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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abreinigung von Staubablagerungen in einer von einem staubhaltigen Abgas durchströmten Behandlungseinrichtung. Die Behandlungseinrichtung kann dabei beispielsweise durch einen Abgaskatalysator oder einen Wärmetauscher gebildet werden.
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Das SCR-Verfahren zur NOx-Minderung erfordert aufgrund der mitunter hohen Schwefelfrachten im Abgas von Anlagen zur Herstellung von Zementklinker minimale Reaktionstemperaturen größer 260°C. Daher ist es in der Regel notwendig, den Katalysator direkt hinter dem Zyklonvorwärmer zu platzieren. Hier liegen prozessbedingt günstige Temperaturen von etwa 300 bis 380°C vor. Ungünstiger Weise liegen nach dem letzten Vorwärmerzyklon aber auch extrem hohe Staubbeladungen in der Größenordnung von 50 bis 150 g/Nm3 (Nm3 = Normkubikmeter) vor. Diese hohen Staubfrachten führen zu Betriebsproblemen in Form von Verstopfungen des Katalysators und zur Deaktivierung der porösen Katalysatoroberfläche. Da der Katalysator fest montiert wird, sind die Möglichkeiten, den Katalysator im Betrieb zu reinigen und zu reaktivieren begrenzt.
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Stand der Technik ist der Einsatz von Schallhörnern und Druckluftbläsern zur Abreinigung von Ablagerungen und Verstopfungen im Bereich des Katalysators. Der Einsatz von Druckluftbläsern ist für die Zementindustrie in der
DE 100 37 499 A1 beschrieben. In der
DE 10 2005 039 997 A1 wird zur Unterstützung der Reinigungsleistung der Staubbläser zusätzlich eine akustische Reinigung mit Schallhörnern beschrieben. Schallhörner senden Wellen aus, um den angelagerten Staub aufzulockern, der dann anschließend mit den Staubbläsern entfernt wird.
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Damit die Schalhörner überhaupt wirken können, ist zunächst die richtige Montagestelle im System, an der die Eigenfrequenz der Katalysatormasse angeregt wird, durch einen langen Optimierungsprozess zu ermitteln. Wie die industrielle Anwendung zeigt, führt die Verwendung dieser Verfahren im Bereich der Herstellung von Zementklinker aber nicht zum gewünschten Reinigungseffekt. Insbesondere „High-Dust”-geschaltete SCR-Katalysatoren verstopfen auch mit Druckluftbläsern und Schallquellen sehr schnell.
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Die
AT 405489 B beschreibt eine Abreinigung der Elektroden eines Elektrofilters. Die Elektroden werden in einer sogenannten Kurzschlussschleife verschaltet. Bei Stromfluss wird ein elektromagnetisches Feld aufgebaut. Durch dieses werden die Elektroden in Halbschwingungen versetzt. Die Schwingung der Elektroden soll eine Abreinigung der niedergeschlagenen Staubpartikeln bewirken. Die Kraftwirkung auf die Partikel durch die schwingenden Elektroden ist allerdings sehr gering, sodass sich diese Form der Abreinigung im industriellen Maßstab nicht durchgesetzt hat.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Abreinigung von Staubablagerungen in einer von einem staubhaltigen Abgas durchströmten Behandlungseinrichtung, beispielsweise einem Abgaskatalysator oder einem Wärmetauscher zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Abreinigung von Staubablagerungen in einer von einem staubhaltigen Abgas durchströmten Behandlungseinrichtung, die Oberflächenbereiche aufweist, die mit dem staubhaltigen Abgas in Kontakt kommen, wird zumindest ein Teil der mit dem staubhaltigen Abgas in Kontakt kommenden Oberflächenbereiche der Behandlungseinrichtung zur Abreinigung der Staubablagerungen mit Strom beaufschlagt. Die Strombeaufschlagung erfolgt in Form eines Impulsstroms, der mit einer Impulsdauer von wenigstens einer Mikrosekunde und maximal fünf Millisekunden und einer Stromstärke zwischen 1.000 A bis 40.000 A erzeugt wird.
