DK166514B1 - Fremgangsmaade til katalytisk forbraending af braendbare stoffer i afgasser - Google Patents

Description

- i - DK 166514 B1

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til forbrænding af brændbare stoffer, såsom organiske opløsningsmidler og carbonhydrider, i afgasser der indeholder overskud af oxygen, og nærmere bestemt katalytisk 5 forbrænding af brændbare stoffer ved samtidig kraftproduktion i en ekspansionsturbine.

Det er velkendt at fjerne brændbare stoffer fra af-gasser ved termisk forbrænding under atmosfærisk tryk og ved temperaturer på mellem 700°C og 900°C, eller ved kata-10 lytisk oxidation ved temperaturer i området fra 200°c til 700°C ved kontakt med katalysatorer indeholdende platin, palladium eller kobberoxider, krom og/eller mangan (US patent 4.186.801; US patent 4.191.733).

Det er endvidere blevet foreslået at kombinere 15 termisk forbrænding af organiske opløsningsmidler i af-gasser med en efterfølgende afspænding af forbrændingsgassen i gasturbiner under fremstilling af elektricitet (EP patentansøgning nr. 298.941; DE offentliggørelsesskrift nr. 2.543.761). Afgassen komprimeres ved denne metode til 20 et tryk på mellem 3 og 20 bar i ét eller to trin med mellemliggende køling. Den komprimerede gas kan opvarmes derefter ved varmeveksling med den rensede udstødningsgas fra ekspansionsturbinen, før forbrændingsgassen videre opvarmes til mellem 700°C og 1100°C i et forbrændingskammer 25 med naturgas eller olie som støttebrændsel i kammeret. Den rensede gas, der forlader forbrændingskammeret med en temperatur fra 700°C til 1100°C, afspændes efterfølgende i ekspansionsturbinen til atmosfærisk tryk, idet turbinens drivkraft anvendes til komprimering af den med organiske 30 forbindelser forurenede afgas samt til fremstilling af elektricitet.

Fordelen ved denne metode, i sammenligning med forbrænding ved atmosfærisk tryk, er, at en del af varme-værdien af de brændbare stoffer omdannes til elektricitet.

- 2 - DK 166514 B1

De kendte metoder til fjernelse af brændbare stoffer i afgasser er imidlertid behæftet med nogle ulemper og begrænsninger.

Udgangstemperaturen fra forbrændingskammeret skal 5 ligge over en vis minimumstemperatur for at sikre tilstrækkelig nedbrydning af alle brændbare stoffer, inklusive CO, som ofte dannes ved termisk forbrænding af opløsningsmidler. Minimumstemperaturén skal i praksis ligge på mellem 700°C og 1000°C, afhængig af typen og mængden af brændbare 10 stoffer i afgassen og opholdstiden i forbrændingskammeret.

CO og carbonhydrider, såsom metan og ethan samt klorinerede organiske forbindelser, og andre varmebestandige organiske forbindelser kræver forbrændingstemperaturer på op til 1000°C for en fuldstændig nedbrydning ved termisk forbrænd- t 15 ing. Et højt indhold af brændbare stoffer, svarende til en varmeværdi på 400-1000 kJ/Nm3 af brændbare stoffer i af-gassen, kan ligeledes kræve forbrændingstemperaturer på op til 1000°C eller højere i forbrændingskammeret og/eller kræve et meget stort forbrændingskammer for at opnå fuld-20 stændig forbrænding. Dette medfører et højt forbrug af støttebrændsel og endvidere anvendelse af dyre højtemperatur turbiner. Høje temperaturer, og i særdeleshed forbrænding ved hjælp af en støttebrænder, resulterer i høje koncentrationer af nitrogenoxider (N0X) i den rensede gas. Ved 25 katalytisk forbrænding kan hurtige variationer i indholdet af brændbare stoffer indenfor et område fra 0 til mere end 300-400 kJ/Nm3 i afgassen forårsage kortvarige overtemperaturer i katalysatorlejet, hvilket kan ødelægge katalysatoren og turbinen.

30 Det er således formålet med den foreliggende op findelse, at tilvejebringe en effektiv og økonomisk metode til fjernelse af brændbare stoffer fra afgasser, såsom luft og/eller spildgasser, hvorved varmeværdien af de brændbare stoffer i afgassen udnyttes uden de ovenfor anførte 35 begrænsninger og ulemper.

- 3 - DK 166514 B1

Opfindelsen angår således en fremgangsmåde til fjernelse af brændbare stoffer i en afgas af luft og/eller spildgas ved katalystisk forbrænding under samtidig udnyttelse af de brændbare stoffers varmeværdi til kraftpro-5 duktion.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved følgende procestrin: ^ komprimering af afgassen i en kompressor; opvarmning af den komprimerede afgas til en tem-10 peratur, der kræves ved en efterfølgende katalytisk forbrænding af de brændbare stoffer i afgassen; forbrænding og fjernelse af de brændbare stoffer i den komprimerede og opvarmede afgas i nærvær af en forbrændingskatalysator anbragt i et forbrændingskammer; og 15 afspænding af den forbrændte afgas til atmosfærisk tryk i en gasekspansionsturbine.

