Спосіб і пристрій для видалення оксидів азоту з топкових газів

Реферат: Даний винахід належить до способу і пристрою для видалення оксидів азоту з топкових газів (А), що містять монооксид вуглецю (СО) і/або газоподібні органічні речовини, що використовує щонайменше один каталізатор (6) для каталітичного відновлення оксиду азоту NOX і теплообмінник (11) для нагрівання топкових газів (А) від рекуперації залишкового тепла топкових газів (А), підданих видаленню оксидів азоту, перед каталітичним відновленням до температури реакції (TR), що складає 160 °C-500 °C. Для найбільш ефективного видалення оксидів азоту з топкових газів (А) з одночасною мінімізацією кількості необхідної енергії, подаваної ззовні, передбачається, що втрати, пов'язані з переміщенням тепла в теплообміннику (11), будуть компенсуватися за допомогою виконання щонайменше однієї стадії (12) для регенераційного допалювання монооксиду вуглецю (СО) і/або газоподібних органічних речовин. UA 103403 C2 (12) UA 103403 C2 UA 103403 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Даний винахід відноситься до способу видалення оксидів азоту з топкових газів, що містять монооксид вуглецю і/або газоподібні органічні речовини, за допомогою селективного каталітичного відновлення оксидів азоту, при цьому топкові гази, перед каталітичним відновленням, нагрівають до температури реакції 160 °C-500 °C за допомогою теплообміну з рекуперованим залишковим теплом топкових газів, підданих видаленню оксидів азоту. Крім того, винахід відноситься до пристрою для видалення оксидів азоту з монооксиду вуглецю і/або топкових газів, що містять монооксид вуглецю і/або газоподібні органічні речовини, при цьому пристрій містить щонайменше один каталізатор для каталітичного відновлення оксидів азоту і теплообмінник для нагрівання топкових газів від рекуперації залишкового тепла топкових газів, підданих видаленню азоту, перед каталітичним відновленням до температури реакції, що складає 160 °C-500 °C. Даний винахід, у принципі, відноситься до видалення оксидів азоту з будь-яких топкових газів, що містять монооксид вуглецю і/або газоподібні органічні речовини, наприклад, топкових газів, що утворюються при виробництві цементного клінкера, де вихідні матеріали, необхідні для утворення цементного клінкера, нагрівають в обертових печах до температур від 1350 °C до 1700 °C. Перед потраплянням в обертову піч вихідні матеріали звичайно попередньо нагрівають у башті попереднього нагрівання, що містить декілька послідовно розташованих циклонів. Гази, що відходять, пропускають через технологічний процес протитечією потоку матеріалів і піддають обробці газів, що відходять, відразу після виходу з останньої ступені нагрівання в циклоні. Під час видалення оксидів азоту, яке складає частину обробки газів, що відходять, виконують розподіл оксидів азоту NOX у газах, що відходять, на нейтральний для навколишнього середовища азот N2 і воду Н2О при оптимальній робочій температурі за допомогою використання так званих каталізаторів ВКВ (вибіркове каталітичне відновлення), до яких додають аміак або сполуки, які вивільняють аміак, такі як аміачна вода або сечовина. Після факультативного охолодження або рекуперації тепла, якщо використовується, гази, що відходять, нарешті, досягають стадії фільтрації, де з них видаляють пил перед випуском у навколишню атмосферу. На стадії фільтрації перед випуском газів, що відходять, у навколишню атмосферу можуть застосовувати, наприклад, електричні фільтри або мішечні фільтри. Відносно високий вміст пилу в неочищених газах, зокрема при виробництві цементного клінкера, призводить до досить швидкого блокування каталізаторів. Для того щоб підвищити експлуатаційний ресурс каталізаторів, їх часто розміщають з боку очищеного газу, тобто після видалення пилу з неочищених газів. Недолік цієї конструкції полягає в тому, що топкові гази повинні треба нагріти перед каталітичним відновленням до заданої температури реакції, що складає звичайно 160 °C-500 °C. Топкові гази звичайно нагрівають за допомогою рекуператора або теплообмінника, який витягає тепло з топкових газів, підданих видаленню оксидів азотів, і подає його до топкових газів перед каталітичним відновленням. Втрати, обумовлені тепловим зсувом при теплообміні, роблять обов'язковим додаткове нагрівання топкових газів за допомогою зовнішньої енергії. Наприклад, у документі AT 505 542 В1 розкривається установка для очищення топкових газів при виробництві цементу, де топкові гази нагрівають за допомогою щонайменше однієї спалювальної установки