DE3335917A1 - Vorrichtung nach art eines luftvorwaermers zur vorwaermung der verbrennungsluft fuer einen verbrennungsprozess mit gleichzeitiger verminderung des in den rauchgasen enthaltenen no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts)" - Google Patents

Description

• "Vorrichtung nach Art eines Luftvorwärmers zur
• Vorwärmung der Verbrennungsluft für einen Verbrennungsprozeß mit gleichzeiter Verminderung des in den Rauchgasen enthaltenen NOx" Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach Art eines Luftvorwärmers zur Vorwärmung der Verbrennungsluft für einen Verbrennungsprozeß durch Beaufschlagung mit heißen, N-haltigen Rauchgasen aus einem eigenen oder fremden Verbrennungsprozeß mit gleichzeitiger Verminderung des in den Rauchgasen enthaltenen N°X Zur Vorwärmung der Verbrennungsluft für einen Verbrennungsprozeß werden sogenannte Luftvorwärmer eingesetzt.
• Durch diese Vorwärmung werden unter anderem feuerungstechnische Vorteile wie beschleunigte Zündung und besserer Ausbrand infolge höherer Feuerraumtemperatur erreicht. Als wärmeabgegender Stoffstrom für die aufzuheizende Verbrennungsluft dient in der Regel Rauchgas aus dem eigenen Verbrennungsprozeß. Es ist aber auch möglich, Rauchgas aus einem fremden Verbrennungsprozeß einzusetzen.
• Vorrichtungen zur Vorwärmung der Verbrennungsluft sind hinreichend bekannt. An Luftvorwärmern kennt man sogenannte Rekuperatoren und Regeneratoren.
• Im ersten Fall wird die Luft vom Rauchgas mittels Wärmeübertragung durch feste Wände erwärmt. Hierzu zählen z. B. Luftvorwärmer in der Art von Platten- oder Röhrenwärmetauschern.
• Bei regenerativen Luftvorwärmern nehmen die Speichermassen die Rauchgaswärme auf und geben sie später an die Luft ab. Für kontinuierlichen Betrieb kommen im Wesentlichen zwei Bauarten mit zylindrischer Speichermasse in Frage, einmal mit rotierender Speichermasse und feststehenden Luft- und Rauchgasanschlüssen (Ljungström-Luvo) und zum anderen mit feststehender Speichermasse und rotierendem Luftanschluß innnerhalb des die gesamte Speichermasse bedeckenden, festen Rauchgasanschlusses (Rothemühle-Luvo). Bei beiden Ausführungsformen sind die Wärmespeichermassen als feststehdende Blechpakte ausgebildet.
• Bei einer anderen Ausgestaltung der Wärmespeichermasse ist es vorgesehen, anstelle der festen Blechpakte separat bewegliche Wärmespeicherkörper einzusetzen, wie es z. B.
• in der DE-OS 29 51 2796 beschrieben ist.
• Bei Großfeuerungsanlagen entsteht neben anderen Schadstoffen das in hohem Maße die Umwelt belastende NOx.
• Hinsichtlich der Verminderung der NOx-Emission unterscheidet man zwischen primären und sekundären Maßnahmen.
• Im ersten Fall werden Eingriffe innerhalb des Verbrennungsraumes vorgenommen. So wird z. B. durch den Einsatz speziell hierfür entwickelter Brenner oder durch stufenweise Zugabe der Verbrennungsluft eine Reduzierung der NOx-Bildung schon während des Verbrennungsprozesses erreicht.
• Bei den sekundären Maßnahmen werden verfahrenstechnische Eingriffe außerhalb des Kessels vorgenommen. Hierzu zählen Rauchgasbehandlungsverfahren, bei denen unter Einsatz eines Reduktionsmittels, wie z. B. NH3, in Gegenwart eines Katalysators, wie z. B. Vanadium-Verbindungen auf Trägern aus Titanoxid, eine Reduktion von NOx zu molekularem Stickstoff und Wasserdampf erfolgt. Dieser Prozeß wird in einem separaten, hierfür vorgesehenen und mit den Katalysatoren ausgerüsteten Reaktor durchgeführt. Dieser Reaktor ist meistens zwischen Kesseleinheit und Luftvorwärmer angeordnet. Bei manchen Anlagen ist dem Reaktor ein Hochtemperatur-Elektrofilter vorgeschaltet.
