DE3882236T2 - Reaktor zur verminderung des gehaltes an stickstoffoxiden und schwefeloxiden in abgasen. - Google Patents
Reaktor zur verminderung des gehaltes an stickstoffoxiden und schwefeloxiden in abgasen.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor zur Verminderung des Gehaltes an Stickstoffoxiden und Schwefeloxiden in Verbrennungsgasen, wobei dieser Reaktor eine Nachverbrennungskammer enthält, die mit einer Verbrennungskammer zu verbinden oder dieser nachzuschalten ist.
- Die Verbrennungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist von dem Typ, der in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist und die darin angeführten Merkmale aufweist.
- Ein Hauptproblem bei der Verbrennung von flüssigen und festen Brennstoffen ist der Gehalt an Schwefeloxiden und Stickstoffoxiden, die in den Abgasen vorhanden sind. Es sind daher viele Versuche unternommen worden, diesen Oxidgehalt sowohl durch eine Abgasreinigung als auch durch eine katalytische Behandlung der Abgase zu reduzieren.
- Die Erfindung basiert auf der Einsicht, daß es möglich ist, den Gehalt an Stickstoffoxiden und Schwefeloxiden um ein beträchtliches Ausmaß zu vermindern, wenn es sichergestellt ist, daß geeignete Oxidations- und Temperaturbedingungen in dem Durchgangsweg zwischen der Verbrennungskammer und dem Kamin vorherrschen.
- Das schwedische Patent 78 04 761-0 (SE-B-413,158) offenbart eine Vorrichtung zur Verbrennung einer Mischung aus gasförmigem oder teilchenförmigem, brennbarem Material und Verbrennungsluft. Diese Vorrichtung wird zum Verbrennen verschiedener gasförmiger oder teilchenförmiger Materialien, die Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen enthalten, benutzt, und zwar in einer solch kompletten Weise, daß die emittierten Verbrennungsgase praktisch frei sind von Ruß, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffrückständen. In der Patentschrift wird jedoch nicht festgestellt, daß die Vorrichtung zur Verminderung des Gehalts an Stickstoffoxiden und Schwefeloxiden in Verbrennungsgasen verwendet werden kann.
- Die US-A-4,481,889 offenbart ein Verfahren zum Nachverbrennen von Abgasen, indem die ungereinigten Gase durch einen Brenner in einen Nachbrenner geleitet werden, in dem die Abgase dadurch, daß sie tatsächlich mit einem Verbrennungsgas gemischt werden, einer vollständigen Verbrennung unterworfen werden. In diesem Prozeß werden die brennbaren Gase in der Weise zugeführt, daß sie eine Nachverbrennung der Abgase herbeiführen.
- Die DE-A-3,014,590 offenbart eine Vorbrennkammer für einen öl- oder gasgefeuerten, gebläsegestützten Brenner. Diese Vorbrennkammer dient dazu, die erzeugte Flamme zu formen und sie vor dem Eintreten in die Brennkammer zu verzögern. Diese Vorrichtung dient somit als ein Zwischenglied zwischen dem Brenner und der Brennkammer, dagegen nicht als Reaktor zur Verminderung des Gehalts an Stickstoffoxiden und Schwefeloxiden in den Brenngasen.
- Die Erfindung wird nun nachfolgend in größerem Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zwei Ausführungsformen der Vorrichtung gemaß der Erfindung veranschaulichen.
- Fig.1 ist ein Vertikalschnitt, der schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors zeigt.
- Fig.2 ist ein Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1.
- Fig.3 ist ein Vertikalschnitt, der eine Verbrennungsanlage zeigt, die eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors verwendet, und
- Fig.4 zeigt noch eine andere Ausführungsform eines Reaktors gemäß der Erfindung.
