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Die Erfindung betrifft eine Rauchgasreinigungsanlage einer Zementklinkerproduktionsanlage mit einem elektrostatischen Filter zur Reduzierung des Staubgehaltes eines Abgases der Zementklinkerproduktionsanlage und einem sich anschließenden Katalysator zur Reinigung des Abgases von Schadstoffen.
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Die Reinigung von Abgasen der Zementklinkerherstellung von Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen, Furanen und Dioxinen und weiteren gasförmigen Schadstoffen durch eine katalytische Reaktion ist als selektive katalytische Reduktion (SCR) eine allgemein bekannte Technik.
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Die Abgase aus der Herstellung von Zementklinker sind bei Anlagen mit Schwebegasvorwärmern mit Staubgehalten von 30 - 180 g/Nm3 belastet. Dieser Staub hat in der Regel hohe Feinheiten mit typischen Korngrößen von d95 < 20 µm und weist zusätzlich stark variierende Gehalte an Calcit-, Ton- und Sulfatmineralien auf. Besonders die beiden letztgenannten Spezies neigen zum verstärkten Anhaften auf den katalytischen Oberflächen. Das Anhaften des Staubs wirkt sich negativ auf den Druckabfall über den katalytischen Bauteilen und auf die chemische Aktivität aus und wird durch eine Reihe von Abreinigungstechniken verringert.
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Zur Abreinigung wird insbesondere Druckluft oder Dampf verwendet. Die Häufigkeit der Abreinigungsvorgänge sowie der benötigte Druck und Volumenstrom des Abreinigungsmediums und der damit einhergehende Energiebedarf der Druckluft- bzw. Dampferzeugung hängt vom Staubgehalt, den Staubeigenschaften und der Temperatur des jeweiligen Rauchgases ab. Unter Häufigkeit wird hier der prozentuale Anteil der Betriebszeit der Abreinigungsvorrichtung je Stunde verstanden.
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In der
WO 2009/89559 A1 wird ein Verfahren beschrieben, welches die Entstaubung des Rauchgases vor dem Katalysator mit einem Elektrofilter nutzt, um den Staubgehalt in Bereiche kleiner 30 g/Nm
3 bzw. kleiner 3 g/Nm
3 zu senken. Durch die Vorentstaubung kann die Abreinigungshäufigkeit stark reduziert werden, allerdings wirkt sich negativ der große Platzbedarf, insbesondere die Aufstandsfläche, des Elektrofilters aus.
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In vielen Anlagen, in denen diese Technik nachzurüsten ist, sind die örtlichen Platzverhältnisse stark begrenzt. Die vorhandenen Saugzuggebläse sind für die zusätzlich einzubauenden Anlagenteile Elektrofilter, Katalysator und Rohrleitungen mit Rauchgasklappen und Absperrschiebern in der Regel nicht ausgelegt. Der Katalysator umfasst dabei die katalytischen Elemente, die in mehreren Lagen angeordnet sind und Bühnen für den Ein- und Ausbau der Elemente. Weiterhin umfasst er Vorrichtungen zum Aufheizen dieser Elemente vor dem Anfahren und Vorrichtungen zu ihrer Staubabreinigung.
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Um den Stillstand der Zementklinkerproduktionsanlage für die Errichtung einer SCR-Anlage aus wirtschaftlichen Gründen möglichst gering zu halten, wird üblicherweise ein zusätzlicher SCR-Ventilator installiert, der den Druckverlust der SCR-Anlage ausgleicht. Grundsätzlich ist aber auch die Einbindung von Elektrofilter und Katalysator stromaufwärts eines ausreichend zu dimensionierenden Ofenventilators möglich. Die serielle Anordnung von Ofenventilator, Elektrofilter, Katalysator und SCR-Ventilator benötigt aber sehr viel Raum, wobei das Elektrofilter das größte Anlagenteil darstellt, gefolgt vom Katalysator und seinen Bühnen für den Ein- und Ausbau der katalytischen Elemente. Dieser Platzbedarf ist häufig nicht vorhanden.
