DE3536958C1

DE3536958C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vorwaermung von Verbrennungsluft und zur katalytischenReduktion von Schadstoffen in Rauchgas

Info

Publication number: DE3536958C1
Application number: DE3536958A
Authority: DE
Inventors: Martin 5100 Aachen Benzel; Manfred 7514 Eggenstein-Leopoldshafen Ohlmeyer
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1985-10-17
Filing date: 1985-10-17
Publication date: 1986-12-11
Also published as: JPS6295121A; SE8604350L; US4756891A; SE8604350D0; SE459040B; JPH0413010B2

Description

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rund 35% über dem theoretischen Bedarf liegt. Außer F i g. 3 eine bevorzugte Schaltung gem. F i g. 2 bei An-

dieser Überdimensionierung tritt hinzu, daß das ge- Wendung der Erfindung gemäß Fig. 1;

samte System nach Erreichen der unteren Aktivitäts- F i g. 4 ein Diagramm, in dem die katalytische Aktivi-

grenze für den Wechsel bzw. Teilwechsel der katalytisch tat über der Betriebszeit aufgetragen ist.

beschichteten Elemente außer Betrieb genommen wer- 5 Der zweiteilige Wärmetauscher 1 mit gasdurchlässi-

den muß. gen Innenwänden la gem. F i g. 1 wird von oben nach

Aus der DE-OS 27 55 314 ist es bekannt, in einem unten von einer Vielzahl separat beweglicher Wärme-Wanderbettreaktor zur Verminderung von Schadstof- Speicher-Elemente 2 durchwandert, die z. B. von kugelfen körniges Sorbens und Trägermaterial mit aufge- förmiger Gestalt sein können und von denen mindestens brachtem Katalysator, welches eine gröbere Körnung 10 ein Teil katalytisch beschichtet ist. Der obere Teil 3 des als das Sorbens aufweist, gemeinsam hindurchzuführen Wärmetauschers 1 wird einfach im Kreuzstrom von der und am Reaktorausgang voneinander zu trennen. Das Verbrennungsluft 4 durchströmt, die sich dabei z. B. von Trägermaterial mit dem Katalysator wird danach erneut 20 auf 200⁰C erwärmt bei entsprechender Abkühlung in den Wanderbettreaktor gegeben, so daß der verhält- der Wärmespeicher-Elemente. Danach gelangen die nismäßig teure Katalysator nicht verloren geht. Auch in 15 Wärmespeicher-Elemente 2 über eine dichte Schleuse 5, diesem Falle erfordert die über die Standzeit abfallende die Leckströmungen zwischen Verbrennungsluft 4 und katalytische Aktivität eine Überdimensionierung des Rauchgas 6 verhindert, in den unteren Teil 7 des Wär-Systems über die theoretischen Werte hinaus. metauschers 1, wo die im Rauchgas enthaltenen Schad-

Ausgehend von dem vorstehend erörterten Stande stoffe (NO*) unter Zudosierung vom Ammoniak 8 reduder Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, 20 ziert werden und das Rauchgas 6 dabei z. B. von 350 auf eine Verfahrensweise aufzuzeigen und eine hierfür ge- 180⁰C abgekühlt wird bei gleichzeitiger entsprechender eignete Vorrichtung vorzuschlagen, durch die ein Nach- Aufheizung der Wärmespeicher-Elemente, lassen der katalytischen Aktivität innerhalb der Anlage Durch die Mehrfachbeaufschlagung — hier z. B. zweiwährend der Betriebszeit praktisch verhindert wird und fach im Kreuzgegenstrom — im unteren Teil 7 des Wärdurch die sich der Raumbedarf derartiger Anlagen wei- 25 metauschers 1 kann die Schadstoffreduktion entspreter reduzieren läßt. chend den verschiedenen Temperaturniveaus 7a, Tb in

Zur verfahrensmäßigen Lösung dieser Aufgabe wer- Verbindung mit unterschiedlichen, den Temperaturni-

den die im Kennzeichen von Anspruch 1 enthaltenen veaus 7a, 76 angepaßten katalytischen Beschichtungen

Maßnahmen vorgeschlagen. Eine Vorrichtung zur der Wärmespeicher-Elemente 2 und der darauf abge-

Durchführung dieses Verfahrens beschreibt An- 30 stimmten Ammoniak-Zudosierung 8 optimalisiert wer-

spruch 6. Die Unteransprüche beinhalten hierauf bezo- den. Das Rauchgas 6 wird nach Verlassen des unteren

gene vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun- Wärmetauschers 7 den weiteren Reinigungsstufen, wie

gen. Elektro-Filter und Rauchgasentschwefelung zugeführt

Mit der Erfindung wird erreicht, daß der von dem (nicht dargestellt).

