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Rauchrohrausbildung, insbesondere für einen Flammrohr-
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Rauchrohrkessel sowie Verfahren zum Abscheiden von Stickstoffoxiden
aus dessen Rauchgasen Die Erfindung betrifft eine Rauchrohrausbildung, insbesondere
für einen Flammrohr-Rauchrohrkessel, bei dem die Verbrennung in einem Flammrohr
erfolgt und die NOx-haltigen, gegebenenfalls über eine Wendekammer geführten Gase
durch ein Rauchrohrbündel geleitet werden.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Abscheiden vnn
Stickstoffoxiden aus Rauchgasen bei solchen Kesseln.
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Darüber hinaus richtet sic die Erfindung auch auf die Abscheidung
von Stockstoffoxiden aus Rauchgasen bei Wasserrohrkesseln.
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Stickstoffoxide (NOx) entstehen vorrangig bei der Verbrennung von
gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen# Diese
Brennstoffe
werden zur Energieerzeugung in Form von Warm-und Heißwasser sowie Dampf für die
Wärme- und Stromerzeugung verwendet. Darüber hinaus entstehen Stickstoffoxide in
hohem Maße auch bei Verbrennungskraftmaschinen wie Gas-oder Dieselmotoren und Gasturbinen,
denen - wenn es sich um stationäre Anlagen handelt - Abhitzekessel nachgeschaltet
sind. Es handelt sich um Warmwasser-, Heißwasser- und Dampferzeuger, die direkt
beheizt oder als Abhitzekessel betrieben werden, welche als sog. Flammrohr-Rauchrohrkessel
oder Wasserrohrkessel bezeichnet werden.
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Stickstoffoxid wird einmal brennstoffabhängig gebildet, wobei organisch
gebundener Stickstoff im Brennstoff, insbesondere bei niedrigen Verbrennungstemperaturen,
zu Stickstoffoxid umgesetzt wird.
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Prozeßabhängig entsteht thermisches Stickstoffoxid durch Reaktion
von Sauerstoff mit Stickstoff in Abhängigkeit von der Verweilzeit der Verbrennungsprodukte
bei hoher Temperatur und der örtlichen Sauerstoffkonzentration.
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Es kann aber auch während des Verbrennungsprozesses in brennstoffreichen
Zonen mit Hilfe freier Radikale von Kohlenwasserstoffresten entstehen.
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Stickstoffdioxid andererseits entsteht erst bei niedrigeren Temperaturen
durch Oxidation von Stickstoffmonoxid mit Sauerstoff.
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Man unterscheidet Trocken- und Naßverfahren zur Abscheidung von Stickstoffoxiden.
Hier hat sich das SCR-Verfahren, d.h.
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das Verfahren der selektiven katalytis#hen -Redukti6n von Stickstoffoxiden
durchgesetzt. Nach diesem Verfahren werden die Stickstoffoxide im Rauchgas selektiv,
andere Nebenreaktionen werden unterdrückt, mit Ammoniak bei Temperaturen zwischen
300 und 4000 katalytisch zu elementarem Stickstoff und Wasserdampf reduziert. Diese
Verfahren sind bekannt und werden darum hier nicht weiter erläutert.
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Bei DeNOx-Anlagen ist es bekannt, Katalysator auf 1 mm dünnen Platten
aufzutragen, die in Paketen mit einem Rahmen zur Versteifung und Erhöhung der Festigkeit
in Paletten zusammengefaßt sind und auf einfache Weise in den Reaktor ein- und ausgeladen
werden können. Die Rauchgase durchströmen im Reaktor die Spalten zwischen den senkrecht
angeordneten Katalysatorplatten in Richtung von oben nach unten, so daß der Strömung
nur geringe Möglichkeiten zur Ablagerung von Staub an der Katalysatorfläche geboten
werden. Wegen Einzelheiten der bekannten Verfahren wird auch auf Ausarbeitungen
auf dem Gebiet der Umweltschutztechnik verwiesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese "Katalysatortechnik"
bei Flammrohr-Rauchrohrenergieanlagen, insbesondere bei bereits installierten, anzuwenden,
vor allen Dingen auch bei Anlagen, wo ein besonderer Platz für den DeNÖ -Reaktor
nicht gegeben ist.
