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Vorrichtung zur katalytischen Nachverbrennung industrieller Abgase
Zahlreiche industrielle Abgase enthalten organische Bestandteile, die gesundheitsschädigend
oder geruchsbelästigend sind. Durch katalytische Nachverbrennung können diese Stoffe
in die inerten Verbindungen Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff übergeführt werden.
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Für diese Totaloxydation organischer Stoffe sind zahlreiche Katalysatoren
bekannt. Meistens handelt es sich um Elemente der Platingruppe oder um Unedelmetalloxide,
die auf metallische oder keramische Trägermaterialien aufgebracht sind.
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Einer breiten industriellen Anwendung des Verfahrens steht die Tatsache
entgegen, daß die zu reinigenden Abgase vor Eintritt in die Katalysatorschicht meist
erst auf die Reaktionstemperatur der Nachverbrennung aufgeheizt werden müssen, da
sie in der Regel mit Temperaturen unter 2000 C anfallen. Bei der Verbrennung in
der Katalysatorschicht wird mehr oder weniger viel Wärme frei. Durch Wärmeaustausch
mit dem kalten Gas läßt sich Energie einsparen, sofern das Eingangsgas frei von
Staub und Nebeln ist, da sonst die Wärmeaustauscher innerhalb kurzer Zeit stark
verschmutzen. Da dies häufig nicht der Fall ist, da ferner oft die zurückgewonnene
Energie nicht zur Aufheizung des Gases auf die Reaktionstemperatur ausreicht und
da beim Anfahren einer Anlage das erste ankommende Abgas stets kalt ist, ist es
praktisch in jeder Anlage zur katalytischen Nachverbrennung erforderlich, eine Zusatzheizung
zu installieren. Diese Heizungen werden mit Gas, Ö1 oder Strom betrieben.
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Entscheidend ist für die Wahl der Energieart nicht nur der Energiepreis,
sondern auch die Betriebsdauer, die Installationskosten und die Regelmöglichkeit.
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Daher wird das zu reinigende Abgas in sehr vielen Fällen elektrisch
aufgeheizt, wobei man Heizstäbe verwendet, die Oberflächentemperaturen zwischen
400 und 800"C haben. Üblicherweise werden diese Zusatzheizungen - in Strömungsrichtung
gesehen -vor dem Katalysator angeordnet. Ebenso ist es aber auch möglich, daß Katalysatorbett
selbst, z. B. durch eingelegte Heizkörper, auf die Reaktionstemperatur der Verbrennung
aufzuheizen.
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Es wurde nun gefunden, daß es in überraschend einfacher Weise möglich
ist, bis zu zwei Drittel an elektrischer Energie beim Aufheizen des zu reinigenden
Gases einzusparen, wenn ein Teil der im Abgas vorhandenen organischen Verbindungen
bereits an der Heizung mitverbrannt wird und dadurch zur Temperaturerhöhung auf
die eigentliche Reaktionstemperatur beiträgt, indem die Heizstäbe mit katalytisch
wirksamer Substanz belegt werden, da ihre Oberflächentemperatur zwar nicht zur thermischen,
jedoch
zur katalytischen Verbrennung der organischen Verbindungen ausreicht. Die
Bleche und Netze sind ebenfalls oberflächlich mit katalytisch aktiver Substanz belegt.
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In der A b b. 1 ist eine beispielsweise Ausführung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in zwei Ansichten dargestellt, und zwar zeigt diese einen einzelnen
Heizstab 1 in U-Form, der vor dem eigentlichen Nachverbrennungskatalysator in der
Gasleitung 2 angeordnet ist.
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Um einen möglichst großen Anteil der organischen Bestandteile zu
verbrennen, ist es zweckmäßig, die Oberfläche der Heizorgane zu vergrößern, in dem
diese beispielsweise nach Abt. 2 mit parallel zu ihnen laufenden Leitblechen 3 oder
nach A b b. 3 mit senkrecht zu ihnen angeordneten Leitblechen 4 versehen werden.
