CZ282514B6

CZ282514B6 - Způsob katalytického spalování spalitelných látek ve vypouštěných plynech

Info

Publication number: CZ282514B6
Application number: CS92851A
Authority: CZ
Inventors: Peter Schoubye
Original assignee: Haldor Topsoe A/S
Priority date: 1991-03-22
Filing date: 1992-03-20
Publication date: 1997-07-16
Also published as: DE69205607D1; DK52591D0; ATE129554T1; JPH0586896A; DK52591A; PL293924A1; EP0504937A1; CS85192A3; SK278916B6; EP0504937B1; DE69205607T2; DK166514B1

Abstract

Způsob spočívá v eliminování spalitelných látek obsažených ve vypouštěných a/nebo odpadních plynech katalytickým spalováním. Zpracovávaný plyn se nejprve stlačuje v kompresoru (10), potom se zahřívá na teplotu nutnou pro následující katalytické spalování, načež následuje spalování a eliminování škodlivých látek ve zpracovávaném plynu na katalyzátoru obsaženém ve spalovací katalytické komoře (14) a expandování tohoto zpracovávaného plynu na atmosférický tlak v plynové expanzní turbině (16). Výhodně je možno zpracovávaný plyn předehřívat pomocí plynu vypouštěného z expanzní turbiny (16) a rovněž je možno výhodně zpracovávaný plyn dodatečně ohřívat před vstupem do expanzní turbiny (16) nebo před vstupem do spalovací katalytické komory (14) a tím udržet konstatní výhřevnou hodnotu tohoto plynu před expandováním.ŕ

Description

Způsob eliminování spalitelných látek obsažených ve vypouštěném vzduchu a/nebo odpadních plynech katalytickým spalováním

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu eliminování spalitelných látek obsažených ve vypouštěném vzduchu a/nebo odpadních plynech katalytickým spalováním těchto spalitelných látek vyskytujících se v těchto vypouštěných odpadních plynech, přičemž těmito spalitelnými látkami jsou takové látky, jako například organická rozpouštědla a uhlovodíkové sloučeniny. Postup podle vynálezu je zaměřen na spalování takových látek, které se vyskytují ve zředěném stavu ve vypouštěných odpadních plynech obsahujících přebytkové množství kyslíku. Konkrétně je možno uvést, že se vynález týká katalytického spalování spalitelných látek vyskytujících se ve vypouštěných plynech, které je kombinováno s výrobou energie v expanzní turbině.

Dosavadní stav techniky

Pokud se týče dosavadního stavu techniky, je znám postup eliminování spalitelných látek vyskytujících se ve vypouštěných odpadních plynech při atmosférickém tlaku a při teplotách pohybujících se nad 700 °C až asi do 900 °C tepelným spalováním těchto spalitelných látek nebo katalytickou oxidací těchto látek při teplotách pohybujících se v rozmezí od 200 °C do 1000 °C za použití katalyzátorů na bázi platiny, paladia nebo oxidů mědi, chrómu a/nebo manganu (patent Spojených států amerických č. 4 186 801 a patent Spojených států amerických č. 4 191 733).

Rovněž byl podle dosavadního stavu techniky navržen postup kombinovaného tepelného spalování organických rozpouštědel vyskytujících se ve vzduchu a expandování tohoto vzduchu podrobeného spalování v plynové turbině za současné výroby elektrické energie (viz evropský patent EP č. 298 941, německý patent DE DOS č. 2 543 761). Při provádění tohoto postupu se vzduch obsahující organické sloučeniny stlačuje na absolutní tlak pohybující se v rozmezí od 0,3 MPa do 2 MPa v jednom nebo dvou stupních s mezichlazením. Takto získaný stlačený vzduch se potom zahřívá v tepelném výměníku za použití vyčištěného vypouštěného vzduchu z expanzní turbiny, což se provádí ještě předtím, než se tento stlačený vzduch dále zahřívá na teplotu pohybující se v rozmezí od 700 °C do 1200 °C ve spalovací komoře za použití zemního plynu nebo oleje, které se používají jako přídavné palivo, a které se spalují v uvedené spalovací komoře. Vyčištěný vzduch, který se odvádí ze spalovací komory při teplotě pohybující se v rozmezí od 700 do 1200 °C se v dalším stupni nechá expandovat na atmosférický tlak v expanzní turbině, přičemž energie získaná v této expanzní turbině se potom využívá ke stlačení vzduchu obsahujícího organické sloučeniny a k výrobě elektrické energie.

