Селективное некаталитическое восстановление nox
Обновлено: 05.07.2024
Селективное каталитическое восстановление ( SCR ) - это средство преобразования оксидов азота , также называемых NO.
Икс с помощью катализатора в двухатомный азот ( N
2 ) и вода ( H
2 О ). Восстановитель , как правило , безводный аммиак ( NH
3 ), водный аммиак ( NH
4 OH ) или мочевину ( CO (NH
2 )
2 ) раствор добавляется в поток дымовых или выхлопных газов и вступает в реакцию с катализатором . По мере того, как реакция приближается к завершению, азот ( N
2 ) и диоксид углерода ( CO
2 ) в случае использования мочевины.
Селективное каталитическое сокращение от NO
Икс Использование аммиака в качестве восстановителя было запатентовано в Соединенных Штатах корпорацией Engelhard Corporation в 1957 году. Развитие технологии СКВ продолжалось в Японии и США в начале 1960-х годов с исследованиями, сосредоточенными на менее дорогих и более долговечных катализаторах. Первый крупномасштабный SCR был установлен корпорацией IHI в 1978 году.
Коммерческие системы селективного каталитического восстановления, как правило, используются на больших коммунальных котлах , промышленных котлах и котлах для твердых бытовых отходов, и было показано, что они снижают содержание NO
Икс на 70-95%. Более свежие приложения включают дизельные двигатели , такие как те, что используются на больших кораблях , тепловозах , газовых турбинах и даже автомобилях .
Системы SCR в настоящее время являются предпочтительным методом для соответствия стандартам выбросов дизельных двигателей Tier 4 Final и EURO 6 для тяжелых грузовиков, а также для легковых и легких коммерческих автомобилей. Во многих случаях выбросы NOx и PM ( твердых частиц ) сократились более чем на 90% по сравнению с автомобилями начала 1990-х годов.
СОДЕРЖАНИЕ
Химия
НЕТ
Икс реакция восстановления происходит, когда газы проходят через камеру катализатора . Перед входом в камеру катализатора впрыскивается аммиак или другой восстановитель (например, мочевина ) и смешивается с газами. Химическое уравнение стехиометрической реакции с использованием безводного или водного аммиака для процесса селективного каталитического восстановления:
С несколькими вторичными реакциями:
Реакция на мочевину вместо безводного или водного аммиака:
Идеальная реакция имеет оптимальный диапазон температур от 630 до 720 К (от 357 до 447 ° С), но может протекать от 500 до 720 К (от 227 до 447 ° С) с более длительным временем 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 SCR изготовлены из различных пористых керамических материалов , используемых в качестве поддержки , таких как оксид титана , а также активных каталитических компоненты, как правило , либо оксиды из цветных металлов (такие , как ванадий , молибден и вольфрам ), цеолиты , или различных драгоценные металлы . Также был разработан другой катализатор на основе активированного угля, который применим для удаления NOx при низких температурах. Каждый компонент катализатора имеет 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 температурных диапазонах, наиболее часто используемых в промышленных и коммунальных котлах . Термическая стойкость особенно важна для автомобильных систем SCR, в которых используется дизельный сажевый фильтр с принудительной регенерацией. Они также обладают высоким потенциалом катализатора окисления SO.
2 в SO
3 , который может быть чрезвычайно опасным 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 (627 ° C) и переходных режимах до 1120 K (847 ° C). Цеолиты также имеют более низкий потенциал для SO
2 окисления и, таким образом, уменьшают связанные с этим риски коррозии .
Железо - и медь - обмен цеолита тиристоров мочевины были разработаны с примерно равной производительности , что в ванадий-мочевины тиристоров , если доля NO
2 составляет от 20% до 50% от общего NO
Икс . Две наиболее распространенные геометрии катализаторов, используемых сегодня, - это сотовые катализаторы и пластинчатые катализаторы. Сотовая форма обычно состоит из экструдированной керамики, равномерно нанесенной по всему носителю или нанесенной на подложку. Как и у различных типов катализаторов, их конфигурация также имеет преимущества и недостатки. Катализаторы пластинчатого типа имеют меньшие перепады давления и менее подвержены засорению и загрязнению, чем катализаторы сотового типа, но они намного больше и дороже. Сотовые конструкции меньше, чем пластинчатые, но имеют более высокие перепады давления и гораздо легче закупориваются. Третий тип - гофрированный , на долю которого приходится лишь около 10% рынка электростанций.