Nach A b b. 4 können die Heizorgane auch mit Netzen 5 verbunden werden, die senkrecht
zu der Durchtrittsrichtung der Gase liegen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, bis zu etwa zwei Drittel
der ursprünglichen Energiekosten einzusparen. Da ein erheblicher Teil der Verunreinigungen
bereits an der Heizung verbrannt wird, hat das Verfahren weiter den Vorteil, daß
der eigentliche Katalysator mit einer größeren Gasmenge beaufschlagt werden oder
daß das Katalysatorvolumen verringert werden kann oder daß der Wirkungsgrad einer
Nachverbrennungsanlage vergrößert wird. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist darin zu sehen, daß bei der Durchführung des Verfahrens in der beschriebenen
Weise eine scheinbare Erniedrigung der Anspringtemperatur eintritt. Diese Erniedrigung
hat zur Folge, daß die Endtemperatur im Katalysator
niedriger wird,
was von Bedeutung sein kann, wenn es, wie im Beispiel 2 beschrieben, dadurch möglich
ist, unter der zulässigen Katalysatorhöchsttemperatur zu bleiben. Bei einer höheren
als dieser maximal zulässigen Temperatur können nämlich die Katalysatoren durch
Veränderung des metallischen Trägermaterials, durch erhöhten Abtrag der aktiven
Komponente, durch Spinellbildung der aktiven Komponenten untereinander oder mit
dem Trägermaterial sowie durch Modifikationsänderungen der aktiven Komponenten oder
des Trägermaterials erheblich geschädigt werden. Durch entsprechende Anordnung der
Bleche oder Netze an den Heizstäben ist es weiter möglich, eine intensive Durchmischung
des zu reinigenden Gases zu erzielen, was ebenfalls von Vorteil ist, wenn dem Abgas
Luft zugemischt wurde oder das Abgas aus verschiedenen Emissionsquellen stammt.
Ferner ist es durch entsprechende Anordnung und Ausbildung der Netze und Bleche
möglich, eine gleichmäßige Anströmung der Katalysatorschüttung oder der Katalysatorelemente
zu erreichen. Weiterhin wird das Verfahren der katalytischen Nachverbrennung durch
die beschriebene Vorrichtung in der Durchführung billiger, weil auf Grund der günstigen
Energiezuf uhr beispielsweise häufig auf einen Wärmeaustauscher verzichtet werden
kann.
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Als katalytisch wirksame Substanzen auf den Heizstäben, Blechen und
Netzen eignen sich alle Elemente und Verbindungen, die üblicherweise für die katalytische
Totaloxydation organischer Verbindungen eingesetzt werden. Insbesondere geeignet
sind hierfür die Elemente der Platingruppe sowie die Oxide von Kupfer, Chrom, Vanadin,
Mangan, Nickel, Kobalt, Uran, Thorium usw. und Mischungen dieser Oxide mit oder
ohne Zusätze der I. bis III. Hauptgruppe des Periodischen Systems der Elemente.
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Das Aufbringen der aktiven Substanz auf die Heizstäbe, Bleche und
Netze erfolgt nach bekannten Verfahren. Ebenso ist die Art der Aktivierung für den
erfindungsgemäßen Gedanken ohne Bedeutung.
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Die Bleche und Netze an den Heizstäben werden zweckmäßigerweise zur
Erzielung einer guten Wärme-
leitung längs der gesamten Berührungsfläche angeschweißt.
Die Anordnung der Heizstäbe kann beliebig vorgenommen werden. Erfolgt die Regelung
der Heizung durch Veränderung der angelegten Spannung mittels eines Transformators,
so ist zu beachten, daß durch ein Absinken der Spannung eine verminderte Oberflächentemperatur
erzielt wird, was zum Aussetzen der Verbrennung an den Heizstäben führt, sobald
die Oberflächentemperatur unter einen Mindestwert absinkt. Dieser Mindestwert liegt
je nach aufgebrachter aktiver Substanz zwischen etwa 200 und 4000 C. Es ist deshalb
vorteilhaft, die anzuschließenden Heizstäbe gruppenweise zusammenzufassen und durch
Ein-Aus-Schaltung einzelner Gruppen die Heizung zu regeln. A b b. 5 zeigt schematisch
die gruppenweise Anordnung von Heizstäben 6.
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Durch die folgenden Beispiele soll die erfindungsgemäße Vorrichtung
erläutert werden.
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Beispiel 1 Ein Nachverbrennungsofen mit auswechselbarer elektrischer
Heizung in Form eines haarnadelförmig gebogenen Heizstabes (350 W) mit 300 mm beheizter
Länge aus Edelstahl wird mit einem Trägerkatalysator beschichtet. Als Testsubstanz
werden 2 m3/h Luft, die 10 g Aceton je Kubikmeter enthalten, durch den Ofen geleitet.
Es wird die Temperatur bestimmt, die mindestens erforderlich ist, um die Totaloxydation
einzuleiten und aufrechtzuerhalten. Die Heizung wird mittels Transformator geregelt.
Nach der Messung (1) wird auf den Heizstab eine Palladiumschicht von 20 bis 30 p
Dicke aufgebracht und die Messung wiederholt. Nach dieser Messung (11) wird der
palladinierte Heizstab ausgebaut und für eine dritte Messung mit einem aufgeschweißten
Netz aus Chrom-Nickel-Stahl versehen. Das Netz (25 Maschen je Quadratzentimeter
0,5 mmDrahtdurchmesser) istetwa250 mm lang, 20 mm breit und ebenfalls mit 20 bis
30 EL Palladium belegt.
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Die folgende Tabelle faßt die erhaltenen Ergebnisse zusammen:
| Temperaturen . |
| Messung Eingang nach der Kontaktbett im KOntaktbett t gesamt
Spannung Strom an der einsparung |
| Heizung .C Kontaktbett Heizung gegenüber 1 |
| "C °C theoretisch | "C "C v wo °/o olo |
| I 20 160 l 160 375 215 120 101 0 0 |
| II 20 170 130 345 215 105 79,4 28 21,5 |
| III 20 210 80 295 215 80 : 43,3 70 57,7 |
Aus den Werten ist zu ersehen, daß bis zu 700/o der organischen Substanz an der
Heizung verbrannt und 57,1 01o Energie eingespart wurden. Bei einem weiteren Absenken
der Spannung unter den Wert von Versuch III wird der Punkt erreicht, an dem die
Oberflächentemperatur des Heizstabes nicht mehr ausreicht, um die Verbrennungsreaktion
an der Heizung einzuleiten.
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Beispiel 2 An einem Ofen, in dem keramische Formteile gesintert werden,
die mit einem organischen Bindemittel verarbeitet sind, wurde eine Anlage zur katalytischen
Nachverbrennung der entstehenden Abgase angeschlossen. Die Anlage wurde ausgelegt
für
600 Nm3/h Abgas. Die Temperatur des anfallenden Gases wurde mit 1000 C angenommen.
Die bei der Nachverbrennung zu erwartende Temperatursteigung sollte unter 4000 C
liegen. Es wurde deshalb eine Heizung mit einer Leistung von 30 kW installiert,
die das mit 1000 C ankommende Gas um 140"C, also auf 2400 C, aufheizen sollte. Nach
der Verbrennung hätte dann das Abgas eine Temperatur von 640"C gehabt.
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Beim Anfahren der Anlage zeigte sich jedoch, daß die tatsächliche
Abgastemperatur nur 60"C betrug.
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Es wurde daraufhin eine weitere Heizgruppe mit 10 kW Leistung installiert,
die bei 600 Nach eine Temperatursteigerung von etwa 450C liefert, um ein Anspringen
des Katalysators im Nachverbrennungsofen zu erreichen. Nach dem Anfahren zeigte
sich, daß
die der Planung der Anlage zugrunde gelegte Temperatursteigerung
nicht 4000 C, sondern etwa 5000 C betrug. Somit hätte sich im Katalysatorbett eine
Temperatur von 750"C einstellen müssen. Bei dieser stationären Temperatur wäre der
Katalysator irreversibel geschädigt worden, da er nur bis maximal 650"C im Dauerbetrieb
temperaturbeständig ist. Die nachträglich eingebauten fünf Heizstäbe zu 2 kW, die
haarnadelförmig gebogen sind, wurden daraufhin mit einer etwa 10 bis 15 iu dicken
Palladiumschicht versehen. Außerdem wurde auf jeden Heizstab ein Edelstahlsieb von
1500 mm Länge und 30 mm Breite aufgeschweißt.
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Die Maschenzahl betrug 25 je Quadratzentimeter bei einer Drahtdicke
von 0,5 mm. Das Netz war ebenfalls mit einer etwa 10 bis 15 p dicken Pallasiumschicht
belegt. Nach dem Wiederanfahren der Anlage und dem Einsetzen der Reaktion wurde
die 30-kW-Heizung ausgeschaltet und nur die 10-kW-Heizung mit den Palladiumnetzen
benutzt. Nach Einstellen des stationären Zustandes hätte die Temperatur nach der
Heizung rund 105"C betragen müssen. Tatsächlich wurden jedoch 250"C gemessen. Die
Temperaturerhöhung im eigentlichen Katalysatorbett betrug nur noch etwa 360"C.
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Die Katalysatortemperatur lag zwischen 600 und 610"C. Durch diesen
Umbau wurde a) die Kontaktbettemperatur um etwa 140"C gesenkt, b) wurden etwa 280/o
der organischen Substanz bereits an der Heizung verbrannt und c) als Folge davon
750/, der ursprünglich erforderlich gewesenen Energie eingespart.