СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА ИЗ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ КАРБАМИДА (ВАРИАНТЫ)
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING AMMONIA FROM SOLID CARBAMIDE PARTICLES (VERSIONS)

Изобретение касается устройства согласно пунктам 1 и 16 и способа согласно пункту 26 формулы изобретения для производства аммиака из твердых частиц карбамида, запас которых содержится в накопительном контейнере.
Изобретение исходит из документа ЕР 1 338 562 A1. В нем описывается способ и устройство для производства аммиака. При этом твердый карбамид, который в форме кусочков, или гранул, или частиц содержится в накопительном контейнере, подводится при использовании потока сжатого воздуха к реактору для производства аммиака. В нем подведенный твердый карбамид превращается с помощью импульсного термолиза в газовую смесь из аммиака и изоциановой кислоты. Эта газовая смесь, исключительно в присутствии водяного пара, непосредственно подвергается последующей каталитической обработке, и при таком гидролизе изоциановая кислота также превращается в аммиак и двуокись углерода. Поддержанная сжатым воздухом дозировка твердых частиц карбамида предполагает постоянно имеющийся в распоряжении источник сжатого воздуха, который нужно наполнять по мере необходимости с помощью компрессора. Это может оказываться в отдельных случаях слишком затратным.
Поэтому задачей изобретения является создать устройство и способ для производства аммиака из твердых частиц карбамида, которое соответственно обходится без поддержанной сжатым воздухом дозировки частиц карбамида.
Эта задача решается согласно изобретению устройствами с признаками независимых пунктов 1 и 16 формулы изобретения и посредством способа с признаками независимого пункта 26 формулы изобретения.
Предпочтительные детали и выполнения и соответственно усовершенствования изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.
Устройство согласно изобретению представляет собой некоторое количество следующих одно за другим частичных устройств, которые служат при их взаимодействии для того, чтобы посредством способа согласно изобретению из запаса твердых частиц карбамида мог быть произведен аммиак.
3
В случае этих частичных устройств речь идет о дозаторе частиц, ускорителе частиц, стволовом канале частиц и аммиачном реакторе с отделением или зоной для выстреливания частиц карбамида и размещенной в конце стволового отрезка отбойной перегородкой, и устройством испарения карбамида, и катализатором гидролиза. Соответственно способу согласно изобретению посредством дозатора, регулирующего массу и соответственно количество частиц карбамида, они извлекаются из накопительного контейнера и транспортируются к ускорителю частиц, ускоряются с помощью его внутренней механики до высокой скорости, например, 100 м/сек и, наконец, выстреливаются через стволовой канал частиц в аммиачный реактор, где они измельчаются в конце отрезка свободного пролета на расположенной там отбойной перегородке за счет высокой энергии удара на множество фрагментов. Эти фрагменты частиц непосредственно превращаются исключительно посредством устройства испарения карбамида за счет теплового гидролиза, в частности импульсного термолиза, в газовую смесь из аммиака (NH) и изоциановой кислоты (HNCO). Вредная изоциановая кислота (HNCO) устраняется посредством того, что эта газовая смесь сразу подвергается дополнительной каталитической обработке в присутствии водяного пара, причем ее пропускают через катализатор гидролиза, в котором изоциановая кислота превращается в аммиак и двуокись углерода. В заключение способа выданная на выходе катализатора гидролиза, содержащая аммиак газовая смесь подводится согласно предписанному ее применению к соответствующей, следующей за аммиачным реактором аппаратуре, приборам или устройству, подобному SCR-катализатору(ам). Выстреливание частиц карбамида в аммиачный реактор имеет то преимущество, что может предотвращаться закупоривание или заклеивание стволового канала карбамидом. Разрушение внедренных частиц карбамида на отбойной перегородке имеет то преимущество, что мелкие фрагменты могут быстро и со сравнительно незначительными тепловыми энергозатратами переводиться в газообразное агрегатное состояние.
