DE2341117C3 - Reaktionskammer zur katalytischen Verbrennung des Kohlenmonoxid-Anteiles von Rauchgasen - Google Patents
Reaktionskammer zur katalytischen Verbrennung des Kohlenmonoxid-Anteiles von RauchgasenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Reaktionskammer zur katalytischen Verbrennung des Kohlenmonoxid-Anteiles
von Rauchgasen, insbesondere von beim Krackprozeß anfallenden Rauchgasen, mit einem aus Eisen
bestehenden Katalysator, der als in der Reaktionskammer angeordneter Einbauteil ausgebildet und in der
Reaktionskamnier in Strömungsrichtung der Rauchgase nach der Mischstelle von Rauchgasen und Verbrennungsluft
angeordnet ist.
Rauchgase, die aus Anlagen stammen, in denen Kohlenwasserstoffe verarbeitet werden, haben im
allgemeinen einen beträchtlichen CO-Anteil. Demgegenüber haben die aus Kesselfeuerungsanlagen stammenden
Rauchgase zumeist keinen nennenswerten CO-Anteil, da die CO-Anteile bereits in der Verbrennungszone
bis auf geringe, unbedeutende Reste abgebrannt werden.
Mit Rücksicht auf den Umweltschutz dürfen Rauchgase mit einem nennenswerten CO-Anteil nicht in die
Umgebung abgeleitet werden. Es ist vielmehr erforderlich, den CO-Anteil zu beseitigen.
Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, Rauchgase mit einem nennenswerten CO-Anteil in eine Reaktionskammer
zu leiten, in der ein Katalysator zur Zündung der Rauchgase vorgesehen ist, so daß es zu einer
katalytischen Verbrennung der CO-Anteile kommt. Als Katalysatoren zur Verbrennung von Rauchgasen, deren
wesentlicher Bestandteil Kohlenmonoxid ist, wurden bisher die Elemente Cr, Wo, Va, Fe, U, Mo, Cu. Ag, Hg,
Ni, Pl, Mn, Cer.Ti,), N sowie deren Oxide und Gemische von Oxiden vorgeschlagen. So empfiehlt beispielsweise
die deutsche Offenlegungsschrift 20 62 225 die Verwendung von Eisen und die britische Palentschrift 1 34 243
Eisen-, Chrom- oder Ceroxide als Kontaktmaterial. Die meisten bisher bekannten Katalysatoren bestehen
ihrem Aufbau nach aus einer dünnen Schicht katalytisch aktiven Materials, das auf einem Träger großer
Oberfläche, wie beispielsweise Kieselgur und Kieselgel, Aluminiumoxid in Kugel-, Würfel- oder Perlformen und
ähnlichem niedergeschlagen ist. Es wurde auch schon Metall, wie beispielsweise Stahlwolle, in Trägermaterial
verwendet, Aus anderem Zusammenhang, und zwar air der deutschen Auslegeschrift 10 21337 und dei
britischen Patentschrift 5 91 669, ist es auch bekannt den katalytischen Überzug unmittelbar auf die Oberflä
ehe von Wärmetauschern aufzubringen.
Alle diese bekannten katalytischen Rauchgasverbren nungsmethodect sind jedoch teuer und zum Tei
funktionsunsicher, weil sie gegen Temperaturänderun gen und Vergiftungen empfindlich sind. Das Katalysa
ίο tormaterial hat eine relativ kurze Lebensdauer, nichi
nur wegen der möglichen Vergiftung, sondern aucl· wegen des Abriebs, der eintritt, wenn erodierende
Teiüchen im Rauchgas mitgeführt werden. Dies isi insbesondere der Fall bei Rauchgas, das aus Anlager
stammt, in welchen Katalysatormaterial aus katalyti sehen Krackanlagen von Koks abgebrannt wird.
Weiters ist es aus der deutschen Auslegeschrifi 12 36 278 bekannt, zum Entfernen von Kohlenmonoxic
aus den Abgasen von Verbrennungsmotor«?."1 diese
Abgase über eisenoxidetragende Körper aus anoxidierter Stahlwolle oder aus Stahlspänen zu leiten. Hierbei
wird also dem Fachmann die Anweisung erteilt, einer gesonderten Katalysator einzusetzen. Die Nachteile
dieser Ausführung sind erheblich: Einerseits unterlieger
die Stahlwolle bzw. die Stahlspäne einem überaus starken Verschleiß und andererseits verursachen die
von den Rauchgasen mitgerissenen Teilchen der Stahlwolle bzw. Stahlspäne eine unzumutbare Umweltverschmutzung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und eine Reaktionskammer zu
schaffen, bei der ohne Verwendung von Stützfeuer und ohne Zumischung von Heizgasen eine zuverlässige
katalytische Zündung der strömenden Rauchgase gewährleistet wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Reaktionskammer der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, daß der als Katalysator dienende Einbauteil aus austenitischem Stahl besteht.
