DE102011013271A1 - Process and plant for the reduction of nitrogen oxide emissions during steam reforming - Google Patents
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Abstract
Zur Reduktion von Stickoxiden bei der Dampfreformierung, wobei ein gasförmiger Kohlenstoffträger, bevorzugt Erdgas, und Wasser in einem Reaktor zu einem Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthaltenden Synthesegas umgesetzt werden, werden Wasserstoff, Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid aus dem Synthesegas abgetrennt und das im Reaktor entstehende Rauchgas über wenigstens eine Katalysatorstufe geleitet und dort einer selektiven katalytischen Reduktion unterworfen. Ein Teil des gasförmigen Kohlenstoffträgers, ein Teil eines Gemisches aus dem gasförmigen Kohlenstoffträger und Wasser, ein Teil eines zur Erwärmung genutzten gasförmigen Brennstoffes, ein Teil des Synthesegases, ein Teil des abgereicherten Synthesegases und/oder ein Teil des abgetrennten Wasserstoffs wird/werden in der Katalysatorstufe als Reduktionsmittel verwendet.To reduce nitrogen oxides in steam reforming, wherein a gaseous carbon support, preferably natural gas, and water are reacted in a reactor to a synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide and / or carbon dioxide are separated from the synthesis gas and the resulting in the reactor Flue gas passed over at least one catalyst stage and subjected there to a selective catalytic reduction. A portion of the gaseous carbon support, a portion of a mixture of the gaseous carbon support and water, a portion of a gaseous fuel used for heating, a portion of the synthesis gas, a portion of the depleted synthesis gas and / or a portion of the separated hydrogen is / are in the catalyst stage used as a reducing agent.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Reduktion von Stickoxiden bei der Dampfreformierung, wobei ein gasförmiger Kohlenstoffträger und Wasser in einem Reaktor zu einem Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthaltenden Synthesegas umgesetzt werden, wobei Wasserstoff, Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid aus dem Synthesegas abgetrennt wird und das im Reaktor entstehende Rauchgas über wenigstens eine Katalysatorstufe geleitet und dort einer selektiven katalytischen Reduktion unterworfen wird.The present invention relates to a process and a plant for the reduction of nitrogen oxides in steam reforming, wherein a gaseous carbon support and water are reacted in a reactor to a synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide, wherein hydrogen, carbon monoxide and / or carbon dioxide separated from the synthesis gas is passed and the resulting flue gas in the reactor via at least one catalyst stage and there is subjected to a selective catalytic reduction.
Stickoxide (NOx) ist eine Sammelbezeichnung für gasförmige Oxide des Stickstoffs. Aufgrund der vielen Oxidationsstufen des Stickstoffs gibt es eine Reihe von Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen, die wichtigsten sind Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2) und Di-Stickstoffmonoxid (N2O, Lachgas). Stickoxide sind die Quelle für eine Vielzahl von Umweltbelastungen, weshalb sie schon frühzeitig umweltpolitische Aufmerksamkeit auf sich zogen. Sie zählen zu den Hauptverursachern von saurem Regen, sind Auslöser des so genannten Sommersmogs mit den damit einhergehenden Umweltbelastungen und wirken als starke Treibhausgase. Insbesondere das Lachgas trägt zudem maßgeblich zur Zerstörung der Ozonschicht bei.Nitrogen oxides (NO x ) is a collective term for gaseous oxides of nitrogen. Due to the many oxidation states of nitrogen, there are a number of nitrogen-oxygen compounds, the most important being nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ) and di-nitric oxide (N 2 O, nitrous oxide). Nitrogen oxides are the source of a multitude of environmental pollution, which is why they attracted early environmental attention. They are among the main causes of acid rain, are the cause of the so-called summer smog with the associated environmental pollution and act as strong greenhouse gases. In particular, the nitrous oxide also contributes significantly to the destruction of the ozone layer.
