DE1594680C - Verfahren zur katalytischer! Verbrennung von Abgasen mit hohen Heizwerten - Google Patents

Description

Gase mit Verunreinigungen durch Verbindungen, die durch Totaloxydation in harmlose Stoffe, z. B. Kohlendioxyd und Wasser, überführt werden können, lassen sich durch katalytische Verbrennung reinigen.

Die technische Durchführung des Verfahrens der katalytischen Verbrennung ist denkbar einfach und betriebssicher, soweit die Konzentrationen an brennbaren Verbindungen unterhalb der unteren Explosionsgrenze liegen. Die katalytische Verbrennung von zündfähigen Gemischen erfolgt gemäß dem Stand der Technik nach Verdünnen mit entsprechenden Luftmengen bzw. mit nachverbranntem Abgas, (z. B. deutsche Auslegeschrift 1173 389). Es ist verständlich, daß durch diesen Luftzusatz die Anlagen wesentlich größer werden, da die zugesetzten Luftmengen das Mehrfache der zu reinigenden Abgasmengen ausmachen können. Liegt beispielsweise Abluft mit 1,6 Volumprozent eines brennbaren Stoffes vor, dessen untere Explosionsgrenze bei 0,8 Volumprozent liegt, so muß mindestens die gleiche Luftmenge zugesetzt werden, wie bereits Abluft vorhanden ist, damit man unter die untere Explosionsgrenze kommt. Um aber die erforderliche Sicherheit beim Betrieb, derartiger Anlagen zu haben, wird-im allgemeinen etwa die dreifache Luftmenge zugesetzt.

Es wurde nun gefunden, daß es in sehr einfacher Weise möglich ist, unter Anwendung des z. B. aus der französischen Patentschrift 1 363 723 bekannten Prinzips der mehrstufigen katalytischen Verbrennung von Abgasen, mit sehr kleinen Falschluftmengen Abgase, die zündfähig sind oder sein können, wirtschaftlich durch katalytische Verbrennung zu reinigen. Der erfindungsgemäße Gedanke, der im Beispiel noch erläptert wird, ist wie folgt:

Zu einer gewissen Menge Frischluft wird ein Teil des zu verbrennenden Gases derart zugemischt, daß die untere Explosionsgrenze nicht überschritten wird. Dieses Gemisch wird in der ersten Stufe verbrannt. In gleicher Weise wird dann das restliche zu reinigende Gas einer zweiten und den folgenden Stufen zugesetzt. Während bei den ersten Stufen kein hoher Wirkungsgrad erreicht werden muß, ist die letzte Stufe die eigentliche Reinigungsstufe. Die Gasmenge, die vor jeder Stufe zugesetzt werden kann, steigt von Stufe zu Stufe, da das Verbrennungsgasvolumen von Stufe zu Stufe größer wird. Darüber hinaus wird das Gas von Stufe zu Stufe durch steigenden Kohlendioxyd- und Wasserdampfgehalt sowie abnehmende Sauerstoffkonzentration zündunwilliger,.so daß noch eine zusätzliche Sicherheit erhalten wird. Die Menge der zu Beginn vorzulegenden Luft und die Zahl der Stufen richtet sich nicht nur nach Gasmenge und Explosimeterwert, sondern .insbesondere auch nach der Wirtschaftlichkeit, da sehr viele Stufen wohl ein Minimum an. erforderlicher Fremdluft, andererseits aber ein Maximum an apparativem Aufwand bedingen, Bei pejir hohen Explosimeterwerten ist darüper hinaus die· Fremdluftmenge festgelegt durch die zur quantitativen Verbrennung erforderliche Mindestluftraenge.

Grundsätzlich ist das beschriebene Verfahren auch geeignet, durch sinngemäße Umkehrung ein Gas mit einem Explosimeterwert nahe der oberen Explosionsgrenze mittels eines Brenngases zu einem Brenngas aufzukonzentrieren, um es dann gefahrlos, beispielsweise unter einem Kessel oder in einer Fackel, zu verbrennen oder das Gas für andere Zwecke zu verwenden. Ferner ist das beschriebene Mehrstufenverfahren tuch zur Erzeugung von Schutzgasen geeignet.

