CH695666A5 - Verfahren und Vorrichtung zum Einmischen von flüssigem Reduktionsmittel in einen Rauchgasstrom vor einem Katalysator. - Google Patents

Description

  [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einmischen von flüssigem Reduktionsmittel in einen Rauchgasstrom vor einem Katalysator. Bei der Verbrennung - insbesondere bei hohen Temperaturen - verbindet sich Stickstoff mit dem Luftsauerstoff zu Stickoxiden (NOx). Rauchgasentstickungsanlagen, auch DeNOx-Anlagen genannt, reduzieren die vorhandenen Stickoxide, indem dem Rauchgas vor Eintritt in den DeNOx-Katalysator Ammoniak (NH3) zugemischt wird. Dabei spielen sich folgende chemische Reaktionen ab:
4 NO + 4NH3 +O2 --> 4 N2 + 6 H2O
2 NO2 + 4NH3 +02 --> 3 N2 + 6 H2O

[0002] Für die selektive thermische Reduktion von NOx wird in den Gasstrom ein Reduktionsmittel wie zum Beispiel Ammoniakwasser oder Harnstoff eingedüst.

   Aufgrund der leichteren Handhabung hat sich der Einsatz von Ammoniakwasser (25%ig) besonders bewährt.

[0003] Das katalytische Verfahren wurde erstmals mit der US 3 887 683 beschrieben. Die DE 3 402 771 beschreibt ein reaktives Verfahren, wo in einer Reaktionskammer mittels Bestrahlung eine Umwandlung des Verbrennungsgases erfolgt. Für solche Prozesse ist das Sicherstellen eines homogenen Rauchgasgemisches von grosser Bedeutung.

   Die Patentschrift DE 2 852 800 beschreibt eine Vorrichtung, bei der Ammoniakgas durch ein Rohr mit vielen kleinen Bohrungen dosiert und direkt in den Rauchgasstrom verteilt wird.

[0004] Die Patentschrift DE 3 332 663 beschreibt eine Vorrichtung, bei der das Reduktionsmittel, insbesondere Ammoniakgas, dosiert und mit einem statischen Mischer vermischt wird.

[0005] Die Schriften DE 3 515 843 und EP 0 278 241 beschreiben ein Verfahren zum Einmischen von Reduktionsmitteln mittels By-Pass-Dosierung, das heisst die Reduktionsmittel werden in einem Seitenstrom ausserhalb des Kanals vermischt und dann dem Hauptstrom wieder zugeführt. Im Stand der Technik werden für das Einmischen des Reduktionsmittels Vorrichtungen wie Dosierrohre mit Bohrungen EP 0 278 241, Jet-Strahler DE 3 515 843 oder statische Mischer DE 3 332 663 eingesetzt.

   Die Patentschriften DE 2 205 371, OE 330 135 und US 3 286 992 zeigen statische Mischelemente, die am Markt weit verbreitet sind. Diese Mischer eignen sich jedoch vorwiegend für runde Querschnitte. Dabei werden mehrere Mischelemente benötigt, um eine homogene Mischung zu erzielen. Die beschriebenen Vorrichtungen reichen jedoch bei grossen und komplexen Rauchgaskanälen, von Dimensionen bis zu 10 m X 20 m, alleine nicht aus, um mit geringem Druckverlust von dp < 2-3 mbar den hohen Anforderungen an die Mischgüte S/X = 3-5% (Variationskoeffizient) gerecht zu werden. Oft verschlechtern statische Mischer, Erweiterungen, Umlenkungen oder zusätzliche Wärmequellen bei engem Platzverhältnis auch das Strömungsprofil, so dass eine Beschädigung des Katalysators nicht ausgeschlossen werden kann.

   Problematisch ist auch das schlechte Temperaturprofil, welches durch die zusätzlichen Wärmequellen wie Brenner oder Wärmetauscher erzeugt wird. Dies führt am Katalysator infolge chemischer Nebenreaktionen zu Ablagerungen und Verstopfungen. Darum werden für komplexe Strömungskanäle Strömungsmodelle gebaut, die eine qualitative Aussage über die Strömung ermöglichen. Reale Strömungsmodelle für DeNOx-Anlagen gelten jedoch als nicht wissenschaftlich, da die Reynolds-Zahl im Strömungsmodell nicht konstant gehalten werden kann. Bei einem Scale-Up-Faktor von beispielsweise 10 verändert sich auch der hydraulische Durchmesser um den Faktor 10. Darum müsste die Strömungsgeschwindigkeit um das 10-fache erhöht werden, da die Dichte und die Viskosität im realen Strömungsmodell nicht geändert werden können.

