DE19720205B4

DE19720205B4 - Anlage zur Reinigung von mit Stickoxiden beladenen Abgasen

Info

Publication number: DE19720205B4
Application number: DE19720205A
Authority: DE
Inventors: Johannes Schedler; Heimo Thalhammer
Original assignee: Individual
Current assignee: Ctp Chemisch Thermische Prozesstechnik G At GmbH
Priority date: 1997-05-14
Filing date: 1997-05-14
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2017-05-15
Also published as: DE19720205A1; JPH11123318A; JP4023906B2

Abstract

Anlage zur Reinigung von mit Stickoxiden beladenen Abgasen, bei der das Abgas zur Erwärmung wechselweise in einen von zwei mit keramischen Speichermassen gefüllten Regenerator eintritt, mit einem Brenner nacherhitzt und nach Zumischung eines Reduktionsmittels einem Reduktionskatalysator zur Reduktion der Stickoxide zugeführt wird, während das aus dem Katalysator austretende entstickte heiße Abgas im Gegenstrom die Wärmespeichermasse des anderen Regenerators aufheizt, wobei zur wechselweisen Zufuhr des zu reinigenden Abgases zu dem einen Regenerator und des heißen entstickten Abgases zu dem anderen Regenerator das eine Ende der Regeneratoren abwechselnd mit einer Abgaszufuhrleitung und einer Abfuhrleitung für das gekühlte entstickte Abgas nach Durchtritt der Wärmespeichermasse und das andere Ende der Regeneratoren abwechselnd mit einer Abfuhrleitung für das vorerwärmte Abgas zu dem Brenner bzw. einer Zufuhrleitung für das heiße entstickte Abgas verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur abwechselnden Verbindung des einen Endes der Regeneratoren (6, 7) mit der Abgaszufuhrleitung (5) und der Abfuhrleitung (36)...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Reinigung von mit Stickoxiden beladenen Abgasen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Abreinigung von Oxiden des Stickstoffs aus Abgasen unter Zusatz eines Reduktionsmittels wird auch als selektive katalytische Entstickung oder SCR (Selective Catalytic Reduction)-Verfahren bezeichnet. Dabei werden die im Abgas enthaltenden Stickstoffoxide NO_x (hauptsächlich Stickstoffmonoxid NO und Stickstoffdioxid NO₂) mit dem Reduktionsmittel katalytisch zu Stickstoff und Wasser umgesetzt.
Im Falle der Verwendung von Ammoniak NH₃ als Reduktionsmittel finden dabei folgende chemische Reaktionen statt: 6 NO + 4 NH₃ → 5 N₂ + 6 H₂O 6 NO₂ + 8 NH₃ → 7 N₂ + 12 H₂O NO + NO₂ + 2 NH₃ → 2 N₂ + 3 H₂O 4 NO + O₂ + 4 NH₃ → 4 N₂ + 6 H₂O
Durch Verwendung des Katalysators läßt sich die NO_x-Reduktion schon bei 170–450°C und einem NH₃/NO-Verhältnis zwischen 0,5 und 1 ausführen.
Ammoniak kann sowohl gasförmig wie auch in wässriger Lösung eingesetzt werden. Auch die Verwendung anderer Reduktionsmittel, wie z.B. von Harnstoff, Ammoniumacetat oder Kohlenwasserstoffen ist möglich. Das Reduktionsmittel wird dabei in Fließrichtung des Abgases vor dem Katalysator eingedüst.
Die am häufigsten eingesetzten SCR-Katalysatoren enthalten als Hauptkomponente (Trägermaterial) Titandioxid. Nebenbestandteile sind Vanadiumpentoxid, Wolfram- (als Stabilisator) und ggf. auch Molybdän-Verbindungen. Beispielsweise wird in JP 76-68907 ein Katalysator beschrieben, der aus V- und Nb-Verbindungen als Aktivkomponenten auf einem TiO₂-Träger besteht. Ein in DE 3 821 480 beschriebener Katalysator enthält TiO₂, V, Mo und/oder W und Zn. In DE 26 17 744 wird außerdem Sn als optionale Aktivkomponente angeführt.
Es wurde jedoch auch eine Vielzahl anderer Katalysator-Zusammensetzungen beschrieben, wie Fe auf oxidischen Trägern ( EP 0 667 181 A1 ), verschiedene Aktivkomponenten auf Zeolith-Trägern, etwa Ce (WO/17949), Cu ( DE 44 13 359 ), Ag und Pt ( EP 0 682 975 A1 ) oder auch einfache Metalloxid-Katalysatoren z.B. ein Spinell ZnAl₂O₄ ( EP 0 676 232 A1 ).
