AT402611B

AT402611B - Anlage zur stickoxidminderung bei anlage zur stickoxidminderung bei feuerungsabgasen feuerungsabgasen

Info

Publication number: AT402611B
Application number: AT0089394A
Authority: AT
Inventors: Siegfried Dipl Ing Schlueter
Original assignee: Rothemuehle Brandt Kritzler
Priority date: 1993-04-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1997-07-25
Also published as: NL9400697A; CZ103794A3; JPH0747233A; FR2704450B1; ATA89394A; US5814284A; CZ285603B6; DE4313861A1; FR2704450A1

Description

ΑΤ 402 611 Β

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Stickoxidminderung bei Feuerungsabgasen, mit einer Feuerungsanlage, einem der selektiven katalytischen Reduktion dienenden Reaktor und einem sowohl für Luftais auch für Gasvorwärmer einzusetzenden Regenerativ-Wärmetauscher zur Behandlung schadstoffhaltiger, sich mit einem anderen Medium im Wärmetausch befindender Abgase, mit feststehenden oder umlaufenden Speichermassen, die zumindest teilweise aus katalytischem Material bestehen, und dem ein Reduktionsmittel zugeführt wird.

In derartigen Anlagen zur Entstickung von Rauchgasen bei Kraftwerks- und Industriefeuerungsanlagen werden Regenerativ-Wärmetauscher für die entweder entschwefelten oder auch noch nicht entschwefelten, von einem Dampferzeuger oder einer Entschwefelungsanlage kommenden Abgase zur Vorwärmung der Verbrennungsluft genutzt. Dabei können bspw. die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) weitgehend reduziert werden, indem in diesem Fall die Speichermassen - die feststehend oder umlaufend ausgebildet sein können - des Regenerativ-Wärmetauschers ganz oder teilweise als katalytisch wirksam ausgeführt sind und bspw. vor allem Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel zugegeben wird. Somit geht es um die selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden, bei der die Reduktion (Desoxidation) der Stickoxide durch Zugabe von NH3 in Anwesenheit eines in dem Regenerativ-Wärmetauscher (Gas- oder Luftvorwärmer) integrierten Katalysators stattfindet. In der Regel ist das NOx-haltige Gas das Rauchgas einer Feuerung, das am Ende eines Dampferzeugers zur Vorwärmung der Verbrennungsluft den Regenerativ-Wärmetauscher durchströmt.

Zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in den Abgasen von Feuerungsanlagen ist es bekannt, das NH3 dampfförmig, in Mischung mit Luft als Trägergas unter Druck oder in Wasser gelöst drucklos in die aus der Feuerungsanlage austretenden Abgase einzuleiten, und zwar auf der Roh-, Rauchoder Abgasseite bzw. auf der Reingas- oder Luftseite oder auch sowohl auf der Gas- als auch auf der Luftseite. Das NH3 wird dem Rauchgas somit entweder vor dessen Eingang in den Katalysator oder der zu erwärmenden Frischluft vor deren Eintritt in den Katalysator bzw. in Kombination beiden Seiten zugemischt. Durch Mischstrecken mit entsprechenden Einbauten innerhalb der weiterführenden Abgaskanäle wird versucht, im Abgasstrom bis zum Eintritt in den Katalysator eine strähnenfreie Ammoniak- und Temperaturverteilung zu erhalten. Der Katalysator, d.h. ein in übereinander angeordneten Lagen Katalysatorzellen aufnehmender Reaktor ist unter Berücksichtigung optimaler Reaktionstemperaturen innerhalb der Abgasführung dem Regenerativ-Wärmetauscher zur Übertragung der Abgaswärme an die der Feuerung zuzuführende Verbrennungsluft vorgeschaltet.

Als Katalysatoren haben sich insbesondere Festbett-Katalysatoren mit vertikal nach unten gerichteter Abgasströmung bewährt, von denen mehrere von den zu entstickenden Abgasen im Wechsel beaufschlagt werden. Die in Wabenstruktur ausgeführten Festbett-Katalysatoren enthalten als katalytisch wirkende Stoffe Vanadiumverbindungen, die die Umsetzung der Stickoxide mit dem zuvor in den Abgasstrom eingeleiteten und auf dem Weg bis zum Katalysator unter feiner Aufteilung eingemischten NH3 begünstigen. Die Reaktion mit den in den Abgasen enthaltenen Stickoxiden führt im wesentlichen zu molekularem Stickstoff und Wasser als Reaktionsprodukte, die sich dann unschädlich in die Umgebung ableiten lassen.

