Способ обезвреживания окислов азота и устройство для его осуществления

 

В. С. Авдуевский, У. Г. Пирумов, А. И.. Папу@а, 3. Я. Исмаилов и 6. В. Полежаев (72) Авторы . изобретвнвя (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к защите атмосферы от загрязнения токсичными веществами, а именно к снижению до, санитарных норм выброса больших количеств окислов азота, образующихся при нагреве кислородно-азотных сме5 сей или прн сжигании топлив.

Известен способ обезвреживания нитрозных газов, который обеспечивает разложение окислов азота в ниэкотемпературном потоке газа. Способ ,заключается в том, что газовую смесь, содержащую окислы азота и находящуюся при комнатной температуре, перед выпуском в атмосферу направляют в зону горения углеводородного топлива $1).

Йедостаток этого способа заключается в том, что эффект нейтрализации зф окислов азота низок, а диапазон исходных параметров газовой смеси, содержащей окислы азота, ограничен, в частности, способ не обеспечивает

2 нейтрализацию высокотемпературных нит" розных газовых потоков.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемым является способ обезвреживания окислов азота, содержащихся в высокотемпературном потоке, путем предварительного охлаждения потока газа до 2400-2600 К, введения в него топлива и сжигания топлива при указанной температуре в течение времени, обеспечивающего релаксационные процессы. а также устройство для осуществления этого способа которое содержит корпус с охлаждаемыми стенками с последовательно рас положенными в нем входной и реакционной камерами, узлами подачи и впрыска топлива и. топливохранвлищв.

При осуществлении известного способа высокотемпературный воздушный поток предварительно охлаждают до

2400-2500 К и затем, послед.введения в него углеводородного горючего (топ3 93789 лива), поддерживают температуру продуктов сгорания приблизительно на ,постоянном, укаэанном выше уровне в течение не менее 0,05-0,005 с в зависимости от давления. При осу- s ществлении этого способа предварительное охлаждение газовой смеси до 24002600 К и поддержание этой температуры в дальнейшем в течение заданного времени при одновременном протекании 10 процессов горения обеспечивает оптимальные условия для максимального разложения окислов азота на элементы (2).

Недостаток известного способа за- 1! ключается в том, что в зоне разложения окислов азота сжигается углеводородное горючее с коэффициентом избытка окисления oL= 0,6-0,8, при этом образуется окись углерода (до 203 от 20 общего объемного расхода, а также сажа и аэрозоли, содержащие полициклические ароматические углеводороды, в частности 3,4-бензпирен, т. е. при нейтрализации окислов азота генериру- 2З ются другие вредные вещества.

Цель изобретения - предотвращение образования s.ïðîöåññå обезвреживания окиси углерода и полициклических ароматических углеводородов. 30

Эта цель достигается тем,,что согласно способу обезвреживания окислов азота, содержащихся в высокотемпературном потоке газа, путем предварительного охлаждения потока до 24002600 К,. введения в него топлива и ,сжигания топлива при указанной температуре в течение времени, обеспечива,ющего рвлаксационные процессы в потоке,.в качестве топлива используют во- в дород, а температурный режим процесса поддерживают путем дозированного впрыска воды.

В устройстве для осуществления способа, содержащем корпус с охлаждае.мыми стенками, в котором последовательно расположены входная и реакционная камеры, узлы подачи и впрыска топлива и топливохранилище, последнее

50 размещено эа реакционной камерой и выполнено в виде теплообменника, заполненного гидридом металла.

В качестве гидрида металла используют гидрид титана..

Кинетика процессов, происходящих .в высокотемпературном потоке газа, описывается уравнениями

6 4

Н +М Н+Н+М (1)

O,+М О+0+М

2. (2)

H O+ M OH+ Н+ М (3)

ОН + М- Н + О + M (4)

Nj+М N+N+М (5)

HO+0 Н +OH . (6) но+ ow OH 0H (7) н + о он ° н (8) о,+н он+ о (9)

N,+ 02Ф NO+ NO (10)

N + О Ф NO+ N . (11)

О + N NO+ О (12)

N + О + М NÎ + М (13)

Равновесное значение концентрации окиси азота в газовой смеси пропорционально корню квадратному из вели.чины концентрации свободного кислорода (уравнение .10). Для достижения требуемого эффекта нейтрализации окиси азота. путем ее термического разложения необходимо снизить до необходимого уровня концентрацию свободного кислорода в смеси и создать условия для того, чтобы релаксация потока протекала в течение минимального времени.

