DE102016119695A1 - Verfahren und Anlage zur Reinigung von Vorwärmerabgasen einer Anlage der Zement- und/oder Mineralsindustrie - Google Patents

Verfahren und Anlage zur Reinigung von Vorwärmerabgasen einer Anlage der Zement- und/oder Mineralsindustrie Download PDF

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Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Reinigung von Vorwärmerabgasen einer Anlage der Zement- und/oder Mineralsindustrie durch Reduktion der Konzentration von gasförmigen Schadstoffen, werden die Vorwärmerabgase zunächst einer Hochtemperaturfiltration zur Reduzierung des Staubgehalts unterzogen, wobei anschließend eine erste Abgasbehandlung durch selektive katalytische Reduktion und eine nachfolgende zweite Abgasbehandlung durch regenerative katalytische Oxidation folgen. Die erfindungsgemäße Anlage zur Reinigung von Vorwärmerabgase der Zement- und Mineralsindustrie durch Reduktion der Konzentration von gasförmigen Schadstoffen beinhaltet einen Hochtemperaturfilter zur Reduzierung des Staubgehalts der Vorwärmerabgase, einen SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion der Vorwärmerabgase und eine nach dem SCR-Katalysator angeordnete regenerative Oxidationskatalysator-Anlage zur regenerativen katalytischen Oxidation der Vorwärmerabgase.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Reinigung von Vorwärmerabgasen aus der Zement- und Mineralsindustrie durch Reduktion der Konzentration von gasförmigen Schadstoffen.
  • In Anlagen der Zement- und Mineralsindustrie werden anorganische Materialien, wie Zementrohmehl, Kalkstein, Magnesit und Dolomit einer thermischen Wärmebehandlung unterzogen, wobei insbesondere ein Vorwärmer zum Einsatz kommt. Im Vorwärmer wird das zu behandelnde Material durch einen Wärmetausch mit Abgasen vorgewärmt. Die den Vorwärmer verlassenden Abgase enthalten neben einem hohen Staubgehalt im Bereich von üblicherweise 50 bis 120 g/Nm3 auch einen hohen Anteil an Stickoxiden und Kohlenstoffmonoxid sowie gasförmigen organischen Stoffen, die nach heutigen Luftreinhaltungsvorschriften nicht ohne Reinigung der Abgase in die Atmosphäre geblasen werden dürfen.
  • Aus der DE 20 2010 018 000 U1 ist eine Vorrichtung zur Entstickung von Rauchgasen mit wenigstens einem Katalysator zur katalytischen Reduktion der Stickoxide bekannt, wobei die Abgase in einem Wärmetauscher auf ein erstes Temperaturniveau angehoben werden. Um das für die Entstickung noch fehlende Temperaturniveau zu erreichen, ist weiterhin eine Stufe zur regenerativen Nachverbrennung des Kohlenstoffmonoxids vorgesehen, wobei zusätzliche externe Energie zum Einsatz kommt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Reduktion der Konzentration von gasförmigen Schadstoffen mit einem reduzierten Energiebedarf durchzuführen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Reinigung von Vorwärmerabgasen einer Anlage der Zement- und/oder Mineralsindustrie durch Reduktion der Konzentration von gasförmigen Schadstoffen, werden die Vorwärmerabgase zunächst einer Hochtemperaturfiltration zur Reduzierung des Staubgehalts unterzogen, wobei anschließend eine erste Abgasbehandlung durch selektive katalytische Reduktion und eine nachfolgende zweite Abgasbehandlung durch regenerative katalytische Oxidation folgen.
  • Die erfindungsgemäße Anlage zur Reinigung von Vorwärmerabgasen der Zement- und Mineralsindustrie durch Reduktion der Konzentration von gasförmigen Schadstoffen beinhaltet einen Hochtemperaturfilter zur Reduzierung des Staubgehalts der Vorwärmerabgase, einen SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion der Vorwärmerabgase und eine nach dem SCR-Katalysator angeordnete regenerative Oxidationskatalysator-Anlage zur regenerativen katalytischen Oxidation der Vorwärmerabgase.
