DE102009037050A1

DE102009037050A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermeidung von Staubablagerungen in einer von einem staubhaltigen Abgas durchströmten Behandlungseinrichtung

Info

Publication number: DE102009037050A1
Application number: DE102009037050A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Frie; Detlev Dr.-Ing. Kupper; Melanie Tribowski; Timo Stender; Mark Dr.-Ing. Colberg; Markus Dr.-Ing. Deimel; Alfred Buhl
Original assignee: Polysius AG
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2011-02-17
Also published as: WO2011018333A1

Abstract

Beim erfindungsgemäßen Verfahren soll eine von einem staubhaltigen Abgas durchströmte Behandlungseinrichtung vor Staubablagerungen geschützt werden, wobei die Behandlungseinrichtung Oberflächenbereiche aufweist, die mit dem staubhaltigen Abgas in Kontakt kommen. Dabei wird der im Abgas enthaltene Staub vor dem Durchströmen der Behandlungseinrichtung elektrostatisch aufgeladen und die mit dem staubhaltigen Abgas in Kontakt kommenden Oberflächenbereiche werden auf einem Potential gehalten, das zum Potential des aufgeladenen Staubes gleichgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung von Staubablagerungen in einer von einem staubhaltigen Abgas durchströmten Behandlungseinrichtung.
Bei der Behandlungseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Katalysator zur selektiven katalytischen Entstickung von Rauchgasen der Zement- und Mineralsindustrie handeln.
Das SCR-Verfahren zur NO_X-Minderung erfordert aufgrund der mitunter hohen Schwefelfrachten im Abgas von Anlagen zur Herstellung von Zementklinker minimale Reaktionstemperaturen größer 260°C. Daher ist es in der Regel notwendig, den Katalysator direkt hinter dem Zyklonvorwärmer zu platzieren Hier liegen prozessbedingt günstige Temperaturen von etwa 300 bis 380°C vor. Ungünstiger Weise liegen nach dem letzten Vorwärmerzyklon aber auch extrem hohe Staubbeladungen in der Größenordnung von 50 bis 150 g/Nm³ (Nm³ = Normkubikmeter) vor. Diese hohen Staubfrachten führen zu Betriebsproblemen in Form von Verstopfungen des Katalysators und zur Deaktivierung der porösen Katalysatoroberfläche. Naheliegend ist daher der Gedanke, das Abgas unmittelbar nach dem Vorwärmer zumindest teilweise zu entstauben, um diese Probleme zu mindern. Dabei ist insbesondere der Einsatz eines Heißelektrofilters günstig, der ohne Abgaskonditionierung bzw. Abkühlung bei Temperaturen größer 300°C eine teilweise Entstaubung des Abgasstromes bewirken kann.
Die DE 34 35 953 A1 und die CA 2,145,111 A1 beschreiben kombinierte Verfahren mit Elektrofiltern und SCR-Katalysatoren. In einen Spannungsfeld werden die Staubpartikel durch die Koronaentladung einer Sprühelektrode elektronegativ aufgeladen. Auf der folgenden elektropositiv gepolten Niederschlagselektrode wird der Staub abgeschieden. Die Niederschlagselektrode ist mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet bzw. wird aus katalytisch aktivem Material gefertigt. An der Niederschlagselektrode finden somit die Staubabscheidung und die NO-Reduktion statt.
Dieses Verfahren bietet jedoch keine Lösung für Staubablagerungen auf dem Katalysator. Vielmehr wird der Staub gezielt auf der Katalysatoroberfläche abgeschieden und führt zu den bekannten negativen Folgeeffekten: Verstopfung der Poren und Deaktivierung der aktiven Oberfläche.
Außerdem ist die Fläche der Niederschlagselektroden vollkommen unzureichend, um eine ausreichend aktive Oberfläche für die Redox-Reaktion am Katalysator zur Verfügung zu stellen. Für die Reinigung eines industriellen Abgases aus Kraftwerken oder Zementfabriken sind Katalysatoroberflächen von mehreren tausend Quadratmetern erforderlich, die nur durch die bekannten Geometrien wie Schüttungen, Waben oder Plattenpackungen bereitgestellt werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen wirkungsvollen Schutz vor Staubablagerungen in einer von einem staubhaltigen Abgas durchströmten Behandlungseinrichtung anzugeben, der auch dann eingesetzt werden kann, wenn sehr große industrielle Abgasmengen, beispielsweise aus Kraftwerken oder Zementanlagen, zu behandeln sind.
