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Zweistufige Reaktionskammer zur katalytischen Verbrennung
Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit aber immer mehr auch aus Gründen der Lufthygiene ist man bestrebt, den in vielen Abgasen enthaltenen CO-Anteil möglichst weitgehend zu verbrennen, um Energie rückzugewinnen und überdies um die Luft möglichst rein zu halten. Diesen Zielen dient die katalytische Nachverbrennung von Industrie-und Heizungsabgasen. Sie erfolgt in Reaktionskammern, in denen die Abgase über einen Katalysator, auch Kontakt genannt, geleitet werden, wobei der CO-Gehalt zu CO2 verbrennt. Ein besonders energiereiches Abgas der chemischen Industrie ist das in katalytischen Krackanlagen beim Renenerieren des Katalysators anfallende Rauchgas.
Während des Krackprozesses schlägt sich bekanntlich sogenannter Koks auf dem Katalysatormaterial nieder und beeinträchtigt seine Wirksamkeit. Dieser Koks muss daher abgebrannt werden um den Katalysator zu regenerieren. Dieses Abbrennen erfolgt unter Zumischung von Luft und es fallen dabei Rauchgase mit Temperaturen von 600 bis 6800C an, mit Drücken von 1, 3 bis 1, 8 atü und einem CO-Gehalt von 4 bis 8%. In solchen Rauchgasen steckt also noch beträchtliche Energie, deren thermodynamisch verwertbarer Anteil in einer Abgasturbine und deren latente chemische Energie in einem sogenannten CO-Boiler nutzbar gemacht wird.
Eine bekannte Lösung zur Energierückgewinnung aus Abgasen, speziell auch solcher, die beim Krackprozess anfallen, ist in der USA-Patentschrift Nr. 3, 009, 513 beschrieben. Danach wird der Abgasstrom in mehrere Teilströme aufgeteilt, von denen einer einer katalytischen Reaktionskammer zugeführt wird. Die aus der katalytischen Reaktionskammer austretenden Verbrennungsgase werden in einer weiteren Verbrennungsstufe einem weiteren Teilstrom des Abgases in solchem Masse zugemischt, dass dort die Zündtemperatur erreicht und daher Selbstzündung eintritt. Dieser Verbrennungsstufe sind dann noch weitere Verbrennungsstufen nachgeschaltet, in welchen jeweils ein Teilstrom des Abgases vermischt mit den Verbrennungsgasen der vorhergehenden Stufen zur Selbstentzühdung gebracht wird.
Nach der letzten Verbrennungsstufe werden die Verbrennungsgase einem Dampferzeuger, einem Kesselspeisewasservorwärmer und eventuell auch einem Luftvorwärmer zugeführt, also zur Wärmeerzeugung nutzbar gemacht.
Ziel der Erfindung ist es, den konstruktiven Aufbau einer Reaktionskammer aufzuzeigen, der einen besonders guten Energierückgewinn aus CO-hältigen Abgasen durch katalytische Nachverbrennung ermöglicht.
Gegenstand der Erfindung ist eine zweistufige Reaktionskammer zur katalytischen Verbrennung von brennbaren Bestandteilen eines Gases, insbesondere des CO-Anteiles von Rauchgasen, mit Energierückgewinnung durch Luftvorwärmung, wobei in erfindungsgemässer Weise die Reaktionskammer als aufrechtstehender Einzugskessel ausgebildet ist, d. h. dass die Verbrennungsgase ohne Umlenkungen die Reaktionskammer durchströmen, wodurch eine kräftige Thermosyphonwirkung entsteht, welche es sogar ermöglicht, ohne Umwälzpumpe auszukommen. Die Reaktionsstufen liegen in Kesselachsrichtung gesehen hintereinander und jedes Katalysatorbett ist dach-, kegel-oder muldenförmig ausgebildet.