• Diese bekannte Anordnung des NOx-Reaktors zwischen Luftvorwärmer und Kesseleinheit ist aber mit einer Reihe von Nachteilen behaftet. Zum einen ergibt sich ein Druckverlust des Rauchgases bei Durchströmen durch das Katalysatorbett. Andererseits ist ein entsprechender Raum für diesen Reaktor vorzusehen. Auch müssen die Trägerkonstruktionen des Systems infolge des Gewichtes des NqX-Reaktors verstärkt ausgeführt werden. Darüberhinaus müssen die Katalysatoren aufgrund des Staubgehaltes der Rauchgase intermittierend, z. B. mittels Rußbläsern gereinigt werden, was sich entsprechend in den Betriebskosten niederschlägt.
• Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung für Reduktion des NOx aus dem Rauchgas unter Einhaltung des Wirkungsgrades der bekannten Reaktoren derart zu konzipieren, daß der Druckverlust des Rauchgases sowie der Raumbedarf für die Anlage bei gleichzeitiger Senkung des für die Reinigung aufzuwendenden Energiebedarfs minimalisiert wird.
• Zur Lösung der Aufgabe wird die Verwendung eines an sich bekannten Luftvorwärmers in regenerativer oder rekuperativer Bauart vorgeschlagen, bei dem die rauchgasseitige Oberfläche der Wärmetauschelemente mit einer als Katalysator für die NOx-Reduktion wirkenden Beschichtung versehen ist.
• Zur Vermeidung von Ablagerungen auf den Katalysator-Kontakt flächen infolge einer Unterschreitung der Kondensationstemperatur des sich bei Durchströmen des Wärmetauschers abkühlenden Rauchgases sieht die Erfindung vor, daß die Beschichtung auf den Wärmetauschelementen ausschließlich im Bereich mit einer Rauchgastemperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der Reaktionsprodukte aus den im Rauchgas enthaltenen Stoffen und dem zugegebenen Reduktionsmittel vorgesehen ist.
• In einer anderen Ausgestaltung lehrt die Erfindung, daß der mit einer Katalysatorbeschichtung auf den Wärmetauschelementen versehene Luftvorwärmer auf eine Rauchgasaustrittstemperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der Reaktionsprodukte aus den im Rauchgas enthaltenen Stoffen und dem zugegebenen Reduktionsmittel ausgelegt ist und diesem ein zweiter, an sich bekannter Luftvorwärmer mit einer bei Betrieb in einer Wirbelschicht gehaltenen, selbstreinigenden Wärmespeichermasse aus einer Vielzahl von separat beweglichen Einzelelementen nachgeschaltet ist.
• Weiterhin schlägt die Erfindung vor, daß auf Einzelelementen stromab in Hintereinanderanordnung eine Katalysatorbeschichtung vorgesehen ist, bei der jede Schicht optimale Reaktionsbedingungen für die in diesem Bereich vorherrschende Rauchgastemperatur liefert.
• Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen darin, daß durch die Integration des NOx-Reaktors in den Luftvorwärmer der Raumbedarf für das System. erheblich reduziert wird. Ebenso werden die sonst in einem NOx-Reaktor auftretenden Druckverluste vermieden. Durch das Entfallen eines separaten Gehäuses für die Katalysatoren können einfachere und damit kostengUnstigere Trägerkonstruktionen gewählt werden. Da sowohl die Katalysatoren als auch die Wärmetauscherflächen in bestimmten Zeitabständen, z. B. mittels Rußbläser gereinigt werden müssen, bedarf es bei der Vorrichtung nach der Erfindung nur einer solchen Einrichtung. Ein entscheidender Vorteil der Erfindung ergibt sich auch durch die Beschichtung der wärmetauschenden Elemente stromab mit verschiedenen Katalysator-Materialien, die bezüglich ihrer Aktivität für die in diesem Bereich vorherrschende Rauchgastemperatur jeweils optimale Reaktionsbedingungen liefern. Dadurch wird ein hoher Wirkungsgrad für die NOx-Reduktion erreicht. Sowohl die Katalysatoren als auch die Wärmeaustauschelemente sind infolge von Staubabrieb und Korrosion Verschleißelemente des Systemsund müssen von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden. Da die Wärmetauschelemente mit einer Katalysatorschicht versehen sind, bedarf es aber für ihren Austausch bei der Vorrichtung nach der Erfindung nur noch eines Arbeitsganges.
• Die Erfindung soll anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.
• Es zeigen Fig. 1 einen Lufvorwärmer nach Art eines Röhrenwärme--tauschers nach dem Kreuzgegenstrom-Prinzip mit einer Katalysatorbeschichtung auf den Wärmetauschelementen, Fig. 2 einen Ausschnitt eines Wärmeaustauschelementes in Form eines mit einer Katalysatorbeschicht versehenen Rippenrohres, Fig. 3 einen Ausschnitt eines Wärmeaustauschelementes in Form einer mit einer Katalysatorbeschichtung versehenen Rippenplatte für einen Platten-Luftvorwärmer, Fig. 4 einen Querschnitt eines Luftvorwärmers nach dem Ljungström-Prinzip mit katalysatorbeschichteten Wärmeschpeichermasse, Fig. 5 einen Rotationsluftvorwärmer mit radialer Gasanströmung und katalysatorbeschichteter Wärmespeichermasse in Form von Einzelelmenten, Fig. 6 Kombination aus einem Rohr-Luftvorwärmer mit katalysatorbeschichteten Wärmeaustauschelementen und nachgeschaltetem Luftvorwärmer mit selbstreinigender Wärmespeichermasse.
