DE69511854T2

DE69511854T2 - Methode zur reinigung von stickstoffoxid enthaltenden gasen und vorrichtung zur reinigung von gasen in einem kessel zur erzeugung von dampf

Info

Publication number: DE69511854T2
Application number: DE69511854T
Authority: DE
Inventors: Matti Hiltunen; Yam Lee; Charles Viel Lamare
Original assignee: Foster Wheeler Energia Oy
Current assignee: Amec Foster Wheeler Energia Oy
Priority date: 1994-04-12
Filing date: 1995-04-12
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2015-04-13
Also published as: KR970702097A; EP0755299B1; DE69511854D1; ATE183942T1; CZ297796A3; WO1995027554A1; JPH09509474A; CA2186369C; HUT76752A; US5465690A; US5911956A; HU9602805D0; PL316785A1; DK0755299T3; TW260621B; CA2186369A1; MX9604721A; EP0755299A1; CZ287910B6

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie im Oberbegriff der beigefügten Ansprüche 1 und 7 dargestellt sind. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herabsetzung des Stickstoffoxidniveaus von Rauchgasen aus Verbrennungseinheiten und insbesondere zur Herabsetzung von Nox-Niveaus durch Einführung von Reduktionsmitteln in Kontakt mit stickstoffoxidhaltigen Gasen und auf die Vollendung der Reduktion, indem das Gas in katalytische Reduktion gebracht wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf einen Dampferzeuger mit verbesserten Stickstoffreduktionsmöglichkeiten.
Dabei bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Herabsetzung des Stickstoffoxidgehalts der Rauchgase, die aus Reaktionen im wesentlichen jedes brennbaren Brennstoffs, feste Kraftstoffe, Schlämme, gasförmige Brennstoffe oder dergleichen eingeschlossen, herrühren. Im besonderen sieht die Erfindung einen verbesserten Wirbelschichtverbrennungsprozeß vor, wo die austretenden Gichtgase - um den heutigen Umweltauflagen zu entsprechen - wirtschaftlich entsorgt werden können.
Die Verringerung von Stickstoffoxidemissionen aus Abgasen oder Rauchgasen, bevor diese in die Atmosphäre freigesetzt werden, ist ein fruchtbares Diskussionsthema im Bereich der Umweltaspekte gewesen bei der Energieerzeugung durch Verbrennung von Brennstoffmaterial. Weil Nox-Emissionen mit verschiedenen Umweltproblemen zusammenhängen, ist die Minimierung des Nox-Ausstoßes aus Verbrennungssystemen ein fortwährendes Anliegen.
Offensichtlich ergibt Stickstoffoxidemissionen jede Verbrennungsreaktion, wo Luft vorhanden ist, und/oder der verwendete Brennstoff Stickstoff enthält. Wirbelschichtverbrennung von Brennstoff ist eine wohlbekannte Praxis und hat sich aufgrund ihrer verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperatur bei der Herabsetzung von Stickstoffoxidemissionen als nützlich erwiesen. Bei der Wirbelschichtverbrennung wird Luft typisch durch einen Sammelraum eingeführt, wo sie durch einen Luftverteilrost verteilt wird. Brennstoff, fluidisierender Stoff und möglicherweise Sorbentia [wie z. B. Kalkstein oder Dolomit] werden fluidisiert und reagieren im Brennraum bei Temperaturen, die normalerweise im Bereich von ungefähr 700-1200ºC liegen. Stickstoffoxide werden bei der Verbrennung jedes Brennstoffs als Ergebnis thermischer Stickstoff bindung in der Luft und Umsetzung des Brennstoff-Stickstoffs erzeugt. Die erstere Reaktion wird bei hohen Temperaturen (über ungefähr 950ºC) bevorzugt, während die letztere bei niedrigeren, zum Beispiel in Wirbelschicht-Verbrennungssystemen allgemein herrschenden Temperaturen, von größerer Bedeutung sind.
