СИСТЕМА ДОСТАВКИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО АЭРОЗОЛЯ И СПОСОБ КАТАЛИЗИРОВАНИЯ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА
SYSTEM OF DELIVERY OF CATALYTIC AEROSOL AND METHOD OF CATALYTIC OF FUEL BURNING

В соответствии с настоящим изобретением предлагается система доставки каталитического аэрозоля, позволяющая получить аэрозоль, содержащий химические предшественники катализатора, для доставки непосредственно в зону пламени реакционной системы сжигания топлива или непосредственно на впуск воздуха, или на впуск топлива или топливовоздушной смеси, или же непосредственно в горячие отработавшие газы реакции горения, или в любую комбинацию этих трех местоположений. Система и композиция в соответствии с настоящим изобретением позволяет уменьшать загрязнение, создаваемое за счет выбросов из камер сгорания, и обеспечивает более эффективное и чистое сгорание. В большинстве применений система сжигания топлива и композиция в соответствии с настоящим изобретением приводят к экономии топлива.
Системы доставки для получения барботажных газов содержат частицы катализатора и позволяют вводить их в зону пламени систем сжигания топлива, что само по себе известно.
В публикации Searles and Bertelsen (In Business Briefing: "Global Truck and Commercial Vehicle Technology"; London' World Marketing Research Centre. 2000; p.97-102; EU Directive 1999/99 EC) произведен обзор существующих технологий, которые отвечают требованиям ЕС и США к уровню выбросов для дизельных грузовиков и других мощных транспортных средств. Эти технологии включают в себя использование дизельных каталитических нейтрализаторов, DeNOx катализаторов и адсорберов окиси азота (NOx), избирательное каталитическое восстановление (SCR) и использование дизельных фильтров микрочастиц (DPFs), а также использование технологии фильтрации для удаления микрочастиц из картера двигателя.
Каталитический нейтрализатор впервые был внедрен в США в 1974 г в легковых автомобилях, и в настоящее время более 275 миллионов автомобилей из 500 миллионов автомобилей во всем мире и почти 90% всех новых автомобилей, выпускаемых во всем мире, оборудованы каталитическими нейтрализаторами. Однако технологии контроля выбросов для мощных дизельных двигателей все еще не имеют аналогичного широкого распространения.
Другой проблемой является содержание серы в дизельном топливе. Сера оказывает сильное отрицательное воздействие на эффективность катализатора за счет сильного поглощения серы на поверхности катализатора. Поэтому уменьшают поверхностные области катализатора и в результате снижается количество диоксида азота, образованного в каталитическом нейтрализаторе. Это является проблемой для некоторых DPFs и NOx адсорберов, так как они основаны на использовании диоксида азота для осуществления регенерации. Более того, сера вступает в реакцию с химическими ловушками NOx более охотно, чем NOx, в результате чего снижается емкость хранения NOx и требуется более интенсивная и частая регенерация, в результате чего повышается потребление топлива.
Следует иметь в виду, что дизельный каталитический нейтрализатор преобразует оксид углерода и углеводороды в диоксид углерода и воду. Поэтому такие системы уменьшают массу выбросов твердых частиц, однако было обнаружено, что эти системы оказывают малое влияние на NOx выбросы.
Дизельные каталитические нейтрализаторы могут быть также использованы совместно с NOx адсорберами, DeNOx катализаторами, DPFs или SCR, чтобы снижать уровни диоксида азота или очищать любые возможные выбросы впрыснутых углеводородов, мочевины или аммиака.
2
2
Обычный автомобильный каталитический нейтрализатор содержит, главным образом, керамический ячеистый материал, через который проходят отработавшие (выхлопные) газы. Внутри каталитический нейтрализатор покрыт тонким слоем катализатора из платины или палладия, родия и церия. Платиновый компонент катализатора окисляет СО в СО и UHC's в СО и пар, а родий снижает уровни образованных оксидов NOx.
Известно, что каталитические нейтрализаторы деградируют со временем в процессе использования. Начиная с 1984 г., каталитические нейтрализаторы устанавливают на все автомобили в ФРГ. Это привело к тому, что следы (ничтожные) платины и родия были обнаружены вдоль автобанов.
В публикации WO 02/083281 описана система доставки катализатора с барботажем (разбрызгиванием) газа, в которой приемник (сборник) каталитической смеси имеет впуск воздуха во входной трубе, вторичную камеру разбрызгивания и выпуск газа. Газ барботирует через жидкость в приемнике, проходя через трубку, имеющую выход поблизости от дна приемника, что приводит к тому, что комбинация газа, пара из жидкости, брызг жидкости и катализатора направляется к зоне горения. Однако в соответствии с этой публикацией важно, чтобы пар из жидкости и брызги жидкого катализатора не транспортировались в зону горения, и поэтому в публикации WO 02/083281 указано, что необходима вторичная камера разбрызгивания. Эта камера служит для снижения эффектов разбрызгивания или конденсации жидкого катализатора в соединительной трубе между приемником и зоной горения, так как это снижает эксплуатационные качества системы. В публикации WO 02/083281 также указано, что разбрызгивание является нежелательным, так как оно приводит к неконтролируемой скорости поглощения (потребления) каталитической смеси. Это может приводить к непредсказуемому горению и/или к слишком большому потреблению катализатора.
В патенте США № 6776606 также раскрыта каталитическая система доставки, которая содержит барботажную трубку, соединенную с газовым впуском, через который газ, а обычно воздух, барботирует через каталитическую смесь, проходя через трубку, имеющую выход поблизости от дна приемника. Утверждается, что за счет этого частицы катализатора могут сжижаться без испарения и переноситься в окисляющую зону пламени газовым потоком, за счет образования пузырьков на границе раздела жидкость-газ. Частицы катализатора затем переносятся газовым потоком по линии транспортирования в зону пламени.