Auch gelingt an SCR-Katalysatoren eine Dioxin- bzw. Furan-Abreicherung (WO 91/04780).
Desweiteren ist Abluft aus Verbrennungs-Anlagen häufig mit Schwefeldioxid (SO₂) belastet, das am Katalysator zu Schwefeltrioxid oxidiert werden und Anlaß zu Korrosion oder Verstopfungen durch Ammoniumhydrogensulfat bzw. Ammoniumsulfat geben kann. Eine Zielrichtung der Entwicklung von NO_x-Abreinigungs-Katalysatoren ist daher auch die Unterdrückung der SO₂-Oxidation.
SCR-Anlagen werden in das Abgasreinigungssystem in Form einer sog. "High-Dust"-Schaltung eingesetzt oder hinter der Filter- und Entschwefelungsanlage angeordnet.
Bei der "High-Dust"-Schaltung ist die SCR-Anlage direkt an den Kessel angeschlossen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in einer einfachen Bauweise und geringen Wärmeverlusten. Die Höhe der Konzentration schädigender Nebenbestandteile der Rauchgase, insbesondere von Staub, bestimmt jedoch maßgeblich die Lebensdauer der Katalysatoren. Diesbezügliche Schwierigkeiten nehmen von Gas- über Ölfeuerungen zu Kohlefeuerungen zu. Bei der SCR-Anlage hinter der Filteranlage, mit der der Staub entfernt wird, und der Entschwefelungsanlage werden in der Entschwefelungsanlage die Abgase abgekühlt. Da sie zur Entstickung wieder aufgeheizt werden müssen, ist diese Anordnung mit einem hohen Energiebedarf verbunden.
Um diese Aufheiz-Energie wenigstens teilweise zurückzugewinnen, werden üblicherweise Wärmetauscher aus Stahl eingesetzt, in denen das aus dem Katalysator austretende heiße entstickte, also von NO_x befreite, Abgas das zu reinigende Abgas rekuperativ vorerwärmt.
Ein solcher aus Rohrbündeln bestehender rekuperativer Wärmetauscher führt jedoch zu einem relativ hohen Druckverlust im Abgasstrom, so dass zum Betrieb der Anlage ein entsprechend leistungsfähiges Gebläse eingesetzt werden muss. Auch läßt der thermische Wirkungsgrad eines solchen Wärmetauschers zu wünschen übrig, so dass die bekannten Anlagen mit entsprechend hohen Energiekosten verbunden sind. Zudem ist ein rekuperativer Wärmetauscher schwierig zu reinigen und, da er aus Stahl besteht, einer erheblichen Korrosion unterworfen.
Aus EP-A 0 472 605 ist eine thermische regenerative Nachverbrennungsanlage zur Reinigung von mit organischen Kohlenstoffverbindungen beladenen Abgasen bekannt, bei der der Abgasstrom wechselweise in zwei mit keramischen Wärmespeichermassen gefüllten Regeneratoren aufgewärmt und abgekühlt wird. Der in der aufgeheizten Wärmespeichermasse aufgewärmte Abgasstrom wird in einer Brennkammer durch die Verbrennungswärme der organischen Kohlenstoffverbindungen weiter erhitzt und mit einer Heizung nacherhitzt. Die Wärmespeichermasse besteht aus prismenförmigen, mit der Prismenhauptachse im wesentlichen in Gasströmungsrichtung angeordneten Wärmespeicherkörpern, deren Inneres jeweils eine Vielzahl von durchgehenden, in beide Prismenendflächen mündenden, zur Prismenhauptachse im wesentlichen parallel und im wesentlichen geradlinig verlaufenden Kanäle aufweist. Die Wärmespeicherkörper, die durch Extrusion hergestellt werden, werden aneinanderliegend in mehreren Lagen angeordnet.
Zwar ist in EP-A 0 472 605 auch angegeben, dass ein Teil der Wärmespeichermassen jedes Regenerators durch einen Reduktionskatalysator-Körper mit solchen Kanälen ersetzt werden kann. In einer thermischen regenerativen Nachverbrennungsanlage sind die Wärmespeichermassen einer Temperatur bis etwa 800°C und einer extremen Temperaturwechselbeanspruchung ausgesetzt. Demgegenüber besitzen Reduktionskatalysator-Körper, die, wie erwähnt, insbesondere aus Metalloxiden bestehen, nur eine geringe Temperatur- insbesondere geringe Temperaturwechselbeständigkeit.
