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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalytischen Entfernung mindestens
eines Teils von Stickoxiden aus einem Gasstrom, insbesondere Abgasstrom,
einer Großfeuerungsanlage, insbesondere eines Kraftwerks,
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Zur
Sicherstellung der Energieversorgung einer Volkswirtschaft sind
Kraftwerke, also industrietechnische Anlagen zur Bereitstellung
von insbesondere elektrischer und teilweise zusätzlicher
thermischer Leistung, unverzichtbar. In solchen Kraftwerken wird
Primärenergie eingesetzt, die nach entsprechender Umwandlung
als Nutzenergie verfügbar gemacht wird. Dabei fallen in
der Regel Gasströme an, die nicht ohne weitere Reinigungsschritte
an die Umwelt abgegeben werden können. Insbesondere in
kalorischen Kraftwerken, bei denen fossile Brennstoffe, z. B. Kohle,
Erdöl oder Erdgas, verbrannt werden, fallen üblicherweise
als Rauchgase bezeichnete Abgasströme an, die umweltschädliche
Bestandteile enthalten. Problematisch ist dabei besonders die Bildung
von Stickoxiden bei der Verbrennung der fossilen Rohstoffe. Diese
Stickoxide können auf unterschiedlichen Wegen, beispielsweise
durch Oxidation des in der Verbrennungsluft und/oder in den Brennstoffen
enthaltenen Stickstoffs, entstehen. Bisher wird versucht, die Bildung
von Stickoxiden durch Primärmaßnahmen zu verringern.
So werden z. B. spezielle Verbrennungsverfahren, die mit Luftstufung oder
Brennstoffstufung arbeiten, eingesetzt. Auch eine Verringerung der
Verbrennungstemperatur durch eine Abgasrückführung
resultiert in einer verminderten Stickoxidbildung. Bei Braunkohlekraftwerken
können die bisher geltenden Abgasgrenzwerte in der Regel
durch Primärmaßnahmen eingehalten werden. Bei
Steinkohlekraftwerken sind dagegen bereits heute Sekundärmaßnahmen
erforderlich, um den Stickoxidausstoß zu verringern. Dabei
haben sich in der Praxis nur die so genannte selektive nicht-katalytische
Reduktion (SNCR) und die so genannte selektive katalytische Reduktion
(SCR) durchgesetzt. Sollen besonders niedrige Stickoxidwerte im
Abgas erreicht werden, so ist die selektive katalytische Reduktion
(SCR) das Verfahren der Wahl.
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Bei
der selektiven katalytischen Reduktion wird im Allgemeinen ein Vanadium-Titanoxid-Katalysator
mit einer typischen Arbeitstemperatur von 300 bis 450°C
eingesetzt. Seltener kommt ein für höhere Temperaturen
(350 bis 600°C) geeigneter Zeolith-Katalysator zur Anwendung.
Als Reduktionsmittel dienen Ammoniak oder ammoniakbildende Derivate
wie z. B. Harnstoff. Es sind auch spezielle Katalysatoranordnungen
bekannt (z. B. Shell Lateral Flow Reaktor), die bei niedrigeren
Temperaturen (bis ca. 180°C) betrieben werden können.
Deren Anwendung ist allerdings bezüglich der Temperatur
nach unten durch die Bildung von Ammoniumsalzen beschränkt.
Höhere Schwefelgehalte im Abgas bedingen dabei höhere Betriebstemperaturen
zur Vermeidung der Salzbildung.
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Der
Katalysator zur Entstickung des Abgasstroms, d. h. zur Reduzierung
des Stickoxidgehalts des Abgasstroms, kann üblicherweise
an drei verschiedenen Positionen im Abgasstrom eines Kraftwerks
eingesetzt werden. Diese Varianten werden in Fachkreisen folgendermaßen
definiert:
- 1. ”High Dust”-Anordnung:
Hier wird die katalytische Behandlung als erster Reinigungsschritt
für das Rauchgas noch vor einer Staubabscheidung oder Schwefelentfernung
durchgeführt.
