1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zur Abgasbehandlung, die eingesetzt werden kann, um
Stickstoffoxide (im folgenden "NOx" genannt) aus dem Abgas eines
Dampfkessels, einer Gasturbine, eines Dieselmotors, eines
Verbrennungsofens, eines Veraschungsofens o. dgl. zu
entfernen.
2. Beschreibung der einschlägigen Technik
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Fig.7 zeigt ein Stoffflußbild einer herkömmlichen Anlage zur
Behandlung von Abgasen aus einem kohle- oder ölbefeuerten
Dampfkessel.
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Der Brennstoff Kohle wird vorübergehend in einem Kohlebunker
1 gelagert und dann einer Kohlefeinmahlanlage 2 zugeführt.
Danach wird die Kohle in dieser Kohlefeinmahlanlage 2 zu
Körnern mit einem für die Verbrennung in einem Dampfkessel 3
geeigneten Körnerdurchmesser feingemahlen, der im allgemeinen
so ist, daß ungefähr 80 % der Kohlekörner ein Sieb der
Siebnummer 200 passieren. Dann werden die Körner dem Dampfkessel
3 zugefördert. Wenn der Brennstoff schweres Heizöl ist, wird
dieses schwere Heizöl unter Druck durch eine Brennstoff-Pumpe
für schweres Heizöl 4 in den Dampfkessel 3 eingespeist.
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Ein Hochtemperatur-Verbrennungsgas, das durch die Verbrennung
des Brennstoffs in einem Verbrennungsofen des Dampfkessels 3
entsteht, gibt Wärme an den Dampfkessel 3 ab für die Dampf
zufuhr an eine Turbine, während die Gastemperatur selbst sinkt,
und das Gas wird dann bei etwa 350 ºC einer Abgas-
Denitriervorrichtung
(einer trockenarbeitenden katalytischen
Denitriervorrichtung) 5 zugeführt. In dieser Vorrichtung werden
schädliche NOx-Komponenten (die NO und NO&sub2; in einem
Verhältnis von je etwa 90 % und etwa 10 % enthalten) aus dem Abgas
entfernt. Als nächstes wird das Abgas einem Luftvorwärmer 6
zugeleitet, in dem ein Wärmeaustausch zwischen dem Abgas und
der Verbrennungsluft stattfindet, so daß die Temperatur des
Abgases auf etwa 140 ºC sinkt. Anschließend wird Staub aus
dem Abgas mittels eines elektrischen Staubsammlers 7
entfernt. Weiterhin werden in einer
Abgas-Entschwefelungsvorrichtung 8 Schwefeloxide (SOx) aus dem Abgas entfernt und das
so behandelte Abgas wird dann durch einen Kamin 9 in die
Atmosphäre ausgestoßen.
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Wie oben beschrieben erfolgt die Entfernung von NOx aus dem
Abgas durch die Verwendung der trockenarbeitenden
Denitriervorrichtung unter Einsatz eines Katalysators.
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Um NOx aus dem Abgas eines Dampfkessels, einer Gasturbine,
eines Verbrennungsofens o. dgl. zu entfernen, wurde bisher
die trockenarbeitende katalytische Denitriervorrichtung
benutzt. Bei dieser Art von trockenarbeitender katalytischer
Denitriervorrichtung sind jedoch die nachstehend genannten
Schwierigkeiten zu lösen:
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(1) Da ein für das Punktionieren eines Katalysators
geeigneter Gastemperaturbereich auf den Temperaturabschnitt zwischen
300 ºC und 400 ºC begrenzt ist, bestehen Einschränkungen
hinsichtlich des Aufstellungsortes für die Denitriervorrichtung
(üblicherweise wird sie am Auslaß eines Brennstoffvorwärmers
im Dampfkessel angeordnet) und somit bestehen Beschränkungen
hinsichtlich der Anordnung der Anlage.