Diese Anordnung gewährleistet eine zuverlässige Zündung von Rauchgasen, sofern diese einen CO-Anteil
von wenigstens 0,1 Gew.-% aufweisen. Darüber hinaus bleibt die katalytische Wirksamkeit von austenitischem
Stahl in einem weiten Temperaturbereich praktisch unverändert.
Versuche haben gezeigt, daß eine aktive Oberfläche von etwa 300 m2 des aus austenitischem Stahl bestehenden
Katalysators zur einwandfreien Zündung von etwa 50 000 NmVh Rauchgas-L.uftgemisch ausreicht.
Obgleich es an sich bereits bekannt ist, austenitischen
Stahl bei Feuerungsanlagen allgemeiner Art, insbesondere bei Kesselfeuerungsanlagen, einzusetzen, ist die
erfincirngsgemäße Lösung für den Fachmann überaus überraschend. Bei Jen bekannten Kesselfeuerungsanlagen,
bei denen der austenitische Stahl vorwiegend zur Herstellung der Kessel- bzw. Überhitzerrohre verwendet
wird, erfolgt nämlich bereits in der eigentlichen Verbrennungszone eine nahezu vollständige Verbrennung
der CO-Anteile. Dies bedeutet, daß die an den aus austenitischem Stahl besiehenden Kessel- bzw. Überhitzerrohren
vorbeiströmenden Rauchgase keinen nennenswerten CO-Antei! aufweisen, so daß der erfindungsgemäße
Effekt, nämlich die Katalysatorwirkung von auslenitischem Stahl in bezug auf Rauchgase mil
h'> wenigstens 0,1 Gew.-% CO, bislang nicht erkannt
worden ist.
Insbesondere trägt auch die allgemein bekannte Tatsache, daß Stahl bei 721°C die Austenit-Modifikatin
bildet, nicht dazu bei, daß der Fachmann durch die
deutsche Auslegeschrift 12 36 278 zur erfindungsgemäßen Lösung geführt wird. Beim Erfindungsgegenstand
erfolgt nämlich die Einleitung der Oxidation des Koblenmonoxidgehaltes der Rauchgase schon bei
Rauchgastemperaturen zwischen 540 und 5600C, also
bei Temperaturen, die weit unterhalb der Grenze, wo der Stahl bei Erhitzung die Austenit-Modifikation bildet,
liegen. Wenn somit die aus der DT-AS 12 36 278 bekannte Lehre mit dem allgemeinen Fachwissen
kombiniert wird, so gelangt man nicht zu der vorliegenden Erfindung, sondern wird vielmehr in eine
andere Richtung geleitet: Es wurden bei einer derartigen Kombination in der Reaktionskammer ein
gesonderter Katalysator aus Stahlwolle oder Stahlspänen angeordnet und die Wirkungen des austenitischen
Stahls nur bei Rauchgastemperaturen von über 721°C erwartet.
Demgegenüber lehrt die vorliegende Erfindung, nicht einen gesonderten Katalysator zu verwenden, sondern
die Reaktionskammer selbst als Katalysator zu gestalten, und als Materia? Kr diesen Katalysator austenitischen
Stahl zu verwenden, auch bei Rauchgastemperaturen von unter 72ΓC.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der aus austenitischem Stahl bestehende Einbauteil als
Wandabschnitt der Reaktionskammer bzw. eines mit der Reaktionskammer fest verbundenen Bauteiles
ausgebildet ist.
Die Festigkeit austenitischer Stähle und ihre sonstigen
Materialeigenschaften erlauben es, Reaktionskammern, Rohre oder Leitbleche unmittelbar aus austenitischen
Stählen zu fertigen, wobei die Type des Stahls, d. h. sein Gehall an zulegierten Elementen, nach den aus
der Konstruktion sich ergebenden Bedürfnissen gewählt werden kann, weil diese Wahr ohr-1 praktischen
Einfluß auf den Reaktionsablauf ist. Es ist somit nicht erforderlich, austenitischen Stahl in Form eines
Überzuges auf einen Träger mit großer Oberfläche aufzubringen, sondern normalerweise genügen die sich
aus der Konstruktion ergebenden Oberflächen der Reaktionskammer eines allfälligen Wärmetauschers
und der sonstigen üblichen Einbauten, um den gewünschten Effekt zu erreichen. Je nach Zusammensetzung
des Rauchgases, Luftzumischung und Druck genügen Temperaturen zwischen 540 und 560° C, um die
Oxidation des Kohlenmonoxids mit Sicherheit einzuleiten und aufrechtzuerhalten, und zwar in solcher Weise,
daß 95-98% der brennbaren Anteile des Rauchgases verbrannt werden, ohne daß es notwendig wäre.
Heizgas zuzumischen oder Stützfeuer vorzusehen. Ein günstiger Ablauf der Reaktion konnte selbst bei so
niedrigen Drücken wie 1,02 ata festgestellt werden. Hohe Turbuienz der Rauchgase begünstigt die Zündung.