- 2. ”Low Dust”-Anordnung: Die katalytische
Behandlung erfolgt hier nach der Staubabscheidung, aber noch vor
der Entschwefelung. Dabei wird in der Regel ein Vanadium-Titanoxid-Katalysator oder
Zeolith-Katalysator bei einer Temperatur zwischen 300 und 400°C
eingesetzt.
- 3. ”Tail End”-Anordnung: Dabei wird die katalytische
Entstickung nach der Staubabscheidung und der Entschwefelung durchgeführt.
Hierfür wird üblicherweise ein Vanadium-Titanoxid-Katalysator
bei einer Temperatur zwischen 300 und 350°C verwendet.
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Die
gängigen Methoden zur katalytischen Entstickung von Kraftwerksabgasen
sind beispielsweise in
"Catalytic Air Pollution
Contol", R. M. Heck, R. J. Farrauto, van Nostrand Reinhold
(1995) beschrieben. Ein Überblick über
diese Verfahren wurde auch im
40. Kraftwerkstechnischen
Kollloquium 2008; "Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz"; Prof.
M. Beckmann, Prof. U. Gampe, S. Grahl, S. Hellfrisch; TU Dresden,
Institut für Energietechnik gegeben.
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Zukünftige
Umweltschutzgesetze werden eine weitere Reduzierung des Stickoxidgehalts
in Rauchgasen von Kraftwerken vorschreiben. So ist z. B. in Deutschland
für Kraftwerke, die ab dem Jahr 2013 in Betrieb gehen,
ein Grenzwert von 100 mg/m3 vorgesehen.
Derartig niedrige Werte lassen sich in der Praxis nur mit Sekundärmaßnahmen
erreichen.
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Alle
bisher bekannten Katalysatoranordnungen weisen jedoch insbesondere
beim Einsatz in Kohlekraftwerken erhebliche Nachteile auf:
In
der ”High Dust”-Anordnung ist die Lebensdauer der
Katalysatoren aufgrund der hohen Katalysatorgift- und Staubfracht
der Rauchgase stark eingeschränkt. Außerdem treten
Verlegungen des Katalysators durch den Staub auf. Probleme verursacht auch
die Bildung von Salzen. Darüber hinaus wird Schwefeldioxid
gebildet, wodurch Korrosionsprobleme auftreten. Aufgrund der hohen
Partikelbelastung, die zu einer Bindung von NH3 führt,
treten erhöhter Ammoniakverbrauch und Schlupf auf.
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Bei
der ”Low Dust”-Anordnung ist die Staubbelastung
geringer, aber die Salzbildung kann auch hier zu Verlegungen führen.
Auch sind die Katalysatorgifte, die die Lebensdauer des Katalysators
reduzieren, noch vorhanden. Die Korrosionsproblematik stellt sich
ebenfalls.
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In
der ”Tail End”-Anordnung ist die Katalysatorbelastung
zwar geringer, dafür muss aber der gesamte Abgasstrom wieder
auf die Betriebstemperatur des Katalysators aufgewärmt
werden, was energetisch ungünstig ist.
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Insgesamt
wird bisher die ”Low Dust”-Anordnung bevorzugt.
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Generell
führt die Anordnung des Katalysators im nahezu drucklosen
Bereich des Rauchgases in allen Fällen aufgrund des Druckverlustes
zu einem erhöhten Energieverbrauch, was die Gesamtenergiebilanz
des Kraftwerks negativ beeinflusst.
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In
jüngster Zeit werden neue Kraftwerkskonzepte vorgeschlagen,
bei denen der fossile Brennstoff, z. B. Kohle, mit einem sauerstoffreichen
Verbrennungsgas, insbesondere mit technisch reinem Sauerstoff oder
mit sauerstoffangereicherter Luft, verbrannt wird (Sauerstoffbrenngasverfahren).
Der Sauerstoffanteil dieses Verbrennungsgases beträgt z.