Weitere Einzelheiten und das übliche Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden sowie eine Anlage der eingangs genannten Art sind durch die europäische Patentschrift 0 226 731 bekanntgeworden. Von den beiden daraus bekannten Anlagenkonzeptionen ist der Reaktor in dem einen Fall vor dem als Luftvorwärmer ausgebildeten Regenerativ-Wärmetauscher in sogenannter "high dust"-Position angeordnet, in der das zu behandelnde Abgas noch mit Flugstaub beladen ist. Im zweiten Fall handelt es sich um eine nachgeschaltete Anordnung des Reaktors, der sich hinter der Entstaubung und Rauchgasentschwefelung befindet und dem ein als Gasvorwärmer ausgebildeter Regenerativ-Wärmetauscher zugeordnet ist. Die Verknüpfung eines nachgeschalteten Reaktors mit einem Gasvorwärmer ist erforderlich, um für das SCR-Verfahren, d.h. die selektive katalytische Reduktion die nötige Reaktionstemperatur zu erhalten. Sowohl bei der "high dust"- als auch der nachgeschalteten Anordnung ist der Reaktor eine einzelne, oberhalb des Luft- bzw. des Gasvorwärmers vorhandene Komponente, die eigene Tragkonstruktionen und die nötigen Verbindungskanäle voraussetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sich die Stickoxidminderung bei Rauchgasen mit verringertem Aufwand technisch wirkungsvoll und sauber durchführen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Reaktor zentrisch über den Regenerativ-Wärmetauscher angeordnet, vorzugsweise direkt auf das Wärmetauschergehäuse aufgesetzt ist. Aufgrund der in bezug auf den Regenerativ-Wärmetauscher zentrischen Anordnung der Katalysatoren des Reaktors läßt sich eine optimierte, strömungsgünstige Gasführung mit auf ein Minimum beschränkten Druckverlusten erreichen. Die durch das Aufsetzen des Reaktors auf den Luft- bzw. Gasvorwärmer somit mögliche Kompakt-Bauweise führt zu einem gemeinsamen Lastabtrag und gestattet es, daß ein zusätzliches, 2

AT 402 611 B separates Bauwerk, nämlich ein ansonsten umfangreiches Traggerüst entfallen kann, womit sich sowohl Material als auch dementsprechend Gewicht einsparen läßt. Weiterhin werden der Bauaufwand und der Anlagenraum entsprechend verringert.

Wenn bei einer Anlage, die einen Regenerativ-Wärmetauscher mit umlaufenden Flügelhauben aufweist, die beiden Flügelhauben gegeneinander um 90" versetzt sind, läßt sich eine sogenannte halb-invertierte Haubenanordnung erreichen, die den Vorteil besitzt, daß innerhalb der Hauben jeweils eine beschleunigte Strömung gegeben ist, was gegenüber den üblichen Anordnungen einen geringeren Druckabfall bedeutet. Durch den Versatz der beiden umlaufenden, den Gaswechsel steuernden Flügelhauben umströmt - am Beispiel eines Luftvorwärmers - die in diesem Fall unten eintretende Luft die untere Flügelhaube, während sie hingegen nach dem Austritt aus den Heizflächen des Luftvorwärmers die obere Flügelhaube durchströmt. In entsprechender Weise wird das im Gegenstrom zugeführte Roh- bzw. Abgas im Anschluß an den Reaktor, d.h. am Eintritt des Regenerativ-Luftvorwärmersum die obere Flügelhaube herumgeführt, während es an der Austrittsseite des Luftvorwärmers durch die untere Flügelhaube hindurchgeführt wird.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Regenerativ-Wärmetauscher mit Katalysator-Zellen versehen ist. Die durch das räumliche Zusammenfassen eines Reaktors mit einem Regenerativ-Luftvorwärmer bzw. -Gasvorwärmer erreichte Kompakt-Bauweise läßt sich hierdurch weiter begünstigen, indem nämlich eine ansonsten im Reaktor unterzubringende Lage von Katalysatorzellen in den Regenerativ-Wärmetauscher verlagert wird. Durch das Einbauen von Katalysator-Elementen in die Statoren von bspw. Regenerativ-Luftvorwärmern läßt sich erreichen, daß diese als Heiz- und Reaktionsflächen wirken. Die in den Luftvorwärmer integrierten, gleichzeitig als Heizflächen bzw. Speichermassen dienenden Katalysatorzellen erlauben es, durch die erreichte Aufteilung in einen Reaktor- bzw. einen Wärmetauscherbereich die Betriebsbedingungen der Katalysatoren, insbesondere unter Berücksichtigung der für die Reaktion maßgeblichen Temperaturen und Verweilzeiten, wirkungsvoll anzupassen. Vor allem läßt sich eine gezielte Eindüsung des Reduktionsmittels begünstigen, bspw. NH3 bei einem Luftvorwärmer über einen besonderen Sektor auch von der Luftseite her zuführen.