Das US-Patent 3,900,544 schlägt nichtkatalytische Beseitigung von Stickstoffoxiden aus den, aus einem konventionellen Brennraum abgezogenen Rauchgasen vor, indem Ammoniak (NH&sub3;) in den Ablaufstrom eingespritzt wird, während dieser eine Temperatur von ungefähr 871-1093ºC (d. h. ungefähr 1600-2000ºF) hat. Die europäische Patentveröffentlichung 176,293 stellt ebenfalls die Verwendung von NH&sub3; zur NOx-Kontrolle durch Ammoniak-Einspritzung in einen Rauchgasstrom dar, bevor er in einen Fliehkraftabscheider eintritt. Viele andere Patente haben die Verwendung von Ammoniak mit einem Katalysator vorgeschlagen, so daß das Ammoniak vor der katalytischen Reduktion in die Gase eingespritzt wird. Das US-Patent 4,393,031 schlägt das Einspritzen von Ammoniak in die Gase und, nach Vermischung des Gases mit Ammoniak, das Leiten der Mischung durch einen katalytischen Reaktor vor.
Die beim Stand der Technik vorgeschlagenen Methoden sind vorteilhaft, weisen aber noch dennoch mehrere Unzulänglichkeiten auf. Die nichtkatalytische Reduktion von NOx durch Einspritzung von Ammoniak in die Rauchgase hat eine begrenzte Fähigkeit, Stickstoffoxidemissionen herabzusetzen, während das Molenverhältnis von NH&sub3;/NOx auf ein derart hohes Niveau ansteigen kann, daß NH&sub3; entweichen kann. Dies verursacht unerwünschte Ammoniakemissionen mit den Rauchgasen in die Atmosphäre sowie mögliches Einbinden von Ammoniak in die Asche. Das vorgeschlagene Verfahren zur Einspritzung von Ammoniak in das Gas vor seinem Kontakt mit Katalysator hat bessere Reduktionseigenschaften. Katalytische Stickstoffoxidreduktion erfordert jedoch eine große Menge Katalysator. Als Ergebnis werden hohe platzraubende Gefäße gebraucht, um die Katalysatorschichten aufzunehmen. Bei kommerziellen Anlagen kann ein Katalysatorgefäß dieser Art normalerweise sogar höher als 7-10 m sein. Wesentliche Druckverluste kommen ebenfalls bei dieser Art von Reduktionssystemen vor.
Das europäische Patent 0 583 771 schlägt auch ein Verfahren zur NOx Reduktion in Rauchgasströmen vor. Der NOx-Gehalt wird reduziert, indem das Rauchgas durch eine erste Behandlungszone und eine zweite Behandlungszone geleitet wird. Ein stickstoffhaltiges Behandlungsmittel wird in die erste Behandlungszone für selektive nichtkatalytische Reduktion eines Teils des NOx eingeführt. Die Rauchgase werden dann durch eine zweite Behandlungszone geleitet, die einen Katalysator für weitere selektive katalytische Reduktion des NOx umfaßt. Wahlweise wird dem Rauchgas in der zweiten Behandlungszone ein zweites stickstoffhaltiges Behandlungsmittel zugesetzt. Die Mengen an eingeführtem Behandlungsmittel werden entsprechend den Ammoniakschwankungen in dem die Behandlungszonen verlassenden Rauchgas geregelt. Um eine gewünschte NOx Reduktion unter verschiedenem Prozeßverhältnissen zu erreichen, kann es notwendig sein, den Katalysator in der zweiten Behandlungszone sehr groß zu bemessen, weil die Effektivität der NOx-Reduktion z. B. temperaturabhängig ist. Bei ungünstigen Temperaturen werden ein großer Katalysator oder eine große Menge Reduktionsmittel benötigt, was zum Entweichen von NH&sub3; führen kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herabsetzung der Stickstoffoxidemissionen aus einem Verbrennungsprozeß in die Atmosphäre vorzusehen, bei dem wirksame Reduktion erreicht wird, und die Unzulänglichkeiten der oben besprochenen Methoden nach dem Stand der Technik überwunden werden. Es ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herabsetzung der NOx Emissionen aus einem Verbrennungs-Dampferzeugungprozeß vorzusehen, wo wirksame Reduktion mit einem größenmäßig kompakten Dampferzeuger erreicht wird. Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herabsetzung der NOx-Emissionen aus einem Verbrennungsprozeß durch wirksame NOx-Reduktion in katalytischer Behandlung vorzusehen, wo die Druckverluste niedrig, typisch unter circa 400 Pa, sind.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wirbelschicht- Dampferzeugersystem mit besseren Reduktionseigenschaften für NOx-Emissionen als beim Stand der Technik vorzusehen, wo wirksame Reduktion mit einem größenmäßig kompakten Wirbelschichtreaktor erreicht wird.