B. 95 bis 99,9 Vol-%. Das dabei entstehende Rauchgas enthält
hauptsächlich Kohlendioxid mit einem Anteil von ca. 70
bis 85 Vol-%. Ziel dieser neuen Konzepte ist es, das bei der Verbrennung
der fossilen Brennstoffe entstehende und im Rauchgas konzentriert
vorhandene Kohlendioxid in geeigneten Lagerstätten, insbesondere
in bestimmten Gesteinsschichten oder salzwasserführenden
Schichten, zu verpressen und somit den Kohlendioxidausstoß zur
Atmosphäre zu begrenzen. Dadurch soll die klimaschädliche
Wirkung von Treibhausgasen wie Kohlendioxid reduziert werden. Derartige
Kraftwerke werden in der Fachwelt als so genannte ”Oxyfuel”-Kraftwerke
bezeichnet.
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Da
auch die Rauchgase dieser Kraftwerke neben Kohlendioxid andere umweltschädliche
Bestandteile enthalten, ist wie bei herkömmlichen Kraftwerken
eine Rauchgasreinigung erforderlich, um gesetzliche Emissionsvorgaben
für Abgasemissionen in die Atmosphäre bzw. Anforderungen
hinsichtlich der Kohlendioxidlagerung zu erfüllen. Insbesondere sind
beim Transport des kohlendioxidreichen Abgases in Rohrleitungen
zu einer weiteren Nutzung oder Lagerung sowie beim Einbringen in
Gesteinsformationen bestimmte Höchstgrenzen für
den Stickoxidgehalt zu beachten. Bei den bisher bekannten Konzepten
erfolgen daher in aufeinander folgenden Schritten eine Entstaubung,
Entstickung und Entschwefelung des Rauchgases. Im Anschluss an diese
Rauchgasreinigung wird das so aufbereitete, kohlendioxidreiche Abgas
verdichtet, um einer weiteren Nutzung oder Lagerung zugeführt
zu werden. Die katalytische Stickoxidentfernung erfolgt somit auch
hier im drucklosen Bereich vor der Verdichtung des Abgases.
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Kohlendioxidhaltige
Gasströme fallen auch bei sonstigen Großfeuerungsanlagen
an, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Hierzu zählen z.
B. Industrieöfen, Dampfkessel und ähnliche thermische
Großanlagen zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung.
Es ist denkbar, dass auch solche Anlagen mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter
Luft betrieben werden, so dass kohlendioxidreiche Abgasströme
entstehen, aus denen das Kohlendioxid abgetrennt und einer Verwertung oder
Speicherung (z. B. durch Verpresuung im Untergrund) zugeführt
wird. In diesem Fall sind ebenfalls Höchstgrenzen für
den Stickoxidgehalt zu beachten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
so auszugestalten, dass auf wirtschaftliche Weise eine effektive
katalytische Stickoxidentfernung aus dem Gasstrom ermöglicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass die katalytische Entfernung der Stickoxide
in einem auf einen Druck von mindestens 2 bar verdichteten Gasstrom
durchgeführt wird.
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Mit
dieser Verfahrensführung ergeben sich erhebliche technische
und wirtschaftliche Verbesserungen gegenüber den bisher
angewandten Methoden zur katalytischen Entstickung von Abgasströmen von
Großfeuerungsanlagen. Aufgrund der durch die Druckerhöhung
bewirkten Volumenstromkonzentrierung können deutlich kompaktere
Katalysatoreinheiten eingesetzt werden. Außerdem kann die
bei der Verdichtung des Abgasstroms anfallende Wärme zur Erwärmung
des Abgasstroms auf die optimale Betriebstemperatur des Katalysators
genutzt werden. Dadurch wird die Energieeffizienz des Verfahrens
erheblich verbessert.
