DE19800420A1 - Apparatus for cleaning outgoing air from furnaces - Google Patents

Apparatus for cleaning outgoing air from furnaces

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Abstract

Staged heating up and special catalysts are used to prevent explosions in a small compact plant for cleaning outgoing air from furnaces. Heating of the gases is sectioned off in zones separated by ceramic or metal, honeycombed or woven layers. The heating element is topped by a catalyst which is made up of a ceramic honeycomb of cordierite coated with acicular perovskite La(0.9)Ce(0.1)CoO3 with an excess of La and a fine grain size due to recrystallization with organic acids. The concentration is 10 g/l catalyst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur katalytischen Nach­ verbrennung von Abluft aus Brennöfen mit einem elektrisch oder gasbeheizten Erhitzungsteil welches eine mehrstufige Vorrichtung zur kombinierten Aerosolverdampfung und Explosionsschutz besitzt. Diese Vorrichtungen ermöglichen die Verhinderung der Explosionen in dem vergrößerten Beheizungsraum, der für die lange Lebensdauer der Anlage von zentraler Bedeutung ist.The invention relates to a device for catalytic after combustion of exhaust air from kilns with an electric or gas-heated heating part which is a multi-stage device for combined aerosol evaporation and explosion protection. These devices make it possible to prevent the explosions in the enlarged boiler room, which is for the long life the plant is of central importance.

Bekannt sind katalytische Abluftreinigungsanlagen mit Schüttungen oder Waben als Adsorber oder Katalysator. Sie besitzen, wie in der USA-Patentschrift Nr. 4,707,341 beschrieben, eine Waben- oder Schüttschicht und eine Heizzone, die elektrisch oder gasbeheizt ist, und die eigentliche Katalysatorschicht oder Schichten, die der Heizzone nachgeschaltet sind in Waben- oder Schüttschichtform. Die Heizschicht ist dabei vorzugsweise temperaturgesteuert auf die Reaktionstemperaturen- der Katalysatoren zwischen 150 und 600°C.Catalytic exhaust air purification systems with fillings are known or honeycomb as adsorber or catalyst. You own, as in the U.S. Patent No. 4,707,341, a honeycomb or Fill layer and a heating zone that is electrically or gas-heated, and the actual catalyst layer or layers that the Subsequent heating zones are in honeycomb or packed bed form. The The heating layer is preferably temperature-controlled on the Reaction temperatures of the catalysts between 150 and 600 ° C.

Es hat sich nun herausgestellt, daß diese Lösung des Abluft­ reinigungsproblems in vielen Fällen nicht zum Erfolg führt. Aerosole gelangen durch die Beheizungszone, entzünden und kracken an den heißen Oberflächen, führen zu Explosionen und Schädigungen der Katalysatoren. Neben der Explosionsgefahr in dem großen Heizraum und der Schädigung der Katalysatoren über die Aerosole haben auch die Heizelemente wegen der gegenseitigen Bestrahlung in der Heizzone zueinander eine kurze Lebensdauer.It has now been found that this solution of the exhaust air cleaning problem in many cases does not lead to success. Aerosols get through the heating zone, ignite and crack on the hot surfaces, lead to explosions and damage to the Catalysts. In addition to the risk of explosion in the large boiler room and damage to the catalysts via the aerosols also the heating elements because of the mutual radiation in the Heating zone to each other a short lifespan.

Eine völlige Neugestaltung der Heizzone, die alle diese Nachteile vermeidet, ist deshalb für den technischen und wirtschaftlichen Erfolg dieser Technik Voraussetzung. Überraschenderweise wurde ein System entdeckt, daß alle diese Nachteile mit einfachen technischen Mitteln vermeidet und dabei sowohl die Aerosole auflöst, die sowohl die Strahlungsbelastung der Heizelemente vermeidet als auch die Explosionsgefahr beseitigt.A complete redesign of the heating zone, all of these disadvantages avoids, is therefore for the technical and economic success this technique requirement. Surprisingly, a System discovered that all of these drawbacks with simple technical Avoids agents and thereby dissolves both the aerosols, both avoids the radiation exposure of the heating elements as well Explosion hazard eliminated.

