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Die
Erfindung betrifft einen SCR-Katalysator zur Entstickung von staubhaltigen
Abgasen mit einer Druckluftanlage zur Abreinigung von Ablagerungen und
Verstopfungen im Bereich des Katalysators.
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Das
SCR-Verfahren zur NOx-Minderung erfordert
aufgrund der mitunter hohen Schwefelfrachten im Abgas von Anlagen
zur Herstellung von Zementklinker minimale Reaktionstemperaturen
von mehr als 280°C. Daher ist es in der Regel notwendig, den
Katalysator direkt hinter dem Vorwärmer zu platzieren,
da hier prozessbedingt günstige Temperaturen von etwa 300–380°C
vorliegen. Ungünstiger Weise liegen an dieser Stelle jedoch
auch extrem hohe Staubbeladungen in der Größenordnung
von 50 bis 150 g/Nm3 vor (Nm3 =
Normkubikmeter). Diese hohen Staubfrachten führen zu Betriebsproblemen
in Form von Verstopfungen des Katalysators und zur Deaktivierung
der porösen Katalysatoroberfläche. Da der Katalysator
fest im Reaktor montiert wird, sind die Möglichkeiten,
den Katalysator im Betrieb zu reinigen und zu reaktivieren begrenzt.
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Stand
der Technik ist der Einsatz von Schallhörnern und Druckluftbläsern
zur Abreinigung von Ablagerungen und Verstopfungen im Bereich des
Katalysators. Der Einsatz von Druckluftbläsern ist für
die Zementindustrie in der
DE
100 37 499 A1 beschrieben. In der
DE 10 2005 039 997 A1 wird
zur Unterstützung der Reinigungsleistung der Staubbläser
zusätzlich eine akustische Reinigung mit Schallhörnern beschrieben.
Schallhörner senden Wellen aus, um den angelagerten Staub
aufzulockern, der dann anschließend mit den Staubbläsern
entfernt wird.
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Damit
die Schalhörner überhaupt wirken können,
ist zunächst die richtige Montagestelle im System, an der
die Eigenfequenz der Katalysatormasse angeregt wird, durch einen
langen Optimierungsprozess zu ermitteln. Wie die industrielle Anwendung
zeigt, führt die Verwendung dieser Verfahren im Bereich
der Herstellung von Zementklinker aber nicht zum gewünschten
Reinigungseffekt.
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„High-Dust”-geschaltete
SCR-Katalysatoren verstopfen auch mit Druckluftbläsern
und Schallquellen sehr schnell und weisen keine ausreichenden Verfügbarkeiten
auf.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verstopfungen und Ablagerungen
im Bereich des Katalysators wirkungsvoll zu entfernen bzw. zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12
gelöst.
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Der
erfindungsgemäße SCR-Katalysator zur Entstickung
von staubhaltigen Abgasen weist Stirnkanten auf, die den staubhaltigen
Abgasen ausgesetzt sind und sieht eine Druckluftanlage zur Erzeugung
von Druckluftimpulsen zur Abreinigung von Ablagerungen und Verstopfungen
im Bereich des Katalysators vor. Die den staubhaltigen Abgasen ausgesetzten
Stirnkanten des Katalysators sind durch eine in Strömungsrichtung
der Abgase vorgelagerte Schutz- oder Opferschicht abgeschirmt und
die Druckluftanlage ist zur Erzeugung von Druckluftimpulsen von
maximal einer Sekunde Dauer und Stoßkräften von
mindestens 200 N ausgelegt.
