DE202013100418U1

DE202013100418U1 - Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen

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Publication number: DE202013100418U1
Application number: DE201320100418
Authority: DE
Original assignee: Chemisch Thermische Prozesstechnik GmbH
Current assignee: Chemisch Thermische Prozesstechnik GmbH
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2013-04-16
Anticipated expiration: 2023-01-30

Abstract

Vorrichtung zur Reinigung von Abgas, welches mit dem Sauerstoff im Abgas oxidierbare, thermisch abreinigbare Verbindungen und/oder Stickoxide und/oder sich bei der thermischen Abreinigung bildende Verbindungen enthält, mit einer Nachverbrennungsanlage, welche wenigstens zwei mit Wärmespeicherkörpern (3) gefüllte und mit einer gemeinsamen Brennkammer (1) verbundene Regeneratoren (A, B ...) aufweist, denen das Abgas wechselweise zuführbar ist, wobei ein Katalysator (6) zur selektiven Reduktion von Stickoxiden zu Stickstoff mit einem Reduktionsmittel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Regeneratoren (A, B ...) jeweils in einen von der Brennkammer (1) abgewandten und einen der Brennkammer (1) zugewandten, jeweils mit Wärmespeicherkörpern (3) gefüllten Abschnitt (A', A'', B', B'') zweigeteilt sind und die wenigstens zwei Regeneratoren (A, B ...) einen gemeinsamen Katalysator (6) zur selektiven katalytischen Reduktion aufweisen, wobei die beiden Abschnitte (A', A'', B', B'') jedes Regenerators (A, B ...) miteinander und der der Brennkammer (1) zugewandte Abschnitt (A'', B'') jedes Regenerators (A, B ...) an seinem von der Brennkammer (1) abgewandten Ende über eine Einrichtung (11) zur Zufuhr des Reduktionsmittels und den Katalysator (6) zur selektiven katalytischen Reduktion mit dem der Brennkammer (1) zugewandten Ende seines von der Brennkammer (1) abgewandten Abschnitts (A', B') verbindbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Kombination einer regenerativen thermischen Nachverbrennungsanlage mit einer selektiven katalytischen Reduktion (englisch: selective catalytic reduction, SCR) ist aus DE 199 05 733 B4 bekannt. Bei diesem Verfahren wird auf den regenerativen Wärmeaustauschermassen jeweils eine SCR-Katalysatormasse angeordnet, wodurch bei Zugabe eines Reduktionsmittels am Eintritt des Regenerators eine gute katalytische Entstickung bei hohem thermischen Wirkungsgrad erreicht wird. Allerdings kann mit diesem Verfahren keine gleichzeitige Reinigung von organischen Komponenten erfolgen, da oberhalb des Katalysators die Temperatur zur thermischen Oxidation von organischen Schadstoffen nicht ausreicht.
Aus EP 472 605 B1 (4) ist ein Verfahren zur Abgasreinigung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem die Regeneratoren vertikal dreigeteilt sind. Das Abgas strömt erst durch den unteren Niedertemperatur-Regeneratorabschnitt, dann durch den in der Mitte liegenden SCR-Katalysator, in welchem Ammoniak aus dem Abgas absorbiert wird. Danach wird das Abgas in dem oberen Hochtemperatur-Regeneratorabschnitt auf 800°C erhitzt, wobei die organischen Substanzen in der nachfolgenden Brennkammer thermisch verbrannt werden. Das so vorgereinigte Abgas strömt dann durch einen zweiten Hochtemperatur-Regenerator und gibt die Wärme an dessen Wärmespeicherkörper ab. Danach werden bei ca. 430 bis 230°C an der Katalysatorschicht Stickoxide (NOx) mit dem absorbierten Ammoniak reduziert.
Bei diesem Verfahren ist nachteilig, dass sich damit in Strömungsrichtung über den SCR-Katalysator ein stark schwankendes Temperaturprofil wie im Wärmetauscher einstellt und sich auch noch mit der Zykluszeit ändert. Dies macht es verfahrensbedingt unmöglich, den SCR-Katalysator über sein gesamtes Volumen bei seiner optimalen Temperatur zu betreiben. Zugleich stellt der ständige Temperaturwechsel eine hohe mechanische Beanspruchung für den SCR-Katalysator dar.
Ein weiterer Nachteil ist, dass bei der Reduktion von NOx zu Stickstoff (N₂) Wärme frei wird. Bei hohen NOx-Konzentrationen limitiert alleine diese frei werdende Wärme die maximale NOx-Eintrittskonzentration, da sonst der SCR-Katalysator durch Überhitzen thermisch schnell altern würde. Muss noch ein Temperaturprofil und dessen Schwankungen über die Länge des SCR-Katalysators berücksichtigt werden, verringert sich die maximale NOx-Eintrittskonzentration dramatisch.
Ein weiterer entscheidender Nachteil besteht darin, dass bei dem bekannten Verfahren mit drei Regeneratoren mindestens 3 Gitterroste pro Regenerator aus statischen Gründen notwendig sind, wenn man homogenes Extrudat oder gewellte oder Corrugat SCR-Katalysatoren aus relativ weichem Material verwenden will, und nicht die wesentlich kostspieligeren mit SCR-katalytisch aktivem Washcoat beschichteten keramischen Wärmetauscher-Waben.
Außerdem muss in jedem Regenerator ein Katalysator in ausreichender Menge vorgesehen sein, was bei einer Anlage mit zwei Regeneratoren das doppelte und bei einer Anlage mit drei Regeneratoren im Vergleich zu einer einfachen SCR-Anlage die dreifache Katalysatormenge bedeutet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einerseits den gesamten Energieinhalt aus der thermischen Oxidation oder Nachverbrennung von organischen Komponenten sowie Kohlenstoffmonoxid (CO) bzw. der thermischen Reduktion von Lachgas (N₂O) zu Stickstoff (N₂) in einem thermisch-regenerativen Verfahren möglichst ohne externe Energiezufuhr mittels der bei der Reaktion erzeugten Temperaturerhöhung zu nutzen und diese zusätzlich für die Entstickung mittels einer SCR nutzbar zu machen und andererseits die Möglichkeit zu schaffen, den SCR-Katalysator mit seiner optimalen Betriebstemperatur ohne separate Energiezufuhr zu betreiben und dies über sein gesamtes Volumen.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Vorrichtung erreicht. In den Ansprüchen 2 bis 10 sind bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben.