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Erreicht wird dies bei einer Rauchrohrausbildung, insbesondere für
einen Flammrohr-Rauchrohrkessel der eingangs genannten Art überraschend einfach
durch Einschübe im Rauchrohrsystem, die als Katalysatorträger für NO ausgebildet
sind.
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Vorzugsweise werden die Katalysatorträger im Bereich 300 0c bis 700
0C , wo besondere Aktivitäten der Reaktionsteilnehmer zu erwarten sind, eingebaut.
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Zweckmäßig bestehen die Einschübe aus lose einsetzbaren Rohren, die
gegebenenfalls zur Vergrößerung ihrer Oberfläche Einsätze tragen. Die Rohre und
Einsätze können einseitig oder beidseitig mit Katalysatorauftrag versehen sein.
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Der Katalysator kann beispielsweise chemisch abgeschieden, aufgedampft,
im Tauchbad aufgebracht oder als sonstiger Überzug aufgetragen sein. Die Einbauten
in den Rohren können aus sich unter 900 kreuzenden Platten bestehen.
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Die Einsätze können darüber hinaus gewellt sein.
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Nach einem Verfahren zum Abscheiden von Stickstoffoxiden aus Rauchgasen
wird ein an sich bekannter Katalysator im Bereich der Rauchrohre eingeschoben.
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Vorzugsweise wird er in einem Bereich zwischen 300 - 600 0C eingebracht.
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Zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann als Grundmaterial des Katalysators
(Träger für den Katalysator) neben Stahl auch Kupfer oder Messing verwendet werden.
Solche Nichteisenmetalle können sich im Hinblick auf die Haltbarkeit der Katalysatoroberfläche
zweckmäßiger erweisen als beispielsweise Stahl.
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Die Erfindung ist auch anwendbar auf Wasserrohrkesselanlagen, bei
denen Halbschalenrohre die Siedewasserrohre außen umgreifen und gegebenenfalls über
deren senkrecht abstehende Stege Federklammern geschoben sind.
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Die Einsätze können darüber hinaus zur Vergrößerung ihrer Oberfläche
gewellt ausgebildet sein.
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Der Einbau kann in vorhandene Anlagen ohne zusätzlichen Platzbedarf
erfolgen. Durch einfaches Herausziehen des Einschubpaketes ergibt sich eine leichte
Auswechselbarkeit und Reinigungsmöglichkeit. Man kann die Maßnahme nach der Erfindung
bei Rohren anwenden, welche sowohl innenseitig wie außenseitig von Rauchgasen beaufschlagt
werden.
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In Anpassung an Rauchgase mit geringer Staubbelastung einerseits und
an Rauchgase mit großer Staubbelastung andererseits, wird der Katalysator und dessen
Träger gewählt.
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Auch bei einem Kessel mit Zweiflammrohrsystem ist es natürlich möglich,
Katalysatorrohre in das Rauchrohrbündel einzuschieben.
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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in Fig. 1
eine schematisierte Gesamtdarstellung; Fig. 2a und b eine Verwirklichung der erfindungsgemäßen
Maßnahme; Fig. 3a und b eine weitere Verwirklichungsform; Fig. 4a und b eine weitere
Ausführungsform; Fig. 5a und b ein Befestigungsdetail in Ansicht bzw.
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Draufsicht; Fig. 6 eine Ausführungsform für Siedewasserrohre; und
Fig. 7 ein Detail.
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Fig. 1 zeigt einen Flammrohr-Rauchrohrkessel 10, dessen hier nicht
interessierende Kompenenten wie Brenner oder Flammrohr 12 nur schematisch dargestellt
sind. Nach der Umlenkung, die als Wendekammer ausgebildet sein kann, ist in an sich
bekannter Weise das Rauchrohrbündel 14 zu sehen. Erfindungsgemäß sind im Rauchrohrbündel
14 Katalysatoreinschübe 16 vorgesehen, die weiter unten näher erläutert werden sollen.
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Über eine teilweise dargestellte Türe 18 läßt sich der Einschub leicht
entnehmen, reinigen und wieder einführen.
