R Z E C Z PO SPO L IT A PO LSK A Urząd Patentowy R zeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY ( 2 1) N um er zgłoszenia: 278973 (22) D ata zgłoszenia: 19.04.1989 (19) PL (11) 159920 ( 1 3 ) B 1 (51) IntCI5: B01D 53/36 (54)Sposób katalitycznego, rewersyjnego dopalania gazów (43) Z głoszenie ogłoszono: 29.10.1990 BUP 22/90 (73) U praw niony z patentu: PAN Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni, Kraków, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.01.1993 WUP 01/93 (72) Twórca wynalazku: Jerzy Wojciechowski, Kraków, PL PL 159920 B1 (57) Sposób katalitycznego, rew ersyjnego dopalania gazów, zawierających, zw łaszcza zanieczyszczenia organiczne oklejające lub kondensujące na elem entach reaktorów a szczególnie na warstwach regenerujących ciepło, znamienny tym, że strumień oczyszczanych gazów przepuszcza się przez kilka warstw katalizatorów, korzystnie przez 2 lub 4 warstw y katalizatorów, um ieszczone pom iędzy warstwam i wypełnienia ceram icznego akum ulującego ciepło, cyklicznie zm ieniając kierunek gazu na odw rotny, przy czym ciepło potrzebne do inicjowania procesu dopalania doprow adza się do przestrzeni pom iędzy poszczególnym i warstwam i katalizatorów lub do środkow ych części warstw katalizatora, natomiast strumień gazów doprowadza się do reaktora w miejscu dzielącym reaktor katalityczny na dwie sym etryczne części, w których znajdują się wym ienione warstwy katalizatora a w ychodzące z reaktora gazy przepuszcza się przez zawór rewersyjny i zasysa przez w entylator, którym tłoczy się oczyszczone gazy w części do atm osfery a w części z powrotem do reaktora recylkując go.
Sposób katalitycznego, rewersyjnego dopalania gazów Zastrzeżenie patentowe Sposób katalitycznego, rewersyjnego dopalania gazów, zawierających, zwłaszcza zanieczyszczenia organiczne oklejające lub kondensujące na elementach reaktorów a szczególnie na warstwach regenerujących ciepło, znamienny tym, że strumień oczyszczanych gazów przepuszcza się przez kilka warstw katalizatorów, korzystnie przez 2 lub 4 warstwy katalizatorów, umieszczone pomiędzy warstwami wypełnienia ceramicznego akumulującego ciepło, cyklicznie zmieniając kierunek gazu na odwrotny, przy czym ciepło potrzebne do inicjowania procesu dopalania doprowadza się do przestrzeni pomiędzy poszczególnymi warstwami katalizatorów lub do środkowych części warstw katalizatora, natomiast strumień gazów doprowadza się do reaktora w miejscu dzielącym reaktor katalityczny na dwie symetryczne części, w których znajdują się wymienione warstwy katalizatora a wychodzące z reaktora gazy przepuszcza się przez zawór rewersyjny i zasysa przez wentylator, którym tłoczy się oczyszczone gazy w części do atmosfery a w części z powrotem do reaktora recylkując go. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób katalitycznego, rewersyjnego dopalania gazów zawierających, zwłaszcza zanieczyszczenia organiczne oklejające lub kondensujące na elementach reaktorów katalitycznych. Procesy katalitycznego utleniania związków organicznych zostały z powodzeniem zastosowane w technikach oczyszczania gazów odlotowych od niepożądanych zanieczyszczeń. W typowym procesie katalitycznego utleniania związków organicznych powietrze wraz z substancjami organicznymi ogrzewa się do temperatury inicjowania reakcji spalania substancji organicznych i wprowadza na złoże stosowanego katalizatora. W złożu katalizatora substancje organiczne ulegają utlenianiu. Powoduje to wzrost temperatury. Powietrze wraz z produktami spalania opuszcza złoże katalizatora posiadając temperaturę wyższą niż na wlocie. Techniki katalitycznego dopalania gazów stosuje się zazwyczaj do oczyszczania gazów od zbędnych zanieczyszczeń, których stężenie w powietrzu jest zwykle niskie. Dla polepszenia ekonomiki procesu stosuje się zwykle przeponowe wymienniki ciepła, które umożliwiają wykorzystanie w około 50% ciepła gorących spalin do podgrzania powietrza wprowadzanego do reaktora. Literatura podstawowa i patentowa o procesach i aparatach do katalitycznego oczyszczania gazów według powyższego schematu jest bardzo bogata i dlatego nie przedstawia się tutaj szczegółowych opisów. Duży postęp w dziedzinie katalitycznego oczyszczania gazów stanowią procesy rewersyjne, polegające na cyklicznej zmianie kierunku strumienia powietrza płynącego przez złoże i ewentualnie umieszczeniu złoża katalizatora pomiędzy dwiema warstwami wypełnienia ceramicznego oraz doprowadzaniu ciepła do środkowej części złoża katalizatora. W metodzie rewersyjnej ciepło gorących gazów odlotowych utylizuje się dzięki regeneratorom ciepła, którymi są: część złoża katalizatora oraz warstwy wypełnienia ceramicznego. Przykładem rewersyjnego procesu katalitycznego, w którym gazy przechodzą przez złoże katalizatora w cyklicznie zmiennym kierunku, jest radziecki opis patentowy nr 865 796. Wynalazek ten został zastosowany do utleniania SO2 do SO3. Cykle przepływu gazu w jednym kierunku trwają od kilkunastu do kilkudziesiąciu minut. Proces jest o tyle nieekonomiczny, ze wymaga dużo większej ilości katalizatora. Przykładem rewersyjnego procesu dopalania gazów od zanieczyszczeń organicznych przedstawia opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 2 946 651. Według tego wynalazku złoże katalizatora umieszczone jest pomiędzy dwiema warstwami wypełnienia ceramicznego.