Nach der Erfindung wird das Abgas, welches mit Luftsauerstoff oxidierbare, thermisch abreinigbare Verbindungen sowie Stickoxide und/oder Verbindungen enthält, die bei der thermischen Abreinigung Stickoxide bilden, in einer thermischen Nachverbrennungsanlage gereinigt. Bei den oxidierbaren, thermisch abreinigbaren Verbindungen handelt es sich insbesondere um flüchtige organische Verbindungen (VOCs für volatile organic compounds), Kohlenmonoxid, Ammoniak und Lachgas, wobei Ammoniak (NH₃) zu Stickstoff (N₂), NOx und Wasser und wobei Lachgas (N₂O) zu N₂ reduziert und O₂, sowie zu NOx oxidiert wird. Außer durch Lachgas können Stickoxide insbesondere thermisch, bei Temperaturen oberhalb 1100°C (wie z. B. in der Brennerflamme) oder durch stickstoffhaltige organische Verbindungen, beispielsweise Amine, Nitrile oder Cyanide, bei der thermischen Abreinigung, also ohne Verwendung eines Katalysators, gebildet werden.
Die Nachverbrennungsanlage weist wenigstens zwei, mit Wärmespeicherkörpern gefüllte und mit einer gemeinsamen Brennkammer verbundene Regeneratoren auf. Dabei wird das zu reinigende Abgas wechselweise einem Rohgaseintritt-Regenerator, dessen Wärmespeicherkörper zuvor erwärmt worden sind, und das aus der Brennkammer austretende, thermisch abgereinigte Abgas einem Reingasaustritt-Regenerator zur Erwärmung von dessen Wärmespeicherkörpern und zur SCR-Reaktion der Stickoxide zu Stickstoff mit einem Reduktionsmittel zugeführt.
Dabei braucht unabhängig von der Rohgastemperatur keine zusätzliche Energie für die Erreichung der erforderlichen Temperatur für die SCR-Reaktion aufgewendet zu werden.
Erfindungsgemäß sind die wenigstens zwei Regeneratoren der Nachverbrennungsanlage in Strömungsrichtung jeweils in einen ersten, von der Brennkammer abgewandten und einen zweiten, der Brennkammer zugewandten Regeneratorabschnitt zweigeteilt. Dabei weisen die wenigstens zwei Regeneratoren einen gemeinsamen SCR-Katalysator auf, wobei das in der Brennkammer thermisch abgereinigte Abgas nach Abkühlung in dem der Brennkammer benachbarten Abschnitt des Reingasaustritt-Regenerators die zur SCR-Reaktion erforderliche Temperatur von ca. 300°C erreicht und mit dem Reduktionsmittel vermischt dem gemeinsamen Katalysator zur Bildung von Reingas zugeführt wird.
Das mit dem SCR-Katalysator erhaltene Reingas gibt seine Wärme an die Wärmespeicherkörper des zweiten, von der Brennkammer abgewandten Abschnitts des Reingasaustritts-Regenerators ab und strömt dann ins Freie.
Nach der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Vorteil der konstanten Durchströmung des SCR-Katalysators bei einer optimalen Katalysatortemperatur können auch mechanisch und hinsichtlich Temperaturwechsel wenig beanspruchbare aber dafür preiswertere extrudierte SCR-Katalysatoren beispielsweise auf der Basis von Vanadiumpentoxid (V₂O₅), Wolframtrioxid (WO₃) und/oder Titandioxid (TiO₂) verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann unabhängig von der Anzahl der Regeneratoren nur einem SCR-Katalysator aufweisen, der unabhängig vom Zyklus der thermischen Nachverbrennungsanlage stets in ein und derselben Richtung durchströmt wird.
Für das Erreichen der für die SCR-Reaktion erforderlichen Temperatur braucht keine zusätzliche Energie aufgebracht zu werden, da das Abgas im Reingasaustritt-Regenerator an dem der Brennkammer zugewandten Abschnitt, also an geeigneter Stelle entnommen werden kann. Diese Stelle wird so gewählt, dass das in der Brennkammer bei vorzugsweise mindestens 800°C abgereinigte Abgas nach Durchströmen des der Brennkammer benachbarten Abschnitts des Reingasaustritts-Regenerators derart abgekühlt ist, dass die für die SCR-Reaktion erforderliche Temperatur, die vorzugsweise 200 bis 400°C, insbesondere 250 bis 350°C und besonders bevorzugt 280 bis 320°C beträgt, eingestellt wird.
Um die Selektivität des SCR Katalysators sicherzustellen und die Alterung eines SCR-Katalysators gering zu halten, aber auch um die Oxidation von SO₂ zu SO₃ zu verhindern, muss dieses definierte Fenster der Betriebstemperatur gewählt werden.
Die Stickoxide in der Brennkammer können durch Zugabe eines Reduktionsmittels in die Brennkammer durch Reduktion zu Stickstoff thermisch, also nicht katalytisch, vorentstickt werden.
Zur Reduktion der Stickoxide in der Brennkammer wird vorzugsweise eine Stickstoffwasserstoffverbindung als wässrige Lösung verwendet. Als Stickstoffwasserstoffverbindung kann beispielsweise Ammoniak, Harnstoff oder Carbaminsäure verwendet werden.
Um die zur thermischen Entstickung in der Brennkammer erforderliche Reaktionstemperatur zu senken, können der Stickstoffwasserstoffverbindung Additive, beispielsweise organische Verbindungen, wie Alkohole, zugesetzt werden. Zur optimalen Verteilung der wässrigen Lösung der Stickstoffwasserstoffverbindung in der Brennkammer können Zweistoffdüsen oder Ultraschallzerstäuber mit jeweils konstantem oder pulsierendem Pumpenvordruck vorgesehen sein.
Durch die Zufuhr des Reduktionsmittels in die Brennkammer werden typisch etwa 50% der Stickstoffoxidfracht des Rohgases entfernt, ein allfälliger Ammoniakschlupf bei der thermischen NOx-Reduktion in der Brennkammer wird mit dem nachfolgenden SCR-Katalysator als zusätzliches Reduktionsmittel genutzt, so dass es erfindungsgemäß zu keiner Ammoniakemission und gleichzeitig zur Verringerung des Reduktionsmittelbedarfs bei der SCR-Reaktion kommt. Dabei kann in die Brennkammer als Reduktionsmittel auch ein VOC-haltiges Reduktionsmittel eingesetzt werden, beispielsweise Abwasser aus der Fotoindustrie oder der Chemischen Industrie, welches neben Ammoniak auch beträchtliche Mengen an organischen Lösungsmitteln enthält.
Zur SCR-Reaktion wird die Stickstoffwasserstoffverbindung, wie z. B. Ammoniak als Reduktionsmittel entweder als wässrige Lösung oder gasförmig über eine einstufige oder zweistufige Mischeinrichtung dem aus dem der Brennkammer zugewandten, zweiten Abschnitt des Reingasaustritt-Regenerators direkt stromauf des SCR-Katalysators zugeführt.
Die Wärmespeicherkörper der regenerativen thermischen Nachverbrennungsanlage bestehen vorzugsweise aus extrudierten prismenförmigen keramischen Wärmespeicherkörpern, die eine Vielzahl von in Gasströmungsrichtung verlaufende Gasdurchtrittskanäle aufweisen, wie beispielsweise in EP 472 605 B1 beschrieben. Der SCR-Katalysator kann ebenfalls aus solchen extrudierten prismenförmigen keramischen Wärmespeicherkörpern aus SCR-Katalysatormasse mit in Gasströmungsrichtung verlaufenden Gasdurchtrittskanälen bestehen.