Výhoda této metody ve srovnání s pouhým spalováním znečištěného odpadního plynu při atmosférickém tlaku spočívá v tom, že se část výhřevné hodnoty spalitelných látek vyskytujících se v tomto spalovaném vzduchu převede na elektrickou energii.

Ovšem tento postup má rovněž některé nevýhody a omezení:

Výstupní teplota plynu vystupujícího ze spalovací komory musí být nad určitou minimální teplotou z toho důvodu, že je třeba zajistit rozštěpení všech spalitelných látek v dostatečné míře a spálení oxidu uhelnatého, který velice často vzniká při tepelném spalování rozpouštědel. Tato minimální teplota pro dostatečné spálení těchto spalitelných látek se při praktickém provádění tohoto postupu pohybuje v rozmezí od 700 °C do 1000 °C , což závisí na typu spalovaných spalitelných látek, na obsahu těchto spalitelných látek ve vzduchu a na době zdržení tohoto plynu ve spalovací komoře. Pro úplné rozštěpení a spálení oxidu uhelnatého a uhlovodíkových sloučenin jako je například methan a ethan a některých dalších tepelně odolných organických

-1 CZ 282514 B6 sloučenin a chlorovaných organických sloučenin je třeba při tomto tepelném spalovacím procesu použít vysokých teplot až asi 1100°C. Rovněž při vysokém obsahu těchto spalitelných látek v odpadním vypouštěném plynu, který odpovídá výhřevnosti pohybující se v rozmezí od 400 kJ/Nm³ do 1000kJ/Nm³ spalitelných látek v odpadním plynu, může nastat situace, kdy je třeba použít vysokých teplot až asi 1100 °C nebo teplot ještě vyšších ve spalovací komoře a/nebo kdy je nutno použít velké spalovací komory za účelem dosažení úplného spálení spalitelných složek. Za této situace je spotřeba nutně použitého přídavného paliva vysoká, a kromě toho je nutno použít velice nákladných teplotních turbin. Při použití vysokých teplot, a zejména při spalování za použití přídavného hořáku, dochází k vytvoření vysokých koncentrací oxidů dusíku (NO_X) ve vyčištěném plynu. Kromě toho je třeba poznamenat, že rychlé změny obsahu spalitelných látek ve vypouštěném odpadním plynu odpovídající výhřevnosti rozmezí od 0 do hodnot nad 300 kJ/Nm³ až 400 kJ/Nm³ by mohly způsobit vznik přechodných nadměrných teplot v katalytickém loži, což by mohlo vést k poškození katalyzátoru a turbiny.

Podstata vynálezu

Cílem uvedeného vynálezu je poskytnout účinnou a ekonomickou metodu eliminování spalitelných látek z odpadních plynů a/nebo z vypouštěného vzduchu za současného využití výhřevné hodnoty těchto spalitelných látek ve vypouštěném plynu, která by neměla nevýhody a omezení postupů podle dosavadního stavu techniky.

Obecně je tedy možno uvést, že se uvedený vynález týká způsobu eliminování spalitelných složek ve vypouštěném vzduchu a/nebo v odpadních plynech katalytickým spalováním, při kterém se výhřevná hodnota těchto spalitelných složek ve vypouštěném plynu využije k výrobě energie.

Podstata postupu podle uvedeného vynálezu spočívá v tom, že sestává z následujících postupně prováděných stupňů :

- stlačování odpadního plynu v kompresoru,

- zahřívání takto získaného stlačeného odpadního plynu na takovou teplotu, která je nutná k následujícímu katalytickému spalování spalitelných složek vyskytujících se v tomto odpadním plynu,

- spalování a eliminování těchto spalitelných látek obsažených v tomto stlačeném a zahřátém odpadním plynu kontaktováním tohoto plynu s katalyzátorem, na kterém se dosáhne spálení těchto spalitelných látek, a který je uspořádán ve spalovací komoře, a

- expandování odpadního plynu po spalování na atmosférický tlak v plynové expanzní turbině.

