Determination of the design features of the device for neutralizing toxic components of flue gases

Full Text

Сокращение атмосферных выбросов от котельных установок, сжигающих газообразное топливо, может осуществляться по двум основным направлениям: совершенствование технологических процессов и очистка выбросов при сохранении существующих технологий. Одним из наиболее универсальных методов газоочистки является каталитическая нейтрализация, в процессе осуществления которой отсутствует образование вторичных загрязнителей [1]. В промышленных условиях процессы каталитической очистки проходят в области внешней диффузии, поэтому скорость реакции определяется макрокинетическими факторами [2].

При сжигании природного газа в топках котельных агрегатов основными загрязнителями, выбрасываемыми в атмосферу, являются оксиды азота и углерода. Одновременную очистку по данным загрязнителям позволяют проводить методы глубокого каталитического окисления [3].

С целью установления оптимальных конструктивных особенностей керамического носителя блока-реактора принимались эксплуатационные параметры и компоновочные решения, определенные по результатам режимно-наладочных испытаний котельного агрегата ТГМЕ-464 (КА № 12) ТЭЦ ВАЗа [4]. Выбор промотора катализа определялся его активностью в отношении азотистых соединений, так как реакции окисления CO на поверхности реактора идут в прямом направлении при значениях температуры потока до 1500 °С. Наибольшая селективность нейтрализации NOх, обусловленная переходом восстановительных реакций к первому порядку в интервале температур от 250 до 450 °С, наблюдается при использовании нанесенного катализатора, содержащего активный компонент в виде 0,5 % Pt [4].

Была сформирована общая конструкция каталитического блока, представляющего собой реактор из керамического монолита с сотовой структурой в виде ячеек, образующих каналы квадратного сечения, на которые нанесен слой каталитически активного вещества (платины).

В зависимости от соотношения скоростей химического взаимодействия и подвода окиси азота к поверхности катализатора процессы нейтрализации могут протекать в кинетической или диффузионной областях, а следовательно, ограничиваются не только интенсивностью молекулярного превращения, но и внешними параметрами. Основными физическими характеристиками дымовых газов, обуславливающими диффузионные процессы, являются объемная скорость и время пребывания потока выбросов в слое монолита блока-реактора:

$\tau =\frac{3600\cdot V_{\text{кат}}\cdot \epsilon }{Q_{\text{д.г.}}}\cdot {10}^{-3},\text{c}$ (1)

где V_кат– объем монолита блока-реактора, м³; ε– доля свободного объема монолита блока-реактора (принималась 0,5); Q_д.г. – расход дымовых газов, м³/ч [5].

Зависимость времени контактирования дымовых газов на керамическом монолите катализатора от их объемной скорости, представленная в табл. 1, вычислялась на основании данных режимных карт станционного котла ТГМЕ-464, установленного на территории ТЭЦ Волжского автозавода г. Тольятти. Геометрические характеристики блока-реактора определялись из расчета промышленных условий эксплуатации и жестко привязаны к конструктивным габаритам газоходов агрегата в [4].

 

Таблица 1

Показатель	Нагрузка котла ТГМЕ-464, Дпр, т/ч
	220	260	300	340	380	420	460	500
Объемная скорость, ч–1	18168	20095	22578	24738	27081	28381	31467	34014
Время контактирования, с	0,20	0,18	0,16	0,15	0,13	0,13	0,11	0,11

 

Молекулярно-кинетические исследования процессов нейтрализации оксидов азота на поверхности каталитического монолита показали, что при объёмной скорости реагентов до 15000 ч^-1 определяющим фактором, лимитирующим процесс катализа, является внешнедиффузионное торможение. При возрастании объемной скорости свыше 15000 ч-1 и температуре дымовых газов до 500 °С общую скорость нейтрализации лимитирует химическая реакция. Переход реакций в кинетическую область связан с высокой турбулентностью потока дымовых газов, влияющей на возрастание коэффициента молекулярной диффузии [6, 7].

Из конструктивных характеристик на диффузионные процессы превалирующее влияние оказывает размер ячейки сотового монолита. Для определения ее оптимальных размеров использовали выкладки авторов [8‒10], согласно которым рассчитывали толщину пограничного слоя:

$\delta =\frac{C_0^{NOx}\cdot D_{\text{д.г.}}}{{С}^{NOx}\left(0\right)\cdot k_m}\cdot {10}^3,\text{мм}$ (2)

где δ – расстояние от оси стенки до середины элементарной ячейки монолита, мм; k_m – расчетная константа скорости лимитирующей реакции окислительного процесса, c^-1; D_д.г. – коэффициент молекулярной диффузии, м²/с; C₀^NOx(0) – объемная концентрация NO_x в дымовых газах, моль/м³; C^NOx(0) – концентрация NO_x на поверхности каталитического слоя монолита, моль/м².