Die Hauptquelle für Stickoxide sind Verbrennungsprozesse, insbesondere im Kraftfahrzeugverkehr und bei großtechnischen stationären Anwendungen. Zur Absenkung der Stickoxidemissionen wurde die selektive katalytische Reduktion (SCR) entwickelt. Dabei wird ein Reduktionsmittel, in der Regel Ammoniak (NH3), dem Abgas zugemischt, wodurch es an einem heterogenen Katalysator zu einer Komproportionierung der Stickoxide kommt, als deren Folge Wasser und Stickstoff entsteht. Ammoniak hat den Vorteil, dass es sich um eine leicht verfügbare und billig beschaffbare Substanz handelt. Da Ammoniak bei üblichen Umgebungstemperaturen flüssig ist, kann er einfach gespeichert und transportiert werden.The main source of nitrogen oxides are combustion processes, especially in motor vehicle traffic and in large-scale stationary applications. To reduce nitrogen oxide emissions, selective catalytic reduction (SCR) has been developed. In this case, a reducing agent, usually ammonia (NH 3 ), the exhaust gas admixed, resulting in a heterogeneous catalyst to a Komproportionierung the nitrogen oxides comes as a result of water and nitrogen. Ammonia has the advantage that it is a readily available and cheaply procurable substance. Because ammonia is liquid at ordinary ambient temperatures, it can be easily stored and transported.
Bei der Entwicklung der SCR-Technologie wurden neben Ammoniak auch weitere Reduktionsmittel untersucht, die allerdings ein niedrigeres Reduktionspotential haben. So beschreibt die
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Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, dass sie nur unter bestimmten, genau definierten Bedingungen erfolgreich durchgeführt werden können. Zudem wird oft nur NO, teilweise auch NO2, nicht jedoch N2O erfolgreich reduziert. Dazu kommen Schwierigkeiten bei der Wasserstofflagerung und dem Wasserstofftransport, weshalb sich Wasserstoff als Reduktionsmittel in der technischen Anwendung bisher kaum durchsetzen konnte.All these methods have in common that they can be carried out successfully only under certain, well-defined conditions. In addition, often only NO, sometimes also NO 2 , but not N 2 O successfully reduced. In addition, there are difficulties in the hydrogen storage and the hydrogen transport, which is why hydrogen has hardly been able to prevail as a reducing agent in industrial application.
Ein weiteres, im akademischen Bereich untersuchtes Reduktionsmittel ist Methan. So beschreibt die
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Diesen beiden Verfahren ist gemeinsam, dass mit ihnen nur Stickstoffmonoxid (NO) reduziert werden kann. Eine Reduktion weiterer Stickoxide, insbesondere von Lachgas, ist auch bei diesen Reduktionsmitteln nicht beschrieben.These two methods have in common that only nitrogen monoxide (NO) can be reduced with them. A reduction of other nitrogen oxides, in particular nitrous oxide, is also not described in these reducing agents.
Der klassische SCR-Katalysator mit NH3 als Reduktionsmittel ist ein dotierter Vanadiumpentoxid-Katalysator, der auf Titandioxid aufgebracht wird. Mit diesem kann zumindest Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid mit ausreichend hohen Umsätzen in Distickstoff und Disauerstoff umgewandelt werden. Problematisch bei diesem herkömmlichen Katalysatorsystem ist jedoch, dass der Katalysator nur eine geringe Hochtemperaturbeständigkeit aufweist und es deshalb zur unerwünschten Phasenumwandlung des V2O5 von der Anatas- in die Rutil-Modifikation und auch zur Sublimation von Vanadium kommt. Zum anderen ist V2O5 giftig. Nachteilig sind weiterhin der relativ hohe Preis und die hohe Preisvolatilität des Vanadiumrohstoffes. Die tatsächlichen und potenziellen Risiken der Vanadium-Emission durch Sublimation und andere unerwünschte Nebenreaktionen ist nur teilweise erfasst. Aufgrund der beschriebenen Problematik der herkömmlichen katalytischen Systeme sind diese zum Beispiel in der japanischen und teilweise auch in der US-amerikanischen Automobilindustrie nicht mehr zugelassen. Es ist daher zu erwarten, dass auch in stationären Anwendungen zukünftig die Verwendung von Vanadium nicht mehr zulässig ist.The classic SCR catalyst with NH 3 as the reducing agent is a doped vanadium pentoxide catalyst, which is applied to titanium dioxide. With this at least nitrogen monoxide and nitrogen dioxide can be converted into dinitrogen and dioxygen with sufficiently high conversions. Problematic in this conventional Catalyst system is, however, that the catalyst has only a low high temperature resistance and therefore it comes to the unwanted phase transformation of the V 2 O 5 from the anatase to the rutile modification and also to the sublimation of vanadium. On the other hand, V 2 O 5 is toxic. Another disadvantage is the relatively high price and the high price volatility of the vanadium raw material. The actual and potential risks of vanadium emission from sublimation and other undesirable side reactions are only partially covered. Due to the described problems of conventional catalytic systems, these are no longer permitted, for example, in the Japanese and partly also in the US automotive industry. It is therefore to be expected that the use of vanadium will no longer be permitted in stationary applications in the future.