Erfindungsgemäß wir diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren soll eine von einem staubhaltigen Abgas durchströmte Behandlungseinrichtung vor Staubablagerungen geschützt werden, wobei die Behandlungseinrichtung Oberflächenbereiche aufweist, die mit dem staubhaltigen Abgas in Kontakt kommen. Dabei wird der im Abgas enthaltene Staub vor dem Durchströmen der Behandlungseinrichtung elektrostatisch aufgeladen und die mit dem staubhaltigen Abgas in Kontakt kommenden Oberflächenbereiche werden auf einem Potential gehalten, das dem Potential des aufgeladenen Staubes gleichgerichtet ist.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die aufgeladenen Staubpartikel von den Oberflächenbereichen, die beispielsweise die Oberfläche eines Katalysators bilden, abgestoßen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens ist wenigstens eine Einrichtung zur elektrostatischen Staubaufladung und eine nachfolgend angeordnete, von dem staubhaltigen Abgas durchströmte Behandlungseinrichtung vorgesehen, wobei die Behandlungseinrichtung mit dem staubhaltigen Abgas in Kontakt kommende Oberflächenbereiche aufweist, die auf einem Potential liegen, das dem Potential des aufgeladenen Staubes gleichgerichtet ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der Einrichtung zur elektrostatischen Staubaufladung ein Teil des elektrostatisch aufgeladenen Staubes von einer Niederschlagselektrode angezogen und dort ausgetragen, während der verbleibende Staub zusammen mit dem Abgas der Behandlungseinrichtung zugeführt wird. Die Einrichtung zur elektrostatischen Staubkonditionierung weist beispielsweise wenigstens eine Sprühelektrode und wenigstens eine Niederschlagselektrode auf. Sie kann aber auch als Ionisator ausgebildet sein.
Die von den staubhaltigen Abgasen durchströmte Behandlungseinrichtung kann beispielsweise durch einen Katalysator gebildet werden, der insbesondere elektrisch leitende Träger aufweist, auf welchen die Katalysatormasse aufgebracht ist. Diese elektrisch leitenden Träger können dann mit einer Spannungsquelle zur Anlegung des Potentials verbunden werden. Wird das Abgas in der Behandlungseinrichtung katalytisch entstickt, wird man dem Abgas ein Reduktionsmittel, insbesondere ein ammoniakhaltiges Reduktionsmittel, vor oder nach der elektrostatischen Aufladung des im Abgas enthaltenen Staubes zugeben.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht aber auch die Möglichkeit, dass die mit dem staubhaltigen Abgas in Kontakt kommenden Oberflächenbereiche der Behandlungseinrichtung eine permanent elektrostatische Eigenschaft aufweisen, die auch als Elektreteigenschaft bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um ein elektrisch isolierendes Material, das quasi permanent gespeicherte elektrische Ladungen oder permanent ausgerichtete Dipole enthält und so ein quasi permanentes elektrisches Feld in seiner Umgebung oder in seinem Inneren erzeugt. Diese Eigenschaft ermöglicht es, eine elektrostatisch abweisende Oberfläche zu erzeugen, ohne eine permanente Spannung anlegen zu müssen. Es besteht die Möglichkeit ein solches Elektret als Beschichtung auf die Oberflächenbereiche aufzubringen. Bei einem Katalysator müsste die Beschichtung dabei so gestaltet sein, dass sie nicht den Zugang zu den Makroporen und damit zu der wichtigen, großen inneren Oberfläche des Katalysators verschließt.