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Bei
den der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen hat sich gezeigt,
dass eine wirkungsvolle Entfernung von Verstopfungen und Ablagerungen nur
durch energieintensive Druckluftimpulse zuverlässig realisiert
werden kann. Druckluftimpulse von maximal einer Sekunde Dauer und
Stoßkräften von mindestens 200 N sind hierzu geeignet,
würden jedoch zu einer Beschädigung des Katalysators
fuhren, wenn man nicht, wie vorgesehen, eine Schutz- oder Opferschicht
dem Katalysator vorlagert. Die Schutz- oder Opferschicht ist aus
einem Material gefertigt, welches den energieintensiven Druckluftimpulsen
standhält oder im Laufe der Zeit verschleißt (geopfert
wird). Das Einsetzen einer neuen Schutz- oder Opferschicht ist im
Vergleich zum Austausch des Katalysators auf einfache Art und Weise
zu realisieren.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren zur Entstickung von
staubhaltigen Abgasen werden die den staubhaltigen. Abgasen ausgesetzten
Stirnkanten des Katalysators durch eine in Strömungsrichtung der
Abgase vorgelagerte Schutz- oder Opferschicht abgeschirmt und es
kommen Druckluftimpulse von maximal einer Sekunde Dauer und Stoßkräften
von mindestens 200 N zur Anwendung, um Ablagerungen und Verstopfungen
im Bereich des Katalysators abzureinigen.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Druckluftanlage weist vorzugsweise ein oder mehrere Düsen
sowie eine Verfahreinrichtung auf, wobei die Düsen mittels
der Verfahreinrichtung über den Strömungsquerschnitt
des Katalysators bewegt werden können. Des Weiteren weist
die Druckluftanlage wenigstens einen Druckluftbehälter
auf, der mit ein oder mehreren Düsen in Verbindung steht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Schutz- oder Opferschicht eine
Stärke in Strömungsrichtung der Abgase auf, die wenigstens
10 mal, vorzugsweise wenigstens 20 mal so groß wie der
Platten- oder Wabenabstand des Katalysators ist. Die Schutz- oder
Opferschicht kann aus einem beschichteten, metallischen oder einem keramischen
Werkstoff bestehen und weist zweckmäßigerweise
eine gemittelte Rauhtiefe RZ < 2 μm auf.
Des Weiteren könnte die Schutz- oder Opferschicht auch
aus einem nicht rostenden aus austenitischen Stahl mit Chrom gehalten > 13% gefertigt werden.
Die Schutz- oder Opferschicht grenzt entweder direkt an den Katalysator
an oder es ist zwischen der Schutzschicht und dem Katalysator ein
Abstand vorhanden, der vorzugsweise maximal dem zweifachen Platten-
oder Wabenabstand des Katalysators entspricht.
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Ein
weiterer Schutz vor Ablagerungen und Verstopfungen im Bereich des
Katalysators kann dadurch erreicht werden, dass die Schutz- oder
Opferschicht mit einem Schwingungs-, Rüttel- oder Rotationsmechanismus
in Wirkverbindung steht, der übermäßige
Ablagerung von vornherein verhindert.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Katalysator einen Katalysatorträger
aus Streckmetallplatten oder extrudierten TiO2-Keramiken
und die Schutz- oder Opferschicht wird auch durch diesen Katalysatorträger
gebildet. Weiterhin weist die Schutz- oder Opferschicht Anströmkanten auf,
die dem staubhaltigen Abgas ausgesetzt sind, wobei diese Anströmkanten
zweckmäßigerweise dachartig ausgebildet sind,
um Ablagerungsflächen für den im Abgas enthaltenen
Staub in diesem Bereich zu vermeiden.
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Die
im Katalysator zu entstickenden Abgase weisen eine Staubkonzentrationen
von mindestens 1 g/Nm3, typischerweise 50
bis 100 g/Nm3 und mehr auf. Die Druckluftimpulse
werden des Weiteren zweckmäßigerweise periodisch
angewendet, wobei je nach Anzahl der vorhandenen Düsen
die einzelnen Bereiche des Katalysators nacheinander angefahren werden.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die für die Druckluftimpulse
verwendete Druckluft über einen Wärmetauscher
im zu entstickenden Abgas erwärmt wird um so zuverlässig
eine Temperatur oberhalb von 280° zu gewährleisten.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand
der Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen
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1 eine
schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen
SCR-Katalysators mit Druckluftanlage,
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2 eine
Draufsicht der Druckluftanlage gemäß einer ersten
Variante,
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3 eine
Draufsicht der Druckluftanlage gemäß einer zweiten
Variante,
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4 eine
Draufsicht einer Druckluftanlage gemäß einer dritten
Variante und
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5 eine
schematische Seitenansicht der Schutz- oder Opferschicht mit einem
Schwingungs-, Rüttel- oder Rotationsmechanismus.