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Zweckmäßigerweise
erfolgt die katalytische Entstickung am Ende einer Reinigungskette
für den Gasstrom. Demnach ist der Verdichtung und katalytischen
Behandlung insbesondere eine Entstaubung und Entschwefelung des
Rauchgases vorgeschaltet. Dadurch ist der dem Katalysator zugeführte
Gasstrom weitgehend staub- und schwefelfrei, was den Einsatz von
Katalysatoren erlaubt, die bei niedrigen Temperaturen arbeiten.
Dies trägt zu einer weiteren Verbesserung der Wärmeintegration
bei.
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Besondere
Vorteile ergeben sich bei einer Anwendung der Erfindung auf Großfeuerungsanlagen,
insbesondere Kraftwerke, die nach dem Sauerstoffbrenngasverfahren
arbeiten (so genannte ”Oxyfuel”-Anlagen). Bei
solchen Anlagen ist bereits eine Verdichtung des kohlendioxidreichen
Abgasstroms vorgesehen, um dieses einer Nutzung oder Lagerung zuführen
zu können. Diese Abgasverdichtung kann auf technisch elegante
Weise zum Zwecke der Erfindung genutzt werden. Demnach erfolgt die
katalytische Behandlung des Gasstroms im Bereich dieser Abgasverdichtung
bei erhöhtem Druck. Bei dieser besonders bevorzugten Variante
der Erfindung wird also der verdichtete Gasstrom von einem kohlendioxidreichen
Abgasstrom einer Großfeuerungsanlage gebildet, in der fossile
Brennstoffe mit einem Verbrennungsgas verbrannt werden, das einen
höheren Sauerstoffanteil als Luft aufweist.
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In
diesem Fall ist es zweckmäßig, einen Teil des
kohlendioxidreichen Gasstroms vor der Verdichtung des Gasstroms
zur Verbrennung zurückzuführen. Dies bewirkt einerseits
aufgrund der Senkung der Verbrennungstemperatur eine Verminderung
der Stickoxidbildung bei der Verbrennung. Andererseits wird der
dem Katalysator zugeführte Gasvolumenstrom verkleinert,
so dass die Katalysatoreinheit noch kompakter ausgeführt
werden kann. Aufgrund der Gasrückführung werden
die Stickoxide in dem Gasstrom zum Katalysator aufkonzentriert,
was aufgrund der i. A. positiven Reaktionsordnung bzgl. der Stickoxidekonzentrationen
weiter zur Verkleinerung der Katalysatoreinheit beiträgt.
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Nach
der katalytischen Behandlung kann der verdichtete, kohlendioxidreiche
und stickoxidarme Gasstrom einer Nutzung oder Speicherung zugeführt werden.
Beispielsweise kann er in Gesteinsschichten des Untergrunds verpresst
werden, ohne dass die Gefahr einer negativen Beeinflussung von Gesteinsformationen
durch die Einwirkung von Stickoxiden besteht. Der nach einer Kohlendioxidreinigung
anfallende Gasstrom mit verringertem Kohlendioxidgehalt erfüllt
nach der katalytischen Enstickung die gesetzlichen Vorgaben bzgl.
Stickoxidemissionen.
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Vorzugsweise
wird zur katalytischen Stickoxidentfernung ein mindestens ein Mischoxid
enthaltender Katalysator verwendet. Hierfür kommt insbesondere
Vanadium-Titanoxid in Betracht. Dabei werden als Reduktionsmittel
für die katalytische Behandlung bevorzugt Ammoniak und/oder
ammoniakerzeugende Derivate wie z. B. Harnstoff eingesetzt. Alternativ
kann auch ein mindestens ein Edelmetall, insbesondere Platin, enthaltender
Katalysator verwendet werden, der bereits bei Temperaturen von 100
bis 200°C eingesetzt werden kann. Besonders empfehlenswert
ist die Verwendung eines selektiven Edelmetallkatalysators, der
z. B. Platin auf einem Mischoxid-Träger enthält.