Eine Variante besteht darin, das Elektret nur bereichsweise auf dem Katalysator aufzubringen. Dies kann beispielsweise durch eine Netzstruktur erfolgen, die auf den Katalysator gespannt wird. Umgekehrt besteht die Möglichkeit den Katalysator auf einen Träger-Monolithen aufzubringen, der entsprechende Elektreteigenschaften besitzt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Behandlungseinrichtung durch einen Katalysator gebildet wird, weist dieser Katalysatorplatten und Niederschlagsplatten auf, die abwechselnd zueinander angeordnet sind, wobei die Oberflächenbereiche, die auf einem Potential liegen, das zum Potential des aufgeladenen Staubes gleichgerichtet ist, durch die Katalysatorplatten gebildet werden und die Niederschlagsplatten ein entgegengesetztes Potential aufweisen. Der Strömungsquerschnitt wird dabei abwechselnd mit Katalysator- und Niederschlagsplatten bestückt.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist das katalytisch aktive Material auf einem elektrisch leitenden Träger, vorzugsweise auf einem Drahtgeflecht, wie es bei gängigen Plattenkatalysatoren verwendet wird, aufgebracht. Das Katalysatormaterial wird so auf das elektrisch leitende Drahtgeflecht aufgebracht, dass an den Enden ein elektrisches Potential angeschlossen werden kann. Das angeschlossene Potential ist gleichsinnig zur Aufladung des Staubes. Der Gegenpol wird durch die Niederschlagsplatten gebildet, die nicht mit Katalysatormaterial beschichtet sind und aus einem metallischen Werkstoff bestehen, der eine geringe Oberflächenrauhigkeit und eine geringe Adhäsion gegenüber dem Staub aufweist. Die praktische Erfahrung zeigt, dass sich hierzu insbesondere Platten eignen, die eine gemittelte Rauhtiefe R_z kleiner 2 um aufweisen. Als Werkstoff eignen sich nichtrostende austenitische Stähle mit Cr Gehalten > 13% (w), vorzugsweise X5CrNi18-10/Werkstoff-Nr. 1.43.01.
Durch die Staubaufladung in der vorgeschalteten Einrichtung zur elektrostatischen Staubaufladung erfahren die Staubpartikel zwischen den Platten eine starke Anziehung zur nicht katalytischen Niederschlagsplatte und werden somit effektiv von den Katalysatorplatten ferngehalten.
Die Abreinigung der Niederschlagselektroden in Elektrofiltern erfolgt in der Regel mechanisch durch Klopfeinrichtungen. Für die erfindungsgemäße Ausführung ist diese Variante unvorteilhaft, weil die Vielzahl der Platten in einem Katalysator bei einer mechanischen Abklopfvorrichtung zu einem unverhältnismäßigen Aufwand führen würde.
Vorteilhafter Weise wird die Reinigung der Niederschlagsplatten daher ebenfalls durch eine elektrostatische Maßnahme durchgeführt. Dies erfolgt in Form einer Impulsreinigung. Die in der Regel positiv gepolten Niederschlagsplatten werden für wenige Millisekunden mit einer negativen Spannung beaufschlagt. Die negativ gepolten Katalysatorplatten werden entsprechend mit einem positiven Potential beaufschlagt. Diese Umpolung bewirkt eine Abstoßung der Staubablagerungen. Die Abreinigung kann zeitgleich mit einem Staubbläser unterstützt werden, der kurzzeitig den Volumenstrom und damit die Gasgeschwindigkeit erhöht und den Abtransport des gelösten Materials über den Gasstrom unterstützt, ohne dass es zu einer Anlagerung des Staubes an den Katalysatorplatten kommt. Die Umpolung erfolgt für sehr kurze Zeitintervalle, mit einer Dauer von weniger als 1 Sekunde.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindungen werden im Folgenden anhand der weiteren Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen
1 eine Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine schematische Detailansicht der Behandlungseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
3 eine schematische Detailansicht der Behandlungseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Schutz vor Staubablagerungen besteht im Wesentlichen aus einer Einrichtung 2 zur elektrostatischen Staubaufladung und einer nachfolgend angeordneten, von einem staubhaltigen Abgas 1 durchströmten Behandlungseinrichtung 5. Die Einrichtung 2 zur elektrostatischen Staubaufladung weist beispielsweise eine Sprühelektrode 2a und einer Niederschlagselektrode 2b auf. Je nach Ausführungsform kommt es zur einer ausschließlichen Aufladung des im Abgas 1 enthaltenen Staubes, oder aber zu einer partiellen Abscheidung einer Teilfraktion 3 des Staubes.
Die Einrichtung zur elektrostatischen Staubaufladung kann insbesondere durch einen unzureichend dimensionierten Elektrofilter gebildet werden, wobei die Sprüh- und Niederschlagselektrode an eine Hochspannungsquelle angeschlossen sind. Das Spannungsfeld bewirkt eine Koronaentladung zwischen Sprüh- und Niederschlagselektrode und eine vollständige Aufladung der Staubpartikel im Gasraum. An der Niederschlagselektrode 2b erfolgt eine nicht vollständig Staubabscheidung, typischerweise auf Werte < 10 g/Nm³, aber mehr als 1 g/Nm³. Die nicht abgeschiedenen, aber aufgeladenen Staubpartikel gelangen zusammen mit dem Abgas in die nachfolgende Behandlungseinrichtung 5.