Die Erfindung läßt sich anwenden auf ein Verfahren zur Reinigung von Verbrennungsgasen aus einem Dampferzeugersystem, das eine Brennstoff- Reaktionskammer und einen Rauchgas-Konvektionsabschnitt umfaßt, der betrieblich mit der Reaktionskammer verbunden ist und Wärmeübertragungselemente für den Abzug von Wärme aus den Gasen aufweist.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung erreicht, die durch die im charakterisierenden Teil von Anspruch 1 und 7 beschriebenen Merkmale gekennzeichnet sind.
Das Verfahren umfaßt folgende Schritte: (a) Aufrechterhalten von Verbrennungsreaktionen in der Reaktionskammer, was in der Produktion von stickstoffoxidhaltigen Heißgasen resultiert. (b) Reduktion von Stickstoffoxiden in einer ersten Reduktionsstufe, indem die Heißgase mit einem Reduktionsmittel in Kontakt gebracht werden. (c) Abziehen von Heißgasen aus der Reaktionskammer und Leiten derselben in den Konvektionsabschnitt. (d) Abkühlung der Gase im Rauchgas-Konvektionsabschnitt. Und anschließend (e): Reduktion von Stickstoffoxiden in einer zweiten Reduktionsstufe, indem die das Reduktionsmittel der ersten Reduktionsstufe enthaltenden Gase einer katalytischen NOx Reduktion im Rauchgas-Konvektionsabschnitt ausgesetzt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Dampferzeugersystem, das die folgenden Elemente umfaßt: Eine Brennstoff-Reaktionskammer und einen Rauchgas = Konvektionsabschnitt, der mit der Reaktionskammer betrieblich verbunden ist. Den Konvektionsabschnitt mit Wärmeübertragungselementen fürs Abziehen von Wärme aus Rauchgasen. Mittel zur Einführung von Reduktionsmittel in die Rauchgase in der Reaktionskammer. Und katalytische Stickstoffoxid-Reduktionsmittel im Konvektionsabschnitt auf der gegenüberliegenden Seite der Einführungsmittel aus der Reaktionskammer.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Reinigung von Verbrennungsgasen aus einer Wirbelschicht-Dampferzeugungsanlage, die eine Wirbelschicht-Reaktionskammer, einen mit der Reaktionskammer verbundenen Partikelabscheider und einen Rauchgas-Konvektionsabschnitt umfaßt, der mit dem Partikelabscheider verbundenen ist und Wärmeübertragungselemente fürs Abziehen von Wärme aus den Gasen hat. Dieses Verfahren umfaßt folgende Schritte: (a) Aufrechterhalten von Verbrennungsreaktionen in einer Wirbelschicht aus Feststoff in der Wirbelschicht-Reaktionskammer, was in der Produktion heißer Rauchgase resultiert. (b) Kontaktieren der Heißgase in einer ersten Reduktionsstufe mit einem Reduktionsmittel, was die Reduktion des NOx Inhalts der Gase unter nichtkatalytischen Verhältnissen bewirkt. (c) Abziehen der Heißgase und der von ihnen mitgeführten Partikel aus der Reaktionskammer und Leiten der Gase und Partikel in den Partikelabscheider. (d) Abtrennung von Partikeln aus den Gasen im Abscheider. Dann (e): Beförderung der Rauchgase in den Rauchgas-Konvektionsabschnitt und Abkühlung der Gase darin. Und (f): Aussetzen der das Reduktionsmittel der ersten Reduktionsstufe enthaltenden Gase in einer zweiten Reduktionsstufe einer katalytischen NOx-Reduktion im Rauchgas-Konvektionsabschnitt nach Durchführung von Schritt (e).