для генерування електроенергії, наприклад, газової турбіни або газового двигуна, що працює на природному газі. У документі DE 197 05 663 А1 розкривається установка для видалення оксидів азоту з топкових газів, у якій, однак, завдяки вже наявній високій температурі газів, що відходять, яка становить близько 800 °C-1000 °C, нагрівання газів для каталітичного відновлення не є необхідним. Задачею даного винаходу є забезпечення способу і пристрою, аналогічних згаданим вище, за допомогою яких використання зовнішньої енергії може бути мінімізоване або виключено, при цьому одночасно досягається високий ступінь видалення оксидів азоту. Недоліки відомих способів або пристроїв можуть бути знижені або усунуті. Задача винаходу щодо запропонованого способу вирішується тим, що втрати, обумовлені тепловим зсувом при теплообміні, щонайменше, частково компенсуються за допомогою регенераційного допалювання монооксиду вуглецю і/або газоподібних органічних речовин. Допалювання для очищення топкових газів є відомим. Крім того, мається на увазі спалювання топкових газів для зменшення вмісту органічних речовин. Під час термічного допалювання звичайно досягаються температури горіння в діапазоні від приблизно 750 до 900 °C. Додаткові палива і повітря горіння можуть бути додані в разі потреби. Каталітичне допалювання характеризується каталізатором, що є присутнім у камері згоряння, що прискорює процеси окислювання. Це вимагає більш низьких температур горіння, що складають приблизно 300500 °C. Завдяки регенераційному допалюванню можливо значно знизити кількість палива, що 1 UA 103403 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 додається, за допомогою збільшення температури топкових газів до майже температури горіння за допомогою теплообміну. Таким чином, відповідно до винаходу передбачається спалювання монооксиду вуглецю і/або газоподібних органічних речовин у топкових газах у процесі допалювання. Згідно винаходу енергію, яку генерують при допалюванні, використовують для підвищення температури топкових газів до температури каталітичної реакції. Поряд з енергозберігаючим способом, за допомогою якого нагрівають топкові гази для каталітичного відновлення, також досягають зменшення кількості монооксидів вуглецю і/або газоподібних речовин, що містяться в топкових газах. Необхідна кількість енергії, наприклад, у вигляді природного газу, може бути значно знижена завдяки способу згідно винаходу або, інакше кажучи, додавання зовнішньої енергії буде необхідним тільки при запуску. Спосіб згідно даного винаходу може бути реалізований з відносно невеликими витратами, і спосіб може бути реалізований економічно ефективним чином. Завдяки регенераційному допалюванню виконують не тільки видалення оксидів азоту з топкових газів, але і супутнє зниження вмісту газоподібних органічних речовин у них. Завдяки зниженню вмісту газоподібних органічних речовин, зокрема так званих "летких органічних сполук" (ЛОС), зменшується запах від топкових газів. Відповідно до одного варіанта способу згідно даного винаходу передбачається спрямування топкових газів у перемінному напрямку через щонайменше два канали з декількома послідовно розташованими модулями акумулювання теплоти і простір між ними для виконання регенераційного допалювання і каталітичного відновлення оксидів азоту в каталізаторах, розташованих між модулями акумулювання теплоти. За цим варіантом способу видалення оксидів азоту згідно винаходу модулі акумулювання теплоти і каталізатори об'єднані в каналах, при цьому тепло, необхідне для каталітичного відновлення, витягають з топкових газів завдяки перемінному напрямку топкових газів. Завдяки регенераційному допалюванню монооксиду вуглецю і/або газоподібних органічних речовин у топкових газах спосіб може бути виконаний автотермічно, тобто без подачі зовнішньої енергії, у результаті чого досягається висока ефективність. Для досягнення і/або підтримки робочої температури видалення оксидів азоту з топкових газів може бути введена зовнішня теплова енергія. Ця зовнішня теплова енергія може, наприклад, генеруватися за допомогою спалювання зовнішніх джерел енергії, таких як природний газ або нафта. Для того щоб збільшити енергію, яку досягають при регенераційному допалюванні, горючі речовини, такі як природний газ або нафта, можуть бути введені в топкові гази перед регенераційним допалюванням. Вміст монооксиду вуглецю або газоподібних органічних речовин у топкових газах може бути спеціально збільшене за допомогою контрольно-технічних заходів. Під час виробництва