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(2) Wegen der NOx-Entfernung ist es notwendig, Ammoniak in
das Abgas einzuleiten. In diesem Fall ist die Reaktion
folgende:
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4 NO + 4 NH&sub3; + O&sub2; T 4 N&sub2; + 6 H&sub2;O
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in Teil des Ammoniaks (10 % oder weniger, normalerweise 1 %
bis 3 % des zugeführten Ammoniaks) reagiert nicht, verbleibt
im Abgas und wird zusammen mit dem Abgas ausgestoßen. Deshalb
ist es nötig, Maßnahmen gegen den Ammoniakgeruch zu
ergreifen.
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(3) Bei Verwendung eines Schwefel (S) enthaltenden
Brennstoffs ist im Abgas SO&sub3; enthalten. Dementsprechend reagiert
im Temperaturbereich von 300 ºC oder darunter SO&sub3; mit
Ammoniak und bildet saures Ammoniumsulfat (Ammoniumhydrogensulfat)
was das Problem mit sich bringt, daß eine unterstromig
angeordnete Vorrichtung (z.B. ein Luftvorwärmer im Dampfkessel)
verstopft. In diesem Zusammenhang lautet die Reaktion für die
Bildung von saurem Ammoniumsulfat (Ammoniumhydrogensulfat)
folgendermaßen:
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SO&sub3; + NH&sub3; + H&sub2;O T NH&sub4;HSO&sub4;
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Um die Bildung von saurem Ammoniumsulfat
(Ammoniumhydrogensulfat) zu verhindern, ist es deshalb nötig,dem Abgas im
Temperaturbereich von 300 ºC oder darüber Ammoniak zuzuführen,
was zur Einschränkung des Betriebes der Anlage führt. Mit
anderen Worten, wenn die Abgastemperatur beim Betriebsstart des
Dampfkessels 300 ºC oder weniger beträgt, ist die Entfernung
von NOx unmöglich.
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(4) Um die Konzentration von NOx im Abgas nennenswert zu
senken, d.h. um das Denitrierverhältnis [(Einlaß-NOx - Auslaß-
NOx)/ Einlaß-NOx * 100 (%)] auf 95 % oder mehr zu bringen, ist
eine große Menge Katalysator erforderlich, was nicht
wirtschaftlich ist.
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Das heißt, daß der Einsatz einer herkömmlichen
trockenarbeitenden katalytischen Denitriervorrichtung das Entfernen von
NOx aus dem Abgas erlaubt, aber verschiedene Einschränkungen
bezüglich der Gastemperatur u. dgl. mit sich bringt. Aus
diesem Grunde ist eine Vorrichtung zur Abgasbehandlung
erwünscht, die sich sowohl durch die einfache Auslegung der
Anlage als auch die Beständigkeit der Arbeitsweise auszeichnet
und wirtschaftlich ist.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Vorrichtung zur Abgasbehandlung zu schaffen, die in der Lage ist,
die vorstehend genannten Schwierigkeiten zu lösen.
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Eine Vorrichtung zur Abgasbehandlung weist erfindungsgemäß
eine trockenarbeitende katalytische Denitriervorrichtung auf
der oberstromig gelegenen Seite des Abgases und eine Plasma-
Denitriervorrichtung auf der unterstromig gelegenen Seite der
trockenarbeitenden katalytischen Denitriervorrichtung auf.
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In der vorliegenden Erfindung ist die trockenarbeitende
katalytische Denitriervorrichtung zum wirkungsvollen Entfernen
von NOx aus einem NOx in relativ hoher Konzentration
enthaltenden Abgas zur Durchführung der Denitrierung des Abgases
auf der oberstromig gelegenen Seite des Abgases mit hoher
NOx-Konzentration angeordnet Als nächstes wird das Abgas, in
dem die NOx-Konzentration durch die Denitrierung in der
trokkenarbeitenden katalytischen Denitriervorrichtung verringert
wurde, durch die Plasma-Denitriervorrichtung denitriert, um
NOx wirkungsvoll aus dem Abgas mit relativ niedriger NOx-
Konzentration zu entfernen. Demzufolge kann gemäß der
Erfindung die Denitrierbehandlung des Abgases insgesamt
wirkungsvoll und wirtschaftlich durchgeführt werden.