Die Stickstoffoxidmenge in den Heißgasen wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Kombination aus zwei hintereinandergeschalteten Stufen reduziert, wobei Dampf in einem Dampf-Erzeugungskesselsystem erzeugt wird, was im wesentlichen stickstoffoxidfreie Gase ergibt und die Möglichkeit eines Entweichens von NHx (oder entsprechendem Reduktionsmittel) in den abgezogenen Rauchgasen eliminiert. Die vorliegende Erfindung nutzt Wärmeübertragungsflächen in einem Konvektionsabschnitt, um stabilisierte Temperaturverhältnisse für katalytische Konversion aufrechtzuerhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird NOx Reduktionsmittel, vorzugsweise Ammoniak, in der Reaktionskammer und/oder in einem die Reaktionskammer und den Konvektionsabschnitt verbindenden Abschnitt bei einer Temperatur > 800ºC in die heißen Verbrennungsgase eingespritzt. Dieses bewirkt eine nichtkatalytische Reduktion von Stickstoffoxiden in den Heißgasen. Die Einspritzung an obenbeschriebenen Stellen verursacht keine zusätzlichen Druckverluste. Gemäß der Erfindung sollte(n) die Einspritzstelle(n) der Dampf-Erzeugungsbelastung der Anlage angepaßt werden, wodurch sichergestellt wird, daß eine optimale Einspritztemperatur und Verweilzeit von Ammoniak in der ersten Reduktionsstufe unter allen Betriebsbedingungen des Wirbelschicht-Dampferzeugersystemes aufrechterhalten werden.
Die Gase - die noch immer Stickstoffoxide und Ammoniak enthalten - werden veranlaßt, die Wärmeübertragungsflächen im Konvektionsabschnitt der Dampf- Erzeugungsanlage zu durchfließen, wodurch die Temperatur der Gase zurückgeht. Nach dem Abkühlen auf eine Temperatur von ungefähr 300-500ºC werden die Gase in die zweite Reduktionsstufe für katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden eingeführt. In der zweiten Stufe ist das zuvor in die Heißgase eingespritzte Ammoniak vorhanden, und im Normalbetrieb wird im wesentlichen wird kein zusätzliches Reduktionsmittel benötigt. Die Temperatur wird gemäß den Anforderungen des verwendeten Katalysators ausgewählt, und sobald sie ausgewählt ist, muß die Temperatur innerhalb bestimmter Grenzen stabil gehalten werden, um sicherzustellen, daß die Reduktion stattfindet. Erfindungsgemäß werden die Gase auf eine Temperatur = oder < 500ºC abgekühlt, die typisch im Bereich von ungefähr 300-500ºC liegt, durch entsprechende Wärmeübertragungen im Konvektionsabschnitt vor der katalytischen Behandlung. Auf diese Weise wird die Temperatur der katalytischen Behandlung stabilisiert und auch in der zweiten Stufe in einem Bereich von +/- 25ºC von der optimalen Arbeitstemperatur des verwendeten Katalysators gehalten. Die stabilen Temperaturverhältnisse werden leicht aufrechterhalten durch Durchsatzregelung des Wärmeträ gers zumindest in einem, dem Katalysator im Konvektionsabschnitt vorgeschalteten Wärmetauscher. Dies wird vorzugsweise der Belastung des Dampferzeugers entsprechend durchgeführt, wobei stets eine optimale Arbeitstemperatur des Katalysators bei wechselnden Belastungen der Anlage erreicht wird.
Da die Reduktion zum größten Teil in der ersten Reduktionsstufe abgelaufen ist, wird der Katalysator in der zweiten Stufe im Zusammenhang mit dem Konvektionsabschnitt, im einzelnen innerhalb des Konvektionsabschnitts nach den Wärmeübertragungsflächen, angeordnet. Die Größe der Katalysatorschicht gemäß der vorliegenden Erfindung ist so klein, daß sie an einer passenden Stelle im Konvektionsabschnitt angeordnet werden kann, so daß die Temperatur des Katalysators auf seinem optimalen Arbeitsniveau gehalten werden kann. Man hat herausgefunden, daß sich die erforderliche Reduktion von Stickstoffoxiden ergibt, wenn die Gase veranlaßt werden, den Katalysator über eine lineare Strömungsstrecke unter circa 2 m (z. B. weniger als 1 m) in einer Anlage kommerzieller Größe zu durchfließen. Somit wird der vorliegenden Erfindung zufolge viel weniger katalytische Oberfläche als bei den Methoden nach dem Stand der Technik benötigt. Folglich sind die Druckverluste kleiner. Der durch die vorliegende Erfindung erforderliche Katalysator ergibt Druckverluste, die zumindest 50% kleiner als bei den Methoden nach dem Stand der Technik sind (z. B. kleiner als eine Druckreduktion von 400 Pa). Dies resultiert in beachtlichen Einsparungen bei Betriebskosten, wobei noch immer eine ausreichende NOx Reduktion ohne übermäßiges Entweichen von Ammoniak erreicht wird.