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In der
CA 2 145 111 A1 und auch der
DE 34 35 953 A1 wird die Nutzung von katalytisch beschichteten Niederschlagselektroden eines Elektrofilters zur Funktionsintegration vorgeschlagen. Nachteilig ist hierbei, dass die Abstände der Niederschlagselektroden sehr viel größer sind als die Strukturen der katalytischen Elemente. Der Transport der abzubauenden Schadstoffe durch Diffusion und Konvektion zu den katalytisch wirkenden Zentren auf den Elektroden ist somit nicht ausreichend gewährleistet. Weiterhin bildet sich durch die Primärfunktion Staubabscheidung eine Staubschicht auf den Niederschlagselektroden, die den Schadstofftransport zu den katalytisch wirkenden Zentren nochmals verschlechtert. Diese beiden Effekte bewirken eine starke Verringerung der katalytischen Wirkung.
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In der
DE 197 05 663A1 ist eine Schaltung aus nichtkatalytischer Reaktionszone (SNCR) gefolgt von einem Staubfilter und einem nachgeschalteten Katalysator offenbart. Diese zielt darauf, dass bei hohen Stickoxidreduktionsraten in der SNCR ein nicht tolerierbarer Ammoniakschlupf entsteht, welcher im Katalysator zur weiteren Entstickung genutzt wird. In der Zeichnung ist eine horizontale Gasströmung sowohl durch das Staubfilter als auch durch den Katalysator offenbart. Eine horizontale Durchströmung von Katalysatoren, die entweder als Waben- oder Plattenkatalysatoren ausgeführt werden und in beiden Ausführungsformen Kanäle mit Querschnitten im Bereich von 10-400 mm
2 aufweisen, ist nur bei sehr geringen Reststaubmengen nach dem Staubfilter möglich. Hierbei sind lange Kanäle noch wesentlich kritischer als kurze. Versuche mit einem kurzen, horizontalen Wabenkatalysator zur Quecksilberoxidation in amerikanischen Kraftwerken haben gezeigt, dass sich die Kanäle bereits bei Reststaubgehalten von etwa 50 mg/Nm
3 mit Staubablagerungen füllen und die katalytische Wirkung infolge dessen stark abfüllt.
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Bei Anwendungen in der Zementherstellung ist es daher aus mehreren Gründen weder technisch noch wirtschaftlich sinnvoll, diese Anordnung zu nutzen. Zum einen ist immer ein weiteres Filter vor dem Kamin erforderlich, welches die in der Rohmahlanlage zur Trocknung genutzten, entstickten Rauchgase aus der Zementklinkerherstellung entstauben, so dass eine Entstaubung bis zum zulässigen Staubemissionswert unnötig, aufwändig und teuer ist. Die Staubgehalte werden daher nur auf Werte im Bereich von üblicherweise 0,1-30 g/Nm3 gesenkt, was die erforderliche Filtergröße stark reduziert.
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Weiterhin nimmt der Ammoniakwasserverbrauch in der SNCR mit steigenden Entstickungsraten überproportional stark zu, da immer mehr Ammoniak nicht zur Stickoxidreduktion genutzt wird, sondern verbrennt und dabei sogar noch zusätzliches Stickoxid produziert wird. Daher ist es wirtschaftlich nicht sinnvoll, nur eine SCR-Anlage mit kleinem, d.h. kurzem Katalysator zur Nutzung des Ammoniakschlupfes aus der SNCR-Anlage zu bauen. Stattdessen ist es wirtschaftlich sinnvoller einen größeren Teil der Entstickung in der SCR-Anlage zu realisieren, da sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten für Filter, Katalysator, Rohrleitungen mit Klappen, Saugzugventilator, Elektrik und Automation, Stahlbau, Montage und Inbetriebnahme durch größere katalytische Elemente nur geringfügig gesteigert werden. Die SNCR-Anlage wird dann aus den genannten Gründen sinnvollerweise mit geringerer Entstickungsleistung betrieben.