Uvedenými katalyzátory používanými v postupu podle vynálezu jsou ve výhodném provedení katalyzátory na bázi platiny a/nebo paladia, které jsou impregnovány ve formě vrstev o tloušťce menší než 50 pm na porézním keramickém nosičovém materiálu ve formě monolitické struktury, nebo ve formě válečků nebo kuliček, které mají geometrický povrch obvykle v rozmezí pohybujícím se od 2000 m²/m³ do 3000 m²/m³, přičemž tyto částice jsou uloženy ve formě pevného lože ve spalovací komoře. Při tomto uspořádání se dosáhne úplného spálení spalitelných složek při prostorové rychlosti asi 100 000 Nm³/h/m³ a při tlaku 0,5 MPa a dále při vstupní teplotě nad 350 °C a při výstupní teplotě pohybující se v rozmezí od 700 °C do 1100 °C . Ve výhodném provedení podle uvedeného vynálezu je možno použít ve spalovací komoře katalyzátorů na bázi mědi, manganu a/nebo chrómu, které v těchto katalyzátorech tvoří účinné

-2CZ 282514 B6 složky, při teplotách zahrnujících minimální vstupní teplotu asi 300 °C a maximální výstupní teplotu 700 °C .

Z výše uvedeného vyplývá, že ve výhodném provedení postupu podle uvedeného vynálezu se odpadní plyn odváděný z kompresoru zahřívá na teplotu pohybující se v rozmezí od asi 250 °C do asi 600 °C předtím, než se zavádí do spalovací komory.

Takto získaný stlačený odpadní plyn je možno potom zahřát v zahřívací komoře opatřené přídavným hořákem nebo ve výhodném provedení podle vynálezu prostřednictvím tepelné výměny s vyčištěným odpadním plynem vypouštěným z expanzní turbiny.

Podle dalšího výhodného provedení postupu podle vynálezu je expanzní turbina spojená s generátorem na výrobu elektrického proudu, takže energie obsažená ve spalovaném odpadním plynu se tímto způsobem využije k výrobě elektrické energie.

K tomu, aby byla získána dostatečná energie pro výrobu elektrické energie je nutné, aby výstupní teplota vypouštěných odpadních plynů ze spalovací komory byla v rozmezí od 600 °C do 1100°C. Takže podle dalšího výhodného provedení postupu podle uvedeného vynálezu se odpadní plyny podrobené spalování, které se odvádějí z katalytické spalovací komory, dále zahřívají na teplotu pohybující se v rozmezí od 600 °C do 1200 °C , přičemž podle výhodného provedení je tato teplota v rozmezí od 750 °C do 1000 °C před zaváděním těchto odpadních plynů do expanzní turbiny a expandováním v expanzní turbině.

Zahřívání těchto odpadních plynů podrobených spalování je možno provést v zahřívací komoře, která je umístěna mezi spalovací komorou a turbinou.

V alternativním provedení postupu podle uvedeného vynálezu se výstupní teplota odpadních plynů podrobených spalování upravuje na teplotu pohybující se v rozmezí od 600 °C do 1200 °C, ve výhodném provedení na teplotu pohybující se v rozmezí od 750 °C do 1000 °C, přičemž se tento plyn mísí s plynným palivem před zaváděním tohoto plynu ke katalytickému spalování. Tímto způsobem se množství spalitelných složek v odpadním plynu zvýší, což se projeví v požadovaném zvýšení teploty na výstupu při odvádění tohoto odpadního plynu ze spalovací komory.