Unter einigen Betriebsbedingungen, wie z. B. bei niedriger Belastung, kann es einen Überschuß an eingespritztem Ammoniak nach der ersten Reduktionsstufe geben. In solchen Fällen beendet die zweite Reduktionsstufe bei Herabsetzung der Stickstoffoxidemissionen der vorliegenden Erfindung zufolge gleichzeitig das Entweichen von gasförmigem NHx aus den Gasen. Dadurch wird die vorliegende Erfindung mit zwei Reduktionsstufen sogar noch attraktiver. Es können solche Ammoniakmengen eingespritzt werden, daß die Reduktion maximal ist, ohne das Risiko eines schädlichen NHx-Entweichens und seine Mitführung mit den abgestoßenen Rauchgasen in die Atmosphäre.
Es soll verstanden werden, daß im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung jedes bekannte NOx-Reduktionsmittel eingesetzt werden kann, vorzugsweise wird aber das Reduktionsmittel aus einer Gruppe gewählt, die im wesentlichen aus amin haltigem Mittel, Ammoniak oder Harnstoff oder einer Ammoniak produzierenden Vorstufe besteht.
Fig. 1 stellt eine zirkulierende Wirbelschicht-Dampferzeugungsanlage dar, die mit NOx-Reduktionsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist.
Fig. 1 zeigt ein Kraftwerkssystem, das ein typisches, einen Überhitzer und Ekonomiser aufweisenden Dampferzeugersystem mit zirkulierender Wirbelschicht umfaßt, bei welchem System die vorliegende Erfindung eingesetzt wird. Das Kesselsystem, das allgemein durch das Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, umfaßt eine Wirbelschichtfeuerung 2 mit einer Brennkammer 3, in die brennbares Material, nichtbrennbares Material, zusätzliche Zusätze oder rezykliertes Material, Primärluft und Sekundärluft eingeführt werden. In der Brennkammer 3 wird das Bett durch die richtige Zusammensetzung von Bettmaterial und den gewünschten Luftdurchsatz in fluidisiertem Zustand gehalten. Die Brennkammer 3 ist mit einem Boden 4 versehen, der eine rostartige Konstruktion aufweist, durch die Fluidisierungsluft eingeführt wird. Bei den Brennkammerwänden handelt es sich vorzugsweise um als Dampferzeugungsflächen dienende konventionelle Rohrwände des Membrantyps mit oder ohne feuerfesten Überzug.
Die Brennkammermaterialien (Partikel/Feststoffe) werden aus der Brennkammer 3 durch heiße Abgase über Kanal 5 zu einem Heißpartikelabscheider 6 (typisch einem Zyklonabscheider) befördert, wo der Feststoff aus den Gasen abgeschieden wird zur Rückführung durch ein Partikel-Rückführsystem 7, 8 und 9 zum unteren Abschnitt der Brennkammer 3, um im Bett wiederverwendet zu werden. Die rezyklierten Partikel können vor der Rückführung in die Brennkammer 3 durch Wirbelschichtkühler oder dergleichen (nicht dargestellt) geleitet werden.
Die Einzelheiten des Umlaufs für Speisewasser, Dampferzeugung und Überhitzer sind nicht dargestellt, weil sie keinen wesentlichen Bestandteil der vorliegenden Erfindung bilden und konventionell sind.
Zur Herabsetzung des Stickstoffoxidgehalts der Heißgase in einer ersten Reduktionsstufe wird Reduktionsmittel - vorzugsweise NH&sub3; - über Düsen 15, 16 und/oder 17 in die Gase eingespritzt, wo die Gase eine Temperatur von über 800ºC aufweisen. Bei solch einer Temperatur laufen die Reduktionsreaktionen zwischen NOx und NH&sub3; nichtkatalytisch ab, weshalb keine großen, voluminösen, getrennten Katalysatorbetten notwendig sind. Die Lage der Einspritzstellen 15-17 kann der Anlagenbelastung entsprechend geregelt werden, so daß eine optimale Temperatur und Verweilzeit für die nichtkatalytische Reduktion von NOx erhalten werden. Ein kritischer Faktor für wirksame Reduktion ist die wirksame Vermischung des Ammoniaks mit den Heißgasen. Deshalb bringen die Düsen an Position 16 oder 17 Ergebnisse infolge der wirksamen Vermischung im Zyklonabscheider 6. Der NOx-Gehalt der Gase wird in der ersten Reduktionsstufe durch Ammoniakeinspritzung erheblich herabgesetzt, wobei der NOx-Gehalt vorzugsweise auf ein Niveau unter circa 60 ppm reduziert wird.
