Об очистке газовых выбросов от оксидов азота

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 66.074.32 Технические науки

Самарский государственный технический университет

Об очистке газовых выбросов от оксидов азота

Борис Юрьевич Смирнов

Оксиды азота принадлежат к числу основных, наиболее проблемных загрязнителей атмосферного воздуха. В приведённом в Государственном докладе «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2009 году» приоритетном списке городов России с наибольшим уровнем загрязнения атмосферы из 34 городов в 16 оксиды азота являются веществами, определяющими их включение в этот список [10].

В 2010 году количество городов с опасными концентрациями оксидов азота возросло до 20 [11]. оксид азот энергетический эмиссия

Известно, что оксиды азота являются не только токсичными веществами, но и принимают активное участие в целом ряде нежелательных процессов в различных частях атмосферы. Это - возникновение фотохимического смога, повышение кислотности атмосферных осадков, образование тропосферного и сокращение количества стратосферного озона. Следует особо подчеркнуть, что в части перечисленных процессов оксиды азота выполняют каталитическую функцию, что делает их особо опасными загрязнителями.

Существенный вклад в антропогенную эмиссию оксидов азота в атмосферу вносят энергетические установки, генерирующие энергию за счёт сжигания различных видов топлива. К настоящему времени разработан и в значительной части реализован целый ряд технологических мероприятий по снижению содержания этих компонентов в отходящих дымовых газах. К числу таких мероприятий следует, прежде всего, отнести [5; 6; 8; 16; 21; 22]:

• внедрение режимов с малыми значениями коэффициента избытка воздуха;

• рециркуляция дымовых газов через горелки в смеси с воздухом;

• двухступенчатое сжигание топлива, что может быть реализовано в конструкции горелок или в топке в целом;

• трехступенчатое сжигание топлива;

• применение специальных горелок;

• впрыск воды;

• двухсветные экраны;

• специальные методы сжигания (например, кипящий слой, вихревые низкоэмиссионные технологии); ? снижение температуры горячего воздуха.

Однако, как показывают приведённые выше данные Государственных докладов, эффективность этих мероприятий явно недостаточна. При этом планируемое в рамках энергетической стратегии России до 2020 года увеличение производства электроэнергии на тепловых электростанциях на 36-47% неизбежно приведёт к существенному росту выбросов оксидов азота.

В этой связи всё более актуальной становится задача совершенствования действующих и разработки новых технологий очистки отходящих дымовых газов от этих компонентов.

Выполненный в рамках настоящих исследований аналитический обзор свидетельствует о том, что сегодня приоритетными методами снижения концентрации оксидов азота в отходящих дымовых газах теплотехнических установок являются их некаталитическое и каталитическое восстановление.

Некаталитические процессы осуществляются с применением восстановительных агентов различного состава. Первоначально в этом качестве широко использовали аммиак, что определяло значительную экологическую опасность технологии, поскольку помимо хранения и транспортировки этого высокотоксичного реагента необходимы высоконадежные методы дозирования, точного контроля и последующей деструкции [19]. В последние годы внимание, в частности, привлекают восстановители, получаемые на основе карбамида. Так, разработан процесс, включающий обработку потока дымовых газов в их высокотемпературной зоне 700-1200°С газообразной восстановительной смесью, предварительно полученной путем термического разложения твердого карбамида вне зоны обработки очищаемых газов и подаваемой в зону очистки газомносителем [12]. В [25] предложено применять в качестве восстановительного агента водные растворы карбамида, карбоната аммония и их смеси. Возможно понижение температуры обрабатываемых газов до 200-700°С при использовании восстановителя, полученного совместным термическим разложением карбамида и перекиси водорода [13]. Разработан также двухстадийный процесс восстановления оксидов азота, в первой высокотемпературной стадии которого осуществляется восстановление карбамидом при температуре 900-1000°C. А во второй, низкотемпературной стадии с использованием карбамида, активированного добавкой АГ-1, при температуре 350-500°C, происходит доочистка газов от остаточных оксидов азота. Такая организация процесса имеет ряд важных преимуществ: увеличивается суммарная эффективность восстановления по сравнению с эффективностью отдельных стадий очистки, существенно уменьшается жесткая зависимость эффективности процесса от колебаний температуры в высокотемпературной стадии [7].