Přehled obrázků na výkresech

Postup podle uvedeného vynálezu bude blíže vysvětlen s pomocí dvou výkresů, na kterých jsou na obr. 1 a na obr. 2 schematicky znázorněna dvě výhodná provedení tohoto postupu. Z vyobrazení na těchto dvou výkresech budou zřejmější některé charakteristické znaky a aspekty tohoto postupu podle vynálezu, přičemž ovšem tyto výkresy mají pouze ilustrativní charakter a nijak neomezují rozsah uvedeného vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

V provedení zařízení s turbinou na obr. 1 se odpadní vypouštěný plyn obsahující spalitelné složky v množství odpovídajícím výhřevné hodnotě až asi 800 kJ/Nm³ nejprve stlačuje v kompresoru j_0, obvykle na tlak 0,5 MPa (přetlak), přičemž se teplota tohoto plynu zvýší z asi 40 °C na asi 240 °C. Tento plyn se potom dále zahřívá na teplotu asi 300 °C za pomoci přídavného hořáku 12, který je umístěn před katalytickou spalovací komorou 14, ve které se více než 99 % spalitelných látek obsažených v tomto odpadním plynu oxiduje na oxid uhličitý CO₂ a vodní páru H₂O. Při použití některého z výše uvedených katalyzátorů se v této spalovací komoře vytváří méně než 50 ppm oxidu uhelnatého a méně než 10 ppm oxidů dusíku NO_X. V případě, že

-3 I tento zpracovávaný plyn obsahuje asi 10 gramů rozpouštědel s průměrnou výhřevnou hodnotou na spodní hranici asi 30 kJ/g, je teplota vyčištěného plynu odváděného ze spalovací komory asi 510 °C. Takto získaný vyčištěný plyn je možno potom přímo zavádět do expanzní turbiny 16 bez dalšího ohřívání, nebo je možno tento plyn dále ohřívat na maximální teplotu, která je ještě přijatelná pro turbinu, za pomoci přídavného hořáku 15.

Na obr. 2 je znázorněno výhodné provedení postupu podle uvedeného vynálezu ve formě provozního schématu s plynovou turbinou, ve kterém se výstupní teplota zpracovávaného plynu odváděného ze spalovací komory upravuje na teplotu požadovanou v expanzní turbině pro výrobu elektrické energie, přičemž se do tohoto zpracovávaného odpadního plynu před zaváděním do spalovací komory vstřikuje přídavné palivo. Tímto způsobem se množství spalitelných složek zvýší, čímž se rovněž zvýší teplota plynu odváděného ze spalovací komory na hodnotu pohybující se v rozmezí od 600 °C do 1100 °C . Toto přídavné palivo se vstřikuje do zpracovávaného odpadního plynu v plynné formě. Jako je například zemní plyn, plyn odpařovaný z kapaliny nebo plynný methanol, přičemž tento plyn se zcela oxiduje působením katalyzátoru ve spalovací komoře. Odpadní zpracovávaný plyn s množstvím spalitelných látek odpovídajícím výhřevné hodnotě pohybující se v rozmezí od 0 do 800 kJ/Nm³ se potom stlačuje v kompresoru 10 a potom se dále zahřívá na maximální teplotu asi 380 °C v tepelném výměníku 11 teplem obsaženým ve vypouštěném plynu plynové turbiny 16. Tato teplota plynu odváděného z tepelného výměníku 11 je dostačující k dosažení úplné oxidace v katalytické komoře 14, aniž by bylo třeba použít hořáku 12, který se používá pouze v najížděcí fázi tohoto postupu. Přídavné palivo, jako například palivo ve formě plynu odpařovaného z kapaliny, se mísí s plynovým proudem v místě 13 pro vstřikování přídavného paliva za účelem dosažení požadované teploty (například teploty pohybující se v rozmezí od 700 °C do 900 °C) před zaváděním tohoto plynu do turbiny 16. K tomu, aby bylo dosaženo na vstupu do této turbiny teploty plynu 900 °C a při celkovém množství spalitelných složek ve zpracovávaném plynu odpovídající výhřevné hodnotě 800 kJ/Nm³ před spalovací katalytickou komorou 14 musí být teplota zpracovávaného plynu na vstupu do této katalytické komory asi 350 °C. Maximální přijatelné množství spalitelných látek ve zpracovávaném plynu, které je ještě možno spalovat v tomto postupu, je určeno teplotním rozdílem mezi minimální vstupní teplotou do spalovací katalytické komory 14, ve které se na zde obsaženém katalyzátoru dosahuje úplné oxidace, a maximální přijatelnou teplotou na vstupu do turbiny 16. Jestliže se v této turbině 16 ponechá zpracovávaný plyn expandovat z přetlaku 0,5 MPa na 0,1 MPa, potom teplota za turbinou 16 bude asi 500 °C . Takto získaný plyn po expanzi se potom chladí, přičemž nejdříve se chladí v tepelném výměníku 11 a potom v následuj ící fázi v tepelném výměníku 18, ze kterého se odvádí toto zbytkové teplo ve formě páry nebo horké vody.