Rauchgase vom Abscheider 6 fließen in Kanal 19 einem Konvektionsabschnitt 10 zu, wo die erste Reduktionsstufe durchgeführt wird. Eine Überhitzerstufe 11 kann im Konvektionsabschnitt 10 positioniert sein, wobei z. B. Zwischenüberhitzer 12 und 13 stromabwärts von Überhitzer 11 und stromaufwärts von Ekonomiserflächen 14 angeordnet sind. Die Auswahl der notwendigen Wärmeübertrtagungskonstruktionen stromaufwärts von den Ekonomiserflächen 14 hängt von den jeweiligen Brennstoffen, Reduktionsmitteln und anderen Variablen ab. Beim Passieren der Wärmeübertrtagungskonstruktionen 11, 12 und 13 kühlen die Gase ab und fließen durch die Ekonomiserflächen 14.
Nach dem Durchfließen der Ekonomiserflächen 14 werden die Gase der Erfindung zufolge zu einer zweiten Reduktionsstufe geführt. In der zweiten Reduktionsstufe werden die Gase einer katalytischen Reduktion in Gegenwart eines Reduktionsmittels von der ersten Reduktionsstufe ausgesetzt. Das Katalysatorbett oder der Katalysatorabschnitt 18 in der zweiten Reduktionsstufe schließt die Reduktion ab, wobei die Stickstoffoxidmenge nach der zweiten Stufe auf einem allgemein annehmbaren Niveau, vorzugsweise unter ungefähr 20 ppm, ist.
Die erforderliche Katalysatormenge in der zweiten Stufe ist sehr klein und kann dabei direkt dem Konvektionsabschnitt 10 der Anlage 1 angepaßt werden. Die lineare Länge des Katalysatorabschnitts 18, d. h. der Durchgang der Gase durch den Katalysatorabschnitt 18, ist weniger als ungefähr 2 m, vorzugsweise weniger als 1 Meter (oder falls mehr als ein Bett 18 vorgesehen sind, ist die gesamte lineare Durchgangslänge weniger als 2 Meter). [Zu den typischen Katalysatoren, die im Katalysatorabschnitt/-bett 18 eingesetzt werden können, gehören V&sub2;O&sub5;-Katalysatoren oder CuO- Katalysatoren.] Dies ergibt praktisch keine zusätzlichen Druckverluste in der zweiten Reduktionsstufe, wobei der Druckverlust im Katalysatorabschnitt 18 weniger als ungefähr 400 Pa, vorzugsweise < 200 Pa, ist. Somit bewirkt die vorliegende Erfindung ausreichende Stickstoffoxidreduktion praktisch ohne bedeutende Druckverluste im Gegensatz zu den Methoden nach dem Stand der Technik vor, die zweimal so hohe Druckverluste wie die vorliegende Erfindung ergeben können.
Um eine ordnungsgemäße Funktion der zweiten Reduktionsstufe sicherzustellen, wird die Temperatur der im Katalysatorabschnitt 18 eintreffenden Gase stabilisiert und auf gewünschtem Niveau gehalten, indem der Speisewasserdurchsatz zum Ekonomiser 14 beeinflußt wird. Die optimale Reduktionstemperatur für diese veranschaulichende Ausführungsform und den handelsüblichen V&sub2;O&sub5;-Katalysator ist 300-400ºC. Sollte ein Katalysator verwendet werden, dessen optimale Arbeitstemperatur über 400 ºC liegt, wird er vorzugsweise vor dem Ekonomiser 14 oder zwischen der ersten und zweiten Ekonomiserfläche 14 im Konvektionsabschnitt 10 angeordnet. Bei einer Temperatur von ungefähr 500ºC werden Zeolitkatalysatoren bevorzugt. Erfindungsgemäß ist es möglich, den Katalysatorabschnitt 18 stets auf seiner optimalen Arbeitstemperatur zu positionieren, indem die richtige Stelle im Konvektionsabschnitt 10 gewählt wird und indem ferner die Temperatur innerhalb des Betriebstemperaturbereichs des Katalysators dadurch