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Der erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht eine von dem staubhaltigen Abgas durchströmte Behandlungseinrichtung und einen Impulsstromgenerator vor, wobei die Behandlungseinrichtung mit dem staubhaltigen Abgas in Kontakt kommende Oberflächenbereiche aufweist, an die der Impulsstromgenerator angeschlossen ist. Der Impulsstromgenerator ist zur Erzeugung von Impulsströmen ausgebildet, die eine Impulsdauer von wenigstens einer Mikrosekunde und maximal fünf Millisekunden und eine Stromstärke zwischen 1000 A bis 40.000 A aufweisen.
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Die Idee der Erfindung ist eine zyklische Reinigung der Behandlungseinrichtung durch das Erzeugen einer kurzzeitigen, impulsartigen Erschütterung der Behandlungseinrichtung mit Hilfe von Impulsströmen. Bei den der Erfindung zugrunde liegenden Versuchen wurde festgestellt, dass ein Impulsstrom mit einer Impulsdauer von wenigstens einer Mikrosekunde und maximal fünf Millisekunden und einer Stromstärke zwischen 1.000 A und 40.000 A eine deutlich höhere Reinigungswirkung erzielt, als schwingende Katalysatorplatten, wie sie die
AT 405 489 B beschreibt.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Als Behandlungseinrichtungen im Sinne der Erfindung kommen insbesondere Katalysatoren und Wärmetauscher in Betracht.
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Auf dem Markt befinden sich unterschiedliche Katalysatoren. Der Unterschied zwischen Waben- und Plattenkatalysatoren erklärt sich mit deren Herstellungsprozessen. Der Wabenkatalysator ist ein extrudierter, sogenannter Vollkatalysator. Beim Plattenkatalysator wird das katalytisch aktive Material auf einen Träger aufgebracht. Dieser Träger ist in der Regel eine Art Streckmetall auf den die katalytische Masse gepresst wird.
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Die Erfindung berücksichtigt vorzugsweise Plattenkatalysatoren, die einen metallischen, leitenden Träger aufweisen, auf dem Katalysatormaterial so aufgebracht ist, dass an den Enden der Träger ein elektrisches Potential angeschlossen werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Impulsstroms mit aperiodischer, gedämpfter Form verwendet. Mit einem aperiodischer Impulsstrom kann ein Impulsstrom sehr effizient aus einer Schaltung mit einem geladenen Kondensator erzeugt werden. Dabei wird ein Kondensator zunächst allmählich aufgeladen und dann schlagartig über ein Netzwerk aus einem Widerstand und einer Spule entladen.
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Würde der Strom in Form einer ungedämpften Schwingung aus dem Kondensator entnommen, würde der Kondensator schnell alter. Bei einer gedämpften Schwingung kann hingegen eine viel längere Lebensdauer erreicht werden.
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Die Staubabreinigung erfolgt aufgrund eines mechanischen Impulses, der durch den Impulsstrom ausgelöst wird. Parallele Katalysatorplatten können in gleicher oder entgegengesetzter Stromrichtung durchströmt werden. Bei gleicher Stromrichtung werden die Platten angezogen. Die entgegengesetzte Stromrichtung führt zu einer Abstoßung der parallelen Platten. Das Verfahren kann mit gleicher oder entgegengesetzter Stromrichtung ausgeführt werden, da der mechanische Impuls entscheidend für die Abreinigung ist.
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Das Verfahren wird bevorzugt potentialunabhängig ausgelegt. Dies bedeutet, dass die Katalysatorträger isoliert von einem metallischen Gehäuse aufgebaut werden. Die Potentiale des Trägers sind hierdurch frei gegenüber dem geerdeten Gehäuse wählbar.
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In einer weiteren Variante ist es außerdem möglich den Träger mit dem metallischen, geerdeten Gehäuse zu verbinden. Hierdurch wird die Schaltung auf einer Seite geerdet (Erdpotential). Der Vorteil dieser Variante ist, dass der Katalysatorträger mit einer einfachen metallischen Steckverbindung in das Katalysatorgehäuse integriert werden kann.
