DE4301760A1 - Verfahren und Vorrichtung für einen Regenerativ-Wärmetauscher zur Behandlung schadstoffhaltiger Abgase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen Regenerativ-Wärmetauscher zur Behandlung schadstoffhaltiger, sich mit einem anderen Medium im Wärmetausch befindender Abgase, mit feststehenden oder umlaufenden Speichermassen, die zumindest teil­ weise aus katalytischem Material bestehen, und dem ein Reduktions­ mittel von der heißen Seite her zugeführt wird. Der Regenerativ- Wärmetauscher läßt sich hierbei sowohl für Luftvorwärmer (Luvos) als auch für Gasvorwärmer (Gavos) einsetzen.

Bei Kraftwerks- und Industriefeuerungsanlagen werden die Abgase in einem Regenerativ-Wärmetauscher zur Vorwärmung der Verbrennungsluft genutzt. Bei diesem Prozeß können bspw. die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) weitgehend reduziert werden, indem in diesem Ball die Speichermassen - die feststehend oder umlaufend ausgebildet sein können - des Regenerativ-Luftvorwärmers ganz oder teilweise als katalytisch wirksam ausgeführt sind und bspw. vor allem Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel zugegeben wird. Somit geht es um die katalytische Stickoxidminderung, bei der die Reduktion (Desoxida­ tion) der Stickoxide durch Zugabe des NH3 in Anwesenheit eines in einem Regenerativ-Luftvorwärmer bzw. Regenerativ-Wärmetauscher integrierten Katalysators stattfindet. In der Regel ist das NOx­ haltige Abgas das Rauchgas einer Feuerung, das am Ende eines Dampf­ erzeugers zur Vorwärmung der Verbrennungsluft den Regenerativ­ wärmetauscher durchströmt.

Zu diesem Zweck ist es bekannt, zur selektiven Reduktion von Stick­ oxiden in den Abgasen von Feuerungsanlagen das NH3 dampfförmig, in Mischung mit Luft als Trägergas unter Druck oder in Wasser gelöst drucklos in die aus der Feuerungsanlage austretenden Abgase ein­ zuleiten. Durch Mischstrecken mit entsprechenden Einbauten innerhalb der weiterführenden Abgaskanäle wird versucht, im Abgasstrom bis zum Eintritt in den Katalysator eine strähnenfreie Ammoniak- und Temperaturverteilung zu erhalten. Der Katalysator bzw. die Speicher­ massen sind unter Berücksichtigung optimaler Reaktionstemperaturen innerhalb der Abgasführung dem umlaufenden Regenerativ-Wärmetauscher zur Übertragung der Abgaswärme an die der Feuerung zuzuführende Verbrennungsluft vorgeschaltet. Als Katalysatoren haben sich ins­ besondere Festbett-Katalysatoren mit vertikal nach unten gerichteter Abgasströmung bewährt, von denen mehrere von den zu entstickenden Abgasen im Wechsel beaufschlagt werden. Die in Wabenstruktur ausge­ führten Festbett-Katalysatoren enthalten als katalytisch wirkende Stoffe Vanadiumverbindungen, die die Umsetzung der Stickoxide mit den zuvor in den Abgasstrom eingeleiteten und auf dem Weg bis zum Katalysator unter feiner Aufteilung eingemischten NH3 begünstigen. Die Reaktion mit den in den Abgasen enthaltenen Stickoxiden führt im wesentlichen zu molekularen Stickstoff und Wasser als Reaktions­ produkte, die sich dann unschädlich in die Umgebung ableiten lassen.

Durch die europäischen Patentschriften 0 195 075 und 0 257 024 ist es bekanntgeworden, das Reduktionsmittel auf der Roh-, Rauch- oder Abgasseite bzw. auf der Reingas- oder Luftseite oder auch sowohl auf der Gas- als auch auf der Luftseite zuzugeben. Das NH3 wird somit entweder dem Rauchgas vor dessen Eingang in den Katalysator oder der zu erwärmenden Frischluft vor deren Eintritt in den Kataly­ sator bzw. in Kombination beiden Seiten zugemischt. Auf jeden Fall werden die im Rauchgas enthaltenen Stoffkomponenten, nämlich NOx, in unschädliche Komponenten katalytisch umgesetzt.