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Darüber hinaus wird gemäß der Erfindung das Abgas mittels der
Plasma-Denitriervorrichtung ohne Verwendung von Ammoniak zur
Verringerung des NOx - Gehalts im Abgas auch dann denitriert,
wenn die Temperatur des Abgases zum Zeitpunkt des
Betriebsstarts einer Abgasquelle so niedrig ist, daß die Denitrierung
mittels der trockenarbeitenden katalytischen
Denitriervorrichtung unmöglich ist.
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Die Anordnung der Plasma-Denitriervorrichtung erlaubt es, das
Denitrierverhältnis in der trockenarbeitenden katalytischen
Denitriervorrichtung zu verkleinern, anders als in dem Fall,
wo die trockenarbeitende katalytische Denitriervorrichtung
allein angeordnet ist. Diese Konfiguration ermöglicht eine
Reduzierung der benötigten Katalysatormenge.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
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Fig. 1 ist ein Stoffflußbild des ersten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 zeigt ein Diagramm und grafische Darstellungen zur
Erläuterung beispielhafter NOx-Konzentrationen und
Gastemperaturen im ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, wenn als
Brennstoff schweres Heizöl verwendet wird;
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Fig. 3 ist ein Stoffflußbild des zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 4 ist eine grafische Darstellung von NOx-Konzentrationen
und Gastemperaturen zum Zeitpunkt des Betriebsstarts eines
Dampfkessels im vorstehend erwähnten ersten
Ausführungsbeispiel und in einem herkömmlichen Fall;
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Fig. 5 ist eine grafische Darstellung der Katalysatormenge in
einer trockenarbeitenden katalytischen Denitriervorrichtung
und einer Denitriergeschwindigkeit;
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Fig. 6 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen
der NOx-Konzentration und der Denitriergeschwindigkeit in
einer Plasma-Denitriervorrichtung; und
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Fig. 7 ist ein Stoffflußbild einer herkömmlichen Vorrichtung
zur Behandlung von Abgas aus einem kohle- oder ölbefeuerten
Dampfkessel.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSFORMEN
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Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 1 und 2
entsprechend dem ersten Beispiel beschrieben.
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Im ersten Beispiel wird eine Hybrid-Denitriervorrichtung
verwendet, die eine Kombination aus einer trockenarbeitenden
katalytischen Denitriervorrichtung 5 und einer
Plasma-Denitriervorrichtung 10 aufweist, und diese Art von Hybrid-
Denitriervorrichtung kann bei einem Dampfkessel eines in Fig.
dargestellten Typs angewendet werden. In Fig. 1 sind für
die jeweiligen Teile eines Dampfkessels 3 dieselben
Bezugszeichen vergeben wie in Fig. 7, und es wird deshalb auf eine
Beschreibung dieser Teile verzichtet.
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Im ersten Beispiel ist die trockenarbeitende katalytische
Denitriervorrichtung 5, die zum Denitrieren eines Abgases
diesem Ammoniak zuführt, zwischen dem Abgasauslaß des
Dampfkessels 3 und einem Luftvorwärmer 6 angeordnet. Ferner ist die
Plasma-Denitriervorrichtung 10 zwischen einem elektrischen
Staubsammler 7 auf der unterstromig gelegenen Seite des
Luftvorwärmers 6 und einer Abgas-Entschwefelungsvorrichtung 8 auf
der unterstromig gelegenen Seite des elektrischen
Staubsammlers 7 angeordnet. Das von der
Abgas-Entschwefelungsvorrichtung 8 kommende Abgas wird durch einen Kamin 9 in die
Atmosphäre
ausgestoßen.