gehalten wird, daß der Durchsatz des die Wärmeübertragungsflächen vor dem Katalysatorabschnitt 18 durchfließenden Mediums beeinflußt wird. Die Stabilisierung der Gastemperatur ist wichtig. Falls die Temperatur des den Katalysatorabschnitt 18 eintreffenden Gases wesentlich mehr als 25ºC von der optimalen Arbeitstemperatur des Katalysators sinkt, geht die Reduktion von Stickstoffoxiden radikal zurück. Andererseits, falls die Temperatur zu hoch ist, kann eine Seitenreaktion mit zu SO&sub3; oxidierendem SO&sub2; erfolgen, was später im Prozeß korrosive Kondensation hervorruft.
Wie durch die strichlierte Linie in Fig. 1 dargestellt ist, können ein oder mehrere Katalysatorabschnitte 18' vor den Ekonomiserflächen 14 angeordnet werden, wenn der Katalysator solcherart ausgewählt wird, daß seine optimale Arbeitstemperatur über 400ºC, z. B. ungefähr 500ºC, ist. Es ist auch möglich, den Katalysatorabschnitt 18' zwischen den Ekonomiserflächen 14 anzuordnen, falls die Temperaturanforderungen solch sind, daß diese Stelle in Ordnung ist. Durch die vorliegende Erfindung kann die richtige Stelle im Konvektionsabschnitt 10 der Katalysatorabschnitte 18, 18,' leicht ausgewählt werden und noch immer die Temperatur innerhalb des gewünschten Bereichs gehalten werden.
Unter bestimmten Betriebsbedingungen, wie z. B. bei niedriger Belastung, kann es einen Überschuß an eingespritztem Ammoniak nach der ersten Reduktionsstufe geben. In solchen Fällen macht die zweite Reduktionsstufe bei gleichzeitiger Herabset zung der Stickstoffoxidemissionen dem Entweichen von gasförmigem NH&sub3; aus den Gasen ein Ende. Hierdurch wird die vorliegende Erfindung mit zwei Reduktionsstufen noch attraktiver dank seiner Fähigkeit, ein sicheres Betriebsverfahren für den Wirbelschichtdampferzeuger sogar bei niedrigen Belastungen zu bieten.
Als Sicherheitsmaßnahme kann die zweite Reduktionsstufe im Konvektionsabschnitt 10 mit einer zusätzlichen Reduktionsmittel-Einspritzdüse 20 stromaufwärts vom Katalysatorabschnitt 18, 18' vorgesehen werden. Die zusätzliche Reduktionsmittel-Einführungsdüse 20 kann nur als Reaktion auf vorübergehend abweichende Verhältnisse in der ersten Reduktionsstufe arbeiten [z. B. falls eine Blockierung der Reduktionsmittel-Einspritzdüsen eintrifft].
Während zirkulierende Wirbelschichtverbrennung hier als bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, soll es verstanden werden, daß sich die vorliegende Erfindung auf verschiedene Prozesse anwenden läßt. So kann zum Beispiel der Konvektionsabschnitt 10 in Verbindung mit z. B. einem Schwarzlauge-Rückgewinnungskessel angeordnet werden. Es kann auch mit einem Abhitzekessel eines Prozesses verbunden werden, wo in den Rauchgasen thermisches NOx entsteht, in welchem Fall der Konvektionsabschnitt in einer horizontalen Lage angeordnet werden kann.
Die vorliegende Erfindung kann das bereits bestehende Rußblassystem für Wärmetauscher im Konvektionsabschnitt 10 nutzen. Die Katalysatorabschnitte 18, 18' können durch den Einsatz von Rußbläsern rein gehalten werden, die für die Wärmeübertragungsflächen im Konvektionsabschnitt 10 vorgesehen sind. Sollten die Katalysatorabschnitte 18, 18' eigene Rußbläser erfordern, kann das Rußblassystemes der Wärmeübertragungsflächen im Konvektionsabschnitt 10 noch immer genutzt werden.
Während die Erfindung im Zusammenhang mit dem beschrieben wurde, was man derzeit für die praktischste und bevorzugteste Ausführungsform hält, soll es verstanden werden, daß die Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform begrenzt werden soll, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und entsprechende Anordnungen umfassen soll, die vom Schutzumfang der beigefügten Ansprüche eingeschlossen werden.