Zwar hat man versucht, diesem Problem dadurch zu begegnen, die Katalysator-Körper in den Regeneratoren der thermischen regenerativen Nachverbrennungsanlage möglichst im Bereich des Gaseinlasses anzuordnen, da dort die Temperaturbelastung geringer ist. Auch dort müssen die Katalysator-Körper jedoch bereits nach kurzer Zeit ausgetauscht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Betriebskosten einer SCR-Anlage wesentlich herabzusetzen.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Anlage erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlage angegeben.
Erfindungsgemäß wird als Wärmetauscher zur Vorerwärmung des zu reinigenden Abgases durch das aus dem Reduktionskatalysator austretende heiße entstickte, also von NO_x befreite Abgas eine Anlage verwendet, die mindestens zwei mit keramischen Wärmespeichermassen gefüllte Regeneratoren aufweist. Das aus dem Katalysator austretende heiße entstickte Abgas wird dabei wechselweise dem einen bzw. anderen Regenerator zugeführt, um die Wärmespeichermasse des jeweiligen Regenerators aufzuheizen. Während dem einen Regenerator das heiße entstickte Abgas zugeführt wird, um dessen Wärmespeichermasse aufzuheizen, wird dem anderen Regenerator des Wärmetauschers mit der zuvor aufgeheizten Wärmespeichermasse im Gegenstrom das zu reinigende Abgas zur Vorerwärmung zugeführt.
Die keramische Wärmespeichermasse besteht vorzugsweise aus extrudierten keramischen prismenförmigen Wärmespeicherkörpern, die eine Vielzahl von in Gasströmungsrichtung verlaufenden Gasdurchtrittskanälen aufweisen.
Mit der erfindungsgemäßen Anlage läßt sich bei geringem Druckverlust ein hoher thermischer Wirkungsgrad von beispielsweise 90% und mehr erreichen. Zudem sind die keramischen Wärmespeicherkörper extrem korrosionsfest.
Die Wärmespeicherkörper besitzen vorzugsweise eine Länge von 0,2 m bis 0,6 m und einen Durchmesser von 0,1 m bis 0,3 m. Der hydraulische Durchmesser der Kanäle liegt vorzugsweise zwischen 2 mm und 8 mm, und die Stege zwischen den Kanälen weisen vorzugsweise eine Dicke von 0,5 mm bis 1,5 mm auf. Die spezifische Oberfläche der Wärmespeicherkörper kann beispielsweise 500 bis 1000 m²/m³. betragen.
Die Wärmespeicherkörper können beispielsweise aus Porzellan, Mullit oder Cordierit bestehen.
Die Wärmespeicherkörper werden im allgemeinen in mehreren Lagen angeordnet. Der Abstand zwischen den Lagen beträgt vorzugsweise 5–50 mm. Dazu werden entsprechende Abstandshalter eingesetzt, die als keramische Füße ausgebildet sein können. Die Wärmespeicherkörper können aber auch in Stahlkörben angeordnet sein. Um den Innenraum der Regeneratoren voll zu nutzen, kann zwischen der Innenwand, also der tragenden Wand des Regenerators und der Wärmespeichermasse eine Abdichtung vorgesehen sein, die zugleich als Wärmeisolierung dient und beispielsweise aus Keramikfasermatten oder Keramikplatten bestehen kann.
Mit der erfindungsgemäßen Anlage können zugleich aus dem Abgas organische Verunreinigungen, insbesondere Furane und Dioxine entfernt werden. Dazu ist in Strömungsrichtung des Abgases dem Reduktionskatalysator ein Oxidationskatalysator nachgeordnet. Da das Reduktionsmittel am Reduktionskatalysator verbraucht worden ist, liegt im Bereich des Oxidationskatalysators auch die erforderliche oxidative Umgebung vor.
Der Reduktionskatalysator kann so zusammengesetzt sein, wie eingangs beschrieben. Gleiches gilt für den Oxidationskatalysator.
Als Reduktionsmittel wird erfindungsgemäß vorzugsweise Ammoniak verwendet, der z. B. auch durch Zersetzung von Harnstoff oder durch Verdampfung von wässriger Ammoniaklösung gebildet sein kann.
Ein Problem bei SCR-Anlagen stellt der sog. "Ammoniak-Schlupf" dar, d.h., Ammoniakspuren, die am Katalysator nicht umgesetzt werden und damit ins Freie gelangen können. Nach den gesetzlichen Bestimmungen darf das freigesetzte Abgas nämlich nur geringe Spuren an Ammoniak enthalten.
