Выборочное каталитическое восстановление

редактировать

Выборочное каталитическое восстановление (SCR ) представляет собой средство преобразования оксидов азота, также называемых NO. x, с помощью катализатора в двухатомный азот (N. 2) и вода (H. 2O). восстановитель, обычно безводный аммиак, водный раствор аммиака или раствор мочевины, добавляют в поток дымохода. или выхлопной газ и абсорбируется на катализаторе. По мере того, как реакция приближается к завершению, образуется диоксид углерода, CO. 2.

Селективное каталитическое восстановление NO. xс использованием аммиака в качестве восстанавливающего агента было запатентовано в Соединенных Штатах Engelhard Corporation в 1957 году. Разработка технологии SCR продолжалась в Японии и США в начало 1960-х годов, когда исследования были сосредоточены на менее дорогих и более долговечных катализаторах. Первый крупномасштабный SCR был установлен IHI Corporation в 1978 году.

Коммерческие системы селективного каталитического восстановления обычно используются на больших котлах общего пользования, промышленных котлы и котлы для твердых бытовых отходов, и было показано, что они снижают NO. xна 70-95%. Более свежие приложения включают дизельные двигатели, такие как те, что используются на больших кораблях, тепловозы, газовые турбины и даже автомобили.

системы SCR. в настоящее время являются предпочтительным методом для соответствия стандартам Tier 4 Final и EURO 6 по выбросам дизельных двигателей для тяжелых грузовиков, а также для легковых и легких коммерческих автомобилей. Во многих случаях выбросы NOx и PM (твердых частиц) были снижены более чем на 90% по сравнению с автомобилями начала 1990-х годов.

Содержание

1 Химия
2 Катализаторы
3 Восстановители
4 Ограничения
5 Электростанции
6 SCR и EPA 2010
7 См. Также
8 Ссылки
9 Внешние ссылки

Химия

The NO. xреакция восстановления происходит, когда газы проходят через камеру катализатора. Перед поступлением в камеру катализатора аммиак или другой восстановитель (такой как мочевина ) впрыскивается и смешивается с газами. Химическое уравнение стехиометрической реакции с использованием безводного или водного аммиака для процесса селективного каталитического восстановления:

2 NO + 2 NH 3 + 1 2 O 2 → 2 N 2 + 3 H 2 O {\ displaystyle 2 {\ text {NO}} + 2 {\ text {NH}} _ {3} + {\ frac {1} {2}} {\ text {O}} _ {2} \, \ rightarrow \, 2 {\ text {N}} _ {2} +3 {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}}}

{\ displaystyle 2 {\ text {NO}} + 2 {\ text {NH}} _ {3} + {\ frac {1} {2}} {\ text {O}} _ { 2} \, \ rightarrow \, 2 {\ text {N}} _ {2} +3 {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}}}

NO 2 + 2 NH 3 + 1 2 O 2 → 3 2 N 2 + 3 H 2 O {\ displaystyle {\ text {NO}} _ {2} +2 {\ text {NH}} _ {3} + {\ frac {1} {2}} {\ text {O}} _ {2} \, \ rightarrow \, {\ frac {3} {2}} {\ text {N}} _ {2} +3 {\ text {H}} _ {2} {\ текст {O}}}

{\ displaystyle { \ text {NO}} _ {2} +2 {\ text {NH}} _ {3} + {\ frac {1} {2}} {\ text {O}} _ {2} \, \ rightarrow \, {\ frac {3} {2}} {\ tex т {N}} _ {2} +3 {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}}}

NO + NO 2 + 2 NH 3 → 2 N 2 + 3 H 2 O {\ displaystyle {\ text {NO}} + {\ text {NO}} _ {2} +2 {\ text {NH}} _ {3} \, \ rightarrow \, 2 {\ text {N}} _ {2} +3 {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}}}

{\ displaystyle {\ text {NO}} + {\ text {NO}} _ {2} +2 {\ text {NH}} _ {3} \, \ rightarrow \, 2 {\ text {N}} _ {2} +3 {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}}}