- Die in Fig.1 gezeigte Anordnung enthält einen Reaktor zur Verminderung des Gehalts an Stickstoffoxiden und Schwefeloxiden in Verbrennungsgasen bzw. Verbrennungs- Abgasen. Der Reaktor besitzt ein Gehäuse oder eine Wand 10 mit einem hauptsächlich vertikalen, im wesentlichen zylindrischen Mantel 11 und einem kuppel- bzw. kalottenförmigen Auslaufende (Auslaßende) 12, das damit verbunden ist. Das kalottenförmige Auslaufende besitzt eine zentrale Austragsöffnung (Auslaßöffnung) 13. Das entgegengesetzte Ende des Mantels 11 bildet ein Einlaßende 14. Innerhalb des Gehäuses 10 ist eine konische Trennwand 15 vorgesehen, deren Spitze in Richtung auf die Austragsöffnung 13 gerichtet ist und die in einer Weise auf Stützelementen 16 angeordnet ist, daß ein Ringspalt 17 zwischen der Trennwand 15 und dem Gehäuse 10 gebildet ist. An Stelle eines Ringspalts kann die Verbindung zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Gehäuses 10 in Form von wenigstens zwei Kantenaussparungen sein, die um den Umfang der Trennwand herum verteilt sind, wie es in geeigneter Weise in SE-B-413,158 offenbart ist, die unter Bezugnahme eingeschlossen ist. Am Boden des Reaktors ist ein Einlauftrichter 18 vorgesehen, der Abgase von einer Verbrennungskammer (nicht gezeigt) in den Reaktor leitet, so daß die Abgase mit einer geeigneten hohen Geschwindigkeit eingeführt und in Richtung auf die konische Innenseite der Trennwand 15 gerichtet werden. Um das Gehäuse 10 herum ist ein weiteres Gehäuse oder eine weitere Wand 20 vorgesehen, das/die im wesentlichen dieselbe Form wie das Gehäuse 10, jedoch größere Abmessungen aufweist, so daß ein Spalt bzw. Zwischenraum 21 zwischen den Gehäusen 10 und 20 gebildet ist. Das Gehäuse 10 ist exzentrisch im Gehäuse 20 angeordnet. Das Gehäuse 20 kann aus einem wärmeisolierendem bzw. wärmedämmenden Material bestehen, kann aber auch von einein solchen Material umgeben sein. In der veranschaulichten Ausführungsform wird eine äußere Wärmeisolation 22 für das Gehäuse 20 benutzt. Der Spalt 21 zwischen den beiden Gehäusen ist am Boden mit einem ringförmigen Sammelkasten 23 verbunden, der an ein Auslaßrohr 24, z. B. einen Kamin, angeschlossen ist.
- Im Spalt 21 zwischen den beiden Gehäusen ist ein Wärmetauscher (nicht im einzelnen dargestellt) zum Vorwärmen von Sekundärluft vorgesehen. In der Ausführungsform gemäß Fig.1 wird jedoch Sekundärluft durch einen Ringraum 40 zugeführt, der zwischen dem Gehäuse 20 und der äußeren Wärmeisolation 22 gebildet ist. Die vorgewärmte Sekundärluft wird durch einen Sekundärlufteinlaß 25 in den Raum zwischen den beiden Gehäusen mit einigem Abstand von der Austrittsöffnung 13 eingespeist.
- Zwischen der Unterkante des Einlaßendes 14 des inneren Gehäuses 10 und dem Einlaßtrichter 18 ist ein Ringspalt 19 zur Abscheidung von Ascheteilchen ausgebildet, die in der Nachverbrennungskammer 10 abgetrennt (abgeschieden) oder während der Verbrennung darin gebildet sind.
- Bei der Verwendung der Anordnung gemäß den Fig.1 und 2 ist es vorteilhaft, die Abgase aus der Verbrennungskammer mit einer Maximalgeschwindigkeit von 2 m/s in den Einlaßtrichter 18 eintreten zu lassen. Durch die konische Form des Einlaßtrichters wird die Gasgeschwindigkeit erhöht und werden die Gase in Richtung auf die Innenseite der konischen Trennwand 15 gerichtet. Als ein Ergebnis der intensiven Turbulenz im Raum unterhalb der konischen Trennwand wird restliches Kohlenmonoxid in Kohlendioxid oxidieren, und diese Oxidation wird sich im Raum oberhalb der Trennwand fortsetzen. Von der Austragsöffnung 13 gelangen die Abgase in den Spalt zwischen den Gehäusen 10 und 20, wo eine Nachverbrennung und eine Behandlung der Schwefeloxide und Stickstoffoxide unter der Wirkung der vorgewärmten Sekundärluft durchgeführt wird, die durch den Sekundärlufteinlaß 25 zugeführt und vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 700 ºC erwärmt worden ist. Durch die exzentrische Anordnung wird sowohl eine intensive Mischung erreicht als auch eine Kompression, die abwechselt mit einer Expansion der Abgase, die sich schraubenlinienförmig nach unten zum Sammelkasten 23 bewegen, bevor sie zum Auslaßrohr oder Kamin 24 mit einer Temperatur von etwa 900 ºC ausströmen.
- Das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung basiert auf Versuchen mit einer idealen Turbulenz für eine abschließende Oxidation aller Kohlenwasserstoffmaterialien mit einem gesteuerten niedrigen Partialdruck in der Gasphase, um eine ausreichende Kontaktzeit mit heißen katalytischen Kontaktflächen zu erreichen. Die heißen Kontaktflächen bestehen anfangs aus dem Material in der Trennwand 15. Hinter dieser konkaven Trennwand ist somit eine schwächere Turbulenz in einer reduzierenden Atmosphäre, um die notwendige Erzeugung von Kohlenmonoxid für den Prozeß zu erreichen, z. B. zur Verminderung des Schwefelgehalts in den Verbrennungsgasen. Bei stöchiometrischer Verbrennung und entsprechend den nachfolgenden Formeln lagert sich Schwefel durch mehr als 90 % als Schwefeltröpfchen ab, die während des Abkühlens sublimiert worden sind. Da die Nachverbrennungskammer in vertikaler Richtung aufgebaut ist, wird der sublimierte Schwefel zusammen mit anderen Teilchen automatisch durch den Spalt zwischen dem Einlaßtrichter 18 und dem Einlaßende 14 in das Aschebett gelangen.
