RU215634U1 - Устройство для очистки дымовых газов - Google Patents

Устройство для очистки дымовых газов Download PDF

Info

Publication number
RU215634U1
RU215634U1 RU2022120807U RU2022120807U RU215634U1 RU 215634 U1 RU215634 U1 RU 215634U1 RU 2022120807 U RU2022120807 U RU 2022120807U RU 2022120807 U RU2022120807 U RU 2022120807U RU 215634 U1 RU215634 U1 RU 215634U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
catalytic
catalytic module
boiler
flue
flue gas
Prior art date
Application number
RU2022120807U
Other languages
English (en)
Inventor
Ольга Александровна Баландина
Светлана Михайловна Пуринг
Денис Николаевич Ватузов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU215634U1 publication Critical patent/RU215634U1/ru

Links

Images

Abstract

Полезная модель предназначена для нейтрализации токсичных компонентов NOx и СО дымовых газов без введения внешнего реагента и может быть применена в теплоэнергетической отрасли. Техническим результатом является повышение эффективности работы устройства путем достижения высокого (до 99% и выше) уровня очистки дымовых газов от токсичных выбросов оксидов азота и оксида углерода и минимизация гидравлического сопротивления каталитического реактора без снижения эффективности очистки. Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов NOx и СО котельных установок без введения внешнего реагента реакции нейтрализации протекают в конструкции катализационного модуля сотовой структуры с каналами квадратного сечения, имеющей оптимальные габаритные размеры для снижения гидравлического сопротивления каталитического слоя, и определения рационального места размещения реакторного модуля в газовом тракте котельной установки, при котором поддерживается высокая термическая и экологическая эффективность котла. Использование катализационного модуля сотовой структуры с каналами квадратного сечения позволяет снизить энергозатраты при очистке дымовых газов.