Ziel der Erfindung war es, diese überraschenden Schwierigkeiten zu überwinden und ein neues System zu finden, das die großen Vorteile des Systems immer zur Wirkung bringt. Erst durch die in dieser Erfindung entdeckten neuen Elemente ist es überhaupt erst möglich, eine in allen Geräten und über die ganze Lebensdauer andauernde volle Funktion zu erreichen. Ohne die nachfolgende Erfindung ist dieses nicht gegeben.The aim of the invention was to overcome these surprising difficulties overcome and find a new system that has the big advantages of the system always takes effect. Only through those in this Invention discovered new elements, it is only possible one in all devices and over the entire service life to achieve full function. Without the following invention this is not given.

Die Erfindung besteht nun darin, daß die Heizeinrichtung in mehrere Zonen unterteilt wird, die voneinander durch Wärmeübertragungs- und Explosionsverhinderungseigenschaften abgetrennt sind. Dieses ist in der Fig. 1 dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt mehrere Heizkammern, die durch die erfindungsgemäßen Komponenten getrennt sind. The invention now consists in that the heating device is subdivided into several zones which are separated from one another by heat transfer and explosion prevention properties. This is shown in FIG. 1. The device according to the invention has several heating chambers which are separated by the components according to the invention.

Die Fig. 1 zeigt die erfinderische Vorrichtung. Mit 1 ist das Zuleitungsrohr vom Brennofen bezeichnet, welches für die Gasab­ führung während des Brennprozesses angeordnet ist. Diesem in Strömungsrichtung nachgeordnet ist eine Adsorberschicht 2, die in Form einer Wabe oder einer Schüttung ausgebildet ist. Dieser Schicht in Strömungsrichtung nachgeordnet sind die elektrischen oder Gasbeheizungskomponenten 3. Fig. 1 shows the inventive device. With 1 , the supply pipe from the kiln is designated, which is arranged for the gas supply during the firing process. Downstream of this is an adsorbent layer 2 , which is designed in the form of a honeycomb or a bed. The electrical or gas heating components 3 are arranged downstream of this layer in the direction of flow.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß die Beheizungskomponenten 3 in mehrere Sektionen aufgeteilt werden müssen. Die Ursache liegt in der für die Temperatursteigerung notwendigen hohen Wärmeleistung, die in einer Stufe eingebracht zu einer Reihe von Nachteilen führt. Erfindungsgemäß sind deshalb die Beheizungskomponenten 3 in 2 oder mehrere Stufen unterteilt und abgetrennt mit Schichten, die vorteilhafterweise als Wabenschicht, aber auch als Schüttschicht oder Siebpaket ausgebildet sein können.Surprisingly, it has now been found that the heating components 3 have to be divided into several sections. The reason for this lies in the high thermal output required for the temperature increase, which leads to a number of disadvantages when introduced in one step. According to the invention, the heating components 3 are therefore divided into 2 or more stages and separated with layers, which can advantageously be designed as a honeycomb layer, but also as a bed layer or sieve packet.

Diese Trennschichten 4 sind so ausgebildet, daß ein Rückschlagen einer Flamme durch die Schicht entgegen der Strömungsrichtung nicht möglich ist. Das ist dann gegeben, wenn die Strömungs­ geschwindigkeit in den Bohrungen über 0,2 m/s, der laminaren Flammfrontgeschwindigkeit für Kohlenwasserstoff-/Luft-Gemische, beträgt und die Länge der Schicht größer ist als 10 mal Bohrungsdurchmesser, da dann die Strömung in den Bohrungen in den laminaren Zustand übergegangen ist. Die Beheizungskompo­ nenten sind verbunden mit einem Energieversorgungsteil 8, der im Falle der Elektroheizung ein Schaltschrank, im Falle der Gasheizung eine Druckregel- und Gasverteilungseinrichtung ist.These separating layers 4 are designed in such a way that a flame cannot strike back through the layer against the direction of flow. This is the case if the flow velocity in the boreholes is over 0.2 m / s, the laminar flame front velocity for hydrocarbon / air mixtures, and the length of the layer is greater than 10 times the borehole diameter, because then the flow in the Drilling has gone into the laminar state. The heating components are connected to an energy supply part 8 , which is a control cabinet in the case of electric heating and a pressure control and gas distribution device in the case of gas heating.

