ОЧИСТКА ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ ОТ ОКСИДОВ АЗОТА ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫМ МЕТОДОМ

EXHAUST GAS PURIFICATION FROM NITROGEN OXIDES RECOVERY METHOD

Huseyn Quliev

student, petrochemical technology and industrial ecology department, Azerbaijan State Oil and Industry University,

Republic of Azerbaijan, Baku

Maya Abdullaeva

scientific supervisor, Ph.D., associate professor, Azerbaijan State University of Oil and Industry,

Azerbaijan Republic, Baku

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена процессу очистки газов от оксида азота восстановительным методом. Даны основные виды восстановительного метода и представлен ряд восстановителей. Определены экологические проблемы очистки оксидов азота восстановительным методом.

ABSTRACT

This article is devoted to the process of cleaning gases from nitrogen oxides by the oxidation method. These are the main types of restoration methods and a number of restorations are presented. Environmental problems of cleaning nitrogen oxides by reduction method are determined.

Ключевые слова: оксиды азота, каталитическое восстановление, сжигание, абсорбция, катализаторы, аммиак.

Keywords: nitrogen oxides, catalytic reduction, combustion, absorption, catalysts, ammonia.

Энергия, необходимая мировой промышленности, в основном поступает из источников ископаемого топлива, таких как природный газ, бензин, дизельное топливо, нефть и уголь. Оксиды азота являются одним из основных загрязнителей воздуха в результате сжигания ископаемого топлива в стационарных и мобильных источниках.

Разработка новых технологий по снижению выбросов оксидов азота (NOx) от выхлопных газов имеет важное значение из-за вредного воздействия NOx на окружающую среду и здоровье человека. Загрязняющие вещества от электростанций, промышленных процессов и стационарного сжигания топлива в основном состоят из твердых частиц, оксидов серы и оксидов азота. Оксиды азота (NOx) существуют в различных формах, таких как NO, NO₂, NO₃, N₂O, N₂O₃ и N₂O₄. При сжигании ископаемого топлива образуется около 5% NO₂ и 95% NO. Выбросы NOx делятся на три типа:

1) NOx термические, которые могут образовываться в результате высокотемпературного окисления атмосферного азота кислородом;

2) NOx, образующиеся в результате окисления топлива N, когда N-содержащие соединения в топливах выделяются в виде летучих газов при низкой температуре и частично превращаются в NO;

3) NOx, которые могут образовываться при реакции свободных радикалов углеводородов (УВ) с молекулярным азотом в результате низкотемпературного сжигания углеводородов в условиях богатого топлива и короткого времени сопротивления.

Выбросы NOx могут вызвать ряд проблем со здоровьем и другие проблемы, такие как раздражение глаз и горла, стеснение в груди, тошнота и головные боли, а также экологические проблемы, такие как разрушение озонового слоя, кислотные дожди, смог, фотохимический смог и выбросы парниковых газов. Следовательно, выбросы загрязняющих веществ следует сокращать и контролировать, чтобы улучшить качество жизни [1].

Выбросы NOx от автомобилей ограничиваются различными стандартами, такими как Евро V и Евро VI. В стандарте Euro V выбросы NOx ограничены до <180 мг/км для дизельных двигателей и 60 мг/км для бензиновых двигателей. Евро VI имеет на 55% меньше выбросов NOx, чем Евро V [2-6].

Выбросы NOx можно контролировать тремя различными способами, а именно предварительным сжиганием и досжиганием. NOx можно уменьшить на  более 50% с помощью методов предварительного сжигания. Метод предварительного сжигания направлен на уменьшение количества соединений азота в топливе для уменьшения выбросов NOx.

Существует два основных подхода к снижению выбросов NOx после сжигания:

1. Удаление NOx из отходящих газов с помощью процессов абсорбции или адсорбции.

2. Разрушение NOx, которые могут превращаться во вредные продукты.

Основным недостатком удаления NOx этим методом является перенос NOx из дымовых газов в другую среду и, таким образом, во многих случаях образование отходов требует еще одной стадии обработки отходов [7].

Однако методы досжигания являются дорогостоящими, но контроль выбросов с помощью этих методов приводит к стопроцентному сокращению выбросов NOx. В отличие от технологий управления процессами, было проведено много исследований для разработки перспективных технологий досжигания и более эффективных методов, отвечающих строгим экологическим нормам для NOx.

Методы очистки включают селективное каталитическое восстановление (CКВ), селективное некаталитическое восстановление (СНКВ), влажную очистку, адсорбцию, электронно-лучевое, нетермальное, плазменное и электрохимическое восстановление. Методы очистки имеют ряд преимуществ и недостатков. Основной целью данного исследования является обзор отчетов о различных методах досжигания для удаления NOx из дымовых газов.

К числу этих методов относятся каталитическое восстановление (с использованием различных реагентов, включая аммиак, водород, углеводороды и монооксид углерода), селективное некаталитическое восстановление, мокрая очистка, адсорбция, электронно-лучевое, нетермическое, плазменное и электрохимическое восстановление NOx.

