DE19728344A1

DE19728344A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entstickung der Abgase von Verbrennungsanlagen

Info

Publication number: DE19728344A1
Application number: DE1997128344
Authority: DE
Inventors: Gisbert Dr Kaefer
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Technology FLB AB
Priority date: 1997-07-03
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 1999-01-07

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entstickung der Ab gase von Verbrennungsanlagen, bei denen als Reduktionsmittel Harnstoff ver wendet wird.

Stand der Technik

Bei einem bekannten Verfahren zur Entstickung der Abgase von Verbrennungsan lagen (DE 40 38 054) wird unter Anwendung von Harnstoff und einem Reduk tionskatalysator der Harnstoff vor dem Kontakt mit dem Reduktionskatalysator zu Ammoniak und CO₂ hydrolysiert. Dabei wird eine wässrige Harnstofflösung ver wendet, die mit einer Düse auf einen Verdampfer versprüht wird, wobei der Trop fendurchmesser unter 10 µm liegt. Die innere Oberfläche des Verdampfers ist mit einem Katalysator mit besonderen Eigenschaften beschichtet. Außerdem weist die Verdampfungseinrichtung eine solche Heizleistung auf, daß eine Verdamp fungszeit von unter 1 Sekunde erreicht wird.

Besonders nachteilig bei einem solchen Verfahren bzw. der entsprechenden Vor richtung ist, daß eine wässrige Harnstofflösung verwendet wird. Wegen der be grenzten Löslichkeit von Harnstoff in Wasser und um eine stabile Lösung auch bei Temperaturen um den Gefrierpunkt von Wasser sicherzustellen, beträgt der Ge wichtsanteil des Harnstoffes in der Lösung nur ca. 30. . .40%. Somit sind mehr als 60% des Gewichtes Wasser. Dies mag bei stationären Anlagen noch akzeptabel sein, doch bei mobilen Anlagen, wie etwa Fahrzeugen, welche die wässrige Harn stofflösung mitführen müssen, ist ein so hoher Ballastwasseranteil nicht vertretbar.

Bekannt ist auch die Verwendung von reinem, trockenem Harnstoff als Reduk tionsmittel. Bei dieser Lösung tritt zwar der o.g. Nachteil nicht mehr auf, aber es müssen hierbei andere Nachteile in Kauf genommen werden. Diese Nachteile sind die schwierige Förderung und Dosierung des reinen Harnstoffes und die Gefahr von Anbackungen und Verstopfungen durch die Aufnahme von Luftfeuch tigkeit durch den hygroskopischen Harnstoff.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, einerseits ein Verfahren und andererseits eine Vorrichtung anzugeben, bei welchen Harnstoff als Reduktionsmittel verwendet wird und dabei einerseits der Ballastwasseranteil gegenüber den heute üblichen Verfahren und Vorrichtun gen deutlich reduziert wird, und andererseits eine einfache und gleichmäßige Dosierung des Reduktionsmittels ohne Anbackungen und Verstopfungen ermög licht wird.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des An spruches 1 dadurch erreicht, daß eine pastöse Aufschlämmung von Harnstoff in eine Flüssigkeit in den Reaktionsraum eingebracht, dort verdampft und zuminde stens intensiv mit den Abgasen vermischt wird.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des An spruches 11 dadurch erreicht, daß ein Vorratsbehälter für ein Reduktionsmittel gemisch ein Rührwerk aufweist, wobei der Vorratsbehälter mit einer Transportlei tung für das Reduktionsmittelgemisch verbunden ist, wobei in der Transportleitung eine Förderpumpe und stromabwärts der Förderpumpe eine Dosiereinrichtung zur Dosierung des Reduktionsmittelgemisches angeordnet sind, und die Transportlei tung zu mindestens einer Eintragdüse führt, die als eine Zweistoffdüse ausgebil det ist, in die auch eine Trägermediumleitung mündet, um das Reduktionsmittel gemisch mittels eines unter Druck zugeführten Trägermediums in den Reaktions raum einzutragen. Als Trägermedium sind insbesondere Druckluft, Dampf oder rezirkuliertes Abgas geeignet.