Weiterhin wurde gefunden, daß Abschaltung der Energiezufuhr auf Grund der hohen Eigenwärmeerzeugung für höhere Kohlenwasser­ stoffkonzentrationen im Gas notwendig ist. Diese Temperatur­ regeleinrichtung 9 ist verbunden mit Temperaturmeßfühler 17 und 18, wobei 17 nach dem Katalysator 5 und 18 vor dem Katalysator 5, also nach den Beheizungskomponenten 3, angeordnet ist. Die jeweils höhere Temperatur löst das Abschalten der Energiezufuhr aus.Furthermore, it was found that switching off the energy supply is necessary for higher hydrocarbon concentrations in the gas due to the high self-heat generation. This temperature control device 9 is connected to temperature sensors 17 and 18 , 17 being arranged after the catalyst 5 and 18 before the catalyst 5 , ie after the heating components 3 . The higher temperature triggers the cut-off of the energy supply.

In Strömungsrichtung gesehen, ist somit der Katalysator den Beheizungskomponenten nachgeschaltet. Zwischen beiden Syste­ men ist der Temperaturfühler 18 angeordnet. Der Katalysator 5, der auch in mehrere Schichten aufgeteilt sein kann, ist der Temperaturfühler 17 nachgeschaltet. Die in Strömungsrichtung mit 6 bezeichnete Schicht ist eine katalytische Feinreinigung, die aus Wabenkörpern mit besonders engen Bohrungsdurchmessern, hoher spezifischen Oberfläche und besonders aktiver Beschichtung besteht. Im Falle von speziellen Reinigungsaufgaben, wie Entstickung und Dioxinzersetzung, wird diese Schicht ersetzt durch eine, entspre­ chend dicke Schicht an Entstickungskatalysatoren. Seen in the direction of flow, the catalyst is thus connected downstream of the heating components. The temperature sensor 18 is arranged between the two systems. The catalyst 5 , which can also be divided into several layers, is connected downstream of the temperature sensor 17 . The layer designated 6 in the direction of flow is a catalytic fine cleaning which consists of honeycomb bodies with particularly narrow bore diameters, a high specific surface area and a particularly active coating. In the case of special cleaning tasks such as denitrification and decomposition of dioxins, this layer is replaced by a correspondingly thick layer of denitrification catalysts.

In der Fig. 1 sind noch zwei weitere Vorrichtungskomponenten enthalten, die zusätzlich angeordnet werden, wenn das erforderlich ist. Im Fall einer Abgastemperatur aus dem Ofen, die wesentlich über die obere Temperatur der Katalysatoren von 600°C ansteigen kann, wird zweckmäßigerweise der Bypasskanal 11 mit der Bypassklappe 10 angeordnet. Über den Temperaturmeßfühler 18 kommt über die Regeleinheit der Öffnungsbefehl für die Luftklappe. Dadurch wird der temperaturempfindliche Katalysator 5 und 6 vor den zu heißen Gasen aus der Ofeneinrichtung geschützt. Der Bypasskanal 11 leitet die heißen Gase in den Abgaskanal 13, so daß das Gas in der katalytischen Reinigungseinheit nicht mehr strömt und somit den Katalysator nicht überhitzen kann. FIG. 1 also contains two further device components, which are additionally arranged if this is necessary. In the event of an exhaust gas temperature from the furnace, which can rise significantly above the upper temperature of the catalysts of 600 ° C., the bypass duct 11 with the bypass flap 10 is expediently arranged. The opening command for the air damper comes via the temperature sensor 18 via the control unit. As a result, the temperature-sensitive catalyst 5 and 6 is protected from the gases from the furnace device which are too hot. The bypass duct 11 guides the hot gases into the exhaust duct 13 , so that the gas no longer flows in the catalytic cleaning unit and thus cannot overheat the catalytic converter.