In einer anderen Ausführungsform kann die Gegenelektrode aber auch so ausgeführt werden, dass sie nur die hohen Feldstärken aufbaut und keine Funktion im Sinne einer Staubabscheidung übernimmt. In diesem Falle wird der Staub ausschließlich elektrostatisch aufgeladen und nicht abgeschieden.
Wird die nachfolgende Behandlungseinrichtung 5 durch einen Katalysator gebildet ist die Eindüsung eines ammoniakhaltigen Reduktionsmittel 4 vorgesehen. Insbesondere bei angestrebter Abscheidung einer Teilfraktion 3 des Staubes wird das für die SCR-Reaktion notwendige Reduktionsmittel 4 nach der Einrichtung 2 zur elektrostatischen Staubaufladung zugegeben. Alternativ ist auch eine vorgeschaltete Dosierung möglich.
In der als Katalysator ausgebildeten Behandlungseinrichtung 5 erfolgt die Entstickung des Abgases 1 mit Ammoniak oder einer ammoniakhaltigen Substanz nach der folgenden Reaktionsgleichung. NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O
Die Eindüsung von Ammoniak steigert die Leitfähigkeit in der Einrichtung 2 zur elektrostatischen Staubaufladung. Bei hohen Temperaturen (> 300°C) liegt aber bereits ein sehr geringer Staubwiderstand vor. Zu geringe Staubwiderstände können ein Rücksprühen der Gegenelektrode fördern. Daher wird Ammoniak vorzugsweise erst nach dem Elektrofilter Ionisator eingedüst, um die Gefahr des Rücksprühens entladener Partikeln zu reduzieren.
In einem ggf. nachgeschalteten Abhitzekessel oder Wärmetauscher 6 kann ein Teil der Abgaswärme auf ein Fluid übertragen werden, bevor das Abgas weiteren Prozessstufen 7 übergeben wird.
Im Rahmen der Erfindung kann die Behandlungseinrichtung 5 insbesondere durch einen Katalysator, einen Wärmetauscher, einen Abhitzekessel oder auch durch eine Schutz- oder Opferschicht gebildet werden, die einem Katalysator vorgelagert ist.
2 zeigt eine schematische Detailansicht der als Katalysator ausgebildeten Behandlungseinrichtung 5. Das staubbeladene und in Bezug auf die Staubbeladung ionisierte Abgas 1 durchströmt die Kanäle des Katalysators. Die Oberflächenbereiche 8 der Katalysatorplatten oder Waben weisen eine Oberflächenladung auf, die der des aufgeladenen Staubes 9 entspricht. Damit kommt es zu einem abstoßendem Effekt zwischen Staub 9 und den Oberflächebereichen 8, wobei die Oberflächenladung des Katalysators erfindungsgemäß durch eine Elektret-Beschichtung realisiert werden kann.
3 zeigt eine weitere Detailansicht einer als Katalysator ausgebildeten Behandlungseinrichtung 5 in einer alternativen Ausführungsform. Die Oberflächenbereiche 8 der Katalysatorplatten sind abwechselnd mit elektrisch leitenden Niederschlagsplatten 10 im Raum angeordnet und jeweils an den entgegengesetzten Pol einer Spannungsquelle 11 angeschlossen. Es bildet sich entsprechend ein elektrisches Feld E mit den Feldlinien 12 zwischen den Katalysatorplatten und den Niederschlagsplatten aus, sodass die eintretenden Staubpartikeln 9 zu den Niederschlagselektroden 10 bewegt und von der Oberflächenbereichen 8 der Katalysatorplatten ferngehalten werden.
Die Reinigung der Niederschlagsplatten kann ebenfalls durch eine elektrostatische Maßnahme durchgeführt werden. Dies erfolgt in Form einer Impulsreinigung. Die in der Regel positiv gepolten Niederschlagsplatten werden für wenige Millisekunden mit einer negativen Spannung beaufschlagt. Die negativ gepolten Katalysatorplatten werden entsprechend mit einem positiven Potential beaufschlagt. Diese Umpolung bewirkt eine Abstoßung der Staubablagerungen. Die Abreinigung kann zeitgleich mit einem Staubbläser unterstützt werden, der kurzzeitig den Volumenstrom und damit die Gasgeschwindigkeit erhöht und den Abtransport des gelösten Materials über den Gasstrom unterstützt, ohne dass es zu einer Anlagerung des Staubes an den Katalysatorplatten kommt. Die Umpolung erfolgt für sehr kurze Zeitintervalle, mit einer Dauer von weniger als 1 Sekunde.
Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren wird die im Abgas enthaltene Staubfracht nicht zu den aktiven Oberflächenbereichen des Katalysators hintransportiert, sondern durch elektrostatische Kräfte davon abgehalten, sodass ausreichend große Katalysatorflächen bereitstehen, um einen nennenswerten DeNOx-Effekt realisieren zu können.
Auch wenn die dargestellten Ausführungen der Erfindung sich im Wesentlichen auf einen SCR-Katalysator beziehen, kann die Erfindung auch auf andere Anwendungen übertragen werden, bei denen eine Behandlungseinrichtung vor einer Belegung mit Staub geschützt werden soll. Dies ist insbesondere bei Abhitzekesseln und Wärmeüberträgern der Fall. Ein Staubbelag auf den Übertragungsrohren kann ebenfalls durch die Aufladung des Staubes und die gleichsinnige elektrostatische Aufladung der Wärmetauscherflächen gelöst werden.
SCR Katalysatoren werden z. T. mit mechanischen Schutz- oder Opferschichten ausgerüstet, die den Verschleiß an den Stirnkanten des Katalysators durch Stauberosion und Kraftwirkungen der Rußbläser mindern sollen. Auch diese Schichten können durch eine entsprechende Polarisation an der Oberfläche vor Staubablagerungen geschützt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3435953 A1 [0004]
- CA 2145111 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Schutz vor Staubablagerungen in einer von einem staubhaltigen Abgas (1) durchströmten Behandlungseinrichtung (5), die Oberflächenbereiche (8) aufweist, die mit dem staubhaltigen Abgas in Kontakt kommen, wobei der im Abgas enthaltene Staub vor dem Durchströmen der Behandlungseinrichtung (5) elektrostatisch aufgeladen wird und die mit dem staubhaltigen Abgas in Kontakt kommenden Oberflächenbereiche auf einem Potential gehalten werden, das zum Potential des aufgeladenen Staubes gleichgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des elektrostatisch aufgeladenen Staubes von einer Niederschlagselektrode (2b) angezogen und dort ausgetragen wird und der verbleibende Staub zusammen mit dem Abgas der Behandlungseinrichtung (5) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas in der Behandlungseinrichtung (5) katalytisch entstickt wird und dem Abgas ein Reduktionsmittel (4), insbesondere ein ammoniakhaltiges Reduktionsmittel, vor oder nach der elektrostatischen Aufladung des im Abgas enthaltenen Staubes zugegeben wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Einrichtung (2) zur elektrostatischen Staubaufladung und eine nachfolgend angeordnete, von dem staubhaltigen Abgas (1) durchströmte Behandlungseinrichtung (5) vorgesehen sind, wobei die Behandlungseinrichtung mit dem staubhaltigen Abgas in Kontakt kommende Oberflächenbereiche (8) aufweist, die auf einem Potential liegen, das zum Potential des aufgeladenen Staubes gleichgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur elektrostatischen Staubkonditionierung wenigstens eine Sprühelektrode (2a) und wenigstens eine Niederschlagselektrode (2b) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur elektrostatischen Staubkonditionierung (2) durch einen Ionisator gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungseinrichtung (5) durch einen Katalysator gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (5) elektrisch leitende Träger aufweist, auf die Katalysatormasse aufgebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Träger mit einer Spannungsquelle verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem staubhaltigen Abgas in Kontakt kommenden Oberflächenbereiche (8) der Behandlungseinrichtung (5) eine permanent elektrostatische Eigenschaft aufweisen (Elektreteigenschaft).
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator Katalysatorplatten und Niederschlagsplatten (10) aufweist, die abwechselnd zueinander angeordnet sind und die Oberflächenbereiche (8), die auf einem Potential liegen, das zum Potential des aufgeladenen Staubes gleichgerichtet ist, durch die Katalysatorplatten gebildet werden und die Niederschlagsplatten (10) ein entgegengesetztes Potential aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysator- und Niederschlagsplatten (10) während einer Reinigungsphase kurzzeitig mit jeweils entgegengesetzten elektrostatischen Spannungsimpulsen beaufschlagbar sind.