Целям снижения концентрации кис лорода служит ввод в поток водорода в избытке, .т. е. обеспечение коэффициента избытка кислорода А с 1. Целям создания условий минимального времени релаксации потока служит организация процесса горения (уравне" ния 1, 4, 6, 8 и 9) при 2000-2800 К.

Так как водород более активно вступает в реакцию с кислородом, чем азот (энергия активации реакций 3, 4, 8, 9 намного ниже, чем реакций

10-13),при вводе водорода происходит разложение NO, т.е. реакции 10-13 следуют справа налево.При сжигании водорода в воздухе продуктами сгорания являются вода и другие комбинации элементов Н, О, N, т. е. отсутствуют элемент С и его комбинации с Н, О и N, которые образуются при сжигании углеводородов. Таким образом, при сжигании водорода не могут вырабатываться окись углерода, полициклические углеводороды, цианиды и другие вещества, которые являются очень ядовитыми. При нейтрализации окислов азота сжиганием углеводородных горючих создаются условия для генерации полициклических ароматических углеводородов, в частности 3,4-бензпирена, которые являются канцерогенами, так как о(с 1 и высокая температура способствуют их образованию.

937896. Концентрация кислорода в смеси определяется степенью диссоциации продуктов полного сгорания и будет тем меньше, чем ниже температура продуктов сгорания. Этим обстоятельством объясняется необходимость предварительного охлаждения высокотемпера" турного газового потока. Причем при охлаждении газового потока дозированным впрыском воды обеспечивается не только охлаждение, но и снижается необходимое количество водорода для нейтрализации окислов азота. При температуре более 1300 К происходит дис.социация водяного пара (уравнение 3 с образованием ионов водорода и гидроксильной группы, причем водород активно вступает в реакцию с кислородом, находящимся в потоке.

При понижении температуры в зоне 20 реакции ниже 2000 К значительно увеличивается время релаксации потока, что значительно увеличивает габариты устройства для нейтрализации ИО,<.

Поэтому диапазон нейтрализации следу- И ет поддерживать в пределах 2000

2800 К. Диапазон температур расширен по сравнению с известным эа счет того, что энергия активации реакций с водородом, ниже, чем с углеводоро" . 30 дами.

Для осуществления процесса предлагается устройство, в котором топливохранилище содержит гидрид металла, 55 например титана.

Водород имеет малую удельную массу (в 1 м водорода содержится всего

90 r), поэтому в стандартном промышленном баллоне под давлением помещается 0,5 кг водорода, в то время как сам баллон весит 70-80 кг. Увеличение количества водорода в топливохранилище можно достичь двумя способамииспользованием жидкого водорода или использованием гидридов металлов.

Для хранения жидкого водорода топливохранилище необходимо оснастить громоздким и дорогим оборудованием, к тому же такое топливохранилище

50 взрывоопасно.

Топливохранилище, наполненное гидридом металла, лишено указанных недо-. статков. Суть этого решения состоит в том, что некоторые металлы и сплавы обладают способностью "впитывать во5 дород. При этом атомы водорода внедря ются в пустоты между атомами металла, но прочных химических связей с ними не образуют. При охлаждении металла водород "впитывается", а при нагревании освобождается. При минимальном насыцении, например, титана, плотность водорода может быть вдвое выше, чем в сжиженном состоянии.

На фиг. 1 представлено устройство для обезвреживания окислов азота; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. вид Б на фиг. 1.

Устройство содержит корпус 1 с охлаждаемыми стенками. Корпус имеет входную и реакционную камеры 2 и 3, расположенные друг за другом. На вхо де каждой камеры имеются узлы Ь и 5 :. впрыска соответственно воды и водорода с водой, представляющие собой охлаждаемые коллекторы с форсунками.