Восстановители
В настоящее время в системах СКВ используются несколько азотсодержащих восстановителей , включая безводный аммиак , водный раствор аммиака или растворенную мочевину . 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 его обычно предпочитают крупные промышленные операторы SCR. Водный аммиак должен быть сначала испарен, чтобы его можно было использовать, но его хранение и транспортировка существенно 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 аномальных событий. Многие SCR имеют ограниченный срок службы из-за известного количества загрязняющих веществ в неочищенном газе. Подавляющее большинство катализаторов на рынке имеет пористую структуру и геометрию, оптимизированную для увеличения его удельной поверхности . Глиняный горшок для растений - хороший пример того, что собой представляет катализатор SCR. Эта пористость дает катализатору большую площадь поверхности, необходимую для снижения NOx. Тем не менее, поры легко закупорки мелких частиц, сульфат аммония , аммония бисульфат (ABS), и соединений 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 - галогены , щелочные металлы , щелочноземельные металлы , мышьяк , фосфор , сурьма , 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 могут 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 аммиак впрыскивается в избытке, температура слишком низкая для реакции аммиака или катализатор разрушился.
Температура - 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 такая же базовая технология используется для удаления NO.
Икс от дымовых газов из котлов , используемых в производстве электроэнергии и промышленности. Обычно блок SCR расположен между экономайзером печи 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 вопросы, которые необходимо учитывать при использовании SCR для NO
Икс Контроль на электростанциях являются образование сульфата аммония и аммония бисульфат из - за серы , содержание топлива, а также нежелательного катализатора вызванного образованием SO
3 из SO
2 и O
2 в дымовых газах.
Еще одна трудность в эксплуатации угольных котлов заключается в связывании катализатора летучей золой от сжигания топлива . Это требует использования сажеобдувок , звуковых рупоров и тщательного проектирования воздуховодов и материалов катализатора, чтобы избежать засорения летучей золой. Катализаторы СКВ имеют типичный срок службы около 16 000 - 40 000 часов (1,8 - 4,5 года) на угольных электростанциях, в зависимости от состава дымовых газов, и до 80 000 часов (9 лет) на более чистых газовых электростанциях.
Яды , соединения серы и летучая зола могут быть удалены путем установки скрубберов перед системой SCR для увеличения срока службы катализатора , хотя скрубберы на большинстве заводов устанавливаются после системы по причинам передачи тепловой энергии.
SCR и EPA 2010
Дизельные двигатели, произведенные после 1 января 2010 г., 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 Volvo / Mack . Эти двигатели требуют периодического добавления жидкости для выхлопных газов дизельного топлива (DEF, раствор мочевины) для включения 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 улучшенную рециркуляцию выхлопных газов (EEGR) в соответствии со стандартами Агентства по охране окружающей среды (EPA), но в июле 2012 года Navistar объявила, что будет использовать технологию SCR для своих двигателей, за исключением MaxxForce 15, которая была установлена. будет прекращено. В конечном итоге компания Caterpillar ушла с рынка шоссейных двигателей до выполнения этих требований.
BMW , Daimler AG и Volkswagen использовали технологию SCR в некоторых своих легковых дизельных автомобилях.
В данной статье рассмотрены методы селективного некаталитического восстановления оксидов азота в отработавших газах дизелей.
Ключевые слова: отработавшие газы, загрязнение воздуха, токсичные компоненты, оксиды азота, рециркуляция отработавших газов.
На сегодняшний день известны методы селективного некаталитического восстановления NOx до N2, которые широко используются везде, где это возможно. В этом случае аммиак (NH3) добавляется в поток ОГ и при достаточно высокой температуре реагирует с ОН, с образованием NH2. NO реагирует с NH2 с образованием Н2О и N2 [1–14]. Наиболее важные элементарные реакции этого процесса представлены на рис. 1.