Одной из проблем, связанных с использованием барботажа газа для ввода катализаторов или предшественников катализаторов в системы сжигания топлива, является то, что некоторые катализаторы или предшественники катализаторов могут сцепляться с поверхностями, с которыми газовый поток входит в контакт. Таким образом, некоторые предшественники катализаторов, которые используют в настоящее время, могут сцепляться с поверхностями любых питательных линий, в которые втекает барботажный газ, покидающий приемник раствора катализатора, до поступления в камеру сгорания. Это снижает эффективность системы и приводит к потерям дорогого материала катализатора.
Аэрозоль представляет собой мелкую дисперсию твердых или жидких частиц в газе. Система доставки аэрозоля, использованная в настоящем изобретении, работает аналогично разбрызгиванию разведенного раствора в пламени, что используют в атомной абсорбционной спектроскопии. Процесс получения аэрозолей в виде мелких брызг называется распылением или пульверизацией. Аэрозоли получают за счет всасывания или нагнетания жидкости и ее перемешивания в турбулентном потоке с газом, а обычно с воздухом, и выпуска (полученной смеси) через одно или несколько небольших отверстий. Количество вводимого воздуха зависит от различных параметров, в том числе от скорости течения газа и расходов жидкости. Аэрозоли могут быть также получены только за счет распыления жидкости под высоким давлением через одно или несколько небольших отверстий. Ультразвуковые устройства также могут быть использованы для получения мелко (тонко) диспергированных аэрозолей. В контексте настоящего изобретения термины распыление и пульверизация могут быть использованы равноценно для описания процесса создания аэрозоля. Аэрозоль содержит мелкие брызги каталитического материала, которые доставляют в зону подготовки горения и/или в зону горения, и/или в зону дожигания. Системы доставки аэрозоля известны сами по себе. Однако до настоящего времени системы этого типа еще не были использованы для доставки каталитических материалов в зоны горения.
Получение аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением отличается от принципа барботажа, который представляет собой процесс пропускания пузырьков химически инертного газа через жидкость. В соответствии с настоящим изобретением аэрозоль образуют за счет турбулентного перемешивания жидкости, содержащей катализатор в растворе, с газом, под давлением, непосредственно перед выбросом через узкое сопло. Перемешивание и распыление указанным образом позволяет обеспечить устойчивую и непрерывную подачу аэрозоля, который содержит катализатор при следовых (ничтожных) уровнях.
Задачей настоящего изобретения является устранение различных недостатков или улучшение характеристик известных ранее систем. Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание системы доставки аэрозоля, который может быть введен непосредственно в одно или несколько местоположений, выбранных из группы, в которую входят впуск воздуха, зона горения или горячие отработавшие газы системы сжигания топлива.
Другой задачей настоящего изобретения является создание системы доставки аэрозоля, которая обеспечивает существенное улучшение в снижении выбросов СО, NOx, UHC's и оксида серы из систем сжигания топлива, по сравнению с известными ранее системами.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание системы доставки аэрозоля, позволяющей уменьшить коррозию, которая случается в системах сжигания топлива, использующих горелки с низким уровнем NOx, в результате чего повышается срок службы таких систем сжигания топлива по сравнению с известными ранее системами.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание системы доставки аэрозоля, которая повышает эффективность горения системы сжигания топлива по сравнению с известными ранее системами. Таким образом, задачей настоящего изобретения является поддержание температуры пламени системы сжигания топлива и уменьшение уровней избытка воздуха, так чтобы улучшить термический кпд системы сжигания топлива.
Также желательно, чтобы система доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением позволяла снижать количество углерода и обуглившегося вещества (угля), которые осаждаются на внутренних поверхностях системы сжигания топлива.
Более того, было бы желательно, чтобы система доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением позволяла снижать шум и вибрации, связанные с системами сжигания топлива, по сравнению с известными ранее системами.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание системы доставки аэрозоля, которая может быть использована для восстановления неэффективных нейтрализаторов, которые уже были в эксплуатации в течение некоторого периода времени.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание системы доставки аэрозоля, в которой катализатор удерживается внутри системы сжигания топлива.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание системы доставки аэрозоля, которая взаимодействует с ртутью, которая может быть обнаружена в угле, и с другими горючими материалами, и с имеющими высокую температуру газовыми потоками, и исключает или уменьшает их выброс вместе с отработавшим газом.
Заявитель обнаружил, что эти и другие проблемы могут быть решены за счет доставки катализаторов или предшественников катализаторов непосредственно в место горения или в место, расположенное в непосредственной близости от него, при помощи системы доставки аэрозоля. Таким образом, настоящее изобретение позволяет решить некоторые из указанных проблем или все указанные проблемы.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается система доставки аэрозоля для использования совместно с устройством сжигания топлива, причем система содержит:
камеру, имеющую первый впуск для подачи в камеру источника газа,
второй впуск для подачи в камеру раствора катализатора, содержащего одну или несколько неорганических солей металлов, и
распылительное сопло для выпускания флюида из камеры в виде аэрозоля;
причем первый впуск, второй впуск и распылительное сопло расположены (устроены) так, что газ и флюид в камере перемешиваются и объединяются так, чтобы образовать аэрозоль при выпуске через сопло; при этом сопло имеет флюидное сообщение с одной или несколькими зонами, выбранными из группы, в которую входят зона подготовки горения, зона горения и зона дожигания.
В соответствии с первым вариантом сопло находится в зоне горения. В соответствии с другим вариантом сопло находится в зоне подготовки горения, где воздух и топливо перемешиваются до проведения горения. В соответствии с еще одним вариантом сопло может находиться в зоне подготовки горения, где имеется только топливо, и/или сопло может находиться в зоне подготовки горения, где имеется только воздух, то есть ранее перемешивания двух компонентов. В соответствии с еще одним вариантом сопло может находиться в зоне дожигания. При этом сопло подводит аэрозоль к продуктам горения в области выхлопа. Сопло содержит одно или несколько выпускных отверстий, позволяющих флюидной смеси выходить в виде аэрозоля. Форма потока аэрозоля, выходящего из сопла, зависит от размера, числа и расположения выпускных отверстий в сопле. Форма потока аэрозоля может быть получена в соответствии с требованиями. Главным образом коническая форма сопла является предпочтительной, так как это позволяет получить конический поток аэрозоля.