Die nahezu vollständige Verbrennung des Kohlenmonoxids und damit auch der anderen brennbaren
Bestandteile bringt es mit sich, daß das Rauchgas auf diese Weise auch praktisch vollständig entgiftet wird,
sofern in ihm Schwefel enthalten ist. Ein Schwefelgehalt des Rauchgases wirkt sich auf die Verbrennung der
kohlenstoffhaltigen Verbindungen aber nicht nachteilig aus, sondern hat nur zur Folge, daß das Schwefeldioxid,
bevor das verbrannte Gas durch den Schronstein ins Freie abgelassen wird, eventuell einer Entschwefelung
unterzogen werden muß.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn der als Katalysator dienende Einbauteil hohl ausgebildet und von einem
Kühlmedium durchströmt ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Reaktionskammer wird nachstehend näher beschrieben. Eine lotrecht stehende, zylindrische Reaktionskammer hat etwa 2,5 m Durchmesser und eine Höhe von 6 m. In diese Reaktionskammer wird Rauchgas mit einem Gehalt von etwa 7% CO in einer Menge von etwa 50 000 Nm3 pro Stunde und etwa 10 000 Nnv> Luft pro Stunde geleitet, welche so weit vorgewärmt wurde, daß das Rauchgas/Luft-Gemisch eine Temperatur von etwa 5b0°C aufweist, bei einem Druck von 500 mm Wassersäule in den unteren Teil eingeführt. Die Reaktionskammer weist als Katalysator Einbauteile in Form von Leitflächen aus austenitischem Stahl sowie Wärmeaustauschflächen, die mindestens teilweise ebenfalls aus austenitischem Stahl bestehen, auf. Diese Leitflächen sind in Strömungsrichtung der Rauchgase
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Reaktionskammer wird nachstehend näher beschrieben. Eine lotrecht stehende, zylindrische Reaktionskammer hat etwa 2,5 m Durchmesser und eine Höhe von 6 m. In diese Reaktionskammer wird Rauchgas mit einem Gehalt von etwa 7% CO in einer Menge von etwa 50 000 Nm3 pro Stunde und etwa 10 000 Nnv> Luft pro Stunde geleitet, welche so weit vorgewärmt wurde, daß das Rauchgas/Luft-Gemisch eine Temperatur von etwa 5b0°C aufweist, bei einem Druck von 500 mm Wassersäule in den unteren Teil eingeführt. Die Reaktionskammer weist als Katalysator Einbauteile in Form von Leitflächen aus austenitischem Stahl sowie Wärmeaustauschflächen, die mindestens teilweise ebenfalls aus austenitischem Stahl bestehen, auf. Diese Leitflächen sind in Strömungsrichtung der Rauchgase
JO nach der Mischstelle von Rauchgas und Verbrennungsluft angeordnet. Die aktive Oberfläche des aus
austenitischem Stahl bestehenden Katalysators beträgt hierbei etwa 300 m2. Durch den Wärmeaustauscher wird
als kühlendes Medium Wasser — zwecks Erzeugung von Dampf — geleitet. Durch einen Abzug im oberen
Teil des Zylinders wird das auf etwa 2000C abgekühlte, nachverbrannte Rauchgas abgeleitet, wobei der CO-Anteil
des Rauchgases mit den handelsüblichen Betriebs-CO-Meßinstrumenten nicht mehr festgestellt werden
kann. Es kann notwendig sein, den Verbrennungsprozeß
bzw. den Reaktionsablauf zu steuern, damit eine Überhitzung vermieden wird. Diese Steuerung wird
zweckmäßigerweise durch Steuerung der Menge und der Temperatur der Verbrennungsluft sowie durch
Anordnung der Luftzuführungen an geeigneten Stellen der Reaktionskammer vorgenommen. Vorteilhaft ist es,
wenn die Verbrennungsluft vorgewärmt werden soll, einen Teil der Einbauten der Reaktionskammer zur
Vorwärmung zu benützen.
Die in der beschriebenen Reaktionskammer freiwerdende
Wärmeenergie kann dank der Einfachheit und Robuslheit dieser Kammer in der verschiedensten
Weise verwendet werden, z. B. kann sie in einer Raffinerie auch zum Erhitzen des zur Verarbeitung
bestimmten Einsatzmaterials benützt werden.
Claims (3)
1. Reaktionskammer zur katalytischen Verbrennung des Kohlenmonoxid-Anteiles von Rauchgasen,
insbesondere von beim Krackprozeß anfallenden Rauchgasen, mit einem aus Eisen bestehenden
Katalysator, der als in der Reaktionskammer angeordneter Einbauteil ausgebildet und in der
Reaktionskammer in Strömungsrichtung der Rauchgase nach der Mischstelle von Rauchgasen und
Verbrennungsluft angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der als Katalysator dienende
Einbauteil aus austenitischem Stahl besteht.
2. Reaktionskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus austenitischem Stahl
bestehende Einbauteil als Wandabschnitt der Reaktionskammer bzw. eines mit der Reaktionskammer
fest verbundenen Bauteiles ausgebildet ist.
3. Reaktionskammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Katalysator
dienende Einbauteil hohl ausgebildet und von einem Kühlmedium durchströmt ist.
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1973
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