Mehrstufiges Arbeiten ist darüber hinaus nicht nur bei Abgasen mit höheren Explosimeterwerten sinnvoll, sondern kann auch in Einzelfällen bei Gasen mit niedrigem Explosimeterwert eine technisch brauchbare Lösung darstellen, wenn z. B. das zu reinigende Abgas nicht in einem Wärmetauscher auf die Reaktionstemperatur gebracht werden kann, weil dieser stark verunreinigt würde. In einem solchen Fall is.t es sinnvoll, nur einen Teil des Gases direkt aufzuheizen und der

ίο ersten Stufe zuzuführen. Der zweiten und den eventuell folgenden Stufen wird dann der Rest des zu reinigenden

. ■ Gases in der Weise zugesetzt, daß die Mischtemperatur des bereits verbrannten'und des noch nicht gereinigten Gases nicht unter die Reaktionstemperatur absinkt. ■ Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nicht nur in der kleinen erforderlichen Fremdluftmenge und der hohen Betriebssicherheit, sondern auch in der energiemäßig wirtschaftlichen Durchführung zu sehen. Da nämlich das Abgas vor der

ao katalytischen Verbrennung auf die Reaktionstemperatur gebracht werden muß, die im allgemeinen zwischen 200 und 400° C liegt, sind nach der herkömmliehen Verfahrensweise" große Energiemengen bzw. große Wärmeaustauscher erforderlich, denn die Gasmenge ist wesentlich größer als diejenige, die bei dem beschriebenen Verfahren der ersten Stufe zugeführt wird. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Regelung

der Anlage. Durch Änderung der den einzelnen Stufen

■ zugesetzten Abgasmengen lassen sich beliebige Temperaturen einstellen. Dadurch wird die Nutzung der bei diesem Prozeß freiwerdehden'Wärmemenge wesentlich einfacher und wegen der günstigeren Temperaturgefälle auch wirtschaftlicher. Außerdem ist die erforderliche Katalysatormenge geringer. Rein rechnerisch ergibt sich zwar für eine Abgasmenge A mit einem Explosimeterwert B, wenn ein festzulegender zulässiger Explosimeterwert E nicht überschritten werden und die Verweilzeit des Gases in jeder Stufe gleich sein soll, unabhängig von der

Stufenzahl stets die gleiche" Katalysatormenge. Da aber lediglich der Wirkungsgrad der letzten Stufe für die Auslegung der Anlage maßgebend ist, ist es für die· Wirkungsweise der Anlage. bedeutungslos, ob in den ζ λ vorgeschalteten Stufen der Umsatz statt 99,5 nur ^- 95,0% beträgt, und da die Verweilzeit nicht linear vom Wirkungsgrad abhängig ist und gerade die Beseitigung der letzten Prozente äußerst aufwendig ist, ist einzusehen, daß in den Vorstufen die Verweilzeiten erheblich verkürzt werden können. Bei einer mehrstufigen Verfahrensweise ist darüber hinaus ohnehin die mittlere Verweilzeit größer als bei einstufiger Verfahrensweise, da das einer Stufe zugesetzte Gas alle folgenden Stufen erneut passieren muß.
Das folgende Beispiel soll den erfindungsgemäßen Gedanken erläutern:" _

Beispiel

In einem Werk der- chemischen Industrie fallen stündlich etwa 5000 Nm⁸ Abgas bei der Verarbeitung von Olefinen an. Das Abgas enthält neben Luft verschiedene aliphatische Kohlenwasserstoffe bis zu einem Molekulargewicht von etwa 90. Die genaue Zusammensetzung ist nicht bekannt. Der Explosimeterwert liegt bei 0,1 bis 0,2. Gleichzeitig fällt in diesem Betrieb ein Waschwassser an, das aromatische Kohlenwasserstoffe, vorwiegend Benzol, enthält. Dieses Abwasser wird, bevor es abgestoßen wird, mit oben beschriebenem Gas gestrippt. Das dadurch erhaltene

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Gas ist übelriechend und giftig und soll durch katalytische Verbrennung gereinigt werden. Der Explosiv meterwert liegt bei maximal 0,9 bis 1,1. Die bei der Totaloxydation frei werdende Wärme soll zur Dampferzeugung genutzt werden, um die Betriebskosten der Reinigungsanlage zu senken oder sogar einen Gewinn zu erzielen.

Vorversuche an .der großtechnischen Anlage mit einem Testgerät zur katalytischen Nachverbrennung haben ergeben:

1. Die niedrigstmögliche Arbeitstemperatur des Katalysators, der nur bis 650⁰C thermisch belastbar ist, liegt bei 200⁰C.

2. Die maximal zulässige Raumgeschwindigkeit

• (reziproker Wert der Verweilzeit)' liegt bei 10000 Nm³/hm³ Katalysator.