В соответствии с другим вариантом может быть предусмотрено несколько сопел. При этом сопла могут независимо подводить аэрозоль к одной или нескольким указанным выше зонам. Каталитический раствор для всех сопел может быть одинаковым или различным. Форма сопла и расположение выпускных отверстий в сопле могут быть одинаковыми или различными для всех сопел, если имеется несколько сопел.
В соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения подача газа и каталитического раствора в камеру является непрерывной, так что аэрозоль может быть распылен непрерывно из сопла. Альтернативно, подача газа или раствора в камеру может быть прерывистой, так что аэрозоль распыляют из сопла прерывисто.
Аэрозоли также могут быть получены без использования воздуха. Если раствор предшественника катализатора подвергнуть высокому давлению и позволить выходить через очень узкое сопло, он будет выходить как аэрозоль. Таким образом, в соответствии с альтернативным вариантом указанных здесь выше применений, в которых аэрозоль получают с использованием газа, например воздуха, в сочетании с раствором катализатора, такая система доставки может быть заменена безгазовой системой доставки под высоким давлением, в которой нет необходимости в использовании сжатого газа. Достаточно просто подводить раствор катализатора под давлением к соплу. Этот вариант найдет применение во всех случаях, в которых аэрозоль обычно получают за счет перемешивания газа и раствора, в таких как промышленные горелки, котлоагрегаты (бойлеры), двигатели с искровым зажиганием и дизельные двигатели (то есть в системах как с открытым, так и с закрытым пламенем).
Горение может происходить в применениях с открытым пламенем и с закрытым пламенем. Применения с открытым пламенем включают в себя котлоагрегаты, работающие на угле, газе и нефти, а также печи. Применения с закрытым пламенем включают в себя бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. В соответствии с вариантом настоящего изобретения аэрозоль используют в транспортных средствах, снабженных каталитическим нейтрализатором.
Под зоной горения здесь понимают область, в которой происходит окисление топлива, и область непосредственно ее окружающую, например камеру сгорания.
Одна или несколько солей металлов в растворе катализатора представляют собой катализатор для обеспечения горения топлива, который поглощается, или катализатор для обеспечения окисления или восстановления продуктов горения (отработавших газов), чтобы сделать эти продукты безопасными или очистить их. Катализатор может быть простым или бинарным соединением, комплексной солью металла или металлоорганическим соединением.
Преимущественно, каталитический раствор в соответствии с настоящим изобретением содержит одну или несколько неорганических солей или металлоорганических соединений платины, палладия, родия, рения, рутения, осмия, церия, иридия, индия, магния, алюминия, титана, меди, цинка, лития, калия, натрия, железа, молибдена, марганца, золота или серебра. Преимущественно, раствор в соответствии с настоящим изобретением содержит одно или несколько соединений элементов VIII группы периодической системы элементов (то есть Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt), магния или алюминия. Предпочтительнее, соединение представляет собой соединение платины, родия, рения, магния или алюминия. Если используют только одно соединение, раствор должен содержать соль платины или родия.
В соответствии с одним из вариантов соединение присутствует в растворе при концентрации от 0.1 до 20 мг/мл, а предпочтительнее при концентрации от 0.2 до 1.0 мг/мл. Молекулярный вес соединений может составлять от 200 до 2000, а предпочтительнее, может лежать в диапазоне от 200 до 750.
2
6
3
4
2
3
6
2
6
4
2-
3+
-
Особенно предпочтительным является наличие неорганических солей металлов в виде НРtСl, RhCl, HReO, MgCl и АlСl. Комплексные ионы, которые образуются в воде из этих неорганических солей металлов, включают в себя [РtСl], [Rh(НO)] и [ReO].
2
6
2
3
4
3
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения концентрат раствора предшественника катализатора содержит одну или несколько солей металлов, причем металл выбран из группы, в которую входят платина, родий, рений или алюминий. Концентрация платины в виде HPtCl·6НО в концентрате раствора предшественника катализатора преимущественно лежит в диапазоне от 0.2 до 1.0 мг/мл, предпочтительнее лежит в диапазоне от 0.5 до 0.7 мг/мл, а еще лучше составляет 0.6 мг/мл. Концентрация родия в виде RhCl в концентрате раствора предшественника катализатора преимущественно лежит в диапазоне от 0.04 до 1.2 мг/мл, предпочтительнее лежит в диапазоне от 0.06 до 0.09 мг/мл, а еще лучше составляет 0.07 мг/мл. Концентрация рения в виде НRеО в концентрате раствора предшественника катализатора преимущественно лежит в диапазоне от 0.05 до 1.5 мг/мл, предпочтительнее лежит в диапазоне от 0.08 до 1.2 мг/мл, а еще лучше составляет 1.0 мг/мл. Концентрация алюминия в виде АlСl в концентрате раствора предшественника катализатора преимущественно лежит в диапазоне от 0.05 до 1.0 мг/ мл, а предпочтительнее составляет 0.07 мг/мл.
2
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения алюминий в растворе в соответствии с настоящим изобретением замещен магнием в виде MgCl при концентрации в диапазоне от 0.05 до 1.0 мг/мл, а преимущественно, при концентрации 0.07 мг/мл.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, только часть алюминия замещена магнием, так что раствор предшественника катализатора содержит как алюминий, так и магний.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, в том случае, когда платина и родий присутствуют в каталитическом растворе, отношение платины к родию составляет ориентировочно 8.6:1; отношение платины к алюминию составляет ориентировочно 8.6:1; отношение платины к рению составляет ориентировочно 6:1; а когда алюминий замещен магнием, отношение платины к магнию составляет ориентировочно 8.6:1.