Рис. 1. Основные реакции восстановления NOx аммиаком
Для восстановления оксидов азота было реализовано создание нейтрализатора, в который поступал аммиак за счёт эжекции газового потока. При исследованиях дизелей, укомплектованных нейтрализатором с системой подачи аммиака, установлено, что наибольшая степень восстановления оксидов азота равна 90 %. Необходимое условие восстановления оксидов азота аммиаком — температура 900…950 о С. Этот способ не нашёл большого применения из-за отсутствия организации контроля за проскоком не прореагировавшего аммиака и образования в очень заметных количествах гемиоксида азота N2O [15–21,32].
Известен способ уменьшения токсичности ОГ путем применения газоразделительных мембран. В систему впуска воздуха в двигателях внутреннего сгорания между воздушным фильтром и впускным устанавливают газоразделительные мембраны из поливинилтриметилсилана марок С-3.5М-А ТУ 6–05–111–353–88 или С-3.5М ТУ 6–05–111–88, производящие газоразделение по газам азот — кислород. Идентичные устройства устанавливают в системе рециркуляции ОГ двигателей и проводят замену менее сильного окислителя — кислорода на более сильный — озон, для чего за газоразделительным устройством устанавливают озонатор и инициируют распад озона на атомарный кислород и молекулярный кислород фотовозбуждением. Снижение дымности ОГ составляет 18…38 %, NOx 36…48 %, СО2–28…42 %, СН — 32…43 %, альдегидов 32…51 %, бенз(α)пирена 23…34 % [22–32].
Большее применение для снижения токсичности ОГ, в первую очередь, оксидов азота, получила рециркуляция ОГ. Основная задача рециркуляции ОГ — снижение выбросов NOx. Это особенно важно, когда в нейтрализаторе (или при его отсутствии) не обеспечено точное поддержание состава смеси. Рециркуляция предполагает отбор ОГ в количестве до 20 % и подачу их на вход двигателя на режимах средних и полных нагрузок. Повышенное количество рециркулируемых газов вызывает более высокие выбросы сажи и оксида углерода из-за недостатка воздуха в смеси. Поэтому количество рециркулируемых ОГ должно быть ограничено [22–32].
1.Анфилатов А. А. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 2Ч 10,5/12,0 путём применения метанола с двойной системы топливоподачи. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук/Киров, 2009. — 184с.
2.Анфилатов А. А., Лиханов В. А., Лопатин О. П. Исследование процессов образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 путем применения метанола с двойной системой топливоподачи: Монография. — Киров, 2008. — 156 с.
3.Лиханов В. А., Анфилатов А. А. Изменение образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 4. с. 3–5.
4.Лиханов В. А., Лопатин О. П., Анфилатов А. А. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля путём применения метанола с использованием двойной системы топливоподачи // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 5. с. 5–8.
5.Лиханов В. А., Чувашев А. Н., Глухов А. А., Анфилатов А. А. Улучшение экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле // Тракторы и сельхозмашины. 2007. № 3. с. 4–5.
6.Лиханов В. А., Чувашев А. Н., Глухов А. А., Анфилатов А. А. Улучшение эффективных и экологических показателей дизеля при работе на метаноле // Тракторы и сельхозмашины. 2007. № 4. с. 10–13.
7.Анфилатов А. А. Влияние метанола на оксиды азота при сгорании в цилиндре дизеля // Молодой ученый. 2015. № 9 (89). с. 151–154.
8.Анфилатов А. А. Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 10 (90). с. 139–142.
9.Анфилатов А. А. Теоретические расчеты объемного содержания оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле для номинальной частоты вращения // Молодой ученый. 2015. № 10 (90). с. 142–145.
10. Лиханов В. А., Анфилатов А. А. Исследование применения метанола в дизеле на оптимальных установочных углах // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. № 4 (17). С. 42–44.
11. Анфилатов А. А. Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля с воздушным охлаждением // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. № 4 (17). С. 45–47.
12. Анфилатов А. А. Исследование токсичности на скоростном режиме дизеля при работе на метаноле // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. № 4 (17). С. 47–50.
13. Анфилатов А. А. Исследование дымности в отработавших газах дизеля при работе на метаноле // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. № 4 (17). С. 50–53.
14. Анфилатов А. А. Особенности экспериментальной установки для исследования рабочего процесса дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 223–225.
15. Анфилатов А. А. Результаты объемного содержания оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 226–228.