В дальнейшем устройство согласно изобретению объяснено более подробно посредством нескольких представленных на чертежах примеров, а также - на базе этих примеров изготовления - представлен способ согласно изобретению. Чертежи показывают:
Фиг.1 совместно с фиг.1А - схематически - устройство согласно изобретению с аммиачным реактором, расположенным вне выпускного газопровода,
Фиг.1 совместно с фиг.1В - схематически - устройство согласно изобретению с аммиачным реактором, расположенным в пределах обвода выпускного газопровода,
Фиг.1 совместно с фиг.1C - схематически - устройство согласно изобретению с аммиачным реактором, расположенным в пределах выпускного газопровода,
Фиг.1 совместно с фиг.1D - схематически - устройство согласно изобретению с аммиачным реактором, расположенным в пределах выпускного газопровода,
Фиг.2 - одна из форм изготовления накопительного контейнера частиц, дозатора частиц и ускорителя частиц как частей устройства согласно изобретению и
Фиг.3 - вид в перспективе ускорителя частиц по фиг.2 без крышки корпуса.
На чертежах показан накопительный контейнер 1 для частиц твердого карбамида. В случае частиц карбамида речь идет, предпочтительно, о подобных шарикам гранулах карбамида, причем все частицы карбамида одинаковы по величине и имеют форму шариков с диаметром от нескольких десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Частицы карбамида могут запасаться как сыпучий материал внутри накопительного контейнера 1 в накопительном объеме 2, наполняемом через запирающееся загрузочное отверстие 3. Накопительный объем 2 имеет воронкообразное сужение 4, направленное к выходному отверстию 5. Не представленное более подробно устройство 6 служит для того, чтобы содержать хранящиеся в накопительном объеме 2 частицы карбамида сухими и сыпучими, чтобы предотвращать их склеивание. К выходному отверстию 5 присоединяется устройство 7 дозирования частиц, а к нему - ускоритель 8 частиц. К выходу ускорителя 8 присоединяется стволовой канал 9 для частиц, который выходит в отделение или зону 10 в реакторе для производства аммиака. Последний обозначается в дальнейшем как аммиачный реактор 11. Он содержит отделение или соответственно зону 10 для выстреливания частиц карбамида и расположенную в конце отрезка свободного пролета отбойную перегородку 12 для частиц. Далее, аммиачный реактор 11 содержит устройство 13 испарения карбамида и присоединенный затем катализатор 14 гидролиза. В стволовом канале 9 для частиц встроен - предпочтительно, со сдвигом ближе к его обращенному к реактору концу/выходу - запорный элемент 9/1, например задвижка, которая управляется командами - см. стрелку 9/2 - устройства электронного управления и регулирования (ECU), и только тогда переключается в позицию открытого или пропускающего состояния, когда должна происходить транспортировка частиц карбамида, значит - должны быть задействованы как устройство 7 дозирования частиц, так и ускоритель 8 частиц. Как только последний выключен, запорный элемент 9/1 переключается в закрытую позицию, так что тогда никакие горячие газы не могут проникать в запертую часть стволового канала 9. В отдельных примерах выполнения и соответственно в примерах использования поз. 15 обозначен выпускной газопровод, который отводит отработанный газ двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины, или горелки, который может подвергаться последующей обработке при использовании произведенного согласно изобретению аммиака.
2
Фиг.1 в сочетании с фиг.1А показывает тот вариант устройства согласно изобретению, при котором аммиачный реактор 11 расположен вне выпускного газопровода 15. При таком варианте аммиачный реактор 11 снабжен внешним корпусом 16, в котором в пределах отделения и соответственно зоны 10 расположено устройство 13 испарения карбамида, например, в форме цилиндрической нагревательной трубки, и в ней, в задней области, размещена отбойная перегородка 12 таким образом, чтобы произведенная газовая смесь могла снаружи мимо нее протекать к последующему катализатору 14 гидролиза. Он проходит по всему поперечному сечению внешнего корпуса 16. В направлении течения после катализатора 14 гидролиза размещена выпускная камера 17, из которой произведенная газовая смесь подводится через питающий трубопровод 18 к расположенному за ней устройству. В случае фиг.1А питающий трубопровод 18 ведет в выпускной газопровод 15 и входит там в смесительную зону 20 на некотором расстоянии перед, по меньшей мере, одним - установленным в нем или в глушителе шума - SCR-катализатором 19, где подведенная газовая смесь может смешиваться, перед ее входом в SCR-катализатор(ы) 19, с отработанным газом. Кроме того, при способе согласно изобретению необходима вода или соответственно водяной пар, чтобы иметь возможность соответствующим образом химически обрабатывать образовавшуюся при термолизе частиц карбамида вредную изоциановую кислоту. Эта вода может либо непосредственно вводиться порциями, либо, альтернативно и предпочтительно, как поставщик воды используется остаточная доля водяного пара в отработанных газах, для чего в случае фиг.1 + фиг.1А поток части отработанного газа из выпускного газопровода 15 через один ответвляющийся от него вывод 21 подводится в отделение и соответственно зону 10 аммиачного реактора 11, а именно в количестве, оптимизированном согласно требованиям и отрегулированном - посредством устройства электронного управления и регулирования - с помощью управляющего вентиля 22, соответственно установленного через управляющую линию 22/1. Между местом ответвления вывода 21 и местом входа питающего трубопровода 18 в выпускной газопровод 15 размещено сопротивление потоку, в отношении которого речь может идти о турбине турбокомпрессора отработанного газа и/или о катализаторе предварительного окисления для производства NO.