Teilweise kommen daher inzwischen auch zeolithische Systeme zum Einsatz. Die
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Stickoxide werden grundsätzlich auch bei allen Verfahren erzeugt, bei denen in mindestens einem Schritt Luft auf Temperaturen von über 1000°C erwärmt wird, wodurch es verstärkt zu radikalischen Reaktionen der in der Luft enthaltenen N2-Moleküle kommt. Eines dieser Verfahren ist die sogenannte Dampfreformierung (auch ”Steamreforming”), bei der ein Kohlenstoffträger mit Wasser heterogen katalysiert zu Synthesegas aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) umgesetzt wird.Nitrogen oxides are basically also produced in all processes in which air is heated to temperatures of more than 1000 ° C. in at least one step, as a result of which radical reactions of the N 2 molecules contained in the air are intensified. One of these processes is the so-called steam reforming (also called "steam reforming"), in which a carbon support is heterogeneously catalysed with water to give synthesis gas of hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ).
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Die Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel hat jedoch bei der Rauchgasentstickung einer Dampfreformierung eine Reihe von Nachteilen. Zum einen ist grundsätzlich eine Ammoniak-Vorhaltung und -Eindosierung notwendig. Zum anderen ist Ammoniak als giftiger und umweltgefährdender Stoff eingestuft, bei dessen Verwendung spezielle Sicherheitseinrichtungen (Belüftungen, Notduschen, usw.) erforderlich sind. Eine geringfügige Emission nicht umgesetzten Ammoniaks kann nicht ausgeschlossen werden, was die Leistungsfähigkeit dieser Systeme begrenzt und eine potenzielle Umweltbelastung darstellt. Zudem erfordert die Lagerung des Reduktionsmittels in einem Ammoniaktank zusätzlichen Platz in der Anlage, wobei sich der Platzbedarf durch ggf. einzuhaltende Sicherheitsabstände aufgrund von Explosionsschutzzonen weiter vergrößern kann. Auch das regelmäßige Auffüllen des Ammoniaktankes stellt bei den herrschenden Betriebstemperaturen ein nicht unerhebliches Risiko dar.However, the use of ammonia as a reducing agent has a number of disadvantages in flue gas denitration of steam reforming. On the one hand, an ammonia provision and dosage is basically necessary. On the other hand, ammonia is classified as a toxic and environmentally hazardous substance, with the use of special safety equipment (ventilation, emergency showers, etc.) are required. A minor emission of unreacted ammonia can not be excluded, which limits the performance of these systems and poses a potential environmental impact. In addition, the storage of the reducing agent in an ammonia tank requires additional space in the system, whereby the space requirement can be further increased by possibly to be maintained safety distances due to explosion protection zones. The regular filling of the ammonia tank represents a significant risk at the prevailing operating temperatures.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur selektiven Reduktion von Stickoxiden, insbesondere auch von Lachgas, in der Aufreinigung der Rauchgase aus einer Steamreformer-Anlage bereitzustellen, bei dem nicht mit Ammoniak als Reduktionsmittel gearbeitet wird, jedoch alle in den Abgas enthaltenen Stickoxide gleichermaßen umgesetzt werden können.It is therefore an object of the invention to provide a method for the selective reduction of nitrogen oxides, in particular also nitrous oxide, in the purification of the flue gases from a steam reformer system, which does not work with ammonia as a reducing agent, but all nitrogen oxides contained in the exhaust gas equally can be implemented.