Однако следует иметь в виду, что отношения компонентов в соответствии с настоящим изобретением могут быть как выше, так и ниже указанных значений. Таким образом, отношение платины к рению преимущественно лежит в диапазоне от 30:1 до 1:1, а предпочтительнее, лежит в диапазоне от 15:1 до 2:1. Отношение платины к алюминию или магнию преимущественно лежит в диапазоне от 30:1 до 1:1, а предпочтительнее лежит в диапазоне от 15:1 до 2:1. Отношение платины к родию преимущественно лежит в диапазоне от 30:1 до 4:1, а предпочтительнее лежит в диапазоне от 15:1 до 4:1.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения раствор предшественника катализатора содержит только платину и одну другую неорганическую металлическую соль родия, рения, магния или алюминия.
Растворителем может быть любой растворитель, который способен растворять одну или несколько металлических солей (катализатора) и который способен образовывать стабильный аэрозоль. В идеальном случае растворитель имеет существенное давление пара при нормальных температуре и давлении, однако растворитель не должен быть слишком летучим, так как в противном случае катализатор может преждевременно осаждаться в питательной линии и/или слишком быстро поглощаться. Наиболее эффективные растворители имеют температуру кипения в диапазоне от 80°С до 140°С при нормальных температурах и давлениях. Растворителем преимущественно является вода. Спирт (такой как метиловый или этиловый спирт) или углеводородный растворитель также могут быть использованы в качестве растворителя. Растворителем также может быть смесь подходящих растворителей. Вода является предпочтительным растворителем благодаря ее способности растворять ряд неорганических солей металлов и благодаря ее способности образовывать стабильный аэрозоль.
Растворитель может дополнительно содержать антифриз, такой как, например, этиленгликоль. При необходимости в растворитель могут быть введены и другие добавки.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается способ катализирования горения топлива, который включает в себя следующие операции:
a) обеспечение подачи раствора катализатора и подачи сжатого газа в камеру, содержащую сопло, имеющее флюидное сообщение с одной или несколькими из зон, выбранных из группы, в которую входят зона подготовки горения, зона горения и зона дожигания,
b) перемешивание в камере раствора и газа,
c) принудительную подачу смеси раствора и газа через сопло, чтобы образовать аэрозоль в зоне подготовки горения, в зоне горения или в зоне дожигания топлива устройства сжигания топлива.
Аэрозоль в соответствии с настоящим изобретением и топливо могут быть введены в зону горения дизеля с впрыском топлива или бензинового двигателя одновременно или по отдельности.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения аэрозоль может быть введен в зону горения двигателя вместе с воздухом из карбюратора. Для того чтобы уменьшить до минимума расстояние между точкой, в которой неорганические соли металлов вводят в систему сжигания топлива, и требуемой точкой использования (то есть зоной горения), аэрозоль вводят в воздушный поток двигателей с искровым зажиганием непрерывно перед впуском в карбюратор, так что он перемешивается с испаренным топливом и образованная смесь поступает в двигатель. В случае дизельных двигателей аэрозоль вводят в воздушный поток после его пропускания через воздушный фильтр.
Горение требует присутствия радикалов в зоне пламени и вокруг нее, причем каталитический материал, такой как платина и/или родий, который система в соответствии с настоящим изобретением вводит в процесс горения, существенно улучшает этот процесс. Этого достигают за счет генерации большего количества радикалов, в результате чего снижается количество избыточного кислорода, которое обычно требуется, и, следовательно, экономится топливо. Это также снижает выбросы.
В соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения предлагается способ снижения вредных выбросов системы сжигания топлива, в особенности NOx, за счет ввода аэрозоля, содержащего одну или несколько неорганических солей металлов в финальные потоки горячих отработавших газов системы сжигания топлива, выходящих из нее. Такие системы могут иметь или не иметь системы или технологии снижения выбросов в зоне горения непосредственно перед ней или после нее. Преимущественно, аэрозоль в соответствии с настоящим изобретением вводят в потоки горячих отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (использующего дизельное топливо, бензин, биодизельное топливо и альтернативные виды топлива, и т.п.) или в котлоагрегаы электростанций и технологических установок, горелки и сушилки.
Уголь представляет собой один из видов топлива, который является предпочтительным для применения технологий горения в соответствии с настоящим изобретением. Одним из основных применений настоящего изобретения являются различные технологии снижения выбросов NOx, которые используют при сжигании угля. В частности, предлагаемый способ может быть применен при горении угля в топках и котлоагрегатах, в которых используют различные устройства для снижения выбросов NOx и процедуры для уменьшения содержания угля в золе.
Двумя основными механизмами образования NOx в процессах горения являются термическое образование NOx и топливное образование NOx. Первое является преобладающим, когда топливо не содержит внутреннего азота (например, когда топливом является природный газ), а второе является преобладающим, когда топливом является уголь или мазут. Модификация технологий горения служит для того, чтобы ограничить образование NOx на ранних стадиях процесса горения. Предлагаемый способ может быть использован в таких технологиях.
Преимущественно, аэрозоль в соответствии с настоящим изобретением вводят в потоки горячих отработавших газов систем сжигания топлива, в комбинации, при необходимости, непосредственно или опосредованно, с аммиаком или мочевиной, при объединении с добавленными углеводородами и воздухом, чтобы достичь требуемой температуры реакции. Аэрозоль в соответствии с настоящим изобретением может быть введен одновременно или отдельно в поток горячего отработавшего газа, или в другое соответствующее место системы сжигания топлива, в которой использована система аммиак/мочевина/углеводород /воздух, для снижения выбросов NOx, СО и углерода, особенно в установках на угле и аналогичном жидком или твердом топливе, в которых используют SNCR (избирательное не каталитическое восстановление) стратегии для снижения выбросов.
