DE2535357A1

DE2535357A1 - Verfahren zum verringern des gehaltes von gasen an stickstoffoxiden

Info

Publication number: DE2535357A1
Application number: DE19752535357
Authority: DE
Inventors: Eugene C Mcgill; Robert D Reed
Original assignee: John Zink Co
Current assignee: Zinklahoma Inc
Priority date: 1975-08-07
Filing date: 1975-08-07
Publication date: 1977-02-24
Also published as: DE2535357C2

Description

"Verfahren zum Verringern des Gehaltes von Gasen an Stickstoffoxiden.
Um der zunehmenden Verunreinigung der atmosphärischen Luft entgegenzuwirken wird es immer wichtiger, die bei chemischen Verfahren oder beim Raffinieren abfallenden Stickstoffoxide zu Stickstoff zu reduzieren, bevor sie in die Atmosphäre gelangen. Es handelt sich dabei um eine große Anzahl von Stickstoffoxiden wie z. B. N20, NO, 2 (NO)2, N203, (NO2)2, N205, die nachstehend als ~NOx" bezeichnet werden. Mehrere dieser Stickstoffoxide wie z.B. N02, (N02)2 und N2O3tragen weitgehend zur Bildung des bräunlichen Dunstes bei, der im Smog großer Städte zu erkennen ist. Die meisten Stickstoffoxide unterstützen bei entsprechenden Temperaturen ihre Verbrennung.
Indessen ist es erforderlich, eine reduzierende Atmosphäre bereitzustellen, bevor die Stickstoffoxide eine Umsetzung erfahren, bei der der Stickstoff frei wird.
Bekannte dieser zweckdienenden Anlagen haben erhebliche Mängel, die zu überwinden die Aufgabe der Erfindung ist.
Denn alle diese bekannten Anlagen beruhen auf dem Betrieb eines Brenners, dem Luft in einem geringeren als dem stöchiometrischen Verhältnis zugeführt wird, um dadurch brennbare Gase zu erzeugen, die die Stickstoffoxide reduzieren sollen.
Es ist aber praktischer, den Brenner oder die Wärmequelle mit einer so bemessenen Luftmenge zu beschicken, daß diese im stöchiometrischen Verhältnis zum Brennstoff steht, der ein heißes Gas erzeugt, und dann den so erzeugten Gasen dadurch reduzierende Eigenschaften zu geben, daß ihnen getrennt eine Mischung von Dampf mit einem Kohlenwasserstoff oder H2, CO, oder Kohlenwasserstoff zugeführt wird. Die Mischung von Dampf und einem Kohlenwasserstoff ist vorzuziehen, weil sich dann folgende typische Reaktion ergibt: CH4 + H20 = CO + 3H2 Diese Reaktion, die endothermisch verläuft, wird durch die Hitze bewirkt, die in Gestalt der heißen Ofengase zur Verfügung steht und der Atmosphäre reduzierende Eigenschaften verleiht. Auch besteht die Möglichkeit, die Ofenatmosphäre dadurch reduzierend zu machen, daß wiederum getrennt ein Luft-Kohlenwasserstoffgemisch eingeführt wird, dessen Luftgehalt kleiner ist, als es dem stöchiometrischen Verhältnis zu dem Kohlenwasserstoff entspricht, aber doch ausreicht, um zu verhindern, daß freier Kohlenstoff entsteht.
Wenn das NOx in den Bereich der reduzierenden Atmosphäre eingeführt wird, dann wird der Stickstoff freigesetzt, und der Wasserstoff und das Kohlenmonoxid werden teilweise verbrannt. Nach Freisetzen des Stickstoffes müssen die Gase unter eine Temperatur abgekühlt werden, über welcher der Stickstoff von neuem oxidieren könnte.
Deshalb ist es erforderlich, die Gase aus der ersten Kammer in eine anschließende zweite Kammer zu überführen, wo die Temperatur so schnell wie möglich gesenkt wird.
Das kann dadurch geschehen, daß ein Kühlmittel eingeführt wird, um die Temperatur schnell unter 2.000°F (1.1000C) zu senken, vorzugsweise aber unter etwa 1.8000F (98O0C).
Diese Temperatur liegt wesentlich über der Selbstentzündungstemperatur von Wasserstoff und Kohlenmonoxid, so daß sich diese selbstätig entzünden und verbrennen, bevor die Gase ins Freie entweichen. Die Temperatur liegt aber erheblich unter der Grenze, bei der wesentliche Mengen des Stickstoffs von selbst oxidieren würden.
In der Zeichnung ist schematisch ein stehend angeordneter, aus zwei Kammern bestehender Ofen gezeigt, der sich zum Reduzieren von Stickstoffoxidgasen eignet.
Das beschriebene Verfahren läßt sich mit Hilfe eines einfachen und wirksamen Ofens durchführen, um die Stickstoffoxide unter Bedingungen zu reduzieren, die keine empfindliche Steuerung des Brennstoff-Verbrennungszustandes erfordert. Auch läßt sich das beschriebene Verfahren mit Hilfe eines Ofens durchführen, bei welchem die reduzierende Atmosphäre durch eine Mischung von Dampf und Kohlenwasserstoffen geschaffen wird und nach Reduktion der Gasmischung schnell bis auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der verhindert ist, daß sich der Stickstoff von neuem mit Sauerstoff verbindet.
Diese und andere Vorteile des beschriebenen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung des schematisch in der Zeichnung gezeigten Ofens, der zum Reduzieren der Stickstoffoxide dient. Die erste Kammer 12 des Ofens 10 liegt neben der zweiten Kammer 14. Bei 16 wird der Brennstoff und die Luft eingeführt, um die für die Reduzierung des Stickstoffoxides erforderliche Temperatur zu schaffen.