Альтернативно этому фиг.1 в сочетании с фиг.1В показывает вариант устройства согласно изобретению, при котором аммиачный реактор 11 установлен в обходном трубопроводе 15/2 выпускного газопровода отработанного газа. Он ответвляется от выпускного газопровода 15 в месте 15/3 разветвления и входит по течению после аммиачного реактора 11 снова в выпускной газопровод 15, причем место 15/4 входа расположено пространственно недалеко перед SCR-катализатором 19, а он расположен перед предназначенной для него смесительной зоной 20. В этом случае аммиачный реактор 11 расположен на участке 15/21, образующем корпус для этой обходной части 15/2 трубопровода отработанного газа, в котором встроен катализатор 14 гидролиза, заполняя все сечение трубопровода, и имеется пространственно расположенное перед ним устройство 13 испарения карбамида, а также зона 10, в которую входит стволовой канал 9 для частиц и в которой в конце отрезка свободного пролета расположена также отбойная перегородка 12 для частиц. Также здесь реализовано устройство 13 испарения карбамида в форме цилиндрической нагревательной трубки или цилиндрического нагревательного змеевика, а в его задней области укреплена отбойная перегородка 12 для частиц таким образом, что произведенная газовая смесь может снаружи мимо нее протекать к примыкающему катализатору 14 гидролиза. В этом случае обходной трубопровод 15/2 отработанного газа служит, подобно питающему трубопроводу 21 на фиг.1А, для подачи части потока отработанного газа в аммиачный реактор 11, причем частичный поток отработанного газа используется и здесь с его остаточной долей водяного пара как поставщик воды, чтобы химически превращать возникающую при испарении карбамида, наряду с аммиаком, вредную изоциановую кислоту затем, в катализаторе 14 гидролиза, в аммиак и двуокись углерода. Количество частичного потока отработанного газа может регулироваться посредством запирающего/пропускающего элемента 15/5 управления, расположенного в области входа 15/3 обходного трубопровода 15/2 отработанного газа, причем элемент 15/5 может занимать запертую позицию, полностью открытую позицию и различные промежуточные позиции между ними и может устанавливаться посредством органа управления, который получает свои команды через управляющую линию 15/51 от устройства электронного регулирования и управления.
Альтернативно этому фиг.1 в сочетании с фиг.1C и фиг.1D показывает соответственно вариант устройства согласно изобретению, при котором аммиачный реактор 11 расположен в пределах выпускного газопровода 15 пространственно и по течению, перед SCR-катализатором(ами) 19. В случае фиг.1 в сочетании с фиг.1C аммиачный реактор 11 имеет корпус 23, который образует часть или соответственно участок выпускного газопровода 15. В случае, показанном на фиг.1 в сочетании с фиг.1D, корпус 23 аммиачного реактора 11 имеет меньший диаметр, чем выпускной газопровод 15, и расположен в нем соосно, так что остается проходящая снаружи вокруг корпуса 23 кольцевая полость 24, и корпус 23 в выпускном газопроводе 15 снаружи может обтекаться частичным потоком отработанного газа. В корпусе 23 размещен катализатор 14 гидролиза и, пространственно перед ним, устройство 13 испарения карбамида. Стволовой канал 9 для частиц входит в имеющуюся там зону 10, а в конце отрезка свободного пролета расположена отбойная перегородка 12 для частиц. В случае фиг.1 в сочетании с фиг.1C катализатор 14 гидролиза проходит по всему поперечному сечению корпуса 23, а отбойная перегородка 12 в корпусе 23 стоит косо, пространственно перед устройством 13 испарения карбамида, так что части обломков появляющихся частиц карбамида поворачивают в направлении устройства 13 испарения карбамида.