  • Die Vorwärmerabgase weisen bei der Hochtemperaturfiltration zweckmäßigerweise noch eine Temperatur im Bereich von 200°C und 400°C, vorzugsweise von 250°C und 350°C auf. Der Hochtemperaturfilter kann dabei insbesondere einen Elektrofilter oder Filterkerzen aufweisen. Der Staubgehalt der Vorwärmerabgase beträgt vor der Hochtemperaturfiltration üblicherweise 120 bis 50 g/Nm3 (Gramm pro Normkubikmeter) auf und wird bei der Hochtemperaturfiltration vorzugsweise auf weniger als 3 g/Nm3, vorzugsweise weniger als 2 g/Nm3, höchstvorzugsweise weniger als 1 g/Nm3 reduziert. Je geringer die Staubbeladung des in den SCR-Katalysator eintretenden Abgases ist, umso geringer ist die dort auftretende Verstopfungsgefahr durch sich ablagernden Staub. Zur Verbesserung der selektiven katalytischen Reduktion kann dem Abgas vor dem SCR-Katalysator ein Reduktionsmittel, insbesondere ein ammoniakhaltiges Reduktionsmittel zugegeben werden. Die Ausbildung des SCR-Katalysators erfolgt beispielsweise mit Vanadium als aktive Komponente. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Hochtemperaturfilter zur Staubreduzierung mit Filterkerzen ausgestattet sein, die gleichzeitig auch den SCR-Katalysator bilden. Dabei kann das katalytische Material direkt im Grundmaterial der Filterkerze verarbeitet sein, sodass das Vorwärmerabgas bei Durchströmung der Filterkerze auf die katalytischen Materialien trifft. Alternativ kann die Filterkerze aber auch mit katalytischem Material beschichtet sein.
  • Für die sich anschließende katalytische Oxidation kommt beispielsweise ein mit Edelmetallen als aktive Komponente dotierter Oxidationskatalysator zur Anwendung. Insbesondere für die Oxidation von Methan sind jedoch vergleichsweise hohe Temperaturen von größer 400°C erforderlich. Die Temperaturen nach Vorwärmer weisen dieses Temperaturniveau jedoch in der Regel nicht auf. Erfindungsgemäß erfolgt daher zunächst die Entstickung im SCR-Katalysator, die vorzugsweise in einem Temperaturfenster von 250°C bis 350°C durchgeführt wird. Durch die Verwendung der Hochtemperaturfiltration müssen die Vorwärmerabgase vor der Entstaubung nicht erst abgekühlt und anschließend wieder auf das für die Entstickung erforderliche Temperaturniveau angehoben werden.
  • Es ist daher erst für katalytische Oxidation zweckmäßig, die Temperatur der Vorwärmerabgase anzuheben und zwar auf einen Temperaturbereich von 350°C bis 780°C, vorzugsweise 400°C bis 700°C, höchstvorzugsweise 500°C bis 600°C.
  • Die Anhebung der Temperatur der Vorwärmerabgase erfolgt dabei insbesondere mittels Wärmeverschiebung in wenigstens einem Wärmespeichermodul, wobei in Strömungsrichtung der Vorwärmerabgase vorzugsweise jeweils wenigstens ein vor- und ein nachgeordnetes Wärmespeichermodul vorgesehen sind. Der Oxidationskatalysator kann ein- oder mehrlagig ausgebildet sein und ist beispielsweise mit Edelmetallen als aktive Komponente ausgestattet.
  • Den Vorwärmerabgasen kann gewünschtenfalls nach der regenerativen katalytischen Oxidation Aktivkohle zur Quecksilberabscheidung zugegeben wird. Des Weiteren liegt der Sauerstoffgehalt der Vorwärmerabgase bei der ersten und zweiten Abgasbehandlung im Bereich von 2 bis 10%, vorzugsweise 3 bis 8%, höchstvorzugsweise 4 bis 6%.
  • Zur Nutzung von im Vorwärmerabgas noch enthaltender Restwärme kann sich an die regenerative Oxidationskatalysator-Anlage eine Wärmerückgewinnungsstufe (beispielsweise zur Abgasverstromung oder Wassererwärmung) anschließen.