- Wenn die Nachverbrennungskammer in Großanlagen verwendet wird, wird die Formel
- 2 CO + SO&sub2; S + 2 CO&sub2;
- angewendet.
- Für Anlagen mit überstöchiometrischer Verbrennung werden die Formeln
- CO + O&sub2; CO + CO&sub2; und
- SO&sub2; + CO + H&sub2;O H&sub2;S + CO und
- SO&sub2; + H&sub2;S S + H&sub2;O angewendet.
- Falls die Gase, die nach Nachverbrennungskammer eintreten, eine Temperatur von 900 ºC und eine Strömungsgeschwindigkeit von höchstens 2 m/s aufweisen, ist es möglich, im wesentlichen ruß- und teilchenfreie Abgase zu erreichen, wenn eine katalysierende Oberfläche auf der konischen Trennwand 15 und auf anderen Kontaktflächen vorhanden ist, die auf die Verbrennungsgase einwirken.
- Die verschiedenen Formeln, die die Verbrennungskammer betreffen, ergeben sich aus dem folgenden.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie in Fig.3 veranschaulicht ist, besitzt im wesentlichen dieselbe Konstruktion wie die in Fig.1. Die Vorrichtung in Fig.3 ist zusammen mit einer Verbrennungsanlage der Type gezeigt, die in dem schwedischen Patent 78 04 761-0 (SE- B-413,158) offenbart ist. Für eine detailliertere Beschreibung dieser Anordnung wird auf die genannte Patentschrift verwiesen, die durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Die Vorrichtung in Fig.3 ist allgemein mit 30 bezeichnet. Hinter dieser Verbrennungsvorrichtung befindet sich eine weitere Brennkammer 31, in der schädlicher bzw. giftiger Abfall oder feste Brennstoffe, z. B., verbrannt werden können. Aus dieser Brennkammer oder aus diesem Ofen 31 strömen die Verbrennunsgase bzw. Verbrennungsabgase durch einen Spalt 32 hinauf zum Einlaßtrichter 18 und in die Nachverbrennungskammer gemäß der Erfindung. Der Spalt 32 ist zwischen der Verbrennungsvorrichtung 30 und einer wärmeisolierten Ofenwand 33 ausgebildet. Am unteren Ende des Raumes, der durch die Ofenwand 33 gebildet ist, befindet sich ein Ascheauslaß 34. Da die Nachverbrennungskammer oder der Reaktor in Fig.3 im wesentlichen wie in Fig.1 gestaltet ist, sind äquivalente Teile mitdenselben Bezugszahlen versehen worden. In der in Fig.3 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich die Trennwand 15 so weit wie die Innenseite der zylindrischen Mantelfläche 11, und Kantenaussparungen sind vorgesehen, die sich schräg durch die Trennwand 15 in der Nähe der Mantelfläche erstrecken, so daß der Durchgang zwischen dem Raum unterhalb der Trennwand und dem Raum oberhalb den Abgasen eine schraubenlinienförmige Bewegung auferlegt, wenn sie in die obere Kammer oberhalb der Trennwand 15 eintreten.
- Fig.4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors. Korrespondierende Teile sind mit denselben Bezugszahlen versehen worden. Der wesentliche Unterschied zwischen den Ausführungsformen von Fig.1 und Fig.4 ist die Art der Zuführung von Sekundärluft durch einen Sekundärlufteinlaß 45. In dieser Ausführungsform besteht der Sekundärlufteinlaß 45 aus einem Spalt zwischen zwei konischen Wänden 40, 41. Dieser Spalt bzw. Zwischenraum wird gespeist mit Sekundärluft, die in irgendeiner geeigneten Weise vorgewärmt worden sein kann. Die Luft wird entweder durch den Spalt 45 geblasen oder dort hindurchgesaugt als Ergebnis des Ejektoreffekts, der durch die Abgase erzeugt wird, die durch den Einlaßtrichter 18 in den Reaktor eintreten.
- In der Ausführungsform der Fig.4 ist die konische Trennwand 15 in einer Art und Weise gestaltet, wie sie in der oben erwähnten SE-B-413,158 gezeigt ist, was bedeutet, daß dort wenigstens zwei Durchgangspassagen 17 vorgesehen sind, die durch Kantenaussparungen gebildet sind, die um den Umfang der Trennwand herum verteilt sind und sich schräg dort hindurcherstrecken, so daß den Abgasen ein Turbulenzeffekt auferlegt wird, wennsie zwischen der Einlaßkammer und der Auslaßkammer hindurchströmen.