Mit der erfindungsgemäßen Anlage wird ein hoher Entstickungsgrad ohne einen solchen Ammoniak-Schlupf erreicht. Dazu wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein Teilstrom des vom Brenner nacherhitzten Abgases abgezweigt und mit dem Reduktionsmittel in einer Vormischkammer vermischt. Das so vorverdünnte Reduktionsmittel wird dann mit dem Hauptabgasstrom in einer Hauptmischkammer vermischt. Der zur Vorverdünnung des Reduktionsmittels verwendete Abgasteilstrom beträgt vorzugsweise 2–20 Volumen-%, insbesondere 5–10 Volumen-% des gesamten Abgasstromes.
Damit das abgezweigte Abgas zum Mischen mit dem Reduktionsmittel eine möglichst hohe Temperatur (350–500°C) aufweist, wird es aus dem Flammenbereich des Brenners abgezweigt. Dazu ist eine Zweigleitung vorgesehen, die sich vom Flammenbereich des Brenners zu der Vormischkammer erstreckt. In dieser Zweigleitung ist ein Gebläse vorgesehen, damit der Abgasteilstrom der Vormischkammer mit hohem Druck zugeführt wird.
Die Vormischkammer besteht vorzugsweise aus einem Zylinder mit einem sich verjüngenden Ende. Der Abgasteilstrom wird dem Zylinder tangential zugeführt, während das Reduktionsmittel vorzugsweise in den mittleren oder Axialbereich eingedüst wird. Das vorverdünnte Reduktionsmittel strömt dann über das sich verjüngende Ende in die Hauptmischkammer.
Durch das tangentiale Eindüsen des Abgasteilstromes bildet sich an der Innenwand der Vormischkammer eine heiße Abgasschicht aus, die zu einer homogenen Verwirbelung des Reduktionsmittels führt. Falls das Reduktionsmittel als wässrige Lösung zugegeben wird, wird damit zugleich verhindert, dass sich Flüssigkeitströpfchen an der Innenwand der Vormischkammer abscheiden.
Damit der Abgasteilstrom der Vormischkammer mit einer hohen Geschwindigkeit, von vorzugsweise mindestens 15 m/s zugeführt wird, ist in der Abgaszweigleitung ein Gebläse vorgesehen.
Als Reduktionsmittel wird eine wässrige Ammoniaklösung oder wässrige Harnstofflösung gasförmigem Ammoniak vorgezogen, da die Lösungen gegenüber dem unter Druck stehenden Ammoniakgas leichter zu handhaben sind. Bei Verwendung einer wässrigen Harnstofflösung oder einer wässrigen Ammoniaklösung wird das Wasser in der Vormischkammer durch den heißen Abgasteilstrom von z.B. 400°C sofort verdampft. Zugleich wird Harnstoff zu Ammoniak zersetzt. Auf diese Weise wird in der Vormischkammer ein Ammoniak/Abgas-Gemisch hoher Homogenität gebildet.
Der vorverdünnte Ammoniak wird dann der Hauptmischkammer zugeführt. Dazu ist in der Hauptmischkammer ein Rechen vorgesehen, der aus Rohren besteht, die sich in Strömungsrichtung des Hauptabgasabstromes erstrecken. Die Rohre sind zumindest über einen Teil ihrer Länge am Umfang mit Düsen versehen, über die der vorverdünnte Ammoniak in die Hauptmischkammer quer zur Strömungsrichtung des Hauptabgasstromes eingedüst wird. Die Geschwindigkeit, mit der der vorverdünnte Ammoniak in den Hauptgasstrom eingedüst wird, beträgt mindestens 30 m/s, vorzugsweise 40–60 m/s.
Dazu wird der vorverdünnte Ammoniak dem Rechen mit einem Überdruck von mindestens 20 mbar zugeführt. Dieser Überdruck kann durch das erwähnte Gebläse in der Zweigleitung zwischen dem Brenner und der Vormischkammer erzeugt werden. Auf diese Weise wird in der Hauptmischkammer eine homogene Vermischung des Ammoniaks mit dem mit Stickoxiden belasteten Abgas erzielt und damit dem Ammoniak-Schlupf entgegengetreten.
Als weitere Maßnahme zur Verhinderung eines Ammoniak-Schlupfes, also um einen vollständigen Ammoniak-Verbrauch am Reduktionskatalysator zu erzielen, wird der Ammoniak außerdem vorzugsweise unterstöchiometrisch zudosiert, d.h., das NH₃/NO_x-Mol-Verhältnis beträgt vorzugsweise weniger als 1, jedoch normalerweise wenigstens 0,5.
