DE3609763A1

DE3609763A1 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung von stickoxiden in abgasen

Info

Publication number: DE3609763A1
Application number: DE19863609763
Authority: DE
Inventors: Ihsan Prof Dr Barin; Michael Dr Lemperle; Klaus Dr Herforth
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1986-03-22
Filing date: 1986-03-22
Publication date: 1987-09-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung zur Verminderung von Stickoxiden in Abgasen jeglicher Art mittels Plasmabeaufschlagung.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsvorhaben sowie erprobte Technologien zur NO_x-Abscheidung aus Abgasen industrieller Feuerungsanlagen und insbesondere aus den Rauchgasen mit fossilen Brennstoffen befeuerter Kraftwerke bekannt.

Ein Verfahren von gleicher Gattung wie die vorliegende Erfindung ist zum Beispiel aus der EP 01 58 823 bekannt, bei dem zur Umwandlung der im Abgas enthaltenen Stickstoffoxide in unschädliche Abgasbestandteile das Abgas in einer Reaktionsstrecke durch mehrere lokal begrenzte, voneinander getrennte Entladungszonen oder ein Plasma hindurchgeführt wird. Der bekannte Reaktor besteht im wesentlichen aus zwei oder mehreren Elektrodenplatten, die in einem Abstand von wenigen Millimetern parallel und flächendeckend zueinander angeordnet sind. Zur Reinigung von größeren Mengen von Abgas muß eine Vielzahl solcher Elektroden gitterförmig mit kleinsten Abständen hintereinander und übereinander in die Abgasleitung eingebaut werden. Zur Verminderung der Stickoxide von in großen Mengen anfallendem heißem und staubbeladenem Abgas aus industriellen Großanlagen ist das bekannte Verfahren nicht geeignet, da die Elektrodenanordnung die thermische Belastung nicht aushält und bald von Staubablagerungen zugesetzt ist und funktionsunfähig wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung zur Verminderung von Stickoxiden in großen Abgasströmen industrieller Anlagen anzugeben, die vergleichsweise niedrige Betriebskosten erfordern und gegenüber schwankenden und zum Teil hohen Staubgehalten im Abgas störunempfindlich sind.

Die Aufgabe wird bezüglich ihrer verfahrenstechnischen Maßnahmen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Plasmabeaufschlagung durch einen von einem Plasmagasbrenner erzeugten Plasmagasstrahl in einem Reaktionsbereich erfolgt, wobei dem Plasmagasbrenner von außen reduzierend wirkende Stoffe und ggfs. andere Hilfsstoffe zugeführt werden, die durch Reaktionen im Plasmagasbrenner und im Plasmagasstrahl aktive, reduzierend wirkende Gasspezies wie angeregte H₂*-Moleküle und/oder H*-Atome oder andere Radikale liefern, und daß diese meist wasserstoffhaltigen Spezies beziehungsweise der Plasmagasstrahl in einem Temperaturbereich von 500° bis 950°C mit den im Abgasstrom enthaltenen Stickoxiden in Kontakt gebracht werden. Im angegebenen Temperaturbereich geht Stickstoffmonoxid bei Abkühlung von hohen Temperaturen von einem stabilen, in einen metastabilen Zustand über und oxidiert insbesondere bei Anwesenheit von freiem oder nur schwach gebundenem Sauerstoff und gegebenenfalls unter katalytischer Wirkung beschleunigt zu NO₂ auf. Die im Plasmagasstrahl enthaltenen aktivierten reduzierend wirkenden Spezies, insbesondere Wasserstoffspezies, führen jedoch zu spontanen Abbaureaktionen der Stickstoffoxide, so daß nur noch unschädliche Abgasbestandteile wie molekularer Stickstoff (N₂), Wasserdampf (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) an die Atmosphäre abgegeben werden.

Der Brenner arbeitet bei hohem Wirkungsgrad zur Verminderung der Stickoxide in großen Abgasströmen in Größenordnungen von zum Beispiel größer 100 m³ Abgas pro Minute, mit relativ geringer elektrischer Leistung und geringem Bedarf an zugeführten wasserstoffhaltigen Medien, so daß die Betriebskosten vergleichsweise niedrig sind. Gegenüber schwankenden und hohen Staubgehalten im NO-haltigen Abgas ist der Plasmagasbrenner weitestgehend störunempfindlich.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das schadstoffhaltige Abgas direkt vor dem Reaktionsbereich des nahezu rechtwinkligen Einwirkens des Plasmagasstrahles verwirbelt wird. Auf diese Art wird das Abgas auf innige Weise, insbesondere mit den aktivierten Wasserstoffspezies aus dem Plasmagasstrahl in Kontakt gebracht und ein hoher Abbauwirkungsgrad der Stickoxide ist gewährleistet. Denn durch die Verwirbelung des Abgasstromes wird die Reaktionswahrscheinlichkeit der NO-Moleküle mit den hochreaktiven reduzierend wirkenden Gasspezies wie aktive H₂*-Moleküle, H*-Atome oder wasserstoffhaltige Radikale aus dem Plasmagasstrahl wesentlich erhöht, das heißt die Reaktionsstrecke wird verkürzt und die NO-Verminderung verbessert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als reduzierend wirkende Stoffe Argon/Wasserstoff-Gasgemische, Dampf, dampfförmiges Ammoniak, Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel CH₄, gegebenenfalls unter Zumischung von Kohlenstaub/Inertgas-Suspensionen oder Gemischen aus diesen Komponenten zur Erzeugung des Plasmagasstrahles verwendet werden. Die Wahl der eingesetzten reduzierend wirkenden Stoffe bzw. wasserstoffhaltigen Medien richtet sich zum einen nach den Erfordernissen der vorgegebenen Abgaszusammensetzung und zum anderen nach den am kostengünstigsten zur Verfügung stehenden Gase bzw. Medien, so daß hohe NO-Verminderungsraten mit dem geringsten Kostenaufwand ereicht werden können.

Zur weiteren Verfahrensoptimierung ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zweckmäßig, wenn die Intensität des Plasmagasstrahles beziehungsweise die angelegte elektrische Leistung sowie die Menge der dem Plasmagasbrenner zugeführten gasförmigen Medien in Abhängigkeit der vor und/oder hinter dem Reaktionsbereich im Abgasstrom gemessenen Werte der Stickoxidkonzentrationen und gegebenenfalls der Sauerstoffkonzentration vollautomatisch geregelt wird.

Der zugrundeliegende vorrichtungsmäßige Aufgabenteil wird erfindungsgemäß mit einer in der Abgasleitung einer beliebigen, stickoxidhaltige Schadstoffe emittierende Feuerungsanlage angeordneten Reaktionskammer gelöst, in die wenigstens ein Plasmagasbrenner mit einer angeschlossenen Medienzuführungsleitung seitlich so einmündet, daß die Plasmagasstrahlrichtung nahezu rechtwinklig zur Längsachse der Abgasleitung steht. Mit dieser Vorrichtung ist dem Betreiber einer industriellen Feuerungsanlage ein einfaches Mittel an die Hand gegeben, um wirksame Umweltschutzmaßnahmen durchführen und den schädlichen Stickoxidgehalt aus den Abgasen größerer Feuerungsanlagen beseitigen beziehungsweise auf erträgliche niedrige Konzentrationen gemäß den gesetzlichen Anforderungen nach der "Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft" absenken zu können.

In weitere Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in der Abgasleitung vor Einmündung in die Reaktionskammer und/oder in der Abgasleitung mit dem behandelten Abgas hinter der Reaktionskammer Meßsonden angeordnet sind, die zur Ermittlung der jeweiligen NO_x-Konzentration über Meßleitungen mit einem NO_x-Analysator verbunden sind. Unter der Summenbezeichnung NO_x sind im wesentlichen die Oxidationsstufen NO und NO₂ gemeint. Bei Abgastemperaturen oberhalb ca. 800°C genügt es im allgemeinen, nur die NO-Komponente zu messen, da NO₂ aus thermodynamischen Bedingungen noch nicht existent ist. Die gemessenen NO_x-Konzentrationen dienen als Regelgröße für einen vollautomatischen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei zweckmäßigerweise weiterhin der NO_x-Analysator über Signalleitungen mit einem Regler mit Sollwertvorgabe sowie weiterhin mit Dosierventilen mit Stellmotoren in den Medien-Zuführungsleitungen für den Plasmagasbrenner in Verbindung steht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, aus dem weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile zu entnehmen sind: Mit der Bezugsziffer 1 ist eine Abgasleitung gekennzeichnet, die zu einer beliebigen zeichnerisch nicht dargestellten industriellen Feuerungsanlage beziehungsweise Verbrennungsvorrichtung gehört. Die Abgasleitung 1 weist eine erweiterte Reaktionskammer 2 auf, in die von oben ein Plasmagasbrenner 3 hineinragt, an den an seinem äußeren Ende eine Stromzuführung 4 angeschlossen ist. Der Plasmagasbrenner 3 besteht im wesentlichen aus einem äußeren Brennerrohr und einer gegenüber dem äußeren Brennerrohr isoliert angeordneten Hohllanze 5. Die Hohllanze 5 weist wenigstens zwei Gasanschlüsse auf, in deren zuführenden Gasleitungen 6 und 7 jeweils ein Dosierventil 8, 9 mit Stellmotor 10, 11 angeordnet sind.

Dem Plasmagasbrenner 3 gegenüberliegend ist in der Reaktionskammer 2 eine schräg angeordnete hochtemperatur- und verschleißbeständige Reflektorplatte 13 lösbar befestigt, die dem Schutz der Reaktionskammer 2 dient. Im Einmündungsbereich zur Reaktionskammer 2 weist die Abgasleitung 1 querschnittsverengende Dralleinbauten 12 zum Beispiel in Form von radial verdrehten Stegen bzw. Flügeln auf. Noch vor diesen Dralleinbauten 12 ist in der Abgasleitung 1 eine Meßsonde 14 eingebaut, eine ebensolche Meßsonde 15 ist hinter der Reaktionskammer 2 in der das gereinigte Abgas ableitenden Abgasleitung 16 angeordnet. Die Meßsonden 14 und 15 sind über Meßleitungen 17, 18 mit einem NO_x-Analysator 19 verbunden, der mittels Leitungen an einen Regler 22 mit Sollwertvorgabe angeschlossen ist. Von dem Regler 22 führen Signalleitungen 20, 21 zu den Stellmotoren 10, 11, die auf den in den Gasleitungen 6, 7 angeordneten Dosierventilen 8, 9 sitzen.

Von dem Regler 22 geht eine weitere Signalleitung 23 aus, die zu einer zeichnerisch nicht dargestellten Versorgungseinheit der elektrischen Energie für den Plasmagasbrenner 3 führt und die elektrische Leistungseinspeisung den jeweiligen Anforderungen entsprechend regelt.

Bei Anfall von großen Abgasmengen können selbstverständlich auch mehrere Plasmagasbrenner 3 in der Reaktionskammer 2 vorgesehen werden.

