DE19506864A1 - Verfahren zur katalytischen Behandlung von Rauchgasen - Google Patents

Verfahren zur katalytischen Behandlung von Rauchgasen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalytischen Oxida­ tion von organischen Schadstoffen in Rauchgasen unterschiedli­ cher Herkunft und Zusammensetzung in Gegenwart von Wasser­ dampf.
Für die Beseitigung von organischen Schadstoffen und Abproduk­ ten unterschiedlicher Zusammensetzung und Herkunft werden thermische, physikalisch-chemische und biologische Verfahren eingesetzt.
Thermische Verfahren, wie die Pyrolyse und die Hochtemperatur­ verbrennung, leisten zum gegenwärtigen Zeitpunkt den größten Beitrag zur Beseitigung von festen, flüssigen und gasförmigen Abprodukten.
Ungeachtet der erzielten Fortschritte bei der konventionellen Verbrennung, beim Schwel-Brennverfahren, dem Selectoforming- Verfahren u. a. besitzen diese Mängel und Schwachstellen. Insbesondere bereitet die sichere Einhaltung der vom Gesetzge­ ber geforderten Grenzwerte Schwierigkeiten bzw. ist nur durch aufwendige und teuere multifunktionelle Reinigungsstufen zu erreichen, die nicht nur die Betriebskosten erhöhen, sondern auch bei stark wechselnder Zusammensetzung der Abfallproduk­ te/Schadstoffe zu Instabilitäten beim Versuchsbetrieb führen. Insbesondere die De Novo-Synthese, durch nicht vollständig abgebaute und teiloxidierte Kohlenwasserstoffe hervorgerufen, belasten Verbrennungsanlagen, haben zum Teil zu Stillegungen von kleineren Verbrennungsanlagen geführt und führen auch zunehmend zu Akzeptanzproblemen in der Bevölkerung.
Für die Rauchgasreinigung und zur Vermeidung von Emissionen haben sich verfahrenstechnische Maßnahmen, sogenannte primäre Maßnahmen, wie z. B. die optimale Gestaltung des Feuerungs­ raumes, bessere Durchmischung der Reaktanden, die Inhibierung der Dioxinbildung durch Zugabe von Aminen wie auch sekundäre Maßnahmen, wie die Abscheidung/Abtrennung von Schadstoffen mittels Aktivkoks oder Sorbalit-Gemisch, bestehend aus Calci­ umhydroxid und Braunkohlenaktivkoks, empfohlen und durchge­ setzt. Diese Maßnahmen sind nicht nur teuer, sondern bergen auch die Gefahr von Überhitzungen und Selbstentzündung durch Hot spots in Aktivkohlefiltern in sich und müssen darüber hinaus durch eine katalytische Nachverbrennung von noch im Rauchgas enthaltenen Kohlenwasserstoffen ergänzt werden.
Die katalytische Totaloxidation wird bereits in großem Rahmen mit Edelmetallkatalysatoren für Kraftfahrzeugabgase betrieben; die dafür eingesetzten Edelmetallkatalysatoren verlangen ein Temperaturniveau unter 600°C sowie schwefel- und metallfreie Verbrennungsgase.
In Feuerungsanlagen werden Katalysatoren im wesentlichen zur Entstickung und zwar zur Beschleunigung der Reaktion von Ammo­ niak mit Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser verwendet, die im Temperaturbereich um 400°C meist nach der Entstaubung und zum Teil auch nach der Rauchgaswäsche eingesetzt werden.
Es handelt sich dabei um Wabenkörper, z. B. aus Titandioxid mit einer Belegung von Vanadin oder Wolframoxiden. Auch die Ver­ wendung von Oxiden des Kobalts und des Nickels sind bekannt.
Zur Reinigung von Abluft und Abgasen, die Kohlenwasserstoffe enthalten, wie sie in Lackierereien, in der Leder- und Kunst­ stoffverarbeitung, bei Synthesen aller Arb und vielen weiteren industriellen Tätigkeiten anfallen, werden Metalloxide mit Erfolg eingesetzt, die bei definierten Schadstoffen einen guten Reinigungseffekt bei langer Lebensdauer garantieren.