Der Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß gegenüber der bisher bekann ten Verwendung einer wässrigen Lösung von Harnstoff mit einer pastösen Auf schlämmung von Harnstoff in Wasser eine Gewichtsreduzierung um ca. 50% des bei mobilen Anlagen, z. B. bei Motorfahrzeugen oder Schiffen, mitzuführenden Reduktionsmittelvorrates bei gleicher Harnstoffmenge erreicht wird. Diese Ge wichtsreduzierung ist von besonderer Bedeutung, weil eine auch bei Temperatu ren um den Gefrierpunkt stabile Harnstofflösung mehr als 60 Gewichts-% Wasser enthält. Eine Kostenreduktion ergibt sich auch bei stationären Entstickungsanla gen, weil die Menge an vollentsalztem Wasser, welches insbesondere zum Schutz des Katalysators, aber auch der anderen Anlageteile verwendet werden muß, deutlich reduziert ist, da bei Verwendung einer Paste ein wesentlicher Wasseranteil eingespart wird.

Gegenüber der Verwendung von festem Harnstoff hat die erfindungsgemäße Lö sung den Vorteil, daß keine Gefahr für das Anbacken des Reduktionsmittels an den Wänden und in den Nischen der Fördereinrichtungen besteht und daß die Förderbarkeit und Dosierbarkeit des Reduktionsmittels wesentlich besser sind.

Es ist vorteilhaft, wenn eine pastöse Aufschlämmung mit einem Wasseranteil zwi schen 10 und 30% des Harnstoffgewichtes verwendet wird, weil dann gute För dereigenschaften der Aufschlämmung zu erwarten sind. Der genaue Wasseranteil hängt dabei von den jeweils verwendeten Förder- und Dosiereinrichtungen ab.

Außerdem ist es zweckmäßig, eine Aufschlämmung zu verwenden, deren Harnstoffpartikel im Größenbereich zwischen 10 und 200 µm liegen, um eine schnelle Verdampfung der Harnstoffpartikel im Abgasstrom zu gewährleisten.

Im Falle einer nichtkatalytischen Entstickung läuft im Reaktionsraum, der bei spielsweise der Feuerraum der Verbrennungsanlage ist, auch die eigentliche Entstickungsreaktion ab, während im Falle einer katalytischen Entstickung nur die Verdampfung der pastösen Aufschlämmung und die intensive Vermischung des Harnstoffes mit den Abgasen im Reaktionsraum, vorzugsweise einer Abgaslei tung, erfolgen und die eigentliche Entstickungsreaktion anschließend in einem stromabwärts angeordneten Katalysator erfolgt.

Es ist weiterhin im Falle einer nichtkatalytischen Entstickung von Vorteil, wenn die pastöse Aufschlämmung an einer solchen Stelle in den Verbrennungsraum ein gebracht wird, an der gewährleistet ist, daß die Entstickungsreaktion vor Anströ mung eines Wärmetauschers abgeschlossen ist. Dadurch werden unerwünschte Ablagerungen bzw. Emissionen von noch unverbrauchtem Harnstoff verhindert.

Im Falle einer katalytischen Entstickung ist es zweckmäßig, wenn die pastöse Aufschlämmung an einer solchen Stelle in die Abgasleitung eingebracht wird, daß die Verdampfung der pastösen Aufschlämmung und die Vermischung des Harnstoffes mit den Abgasen vor Anströmung eines Katalysators abgeschlossen ist. Die vollständige Durchmischung des gasförmigen Harnstoffes mit den zu ent stickenden Abgasen führt zu einer gleichmäßigen Beaufschlagung des Katalysa tors und zu einer effektiven Entstickung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 12 und 13 enthalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung für die nichtkatalytische Entstickung von Verbrennungsgasen;

Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung für die katalytische Entstickung von Ver brennungsgasen.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente darge stellt, wobei der an sich bekannte und unveränderte Teil der Entstickungsvorrich tung oder andere ihrer Details usw. nicht gezeigt werden. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen dargestellt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Bei einem Verfahren zur Entstickung der Abgase 10 von Verbrennungsanlagen wird Harnstoff als Reduktionsmittel verwendet, welches mittels eines Trägermedi ums 11 beispielsweise Druckluft, in einen Reaktionsraum 7 eingedüst wird. Die Dosierung erfolgt mit einer Dosiereinrichtung 4 im Zufuhrstrang 9 zur Einspritzdü se 6. Dabei ist der Harnstoff in einer pastösen Aufschlämmung mit einer Flüssig keit 12 enthalten. Im Reaktionsraum 7 verdampft der Harnstoff und wird anschlie ßend intensiv mit den zu entstickenden Abgasen vermischt. Der Reaktionsraum 7 kann entweder der Verbrennungsraum 7.1 (siehe Fig. 1) selbst oder eine an ihn anschließende Abgasleitung 7.2 (siehe Fig. 2) sein.

