Селективні системи очищення димових газів отNОХ
Для очищення димових газів котлів від оксидів азоту використовують селективний некаталітичні (СНКВ) і каталітичний (ВКВ) методи відновлення NОх до молекулярного азоту. У них в якості відновника застосовується аміак. Некаталітичні системи простіше, їх спорудження обходиться не дорожче заміни пальників, а ефективність досить висока: викиди оксидів азоту знижуються на 40 - 60%. Аміак (аміачна вода, карбамід) вводиться в високотемпературну (900 - 1100 ° С) область газоходу котла з газами рециркуляції, повітрям або парою. Поєднання технологічних методів придушення оксидів азоту з методом СНКВ при спалюванні вугілля дозволяє знизити концентрації оксидів азоту в димових газах до 300 мг / м.
У країнах Європи, в США і Японії системи ВКВ і СНКВ на великих вугільних енергоблоках застосовуються досить часто. У міру посилення нормативів викидів NОх і зниження вартості подібних систем останні можуть виявитися конкурентоспроможними порівняно з реконструкцією системи горіння з метою зниження освіти NОх.
Найважливішою тенденцією є об'єднання цих двох технологій (ВКВ і СНКВ). Цей процес може здійснюватися за наступною схемою: подача аміаку або сечовини в високотемпературну зону (система СНКВ) призводить до часткового відновлення NОх і підвищення вмісту аміаку в димових газах. Шляхом додавання в газоходи невеликої кількості каталізатора за рахунок аміаку вдається забезпечити додаткове відновлення NОх. Каталізатор в цьому випадку розміщують на поверхні воздухоподогревателя.
У порівнянні з ВКВ для системи СНКВ не потрібні значні інвестиційні витрати, проте ефективність цієї системи очищення помітно нижче.
При необхідності за допомогою СНКВ можна знизити викиди NOХ в порівнянні з початковими вдвічі, а за допомогою селективного каталітичного відновлення (СКВ) в 5 - 10 разів.
При практичної реалізації системи СНКВ виникає ряд труднощів:
1) неможливо забезпечити оптимальну температуру димових газів по всьому перетину газоходу;
2) неможливо запобігти зміні температури в реакційній зоні при зміні навантаження котла;
3) недостатня протяжність реакційної зони для забезпечення необхідного часу протікання реакції;
4) неможливо розподілити аміак по перетину газоходу так, щоб всюди співвідношення NН3 / NОх було близько до оптимального.
Таким чином, ефективність очищення залежить від конструктивних особливостей котла і його розмірів.
Система каталітичного відновлення NОх є найбільш ефективною і освоєної для зменшення вмісту оксидів азоту в димових газах потужних парових котлів. За кордоном вона отримала назву технології DЕNОХ.
Гази, що йдуть, як відомо, містять велику кількість найрізноманітніших хімічних сполук. Система каталітичного відновлення заснована на тому, що вводиться в потік газів хімічний реагент взаємодіє переважно з NОх. Доброю вибірковістю (селективністю) для зменшення вмісту NOХ у вихідних газах має аміак МН3. Однак хімічні реакції аміаку з NО і NО2 ефективно протікають тільки при дуже високій температурі (900-1000 ° С).
Для зниження температури використовують каталізатори. Реакції з монооксидом азоту N0 відбуваються на зовнішній поверхні каталізаторів і мають вигляд:
Присутній у вихідних газах котла діоксид азоту NО2 (його не більше 5%) вступає з аміаком в дещо інші реакції:
Крім цих реакцій на каталізаторі можливі і небажані реакції:
Про вплив SO3 на роботу котельної установки буде сказано окремо.
До стимуляторів ставляться такі вимоги:
1) висока активність відновлення NOХ у N2 в широкому діапазоні температур;
2) висока вибірковість (селективність) по NОх;
3) низька активність реакцій з оксидами сірки;
4) стійкість проти стирання твердими частинками і отруєння каталізатора;
5) тривалий ресурс.
Цим вимогам відповідають наступні матеріали: 1) оксиди титану, алюмінію або кремнію в пористому вигляді; 2) суміші оксидів ванадію, молібдену, вольфраму, а також ряду інших металів.
Установки, що реалізують метод ВКВ (ВКВ-установки), мають максимальну ефективність в інтервалі температур газів 340-380 ° С. При температурах димових газів нижче 340 ° С збільшується інтенсивність небажаних реакцій (наприклад, NОх з О2). При температурі 450 ° С і вище виникає небезпека значного зниження ефективності роботи каталізатора.
Ефект очищення димових газів характеризується ступенем очищення, в%, яка визначається за формулою
де і - концентрації NОх на вході в каталізатор і виході з нього.