16. Анфилатов А. А. Особенности расчета периода задержки воспламенения при работе дизеля на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 229–231.
17. Анфилатов А. А. Теоретические расчеты содержания оксидов азота в цилиндре дизеля // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 232–234.
18. Анфилатов А. А. Расчет содержания оксидов азота в цилиндре дизеля с воздушным охлаждением при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 235–237.
19. Анфилатов А. А. Изменение экономических показателей дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 238–240.
20. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Образование и нейтрализация оксидов азота в цилиндре газодизеля: Монография. — Киров: Вятская ГСХА, 2004. -106 с
21. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения природного газа и рециркуляции // Транспорт на альтернативном топливе. 2014. № 4 (40). С. 21–25.
22. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Применение природного газа и рециркуляции на тракторном дизеле 4Ч 11,0/12,5 // Тракторы и сельхозмашины. 2014. № 6. С. 7–9.
23. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение экологических показателей дизеля путем применения этаноло-топливной эмульсии // Тракторы и сельхозмашины. 2013. № 2. С. 6–7.
24. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение эксплуатационных показателей тракторного дизеля Д-240 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Научно-практический журнал Пермский аграрный вестник: 2013. № 1 (1). С. 29–32.
25. Лопатин О. П. Применение природного газа и рециркуляции отработавших газов для снижения токсичности тракторного дизеля // Молодой ученый. 2015. № 6–5 (86). С. 11–13.
26. Лопатин О. П. Зонная модель процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля с турбонаддувом // Молодой ученый. 2015. № 9 (89). С. 261–265.
27. Лопатин О. П. Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля с турбонаддувом // Молодой ученый. 2015. № 9 (89). С. 265–268.
28. Лиханов В. А. Улучшение эксплуатационных показателей тракторных дизелей путем применения альтернативных топлив. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Киров, 1999.
29. Лиханов В. А. Улучшение эксплуатационных показателей тракторных дизелей путем применения альтернативных топлив. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Санкт-Петербург, 1999.
30. Лиханов В. А., Полевщиков А. С. Определение оптимальных углов опережения впрыскивания топлив при работе дизеля на этаноле // Транспорт на альтернативном топливе. 2014. № 5 (41). С. 62–64.
31. Лиханов В. А., Полевщиков А. С. Особенности развития топливных факелов в цилиндре дизеля при работе дизеля на этаноле // Транспорт на альтернативном топливе. 2013. № 1 (31). С. 62–65.
32. Скрябин М. Л. Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Киров, 2009. — 202 с.
Селективное некаталитическое восстановление ( СНКВ ) - это метод уменьшения выбросов оксидов азота на обычных электростанциях , сжигающих биомассу , отходы и уголь . Процесс включает в себя впрыскивание аммиака или мочевины в топку котла в месте, где температура дымового газа составляет от 1400 до 2000 ° F (от 760 до 1090 ° C), чтобы вступить в реакцию с оксидами азота, образующимися в процессе сгорания. Получающимся продуктом химической окислительно-восстановительной реакции является молекулярный азот (N 2 ), диоксид углерода (CO 2 ) и вода (H 2 O).
Преобразование вредных NO x в безвредный N 2 описывается следующим упрощенным уравнением:
Когда используется мочевина, происходит предварительная реакция, чтобы сначала преобразовать ее в аммиак:
Мочевина является твердым веществом, поэтому с ней легче обращаться и хранить, чем более опасный аммиак (NH 3 ), поэтому это предпочтительный реагент.
Для того чтобы реакция была эффективной, требуется достаточное время реакции в определенном диапазоне температур, обычно от 1400 до 2000 ° F (760 и 1090 ° C). При более низких температурах NO и аммиак не вступают в реакцию. Аммиак, который не прореагировал, называется проскоком аммиака и является нежелательным, поскольку аммиак может реагировать с другими продуктами горения, такими как триоксид серы (SO 3 ), с образованием солей аммония .
При температуре выше 1093 ° C аммиак окисляет:
В этом случае NO образуется, а не удаляется.
