DE19842391B4

DE19842391B4 - Verfahren zur Entstickung von Rauchgasen

Info

Publication number: DE19842391B4
Application number: DE19842391A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Gebhardt; Hansjörg Dr. Herden; Gurudas Dr. Samant; Gernot Mayer-Schwinning
Original assignee: Lurgi GmbH
Current assignee: Air Liquide Global E&C Solutions Germany GmbH
Priority date: 1998-09-16
Filing date: 1998-09-16
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: DE19842391A1

Abstract

Verfahren zur Entstickung von Rauchgasen mit Ammoniak an in Reaktoren (7) angeordneten Katalysatoren bei Temperaturen von 250 bis 400°C, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration C₁ an CO in den Rauchgasen am Eintritt des Reaktors (7) und die Konzentration C₂ an CO in den Reingasen am Austritt des Reaktors (7) zeitgleich gemessen werden, aus den Konzentrationen C₁ und C₂ jeweils die Differenz ΔC = C₂ – C₁ ermittelt und beim Überschreiten einer vorgegebenen maximalen Differenz ΔC_max die Zufuhr der Rauchgase zum Reaktor mindestens teilweise unterbrochen und dem Reaktor Frischluft zugeführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entstickung von Rauchgasen mit Ammoniak an in Reaktoren angeordneten Katalysatoren bei Temperaturen von 250 bis 400°C.
Verfahren zur katalytischen Reduzierung von Stickoxiden in Rauchgasen sind bekannt. In der DE-OS 3615021 wird ein Verfahren zum selektiven katalytischen Reduzieren der Stickoxide aus Verbrennungsmotor-Abgasen unter Zugabe von Ammoniak an in einem Reaktor befindlichen Katalysator beschrieben. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, daß die Ammoniak-Zugabe in Abhängigkeit von der NO_x-Konzentration in dem Abgas erfolgt und die NO_x-Konzentration indirekt ermittelt wird durch Messen von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und nachfolgendem Berechnen unter Berücksichtigung von Kennlinienfeldern der Stickstoffmonoxid- und Stickstoffdioxid-Konzentrationen in Abhängigkeit von mindestens einem ausgewählten Betriebsparameter am Verbrennungsmotor.
In der Firmenschrift "Reinigung von Nutz- und Abgasen" der Lurgi Energie- und Umwelttechnik GmbH, Frankfurt am Main, 1619d/8.91/2.30, Seiten 44/45 ist das SCR-Verfahren zur Entstickung von Rauchgasen beschrieben, bei dem an mehreren in Modulen zusammengefaßten Katalysatoren im Rauchgas enthaltene Stickoxide mit Ammoniak zu N₂ und H₂O umgesetzt werden.
Sofern die i. a. geringe Mengen an Kohlenwasserstoffen aufweisenden Rauchgase größere Mengen an Kohlenwasserstoffen enthalten, ergeben sich Probleme bei der Realisierung katalytischer Entstickungsverfahren mittels Festbettkatalysatoren; denn bilden sich z. B. bei Sauerstoffmangel, bei An- und Abfahrtsvorgängen und/oder bei Betriebsstörungen von Müllverbrennungsanlagen größere Mengen an Kohlenwasserstoffen, so ist nachteilig, daß, bedingt durch die im Reaktor erfolgende exotherme Oxidation größere Mengen an CO entstehen. Eine weitere Oxidation zu CO₂ findet in der Regel nicht statt, was auf die geringen Mengen an Sauerstoff in den Rauchgasen zurückzuführen ist. Infolge der Freisetzung von relativ großen Wärmeenergien bei der exothermen Oxidation zu CO kommt es im Reaktor zu thermischen Schädigungen der Katalysatoren, die einen weiteren Betrieb der Anlage unmöglich machen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren so zu gestalten, daß ein vorgegebener Sollwert für die Konzentration von Kohlenwasserstoffen in einem Reaktor für die katalytische Entstickung von Rauchgasen im zugeführten Rauchgas nicht überschritten wird und damit sichergestellt ist, daß die nachteiligen Katalysatorschädigungen vermieden werden.
Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Konzentration C₁ an CO im Rauchgas am Eintritt des Reaktors und die Konzentration C₂ an CO im Reingas am Austritt des Reaktors zeitgleich gemessen werden, aus den Konzentrationen C₁ und C₂ die Differenz ΔC = C₂ – C₁ ermittelt wird und bei dem Überschreiten einer vorgegebenen maximalen Differenz ΔC_max die Zufuhr der Rauchgase zum Reaktor mindestens teilweise unterbrochen und dem Reaktor Frischluft zugeführt wird.