С несколькими вторичными реакциями:

SO 2 + 1 2 O 2 → SO 3 {\ displaystyle {\ text {SO}} _ {2} + {\ frac {1} {2}} {\ text { O}} _ {2} \, \ rightarrow \, {\ text {SO}} _ {3}}

{\ displaystyle { \ text {SO}} _ {2} + {\ frac {1} {2}} {\ text {O}} _ {2} \, \ rightarrow \, {\ text {SO}} _ {3}}

2 NH 3 + SO 3 + H 2 O → (NH 4) 2 SO 4 {\ displaystyle 2 {\ text {NH}} _ {3} + {\ text {SO}} _ {3} + {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}} \, \ rightarrow \, \ left ({\ text {NH}} _ {4} \ ri ght) _ {2} {\ text {SO}} _ {4}}

{\ displaystyle 2 {\ text {NH}} _ {3 } + {\ text {SO}} _ {3} + {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}} \, \ rightarrow \, \ left ({\ text {NH}} _ { 4} \ right) _ {2} {\ text {SO}} _ {4}}

NH 3 + SO 3 + H 2 O → NH 4 HSO 4 {\ displaystyle {\ text {NH}} _ {3} + {\ text {SO}} _ {3} + {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}} \, \ rightarrow \, {\ text {NH}} _ {4} {\ text {HSO}} _ {4}}

{\ displaystyle {\ text {NH}} _ {3} + {\ text {SO}} _ {3} + {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}} \, \ rightarrow \, {\ text {NH}} _ {4} {\ text {HSO}} _ {4}}

Реакция на мочевину вместо безводного или водного аммиака:

2 NO + CO (NH 2) 2 + 1 2 O 2 → 2 N 2 + 2 H 2 O + CO 2 {\ displaystyle 2 {\ text {NO}} + {\ text {CO}} \ left ({\ text {NH}} _ {2} \ right) _ {2} + {\ frac {1 } {2}} {\ text {O}} _ {2} \, \ rightarrow \, 2 {\ text {N}} _ {2} +2 {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}} + {\ text {CO}} _ {2}}

{\ displaystyle 2 {\ text {NO}} + {\ text {CO}} \ left ({ \ text {NH}} _ {2} \ right) _ {2} + {\ frac {1} {2}} {\ text {O}} _ {2} \, \ rightarrow \, 2 {\ text { N}} _ {2} +2 {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}} + {\ text {CO}} _ {2}}

Идеальная реакция имеет оптимальный диапазон температур от 630 до 720 K, но может протекать от 500 до 720 K при более длительном время пребывания. Минимальная эффективная температура зависит от различных видов топлива, компонентов газа и геометрии катализатора. Другие возможные восстановители включают циануровую кислоту и сульфат аммония.

Катализаторы

Катализаторы СКВ изготавливаются из различных керамических материалов, используемых в качестве носителя, таких как оксид титана, а активными каталитическими компонентами обычно являются либо оксиды неблагородных металлов (таких как ванадий, молибден и вольфрам ), цеолиты или различные драгоценные металлы. Также был разработан другой катализатор на основе активированного угля, который применим для удаления NOx при низких температурах. Каждый компонент катализатора имеет свои преимущества и недостатки.

Катализаторы из неблагородных металлов, такие как ванадий и вольфрам, не обладают высокой термостойкостью, но они менее дороги и очень хорошо работают в диапазонах температур, наиболее часто встречающихся в промышленных и коммунальных котельных. Термическая стойкость особенно важна для автомобильных систем SCR, которые включают использование сажевого фильтра с принудительной регенерацией. Они также обладают высоким катализирующим потенциалом для окисления SO. 2 в SO. 3, что может быть чрезвычайно разрушительным из-за своих кислотных свойств.

