Verfahren und Vorrichtung zur selektiven katalytischen Beseitigung von Stickoxyden aus den Abgasen von Feuerungsanlagen«
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Beseitigung der Stickoxyde in den Abgasen von Feuerungsanlagen durch Reduktion mit einer von außen zugeführten chemischen Verbindung, vorzugsweise Ammoniak unter Reaktionsbeschleunigung durch einen Katalysator, der in einer Zone von den Abgasen und in einer anderen Zone von der Feuerungsanlage als Verbrennungsluft zuzuführender Frischluft durchströmt wird, wobei die Lage der von den Abgasen bzw. der Frischluft durchströmten Zonen kontinuierlich oder schrittweise so geändert wird, daß die zuvor von Abgasen durchströmten Abschnitte dann von Frischluft und umgekehrt durchströmt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist bekannt, zur selektiven Reduktion der z.B. in Kessel-Abgasen enthaltenen Stickoxyde dampfförmiges Ammoniak (NH3) unter Druck oder drucklos in Vasser gelöst in den aus einer Feuerungsanläge austre-tenden Abgasstrom
einzudosieren, wobei durch eine Mischstrecke mit entsprechenden Einbauten die Ausbildung einer strähnenfreien Ammoniak- und Temperaturverteilung im Abgasstrom innerhalb der anschließenden Rauchgaskanäle angestrebt wird. Anschließend wird das Gemisch durch einen einem umlaufenden Regenerativ-Warmetauscher zur Übertragung der Abgaswärm» an die der Feuerung zugeführte Verbrennungsluft vorgeschalteten Katalysator zugeführt. Der Katalysator ist als Festbett-Reaktor mit vorzugsweise vertikal nach unten gerichteter Strömung ausgebildet» In dem Reaktor ist eine Wabenstruktur enthalten, die als katalytisch wirkenden Stoff eine kristalline Vanadium-Titan-Verbindung aufweist. Der Druckverluat des Festbett-Reaktors wird bei der Bemessung des Rauchgasgebläsβs berücksichtigt. Durch eine vertikal nach unten gerichtete Strömung im Reaktor soll der Ablagerung fester Verunreinigungen innerhalb des Katalysators begegnet bzw. diese in Grenzen gehalten werden. Die auftretenden Beläge werden durch Blasen mittels Druckluft bzw. Dampf diskontinuierlich beseitigt. Die Standzeit der Katalysatoren innerhalb des Reaktors beträgt - je nach Kessel, Fahrweise und Zusammensetzung der als Brennstoff eingesetzten Kohle - mehr als zwei Jahre.
Eine Verbesserung der Katalysator-Standzeit wird gemäß einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag der eingangs erwähnten Art (Patentanmeldung P 3406 657.8) dadurch erreicht, daß der Katalysator in unterschiedlichen Zonen von den Abgasen - einschließlάc h des zuvor zugemischten Ammoniaks - einerseits und im Gegenstrom mit als Verbrennungsluft für die Feuerungsanläge vorgesehener Frischluft andererseits durchströmt wird, wobei die
Lage der durchströmten Zonen ständig - sei es schrittweise oder kontinuierlich - so geändert wird, daß die zuvor von Abgasen durchströmte Zone dann von Frischluft und umgekehrt durchströmt wird. Durch den ständig einwirkenden Frischluftström wird dabei eine gegenüber der früher praktizierten diskontinuierlichen Reinigung mittels Blaslanzen verlängerte Wirksamkeit der katalytisch wirksamen Verbindung des Katalysators, d.h. eine Verlängerung von Standzeit, erreicht. Hinzu tritt auch eine Verringerung des konstruktiven Aufwands der