In diesem Fall kann mit Vorteil Wasserstoff als Reduktionsmittel
eingesetzt werden. Mit entsprechend ausgewählten Katalysatoren
kann die Umsetzung durch eine partielle Umwandlung von Stickstoffmonoxid
zu Stickstoffdioxid im Vorfeld noch beschleunigt werden. Prinzipiell
können die genannten Katalysatoren und Reduktionsmittel
auch kombiniert werden.
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Der
Gasstrom wird zur katalytischen Stickoxidentfernung bevorzugt auf
einen Druck zwischen 2 und 100 bar, besonders bevorzugt zwischen
5 und 50 bar, verdichtet.
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Außerdem
erfolgt die katalytische Behandlung vorteilhafterweise bei einer
Temperatur im Bereich von 100 bis 350°C, besonders bevorzugt
im Bereich von 120 bis 250°C. Die erforderliche Wärme kann
durch Nutzung der Kompressionswärme infolge der Verdichtung
des Gasstroms, durch Wärmetausch im Gegenstrom, durch einen
Elektroerhitzer, eine Integration in das Kraftwerk (z. B. mit Dampf)
oder durch Kombinationen der genannten Methoden bereitgestellt werden.
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Am
Eintritt des Gasstroms zur katalytischen Entstickung liegen die
Konzentrationen an Stickoxiden vorzugsweise bei 200 bis 2500 mg/Nm3, besonders bevorzugt bei 400 bis 1000 mg/Nm3. Dabei enthält der zu behandelnde
Gasstrom als Hauptbestandteil Kohlendioxid (typischerweise über
70 Vol-%) und daneben noch Sauerstoff (typischerweise 2 bis 10 Vol-%)
sowie Stickstoff und Spuren weiterer Gase.
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Gemäß einer
Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird die katalytische Stickoxidentfernung nicht
in dem zur weiteren Nutzung oder Lagerung vorgesehenen, verdichteten,
kohlendioxidreichen Gasstrom durchgeführt, sondern in einem
von diesem nach der Verdichtung abgezweigten Gasstrom mit vermindertem
Kohlendioxidgehalt. Dieser zur Abgabe an die Atmosphäre
vorgesehene Gasstrom wird in Fachkreisen als ”Vent”-Gas
bezeichnet. Bei dieser Variante ist der Verdichtung eine insbesondere kryogene
Reinigungsstufe nachgeschaltet, in der die Gasbestandteile, die
z. B. nicht verpresst werden können, abgetrennt werden.
Auf diese Weise entsteht ein Gasstrom mit erhöhtem Kohlendioxidgehalt, der
der weiteren Nutzung oder Lagerung zugeführt wird, und
ein abgetrennter Gasstrom mit vermindertem Kohlendioxidgehalt, der
an die Atmosphäre abgegeben wird. Der letztgenannte Gasstrom
weist einen erhöhten Stickoxidanteil auf, so dass er vor
der Abgabe an die Atmosphäre gereinigt werden muss. Da
der Gasstrom bereits verdichtet ist, wird bei dieser Verfahrensvariante
die katalytische Stickoxidentfernung mit Vorteil in diesem abgezweigten
Gasstrom durchgeführt.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur katalytischen Entfernung
mindestens eines Teils von Stickoxiden aus einem Gasstrom, insbesondere Abgasstrom,
einer Großfeuerungsanlage, insbesondere eines Kraftwerks,
mit einer der Großfeuerungsanlage in Gasströmungsrichtung
nachgeschalteten Katalysatoreinrichtung.
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Vorrichtungsseitig
wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Katalysatoreinrichtung
eine Gasstromverdichtungseinrichtung vorgeschaltet ist.
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Vorzugsweise
weist die Gasstromverdichtungseinrichtung mindestens zwei Verdichterstufen auf,
wobei die Katalysatoreinrichtung in Gasströmungsrichtung
nach der ersten und vor der letzten Verdichterstufe angeordnet ist.
Besonders bevorzugt ist die Katalysatoreinrichtung zwischen der
ersten und der zweiten Verdichterstufe angeordnet, wo typischerweise
ein Druck von 2 bis 5 bar herrscht. Sie kann auch z. B. am Ende
einer Vorverdichtung in einem Bereich mit einem Druck von 10 bis
30 bar angeordnet sein.