Bei den bekannten Wärmetauschern tritt sowohl bei der luftseitigen als auch bei der rauchgasseitigen Zugabe von NH3 eine Leckage auf. Trotz vorhandener Dichtungen läßt sich bei der luftseitigen Zugabe nicht verhindern, daß ein gewisser Anteil des Reduktionsmittels von der Seite des Reingases auf die Seite des gereinigten Rauchgases gelangt. Dieser Anteil geht somit verloren und belastet die nach­ geschalteten Anlagenteile. Schließlich sind bei der luftseitigen, d. h. von der kalten Luftseite des Wärmetauschers her vorgesehenen Zuführung auch die nicht katalytisch wirksamen, im niedrigeren Temperaturbereich liegenden Heizflächen betroffen. Dabei kann das NH3 in diesen Heizflächenzonen teilweise über Kompensation und/oder Absorption bspw. bei der Verbrennungsluftvorwärmung von der Luft- auf die Rauchgasseite übertragen werden. Einhergehend damit können sich als unerwünschte Begleiterscheinungen der NH3-Überschuß im Abgas und gleichzeitig auch die NH3-Beladung des im Rauchgas mit­ geführten Flugstaubes stark erhöhen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen sich die vorgenannten Nachteile vermeiden lassen, um im Sinne einer maximalen NOx-Minderung einerseits einen hohen Reaktionsgrad zu erreichen, andererseits aber weitestgehend zu verhindern, daß das Reduktionsmittel in den Rauchgasstrom übertritt und damit in die Umwelt gelangt.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß das Reduk­ tionsmittel dem Katalysator getrennt vom schadstoffhaltigen Abgas direkt, ohne mit den übrigen Heizflächen in Kontakt zu kommen, zugeführt wird. Der Erfindung liegt hierbei die Erkenntnis zugrunde, das von der heißen Seite des Wärmetauschers her eingeleitete Reduk­ tionsmittel den Katalysator-Heizflächen auf kürzestem Wege direkt zuzuführen und nur soweit in die Speichermassenpakete einzublasen, wie die Katalysator-Heizflächen in ihrer Tiefe reichen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das Reduktionsmittel dem Katalysator im Rauchgas- bzw. Luftstrom über ein Freistrahldüsensystem zugeführt wird. Bei bspw. einem Luftvor­ wärmer bedeutet das, daß die Reduktionsmittel-Eindüsung auf der mit Katalysator-Elementen bestückten heißen Seite der Speichermassen entgegen dem austretenden Luftstrom im Freistrahl durchgeführt wird. Mit dem Begriff Freistahl wird hierbei die Strömungsform eines aus der Düse austretenden Mediums beschrieben, das sich aufgrund seiner kinetischen Energie frei durch die umgehende Atmosphäre bewegt, d. h. es strömt ohne besondere Kanäle oder lenkende Einbauten zu den Katalysator-Elementen.

Nach einer bevorzugten alternativen Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß das Reduktionsmittel dem Katalysator innerhalb des die wärmetauschenden Medien trennenden Dichtungssystems beim Wechsel von Luft auf Rauchgas bzw. von Rein- auf Rohgas zugeführt wird. Im Unterschied zum Freistrahlverfahren strömt das Reduktionsmittel dem Katalysator in diesem Fall in einem separaten Kanal zu, wozu vorteilhaft die Düsenrichtung als ein in den radialen Dichtleisten angeordneter Strömungskanal ausgebildet sein kann.

Bei der Zuleitung des Reduktionsmittels über einen separaten Kanal des Dichtungssystems läßt sich das Reduktionsmittel nach Art einer Kammerteilspülung zugeben. Dabei wird die jeweilige Speichermassen­ zelle auf der kalten Gegenseite von der entsprechenden Radialdicht­ leiste nur soweit freigegeben, daß das einströmende Reduktionsmittel die Rauchgasfüllung teilweise ausspült und bis zum Ende der Kataly­ satorzone vordringt. Nach einer Übergangsphase, während derer die vom Reduktionsmittel angeströmte Zelle an der kalten Seite völlig abgeschlossen ist, gibt die Dichtleiste wieder einen Querschnitt frei, so daß jetzt bspw. eintretende Luft im Gegenstrom das restli­ che Rauchgas und überschüssige Reduktionsmittel ausspült. Dem Reduktionsmittel tritt hierbei im Katalysator kein ausströmendes Medium entgegen, und darüber hinaus ergibt sich für die Reduktions­ mittel-Versorgung des Katalysators eine längere Verweilzeit.

