DE3615705A1 - Rauchgaskanal fuer grosskessel mit einer vorrichtung zum einspeisen von ammoniak in den rauchgasstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rauchgaskanal eines Großkessels mit einem Strömungsquerschnitt von mindestens 3 m² und eine Vorrichtung zum Einspeisen von Ammoniakgas in den Rauchgasstrom gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen in Großkesselan­ lagen zur Stromerzeugung, fallen Rauchgase mit unterschiedli­ chen Schadstoffanteilen wie Staub, Schwefeldioxid und Stickoxid an. Zur Vermeidung von Umweltschäden müssen diese Schadstoffan­ teile, insbesondere SO₂ und NO_x, auf Minimalwerte abgebaut werden.

Für die Reduzierung von Staub- und Schwefeldioxid-Anteilen gibt es großtechnisch bewährte Vorrichtungen. Solche Vorrichtungen zum Abbau von Stickoxid-Anteilen aus Rauchgasen werden in Europa erst seit kurzem geplant und eingebaut. In Japan werden seit etwa einem Jahrzehnt Vorrichtungen zur Reduktion, insbe­ sondere zur katalytischen Reduktion der Stickoxide großtech­ nisch betrieben. Hier hat es sich gezeigt, daß insbesondere über die katalytische Reduktion der Stickoxide mittels Ammo­ niakgas gute Ergebnisse erzielbar sind. Die Rauchgas-Stick­ oxid-Anteile werden dabei in einem "trockenen" Verfahren mit­ tels Ammoniak in Stickstoff und Wasserdampf umgesetzt. Zu den bekanntesten, großtechnisch praktizierten "trockenen" Verfahren zählen das selektive katalytische Verfahren (SCR-Verfahren), bei dem in einem Katalysator-Reaktor die Reduktion der Stick­ oxide mit Ammoniak zu Stickstoffgas und Wasserdampf bei Tempe­ raturen von 300 bis 450°C erfolgt, und das selektive nicht­ katalytischen Verfahren, bei dem die Entstickung mit Ammoniak in einem Temperaturbereich von 900 bis 1000°C ohne Katalysator abläuft.

Die bevorzugte Anordnung des Katalysator-Reaktors bei SCR-Ver­ fahren erfolgt beim sogenannten "High Dust"-Verfahren zwischen dem Economizer des Kessels und dem Lutvorwärmer, dem die Rauchgasentstaubung nachgeschaltet ist, wobei dem Nachteil der hohen Staubbelastung des Katalysators der Vorteil gegenübersteht, daß auf eine Zusatz-Rauchgasaufheizung vor dem Katalysator meist verzichtet werden kann, und beim sogenannten "Low-Dust"- Verfahren hinter der der Rauchgasentstaubung nachgeordneten Rauchgasentschwefelung, wobei dem Vorteil des in diesem Bereich entstaubten Rauchgases der Nachteil gegenübersteht, daß der Durchlauf über die Rauchgasentschwefelung mit einem Temperatur­ abfall der Rauchgase verbunden ist, die daher für die selektive katalytische Reduktion wieder aufgeheizt werden müssen. Dies ist durch Einsatz zusätzlicher Brenner und Rauchgaszirkulation möglich.

Vorgenannte Verfahrensarten machen hinsichtlich einer optimalen Stickoxid-Umwandlung vor dem Reaktor eine schlierenarme Konzentra­ tionsverteilung im Rauchgasstrom hinsichtlich Rauchgastemperatur, Stickoxidkonzentration und vor allem Ammoniakkonzentration erforderlich.

Wird vor der selektiven katalytischen Reinigung das Ammoniak dem Rauchgas in Form eines Ammoniak-Luft-Gemisches mit 5 bis 7 Vol.% NH₃ in Luft zugesetzt, erfolgt dies in der Weise, daß das einem Flüssiggas-Vorratstank entnommene flüssige Ammoniak in einem Verdampfer verdampft und in einem Strömungsmischer mit kalter Druckluft versetzt und dieses Gemisch dann über eine Einspeisungsvorrichtung mit im Querschnitt des Rauchgaskanals verteilten Düsen in den Rauchgasstrom mit etwa dessen Strömungs­ geschwindigkeit vor dem Reaktor eingespeist wird.

Eine solche Einspeisungsvorrichtung muß sehr sorgfältig ausge­ legt und betrieben werden, da die Gefahr besteht, daß ein brennbares Ammoniak-Luft(Sauerstoff)-Gemisch entsteht. Außerdem ist die im Rauchgaskanal vorzusehende Mischstrecke, in der sich das aus den vielen kleinen Düsen, die an ein Verteilerrohrgit­ ter über den Querschnitt des Rauchgaskanals gleichmäßig ver­ teilt angeordnet sind, austretende Gas vermischt, vergleichs­ weise lang und beträgt viele Meter. Auch durch eine größere Anzahl von im Rauchgaskanal angeordneten Düsen läßt sich die Mischstrecke nicht so stark verkürzen, wie dies wünschenswert ist, um den Rauchgaskanal so wenig wie möglich verlängern zu müssen. Schließlich hat sich gezeigt, daß eine ausreichend schlierenfreie Einmischung des Gemisches kaum erreichbar ist.

Zur weiteren Vergleichungmäßigung der Ammoniakkonzentration im Rauchgasstrom werden daher der Einspeisungsvorrichtung bei den SCR-Verfahren mechnische Strömungsmischer, Verteilgitter bzw. statische Mischer nachgeschaltet. Diese bedingen einen zusätz­ lichen Platzbedarf sowie Energiebedarf aufgrund des Druckab­ falls, welcher dem Rauchgashauptstrom zugeführt werden muß. Dies führt daher zu einer zusätzlichen Leistungsaufnahme am Hauptstrom-Ventilator. Besonders nachteilig bei der bekannten Einspeisung des Ammoniak-Luft-Gemisches ist aber die sehr stark absinkende Mischfähigkeit des statischen Mischers bei Teillast­ betrieb und in Abhängigkeit davon die negative Beeinflussung des Stickoxidabbaus als Folge zu starker Ausbildung von NH₃- Schlieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Rauchgaskanal mit der Einspeisungsvorrichtung der eingangs genannten Art dahinge­ hend fortzuentwickeln, daß die Ammoniak-Einspeisung betriebs­ sicher ist und ohne besonders großen Energieaufwand zu einer einwandfreien und vollständigen Vermischung über eine ver­ gleichsweise kurze Mischstrecke führt.

Ein diese Aufgabe lösender Rauchgaskanal mit Einspeisevorrich­ tung ist mit seinen Ausgestaltungen in den Patentansprüchen näher gekennzeichnet.

Aufgrund der Verwendung von Rauchgas als Misch- und Trägergas entfällt die Gefahr der Bildung brennbarer oder explosiver Gemische. Durch die Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Strahl­ rohren wird ein hoher Impulsstrom in den Rauchgaskanal eingetra­ gen, der zu einer intensiven Mischung auf kurzer Kanalstrecke führt. Dieser Effekt läßt sich auch zur reinen Vergleichmäßigung ohne gleichzeitige Ammoniakeinspeisung ausnutzen. Die für die Mischung erforderliche Energie wird nur einem kleinen Teil-Rauch­ gasstrom zugeführt und dies mit hohem Wirkungsgrad des spezifisch preiswerteren Rauchgasverdichters. Dadurch entfällt die Notwendig­ keit, die Rauchgasgebläse für den Rauchgas-Hauptstrom zu verstärken, was immer dann nötig wäre, wenn sich Mischeinbauten oder Düsenbatterien unmittelbar im Rauchgaskanal befänden. Im Teillastbetrieb werden einzelne in die Rauchgasabzweigleitung mündende NH₃-Gas Injektoren für die Ammoniakgaseinspeisung abgeschaltet. Ebenso können im Rauchgaskanal mündende Strahlrohre dann abgeschaltet werden, wenn dadurch die Symmetrie der Einspeisung des Ammoniak-Rauchgas-Gemisches nicht stark gestört wird. Sofern die Einspeisung des Ammoniak-Rauchgas-Gemisches in Krümmern des Rauchgaskanals erfolgt, können die Strahlrohre so angeordnet werden, daß sie die Umlenkung des Rauchgasstroms durch Nutzung der Injektor-Richtkraft für die Gasumlenkung unterstützen. Dadurch können Leitbleche im Rauchgaskanalkrümmer entfallen.

Durch die intensive und vollständige Homogenisierung des Ammoniaks mit dem Rauchgas läßt sich eine besonders gute Entstickung im Reaktor gewährleisten. Es kommt zu keinen unzulässig hohen Konzentrationen von Ammoniak am Schornstein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Teils eines Rauchgas­ kanals mit eingebauter Einspeisungsvorrichtung zum Einspeisen eines Ammoniak-Rauchgas-Gemisches,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Rauchgasabzweigleitung mit fünf Inhektoren zur Einleitung von Ammoniak in das Rauchgas,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Rauchgasrohr mit einer Einspeisungsvorrichtung für rückgeführtes Rauchgas und heiße Brenngase,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Rauchgasrohr mit einer Einspeisungsvorrichtung für dem Rauchgaskanal entnommenes Rauchgas zur Konzentrationsvergleichmäßigung,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein Rauchgasrohr mit einem Rauchgaskrümmer sowie einer Einspeisungsvorrichtung für hinter dem Krümmer abgezogenes Rauchgas nach Vermischung mit Ammoniak sowie vor dem Krümmer angeordneten Brennern zur Einspeisung eines Ammoniak-Rauchgas-Gemisches und

Fig. 6 eine Strahlrohranordnung im Querschnitt.

Ein Rauchgaskanal 1 mit konstantem Querschnitt ist in den Fig. 1 bis 6 dargestellt. Ihm wird an einer bestimmten Stelle mit Hilfe eines Rauchgasabzweigrohres 3 eine Rauchgas-Teilmenge Z abgenommen. Das Rauchgasabzweigrohr 3 führt zur Ansaugseite eines Rauchgasverdichters 2, an dessen Druckseite eine Rauch­ gasrückführleitung 5 angeschlossen ist. Sie endet in Strahl­ rohren 7, welche im Rauchgaskanal 1 in Strömungsrichtung münden. Vorzugsweise sind sie in der Wand des Rauchgaskanals schräg mündend angeordnet. Zusätzlich kann in Strömungsrichtung vor dem schräg mündenden Strahlrohr 7 ein benachbartes zweites Strahlrohr 7 rechtwinklig zum Rauchgaskanal vorgesehen werden, sh. Fig. 5 und 6. Insbesondere dann ist es zweckmäßig, wenn in Strömungsrichtung vor dem schräg mündenden Strahlrohr ein Strömungsabweiser 17 angebracht ist, der das nahre der Innen­ wand heranströmende Rauchgas zur Kanalmitte hin ablenkt. Dadurch wird die Vermischung im Rauchgaskanal auf größere Volumenbereiche erstreckt. Die Strahlrohre sind derart ausge­ bildet, daß sie das mit Druck vom Rauchgasverdichter zugeführte Gemisch mit einer Strömungsgeschwindigkeit von wenigsten 80 m/sec am Strahlrohrmund in den langsamen Rauchgashauptstrom Y abgeben.

In den Strahlrohren 7 wird das am hinteren Ende eingeleitete Gemisch bzw. Druckrauchgas beschleunigt.

Vor dem Rauchgasverdichter 2 wird mittels Injektoren 4 Ammoni­ akdampf eingeleitet. Es können für eine gleichmäßige Einlei­ tung, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, fünf Injektoren 4 vorgesehen sein. Diese sind über Ventile 6 von einer Ammo­ niakdampf- Zuleitung 8 absperrbar. Ammoniakdampf wird einem NH₃-Verdampfer 10 entnommen, welcher einem Vorratsbehälter 11 für flüssiges Ammoniak, sh. Fig. 6, nachgeschaltet ist. Das vom Rauchgasverdichter 2 angesaugte Ammoniak-Rauchgas-Gemisch wird in diesem um etwa 50 mb im Druck erhöht.

Das Gemisch tritt aus den Strahlrohren 7 als sog. Freistrahl aus, dessen Geschwindigkeit sich längs der Achse aufgrund der zunehmenden Einmischung von Rauchgas aus der Umgebung und der Strahlverbreiterung verlangsamt und seinen Impuls an den Rauchgas-Hauptstrom Y abgibt.

Die Ventile 6 können als Regelventile ausgebildet sein, auf welche von einer Kesselregelungsschaltung 9, sh. Fig. 6, ein Regelimpuls gegeben wird. Es wird bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ein Rauchgas-Teilstrom Z dem langsamströmenden Rauchgas- Hauptstrom Y entnommen, zwischenverdichtet und über die Strahl­ rohre 7 mit erhöhter Geschwindigkeit rezirkuliert. Je nach gegebenen Rohrleitungsverhältnissen wird der Rauchgas-Teil­ strom Z vor oder nach dem Rauchgasverdichter 2 die gewünschte Ammoniak-Dampfmenge X aufgegeben. Die Einmischung des Ammoniak­ volumens X folgt unter Ausnutzung des gegebenen Ammoniak-Gas­ drucks aus der Verdampfung über die Ammoniak-Gas-Injektoren 4.

Bei der Ausführungsform der Rauchgasabzweigleitung 3 gemäß Fig. 2 sind fünf NH₃-Injektoren 4 vorgesehen, die im Auf-Zu- Rundum-Betrieb analog den Kesselregelimpulsen angesteuert werden. Der Einbau der Injektoren 4 ist in der Rauchgasabzweig­ leitung 3 achsversetzt an beliebiger Stelle saug- oder druck­ seitig möglich. Die Anzahl der Injektoren 4 richtet sich nach dem vorgegebenen NH₃-Regelbereich.

Die Vermischung des Ammoniakstroms X im Rauchgas-Teilstrom Z und die anschließende Einleitung des Gemisches Z+X in den Rauchgas-Hauptstrom Y erfolgt jeweils mit den Strahlrohren 7 unter Ausnutzung der gegebenen Mischwirkung injizierter Frei­ strahlen.

Die Erfindung läßt sich, wie dies Fig. 3 schematisch zeigt, auch zum Vergleichmäßigen bzw. zum gleichmäßigen Einkämmen eines kleinen Gasstroms in einen Hauptstrom Y mit unterschied­ licher Zielanwendung verwirklichen. Es wird wieder aus einem Kanal 1 ein Injektor-Teilstrom Z abgezogen, zwischenverdichtet und in den Kanal 1 in den Hauptstrom Y mittels Strahlrohren 7 zurückgeleitet. Diese Strahlrohre können, wie dies an sich bekannt ist (US-PS 40 83 677), mit Brennern kombiniert sein, durch die ein Strom X von Brennergasen zum Aufheizen des Hauptstroms Y, nämlich der Rauchgas-Hauptstrom Y beim SCR-Ver­ fahren, in den Kanal 1 eingeleitet werden.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher statt oder neben Ammoniak dem nun aus dem Rauchgaskanal abgezogenen Volumen­ strom Z ein Ammoniak- oder Gasstrom X zugemischt wird, welcher nach Verdichtung im Rauchgasverdichter 2 an einer in Strömungs­ richtung gesehen früheren Stelle durch die Strahlrohre in den Rauchgaskanal wieder eingeführt wird. Diese Schaltung führt zu einer sehr gleichmäßigen Einmischung des Ammoniaks des Stroms X.

Ist lediglich ein schlierenförmig strömender Rauchgasstrom zu vergleichmäßigen, so kann die Ausführungsform nach Fig. 5 ein­ gesetzt werden, bei welcher stromabwärts ein Teil Rauchgasstrom abgesaugt, verdichtet und stromaufwärts wieder eingespeist wird. Diese Schaltung zeichnet sich durch Lastunabhängigkeit aus. Sowohl Konzentration als auch Temperatur des Hauptstroms Y+X sind entscheidend vergleichmäßigbar.

Diese Schaltung kann also allgemein zu Vergleichmäßigen von Konzentrationssträhnen (X) im Großvolumen (Y) durch die Injek­ torwirkung eines frei in den Mischraum rezirkulierten Teilgas­ volumenstroms (Z) angewendet werden.

Die Zusammenfassung der zuvor erläuterten Schaltungsmöglich­ keiten bei einem Rauchgaskanal mit einem Krümmer 14 ist in Fig. 6 dargestellt. Die Anwendung von Einmischebenen im Strömungskanal­ krümmer ist sowohl für ein selektiv katalytisches Verfahren als auch für ein selektiv nichtkatalytisches Verfahren einsetzbar. Für beide Verfahren unterschiedlich ist lediglich der Absauge­ ort des abzuziehenden Rauchgas-Teilvolumens Z.

Durch geeignete Auswahl des zu rezirkulierenden Rauchgas-Teil­ gasstroms Z, durch Wahl der Anordnung und Anzahl der Strahlroh­ re können beliebig kleine Ammoniak-Gasvolumenströme X schlierenarm in den Rauchgas-Hauptstrom Y eingegeben werden, wobei vorzugsweise die Einleitung durch am Umfang des Strömungs­ querschnitts angeordnete Strahlrohre erfolgt. Es können mehrere Strahlrohr-Mischebenen in Strömungsrichtung hintereinander und bevorzugt verstärkt auf der Krümmeraussenseite vorgesehen wer­ den, um die Rauchgasstromumlenkung zu begünstigen. Gegebene Überlagerungen von Einzelstrahl-Konzentrationsverteilungen füh­ ren zu guten Mischergebnissen von im Verhältnis sehr kleinen Ammoniak-Rauchgas-Volumenströmen X mit dem Rauchgas-Haupt­ strom Y.

Das vom Rauchgasverdichter 2 abgegebene Gemisch kann auch ganz oder teilweise durch Strahlrohre 7 eingeleitet werden, welche mit Brennern 12, sh. Fig. 5, gemäß Schaltung Fig. 5 kombiniert sind, die vor dem Krümmer 4 in den Rauchgaskanal 1 münden. In diesem Fall wird der Rauchgasstrom aufgeheizt und gleichzeitig eine gleichmäßige Temperaturverteilung bewirkt.

Die Zuleitung des Druck-Rauchgases kann auch über mehrere Ringleitungen 15 über Kompensatoren 16 an die einzelnen Strahl­ rohre 7 erfolgen. Diese sind in ihrer Anordnung nicht auf eine Querschnittsebene des Rauchgaskanals beschränkt. Vielmehr kann es bei besonders großen Rauchgasströmen zweckmäßig sein, die Strahlrohre 7 auf zwei Querschnittsebenen, Fig. 5, die einen Abstand von 50 bis 100 cm voneinander haben, zu verteilen.

Claims (12)

1. Rauchgaskanal eines Großkessels mit einem Strömungs­ querschnitt von mindestens 3 m² und einer Vorrichtung zum Einspeisen von Ammoniakgas in den durch den Rauchgaskanal mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 bis 30 m/s strömenden Rauchgasstrom (Y) zur anschließenden Reduktion, insbesondere katalytischen Reduktion bei einer Temperatur von 300 bis 450°C, der im Rauchgas enthaltenen Stickoxide zu Stickstoff und Wasser dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisevorrichtung in Richtung der Rauchgasströmung im Rauchgaskanal (1) mündende Strahlrohre (7) für die Zufuhr von Druck-Rauchgas in einer Menge von 1 bis 5 Vol-% des durch den Rauchgaskanal (1) strömenden Volumenstroms des Rauchgases (bei gleichem Druck) und mit einer Strömungsgeschwindigkeit von wenigstens 80 m/sec am Strahlrohrmund aufweist, die an einen Rauchgasverdichter (2) angeschlossen sind, der Rauchgas aus dem Rauchgaskanal (1) über eine Rauchgasabzweigleitung (3) und das Ammoniakgas ansaugt.

2. Rauchgaskanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlrohre (7) derart dimensioniert sind, daß das Ammoniak-Rauchgas-Gemisch als Freistrahl mit einer Strömungs­ geschwindigkeit von 90 bis 120 m/s am Strahlrohrmund austritt.

3. Rauchgaskanal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlrohre (7) schräg in den Rauchgaskanal (1) münden.

4. Rauchgaskanal nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlrohre (7) in einem sich konisch erweiternden Übergangsbereich (2) vorgesehen sind.

5. Rauchgaskanal nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlrohre (7) in einem Krümmer (14) des Rauchgas­ kanals (1) münden, und daß auf der Außenseite des Krümmers eine größere Anzahl Strahlrohre als auf dessen Innenseite vorgesehen ist.

6. Rauchgaskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des Rauchgases vor schräg in den Rauchgaskanal (1) mündenden Strahlrohren (7) Strömungsabweiser (17) vorgesehen sind, die das an der Innenwand des Rauchgas­ kanals (1) heranströmende Rauchgas vor dem Strahlrohrmund zur Mitte des Rauchgaskanals (1) ablenken.

7. Rauchgaskanal nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des Rauchgases vor schräg in den Rauchgaskanal (1) mündenden Strahlrohren (7) rechtwinklig in den Rauchgaskanal (1) mündende Strahlrohre (7) vorgesehen sind.

8. Rauchgaskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgasabzweigleitung (3) in Strömungsrichtung hinter den Strahlrohren (7) an den Rauchgaskanal (1) angeschlossen ist.

9. Rauchgaskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ammoniakgas über in der Rauchgasabzweigleitung (3) mündende Injektoren (4) in diese eingespeist wird.

10. Rauchgaskanal nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektoren (4) über einzelne Ventile (6) von der Ammoniakgas-Zufuhrleitung (8) abtrennbar sind.

11. Rauchgaskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Pulsen der Ammoniakgasstrahlen.

12. Rauchgaskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 11, daurch gekennzeichnet, daß Strahlrohre (7) jeweils in zum Aufheizen des Rauchgasstroms (Y) vorgesehe, im Rauchgaskanal (1) mündende Brenner (12) intergriert sind.