• Bei dem in Fig. 1 dargestellten Luftvorwärmer 1 handelt essich um einen Röhrenwärmetauscher, bei dem das Rauchgas 2 und die aufzuwärmende Luft 3 im Kreuzgegenstrom geführt werden. Der Luftvorwärmer 1 ist in vier Zonen 4, 5, 6, 7 aufgeteilt, die an der Luftseite über Umlenkkanäle 8 miteinander verbunden sind. Dabei sind lediglich die Wärmetauschelemente in den Zonen 4 bis 6 mit einer Katalysatorbeschichtung versehen. Da sich das Rauchgas im Gegensatz zu einem separaten Reduktionsreaktor bei Durchströmen eines Wärmetauschers abkühlt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das Katalysatormaterial in den einzelnen Zonen so auszuwählen, daß es bezüglich seiner Aktivität auf die in einer Zone jeweils vorherrschende Rauchgastemperatur abgestimmt ist. Dadurch wird ein hoher Reduktionsgrad erreicht. Als Wärmetauschelement für die Zonen 4 bis 6 kommen z. B. Rippenrohre 9a nach Fig. 2 in Frage. Bei dieser Ausführungsform ist eine besonders groBe Kontaktfläche des Katalysators gegeben. Bedingt durch die Tatsache, daß die Katalysatorschicht 10 gegenüber dem Material des Wärmetauschelementes 9a, wie z. B. Stahlrohre 11 nach Fig. 2, eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit besitzt, wird bei dieser Ausführungsform infolge der größeren rauchgasseitigen Wärmetauscherfläche eine kompakte Bauweise eines Luftvorwärmers möglich. Die Zone 7 im Wärmetauscher 1 ist in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit glatten Rohren ohne Katalysatorbeschichtung ausgerüstet. Der Grund hierfür besteht darin, daß das sich abkühlende Rauchgas 2 bei Durchströmung durch den Wärmetauscher 1 in der Zone 7 einen Temperaturbereich durchläuft, in dem sich Ablagerungen an den Wärmetauschelementen infolge der Kondensation von Reaktionsprodukten aus dem im Rauchgas enthaltenen Stoffen und dem zugegebenen Reduktionsmittel bilden können; so reagiert z. B. das S03 aus dem Rauchgas mit dem Reduktionsmittel NH3 zu Amoniumsulfit, dessen Kondensationstemperatur unterhalb etwa 250 C liegt. Um die Wärmetauschelemente von Zeit zu Zeit von diesen Ablagerungen zu befreien, ist ein Rußbläser 12 vorgesehen. Rußbläser zur Reinigung der Katalysator-Kontaktflächen können z. B. am Rauchgaseintritt angebracht werden. Anstelle von Rohren als Wärmetauschelemente können natürlich auch Platten oder sogenannte Rippenplatten in den Luftvorwärmer eingesetzt werden. Ein prinzipieller Unterschied in der Funktionsweise gegenüber einem Luftvorwärmer mit Rohren besteht dabei nicht. Ein besonders geeignetes Rippenplattenelement 9b ist in Fig.3 dargestellt. Hierbei werden ebenso wie bei dem Wärmetauschelement nach Fig. 2 durch die auf der Rauchgasseite vergrößerte Oberfläche eine größere Katalysator-Kontakt fläche sowie eine größere Wärmeaustauschfläche geschaffen.
• Fig. 4 zeigt einen Querschnitt eines Luftvorwärmers nach dem sogenannten Ljungström-Prinzip mit einer zylindrischen und bei Betrieb rotierenden Speichermasse. Hierbei ist es ebenfalls vorgesehen, die Speichermasse in mehrere Zonen 4, 5, 6, 7 aufzuteilen, wobei die Speichermasse in der untersten Zone 7 nicht mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist. Wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind die Katalysatormaterialien in den einzelnen Zonen bezüglich ihrer Aktivität auf die jeweils vorherrschende Rauchgastemperatur abgestimmt, so daß jede Schicht optimale Reaktionsbedingungen für die in der jeweiligen Zone vorherrschende Rauchgastemperatur liefert.