Das thermisch abgereinigte Abgas strömt vorzugsweise vor Mischung mit dem Reduktionsmittel durch eine Keramikschüttung zur Vergleichsmäßigung der Temperatur des Abgases vor Eintritt in den SCR-Katalysator. Die Keramikschüttung besteht aus Keramikformkörpern, vorzugsweise in Sattel- oder Ringform. Sie verteilt zugleich das zugegebene Reduktionsmittel über die Querschnittsfläche des SCR-Katalysators und dämpft die Temperaturschwankungen am Eintritt in den SCR Katalysator.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also das Abgas in Zyklen wechselweise wenigstens einem Rohgaseintritt-Regenerator zugeführt, dessen Wärmespeicherkörper zuvor erwärmt worden sind. Das so erwärmte Abgas wird der Brennkammer zugeführt, welche eine hohe Temperatur von mehr als 800°C, insbesondere 850 bis 1000°C aufweist. Bei dieser hohen Temperatur werden die VOCs in der Brennkammer durch den Luftsauerstoff in dem Abgas verbrannt bzw. Lachgas thermisch zu Stickstoff umgewandelt. Die dabei entstandene Wärme wird beim Durchströmen des der Brennkammer zugewandten Abschnitts des Reingasaustritt-Regenerators an diesem Abschnitt abgegeben. Durch Ausschleusen des Abgases nach dem der Brennkammer zugewandten Abschnitts des zweigeteilten Reingasaustritt-Regenerators ist es möglich, in allen Zyklen in derselben Richtung das Abgas über den SCR-Katalysator zu führen. Das mit dem Reduktionsmittel vermischte Abgas wird nach Strömungsverteilung und Temperaturvergleichsmäßigung über den Zyklus durch die Keramikschüttung dem SCR-Katalysator bei einer optimalen Betriebstemperatur von ca. 300°C zugeführt. Das Reingas, also das nunmehr auch mit dem SCR-Katalysator gereinigte Abgas, gibt an den von der Brennkammer abgewandten Abschnitt des zweigeteilten Reingasaustritt-Regenerators, die verbleibende Wärme ab, womit auch noch die aus der SCR-Reaktion entstandene Wärme genutzt werden kann.
Die Verweilzeit des Abgases in der Brennkammer beträgt vorzugsweise 0,5 bis 3, insbesondere 0,7 bis 1,5 Sekunden beispielsweise bei 800 bis 850°C wenn keine thermische Reduktion mit einem Reduktionsmittel durchgeführt wird. Dem gegenüber beträgt bei einer thermischen SNCR- also selektiven, nicht katalytischen Reduktion mit einem Reduktionsmittel die Verweilzeit vorzugsweise 1 bis 4, insbesondere 1,5 bis 2 Sekunden bei einer Brennkammertemperatur von mehr als 850°C, insbesondere 900 bis 950°C. Bei der thermischen Zersetzung von Lachgas beträgt die Verweilzeit vorzugsweise 1 bis 3 s, insbesondere 1,5 bis 2 s bei einer Brennkammertemperatur von vorzugsweise 900–1000°C, insbesondere 950–970°C.
Vorzugsweise wird jeder Rohgaseintritt-Regenerator, um darin enthaltene Abgasreste zu entfernen, mit Reingas aus einem weiteren zweigeteilten Regenerator vor dem Wechsel der Abgasströmungsrichtung einen Zyklus lang gespült. Damit kann für VOCs oder Kohlenmonoxid eine Reinigungsleistung von über 99,5% erzielt werden.
Anstelle von zwei oder drei Regeneratoren wird bei größeren Abgasdurchsätzen vorteilhafterweise ein Vielfaches an erfindungsgemäß ausgebildeten Regeneratorpaaren vorgesehen. Dadurch kann die Größe der einzelnen Regeneratoren auf ein transportierbares Maß begrenzt werden. Außerdem wird durch die sequenzielle Weiterschaltung der Regeneratoren die Temperaturwechselbelastung des SCR-Katalysators reduziert. So beträgt bei einer Anlage mit 5 Regeneratoren die Wechselbelastung für den SCR-Katalysator nur mehr 50% und bei einer Anlage mit 7 Regeneratoren lediglich 33% im Vergleich zu einer Anlage mit 3 Regeneratoren.
Bei der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind wenigstens 2 mit einer gemeinsamen Brennkammer verbundene Regeneratoren vorzugsweise parallel nebeneinander angeordnet. Dabei weisen die wenigstens zwei Regeneratoren jeweils zwei vorzugsweise senkrecht übereinander angeordnete mit Wärmespeicherkörpern gefüllte Abschnitte auf.
An die wenigstens zwei Regeneratoren ist seitlich ein Anbau angeschlossen, der den Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion enthält.
Der Anbau weist Absperrorgane zum Verbinden der beiden Abschnitte jedes Regenerators miteinander sowie Absperrorgane zum Verbinden jedes Regenerators mit seinem von der Brennkammer abgewandten Ende des der Brennkammer zugewandten Abschnitts über den Katalysator mit dem der Brennkammer zugewandten Ende seines von der Brennkammer abgewandten Abschnitts auf.
Die Absperrorgane sind dabei vorzugsweise als Tellerventile ausgebildet.
Der Anbau weist vorzugsweise einen oberen, den wenigstens zwei Regeneratoren gemeinsamen Sammelkanal zur Zufuhr des thermisch abgereinigten Abgases zu dem Katalysator, einen unteren, den wenigstens zwei Regeneratoren gemeinsamen Sammelkanal für das mit dem Katalysator gereinigte Reingas, einen zwischen oberem Sammelkanal und unterem Sammelkanal angeordneten Zwischenraum für jeden Regenerator mit den Absperrorganen zum Verbinden des oberen Sammelkanals mit dem unteren Sammelkanal über den Katalysator oder zum Verbinden des unteren Abschnitts des Regenerators mit dessen oberem Abschnitt über den Zwischenraum auf.
Die Erfindung ist generell zur Reinigung von Abgas geeignet, welches mit dem Luftsauerstoff im Abgas oxidierbare, thermisch abreinigbare Verbindungen sowie Stickoxide und/oder Verbindungen enthält, die bei der thermischen Abreinigung im Brennraum der Nachverbrennungsanlage Stickoxide bilden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher insbesondere zur Reinigung von Abgasen geeignet, die bei der Zementklinker-, Salpetersäure-, Adipinsäure- und Düngemittelherstellung anfallen. Auch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reinigung der bei der Urantrioxid-Herstellung anfallenden Abgase geeignet, welches durch Erhitzen von Ammoniumdiuranat (yellow cake) in einer Sauerstoffatmosphäre erhalten wird.
Für eine Vorrichtung mit 5 Regeneratoren mit Spülmöglichkeit ist die zyklische Weiterschaltung, also der Schaltplan der Absperrorgane der Regeneratoren, in der nachfolgenden Tabelle beispielhaft wiedergegeben, wobei die Nummerierung der Absperrorgane 3 der Zeichnung entspricht und die Regeneratoren dementsprechend mit A bis E bezeichnet sind. Darin bedeutet „0” geschlossenes und „1” geöffnetes Absperrorgan.
Beispiel 1
(Zementklinkerherstellung)