Im Falle einer nichtkatalytischen Entstickung reagiert der Harnstoff im Reaktions raum 7 dann mit den Verbrennungsgasen 10 in üblicher Weise. Die pastösen Auf schlämmung 12 wird dabei an einer solchen Stelle in den Verbrennungsraum 7.1 eingebracht, bei der gewährleistet ist, daß die Entstickungsreaktion vor der An strömung eines Wärmetauschers 8.1 abgeschlossen ist. Dazu ist es notwendig, daß die Aufenthaltszeit des Harnstoffes im Temperaturbereich von ca. 800-1100°C im Bereich von ca. 20 Millisekunden bis ca. 2 Sekunden liegt, wobei die niedri gen Aufenthaltszeiten für hohe Temperaturen und die hohen Aufenthaltszeiten für die niedrigen Temperaturwerte gelten.

Im Falle einer katalytischen Entstickung (siehe Fig. 2) findet dagegen nur die Ver dampfung der pastösen Aufschlämmung 12 und die Vermischung des gasförmi gen Harnstoffes mit den Verbrennungsgasen 10 im Reaktionsraum 7 statt, wobei in diesem Falle der Reaktionsraum 7 die Abgasleitung 7.2 ist, und die eigentliche Entstickungsreaktion erfolgt anschließend in einem stromabwärts angeordneten Katalysator 8.2. Die pastöse Aufschlämmung 12 wird dabei an einer solchen Stelle in die Abgasleitung 7.2 eingebracht, daß die Verdampfung der pastösen Aufschlämmung 12 und die Vermischung des Harnstoffes mit den Abgasen 10 vor Anströmung des Katalysators 8.2 abgeschlossen ist.

Bei beiden Varianten des Entstickungsvorganges von Verbrennungsgasen wird eine pastöse Aufschlämmung mit einem Wasseranteil von vorzugsweise 10 . . . 30% des Harnstoffgewichtes verwendet. Dabei weisen die Harnstoffpartikel eine be vorzugte Größe im Bereich zwischen 10 . . . 200 µm auf.

Wichtig ist, daß der Harnstoff intensiv und gut mit dem Abgas 10 vermischt wird, damit die Entstickungsreaktion möglichst vollständig ablaufen kann. Dies läßt sich beispielsweise mittels einer Vielzahl von über den Querschnitt des Reaktions raumes 7 verteilter Düsen 6 oder durch Einbauten in Form von statischen Mi schern erzielen, welche entweder stromabwärts oder unmittelbar stromaufwärts der Reduktionsmitteleindüsung im Reaktionsraum 7 angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entstickung von Verbrennungsanlagen unter Verwendung von Harnstoff als Reduktionsmittel ist mit mindestens einer Eintragdüse ausgerüstet, welche zum Eindüsen des Reduktionsmittelgemisches 12 mit einem Trägermedium 11 betrieben wird, um das Reduktionsmittel mit den zu entstickenden Verbrennungsgasen 10 in Kontakt zu bringen. Das Reduktions mittelgemisch 12 ist in einem Vorratsbehälter 1 gelagert, welcher ein Rührwerk 2 aufweist, um eine homogene Qualität des Reduktionsmittelgemisches 12 jederzeit zu gewährleisten. An diesen Vorratsbehälter 1 schließt eine Transportleitung 9 für das Reduktionsmittelgemisch 12 an, in die eine Förderpumpe 3 und stromab der Förderpumpe 3 eine Dosiereinrichtung 4 zur Dosierung des Reduktionsmittel gemisches 12 integriert ist. Die Transportleitung 9 mündet in mindestens eine Eintragdüse, die als Zweistoffdüse 6 ausgebildet ist. In die Zweistoffdüse 6 mün det auch eine Trägermediumleitung 5. Mit Hilfe des unter Druck zugeführten Trä germediums 11, welches insbesondere Druckluft, Dampf oder rezirkuliertes Rauchgas sein kann, wird das Reduktionsmittelgemisch 12 in den Reaktionsraum 7 eingedüst.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Variante der Vorrichtung, die bei nichtkatalyti scher Entstickung angewendet wird. Bei dieser Variante ist der Reaktionsraum, in den die Zweistoffdüse 6 mündet, ein Verbrennungsraum 7.1 der Verbrennungsan lage und die Zweistoffdüse 6 ist stromaufwärts eines Wärmetauschers 8.1 ange ordnet. Selbstverständlich können eine Vielzahl von Zweistoffdüsen 6 gleichmä ßig über den Querschnitt des Verbrennungsraumes 7.1 angeordnet sein (nicht in Fig. 1 dargestellt), um die Durchmischung von gasförmigem Harnstoff und der Verbrennungsgase 10 und die im Verbrennungsraum 7.1 stattfindende Entstic kung der Abgase 10 zu verbessern.