In der Mischkammer 13 sind der Bypasskanal 11 und die katalytische Reinigungseinrichtung 12 zusammengefaßt. In dem Mischkammer wird optional eine Luftfördereinrichtung, die Venturidüse 14, einge­ setzt. Sie kann anstatt eines Ventilators dort verwendet werden und sorgt für die Überwindung der Druckverluste des Systems.The bypass channel 11 and the catalytic cleaning device 12 are combined in the mixing chamber 13 . An air delivery device, the Venturi nozzle 14 , is optionally set in the mixing chamber. It can be used instead of a fan and ensures that the pressure drops in the system are overcome.

Die Luftfördereinrichtung 14 besteht aus einer venturiartigen Verengung, in der die Transportluftaustritte im Venturikanal 19 für verdichtete Luft in Strömungsrichtung angeordnet sind, die ihre verdichtete Luft aus einem Transportluftverdichter 15 beziehen. Die Verteilung der Luft am Umfang der Luftfördereinrichtung geschieht durch eine Ringleitung 16.The air conveying device 14 consists of a venturi-like constriction in which the transport air outlets in the venturi channel 19 for compressed air are arranged in the flow direction, which draw their compressed air from a transport air compressor 15 . The air is distributed around the circumference of the air delivery device by means of a ring line 16 .

In einem besonderen Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden.In a particular embodiment, the invention is intended to be more specific are explained.

Die Abgasöffnung eines Nabertherm-Brennofens mit 100 Liter Brennraum sind an einen Zuleitungsrohr 1 mit 100 mm Durchmesser angeschlossen. Durch diese Abgasöffnung werden je Stunde bis zu 80 m3 mit einer maximalen Konzentration an Kohlenwasserstoffen von 12 Gramm je m3 abgeleitet. In der erfinderischen Vorrichtung sind die Rohre und Kanäle 1 und 11 ebenfalls mit einem Durchmesser von 100 mm ausgerüstet.The exhaust gas opening of a Nabertherm furnace with a 100 liter combustion chamber is connected to a feed pipe 1 with a 100 mm diameter. Through this exhaust opening up to 80 m 3 are discharged per hour with a maximum concentration of hydrocarbons of 12 grams per m 3 . In the inventive device, the tubes and channels 1 and 11 are also equipped with a diameter of 100 mm.

Die erfinderische Vorrichtung besitzt einen Adsorptionskörper, der aus einer keramischen Wabe aus Cordierit besteht, die in ihrer Wasseraufnahme von 55% eine Mischung an Kalzium-, Magnesium- und Natriumkarbonaten hat mit einer Konzentration von 15% der Gesamtmasse des Wabenkörpers. Der Wabenkörper hat die Dimensionen von 150 × 150 × 150 mm, 65% freie Öffnungsfläche mit 4 mm Bohrungen und 2 mm dicken Stegen.The inventive device has an adsorbent body consists of a ceramic cordierite honeycomb, which in its Water absorption of 55% a mixture of calcium, magnesium and sodium carbonates has a concentration of 15% Total mass of the honeycomb body. The honeycomb body has that Dimensions of 150 × 150 × 150 mm, 65% free opening area with 4 mm holes and 2 mm thick bars.

Die Heizwendeln, die der Adsorptionswabe nachgeschaltet sind, bestehen aus 3 × 2,5 kW elektrische Heizspiralen 3, die durch 2 Wabenkörper 4 mit den Abmessungen von 150 × 150 mm und einer Dicke von 30 mm und den gleichen physikalischen Daten des Adsorptionskörpers 2. The heating coils, which are connected downstream of the adsorption honeycomb, consist of 3 × 2.5 kW electrical heating spirals 3 , which are separated by 2 honeycomb bodies 4 with the dimensions of 150 × 150 mm and a thickness of 30 mm and the same physical data of the adsorption body 2 .

Die elektrischen Heizkörper 3 sind über den Schaltschrank 8 an die elektrische Versorgung angeschaltet, die durch die thermostatische Schaltung 9 über die Meßfühler 17 und 18 jeweils ein- und ausschalten.The electric radiators 3 are connected to the electrical supply via the control cabinet 8 , which switch on and off by the thermostatic circuit 9 via the sensors 17 and 18, respectively.