Селективное каталитическое восстановление. Технология контроля NOx направлена на сокращение содержания вредных NOx в дымовых газах до безвредного N₂. В реальных условиях эксплуатации дымовые газы стационарных и передвижных источников содержат кислород, пары воды, SO₂, NOx, CO и CO₂. Среди различных типов технологий удаление NOx прямым разложением NO на N₂ и O₂ является идеальным методом, термодинамически идеальной реакцией при низкой температуре и может применяться в различных отраслях промышленности. Таким образом, для превращения NO в N₂ требуется восстановитель. Селективное каталитическое восстановление оксидов азота отличается от высокотемпературного тем, что протекает избирательно: используемый восстановитель (аммиак) реагирует преимущественно с NOх и почти не взаимодействует с находящемся в нитрозных газах кислородом. При обезвреживании протекают экзотермические реакции [8]:

6NO + 4NH₃ = 5N₂ + 6H₂O

6NO₂ + 8NH₃ = 7N₂ + 12H₂O

В результате реакций образуется азот и вода, что является выгодным отличием этого метода.

Метод СКВ имеет несколько недостатков, таких как высокая стоимость катализаторов и оборудования, коррозия оборудования, высокая рабочая температура и ограниченный срок службы катализатора. Тем не менее, его высокая эффективность, относительно простая установка и разумные эксплуатационные расходы делают его идеальным методом удаления NOx из дымовых газов. Несколько восстановителей, таких как H₂, CO и NH₃, используются в CКВ NOx. Синтез и эффективность различных катализаторов при очистке NOх различными восстановителями изучались в нескольких исследованиях. Необходима разработка катализаторов восстановления NOx с высокой активностью, селективностью по отношению к N₂ и высокой стабильностью в присутствии реакционно-токсичных соединений дымовых газов (таких как SO₂, H₂O).

Селективное каталитическое восстановление NOx с NH₃. Селективное каталитическое восстановление NOx из топливного газа с использованием аммиака (NH₃) широко изучалось. СКВ с помощью NH₃ (NH3-СКВ) – широко используемый эффективный метод удаления NOx из стационарных источников. Эта технология применялась во многих отраслях промышленности в качестве процесса досжигания для удаления NOx из-за ее высокой эффективности (≈90%) и высокой стабильности. Удаление NOx с помощью NH₃-СКВ было впервые запатентовано в 1957 году компанией Englehard Corporation в США. В 1960 г. технология СКВ была усовершенствована и распространена в США и Японии с использованием недорогих и высоконадежных катализаторов на основе ванадия, нанесенных на TiO₂ [9].

Выбор катализатора очень важен. Подходящие катализаторы СКВ должны обладать следующими свойствами:

а) высокая активность Nox;

б) высокая механическая прочность;

c) подходящий диапазон рабочих температур;

г) сильная способность против отравления.

Селективное каталитическое восстановление NOx водородом. H₂ является экологически безопасным веществом и считается чистым топливом, поскольку при его сгорании образуется только вода. Таким образом, по сравнению с водородом и NH₃, низкотемпературное и селективное каталитическое восстановление с использованием H₂(H₂-СКВ) является предпочтительным методом удаления NOx для катализаторов.

Список литературы:

1. Aslan Reşitoğlu, İ. “NO_x Pollutants from Diesel Vehicles and Trends in the Control Technologies. Diesel and Gasoline Engines”, 2020. pp. 16-25
2. Rao A., Mehra R. K., Dua, H., Ma F. “Comparative study of the NO_x prediction model of HCNG engine. International Journal of Hydrogen Energy”, 2017. pp. 5 – 20
3. Н.А. Салимова, Б.Ш. Шахпалангова, А. Я. Бабаев - «Инженерная экология», Баку, 2012. с. 200 - 380
4. Н.А. Салимова, Б.Ш. Шахпелангова - «Общая химическая технология», Баку, 2013. с. 121-132
5. Р.Н. Алиев - «Альтернативная энергетика и экология», Баку, Технур, 2015.
6. С.А. Муставаев - «Технологические схемы процессов переработки нефти и газа», Баку, издание ADNA, 2012. с. 46-48
7. Skalska K., Miller J. S., Ledakowicz S. “Trends in NO_x abatement: A review. Science of The Total Environment”, 2010. pp. 22 – 26
8. Gao F., Tang X., Yi H., Zhao S., Li C., Li J., Meng X. “A Review on Selective Catalytic Reduction of NO_x by NH₃ over Mn–Based Catalysts at Low Temperatures: Catalysts, Mechanisms, Kinetics and DFT Calculations. Catalysts”, 2017. pp. 8 – 21
9. HU Z., Yang R. T. “Recent Progress and Future Challenges in Selective Catalytic Reduction of NO by H₂ in the presence of O₂. Industrial & Engineering Chemistry Research”, 2019. pp. 3 – 10