Es empfiehlt sich daher, Reduktionsmittel-Eindüsungen auf der Rohgas- und/oder der Rauchgas- bzw. Luftseite des Wärmetauschers anzuordnen. Bei einem als Gasvorwärmer ausgebildeten Regenerativ-Wärmetauscher, wie im Falle eines der Rauchgasentschwefelung nachgeschalteten Reaktors, läßt sich das Reduktionsmittel dann zusätzlich auch über einen separaten Sektor zwischen der Reingas- und Rohgasphase den in dem Gasvorwärmer integrierten katalytischen Speichermassenzellen gezielter zuführen. Ist der Regenerativ-Wärmetauscher als Luftvorwärmer ausgeführt, kann das Reduktionsmittel sowohl auf der Rohgas- als auch auf der Luftseite zugegeben werden. Eine gezielte und gut dosierte Zugabe des Reduktionsmittels an den bestgeeigneten Stellen der Katalysatoren sowohl des Reaktors als auch des Regenerativ-Wärmetauschers begünstigt die Optimierung der Stickoxidminderung und bewirkt dementsprechend eine Minimierung des Schlupfes von nicht ausgenutztem Reduktionsmittel.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der einige Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung näher erläutert sind. Es zeigen:

Figur 1 als Einzelheit einer ansonsten nicht dargestellten Anlage zur Stickoxidminderung bei Feuerungsanlagen einen erfindungsgemäß zentrisch auf einen als Luftvorwärmer ausgebildeten Regenerativ-Wärmetauscher aufgesetzten Reaktor, schematisch dargestellt;

Figur 2 die Reaktor-Wärmetauscherkomhination gemäß Fig. 1 mit in den Luftvorwärmer integrierten Katalysatorzellen;

Figur 3 eine Ausführung der Kompakt-Bauweise von. zentrisch auf einem Regenerativ-Wärmetauscher angeordnetem Reaktor, bei der der Wärmetauscher als Gasvorwärmer ausgebildet ist, schematisch dargestellt; und

Figur 4 die Reaktor-Wärmetauscherkombination gemäß Fig. 3 mit in den Gasvorwärmer integrierten Katalysatorzellen.

Ein in Fig. 1 gezeigter Regenerativ-Wärmetauscher 1 ist als Luftvorwärmer 2 ausgebildet, dem NOx-haltiges, heißes Abgas von einem nicht dargestellten Dampferzeuger über einen Kanal 3 zuströmt. Das heiße Rohgas G - im folgenden kurz Gas genannt - strömt somit von oben in den Luftvorwärmer 2 ein, der in seinem mittleren Teil einen aus zwei übereinander angeordneten Lagen Heizflächen 4a, 4b bestehenden Wärmespeicher aufweist. Unterhalb der oberen Lage der Heizflächen 4a bzw. oberhalb der oberen Lage der Heizflächen 4b ist jeweils eine segmentierte Flügelhaube 5, 6 angeordnet, die gegeneinander um 90" versetzt sind und sich gemeinsam um eine senkrechte Achse 7 drehen.

Dem Luftvorwärmer 2 bzw. Regenerativ-Wärmetauscher 1 ist ein Reaktor 8 vorgeschaltet, der mit seinem Gehäuse 9 direkt auf das Luftvorwärmergehäuse 10 aufgesetzt ist, und zwar mit seinen in drei Lagen übereinanderliegenden Katalysatorzellen 11a, 11b, 11c in bezug auf den Regenerativ-Wärmetauscher 3

AT 402 611 B 1 zentrisch über dem Luftvorwärmer 2. Die somit kompakte Baueinheit aus Reaktor 8 und Regenerativwärmetauscher 1 stützt sich über ein gemeinsames Traggerüst 12 auf dem Fundament ab.