цементу, наприклад, зниження кількості повітря, що подається, в обертову піч призведе до підвищення вмісту монооксиду вуглецю, у результаті чого збільшиться рекуперація енергії за допомогою регенераційного допалювання. Переважно ступінь видалення оксидів азоту з топкових газів складає щонайменше 60 %. Задача даного винаходу також вирішується за допомогою згаданого вище пристрою для видалення оксидів азоту з монооксиду вуглецю і/або топкових газів, що містять газоподібні органічні речовини, де, наприклад, для того, щоб компенсувати втрати теплового зсуву в теплообміннику, забезпечується щонайменше одна стадія для регенераційного допалювання монооксиду вуглецю або газоподібних органічних речовин. Переваги пристрою згідно даного винаходу можуть бути зрозумілі зі згаданих вище переваг способу видалення оксидів азоту. Відповідно до одного варіанта пристрою видалення оксидів азоту згідно даного винаходу щонайменше одна стадія допалювання виконана за допомогою щонайменше двох каналів з декількома послідовно розміщеними модулями акумулювання теплоти і простору, розташованого між ними, для регенераційного допалювання, де топкові гази направляються через канали в перемінному напрямку, при цьому щонайменше один каталізатор на кожен канал розташований між модулями акумулювання теплоти для каталітичного відновлення оксидів азоту. Модулі акумулювання теплоти переважно виконані з корпусів з керамічним сотовим покриттям. Відповідно до альтернативного варіанта здійснення щонайменше одна стадія допалювання розташована нижче за потоком від щонайменше одного теплообмінника і вище за потоком від щонайменше одного каталізатора. Таким чином, будь-які втрати, обумовлені тепловим зсувом, у теплообміннику будуть компенсовані за допомогою стадії допалювання, у результаті чого 2 UA 103403 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 досягається бажана температура реакції 160 °C-500 °C для каталітичного відновлення топкових газів. Згідно додаткової ознаки винаходу пропонується пристрій для подачі зовнішньої теплової енергії для встановлення і/або підтримки робочої температури видалення оксидів азоту з топкових газів. Як уже було згадано вище, зовнішня теплова енергія може бути вироблена за допомогою спалювання зовнішніх джерел енергії, таких як природний газ або нафта. Для того щоб поліпшити допалювання може бути виконана лінія для додавання горючих речовин, наприклад, природного газу або нафти. За допомогою засобів для спеціального підвищення вмісту монооксиду вуглецю і/або газоподібних органічних речовин у топкових газах можна досягти збільшення вироблення енергії з регенераційного допалювання. Як вже було згадано вище, ці засоби для спеціального підвищення вмісту монооксиду вуглецю і/або газоподібних органічних речовин у топкових газах можуть бути сформовані, наприклад, за допомогою засувки для зниження впуску повітря в піч, у якій генеруються топкові гази. Завдяки цим погіршеним умовам горіння в печі можна збільшити вміст монооксиду вуглецю і/або газоподібних органічних речовин з мінімальними технічними витратами. Далі даний винахід буде докладно пояснено відносно прикладених графічних матеріалів, на яких на фіг. 1 представлене схематичне зображення установки для одержання цементного клінкера відповідно до рівня техніки; на фіг. 2 представлене схематичне зображення варіанта здійснення пристрою для видалення оксидів азоту згідно даного винаходу; і на фіг. 3 представлений додатковий варіант здійснення пристрою для видалення оксидів азоту згідно даного винаходу. На фіг. 1 представлене схематичне зображення відомого з рівня техніки пристрою для одержання цементного клінкера. Пристрій для одержання цементного клінкера містить піч, зокрема, обертову піч 1, у якій виконують випал вихідних матеріалів для одержання цементного клінкера. Звичайно вихідні матеріали попередньо підігрівають у башті 2 попереднього нагрівання, яка може складатися з декількох циклонів 3, розташованих один над іншим. Для цього вихідні матеріали подають у вежу 2 попередні нагрівання за допомогою системи 4 подачі матеріалу. Базуючись на протиточному принципі, вихідний матеріал надходить в обертову піч 1, у той час як топкові гази А спрямовані протилежно потоку вихідного матеріалу через башту 2 попереднього нагрівання. Нижче за потоком від башти попереднього нагрівання 2 неочищені гази А, що містять оксид азоту і пил, надходять у фільтр 5, де відповідно зменшують вміст пилу в неочищених газах А. Після цього неочищені гази А досягають каталізатора 6, на якому за допомогою відповідної каталітичної