  • Der SCR-Katalysator, der Oxidationskatalysator und die Wärmespeichermodule können insbesondere mit Wabenkörpern ausgebildet sein, wobei vorzugsweise alle Wabenkörper eine identische Wabenstruktur aufweisen. Die Wabenkörper haben den Vorteil, dass sie gut durchströmt werden können und gleichzeitig eine große Oberfläche für die katalytischen Reaktionen bieten.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der weiteren Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigen
    • 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anlage zur Reinigung von Vorwärmerabgasen,
    • 2 ein Blockschaltbild einer Anlage der Zement- und Mineralsindustrie mit einer erfindungsgemäßen Anlage zur Reinigung der Vorwärmerabgase mit einem dem Hochtemperaturfilter nachgeordneten SCR-Katalysator,
    • 3 ein Blockschaltbild einer Anlage der Zement- und Mineralsindustrie mit einer erfindungsgemäßen Anlage zur Reinigung der Vorwärmerabgase mit einem im Hochtemperaturfilter integrierten SCR-Katalysator,
    • 4 eine schematische Darstellung einer regenerativen Oxidationskatalysator-Anlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 5 eine schematische Darstellung einer regenerativen Oxidationskatalysator-Anlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
    • 6 eine schematische Darstellung einer regenerativen Oxidationskatalysator-Anlage gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • Die in 1 dargestellte Anlage zur Reinigung von Vorwärmerabgasen 1 der Zement- und Mineralsindustrie besteht aus einem Hochtemperaturfilter 2 zur Reduzierung des Staubgehalts der Vorwärmerabgase, einem SCR-Katalysator 3 zur selektiven katalytischen Reduktion der Vorwärmerabgase und einer nach dem SCR-Katalysator 3 angeordneten regenerativen Oxidationskatalysator-Anlage 4 zur regenerativen katalytischen Oxidation der Vorwärmerabgase.
  • Der Hochtemperaturfilter 2 ist insbesondere als Elektrofilter ausgebildet oder weist eine Vielzahl von Filterkerzen auf. Die Vorwärmerabgase 1 durchströmen den Hochtemperaturfilter 2 mit einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 400°C, vorzugsweise von 250°C bis 350°C. Diese Temperatur entspricht im Wesentlichen der Temperatur der Vorwärmerabgase beim Verlassen des Vorwärmers. Es findet somit vorzugsweise keine vorhergehende aktive Abkühlung durch Luft- oder Wasserquenchung statt. Der Staubgehalt der Vorwärmerabgase 1 wird bei der Hochtemperaturfiltration von üblicherweise 50 bis 120 g/Nm3 auf weniger als 3 g/Nm3, vorzugsweise weniger als 2 g/Nm3, höchstvorzugsweise weniger als 1 g/Nm3 reduziert. Der abgeschiedene Staub 5 kann wieder dem eigentlichen Herstellungsprozess zurückgeführt werden.
  • Anschließend durchströmen die entstaubten Vorwärmerabgase den beispielsweise mit Vanadium dotierten SCR-Katalysator 2, wobei ein Reduktionsmittel 6, insbesondere ein ammoniakhaltiges Reduktionmittel zugegeben wird. Anschließend findet in der regenerativen Oxidationskatalysator-Anlage 4 eine katalytische Oxidation von Kohlenmonoxid und gasförmigen organischen Schadstoffen statt. Die im Vorwärmerabgas nach der regenerativen Oxidationskatalysator-Anlage 4 noch enthaltende Restwärme kann in einer sich an die regenerative Oxidationskatalysator-Anlage 4 anschließenden optionalen Wärmerückgewinnungsstufe 7, beispielsweise zur Abgasverstromung oder Wassererwärmung, genutzt werden.