Při spalování přídavného paliva v katalytické komoře místo použití přídavného hořáku se dosahuje následujících výhod:

- během katalytického spalování vzniká velmi malé množství oxidů dusíku NO_X v porovnání s tepelným spalováním za pomoci hořáku,

- na výstupu ze spalovací katalytické komory se dosahuje vysokých teplot plynu, přičemž tuto vysokou teplotu plynu na výstupu ze spalovací katalytické komory je možno udržet konstantní, a tím zajistit požadovanou vstupní teplotu plynu do turbiny nezávisle na změnách obsahu spalitelných látek v odpadním zpracovávaném plynu, čehož se dosáhne kontrolovaným nastřikováním paliva do tohoto zpracovávaného odpadního plynu, takže výhřevná hodnota zpracovávaného odpadního plynu na vstupu do spalovací komory se udržuje konstantní na požadované hodnotě.

Z tohoto důvodu je možno použít pouze jednoho přídavného hořáku 12 před katalytickou komorou. Tento hořák 12 může být doplněn nebo nahrazen tepelným výměníkem, ve kterém dochází k zahřívání tohoto plynu prostřednictví tepla plynu odváděného z plynové turbiny.

Claims

1. Způsob eliminování spalitelných látek obsažených ve vypouštěném vzduchu a/nebo 5 odpadních plynech katalytickým spalováním těchto spalitelných látek, vyznačující se tím, že sestává z následujících postupně prováděných stupňů:

- stlačování vypouštěného plynu v kompresoru,

10 - zahřívání tohoto stlačeného zpracovávaného odpadního plynu na teplotu požadovanou pro následující katalytické spalování spalitelných odpadních látek v tomto zpracovávaném plynu,

- spalování a eliminování těchto spalitelných látek obsažených v tomto stlačeném a zahřátém zpracovávaném plynu kontaktováním se spalovacím katalyzátorem uspořádaným ve spalovací

15 komoře, a

- expandování tohoto vypouštěného plynu podrobeného spalování na atmosférický tlak v plynové expanzní turbině.

20

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedený aktivní katalyzátor pro spalování plynu se vybere ze skupiny katalyzátorů na bázi platiny, paladia, mědi, manganu a chrómu.

3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že tento katalyzátor je nanesen 25 na nosičovém materiálu s monolitickou strukturou.

4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se stlačený zpracovávaný plyn dále ohřívá na teplotu pohybující se v rozmezí od 250 °C do 600 °C před zaváděním do spalovací komory.

5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že stlačený zpracovávaný plyn je dále zahříván v zahřívací komoře opatřené přídavným hořákem.

6. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že stlačený zpracovávaný plyn 35 se dále zahřívá nepřímou tepelnou výměnou s vyčištěným vypouštěným plynem z expanzní turbiny.

7. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedená expanzní turbina je připojena na generátor elektrické energie.

8. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že vypouštěný zpracovávaný plyn podrobený spalování a odváděný ze spalovací komory se dále zahřívá na teplotu pohybující se v rozmezí od 600 °C do 1200 °C , ve výhodném provedení na teplotu v rozmezí od 700 °C do 1000 °C , před zaváděním tohoto zpracovávaného plynu k expandování v expanzní turbině.

9. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že spalovaný zpracovávaný plyn se zahřívá v zahřívací komoře opatřené přídavným hořákem.

-5CZ 282514 B6

10. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že teplota spalovaného zpracovávaného plynu se upraví na teplotu pohybující se v rozmezí od 600 °C do 1200 °C smícháváním tohoto stlačeného zpracovávaného plynu s plynným palivem před katalytickým spalováním.