DE3604946C2

DE3604946C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Rauchgasen

Info

Publication number: DE3604946C2
Application number: DE19863604946
Authority: DE
Inventors: Mehdi Haji Dr.-Ing. 7259 Friolzheim Javad
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-02-17
Filing date: 1986-02-17
Publication date: 1987-04-09
Also published as: DE3604946A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und die erforderlichen Vorrichtungen zur NOx-Emissionsminderung aus den Feuerungsanlagen, bei denen die Rauchgase zuerst weitgehend von Begleitstoffen, wie Staub und S0x gereinigt werden und danach die Stickoxide mittels Ammoniak katalytisch zu Stickstoff und Wasser umgesetzt werden. Gemäß der Erfahrung werden die entstaubten und entschwefelten Reingase durch indirekten Wärmeaustausch mit den Rauchgasen aus der Feuerungsanlage (im Wärmetauscher 1) auf die erforderliche Reaktionstemperatur von ca. 230-400°C aufgeheizt. Nach der NOx-Reduktion erfolgt dann die Abkühlung der Reingase auf Kamineinleitstemperatur von ca. 80-100°C durch indirekten Wärmeaustausch mit der Verbrennungsluft (Wärmetauscher 2). Hierdurch wird gegenüber dem Stand der Technik eine Wiederaufheizung der Reingase durch Zusatzfeuerung mit teuren Brennstoffen (Erdgas, Heizöl EL) entfallen. Außerdem werden gemäß dieser Erfindung die Betriebssicherheit der Anlage verbessert, sowie die Investitions- und Betriebskosten der umwelttechnischen Anlagen (Filter, REA, SCR) positiv beeinflußt.

Description

Die Erfindung umfaßt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Minderung von Stickoxiden (NO_x) aus Rauchgasen von Feuerungsanlagen nachdem diese von den Begleitstoffen Staub, SO₂, SO₃, HCl und HF weitgehend in einer Entstaubungs- und Entschwefelungseinrichtung befreit sind. Die NO_x-Minderung erfolgt durch Zugabe von Ammoniak (NH₃) im Rauchgasstrom und nachfolgende Reduktion von NO_x 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 NO_x-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 realsiert 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.

Grundlagen

Bei SCR-Verfahren werden unter Verwendung von Ammoniak (NH₃) als Reduktionsmittel und unter Einsatz eines Katalysators die Stickoxide (NO, NO₂) 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
- NH ₃-Schlupf (Überschuß 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, SO₂, SO₃, 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) Raumgeschwindigkeit (h^-1) = Rauchgasmenge in m³/h, i. N., bezogen auf Katalysatormenge in m³, und desto niedriger wird die Katalysatorstandzeit sein.
Der Katalysator muß wegen der Verstopfungsgefahr größere Durchgänge haben und außerdem gegen Erosion und SO_x-Vergiftung resistent sein. Das führt dazu, daß mit Zunahme dieser Stoffe immer weniger aktive Katalysatoroberfläche unterzubringen ist. Außerdem haben Katalysatoren mit einer hohen Reaktivität für NO_x-Reduktion gleichzeitig die Eigenschaft einer SO₂- zu SO₃-Umsetzungsrate. Je nach dem SO₃- und NH₃-Konzentrationsverlauf im Rauchgasweg kann es bereits bei Temperaturen unter ca. 300°C zur Bildung von Ammoniumhydrogensulfat (NH₄HSO₄) kommen, welches sich auf die Katalysatoroberfläche niederschlägt und zu einer starken Verminderung der Katalysatoraktivität 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 SO_x-reichen Rauchgasen im Interesse eines optimalen Betriebes in einem Temperaturbereich von ca. 320-380°C gearbeitet. Bei SO_x-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/NO_x -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 SO_x-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 im 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, SO₂, SO₃, 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 NO_x-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 anschließend zum Schornstein geführt.
Die reingasseitige Anordnung des SCR-Reaktors, ähnlich wie z. B. in DE-OS 34 07 277 vorgeschlagen, wurde bereits 1975 erstmalig in Japan großtechnisch realisiert. Danach wurden im industriellen Bereich (Klärschlammverbrennung, Sinderanlagen, usw.) weitere SCR-Anlagen nach diesem Prinzip gebaut und betrieben (vgl. Status of SO&sub2; and NO_x Removal in Japan, Flue gas Desulfurization Symposium, New Orleans, Louisiana, Nov. 1983; Bericht-Nr.: EPA-600/7-83-027; Bericht-Nr.: PB83-207639, NO_x Abatement for Stationary Sources in Japan, Mai 1983).

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 Katalysatorlebensdauer.
- Keine Beeinflussung der Flugasche, REA-Produkte (Gips, Anhydrit usw.) und REA-Abwasser durch NH₃-Schlupf.
- Für SO_x-reiche Rauchgase besteht keine Verschmutzung und Korrosion der Kesselkomponenten (z. B. Luvo) durch NH₄HSO₄. Minimale SO_x- 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 niedriger als bei der Rohgasschaltung.

Erfindungsgemäße SCR-Anlage nach REA (Reingasschaltung) ohne Fremdenenergiezufuhr

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.
Erfindungsgemäß wird die benötigte Reaktionstemperatur zur NO_x-Reduktion durch einen Wärmetauscher und ohne einen zusätzlichen Abgaserhitzer erreicht.
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 NO_x-Reduktion aufgeheizt werden. Erst nach der Entstickung erfolgt die Aufheizung der Verbrennungsluft durch Wärmeaustausch mit den heißen Reingasen aus dem SCR-Reaktor.
In den Bildern 4, 5 bzw. 6 ist die erfinderische SCR-Schaltung jeweils in Verbindung mit verschiedenen Wärmeaustauschersystemen (Wärmeverschiebe-System, Rohren- oder Plattenwärmetauscher bzw. Regenerativwärmeaustauscher) dargestellt.
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 NO_x-Menge, Ammoniak zugesetzt, bevor es zum Reaktor geführt wird. Aus dem Reaktor kommend, wird das Reingas im Wärmetauscher 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.

Vorteil 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 Verbrennungsgase).
- 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 Druckerhöhungsventilator.

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 konventionellen SCR-Schaltung liegt.

Claims

1. Verfahren zur Minderung von Stickoxiden aus Rauchgasen von Feuerungsanlagen, nachdem diese von den Begleitstoffen Staub, SO₂, SO₃, HCl und HF weitgehend in einer Entstaubungs- und Entschwefelungseinrichtung befreit sind, dadurch gekennzeichnet, daß die entstaubten, entschwefelten und auf 40-150°C abgekühlten Reingase durch indirekten Wärmeaustausch mit den Rauchgasen aus der Feuerungsanlage auf die erforderliche Reaktionstemperatur für die katalytische NO_x-Reduktion mit Ammoniak von 230-400°C ohne Fremdenergiezuführung aufgeheizt werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, bestehend aus einem Wärmetauscher 1 zum Rauchgas/Reingas-Wärmeaustausch, aus einem Staubabscheider aus einer Entschwefelungseinrichtung, aus einem mit Katalysator gefüllten Reaktor und aus einem Wärmetauscher 2 zum Reingas/Luft-Wärmetausch, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher 1 am Austritt der Feuerungsanlage nach einem Speisewasservorwärmer und der Wärmetauscher 2 nach dem Reaktor vor dem Schornstein angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmetauscher 1 und/oder 2 aus einem Wärmeverschiebe-System, aus einem Rohren- oder Plattenwärmetauscher oder aus einem Regenerativwärmetauscher bestehen.