Som forbrændingskatalysatorer anvendes ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen fortrinsvis platin og/eller palladium katalysatorer, der imprægneret i lag på mindre 20 end 50 ^m tykkelse på en porøs, keramisk bærer med monolitisk struktur, eller på en keramisk bærer i form af cylindre eller granula med en geometrisk overflade på typisk 2000 til 3000 m2/m3 anbragt som fast leje i forbrændings-kammeret. Ved disse katalysatorer opnås en fuldstændig for-25 brænding af de brændbare stoffer ved en rumhastighed på ca.

100.000 Nm3/h/m3 ved et tryk på 5 bar og indgangs- og udgangstemperaturer på henholdvis over 350°C og 700-900°c. Indenfor temperaturområdet fra en minimums indgangs temperatur på 300°C og en maximumsudgangstemperatur på 700°C an-30 vendes fortrinsvis katalysatorer med kobber, mangan og/eller krom som aktiv bestanddel.

Ved en foretrukken udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen opvarmes den komprimerede afgas til en temperatur på mellem ca. 250°C og 600°C før gassen 35 indføres i forbrændingskammeret.

- 4 - DK 166514 B1

Den komprimerede gas kan herved opvarmes i et varmekammer forsynet med en støttebrænder eller fortrinsvis ved varmeveksling med den rensede gas fra ekspansionsturbinen.

5 Ved yderligere en foretrukken udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ekspansionsturbinen forbundet til en elektricitetsgenerator, hvori energien i den forbrændte gas udnyttes til fremstilling af elektricitet .

10 For at tilvejebringe tilstrækkelig energi til elektricitetsfremstillingen skal temperaturen i afgassen efter forbrændingskammeret ligge på mellem 600°c og 1100°C. Gassen, der forlader forbrændingskammeret, opvarmes således ved en yderligere foretrukken udførelsesform til en tem-15 peratur på mellem 600°C og 1100°C, fortrinsvis på mellem 750°C og 950°C, før gassen afspændes i ekspansionsturbinen.

Gassen kan herved opvarmes i et varmekammer, der er anbragt mellem forbrændingkammeret og ekspansionsturbinen.

Ved en anden udførelsesform indstilles gassens 20 udgangstemperatur fra forbrændingskammeret til 600-1100°C, fortrinsvis 750-950°C, ved at forblande gassen med gasbrændsel før den katalytiske forbrænding. Herved forøges mængden af brændbare stoffer i gassen, hvilket fører til den ønskede udgangstemperatur i gassen fra forbrændings-25 kammeret.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningen, i hvilken Fig. 1 og Fig. 2 er skematiske illustrationer af foretrukne udførelsesformer.

30 I et turbinekraftanlæg, der vises i Fig. 1, kompri- meres spildgas, indeholdende brændbare stoffer i en mængde svarende til en varmeværdi på op til 800 kJ/Nm3. Gassen komprimeres i kompressor 10 til et overtryk på typisk 5 bar, hvorved gassens temperatur øges fra 40°C til omkring - 5 - DK 166514 B1 240°C. Gassen opvarmes herefter til 300°C ved hjælp af støttebrænder 12 anbragt før det katalytiske forbrændings-kammer 14. I kammer 14 forbrændes mere end 99% af de brændbare stoffer i gassen ved oxidation til C02 og H20. Mindre 5 end 50 ppm CO og mindre end 10 ppm NOx dannes i forbrændingkammeret, når der anvendes en af de ovenfor anførte katalysatorer. Såfremt gassen indeholder ca. 10 g opløsningsmidler med en gennemsnitlig nedre varmeværdi på 30 kJ/g, vil temperaturen i den rensede gas efter forbrænd-10 ingskammeret være ca. 510°C. Den rensede gas kan nu sendes direkte til ekspansionsturbine 16 uden yderligere opvarmning, eller kan opvarmes til den i turbine 16 maximalt tilladelige temperatur ved opvarmning med støttebrænder 15 efter forbrændingskammer 14.