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Die trockenarbeitende Denitriervorrichtung 5 führt dem Abgas
Ammoniak (NH&sub3;) zu, und NOx im Abgas wird zum Beispiel in N&sub2;
und H&sub2;O entsprechend der Formel
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4 NO + 4 NH&sub3; + O&sub2; T 4 N&sub2; + 6 H&sub2;O
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mittels eines Katalysators zerlegt, mit dem ein Reaktionsraum
der Denitriervorrichtung gefüllt ist.
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Ferner erzeugt die vorstehend genannte
Plasma-Denitriervorrichtung 10 Plasma im Abgas mit Hilfe eines
Plasmagenerators, der an eine Quelle hochfrequenten Wechselstroms
angeschlossen ist und ein Paar Elektroden aufweist, wodurch NOx
im Abgas zum Beispiel in N&sub2; und O&sub2; entsprechend der folgenden
Formel
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2 NO T N&sub2; + O&sub2;
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zerlegt wird.
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In diesem Beispiel wird das vom Dampfkessel 3 ausgestoßene
Verbrennungsabgas an die trockenarbeitende katalytische
Denitriervorrichtung 5 abgegeben. Die erste wirkungsvolle
Entfernung von NOx aus dem Abgas wird von der trockenarbeitenden
katalytischen Denitriervorrichtung 5 durchgeführt (z. B.
werden 60 % von 100 ppm auf 40 ppm denitriert), die aus dem NOx
in relativ hoher Konzentration enthaltenden Abgas NOx
wirkungsvoll entfernen kann. Anschließend wird das Abgas zur
Plasma-Denitriervorrichtung 10 durch den Luftvorwärmer 6 und
den elektrischen Staubsammler 7 hindurch weitergeleitet. In
der Plasma-Denitriervorrichtung 10, die aus dem NOx in
relativ niedriger Konzentration enthaltenden Abgas NOx
wirkungsvoll entfernen kann, wird die zweite, d.h. die endgültige
Entfernung von NOx aus dem Abgas wirkungsvoll durchgeführt
(z.B. werden 80 % von 40 ppm auf 8 ppm denitriert).
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Das Abgas, aus dem auf diese Weise NOx entfernt wurde, wird
dann einer Behandlung zur SOx-Entfernung in der Abgas-
Entschwefelungsvorrichtung 8 unterzogen ünd dann durch den
Kamin 9 in die Atmosphäre ausgestoßen.
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Bei dieser Ausführungsform ist in Fig.2 ein typisches
Beispiel dargestellt, in dem schweres Heizöl in Dampfkessel 3
verbrannt wird.
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Das Abgas mit NOx = 100 ppm am Auslaß A des Dampfkessels 3
wird auf 60 % [(Pfad I), NOx = 40 ppm (Stelle B)] durch die
trockenarbeitende katalytische Denitriervorrichtung 5
denitriert, die NOx aus dem NOx in relativ hoher Konzentration
enthaltenden Abgas wirkungsvoll entfernen kann, und das Gas
wird dann aus der Denitriervorrichtung 5 ausgestoßen.
Anschließend wird das Gas von 350 ºC auf 140 ºC mittels des
Luftvorwärmers 6 gekühlt und dann der
Plasma-Denitriervorrichtung 10 zugeführt (Stelle C), die NOx aus dem NOx in
relativ niedriger Konzentration enthaltenden Abgas
wirkungsvoll entfernen kann. In dieser Vorrichtung 10 wird das Abgas
weiter denitriert[( Pfad II), NOx = 8 ppm (Stelle D)], und
dann aus der Denitriervorrichtung 10 abgegeben. Wie aus dem
Vorstehenden ersichtlich, kann die
Hybrid-Denitriervorrichtung, die aus den zwei Denitriervorrichtungen 5 und 10
besteht, ein Denitrierverhältnis von 92 %, d.h. von 100 ppm
NOx auf insgesamt 8 ppm, auf wirtschaftliche Weise erreichen.