Die katalytische Nachoxidation von Verbrennungsgasen zur Zer­ störung von Restkohlenwasserstoffen wird in Müllverbrennungs­ anlagen und in Sondermüll-Entsorgungsanlagen zunehmend ange­ strebt. Vor allem hohe Schwefelgehalte und das Vorkommen höhe­ rer Kohlenwasserstoffe sowie von Teeren, Ruß und Stäuben als Aerosole in den Verbrennungsgasen führen zu einer Verkürzung der Lebensdauer bekannter Katalysatoren, was sich nachteilig auf die Ökonomie des gesamten Prozesses auswirkt.
Diese Gründe haben auch die Suche nach leistungsfähigen Kata­ lysatoren und Additiven, wie H₂O₂, die bei relativ niedrigen Reaktionstemperaturen (200-250°C) Dioxine und andere toxi­ sche Schadstoffe zuverlässig in einfache Kohlenwasserstoffe umsetzen, ausgelöst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und technisch anwendbares Verfahren zur Umsetzung von im ungerei­ nigten Rauchgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe mit Hilfe eines Katalysators und bei energetisch günstiger Reaktionsführung zu entwickeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur katalytischen Behandlung von Rauchgasen ist dadurch gekennzeichnet, daß
ein Wabenformkörper mit Siebstruktur, dessen Waben aus einem modifizierten oder unmodifizierten Calciumaluminat als Kataly­ sator bestehen, unmittelbar nach dem Brennraum in einen unge­ reinigten Rauchgasstrom angeordnet wird, wobei das Rauchgas eine Temperatur von im Bereich von 400 bis 1300°C hat und die Verweilzeit im Wabenformkörper 0,2 bis 3 Sekunden beträgt.
Durch diese Anordnung des Katalysators wird die Dioxinneubil­ dung vermieden und eine technisch wie energetisch günstigere Reaktionsführung realisiert. Der Direkteinsatz des Katalysa­ tors unmittelbar im Rauchgasstrom nach Verbrennungsprozessen und in Anwesenheit von Wasserdampf erfordert einen robusten, thermostabilen, gegenüber Heteroelementverbindungen und im Verbrennungsprozeß entstehenden aggressiven Stoffen resisten­ ten Katalysator, der auch in Gegenwart von in Rauchgasen ent­ haltenen Staubpartikeln seine katalytische Wirkung beibehält.
Für die Umwandlung von CO und anderen Kohlenwasserstoffen haben sich bei hohen Temperaturen auch für die Reinigung von verschiedenen Abgasen zementhaltige Katalysatoren empfohlen, die allerdings ausschließlich in "reinen" Oxidationsprozessen, die durch keinerlei Staubentwicklung begleitet werden, einge­ setzt. Die bisher bekanntgewordene Anwendung dieser Katalysa­ toren erfolgt allein in Form von Strängen oder Kugeln, die eine Umsetzung von staubhaltigen Rauchgasen infolge der Gefahr des Zuwachsens und Verstopfens, die zur Stillegung der Ver­ fahren führen, nicht gestatten.
Durch den Einsatz eines Wabenformkörpers mit einer definierten Siebstruktur wird unter Tolerierung eines bestimmten Staubge­ haltes im Rauchgas die katalytische Wirksamkeit des Formkör­ pers und die unmittelbare Umsetzung von Restkohlenwasserstof­ fen in ungereinigten Rauchgasen gewährleistet.
Das Wesen der Erfindung besteht daher im Einsatz eines hoch­ temperaturbeständigen, wasserdampffesten und gegenüber Hetero­ elementverbindungen resistenten, katalytisch aktiven Waben­ formkörpers, der unmittelbar im Rauchgasstrom unter Ausnutzung der dort herrschenden Temperaturverhältnisse angeordnet ist und eine totale Umwandlung von noch im Rauchgas enthaltenen, nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen so realisiert, daß der De Novo-Synthese die stoffliche Grundlage entzogen wird.
Erfindungsgemäß besteht der Katalysator bzw. Wabenformkörper in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem mit unter­ schiedlichen Promotoren modifiziertem Calciumaluminat, das vorzugsweise die für die beabsichtigte Reaktion aktiven Phasen C₁₂A₇ und C₃A enthält, und das über die beschriebenen katalyti­ schen, thermischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften verfügt.
Die Herstellung eines bisher mit dieser katalytischen Wirkung nicht bekannten Wabenkörpers aus Calciumaluminaten und dessen Einsatz für die direkte Umsetzung eines mit Staubpartikeln beladenen Rauchgases führt zu technologisch wie ökonomisch vorteilhafteren Lösungen als bei bekannten klassischen Ver­ brennungsanlagen (Einsparung von Prozeßstufen bzw. einfachere Gestaltung derselben).