Цеолитные катализаторы могут работать при значительно более высоких температурах, чем катализаторы из цветных металлов; они могут выдерживать длительную работу при температурах 900 К и переходных условиях до 1120 К. Цеолиты также обладают более низким потенциалом потенциально разрушительного окисления SO. 2.

Железо и медь. СКВ с замененным цеолитом и мочевиной были разработаны с примерно равными характеристиками, что и СКВ ванадий-мочевина, если доля NO. 2составляет от 20% до 50% от общего количества NO. x. Две наиболее распространенные геометрии катализаторов, используемых сегодня, - это катализаторы с сотовой структурой и пластинчатые катализаторы. Сотовая форма обычно состоит из экструдированной керамики, нанесенной гомогенно по всему носителю или нанесенной на подложку. Как и у различных типов катализаторов, их конфигурация также имеет преимущества и недостатки. Катализаторы пластинчатого типа имеют более низкие перепады давления и менее подвержены засорению и засорению, чем сотовые типы, но они намного больше и дороже. Сотовые конструкции меньше, чем пластинчатые, но имеют более высокие перепады давления и намного легче закупориваются. Третий тип - гофрированный, составляющий лишь около 10% рынка в области применения для электростанций.

Восстановители

В настоящее время в системах СКВ используются несколько восстановителей, включая безводный аммиак, водный раствор аммиака или мочевина. Все эти три восстановителя широко доступны в больших количествах.

Безводный аммиак может храниться в жидком виде при давлении примерно 10 бар в стальных резервуарах. Он классифицируется как опасность при вдыхании, но его можно безопасно хранить и обрабатывать при соблюдении хорошо разработанных кодексов и стандартов. Его преимущество состоит в том, что ему не требуется дальнейшее преобразование для работы в SCR, и он обычно предпочитается крупными промышленными операторами SCR. Для использования водный аммиак необходимо испарить, но его хранение и транспортировка значительно безопаснее, чем безводный аммиак. Мочевина является наиболее безопасным для хранения, но для использования в качестве эффективного восстановителя требуется преобразование в аммиак путем термического разложения.

Ограничения

Системы SCR чувствительны к загрязнению и засорению в результате нормальной работы или ненормальные события. Многим SCR дается ограниченный срок службы из-за известного количества загрязнителей в неочищенном газе. Подавляющее большинство катализаторов на рынке имеют пористую структуру. Глиняный горшок для растений - хороший пример того, что собой представляет катализатор SCR. Эта пористость дает катализатору большую площадь поверхности, необходимую для уменьшения выбросов NOx. Однако поры легко закупориваются мелкими частицами, сульфатом аммония, бисульфатом аммония (ABS) и соединениями кремния. Многие из этих загрязняющих веществ могут быть удалены во время работы установки с помощью ультразвуковых рупоров или сажеобдувочных устройств. Агрегат также можно очистить во время ремонта или путем повышения температуры выхлопных газов. Более серьезную проблему для производительности SCR вызывают яды, которые разрушают катализатор и делают его неэффективным при восстановлении NOx, что может привести к окислению аммиака, что приведет к увеличению выбросов NOx. Эти яды представляют собой галогены, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, мышьяк, фосфор, сурьму, хром, свинец, ртуть и медь.

Большинство SCR требуют настройки для правильной работы. Часть настройки включает обеспечение надлежащего распределения аммиака в потоке газа и равномерной скорости газа через катализатор. Без настройки SCR может демонстрировать неэффективное снижение NOx наряду с чрезмерным проскоком аммиака из-за неэффективного использования площади поверхности катализатора. Другой аспект настройки включает определение правильного расхода аммиака для всех условий процесса. Поток аммиака обычно регулируется на основе измерений NOx, взятых из газового потока или ранее существовавших кривых характеристик от производителя двигателя (в случае газовых турбин и поршневых двигателей). Как правило, все будущие условия эксплуатации должны быть известны заранее, чтобы правильно спроектировать и настроить систему SCR.