Bei der in Fig. 2 gezeigten zweiten Variante der Vorrichtung ist der Reaktions raum, in den die Zweistoffdüse 6 mündet, ein Abgaskanal 7.2 der Verbrennungs anlage und die Zweistoffdüse 6 ist stromaufwärts eines Katalysators 8.2 angeord net. Im Abgaskanal findet lediglich die Verdampfung des Harnstoffes und die Ver mischung des gasförmigen Harnstoffes mit den Abgasen 10 statt, wobei die Ver mischung wiederum verbessert wird, wenn eine Mehrzahl von gleichmäßig über die Querschnittsfläche des Abgaskanales 7.2 verteilter Düsen 6 angeordnet sind (nicht dargestellt). Eine gute Durchmischung wird auch erreicht, wenn Einbauten, sog. statische Mischer, die zu einer Verwirbelung des Abgases 10 und damit zu einer besseren Durchmischung des Reduktionsmittels mit den Abgasen 10 führen, im Abgaskanal 7.2 angeordnet sind. Diese Mischer können entweder unmittelbar stromaufwärts der Reduktionsmitteleindüsung oder stromabwärts der Eindüsung, aber noch stromaufwärts des Katalysators 8.2 angeordnet sein. Dabei ist die An ordnung von Mischern stromaufwärts der Düsen 6 vorzuziehen, weil sonst die Ge fahr von Harnstoffanbackungen auf den Mischern besteht.

An einem einfachen Beispiel soll nochmals der entscheidende Vorteil der Erfin dung dargestellt werden. Es wird angenommen, eine Anlage benötigt 1 t Harnstoff pro Tag. Diese Menge ist für eine mittlere Müllverbrennungsanlage ein realisti scher Wert, während beispielsweise ein Kraftwerk zur Entstickung seiner Abgase ein Vielfaches dieser Menge benötigt. Bei Verwendung einer wäßrigen Lösung hätte der Anlagenbetreiber zwei Alternativen:

- Anlieferung der fertigen Lösung mit 30 Gewichts-% Harnstoff durch einen Fremdanbieter oder
- Bezug von reinem, trockenen Harnstoff und eigene Herstellung der wässrigen Lösung vor Ort.

Um 1 t Harnstoff zu erhalten, benötigt der Anlagenbetreiber im ersten Falle 3,3 t 30%iger Lösung, oder er bezieht im zweiten Falle 1 t reinen Harnstoff und stellt zusätzlich 2,3 T vollentsalztes Wasser her. Wird dagegen gemäß der Erfindung eine wässrige Aufschlämmung von Harnstoff mit z. B. 70% Harnstoff verwendet, benötigt der Betreiber nur eine Liefermenge von 1,4 t pro Tag, oder er läßt sich 1 t reinen Harnstoff liefern und muß nur noch 0,4 t vollentsalztes Wasser herstel len. Der Transportaufwand bzw. die Menge des benötigten vollentsalzten Wassers werden somit entscheidend gesenkt bei gleichzeitig guter Förder- und Dosierbar keit des Reduktionsmittels.