Das Abgas wird in dem Regenerator auf etwa 250°C bis 400°C vorerwärmt. Durch den Brenner kann es beispielsweise um weitere 10°C bis 50°C nacherhitzt werden, wobei die Temperatur im Flammenbereich des Brenners, aus dem der Abgasteilstrom abgezweigt wird, um etwa 50 bis 150°C höher liegt als außerhalb des Brenners.
Durch die Nacherhitzung mit dem Brenner wird dem Abgas nicht nur die für die katalytische Entstickung erforderliche Temperatur verliehen. Vielmehr wird dadurch auch ein entsprechendes Temperaturgefälle zum Gasaustritt ins Freie z. B. über einen Schornstein und damit eine entsprechende Geschwindigkeit des Abgasstromes in der Anlage gewährleistet.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen, jeweils schematisch:
1 eine Gesamtansicht der Anlage;
2 einen Schnitt durch die Vormischkammer;
3 einen Schnitt durch einen Teil der Hauptmischkammer;
4 und 5 einen Längsschnitt bzw. Querschnitt durch den regenerativen Wärmetauscher;
6 eine perspektivische Ansicht eines der beiden Hauptsperrorgane
Gemäß 1 weist die Anlage zur Abreinigung von mit Stickoxiden beladenen Abgasen einen regenerativen Wärmetauscher 1, eine Hauptmischkammer 2 und einen SCR-Reaktor 3 auf.
Das mit Stickoxiden beladene Abgas strömt von einer Emissionsquelle 4 über eine Leitung 5 zu dem Wärmetauscher 1. In der Leitung 5 ist dazu ein nicht dargestelltes Gebläse vorgesehen.
Gemäß 4 besteht der Wärmetauscher 1 aus zwei Regeneratoren 6, 7, die mit Wärmespeichermassen 8, 9 versehen sind. Die Wärmespeichermassen 8, 9 bestehen aus quader- oder prismenförmigen Wärmespeicherkörpern, die mit einer Vielzahl von Gasdurchtrittskanälen versehen sind, wie vorstehend beschrieben.
In dem Zwischenraum 10 zwischen den beiden Regeneratoren 6, 7 sind zwei Hauptabsperrorgane 11, 11' vorgesehen.
Jedes Hauptabsperrorgan 11, 11' besteht, wie insbesondere auch aus dem in 6 perspektivisch dargestellten Hauptabsperrorgan 11 ersichtlich, aus einer Kammer 12 mit einer oberen Wand 13, einer unteren Wand 14 und einer Trennwand 15, die sich zwischen der oberen und der unteren Wand 13 bzw. 14 erstreckt.
Die Trennwand 15 verläuft schräg und teilt die Kammer 12 in zwei Einzelkammern 16, 17. Jede Einzelkammer 16, 17 weist an der oberen Wand 13 und der unteren Wand 14 eine mit einem Schließkörper 18, 19 absperrbare Öffnung 20 und 21 bzw. 22 und 23 auf.
In jeder Einzelkammer 16, 17 sind damit zwei übereinander angeordnete Öffnungen 20, 21 bzw. 22, 23 vorgesehen, die mit den dieser Einzelkammer 16 bzw. 17 zugeordneten Schließkörper 18 bzw. 19 geöffnet oder geschlossen werden können. Jeder Schließkörper 18, 19 ist dazu an einem Stellorgan 24a, 24b befestigt, das als pneumatische oder hydraulische Kolben/Zylindereinheit ausgebildet sein kann.
An die obere Wand 13 und die untere Wand 14 des Hauptabsperrorgans 11 schließt sich eine Vorkammer 25 bzw. 26 an.
Das obere Hauptabsperrorgan 11' ist in gleicher Weise ausgebildet. Die entsprechenden Teile sind daher mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, die jedoch mit einem ' versehen sind.
An die Vorkammer 26 des unteren Absperrorgans 11 ist die Abgasleitung 5 angeschlossen. Das zu reinigende Abgas gelangt von der Vorkammer 26 über die Öffnung 20 in die Einzelkammer 16 des Hauptabsperrorgans 11 und von dort in die Verteilkammer 30 in dem Regenerator 7, wie durch die Pfeil 28 veranschaulicht. Von dort strömt es durch den Tragrost 32 dann durch die keramische Wärmespeichermasse 9, die zuvor durch das aus dem SCR-Reaktor 3 austretende heiße entstickte Abgas erwärmt worden ist.