Das zuströmende Gas G gelangt nach seinem Eintritt in den Kanal 3 zunächst in die Katalysatorzellen 1la, 11b, 11c des Reaktors 8, und auf dem Weg des Gases G durch die Katalysatorzellen 11a bis 11c wird durch Adsorption von NH3 eine NOx-Reduktion bewirkt. Damit sich die NOx-Reduktion erreichen läßt, wird als Reduktionsmittel NH3 mit vorgewärmter Trägerluft über ein Zuführrohr 13 in den Reaktor 8 bzw. dessen Katalysatorzellen 11a bis 11c eingeleitet. Das aus der - in Strömungsrichtung gesehen - untersten Lage Katalysatorzellen 11c austretende Gas G ist somit von Stickoxiden befreit, was durch die nach dem Gasaustritt schraffiert gekennzeichneten Strömungspfeile deutlich gemacht wird, und tritt als Reingas in die Speichermassen der Heizflächen 4a, 4b des Luftvorwärmers ein. Aufgrund der um 90* gegeneinander versetzten Anordnung der Flügelhauben 5, 6 umströmt das Reingas die obere Flügelhaube 6, tritt dann in die Heizflächen 4a, 4b ein, heizt diese auf, kühlt sich dabei selbst ab und wird über den sich nach unten hin anschließenden Kanal 14 in gereinigter Form abgeleitet.

Vom unteren Ende her ist an den Luftvorwärmer 2 eine Leitung 15 angeschlossen, über die saubere, kalte Verbrennungsluft L - nachfolgend kurz als Luft bezeichnet - im Gegenstrom zu dem Gas G den aufgeheizten Heizflächen 4a, 4b des Luftvorwärmers 2 zugeführt wird, und zwar aufgrund der versetzten Flügelhauben 5, 6 so, daß die Luft L die untere Flügelhaube 5 umströmt, bevor sie in die Heizflächen 4a, 4b eintritt und danach über die obere Flügelhaube 6 und einen sich dort anschließenden Kanal 16 als Heißluft zur Feuerung geführt wird. Aufgrund der Drehbewegung der Flügelhauben 5, 6 sind hierbei immer andere Teile der Heizflächen 4a, 4b des Luftvorwärmers 2 dem heißen Reingas bzw. der zugeführten Luft L ausgesetzt.

Eine Abwandlung der Baueinheit gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 gezeigt, so daß gleiche Bauteile mit denselben Bezugsziffern versehen sind. Im Unterschied zur Ausführung nach Fig. 1 ist die - in Strömungsrichtung des Gases G gesehen - unterste Lage der Katalysatorzellen 11c aus dem Reaktor 8 heraus verlagert worden und stellt nun einen integrierten Bestandteil des regenerativen Luftvorwärmers 2 dar. Der zentrisch auf das Gehäuse 10 des Luftvorwärmers 2 aufgesetzte Reaktor 8 enthält somit lediglich noch zwei Lagen von Katalysatorzellen 11a, 11b, während die Katalysatorzellen 11c einen integrierten Bestandteil des Luftvorwärmers 2 bilden und dort oberhalb der Heizflächen 4b angeordnet sind. Durch Aufteilung des Luftvorwärmers 2 in einen Reaktorbereich, nämlich den der Katalysatorzellen 11c und einen Wärmetauscherbereich, nämlich den der Heizflächen 4b, ergeben sich optimierende Varianten der Zuführung von NH3, das sowohl auf der Gasseite, dort über das Zuführrohr 13, als auch von der Luftseite her über die Zuführung 21 eingedüst werden kann, bspw. über einen nicht dargestellten, geschlossenen Sektor, der das NH3 gezielt zu den Katalysatorzellen 11c leitet.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte, durch Aufsetzen des Reaktors 8 zentrisch auf das Gehäuse 10 des Wärmetauschers erreichte kompakte Baueinheit ist mit einem Regenerativ-Wärmetauscher 1 versehen, der bedingt durch seine der Rauchgasentschwefelungsanlage nachgeschalteten Anordnung innerhalb der Anlage zur Stickoxidminderung als Gasvorwärmer 17 arbeitet, ansonsten aber - wie im übrigen auch die anderen Teile der kombinierten Baueinheit - keinen wesentlichen Unterschied zu der Ausführung nach den Fig. 1 und 2 aufweist, so daß übereinstimmende Teile mit denselben Bezugsziffern versehen sind. Das kalte Gas G strömt als Rohgas von der nicht dargestellten Rauchgasentschwefelungsanlage über einen Kanal 18 in die Heizflächen 4a, 4b des Gasvorwärmers. 17 ein, die sich dabei abkühlen. Das über die obere Flügelhaube 6 aus dem Gasvorwärmer 17 austretende Gas G gelangt über eine zusätzliche Heizung 19 mit der für eine Reaktion notwendigen Temperatur im Gegenstrom durch die Katalysatorzellen 11a, 11b, 11c des Reaktors 8 und verläßt diesen als Reingas RG (vgl. die durchgezogenen, weißen Pfeile). Im Anschluß daran umströmt das heiße Reingas RG die obere Flügelhaube 6, wird dann in die Heizflächen 4a, 4b des Gasvorwärmers 17 eingeleitet, abgekühlt, und von dort über die untere Flügelhaube 5 und den Abströmka-nal 14 zum Kamin weitergeführt. Das Reduktionsmittel (NH3) wird hier von der Rohgasseite her einmal über das Zuführrohr 13 und zusätzlich über eine weitere Reduktionsmittel-Eindüsung 20 eingebracht.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Kompakt-Baueinheit des zentrisch auf den Regenerativ-Wärmetauscher 1 bzw. den Gasvorwärmer 17 aufgesetzten Reaktors 8 weist der Gasvorwärmer 17 eine integrierte Lage Katalysatorzellen 11c auf (vgl. Fig. 3), so daß der Reaktor 8 statt drei übereinander angeordneten Lagen von Katalysatorzellen lediglich noch die beiden Lagen der Katalysatorzellen 11a, 11 b enthält.

