Очистка от NOx (оксиды азота)

Команда специалистов Condorchem Envitech по очистке воздуха имеет опыт работы во всех наиболее эффективных и ранее детализированных процессах очистки NO_X:

• Поглощение с помощью химической реакции
• Селективное некаталитическое восстановление (СНКВ)
• Восстановление с помощью селективной каталитической химической реакции (СКР)

Процесс DeNOx^® запатентованный компанией Condorchem Envitech, был задуман для обработки выбросов от солнечных тепловых электростанций путем преобразования загрязняющих веществ (NO_X) в продукты, повторно используемые в процессе работы солнечных тепловых электростанций.

В солнечной тепловой установке солнечный свет концентрируется зеркалами в коллекторе, который достигает температуры до 1000°C. Это тепло используется для нагрева жидкости и производства пара, который приводит в движение турбину для выработки электроэнергии. Хотя первые электростанции могли работать только в часы солнечной активности, в настоящее время можно хранить тепло, чтобы производить электроэнергию в ночное время.

Энергия, получаемая от солнечного излучения, хранится в солях – смеси нитрата натрия и нитрата калия, которые имеют соответствующую температуру плавления. Они находятся в жидком состоянии, для чего необходимо поддерживать температуру 280°C. Жидкие соли нагревают до температуры 565°С, при которой они хранятся. Новшество заключается в том, что выработка электроэнергии зависит от уровня накопленных горячих солей, а не от солнечного излучения. При производстве электроэнергии горячие соли используются для кипячения воды в теплообменнике и получения пара при температуре 540°C и 100 бар. Пар двигает турбину, которая производит электроэнергию в соответствии с требованиями реального времени.

Несмотря на многочисленные преимущества, которые дает этот метод, он также создает серьезную экологическую проблему. Жидкие соли выделяют оксиды азота (NO_X) при нагревании в виде прерывистых выбросов переменной концентрации.

Процесс DeNOx^® превосходит естественные механизмы самоочищения самой атмосферы посредством контролируемого сочетания выбросов NO_X с водяным паром, озоном и ультрафиолетовым излучением. Этот элегантно простой процесс гарантирует, что очистка от NOX является высокоэффективной, сочетая высокую эффективность и надежную работу.

Основными преимуществами процесса DeNOx ® по сравнению с традиционными альтернативами являются:

• Удаление NOX на выходе 99% и более.
• Преобразование отходов в многоразовое сырье в процессе накопления солнечной тепловой энергии.
• Никаких химических отходов не производится.
• Никаких опасных соединений в атмосферных выбросах нет.
• Копирование естественного атмосферного механизма самовосстановления.
• Простая и надежная работа.
• Полностью автоматизированный и надежный рабочий процесс.

Хотя оксиды азота и не являются единственными загрязнителями, они вносят значительный вклад в загрязнение воздуха. Оксиды азота представляют собой в основном два различных газа на основе азота: оксид азота (NO) и диоксид азота (NO₂). Термин NOX относится к сочетанию этих двух газов благодаря легкости их взаимопревращения в присутствии кислорода. Однако на формальном уровне общий термин «оксиды азота» охватывает не только эти 2 газа; включает все следующие соединения: NO, NO₂, N₂O₂, N₂O₄, N₂O, N₂O₃, N₂O₅ и NO₃, причем последние являются нестабильными.

Промышленные процессы, в значительной степени ответственные за производство наибольшего количества NO_X (около 25%), в основном связаны с производством энергии, сжиганием угля, нефти и природного газа, а также гальваническими процессами и процессами травления металлов. NO и NO₂ образуются в процессах, в ходе которых достигаются температуры выше 1200 °С в присутствии атмосферного азота и кислорода.

Общей чертой всех оксидов азота является их загрязняющий характер, причем их выброс оказывает особенно значительное воздействие на окружающую среду. Основные эффекты, которые они вызывают:

• Разрушение стратосферного озона
• Вклад в парниковый эффект
• Возникновение кислотных дождей
• Образование фотохимического смога

В результате крайне важно, прежде всего, минимизировать их образование, а затем удалить те оксиды азота, образование которых невозможно избежать. Цель минимизации их образования может быть достигнута с помощью трех различных стратегий:

• Снижение рабочей температуры
• Сокращение времени пребывания газов, особенно азота, в зоне горения, где отмечаются самые высокие температуры
• При снижении соотношения кислород/топливо заметно снижается образование NOX при уменьшении избытка кислорода

Однако, поскольку полностью предотвратить образование оксидов азота невозможно, необходимо использовать методы, позволяющие удалять образующиеся NOX, чтобы соответствовать все более требовательному законодательству в этой области. Наиболее часто для этой цели используются следующие методы:

Абсорбция при помоши химических реакций

Этот метод включает поглощение NOX химической реакцией в жидкой фазе, обычно с использованием серной кислоты. Она реагирует с оксидами азота с образованием HSO_{4NO (нитрозилсерная кислота), которая остается в жидкой фазе. NOX} поглощается в жидкой фазе при высоком давлении (2 атм) и низкой температуре (35 °С). В то же время процесс может быть обращен вспять при высокой температуре (180ºC) и низком давлении (0,5 атм), условиях, при которых азотированная молекула (теперь азотная кислота из-за присутствия воды) может быть отделена от серной кислоты, которую можно использовать повторно.