Zur Freistrahl-Eindüsung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in beiden Haubenflügeln eine mindestens einarmige, sich jeweils über den gesamten Radius des Wärmetauschers erstreckende Düseneinrichtung angeordnet ist. Diese läßt sich so ausbilden, daß der Arm bzw. die Arme mit einer Schlitzdüse versehen ist bzw. sind; alternativ kann der Arm bzw. können die Arme mit über den Radius des Wärmetauschers verteilt angeordneten Einzeldüsen bestückt werden. Die Schlitzdüse bzw. die Reihe von Einzeldüsen sind so ausgelegt, daß die Katalysa­ toroberflächen an jeder Stelle spezifisch die gleiche Reduktions­ mittelmenge angeboten bekommen.

Wenn die Düseneinrichtung vorteilhaft winkelverstellbar ist, läßt sich innerhalb eines Haubenflügels oder auch beider Flügel der oberen Haube die Einstellage entsprechend dem für die Reduktions­ mittel-Absorption günstigsten Temperaturbereich anpassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der einige Aus­ führungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung näher erläutert sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Regenerativ-Wärmetauscher mit dem Katalysator von der heißen Seite her vor­ geschalteter Reduktionsmittel-Zuführung, die als Freistrahldüseneinrichtung ausgebildet ist, entlang der Linie I-I von Fig. 2 geschnitten und schematisch dargestellt;

Fig. 2 den Regenerativ-Wärmetauscher gemäß Fig. 1 entlang der Linie II-II geschnitten, schematisch darge­ stellt;

Fig. 3 einen mit der Ansicht gemäß Fig. 2 vergleichbaren Schnitt durch eine Haube eines Regenerativ-Wärmetau­ schers mit einer Ausführung der Düseneinrichtung, bei der Strömungskanäle in den zwischen den Luft- und Gassektoren verlaufenden radialen Dichtleisten angeordnet sind, schematisch dargestellt, und

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV von Fig. 3 durch den aus katalytisch wirksamen, oben liegen­ den Speichermassen und einem unten liegenden Wärme­ speicher bestehenden Katalysator.

Dem in Fig. 1 gezeigten, als Luftvorwärmer ausgebildeten Regenera­ tiv-Wärmetauscher 1 strömt NOx-haltiges, heißes Abgas von einem nicht dargestellten Dampferzeuger über einen Kanal 2 zu. Das heiße Rohgas G - im folgenden kurz Gas genannt - strömt somit von oben in den Regenerativ-Wärmetauscher 1 ein, der in seinem mittleren Teil einen kontinuierlich oder schrittweise umlaufenden Katalysator aufweist, der aus katalytischen Speichermassen 3 und einem diesen unterhalb nachgeschalteten Wärmespeicher 4 besteht. Beidseitig bzw. ober- und unterhalb des Katalysators, d. h. der Speichermassen 3 bzw. des Wärmespeichers 4 befindet sich jeweils eine segmentierte Haube 5, 6. Aufgrund der Drehbewegung des Katalysators sind immer andere Teile bzw. Zellen der Speichermassen 3 und des Wärmespeichers 4 dem schadstoffbelasteten, heißen Gas G ausgesetzt. Auf dem Weg des Gases G durch die katalytisch wirksamen Speichermassen 3 wird durch Adsorption durch NH3 eine NOx-Reduktion bewirkt. Gleichzeitig heizen sich die Heizflächen der Speichermassen 3 und des Wärmespeichers 4 durch das Gas G auf, das sich dabei abkühlt und den Regenerativ- Wärmetauscher 1 am unteren Ende in gereinigter Form über den Kanal 7 verläßt.

Vom unteren Ende des Regenerativ-Wärmetauschers 1 - bzw. des darge­ stellten Luftvorwärmers - her ist an die Haube 6 eine Leitung 8 angeschlossen, über die saubere, kalte Verbrennungsluft L - nach­ folgend kurz als Luft bezeichnet - im Gegenstrom zu dem Gas G über die Haube 6 den von dem Gas G aufgeheizten Heizflächen der Speicher­ massen 3 bzw. des Wärmespeichers 4 zugeführt wird. Die Luft L kühlt die Heizflächen unter Wärmeaufnahme ab und strömt über die obere Haube 5 als Heißluft durch einen Kanal 9 zur Feuerung.