Rauchgas beaufschlagte Teil des Wärmetauschers nur 35 Nach Durchlauf durch den Wärmetauscher 1 werden noch knapp über dem theoretischen Wert für die erfor- die Wärmespeicher-Elemente 2 am unteren Ende desderliche Katalysator-Masse ausgelegt werden muß. selben über eine Entnahmestation 9 und eine Reini-Läßt die Katalysator-Aktivität etwas nach, so werden gungsvorrichtung 10 mit Staubaustrag 10a einer Sorgebrauchte, katalytisch beschichtete Wärmespeicher- tiereinrichtung 11 mit Gitterrosten 11a an den Entnah-Elemente ohne Betriebsunterbrechung durch neue er- 40 mearmaturen 12.1... 12.Λ vorbei über eine Umwälzeinsetzt, bis die ursprüngliche Gesamt-Aktivität wieder er- richtung 13 wieder nach oben gefördert und dem Wärreicht ist. Durch die Klassifizierung nach Größe, Form metauscher 1 im oberen Teil 3 über die Fülleinrichtung oder Gewicht wird dafür gesorgt, daß immer nur ge- 15 erneut zugeführt.

brauchte Elemente einer bestimmten Sorte abgezogen Für die Stabilisierung des Temperaturniveaus im unwerden, während neue Elemente einer anderen Sorte 45 teren Teil 7 des Wärmetauschers 1 kann mit einer Heizfrisch aufgegeben werden. vorrichtung 14 über eine direkte oder indirekte Aufhei-

Die Steuerung dieser Vorgänge erfolgt zweckmäßig zung der Wärmespeicher-Elemente 2 auch bei Teillast

nach Maßgabe des Restschadstoffgehalts, wie NO_x und und Anfahrzuständen der Kesselanlage 18 (F i g. 3) ge-

NH3 im Rauchgas nach dessen Verlassen der Anlage. sorgt werden. In Verbindung mit dem Bypass 17 können,

Dadurch wird sichergestellt, daß dieser Restschadstoff- 50 ebenfalls bevorzugt bei Teillast oder Anfahrzuständen,

gehalt so gering wie möglich, in jedem Falle unterhalb trotz Übertragung gleichgroßer Wärmemengen in 3

vorgegebener Grenzwerte gehalten wird. Die ge- und 7 die Temperaturniveaus in 3 und 7 variiert werden,

brauchten Wärmespeicher-Elemente können nach der so daß z. B. in 7a, Tb die optimalen Temperaturen für die

Entnahme regeneriert und sodann wieder eingesetzt katalytische Reduktion auch bei Laständerungen erhal-

werden. Ferner können im Zuge des Umwälzens die 55 ten bleibt. Hierzu wird ein Teil der Elemente 2 über den

einzelnen Elemente nach Entnahme des Wärmetau- Bypass 17 der Schleuse 5 zwischen dem oberen Teil 3

scherteils für die Rauchgasbeaufschlagung einem Reini- und dem unteren Teil 7 des Wärmetauschers 1 zuge-

gungsprozeß, z. B. durch Rütteln, unterworfen werden. führt, während der andere Teil der Elemente 2 bei 15

Anhand der Figuren und der nachfolgenden Beschrei- aufgegeben wird.

bung soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel 60 Obwohl die katalytische Wirkung der beschichteten

näher erläutert werden. Es zeigt Wärmetauscher-Elemente 2 wegen des durch den stän-

F i g. 1 eine Vorrichtung zur Vorwärmung der Ver- digen Umlauf in Wärmetauschern bedingten Selbstreibrennungsluft und der katalytischen Reduktion der nigungseffektes ohnehin länger erhalten bleibt als bei Schadstoffe in Kombination mit einer Umwälzeinrich- statischen Systemen, ist eine ständige Teilerneuerung tung für die im Kreislauf zu führenden Wärmespeicher- 65 der Wärmespeicher-Elemente zur Erhaltung einer kon-Elemente gemäß der Erfindung; stanten Reduktion der Schadstoffe über die Zeit not-F i g. 2 eine bislang übliche Schaltung von Luftvor- wendig. Um zu vermeiden, daß bei dem ständigen Umwärmer und Katalysator hinter einer Kesselanlage; lauf der Wärmespeicher-Elemente — es ist bei mittleren