Проскок аммиака - это промышленный термин, обозначающий прохождение аммиака через SCR непрореагировавшим. Это происходит, когда количество впрыскиваемого аммиака чрезмерно, температура слишком низкая для реакции аммиака или катализатор разрушился.

Температура - это самое большое ограничение SCR. У всех двигателей во время запуска есть период, когда температура выхлопных газов слишком низкая для снижения выбросов NOx, особенно в холодном климате.

Электростанции

На электростанциях используется та же основная технология для удаления NO. xиз дымовых газов используемых котлов в электроэнергетике и промышленности. Обычно блок SCR расположен между печью экономайзером и воздухонагревателем, и аммиак впрыскивается в камеру катализатора через решетку для впрыска аммиака. Как и в других приложениях SCR, рабочая температура имеет решающее значение. Проскок аммиака также является проблемой при использовании технологии СКВ на электростанциях.

Другие проблемы, которые необходимо учитывать при использовании СКВ для контроля NO. xна электростанциях, - это образование сульфата аммония и бисульфата аммония из-за содержания серы в топливе, а также нежелательное вызванное катализатором образование SO. 3из SO. 2и O. 2 в дымовых газах.

Еще одной эксплуатационной трудностью в угольных котлах является связывание катализатора летучей золой от топлива сгорания. Это требует использования сажеобдувок, звуковых рупоров, а также тщательного проектирования воздуховодов и материалов катализатора, чтобы избежать забивания летучей золой. Катализаторы SCR имеют типичный срок службы около 16 000-40 000 часов на угольных электростанциях, в зависимости от состава дымовых газов, и до 80 000 часов на более чистых газовых электростанциях.

Яды, соединения серы и летучая зола могут быть удалены путем установки скрубберов. можно установить до системы SCR для увеличения срока службы катализатора, хотя скрубберы на большинстве заводов устанавливаются после система.

SCR и EPA 2010

Грузовик Hino и его стандартизированный блок SCR, который сочетает в себе SCR с системой активного снижения выбросов твердых частиц (DPR). DPR - это система фильтрации дизельных твердых частиц с процессом регенерации, в котором используется поздний впрыск топлива для контроля температуры выхлопных газов с целью сжигания сажи.

Дизельные двигатели, произведенные 1 января 2010 г. или позднее, должны соответствовать пониженным стандартам NOx для рынка США.

Все производители двигателей большой мощности (грузовые автомобили классов 7-8), за исключением Navistar International и Caterpillar, продолжающие производить двигатели после этой даты, решили использовать SCR. Сюда входят Detroit Diesel (модели DD13, DD15 и DD16), Cummins (ISX, ISL9 и ISB6.7), Paccar и Вольво / Мак. Эти двигатели требуют периодического добавления жидкости для выхлопных газов дизельного топлива (DEF, раствор мочевины) для обеспечения возможности процесса. DEF доступен в бутылках и кувшинах на большинстве остановок грузовиков, а более поздней разработкой являются оптовые распределители DEF возле дизельных топливных насосов. Caterpillar и Navistar изначально решили использовать усовершенствованную рециркуляцию выхлопных газов (EEGR) в соответствии со стандартами Агентства по охране окружающей среды (EPA), но в июле 2012 года Navistar объявила, что будет придерживаться SCR. технологии для своих двигателей, за исключением MaxxForce 15, производство которого было прекращено. Компания Caterpillar в конечном итоге ушла с рынка шоссейных двигателей до выполнения этих требований.

BMW, Daimler AG и Volkswagen использовали технологию SCR в некоторых из своих легковые дизельные автомобили.

См. Также

Кислотный дождь
Каталитический нейтрализатор, который также катализирует превращение NO x, но не использует мочевину или аммиак
Жидкость для выхлопных газов дизельного двигателя (DEF) или AdBlue
Рециркуляция выхлопных газов в сравнении с избирательным каталитическим восстановлением
Экологическая инженерия
Избирательное некаталитическое восстановление (SNCR)
Адсорбер NOx (LNT)
Выбросы автомобилей control