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Die
Katalysatoreinrichtung weist vorteilhafterweise eine wabenförmige
Trägerstruktur mit einer katalytischen Beschichtung auf,
die mindestens ein Mischoxid, insbesondere Vanadium-Titan-Oxid, und/oder
ein Edelmetall, insbesondere Platin, enthält.
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Gemäß einer
anderen Variante der Erfindung weist die Katalysatoreinrichtung
eine Schüttung eines Katalysatormaterials auf, das mindestens
ein Mischoxid, insbesondere Vanadium-Titan-Oxid, und/oder ein Edelmetall,
insbesondere Platin, enthält.
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Die
Erfindung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen:
Aufgrund der
Verdichtung des Gasstroms und gegebenenfalls der Anordnung der katalytischen
Stickoxidentfernung nach der Rückführung eines
Teils des Gasstroms zur Großfeuerungsanlage ist der zur
katalytischen Stickoxidentfernung führende Volumenstrom
verringert, wodurch eine geringere Baugröße der
Apparate ermöglicht wird.
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Da
der Katalysator einer geringeren Staub- und Giftlast ausgesetzt
ist, ist seine Lebensdauer länger.
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Die
bei der Verdichtung des Gasstroms entstehende Wärme kann
sinnvoll zur Erreichung der für die Stickoxidreduktion
erforderlichen Temperaturen genutzt werden.
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Aufgrund
des geringen Schwefeldioxidrestgehalts im Gasstrom ist der Einsatz
von Niedertemperaturkatalysatoren möglich, was zu einer
weiteren Energieeinsparung führt.
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Infolge
des hohen Stickoxid-Eintrittspartialdrucks arbeitet der Katalysator
mit einer erhöhten Reaktionsrate.
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Aufgrund
der in Anwesenheit von Sauerstoff bei erhöhten Drücken
einsetzenden – zumindest teilweisen – Gasphasenumsetzung
von NO zu NO2 wird bei geeignetem Katalysator eine zusätzliche
Beschleunigung der katalytischen NOx-Reduktion erreicht.
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Wegen
der Gasstromverdichtung vor der katalytischen Behandlung ist der
Druckverlust am Katalysator weniger kritisch.
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Aufgrund
der im Niederdruckbereich verbliebenen Rauchgasentschwefelung ist
der zur Verdichtung und anschließenden katalytischen Entstickung geführte
Gasstrom weitgehend schwefelfrei, wodurch Korrosionsprobleme vermieden
werden. Schließlich ergibt sich noch ein wesentlicher Vorteil der
Erfindung dadurch, dass nur gasförmige Produkte, insbesondere
Stickstoff und Wasserdampf, entstehen, so dass keine Entsorgungsprobleme
auftreten.
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Die
Erfindung eignet sich für alle denkbaren Großfeuerungsanlagen,
bei denen kohlendioxidhaltige Gasströme anfallen. Hierzu
zählen z. B. mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke,
Industrieöfen, Dampfkessel und ähnliche thermische
Großanlagen zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung.
Mit besonderem Vorteil kann die Erfindung bei Großfeuerungsanlagen
eingesetzt werden, die mit technisch reinem Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter
Luft als Brenngas versorgt werden und bei denen demzufolge Abgasströme
mit hohen Kohlendioxidkonzentrationen anfallen. Insbesondere eignet
sich die Erfindung für so genannte CO2-arme Kohlekraftwerke, die
mit Sauerstoff als Brenngas betrieben werden (”Oxyfuel”-Kraftwerke)
und bei denen das im Abgas in hoher Konzentration enthaltene Kohlendioxid
abgetrennt und im Untergrund verpresst wird (”CO2-Capture-Technology”).