Das aus der Wärmespeichermasse 9 austretende, beispielsweise auf 300°C vorerwärmte Abgas strömt über den Zwischenraum 34 über der Wärmespeichermasse 9 gemäß dem Pfeil 38 in die Einzelkammer 16' und von dort durch die Öffnung 21' in die Vorkammer 25' des oberen Hauptabsperrorgans 11'.
Das heiße entstickte Abgas wird von dem SCR-Reaktor 3 über eine Leitung 32 (1) der Vorkammer 26' des oberen Hauptabsperrogans 11' zugeführt. Von dort strömt es über die Öffnung 22' über den Zwischenraum 33 oberhalb der Wärmespeichermasse 8 in den anderen Regenerator 6, wie durch den Pfeil 35 veranschaulicht.
Das heiße entstickte Abgas gibt beim Durchströmen seine Wärme an die Wärmespeichermasse 8 ab und strömt als gekühltes Abgas von dem Raum 29 über die Einzelkammer 17 (6) durch die Öffnung 23 in die obere Vorkammer 25 des unteren Absperrorgans 11 gemäß dem Pfeil 37. An die Vorkammer 25 ist eine Leitung 36 angeschlossen, die zum Schornsteins führt (1).
Wenn die Wärmespeichermasse 9 des Regenerators 7 ihre Wärme an den zu reinigenden mit Stickoxiden beladenen Abgasstrom abgegeben hat, wird das zu reinigende Gas in die inzwischen durch das heiße entstickte Abgas aufgeheizte Wärmespeichermasse 8 des Regenerators 6 geleitet, während das heiße entstickte Abgas dem Regenerator 7 zugeführt wird, um dessen Wärmespeichermasse 9 wieder aufzuheizen.
Dazu wird durch Betätigen des Stellorgans 23a mit dem Schließkörper 19 die Öffnung 22 geöffnet und die Öffnung 23 geschlossen, und durch Betätigen des Stellorgans 23b mit dem Schließkörper 18 die Öffnung 21 geöffnet und die Öffnung 20 geschlossen. Ferner wird durch Betätigung des Stellorgans 24a mit dem Schließkörper 19' die Öffnung 23' geöffnet und die Öffnung 22' geschlossen, während durch Betätigung mit dem Stellorgan 23' mit dem Schließkörper 18' die Öffnung 20' geöffnet und die Öffnung 21' geschlossen wird.
Das zu reinigende Abgas wird den beiden Regeneratoren 6, 7 also wechselweise zugeführt, wobei durch den anderen Regenerator 7 bzw. 6 jeweils das heiße entstickte Abgas im Gegenstrom geleitet wird. Damit diese abwechselnde Gaszufuhr durchgeführt werden kann, ist das eine Ende der Regeneratoren 6, 7 somit abwechselnd mit der Abgaszufuhrleitung 5 und der Abfuhrleitung 36 für das gekühlte entstickte Abgas nach Durchtritt der Wärmespeichermasse 6 bzw. 7 verbindbar, während das andere, obere Ende der Regeneratoren 6, 7 abwechselnd mit einer Abfuhrleitung 40 für das vorerwärmte Abgas bzw. mit der Zufuhrleitung 32 für das heiße entstickte Abgas verbindbar ist.
Die Wärmespeichermassen 8, 9 sind mit einer Abdichtung 62 gegenüber der Wand 39 der Regeneratoren 6, 7 abgedichtet und zugleich thermisch isoliert.
Die Abfuhrleitung 40 (1) für das vorerwärmte Abgas ist an die Vorkammer 25' des oberen Hauptabsperrorgans 11' angeschlossen und führt zu einem Brenner 41, der im vorderen Bereich der Hauptmischkammer 2 angeordnet ist. Durch den Brenner 41 wird das beispielsweise auf 300°C vorerwärmte Abgas um beispielsweise weitere 20°C bis 30°C nacherhitzt.
Aus der auf etwa 400°C überhitzten Flammenzone 42 des Brenners 41 wird ein Teilstrom von z.B. 5–10% des gesamten Abgases über eine Zweigleitung 43 abgezogen.
In der Zweigleitung 43 ist dazu ein Gebläse 44 vorgesehen. Der abgezweigte, überhitzte Abgasteilstrom tritt in eine Vormischkammer 45 ein, in der er mit dem Reduktionsmittel vermischt wird, das über eine Leitung 46 zudosiert wird.
Die Vormischkammer 45 besteht gemäß 2 aus einem Zylinder 47, der am unteren Ende 48 konisch verjüngt ist.