Vorrichtung insofern, als es möglich ist, den Katalysator mit dem der Feuerungsanlage zugeordneten umlaufenden Regenerativ-Wärmetauscher für die Verbrennungsluft-Vorwärmung zu koppeln bzw. den Katalysator sogar in den Regenerativ-Wärmetauscher zu integrieren, indem beispielsdie Oberfläche der Speicherelemente des Regenerativ-Wärmetauschers mit der katalytisch wirksamen Verbindung beschichtet wird. Nun wurde festgestellt, daß die Standzeit des Katalysators sowie die Funktion eines gegebenenfalls nachgeschaltet Regenerativ-Wärmetauschers u.a. auch wesentlich von der Entstehung und Ablagerung von Ammoniumhydrogensulfat (NH4 HSO4) auf den katalytisch wirksamen Oberflächen der Katalysatorelemente bzw. den wärmetauschenden Oberflächen des Regenerativ-Wärmetauschers abhängt, und zwar entsteht dieses klebrige Ablagerungen bildende Salz aus dem in den Feuerungs abgasen in der Regel enthaltenen Schwefel in Verbindung mit dem zur Reduktion der Stickoxyde zugemischten Ammoniak und in den Abgasen enthaltenem Wasser und Sauerstoff.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Entstehung von Ammoniumhydrogensulfat bei der katalytischen Reduktion von Stickoxyden in Verbrennungsabgasen mittels Ammoniak weitgehend zu verringern und dadurch die Dauer der Wirksamkeit, d.h. die Standzeit des Katalysators, wesentlich zu verlängern und Verschlechterungen der Wärmeübertraggngsrate in einem gegebenenfalls vorgesehenen RegenerativWärmetauscher zu vermeiden.
Ausgehend von der Erkenntnis, daß die für den
Katalysator verwendeten katalytisch wirksamen Verbindungen, z.B. die oben erwähnten kristallinen VanadiumTitan-Verbindungen, eine deutliche Bindungswirkung für dampfförmiges Ammoniak haben, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ammoniak der
Frischluft vor deren Eintritt in den Katalysator zugemisdat wird. Das Einbringen des für die Reduktion der Stickoxyde erforderlichen Ammoniaks in die Abgase erfolgt also nicht mehr in den vor dem Katalysator liegenden Abschnitt der Abgasleitung, sondern durch Zumischung zu der dem Katalysator zugeführten Frischluft, wobei es durch die Bindungswirkung mit dem katalytisch wirksamen Stoff dann im Katalysator aus dem Frischluftstrom zurückgehalten und in die von den Abgasen durchströmte Zone überführt wird, wo das Ammoniak dann die angestrebte katalytische Reduktion der dort in den Abgasen enthaltenen Stickoxyde bewirkt und dabei in molekularen Stickstoff und Wasser zersetzt wird.
Das Ammoniak wird dabei der Frischluft vorzugsweise in solcher Menge zugemischt, daß es in der frischluftdurchströmten Zone des Katalysators weitgehend an die Oberfläche des katalytisch wirksamen Materials gebunden und bei der sich anschließenden Durchströmung mit Feuerungsabgasen im wesentlichen vollständig für die Reduktion der in diesen enthaltenen Stickoxyde verbraucht wird. In dem dem Katalysator zuströmenden Abgas kann dann - wegen des Fehlens von Ammoniak - Ammoniumhydrogensulfat überhaupt nicht entstehen und das im Katalysator selbst von der Frischluftseite zugeführte Ammoniak wird im wesentlichen vollständig zur Reduktion der Stickoxyde verbraucht, so daß dieses schädliche Salz also auch im Katalysator selbst kaum noch entsteht. Dabei ist noch
darauf hinzuweisen, daß selbst dann, wenn die Zudosierung von Ammoniak zum Frischluftström mengenmäßig so erfolgt, daß ein Teil des Ammoniaks in der Frischluft verbleibt und anschließend der Feuerungsanlage zugeführt wird, dies nicht bedeutet, daß dann mit den Abgasen auch Ammoniak aus der Feuerungsanläge austritt. Das über die Frischluft zugeführte Ammoniak wird nämlich bei den in den Feuerungsanlagen herrschenden Temperaturen zersetzt, so daß in den Abgasen also allenfalls eine geringfügig erhöhte Menge von molekularem St ckstoff enthal sein könnte, der aber unschädlich ist.
Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Vorrichtung, bei welcher der Katalysator von in einem Träger angeordneten Katalysatorelementen gebildet ist, und der Träger und die Anschlüsse für das zonenweise
Durchströmen des Katalysators mit den Abgasen bzw. der Frischluft relativ zueinander verdrehbar ausgebildet sind und eine Antriebsvorrichtung zur schrittweisen oder kontinuierlichen Verdrehung derselben vorgesehen ist, ist vorzugsweise so ausgebildet, daß in der in Strömungsrichtung vor dem Katalysator liegenden, zum KatalysatorAnschluß für die Frischluft führenden Frischluft-Leit der Auslaß einer von einem Ammoniakvorrat gespeisten Ammoniak-Zύmischleitung angeordnet ist. Das in die Frischluft eingedüste Ammoniak kann dabei durch eine durch geeignete Einbauten in der Frischluft-Leitung ausgebildete Mischstrecke in der Frischluft verteilt werden, oder - alternativ - kann auch eine Vormischung des Ammoniaks mit einem im Bypaß zum Haupt3trom der Frischluft geführten Frischluft-Teilstrom erfolgen, der vor dem Katalysator in die Frischluft-Leitung zurückgeführt wird.
Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt;
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Feuerungsanlage mit nachgeschaltetem Katalysator und Regenerativ-Wärmetauscher; und
Fig. 2 ein Schaltbild einer abgewandelten Feuerungsanlage, bei welcher der nachgeschaltete Katalysator und der Regenerativ-Wärmetauscher zu einer gemeinsamen Baugruppe zusammengefaßt sind.
Bei der in Figur 1 schematisch gezeigten Anlage gelangen die Abgase aus der Feuerungsanläge 10 über eine Leitung 12 zu einem Katalysator 14, welcher von in einem kontinuierlichen drehangetriebenen Träger angeordneten
Katalysatorelementen gebildet sein möge. Die über die Leitung 12 zugeführten Abgase durchströmen- den Katalysator 14 also jeweils in der - in Figur 1 oben liegenden Zone, wo die katalytische Reduktion der in den Abgasen enthaltenen Stickoxyde erfolgt. Die den Katalysator ver lassenden, mit molekularem Stickstoff und Wasser angereicherten Abgase gelangen dann über eine Leitung 16 in den umlaufenden Regenerativ-Wärmetauscher 18 zur Übertragung der Abgaswärme an die der Feuerungsanläge 10 als Verbrennungsluft zuzuführende Frischluft. Im
Anschluß an den umlaufenden Regenerativ-Wärmetauscher gelangen die Abgase dann über die Abgasleitung 20 in die - nicht dargestellte - Anlage zur Abscheidung der SchwefelVerbindungen und Wiederaufheizung für den Eintritt in den Abgaskamin.
Die der Feuerungsanlage 10 als Verbrennungsluft zuzuführende Frischluft tritt über die Leitung 22 zunächst in den umlaufenden Regenerativ-Wärmetauscher 18 ein, wird in diesem im Gegenstrom zu den Abgasen vorgewärmt und anschließend über eine Leitung 24 zum Katalysator 14 und - gleichfalls im Gegenstrom zu den Abgasen - in einer - in Figur 1 unten liegenden Zone - durch den
Katalysator hindurchgeführt. Von der der Eintrittsseite des Katalysators 14 gegenüberligenden Austrittsseite strömt die Frischluft dann über eine Leitung 26 zur Feuerungsanlage 10.
Die Eindüsung des für die Reduktion der Stickoxyde im Katalysator 14 erforderlichen Ammoniaks erfolgt in die zwischen dem Auslaß des Regβnerativ-Wärmetauschers 18 und dem Einlaß des Katalysators 14 verlaufende Fris chluft-Leitung 24, wobei hinter dem Katalysator 18 ein Teilstrom der Frischluft aus der Leitung 24 in eine Leitung zu wird
28/ einer Mischstrecke 30 geleitet/, in welche Ammoniak
(NH3) aus einem Vorratsbehälter 32 zugeführt und in den Frischluft-Teilstrom eindosiert wird. Anschließend wird der Frischluft-Teil ström über die Leitung 34 in den Hauptstrom der Frischluft zurückgeführt und somit dem schrittweise oder kontinuierlich umlaufenden Katalysator 14 zugeführt. In der frischluftdurchströmten Zone des Katalysators wird das in der Frischluft enthaltene Ammoniak an die in den durchströmten Oberflächen der Katalysatorelemente freiliegende katalytisch wirksame Verbindung gebunden und in die abgasdurchströmte Zone überführt, wo dann die angestrebte Reduktion der Stickoxyde zu Stickstoff und Wasser erfolgt.