An Hand der schematischen Zeichnung soll der erfindungsgemässe Aufbau einer Reaktionskammer zur katalytischen CO-Verbrennung näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet - einen
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aufrechtstehenden Kessel mit beliebiger, vorzugsweise rechteckiger Querschnittsform, dem an seiner unteren Stirnseite über die Leitung --2-- Rauchgas zugeführt wird, welches, nachdem sein CO-Anteil verbrannt wurde, an seiner oberen Stirnseite über die Leitung--3--in den Schornstein abgeführt wird. In diesem Kessel-l-ist die erste Kontaktstufe mit --4-- positioniert. Das Kontaktmaterial ist, wie die Zeichnung andeutet, in einem kegelförmigen, mit dem Kontaktmaterial angepassten Durchlassöffnungen versehenen Behälter --20-- glelagert und in das Kontaktmaterial sind Verdampferrohre--5--eingebettet.
Der Behälter --20-- ist mit Füll-und verschliessbaren Entleerungsöffnungen versehen. Diesem ersten Wärmetauscher folgen dann in Richtung der Kesselachse (bzw. in Richtung der Rauchgasströmung) gesehen ein Luftvorwärmer--6--, ein weiterer Verdampfer--7-, eine zweite Kontaktstufe--8--, wobei das Kontaktmaterial analog zur ersten Kontaktstufe angeordnet ist und gleichfalls Verdampferrohre--9--im Katalysator eingebettet sind, dann ein weiterer Luftvorwärmer -10--, weitere Verdampferrohre --11--, und schliesslich ein Kesselspeisewasservorwärmer (Ekonomiser)--12, 13--.
Vor der zweiten Kontaktstufe ist ein
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vorgesehen, um durch dosierten Luft-und Gaszusatz auch für die zweite Reaktionsstufe möglicht gute
Verhältnisse für die angestrebte CO-Verbrennung zu schaffen. über das genannte Düsensystem wird also bei grossem Rest-CO-Gehalt des Rauchgases nach der ersten Kontaktstufe Verbrennungsluft zugeführt bzw. bei geringem Rest-CO-Gehalt Heizgas und Luft zugesetzt, um auch das
Katalysatormaterial der zweiten Kontaktstufe und die Wärmetauscher in und nach der zweiten
Kontaktstufe möglichst optimal auszunutzen. Eine solche Luft-und Heizgaszumischung kann natürlich auch schon vor der ersten Reaktionsstufe vorgesehen sein, wie dies in der Zeichnung durch die Leitungen--17, 18-- angedeutet ist.
Die Luftvorwärmer -6 und 10--sind in Serie geschaltet und die Luftvorwärmung erfolgt im Gegenstrom zur Rauchgasströmung. Gegebenenfalls könnte eine weitere
Luftvorwärmerstufe auch im Kontaktmaterial der zweiten Reaktionsstufe eingebettet sein. Die
Verdampferstufen--5, 7, 9 und 11--speisen in Parallelschaltung den seitlich angeordneten Kessel - -16--, dem über die genannten Ekonomiser --12,13-- vorgewärmtes Wasser zugeführt wird. Die Sattdampfableitung aus dem Kessel --16-- ist mit --19- positioniert.
Das Katalysatormaterial der beiden Reaktionsstufen könnte auch dachförmig oder in Muldenform aufgeschüttet sein. Auch in diesen Fällen ergibt sich eine grosse Kontaktoberfläche und der Vorteil der leichten Füll- und Entleerbarkeit des Katalysatormaterials. Die vorwiegend vom Rauchgas mitgeführten, staubförmigen Verunreinigungen werden zum Teil durch Konvektion mitgenommen und über den Schornstein abgeblasen. Die sich an den Kontaktstufen, insbesondere an der ersten Stufe, ablagernden Verunreinigungen werden mechanisch abgeschüttelt und sammeln sich am tiefsten Punkt des Kessels, von wo sie von Zeit zu Zeit entfernt werden.
Durch die Verwendung eines aufrechtstehenden Einzugskessels, in welchem die Verbrennungsgase ohne Umlenkungen die Reaktionskammern durchströmen und die in Achsrichtung aufeinanderfolgende Anordnung der verschiedenen Wärmetauscher ergibt sich für die Wärmeträger eine kräftige Thermosyphonwirkung, die es ermöglicht, ohne Umwälzpumpen auszukommen. Die erfindungsgemässe Reaktionskammer ist also ihrem Wesen nach ein Naturumlaufkessel mit einer seitlich angebrachten Kesseltrommel--16--.