Главный недостаток этого процесса заключается в том, что необходимо использовать агрессивные и вредные химические вещества, а для размещения процесса требуется физическое пространство. Поскольку достигнутые КПД не являются высокими, этот метод, как правило, рекомендуется только для низких нагрузок NO_X.

Селективное некаталитическое восстановление (СНКВ)

Этот метод позволяет уменьшить выбросы оксидов азота путем преобразования их в газообразный азот с помощью некаталитической химической реакции. Для того чтобы это преобразование происходило в отсутствие катализатора, температура должна быть увеличена до 850-1100 °С. Рабочая температура напрямую зависит от используемого восстановителя, причем наиболее распространенными являются аммиак и мочевина.

Этот метод, как правило, используется в небольших промышленных печах, поскольку для более крупных установок затраты на работу в этом температурном диапазоне заметно возрастают. Оборудование СНКВ не требует много места и легко монтируется и эксплуатируется. Однако достигнутая эффективность восстановления является лишь умеренной, а это значит, что этот метод применим лишь для тех случаев, когда выбросы оксидов азота являются низкими.

Восстановление при помощи селективной каталитической химической реакции (СКР)

Этот метод основан на каталитическом процессе, в котором оксиды азота селективно восстанавливаются в присутствии катализатора, а восстановитель (аммиак или мочевина) окисляется до газообразного азота. Тот факт, что реакция протекает на поверхности катализатора, означает, что требуемая температура находится в диапазоне 250-450 ºC. Однако конечная рабочая температура зависит от различных факторов, причем одним из ключевых параметров является используемый катализатор.

В практическом плане восстановителем может быть водный раствор аммиака, жидкий аммиак или водный раствор мочевины. Из них наиболее дешевым вариантом является использование жидкого аммиака, что приводит к снижению эксплуатационных расходов. Однако жидкий аммиак по своим характеристикам гораздо сложнее обрабатывать, чем водные растворы аммиака или мочевины. Использование, хранение и транспортировка жидкого аммиака подпадают под действие директивы 96/82/EC (Seveso Directive II), и он должен использоваться в соответствии со строгим протоколом безопасности из-за рисков, связанных с его высокой коррозионной природой и тем фактом, что он взрывоопасен в присутствии кислорода.

В рабочих условиях более высокие коэффициенты подачи NH₃/NO_X приводят к более высокой эффективности. Однако количество непрореагировавшего аммиака, растрачиваемого впустую в газовом потоке, также увеличивается. Эта потеря непрореагировавшего аммиака должна быть сведена к минимуму, поскольку он вступает в реакцию с SO₃ в присутствии воды с образованием бисульфата аммония (NH₄HSO₄), который вызывает коррозию и загрязняет установки. Ключом к оптимальной работе является подача аммиака со скоростью, обеспечивающей хороший выход при минимальном количестве непрореагировавшего аммиака.

Выбор катализатора имеет ключевое значение для процесса, поскольку это влияет на ключевые параметры, такие как рабочая температура и степень реакции. В качестве катализаторов используются четыре различных материала:

• Оксиды металлов (ванадия, вольфрама, молибдена и хрома) на носителе диоксида титана (TiO₂)
• Цеолиты
• Оксиды железа, покрытые тонким слоем фосфата железа
• Активированный уголь

Выбор катализатора также напрямую влияет на эксплуатационные расходы, поскольку не все они имеют одинаковые свойства, стоимость и срок службы.

Основными преимуществами технологии СКР являются очень высокий выход NОx при удалении и тот факт, что NO_X превращается в газообразный азот без каких-либо дополнительных побочных продуктов или остатков.

Основные различия между описанными выше методами удаления NO_X кратко изложены в следующей таблице.

Таким образом, выбросы оксидов азота должны контролироваться, поскольку они строго регулируются действующим законодательством. Первым шагом в этом контроле является сведение к минимуму производства этих газов. Следовательно, производство, которое невозможно предотвратить, должно быть правильно очищенно перед выбросом в атмосферу вместе с другими газами. Наиболее эффективным методом удаления NO_X является восстановление с помощью селективной каталитической химической реакции (СКР).

NO_X образуются на промышленном уровне в тех процессах, в которых сжигается ископаемое топливо. Таким образом, эти технологии могут быть применены в большом количестве промышленных объектов, где тепловая энергия вырабатывается в процессе сжигания ископаемого топлива. И, наконец, процесс DeNOx ® является инновационной и очень конкурентоспособной альтернативой для очистки выбросов NO_X на солнечных тепловых электростанциях.