Description

Полезная модель относится к устройству обработки газообразных продуктов сгорания, и может быть использована для очистки от токсичных компонентов выбросов CO и NOx в теплоэнергетической отрасли.
В настоящее время в процессе очистки выбросов энергетического оборудования применяют гранулированные катализаторы /см. Пат. RU 83945 U1. МПК (2006) B01J21/00. B01J23/10/, которые имеют значительное гидравлическое сопротивление и не могут обеспечить эффективную очистку при повышенной скорости выбросов. Решение данной задачи заключается в замене гранулированных катализаторов на катализаторы блочной сотовой структуры с многочисленными каналами, расположенными по направлению течения газового потока.
Известен катализаторный блок для очистки уходящих газов от оксидов азота /см. Пат. UA 90106 U. МПК (2014.01) B01J35/00, B01J37/00/, включающий формирование блока из предварительно гофрированных титановых пластин, прислоненных в виде каналов квадратного сечения, покрытых пористым слоем оксида, на который нанесено каталитически активное вещество.
Существенным недостатком этого устройства является большой расход дорогостоящих металлов из-за применения титановых листов и увеличение времени окислительных реакций из-за недостаточно быстрого прогрева носителя, что снижает эффективность очистки, а также достаточно высокое гидравлическое сопротивление из-за маленьких размеров ячейки.
Наиболее близким, по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству, является устройство управления выделениями из котлов, которое состоит из котла, содержащего печь, средств для введения топлива, первичного и вторичного воздуха, перегревателя, экономайзера, дымового канала с секцией катализатора, подогревателя для нагрева воздуха, пылесборника и дымовой трубы /см. Пат. RU 2299758 С2.МПК (2006.01) B01D 53/86, F23J 15/02, F23C 7/00, F23N 3/00/. Принят за прототип.
Недостатками этого устройства является регулирование общего количества воздуха, поступающего в зону горения, путем управления соотношением СО/NOx, включая управление общими и локальными температурами внутри камеры сгорания, а также модификацию конструкции зоны первичного зажигания или конструкции горелок, что ведёт к дополнительным капитальным затратам. Кроме того, предложенное устройство рассматривает применение широкого спектра конфигураций катализаторов, включая различные материалы подложки и катализационного слоя, без учета гидравлического сопротивления носителей, что может привести к увеличению потерь давления в газоходе котла, а также повлиять на эффективность очистки.
Также в описании данного устройства отсутствуют показатели эффективности очистки в катализационном модуле, которые зависят от вида сжигаемого топлива (твердого, жидкого или газообразного) и режима работы устройства.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности работы устройства для нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов. Данный технический результат возникает вследствие достижения высокого (до 99% и выше) уровня очистки дымовых газов от токсичных выбросов оксидов азота и оксида углерода и минимизации гидравлического сопротивления каталитического реактора без снижения эффективности очистки.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов NOx и СО без введения внешнего реагента размещённая в канале дымового газа секция катализатора, включающая катализатор, активные вещества которого выбраны из группы, состоящей из платины, палладия вместе с родием, оксидов основных переходных металлов и их смесей, и нанесены на керамическую сотовую подложку, представляет собой сборный катализационный модуль с габаритными размерами L⁄Dэкв в диапазоне 0,6÷1,4, сформированный из монолитных блоков сотовой ячеистой структуры квадратного сечения с образованием параллельных каналов с нанесенным слоем каталитически активного вещества и выровненных в направлении потока дымовых газов, с размерами элементарных ячеек 8×8 мм. Активные вещества в каналах катализационного модуля нанесены с периферийным расположением. Катализационный модуль расположен в зоне газохода котельного агрегата с температурой дымовых газов в диапазоне 250÷350°C.
Нейтрализация токсичных компонентов дымовых газов NOx и СО без введения внешнего реагента осуществляется в устройстве, представляющем участок газохода со встроенной секцией катализатора, включающей катализатор, активные вещества которого выбранные из группы, состоящей из платины, палладия вместе с родием, оксидов основных переходных металлов и их смесей, и нанесены на керамическую сотовую подложку. Подогреватель воздуха расположен ниже по потку газа, чем секция катализатора. При этом секция катализатора представляет собой сборный катализационный модуль с габаритными размерами L⁄Dэкв в диапазоне 0,6÷1,4, сформированный из монолитных блоков сотовой ячеистой структуры квадратного сечения с размерами элементарной ячейки 8×8 мм с нанесенным слоем каталитически активного вещества. Блоки катализационного модуля имеют параллельные каналы, выровненные в направлении потока дымовых газов. Активные вещества в каналах катализационного модуля нанесены с периферийным расположением.
Нейтрализация токсичных компонентов дымовых газов, в заявленном устройстве, осуществляется в катализационном модуле, расположенном в рациональной зоне газохода котла, выбранной с учетом комплексного влияния содержания кислорода, скорости движения дымовых газов по тракту и температуры дымовых газов на гидравлическое сопротивление катализационного слоя и эффективность очистки.
Принцип работы устройства основан на каталитическом термическом обезвреживании оксидов азота и углерода в реакторном слое, реакции нейтрализации протекают в конструкции катализационного модуля.
Основная доля выбросов NOх в дымовых газах котельных установок приходится на термический и быстрый сценарии окисления азота в воздухе. Концентрация NOх, выделяющихся в процессе сжигания углеродного топлива в основном определяется стехиометрическими параметрами и температурой в зоне горения. Одной из перспективных технологий нейтрализации токсичных компонентов уходящих газов является избирательное каталитическое окисление без введения дополнительных реагентов. Ключевым моментом заявленного технического решения является определение рациональной зоны установки катализационного модуля в газовом тракте котла для повышения эффективности нейтрализации токсичных компонентов выбросов.
Особой задачей настоящего технического решения является разработка конструкции устройства сборного катализационного модуля, включая определение геометрических параметров элементарной ячейки блочного катализатора на керамическом носителе, с учетом степени внешней диффузии токсичных компонентов, ограниченной лимитирующей стадией окислительного процесса на поверхности катализационных ячеек блока реактора, определяемой по изменению ее кинетической скорости при варьировании нагрузки котла.
Материал, размер и геометрия катализационного модуля определены так, чтобы большая часть, или предпочтительно весь объем выбросов NOxв дымовых газах, был нейтрализован на катализаторе до атомарного азота. Более того, любой избыточный СО в дымовом газе был предпочтительно доокислен в CO2 на поверхности катализатора посредством избыточного кислорода в дымовом газе.