In Anlehnung an die für den Luftvorwärmer gemäß Fig. 2 beschriebenen Eindüsemöglichkeiten des Reduktionsmittels ergeben sich auch für den Gasvorwärmer 17 optimierende Varianten der Zuführung von NH3, das sowohl auf der Gasseite über die Zuführrohre 13 und 20 als auch von der Reingasseite her über eine Zuführung 21 eingedüst werden kann, bspw. über einen nicht dargestellten geschlossenen Sektor, der das NH3 gezielt zu den Katalysatorzellen 11c leitet. Ansonsten unterscheidet sich die Betriebsweise der Ausführung nach Fig. 4 nicht von dem im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Ablauf. 4

Claims

AT 402 611 B Allen Auslührungen ist insbesondere gemeinsam, daß sich aufgrund der zentrischen Symmetrie von Regenerativ-Wärmetauscher 1 (Luftvorwärmer 2 bzw, Gasvorwärmer 17) und Reaktor 8 eine verbesserte Strömungsführung sowie variable Eindüsungsmöglichkeiten des Reduktionsmittels ergeben. Durch die räumliche Zusammenfassung wird eine Abstützung der Katalysatoren bzw. des Reaktors 8 direkt auf dem Regenerativ-Wärmetauscher möglich, was Gewichtsersparnisse und geringere Abmessungen mit sich bringt. Bezugszeichenliste 1 Regenerativ-Wärmetauscher 2 Luftvorwärmer 3 Kanal 4a, 4b Heizfläche 5 Flügelhaube 6 Flügelhaube 7 Drehachse 8 Reaktor 9 Gehäuse 10 Wärmetauschergehäuse 11a, 11b, 11c Katalysatorzellen 12 Traggerüst 13 Zuführrohr 14 Abströmkanal 15 Leitung 16 Kanal 17 Gasvorwärmer 18 Kanal 19 Heizung 20 Reduktionsmittel-Eindüsung 21 Zuführrohr G Gas L Luft RG Reingas Patentansprüche 1. Anlage zur Stickoxidminderung bei Feuerungsabgasen, mit einer Feuerungsanlage, einem der selektiven katalytischen Reduktion dienenden Reaktor und einem sowohl für Luft- als auch für Gasvorwärmer einzusetzenden Regenerativ-Wärmetauscher zur Behandlung schadstoffhaltiger, sich mit einem anderen Medium im Wärmetausch befindender Abgase, mit feststehenden oder umlaufenden Speichermassen, die zumindest teilweise aus katalytischem Material bestehen, und dem ein Reduktionsmittel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (8) zentrisch über dem Regenerativ-Wärmetauscher (1; 2, 17) angeordnet ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (8) direkt auf das Wärmetauschergehäuse (2; 17) aufgesetzt ist.
3. Anlage mit Umlaufenden Flügelhauben des Regenerativ-Wärmetauschers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flügelhauben (5, 6) gegeneinander um 90* versetzt sind.
4. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerativ-Wärmetauscher (1; 2, 17) mit Katalysator-Zellen (11c) versehen ist. 5 AT 402 611 B
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Reduktionsmitteleindüsungen (13; 20) auf der Rohgas- und/oder der Reingas- bzw. Luftseite des Wärmetauschers (1; 2, 17) angeordnet sind. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 6