В процессе ступенчатого изменения подачи воздуха для снижения выбросов NOx воздух для горения разделяют так, что первичная зона горения работает с полной обогащенной топливом стехиометрией, а остальной воздух вводят ниже по течению. Применение предложенного здесь способа в таком процессе предусматривает введение катализатора в соответствующей точке (точках) обеих ступеней. Горелки с низким выбросом NOx предназначены для обеспечения ступенчатого изменения процесса за счет разделения потока воздуха и топлива внутри горелки, так чтобы замедлить горение, снизить наличие кислорода и уменьшить пиковую температуру пламени. Все эти факторы помогают уменьшить выбросы NOx. Применение предложенного здесь способа в этом процессе предусматривает введение аэрозоля катализатора во всех точках, так что он может дополнительно усиливать реакции с участием свободных радикалов, позволяющие снизить выбросы NOx, которые все еще образуются, в результате чего повышается эффективность реакций и полная эффективность снижения выбросов NOx, а также процесса горения в целом.
Уровни выбросов NOx могут быть также снижены за счет технологии рециркуляции топочного (дымового) газа, при которой вводят разбавитель в камеру сгорания. Применение предложенного здесь способа в этом процессе предусматривает введение аэрозоля катализатора и глубокое перемешивание его с разбавителем. Другим путем снижения выбросов NOx является понижение уровней избытка воздуха. Это позволяет снизить выбросы NOx, но может создавать нежелательные проблемы, такие как нестабильное горение, пониженное выгорание, ошлакование, засорение и коррозия. Однако использование аэрозоля катализатора в соответствии с настоящим изобретением снижает до минимума эти проблемы, так как это позволяет нормально протекать процессу горения. Это вызвано добавочными радикалами, которые генерируются в пламени.
Имеется также ряд технологий контроля выбросов NOx после горения, которые обычно называют обработкой топочного (дымового) газа и которые могут быть подразделены на: (а) избирательное каталитическое восстановление (SCR), (b) избирательное не каталитическое восстановление (SNCR), и (с) не избирательное каталитическое восстановление (NSCR).
Способ (b) предусматривает введение газообразного аммиака, водного раствора аммиака или водного раствора мочевины в топочный газ. Протекающие реакции с участием свободных радикалов по существу преобразуют NOx в кислород и азот, однако следует иметь в виду, что такие реакции протекают только при ограниченных условиях реакции. Введение аэрозоля катализатора в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения в топочные газы (аналогично введению аэрозоля катализатора в зону горения или в зону подготовки горения) позволяет усилить эти реакции и расширить диапазон рабочих температур. В соответствии с настоящим изобретением катализатор вводят в поток газообразного аммиака, водного раствора аммиака или водного раствора мочевины, и/или другие соли при необходимости добавляют в топочный газ.
Катализатор, вводимый в топочный газ в соответствии с настоящим изобретением, может быть также использован для поддержания эффективности и увеличения срока службы SCR катализаторов, причем такой катализатор образован на базе платины или содержит другие известные каталитические агенты. Однородный катализатор из платины и родия, введенный в газовый поток, поступающий в систему, способствует протеканию процесса катализа на катализаторе, при этом платина и родий остаются на катализаторе, что помогает предотвращать накопление углерода и обуглившегося вещества на SCR катализаторе за счет их каталитического участия в окислении в газообразный диоксид углерода.
Один из примеров касается топочных камер с использованием технологий SCR, SNCR или NSCR для снижения выбросов NOx. Обычно некоторая часть NOx все еще остается и выходит из установки через дымовую трубу в атмосферу. Для снижения этой части NOx используют технологии введения аммиака или мочевины в дымовую трубу. Если температура не является достаточно высокой, то сжигают подходящий углеводород для повышения температуры отработавших газов, что позволяет аммиаку или мочевине вступать в реакцию с NOx. Распыленный катализатор может быть введен в пламя ранее входа в зону реакции с участием свободных радикалов. Это позволяет создавать каталитические разновидности платины и родия, а также понижать температуру протекания реакций, в результате чего реакция с участием свободных радикалов протекает более эффективно и снижается необходимое для повышения температуры количество газа, что ведет к экономии топлива.
Способ в соответствии с настоящим изобретением имеет ряд применений. Полученный аэрозоль или распыленные брызги вводят в воздушный поток, который перемешивают с топливом и вводят в зону горения. Эта концепция может быть расширена для всех протекающих при высокой температуре реакций с использованием химических механизмов и механизмов с участием свободных радикалов. Таким образом, настоящее изобретение также предусматривает введение аэрозоля катализатора во всех ситуациях, в которых могут протекать реакции с участием свободных радикалов в паровой фазе (так как катализатор, образованный при соответствующей высокой температуре, увеличивает число имеющихся свободных радикалов). Таким образом, применение предложенного здесь способа не ограничено только горением, но включает в себя протекающие при высокой температуре химические реакции с участием свободных радикалов, в особенности реакции с использованием однородных (гомогенных) и гетерогенных катализаторов в нефтеперерабатывающей промышленности. В нефтеперерабатывающей промышленности и в некоторых других связанных с ней отраслях промышленности используют платиновые катализаторы при высоких температурах. Такие катализаторы ухудшаются с течением времени использования, поэтому их необходимо очищать или заменять. Настоящее изобретение позволяет повысить срок службы и эффективность таких катализаторов.
Технологии в соответствии с настоящим изобретением могут также найти применение в нефтеперерабатывающей промышленности, так как каталитический процесс горения в соответствии с настоящим изобретением позволяет повысить эксплуатационные параметры и производительность, а также снизить эксплуатационные расходы. Одной специфической проблемой в этой области является нежелательное отложение сажи в печах, которые создают тепловую энергию, например, для установок для перегонки нефти, причем сажу необходимо периодически удалять. Настоящее изобретение позволяет решить эту проблему.
Способ в соответствии с настоящим изобретением также может быть использован для очистки СО и выжигания сажи и обуглившегося вещества. Все эти процессы могут быть усилены за счет введения аэрозоля катализатора, так как в каждом таком процессе идут реакции с участием свободных радикалов. Такие применения включают в себя каталитические установки крекинга, установки для реформинга и другие процессы переработки нефти, а также процессы горения с псевдоожиженным слоем катализатора.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения распылительный ввод аэрозоля используют для обеспечения захвата серы с использованием одной или нескольких добавок на базе соединений элементов группы II периодической системы элементов. Используют различные химикаты и методики для удаления оксидов серы из отработавших и топочных газов. Можно полагать, что совместное введение катализатора из благородного металла с этими химикатами или введение катализатора выше по течению, если температуры газа являются слишком низкими для образования элементарных металлов, повышает эффективность удаления серы и снижает нижнюю температурную границу соответствующих реакций.