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1 zeigt
einen in Strömungsrichtung 1 von staubhaltigen
Abgasen durchströmten Abgaskanal 2, in dem ein
SCR-Katalysator 3 angeordnet ist. Bei dem Abgasen handelt
es sich beispielsweise um Abgase einer Zementanlage, die Temperaturen
von mehr als 280°C, vorzugsweise mehr als 300 bis 380°C
aufweisen. Die im Katalysator 3 zu entstickenden Abgase
weisen einen Staubkonzentration von mindestens 1 g/Nm3,
typischerweise 50 bis 100 g/Nm3 und mehr
auf.
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Die
dem Abgas ausgesetzten Stirnkanten 3a des Katalysators 3 werden
durch eine in Strömungsrichtung 1 der Abgase vorgelagerte
Schutz- oder Opferschicht 4 abgeschirmt. Die Schutz- bzw.
Opferschicht 4 grenzt entweder direkt an dem Katalysator 3 an
oder ist mit einem Abstand von diesen angeordneten, der maximal
dem zweifachen Pitchabstand des Katalysators entspricht.
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Des
Weiteren ist eine Druckluftanlage 5 zur Erzeugung von Druckluftimpulsen
vorgesehen, um etwaige Ablagerungen und Verstopfungen im Bereich
des Katalysators, insbesondere im Bereich der Schutz- oder Opferschicht
abzureinigen. Sie besteht insbesondere aus einem Drucklufttank 5a und
ein oder mehreren Düsen 5b, die mit dem Drucklufttank 5a über
eine Druckluftleitung 5f verbunden sind. Die Druckluftanlage 5 ist
zur Erzeugung von Druckluftimpulsen von maximal einer Sekunde Dauer
und Stoßkräften von mindestens 200 N ausgelegt.
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Der
Druckluftimpuls erfolgt in Strömungsrichtung 1 auf
die Anströmfläche der Schutz- oder Opferschicht 4.
Er bewirkt die Freisetzung von Ablagerungen, verstopften Poren und
Kanälen. Bereitgestellt wird der Impuls durch das schlagartige Öffnen
des wenigstens einen Drucklufttanks 5a, der typischer Weise
ein Normvolumen von mindestens 20 l umfasst und mit Druckluft von
3–10 bar gefüllt ist. Die detonationsartige Entspannung
des Druckluftspeichers mit sehr schnell öffnenden Kolbenventilen
führt zu einem kurzen, sehr schnell ansteigenden Druckanstieg
am Austritt der Düse. Die Wirkzeit des Druckes beträgt
vorzugsweise nur einige hundert Millisekunden und liegt damit deutlich
unterhalb der üblichen Wirkzeit von herkömmlichen
Staubbläsern, die im Bereich von etlichen Sekunden arbeiten.
Im Vergleich zu einem herkömmlichen Staubbläser
ist die aus einem Druckstoß bereitgestellte Reinigungskraft aber
deutlich größer. Der Druckimpuls (1)
ist proportional dem Massenstrom (m) der austretenden Luft und der
Geschwindigkeit (v) der austretenden Luft. I
~ m·v
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Die
Gasaustrittsgeschwindigkeit (v) ist bei gleichem Betriebsdruck unabhängig
vom Reinigungssystem. Der Massenstrom ist jedoch abhängig vom
Austrittsquerschnitt. Da beim erfindungsgemäßen
System der Austrittsquerschnitt am Behälter beispielsweise
mindestens 100 mm beträgt, ist die resultierende Druckkraft
mindestens 40 mal größer als bei einer herkömmlichen
Lanze mit maximal 2.5 mm Austrittsquerschnitt, wie in der
DE 10 2005 039 997 A1 beschrieben.
