DE3348099C2 - Vorrichtung zum Vorwärmen eines Verbrennungsluftstromes - Google Patents

Vorrichtung zum Vorwärmen eines Verbrennungsluftstromes

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vorwärmen eines Verbrennungsluftstromes mit einem heilen NOX-haltigen Rauchgas aus einem eigenen oder fremden Verbrennungsprozeß und zum Vermindern des in den Rauchgasen enthaltenen NOX unter Zugabe eines Reduktionsmittels mit Wärmetauscherelementen für den Wärmetausch zwischen Verbrennungsluftstrom und staubhaltigem Rauchgasstrom und einer zumindest von dem Rauchgasstrom beaufschlagten Katalysator-Anordnung.
Aus der JP-A2 52-140463 ist eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art bekannt, bei der die Wärmetauscherelemente für den Wärmetausch zwischen dem Verbrennungsluftstrom und dem Rauchgasstrom von aus Metall oder Metalloxid bestehenden Katalysator-Kugeln gebildet werden. Der heiße, NOX und staubhaltige Rauchgasstrom wird zunächst entstaubt und beaufschlagt dann im Gegenstrom in einem oberen Reaktor die Katalysator-Kugeln, wobei das NOX reduziert und die Katalysator-Kugeln aufgeheizt werden. Die Katalysator- Kugeln werden dann in einen unteren Reaktor überführt, um ihre Wärme im Gegenstrom an den Verbrennungsluftstrom abgeben zu können. Die Zugabe des Reduktionsmittels erfolgt am unteren Ende des oberen Reaktors. Bei der bekannten Vorrichtung erfolgt also eine regenerative Vorwärmung des Verbrennungsluftstromes in einer Anordnung von grobem Raumbedarf.
Aus der DE-OS 28 52 800 ist eine Vorrichtung zum Entfernen von Stickstoffoxiden aus einem Rauchgasstrom bekannt, bei der im Rauchgasstrom ein Bett von Metalloxid- Katalysatorelementen in Plattenform angeordnet ist, die eng an einem durch eine Abgasleitung führenden Luftrohr befestigt ist. Die durch das Luftrohr geführte Luft dient der Kühlung der Katalysatoroberflächen auf eine optimale Reaktionstemperatur, wenn das dem Katalysator zugeführt Rauchgas oder Abgas zu heil ist, wie dieses bei den Abgasen einer Gasturbine der Fall ist. Ein rekuperativer Wärmetausch zwischen Abgasstrom und Verbrennungsluftstrom zum Vorwärmen desselben unter gleichzeitiger NOX-Minderung findet nicht statt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art anzugeben, die einen kleineren Raumbedarf aufweist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil der Wärmetauscherelemente rauchgasseitig mit einer als Katalysator für die NOX-Reduktion wirkenden Beschichtung versehen sind, und daß die Beschichtung auf der Außenseite der Wandung von rekuperativen Wärmetauscherelementen vorgesehen ist, die von der Verbrennungsluft durchströmbar sind.
Da die Wärmetauscherelemente rekuperativ von der Verbrennungsluft durchströmbar sind und auf ihrer vom Rauchgas umströmten Außenseite mit der NOX reduzierenden Beschichtung versehen sind, ist der Raumbedarf der Vorrichtung wesentlich geringer als z. B. bei dem regenerativen Wärmetausch mittels zweier übereinander angeordneter Reaktoren, von denen der eine nur die Aufgabe des Wärmetausches und der andere die Aufgabe der Erwärmung und der Entstickung übernimmt.
Zur Vermeidung von Ablagerungen auf den Katalysator-Kontaktflächen infolge einer Unterschreitung der Kondensationstemperatur des sich beim Umströmen der Wärmetauscherelemente abkühlenden Rauchgases ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Beschicktung auf den Wärmetauscherelementen ausschließlich im Bereich mit einer Rauchgastemperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der Reaktionsprodukte aus den im Rauchgas enthaltenen Stoffen und dem zugegebenen Reduktionsmittel vorgesehen ist. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Wärmetauscherelemente in mehreren stromab der Rauchgasströmung in Hintereinanderanordnung liegenden Zonen angeordnet sind, und in einzelnen beschichteten Zonen das katalytisch wirksame Material bezüglich seiner katalytischen Aktivität auf die jeweils in der einzelnen Zone vorherrschende Rauchgastemperatur abgestimmt ist.
Des weiteren ist es von Vorteil, wenn zwischen der in Strömungsrichtung des Rauchgasstromes gesehen letzten Zone, in der keine Beschichtung vorgesehen ist und der benachbarten beschichteten Zone eine Ausnehmung vorgesehen ist, in der eine Reinigungseinrichtung vorgesehen ist.
Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung wird erzielt, wenn in Strömungsrichtung der Rauchgase gesehen zunächst mit der Katalysatorbeschichtung versehene rekuperative Wärmetauscherelemente angeordnet sind, deren Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der Reaktionsprodukte aus den im Rauchgas enthaltenen Stoffen und dem zugegebenen Reduktionsmittel gehalten sind und auf diese ein regenerativer Wärmetauscher folgt, dessen Wärmespeichermasse aus einer Vielzahl von separaten beweglichen Einzelelementen besteht, die bei Betrieb der Vorrichtung in einer Wirbelschicht gehalten sind.
Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 einen Luftvorwärmer nach Art eines Röhrenwärmetauschers nach dem Kreuzgegenstrom- Prinzip mit einer Katalysatorbeschichtung auf den Wärmetauschelementen,
Fig. 2 einen Ausschnitt eines Wärmeaustauschelementes in Form eines mit einer Katalysatorbeschichtung versehenen Rippenrohres,
Fig. 3 einen Ausschnitt eines Wärmeaustauschelementes in Form einer mit einer Katalysatorbeschichtung versehenen Rippenplatte für einen Platten-Luft­ vorwärmer,
Fig. 4 Kombination aus einem Rohr-Luftvorwärmer mit 9 katalysatorbeschichteten Wärmeaustauschelementen und nachgeschaltetem Luftvorwärmer mit selbstreinigender Wärmespeichermasse.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Luftvorwärmer 1 handelt es sich 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 große 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 SO₃ aus dem Rauchgas mit dem Reduktionsmittel NH₃ zu Amoniumsulfit, dessen Kondensationstemperatur unterhalb etwa 250°C liegt. Um die Wärmetauschelemente der Zone 7 von Zeit zu Zeit von diesen Ablagerungen zu befreien, ist ein Rußbläser 12 in einer Ausnehmung 13 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 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-Kontaktfläche sowie eine größere Wärmeaustauschfläche geschaffen.
Eine andere Möglichkeit Wärmetauscherflächen ständig von Ablagerungen freizuhalten, ist in Fig. 4 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 Katalysatorbeschichtung versehen. Um Ablagerungen auf den Katalysator- Kontaktflächen zu vermeiden, ist dieser Luftvorwärmer 1 so ausgelegt, daß die Temperatur des ausströmenden 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.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Vorwärmen eines Verbrennungsluftstromes mit einem heilen NOX-haltigen Rauchgas aus einem eigenen oder fremden Verbrennungsprozeß und zum Vermindern des in den Rauchgasen enthaltenen NOX unter Zugabe eines Reduktionsmittels mit Wärmetauscherelementen für den Wärmetausch zwischen Verbrennungsluftstrom und staubhaltigem Rauchgasstrom und einer zumindest von dem Rauchgasstrom beaufschlagten Katalysator-Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Wärmetauscherelemente (9a; 9b) rauchgasseitig mit einer als Katalysator für die NOX-Reduktion wirkenden Beschichtung (10) versehen sind, und daß die Beschichtung (10) auf der Außenseite der Wandung von rekuperativen Wärmetauscherelementen (9a; 9b) vorgesehen ist, die von der Verbrennungsluft (3) durchströmbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf den Wärmetauscherelementen ausschließlich im Bereich mit einer Rauchgastemperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der Reaktionsprodukte aus den im Rauchgas enthaltenen Stoffen und dem zugegebenen Reduktionsmittel vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherelemente in mehreren stromab der Rauchgasströmung in Hintereinanderanordnung liegenden Zonen (4, 5, 6, 7) angeordnet sind, und in einzelnen beschichteten Zonen das katalytisch wirksame Material bezüglich seiner katalytischen Aktivität auf die jeweils in der einzelnen Zone vorherrschende Rauchgastemperatur abgestimmt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der in Strömungsrichtung des Rauchgasstromes gesehen letzten Zone (7), in der keine Beschichtung vorgesehen ist, und der benachbarten beschichteten Zone (6) eine Ausnehmung (13) vorgesehen ist, in der eine Reinigungseinrichtung (12) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung der Rauchgase gesehen zunächst mit der Katalysatorbeschichtung (10) versehene rekuperative Wärmetauscherelemente (4, 5, 6) angeordnet sind, deren Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der Reaktionsprodukte aus den im Rauchgas enthaltenen Stoffen und dem zugegebenen Reduktionsmittel gehalten sind und auf diese ein regenerativer Wärmetauscher (19, 20, 21) folgt, dessen Wärmespeichermasse aus einer Vielzahl von separaten beweglichen Einzelelementen (20) besteht, die bei Betrieb der Vorrichtung in einer Wirbelschicht gehalten sind.
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