Отбойная перегородка 12 выполнена во всех случаях как массивная металлическая пластина с гладкой или рифленой, или структурированной иным образом поверхностью для раздробления частиц.
После аммиачного реактора 11 в выпускном газопроводе 15, пространственно перед SCR-катализатором(ами) 19, в случае фиг.1 в сочетании с фиг.1C имеется переходная/успокоительная зона 20/1, а в случае фиг.1 в сочетании с фиг.1D - также смесительная зона 20, в которой выходящая из катализатора 14 гидролиза газовая смесь может смешиваться перед ее вступлением в SCR-катализатор(ы) с подведенным через кольцевую полость 24 отработанным газом. В случае фиг.1 в сочетании с фиг.1C катализатор 14 гидролиза будет целиком заполняться поступающим по выпускному газопроводу 15 отработанным газом и, таким образом, может полностью использоваться его доля остаточного водяного пара. Напротив, в случае фиг.1 в сочетании с фиг.1D через катализатор 14 гидролиза станет проходить только частичный поток отработанного газа, доля остаточного водяного пара которого используется, чтобы превращать возникающую при испарении карбамида изоциановую кислоту в аммиак и двуокись углерода.
Ниже различные возможности выполнения отдельных компонентов устройства согласно изобретению подробнее разъясняются при помощи фиг.2 и 3.
Накопительный контейнер сконструирован и расположен таким образом, чтобы содержащиеся в его накопительном объеме 2 частицы карбамида могли выводиться из него под действием силы тяжести. Для этого расположенное в самом глубоком месте накопительного контейнера 1 выпускное отверстие 5 образовано либо подогнанной по диаметру к проложенному отдельному выпуску для каждой частицы карбамида выпускной трубой, либо настроенной на одновременный выпуск нескольких частиц карбамида выпускной шахтой. Последнюю упомянутую форму изготовления можно видеть на фиг.2. Соответствующая выпускная шахта имеет ширину, согласованную с диаметром частиц карбамида, и длину, ориентированную на произведение количества одновременно выдаваемых частиц карбамида на их диаметр.
Устройство 7 дозирования частиц присоединяется своим подогнанным по форме впуском 25 для частиц непосредственно внизу выпускного отверстия 5 частиц накопительного контейнера 1 частиц. В представленном примере устройство 7 дозирования частиц имеет в связанном с накопительным контейнером 1 корпусе 26 проходящий мимо впуска 25 для частиц бесконечный ленточный транспортер 27 со следующими друг за другом углублениям 28 для принятия по одной частице карбамида. Этот ленточный транспортер 27 может приводиться в действие с помощью (не представленного) электродвигателя 29, посредством ведущих колес 30, с электронно регулируемым через линию 29/1 управления от устройства электронного регулирования и управления числом оборотов. Этим ленточным транспортером 27 могут переноситься подведенные через впуск 25 частицы карбамида вдоль направляющей кулисы 31 к имеющемуся на ее конце поворотному узлу 32 и затем, посредством последнего, могут подводиться в канал 33 выпуска, а также могут через него по отдельности выводиться из устройства 7 дозирования.
В представленном примере к выпускному каналу 33 устройства 7 дозирования частиц присоединяется ускоритель 8 частиц своим впускным каналом 34, настроенным на впуск единичных подведенных частиц карбамида. Представленный ускоритель частиц 8 имеет корпус 35 с крышкой 36, в которой выполнен впускной канал 34, и имеет внутреннее электромеханическое устройство 37 разгона частиц, посредством которого каждая подведенная частица карбамида может ускоряться до скорости порядка до 100 м/сек и затем может выстреливаться через выпускное отверстие 38 из корпуса 35, 36 наружу в выводящий стволовой канал 9, а также, проведенная через него дальше, может выстреливаться в аммиачный реактор 11.