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Anlage der Zement- und Mineralsindustrie, bei der die oben beschriebene Anlage zur Reinigung der Vorwärmerabgase integriert ist. Die Anlage umfasst einen Vorwärmer 8, einen Ofen 9 und einen Kühler 10, wobei die Abgase des Ofens 9 den Vorwärmer 8 zum Vorwärmen von Rohmehl 11 durchströmen und den Vorwärmer als Vorwärmerabgase 1 mit einem Temperaturniveau von typischerweise 200°C bis 400°C verlassen. Das für den SCR-Katalysator erforderliche Reduktionsmittel 6 kann am oder unmittelbar vor dem SCR-Katalysator dem Vorwärmerabgas zugegeben werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit das Reduktionsmittel 6 am oberen Ende des Vorwärmers 8 einzubringen.
  • Nach der optionalen Wärmerückgewinnungsstufe 7 werden die Vorwärmerabgase in einer Rohmaterialmühle 12 genutzt, in der Rohmaterial 13 zu dem Rohmehl 11 zerkleinert und gleichzeitig getrocknet wird. Dabei reduziert sich die Temperatur der Vorwärmerabgase auf etwa 80 bis 120 °C. Steht die Rohmaterialmühle nicht zur Verfügung wird das Vorwärmerabgas über einen Kühlturm 14 geleitet, wobei vorher Aktivkohle 15 zur Quecksilberreduzierung zugegeben werden kann.
  • Das in der Rohmaterialmühle bzw. im Kühlturm 14 abgekühlte Abgas wird anschließend in einem Entstaubungsfilter 16 vom Staub 17 (+ ggf. Aktivkohle) befreit, bevor es über einen Kamin in die Atmosphäre gelangt.
  • 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Anlage der Zement- und Mineralsindustrie, welches sich von dem Ausführungsbeispiel der 2 nur dadurch unterscheidet, dass der Hochtemperaturfilter und der SCR-Katalysator durch eine katalytische Hochtemperatur-Entstaubungsanlage 20 gebildet werden. Die katalytische Hochtemperatur-Entstaubungsanlage 20 kann dabei zur Staubreduzierung mit Filterkerzen ausgestattet sein, die gleichzeitig auch den SCR-Katalysator bilden.
  • Dabei kann das katalytische Material direkt im Grundmaterial der Filterkerze verarbeitet sein, sodass das Vorwärmerabgas bei Durchströmung der Filterkerze auf die katalytischen Materialien trifft. Alternativ kann die Filterkerze aber auch mit katalytischem Material beschichtet sein.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung der regenerativen Oxidationskatalysator-Anlage 4 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Sie weist einen beispielsweise mit Edelmetallen dotierten Oxidationskatalysator 21 auf, wobei in Strömungsrichtung 22 der Vorwärmerabgase 1 jeweils wenigstens ein vor- und ein nachgeordnetes Wärmespeichermodul 23, 24 vorgesehen sind, welche ein- oder mehrlagig ausgebildet sein können. Die Vorwärmerabgase sollen sich durch das in Strömungsrichtung vorgelagerte Wärmespeichermodul 23 erwärmen und zwar auf die für die katalytische Oxidation erforderliche Temperatur im Bereich von 400°C bis 750°C. Sollte die Wärme des Wärmespeichermoduls 23 hierfür nicht ausreichen, kann über die Brenngasaufgabe 19 eine weitere Erwärmung erfolgen. Die Oxidation am Oxidationskatalysator 21 setzt darüber hinaus zusätzliche Wärme frei, so dass die Temperatur der Vorwärmerabgase nach dem Oxidationskatalysator sogar noch höher ist (beispielsweise um 200 bis 250°C höher). Die Vorwärmerabgase erwärmen im Folgenden das Wärmespeichermodul 24. Sobald die Wärme des Wärmespeichermoduls 23 nicht mehr ausreichende ist oder nach einer vorgegebenen Zeit, wird die Strömungsrichtung der Vorwärmerabgase durch die regenerative Oxidationskatalysator-Anlage umgekehrt, sodass die Abgase im Folgenden zunächst das aufgeheizte Wärmespeichermodul 24 durchströmen, bevor sie zum Oxidationskatalysator 21 gelangen.