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Figuren schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden:
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Es
zeigen
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1 einen
Vergleich von Blockschaltbildern einer Rauchgasreinigung nach dem
Stand der Technik (A) mit zwei Varianten der Erfindung (B und C)
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2 eine
Detailansicht einer Rauchgasreinigung mit katalytischer Entstickung
im verdichteten Abgasstrom
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In 1 ist
als Ausführung A eine herkömmliche Rauchgasreinigung
nach dem Stand der Technik dargestellt („Low Dust”-Anordnung).
Dabei wird der Abgasstrom (Rauchgasstrom) eines Verbrennungskessels
K eines Kohlekraftwerks zunächst einer Entstaubung mittels
einer Filtereinheit F zugeführt. Anschließend
erfolgt eine selektive katalytische Reduktion zur Stickoxidentfernung
in einer Katalysatoreinheit SCR. Danach wird das Rauchgas einer Rauchgasentschwefelung
REA, z. B. in einer Wäsche, unterzogen. Ein Teil des gereinigten
Abgases wird über Rücklaufleitung Y zum Verbrennungskessel
V des Kraftwerks zurückgeführt.
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Im
vorliegenden Beispiel soll es sich um ein nach dem Sauerstoffbrenngasverfahren
arbeitendes Kraftwerk (sog. ”Oxyfuel”-Kraftwerk)
handeln. Dabei wird die Kohle mit technisch reinem Sauerstoff (Sauerstoffgehalt
im Brenngas > 95 Vol-%)
verbrannt. Das kohlendioxidreiche Abgas dieser Verbrennung soll
zu einem Großteil in Gesteinsschichten des Untergrunds
verpresst werden, um die Kohlendioxidemissionen an die Atmosphäre
und die damit verbundenen klimaschädlichen Wirkungen (Treibhauseffekt) zu
verringern. Hierzu wird das in den oben beschriebenen Reinigungsschritten
aufbereitete Abgas mittels eines Verdichters V komprimiert und zunächst
einer kryogenen Reinigung R zugeführt, in der die nicht verpressbaren
Bestandteile abgetrennt und als Gasstrom G (”Vent”-Gas)
abgezogen werden. Der verbleibende kohlendioxidreiche Abgasstrom
wird schließlich z. B. über Rohrleitungen und
Zwischenspeicherbehälter zur Verpressung P geleitet.
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Bei
dieser herkömmlichen Rauchgasreinigung erfolgt somit die
selektive katalytische Reduktion SCR im nahezu drucklosen Bereich
vor der Abgasverdichtung.
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In
Ausführung B ist zum Vergleich eine Rauchgasreinigung nach
der Erfindung gezeigt, bei der die selektive katalytische Reduktion
SCR im Abgasstrom nach der Verdichtung V erfolgt. Dabei wird wie
bei der Ausführung A von einem Kraftwerk ausgegangen, das
nach dem Sauerstoffbrenngasverfahren arbeitet (”Oxyfuel”-Kraftwerk).
Das im Verbrennungskessel K anfallende, kohlendioxidreiche Abgas wird
analog zur Ausführung A zunächst in einer Filtereinrichtung
F entstaubt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Anordnung wird
gemäß der Erfindung nun jedoch die Rauchgasentschwefelung
REA vorgezogen und bereits im Anschluss an die Entstaubung in der
Filtereinheit F durchgeführt. Ein Teil des so aufbereiteten
Abgases wird zum Verbrennungskessel K zur Senkung der Verbrennungstemperatur und
somit zur Verminderung der Stickoxidbildung über die Rückführleitung
Y zurückgeleitet. Der verbleibende Abgasstrom wird einem
Verdichter V zugeführt. Der komprimierte Abgasstrom wird
zur selektiven katalytischen Reduktion einer Katalysatoreinheit SCR
zugeleitet. Das von Stickoxiden weitgehend befreite Abgas wird dann
in einer kryogenen Reinigungsstufe R in einen Gasstrom G, der die
nicht verpressbaren Bestandteile enthält und einen kohlendioxidreichen
und weitgehend stickoxidfreien Abgasstrom, der für die
Verpressung P vorgesehen ist, aufgeteilt. Im Gegensatz zur herkömmlichen
Rauchgasreinigung gemäß der Ausführung
A erfolgt somit die selektive katalytische Reduktion in der Katalysatoreinheit
SCR nicht im nahezu drucklosen Bereich, sondern bei einem erhöhten
Druck nach der Kompression des Abgasstroms im Verdichter V.
