модели дополнительно содержит фильтр, датчики контроля, измерения и регулирования параметров установки, блок автоматического управления, к которому подключены оснащенный автоматической системой контроля концентрации оксидов азота аппарат с системой форсунок, а также снабженные регулирующими устройствами насосы, компрессоры для подачи сжатого воздуха и связанные через фильтр с насосами емкости с аминосодержащим реагентом и жидкостью для промывки установки, при этом насосы и компрессоры для подачи сжатого воздуха присоединены к аппарату с системой форсунок.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где

фиг. - принципиальная схема установки нейтрализации оксидов азота в выбросах газовых турбин.

Устройство состоит из связанных между собой линиями трубопроводов аппарата 1 с системой форсунок 2 (форсуночный узел), в которые по сигналу, поступающему с блока автоматического управления 3 (БАУ), из емкости 4 с целью мелкодисперсного распыления подается раствор аминосодержащего реагента. В аппарате 1 размещен селективный катализатор 5, в качестве которого может быть применен, например, катализатор, выполненный из сотового керамического материала, поверхность которого покрыта оксидом титана (TiO₂), создающим на материале разветвленную многоуровневую систему пор со структурированной и развитой геометрической поверхностью. На слой оксида титана нанесены активные компоненты, в частности, оксид ванадия (V₂O₅), промотор оксид вольфрама (WO₃), которые равномерно распределяются по всей поверхности катализатора. В качестве иного материала для катализатора может быть выбран сотовый керамический материал, преимущественно состоящий из смеси оксидов титана, вольфрама, ванадия и стабилизирующих структуру добавок, например бентонита, стекловолокна и подобных им составляющих. Для упрощения монтажа катализатора кассеты собирают в укрупненные блоки, которые заключают в металлический корпус. За счет регулярной структуры и высокой механической прочности катализатора обеспечивается низкий и стабильный перепад давления по нему в течение всего срока эксплуатации.

Для увеличения площади соприкосновения контактирующих веществ капли распыляемого реагента дополнительно дробят путем подачи с помощью компрессора(-ов) 6 сжатого воздуха на выход форсуночного узла 2, при этом расход сжатого воздуха определяют с помощью расходомера 7, а его подачу регулируют посредством управляемого от блока автоматического управления 3 шарового крана 8.

С блоком управления 3 связаны насосы 9, служащие для включения/отключения подачи раствора аминосодержащего реагента в форсуночный узел и изменения расхода реагента в зависимости от текущего значения концентрации оксидов азота NO_x в поступившем потоке выбросов, при этом один из насосов является резервным. В случае выхода из строя основного насоса за счет переключения регулирующих устройств в виде управляемых электромагнитных клапанов 10, 11, связанных с блоком управления 3, происходит включение в работу резервного насоса. Помимо насосов 9 в состав насосной станции установки нейтрализации входят подключенные к насосам фильтр 12, датчики давления 13 в виде манометров, датчик измерения расхода аминосодержащего реагента 14. Допускается частотное управление производительностью насосов 9 с помощью блока управления 3.

Текущее значение концентрации оксидов азота NO_x в поступившем потоке выбросов определяют с помощью автоматической системы контроля концентрации выхлопных газов 15 (Q12), подключенной к блоку управления 3.

К насосной станции подключена емкость 16 с жидкостью для промывки установки от остатков аминосодержащего реагента, при этом в качестве жидкости для промывки используют дистиллированную воду. Уровень жидкости в емкостях 4 и 16 определяют посредством датчиков 17. Переключение насосов на забор дистиллированной воды из емкости 16 осуществляется с помощью электромагнитных клапанов 18.

Устройство оснащено связанными с блоком управления и соответствующими элементами установки датчиками. Температуру подаваемого реагента фиксируют с помощью датчика 19, а температуру выхлопных газов - с помощью датчика 20.

Перепад давления на катализаторе 5 определяют посредством датчика 21. Помимо этого перед катализатором 5 по всему сечению аппарата 1 равномерно размещены пробоотборные трубки 22, служащие для проведения измерений поля концентраций NO_x и NH₃ до начала очистки.

В зависимости от применяемых насосов, например, поршневых и/или мембранных, в установке может быть дополнительно размещен гаситель пульсаций 23, предназначенный для устранения колебаний расходов и давления жидкости - реагента. Давление сжатого воздуха контролируется с помощью датчика 24.

Установку нейтрализации оксидов азота в отходящих выбросах устанавливают на выхлопной тракт газовой турбины (на чертеже не показан), при этом предусмотрена ее непрерывная работа.

Осуществление полезной модели подтверждается примерами конкретного выполнения.

Температура поступающего от газовой турбины простого цикла (без рекуперации тепла) выбросов в разных режимах, как правило, составляет от 350 до 500°C. Поступающий на нейтрализацию от газовых турбин воздушный поток имеет скорость входа в катализатор не более 10 м/с.