  • 5 zeigt eine Variante der regenerativen Oxidationskatalysator-Anlage mit drei Kanälen, die jeweils ein Wärmetauschermodul 23.1, 23.2 bzw. 23.3 sowie jeweils einen Oxidationskatalysator 21.1, 21.2 bzw. 21.3 aufweisen. Über ein nicht näher dargestelltes Klappensystem können die Vorwärmerabgase immer durch zwei der drei Kanäle entsprechend dem zu 4 erläuterten Prinzip strömen. Der dritte Kanal soll vorrangig verhindern, dass beim Umschalten der Klappen Emissionsspitzen entstehen.
  • 6 zeigt schließlich eine Variante zur 5 bei der die drei Kanäle mit jeweils einem Wärmetauschermodul 23.1, 23.2 bzw. 23.3 bestückt sind, welche über Klappen 25.1, 25.2, 25.3, 25.4 und 25.5 mit einem gemeinsamen Oxidationskatalysator 21.4. verschaltbar sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202010018000 U1 [0003]

Claims (15)

  1. Verfahren zur Reinigung von Vorwärmerabgasen (1) einer Anlage der Zement- und/oder Mineralsindustrie durch Reduktion der Konzentration von gasförmigen Schadstoffen, wobei die Vorwärmerabgase zunächst einer Hochtemperaturfiltration zur Reduzierung des Staubgehalts unterzogen werden und anschließend eine erste Abgasbehandlung durch selektive katalytische Reduktion und eine nachfolgende zweite Abgasbehandlung durch regenerative katalytische Oxidation folgen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Staubgehalt der Vorwärmerabgase (1) bei der Hochtemperaturfiltration auf weniger als 3 g/Nm3 reduziert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmerabgase (1) bei der Hochtemperaturfiltration eine Temperatur im Bereich von 200°C und 450°C aufweisen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vorwärmerabgas (1) vor der selektiven katalytischen Reduktion ein Reduktionsmittel zugegeben wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Vorwärmerabgase (1) bei der regenerativen katalytischen Oxidation auf einen Temperaturbereich von 350°C bis 780°C angehoben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anhebung der Temperatur der Vorwärmerabgase (1) mittels Wärmeverschiebung in wenigstens einem Wärmespeichermodul (23, 24) und optional durch externen Brennstoff erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt der Vorwärmerabgase (1) bei der ersten und zweiten Abgasbehandlung im Bereich von 2 bis 10% liegt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vorwärmerabgas (1) nach der regenerativen katalytischen Oxidation Aktivkohle (15) zur Quecksilberabscheidung zugegeben wird.
  9. Anlage zur Reinigung von Vorwärmerabgasen (1) einer Anlage der Zement- und Mineralsindustrie durch Reduktion der Konzentration von gasförmigen Schadstoffen mit - einem Hochtemperaturfilter (2) zur Reduzierung des Staubgehalts der Vorwärmerabgase, - einem SCR-Katalysator (3) zur selektiven katalytischen Reduktion der Vorwärmerabgase und - einer nach dem SCR-Katalysator (3) angeordneten regenerativen Oxidationskatalysator-Anlage (4) zur regenerativen katalytischen Oxidation der Vorwärmerabgase.
  10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturfilter (2) einen Elektrofilter oder Filterkerzen aufweist.
  11. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die regenerative Oxidationskatalysator-Anlage (4) einen Oxidationskatalysator (21) sowie in Strömungsrichtung der Vorwärmerabgase (1) jeweils wenigstens ein vor- und ein nachgeordnetes Wärmespeichermodul (23, 24) umfasst.
  12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Wärmespeichermodul (23, 24) ein oder mehrlagig ausgebildet sind.
  13. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die regenerative Oxidationskatalysator-Anlage (4) eine Wärmerückgewinnungsstufe (7) zur Nutzung von im Vorwärmerabgas noch enthaltender Restwärme anschließt.
  14. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturfilter (2) zur Staubreduzierung mit Filterkerzen ausgestattet ist und der SCR-Katalysator (3) durch katalytische Filterkerzen gebildet wird.
  15. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator (3), der Oxidationskatalysator (21) und die Wärmespeichermodule (23, 24) mit Wabenkörpern ausgebildet sind, wobei vorzugsweise alle Wabenkörper eine identische Wabenstruktur aufweisen.
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