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wonach ein gasförmiger Kohlenstoffträger und bevorzugt dampfförmiges H2O in einem Reaktor zu einem Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthaltenden Synthesegas umgesetzt werden. Bei der Reaktion handelt es sich um eine allotherme Reaktion, weshalb der Reaktor entweder indirekt beheizt oder direkt befeuert werden muss. Zum Aufheizen des Reaktors wird ein weiterer, gasförmiger Brennstoff verwendet. Sowohl bei dem gasförmigen Kohlenstoffträger als auch bei dem weiteren Brennstoff handelt es sich bevorzugt um Methan oder Erdgas. Das im Reaktor entstehende Synthesegas wird anschließend in seine Bestandteile Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid aufgeteilt bzw. es wird ein definiertes Gemisch dieser Komponenten eingestellt. Das ebenfalls entstandene Rauchgas wird über wenigstens eine Katalysatorstufe geleitet, wo es einer selektiven katalytischen Reduktion unterzogen wird. Als Reduktionsmittel wird in dieser Katalysatorstufe ein Teil des gasförmigen Kohlenstoffträgers, ein Teil eines Gemisches aus dem gasförmigen Kohlenstoffträger mit dem Wasser oder dem Wasserdampf, ein Teil des zur Erwärmung des Reaktors genutzten gasförmigen Brennstoffes, ein Teil des (abgereicherten) Synthesegases und/oder ein Teil des abgetrennten Wasserstoffes benutzt. Die genannten Nachteile von Ammoniak als Reduktionsmittel entfallen. Zudem ist ein solches Verfahren wartungsfreundlich, da die Befüllung eines Ammoniaktankes entfällt.This object is achieved with the features of claim 1, after which a gaseous carbon support and preferably vaporous H 2 O are reacted in a reactor to a synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. The reaction is an allothermic reaction, which is why the reactor must either be indirectly heated or fired directly. To heat the reactor, another gaseous fuel is used. Both the gaseous carbon carrier and the other fuel are preferably methane or natural gas. The synthesis gas formed in the reactor is then divided into its components hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide or it is set a defined mixture of these components. The resulting flue gas is also passed over at least one catalyst stage where it is subjected to selective catalytic reduction. The reducing agent used in this catalyst stage is part of the gaseous carbon support, part of a mixture of the gaseous carbon support with the water or steam, part of the gaseous fuel used for heating the reactor, part of the (depleted) synthesis gas and / or a part of the separated hydrogen used. The mentioned disadvantages of ammonia as a reducing agent omitted. In addition, such a process is easy to maintain, since the filling of an ammonia tank is eliminated.
Das Rauchgas weist vorzugsweise einen CO2-Gehalt von 15 bis 20 mol-%, einen H2O-Gehalt von 15 bis 20 mol-%, ein O2-Gehalt von 0,5 bis 5 mol-%, einen Argongehalt von etwa 1 mol-% und ein NOx-Gehalt von 50 bis 250 mg/m3 auf.The flue gas preferably has a CO 2 content of 15 to 20 mol%, an H 2 O content of 15 to 20 mol%, an O 2 content of 0.5 to 5 mol%, an argon content of about 1 mol% and a NO x content of 50 to 250 mg / m 3 .
In einer günstigen Ausgestaltung der Katalysatorstufe enthält diese eine metallische Komponente aus einem oder mehreren Metallen und/oder Metalloxiden der Gruppe Cr, Cu, Mn, Mo, Fe, Co, Pd, Ru, Pt, Rh, Ti, Zr, V, W, bevorzugt Palladium, Ruthenium und Platin. Durch die Verwendung von Palladium, Ruthenium und/oder Platin in reiner oder oxidischer Form können Nachteile eines vanadiumhaltigen Katalysators vermieden werden. Außerdem ist die Präparation eines metallischen Katalysators einfacher als die eines zeolithischen.In a favorable embodiment of the catalyst stage, this contains a metallic component of one or more metals and / or metal oxides of the group Cr, Cu, Mn, Mo, Fe, Co, Pd, Ru, Pt, Rh, Ti, Zr, V, W, preferably palladium, ruthenium and platinum. By using palladium, ruthenium and / or platinum in pure or oxidic form, disadvantages of a vanadium-containing catalyst can be avoided. In addition, the preparation of a metallic catalyst is simpler than that of a zeolitic one.
