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DE4336632A1 - Einrichtung zur Kontaktierung eines Strömungsmediums mit einem eine Reaktion induzierenden Material - Google Patents

Einrichtung zur Kontaktierung eines Strömungsmediums mit einem eine Reaktion induzierenden Material

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DE4336632A1
DE4336632A1 DE4336632A DE4336632A DE4336632A1 DE 4336632 A1 DE4336632 A1 DE 4336632A1 DE 4336632 A DE4336632 A DE 4336632A DE 4336632 A DE4336632 A DE 4336632A DE 4336632 A1 DE4336632 A1 DE 4336632A1
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Klaus Dipl Ing Huettenhofer
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Siemens AG
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Siemens AG
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kontak­ tierung eines Strömungsmediums mit einem eine Reaktion indu­ zierenden Material, die in einem Strömungskanal angeordnete, in Serie geschaltete Reaktionsmodule mit dem die Reaktion in­ duzierenden Material umfaßt. Unter einem eine Reaktion indu­ zierenden Material wird beispielsweise katalytisch aktives Material und/oder adsorbierendes Material verstanden. Die zu­ gehörigen Reaktionen sind dementsprechend katalytische Reak­ tionen und/oder Adsorptionsreaktionen.
Bei einer Vielzahl von technischen Prozessen werden Stoffe freigesetzt, für die der Gesetzgeber Emissionsgrenzwerte er­ lassen hat. Zur Erreichung oder Unterschreitung dieser Grenz­ werte sind in Abhängigkeit von dem emittierten Stoff verfah­ renstechnische Prozesse, wie beispielsweise die katalytische Umsetzung oder die Adsorption, bekannt.
Beispielsweise werden zur Verminderung von in Ab- oder Rauch­ gas enthaltenen Stickoxiden sogenannte DeNOx-Katalysatoren eingesetzt, an denen die Stickoxide zusammen mit Ammoniak nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) umgesetzt werden. Hierzu werden die DeNOx-Katalysatoren üblicherweise in sogenannten Reaktorgehäusen installiert. Um ein Verstopfen der Gaskanäle solcher DeNOx-Katalysatoren durch im Ab- oder Rauchgas enthaltenen Staub sicher zu ver­ meiden, werden die Reaktorgehäuse in Abhängigkeit vom Staub­ gehalt des Rauchgases in einer sogenannten "High Dust"-Anord­ nung für Rauchgas mit hohem Staubgehalt oder einer sogenann­ ten "Low Dust"-Anordnung für Rauchgas mit sehr geringem Staubgehalt oder in einer sogenannten "Tale End"-Anordnung für staubfreies Rauchgas ausgelegt. Dabei werden die DeNOx- Katalysatoren in sogenannten Modulen in mehreren Ebenen über­ einander angeordnet, die von dem Rauchgas der Reihe nach durchströmt werden. Bei diesen Anordnungen werden die DeNOx- Katalysatoren üblicherweise in vertikaler Richtung parallel zur Schwerkraft durchströmt. Dabei ergeben sich für die Reak­ torgehäuse Bauhöhen von etwa 15 bis 30 m.
Bei einem nachträglichen Einbau solcher DeNOx-Reaktoren in bestehende Anlagen, wie zum Beispiel Stein-, und Braunkohle- Kraftwerksanlagen, ergeben sich häufig Probleme, weil in der Anlage keine ausreichende Bauhöhe für die DeNOx-Reaktoren zur Verfügung steht. Häufig muß die erforderliche Bauhöhe durch kostspielige Umbauten am Dampferzeuger oder anderen Komponen­ ten der Kraftwerksanlage bereitgestellt werden.