Для процессов нейтрализации, при заданном объёме катализатора, увеличение линейной скорости и уменьшение размера элементарной ячейки монолита в определённых пределах благоприятно сказывается на степени превращения [10]. Однако возрастание скорости газового потока приводит к увеличению силы трения и, соответственно, гидравлического сопротивления слоя катализатора [6].

Детерминация оптимальных геометрических характеристик монолита блока-реактора проводилась с учетом контролирующей стадии процесса при варьировании паропроизводительности котельного агрегата от 220 до 500 т/ч. Анализ выполнялся для вариантов типоразмеров ячеек: 6х6, 8х8 и 10х10 мм. Габариты реактора определялись степенью эффективности процессов газоочистки в рамках стационарного режима протекания реакций нейтрализации NO_x в промышленных условиях.

Анализ распределения концентраций оксидов азота по длине каталитического слоя выполнялся с помощью математической модели взаимодействия NO_x с атомарным кислородом на поверхности Pt катализатора, рассмотренной в [4]:

$\left\{\begin{array}{l}\frac{\partial {С}^{N{О}_{х}}}{\partial h}=\frac{{\displaystyle \sum _{m=1}^z{k}_m\cdot C_{\left(0\right)}^{{}^{N{О}_{х}}}}}{{\upsilon }_{г}};\\ \frac{\partial T}{\partial h}=\frac{{\displaystyle \sum _{m=1}^z{k}_m\cdot C_{\left(0\right)}^{{}^{N{О}_{х}}}\cdot q_m}}{{\upsilon }_{г}\cdot c_p}\text{;}\\ \frac{\partial {С}^{{}^{N{О}_{х}}}}{\partial \tau }=\beta \cdot \left({{С}_{\text{0}}}^{{}^{N{О}_{х}}}-C_{\left(0\right)}^{{}^{N{О}_{х}}}\right)\cdot F;\\ \sum _{m=1}^z{k}_m\cdot C_{\left(0\right)}^{{}^{N{О}_{х}}}\cdot q_m=\alpha \cdot \left(T_{\text{д.г.}}\text{-}{T}_k\right)\cdot F,\end{array}\right.$ (3)

где z – число реакций; α – удельная площадь поверхности катализатора, м²/м³; Т_к, Т_д.г. ‒ температура на поверхности катализатора и температура дымовых газов соответственно, K; α – коэффициент теплоотдачи, кВт/(м²·K); q_m – тепловой эффект реакции m, кДж/моль; β – коэффициент массоотдачи, моль/(м²·с·моль/м³); h_k – высота каталитического слоя, м; v_г – скорость потока газа, м/с; c_p – удельная изобарная теплоемкость потока газа, кДж/(м³·K).

Определенная с помощью математической модели зависимость распределения градиента концентраций NO_x по длине блока-реактора от размеров элементарной ячейки его носителя приведена в табл. 2.

 

Таблица 2

Размер ячейки, мм	Градиент концентраций NOx, % об/м, при нагрузке котла ТГМЕ-464, Дпр, т/ч
	220	260	300	340	380	420	460	500
6х6	0,013	0,011	0,010	0,010	0,010	0,011	0,012	0,012
8х8	0,014	0,012	0,011	0,011	0,011	0,012	0,013	0,014
10х10	0,017	0,014	0,013	0,012	0,013	0,014	0,015	0,016

 

Графические зависимости степени эффективности очистки при условии равномерного распределения дымовых газов по слою катализатора от конструктивных особенностей монолита блока-реактора в диапазоне нагрузки котла от 220 до 500 т/ч представлены на рис. 1–3.

 

Рис. 1. График изменения эффективности очистки блока катализатора при варьировании нагрузки котельного агрегата

 

Рис. 2. График изменения гидравлического сопротивления блока катализатора при варьировании нагрузки котельного агрегата

 

Рис. 3. График изменения объемной скорости дымовых газов в сечении блока катализатора при варьировании нагрузки котельного агрегата

 

Вывод. Экономическая эффективность предлагаемого способа очистки в промышленных условиях зависит от объемной скорости дымовых газов и минимального гидравлического сопротивления слоя реактора, при которых обеспечивается требуемая степень нейтрализации токсичных компонентов выбросов. По данным корреляционных зависимостей можно сделать вывод, что наиболее оптимальным вариантом по соотношению потерь давления и уровня снижения приведенной концентрации NO_x по длине каталитического слоя является блок-реактор с геометрическими параметрами ячейки 8х8 мм. Предложенная конструкция блочного носителя позволяет получить оптимальную степень очистки дымовых газов при минимально возможных энергозатратах. Математическая модель, ранее предложенная автором [4], даёт возможность прогнозировать степень эффективности очистки, в том числе в условиях производства. Полученные в ходе исследования данные использованы в разработке полезной модели промышленного нейтрализатора токсичных компонентов дымовых газов без введения внешнего реагента.

About the authors

Olga A. Balandina

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: balandinaolya88@rambler.ru

Senior lecturer of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

References

Supplementary files