реакції оксиди азоту NOX частково перетворюються в азот N2 і воду Н2О. Неочищені гази А, піддані видаленню оксидів азоту, можуть бути спрямовані, при необхідності, через охолоджуючий пристрій 7 для того, щоб понизити температуру топкових газів А до рівня, що є прийнятним для наступної стадії фільтрації 8, призначеної для видалення пилу з топкових газів, з однієї сторони. З іншого боку, подібний охолоджуючий пристрій 7 може бути використаний для рекуперації тепла, що міститься в топкових газах А, і нагрівання топкових газів А перед тим, як вони досягнуть каталізатора 6. Після стадії фільтрації 8, що може бути сформована з трубчастих фільтрів або електричних фільтрів, топкові гази А, піддані видаленню оксидів азоту і пилу, виходять в атмосферу через димохід 9. Після каталізатора 6 обпалений вихідний матеріал, що переноситься разом з топковими газами А, попадає в млин 10, де його перемелюють до визначеного розміру перед упакуванням. Як було відзначено вище, звичайно не представляється можливим за допомогою рекуперації тепла нагріти топкові гази до необхідної температури реакції, що складає переважно 160 °C-500 °C, для каталітичного відновлення на каталізаторі 6. Таким чином, необхідно, відповідно до рівня техніки, компенсувати втрату тепла за допомогою введення зовнішньої енергії. Однак, подача зовнішньої енергії виключається у зв'язку з пов'язаними з нею витратами. На фіг. 2 представлений можливий варіант здійснення винаходу, що використовує регенераційне допалювання монооксиду вуглецю в топкових газах А. Топкові гази А після звичайної фільтрації (не показана) попадають у теплообмінник 11, де відбувається їх нагрівання до температури реакції TR каталізатора 6, що складає 160 °C-500 °C. Теплообмінник 11 витягає теплову енергію з топкових газів на каталізаторі 6 і можливо після наступної стадії фільтрації, тим самим приводячи температуру топкових газів А до температури реакції TR, після чого вони попадають у каталізатор 6. Звичайне нагрівання топкових газів до необхідної температури реакції неможливо завдяки втратам, обумовленим тепловим зсувом, у теплообміннику 11, і 3 UA 103403 C2 5 10 15 20 25 30 35 необхідне введення зовнішньої енергії. Відповідно до варіанта здійснення згідно фіг. 2, втрати, обумовлені тепловим зсувом, у теплообміннику 11 компенсуються за рахунок того, що монооксид вуглецю СО і/або газоподібні органічні речовини в топкових газах А піддають допалюванню. Для цього між теплообмінником 11 і каталізатором 6 виконана стадія 12, призначена для регенераційного допалювання монооксиду вуглецю СО і/або газоподібних органічних речовин у топкових газах А. Поряд з регулюванням кількості зовнішньої енергії, при допалюванні на стадії 12 також знижується вміст монооксиду вуглецю СО і/або газоподібних органічних речовин у топкових газах. Оксиди азоту, утворені при допалюванні в стадії 12, і оксиди азоту NOX, що містяться в топкових газах, остаточно видаляють на каталізаторі 6. Для досягнення і/або підтримки робочої температури видалення оксидів азоту з топкових газів А, пристрій 13 для подачі зовнішньої енергії, наприклад, трубопровід для природного газу, може бути розташований вище за потоком від стадії 12 допалювання. У такий спосіб пристрій згідно винаходу, завдяки зниженню кількості зовнішньої енергії, не тільки підвищує ефективність, але також знижує як вміст оксидів азоту NOX, так і вищих монооксидів вуглецю CO і/або газоподібних органічних речовин. Завдяки випалу топкових газів немає необхідності встановлювати додатковий шар у виді так званого каталізатора окислювання. Каталізатор окислювання забезпечує окислювання монооксиду вуглецю СО з утворенням діоксиду вуглецю СО 2. Ці спеціальні каталізатори є дуже дорогими через введення добавок у вигляді коштовних металів, таких як платина, палладій або подібних, а також дуже чутливими до отруєння важкими металами. На фіг. 3 представлений додатковий варіант здійснення пристрою для видалення оксидів азоту згідно даного винаходу з комбінацією акумулятора теплоти і каталізатора. Відповідно до цього варіанта здійснення топкові гази А направляють у перемінних напрямках через два канали 14, що містять декілька послідовно розташованих модулів акумулювання теплоти 15 і простір 16, розташований між ними для регенераційного допалювання монооксиду вуглецю СО і/або газоподібних органічних речовин у топкових газах А. Завдяки напрямку потоку, теплову енергію витягають з топкових газів А у модулях акумулювання теплоти 15, при цьому теплова енергія є необхідною для того, щоб підняти