Typischerweise können Impulskräfte von etwa 0.2–10
kN realisiert werden.
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Abhängig
von der Größe der Katalysator-Anströmfläche
werden eine oder mehrere Düsen 5b–5e mit
gemeinsamem (2) oder separatem (3) Drucklufttank 5a bzw. 5a, 5g, 5h eingesetzt.
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Die
Düsen werden mit einer Verfahreinrichtung 6 zur
Bewegung über den Strömungsquerschnitt ausgestattet,
um die gesamte Fläche mit geringer Düsenzahl periodisch
zu reinigen. Dabei kann eine Verfahrbewegung in ein oder zwei Richtungen (Doppelpfeil 7)
realisiert sein, wobei beispielsweise eine Rollenkonstruktion zur
Anwendung kommt.
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Alternativ
können aber auch Düsen 5i mit einem großen
Wirkdurchmesser auch ohne Verfahreinrichtung statisch im System
platziert werden (4). Dies hat den Vorteil einer
geringeren konstruktiven Komplexität, zugleich aber den
Nachteil, dass die Strömung vor dem Eintritt in den Katalysator 3 gestört wird.
Bei der Ausführung ist daher mit großer Sorgfalt darauf
zu achten, dass die zuführenden Druckluftleitungen 5f und
die Düsen 5i eine Geometrie aufweisen, die eine
solche Beeinträchtigung möglichst unterdrücken
und geringe Ablagerungsflächen für Staub bieten.
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Um
den Katalysator vor der erfindungsgemäßen, deutlich
höheren Reinigungskraft zu schützen, wird die
Schutz- oder Opferschicht 4 vor dem Katalysator 3 platziert,
welche die Druckkräfte aufnimmt und die Gasströmung
in die Katalysatorgeometrie einleitet. Im Falle einer Opferschicht
ist die Schicht aus Katalysatormaterial selbst gefertigt, oder bei
beschichteten Katalysatoren aus dem identischen – ohne
Katalysatormasse beschichteten – Trägermaterial
gefertigt. Dabei kann die eigentliche Schutzschicht unmittelbar
mit der eigentlichen Katalysatorschicht verbunden sein, indem nur
der untere Teil des Trägers mit Katalysatormasse beschichtet
wird, während der obere, der Strömung zugewandte
Teil unbeschichtet bleibt.
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Die
Schutz- oder Opferschicht kann beispielsweise aus einem metallischen,
einem beschichteten, metallischen oder einem keramischen Werkstoff
gefertigt sein. Auch ein nichtrostender, austenitischer Stahl mit
Cr-Gehalten > 13%
kann als Material vorgesehen werden (vorzugsweise aus X5CrNi18-10/Werkstoff-Nr.
1.4301).
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Idealerweise
wird beim Einsatz von mehreren Düsen 5b bis 5e je
Verfahreinrichtung die Druckluftleitung 5f zwischen Düse
und dem eigentlichem Drucklufttank 5a als Druckluftspeicher
eingesetzt. Dabei ist vor jeder Düse ein entsprechendes
Ventil platziert, so dass keine Impulsenergie beim Ausströmen
zwischen eigentlichem Drucklufttank 5a und Düse
verloren geht. Es kann aber auch jede Düse eine eigene
Druckluftleitung erhalten, die außerhalb des Abgaskanals
an ein Ventil angeschlossen wird.
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Prinzipiell
hat die Schutz- oder Opferschicht folgende Funktionen:
- 1. Wie die industrielle Erfahrung zeigt, lagert sich Staub auf
den Stirnkanten 3a bzw. Stegen des wabenartigen Katalysators 3 ab.
Die Ablagerung wächst zu pyramidenartigen Gebilden an,
die, wenn sie nach dem Erreichen einer bestimmten Höhe
kollabieren, die Strömungskanäle schlagartig blockieren.