Выбор платины, в качестве активатора катализа (сплав 0,5÷0,6 мас.%), обоснован ее способностью к повышению степени очистки за счет перехода окислительных реакций к первому порядку (для платиновых катализаторов n=1; для ванадиевых n=1,8; для железооксидных n=2,5). Выбор керамики (кордиерит) в качестве материала сотовой подложки основан на сокращении времени окислительных реакций, за счет ускоренного прогрева и с учетом более низкой стоимости керамического носителя, по сравнению с металлическим.
Допустима замена активатора катализа - платины, на палладий или родий, нанесенные на керамическую подложку.
Окислительные реакции на поверхности катализационного модуля представляют собой взаимодействие
Figure 00000001
и
Figure 00000002
х с атомарным кислородом на поверхности ячеек
Figure 00000003
Figure 00000004
(1)
Figure 00000005
(2)
Figure 00000006
(3)
Figure 00000007
(4)
Figure 00000008
(5)
Figure 00000009
(6)
Figure 00000010
(7)
Figure 00000011
(8)
Figure 00000012
(9)
Скорость каталитических реакций на поверхности катализационного модуля определяется с учетом влияния температуры процесса и лимитируется кинетической скоростью самой медленной реакции в цепи на основании в уравнения Аррениуса:
Figure 00000013
(10)
где k - константа скорости реакции, численно равная наблюдаемой скорости реакции при фиксированной температуре и концентрации 1/c; Tк - температура на поверхности катализатора, K; А - предэкспоненциальный множитель, не зависящий от температуры и определяемый только видом реакции; Е - энергия активации реакции показывающая избыток энергии, необходимый для осуществления реакции, кДж/моль; R - газовая постоянная.
Конструкция катализационного модуля для очистки отходящих газов котельных установок, сжигающих газообразное топливо от токсичных компонентов, включает в себя монолитные блоки сотовой структуры квадратного сечения, собранные в модуль так, чтобы образовались параллельные непересекающиеся каналы, выровненные в направлении потока дымовых газов.
Cнижение гидравлического сопротивления при высокой степени очистки достигается путем создания конструкции катализационного модуля сотовой структуры с каналами квадратного сечения размером 8×8 мм, сформированного из монолитных керамических блоков, на которые нанесено равномерно распределенное каталитически активное вещество.
Выбор рациональной зоны размещения катализационного модуля в газоходе котла, учитывающей комплексное влияние режимов работы котельного агрегата, скорости движения дымовых газов по тракту и температуры дымовых газов на эффективность очистки, производился в результате решения уравнений алгоритма, описывающего взаимодействия
Figure 00000014
и
Figure 00000015
х с атомарным кислородом на поверхности катализационного модуля.
Figure 00000016
Figure 00000017
(11)
Для
Figure 00000018
Figure 00000019
(12)
Где ∂τ – время протекания реакции, с;
Figure 00000020
– концентрация NOx на поверхности катализатора, кмоль/м3,
Figure 00000021
– концентрация СО на поверхности катализатора, моль/м3; n – порядок реакции; km – константа реакционной скорости m, 1/с; z – число реакций; s – удельная площадь поверхности катализатора, м23; β – коэффициент массоотдачи, моль/(м2⋅с⋅моль/м3); α – коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2⋅К); qm – тепловой эффект реакции m, кДж/моль; h – высота катализационного слоя, м; ν г – скорость потока газа, м/с.
Наиболее оптимальные условия нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов, с использованием катализационного модуля для окисления NOx и СО без введения внешнего реагента с учетом гидравлического сопротивления реакторного слоя, определены по результатам проведенных экспериментальных исследований и основаны на следующих выводах:
наибольшая эффективность конверсии по токсичным компонентам наблюдается при температуре дымовых газов на входе в катализационный модуль T=250÷350°C;
максимальная эффективность очистки отходящих газов по токсичным компонентам наблюдается при относительных размерах катализационного модуля L⁄Dэкв в диапазоне [0,6÷1,4];
оптимальные показатели степени нейтрализации по всем видам токсичных компонентов наблюдаются при содержании окислителя в зоне установки катализационного модуля от 3 до 5%.
Эффективность предложенного устройства, оценивалась на типовом котельном оборудовании предприятий энергетического комплекса (КА ТГМЕ-464), с использованием данных режимных карт при концентрации NOx в диапазоне 168-286 мг/м3, СО до 80 мг/м3, скорости движения потока дымовых газов на входе в катализационный модуль в диапазоне 5,68-10,64 м/с, температуре выбросов в диапазоне – 275-333°C, при варьировании нагрузки котельного агрегата от 220 до 500 т/ч. Полученные данные исследований демонстрируют степень восстановления оксидов азота до 96%, оксида углерода до 90%, при гидравлическом сопротивлении катализационного модуля от 4500 до 12000 Па. Предложенный блочный катализационный модуль сотового типа обеспечивает высокую степень очистки, имеет сравнительно несложную технологию изготовления и низкое гидравлическое сопротивление.
На фиг. 1 представлена схема размещения устройства, посредством которого осуществляется очистка дымовых газов в газовом тракте котельной установки, состоящей из конвективной шахты котла 1, газохода 2, присоединённого к верхнему патрубку регенеративного воздухоподогревателя 4, газохода 5, отводящего газы в дымовую трубу 6. На участке газохода 2 от конвективной шахты 1 до регенеративного воздухоподогревателя 4 установлен катализационный модуль 3, представляющий собой сборную конструкцию из монолитных катализационных блоков сотовой структуры на керамическом носителе.
На фиг. 2 изображен поперечный разрез конструкции устройства катализационного модуля очистки дымовых газов, состоящего из монолитного блока 7 в форме параллелепипеда (вариативно в виде цилиндра) с сотовой структурой квадратного сечения монолитного носителя 8 с параллельными непересекающимися каналами.
На фиг. 3 изображен профильный продольный разрез конструкции устройства катализационного модуля очистки дымовых газов, где показаны: монолитный блок 7, монолитный носитель 8.
На фиг. 4 изображен увеличенный фрагмент сотовой структуры монолитного блока с элементарной ячейкой 9, имеющей размеры 8×8 мм.
Очистка дымовых газов от NOx и СО происходит следующим образом.
Дымовые газы, образовывающиеся при горении газообразного топлива, например, природного газа, от конвективной шахты котла 1 по газоходу 2 направляются в катализационный модуль 3 очистки дымовых газов, где с помощью метода каталитического термического обезвреживания происходит нейтрализация содержащихся в них оксидов азота и углерода. После нейтрализации очищенные дымовые газы направляются в регенеративный воздухоподогреватель 4, а затем по газоходу 5 отводятся в дымовую трубу 6. Нейтрализация протекает при содержании окислителя от 3 до 5%, окислителем является кислород.
Предложенное техническое решение повышает эффективность работы устройства путем достижения высокого (до 99% и выше) уровня очистки дымовых газов от токсичных выбросов оксидов азота и оксида углерода и минимизирует гидравлическое сопротивление каталитического реактора без снижения эффективности очистки.