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Die Betriebskosten einer SCR-Anlage werden dominiert durch Ammoniakverbrauch, Stromverbrauch des Saugzugventilators, Kosten der katalytischen Elemente und Wartung, wobei die Kosten in der genannten Reihenfolge sinken. Ein größerer Katalysator ermöglicht eine Verschiebung der Ammoniakdosierung vom SNCR-Teil zum SCR-Teil, wodurch der gesamte Ammoniakverbrauch, wie oben ausgeführt, signifikant abnimmt. Dies bedingt aber entweder die Erhöhung der Zahl der Elementlagen oder die Nutzung langer Elemente. Die Erhöhung der Elementlagen erfordert wiederum einen signifikant höheren Abreinigungsaufwand und längere katalytische Elemente sind mit den bei der Zementklinkerherstellung vorherrschenden Staubgehalten nicht mehr abzureinigen.
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Aus der
WO 2010/015 009 A1 ist ein Verfahren und einer Vorrichtung zur Entstickung und Entstaubung von Abgasen bei der Zementklinkerherstellung bekannt, wobei die Abgase zunächst grob entstaubt werden und anschließend einen Katalysator von oben nach unten durchströmen.
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In der
WO 97/09112 A1 wird die Reinigung der Abgase eines Zement-Drehrohrofens beschrieben, wobei der Reduktionskatalysator mit eingangsseitiger Reaktionsmitteleindüsung unmittelbar nach dem Ofen, also vor einer Entstaubung, angeordnet ist und von unter nach oben durchströmt wird.
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Die
AT 010 369 U1 offenbart eine Rauchgasreinigungsanlage, bei der die Staubabscheidung durch zumindest eine erste und eine zweite Filtereinrichtung gebildet wird und ein Reduktionskatalysator zwischen der ersten und zweiten Filtereinrichtung angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rauchgasreinigungsanlage anzugeben, die sich durch eine kompakte Bauweise auszeichnet und einen kostengünstigen und sicheren Betrieb in einer Zementklinkerproduktionsanlage gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Rauchgasreinigungsanlage einer Zementklinkerproduktionsanlage besteht im Wesentlichen aus einem elektrostatischen Filter zur Reduzierung des Staubgehaltes eines Abgases der Zementklinkerproduktionsanlage und einem sich anschließenden Katalysator zur Reinigung des Abgases von Schadstoffen, wobei zwischen dem elektrostatischen Filter und dem Katalysator eine Strömungsumlenkhaube vorgesehen ist, die als Abströmhaube des elektrostatischen Filters und als Anströmhaube des Katalysators fungiert und der Katalysator für eine vertikale Durchströmung mit dem zu reinigenden Abgas auf der Strömungsumlenkhaube angeordnet ist.
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Durch die Doppelfunktion der Strömungsumlenkhaube wird eine kompakte Bauform mit geringer Aufstandsfläche möglich. Die Strömungsumlenkhaube des Elektrofilters übernimmt dabei die Funktion der Anströmhaube des Katalysators und weist vorzugsweise Vorrichtungen zur Homogenisierung der Anströmung des Katalysators auf. In einer weiteren Ausführung übernimmt sie ebenfalls die Einleitung der Lasten aus dem Katalysators in die Tragstruktur des Elektrofilters. Auch ist der Aufwand für Rohrleitungen und für abstützenden Stahlbau signifikant geringer.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei den der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen ergibt sich ein zuverlässiger Betrieb des Katalysators, wenn das elektrostatische Filter für eine Reduzierung des Staubgehaltes auf 0,1 bis 30 g/Nm3, vorzugsweise auch 1 bis 10 g/Nm3, ausgelegt ist. Diese Vorentstaubung erlaubt eine Durchströmung von unten nach oben, ohne den Betrieb empfindlich störenden Ausfall von Staub nach dem Gasaustritt aus den Katalysatorkanälen oberhalb der katalytischen Lagen. Hierdurch ist ein Verzicht auf einen separaten Staubbunker mit der Vorrichtung zum Abtransport des Staubs möglich, der aufgrund des feinen und daher kohäsiven Staubs steile Neigungen der Seitenwände aufweisen müsste. Ein solcher Staubbunker würde aufgrund der steilen Wände hoch bauen und dadurch die Gesamthöhe, die verbauten Massen und die Lasten deutlich erhöhen.