Zur NOx-Reduktion wird als Reduktionsmittel NH3 mit vorgewärmter Trägerluft über ein Zuführrohr 10 von der heißen Seite des Regenera­ tiv-Wärmetauschers 1 über die obere Haube 5 eingeleitet und von dort über eine Düseneinrichtung 11 zu den Heizflächen der Speichermassen 3 geführt. Die in Fig. 1 gezeigte Düseneinrichtung 11 besteht aus sich von dem Zuführrohr 10 abzweigenden, jeweils in den Luftsektoren 12 (vgl. Fig. 2) in beiden Haubenflügeln 5a, 5b bis zum Außenumfang des Regenerativ-Wärmetauschers 1 verlaufenden Armen 13, die mit einer Reihe von Einzeldüsen 14 versehen sind. Alternativ können die Arme 13 statt Einzeldüsen 14 eine durchgehende Schlitzdüse 15 (vgl. Fig. 2) tragen. Die Luftsektoren 17 sind mit radialen Dichtleisten 16 gegen die Gassektoren 17 abgedichtet, und die Einzeldüsen 14 bzw. die Schlitzdüsen 15 düsen das Reduktionsmittel mit der Trägerluft im Freistrahl nur soweit in die Heizflächenpakete der Speichermassen 3 ein, wie die Katalysator-Heizflächen in ihrer Tiefe reichen; das Reduktionsmittel gelangt damit nicht in die im niedrigeren Tempera­ turbereich liegenden Heizflächen des Wärmespeichers 4.

Bei der Ausführung der Reduktionsmittel-Zuführung nach den Fig. 3 und 4 ist die Düseneinrichtung 11 als ein in den einander diametral gegenüberliegenden radialen Dichtleisten 16a angeordneter Strömungs­ kanal 18 ausgebildet, so daß sich eine geschlossene Zufuhr des Reduktionsmittels ergibt. Mit der Zuführung des Reduktionsmittels in separaten Strömungskanälen 18 der Dichtleisten 16a läßt sich eine Kammerteilspülung durchführen, wie in Fig. 4 dargestellt. Hierbei wird die jeweilige Wärmespeicherzelle 4a auf der kalten Seite des Katalysators von der entsprechenden, d. h. dem Wärmespeicher 4 zugeordneten Radialdichtleiste 16b nur soweit freigegeben, daß das über den Strömungskanal 18 zugeführte Reduktionsmittel unter Ausspülung der Rauchgasfüllung bis zum Ende der Katalysatorzone vordringt (vgl. Position I in Fig. 4). Nach einer Übergangsphase, während derer die von NH3 angeströmte Wärmespeicherzelle 4a an der kalten Seite 5 abgeschlossen ist (vgl. Position II in Fig. 4), gibt die Dichtleiste 16b dann wieder einen Querschnitt der Wärmespeicher­ zelle 4a frei (vgl. Position III in Fig. 4), so daß jetzt bspw. in diese Zelle eintretende Luft im Gegenstrom das restliche Rauchgas und überschüssiges NH3 ausspült und über den Kanal 11 (vgl. Fig. 1) zur Feuerung transportiert, was bedeutet, daß kein NH3-belastetes Abgas in die Umwelt gelangt.

Bezugszeichenliste

 1 Regenerativ-Wärmetauscher
 2 Kanal
 3 Speichermasse
 4 Wärmespeicher
 5 Haube
 6 Haube
 7 Kanal
 8 Leitung
 9 Kanal
10 Zuführrohr
11 Düseneinrichtung
12 Luftsektor
13 Arm
14 Einzeldüse
15 Schlitzdüse
16 Dichtleiste
17 Gassektor
18 Strömungskanal
4a Wärmespeicherzelle
5a, 5b Haubenflügel
16a, 16b Dichtleiste

Claims (8)

1. Verfahren für einen Regenerativ-Wärmetauscher zur Behandlung schadstoffhaltiger, sich mit einem anderen Medium im Wärme­ tausch befindender Abgase, mit feststehenden oder umlaufenden Speichermassen, die zumindest teilweise aus katalytischem Material bestehen, und dem ein Reduktionsmittel von der heißen Seite her zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel dem Katalysator getrennt vom schad­ stoffhaltigen Abgas direkt, ohne mit den übrigen Heizflächen in Kontakt zu kommen, zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel dem Katalysator im Rauchgas- bzw. Luftstrom über ein Freistrahldüsensystem zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel dem Katalysator innerhalb des die wärmetauschenden Medien trennenden Dichtungssystems beim Wechsel von Luft auf Rauchgas bzw. von Rein- auf Rohgas zu­ geführt wird.

4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Haubenflügeln (5a, 5b) eine mindestens einarmige, sich jeweils über den gesamten Radius des Wärmetauschers (1) erstreckende Düseneinrichtung (11) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (13) mit einer Schlitzdüse (15) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (13) mit über den Radius des Wärmetauschers (1) verteilt angeordneten Einzeldüsen (14) versehen ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinrichtung (11) winkelverstellbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinrichtung (11) als ein in den radialen Dicht­ leisten (16a) angeordneter Strömungskanal (18) ausgebildet ist.