Erfindungsgemäß besteht der Katalysator aus einem Gewichts­ verhältnis von CaO : γ-Al₂O₃ von vorzugsweise 30 : 70. Durch Promotierung des Calciumaluminatträgers mit Elementen der V. bis VIII. Nebengruppe des periodischen Systems der Elemente, insbesondere V, Ni, Mn und Mo, in einer Konzentration zwischen 0,2-10%, vorzugsweise von bis zu 5%, insbesondere mit 1 Gew.-%, kann die bifunktionelle Wirkung des Katalysators - die Totaloxidation oder die thermisch-katalytische Spaltung der Kohlenwasserstoffe und die Beschleunigung der Wassergasreak­ tion - variiert und stark erhöht werden.
Die unter bestimmten Bedingungen bevorzugt ablaufende Wasser­ gasreaktion führt auch zu einer vollständigen Spaltung von aliphatischen wie aromatischen Kohlenwasserstoffstrukturen. Darüber hinaus wird auch die Vergasung von Koks- und Gumab­ scheidungen auf dem Katalysator gefördert und dadurch eine hohe Langzeitaktivität des Katalysators erreicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist einsetzbar zur Reinigung von Abgasen aus Altöl, der Sonderabfallverbrennung von Kran­ kenhausabfällen, Lösungsmitteln, chlor- und metallhaltigen Abfällen aus der metallverarbeitenden Industrie und anderen, bei denen die Gefahr der Dioxin-Rückbildung bei unvollständi­ ger Verbrennung besteht;
  • - aus Räuchereien, Röstereien und artverwandten Betrieben zum Abbau der Geruchsbelästigung und zur Einhaltung der Immis­ sionsgesetze;
  • - aus der Verbrennung bei der Beseitigung von Müll, Umwelt­ schadstoffen, wie z. B. in kontaminierten Böden, kontaminierten festen Rückständen, Altkunststoffen, Elektronikschrott, Klär­ schlämmen, Leiterplattenmaterial u. a.
Die Herstellung des Wabenformkörpers erfolgt nach üblichen Techniken der Herstellung von Wabenformkörpern, wobei als Ausgangsprodukte für das Calciumaluminat beispielsweise Calci­ umcarbonat und Aluminiumoxid verwendet werden können, die nach Verschlickerung unter Zusatz gängiger Hilfsstoffe zu den Form­ körpern geformt, getrocknet und gebrannt werden, gegebenen­ falls unter Einhaltung von Temperaturzwischenstufen.
Die Durchlaßöffnungen im Wabenformkörper betragen 1×1 bis 10 ×10 mm. Kleinere Durchlaßöffnungen als 1 mm sind wegen der Möglichkeit der Verstopfung durch Staubanteile im Rauchgas nicht zweckmäßig, jedoch kann im Falle eines besonders staub­ armen Rauchgases auch mit kleineren Öffnungen gearbeitet wer­ den. Größere Öffnungen als 10 mm sind wegen der nicht mehr ausreichenden katalytischen Reaktion bei den kurzen Verweil­ zeiten nicht zweckmäßig. Die Öffnungen können rechteckig, quadratisch oder auch sechseckig sein.
Verweilzeiten unter 0,2 Sekunden reichen im allgemeinen für die gewünschte katalytische Reaktion nicht aus; Zeiten über 3 Sekunden sind im allgemeinen unökonomisch wegen des herabge­ setzten Durchsatzes. Unter "Rauchgase" werden in dieser Erfin­ dung alle Abgase aus Verbrennungsvorgängen verstanden.
Der Wabenformkörper kann als Batterie von mehreren Formkörpern sowohl waagerecht als auch senkrecht als auch in geneigten Richtungen nach dem Brennraum entsprechend den jeweiligen räumlichen Bedingungen angeordnet werden. Dabei ist es zweck­ mäßig bei Anordnung einer Vielzahl von Formkörpern diese form­ schlüssig waagerecht und/oder senkrecht und/oder geneigt zur Rauchgasrichtung übereinander, nebeneinander und/oder hinter­ einander anzuordnen in einer für die katalytische Reinigung ausreichenden Größe bzw. Anzahl. Die tatsächliche Ausgestal­ tung ist für den Fachmann auf diesem Gebiet in Abhängigkeit von der Menge und Art der aus dem Brenn/Rauchgas zu entfer­ nenden schädlichen Bestandteile sowie der Auswahl des entspre­ chenden Katalysators (Dotierung) leicht zu ermitteln.