Bezugszeichenliste

1

Vorratsbehälter

2

Rührwerk

3

Förderpumpe

4

Dosiereinrichtung

5

Trägermediumleitung

6

Zweistoffdüse

7

Reaktionsraum

7.1

Verbrennungsraum

7.2

Abgaskanal

8.1

Wärmetauscher

8.2

Katalysator

9

Transportleitung

10

Abgase

11

Trägermedium

12

Reaktionsmittelgemisch, pastöse Aufschlämmung

Claims

1. Verfahren zur Entstickung der Abgase (10) von Verbrennungsanlagen un ter Verwendung von Harnstoff als Reduktionsmittel, welches mittels eines unter Druck zugeführten Trägermediums (11) in einen Reaktionsraum (7), durch welchen die zu entstickenden Abgase (10) strömen, eingedüst wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine pastöse Aufschlämmung (12) von Harnstoff in eine Flüssigkeit in den Reaktionsraum (7) eingebracht, dort verdampft und zumindestens intensiv mit den Abgasen (10) vermischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine pastöse Aufschlämmung (12) mit einem Wasseranteil zwischen 10 . . . 30% des Harnstoffgewichtes verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine pastöse Aufschlämmung (12) verwendet wird, deren Harnstoffpartikel im Größenbereich zwischen 10 . . . 200 µm liegen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer nichtkatalytischen Entstickung zusätzlich die eigentliche Entstickungsreaktion im Reaktionsraum (7) abläuft.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer katalytischen Entstickung nur die Verdampfung der pa stösen Aufschlämmung (12) und die Vermischung des gasförmigen Harn stoffes mit den Verbrennungsgasen (10) im Reaktionsraum (7) erfolgt und die eigentliche Entstickungsreaktion anschließend in einem stromabwärts angeordneten Katalysator (8.2) erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdamp fung der pastösen Aufschlämmung (12), die Vermischung des gasförmigen Harnstoffes mit den Abgasen (10) und die Entstickungsreaktion in einem Verbrennungsraum (7.1) als Reaktionsraum (7) erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdamp fung der pastösen Aufschlämmung (12) und die Vermischung des gasför migen Harnstoffes mit den Abgasen (10) in einer Abgasleitung (7.2) als Reaktionsraum (7) erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die pastöse Aufschlämmung (12) an einer solchen Stelle in den Verbrennungsraum (7.1) eingebracht wird, an der gewährleistet ist, daß die Entstickungsreak tion vor der Anströmung eines Wärmetauschers (8.1) abgeschlossen ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufent haltsdauer des Harnstoffes im Bereich von ca. 20 Millisekunden (bei ca. 1100°C) und ca. 2 Sekunden (bei ca. 800°C) liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die pastöse Aufschlämmung (12) an einer solchen Stelle die Abgasleitung (7.2) einge bracht wird, daß die Verdampfung der pastösen Aufschlämmung (12) und die Vermischung des gasförmigen Harnstoffes mit den Abgasen (10) vor Anströmung eines Katalysators (8.2) abgeschlossen ist.

11. Vorrichtung zur Entstickung der Abgase (10) von Verbrennungsanlagen unter Verwendung von Harnstoff als Reduktionsmittel, mit mindestens einer Eintragdüse, welche zum Eindüsen des Reduktionsmittels mit einem Trä germedium (11) betrieben wird, um dieses mit den zu entstickenden Ver brennungsgasen (10) in Kontakt zu bringen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorratsbehälter (1) für ein Reduktionsmittelgemisch (12) ein Rührwerk (2) aufweist, wobei der Vorratsbehälter (1) mit einer Transportleitung (9) für das Reduktionsmittelgemisch (12) verbunden ist, wobei in der Transportlei tung (9) eine Förderpumpe (3) und stromabwärts der Förderpumpe (3) eine Dosiereinrichtung (4) zur Dosierung des Reduktionsmittelgemisches (12) angeordnet sind, und die Transportleitung (9) zu der mindestens einen Ein tragdüse führt, die als eine Zweistoffdüse (6) ausgebildet ist, in die auch eine Trägermediumleitung (5) mündet, um das Reduktionsmittelgemisch (12) mittels des Trägermediums (11) in den Reaktionsraum (7) einzutragen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Reak tionsraum (7), in den die mindestens eine Zweistoffdüse (6) mündet, ein Verbrennungsraum (7.1) der Verbrennungsanlage ist und daß die minde stens eine Zweistoffdüse (6) stromaufwärts eines Wärmetauschers (8.1) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Reak tionsraum (7), in den die mindestens eine Zweistoffdüse (6) mündet, ein Abgaskanal (7.2) der Verbrennungsanlage ist und daß die mindestens eine Zweistoffdüse (6) stromaufwärts eines Katalysators (8.2) angeordnet ist.