Устройство 37 разгона ускорителя 8 частиц состоит в представленном примере из центрально установленного в подшипниках в корпусе 35, 36 круглого диска 40, который может приводиться в действие от электронно регулируемого по числу оборотов электродвигателя 39 и имеет на верхней стороне, по меньшей мере, один канал 43, 44 разгона, ограниченный спиралеобразно ведущими от центра к внешней кромке стенками 41, 42. Над его или соответственно их близкой к центру внутренней областью 36 входит выполненный в крышке корпуса впускной канал 34. Стенки, ограничивающие каналы 43, 44 разгона, имеют спиралеобразный ход, который представлен несколькими различными дугами, и/или логарифмической кривой, и/или кривой с непрерывно положительным подъемом. В корпусе 35, 36 ускорителя 8 частиц имеется частично проходящий вокруг вращающегося диска 40 на высоте каналов 43, 44 разгона на верхней стороне выпускной канал 45 в форме паза, в конце 46 которого присоединяется тангенциально отходящий выпускной канал 47 в форме трубы, а за ним - стволовой канал 9. С помощью каждого спиралеобразного канала 43, 44 разгона поданная частица карбамида ускоряется вращением диска 40 при своем перемещении от центра к кромке от нуля до максимума и выстреливается затем с данной высокой скоростью через выпускные каналы 45, 47 в стволовой канал 9, а также через него - в аммиачный реактор 11. За счет таким образом сообщенной им кинетической энергии отдельные частицы карбамида при их попадании на отбойную перегородку 12 для частиц разрушаются на множество отдельных элементов или соответственно фрагментов. Чтобы способствовать этому измельчению и соответственно расщеплению, по возможности, на множество очень мелких отдельных элементов, отбойная перегородка 12 для частиц на ее поверхности соответственно структурирована или сформирована.
Число оборотов ленточного транспортера 27 устройства 7 дозирования частиц и вращающегося диска 40 ускорителя 8 частиц точно согласованы друг с другом в смысле оптимизированного потребляемого количества выстреливаемых в аммиачный реактор 11 массы/количества частиц карбамида, причем соответствующая потребность ориентируется на отбираемое количество и скорость произведенного, содержащего аммиак газа. Эта потребность является регулируемой величиной, которая подается в работающее с поддержкой электронно-вычислительной машины устройство электронного регулирования и управления, которое затем преобразует эту заданную величину в соответственно отрегулированные числа оборотов, приводящих в действие ленточный транспортер 27 и диск 40 электродвигателей 29, 39. При этом приводящий диск 40 электродвигателя 39 отрегулирован и эксплуатируется, предпочтительно, на постоянно высоком числе оборотов, например, 15000-20000 об./мин.
Согласно изобретению способ производства аммиака из твердых частиц карбамида протекает в соответствующем изобретению устройстве следующим образом.
3
Частицы карбамида извлекаются из накопительного контейнера 1 посредством устройства 7 дозирования в регулируемой массе/количестве и транспортируются к ускорителю 8 частиц. С помощью его внутренней механики каждая подведенная частица карбамида ускоряется до высокой скорости, затем выстреливается с этой скоростью в примыкающий со стороны выпуска стволовой канал 9 и, проведенная через него дальше, - в аммиачный реактор 11, где, в конце отрезка пролета, она измельчается на размещенной там отбивной перегородке 12 для частиц на множество фрагментов. Эти фрагменты частиц затем непосредственно преобразуются с помощью устройства 13 испарения карбамида при температурах, примерно, до 550°С, в газовую смесь, содержащую аммиак (NH) и изоциановую кислоту (HNCO). Смесь в последующем проводится вместе с водяным паром, полученным, например, из доли остаточного водяного пара в отработанном газе двигателя внутреннего сгорания, газовой турбины или горелки, через катализатор 14 гидролиза, причем изоциановая кислота превращается в аммиак и двуокись углерода.
В заключение этого соответствующего изобретению способа выдана, таким образом, на выходе катализатора 14 гидролиза, содержащая аммиак газовая смесь, которая подводится затем в соответствии с ее согласно назначению дальнейшим применением к расположенной после аммиачного реактора 11 аппаратуре, приборам или устройству, например, SCR-катализатору(ам) 19 - как было представлено.