На выходе из реакционной камеры размещено топливохранилище 6, заполненное гидридом металла 7. Топливохранилище имеет коллектор 8 для сбора водорода, Коллектор водорода соединен трубопроводом 9 с узлом 5 впрыска. Трубопровод оснащен заправочным устройством 10 и отсечным клапаном 11. В топливохранилище смонтирован змеевик

12 с охлаждающей жидкостью, подключенный к коллектору 13 воды, и развитые поверхности 14, омываемые горючим газом.

Устройство работает следующим образом.

Высокотемпературный поток газа (например, воздуха) с температурой большей или равной 2000 К поступает во входную камеру 2, в которой осуществляется впрыск воды из узла 4 впрыска, чем обеспечивается необходимый уровень температуры газа на входе в реакционную камеру 3. Длина входной камеры выбрана таким образом, чтобы газовый поток пришел в равновесие. На входе в реакционную камеру 3 осуществляется впрыск водорода и воды из узла 5 впрыска. В реакционной камере 3 производится сжигание водорода при а(, < 1, чем достигается термическое разложение

Ю . Длина реакционной камеры 3 выбрана таким образом, чтобы обеспечить релаксацию потока на выходе камеры.

На выходе из реакционной камеры 3 размещено топливохранилище 6, которое выполнено в виде теплообменника „ наполненного гидридом металла 7, например титана. Газовый поток выходящий из реакционной камеры 3, омывает

7 9378 развитые поверхности 14 топливохранилища-теплообменника, тем самым нагревает гидрид металла 7, а сам ох.-. лаждается. При нагреве гидрид освобождает водород, который собирается в коллекторе 8 и затем по трубопроводу 9 подается в узел 5 впрыска. После топливохранилища нейтрализованный газ охлаждается приблизительно до

100-200 С и выбрасывается выхлопной 10 трубой, Перед рабочим процессом топливохранилище наполняется водородом следу им образом. опливохранилище 6 отсекается от 1$ узла 5 впрыска клапаном 11, к заправочному устройству 10 подсоединяется мобильная емкость с водородом и вклю-. чается,. подача воды в охлаждающий змеевик 12. При температуре воды металл 2в насыщается водородом до необходимой плотности.

Изобретение позволяет снижать со. .с держание окислов азота в высокотемпературном потоке до уровня санитар- 2з ных норм, при этом предотвращается образование s процессе обезвреживаньМ окиси углерода и полициклических ароматических углеводородов.вследствие того, что, в реакционной зоне сжи-эв . гается водород. Кроме того, реализация изобретения не требует дорогостоящих катализаторов, и обеспечивает обезвреживание потока газа:любого массового расхода в широком диапазоне давлений и .температур. формула изобретения.

1. Способ обезвреживания окислов азота, содержащихся в высокотемпера96 8 турном потоке газа, путем предварительного охлаждения потока до 24002600 К, введения в него топлива и сжигания топлива при указанной температуре в течение времени, обеспечивающего релаксационные процессы в потоке, .о т л и.ч а ю шийся тем, что, с целью предотвращения образования в процессе обезвреживания окиси углерода и полициклических ароматических углеводородов, в качестве топлива используют водород, а температурный режим процесса поддерживают путем дозированного впрыска воды.

2. Устройство для обезвреживания окислов азота, содержащее корпус с охлаждаемыми стенками и последовательно размещенными в нем входной и реакционной камерами, узлы впрыска топлива и топливохранилище, о т л и ч аю щ е е с я тем, что топливохранилище размещено за реакционной камерой и выполнено в виде теплообменника, заполненного гидридом металла.

3. Устройство по и. 1, о т л и.ч а ю щ е е с я тем, что в качестве гидрида металла используют гидрид титана.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США N 2673141, кл. 110-8R, 1964.

2; Авторское свидетельство СССР

М 565009, кл. С 01 В 21/20,.

1977

93789Ь

®иг.2

Тираж 598 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открмтий.

f13035, Иосква, 3-35, .Рауаская наб., д. 4/5

Заказ 44Z8/54

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Т. Лепахина

Редактор Т. Кугрышева Техред А. Бабинец Корректор 0. Билак