Die Schutzschicht ist im Gegensatz zum Katalysator nicht an ein
Herstellungsverfahren (Extrudierung; Beschichtung von Streckmetallen)
gebunden und kann in ihrer Geometrie daher sehr viel freier gestaltet
werden. Idealer Weise sieht sie günstig geformte Kanten
und Stege vor, die durch spitze Winkel eine Ablagerung des Staubes
vermindern. Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 weist
die Schutz- oder Opferschicht 4 Anströmkanten 4a auf,
die dachartig ausgebildet sind, um Ablagerungsflächen für
den im Abgas enthaltenen Staub in diesem Bereich zu vermeiden.
- 2. Um das Anwachsen von Ablagerungen weiter zu verringern, kann
die Schutz- oder Opferschicht in Bewegung versetzt werden, indem
diese mit einem geeigneten Schwingungs-, Rüttel- oder Rotationsmechanismus 9 in
Wirkverbindung steht (siehe 5). Dabei
besteht die Möglichkeit eine orthogonal oder vertikal zur
Anströmung hochfrequente Vibration zu erzeugen, sodass
anwachsende Staubablagerungen bereits frühzeitig zum Kollabieren
gebracht werden. Da die Schutzschicht nicht aus Katalysatormaterial
besteht, wird durch die Schwingung keine Schädigung verursacht.
Zusätzlich kann die Schicht auch mit der Strömungsgeschwindigkeit
in Schwingung versetzt werden, um gelösten Staub aus den
Katalysatorkanälen zu schütteln. Alternativ besteht
die Möglichkeit, die Schicht in Rotation zu versetzen, um
die Turbulenz im Einströmbereich weiter zu erhöhen.
- 3. Die der Erfindung zugrunde liegenden Versuche haben gezeigt,
dass sich Staub insbesondere im Eintrittsbereich der Katalysatorkanäle
an der Wand anlagert und zwar im Bereich der ersten 30 cm. Dies
liegt vermutlich an der im Einlaufbereich noch turbulenten Gasströmung,
deren Ausprägung von einem turbulenten Strömungsprofil
auf ein laminares übergehen muss. Dementsprechend weist
die Schutzschicht eine Stärke in Strömungsrichtung 1 auf,
die mindestens so groß ist wie die Länge des Einlaufbereiches,
den die Strömung benötigt, um vom turbulenten
in den laminaren Zustand überzugehen. Die Länge
dieses Einlaufbereiches ist stark vom Grad der Turbulenz im Bereich
vor dem Katalysator, von den durch Temperatur und Gaszusammensetzung
beeinflussten Stoffdaten, sowie von der Katalysatorgeometrie, insbesondere
dem Kanaldurchmesser und der Kanalgeometrie abhängig. Bei üblichen
Randbedingungen ist diese Länge aber wenigstens 10 mal,
vorzugsweise wenigstens 20 mal so groß wie der Platten-
oder Wabenabstand des Katalysators. Bevorzugt beträgt die
Stärke mindestens 30 cm, damit sich Staubablagerungen bevorzugt
in der Schutz- oder Opferschicht 4 ablagern. Die Schutz-
oder Opferschicht 4 hat damit gezielt die Aufgabe unvermeidbare
Staubablagerungen aufzunehmen und den Katalysator selbst vor diesen Staubablagerungen
und der damit verbundenen Oberflächendeaktivierung zu schützen.
- 4. Da die Oberfläche der Schutz- oder Opferschicht 4 nicht
katalytisch aktiv ist, besteht kein Bedarf hoher Porosität.
Idealer Weise weist sie eine sehr niedrige gemittelte Rauhtiefe
Rz von weniger als 2 μm auf, wie
sie z. B. bei austenitischen Stählen gegeben ist. Ebenfalls
denkbar ist eine Beschichtung der Schutzschicht mit einem entsprechenden
Material.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10037499
A1 [0003]
- - DE 102005039997 A1 [0003, 0028]
