Селективное каталитическое восстановление оксидов азота в дымовых газах в присутствии аммиака

Равновесная реакция образования и восстановления оксидов азота проходит при температуре 900^оС. Если газы задержать при данной температуре, то сколько оксидов азота будет образовываться, столько и восстанавливаться. Если ввести аммиак, то концентрация оксидов азота будет равна нулю.

Но проблема в том, что дымовые газы на реальном котле проходят эту зону за сотые доли секунд.

С помощью катализатора уменьшается температура равновесной реакции до коммерчески обоснованного уровня или до температуры уходящих газов и одновременно происходит увеличение скорости реакции восстановления оксидов азота. В этом случае можно восстановить практически 100% оксидов азота до молекулярного азота.

Коммерчески обоснованной технологией является технология Hitachi.

К середине 80-х годов эта технология была внедрена на всех угольных котлах.

Катализатор представляет из себя нейтральную пористую массу (желто-коричневого цвета), внутри которой есть зерна катализатора (оксиды ванадия и титана, другие добавки).

Для снятия оксидов азота перед катализаторами впрыскиваются аммиак или аммиачная вода, которые также взаимодействуют с оксидами азота в катализаторе с выделением водорода и паров воды.

Газы впитываются капиллярными силами в поры катализатора из них выборочно взаимодействует с оксидами азота. В зависимости от концентрации зерен в катализаторе можно уменьшить температуру вплоть до температуры уходящих газов. В зависимости от подачи аммиака можно разложить до 100% оксидов азота.

Лучшие современные установки разлагают оксиды азота до 98-99%. Недостатком данной технологии является высокая цена.

Чем ниже температура, тем больше нужно активных зерен. Последние 30 лет оптимальной температурой является 280-300 ^оС. В этом случае цена установки является оптимальной и составляет примерно 15% от стоимости электростанции, если оснащать все котлы (НО дымовая труба стоит столько же!).

У катализаторов есть еще ряд недостатков:

1) Низкая механическая прочность;

2) Аммиак должен быть тщательно перемешан с газами, поля концентрации должны быть ровными. Зона, где концентрация аммиака меньше, отличается низкой эффективностью, а чем выше концентрация аммиака, тем больше его проскок в дымовую трубу;

3) Аммиак дорог, токсичен, взрывоопасен. Увеличение концентрации до 25% приводит к взрыву его в газоходе;

4) Установка требует одинаковые поля скоростей по сечению газохода, для этого он должен быть длинным и ровным (дефлекторы, сетки, решетки). Это приводит к увеличению габаритов, количества металлов и аэродинамического сопротивления. Есть оптимальная скорость аммиака.

5) Температура газов даже кратковременно нельзя увеличивать до 500 ^оС и выше, т.к. при этом спекаются поры катализатора, он уничтожается и выходит из строя.

6) Катализатор требует оптимальное содержание кислорода (5-6%) в газах.

7) Катализатор подвержен химическому отравлению, не любит кислотные остатки. Отравление верхнего слоя катализатора на системе составляет около 1,5-2 года, а иногда и быстрее

8) Катализаторы не могут терпеть мелкой пыли, они забиваются от нее (могут работать только на малозольном или беззольном топливе) (!)

9) Катализаторы увеличивают затраты на собственные нужды, т.к. их аэродинамическое сопротивление составляет около 750-850 Па.

10) Их нельзя быстро нагревать либо остужать (!). Безопасная скорость прогрева более 5-6 часов, а скорость охлаждения составляет порядка 24 часов.

Эти проблемы на зарубежных электростанциях решаются следующим образом.

Пути адаптации титано-ванадиевых катализаторов Hitachi к реальным способам эксплуатации ТЭС:

a) На газовых котлах катализаторы не ставятся, т.к. оксиды азота подавляются эффективными топочными методами.

b) На электростанциях стараются сжигать высококачественное топливо (А не более 8-9%, S менее 1%). Это топливо очень дорогое, поэтому этот метод используется на мощных энергоблоках с высоким КПД и которые работают на рынке контрактов.

c) Катализатор устанавливается в параллельном газоходе котла, его перегораживают шиберами между ВЭ и ВП. Коммерчески оптимальная точка отборов на восстановление оксидов азота находится между ВЭ и ВП с t=280-300 ^оС. Таким образом, при помощи шиберов на катализатор направляется только часть дымовых газов, остальная часть идет прямиком к ВП. Катализатор рассчитывается так, чтобы на него подавалось около 40-50% от всего объема дымовых газов. Содержание оксидов азота после смешения газов, прошедших и непрошедших катализатор, удовлетворяет требованиям отдельных норм, т.е. предельно допустимой концентрации оксидов азота в дымовых газах. Это позволяет в 2 раза уменьшить стоимость установки (используется этот метод в Скандинавии и Германии). Кроме того, катализатор можно отсекать с помощью шиберов, когда его работа не нужна, например, при сбросе нагрузки или при останове котла в резерв. Если катализатор хорошо теплоизолирован, то его время прогрева при пусках уменьшается многократно.

d) Катализаторы делятся секционно из кирпичей или пластин примерно высотой слоя 1 м. Составляется график замены слоев отравленных на новые, а частично отравленные перемещаются по катализатору. При нормальной эксплуатации котла и катализатора это обеспечивается на 8-12 лет. Это позволяет экономить средства на приобретение катализатора примерно на 30-40%.

6-16 мм

Вывод: катализаторы применяются только на угольных котлах и только тогда, когда остальные методы не соответствуют нормам. Необходимо производить выбор оптимальной схемы последовательной очистки газов от летучей золы, оксидов серы, HF и HCl и места расположения катализатора, что увеличивает надежность работы.

Отечественный уровень угольных котлов: на блоках 200 МВт 100-120 мг/м³ (без недожога). На любых ЭБ от 500-600 мг/м³ до 1-1,5 г/м³. В отдельных режимах эта величина уменьшается до 350-800 мг/м³. Для зарубежных ЭБ 60-100 мг/м³ при работе на природном газе.