Dem Katalysator 14 und dem Regenerativ-Wärmetauscher 18 können grundsätzlich gesonderte Antriebe zugeordnet sein. Zur Verringerung des konstruktiven Aufwands empfiehlt es sich jedoch, den beiden Einheiten einen gemeinsamen Antrieb zuzuordnen, indem beispielsweise der Regenerativ-Wärmetauscher in üblicher Weise motorisch angetrieben und der Katalysator mit dem Wärmetauscher über eine Welle gekoppelt wird.
Bei der in Figur 2 dargestellten abgewandelten Vorrichtung sind der Katalysator 14 und der RegenerativWärmetauscher 18 des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 zu einer gemeinsamen Funktions-Baugruppe 114 vereinigt, indem in einem gemeinsamen, drehangetriebenen Träger Speicherelemente für die Speichermasse des Regenerativ-Wärmetauschers angeordnet sind, welche zumindest in einem Teil ihrer Oberfläche mit der katalytisch wirksamen Verbindung, z.B. einer kristallinen Vanadium-Titan-Verbindung, beschichtet sind, wodurch diesen Speieherβlementen also gleichzeitig die Funktion der Wärmeübertragung von den Abgasen auf die Frischluft und der Zur-verfügungstellung der katalytisch wirksamen Flächen im Abgasstrom zugeordnet ist. Aufgrund der Vereinigung des Katalysators mit dem Regenerativ-Wärmetauscher entfallen bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel zwischen dem Katalysator 14 und dem Wärmetauscher 18 vorgesehenen, Abgas bzw. Frischluft führenden Leitungen 16 bzw. 24, während im übrigen weitgehende Übereinstimmung herrscht.
Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen werden nachstehend nur noch Abweichungen des Ausführungsbeispiels gegenüber dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel erläutert, während es genügt, im übrigen auf die Beschreibung zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 zu verweisen, zumal den in Figur 1 und 2 dargestellten, einander entsprechenden Funktionselementen gleiche Bezugszeichen zugeordnet sind, denen beim Ausführungsbeispiel in Figur 2 lediglich eine "1" vorangestellt ist.
Da eine der Frischluft-Leitung 24 entsprechende Leitung beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 fehlt, wird das Ammoniak beim zweiten Ausführungsbeispiel aus dem Ammoniak-Vorratsbehälter 132 über eine Leitung 134 in die über die Leitung 122 zugeführte Frischluft eingespeist, die dann in ihrer Gesamtheit durch eine Mischstrecke 130 geführt wird, bevor sie in die FunktionsBaugruppe 140 eintritt, in welcher der Regenerativ-Wärmetauscher und der Katalysator integriert ist.
Es ist ersichtlich, daß im Rahmen des Erfindungsgedankens Abwandlungen und Weiterbildungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele verwirklich-bar sind. So kambeispie weise der Katalysator 14 des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 auch einen vom Antrieb des Regenerativ-Wärmetauschers 18 unabhängigen gesonderten Antrieb haben, so daß der Katalysator unabhängig vom Antrieb des Wärmetauschers kontinuierlich oder schrittweise antreibbar ist. Die Zudosierung des Ammoniaks zu dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann - entsprechend dem. Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 - auch in einen aus dem Frischluftstrom abgezweigten Teilstrom erfolgen, der nach Durchmischen mit dem Ammoniak dann in den FrischluftHauptstrom zurückgeführt wird. Wesentlich ist in jedem Fall nur, daß das Ammoniak dem Katalysator über die zuströmende Frischluft zugeführt und durch Bindung an die katalytisch wirksame Verbindung dann im Katalysator selbst in die vom Abgas durchströmte Zone überführt wird.