Этот способ позволяет также захватывать следовые количества ртути. Известные технологии удаления ртути из угля в ходе горения не имеют полного подтверждения. Ртуть легко образует амальгамы с большинством металлов (но не с железом), в том числе с благородными металлами, и можно полагать, что она будет сцепляться с покрытыми платиной и родием поверхностями, образованными внутри котлоагрегатов, работающих на угле, при созданных внутри соответствующих условиях. Ни в одной из проверяемых в настоящее время технологий удаления ртути не используют свойство образования амальгам ртути.
В соответствии с одним из вариантов металл (катализатор), полученный из раствора, использованного в соответствии с настоящим изобретением, удерживается в камере сгорания или сцепляется с поверхностью, мимо которой проходят отработавшие газы, или же захватывается ячеистой структурой каталитического нейтрализатора. Это является предпочтительным, так как сцепленный металл (катализатор) затем участвует в реакциях гетерогенного катализатора, в результате чего непрерывно обновляются каталитические поверхности, на которых протекают непрерывные реакции.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ предварительной обработки топлива, который включает в себя следующие операции:
а) обеспечение подачи раствора катализатора и подачи сжатого газа в камеру, содержащую сопло, имеющее флюидное сообщение с одной или несколькими из зон, выбранных из группы, в которую входят зона подготовки горения, зона горения и зона дожигания,
b) перемешивание раствора и газа в камере,
c) принудительную подачу смеси раствора и газа через сопло, чтобы образовать аэрозоль, причем аэрозоль вводят в топливо для того, чтобы произвести его предварительную обработку до проведения сжигания.
Топливо преимущественно представляет собой твердое топливо.
Варианты настоящего изобретения могут предусматривать использование композиции аэрозоля катализатора и системы доставки в применениях с открытым или закрытым пламенем, таких как котлоагрегаты, котлоагрегаты для электростанций и технологических установок, горелки и сушилки, печи, газотурбинные двигатели, двигатели, совершающие возвратно-поступательное движение, двигатели печей для сжигания отходов, открытое пламя, двигатели с искровым зажиганием, двигатели на природном газе, бензиновые двигатели, роторные двигатели, двигатели внутреннего сгорания с использованием дизельного топлива, бензина, биодизельного топлива и других альтернативных видов топлива, или в системах, в которых топливо окисляют. Обычно окисление топлива представляет собой горение в богатой воздухом или кислородом среде. На окисление можно воздействовать за счет подвода других источников кислорода, которые освобождают кислород при условиях горения.
Система доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением содержит жесткий контейнер, который является непроницаемым для раствора, который он содержит. Контейнер может быть изготовлен из любого материала, который подходит для желательного аэрозоля. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения контейнер для аэрозоля изготовлен из керамики, металлов или пластмассы, или из их комбинаций.
Сжатым газом системы доставки аэрозоля может быть любой газ, который подходит для желательного аэрозоля, такой как положительно или отрицательно ионизированный или нейтральный газ, например, выбранный из группы, в которую входят воздух, пар, азот, аргон, гелий, оксид углерода, диоксид углерода и их комбинации. Преимущественно, сжатым газом является воздух. При некоторых обстоятельствах сжатый газ содержит воздух и дополнительный кислородный компонент или газообразный аммиак.
Газ системы доставки аэрозоля преимущественно подвергают воздействию давления в диапазоне от 30 до 90 psi (фунтов на кв. дюйм), а предпочтительнее, воздействию давления в диапазоне от 50 до 70 psi, если это необходимо.
Раствор системы доставки аэрозоля подвергают воздействию давления. Преимущественно, раствор подвергают воздействию давления в диапазоне от 20 до 70 psi, а предпочтительнее воздействию давления в диапазоне от 30 до 50 psi.
Существует множество возможностей создания аэрозолей. В принципе любая система, которая позволяет создать аэрозоль, может быть использована для образования аэрозоля катализатора, и ее выбор зависит от конкретного применения аэрозоля катализатора.
Значение рН раствора предшественника катализатора, использованного в системе доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением, следует выбирать так, чтобы исключить порчу или разложение раствора с последующим образованием коллоида или мелкого осадка. Значение рН раствора предшественника катализатора обычно составляет меньше чем 5, преимущественно лежит в диапазоне от 4 до 1, предпочтительнее лежит в диапазоне от 3.0 до 1.4, а еще лучше лежит в диапазоне от 1.6 до 2.2.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения образуют множество катализаторов в пламени или в отработавших газах за счет введения их предшественников непосредственно или при помощи вводимого воздуха в пламя или в отработавшие газы. Это ведет к повышению концентрации атомов кислорода и к образованию свободных радикалов, что повышает скорости сгорания и, следовательно, эффективность в течение времени пребывания.
Можно полагать, что некоторые неорганические соли металлов и металлоорганические соединения распадаются в элементарную форму внутри горячего пламени или внутри горячих отработавших газов, создавая традиционные элементы горения, которые катализируют реакции с кислородом и с молекулами и радикалами, образованными в качестве посредников в процессе горения. В соответствии с настоящим изобретением элементарная форма по меньшей мере одного элемента, выбранного из группы, в которую входят платина, палладий, родий, рений, рутений, осмий, церий, иридий, индий, магний, алюминий, титан, медь, цинк, литий, калий, натрий, железо, молибден, марганец, золото или серебро, присутствует в пламени или внутри горячих отработавших газов в количестве от ррm (нескольких частей на миллион) до ppb (нескольких частей на миллиард). Преимущественно, платина и родий присутствуют в пламени или внутри горячих отработавших газов в количестве от ррm до ppb. Концентрация неорганических солей металлов или металлоорганических соединений в аэрозоли, введенной в систему сжигания топлива или в горячие отработавшие газы, зависит от размера и характеристик каждой системы сжигания топлива.