Weiterhin ist es günstig, wenn in der Katalysatorstufe ein Zeolith enthalten ist, in dessen Struktur sich Atome eines oder mehrerer Metalle(s) und/oder Metalloxide(s) der Gruppe Cr, Cu, Mn, Mo, Fe, Co, Pd, Ru, Pt, Rh, Ti, Zr, V, W, bevorzugt Eisen, Kupfer oder Kobalt befinden. Unter Zeolith wird erfindungsgemäß eine kristalline Substanz aus der Gruppe der Aluminosilikate mit einer gleichmäßigen räumlichen Ringstruktur von über Sauberstoffatome verknüpften SiO4/AlO4-Tetraedern verstanden. Dabei kann jeder beliebige Zeolith verwendet werden, bevorzugt sind jedoch Zeolithe in Zehner- oder Zwölfer-Ringstruktur und Zeolithe der Typen MFI, FER, MOR und BEA. Der verwendete Zeolith zeichnet sich zusätzlich durch den Austausch eines oder mehrerer Metalle(s) oder Metalloxide(s) aus. Als Austauschmetalle werden zum Beispiel Kupfer, Eisen oder Kobalt sowie eine Dotierung mit einem oder mehreren Übergangs- oder Edelmetallen verwendet. Die Metalle befinden sich in der zeolithischen Ringstruktur typischerweise an charakteristischen Zentren, den Alpha, Beta oder Gamma-Positionen. Die Erfindung beinhaltet Austauschgrade von Metallen auf allen drei Positionen, bevorzugt mit einem Austauschgehalt zwischen 2,5 und 15 Gew.-%, unabhängig davon ob dieser Austausch in der flüssigen oder festen Phase stattfindet. Das ausgetauschte Metall kann dabei in metallischer Form oder als metallische Oxide oder in jeder möglichen Mischung sowie als Monomer oder Dimer vorliegen.Furthermore, it is favorable if the catalyst stage contains a zeolite in whose structure atoms of one or more metals (s) and / or metal oxides (s) of the group Cr, Cu, Mn, Mo, Fe, Co, Pd, Ru , Pt, Rh, Ti, Zr, V, W, preferably iron, copper or cobalt. According to the invention, zeolite is understood as meaning a crystalline substance from the group of aluminosilicates having a uniform spatial ring structure of SiO 4 / AlO 4 tetrahedra linked via hydrogen atoms. Any zeolite may be used, but preference is given to zeolites in a ten or twelve ring structure and zeolites of the MFI, FER, MOR and BEA types. The zeolite used is additionally characterized by the replacement of one or more metals or metal oxides. As exchange metals, for example copper, iron or cobalt and a doping with one or more transition or precious metals are used. The metals are typically located in the zeolitic ring structure at characteristic centers, the alpha, beta or gamma positions. The invention involves metals exchanged at all three positions, preferably with an exchange content of between 2.5 and 15% by weight, irrespective of whether this exchange takes place in the liquid or solid phase. The exchanged metal can be present in metallic form or as metallic oxides or in any possible mixture and as monomer or dimer.
Der signifikante Vorteil des zeolithischen Katalysators gegenüber dem metallischen Katalysatorsystem ist seine höhere Temperaturstabilität, was ein breiteres Temperatursystem für das Design ermöglicht und zu einer höheren Unempfindlichkeit des Systems in Bezug auf ungewollte oder ungewöhnliche Betriebszustände führt. Weiterhin haben zeolithische Katalysatoren eine höhere DeNOx-Aktivität, woraus ein breiteres Temperaturfenster für die Betriebsbedingung sowie ein potentiell kleineres Katalysatorvolumen und entsprechend kleinere Reaktoren resultieren. Zudem haben Zeolithe eine vereinfachte, voll synthetische Rohstoffbasis, weshalb sich hier eine umweltverträgliche Katalysatorzusammensetzung (schadstoff-, edel- und übergangsmetallfrei) sowie niedrigere Rohstoffpreise finden. Ein weiterer Vorteil von Zeolithen als Katalysatoren für SCR-Reaktionen ist eine geringere katalytische Aktivität für unerwünschte Nebenreaktionen. Insbesondere erzeugen vanadiumbasierte Produkte in den klassischen SCR-Reaktionsbedingungen das unerwünschte Lachgas, Schwefeltrioxid und gasförmiges Vanadium. Insbesondere die Bildung des doch gerade abzubauenden Stickoxids N2O ist dabei als hochgradig nachteilig anzusehen.The significant advantage of the zeolitic catalyst over the metallic catalyst system is its higher temperature stability, allowing for a wider design temperature regime and leading to greater system insensitivity to unwanted or unusual operating conditions. Furthermore, zeolitic catalysts have a higher DeNOx activity, resulting in a wider temperature window for the operating condition as well as a potentially smaller catalyst volume and correspondingly smaller reactors. In addition, zeolites have a simplified, fully synthetic raw material base, which is why there is an environmentally friendly catalyst composition (pollutant, noble and transition metal-free) and lower raw material prices. Another advantage of zeolites as catalysts for SCR reactions is lower catalytic activity for undesired side reactions. In particular, vanadium-based products produce the undesirable nitrous oxide, sulfur trioxide and gaseous vanadium in the classic SCR reaction conditions. In particular, the formation of the nitrogen oxide N 2 O to be degraded is to be regarded as highly disadvantageous.