3. Ein Explosimeterwert von 0,25 erbringt eine Temperatursteigerung von 300⁰C.

Die Planung einer einstufigen Anlage für oben ge- ao schilderten Bedarfsfall ergibt folgendes:

Zu 5000 Nm³ Abgas müssen 15000 Nm³ Fremdluft zugemischt werden, um die einwandfreie Nachverbrennung zu gewährleisten. Hierzu werden 2 m³ Katalysatoren benötigt. Dem Gas müssen weiterhin, um es as auf etwa 200⁰C aufzuheizen, etwa 1200000 kcal zugeführt werden. Bei der Reaktion werden etwa 6000000 kcal frei. Mit dem Abgas, dessen Wärme nur oberhalb 200⁰C genutzt werden kann, gehen weitere 1330000 kcal verloren, so daß nur etwa 3470000 kcal = 58 °/o nutzbar sind.

Wird dagegen beispielsweise dreistufig gearbeitet, so müssen 3600 Nm³ Fremdluft zugesetzt werden. Der ersten Stufe werden dann 1200 Nm³, der zweiten 1600 und der dritten 2200 Nm³ Abgas zugesetzt. Nimmt man in den ersten beiden Stufen eine Raumgeschwindigkeit von 20000 Nm³ Gas/m³ Katalysator-Stunde, so ergibt sich eine erforderliche Katalysatormenge von 924 + 0,32 + 0,86 = 1,42 m³, also eine Einsparung von 29 %· Den* Eintrittsgas in die erste Stufe müssen, um es auf 200⁰C aufzuheizen, 300000 kcal zugeführt werden. Der Wärmetauscher zur Aufheizung des Eintrittsgases wird daher nur etwa- ein Viertel so groß wie bei einstufiger Arbeitsweise. Weitere 240000 kcal werden dem in die zweite und dritte Stufe zuzusetzenden Gas direkt zugeführt, und mit dem Abgas gehen 570000 kcal verloren. Zur Nutzung verbleiben daher noch 4890000 kcal = 81%. (Bei dieser Betrachtung sind jedoch Wärmeverluste nicht berücksichtigt.)

Entsprechend diesen Überlegungen wurde ein kleiner dreistufiger Nachverbrennungsofen gebaut. Das Verkleinerungsverhältnis dieser Anlage zum angeführten Bedarfsfall betrug 2000. Das Eintrittsgas wurde elektrisch aufgeheizt, die Kühlung erfolgte durch Kupferschlangen, durch die Preßluft geblasen wurde. Die verschiedenen Temperaturen wurden mittels Thermoelementen gemessen. Da die Herstellung eines Gases, wie es in der Praxis anfällt, große Schwier rigkeiten bereitet, wurde ein Propan-Butan-Luft-Gemisch für diese Messungen verwendet, dessen Explosiometerwert zwischen 1,0 und 1,5 lag.

Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Werte.

Meßstelle

Temperaturen °C

Durchflußmengen

Nm³/h

Form?
aldehyd

mg/m³

Analysen

Kohlenwasserstoffe
C₁ bis C₄
mg/m^s

Fremdluftzusatz ,

Propangasgemischzusatz 1 ..
Temperatur

Heizung

Temperatur

Katalysatorbett 1

Probenahme 1 ,

Temperatur

Kühlschlange 1

Temperatur ,

Propangemischzusatz 2 ...

Temperatur

Katalysatorbett 2

Probenahme 2 ·,.

Temperatur .,..., ,

Kühlschlange 2

Temperatur ,,,

Propangemischzusatz 3 ...

Temperatur ,..

Katalysatorbett 3

Temperatur

Probenahme 3 ..'

-0,6-

20 210 bis 220

480 bis 540

260 bjs 290 ■200 bis 240

500 bis 560

260 bis 290 200 bis 230 560 bis 580 120

10 bis 20

160

10 bjs 20

~U

430

<2

Bei einstufiger Arbeitsweise waren die analytischen Ergebnisse praktisch gleich.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur mehrstufigen katalytischen Verbrennung industrieller Abgase mit hohen Heizwerten, dadurch gekennzeichnet, daß man vor jedem Katalysatorbett einer bestimmten Menge Frischluft einen solchen Teil des zu ver-

brennenden Abgases zumischt, daß die untere Explosionsgrenze nicht überschritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktionstemperaturen in den einzelnen Stufen durch die gesteuerte Zugabe des zu verbrennenden Abgases regelt.