Системы доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением предусматривают использование неорганических солей металлов или металлоорганических соединений в количестве от ррm до ppb в зависимости от тепловой мощности и размера системы сжигания топлива. Преимущественно, одна или несколько неорганических солей металлов присутствуют в растворе при концентрации в диапазоне от 1 до 1000 ppb. Предпочтительнее, одна или несколько неорганических солей металлов присутствуют в растворе при концентрации в диапазоне от 50 до 100 ppb. Было обнаружено, что требуются достаточно низкие уровни неорганических солей металлов, действующих как катализаторы. Это позволяет вводить уровни от ppb до ррm этих предшественников катализатора в камеры сгорания, такие как камеры сгорания угля или промышленные котлоагрегаты, работающие на газе, или же двигатели с искровым зажиганием и дизельные двигатели. Следовательно, аэрозоль в соответствии с настоящим изобретением позволяет эффективно вводить неорганические соли металлов или металлоорганические соединения в область, в которой происходит сгорание.
Расход разбавленного раствора предшественника катализатора в виде аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением зависит от желательного вида использования. Однако расход преимущественно лежит в диапазоне от 0.1 до 1 галлона США в час, а предпочтительнее составляет 0.5 галлона США в час. Степень разбавления зависит от скорости потребления топлива или от тепловой энергии, вырабатываемой котлоагрегатом.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения аэрозоль используют в камерах сгорания, работающих на таком топливе, как дизельное топливо, бензин, топочный мазут номер 2, флотский мазут, нефтяное топливо, полученное из сырой нефти, сжатый природный газ, сжиженный природный газ, газойль, углеводороды, кукурузное масло, растительное масло, минеральное масло, уголь, угольный газ, пары асфальта, окисляемые пары, дерево, бумага, солома, биотопливо, горючие отходы, а также их комбинации.
Рабочая температура системы сжигания топлива, подходящей для использования совместно с аэрозолем в соответствии с настоящим изобретением преимущественно лежит в диапазоне от 500 до 2000°С, предпочтительнее от 900 до 1600°С, а еще лучше от 1000 до 1500°С.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается миниатюрная система доставки аэрозоля для использования с дизельными или бензиновыми двигателями. Размеры системы доставки аэрозоля зависят от конкретного вида использования аэрозоля. Так как в такой системе не должно быть высоких температур, таких как, например, в установке, работающий на угле, в миниатюрной системе может быть использован ультразвуковой генератор (как уже было упомянуто здесь выше) для создания мелкого аэрозоля.
Преимущественно, ширина миниатюрной системы доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением может составлять от 10 см до 2 м в зависимости от конкретного вида использования.
Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является то, что могут быть снижены вибрации двигателя, в котором применены устройство и способ доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением, за счет перемешивания раствора предшественника катализатора.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что элементарная форма солей катализатора или металлоорганических соединений, например платины и родия, сцепляется с внутренней поверхностью печи и с другими соединениями, сцепленными с внутренней поверхностью печи, которые являются производными компонентов аэрозоля катализатора, в результате чего каталитическая активность продолжается после периода распыления в системе каталитической смеси.
Система доставки аэрозоля преимущественно позволяет снизить шум и вибрации, связанные с двигателями внутреннего сгорания. Например, полагают, что наличие платины позволяет создавать пламя в дизельных двигателях при более низких температурах, так что оно не прекращается ранее достижения поршнем конца своего перемещения. Одной из характеристик дизельных двигателей является "дребезг," который лучше называть гармониками. Это происходит тогда, когда энергия отработавших газов снижается ниже определенного значения частично за счет падения температуры, возникающего в результате адиабатического расширения, и когда пламя прекращает гореть. Когда это происходит, поршню еще остается пройти около четверти своего пути. Движение поршня в этот момент изменяется от толкания к втягиванию, в результате чего создается дребезг. Когда установлена система доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением, уровень гармоник существенно снижается и двигатель начинает работать намного тише и глаже. В нормальных обстоятельствах, когда начинается горение, результирующее расширение толкает поршень вниз. Можно полагать, что система в соответствии с настоящим изобретением, в которой используют платиновый аэрозоль, позволяет создавать атомы кислорода и за счет этого дольше сохранять пламя и расширение. Более того, можно полагать, что платина способствует более быстрому сгоранию, в результате чего поддерживается пламя и повышаются уровни мощности.
Оптимальные условия для работы двигателя с искровым зажиганием с минимальными выбросами СО и NOx являются в некоторой степени противоположными. Чем выше температура в камере сгорания, тем ниже количество образовавшегося СО, так что работа двигателя при возможно более высоких температурах снижает до минимума выбросы СО. Однако обратное является справедливым для NOx, и для достижения минимальных выбросов NOx температура в камере сгорания должна быть возможно более низкой. В настоящее время двигатели настраивают на точку пересечения графиков образования СО и NOx в функции температуры с учетом эффективности каталитического нейтрализатора.
Уникальным преимуществом системы доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением является то, что температуры горения больше не приходится выбирать вокруг указанных выше температур точки пересечения графиков образования СО и NOx, чтобы снижать до минимума их выбросы и уровни несгоревшего углерода в выхлопных газах камер сгорания. Более низкий температурный режим означает, что уменьшается количество образовавшихся NOx, причем это количество дополнительно уменьшается за счет наличия родия в камере сгорания. Другим благоприятным следствием является то, что рабочая нагрузка на каталитический нейтрализатор при этом существенно снижается, что приводит к повышению его эффективности и срока службы.
Можно полагать, что введение рения в концентрат катализатора в соответствии с настоящим изобретением способствует более тихой и гладкой работе двигателя, так что можно считать, что рений обеспечивает более гладкое горение и более гладкий фронт пламени.