Die Erfindung wird durch die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt
Fig. 1 den Wabenformkörper im Schnitt.
Die in den folgenden Beispielen dargelegten Ergebnisse stammen aus Laborapparaturen, die im wesentlichen aus einer Vorheizzo­ ne und der sich anschließenden Verbrennungszone/Katalysatorzo­ ne besteht. Das nach Kühlung und Kondensation erhaltene gas­ förmige Reaktionsprodukt wurde gaschromatografisch und durch Kopplung von GC und Massenspektrometrie untersucht.
In den Ausführungsbeispielen wurden Katalysatoren folgender Zusammensetzung
CaO : Al₂O₃ = 1 : 3 Promotierung mit 1% Ni oder V oder Mn bei Reaktionstemperaturen zwischen 750 und 900°C in Form von Raschigringen und Wabenformkörpern eingesetzt. Zur Simulierung der Schadstoffumsetzung wurde mit Modellkohlenwasserstoffgemi­ schen gearbeitet, die für reale Systeme repräsentativ sind.
Beispiel 1
Oxidation von Kohlenwasserstoffgemischen an Calciumaluminat TZ70
Versuchsbedingungen:
Katalysator : TZ70 (Phasen: C₁₂, A₇, C₃A;/0% Al₂O₃, 30% CaO)
Mittlere Reaktortemperatur: 750-850°C
Verweilzeit: 0,6 s
Belastung: 0,25 g/g Katalysator
Durchleitung der Kohlenwasserstoffe mit Luft vermischt durch einen Vorheizer in den Reaktor; Restsauerstoffgehalt etwa 10%.
Tabelle 1
Oxidation eines Gemisches aus Acetonitril, Benzen, Chlorbenzen, n-Hexan (Masse-Verhältnis 4/59/8/29)
Katalysator: TZ70; steigende Betriebsdauer, Verweilzeit 0,4 Sek. Angaben in % Umsatz
Der oxidative Abbau des Acetonitrils ist bereits bei 750°C voll­ ständig, bei 850°C liegen die untersuchten Kohlenwasserstoffe im Abgas nur in Spuren vor. Auch der Umsatz von Benzen und Chlorben­ zen ist praktisch vollständig; die Konzentration der beiden Ver­ bindungen im Abgas sinkt um drei Größenordnungen. Naphthalen wird in einem geringerem Maße oxidativ abgebaut. Im flüssigen Kondensat des Abgases liegen neben geringen Mengen nichtumgesetzten Napht­ halens Spuren von Essigsäure, Maleinsäureanhydrid und Benzen vor. Die gefundene HCl-Menge entspricht ca. 90% des eingesetzten Chlorbenzens.
Beispiel 2 bis 4
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse und weist aus, daß mit steigender Temperatur über die Zeit (Beispiel 2: 750-800°C, 4 Stunden; Bei­ spiel 3: 850°C, 10 Stunden; Beispiel 4: 850°C 20 Stunden) die Oxidationsprodukte ebenfalls weitgehend verschwinden, wobei die Konzentration dieser Stoffe im Bereich von ng/l liegt.
Bei Reaktionstemperaturen bis 800°C wurde mittels GC/MS ein brei­ tes Spektrum von Nebenprodukten gefunden. Bei 850°C ist der größ­ te Teil dieser Verbindungen im Abgas nicht mehr enthalten. Der über 20 h geführte Versuch zeigte auch die Stabilität der oxidati­ ven Wirkung des Katalysators unter diesen Versuchsbedingungen
Tabelle 2
Nebenprodukte der Totaloxidation des Substratgemisches
Beispiel 5
Tabelle 3
Oxidation eines Gemisches aus Acetonitril, Benzen, Chlorbenzen, n-Hexan (Masse-Verhältnis 4/59/8/29)
Kataly­ sator: TZ70 mit 1% Ni dotiert, Verweilzeit 0,4 Sek. Angaben in Umsatz [%] bzw. mg/m³
Acetonitril, Benzen, Naphthalen sowie n-Hexan werden an einem dotierten Katalysator schon bei 750°C nahezu vollständig umge­ setzt. Chlorbenzen erreicht bei dieser Temperatur einen Umsatz von ca. 80%. Bei 850°C erhöht sich dieser Wert ebenfalls auf 100%. Der Sauerstoffumsatz und die Kohlendioxidbildung entsprechen bei einer Reaktionstemperatur von 800-850°C der vollständigen oxida­ tiven Umsetzung.