Ferner ist es bekannt, daß die DeNOx-Katalysatoren bei staub­ freien Rauchgasen in einer oder mehreren Ebenen horizontal hintereinander angeordnet werden können, wobei die DeNOx-Ka­ talysatoren in diesem Fall auch horizontal durchströmt wer­ den. Für staubhaltige Rauchgase ist eine solche Anordnung nicht möglich, weil hierbei die im Rauchgas enthaltenen Stäu­ be und Partikel in den Katalysatorgassen, auch als Gaskanäle bezeichnet, sedimentieren und damit die Gaskanäle verstopfen würden. Der Lösungsansatz, die Verstopfung der Gaskanäle bei solchen Anordnungen und stark staubhaltigem Rauchgas durch eine Anhebung der Strömungsgeschwindigkeit des Rauchgases im Katalysator zu vermeiden, ergibt jedoch einen nicht tolerier­ baren hohen Leistungsbedarf der Saugzug-Gebläse durch einen erhöhten Druckverlust der Katalysatoren und eine nicht tole­ rierbare Abtragung des katalytisch aktiven Materials an den DeNOx-Katalysatoren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung zur Verminderung von in einem Strömungsmedium enthalte­ nen Schadstoffen, wie zum Beispiel Stickoxiden, anzugeben, die eine geringe Bauhöhe aufweist und bei der gleichzeitig ein Sedimentieren von Staubteilchen in den Gaskanälen des ei­ ne Reaktion induzierenden Materials verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reaktionsmodule nebeneinander angeordnet sind und die Strö­ mungsrichtung des Strömungsmediums in unmittelbar benachbar­ ten Reaktionsmodulen gegensinnig ist.
Auf diese Weise ist die Bauhöhe solcher Einrichtungen beson­ ders gering. Durch die Umlenkung des Strömungsmediums, die zwangsläufig erfolgt, wenn die Strömungsrichtung des Strö­ mungsmediums in unmittelbar benachbarten Reaktionsmodulen ge­ gensinnig eingestellt ist, wird eine Abscheidung von im Strö­ mungsmedium enthaltenen Partikeln und Stäuben aufgrund der im Umlenkbereich vorherrschenden Zentrifugalkräfte erreicht.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ergibt sich, wenn die Reaktionsmodule und der Strömungskanal derart ausgebildet sind, daß das Strömungsmedium ein erstes Reaktionsmodul im wesentlichen parallel zur Richtung der Schwerkraft und ein zweites Reaktionsmodul im wesentlichen antiparallel zur Schwerkraft durchströmt. Hierdurch können die Reaktionsmodu­ le, die Schüttungen oder platten- und/oder wabenförmige Reak­ tionselemente enthalten können, waagrecht nebeneinander ange­ ordnet sein, was eine besonders geringe Bauhöhe der Einrich­ tung bewirkt. Weiterhin wird der Staubaustrag aus dem Rauch­ gas vorteilhaft eingestellt. Eine alternative, bezüglich des Staubaustrages nicht ganz so vorteilhafte Ausführungsform sieht eine zu der vorstehend genannten Ausführungsform genau umgekehrte Strömung vor.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Bereich des Strö­ mungskanals, in dem die Umlenkung des Strömungsmediums von im wesentlichen parallel nach im wesentlichen antiparallel zur Schwerkraft erfolgt, als Staubsammler mit einer Staubabzugs­ leitung ausgestaltet sein. Auf diese Weise kann im Umkehrbe­ reich des Strömungskanals eine Staubabscheidung nach Art ei­ nes Zyklons realisiert werden, die wesentlich dazu beiträgt, daß das nach dem Umlenkbereich gegen die Schwerkraft aufströ­ mende Strömungsmedium keine oder nur wenige Partikel und Stäube mit sich führt, die die Gaskanäle verstopfen können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt einen Querschnitt durch einen Strömungskanal 2 mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung 4 zur Kontaktierung eines Strömungsmediums 6 mit einem eine Reaktion induzieren­ den Material 18.
In Strömungsrichtung eines stark mit Staub beladenen Rauchga­ ses 6 einer hier nicht weiter dargestellten Verbrennungsan­ lage, die Stein- oder Braunkohle als Energieträger verwendet, sind zunächst eine Eindüsvorrichtung 8 für Ammoniak und eine Mischvorrichtung 10 in der Rauchgasleitung 2 eingebaut.