Заявитель обнаружил, что система доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением улучшает характеристики сгорания топлива, в результате чего меньше углерода осаждается в системе сжигания топлива. Более того, количество катализатора затем или позднее может быть уменьшено. В некоторых обстоятельствах система доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением позволяет получать яркое голубое пламя, что свидетельствует об особенно эффективном горении топлива. Преимуществом является то, что при этом система сжигания топлива имеет более чистые внутренние стенки, образует меньше летучей золы при небольшом, но постоянном введении катализатора, так что эрозии или отравления катализатора не происходят. Таким образом, настоящее изобретение позволяет повысить срок службы системы сжигания топлива.
Далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на чертежи.
На фиг.1 показана блок-схема использования открытого пламени в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения.
На фиг.2 показан вид сбоку системы доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.3 показан вид сверху системы доставки аэрозоля, показанной на фиг.2.
На фиг.4 показан вид сбоку другой системы доставки аэрозоля в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения.
На фиг.1 показано, что воздух 1 подают в воздуходувку 2 и в смеситель 3, где его объединяют с топливом от источника 4 топлива. Кислород может быть использован в дополнение к воздуху или вместо него. Смесь 5 воздуха и топлива подают в камеру 6 сгорания, где протекает процесс горения. Продукты 7 сгорания, то есть отработавшие газы, выходят из камеры сгорания и проходят через область 8 выхлопа, которая содержит теплообменник 9.
Буквенными обозначениями от а до i показаны соответствующие места ввода для подключения системы доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением. Так, например, брызги аэрозоля, содержащие каталитический раствор, могут быть введены в любом месте от а до i, причем таких мест в устройстве может быть несколько. Когда имеется несколько таких мест в устройстве, в различных местах каталитический раствор может быть одинаковым или различным. Предпочтительными местами доставки являются места а, с и d, так как это улучшает горение и снижает потребление топлива. Для снижения уровней выбросов NOx, предпочтительными являются места доставки аэрозоля, расположенные в зоне дожигания, такие как места доставки g, h или i. Введение в эти места можно производить с добавлением аммиака или мочевины или без такого добавления.
На фиг.2 показан простой инжектор, в котором тангенциальный входной канал 10 служит для подачи раствора катализатора в вихревую камеру 11, предусмотренную в головке 12 доставки аэрозоля. Сжатый газ вводят в вихревую камеру 11 при помощи трубопровода 13. Распылительное сопло 14 содержит отверстия 15, размер и расположение которых позволяют создавать туман 16 мелкого аэрозоля. В показанном примере распылительное сопло 14 является главным образом коническим по форме, что позволяет создавать коническую форму распыления тумана 16 аэрозоля. В вихревой камере 11 происходит глубокое перемешивание газа и раствора катализатора ранее выпуска через отверстия 15 в сопле 14 за счет установки в заданное положение газового трубопровода 13 и канала 10 в вихревой камере 11.
На фиг.3 показан упрощенный вид сверху системы доставки аэрозоля, показанной на фиг.2. Можно видеть, что выпускные отверстия 15 расположены на равном расстоянии вокруг распылительного сопла 14. Выбор расположения отверстий определяется желательной формой распыленных брызг.
На фиг.3 показано коническое распылительное сопло 14, так как это позволяет получить коническое распыления аэрозоля 16, что обеспечивает достижение наиболее благоприятных эффектов, в том числе снижает потребление топлива и снижает уровни выбросов NOx.
На фиг.4 показан охлаждаемый водой распылитель 17, который проходит через стенку 18 печи и внутреннюю керамическую кирпичную футеровку 19 печи. Распылитель 17 изготовлен из металла и содержит водяную рубашку 20, в которую поступает вода от источника охлаждающей воды 21 через канал 22, образованный в корпусе распылителя 17. Раствор 23 катализатора подают по каналу 24 в вихревую камеру 25. Сжатый газ 26, в этом случае воздух, подают в вихревую камеру 25 по каналу 27. Раствор катализатора и воздух перемешиваются в вихревой камере 25 и проходят через распылительное сопло 28, образуя конус 29 брызг аэрозоля.
Приведенные далее примеры демонстрируют эффективность настоящего изобретения.
Пример 1
Котлоагрегат (Johnston 800 л. с., номинальная производительность 33 миллиона BTU (британская тепловая единица) в час) стал работать менее эффективно при производстве пара, и для компенсации этого явления было увеличено количество подводимого газа. Котлоагрегат подвергли обследованию и обнаружили, что дефект в системе подвода воздуха приводит к неполному сгоранию и к осаждению углерода внутри топочной камеры. Система подвода воздуха котлоагрегата была отремонтирована и была установлена система доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением. Последующие измерения показали, что после установки системы доставки аэрозоля уровень шума снизился от 107 до 97 дБ. Котлоагрегат проработал несколько месяцев с нагрузкой, близкой к максимальной, с системой доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением. После нескольких месяцев работы было обнаружено, что внутренние стенки топочной камеры были намного чище и что экономия топлива составила около 4%. Дополнительные измерения показали, что уровни выбросов NOx снизились на 26.8% после 6.5 недель, от 149 ppm до 109 ppm. После 13 недель работы с системой доставки аэрозоля было обнаружено, что уровни выбросов NOx снизились на 33%, всего до 100 ppm, а полная экономия топлива составила около 4%.
Пример 2
Другой котлоагрегат (Johnston 800 л. с., номинальная производительность 33 миллиона BTU в час) работал с нагрузкой около 25%. После определения базового уровня выбросов NOx и процента избытка кислорода была установлена система доставки аэрозоля в соответствии с настоящим изобретением, которая затем проработала 3 недели. Результаты показали, что котлоагрегат может поддерживать нагрузку 25% со снижением избытка кислорода на 45% и с экономией топлива около 4%. Уровень выбросов NOx этого котлоагрегата был уменьшен на 36%, от 136 ppm до 87 ppm. Пламя может быть описано как ярко-голубое, похожее на пламя при сгорании чистого водорода.