Еще одна сложность - смешивание. В общем, больше NO будет образовываться в центре реакционного сосуда и меньше у стенок, так как стенки холоднее, чем в центре. Таким образом, больше аммиака должно попадать в центр и меньше у стен, иначе NO в центре встречает недостаточное количество аммиака для восстановления, и избыток аммиака у стен проскальзывает.
Хотя теоретически селективное некаталитическое восстановление может обеспечить такую же эффективность, как селективное каталитическое восстановление (SCR) , около 90% , практические ограничения температуры, времени и перемешивания часто приводят к худшим результатам на практике. Однако селективное некаталитическое восстановление имеет экономическое преимущество перед селективным каталитическим восстановлением, поскольку здесь нет стоимости катализатора.
Термин селективного каталитического восстановления ( английский селективного каталитического восстановления , СКВ ) относится к способу для уменьшения из оксидов азота в выхлопных газах из установок для сжигания , мусоросжигательных заводов , газовых турбин , промышленных установок и двигателей внутреннего сгорания . Химическая реакция на SCR каталитического нейтрализатора является избирательным, что означает , что оксиды азота ( NO , NO 2 ) являются предпочтительно уменьшается, в то время как нежелательные побочные реакции , такие как окисление диоксида серы в триоксид серы в значительной степени подавлены.
Аммиак (NH 3 ), который смешивается с выхлопными газами, необходим для реакции . Продуктами реакции являются вода (H 2 O) и азот (N 2 ). Реакция представляет собой пропорциональное соотношение оксидов азота с аммиаком до азота. Есть два типа катализаторов : первый состоит в основном из диоксида титана , пятиокиси ванадия и диоксида вольфрама для стабилизации диоксида титана в его анатазной форме, в другом используются цеолиты . Еще одна новая разработка - катализатор на основе активированного угля . До внедрения этих процессов в Германии велись разработки других катализаторов, но катализаторы на основе оксида железа, в частности, не зарекомендовали себя в промышленных масштабах.
В присутствии газообразных галогенов катализаторы, состоящие из диоксида титана, пятиокиси ванадия и оксида вольфрама, также окисляют элементарную ртуть, присутствующую во многих выхлопных газах электростанций , которую затем можно лучше отделить в скрубберах систем десульфуризации дымовых газов или в электрофильтрах. и только в меньшей степени (около 10%) Окружающая среда.
В качестве дополнительной технически используемой побочной реакции диоксины и фураны разлагаются при прохождении через катализатор денитрификации.
Оглавление
Химическая реакция
При использовании мочевины ее сначала необходимо разложить в результате термолиза и последующей реакции гидролиза, чтобы высвободить аммиак, необходимый для реакции СКВ.
Термолиз и гидролиз введенной мочевины происходит на пути перед каталитическим нейтрализатором, так называемом пути гидролиза. Поскольку оптимальное распыление и испарение водного раствора мочевины имеет решающее значение для реализации, для их улучшения обычно используются различные конструкции смесителей.
При последующем гидролизе изоциановая кислота реагирует с водой с образованием дополнительного количества аммиака и диоксида углерода.
Так называемые катализаторы гидролиза часто используются для улучшения разложения мочевины, особенно при низких температурах выхлопных газов. Разложение мочевины можно дополнительно улучшить, если пропускать через эти каталитические нейтрализаторы только часть общего потока выхлопных газов, т.е. ЧАС. они работают в частичном потоке.
Если мочевина не разлагается полностью, твердые отложения циануровой кислоты (тример изоциановой кислоты) или меламина могут образовываться через промежуточный продукт изоциановую кислоту, что может привести к засорению выхлопной системы.
Однако при полном разложении мочевины из одной молекулы мочевины образуются две молекулы аммиака.
Восстановление оксидов азота посредством селективного каталитического восстановления в восстановительном каталитическом нейтрализаторе
Стандартный SCR (температура более 250 градусов)
Fast SCR (температура от 170 до 300 градусов, «Fast SCR»)
аммиак реагирует с оксидами азота с образованием азота и воды.