159 920 3 W okresie startu, złoże katalizatora ogrzewa się gorącymi spalinami, po czym przepuszcza się powietrze zanieczyszczone związkami ulegającymi konwersji katalitycznej. Proces zachodzi autotermicznie, jeżeli stężenie zanieczyszczeń przekroczy pewien nieduży pułap. Cykle przepuszczania powietrza w jednym kierunku trwają kilkadziesiąt sekund. Przykładem innego procesu rewersyjnego, w którym złoże katalizatora umieszczone jest pomiędzy dwiema warstwami wypełnienia ceramicznego, a ciepło doprowadza się do środkowej części złoża katalizatora jest proces opisany w polskim opisie patentowym nr 126 861. Proces oczyszczania gazów od niepożądanych zanieczyszczeń zachodzi tutaj przy ciągłym lub periodycznym doprowadzaniu ciepła do środkowej części złoża katalizatora. Temperaturę złoża katalizatora, według powyższego wynalazku, kontroluje się zarówno częstotliwością zmian kierunku przepływu gazów przez reaktor, jak i ilością ciepła doprowadzanego z zewnątrz do środkowej części złoża katalizatora. Procesy rewersyjne są bardzo przydatne do oczyszczania gazów zanieczyszczonych związkami organicznymi, które nie mają tendencji do kondensowania i ociekania po warstwach wypełnienia ceramicznego lub związków organicznych, które nie oklejają lub polimeryzują na powierzchni wypełnienia ceramicznego. Wadą metod rewersyjnych jest to, że w czasie zmiany kierunku gazu płynącego przez reaktor, część gazu znajdująca się w reaktorze nie ulega oczyszczeniu. Gdy stężenie zanieczyszczeń nie jest duże, a częstotliwość zmian kierunku gazu nie jest wielka, zjawisko to nie wpływa istotnie na stopień oczyszczania gazu. Dla wysokich stężeń zjawisko to jest jednak niekorzystne. Dla wyeliminowania powyższej wady stosuje się różne sposoby. W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 870 474 zleca w takich przypadkach stosowanie między innymi kilka członów reakcyjnych, które w odpowiednim momencie włączone do pracy, oczyszczają z zanieczyszczeń te objętości gazów, które nie ulegały oczyszczeniu w trakcie operacji zmiany kierunku gazu. Nieoczekiwanie stwierdzono, że możliwe jest skuteczne dopalanie gazów pozbawione powyższych wad. Sposób według wynalazku polega na tym, że zanieczyszczone gazy wprowadza się do środka symetrycznego układu reakcyjnego zawierającego kilka korzystnie 2 złoża katalityczne, z których każde umieszczone jest pomiędzy dwiema warstwami wypełnienia ceramicznego, a w środkowej części złoża katalizatora znajdują się grzałki dostarczające ciepło. Kierunek strumienia gazu płynącego przez układ zmienia się cyklicznie na odwrotny, umożliwiając akumulację ciepła i wzrost temperatury w złożu katalizatora. W tak pomyślanym układzie zanieczyszczeń gazy, przepływając przez rozgrzane warstwy katalizatora niezależnie w którym kierunku płynie i niezależnie od krótkotrwałych perturbacji powodowanych przez operację zmian kierunku gazu. Część strumienia gazów po przejściu przez reaktor i zawór rewersyjny podaje się powtórnie do reaktora dla wymuszenia obiegu cyrkulacyjnego przez system, co przy cyklicznych zmianach kierunku gazu powoduje akumulację ciepła w złożach katalizatora i stosowany wzrost temperatury umożliwiający inicjowanie reakcji utleniania zanieczyszczeń. Oczyszczanie gazów sposobem według wynalazku jest przedstawione w przykładzie wykonania na rysunku. Gazy zanieczyszczone związkami organicznymi podawane są przewodem 1 do komory 2. Gazy te zasysane są wentylatorem 3. Strumień gazów po wejściu do komory 2, może alternatywnie płynąć przez warstwę wypełnienia ceramicznego 9, warstwę katalizatora 8, komorę grzejną 7, warstwę katalizatora 6, warstwę wypełnienia ceramicznego 5 i przez zawór rewersyjny 4 zasysany jest przez wentylator 3 i tłoczony w części przez zawór 10 do atmosfery jako strumień V i w części jest przez wentylator 3 i tłoczony w części przez zawór 11 z powrotem przez zawór rewersyjny 4 do reaktora jako strumień V' i dalej przez warstwę ceramiczną 5', warstwę katalizatora 6', komorę grzejną 7', warstwę katalizatora 8' i warstwę ceramiczną 9'; dalej do komory 12 gdzie strumień cyrkulacyjny V' łączy się ze strumieniem wlotowym V, płynąc przez dolną połowę reaktora jako strumień V + V'. Po kilku minutach zawór rewersyjny 4 przez odpowiednie zadziałanie, zmienia kierunek strumieni gazów na odwrotny i gazy płyną przez reaktor w kierunku odwrotnym niż w cyklu poprzednim.