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Falls die herkömmliche trockenarbeitende Denitriervorrichtung
allein angeordnet ist, wird die Denitrierung im Bereich der
Stelle A bis zur Stelle E (Pfad III) entsprechend Fig. 2
mittels der trockenarbeitenden katalytischen
Denitriervorrichtung durchführt. Wenn ein großes Denitrierverhältnis (z.B.
80 %) mittels der trockenarbeitenden Denitriervorrichtung
erreicht werden soll, steigt gemäß Fig. 5 die nötige
Katalysatormenge unverhältnismäßig zum Denitrierverhältnis an.
Folglich ist viel Katalysator erforderlich. Wenn die
trockenarbeitende katalytische Denitriervorrichtung allein angeordnet
ist, ist somit die Katalysatormenge zu groß und die Kosten
der Anlage steigen. Darüber hinaus nimmt auch der Platzbedarf
für die Aufstellung der Vorrichtung und des Katalysators zu.
In einem bestimmten Fall wäre die Aufstellung einer Anlage
unmöglich.
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Dagegen kann im ersten Beispiel der Erfindung die
trockenarbeitende katalytische Denitriervorrichtung 5 das Abgas von
100 ppm NOx auf 40 ppm denitrieren, und daher die
Katalysatormenge nennenswert verringert werden, wodurch die
Investition für die Anlage gesenkt und ihr Platzbedarf verringert
werden können.
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Andererseits weist gemäß Fig. 6 die
Plasma-Denitriervorrichtung das Merkmal auf, mit dem ein hohes Denitrierverhältnis
im Bereich einer niedrigen NOx-Konzentration erreicht werden
kann. Bei diesem ersten Beispiel wird das Abgas zuerst einer
Denitrierbehandlung in der trockenarbeitenden katalytischen
Denitriervorrichtung 5 unterzogen. Dadurch verringert sich,
gemäß Fig.2, die NOx-Konzentration auf beispielsweise 40 ppm.
Anschließend wird das Abgas in der
Plasma-Denitriervorrichtung 10 weiter denitriert, die zur Nachbehandlung
benutzt wird, wodurch NOx aus dem Abgas wirkungsvoll und
endgültig entfernt wird.
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Fig. 4 zeigt NOx-Konzentration und Gastemperaturen zum
Zeitpunkt des Betriebsstarts des Dampfkessels. Wie oben
beschrieben, kann die Denitrierung in der trockenarbeitenden
Denitriervorrichtung bei einer Abgastemperatur von 300 ºC
oder darunter nicht durchgeführt werden , damit die
Entstehung von saurem Ammoniumsulfat (Ammoniumhydrogensulfat) aus
Ammoniak verhindert wird.
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Deshalb ist, wie in Fig. 4 dargestellt, ein Zeitabstand
zwischen der Kesseleinschaltung und dem Betriebsstart der
trokkenarbeitenden katalytischen Denitriervorrichtung (
Einleitung von Ammoniak) nötig. Wenn die trockenarbeitende
katalytische Denitriervorrichtung allein angeordnet ist, kann aus
diesem Grunde die Nitrierung während dieses Zeitintervalls
nicht durchgeführt werden. Das bedeutet, daß die
NOx-Konzentration - wie in Fig. 4 durch eine Kurve (i)
veranschaulicht - im abzuleitenden Abgas während eines Zeitraums (iii)
ansteigt, in dem die Zufuhr von Ammoniak noch möglich gemacht
werden sollte.
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Dagegen wird bei diesem ersten Beispiel die
Plasma-Denitriervorrichtung, die kein Ammoniak benutzt, zum Zeitpunkt des
Betriebsstarts des Dampfkessels betrieben und daher kann die
Entfernung von NOx ab dem Augenblick des Betriebsstarts des
Dampfkessels ausgeführt werden. Wie in Fig. 4 durch eine
Linie (ii) dargestellt, kann folglich die NOx-Konzentration so
gesteuert werden, daß sie während des Betriebs des
Dampfkessels unter einem von Umweltschutz-Bestimmungen festgelegten
NOx-Wert liegt.