Die Herstellung von Zementklinker ist ein energieintensiver Prozess, weshalb der Abgasstrom des Drehrohrofens zur Vorwärmung des Rohmehls verwendet wird, um möglichst viel Abwärme im Prozess nutzen zu können. Bei modernen Zementwerken wird auch die Abwärme des Klinkerkühlers genutzt. Dennoch hat der Abluftstrom im Ausmaß von einigen 100.000 Nm³/h eine Temperatur von 130–200°C, welche den Wärmeenergiebedarf des Zementwerkes widerspiegelt und weshalb Sekundärbrennstoffe sowie stark kohlenwasserstoffhaltiger Bodenaushub im Rohmehl mitverarbeitet werden. Durch Verdunstung und Teilpyrolyse gelangen die Kohlenwasserstoffe (VOC) und zusätzlich gebildetes Kohlenmonoxid und NOx mit dem gegenläufige Abgasstrom nicht in den heißen Drehrohrofen, sondern zum großen Teil direkt ins Abgas. Durch die erfindungsgemäße Anlage ist eine sichere und effiziente Reinigung dieser großen Palette von Schadstoffen gewährleistet und es ist der Einsatz einer qualitativ und quantitativ größeren Menge an Sekundärrohstoffen und Sekundärbrennstoffen ohne negative Auswirkung auf die Umwelt möglich. Abgas eines Zementklinkerofens im Verbundbetrieb