Da im Reaktor Temperaturen im Bereich von 850–1200°C, bevorzugt 900 bis 1050°C, insbesondere etwa 970°C herrschen, tritt das Rauchgas mit Temperaturen von 150° bis 200°C oberhalb der Reaktortemperatur aus dem Reaktor aus. Um zumindest einen Teil der Wärme des Rauchgases zurückzugewinnen, wird der gasförmige Kohlenstoffträger, der als eines der Edukte verwendet wird, und/oder das Wasser, welches bevorzugt verdampft in den Reaktor eingebracht wird, im Wärmetausch mit dem Rauchgas geführt. So kann der gasförmige Kohlenstoffträger und/oder das Wasser beziehungsweise der Dampf weiter aufgewärmt werden. Bezogen auf das Wasser kann die im Rauchgas enthaltene Energiemenge auch dazu genutzt werden, das Wasser zu verdampfen. Die Temperatur des Rauchgases beim Eintritt in die Katalysatorstufe liegt dann zwischen 200 und 500°C; ein für die SCR-Reaktionen bevorzugter Bereich für den Eintritt des Gases in das Katalysatorbett ist 200 bis 350°C bei Verwendung von NH3, und 150 bis 250°C bei Verwendung von H2 als Reduktionsmittel.Since temperatures in the range 850-1200 ° C, preferably 900 to 1050 ° C, in particular about 970 ° C prevail in the reactor, the flue gas exits the reactor at temperatures of 150 ° to 200 ° C above the reactor temperature. In order to recover at least part of the heat of the flue gas, the gaseous carbon support used as one of the starting materials and / or the water, which is preferably introduced into the reactor in a vaporized manner, are conducted in heat exchange with the flue gas. Thus, the gaseous carbon carrier and / or the water or the steam can be further warmed up. Based on the water, the amount of energy contained in the flue gas can also be used to evaporate the water. The temperature of the flue gas entering the catalyst stage is then between 200 and 500 ° C; a preferred range for the SCR reactions for the entry of the gas into the catalyst bed is 200 to 350 ° C when using NH 3 , and 150 to 250 ° C when using H 2 as the reducing agent.
Da im Rauchgas noch weitere Verunreinigungen enthalten sein können, ist es zudem günstig, das Rauchgas mindestens einem weiteren Reinigungsschritt zu unterwerfen. Ein solcher Reinigungsschritt kann zum Beispiel eine Entschwefelung sein, oder die Filtration der im Abgas enthaltenen Partikel. Um den Katalysator für das SCR-Verfahren nicht unnötig zu belasten, kann es sinnvoll sein, sowohl die Entschwefelung als auch die Filtration vor die SCR-Katalysatorstufe zu schalten. Dies hat jedoch, insbesondere bei einer integrierten Wärmerückgewinnung des Rauchgases den Nachteil, dass die Temperatur des Rauchgases so stark absinken kann, dass sie nicht mehr hoch genug ist, um das SCR-Verfahren vollständig ablaufen zu lassen. Der Vorteil einer Anordnung, bei der das SCR-Verfahren in der zweiten oder sogar in der ersten Position der Abgasnachbehandlung geschaltet ist, hat daher den Vorteil, dass mit verhältnismäßig hohen Temperaturen gearbeitet werden kann. Allerdings nimmt man damit eine Katalysatorschädigung in Kauf, was sich insbesondere bei metallischen Katalysatoren negativ auf die Standzeit auswirkt.Since the flue gas may contain other impurities, it is also beneficial that Flue gas to subject at least one further purification step. Such a cleaning step may be, for example, a desulfurization, or the filtration of the particles contained in the exhaust gas. In order not to unnecessarily burden the catalyst for the SCR process, it may be useful to switch both the desulfurization and the filtration before the SCR catalyst stage. However, this has the disadvantage, in particular with integrated heat recovery of the flue gas, that the temperature of the flue gas can drop so sharply that it is no longer high enough to allow the SCR process to run completely. The advantage of an arrangement in which the SCR process is switched in the second or even in the first position of the exhaust gas aftertreatment therefore has the advantage that it is possible to work with relatively high temperatures. However, it takes a catalyst damage in purchasing, which has a negative effect on the lifetime, especially in metallic catalysts.