Der überhitzte Abgasteilstrom wird über die Leitung 43 dem Zylinder 47 von der Seite, und zwar tangential zugeführt, während das Reduktionsmittel, beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung, von der Leitung 46 an der dem konischen Ende 48 gegenüberliegenden Seite 50 in den mittleren Axialbereich eingedüst wird.
Wie durch den spiralförmigen Pfeil 55 veranschaulicht, bildet sich durch die tangentiale Zufuhr des Abgasteilstromes in der Vormischkammer 45 ein Wirbel aus, der zu einer heißen Gasschicht an der Zylinderwand 47 führt. Durch die heiße schnellströmende Gasschicht wird das Wasser der wässrigen Harnstofflösung sofort verdampft und der Harnstoff zu Ammoniak zersetzt. Zugleich erfolgt eine innige Vermischung des Ammoniaks mit dem heißen Abgas.
Von dem konischen Ende 48 wird das mit dem Abgasteilstrom vorverdünnte Ammoniak über eine Leitung 51 der Hauptmischkammer 2 zugeführt.
In der Hauptmischkammer 2 ist stromabwärts des Brenners 41 ein Verteilrechen 52 angeordnet, an dem die Leitung 51 angeschlossen ist. Der Verteilrechen 52 besteht gemäß 3 aus Rohren 53, die sich gemäß dem Pfeil 56 in Richtung des Brenners 41 erstrecken.
Die Rohre 53 sind über ihre gesamte Länge doppelseitig mit Düsen 57 versehen, über die der vorverdünnte Ammoniak in einem Winkel von etwa 90° zur Strömungsrichtung 56 in den Hauptabgasstrom eingedüst wird, wie durch die Pfeile 62 veranschaulicht, und zwar mit einem Überdruck von beispielsweise 20 mbar und damit einer Strömungsgeschwindigkeit von beispielsweise 60 m/s.
Durch die zweistufige Vermischung in der Vormischkammer 45 und der Hauptmischkammer 2 wird eine innige, homogene Vermischung des Reduktionsmittels mit dem zu reinigenden Abgas erreicht. Um die Mischgüte noch weiter zu verbessern, ist nach dem Verteilrechen 52 ein statischer Mischer 58 aus gekreuzten Blechen oder dgl. Schikanen zur Gasverwirbelung angeordnet.
An die Hauptmischkammer 2 schließt sich der SCR-Reaktor 3 an, in dem eine Schicht 60 aus einem Reduktionskatalysator vorgesehen ist, in der das NO_x im Abgas mit dem zugedüsten Ammoniak zu Stickstoff und Wasser reduziert wird.
Danach durchströmt das Abgas eine zweite Schicht 61 die aus demselben Katalysator besteht, aber als Oxidationskatalysator wirkt. In der Schicht 61 werden organische Verbindungen, insbesondere Dioxine und Furane oxidiert.
Die Steuerung der Reduktionsmittelzuführung kann durch kontinuierliche Messung der NO_x-Konzentration und des Durchsatzes des Abgases in der Rohgasleitung 5 erfolgen, indem aus dem Produkt Abgasdurchsatz und NO_x-Konzentration die erforderliche stöchiometrische Ammoniakmenge errechnet wird.

Claims

Anlage zur Reinigung von mit Stickoxiden beladenen Abgasen, bei der das Abgas zur Erwärmung wechselweise in einen von zwei mit keramischen Speichermassen gefüllten Regenerator eintritt, mit einem Brenner nacherhitzt und nach Zumischung eines Reduktionsmittels einem Reduktionskatalysator zur Reduktion der Stickoxide zugeführt wird, während das aus dem Katalysator austretende entstickte heiße Abgas im Gegenstrom die Wärmespeichermasse des anderen Regenerators aufheizt, wobei zur wechselweisen Zufuhr des zu reinigenden Abgases zu dem einen Regenerator und des heißen entstickten Abgases zu dem anderen Regenerator das eine Ende der Regeneratoren abwechselnd mit einer Abgaszufuhrleitung und einer Abfuhrleitung für das gekühlte entstickte Abgas nach Durchtritt der Wärmespeichermasse und das andere Ende der Regeneratoren abwechselnd mit einer Abfuhrleitung für das vorerwärmte Abgas zu dem Brenner bzw. einer Zufuhrleitung für das heiße entstickte Abgas verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur abwechselnden Verbindung des einen Endes der Regeneratoren (6, 7) mit der Abgaszufuhrleitung (5) und der Abfuhrleitung (36) für das gekühlte entstickte Abgas und zur abwechselnden Verbindung des anderen Endes der Regeneratoren (6, 7) mit der Abfuhrleitung (40) für das vorerwärmte Abgas bzw. mit der Zufuhrleitung (32) für das heiße entstickte Abgas zwei Hauptabsperrorgane (11, 11') vorgesehen sind, wobei jedes Hauptabsperrorgan eine Kammer (12, 12') mit einer oberen Wand (13, 13'), einer un teren Wand (14, 