15 Fig. 2 viser et procesdiagram af en foretrukken udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen, hvor udgangstemperaturen i afgassen fra forbrændingskammer 14 indstilles til en temperatur, der er nødvendigt i ekspansionsturbinen til fremstilling af elektricitet. Gassens 20 temperatur indstilles ved at injicere støttebrændsel i gassen før forbrændingskammeret 14. Herved øges mængden af brændbare stoffer, hvilket tilvejebringer temperaturer på 600-1000°C i forbrændingskammer 14. Gasformig støttebrændsel injiceres i form af f.eks. naturgas, LPG eller metanol-25 gas, som fuldstændig oxideres i kontakt med katalysatoren i kammeret. Afgas med mængder af brændbare stoffer, der varierer imellem 0 og 800 kJ/Nm3, komprimeres i kompressor 10 og opvarmes yderligere til en maximumstemperatur på ca. 380°C ved varme fra udstødningsgassen fra gasturbine 16 i 30 varmeveksler 11. Temperaturen i gassen, der forlader varmeveksler 11, er tilstrækkelig høj til opnåelse af fuldstændig oxidation i katalysatorkammeret 14 uden anvendelse af brænder 12, der her kun udnyttes i opstartningsfasen. Støttebrændsel, eksempelvis LPG, blandes i gasstrømmen ved - 6 - DK 166514 B1 injektionspunkt 13 for at opnå den ønskede temperatur (f.eks. i området 700-900°C) før turbine 16. Ved en ønsket temperatur på 900°C i turbineindgangen og en samlet mængde af brændbare stoffer svarende til 800 kJ/Nm3 i gasstrømmen 5 før katalysatorkammer 14, skal indgangstemperaturen til katalysatorkammer 14 være på 350°C. Den maximalt tilladelige mængde af brændbare stoffer i gassen, der kan forbrændes, bestemmes herved af temperaturdifferencen mellem den laveste indgangstemperatur hvorved fuldstændig kataly-10 tisk oxidation kan opnås i katalysatorkammer 14, og den højest tilladelige indgangstemperatur for turbine 16.

Hvis gassen afspændes fra et tryk på 5 til 1 bar i turbine 16, vil temperaturen efter turbine 16 være ca.

500°C. Gassen køles herefter først i varmeveksler 11, 15 dernæst i varmeveksler 18, fra hvilken resterende varme eksporteres som damp eller varmt vand.

Ved at afbrænde støttebrændsel i katalysatorkam-meret i stedet for i en brænder, opnås en meget lav N0X-dannelse ved katalytisk forbrænding i modsætning til ter-20 misk forbrænding i en brænder, under samtidig opnåelse af høje udgangstemperaturer fra det katalytiske forbrændingskammer 14. Disse temperaturer kan holdes konstant på den ønskede indgangstemperatur til gasturbinen, uafhængig af forandringer i indholdet af brændbare stoffer i gassen, ved 25 at kontrollere brændselstilførelsen, således at varmevær- dien i gassen ved indgangen til forbrændingkammer 14 ligger konstant på den ønskede værdi.

Endvidere kræves kun støttebrænder 12 foran forbrændingskammeret 14. Brænder 12 kan suppleres eller er-30 stattes med en varmeveksler, hvori gassen opvarmes ved hjælp af varme fra udstødningsgassen fra gasturbine 16.

Claims (9)

1. Fremgangsmåde til fjernelse af brændbare stoffer i afgasser af luft og/eller spildgasser ved katalytisk for- 5 brænding af de brændbare stoffer, kendetegnet ved følgende procestrin: komprimering af afgassen i en kompressor (10); opvarmning af den komprimerede afgas til en temperatur, der kræves ved en efterfølgende katalytisk for-10 brænding af de brændbare stoffer i afgassen; forbrænding og fjernelse af de brændbare stoffer i den komprimerede og opvarmede afgas i nærvær af en forbrændingskatalysator anbragt i et forbrændingskammer (14); afspænding af den forbrændte afgas til atmosfærisk 15 tryk i en gasekspansionsturbine (16).

2. Fremgangsmåde ifølge krav l, kendetegnet ved, at forbrændingskatalysatoren indeholder som aktiv bestanddel platin, palladium, kobber, mangan og/eller krom.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at 20 den komprimerede afgas opvarmes til en temperatur på mellem ca. 250°C og 600°C før gassen indføres i forbrændingskammeret (14).

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den komprimerede afgas opvarmes i et varmekammer forsynet 25 med en støttebrænder (12).

5. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den komprimerede afgas opvarmes ved indirekte varmeveksling med den forbrændte afgas fra ekspansionturbinen (16).

6. Fremgangsmåde ifølge krav l, kendetegnet ved, at 30 ekspansionsturbinen (16), er forbundet til en elektricitetsgenerator . DK 166514 B1 - s -

7. Fremgangsmåde ifølge krav 6, kendetegnet ved, at den forbrændte afgas, der forlader forbrændingskammer (14), opvarmes til en temperatur på mellem 600°C og 1100°C, fortrinsvis på mellem 700°C og 950°C, før af gassen af spændes i 5 ekspansionsturbinen (16).

8. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, at den forbrændte spildgas opvarmes i et opvarmningskammer forsynet med en støttebrænder (15).

10. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, at 10 temperaturen i den forbrændte afgas indstilles til en temperatur på mellem 600°G og 1000°C ved iblanding af gas-brændsel i den komprimerede afgas før den katalytiske forbrænding i forbrændingskammer (14).