С начала 90-х годов ХХ века, когда в работах Held [23] и Iwamoto [24] была открыта принципиальная возможность селективного каталитического восстановления оксидов азота углеводородами в кислородсодержащей среде, в России и во всем мире интенсивно ведутся разработки катализаторов и условий реализации этой технологии [17]. Сегодня известны сотни публикаций и патентов по этой проблеме. Наибольшую активность для реакции восстановления оксидов азота демонстрируют катализаторы, содержащие металлы платиновой группы. Основным их недостатков является высокая стоимость. Поэтому усилия исследователей направлены на поиск иных более дешевых катализаторов. Выполненные системные исследования механизма катализа при восстановлении оксидов азота углеводородами в избытке кислорода позволили разработать каталитические композиции на основе катионов Cu, Co, Ni и Fe, в том числе, промотированных Ag или Pt, нанесенных на высококремнистые цеолиты, природные глины, обладающие высокой активностью и селективностью по отношению к целевой реакции [Там же]. В [1] исследован Cu-Cr катализатор и получено кинетическое описание восстановления оксидов азота метаном и водородом. Авторами [9] разработана каталитическая система, содержащая Ni, Cu с добавками Mn, Co и Pd (0,2%), обладающая высокой прочностью, достаточным сроком службы и активностью, сопоставимой с палладиевым катализатором.

Ряд исследований посвящены изучению возможности использования известных промышленных катализаторов для решения проблемы очистки газовых выбросов от оксидов азота. Так, в [18] при изучении селективного восстановления оксидов азота пропаном на механической смеси промышленных катализаторов НТК-10-1 и СТК был обнаружен эффект синергизма. Проведенные исследования механизма процесса позволили предложить эффективные промышленные нейтрализаторы для локальных энергетических установок на основе доступных промышленных катализаторов, не содержащих благородных металлов. В работе [20] представлены экспериментальные данные по восстановлению оксидов азота оксидом углерода в присутствии промышленных катализаторов АПК-2 и ГИАП-3.

Особый интерес представляют разработанный новый нанесенный оксокомплексный нанокатализатор на блочных носителях, обеспечивающие безрегентную каталитическую очистку от оксидов азота по механизму диссоциативного разложения на атомарно-диспергированных металлических активных центрах [2; 3].

Принципиально иной способ освобождения дымовых газов от оксидов азота предложен В. С. Ежовым в [4; 14; 15]. Разработанный процесс включает смешение дымовых газов с озоновоздушной смесью и окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV), охлаждение до температуры ниже температуры точки росы, конденсацию водяных паров и абсорбцию оксида азота (IV). Образующийся кислый конденсат направляют для очистки от кислотных компонентов в утилизатор, где осуществляется ступенчатое вымораживание воды холодным воздухом при температуре ниже нуля и отделение раствора азотной кислоты, являющейся целевым продуктом в этом процессе.

Таким образом, выполненный краткий, далеко не исчерпывающий аналитический обзор свидетельствует об актуальности проблемы очистки отходящих дымовых газов от оксидов азота, а также о многообразии разрабатываемых методов и технологий.

Список литературы

1. Власов Е. А. Каталитическое восстановление оксида азота водородом и метаном // Вестник ИНЖЭКОНа. 2009. № 8. С. 87-94.

2. Газаров Р. А., Широков В. А., Газаров К. Р., Румянцева Н. А., Славин С. И. Новый каталитический безреагентный метод очистки оксидов азота в отходящих газах газоперекачивающих агрегатов КС // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2010. № 1. С. 12-16.

3. Газаров Р. А., Широков В. А., Славин С. И., Русакова В. В., Лобанова Т. П., Арбузов Ю. А. Новый каталитический безреагентный метод очистки оксидов азота в отходящих газах газоперекачивающих агрегатов КС // Наука и техника в газовой промышленности. 2009. № 2. С. 24-32, 117.

4. Ежов B. C. Получение азотной кислоты при очистке дымовых газов теплогенераторов от оксидов азота // Экология и промышленность России. 2010. Апрель. С. 7-9.

5. Котлер В. Р., Штегман А. В. Успешный опыт снижения выбросов NO_x на угольных электростанциях США // Энергохозяйство за рубежом. 2006. № 4. С. 36-39.

6. Котлер В. Р., Штегман А. В., Сосин Д. В. Некоторые аспекты снижения выбросов оксидов азота на угольных котлах тепловых электростанций // Международная научно-техническая конференция «Технологии эффективного и экологически чистого использования угля»: сборник докладов и тезисов. М., 2009. С. 287-293.

7. Кулиш О. Н., Кужеватов С. А., Орлова М. Н., Иванова Е. В. Перспективы применения технологии некаталитического восстановления оксидов азота для очистки дымовых газов стационарных топливоиспользующих агрегатов // Чистый город. 2009. № 4. С. 17-23.