14') und einer Trennwand (15) zwischen der oberen und der unteren Wand (13, 13', 14, 14') aufweist, welche die Kammer (12, 12') in zwei Einzelkammern (16, 16', 17) teilt, wobei jede Einzelkammer (16, 16', 17) in der oberen Wand (13, 13') und der unteren Wand (14, 14') mit einer absperrbaren Öffnung (20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 23') versehen ist und ein Stellorgan (24a, 24a', 24b, 24b') zur Betätigung eines Schließkörpers (18, 18', 19, 19') zum Öffnen und Schließen der beiden übereinander angeordneten absperrbaren Öffnungen (20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 23') jeder Einzelkammer (16, 16', 17) vorgesehen ist, wobei die eine Einzelkammer (16, 17) des einen Hauptabsperrorgans (11) die Abgaszufuhrleitung (5) mit dem einen Regenerator (6, 7) verbindet und die andere Einzelkammer (17, 16) des einen Hauptabsperrorgans (11) den anderen Regenerator (7, 6) mit der Abfuhrleitung (36) für das gekühlte entstickte Abgas, während die eine Einzelkammer (16') des anderen Hauptabsperrorgans (11') den einen Regenerator (6, 7) mit der Abfuhrleitung (40) für das vorerwärmte Abgas und die andere Einzelkammer (16') des anderen Hauptabsperrorgans (11') den anderen Regenerator (7, 6) mit der Zufuhrleitung (32) für das heiße entstickte Abgas verbindet.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptabsperrorgane (11, 11') in einem Zwischenraum (10) zwischen den beiden Regeneratoren (6, 7) angeordnet sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der Flammenzone (42) des Brenners (41) eine Zweigleitung (43) für einen Abgasteilstrom zu einer Vormischkammer (45) erstreckt, welcher das Reduktionsmittel zugeführt wird.
Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweigleitung (43) ein Gebläse (44) aufweist.
Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischkammer (45) aus einem Zylinder (47) mit einem sich verjüngenden Ende (48) besteht und eine tangentiale Zufuhr des Abgasteilstrom in den Zylinder (47) sowie eine Zufuhr des Reduktionsmittels in den mittleren Axialbereich des Zylinders (47) vorgesehen sind, wobei an das sich verjüngende Ende (48) eine Leitung (51) zur Zufuhr des mit dem Abgasteilstrom vorverdünnten Reduktionsmittels zum Hauptabgasstrom vorgesehen ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hauptmischkammer (2) vorgesehen ist, in der das mit dem Abgasteilstrom vorverdünnte Reduktionsmittel dem Hauptabgasstrom vermischt wird.
Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hauptmischkammer (2) ein Verteilerrechen (52) aus sich in Strömungsrichtung (56) des Hauptabgasstromes erstreckenden Rohren (53) angeordnet ist, die zumindest über einen Teil ihrer Länge am Umfang mit Düsen (57) versehen sind, um das vorverdünnte Reduktionsmittel quer zur Strömungsrichtung (56) des Hauptabgasstromes einzudüsen.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator sowohl als Reduktionskatalysator (60) als auch als Oxidationskatalysator (61) zur Oxidation von Dioxinen und Furanen ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass von dem gesamten Abgasstrom über die Zweigleitung (43) ein Abgasteilstrom von 2–20 Vol.-% abgezweigt wird.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel durch eine wässrige Harnstoff- oder Ammoniaklösung oder gasförmigen Ammoniak gebildet wird.
Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorerwärmte Abgas durch den Brenner (41) um 10°C bis 50°C nacherhitzt wird.
Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammenzone (42) des Brenners (41), aus der der Abgasteilstrom abgezogen wird, eine Temperatur von 350°C bis 500°C aufweist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichermassen (8, 9) aus extrudierten keramischen Wärmespeicherkörpern mit einer Vielzahl von in Gasströmungsrichtung verlaufenden Gasdurchtrittskanälen gebildet sind.
Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeicherkörper durch keramische Abstandshalter in einem Abstand von 5 mm bis 50 mm gehalten werden.
Anlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wärmespeichermassen (8, 9) und der Innenwand (39) der Regeneratoren (6, 7) eine wärmeisolierende Abdichtung (62) vorgesehen ist.