По сигналу, исходящему от блока автоматического управления, на вход форсуночного узла 2 из емкости 4 подается раствор аминосодержащего реагента, в качестве которого, используют 32,5%-ный раствор мочевины. При прохождении через систему форсунок происходит мелкодисперсное распыление реагента, капли которого подхватываются потоком поступившего в аппарат 1 вредного выброса и образовавшаяся газовоздушная смесь направляется к катализатору. Для обеспечения максимально быстрого смешения капель реагента с вредным выбросом необходимо соблюдать оптимальный температурный интервал. Помимо этого, на выход из системы форсунок с помощью компрессоров подают сжатый воздух, за счет чего происходит дополнительное дробление капель на более мелкие фракции. Расход сжатого воздуха измеряется расходомером 7 и регулируется связанным с блоком управления шаровым краном 8.

Подача реагента или прекращение подачи, а также изменение его расхода в зависимости от текущего значения концентрации оксидов азота в поступающем потоке выбросов зависит от управления насосами 9. Перед каждым включением насоса предварительно с помощью компрессоров 6 начинают подачу сжатого воздуха. Реагент перед поступлением в аппарат проходит через фильтр 12.

По мере продвижения газовоздушной смеси к катализатору жидкость испаряется, гидролизуется и термолизуется.

Состав применяемого катализатора: диоксид титана (TiO₂) анастазной кристаллической формы 50-90%; оксид ванадия (V₂O₅) - до 15%; оксид вольфрама (WO₃) - до 10%; балансовые инертные формы (оксид алюминия (Al₂O₃), оксид кремния (SiO₂) и прочие оксиды - до 40%.

Преимущественный состав катализатора включает (V₂O₅) - до 1,5%; оксид вольфрама (WO₃) - до 5,0%; оксид титана, оксид алюминия - остальное.

Проходя через селективный катализатор, за счет химических реакций с аминосодержащим реагентом происходит преобразование оксидов азота, присутствующих в выходных газах, в молекулярный азот, воду и кислород в соответствии со следующими реакциями

при этом основное количество избыточного аминосодержащего реагента окисляется кислородом по реакции

Текущее значение концентрации NO_x измеряют с помощью автоматической системы контроля 15.

Как правило, дополнительный перепад давления газового тракта, развиваемый катализатором, не превышает 1500 Па.

Подача реагента прекращается по сигналу, поступившему с блока управления. Начинается промывка установки, при проведении которой аминосодержащий реагент, оставшийся в полостях насосов и трубопроводах, вытесняется дистиллированной водой, поступившей из емкости 16. Забор жидкости из емкости 16 происходит с помощью насоса 9, переключение которого на данный этап работы осуществляется с помощью электромагнитных клапанов 10. С целью сокращения времени промывки работа насоса выполняется в режиме максимальной производительности, при этом время промывки зависит от объема жидкого реагента, оставшегося в системе, т.е., в первую очередь, от длины труб, подводящих реагент.

Контроль и регулирование параметров установки выполняют датчики, расходомеры, которые регистрируют такие данные, как уровень жидкости в емкостях с реагентом и дистиллированной водой, температуру подаваемого химиката, температуру выхлопных газов, давление на трубопроводе сжатого воздуха, перепад давления на катализаторе. Кроме того, в ручном режиме с помощью пробоотборных трубок, равномерно расположенных по сечению тракта выхлопа перед катализатором, измеряют поля концентрация NO_x и NH₃ до очистки.

Количество трубок определяется площадью сечения тракта. В заявляемой конструкции количество пробоотборных трубок составляет двенадцать.

Применяемая схема установки не требует дополнительных побудителей расхода газа (вентиляторов, дымососов и т.п.), т.к. очищенный от оксидов азота газ обладает достаточным положительным давлением по отношению к атмосферному воздуху за счет динамического действия турбины.

Заявляемая установка обладает следующими преимуществами: обеспечивает повышенную эффективность очистки газовых выбросов от оксидов азота, достигающую 95%, имеет компактную и упрощенную конструкцию.

Claims (4)

1. Установка нейтрализации оксидов азота в выбросах газовых турбин, включающая аппарат с системой форсунок в зоне смешения аминосодержащего реагента и газовых выбросов, насос, линии трубопроводов, дымосос, отличающаяся тем, что дополнительно содержит фильтр, датчики контроля, измерения и регулирования параметров установки, блок автоматического управления, к которому подключены оснащенный автоматической системой контроля концентрации оксидов азота аппарат с системой форсунок, а также снабженные регулирующими устройствами насосы, компрессоры для подачи сжатого воздуха и связанные через фильтр с насосами емкости с аминосодержащим реагентом и жидкостью для промывки установки, при этом насосы и компрессоры для подачи сжатого воздуха присоединены к аппарату с системой форсунок.

2. Установка нейтрализации оксидов азота в выбросах газовых турбин по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена гасителем пульсаций.

3. Установка нейтрализации оксидов азота в выбросах газовых турбин по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве датчиков контроля, измерения и регулирования параметров установки используют датчики расхода, давления и температуры.

4. Установка нейтрализации оксидов азота в отходящих от газовых турбин выбросах по п. 1, отличающаяся тем, что снабжена устройством для замера концентрации оксидов азота (NO_x) и аммиака в выбросах до начала очистки.

Images