На электростанциях и дизельных двигателях доля NO 2 в общем количестве оксидов азота обычно составляет всего около 5%, так что только стандартная реакция СКВ имеет значение без дополнительных мер. Тем не менее, чтобы обеспечить возможность реакции «быстрой СКВ» и, таким образом, снизить температуру зажигания, перед катализаторами СКВ используются так называемые катализаторы окисления NO. Эти платиносодержащие катализаторы увеличивают содержание NO 2 и, таким образом, обеспечивают реакцию «быстрой СКВ». Однако это относится только к доле NO 2, составляющей 50% от общего количества оксидов азота. Если содержание NO 2 превышает этот предел, имеет место так называемая реакция NO 2 -SCR. Поскольку это происходит гораздо медленнее и потребность в NH 3 также возрастает, следует избегать содержания NO 2 более 50%.
В отличие от трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов, использование восстановителя аммиака позволяет восстанавливать оксиды азота до азота в присутствии кислорода.
SCR при розжиге электростанции
В 1974 году Масуми Сайто, Сумио Тани, Татео Ито и Шигеаки Касаока запатентовали японскую компанию Kurashiki Boseki Kabushiki Kaisha (Kurabo Industries Ltd.), базирующуюся в Осаке, как аммиак может быть смешан с выхлопным газом для преобразования содержащихся в нем оксидов азота в безвредный азот и преобразовать воду. В качестве катализатора использовали сульфид железа или меди. Позже были добавлены методы правильного дозирования аммиака. Со временем мочевина стала современным средством снижения содержания оксидов азота в выхлопных газах стационарных электростанций.
В зависимости от концепции обжига (в угольных электростанциях: с псевдоожиженным слоем обжиг, сухая пылью обжиг , плавление камеры обжиг), топливо и температурой обжига, оксиды азота образуется на электростанциях путем сжигания , которые должны быть удалены из дымохода газ для защиты окружающей среды .
Необходимые для этого системы называются системами «DeNO x » и относятся к числу вторичных восстановительных мер при денитрификации дымовых газов . В Германии SCR для денитрификации дымовых газов преобладает над другими методами, такими как активированный уголь или одновременные методы.
При размещении SCR в потоке дымовых газов электростанции различают три варианта схемы:
- Высокая запыленность
- Низкая запыленность
- Конец хвоста
Высокая запыленность
В контуре с высоким содержанием пыли денитрификация дымовых газов обеспечивается между подогревателем питательной воды ( экономайзер ) и подогревателем воздуха (LuVo). В этой концепции системы фильтрации пыли расположены за денитрификацией.
Одним из преимуществ этой схемы является то, что температура дымовых газов от 300 до 400 ° C, необходимая для каталитической реакции, уже присутствует в выхлопных газах. Потенциал удаления ртути лучше всего использовать с этим вариантом контура, поскольку системы отделения пыли и сероочистки дымовых газов размещаются только после каталитического нейтрализатора.
Однако недостатком является высокая запыленность, которая заметно сокращает срок службы катализатора . Кроме того, диоксид серы (SO 2 ), содержащийся в этом контуре, еще не был удален из дымовых газов ( десульфуризация дымовых газов ). Небольшая часть (от 0,5 до 1,5%) окисляется до триоксида серы. Поскольку NH 3, необходимый для денитрификации, впрыскивается непосредственно в дымовой газ, в холодной зоне воздухоподогревателя происходит нежелательная реакция SO 3 с неиспользованным остаточным количеством NH 3 с образованием бисульфата аммония , который осаждается и приводит к блокируется подогреватель воздуха.
Низкая запыленность
В контуре с низким содержанием пыли дымовые газы сначала проходят через систему отделения пыли (обычно это электростатические фильтры или рукавные фильтры ), прежде чем они попадут в каталитический нейтрализатор. Это удаляет эрозионные компоненты и продлевает срок службы каталитического нейтрализатора. Снижение температуры дымовых газов, необходимое для работы системы обеспыливания, возможно, придется компенсировать соответствующим повторным нагревом.
Конец хвоста
В этой концепции SCR устанавливается после десульфуризации дымовых газов , так что дополнительные нагрузки, вызываемые большинством каталитических ядов и пыли, устраняются - это продлевает срок службы катализатора. Недостатком этого варианта контура является то, что дымовой газ имеет температуру только от 50 до 100 ° C для влажной и около 140 ° C для сухой очистки дымовых газов с помощью сорбентов на основе извести ( известняк , гидроксид кальция ). Однако для достижения температуры, необходимой для SCR, газ должен быть предварительно нагрет (например, в канальной горелке), что снижает общую эффективность системы. В системах с сухим РГР с NaHCO 3 температура находится в диапазоне от 180 до 190 ° C, что делает повторный нагрев излишним.