Unter der Bezeichnung Kohlenwasserstoffe sind vor allem reaktive, kurzkettige, ungesättigte Verbindungen z. B. Olefine zu verstehen, die in der Regel in Rauchgasen aus Verbrennungsanlagen in größeren Mengen vorhanden sind. Als Entstickungskatalysator können beispielsweise konventionelle SCR-Katalysatoren als Festbettkatalysator eingesetzt werden.
Die eigentliche Entstickung erfolgt im Reaktor durch Reaktionen mit Ammoniak gemäß den folgenden Reaktionsgleichungen, wobei als Endprodukte Stickstoff und Wasser entstehen. NO + 2/3 NH₃ → 5/6 N₂ + H₂O NO₂ + 4/3 NH₃ → 7/6 N₂ + 2 H₂O NO + NH₃ + 1/4 O₂ → N₂ + 3/2 H₂O NO₂ + 2 NH₃ + 1/2 O₂ → 3/2 N₂ + 3 H₂O
Der vorgegebene Sollwert der maximalen Differenz ΔC_max liegt in der Regel im Bereich von 300 bis 500 mg/m³. Bei Überschreiten des Konzentrationswertes von 500 mg/m³ ist ein linearer Temperaturanstieg im Reaktor festzustellen.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, daß die Konzentrationen an Kohlenwasserstoffen und demzufolge die Temperatur in dem Reaktor so niedrig gehalten werden können, daß Katalysatorschädigungen vermieden werden. Da bei der exothermen Reaktion der Kohlenwasserstoffe immer CO entsteht, läßt sich aus der jeweils ermittelten Differenz ΔC direkt ableiten, welche Mengen an Kohlenwasserstoffen im Reaktor oxidiert worden sind. Je größer diese Differenz ist, desto größer ist auch die Menge an oxidierten Kohlenwasserstoffen.
Wird die maximale Differenz ΔC_max. überschritten, so enthalten die NO_x-haltigen Rauchgase so große Konzentrationen an Kohlenwasserstoffen, daß die Gefahr der Entstehung von Katalysatorschädigungen besteht. In diesem Fall wird die Zufuhr der Rauchgase zum Reaktor mindestens teilweise unterbrochen und dem Reaktor Frischluft zugeführt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die Zufuhr der Rauchgase zum Reaktor vollständig zu unterbrechen und dem Reaktor größere Mengen an Frischluft zuzuführen. Dies führt zu einer schnellen Kühlung des Reaktors und der im Reaktor angeordneten Entstickungskatalysatoren, wobei gleichzeitig die in den Rauchgasen enthaltenden Kohlenwasserstoffe aus dem Reaktor ausgetragen werden. So lassen sich Katalysatorschädigungen im Reaktor in vorteilhafter Weise vermeiden, auch wenn stark schwankende Konzentrationen an Kohlenwasserstoffen in den Rauchgasen zu verzeichnen sind.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Messungen der ersten Konzentration C₁ an CO in den Rauchgasen, die Messungen der zweiten Konzentration C₂ an CO in den Reingasen und die Bildung der jeweiligen Differenz ΔC = C₂ – C₁ mit einem Infrarot-Analysator in einem Schritt erfolgen. Der Infrarot-Analysator beruht in seiner allgemeinen Wirkungsweise auf der Absorption bestimmter, für die einzelnen Gase spezifischer und voneinander unterscheidbarer Wellenlängen der infraroten Strahlung. Die Analyse wird dabei mit einem strömenden Vergleichgas durchgeführt. Im vorliegenden Fall wird durch die Meßküvette das Reingas und durch die Vergleichsküvette das Rohgas geleitet. Das Ausgangssignal des Analysators ist somit die Differenz zwischen den CO-Konzentrationen im Roh- und Reingas, die auf diese einfache Weise in einem Schritt bestimmt werden kann. Durch diese Maßnahme lassen sich der apparative Aufwand verkleinern und die erforderlichen Differenzen ΔC besonders schnell ermitteln, so daß auf rasch schwankenden Konzentrationen an Kohlenwasserstoffen in den Rauchgasen besonders schnell reagiert werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, die ein vereinfachtes, schematisches Fließbild des Verfahrens zur Einstellung niedriger Konzentrationen an Kohlenwasserstoffen in Reaktoren zeigt, näher und beispielhaft erläutert.