Claims (3)

1. Устройство для нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов NOx и СО без введения внешнего реагента, представляющее участок газохода со встроенной секцией катализатора, активные вещества которого выбраны из группы, состоящей из платины, палладия вместе с родием, оксидов основных переходных металлов и их смесей, и нанесены на керамическую сотовую подложку, отличающееся тем, что секция катализатора представляет собой сборный катализационный модуль с габаритными размерами L⁄Dэкв в диапазоне 0,6÷1,4, сформированный из монолитных блоков сотовой ячеистой структуры квадратного сечения с образованием параллельных каналов с нанесенным слоем каталитически активного вещества и выровненных в направлении потока дымовых газов, с размерами элементарных ячеек 8×8 мм.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что активные вещества в каналах катализационного модуля нанесены с периферийным расположением.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катализационный модуль расположен в зоне газохода котельного агрегата с температурой дымовых газов в диапазоне 250÷350°C.
RU2022120807U 2022-07-29 Устройство для очистки дымовых газов RU215634U1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU215634U1 true RU215634U1 (ru) 2022-12-21

Family

ID=

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5547648A (en) * 1992-04-15 1996-08-20 Mobil Oil Corporation Removing SOx, NOX and CO from flue gases
RU2200624C2 (ru) * 1997-11-21 2003-03-20 Сименс Акциенгезелльшафт Катализаторное тело
DE59711100D1 (de) * 1996-08-31 2004-01-22 Kwh Katalysatoren Gmbh DeNOx-Verfahren für staubhaltige Abgase
RU2265481C1 (ru) * 2004-05-27 2005-12-10 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева Реактор с блочным катализатором сотовой структуры
RU2299758C2 (ru) * 2002-12-18 2007-05-27 Фостер Уилер Энерджи Корпорейшн Система и способ управления выделениями nox из котлов, сжигающих углеродные топлива, без использования внешнего реагента
RU135413U1 (ru) * 2013-03-14 2013-12-10 Открытое Акционерное Общество "Газпром Промгаз" Стенд для испытаний нейтрализаторов выхлопных газов компрессорных станций
UA90106U (ru) * 2013-12-23 2014-05-12 Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" Способ изготовления блочного катализатора для очистки выхлопных газов от оксидов азота
DE102018000383A1 (de) * 2017-02-02 2018-08-02 Ngk Insulators, Ltd. Verschlossene Wabenstruktur
KR101917802B1 (ko) * 2018-03-23 2018-11-12 (주) 세라컴 개선된 촉매 성능을 나타내는 촉매 지지체 및 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 촉매 지지체
RU2704194C2 (ru) * 2014-02-27 2019-10-24 Джонсон Мэтти Каталистс (Джермани) Гмбх Катализаторный модуль, приемный блок для катализаторного модуля и способ изготовления катализаторного модуля