SCR для использования в транспортных средствах и кораблях
история
Примерно в 2000 году технология SCR для дизельных двигателей была первоначально адаптирована для тяжелых коммерческих автомобилей, а в 2002 году ее пригодность для практического использования была проверена в ходе полевых испытаний. С момента введения в 2016 году предельных значений IMO Tier III для океанских судов (примерно эквивалентных предельным значениям EuroV для грузовиков) эта процедура также широко использовалась для судов. В отличие от процесса SCR на электростанциях, аммиак не используется из-за его токсичности, особенно в двигателях, используемых в транспортных средствах. Скорее сюда впрыскивается водный раствор мочевины, который высвобождает аммиак, необходимый для реакции СКВ, в горячих выхлопных газах.
В марте 2003 года OMV открыла свою первую общественную заправочную станцию, где помимо дизельного топлива можно было заправлять необходимый раствор мочевины с помощью насоса.
Свойства раствора мочевины для очистки выхлопных газов дизельных двигателей были стандартизированы в Германии с 2003 года с DIN 70070 (первоначально как предварительный стандарт) и составом с 32,5% чистотой мочевины в деминерализованной воде, а также нейтральным обозначением " AUS". 32 ". С ISO 22241 нормы DIN и обозначение также были приняты на международном уровне.
С 2004 года система контроля выбросов SCR используется в двигателях грузовых автомобилей в стандартной комплектации в соответствии со стандартом выбросов Евро 4 . Водный раствор находится перед каталитическим нейтрализатором SCR в выхлопной системе, z. Б. с помощью дозирующего насоса или инжектора, распыляемого. В результате реакции гидролиза из водно-мочевинного раствора выделяется аммиак и CO 2 . Образующийся таким образом аммиак может реагировать с оксидами азота в выхлопных газах в расположенном ниже по потоку каталитическом нейтрализаторе SCR при соответствующей температуре . Производятся азот и вода. Количество впрыскиваемой мочевины зависит от выбросов оксида азота двигателем и, следовательно, от текущей скорости и крутящего момента двигателя. Расход водно-мочевинного раствора составляет - в зависимости от исходных выбросов двигателя - около 2-8% от количества используемого дизельного топлива. Поэтому необходимо иметь при себе бак соответствующего объема.
2007 была модель 320 Bluetec Mercedes-Benz E в Соединенных Штатах в автомобиле диапазон впервые в автомобиле с дизельным двигателем использовала обработки выхлопных газов SCR, в первом варианте еще с катализатором хранения. С 2008 года в Mercedes использовался впрыск мочевины.
Восстановление оксида азота происходит без изменения режима сгорания двигателя и, таким образом, поддерживает очень хороший КПД дизельных двигателей.
При температурах выхлопных газов до 550 ° C (грузовики, корабли, строительная техника) в основном используются катализаторы SCR на основе ванадия, а выше - цеолитсодержащие катализаторы (автомобили).
С 2019 года система нейтрализации выхлопных газов SCR будет использоваться в дизельных двигателях легковых, коммерческих, железнодорожных транспортных средств и судов.
технология
Раствор мочевины ВЫКЛ 32
Свойства раствора мочевины для очистки выхлопных газов автомобильных двигателей были стандартизированы в Германии с 2003 года в соответствии с DIN 70070 (первоначально в качестве предварительного стандарта) и составом с содержанием мочевины 32,5% чистоты в деминерализованной воде, а также нейтральным обозначением " За это было определено 32 австралийских доллара . С ISO 22241 нормы DIN и обозначение также были приняты на международном уровне.
Температура замерзания раствора мочевины AUS 32 составляет -11,5 ° C, поэтому автомобили в умеренных зонах с отрицательными температурами зимой требуют дополнительного обогрева. Для этого резервуар для хранения нагревается, и система трубопроводов может быть опорожнена. Процесс опорожнения осуществляется, например, путем реверсирования погружного насоса в резервуаре-хранилище: раствор из линейной системы возвращается в обогреваемый резервуар-хранилище после выключения зажигания.