Volumenstrom	200.000 Nm³/h
Temperatur	150°C
VOC	600 mg/Nm³ trocken bez. auf 10% O2
CO	5000 mg/Nm³ trocken bez. auf 10% O2
NOx	800 mg/Nm³ trocken bez. auf 10% O2
Staub	2–5 mg/Nm³ nach Gewebefilter

Mit der erfindungsgemäßen Anlage (5-Bett Variante) wird der Energieinhalt des Abgases in Form der Schadstoffe genutzt, um im autothermen Betrieb VOCs, CO, und NOx zu reinigen.
Dazu wird der regenerative Wärmetauscher genutzt, um das Abgas auf > 800°C vorzuwärmen, wodurch durch Oxidation von CO und VOCs ausreichend Energie zur Aufrechterhaltung dieser Temperatur freigesetzt wird.
Die CO und TOC Reinigung beträgt 99,5% Abgas stromab Brennkammer (Eintritt SCR Katalysator)

Temperatur 320°C

CO 25 mg/Nm³

TOC 3 mg/Nm³

NOx 820 mg/Nm³

Gereinigtes Abgas stromab des SCR Katalysators (Kamin)

Temperatur 200°C

CO 30 mg/Nm³

TOC 5 mg/Nm³

NOx 150 mg/Nm³

NH3 5 mg/Nm³
Der Reduktionsmittelverbrauch der SCR Stufe beträgt dabei 65 kg/h NH₃ (100%) und ist vor allem deshalb so gering, weil durch das erfindungsgemäße Verfahren und die damit verbundene kurzzeitige Erhitzung des Abgases auf > 800°C (Gleichgewicht des NOx auf Seite des NO), gefolgt von einer ebenso raschen Abkühlung auch vorhandenes NO2 thermisch zu NO umgewandelt wird.
Hierdurch können auch für diese Anwendungen Grenzwerte, wie sie nach TA-Luft üblich sind, wirtschaftlich eingehalten werden.
Beispiel 2
(Ammoniumnitrat Herstellung)
Sowohl zur Herstellung von Düngemitteln als auch Chemikalien wie Ammoniumnitrat, Caprolactam, Adipinsäure, Dinitrotoluol und Nitrobenzol wird zu Beginn Salpetersäure verwendet, die aus Ammoniak hergestellt wird. Dabei wird als Nebenprodukt das Treibhausgas Lachgas (N₂O) frei, welches ein ca. 320 mal so hohes Erderwärmungspotential wie CO₂ aufweist und daher häufig trotz hoher Investitions- und Betriebskosten katalytisch gereinigt wird, da derzeit noch durch den Handel mit CO₂ Zertifikaten eine teilweise Kompensation dieser Kosten möglich ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine simultane Beseitigung von Lachgas, VOCs und NOx mit deutlich niedrigeren Gesamtkosten möglich.
Zur Produktion von 560 to/d an Ammoniumnitrat werden 7700 kg/h Ammoniak benötigt. Im korrespondierenden „Tailgas” von 70.000 Nm³/h sind 3 g/Nm³ N₂O enthalten. Wird ein Katalysator zur N₂O Abreinigung verwendet, liegt die Reinigungsleistung deutlich unter 90%, bei deutlich höheren Gesamtkosten, bedingt durch die rasche Vergiftung des Katalysators (1–3 Produktionszyklen).
Mit der erfindungsgemäßen Anlage wird Lachgas thermisch zu N₂ zersetzt (> 95% Reinigung). Die in einer Nebenreaktion aus < 14 mol-% des N₂O gebildeten Stickoxide werden gemeinsam mit den ohnehin im Abgas enthaltenen Stickoxiden über den integrierten SCR Reaktor gereinigt, ohne das Abgas ein zweites Mal aufheizen zu müssen, wodurch die Betriebskosten auf weniger als die Hälfte gegenüber der rein katalytischen Variante reduziert werden können.
Gleichzeitig ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Umweltbelastung (VOCs und NOx) um 95% reduziert (Nur die halbe Emission der rein katalytischen Variante) und zusätzlich werden auch die Stickoxide reduziert und allfällig vorhandene Methanemissionen aus dem Prozess gereinigt und energetisch genutzt.
Durch die Kombination SCR und thermischer SNCR, also nicht katalytischer Entstickung ist eine extrem hohe Reinigungsleistung erreichbar. Da der Reduktionsmittelverbrauch der thermischen Reduktion ca. doppelt so hoch ist wie für die SCR, kann bei frischem SCR Katalysator hauptsächlich dieser zur NOx Reduktion verwendet werden und bei Alterung oder partieller Vergiftung desselben entsprechend die thermische Entstickung mitverwendet werden, um die Reingaskonzentration stabil niedrig zu halten.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
1 eine Abgasreinigungsvorrichtung mit zwei Reaktoren;
2a und 2b jeweils einen Schnitt durch einen Regenerator als Rohgaseintritt-Regenerator bzw. Reingasaustritt-Regenerator einer Abgasreinigungsvorrichtung mit zwei Regeneratoren; und
3 eine Abgasreinigungsvorrichtung mit 5 Regeneratoren.
Gemäß 1 weist die regenerative thermische Nachverbrennungsvorrichtung zwei Regeneratoren A und B auf, welche durch eine gemeinsame Brennkammer 1 mit einem Brenner 2 oder eine Elektroheizung verbunden sind. In der Brennkammer 1, in der die Temperatur beispielsweise 900°C beträgt, wird das Abgas thermisch abgereinigt.
Die Regeneratoren A und B sind jeweils in Strömungsrichtung zweigeteilt. Das heißt sie bestehen jeweils aus einem unteren, von der Brennkammer 7 abgewandten Abschnitt A' bzw. B' und einem oberen, der Brennkammer 1 zugewandten Abschnitt A'' und B''. Die Abschnitte A', A'', B' und B'' sind jeweils mit Wärmespeicherkörpern 3 gefüllt.
Die beiden Abschnitte A', A'' und B', B'' jedes Regenerators A und B sind über eine Leitung 4 bzw. 5, die jeweils mit einem Absperrorgan V-5A und V-5B versehen sind, miteinander verbunden.