• Zusätzlich ist hier vorgesehen, daß die Speichermasse zwischen der untersten 7 und der darüberliegenden Zone 6 eine Ausnehmung 13 aufweist, in der eine Reinigungsvorrichtung 12 vorgesehen ist. Hierbei kann wahlweise eine Reinigung mittels Preßluft 14 oder Wasser 15 vorgenommen werden.
• Bei dem in Fig. 5 dargestellten regenerativen Luftvorwärmer mit einer rotierenden Trommel 16 und radialer Ga.sanströmung besteht die Wärmespeichermasse aus einer Vielzahl von beweglichen Einzelelementen 17 in Form von Kugeln, Hohlkugeln, sattelförmigen Körpern, die ebenfalls mit einer Katalysatorschicht versehen sind. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, die Trommel 16 in radialer Richtung in einzelne Kammern 18 zu unterteilen, wobei die Wärmeleitelemente 17 in den einzelnen Kammern 18 mit jeweils an die Rauchgastemperatur angepaßte Katalysatorbeschichtungen versehen sind. Bei dieser Art eines Luftvorwärmers mit separat beweglichen Einzelelementen 17 als Wärmespeichermasse sind Maßnahmen zur Reinigung nicht notwendig, da sich diese Elemente durch gegenseitige Reibung und wirbelnde Bewegungen selbst von Ablagerungen befreien.
• Eine andere Möglichkeit, die Wärmetauscherflächen ständig von Ablagerungen freizuhalten, ist in Fig. 6 gezeigt.
• Hierbei handelt es sich um die Hintereinanderschaltung eines Röhren- oder Plattenluftvorwärmers 1 gemäß Fig. 1 und eines Luftvorwärmers nach Art eines Kolonnenwärmetauschers 19 mit einer Speichermasse aus einer Vielzahl von separat beweglichen Elementen 20, die über eine Transporteinrichtung 21 umgewälzt werden. Dabei sind lediglich die Wärmetauschelemente 9 des Platten- oder Röhrenwärmetauschers 1 mit einer Katalysat orbeschichtung versehen. Um Ablagerungen auf den Katalysator-Kontaktflächen zu vermeiden, ist dieser Luftvorwärmer 1 so ausgelegt, daß die Temperatur des ausströmenen Rauchgases 22 noch oberhalb der Kondensationstemperatur der Reaktionsprodukte aus den im Rauchgas enthaltenen Stoffen und dem zugegebenen Reduktionsmittel liegt. Ablagerungen werden aber im nachgeschalteten Kolonnenwärmetauscher 19 dadurch vermieden, da die Wärmespeicherelemente 20 durch Anströmung des Rauchgases 22 und der aufzuwärmenden Verbrennungsluft 3 von unten nach oben ständig in einer Wirbelschicht gehalten werden. Dadurch wird ein Selbstreinigungseffekt des nachgeschalteten Luftvorwärmers 19 erreicht.
• - Leerseite -

Claims (4)

1. Patentansprüche rra Vorrichtung nach Art eines Luftvorwärmers zur Vorwärmung der Verbrennungsluft für einen Verbrennungsprozeß durch Beaufschlagung mit heißen, NOx-haltigen Rauchgasen aus einem eigenen oder fremden Verbrennungsprozeß mit gleichzeitiger Verminderung des in den Rauchgasen enthaltenen NOx, g e k e n n z e i c h -n e t durch die Verwendung eines an sich bekannten Luftvorwärmers in regenerativer oder rekuperativer Bauart, bei dem die rauchgasseitige Oberfläche der Wärmetauschelemente mit einer als Katalysator für die NOx-Reduktion wirkenden Beschichtung versehen ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Beschichtung auf den Wärmetauschelementen ausschließlich im Bereich mit einer Rauchgastemperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der Reaktionsprodukte aus den im Rauchgas enthaltenen Stoffen und dem zugegebenen Reduktionsmittel vorgesehen ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der mit einer Katalysatorbeschichtung auf den Wärmetauschelementen versehene Luftvorwärmer auf eine Rauchgasaustrittstemperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der Reaktionsprodukte aus den im Rauchgas enthaltenen Stoffen und dem zugegebenen Reduktionsmittel ausgelegt ist und diesem ein zweiter, an sich bekannter Luftvorwärmer mit einer bei Betrieb in einer Wirbelschicht gehaltenen, selbstreinigenden Wärmespeichermasse aus einer Vielzahl von separat beweglichen Einzelelementen nachgeschaltet ist.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf Einzelelementen stromab in Hintereinanderanordnung eine Katalysatorbeschichtung vorgesehen ist, bei der jede Schicht optimale Reaktionsbedingungen für die in diesem Bereich vorherrschende Rauchgastemperatur liefert.