Die Kohlenwasserstoff und NO_x enthaltenden Rauchgase gelangen über die Leitung (1) und die erste Absperrklappe (2) in den Luftvorwärmer (3) und werden dort vorgewärmt. Die vorgewärmten Rauchgase gelangen über die Leitung (4) als Rohgase in einen Brenner (5), in dem sie auf 280 bis 350°C vorgewärmt werden. Über die Leitung (6) werden die Rauchgase dem Reaktor (7) zugeführt. Über eine Fördereinrichtung (8) und die Leitung (9) wird in die Leitung (6) die für die Entstickung erforderliche Menge an Ammoniak zugegeben. Die Rauchgase werden in dem Reaktor (7) von NO und NO₂ befreit und werden anschließend als Reingase über die Leitung (10) erneut dem Vorwärmer (3) zugeführt, in welchem sie größere Mengen ihrer Wärmeenergie an die in den Vorwärmer (3) eingeleiteten Rauchgase abgeben. Über die Leitung (11) werden die Reingase aus dem Vorwärmer (3) abgeführt und über die Leitung (12) aus der Anlage ausgetragen. Die Verfahrensweise stellt den Normalbetrieb dar. Während des Normalbetriebs werden eine erste Konzentration C₁ an CO in den Abgasen am Eintritt des Reaktors (7) und eine zweite Konzentration C₂ an CO in den Reingasen am Austritt des Reaktors (7) mehrfach zeitgleich gemessen. Aus den zeitgleich gemessenen Konzentrationen C₁ und C₂ werden jeweils die Differenzen ΔC = C₂ – C₁ ermittelt. Ist die zweite Konzentration C₂ an CO in den Reingasen wesentlich größer als die erste Konzentration C₁ an CO in den Rauchgasen am Eintritt des Reaktors (7), so liegt die ermittelte Differenz ΔC möglicherweise über einer maximalen Differenz ΔC_max, so daß eine Gefahr der Entstehung von Katalysatorschädigungen besteht. In diesem Fall wird die bis dahin noch geschlossene zweite Absperrklappe (13) geöffnet und mindestens eine Teilmenge der Rauchgase direkt über die Leitung (12) geleitet. In der Regel ist es dann besonders vorteilhaft, die erste Absperrklappe (2) zu schließen und die gesamte Menge an Rauchgasen von der Leitung (1) über die geöffnete zweite Absperrklappe (13) direkt in die Leitung (12) zu leiten. Bei dieser Vorgehensweise wird ferner die dritte Absperrklappe (14) geöffnet und Frischluft über die Leitung (15) in die Anlage eingetragen. Über die Leitungen (4, 6) gelangt die Frischluft dann in den Reaktor (7), was zu einer Austragung der Kohlenwasserstoffe und zu einer Kühlung des Entstickungskatalysators führt. Sobald die maximale Differenz ΔC_max wieder unterschritten ist, kann der Normalbetrieb fortgesetzt werden. Die Messungen der Konzentrationen C₁ und C₂ sowie die Bildung der jeweiligen Differenz ΔC kann in vorteilhafterweise mit Hilfe eines Infrarot-Analysators (nicht dargestellt) in einem Schritt erfolgen. Sobald der Normalbetrieb unterbrochen werden muß, wird die Zufuhr von Ammoniak über die Leitung (9) ebenfalls unterbrochen.

Claims

Verfahren zur Entstickung von Rauchgasen mit Ammoniak an in Reaktoren (7) angeordneten Katalysatoren bei Temperaturen von 250 bis 400°C, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration C₁ an CO in den Rauchgasen am Eintritt des Reaktors (7) und die Konzentration C₂ an CO in den Reingasen am Austritt des Reaktors (7) zeitgleich gemessen werden, aus den Konzentrationen C₁ und C₂ jeweils die Differenz ΔC = C₂ – C₁ ermittelt und beim Überschreiten einer vorgegebenen maximalen Differenz ΔC_max die Zufuhr der Rauchgase zum Reaktor mindestens teilweise unterbrochen und dem Reaktor Frischluft zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Messungen der ersten Konzentration C₁ an CO in den Abgasen, die Messungen der zweiten Konzentration C₂ an CO in den Reingasen und die Bildung der jeweiligen Differenz ΔC = C₂ – C₁ mit einer Analyseeinrichtung, vorzugsweise einem Infrarot-Analysator, in einem Schritt erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der CO-Konzertrationen diskontinuierlich durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr an Rauchgas zum Reaktor (7) vollständig unterbrochen wird.