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Es hat sich als vorteilhaft gezeigt, die erfindungsgemäße Ausführung der SCR-Anlage mit einer SNCR-Anlage im entsprechenden günstigen Temperaturfenster des Zementklinkerherstellprozesses zu kombinieren und eine moderate Vorentstickung bereits dort vorzunehmen. Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit, allgemein bekannte dynamische Schwankungen der NOx Konzentration hierdurch zu glätten, was bei niedrigen NOx-Reingaskonzentration am Kamin die Regelung der Ammoniakdosierung der SCR unterstützt. Dadurch kann die SCR-Anlage auch mit maximal 3, vorzugsweise mit 2, katalytischen Lagen ausgeführt werden, was die Höhen, Gewichte und Lasten minimiert.
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Die Türen und Bühnen zur Installation und Wartung der Lagen werden vorteilhaft über die Decke des elektrostatischen Filters erreicht, da die Hochspannung führenden Teile des Filters ohnehin eine Begehungsvorrichtung benötigen, die zum Erreichen der zusätzlichen Bühnen genutzt werden kann. Die Bühnen und Treppen des Katalysators müssen daher nicht separat aufgeständert werden. Die abströmende Rohrleitung nach Katalysator kann in alle gewünschten Richtungen verlaufen, wobei die Richtung oberhalb des Elektrofilters eine besonders einfache Möglichkeit zur Abstützung der Leitung am gegenüberliegenden Filterende bereitstellt und die Rohrleitung gleichzeitig als Dach einer Einhausung dient.
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Durch die Vorentstaubung des Abgases im elektrostatischen Filter sind die Reststaubgehalte so gering, dass ein Ausfallen des Staubs im Katalysatorgehäuse infolge Überladung des Gasstroms nicht mehr erfolgt. Hierbei ist anzumerken, dass ohne Vorentstaubung in der so genannten High-Dust-Schaltung nicht der Rohgasstaubgehalt, sondern die Staubkonzentrationsspitzen während der Staubabreinigung der katalytischen Elemente kritisch sind. Das Ausfallen des Staubes hätte ein störendes „Pumpen“ des Gasstroms zur Folge, der den Produktionsprozess empfindlich stört.
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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
- 1 eine schematische Seitenansicht einer Rauchgasreinigungsanlage mit Abstützung des Katalysators über die Strömungsumlenkhaube,
- 2 eine schematische Vorderansicht der Rauchgasreinigungsanlage gemäß 1,
- 3 eine schematische Seitenansicht einer Rauchgasreinigungsanlage mit separater Abstützung des Katalysators und
- 4 eine schematische Seitenansicht einer Rauchgasreinigungsanlage gemäß 2 mit einem 2-Feld-Elektrofilter
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Die in den 1 und 2 dargestellte Rauchgasreinigungsanlage ist Bestandteil einer Zementklinkerproduktionsanlage und weist im Wesentlichen einen elektrostatischen Filter 1 zur Reduzierung des Staubgehaltes eines Abgases 2 der Zementklinkerproduktionsanlage und einen sich daran anschließenden Katalysator 3 zur Reinigung des Abgases von Schadstoffen auf. An der Eintrittsseite des elektrostatischen Filters 1 ist eine Anströmhaube 4 vorgesehen, die das Abgas 2 gleichmäßig verteilt, bevor es den elektrostatischen Filter 1 durchströmt. Nach Passieren des Katalysators 3 wird der Querschnitt durch eine Abströmhaube 8 verringert und das Gas wird über eine Rohrleitung 13 abgeleitet.