Im Anschluß daran sind nach einer kurzen Wegstrecke im Strö­ mungskanal 2, die zur Homogenisierung der Verteilung des Am­ moniaks im Rauchgas 6 benötigt wird, Strömungsleitbleche 12 eingebaut, die die im Ausführungsbeispiel vorherrschende waagrechte Strömungsrichtung des Rauchgases 6 in eine Rich­ tung parallel zur Schwerkraft umlenken. Ein sich daran an­ schließendes Reaktionsmodul 14 umfaßt zunächst Strömungs­ gleichrichter 16, in Modulen angeordnete und im Ausführungs­ beispiel plattenförmige DeNOx-Katalysatoren 18 und weitere am Austritt der DeNOx-Katalysatoren 18 angeordnete Strömungs­ gleichrichter 20. Daran anschließend ist der Rauchgaskanal 2 als Umlenkbereich 22 ausgeführt, indem die Strömungsrichtung des Rauchgases 6 von parallel zur Schwerkraft nach antipa­ rallel zur Schwerkraft gedreht wird. Am Gaseintritt und am Gasaustritt eines weiteren Reaktionsmoduls 24 sind weitere Strömungsgleichrichter 26 bzw. 28 vorgesehen, zwischen denen ebenfalls die bereits aus dem Reaktionsmodul 14 bekannten DeNOx-Katalysatoren 18 angeordnet sind. Im Anschluß an das Reaktionsmodul 24 sind weitere Strömungsleitbleche 30 vorge­ sehen, mit denen die Strömungsrichtung des Rauchgases 6 von antiparallel zur Schwerkraft nach senkrecht zur Schwerkraft geändert wird.
Der Umlenkbereich 22 des Rauchgaskanals 2 ist als Staubsamm­ ler 32 ausgebildet, der eine Staubabzugsleitung 34 mit dis­ kontinuierlich zu öffnenden Ventil 36 umfaßt.
Beim Betrieb der Verbrennungsanlage strömt das stark mit Staub beladene Rauchgas 6 zunächst entlang der Eindüsvorrich­ tung 8 für Ammoniak und der Mischvorrichtung 10. Die Ein­ düsung des Ammoniaks sowie die daran anschließende homogene Vermischung des Ammoniaks mit dem Rauchgas 6 ist notwendige Voraussetzung für die katalytische Umsetzung der Stickoxide, die an den DeNOx-Katalysatoren 18 nach dem Verfahren der se­ lektiven katalytischen Reduktion erfolgt und als umweltunbe­ denkliche Produkte Stickstoff und Wasserdampf liefert.
Mittels der Strömungsleitbleche 12 wird das Rauchgas in eine Richtung parallel zur Schwerkraft umgelenkt. Mittels der Strömungsgleichrichter 16 wird eine weitgehend parallel aus­ gerichtete Strömung des Rauchgases 6 zur Schwerkraft und zu den Gaskanälen der DeNOx-Katalysatoren 18 erreicht, wobei die parallele Orientierung zu letzteren zur Vermeidung einer Ero­ sion an den Strömungsflanken der Platten der DeNOx-Katalysa­ toren 18 beiträgt. Aufgrund der parallelen Orientierung der Gaskanäle der DeNOx-Katalysatoren 18 des Reaktionsmoduls 14 zur Schwerkraft wird der im Rauchgas 6 enthaltene Staub voll­ ständig durch die DeNOx-Katalysatoren 18 geblasen, ohne daß der Staub in den Gaskanälen der DeNOx-Katalysatoren 18 sedi­ mentieren kann. Hierzu reichen die üblicherweise in DeNOx-An­ lagen vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 3 bis 7 m/sec. aus.