Die beiden Regeneratoren A und B weisen einen gemeinsamen SCR-Katalysator 6 auf.
Dazu sind die oberen Abschnitte A'' und B'' an ihrem unteren Ende über ein Absperrorgan V-6A und V-6B mit einer Leitung 7 und die unteren Abschnitte A' und B' an ihrem oberen Ende Absperrorgane über V-4A und V-5B mit einer Leitung 8 verbunden.
Die obere Leitung 7, über die das in der Brennkammer 1 thermisch abgereinigte Abgas je nach Schaltung der Absperrorgane V-6A bzw. V-6B zugeführt wird, ist an eine Kammer 9 angeschlossen, welche beispielsweise einen Rechen mit Düsen 11 zur Zufuhr einer Stickstoffwasserstoffverbindung als Reduktionsmittel für die SCR-Reaktion mit dem Katalysator 6 aufweist.
Die Düsen 11 sind in der Kammer 9 stromaufwärts eines Mischers 12, beispielsweise aus Schikanen, angeordnet. Von dem Mischer 12 führt eine Leitung 13 in das obere Ende einer Kammer 14, in der der SCR-Katalysator 6 angeordnet ist.
Zwischen der Stelle, an der die Leitung 13 in die Kammer 14 mündet, und dem Katalysator 6 ist eine Keramik-Schüttung 15, beispielsweise aus Sattelkörpern, vorgesehen, die der zusätzlichen Vermischung des Reduktionsmittels mit dem in der Brennkammer 1 thermisch abgereinigten Abgas sowie zur Vergleichsmäßigung der Temperatur des in den Katalysator 6 eintretenden Abgases dient.
Das nach Passieren des SCR-Katalysators 6 gebildete Reingas wird aus der Kammer 14 über die Leitung 8 dem unteren Abschnitt A' bzw. B' des jeweils als Reingasaustritt-Regenerator geschalteten Regenerators A oder B am oberen Ende zugeführt.
Das Rohgas wird mit einem Gebläse 16 über eine Rohgasleitung 17 zugeführt, an die die beiden Regeneratoren A und B über Absperrorgane V-1A und V-1B angeschlossen sind, und zwar jeweils am unteren Ende ihres unteren Abschnitts A' bzw. B'.
Das Reingas wird über eine Reingasleitung 18 und den Kamin 19 ins Freie abgeführt. Dazu ist die Reingasleitung an das untere Ende der unteren Abschnitte A' und B' der beiden Reaktoren A und B über Absperrorgane V-2A und V-2B angeschlossen.
In der Brennkammer 1 sind oberhalb der beiden Regeneratoren A und B jeweils Düsen 20, 21 vorgesehen, mit denen eine Stickstoffwasserstoffverbindung als Reduktionsmittel zugeführt wird, um die Stickoxide in der Brennkammer zumindest teilweise, nämlich thermisch, also nicht katalytisch vorzuentsticken.
Dabei wird jeweils die Düse oder Gruppe von Düsen aktiviert, die über dem Rohgasturm angeordnet ist, um die Verweilzeit für die nichtkatalytische Reduktion zu maximieren.
Die Regeneratoren A und B werden wechselweise betrieben, d. h. entweder als Rohgaseintritt-Regenerator, dessen Wärmespeicherkörper 3 zuvor erwärmt worden sind, um das in die Brennkammer 1 eintretende Rohgas aufzuheizen, oder als Reingasaustritt-Regenerator, aus dem das Reingas unter Abgabe seiner Wärme an die Wärmespeicherkörper des Regenerators A bzw. B für den nächsten Zyklus austritt.
Das heißt, wenn der Regenerator A den Rohgaseintritt-Regenerator und der Regenerator B den Reingasaustritt-Regenerator bildet, werden das Absperrorgan V-1A und das Absperrorgan V-2B geöffnet und die Absperrorgane V-2A und V-1B geschlossen. Ferner wird dann das Absperrorgan V-5A geöffnet, das die beiden Abschnitte A' und A'' des Regenerators A über die Leitung 4 verbindet, während die Absperrorgane V-4A und V-6A die den Regenerator A mit dem SCR-Katalysator 6 verbinden, geschlossen sind.
Beim Regenerator B, der bei diesem Zyklus den Reingasaustritt-Regenerator bildet, ist dann das Absperrorgan V-5B geschlossen, das die beiden Abschnitte B'' und B' über die Leitung 5 verbindet, während die Absperrorgane V-6B und V-4B geöffnet sind, so dass das aus dem Abschnitt B'' austretende, in der Brennkammer 1 thermisch vorgereinigte und erwärmte Abgas nach Abgabe eines Teils seiner Wärme an die Wärmespeicherkörper 3 des Abschnitts B'' und nach Zumischung der Stickstoffwasserstoffverbindung mit den Düsen 11 im statischen Mischer 12 bzw. 15 gemischt wird und durch SCR-Reaktion mit dem Katalysator 6 gereinigt über die Leitung 8 in den unteren Abschnitt B' eintritt, um durch seine Wärme die Wärmespeicherkörper 3 im unteren Abschnitt B' aufzuheizen.
Dabei wird die Höhe des oberen Abschnitts B'' des Regenerators B im Verhältnis zur Höhe des unteren Abschnitts B' so gewählt, dass das aus dem Abschnitt B'' dem Katalysator 6 zugeführte Abgas eine für die SCR-Reaktion optimale Temperatur von beispielsweise 250 bis 350°C, insbesondere 280 bis 320°C aufweist.
Insgesamt wird die Gesamthöhe des Regenerators so gewählt, dass das Reingas mit einer Temperatur von beispielsweise 30 bis 60°C über der Rohgastemperatur in die Reingasleitung 18 gelangt, und über den Kamin 19 ins Freie. Entsprechendes gilt für die Höhe der Abschnitte A' und A'' des Regenerators A und für alle weiteren parallelen Regeneratoren.