Водный раствор не представляет особого риска с точки зрения европейского закона о химических веществах. Также согласно транспортному законодательству это не опасный товар. Следует избегать контакта с кожей; любые остатки можно смыть водой.
Раствор мочевины OFF 40
В морском секторе из-за более высокого содержания мочевины стал применяться 40% раствор мочевины (AUS 40 - ISO 18611) с температурой плавления 0 ° C. Из-за того, что резервуары для раствора мочевины расположены внутри конструкции корабля и, таким образом, почти никогда не достигают 0 ° C, обычно отсутствует риск замерзания раствора.
1 = бак SCR
2 = линия
3 = ЭБУ форсунки
4 = форсунка
5 = Каталитический нейтрализатор
Расход мочевины
Расход зависит в первую очередь от исходных выбросов NOx двигателя, поэтому в литературе можно найти разные значения в зависимости от конструкции двигателя (например, с системой рециркуляции отработавших газов или без нее ). Robert Bosch GmbH находятся на 5 процентов от количества дизельного топлива , используемого, 7 процентов предполагается , в сельском хозяйстве тракторов. Ассоциация автомобильной промышленности определяет 1,5 л для легковых автомобилей на 1000 км, другие источники говорят до 4 литров на 1000 км для адекватной очистки при движении на полном газе на автостраде.
Размеры баков производителя варьируются от 12 до 25 литров для легковых автомобилей, от 50 до 100 литров для грузовиков и нескольких кубометров для океанских судов. Согласно исследованию TNO , резервуар SCR в автомобилях Euro 6 на 45–80 процентов меньше, если необходимо избегать дозаправки между интервалами технического обслуживания. В коммерческих транспортных средствах использование раствора мочевины позволяет раньше начать впрыск и, таким образом, снижает расход топлива примерно на 6%.
Финансовые аспекты
Техническое оснащение транспортных средств системой SCR связано с расходами, а также с необходимостью увеличения веса и места для резервуара, трубопроводов, датчиков и электроники. Цены на автомобили с дизельным двигателем с каталитическими нейтрализаторами SCR в 2015 году были значительно выше, чем на автомобили с бензиновыми двигателями.
Мошенничество
Поскольку использование раствора мочевины влечет за собой дополнительные расходы, мошенники, эксплуатирующие дизельные грузовики, незаконно используют электронные устройства отключения. В связи с запрещенным изменением выбросов загрязняющих веществ в Германии затронуты несколько штрафов, например B. в области дорожного движения и налогового права на автотранспортные средства; Помимо штрафов и независимо от них , сумма дорожных сборов, не уплаченная в требуемом размере, будет взиматься ретроспективно Федеральным управлением грузовых перевозок с грузовиков, подлежащих взиманию дорожных сборов .
С сентября 2015 года стало известно, что Volkswagen AG использует незаконное устройство отключения в системе управления двигателем своих дизельных автомобилей, чтобы свести к минимуму расход раствора: если программное обеспечение обнаруживает, что автомобиль находится на роликовом динамометре, выполняется дополнительная обработка выхлопных газов. с катализатором SCR, проводимым таким образом, чтобы соблюдались допустимые предельные значения, но при нормальном движении он отключается - см. скандал с выхлопом . Позже аналогичный подход был найден и у других немецких и международных производителей.
Общие аспекты доочистки выхлопных газов с использованием SCR
Селективное каталитическое восстановление удаляет оксиды азота из выхлопных газов с высокой степенью эффективности. В отличие от сажевого фильтра (DPF) здесь нет дополнительного расхода топлива. Это преимущество также относится к альтернативному методу восстановления оксидов азота с помощью каталитического нейтрализатора NO x , который, как и DPF, требует временного исключения оптимальных условий сгорания. Установка системы SCR для снижения NO x позволяет эксплуатировать двигатель в более экономичных рабочих точках. Это снижает расход от 3% до 8%, в зависимости от стиля вождения.
Необходимый раствор мочевины AUS 32 можно получить по всей стране у экспедиторов и на многих общественных заправочных станциях. Помимо бензонасосов для раствора мочевины, заправочные канистры можно найти на многих заправочных станциях по всей Европе.
Читайте также: