DE3839199A1 - Process for decreasing the nitrogen oxide content of combustion gases - Google Patents

Process for decreasing the nitrogen oxide content of combustion gases

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    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46Removing components of defined structure
    • B01D53/54Nitrogen compounds
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Abstract

Process for decreasing the nitrogen oxide content of combustion gases, in particular flue gases from power station furnaces, using NH3 or other nitrogen-hydrogen compounds. The NH3 or the other nitrogen/hydrogen compounds are first converted into NH2 or NH. These free radicals are introduced individually or in a mixture into the combustion gases where they react free of catalyst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minderung des Stickoxidgehal­ tes von Verbrennungsgasen, insbesondere von Rauchgasen aus Kraft­ werkskesselfeuerungen, unter Verwendung von NH3 und/oder anderen Stickstoff/Wasserstoff-Verbindungen. - Solche Verfahren werden in der Praxis kurz auch als Entstickungsverfahren bezeichnet.The invention relates to a method for reducing the nitrogen oxide content of combustion gases, in particular flue gases from power plant boilers, using NH 3 and / or other nitrogen / hydrogen compounds. - In practice, such processes are briefly referred to as denitrification processes.

Stickstoffoxide, insbesondere Stickstoffmonoxid, entstehen bei der Ver­ brennung von gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen mit Luft. Sie bilden sich ferner bei der Verbrennung von stickstoffhaltigen Ver­ bindungen. Zwar kann man die Stickstoffoxid-Konzentrationen durch feuerungstechnische Maßnahmen minimieren, es bilden sich aber häufig noch Konzentrationen, die vom Umweltschutz her gesehen zu hoch sind. Es werden daher seit Jahren NO x -Minderungsverfahren entwickelt und eingesetzt.Nitrogen oxides, especially nitrogen monoxide, are formed when air, gaseous, liquid and solid fuels are combusted with air. They also form during the combustion of nitrogenous compounds. Although the nitrogen oxide concentrations can be minimized by means of firing measures, concentrations are often still formed which are too high from an environmental point of view. For this reason, NO x reduction methods have been developed and used for years.

Bisher haben sich zwei verschiedene Minderungs-Verfahren durch­ gesetzt. Zum einen die direkte Eindüsung von NH3 in die Verbren­ nungsabgase, zum anderen die Führung der Verbrennungsgase zusam­ men mit NH3 über einen Katalysator. Bei beiden Verfahren werden die Stickstoffoxide in molekularen Stickstoff N2 umgewandelt. Beide Verfah­ ren haben einige wesentliche Nachteile.So far, two different reduction methods have prevailed. On the one hand, the direct injection of NH 3 into the combustion exhaust gases, and on the other hand, the guidance of the combustion gases together with NH 3 over a catalyst. In both processes, the nitrogen oxides are converted into molecular nitrogen N 2 . Both processes have some major disadvantages.

Die Eindüsung von NH3 in die Verbrennungsgase ist an einen be­ stimmten Temperaturbereich gebunden. Bei Temperaturen über 1095°C wird aus dem eingedüsten NH3 mehr NO gebildet als gemindert. Bei Temperaturen unter 705°C dagegen friert die NO x -Minderungs­ reaktion ein. NH3 muß erst aktiviert werden. Dabei wird NH3 in NH2 umgewandelt. Dies geschieht durch OH-Radikale wie folgt:The injection of NH 3 into the combustion gases is tied to a certain temperature range. At temperatures above 1095 ° C, more NO is formed from the injected NH 3 than reduced. At temperatures below 705 ° C, however, the NO x reduction reaction freezes. NH 3 must first be activated. This converts NH 3 to NH 2 . This happens through OH radicals as follows:

NH3 + OH = NH2 + H2O.NH 3 + OH = NH 2 + H 2 O.

Die natürliche Konzentration von OH-Radikalen ist stark tempera­ turabhängig. Bei Temperaturen unter 700°C ist die Konzentration so gering, daß keine Aktivierung von NH3 stattfindet. Es wurde deshalb auch versucht, die OH-Konzentration künstlich durch Zugabe von H2O2 zu erhöhen. H2O2 zerfällt bei bestimmten Temperaturen thermisch zu OH. Dadurch war es möglich, das Reaktionstemperatur- Fenster bis auf 500°C zu erweitern. Bei Temperaturen unter 500°C ist diese künstliche Erhöhung der OH-Konzentrationen erfolglos ge­ blieben.The natural concentration of OH radicals is strongly temperature-dependent. At temperatures below 700 ° C the concentration is so low that there is no activation of NH 3 . An attempt was therefore also made to artificially increase the OH concentration by adding H 2 O 2 . H 2 O 2 thermally decomposes to OH at certain temperatures. This made it possible to extend the reaction temperature window up to 500 ° C. At temperatures below 500 ° C, this artificial increase in OH concentrations has remained unsuccessful.

Deshalb hat man bei Temperaturen unter 500°C die Verbrennungsgase gemeinsam mit NH3 über Metalloxid-Katalysatoren geführt, und damit die Minderungsreaktion katalytisch aktiviert. Dieses Verfahren ist be­ sonders kostenaufwendig. Sämtliche Verbrennungsgase müssen über die Katalysatoren geführt werden. Dabei müssen bestimmte Verweilzeiten eingehalten werden. Die eingesetzten Katalysatormengen sind deshalb sehr groß. Darüber hinaus sind die Standzeiten der Katalysatoren kurz, da sie durch in den Verbrennungsgasen vorhandenen Verschmut­ zungen vergiftet werden.For this reason, the combustion gases together with NH 3 have been passed over metal oxide catalysts at temperatures below 500 ° C., thus catalytically activating the reduction reaction. This process is particularly costly. All combustion gases have to be led over the catalytic converters. Certain dwell times must be observed. The amounts of catalyst used are therefore very large. In addition, the service lives of the catalysts are short, since they are poisoned by contaminants present in the combustion gases.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Ent­ stickung so zu führen, daß sowohl Katalysatoreinrichtungen, über die der gesamte Verbrennungsgasstrom geführt werden müßten, nicht mehr erforderlich sind, als auch die bei der Einführung von NH3 in die Verbrennungsgase störenden Temperaturzwänge nicht mehr bestehen. In contrast, the invention has for its object to perform the denitrification in such a way that both catalytic devices, over which the entire combustion gas flow would have to be passed, are no longer required, and the temperature constraints which are disruptive when NH 3 is introduced into the combustion gases no longer exist .

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Kennzeichen der An­ sprüche 1 bis 5, einzeln oder im Kombination.The solution to this task results from the characteristics of the To sayings 1 to 5, individually or in combination.

Technologische Erläuterungen der ErfindungTechnological explanations of the invention

Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß durch NH2/NH-Radikale Stick­ stoffoxid NO direkt in Stickstoff N2 überführt werden. Es laufen dabei Reaktionen, bei denen NH2-/NH-Radikale und Stickstoffoxid, NO, direkt in Stickstoff, N2, überführt werden:The invention makes use of the fact that nitrogen oxide NO can be converted directly into nitrogen N 2 by NH 2 / NH radicals. There are reactions in which NH 2 - / NH radicals and nitrogen oxide, NO, are converted directly into nitrogen, N 2 :

NH2 + NO = N2 + H2O,
NH + NO = N2 + OH.
NH 2 + NO = N 2 + H 2 O,
NH + NO = N 2 + OH.

Diese beiden homogenen Gasreaktionen sind temperaturunabhängig. Es ist somit möglich, auch in niedrigen Temperaturgebieten Stickstoffoxid ohne direkten Einsatz von Katalysatoren in den Verbrennungsgasen zu mindern. Da NH2-/NH-Radikale nicht stabil sind, daher werden sie nach ihrer Bildung aus stabilen Ausgangsverbindungen auf möglichst kürzestem Wege in die Verbrennungsgase eingedüst.These two homogeneous gas reactions are independent of temperature. It is therefore possible to reduce nitrogen oxide even in low temperature areas without the direct use of catalysts in the combustion gases. Since NH 2 - / NH radicals are not stable, they are injected into the combustion gases in the shortest possible way after their formation from stable starting compounds.

Die Temperaturen bei der direkten Eindüsung von NH3 in die Verbren­ nungsgase bzw. die notwendigen hohen Katalysatorenmengen bei der gleichzeitigen Führung von NH3 und Verbrennungsgasen über Katalysa­ toren werden durch die Erfindung vermieden. Erfindungsgemäß ist die Bildung der selektiv wirkenden Reduktionsmittel NH2 und NH und damit die Aktivierung der Ausgangsstoffe aus den Verbrennungsgasen heraus­ genommen und in einen vorgeschalteten Prozeß verlagert. Die Aus­ gangsstoffe werden nicht mehr in den Verbrennungsgasen aktiviert. Dadurch sind z. B. keine hohen OH-Konzentrationen mehr im Verbren­ nungsgas notwendig bzw. brauchen die Verbrennungsgase nicht mehr insgesamt über die Katalysatoren geführt zu werden. Nur die Aus­ gangsverbindungen müssen aktiviert werden. Als Ausgangsverbindungen können wie erwähnt nicht nur NH3, sondern auch andere Stickstoff- Wasserstoffverbindungen eingesetzt werden. Zum Beispiel können ge­ sättigte acyklische Azane oder auch ungesättigte acyclische Azene ver­ wendet werden.The temperatures during the direct injection of NH 3 into the combustion gases or the necessary high amounts of catalysts when simultaneously guiding NH 3 and combustion gases over catalysts are avoided by the invention. According to the invention, the formation of the selectively acting reducing agents NH 2 and NH and thus the activation of the starting materials is removed from the combustion gases and shifted into an upstream process. The raw materials are no longer activated in the combustion gases. This z. B. no more high OH concentrations in the combustion gas necessary or the combustion gases no longer need to be passed over the catalysts. Only the output connections need to be activated. As mentioned, not only NH 3 , but also other nitrogen-hydrogen compounds can be used as starting compounds. For example, saturated acyclic azanes or unsaturated acyclic azenes can be used.

Bei der katalytischen Aktivierung können Metall- und/oder Metall­ oxidkatalysatoren eingesetzt werden. Die Katalysatoren sind dabei möglichst nahe an den Austrittsdüsen angeordnet. Bei der photo­ chemischen Aktivierung der Ausgangsverbindungen, z. B. durch die ReaktionenIn the catalytic activation, metal and / or metal oxide catalysts are used. The catalysts are there arranged as close as possible to the outlet nozzles. At the photo chemical activation of the starting compounds, e.g. B. by the Reactions

NH3 + h Y = NH2 + H bzw.
NH3 + h Y = NH + H2,
NH 3 + h Y = NH 2 + H or
NH 3 + h Y = NH + H 2 ,

sollten die Bestrahlungseinrichtungen ebenfalls möglichst nahe an den Austrittsdüsen angeordnet sein. Mengengemäß sind für jedes ab­ zubauende NO-Molekül ein NH2- bzw. ein NH-Molekül notwendig. Da aber bei der Aktivierung unvermeidbar die Reaktion NH + NH = N2 + H2 abläuft, und eine vollständige Umwandlung der Ausgangsstoffe in NH2 und NH nicht stattfindet, ist es notwendig, mit einem gewissen Über­ schuß bezogen auf die Anzahl der abzubauenden NO-Moleküle zu arbei­ ten. Eine Regelung des Verhältnisses von NH2 bzw. NH im Gemisch zu NO in Abhängigkeit der NO-Konzentration ist von Vorteil, um den Ver­ brauch der Ausgangsverbindungen zu minimieren.the radiation devices should also be arranged as close as possible to the outlet nozzles. In terms of quantity, one NH 2 or one NH molecule is necessary for each NO molecule to be degraded. However, since the NH + NH = N 2 + H 2 reaction inevitably takes place during activation and there is no complete conversion of the starting materials into NH 2 and NH, it is necessary to use a certain excess in relation to the number of NO Working molecules. Regulation of the ratio of NH 2 or NH in the mixture to NO as a function of the NO concentration is advantageous in order to minimize the consumption of the starting compounds.

Da für die Minderungsreaktionen eine optimale Mischung von Ver­ brennungsgas und NH2/NH-Gemisch wichtig ist, kann das Gemisch nicht nur direkt, sondern auch mittels eines Trägergases aufgegeben werden. Als Trägergas können sowohl Luft als auch rückgeführte Rauchgase eingesetzt werden.Since an optimal mixture of combustion gas and NH 2 / NH mixture is important for the reduction reactions, the mixture can be applied not only directly but also by means of a carrier gas. Both air and recirculated flue gases can be used as the carrier gas.

Bei der Eindüsung von NH2-/NH-Gemischen ist man bei der NO-Minde­ rung temperaturunabhängig. Somit kann an beliebiger Stelle eingedüst werden. Um jedoch NO-Neubildung zu vermeiden, sollten die Tempera­ turen der Verbrennungsgase an der Eindüsstelle unter 1100°C liegen.When injecting NH 2 / NH mixtures, the NO reduction is independent of temperature. It can therefore be injected at any point. However, in order to avoid new NO formation, the temperatures of the combustion gases at the injection point should be below 1100 ° C.

Claims (5)

1. Verfahren zur Minderung des Stickoxidgehaltes von Verbrennungs­ gasen, insbesondere von Rauchgasen aus Kraftwerksfeuerungen, unter Verwendung von NH3 oder anderen Stickstoff/Wasserstoffverbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das NH3 und/oder die anderen Stickstoff/Wasser-Verbindungen in NH2 oder NH umgewandelt und diese Radikale einzeln oder in Mischung in die Ver­ brennungsgase eingeführt werden, wo sie katalysatorfrei reagieren.1. A method for reducing the nitrogen oxide content of combustion gases, in particular flue gases from power plant furnaces, using NH 3 or other nitrogen / hydrogen compounds, characterized in that first the NH 3 and / or the other nitrogen / water compounds in NH 2 or NH converted and these radicals are introduced individually or as a mixture into the combustion gases, where they react without a catalyst. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Radi­ kale oder die Mischungen der Radikale unmittelbar nach der Bildung auf möglichst kurzem Wege in die Verbrennungsgase eingeführt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the radi kale or the mixtures of radicals immediately after formation be introduced into the combustion gases in the shortest possible way. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Radikale katalytisch hergestellt werden.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized net that the radicals are produced catalytically. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Radikale photomechanisch hergestellt werden.4. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in net that the radicals are produced photomechanically. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Radikale oder die Mischungen der Radikale in bezug auf die Entstickungsreaktionen in stöchiometrischem Überschuß eingeführt werden.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in net that the radicals or the mixtures of the radicals with respect the denitrification reactions introduced in stoichiometric excess will.
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