   Bei generellen Strömungsgeschwindigkeiten von 3 bis 20 m/s müssten im Modell Geschwindigkeiten von 30 bis 200 m/s erzielt werden, was zu sehr hohen Druckverlusten führt und somit durch die Gebläse nicht umgesetzt werden kann. Zudem ist die Untersuchung von thermisch unterschiedlichen Strömungen und Verdampfungsprozessen nur sehr schwierig umzusetzen.

[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einmischen von flüssigem Reduktionsmittel in einen Rauchgasstrom vor einem Katalysator anzugeben, bei dem der Katalysator nicht durch ein schlechtes Strömungsprofil beschädigt oder beeinträchtigt wird und bei dem die geforderte Mischgüte bei gleichzeitig niedrigem Druckverlust erreicht wird.

[0007] Diese Aufgabe wird verfahrensmässig durch folgende Schritte gelöst:

  
 Richten der Strömung nach der Wärmequelle
 Dosieren des Reduktionsmittels mit mindestens einer Dosierlanze in den Rauchgaskanal
 Verdampfen des Reduktionsmittels mit einem Verdampfer pro Dosierlanze
 Mischen von Rauchgas und Reduktionsmittel in einer Mischstrecke
 Glätten und Richten der Strömung kurz vor dem Katalysator

[0008] Die erfindungsgemäss aufbereitete Gasmischung eignet sich generell für DeNOx-Anlagen, wie sie zum Beispiel in Kehrichtverbrennungsanlagen, Chemie-Anlagen, Kraftwerken oder grossen Motoren existieren, da vor dem Katalysator die Mischung bezüglich Temperatur und Konzentration homogen ist. Zudem ist das flüssig dosierte Reduktionsmittel vollständig verdampft, so dass auch bei Lastfall-Änderungen keine Ablagerungen entstehen können.

[0009] Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

   In den Ansprüchen wird das Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel.

[0010] Im nur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) strömt das Rauchgas durch einen üblicherweise rechteckigen Rauchgaskanal 1 in eine Wärmequelle 8, so dass die nötige Temperatur für den katalytischen Prozess erreicht wird. Die üblichen Temperaturen liegen bei den selektiven katalytischen Anlagen etwa bei 170 deg. C-500 deg. C, wobei die Temperaturerhöhung durch einen Brenner und/oder einen Wärmetauscher sichergestellt wird.

   Da das Strömungs- und/oder das Temperaturprofil in der Regel durch die Wärmeabgabe oder durch zusätzliche Umlenkungen und/oder Verengungen schief ist, wird vor der Eindüsung mit einem Strömungsrichter 2 das Profil korrigiert, so dass an den Zweistoffdüsenlanzen 3 die Strömungsgeschwindigkeit praktisch gleich ist. Üblicherweise werden 1-8 Düsenlanzen 3 eingesetzt, wobei das flüssige Reduktionsmittel mit Unterstützung von Luft oder trockenem Dampf zerstäubt wird und im Verdampfer 4 endgültig verdampft, so dass auch bei Lastfall Änderungen keine Flüssigkeitstropfen den Katalysator 7 benetzen. Für einen perfekten Verdampfungsprozess benötigt jede Düsenlanze 3 einen Verdampfer 4, welcher unmittelbar nachgeschaltet wird.

   Spritzt man ein flüssiges Reduktionsmittel wie Ammoniakwasser oder Harnstoff direkt ohne Verdampfer in den Rauchgaskanal 1 ein, so besteht vor allem bei Lastschwankungen die Gefahr, dass das Wasser nicht vollständig verdampft; es können sich Wassertropfen bilden, wodurch der Katalysator 7 geschädigt wird oder im Bereich der Dosierstellen Korrosion entsteht. Die Mischstrecke 5 besitzt die Aufgabe, das verdampfte Reduktionsmittel fein zu verteilen und zu mischen. Zusätzlich muss die Mischstrecke 5 die Temperaturschieflage im Strömungsprofil ausgleichen, wobei sie vom Strömungsrichter 2 unterstützt wird.

   Ohne Strömungsrichter 2 wird die Mischstrecke 5 oft zu lange oder der Druckverlust über die Mischstrecke 5 wird zu hoch.