Claims

1. Verfahren zur Reinigung von Verbrennungsgasen aus einer Dampferzeugungsanlage, welche Anlage eine Brennstoff-Reaktionskammer und einen Rauchgas-Konvektionsabschnitt umfaßt, der betrieblich mit der Reaktionskammer verbunden ist, welcher Konvektionsabschnitt Wärmeübertragungselemente für den Abzug von Wärme aus den Gasen umfaßt, welches Verfahren folgende Schritte umfaßt:

(a) Aufrechterhaltung von Verbrennungsreaktionen in der Reaktionskammer, was die Produktion von stickstoffoxidhaltigen Heißgasen zur Folge hat;

(b) Reduktion von Stickstoffoxiden in einer ersten Reduktionsstufe durch Kontaktieren der Heißgase mit einem Reduktionsmittel bei einem Temperatur > 800 ºC, um nichtkatalytische Reduktion von NOx in den Heißgasen zustande zu bringen,

(c) Ableitung der Heißgase aus der Reaktionskammer und Leitung derselben in den Rauchgas-Konvektionsabschnitt, der Wärmeübertragungsflächen aufweist;

(d) Abkühlung der Gase im Rauchgas-Konvektionsabschnitt nach Schritt (b) auf eine Temperatur = oder < 500ºC durch Dampfheizflächen des Konvektionsabschnitts, und anschließend

(e) Reduktion von Stickstoffoxiden in einer zweiten Reduktionsstufe, indem die reduktionsmittelhaltigen Gase einer katalytischen NOx-Reduktion im Rauchgas- Konvektionsabschnitt ausgesetzt werden,

welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß

- die Temperatur der katalytischen Behandlung in Schritt (e) dadurch stabilisiert ist, daß die Temperatur der Gase in der zweiten Reduktionsstufe auf einem Niveau innerhalb von ± 25ºC der optimalen Arbeitstemperatur des in der zweiten Reduktionsstufe verwendeten Katalysators gehalten wird durch Regelung des Durchsatzes von Wärmeträger in den, der zweiten Reduktionsstufe vorgeschalteten Wärmeübertragungsflächen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- Schritt (d) durchgeführt wird, um die Gase im Konvektionsabschnitt auf eine Temperatur von ungefähr 300-400ºC vor der zweiten Reduktionsstufe abzukühlen, und

- Schritt (e) durchgeführt wird, nachdem die Gase die Wärmeübertragungsflächen eines Ekonomisers durchflossen haben.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (b) durch Einspritzen von Reduktionsmittel in Kontakt mit den Heißgasen an ein oder mehreren Stellen entsprechend der Dampferzeugungsbelastung der Dampferzeugungsanlage durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (e) durchgeführt wird, um jede übermäßige Menge an Reduktionsmittel in den Gasen zu verringern, bevor die Gase den Konvektionsabschnitt verlassen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (e) durch Leitung der Heißgase durch ein Katalysatorbett durchgeführt wird, das in Strömungsrichtung eine lineare Länge von weniger als ungefähr 2 m hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in Schritt (b) eingeführte Reduktionsmittel aus einer Gruppe ausgewählt wird, die im wesentlichen aus aminhaltigem Mittel, Ammoniak, Harnstoff oder einer Ammoniak produzierenden Vorstufe besteht.

7. Dampferzeugungs-Kesselsystem (1), umfassend

- eine Brennstoff-Reaktionskammer (3) mit Mitteln (15) zur Einführung von Stickstoffoxid-Reduktionsmittel in die Rauchgase in besagter Reaktionskammer,

- einen mit der Reaktionskammer betrieblich verbundenen Rauchgas- Konvektionsabschnitt (10), welcher Konvektionsabschnitt Wärmeübertragungselemente (11, 12, 13, 14) für den Abzug von Wärme aus den Rauchgasen und katalytische Behandlungsmittel (18, 18') für katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden auf der gegenüberliegenden Seite der Einführungsmittel aus der Reaktionskammer aufweist, und

- Wärmeübertragungselemente vor den katalytischen Behandlungsmitteln im Konvektionsabschnitt angeordnet sind, gekennzeichnet durch

- Mittel zur Regelung des Durchsatzes von Wärmeübertragungsmittel in den Wärmeübertragungselementen (14), die im Konvektionsabschnitt vor den katalytischen Behandlungsmitteln (18) angeordnet sind, um die Temperatur der Gase bei der katalytischen Behandlung auf einer optimalen Arbeitstemperatur des verwendeten Katalysators zu halten, und

- die katalytischen Stickstoffoxidreduktionsmittel ein Katalysatorbett umfassen, das eine lineare Länge von weniger als 2 Metern in Richtung des Gasflusses durch besagten Konvektionsabschnitt hat.

8. Dampferzeugungs-Kesselsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytischen Stickstoffoxidreduktionsmittel im Konvektionsabschnitt nach den Wärmeübertragungsflächen (14) eines Ekonomisers angeordnet sind.

9. Dampferzeugungs-Kesselsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des katalytischen Betts weniger als 1 Meter ist.

10. Dampferzeugungs-Kesselsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kesselsystem des weiteren einen Partikelabscheider (6) zwischen der Reaktionskammer (3) und den katalytischen Reduktionsmitteln (18) umfaßt.