температуру топкових газів А до температури реакції TR каталізаторів 6. Паливо, таке як природний газ, можна подавати через трубопровід 17. Трубопроводи 18 або 18а виконані для додавання, після реверсування потоку, речовин, необхідних для каталітичного відновлення на каталізаторах 6, переважно аміаку. Керування зміною напрямку потоку виконують за допомогою відповідних керуючих пристроїв (не показані). Модулі акумулювання теплоти 15 можуть бути виконані з корпусів з керамічним сотовим покриттям. У варіанті згідно фіг. 3 необхідним є використання каталізаторів 6 з більш широким діапазоном температури реакції TR, оскільки температура не може підтримуватися постійною через перемінний напрямок топкових газів А. У цьому випадку немає необхідності в додатковому теплообміннику 11, переважно він може бути вбудований у канали 14 за допомогою модулів акумулювання теплоти 15. Відмова від додаткового теплообмінника також є заходом для зниження витрат на пристрій. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 1. Спосіб видалення оксидів азоту з монооксиду вуглецю (СО) і топкових газів (А), що містять газоподібні органічні речовини, за допомогою селективного каталітичного відновлення оксидів азоту (NOX), де топкові гази (А) направляють у перемінних напрямках через щонайменше два канали (14), що містять декілька послідовно розташованих модулів акумулювання теплоти (15), і каталітичне відновлення оксидів азоту (NOX) виконують на каталізаторах (6), розташованих між модулями акумулювання теплоти (15), і де топкові гази (А), перед каталітичним відновленням, нагрівають за допомогою теплообміну з рекуперованим залишковим теплом топкових газів (А), підданих видаленню оксидів азоту, до температури реакції (TR), що складає 160 °C-500 °C, який відрізняється тим, що обумовлені тепловим зсувом втрати теплообміну щонайменше частково компенсують за допомогою регенераційного допалювання монооксиду вуглецю (СО) і газоподібних органічних речовин, що містяться в топкових газах (А), у просторі (16), розташованому між щонайменше двома каналами (14). 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що зовнішню теплову енергію подають для досягнення і/або підтримки робочої температури для видалення оксидів азоту з топкових газів (А). 3. Спосіб за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що горючі речовини додають у топкові гази (А) перед регенераційним допалюванням. 4 UA 103403 C2 5 10 15 20 25 4. Спосіб за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що вміст монооксиду вуглецю (СО) і/або газоподібних органічних речовин у топкових газах (А) спеціально підвищують за допомогою технічних заходів стосовно горіння. 5. Спосіб за будь-яким з пп. 1-4, який відрізняється тим, що ступінь видалення оксидів азоту з топкових газів (А) складає щонайменше 60 %. 6. Пристрій для видалення оксидів азоту з монооксиду вуглецю (СО) і топкових газів (А), що містять газоподібні органічні речовини, який містить щонайменше два канали (14) з декількома послідовно розташованими модулями акумулювання теплоти (15) для спрямування топкових газів (А) у перемінних напрямках через канали (14), де щонайменше один каталізатор (6) на кожен канал (14) для каталітичного відновлення оксидів азоту (NOX) розташований між модулями акумулювання теплоти (15) для нагрівання топкових газів (А) від рекуперованого залишкового тепла топкових газів (А), підданих видаленню азоту, перед каталітичним відновленням до температури реакції (TR), що складає 160 °C-500 °C, який відрізняється тим, що простір (16) для регенераційного допалювання монооксиду вуглецю (СО) розташований між щонайменше двома каналами (14) для того, щоб компенсувати втрати, обумовлені тепловим зсувом, у модулях акумулювання теплоти (15). 7. Пристрій за п. 6, який відрізняється тим, що модулі акумулювання теплоти (15) виконані з корпусів з керамічним сотовим покриттям. 8. Пристрій за п. 6 або п. 7, який відрізняється тим, що містить пристрій (13) для введення зовнішньої теплової енергії для того, щоб досягти і/або підтримувати робочу температуру для видалення оксидів азоту з топкових газів (А). 9. Пристрій за будь-яким з пп. 6-8, який відрізняється тим, що містить трубопровід (17) для додавання горючих речовин щонайменше до однієї стадії допалювання. 10. Пристрій за будь-яким з пп. 6-8, який відрізняється тим, що містить засоби спеціального підвищення вмісту монооксиду вуглецю (СО) і/або газоподібних органічних речовин у топкових газах (А). 5 UA 103403 C2 6 UA 103403 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7