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5547648A (en) * 1992-04-15 1996-08-20 Mobil Oil Corporation Removing SOx, NOX and CO from flue gases
DE59711100D1 (de) * 1996-08-31 2004-01-22 Kwh Katalysatoren Gmbh DeNOx-Verfahren für staubhaltige Abgase
RU2200624C2 (ru) * 1997-11-21 2003-03-20 Сименс Акциенгезелльшафт Катализаторное тело
RU2299758C2 (ru) * 2002-12-18 2007-05-27 Фостер Уилер Энерджи Корпорейшн Система и способ управления выделениями nox из котлов, сжигающих углеродные топлива, без использования внешнего реагента
RU2265481C1 (ru) * 2004-05-27 2005-12-10 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева Реактор с блочным катализатором сотовой структуры
RU135413U1 (ru) * 2013-03-14 2013-12-10 Открытое Акционерное Общество "Газпром Промгаз" Стенд для испытаний нейтрализаторов выхлопных газов компрессорных станций
UA90106U (ru) * 2013-12-23 2014-05-12 Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" Способ изготовления блочного катализатора для очистки выхлопных газов от оксидов азота
RU2704194C2 (ru) * 2014-02-27 2019-10-24 Джонсон Мэтти Каталистс (Джермани) Гмбх Катализаторный модуль, приемный блок для катализаторного модуля и способ изготовления катализаторного модуля
DE102018000383A1 (de) * 2017-02-02 2018-08-02 Ngk Insulators, Ltd. Verschlossene Wabenstruktur
KR101917802B1 (ko) * 2018-03-23 2018-11-12 (주) 세라컴 개선된 촉매 성능을 나타내는 촉매 지지체 및 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 촉매 지지체

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2299758C2 (ru) Система и способ управления выделениями nox из котлов, сжигающих углеродные топлива, без использования внешнего реагента
US20070149394A1 (en) Catalyst, a method of using a catalyst, and an arrangement including a catalyst, for controlling NO and/or CO emissions from a combustion system without using external reagent
AU629834B2 (en) Method for lowering the content of oxides of nitrogen in flue gases
US7399458B1 (en) Fired equipment with catalytic converter and method of operating same
WO2007072440A2 (en) A catalyst, a method of and an arrangement for controlling emissions
CA2184827A1 (en) Flow modification devices for reducing emissions from thermal voc oxidizers
EP3259528B1 (en) Exhaust system for power generating apparatus
Kolios et al. Heat-integrated reactor concepts for catalytic reforming and automotive exhaust purification
WO2009134419A1 (en) Emission control system internal to a boiler
Thevenin et al. Catalytic total oxidation of methane. Part II. Catalytic processes to convert methane: partial or total oxidation
RU215634U1 (ru) Устройство для очистки дымовых газов
CN110050110B (zh) 延长NOx固定来源的排放系统中老化的SCR催化剂床使用寿命的方法
RU2792608C1 (ru) Устройство для нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов без введения внешнего реагента
RU2796831C1 (ru) Способ нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов без введения внешнего реагента
US20200392884A1 (en) Method of producing heat in a power station
JPH02238206A (ja) 接触燃焼方法とその燃焼装置
Reay Catalytic combustion: Current status and implications for energy efficiency in the process industries
Yang et al. Catalytic process for decolorizing yellow plume
Balandina et al. On the question of increasing the purification efficiency of flue gases from the boiler unit of HEPS Volzhsky automobile plant
JP3775761B2 (ja) 排ガス脱硝システム及び排ガス脱硝方法
Fukuzawa et al. Catalytic combustion for gas turbines
RU2342185C1 (ru) Способ очистки уходящих газов газотурбинной установки и устройство для его осуществления
Saravanakumar et al. Catalytic Converter—An Integrated Approach to Reduce Carbon Dioxide Emission
RU2064331C1 (ru) Контактный аппарат для селективной каталитической очистки газов от оксидов азота
KR19990000079A (ko) 연소 배기가스에 함유된 공해물질을 재연소 배출하는 방법