[0011] Danach wird unmittelbar vor dem Katalysator 7 mit einem Flowconditioner 6, welcher aus Umlenkblechen, einem Strömungsrost oder/und einem Lochblech besteht, die Strömung erneut geglättet und gleichmässig vor dem Katalysator 7 verteilt.

[0012] Der Strömungsrichter 2, der Verdampfer 4, die Mischstrecke 5 und der Flowconditioner 6 bestehen aus Blechkonstruktionen mit Profilen und Rohren. Sie müssen individuell auf den Rauchgaskanal 1 angepasst werden, so dass vor dem Katalysator die Mischung bezüglich Temperatur und Konzentration homogen ist. Zudem ist das flüssig dosierte Reduktionsmittel vollständig zu verdampfen, so dass auch bei Lastfall-Änderungen keine Ablagerungen entstehen können.

   Die individuelle Anpassung von Strömungsrichter 2, Verdampfer 4, Mischstrecke 5 und Flowconditioner 6 ist nötig, da die üblicherweise rechteckigen Rauchgaskanäle 1 zunehmend kompakt und auf sehr engen Raumverhältnissen gebaut werden. Zusätzlich beeinflussen Umlenkungen, Reduktionen oder Erweiterungen, welche Bestandteile des Rauchgaskanals 1 sind, die Strömung so stark, dass die Optimierung nur durch eine Strömungsanalyse erfolgen kann. Die Strömungsanalyse muss preiswert und schnell erfolgen, da die Rauchgaskanäle 1 heute unter enormem Zeitdruck gezeichnet und gefertigt werden. Dank der stetigen Zunahme der Rechnerkapazität von Personalcomputern wird es endlich möglich, gezielt Optimierungen von komplexen Strömungskanälen in kürzester Zeit vorzunehmen. Ein geeignetes Instrument ist die numerische Strömungssimulationssoftware (CFD).

   Umfangreiche Versuche haben ergeben, dass es erst seit kurzem möglich ist, solche komplexen Rauchgaskanäle 1 mit einer genügenden Genauigkeit zu berechnen. Dabei ist es gelungen, neben der Temperaturverteilung, dem Strömungsprofil und der Mischung auch das Zerstäuben der Dosierlanzen 3 mit der Verdampfung des Reduktionsmittels zu berechnen.

Claims (15)

1. 1. Verfahren zum Einmischen von flüssigem Reduktionsmittel in einen Rauchgaskanal vor einem Katalysator, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Richten der Strömung nach der Wärmequelle vor mindestens einer Düsenlanze (3) - Dosieren des Reduktionsmittels mit der mindestens einen Düsenlanze in den Rauchgaskanal - Verdampfen des Reduktionsmittels mit einem Verdampfer pro Dosierlanze - Mischen von Rauchgas und Reduktionsmittel in einer Mischstrecke - Glätten und Richten der Strömung vor dem Katalysator.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsbedingungen im Rauchgaskanal mit der Einrichtung, bestehend aus dem Strömungsrichter (2), der Düsenlanzen (3), dem Verdampfer (4), der Mischstrecke (5) und dem Flowconditioner (6), von der Wärmequelle bis zum Katalysator mit einer numerischen Strömungssimulationssoftware (CFD) berechnet werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem berechneten Geschwindigkeitsprofil von kleiner 20% auf der Ebene der Düsenlanze (3), der Strömungsrichter (2) nach der Wärmequelle desaktiviert werden kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel 25%iges Ammoniakwasser ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel Harnstoff ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel mit Druckluft zerstäubt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel mit Dampf zerstäubt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung bei der Düsenlanze senkrecht von unten nach oben strömt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle nur zur Regeneration des Katalysator verwendet wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwischen der Wärmequelle (8) und dem Katalysator (7) einen Strömungsrichter (2), mindestens eine Düsenlanze (3) mit einem Verdampfer (4) pro Düsenlanze (3), eine Mischstrecke (5) und einen Flowconditioner (7) aufweist, wobei die einzelnen Komponenten durch den Rauchgaskanal (1) miteinander verbunden sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenlanze (3) mindestens eine Zweistoffdüse aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Teile des Rauchgaskanals (1) rechteckig sein können.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Teile des Rauchgaskanals (1) quadratisch sein können.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Teile des Rauchgaskanals (1) rund sein können.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchgaskanal (1) Umlenkungen, Reduktionen und/oder Erweiterungen aufweist.