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Um eine Überhitzung des Katalysatorträgers zu vermeiden, wird die folgend erläuterte Dimensionierung bevorzugt: Die Dimensionierung erfolgt so, dass die vom Impulsstromgenerator abgegebene Energie von den Katalysatorträgern ohne Wärmeleitung und Wärmeabgabe durch Kühlung oder Konvektion aufgenommen wird, sodass die Temperaturerhöhung durch einen Impulsstrom unterhalb der für den Katalysatorwerkstoff zulässigen Maximaltemperatur bleibt. Die Impulswiederholungsrate des Impulsgenerators ist gering, so dass zwischen zwei Reinigungsstößen genügend Zeit bleibt, damit sich der Katalysator wieder auf die Temperatur des umgebenden Gases abkühlen kann.
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Die Abreinigung der Behandlungseinrichtung kann in definierten Intervallen oder über mess- und regeltechnische Einrichtungen erfolgen. Bevorzugt werden die Intervalle der Impulsstromabreinigung mittels einer Druckdifferenz-Messung über die Behandlungseinrichtung geregelt. Ein steigender Druckverlust ist ein Indikator für steigende Staubablagerungen.
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Es ist außerdem möglich, mit Hilfe eines Sensors die Schichtdicke der Staubablagerungen zu überwachen und den Impulsstrom in Abhängigkeit der ermittelten Schichtdicke auszulösen. Eine Schichtdickenmessung bei einem Katalysator kann beispielsweise durch einen auf dem metallischen Träger aufgebrachten Ultraschallsender erfolgen, wobei der Ultraschallsender vom Katalysatormaterial überdeckt wird. Ablagerungen auf dem Katalysator führen zu einer Veränderung der Schallreflexion. Eine Regelungseinrichtung kann daraufhin den Impulsstrom auslösen.
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Außerdem ist es möglich die Staubablagerung mit einer Messung der elektrischen Kapazität zwischen zwei Katalysatorplatten zu messen. Die Kapazität zwischen zwei parallelen Platten ändert sich mit der Staubablagerung. Diese Variante kann allerdings nur bei Platten eingesetzt werden, die untereinander keinen metallischen Kontakt besitzen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert. Wenngleich die Behandlungseinrichtung in der nachfolgenden Beschreibung durch einen Abgaskatalysator gebildet wird, kann die Erfindung auch bei anderen Behandlungseinrichtungen, insbesondere bei Wärmetauschern, zur Anwendung kommen.
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In der Zeichnung zeigen
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1 einen Abgaskatalysator mit einer Vorrichtung zur Abreinigung von Staubablagerungen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
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2 einen Abgaskatalysator mit einer Vorrichtung zur Abreinigung von Staubablagerungen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt die prinzipielle Anordnung eines Abgaskatalysators 1, insbesondere eines Entstickungskatalysators, der in einem von einem Abgas 2 durchströmten Abgaskanal 3 angeordnet ist. Bei dem Abgas 2 handelt es sich insbesondere um staubhaltige Abgase, wie sie in der Zement- und Mineralsindustrie auftreten.
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Der Abgaskatalysator 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Plattenkatalysator ausgebildet, der eine Vielzahl von metallischen Trägern 4, beispielsweise als Streckmetall oder als Metallplatten, aufweist, die mit Katalysatormaterial 5 beschichtet sind. Dies beschichteten Metallplatten bilden die mit dem Abgas in Kontakt kommenden Oberflächenbereiche der Behandlungseinrichtung (Abgaskatalysator).
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Das zu entstickende Abgas 2 enthält Staubpartikel 6, die aufgrund vorheriger Behandlungsschritte elektrisch geladen oder ungeladen sein können. Diese Staubpartikel 6 lagern sich auf dem Katalysatormaterial 5 ab.
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Die zu reduzierenden Stickoxide (NOx) 7 werden durch das Katalysatormaterial 5 zur Luftstickstoff (N2) und Wasser (H2O) umgesetzt. Für die Umsetzung von NOx ist ein ammoniakhaltiges Reduktionsmittel erforderlich, welches über Mittel 12 vor dem Katalysator zugeführt werden kann und in den Poren des Katalysatormaterials 5 absorbiert wird. Selbstverständlich kann es sich bei dem Katalysator auch um ein Material handeln, dass andere Reaktionen katalysiert, insbesondere die Oxidation von Kohlenwasserstoffen und CO.