Den Heizelementen 3 ist der Katalysator 5 nachgeschaltet, der wie der Adsorberkörper 2 aus einer keramischen Wabe mit den Maßen 150 × 150 × 150 mm besteht. Diese Wabe aus porösen Cordierit ist nun beschichtet aus 4 Komponenten, dem Nadelkristallperowskit La(0,9)Ce(0,1)CoO3 mit Überschuß an Lanthan und einer Feinkörnigkeit durch das Umkristallisieren mit organischen Säuren. Die Konzentration ist 10 g/l Katalysator.The heating elements 3 are followed by the catalyst 5 which, like the adsorber body 2, consists of a ceramic honeycomb with the dimensions 150 × 150 × 150 mm. This honeycomb made of porous cordierite is now coated with 4 components, the needle crystal perovskite La (0.9) Ce (0.1) CoO3 with excess lanthanum and a fine grain due to recrystallization with organic acids. The concentration is 10 g / l catalyst.

Die 2. Komponente auf dem Katalysator ist Platin, welches aus einem Platinsalz mit 1 g/l Katalysator auf dem Katalysator abgeschieden vorliegt. Die 3. Komponente ist Rhodium mit 0,1 g/l und die 4. Komponente ist der Wash-coat aus Aluminiumoxid, Titandioxid und Oxalsäure mit 40 g/l auf der Oberfläche. Die Substanzen werden in wäßriger Lösung aufgebracht, die alle diese 4 Komponenten enthält.The second component on the catalyst is platinum, which consists of a Platinum salt with 1 g / l catalyst deposited on the catalyst is present. The third component is rhodium with 0.1 g / l and the fourth The component is the wash coat made of aluminum oxide, titanium dioxide and Oxalic acid with 40 g / l on the surface. The substances are in applied aqueous solution containing all these 4 components.

Die dem Katalysator 5 nachgeschaltete Katalysatorschicht besteht aus 4 Waben mit den Abmessungen 75 × 75 × 75 mm und hat damit eine Dicke von 75 mm. Die Waben haben eine Beschichtung wie der Katalysator 5, jedoch mit nur 25% der Wash-coat-Anteilen des Katalysators 5, einem geringeren Bohrungsdurchmesser der Kanäle von 2 mm und einer Stegdicke von 1,5 mm, so daß damit eine größere Anzahl der Kanäle pro Flächeneinheit entstehen. Die Porosität des Wabenmaterials ist durch die feinere Wabe größer und beträgt in dem Ausführungsbeispiel 85% Wasseraufnahme.The catalyst layer downstream of the catalyst 5 consists of 4 honeycombs with the dimensions 75 × 75 × 75 mm and thus has a thickness of 75 mm. The honeycombs have a coating like the catalyst 5 , but with only 25% of the wash-coat portions of the catalyst 5 , a smaller bore diameter of the channels of 2 mm and a web thickness of 1.5 mm, so that a larger number of channels arise per unit area. The porosity of the honeycomb material is greater due to the finer honeycomb and is 85% water absorption in the exemplary embodiment.

Der Bypasskanal 11 hat einen Durchmesser von 100 mm. Die motorisch betriebene Klappe 10 hat DN 100 und ist elektrisch an den Schaltschrank 8 angeschlossen. Sie wird über die Temperaturmeß­ einrichtung 18 bei Überschreiten des Sollwertes von 550°C geöffnet. Der Bypasskanal mündet in ein Abgasrohr von DN 150. In diesem ist ein Venturirohr eingesetzt, welches Ausblasöffnungen in Strömungsrichtung besitzt. Diese sind an einem Ringkanal mit DN 10 angeschlossen, der mit einer Druckluftleitung verbunden ist. Die Austrittsöffnungen in dem Venturirohr haben einen Durchmesser von 2 mm. The bypass channel 11 has a diameter of 100 mm. The motor-operated flap 10 has DN 100 and is electrically connected to the control cabinet 8 . It is opened via the temperature measuring device 18 when the setpoint of 550 ° C. is exceeded. The bypass duct opens into an exhaust pipe of DN 150. A venturi tube is used in this, which has outlet openings in the direction of flow. These are connected to a ring duct with DN 10, which is connected to a compressed air line. The outlet openings in the Venturi tube have a diameter of 2 mm.