Anwendungsbeispiel:

Für ein 1000 MW-Kraftwerk wird angenommen, daß eine Abgasmenge von 3000 m³/min mit einer Stickoxid-Konzentration von ca. 1000 ppm anfällt; das entspricht einer Stickoxidmenge von 3 m³ NO_x/min. Für die Reduktion der Stickoxide wird unter stöchiometrischen Bedingungen eine gleiche Menge der aktivierten wasserstoffhaltigen Gasspezies benötigt. Aus Versuchsergebnissen kann abgeschätzt werden, daß zur Aktivierung einer Wasserstoff-Gasmenge von 3000 l/min im Plasmagasbrenner eine elektrische Leistung von ca. 2500 KW erforderlich ist. Das heißt, daß zur Verminderung der Stickoxide nur ca. 0,25% der erzeugten elektrischen Leistung des Kraftwerkes benötigt werden.

Claims

1. Verfahren zur Verminderung von Stickoxiden in Abgasen jeglicher Art mittels Plasmabeaufschlagung, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabeaufschlagung durch einen von einem Plasmagasbrenner erzeugten Plasmagasstrahl in einem Reaktionsbereich erfolgt, wobei dem Plasmagasbrenner von außen reduzierend wirkende Stoffe und gegebenenfalls andere Hilfsstoffe zugeführt werden, die durch Reaktionen im Plasmagasbrenner und im Plasmagasstrahl aktive, reduzierend wirkende Gasspezies wie angeregte H₂*-Moleküle, H*-Atome oder andere Radiale liefern, und daß diese Spezies beziehungsweise der Plasmagasstrahl in einem Temperaturbereich von 500° bis 950°C mit den im Abgasstrom enthaltenen Stickoxiden in Kontakt gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schadstoffhaltige Abgas direkt vor dem Reaktionsbereich des nahezu rechtwinkligen Einwirkens des Plasmagasstrahles verwirbelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als reduzierend wirkende Stoffe Argon/Wasserstoff-Gasgemische, Dampf, dampfförmiges Ammoniak, Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel CH₄, gegebenenfalls unter Zumischung von Kohlenstaub/Inertgas-Suspension oder Gemischen aus diesen Komponenten zur Erzeugung des Plasmagasstrahles verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Plasmagasstrahles beziehungsweise die angelegte elektrische Leistung sowie die Menge der dem Plasmagasbrenner zugeführten gasförmigen Medien in Abhängigkeit der vor und/oder hinter dem Reaktionsbereich im Abgasstrom gemessenen Werte der Stickoxidkonzentrationen und gegebenenfalls der Sauerstoffkonzentration vollautomatisch geregelt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, gekennzeichnet durch eine in der Abgasleitung (1) einer beliebigen, stickoxidhaltige Schadstoffe emittierenden Feuerungsanlage angeordneten Reaktionskammer (2), in die wenigstens ein Plasmagasbrenner (3) mit einer angeschlossenen Medienzuführungsleitung (6, 7) seitlich so einmündet, daß die Plasmagasstrahlrichtung nahezu rechtwinklig zur Längsachse der Abgasleitung (1) steht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (1) im Bereich der Einmündung zur Reaktionskammer (2) querschnittsverengende Dralleinbauten (12) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionskammer (2) dem Plasmagasbrenner (3) gegenüberliegend eine hochtemperatur- und verschleißbeständige Reflektorplatte (13) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (1) vor Einmündung in die Reaktionskammer (2) und/oder in der Abgasleitung (16) mit dem behandelten Abgas hinter der Reaktionskammer (2) Meßsonden (14, 15) angeordnet sind, die zur Ermittlung der jeweiligen NO_x-Konzentration über Meßleitungen (17, 18) mit einem NO_x-Analysator (19) verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der NO_x-Analysator (19) über Signalleitungen (20, 21) mit einem Regler (22) mit Sollwertvorgabe sowie weiterhin mit Dosierventilen (8, 9) mit Stellmotoren (10, 11) in den Medien-Zuführungsleitungen (6, 7) für den Plasmagasbrenner (3) in Verbindung steht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Merkmale aus den vorhergehenden Vorrichtungsansprüchen zu einem integrierten Bauteil zusammengefaßt ausgebildet sind, das nachträglich in beliebige Abgasleitungen einbaubar ist.