Die Wirkungsweise einer erfindungsgemässen Reaktionskammer wird nachstehend an Hand der Gegebenheiten bei der katalytischen Verbrennung des CO-Anteiles des beim Regenerieren des Katalysators einer FCC-Anlage (Krackanlage) anfallenden Rauchgases näher erläutert. Die Rauchgase treten mit etwa 450 C an der tiefsten Stelle der Reaktionskammer ein und durchströmen das Katalysatorbett der ersten Reaktionsstufe. Die Schichtstärke des Katalysatormaterials beträgt einschliesslich der Verdampferrohre etwa 210 mm. Nach der ersten Kontaktstufe besitzt das Rauchgas eine Temperatur von etwa 650 C, womit es den Luftvorwärmer --6-- und den Verdampfer-7beaufschlagt. Je nach Rauchgasmenge liegt schon in der ersten Kontaktstufe vollkommener Ausbrand des CO-Anteiles vor bzw. es kann noch ein Rest CO-Gehalt vorhanden sein.
Das nach dem Verdampfer--7--auf etwa 400 bis 450 C abgekühlte Rauchgas erhält vor der zweiten Reaktionsstufe eine Heizwerterhöhung durch Zumischung von Heizgas und zusätzlicher Verbrennungsluft. Wird mit minimaler Rauchgasmenge gefahren, ist es vielfach erforderlich, Heizgas und Verbrennungsluft schon vor der ersten Reaktionsstufe zuzumischen. Das Rauchgas verlässt die zweite
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ehe es dem Schornstein zugeführt wird, auf etwa 2000C abgekühlt. Die in den Verdampfern erzeugten Sattdampfmengen werden im Kessel--16--gesammelt und von dort im allgemeinen nach
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überhitzung den Turbinen einer Kraftzentrale zugeleitet. Gegebenenfalls kann die Dampfüberhitzung gleichfalls in der Reaktionskammer erfolgen.
Die geschilderte Einbettung der Verdampfer-5 bzw. 9-in das Katalysatormaterial hat den Vorteil, dass ein optimaler Wärmeübergang und damit verbunden eine Sicherung gegen Überhitzung der Kontaktmasse erreicht wird und dass ausserdem die Raumausnutzung des Kesselvolumens besser wird, wodurch vor allem an Bauhöhe des Kessels gespart werden kann.
Die erfindungsgemässe Reaktionskammer ist nicht auf die vorhin geschilderte Anwendung beschränkt, sondern kann auch bei andern exotherm verlaufenden katalytischen Prozessen mit Energierückgewinnung mit Vorteil angewendet werden. Es ist nur darauf zu achten, dass die Eintrittstemperatur des der Reaktionskammer zuströmenden Gases gleich oder höher ist als die Reaktionstemperatur des Katalysators.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Zweistufige Reaktionskammer zur katalytischen Verbrennung von brennbaren Bestandteilen eines Gases, insbesondere des CO-Anteiles von Rauchgasen, mit Energierückgewinnung durch Luftvorwärmung, Verdampferstufen und Kesselspeisewasservorwärmer, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Reaktionskammer als aufrechtstehender Einzugskessel ausgebildet ist, in dem die beiden Kontaktstufen (4, 8) in Kesselachsrichtung gesehen hintereinander liegen und in Richtung der Gasströmung gesehen nach den Wärmetauschern (5, 6, 7) der ersten Reaktionsstufe (4) je ein Düsensystem (14, 15) für Fremdluft-bzw.
Heizgaszumischung und nach den Wärmetauschern (9, 10, 11) der zweiten Reaktionsstufe (8) ein Kesselspeisewasservorwärmer (12, 13) vorgesehen ist, wobei das Katalysatormaterial jeder Stufe in an sich bekannter Weise in einem hohlkegel-, dach-oder schalenförmig ausgebildeten Behälter (20) gelagert ist und in das Katalysatormaterial den beiden Kontaktstufen (4, 8) Verdampferrohre (5, 9) eingebettet sind.
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