8. Метод трехступенчатого сжигания как средство защиты атмосферы от выбросов NO_x // Экологические производства. 2006. № 3. С. 13-15.

9. Моисеев М. М., Ефремов В. Н., Голосман Е. З., Леонов В. Т. Катализаторы очистки отходящих газов от оксидов // Теория и практика массообменных процессов химической технологии: тезисы докладов 3-й всероссийской научной конференции. Уфа, 2006. С. 119-120.

10. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2009 году [Электронный ресурс]: Государственный доклад. URL: http://mnr.gov.ru/regulatory/list.php?part=1266

11. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2010 году [Электронный ресурс]: Государственный доклад. URL: http://mnr.gov.ru/regulatory/list.php?part=1266

12. Пат. 2286839 Россия, МПК⁷ В 01 D 53/56. Способ очистки дымовых газов от оксидов азота / С. А. Кужеватов, Е. В. Куценко, И. Ш. Глейзер, В. М. Сенявин; Росс. гос. ун-т нефти и газа. № 2004137363/15; заявл. 22.12.2004; опубл. 10.11.2006.

13. Пат. 2314861 Россия, МПК B 01 D 53/56 (2006.01). Способ селективной некаталитической очистки дымовых газов от оксидов азота / О. Н. Кулиш, С. А. Кужеватов, А. И. Ребров, М. Н. Орлова, Н. В. Антипова; Росс. гос. ун-т нефти и газа. № 2006124604/15; заявл. 10.07.2006; опубл. 20.01.2008.

14. Пат. 2371238 Россия, МПК B 01 D 53/14 (2006.01) B 01 D 53/62 (2006.01). Комплексный способ и устройство для очистки дымовых газов с утилизацией тепла, вредных примесей и диоксида углерода / В. С. Ежов; Курск. ГТУ. № 2007147407/15; заявл. 19.12.2007; опубл. 27.10.2009.

15. Пат. 2388523 Россия, МПК B 01 D 53/56 (2006.01). Способ и устройство для очистки дымовых газов от оксидов азота с получением азотной кислоты / В. С. Ежов; Курск. ГТУ. № 2008128622/15; заявл. 14.07.2008; опубл. 10.05.2010.

16. Росляков П. В., Ионкин И. Л., Плешанов К. А. Снижение вредных выбросов в атмосферу на действующих котлах при комбинировании малозатратных технологических мероприятий // Теплоэнергетика. 2010. № 12. С. 54-59.

17. Садыков В. А., Лунин В. В., Розовский А. Я., Матышак В. А., Росс Дж. Разработка в России новых катализаторов и процессов селективного восстановления оксидов азота углеводородами в избытке кислорода // Зеленая химия России: сб. статей. М.: Изд-во МГУ, 2004. С. 64-100.

18. Третьяков В. Ф. Промышленные катализаторы в решении экологических проблем // Наукоемкие химические технологии - 2008: 12-я международная научно-техническая конференция. Волгоград, 2008. С. 62.

19. Третьяков В. Ф., Бурдейная Т. Н. Экологический катализ: достижения и перспективы // Зеленая химия в России: сб. статей. М.: Изд-во МГУ, 2004. С. 52-63.

20. Федоров В. Н., Власов Е. А. Селективная каталитическая очистка газовых выбросов от оксидов азота // 1-я международная научно-практическая конференция «Интехмет-2008». СПб., 2008. С. 320-329.

21. Финкер Ф. 3., Кубышкин И. Б., Митрюхин А. Г., Бочанов А. В., Костогоров В. С, Лобко Б. Ю., Топчая Л. 3. Снижение эмиссии оксидов азота в котельных установках, оборудованных шаровыми барабанными мельницами и бункером пыли // Электр. ст. 2007. № 3. С. 39-43.

22. Чупров В. В., Енякин Ю. П. Технологические методы подавления оксидов азота на энергетических газомазутных котлах. Рекомендации по снижению вредных выбросов на ТЭС в атмосферу. М.: СоюзТехЭнерго, 1990. 22 с.

23. Held W., Koenig A., Richter T., Puppe L. // SAE Tech. Paper Ser. 1990. № 900496.

24. Iwamoto M., Yahiro H., Shundo S., Yu-u Y., Mizuno N. // Shokubai (Catalyst). 1990. V. 32. P. 430-433.

25. Mahmood A., Hamid A., Irfan N., Waheed K., Javed M. T. Assessment and Identification of Some Novel NO_X Reducing Reagents for SNCR Process // 18^th International Congress of Chemical and Process Engineering. Prague, 2008. Р. 4835-4837.

Размещено на Allbest.ru