Um eine ausreichende Verteilung des gasförmigen Reduktionsmittels zu erreichen, hat es sich als besonders günstig herausgestellt, ein Teil des Rauchgases vor der Katalysatorstufe abzuzweigen, in diesen Teilstrom das Reduktionsmittel einzudosieren und dieses Gemisch dann in die Katalysatorstufe einzuspeisen. Damit werden lokal hohe Konzentrationen des Reduktionsmittels und unerwünschte Speicherungsvorgänge verhindert.In order to achieve a sufficient distribution of the gaseous reducing agent, it has been found to be particularly favorable to divert a portion of the flue gas upstream of the catalyst stage, to meter the reducing agent into this partial stream and then to feed this mixture into the catalyst stage. This prevents locally high concentrations of the reducing agent and undesirable storage processes.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Anlage zur Reduktion von Stickoxiden bei einer Dampfreformierung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist und die Merkmale des Anspruchs 8 aufweist. Diese Anlage umfasst einen Reaktor, in den entweder eine Leitung für die Zufuhr eines Gemisches aus H2O und einem Kohlenstoffträger mündet oder zwei separate Leitungen zur getrennten Einbringung von H2O und einem Kohlenstoffträger. Das im Reaktor gebildete Synthesegas wird über eine Ableitung einer Trennvorrichtung zugeführt. Zudem führt eine Abgasleitung in eine Katalysatorstufe, wobei vor oder in der Katalysatorstufe eine Dosiereinrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels vorgesehen ist. Die Abgasleitung wird direkt aus dem Reaktor geführt. Die Dosiereinrichtung ist über eine Leitung mit einer der Zufuhrleitungen des Reaktors, einer weiteren Zufuhrleitung für einen gasförmigen Brennstoff zum Erhitzen des Reaktors, der Ableitung für das gebildete (abgereicherte) Synthesegas und/oder der Ableitung für den abgetrennten Wasserstoff verbunden. Die Verbindung der Dosiereinrichtung mit der Ableitung kann dabei sowohl vor als auch nach der Trennvorrichtung zur Abtrennung der Reaktionsprodukte der Dampfreformierung vorgesehen sein.The invention further includes a plant for the reduction of nitrogen oxides in a steam reforming, which is suitable for carrying out the method according to the invention and having the features of
Erfindungsgemäß ist die Dosiereinrichtung so ausgelegt, dass sie zur Einbringung eines Gases geeignet ist. Sie unterscheidet sich damit von den Dosiereinrichtungen klassischer SCR-Anlagen, die mit Ammoniak als Reduktionsmittel betrieben werden, da der Ammoniak als Flüssigkeit entweder in seiner reinen Form eingebracht wird oder, wie zum Beispiel im Fahrzeugbereich, als Harnstofflösung.According to the invention, the metering device is designed so that it is suitable for introducing a gas. It differs from the dosing devices of classical SCR systems, which are operated with ammonia as a reducing agent, since the ammonia is introduced as a liquid either in its pure form or, as for example in the vehicle sector, as a urea solution.
Als besonders vorteilhaft hat es sich weiterhin herausgestellt, dass die Dosiereinrichtung in einer von der Abgasleitung abzweigenden und in die Katalysatorstufe mündenden Teilstromleitung vorgesehen ist.Furthermore, it has proven to be particularly advantageous that the metering device is provided in a partial flow line which branches off from the exhaust gas line and opens into the catalyst stage.
Es hat sich zudem als günstig herausgestellt, in Abhängigkeit vom prozessseitig erlaubten Druckverlust den Katalysator entweder als Schüttgut aus extrudierten zylindrischen Vollkörperextrudaten oder als wabenförmige Katalysatormodule einzusetzen. Systematische Vorteile der wabenförmigen Katalysatormodule sind die verbesserten mechanischen Eigenschaften, ein signifikant erniedrigter prozessseitiger Druckverlust sowie eine vereinfachte Reaktorbefüllung und -entleerung. Zusätzlich ist bei Verwendung von wabenförmigen Modulen der Austausch von Teilen des Katalysatorbettes möglich und ein Scale-Up einfacher, da hier, ähnlich wie in der Mikroreaktionstechnik, nur ein Numbering-Up erfolgen muss.It has also been found to be favorable to use the catalyst either as a bulk material of extruded cylindrical Vollkörperextrudaten or as a honeycomb catalyst modules depending on the process-side allowed pressure loss. Systematic advantages of the honeycomb catalyst modules are the improved mechanical properties, a significantly reduced process-side pressure drop and a simplified reactor filling and emptying. In addition, when using honeycomb modules, the replacement of parts of the catalyst bed is possible and a scale-up easier because here, similar to the microreaction technique, only a numbering-up must be done.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.Further developments, advantages and applications of the invention will become apparent from the following description of an embodiment and the drawing. All described and / or illustrated features alone or in any combination form the subject matter of the invention, regardless of their combination in the claims or their dependency.