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In
Ausführung C ist eine Variante der Erfindung gezeigt, bei
der die selektive katalytische Reduktion im abgezweigten Gasstrom
G (”Vent”-Gas) erfolgt. Diese Variante unterscheidet
sich von der Ausführung B dadurch, dass der im Verdichter
V komprimierte Abgasstrom nicht unmittelbar der Katalysatoreinheit
SCR zugeführt wird, sondern zunächst in der kryogenen
Reinigung R aufbereitet wird. Dabei werden die nicht verpressbaren
Bestandteile vom Abgasstrom abgetrennt. Der abgetrennte Gasstrom G
enthält einen verminderten Anteil an Kohlendioxid und einen
erhöhten Anteil an Stickoxiden. Zur weitgehenden Entfernung
der Stickoxide aus dem zur Abgabe an die Atmosphäre vorgesehenen
Gasstrom G wird in der Katalysatoreinheit SCR eine selektive katalytische
Reduktion durchgeführt. Der so gereinigte Gasstrom G kann
anschließend an die Umgebung abgelassen werden. Der verbleibende
Abgasstrom mit erhöhtem Kohlendioxidgehalt wird der Verpressung
P zugeführt.
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In 2 ist
eine Detailansicht der Verdichtung und katalytischen Behandlung
des Abgasstroms gezeigt. Dabei entspricht die Anordnung der im Blockschaltbild
von 1 gezeigten Ausführung B. Das in der
nicht dargestellten Entstaubung und Entschwefelung vorgereinigte,
kohlendioxidreiche Rauchgas RG wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel
in einem Verdichter V in zwei Stufen auf den gewünschten
Druck von 15 bis 25 bar komprimiert. In einem nachgeschalteten Gegenstromwärmetauscher
W wird der durch die Kompression bereits vorgewärmte Abgasstrom
gegen den in der Katalysatoreinheit SCR behandelten Abgasstrom weiter
erwärmt, um anschließend im folgenden Elektroerhitzer
E auf die gewünschte Reaktionstemperatur von 140 bis 160°C
gebracht zu werden. Nach der Verdichtung des Abgasstroms wird Wasserstoff
als Reduktionsmittel RD zugeführt. Die selektive katalytische
Reduktion findet schließlich in der Katalysatoreinheit
SCR statt. Hierzu wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ein selektiver Edelmetallkatalysator verwendet, der Platin auf einem
Mischoxid-Träger aufweist.
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Beispiel: selektiver Edelmetallkatalysator
mit Wasserstoff als Reduktionsmittel
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- Pt-Mischoxid-Katalysator
- ca. 400 ppm NOx, 2,5% O2, 10% N2 in CO2
- T ca. 150°C
- p ca. 25 barg
- GHSV ca. 100000 h–1
- U-NOx ca. 90%
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Zum
Vergleich liegen klassische DeNOx-Anwendungen mit Vanadium/Titanoxidkatalysatoren
im näherungsweise drucklosen Bereich bei Vergleichbaren
Umsetzungen bei einer Raumgeschwindigkeit von 3000–10000
h–1 und Temperaturen von 300–450°C.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ”Catalytic
Air Pollution Contol”, R. M. Heck, R. J. Farrauto, van
Nostrand Reinhold (1995) [0005]
- - 40. Kraftwerkstechnischen Kollloquium 2008; ”Zielkonflikt
Emissionen und Energieeffizienz”; Prof. M. Beckmann, Prof.
U. Gampe, S. Grahl, S. Hellfrisch; TU Dresden, Institut für
Energietechnik [0005]