Die Brenneranlage enthält eine Brenngasleitung 18 und einen Brenner 20 mit einer Luftleitung 22 zum Zuführen der Verbrennungsluft. Diese Luftzuführung wird derart gesteuert, daß sie in einem stöchiometrischen Verhältnis zum Sauerstoff in der ersten Kammer 26 steht, also kein Sauerstoffüberschuß vorhanden ist. Der Zweck der Verbrennung des Brenngases 18 ist es, in der ersten Kammer eine so hohe Temperatur zu schaffen, daß dort durch Einführen einer Mischung von Kohlenwasserstoff und Dampf eine reduzierende Atmosphäre geschaffen werden kann. Es geschieht dies durch die Einlaßleitung 28, in die eine Dampfleitung 30 mündet. Durch eine Leitung 32 wird ein Kohlenwasserstoff beigemischt und in die erhitzte Zone in der Kammer 26 eingeblasen.
Ist in der Kammer 26 die richtige reduzierende Atmosphäre geschaffen, also ein Oberschuß von Wasserstoff und CO, dann werden die die Stickstoffoxide enthaltenden Gase in die Kammer 26 durch eine Leitung 34 eingeführt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Mischung von Kohlenwasserstoff und Dampf in die Leitung 14 durch die Zweigleitung 36 einzuführen, so daß die Stickstoffoxide, der Kohlenwasserstoff und der Dampf sämtlich vor Einführung in die erhitzte Kammer 26 gemischt werden. Statt dessen kann auch die reduzierende Atmosphäre statt durch Dampf und Kohlenwasserstoff dadurch geschaffen werden, daß Brenngase wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Methan in die Zweigleitung 36 eingeführt und mit den Stickstoffoxiden in der Leitung 34 gemischt werden, um die zum Reduzieren der Stickstoffoxide erforderliche Reduktionszone zu schaffen.
Nachdem die den Stickstoff enthaltenden Gase genügend lange in der Kammer 26 in der Reduktionszone verblieben sind, um den Stickstoff von seinem Sauerstoff zu trennen, gehen sie durch die Uffnung 46 in der Wandung 44 in die zweite Kammer 14. Dort kühlen sich die Gase schnell ab, und zwar infolge der Einführung eines Kühlmittels durch eine Leitung 50. Die Abkühlung erfolgt bis auf einen Bereich von 1.2500F bis 2.0000F (7000 bis 1.10OOC). Dieser Kühlvorgang soll möglichst schnell durchgeführt werden und läßt sich bequem durch irgendein Kühlmittel erreichen, das in verwirbeltem Zustand eingeführt wird, so daß es schnell mit den heißen Gasen in Berührung tritt, die aus der ersten Kammer 26 kommen, und diese verdünnt. Die punktierte Linie 48 zeigt diesen Abkühlungsbereich, der erforderlich ist, um die Temperatur so niedrig zu halten, daß der Stickstoff nicht von neuem mit Sauerstoff eine Verbindung eingehen kann.
Indessen enthalten die Gase nunmehr einen Oberschuß an Brennstoffen, hauptsächlich Wasserstoff und CO, und diese müssen aus dem Gasstrom 54 entfernt werden. Es geschieht dies durch Verbrennen mit Luft, die bequem durch eine Leitung 52 eingeführt werden kann. Wird andererseits als Kühlmittel kalte Luft verwendet, dann liefert diese auch den Sauerstoff für die Verbrennung der verbleibenden brennbaren Stoffe. Da durch die Verbrennung des Wasserstoffs und des Kohlenmonoxids Wärme erzeugt wird, muß die Kühlwirkung in der Zone 56 so bemessen sein, daß trotz dieser Wärmeerzeugung die durch die Pfeile 54 angedeuteten abfließenden Gase die Grenztemperatur von 2.000°F (1.1000C) nicht überschreiten.
Denn bei dieser Grenztemperatur könnte der Stickstoff von neuem oxidieren. Die abfließenden Gase enthalten nun einen Oberschuß an Luft, Wasserdampf, Kohlendyoxid und Stickstoff.
Wenngleich die Beschreibung sehr ins einzelne geht, so können doch zahlreiche Abwandlungen bei den Einzelheiten der Bauart und Anordnung getroffen werden. Die Erfindung ist also keineswegs auf das besondere Beispiel beschränkt, das hier erläutert wurde, sondern erstreckt sich auf den in den Patentansprüchen zum Ausdruck gebrachten Erfindungsgedanken, der auch alle Squivalente jedes einzelnen Verfahrensschrittes einschließt.

Claims

PATENTANSPROCHE:

1. Verfahren zum Verringern des Gehaltes brennender Gase an Stickstoffoxiden, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: In einer ersten feuerfest ausgekleideten Ofenkammer wird ein Brennstoff mit einer im wesentlichen stöchiometrischen Menge eines die Verbrennung unterstützenden Gases, wie Luft verbrannt; die die Stickstoffoxide enthaltenden Gase werden in diese Kammer eingeführt; eine Mischung von Kohlenwasserstoffgas und Dampf wird in die erste Kammer eingeführt, um darin eine reduzierende Atmosphäre zu schaffen und im wesentlichen aufrechtzuerhalten; das sich ergebende Gas wird bei einer Temperatur von über 2.000° F (1.1000C) in eine zweite feuerfest ausgekleidete Kammer überführt; dort wird das Gas schnell abgekühlt und auf einer Temperatur im Bereich von 1.25O0F bis 2.000°F (700 bis 1.1000C) gehalten; und in die zweite Kammer wird Luft eingeführt; um den brennbaren Oberschuß zu verbrennen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die erste Kammer eingeführten Gase mindestens H2 oder CO oder CH4 enthalten.

Leerseite