Die einzige Figur zeigt das Schema einer erfindungsgemäßen Anlage zur Dampfreformierung mit einer nachgeschalteten SCR-Katalysatorstufe;The sole FIGURE shows the diagram of a steam reforming plant according to the invention with a downstream SCR catalyst stage;
In einen erfindungsgemäßen Reaktor
Über Leitung
Bei dem Reaktor
Über eine Ableitung
Das über Leitung
Über Leitung
Das Reduktionsmittel kann entweder über Leitung
Nicht nur Wasserstoff sondern auch Methan beziehungsweise Erdgas können als Reduktionsmittel eingesetzt werden. Dazu muss aus der Zuleitung des Eduktes
Auch mehrere Reduktionsmittel können gemischt werden. Alle genannten Reduktionsmittel haben zwar innerhalb eines Systems mit Vanadiumkatalysator ein niedrigeres Reduktionspotential als NH3, dafür jedoch den Vorteil, dass sie in der Anlage bereits vorhanden sind.Several reducing agents can also be mixed. Although all of these reducing agents have a lower reduction potential than NH 3 within a system with vanadium catalyst, they have the advantage that they are already present in the system.
Über Leitung
Beispielexample
Eine typische Dampfreformierungsanlage mit einer Produktion von 45.000 Nm3/h Wasserstoff weist eine Rauchgasmenge von 173.000 m3/h auf. Bei reiner Erdgasfeuerung ist mit einem NOx-Gehalt von 200 mg/m3 (0,00667 mol/m3) im Abgas zu rechnen. Die Stoffmenge setzt sich bei Feuerungen typischerweise aus ca. 95 mol-% NO und 5 mol-% NO2 zusammen. Zudem sind N2O-Konzentrationen zwischen 2 bis 500 Vol.-ppm, insbesondere zwischen 20 und 80 Vol.-ppm zu finden. Ein üblicher Emissionsgrenzwert für die gesamte Stickoxidbelastung beträgt etwa 100 mg/m3, demnach müssen etwa 548 mol/h NO, 29 mol/h NO2 und das N2O möglichst vollständig umgesetzt werden. Der stöchiometrische Wasserstoffbedarf gemäß den Reaktionsgleichungen:
Im Rauchgas einer Feuerung eines Dampfreformierungsreaktors ist mit etwa 1,2 Vol.-% Sauerstoff zu rechnen. Diesen 2076 m3/h Sauerstoff stehen etwa 12,8 m3/h Wasserstoff gegenüber. Der Anteil von Wasserstoff in Sauerstoff von 0,6% unterschreitet die untere Explosionsgrenze, die bei 4% in Luft beziehungsweise 19% in reinem Sauerstoff liegt. Die Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel führt damit nicht zu einer explosionsfähigen Atmosphäre. In the flue gas of a furnace of a steam reforming reactor is expected to be about 1.2 vol .-% oxygen. These 2076 m 3 / h of oxygen are about 12.8 m 3 / h of hydrogen. The proportion of hydrogen in oxygen of 0.6% falls below the lower explosion limit, which is 4% in air and 19% in pure oxygen. The use of hydrogen as a reducing agent thus does not lead to an explosive atmosphere.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 1'1, 1 '
- Leitungmanagement
- 22
- Verdichtercompressor
- 3, 3', 3''3, 3 ', 3' '
- Leitungmanagement
- 44
- Wärmetauscherheat exchangers
- 5, 5'5, 5 '
- Zufuhrleitungsupply line
- 66
- Wärmetauscherheat exchangers
- 77
- Ableitungderivation
- 88th
- Wärmetauscherheat exchangers
- 1010
- Reaktorreactor
- 1111
- Leitungmanagement
- 1313
- Leitungmanagement
- 15, 15'15, 15 '
- Leitungmanagement
- 2020
- SCR-KatalysatorstufeSCR catalyst stage
- 2121
- Dosiervorrichtungmetering
- 22, 22'22, 22 '
- Leitungmanagement
- 2323
- Leitungmanagement
- 3030
- Kaminfireplace
- 3131
- Leitungmanagement
- 4040
- Trennvorrichtungseparating device
- 4141
- Leitungmanagement
- 4242
- Leitungmanagement
- 4343
- Leitungmanagement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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