Verhältnissen mit einem etwa 1 bis 3fachen Umlauf der Wärmespeicher-Elemente pro Stunde im System zu rechnen — neue Wärmespeicher-Elemente direkt wieder abgezogen werden wird jeweils bei 16, wo auch die Nachfüllung infolge von Abrieb o. ä. über eine Niveauregelung erfolgt, eine Wärmespeicher-Elemente-Klasse aufgegeben, die sich von der bei einer Entnahmearmatur 12.1... 12./2 zu entnehmenden Klasse unterscheidet. Im einfachsten Falle haben die Wärmetauscher-Elemente 2 eine kugelförmige Gestalt, wobei sich die einzelnen Klassen durch unterschiedliche Kugeldurchmesser voneinander unterscheiden. Die Sortiereinrichtung 11 enthält ein oder mehrere Gitterroste 11a, die Kugeln unterschiedlicher Durchmesser voneinander trennen und so klassifiziert den entsprechenden Entnahmearmaturen 12.1... 12./2 zuführen, durch die sie entnommen werden können.

Die Steuerung des Entnahmevorgangs an den Armaturen 12.1... 12./2 und die Zugabe neuer Kugeln bei 16 wird von einer Meßstelle M gesteuert, die den Restschadstoffgehalt im Rauchgas 6 mißt, nachdem dieses den Wärmetauscherteil 7 verlassen hat.

Beispiel

sator-Masse in Form katalytisch beschichteter Wärmespeicher-Elemente 2 durch neue oder regenerierte Elemente bleibt die Aktivität in der Anlage nahezu konstant.

Bezugszeichenliste

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Die Anlage sei bei Inbetriebnahme mit Wärmespeicher-Elementen auf keramischer oder metallischer Basis von einem einheitlichen Durchmesser χ in der Größenordnung von 15 bis 35 mm gefüllt. Dann wird der Vorrat bei 16 mit Wärmespeicher-Elementen vom Durchmesser χ + /ergänzt und bei Bedarf nur Wärmespeicher-Elemente mit Durchmesser χ bei 12 entnommen. Ist der Inhalt mit χ vollständig entnommen, wird gewechselt, d. h. χ + /entnommen und χ aus dem Vorrat aufgegeben. Bei zwei oder mehr verschiedenartigen Wärmespeicher-Elementen 2 wird analog hierzu verfahren, z. B. Entnahme von χ und χ + y und Aufgabe von χ + a und χ + b bei späterer Umkehr. Das Beispiel zeigt, wie groß die Variationsmöglichkeiten bei dem Verfahren gemäß der Erfindung sind.

Die F i g. 2 zeigt eine bisher übliche typische Schaltung von Katalysator 19 und LUVO 20 hinter der Kesselanlage 18. Es ist zu erkennen, daß eine Änderung des Temperaturniveaus im LUVO 20 auf den Katalysator 19 ohne Einfluß ist, da der LUVO 20 im Rauchgasstrom 6 hinter dem Katalysator 19 liegt. Eine Beeinflussung der Betriebstemperaturen bei Teillast und Anfahrzuständen ist nur über den Bypass 22 unter Umgehung des ECO's 21 und/oder den Bypass 23 unter Umgehung des Katalysators 19 möglich.

Aus F i g. 3 ist ersichtlich, wie bei Einbau der Vorrichtung gemäß der Erfindung, hier Wärmetauscher 1 anstelle von Katalysator 19 und LUVO 20 neben dem geringeren Platzbedarf auch die Möglichkeiten der Beeinflussung des Temperaturniveaus für die katalytische Reduktion bei Teillast und Anfahrzuständen erweitert und damit verbessert werden. War dies bisher, wie in F i g. 2 dargestellt, nur über den Eco-Bypass 22 und den Katalysator-Bypass 23 möglich, so kommen jetzt die weiteren Möglichkeiten LUVO-Bypass 24, Wärmespeicher-Element-Bypass 17 und die Wärmespeicher-Elemente-Heizvorrichtung 14 als Alternativen einzeln oder in Kombination hinzu.