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Ein besonderer Platz für den DeNOx-Generator ist also nicht notwendig.
Die Katalysatoreinsätze können im Bereich 300 0 bis 7000C und darunter eingeschoben
werden. Zu einem relativ frühen Zeitpunkt im Rauchgasweg erfolgt bereits die katalytische
Abscheidung. Die Gase sind noch hoch turbulent, was einen guten Kontakt mit dem
Katalysator gewährleistet, auch wegen der noch relativ hohen Temperaturen. Es kommen
als Katalysator die geeignetsten Materialien infrage, beispielsweise die auf dem
Markt erhältlichen Titan/Vanadiumoxidk#ta1ysatoren. Auch ein Achterkreuz ist z.B.
als Einschub zur Vergrößerung der Oberfläche möglich.
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Fig. 2 zeigt ein Einbaubeispiel eines den Einschub bildenden die Oberfläche
vergrößernden Einsatzes 22.
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Der Einsatz 22 kann aus sich kreuzenden Blechen beispielsweise gebildet
sein und im Rohr befestigt werden.
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Nach Fig. 3 besteht das ebenfalls in den Rauchrohren zu lagernde Rohr
30 beispielsweise aus einem NE-Metall.
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Der Einsatz 32 ist von dreieckigem Querschnitt, wobei die in Parallelstege
auslaufenden Kanten der Bleche von einer Klammer 34 gefaßt sind. Die bisher beschriebenen
Katalysatorsysteme sind voll in den Wärmetauscher integriert. Die Ausbildung gemäß
Fig. 4 vergrößert die Katalysatorfläche.
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Werden NE-Materialien verwendet, so kann man Kupfer oder Messing heranziehen,
die sich im Hinblick auf die Haltbarkeit der Katalysatoroberfläche zweckmäßiger
erweisen können. Der Einschub besteht hier aus Rohr 40 mit Einsatzkreuz 42.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der Halterung des Einsatzes 52
im Einschubrohr 50 zeigt Fig. 5. Eine Klammer 54 greift über an den Rohrenden aufgeschweißte
Winkel stege 56 und verhindert so die Längsverschiebung des Elementes 52.
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Fig. 6 zeigt den Fall eines Wasserrohrkesselsystems, bei dem ähnlich
vorgegangen werden kann. Der Katalysatorträger ist wieder ein Rohr 60, das in zwei
Halbschalen 62 und 64 ausgebildet ist und die abgewinkelten Flansche 66 und 68 der
Halbschalen werden von einer klammerartigen Ausbildung 69 übergriffen. Auf diese
Weise wird die Oberfläche des wasserführenden Siederohres 60 ummantelt. Der-' Katalysatorträger
befindet sich nur außen auf den Halbschalen.
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Ein Detail zeigt Fig. 7, wo Klammern 79 über die Stege 76, 78 der
llalbschalen mit Federkraft übergezogen werden.
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Damit ist, ähnlich wie bei dem Katalysator in den Rauchrohren, eine
sehr leichte Auswechselbarkeit und Reinigungsmöglichkeit gegeben.
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Bei der Maßnahme nach der Erfindung kann natürlich auch das an sich
bekannte Verfahren der Ammoniakzudosierung in die Rauchgase zur Anwendung gebracht
werden, wobei im DXeaktionsteil dann die Reduktion der Stickstoffoxide stattfindet.
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Hierbei ist allerdings die genaue, der augenblicklichen Rauchgaslast
angepaßte Dosierung von Ammoniak und eine gute Durchmischung von diesem mit dem
Rauchgas zu beachten.
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Eine bevorzugte Stelle für die Ammoniakzudosierung ist die Wendekammer
(zwischen Flammrohr und Rauchrohren).