Wenn bei dem nächsten Zyklus der Regenerator B den Rohgaseintritt-Regenerator und der Regenerator A den Reingasaustritt-Regenerator bildet, werden die Ventile V-1A, V-2B, V-5A, V-6B und V-4B geschlossen und die Ventile V-2A, V-4A, V-6A und V-5B geöffnet.
In 2a und 2b ist der Regenerator A gemäß 1 einerseits als Rohgaseintritt-Regenerator (2a) bzw. Reingasaustritt-Regenerator (2b) dargestellt. Das eintretende Rohgas ist dabei in 2a durch den Pfeil P1 und das austretende Reingas in 2b durch den Pfeil P2 veranschaulicht.
Wie aus 2a und 2b ersichtlich, sind dabei der Katalysator 6, die Schüttung 15, die Düsen 11 zur Zufuhr der Stickstoffwasserstoffverbindung und die als Tellerventile ausgebildeten Absperrorgane V-4A, V-5A und V-6A in einem Anbau 22 seitlich am Regenerator A vorgesehen.
Die Absperrorgane V-1A und V-2A an der Rohgasleitung 17 bzw. Reingasleitung 18 sind gleichfalls als Tellerventile ausgebildet.
Der zweite Regenerator B (1) ist hinter dem Regenerator A angeordnet und daher in 2a und 2b nicht zu sehen. Diese Anordnung gilt auch für weitere vorhandene Regeneratoren.
Im Unterschied zu 1 weist der untere Abschnitt A' des Regenerators A und der untere Abschnitt B', der in 2a und 2b nicht zu sehen ist, jeweils an seinem unteren Ende eine Leitung 23 mit einem Absperrorgan V-3A zur Absaugung von verbliebenem Rohgas, welches von oben durch reines Abgas aus der Brennkammer verdrängt wird und anschließend als Teilstrom von ca. 5–10% wieder dem Rohgas zugeführt wird. Die Spülung des Regenerators erfolgt immer dann, nachdem er als Rohgaseintritt-Regenerator eingesetzt worden ist und vor seinem Einsatz als Reingasaustritt-Regenerator.
Gemäß 2a und 2b weist der Regenerator A zwischen den beiden Abschnitten A' und A'' ein Umlenkblech oder dergleichen Umlenkkörper 24 auf, der die Strömung des Abgases zwischen den Abschnitten A' und A'' in den Anbau 22 umlenkt.
Der Anbau 22 weist einen beiden Regeneratoren A und B gemeinsamen oberen Sammelkanal 25 zur Zufuhr des in der Brennkammer 1 thermisch abgereinigten Abgases von dem oberen Abschnitt A'' bzw. B'' zu dem Katalysator 6 und einen gemeinsamen unteren Sammelkanal 26 für das mit dem Katalysator 6 gereinigte Reingas auf, das dem unteren Abschnitt A' bzw. B' des Regenerators A bzw. B zugeführt wird.
Zwischen dem oberen Kanal 25 und dem unteren Kanal 26 ist in dem Anbau 22 für jeden Regenerator A, B ein eigener Zwischenraum 27 vorgesehen, in den das Rohgas bzw. Reingas des jeweiligen Regenerators A, B strömt und von dem der Katalysator 6 durch eine Wand 28 getrennt ist.
Wenn der Regenerator A (oder B) den Rohgaseintritt-Regenerator gemäß 2a bildet, wird das Tellerventil V-5A des Regenerators A (bzw. das Tellerventil V-5B des in 2a und 2b nicht dargestellten Regenerators B) geöffnet, während die Tellerventile V-6A und V-4A (bzw. V-6B und V-4B) zu den Sammelkanälen 25 und 26 geschlossen sind.
Wenn der Regenerator A (oder B) den Reingasaustrittregenerator bildet, sind gemäß 2b hingegen die Tellerventile V-4A und V-6A des Regenerators A (und die Tellerventile V-4B und V-6B des Regenerators B) geöffnet, während das Tellerventil V-5A (bzw. V-5B) geschlossen ist.
Die Vorrichtung nach 3 weist fünf Regeneratoren A bis E auf, die alle in gleicher Weise wie die Regeneratoren A und B nach 1 und 2a und 2b ausgebildet sind. Das heißt alle Regeneratoren A bis E, die vorzugsweise senkrecht aneinander angeordnet sind, weisen mit Wärmespeicherkörper 3 gefüllte Abschnitte A', A'', B', B'' ... sowie eine gemeinsame Brennkammer 1 und einen gemeinsamen Katalysator 6 auf.
Der Katalysator 6 ist dabei vorzugsweise in einem seitlichen Anbau angeordnet, der entsprechend 2a und 2b seitlich angebracht und ausgebildet ist.
Mit den Absperrorganen V-5A bis V-5E sind die Abschnitte A', A'', B', B'' ... jedes Generators A bis E miteinander verbindbar. Mit den Absperrorganen V-6A bis V-6E und V-4A bis V-4E sind die Abschnitte A', A'', B', B'' ... über den Katalysator 6 im Anbau miteinander verbindbar.
Die obere Sammelleitung 25 und die untere Sammelleitung 26 gemäß 2a und 2b sind in 3 schematisch dargestellt.
Jeweils ein Paar der Regeneratoren A bis E ist dabei auf Rohgaseintritt geschaltet, ein weiteres Paar der Regeneratoren A bis E auf Reingasaustritt, während der fünfte Regenerator A bis E zum Spülen vorgesehen ist.
Dazu sind die Regeneratoren A bis E mit dem unteren Ende ihrer unteren Abschnitte A', B' ... über die Absperrorgane V-3A (vgl. 2a und 2b) bis V-3E an eine Spülgasleitung 26 angeschlossen, die das aus den Regeneratoren A bis E mit gereinigtem Abgas aus der Brennkammer ausgespülte Rohgas der Rohgasleitung 17 stromaufwärts des Gebläses 16 zuführt.
Das zyklische Betriebsschema der Vorrichtung nach 3 mit fünf Regeneratoren A bis E ist vorstehend in der Tabelle der Beschreibung veranschaulicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19905733 B4 [0002]
EP 472605 B1 [0003, 0024]