Die Kurve A in F i g. 4 zeigt den Abfall der Katalysatoraktivität in % in einer Anlage gemäß Fig.2. Die Kurve B zeigt die Katalysatoraktivität während der Betriebszeit bei Anwendung der Erfindung. Durch den quasi-kontinuierlichen Austausch verbrauchter Kataly-

1 Wärmetauscher

la Gasdurchlässige Innenwände

2 Wärmespeicher-Elemente

3 obere Teil des Wärmetauschers — LUVO Vorwärmer für die Verbrennungsluft

4 Verbrennungsluft

5 Schleuse
6 Rauchgas

7 unterer Teil des Wärmetauscher-Katalysators

7a, 7b Temperaturbereiche in 7

8 Ammoniak-Zudosierung 9 Entnahmestation

10,10a Reinigungsvorrichtung mit Staubaustrag 11,11a Sortiereinrichtung mit Gitterrosten 12.1... 12./7 Entnahmearmaturen
13 Umwälzeinrichtung

14 Heizvorrichtung für Wärmespeicher-Ele

mente — alternativ direkt oder indirekt

15 Fülleinrichtung für die umlaufenden Wärmespeicher-Elemente

16 Fülleinrichtung für die neuen bzw. regenerierten Wärmespeicher-Elemente

17 Bypass für die Wärmespeicher-Elemente zur Umgehung von 3

18 Kesselanlage

19 Katalysator — statisches System

20 LUVO (Luftvorwärmer — herkömmliche Bauart)

21 ECO (Speisewasservorwärmer)

22 Bypass ECO

23 Bypass Katalysator

24 Bypass LUVO gem. 3

M Meßstelle für die Restschadstoffe im

Rauchgas

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 schergehäuses (1) eine Entnahmestation (69) für die Patentansprüche: Elemente (27 mit einer Sortiereinrichtung (11, Wa), die Elemente (2) unterschiedlicher Größe oder ande-

1. Verfahren zur Vorwärmung von Verbrennungs- rer charakteristischer Eigenschaften voneinander

luft und zur katalytischen Reduktion von Schadstof- 5 trennt, und Entnahmearmaturen (12.1 ... \2.n) vor-

fen in Rauchgas, bei dem ein zweiteiliger Wärmetau- gesehen sind.

scher von oben nach unten von einer Vielzahl sepa- 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennrat beweglicher Wärmespeicher-Elemente durch- zeichnet, daß — in Bewegungsrichtung der Wärmesetzt wird, die quer zu ihrer Bewegungsrichtung im tauscherelemente gesehen — hinter dem Wärmeeinen Teil des Wärmetauschers von der vorzuwär- io tauscherteil (7) für die Rauchgasbeaufschlagung eine menden Verbrennungsluft und im anderen Teil des Reinigungsvorrichtung (10) mit Austrag (1Oa^ zur Wärmetauschers von dem Rauchgas beaufschlagt Abscheidung und Entfernung von Ablagerungen auf und im Kreislauf geführt werden, dadurch ge- den Elementen einschließlich Abrieb vorgesehen ist. kennzeichnet, daß 8. Vorrichtung nach Anspruch6, dadurch gekenn-

15 zeichnet, daß

a) wenigstens ein Teil der Wärmespeicher-Elemente (2) mit einer Katalysatorbeschichtung a) für das Rauchgas ein Kreuzgegenstromwärmeversehen ist, daß tauschergehäuse (7) mit wenigstens zwei unter-

b) die mit der Katalysatorbeschichtung versehe- schiedlichen Temperaturbereichen (7a, Tb) vornen Wärmespeicher-Elemente (2) in mehrere 20 gesehen ist und daß

Klassen unterteilt sind, die sich in ihrer Größe b) Elemente (2) mit wenigstens zwei unterschiedli-

oder anderen signifikanten Eigenschaften von- chen Katalysatorbeschichtungen eingesetzt

einander unterscheiden, so daß sie aufgrund die- sind, deren Reaktionstemperaturen den unter-

ser unterschiedlichen Eigenschaften voneinan- schiedlichen Temperaturbereichen (Ta, Tb) ent-

der getrennt werden können und daß 25 sprechen.