4 159 920 W sposobie według wynalazku część gazów oznaczona jako V1wraca z powrotem i cyrkuluje przez reaktor łącząc się w środkowej części reaktora, ze strumieniem gazu wlotowego V, a więc zawsze przez jedną połowę reaktora płynie cyrkulujący strumień gazu V1 a przez drugą połowę płynie suma obu strumieni V + V1. Zastosowanie cyrkulacji gazów ma tę korzyść, że umożliwia akumulację ciepła w warstwach katalizatora i stosowny wzrost temperatury umożliwiającej inicjowanie reakcji utleniania lub redukcji w złożach katalizatora. Doświadczalnie stwierdzono, że im wyższe jest stężenie zanieczyszczeń tym wartości V1 są mniejsze. Wielkości strumienia V1 można kontrolować zaworem 11. Temperaturę warstwy katalizatora ustala się w zależności od częstotliwości zmian kierunku gazów płynących przez reaktor, stężenia zanieczyszczeń, ilości wydzielanego ciepła w komorach 7 i 7' przez grzałki elektryczne 12 i 12' oraz wielkości strumieni V i V'. Gdy stężenie zanieczyszczeń organicznych jest relatywnie wysokie, w zakresie 5 do 10g/m 3, wówczas oczyszczanie zachodzi po zainicjowaniu reakcji, bez potrzeby doprowadzania ciepła z zewnątrz, przy względnie długim czasie pracy bez zmiany kierunku gazu w zakresie od 6 do 15 minut, a wartości strumienia cyrkulacyjnego są relatywnie małe i wynoszą od 1/4 do 1/2 strumienia gazu wlotowego V. Gdy stężenie zanieczyszczeń maleje, wówczas częstotliwość zmian kierunku gazu wzrasta, proces nie zachodzi autotermicznie, a wielkość strumienia cyrkulacyjnego V' należy powiększać do wartości V. Sposób według wynalazku w stosunku do znanych metod rewersyjnych stanowi duży postęp, zwłaszcza gdy gazy zawierają ciężkie związki organiczne kondensujące się na powierzchni wypełnienia ceramicznego lub zawierające zawiesiny związków organicznych jak krople cieczy wysokowrzących polimerów, pyłów organicznych etc. Wszystkie te związki muszą przejść przez stworzone bariery katalityczne i tam ulec dopaleniu. Proces według wynalazku został sprawdzony w praktyce przy dopalaniu gazów zawierających substancje smoliste w ilości 2-3,0 g/m 3. Reaktor prototypowy miał kształt cylindra o średnicy 50 cm, umiejscowionego w położeniu poziomym zgodnie ze schematem na rysunku, j ako katalizator użyto fabryczny katalizator platynowy, stosowany w procesach katalitycznego oczyszczania gazów. Katalizator miał kształt sferyczny o średnicy 5 mm. Jako wypełnienie ceramiczne użyto pierścienie ceramiczne o średnicy 15 mm i wysokości 15 mm. Warstwa katalizatora o wysokości 5 cm i warstwy pierścieni ceramicznych o wysokości 35 cm rozmieszczono jak ukazuje rysunek. Jako zawór rewersyjny zastosowano fabryczny zawór rewersyjny o przepustowości maksymalnej 400 m3/godz. Do środkowej części reaktora doprowadzono 200 m3/godz. powietrza zawierającego 2 do 3 g/m 3 zanieczyszczeń smolistych. Zawór 10 i 11 wyregulowano w ten sposób by strumień cyrkulacyjny V' wynosił również 200 m3/godz. Grzałki o mocy 8 kw umożliwiły start procesu oczyszczania w temperaturze 400 C. Po zainicjowaniu procesu temperatura warstw katalizatora wahała się pomiędzy 430 a 460 C i przy tej temperaturze proces oczyszczania gazów od smółek wynosił 97% przy poborze energii podczas eksploatacji średnio 2,0 kw.
159920
159920 Zakład W ydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł