DE3604946A1 - Verfahren und anlagen zur reinigung von rauchgasen - Google Patents
Verfahren und anlagen zur reinigung von rauchgasenInfo
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Description
- VERFAHREN UND ANLAGEN ZUR REINIGUNG VON RAUCHGASEN
- Die Erfindung umfaßt ein Verfahren und eine Anlage zur Emissionsminderung von Stickoxiden (NOx) aus den Rauchgasen der Feuerungsanlagen. Die NOx-Minderung erfolgt durch Zugabe von Ammoniak (NH3) im Rauchgasstrom und nachfolgende Reduktion von NOx mittels NH3 in einem mit Katalysator gefüllten Reaktor (Selektive Katalytische Reduktion: SCR-Verfahren).
- Das SCR-Verfahren wird für die absehbare Zeit der einzige Prozeß sein, mit dem großtechnisch eine weitgehende NOx-Emissionsminderung aus den Feuerungsanlagen möglich ist.
- Dieses Verfahren arbeitet bevorzugt in einem Temperaturbereich von ca. 300 bis 400 C und wurde aus diesem Grunde bis jetzt vor Luftvorwärmer (Luvo) angewandt, wo diese Temperatur in den meisten Fällen vorliegt (Bild 1).
- Für die bereits erbauten Kesselanlagen, bei deren Planung die Nachrüstung mit einer SCR-Anlage nicht vorhersehbar war, kann oft der Einbau des SCR-Reaktors vor Luvo nur durch einen hohen technischen und finanziellen Aufwand realisiert werden. Eine Möglichkeit (Bild 2), um die technischen Probleme zu umgehen und den finanziellen Aufwand kalkulierbar zu machen, besteht in der Installation des SCR-Reaktors nach der Rauchgasentschwefelungsanlage (REA). Diese Anordnungsmöglichkeit weist gegenüber der Schaltung vor Luvo wesentliche technische und betriebliche Vorteile auf. Nachteil dieser Anordnung besteht im hohen Aufwand für die Wiederaufheizung der Reingase, bei der hochwertige Energie (Erdgas, Heizöl) zum Einsatz kommt (siehe beigefügte Veröffentlichung: SCR- Anlage vor Luvo oder nach REA).
- In dieser Erfindung wird ein Verfahren und eine Anlage nach der REA vorgestellt (Bilder 3 bis 5), bei der der Einsatz von Fremdenergie zur Reingaswiederaufheizung nicht erforderlich wird. Außerdem werden durch diese Erfindung die Investitions- und Betriebskosten der umwelttechnischen Anlagen (E-Filter, Gewebefilter, REA, SCR) positiv beeinflußt.
- GRUNDLAGEN Bei SCR-Verfahren werden unter Verwendung von Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel und unter Einsatz eines Katalysators die Stickoxide (NO, N02) zu Stickstoff und Wasser umgesetzt. Art und Menge von Katalysatoren bestimmen im wesentlichen die Auslegung von SCR-Anlagen.
- Diese werden hauptsächlich durch folgende Parameter beeinflußt: - Reaktionstemperatur - Rauchgasinhaltsstoffe - Entstickungsgrad - NH3-Schlupf (Oberschuß im Reingas).
- Der Entstickungsgrad steigt mit der Temperatur zuerst an, bevor er nach Erreichen eines Maximums, je nach Katalysatorart, bei etwa 320 bis 400 °C wieder abfällt.
- Die Rauchgasinhaltsstoffe (Flugstaub, S°2, S03 HCl, HF usw.) beeinflussen nicht nur Art und Menge des Katalysators, sondern auch mehr oder minder dessen Lebensdauer. Je höher die Konzentration dieser Stoffe im Rauchgas ist, desto größer müssen die Katalysatormengen gewählt werden (niedrige Raumgeschwindigkeit) 1), und desto niedriger wird die Katalysatorstandzeit sein.
- Der Katalysator muß wegen der Verstopfungsgefahr größere Durchgänge haben und außerdem gegen Erosion und SOx-Vergiftung resistent sein.
- Das führt dazu, daß mit Zunahme dieser Stoffe immer weniger aktive Katalysatoroberfläche unterzubringen ist. Außerdem haben Katalysatoren mit einer hohen Reaktivitat für NOx-Reduktion gleichzeitig die Eigenschaft einer S02- zu S03-Umsetzungsrate. Je nach dem S03-und NH3-Konzentrationsverlauf im Rauchgasweg kann es bereits bei Temperaturen unter ca. 300 C zur Bildung von Ammoniumhydrogensulfat (NH4HS04) kommen, welches sich auf die Katalysatoroberfläche niederschlägt und zu einer starken Verminderung der Katalysator-1) Raumgeschwindigkeit (h-1) = Rauchgasmenge in m3/h, i. N., bezogen auf Katalysatormenge in m3 aktivität führt. Diese Verbindung kann weiter bei der Abkühlung in nachgeschalteten Anlagenteilen (z. B. Luvo) als eine klebrige Masse ausfallen und Korrosionen und in der Verbindung mit Flugasche Verstopfungen verursachen.
- Unter Berücksichtigung der o. g. Punkte wird bei SOx-reichen Rauchgasen im Interesse eines optimalen Betriebes in einem Temperaturbereich von ca. 320 -380 ~C gearbeitet. Bei SOx-freien Rauchgasen (z. B. aus Gasfeuerungen) kann bei niedrigeren Temperaturen gearbeitet werden. Dabei muß aber aufgrund der niedrigen Reaktionsgeschwindigkeit bei tieferen Temperaturen eine größere Katalysatormenge für gleiche Abscheideleistung vorgesehen werden.
- Bei einer bestimmten Katalysatormenge und Temperatur sind der Entstickungsgrad und der NH3-Schlupf im wesentlichen abhängig vom NH3/NOx-Mol-Verhältnis. Für eine bestimmte Katalysatormenge wird mit der Erhöhung des Entstickungsgrades auch der NH3-Schlupf ansteigen. Ein höherer NH3-Schlupf in Verbindung mit größeren SOx-Konzentrationen im Rauchgas ist aber mit vorher erwähnten Betriebsproblemen durch NH4HSO4 verbunden. Wenn ein höherer NH3-Schlupf möglich ist, kann für eine gleiche Entstickungsleistung eine geringere Katalysatormenge vorgesehen werden.
- KONVENTIONELLE ANORDNUNGEN DES SCR-REAKTORS a) SCR-Reaktor vor Luvo (Rohgasschaltung) Im Bild 1 ist eine schematische Darstellung dieser Anordnung zu sehen. Die Rauchgase werden ohne eine vorherige Reinigung dem SCR-Reaktor zugeführt. Die erforderliche NH3-Menge wird nach der Verdampfung mit Verdünnungsluft vermischt und dem Rauchgas zugesetzt.
- Nach der Entstickung erfolgt dann die Abkühlung der Rauchgase im Luvo und deren anschließende Reinigung in Staubfilter und REA.
- b) SCR-Reaktor zwischen Heißelektrofilter und Luvo Das Schema dieser Anordnung ist im Bild 2 dargestellt. Hier wird gegenüber der vorher erwähnten Schaltungsvariante eine vorherige Entfernung von Flugstaub in einem Heißelektrofilter bei ca. 320 -400 ~C durchgeführt.
- c) SCR-Reaktor nach REA (Reingasschaltung) Die schematische Darstellung dieser Anordnung geht aus Bild 3 hervor.
- Nachdem die Rauchgasbegleitstoffe Staub, S02, S03, HCl HF usw. in dem Staubfilter und in der REA weitgehend abgeschieden sind, werden die Reingase mit einer Temperatur von ca. 40 - 60 ~C bei Naßverfahren bzw. ca. 65 - 80 C bei Sprühabsorptionsverfahren zur SCR-Anlage geführt.
- In einem Regenerativ-Wärmetauscher (Regavo) wird das Abgas durch Wärmeaustausch mit den heißen Reingasen aus dem SCR-Reaktor auf 300 - 320 ~C aufgeheizt. Durch eine Zusatzfeuerung wird eine weitere Aufheizung des Reingases auf die für die Entstickung erforderliche Reaktionstemperatur von ca. 320 - 360 ~C erreicht.
- Nach der Aufheizung wird dem Reingas in einer Mischkammer, entsprechend der zu reduzierenden NOx-Menge, Ammoniak zugesetzt, bevor es zum Reaktor geführt wird. Aus dem Reaktor kommend, werden die Abgase im Regavo auf ca. 110 -120 ~C abgekühlt und abschließend zum Schornstein geführt.
- VOR- UND NACHTEILE DER ROH- UND REINGASSCHALTUNG Unter Berücksichtigung der oben ausgeführten Grundlagen ergibt ein Vergleich zwischen der roh- und reingasseitigen Schaltung des SCR-Reaktors wesentliche technische und betriebliche Vorteile für die Reingasschaltung: - Unabhängige Installation von der Kesselanlage, was einen optimalen Betrieb und eine gute Zugänglichkeit der Feuerungs- und Entstickungsanlage ermöglicht.
- - Weitgehende Abscheidung von für den Katalysator schädlichen Rauchgasinhaltsstoffen. Dadurch Einsatz von geringeren Katalysatormengen und längere Katalysatorl ebensdauer.
- - Keine Beeinflussung der Flugasche, REA-Produkte (Gips, Anhydrit usw.) und REA-Abwasser durch NH3-Schlupf.
- - Für SOx-reiche Rauchgase besteht keine Verschmutzung und Korrosion der Kessel komponenten (z. B. Luvo) durch NH4HSO4. Minimale SOx, Konzentrationen im Reingas nach der REA reduzieren die Bildungsgefahr von NH4HSO4 auf ein Mindestmaß.
- Hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit der roh- oder reingasseitigen Installation von SCR-Anlagen kann festgestellt werden, daß für jeden Einzelfall je nach Gegebenheiten, z. B. Kesselart, Neubau oder Nachrüstung, Entstickungsgrad, sich die eine oder andere Lösung als kostengünstiger darstellen kann.
- Im wesentlichen wird die Wirtschaftlichkeit der beiden Anordnungsmöglichkeiten - erforderliche Investitionskosten und jährliche Betriebskosten - durch folgende Parameter beeinflußt: - Bei der Reingasschaltung ist ein Regavo mit relativ hohen Anschaffungskosten erforderlich.
- - Bei der Reingasschaltung muß zum Ausgleich des Temperaturgradienten des Regavos Energie, z. B. in Form von Erdgas oder schwefelarmem Heizöl, verwendet werden. Diese Energie ersetzt aber je nach der geforderten Kaminableittemperatur den Aufwand für eine Wiederaufheizung in der REA.
- - Die Kosten für die verbrauchten Katalysatoren sind bei der Reingasschaltung aufgrund der niedrigen Mengen und der höheren Standzeiten wesentlich niedri ger als bei der Rohgasschaltung.
- ERFINDERISCHE SCR-ANLAGE NACH REA (REINGASSCHALTUNG) OHNE FREMDENERGIEZUFUHR Wie vorher ausgeführt, hat die SCR-Anlage nach REA gegenüber der Schaltung vor Luvo wesentliche technische, betriebliche und meist auch wirtschaftliche Vorteile. Nachteilig für diese Schaltung ist die Notwendigkeit der Reingaswiederaufheizung durch den Einsatz einer hochwertigen Energie (z. B. Erdgas), was technische Probleme verursacht und die Betriebskosten der Anlage stark beeinflußt.
- Außerdem führt dies, besonders bei Kohlekraftwerken, zu Versorgungs-und Verteilungsproblemen, da diese oft über die erforderliche Infrastruktur nicht verfügen.
- Durch diese Erfindung vorgestellte Verfahren und Anlagen soll der Nachteil der Fremdenergiezufuhr behoben werden, so daß die SCR-Schaltung nach der REA immer der konventionellen Schaltung überlegen sein wird.
- BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG In den Bildern 4, 5 bzw. 6 ist die erfinderische SCR-Schaltung jeweils in Verbindung mit verschiedenen Wärneaustauschersystemen (Wärmeverschiebe-System, Rohren-oder Plattenwärmetauscher bzw.
- Regenerativwärmeaustauscher) dargestellt.
- Gegenüber den konventionellen Schaltungen (Bilder 1, 2 und 3) werden die Rauchgase nach dem Kessel anstatt mit der Verbrennungsluft mit den Reingasen aus der REA abgekühlt, wodurch die Reingase auf die erforderliche Arbeitstemperatur für NOx-Reduktion aufgeheizt werden.
- Erst nach der Entstickung erfolgt die Aufheizung der Verbrennungsluft durch Wärmeaustausch mit den heißen Reingasen aus dem SCR-Reaktor.
- Das Rauchgas aus dem Kessel mit ca. 350 - 450 ~C wird im Wärmetauscher 1 (Gas/Gas-Wärmetauscher) auf ca. 80 - 140 ~C abgekühlt.
- Hierdurch erwärmen sich die Reingase aus der REA von ca. 40 - 80 C auf 280 - 400 C. Nach der Aufheizung wird dem Reingas, entsprechend der zu reduzierenden NOx-Menge, Ammoniak zugesetzt, bevor es zum Reaktor geführt wird. Aus dem Reaktor kommend, wird das Reingas im Wärmeaustauscher 2 (Luvo) auf ca. 80 - 120 C abgekühlt und anschließend zum Kamin geführt. Die Verbrennungsluft wird hierdurch von ca. 20 - 30 ~C auf ca. 280 - 350 ~C aufgeheizt und zum Kessel geführt.
- VORTEILE DER ERFINDUNG Die neue SCR-Schaltung beinhaltet alle ausgeführten Vorteile der Reingasschaltung. Zusätzlich können die folgenden Vorteile gegenüber konventionellen SCR-Anordnungen genannt werden: - Dem Kessel nachgeschaltete Anlagenteile wie E-Filter, REA, Druckerhöhungsventilator etc. können um ca. 6 bis 10 % kleiner dimensioniert werden (keine Verdünnung der Rauchgase durch Verbrennungsluft).
- - Der SCR-Reaktor kann gegenüber der konventionellen Reingasschaltung um ca. 8 bis 12 % kleiner gebaut werden (keine Verdünnung durch Verbrennungsluft und Verbrennungsabgase).
- - Entsprechend der geringeren Rauchgasmenge niedrigerer Kraftbedarf für den Druckerhöhungsventilator (ca. 6 bis 10 %).
- - Keine Zusatzfeuerung mit technischen und betrieblichen Problemen und mit erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen, wie bei der konventionellen Reingasschaltung notwendig.
- Hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit der neuen Schaltung gelten außer den vorherigen Ausführungen die nachfolgenden Punkte: - Kein Einsatz von teuren Brennstoffen (Erdgas, Heizöl EL usw.) erforderlich.
- - Um ca. 5 bis 8 % niedrigere Investitionskosten für E-Filter, REA, SCR-Anlage, Druckerhöhungsventilator und Rauchgaskanäle.
- - Ca. 6 bis 10 % niedrigere Kosten für Eigenkraftbedarf des Druckerhöhungsventilators.
- Bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für einen steinkohlegefeuerten 150 MW-Block wurde festgestellt, daß bei Installation des SCR-Reaktors nach dem neuen Konzept die jährlichen Gesamtkosten für die Rauchgasentstickung um ca. 20 % unter den Kosten der konventionelle SCR-Schaltung liegt.
Claims (3)
- Patentansprüche 1. Verfahren zur Minderung von Stickoxiden aus den Feuerungsanlagen, nachdem die Rauchgase von den Begleitstoffen, wie Staub, SOE, S03, HC1, HF usw., weitgehend in der Entstaubungs- und Entschwefelungsanlage befreit sind, dadurch gekennzeichnet, daß die entstaubten, entschwefelten und auf etwa 40 - 150 C abgekühlten Reingase durch indirekten Wärmeaustausch mit den Rauchgasen aus der Feuerungsanlage auf die erforderliche Reaktionstemperatur für die katalytische NOx-Reduktion mit Ammoniak von ca. 230 - 400 C (je nach Katalystorart) aufgeheizt werden, wobei entgegen der bisherigen Verfahren eine Fremdenergiezuführung, z. B. durch eine Zusatzfeuerung mit Erdgas oder Heizöl EL nicht erforderlich wird.
- 2. Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, bestehend aus einem Wärmetauscher 1 zur Rauchgas/Reingas-Wärmetausch, aus einem Staubabscheider (E-Filter, Gewebefilter), aus einer Entschwefelungsanlage, aus einem mit Katalysator gefüllten Reaktor und aus einem Wärmetauscher 2 zur Reingas/Luft-Wärmetausch, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher 1 am Austritt der Feuerungsanlage (nach Speisewasservorwärmer: EC0) und Wärmetauscher 2 (Luvo) nach dem Reaktor vor dem Schornstein angeordnet wird.
- 3. Vorrichtungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmetauscher 1 und/oder 2 aus einem Wärmeverschiebe-System, aus einem Rohren- oder Plattenwärmetauscher oder aus einem Regenerativwärmetauscher (Regavo, Luvo) besteht.
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