Die letzte Spalte der Tabelle 3 zeigt, daß die von BimSchV gefor­ derten Werte unterboten werden.
Beispiel 6 Umsatz von Benzol Tabelle 4 Oxidation von Benzol mit Luft bei unterschiedlichen stöchiometrischen Verhältnissen Katalysator: Calciumaluminat, C₃A, C₁₂A₇ mit 1% Ni, 70 g Luftmenge: 42,54 l/h; Verweilzeit: ca. 1 s; Temperatur: 800 °C
Benzol wurde als Substrat gewählt, weil es von allen Kohlenwasser­ stoffen am schwersten zu oxidieren ist.
Dieses Beispiel zeigt den vollständigen Abbau des Benzols bei Luft­ überschuß und höheren Verweilzeiten als bei den vorherigen Bei­ spielen; bei Überdosierung (λ<1) kommt eine andere Eigenschaft des Katalysators zum tragen: durch die einsetzende Wassergas-shift Reaktion wird der Rest an unverbranntem Benzol zu Wasserstoff und Kohlenoxiden umgesetzt und damit aus dem Abgas ebenfalls entfernt.
Beispiel 7
Systematische weitere Untersuchungen zur Erhöhung der Aktivität des Katalysatorsystems führten zu den Ergebnissen in Tabelle 5. Die Tabelle zeigt deutlich den Einfluß der Dotierungselemente auf die Arbeitstemperatur des Katalysators.
Tabelle 5
Zusammenfassende Ergebnisse bei der Verbrennung von Benzol mit unterschiedlich dotierten Katalysatoren auf Calciumaluminat-Ba­ sis. Dotierung jeweils 1% des Elements bezogen auf Calciumalumi­ nat; angegeben sind die Temperaturen, bei denen keine Benzol­ spuren im Abgas mehr gefunden wurden (< 5 mg/m³); Nullwert= 15×10⁶ Counts vom FID in 200 µl Luft

Claims (8)

1. Verfahren zur katalytischen Behandlung von Rauchgasen, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Wabenformkörper mit Siebstruktur, dessen Waben aus einem mo­ difizierten oder unmodifizierten Calciumaluminat als Katalysator bestehen, unmittelbar nach dem Brennraum in einen ungereinigten Rauchgasstrom angeordnet wird, wobei das Rauchgas eine Temperatur von im Bereich von 400 bis 1300°C hat und die Verweilzeit im Wabenformkörper 0,2 bis 3 Sekunden beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßöffnungen im Wabenformkörper 1×1 bis 10×10 mm be­ tragen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Calciumaluminat-Katalysator aus 10 bis 90% Gew.-% Calciumoxid bzw. 90 bis 10 Gew.-% Aluminiumoxid, vorzugsweise 30 : 70 Gew.-% CaO : Al₂O₃ besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Calciumaluminat-Katalysator bevorzugt die Phasen C₁₂A₇ und C₃A enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Calciumaluminat-Katalysator mit Elementen der V. bis VII. Nebengruppe oder der VIII. Nebengruppe des periodischen Sy­ stems der Elemente dotiert ist, insbesondere in Mengen von 0,1- 10%.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Calciumaluminat-Katalysator mit Elementen des Nickels, Vanadins, Mangans oder Molybdäns dotiert ist, vorzugsweise in Mengen von 1%, bezogen auf das jeweilige Element, wobei bevorzugt als ak­ tive Phasen C₁₂A₇ und C₃A vorliegen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenformkörper in einer Vielzahl von Formkörpern formschlüssig waagerecht und/oder senkrecht und/oder geneigt zur Rauchgasrich­ tung übereinander, nebeneinander und/oder hintereinander ange­ ordnet wird in einer für die katalytische Reinigung ausreichen­ den Größe bzw. Anzahl.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgastemperatur im Bereich von 700 bis 900°C liegt, insbe­ sondere im Bereich von 800 bis 870°C.
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