На рис. 4.4 представлена залежність ступеня очищення димових газів у ВКВ - і СНКВ-установках від температури димових газів і надлишку аміаку. Криві відповідають різним значенням «а» (надлишок аміаку) в порівнянні з стехиометрическим співвідношенням між NОх і NН3.
З малюнка видно, що як на ВКВ-установці, так і на СНКВ-установці ступінь очищення димових газів може бути доведена до 90%, але ці установки істотно відрізняються одна від одної витратою аміаку NН3. Якщо на ВКВ-установці ступінь очищення 90% досягається при мольному співвідношенні a = 0,9, т. Е. Аміак дозується в недостатній кількості, то на СНКВ-установці та ж ефективність досягається при мольному співвідношенні NН3 і NОх, рівному 2,5, т. е. при великому надлишку аміаку.
Мал. 4.4. Залежність ступеня очищення димових газів від оксидів азоту ВКВ і СНКВ-установками від температури димових газів
(A - мольное співвідношення NH3 і NOX)
Теоретично є можливість подальшого підвищення ефективності ВКВ-установки, але для цього необхідно збільшувати надлишок аміаку. При цьому виникає небезпека його небажаного проскока і підвищення концентрації NН3 за каталізатором і у вихідних газах.
За даними фірм-виробників у каталізатора є три взаємно пов'язані характеристики, наведені на рис. 4.5:
1) ступінь очищення газів (зниження концентрації NOХ у димових газах);
2) проскок NН3 (кількість аміаку на виході з установки);
3) обсяг каталізатора
Мал. 4.5. Взаємозв'язок основних характеристик каталізатора
(Ступеня очищення проскока аміаку і обсягу каталізатора Vк)
Взаємозв'язок цих характеристик показана на рис. 4.5 (дані фірми Steinmüller, Німеччина). Як видно з малюнка, однаковою мірою очищення димових газів від NОx, можна домогтися, використовуючи каталізатор великого обсягу при невеликому проскоке аміаку NН3 і каталізатор малого обсягу при великому проскоке аміаку.
В інтервалі 80-85% є майже лінійна залежність між Проскакування аміаку і обсягом каталізатора.
Основним елементом ВКВ-установки служить каталітичний реактор, пристрій якого показано на рис. 4.6. Він складається з окремих керамічних елементів пористої структури, які збирають в модулі і встановлюють в газоході котла в кілька шарів. На рис. 4.7 наведені залежності зміни концентрації NОх і NН3 при проходженні димових газів через тришаровий каталітичний реактор. З малюнка слід, що найбільш «навантаженим» є перший шар реактора, на який припадає основна маса відновлення NОx.
З плином часу ефективність роботи каталізатора падає, необхідно підтримувати з плином часу первісну ефективність роботи каталізатора можна тільки шляхом збільшення проскока аміаку. Збереження постійного проскока аміаку призводить до зниження ефективності каталізатора по відновленню NOХ у N2.
Якщо каталізатор складається з декількох шарів, то відновлення азоту (зниження NОх) в першому шарі у багато разів більше, ніж в останньому шарі. Ця різниця зумовлена різною концентрацією аміаку і оксидів азоту.
При роботі реактора активність шарів каталізатора падає (знижується ефективність, зростає проскок аміаку). Найбільшою мірою виснажується верхній шар, за ним другий і т. Д. Гарантійне час роботи каталізатора визначається збереженням граничного вмісту NOX на виході з реактора при мінімальному проскоке NН3.
Зміна активності каталітичного реактора в часі показано на рис. 4.7. З малюнка видно, що початкова активність (здатність до відновлення NОх) всіх верств каталізатора однакова. Подальша зміна активності залежить від положення шару каталізатора: перший шар втрачає свою активність ( «спрацьовується») швидше, ніж наступні, тому його (приблизно через два роки експлуатації) замінюють в першу чергу. Другий шар «спрацьовується» приблизно через три-чотири роки, і так само здійснюється його заміна. Заміна третього шару в результаті зниження його активності до граничних значень здійснюється через 4,5 року.
Дуже важливим є вибір оптимальної схеми включення ВКВ-установки в газовий тракт котла. Можливі два варіанти схеми включення:
2) Станції телефонні установка включається після електрофільтру і сіркоочистки ( «холодна» Станції телефонні установка).
Кожна схема включення має як переваги, так і недоліки. Оптимальну схему включення слід вибирати з урахуванням результатів техніко-економічного розрахунку.
Мал. 4.6. Пристрій каталітичного реактора
Мал. 4.7. Зміна концентрації NOX і NH3 при проходженні димових газів через тришаровий каталізатор реактора