BezugszeichenlisteReference list

11

Zuleitungsrohr
Supply pipe

22nd

Adsorptionsschicht
Adsorption layer

33rd

Beheizungskomponenten
Heating components

44th

Trennschichten
Separating layers

55

Katalysatorschicht
Catalyst layer

66

katalytische Feinreinigungsschicht
Catalytic fine cleaning layer

77

Abführungsrohr aus der Anlage
Exhaust pipe from the system

88th

Energieversorgungsteil
Energy supply part

99

Temperaturregeleinrichtung
Temperature control device

1010th

Bypassklappe
Bypass valve

1111

Bypasskanal
Bypass channel

1212th

Leitung des katalytisch gereinigten Abgases
Line of the catalytically cleaned exhaust gas

1313

Mischkammer für das gereinigte Abgas und die Bypassluft
Mixing chamber for the cleaned exhaust gas and the bypass air

1414

Luftfördereinrichtung, Venturidüse
Air conveyor, venturi nozzle

1515

Transportluftverdichter
Transport air compressor

1616

Ringleitung
Loop

1717th

Temperaturmeßfühler nach dem Katalysator
Temperature sensor after the catalyst

1818th

Temperaturmeßfühler vor dem Katalysator
Temperature sensor in front of the catalytic converter

1919th

Transportluftaustritte im Venturikanal
Transport air outlet in the venturi channel

Claims (5)

1. Vorrichtung zur katalytischen Reinigung von Gasen in kleinen, kompakten Anlagen für eine Abgasmenge von 1 bis 4000 m3/h dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung des Gases in Zonen unterteilt ist, die durch keramische oder metallische, gasdurchlässige Schichten voneinander getrennt sind.1. Device for the catalytic purification of gases in small, compact plants for an exhaust gas amount of 1 to 4000 m 3 / h, characterized in that the heating of the gas is divided into zones which are separated from one another by ceramic or metallic, gas-permeable layers. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschichten Wabenkörper sind.2. Device according to claim 1, characterized in that the Separating layers are honeycomb bodies. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschichten aus Drahtgeweben bestehen3. Device according to claim 1, characterized in that the Separating layers consist of wire mesh 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der der Heizeinrichtung nachgeschaltete Katalysator aus einer wäßrigen Lösung mit den Komponenten porösen Cordierit ist nun beschichtet aus 4 Komponenten, dem Nadelkristallperowskit La(0,9)Ce(0,1)CoO3 mit Überschuß an Lanthan und einer Feinkörnigkeit durch das Umkristallisieren mit organischen Säuren und einer Konzentration von 10 g/l Katalysator enthält, ferner als 2. Komponente auf dem Katalysator Platin ist, welches aus einem Platinsalz mit 1 g/l Katalysator auf dem Katalysator abgeschieden vorliegt, ferner als 3. Komponente Rhodium mit 0,1 g/l enthalten ist und als 4. Komponente der Wash-coat aus Aluminiumoxid, Titandioxid und Oxalsäure mit 40 g/l auf der Oberfläche enthalten ist, wobei die Substanzen in wäßriger Lösung aufgebracht werden, die alle diese 4 Komponenten enthält.4. The device according to claim 1, characterized in that the Heating device downstream catalyst from an aqueous Solution with the porous cordierite components is now coated 4 components, the needle crystal perovskite La (0.9) Ce (0.1) CoO3 with excess lanthanum and a fine grain due to the Recrystallize with organic acids and a concentration of Contains 10 g / l of catalyst, also as a second component on the Catalyst is platinum, which consists of a platinum salt with 1 g / l Catalyst is present on the catalyst, further than 3. Component rhodium with 0.1 g / l is included and as the 4th component the wash coat made of aluminum oxide, titanium dioxide and oxalic acid with 40 g / l is contained on the surface, the substances in aqueous Solution that contains all these 4 components. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die diesem Katalysator nachgeschaltete Schicht einen im Verhältnis 1,5 bis 3 mal geringeren Wabendurchmesser und eine um den Faktor 2-5 mal geringere Wash-coat-Menge enthält.5. The device according to claim 4, characterized in that the layer downstream of this catalyst has a ratio of 1.5 up to 3 times smaller honeycomb diameter and a factor of 2-5 times less wash-coat amount.
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