- Der erfindungsgemäße Reaktor kann in vorteilhafter Weise auch in Verbrennungsanlagen benutzt werden, die mit einem fluidisierten Brennstoffbett arbeiten. I. UNVOLLSTÄNDIGE VERBRENNUNG Öl Gas Sauerstoff Kohlenmonoxide Wasserdampf II. UMWANDLUNG Kohlenmonoxid Wasserdampf Kohlendioxid Wasserstoff METHANISIERUNG Kohlenmonoxid Wasserstoffgas Methan Wasserdampf III. VOLLSTÄNDIGE VERBRENNUNG Öl Gas Kohlenmonoxid Wasserstoffgas Methan Sauerstoff Sauerstoffgas Kohlendioxid Wasserdampf Schwefel Sauerstoff Schwefeldioxid
- Alternative Reaktion mit einem Überschuß an O&sub2; und H&sub2;O:
- C + O&sub2; CO + CO&sub2;
- SO&sub2; + CO + H&sub2;O H&sub2;S + CO&sub2;
- SO&sub2; + H&sub2;S S + H&sub2;O
Claims (6)
1. Reaktor zur Verminderung des Gehaltes an
Stickstoffoxiden und Schwefeloxiden in Abgasen, umfassend eine
mit einer Verbrennungskammer zu verbindende oder einer
Verbrennungskammer nachzuschaltende
Nachverbrennungskammer, wobei der Reaktor folgende Komponenten umfasst:
ein Gehäuse (10) mit einem hauptsächlich vertikalen,
im wesentlichen zylindrischen Mantel (11), der ein mit der
Verbrennungskammer verbundenes Einlaufende (18) und ein
entgegengesetztes Auslaufende (12) aufweist, das
hauptsächlich kalottenförmig ist und eine zentrale
Austragsöffnung (13) aufweist, wobei das Gehäuse (10) ferner eine
Trennwand (15) aufweist, die mit einem Durchlauf (17)
ausgebildet ist und das Innere des Gehäuses in eine
Einlasskammer und eine Auslasskammer aufteilt, wobei der zentrale
Abschnitt der Trennwand (15) als konischer Mantel
ausgebildet ist, dessen Aussenseite der Auslasskammer zugewandt
ist und dessen Innenseite der Einlasskammer zugewandt ist,
wobei der Durchlauf (17) der Trennwand (15) entweder die
Form eines Spalts (17) zwischen der Trennwand und dem
zylindrischen Mantel (11) oder die Form von zumindest zwei
am Umfang der Trennwand verteilten Kantenaussparungen hat,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine wärmegedämmte Wand (20) das Gehause (10)
umschliesst und sich im Abstand davon befindet, und
ein Sekundärlufteinlass (25, 45) entweder in den Raum
(21) zwischen der wärmegedämmten Wand (20) und dem Gehäuse
(10) im Abstand von der zentralen Austragsöffnung (13) der
Auslasskammer oder in die Einlasskammer des Gehäuses (10)
mündet,
wobei der Raum (21) zwischen dem Gehäuse (10) und der
wärmegedämmten Wand (20) im Bereich des Einlaufendes des
Gehäuses (10) mit einem Auslassrohr (24) verbunden ist,
wobei die Verbindung zwischen der Verbrennungskammer
und der Einlasskammer des Reaktors die Form eines konisch
sich verjüngenden, in die Einlasskammer sich erstreckenden
Einlauftrichters (18) hat, wobei ein ringförmiger Spalt
zum Ausscheiden von Ascheteilchen zwischen dem
Einlauftrichter und dem Einlassende (14) des Gehäuses (10)
abgegrenzt ist.
2. Reaktor nach Anspruch 1, bei dem sich die
Kantenaussparungen der Trennwand (15) schräg durch die Trennwand
in der Nahe des zylindrischen Mantels erstrecken.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest
einer der Teile, d.h. der zylindrische Mantel (11), das
kalottenförmige Auslaufende (12) und die Trennwand (15),
ein Material enthält, das die Fähigkeit hat, die Oxidation
von Kohlenstoff und Kohlenstoffverbindungen zu
katalysieren.
4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem ein
Sekundärlufterhitzer (40) zum Vorwärmen der dem
Sekundärlufteinlass zugeführten Sekundärluft vorgesehen ist.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem der
Sekundärlufteinlass (45) an der Mündung des konisch sich
verjüngenden Einlauftrichters (18) der Einlasskammer mündet.
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem die
wärmegedämmte Wand (20) zylindrisch ist und das Gehäuse
(10) im Verhältnis zur wärmegedammten Wand exzentrisch
angeordnet ist.
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