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Der elektrostatische Filter 1 ist so ausgelegt, dass er eine Reduzierung des Staubgehaltes des Abgases auf 0,1 bis 30 g/Nm3, vorzugsweise auf 1 bis 10 g/Nm3, bewirkt. Der abgeschiedene Staub wird in Trichtern 5 gesammelt und aus diesen abgezogen.
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Zwischen dem elektrostatischen Filter 1 und dem Katalysator 3 ist eine Strömungsumlenkhaube 6 vorgesehen, die als Abströmhaube des elektrostatischen Filters 1 und als Anströmhaube des Katalysators 3 fungiert. In dieser können Elemente 7 zur Strömungsvergleichmäßigung eingebaut sein.
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Der Katalysator 3 ist für eine vertikale Durchströmung mit dem zu reinigenden Abgas auf der Strömungsumlenkhaube angeordnet, sodass die Lasten des Katalysators 3 über die Strömungsumlenkhaube auf den elektrostatischen Filter und von dort in eine Stützkonstruktion 9 abgeleitet werden. Der Katalysator 3 wird vorzugsweise durch einen SCR-Katalysator gebildet und besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei Lagen 3a, 3b, wobei aber insbesondere auch eine andere Lagenzahl denkbar wären.
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Die Stützkonstruktion 9 umfasst eine Vielzahl von rasterförmig angeordneten Stützen 9a, 9b, wobei der Katalysator 3 bei dieser Ausführungsform keine zusätzlichen Stützen benötigt. Weiterhin sind Bedienbühnen 11 für den Katalysator 3 und Stützen 10 für die Rohrleitung 13 vorgesehen, die sich auf dem elektrostatischen Filter 1 abstützen.
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Die Abtragung der Lasten aus dem Katalysator 3 kann besonders vorteilhaft erfolgen, wenn die Breite B (siehe 2) der Strömungsumlenkhaube und des Katalysators näherungsweise gleich sind. Bei gleichen Breiten ergeben sich senkrechte Wände der lasttragenden Strömungsumlenkhaube 6 , was für den Kraftfluss in die Stützkonstruktion 9 besonders vorteilhaft ist. Das elektrostatische Filter 1 benötigt für die Entstaubung des zu behandelnden Gasvolumenstroms eine bestimmte Querschnittsfläche (senkrecht zur Hauptströmungsrichtung im Filter), die in Kombination mit dem folgenden Katalysator vorteilhaft durch ein breites, niedrig bauendes Filter anstelle eines schmalen und hoch bauenden Filters ausgeführt wird. Da die Querschnittsfläche des Katalysators ebenfalls durch den Gasvolumenstrom, die Entstickungsanforderung und die Gastemperatur festgelegt werden, ergibt sich in dieser Ausführung ebenfalls eine große Breite B und eine geringe Länge LK für den Katalysator. Die geringe Länge hat den Vorteil, dass die Haube nicht so weit überkragt und das daraus entstehende Moment geringer ist. Das Verhältnis von Länge LK zu Breite B des Katalysators 3 sollte daher kleiner 1:3, vorzugsweise kleiner 1:4 sein. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das Verhältnis von lichter Breite B des elektrostatischen Filters 1 und des Katalysators 3 im Bereich von 0,95 bis 1,05 liegt. Beide Bauteile sollen daher möglichst gleich breit sein, um die Strömungsumlenkung und die Abstützung zu erleichtern.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß der 3 wurden für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, um das Verständnis zu erleichtern. Im Gegensatz zur Darstellung in 1 weist der Katalysator 3 eigene Stützen 9c, 9d auf, an denen auch die Bedienbühnen 11 angebracht sind.
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Die 4 entspricht der Darstellung gemäß 3, wobei der elektrostatische Filter 1 mit zwei, sequentiell durchströmbaren Felder 1a, 1b ausgebildet ist, welches vorzugsweise dann eingesetzt wird, wenn niedrige Reststaubmengen nach dem Filter von weniger als 5 g/Nm3 erzielt werden sollen.