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Wie oben beschrieben sind bei diesem Beispiel die
trockenverarbeitende katalytische Denitriervorrichtung 5 und die
Plasma-Denitriervorrichtung 10 auf der oberstromig bzw. auf der
unterstromig gelegenen Seite angeordnet, wodurch durch den
Einsatz der beiden Denitriervorrichtungen 5 und 10 NOx aus
dem Abgas wirkungsvoll entfernt werden kann und die
Katalysatormenge in der trockenarbeitenden katalytischen
Denitriervorrichtung 5 auch verringert werden kann. Hinzu kommt, daß
selbst bei niedriger Abgastemperatur zum Zeitpunkt des
Betriebsstarts des Dampfkessels die erforderliche Entfernung
von NOx durchgeführt werden kann.
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Das zweite Beispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf
Fig. 3 beschrieben.
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Dieses zweite Beispiel unterscheidet sich dadurch vom ersten
Beispiel, daß die Plasma-Denitriervorrichtung 10 im Kamin 9
angeordnet ist.
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Auch beim zweiten Beispiel wird das Verbrennungsabgas aus dem
Dampfkessel 3 wie beim ersten Beispiel zuerst einer NOx-
Entzugsbehandlung (erste Stufe) durch die trockenarbeitende
katalytische Denitriervorrichtung 5 unterzogen. Anschließend
wird das Abgas durch den Luftvorwärmer 6, den elektrischen
Staubsammler 7 und die Abgasentschwefelungsvorrichtung B
hindurch zur im Kamin 9 angeordneten Plasma-Denitriervorrichtung
10 geleitet. In dieser Plasma-Denitriervorrichtung 10 wird
die endgültige Entfernung (zweite Stufe) von NOx
durchgeführt.
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Die Benutzung der Plasma-Denitriervorrichtung 10 wird durch
die Gastemperatur nicht eingeschränkt und kann daher, wie in
diesem zweiten Beispiel, im Kamin angeordnet werden.
Weiterhin kann beim zweiten Beispiel dieselbe Funktion und derselbe
Effekt wie beim ersten Beispiel erzielt werden und zusätzlich
ermöglicht dieses zweite Beispiel die Verringerung des
Platzbedarfs.
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Die vorliegende Erfindung bietet folgende Vorteile:
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(1) Die Erfindung nutzt die Eigenschaft der
trockenarbeitenden katalytischen Denitriervorrichtung, NOx aus dem NOx in
relativ hoher Konzentration enthaltenden Abgas wirkungsvoll
zu entfernen, und die Eigenschaft der
Plasma-Denitriervorrichtung,
NOx aus dem NOx in relativ niedriger
Konzentration enthaltenden Abgas wirkungsvoll zu entfernen. Die
Anordnung der trockenarbeitenden katalytischen
Denitriervorrichtung auf der oberstromig gelegenen Seite und der Plasma-
Denitriervorrichtung auf der unterstromig gelegenen Seite
ermöglicht die Schaffung der wirtschaftlichen Vorrichtung, die
das Abgas in einem hohen Denitrierverhältnis behandeln (NOx
entfernen) kann und die sich durch Stabilität und
Unkompliziertheit ihres Betriebs auszeichnet.
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(2) Gemäß der Erfindung kann die benötigte Katalysatormenge
verringert werden, anders als bei einer separat
angeordnetentrockenarbeitenden katalytischen Denitriervorrichtung.
Folglich kann die Größe der Vorrichtung reduziert werden.
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(3) Selbst wenn die Abgastemperatur so niedrig ist, daß die
trockenarbeitende katalytische Denitriervorrichtung nicht
betrieben werden kann, kann die gewünschte und notwendige
Denitrierung durch die Plasma-Denitriervorrichtung durchgeführt
werden