c) nach Maßgabe des Gehaltes von Schadstoffen

im Rauchgas mit der Katalysatorbeschichtung

versehene Wärmespeicher-Elemente (2) einer
Klasse dem Kreislauf entzogen und durch unverbrauchte oder regenerierte Wärmespeicher- 30 Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine VorElemente einer anderen Klasse ersetzt werden, richtung zur Vorwärmung von Verbrennungsluft und

zur katalytischen Reduktion von Schadstoffen in Rauch-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- gas gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und zeichnet, daß wenigstens ein Teil der Wärmespei- 6.

cher-Elemente (2) nach Durchlauf des Wärmetau- 35 Aus der DE-OS 33 35 917 ist ein Luftvorwärmer in

schers (1) von Ablagerungen gereinigt wird. regenerativer oder rekuperativer Bauart bekannt, bei

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- dem die rauchgasseitige Oberfläche der Wärmetauschzeichnet, daß während des Anfahrvorgangs oder bei elemente mit einer als Katalysator für die NO*-Reduk-Temperaturschwankungen im Rauchgas z. B. bei tion wirkenden Beschichtung versehen ist. Bei dem in Teillastbetrieb, die Elemente (2) vor der katalyti- 40 Fig. 5 dieser Druckschrift dargestellten regenerativen sehen Reduktion direkt oder indirekt auf die Reak- Luftvorwärmer mit einer rotierenden Trommel und rationstemperaturen vorgeheizt werden. dialer Gasanströmung besteht die Wärmespeichermas-

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- se aus einer Vielzahl von beweglichen Einzelelementen zeichnet, daß im Zuge der Rückführung die im in Form von Kugeln, Hohlkugeln, sattelförmigen Kör-Kreislauf zu führenden Elemente (2) aufgeteilt und 45 pern, die mit einer Katalysatorschicht versehen sind. Die ein Teil dem von Rauchgas beaufschlagten Wärme- Trommel ist in radialer Richtung in einzelne Kammern tauscherteil (7) direkt und der andere Teil dem von zur Aufnahme der Einzelteile unterteilt. Durch diese der Verbrennungsluft beaufschlagten Wärmetau- Integration des NO^-Reaktors in den Luftvorwärmer scherteil (3) zugeführt wird. wird vor allem der Raumbedarf für das System redu-

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 50 ziert. Gemäß Fig. 6 sind ein Röhren- oder Plattenluftzeichnet, daß nach Maßgabe eines vorgegebenen vorwärmer und ein weiterer Luftvorwärmer nach Art Gehalts an Restschadstoffen wie NO* und NH3 im eines Kolonnenwärmetauschers hintereinandergeschal-Rauchgas nach der katalytischen Reduktion der tet. Der Kolonnenwärmetauscher enthält eine Speicher-Wechsel der Elemente (2) gemäß Schritt c) von An- masse aus einer Vielzahl von separat beweglichen EIespruch 1 vorgenommen wird. 55 menten, die über eine Transporteinrichtung umgewälzt

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens werden. Mit einer Katalysatorbeschichtung sind jedoch nach Anspruch 1, mit einem zweiteiligen Wärmetau- lediglich die Wärmetauscherelemente des Platten- oder schergehäuse (1) mit gasdurchlässigen Innenwänden Röhrenwärmetauschers versehen. In beiden Fällen bil- (Ia) zum Aufnehmen und Durchleiten separat be- den die mit der Katalysatorbeschichtung versehenen weglicher Wärmespeicher-Elemente (2), insbeson- 60 Elemente statische bzw. quasistatische Bauteile, die wedere in Form von Kugeln, und Anschlüssen für die gen ihrer abfallenden katalytischen Aktivität über die Zu- und Abfuhr der vorzuwärmenden Verbren- Standzeit wesentlich größer als nach der Theorie an sich nungsluft (4) bzw. des zu behandelnden Rauchgases notwendig ausgelegt werden müssen, um eine für den (6), sowie einer Umwälzeinrichtung (13), die die Betrieb eines Kraftwerks wirtschaftlich vertretbare Wärmespeicher-Elemente (2) dem unteren Ende des 65 Standzeit, z. B. bis zu drei Jahren, zu ermöglichen. So Wärmetauschergehäuses (1) entnimmt und dem erreicht z. B. ein in drei Schichten unterteilter Katalysa-Wärmetauschergehäuse wieder zuführt, dadurch ge- tor je Schicht nur eine mittlere Standzeit von ca. 1,3 Jahkennzeichnet, daß am unteren Ende des Wärmetau- ren, obwohl er eine Beschichtungsmasse besitzt, die