Infolge der sich daran anschließenden Umlenkung des Rauchga­ ses 6 von der Richtung parallel zur Schwerkraft in eine Rich­ tung antiparallel zur Schwerkraft hat der Umlenkbereich 22 eine Funktion ähnlich eines Zyklons. Deshalb sedimentieren die im Rauchgas enthaltenen Staubpartikel 38 auf dem Boden des als Staubsammler 32 ausgestalteten Bereichs 22 des Strö­ mungskanals 2. Diese Staubpartikel 38 können kontinuierlich oder auch diskontinuierlich über die Staubabzugsleitung 34 und das Ventil 36 abgezogen werden.
Daran anschließend strömt das nun geringer mit Staub beladene Rauchgas 6 in das weitere Reaktionsmodul 24, in dem in einer weiteren Ebene von DeNOx-Katalysatoren 18 eine weitere kata­ lytische Verringerung des Stickoxidanteils im Rauchgas 6 durchgeführt wird. Das anschließend mittels der Strömungs­ leitbleche 30 wieder in die eingangs des eingezeichneten Aus­ schnitts vorherrschende Strömungsrichtung umgelenkte Rauchgas ist nun ein stickoxidfreies und im Staubgehalt reduziertes Rauchgas 6′. Aufgrund der nebeneinander angeordneten Reak­ tionsmodule 14, 24 wird die Stickoxidminderung in einer Ein­ richtung 4 durchgeführt, die sich durch eine besonders flache Bauweise und eine hohe Betriebszuverlässigkeit bezüglich der Verstopfung der Gaskanäle der DeNOx-Katalysatoren 18 bei her­ kömmlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Rauchgases 6 aus­ zeichnet.
Die hier gezeigte Einrichtung 4 ist bei entsprechender Modi­ fikation des in den Reaktionsmodulen 14, 24 enthaltenen Ma­ terials beispielsweise auch als Einrichtung zur katalytischen Oxidation von halogenierten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmono­ xid etc. oder bei Verwendung geeigneten Adsorptionsmaterials auch als Absorbereinrichtung, z. B. für organische Verbindun­ gen, geeignet.

Claims (7)

1. Einrichtung (4) zur Kontaktierung eines Strömungsmediums (6) mit einem eine Reaktion induzierenden Material, die in einem Strömungskanal (2) angeordnete, in Serie geschaltete Reaktionsmodule (14, 24) mit dem die Reaktion induzierenden Material (18) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmodule (14, 24) nebeneinander angeordnet sind und die Strömungsrichtung des Strömungsmediums (6) in unmittelbar benachbarten Reaktionsmodulen (14, 24) gegen­ sinnig ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmodule (14, 24) und der Strömungskanal (2) derart ausgebildet sind, daß das Strömungsmedium (6) ein er­ stes Reaktionsmodul (14) im wesentlichen parallel zur Rich­ tung der Schwerkraft und ein zweites Reaktionsmodul (24) im wesentlichen antiparallel zur Schwerkraft durchströmt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich (22) des Strömungskanals (2), in dem die Umlenkung des Strömungsmediums (6) von im wesentlichen parallel nach im wesentlichen antiparallel zur Schwerkraft erfolgt, als Staubsammler (32) mit einer Staubabzugsleitung (34) aus­ gestaltet ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmodule (14, 24) auf der An- und/oder Ab­ strömseite Strömungsgleichrichter (16, 20, 26, 28) umfassen.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des Strömungsmediums (6) vor und/oder nach den Reaktionsmodulen (14, 24) Strömungsleitble­ che (12, 30) im Strömungskanal (2) vorgesehen sind.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des Strömungsmediums (6) vor dem zu­ erst im Strömungskanal angeordneten Reaktionsmodul (14) eine Eindüsvorrichtung (8) für ein weiteres Strömungsmedium, wie z. B. Ammoniak, und eine Mischvorrichtung (10) vorgesehen ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmodule (14, 24) waben- und/oder plattenför­ mige Katalysatoren (18) zur Stickoxidminderung umfassen.
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