Применение нового катализатора очистки оксида азота на компрессорных станциях

Одной из главных задач для газотранспортных организаций является обеспечение экологической безопасности и снижение выбросов при эксплуатации компрессорных станций. Наибольшим вредом на данных объектах обладает оксид азота, поступающий в атмосферу при сжигании топлива на газотурбинных установках. На один агрегат может приходиться более 100 тонн оксида азота в год. Если говорить про отечественные установки, то их показатели далеки от европейских требований в области защиты окружающей среды. Результатом эксплуатации таких газотурбинных установок является превышение содержания оксида азота в атмосфере до 10 раз на удалении от источника загрязнения от 500 до 1500 метров.

В той же Европе и США в последние годы наблюдается процесс ужесточения требований к выбросам оксида азота на объектах газотранспортной сети.

Требования современных нормативных документов подразумевают применение газотурбинных установок, выбросы оксида азота из которых не будут превышать 50 мг/нм³.

Учитывая данные требования, различные исследовательские центры приступили к разработке технологий, позволяющих снизить количество вредных выбросов оксида азота и усовершенствовать технологию очистки.

На сегодняшний день известно несколько способов для осуществления мероприятий по снижению вредных выбросов.

К режимным методам можно отнести снижение выбросов за счет снижения температуры в камере сгорания, уменьшения количества окислителя или сокращение времени присутствия продуктов сгорания в зоне горения. Эффективность данных методов достаточно низкая, поэтому их применение нецелесообразно. Объясняется это также тем, что переоборудование конструкций камер сгорания требует значительных капитальных вложений. Добиться снижения выбросов оксида азота можно также за счет снижения КПД газотурбинных установок.

Более перспективным направлением в этом роде является разработка совершенно новых камер сгорания, обеспечивающих низкий уровень выбросов оксида азота. Однако известные способы модернизации камер сгорания не позволяют снизить требуемое значение до необходимого. Да и внедрение этих методов возможно не на всех типах агрегатов.

Наибольший интерес представляют методы химического воздействия. К передовым методам в этом направлении относится каталитическая очистка при температуре от 250 до 500 ⁰С. Данный диапазон температур характерен для продуктов сгорания, выходящих из основной массы газотурбинных установок.

В качестве селективного восстановителя предлагается применять аммиак, что при температурах от 300 до 450 ⁰С позволяет достичь неплохих результатов очистки. Но применение аммиака влечет за собой большие капитальные затраты, а также увеличение опасности из-за применения его в больших объемах. Кроме того, при увеличении объемной скорости до 10000 ч^-1 возможен выход самого аммиака в атмосферу.

Некоторых отрицательных моментов в данном направлении лишен тот же метод очистки с применением углеводородов в присутствии кислорода. Данную технологию сейчас пытаются внедрить в нескольких странах. Но исследования показывают, что углеводороды способны очистить лишь около полвины продуктов сгорания. При этом содержание кислорода должно быть порядка 3-4 %. Более высокое содержание кислорода вообще исключает очистку.

Для осуществления очистки при повышенном содержании кислорода имеется несколько направлений развития.

Первый способ заключается в превращении молекул оксида азота за счет взаимодействия с восстановителем через стадию образования поверхностных ассоциатов-комплексов с активными центрами на поверхности катализатора. В качестве восстановителей могут применяться все те же аммиак и углеводороды.

Еще один способ связан с разложением молекул оксида азота на нанодиспергированных металлических центрах металлов из d-блока. К этой группе металлов относятся платина, палладий и другие.

На протяжении нескольких лет в РГУ нефти и газа имени Губкина ведется разработка нового вида катализаторов. Для совершенно нового компонента катализатора выбраны синтезированные неорганические оксокомплексы, включающие в свою структуру металлы d-блока. Для катионов внешней среды полиоксоаниона могут быть использованы ионы водорода, либо же щелочные металлы.

Новый тип блочного катализатора создан на основе требований практического применения технологии. Установка каталитического реактора должна осуществляться в выпускном коллекторе газоперекачивающего агрегата компрессорной станции, а его проходное сечение должно быть от 85 до 90 %. В любом другом случае возможно нарушение работы всей системы.

Разработанный оксокомплексный катализатор обладает некоторыми отличительными структурными особенностями. Данные катализаторы обладают мощными протонными центрами. Это позволяет относить их к суперкислотам, обладающими отличными показателями при селективной очистке оксида азота.

Кроме того, новые катализаторы получены введением ионов платины, цезия, палладия и других металлов в решетку Кеггина. Данный факт устраняет проблему получения нанодиспергированных центров, которые необходимы для разложения молекул оксида азота.

Исследовательские мероприятия и практическое использование на опытном образце установки по очистке оксида азота, смонтированной на газоперекачивающем агрегате, показали эффективность нового типа катализатора при содержании повышенного количества кислорода (до 18 %). Результаты испытаний доказали, что снижение содержания оксида азота достигает значения в 60-70 % без применения дополнительных восстановителей. Применение блочных катализаторов оксометаллатного типа открывает новые возможности при реализации нового каталитического способа очистки оксида азота, образующегося при работе газотурбинных установок на компрессорных станциях.