Claims

Vorrichtung zur Reinigung von Abgas, welches mit dem Sauerstoff im Abgas oxidierbare, thermisch abreinigbare Verbindungen und/oder Stickoxide und/oder sich bei der thermischen Abreinigung bildende Verbindungen enthält, mit einer Nachverbrennungsanlage, welche wenigstens zwei mit Wärmespeicherkörpern (3) gefüllte und mit einer gemeinsamen Brennkammer (1) verbundene Regeneratoren (A, B ...) aufweist, denen das Abgas wechselweise zuführbar ist, wobei ein Katalysator (6) zur selektiven Reduktion von Stickoxiden zu Stickstoff mit einem Reduktionsmittel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Regeneratoren (A, B ...) jeweils in einen von der Brennkammer (1) abgewandten und einen der Brennkammer (1) zugewandten, jeweils mit Wärmespeicherkörpern (3) gefüllten Abschnitt (A', A'', B', B'') zweigeteilt sind und die wenigstens zwei Regeneratoren (A, B ...) einen gemeinsamen Katalysator (6) zur selektiven katalytischen Reduktion aufweisen, wobei die beiden Abschnitte (A', A'', B', B'') jedes Regenerators (A, B ...) miteinander und der der Brennkammer (1) zugewandte Abschnitt (A'', B'') jedes Regenerators (A, B ...) an seinem von der Brennkammer (1) abgewandten Ende über eine Einrichtung (11) zur Zufuhr des Reduktionsmittels und den Katalysator (6) zur selektiven katalytischen Reduktion mit dem der Brennkammer (1) zugewandten Ende seines von der Brennkammer (1) abgewandten Abschnitts (A', B') verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergleichmäßigung der Temperatur des Abgases an der Abgaseintrittsseite des Katalysators (9) eine Keramikschüttung (15) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur thermischen Vorentstickung der in dem Abgas vorhandenen oder in der Nachverbrennungsanlage gebildeten Stickoxide eine Einrichtung (20, 21) zur Zugabe eines Reduktionsmittels in die Brennkammer (1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Regenerator (A, B ...) zum Spülen des wenigstens einen im letzten Zyklus mit Rohgas beschickten Regenerators (A, B ...) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Regenerator (A, B ...) auf dem von der Brennkammer (1) abgewandten Ende seines von der Brennkammer (1) abgewandten Abschnitts (A', B') mit einem Absperrorgan (V-3A) zum Austritt von verbliebenem Rohgas aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Regeneratoren (A, B ...) wenigstens einen seitlich angeordneten Anbau (22) mit dem Katalysator (6) zur selektiven katalytischen Reduktion aufweisen, wobei der Anbau (22) Absperrorgane (V-5A, V-5B) zum Verbinden der beiden Abschnitte (A', A'', B', B'') jedes Regenerators (A, B ...) miteinander und Absperrorgane (V-6A, V-4A, V-6B, V-4B) zum Verbinden jedes Regenerators (A, B ...) an seinem von der Brennkammer abgewandten Ende des der Brennkammer (1) zugewandten Abschnitts (A'', B'') über den Katalysator (6) mit dem der Brennkammer (1) zugewandten Ende seines von der Brennkammer (1) abgewandten Abschnitts (A', B') aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abschnitte (A', A'', B', B'') jedes Regenerators (A, B ...) übereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbau (22) einen oberen, den wenigstens zwei Regeneratoren (A, B ...) gemeinsamen Sammelkanal (25), zur Zufuhr des thermisch abgereinigten Abgases zu dem Katalysator (6), einen unteren, den wenigstens zwei Regeneratoren (A, B ...) gemeinsamen Sammelkanal (26) für das mit dem Katalysator (6) gereinigte Reingas, einen zwischen oberem Sammelkanal (25) und unterem Sammelkanal (26) angeordneten Zwischenraum (27) für jeden Regenerator (A, B ...) mit den Absperrorganen (V-4A, V-5A, V-6A, V-4B, V-5B, V-6B) zum Verbinden des oberen Sammelkanals (25) mit dem unteren Sammelkanal (26) über den Katalysator (6) oder zum Verbinden des unteren Abschnitts (A', B') des Regenerators (A, B ...) mit dessen oberem Abschnitt (A'', B'') über den Zwischenraum (27) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem oberen Sammelkanal (25) Düsen (11) zur Zufuhr des Reduktionsmittels für die selektive katalytische Reduktion mit dem Katalysator (6) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Paare von Regeneratoren (A bis E) mit jeweils zwei übereinander angeordneten mit Wärmespeicherkörpern gefüllten Abschnitten (A', A'', B', B'' ...) vorgesehen sind, an denen seitlich ein gemeinsamer Anbau (22) mit dem Katalysator (6) zur selektiven katalytischen Reduktion angeschlossen ist, wobei der Anbau Absperrorgane (V-4A bis V-4E, V-5A bis V-5E, V-6A bis V-6E) enthält, um den oberen Sammelkanal (25) mit dem unteren Sammelkanal (26) über den Katalysator (6) oder den unteren Abschnitt (A', B' ...) mit dem oberen Abschnitt (A'', B'' ...) des jeweiligen Regenerators (A bis E) zu verbinden.