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Des Weiteren ist ein Impulsstromgenerator 8 vorgesehen, der an die metallischen Träger 4 angeschlossen ist und einen Impulsstrom 9 erzeugt, der den metallischen Trägern des Katalysators stoßartig in definierten Intervallen oder bei Bedarf zugeführt wird. Der Impulsstrom wird dabei mit einer Impulsdauer von wenigstens einer Mikrosekunde und maximal fünf Millisekunden und einer Stromstärke zwischen 1.000 A bis 40.000 A erzeugt. Dadurch kommt es zu einem mechanischen Impuls, der eine Erschütterung der metallischen Träger bewirkt, wodurch die angelagerten Staubpartikel 6 abgeschüttelt werden. Vorzugsweise kommt dabei ein Impulsstrom mit einer gedämpften, aperiodischen Impulsform zur Anwendung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden alle metallischen Träger 4 von der gleichen Seite, also in der gleichen Stromrichtung, mit den Impulsstrom 9 beaufschlagt. Es wäre aber beispielsweise auch denkbar, dass die einzelnen Träger abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen mit dem Impulsstrom beaufschlagt werden. Auch eine paarweise abwechselnde Anordnung ist denkbar.
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Um eine effektive Reinigung zu erzielen, kann der Impulsstrom auch so appliziert werden, dass nur jeweils zwei gegenüberliegende, metallische Träger 4 mit dem Impulsstrom beaufschlagt werden. Eine zyklische Umschaltung kann dann nacheinander alle benachbarten Träger durchschalten.
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Um das Ablösen der Staubpartikel 6 von der Oberfläche des Katalysatormaterials 5 und den Abtransport aus den Strömungskanälen zu optimieren, kann die Impulsstrom-Abreinigung des Katalysators beispielsweise auch mit Druckluft unterstützt werden. Die Druckluft könnte dabei mittels Rußbläsern oder impulsartig mittels Luftkanonen zugeführt werden. Eine besonders effektive Abreinigung lässt sich dann erzielen, wenn die Druckluftabreinigung zeitgleich mit dem Impulsstrom ausgelöst wird.
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Die Druckluft führt zu einer Erhöhung der Luftmenge und der Strömungsgeschwindigkeit in den Kanälen und verbessert dadurch auch den Abtransport der Staubpartikel aus den Strömungskanälen.
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Um eine Überhitzung der metallischen Träger 4 zu vermeiden, wird die Impulsstromstärke, die Impulsform und/oder die Impulsdauer entsprechend angepasst.
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Während die metallischen Träger 4 gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 potenzial unabhängig angeordnet sind, d. h. mit ihren Enden direkt an den Impulsstromgenerator 8 angeschlossen sind, liegt die eine Seite der metallischen Träger 4 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (2) an Erdpotential. Wird gleichzeitig auch das Katalysatorgehäuse 10 geerdet, können die Träger 4 mit einer einfacheren metallischen Steckverbindung in das Katalysatorgehäuse integriert werden und müssen lediglich auf der anderen Seite an den Impulsstromgenerator 8 angeschlossen werden.
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Die Applizierung des Impulsstroms kann entweder in vorgegebenen Reinigungsintervallen erfolgen, durch eine Differenzdruckmessung über den Katalysator gesteuert werden oder sie wird in Abhängigkeit der Schichtdicke der Staubpartikel auf dem Katalysator 5 geregelt. Zur Ermittlung der Schichtdicke wird beispielsweise ein Sensor 11, insbesondere ein Ultraschallsensor auf dem metallischen Träger 4 angebracht, wobei der Sensor 11 vom Katalysatormaterial 5 überdeckt wird. Ablagerungen auf dem Katalysatormaterial führen dabei zu einer Veränderung der Schallreflexion. Über eine geeignete Regelungseinrichtung kann daraufhin der Impulsstrom ausgelöst werden.
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Durch den oben beschriebenen Impulsstrom können die angelagerten Staubpartikel 6 relativ zuverlässig abgeschüttelt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Abgaskatalysators 1 verbessert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10037499 A1 [0003]
- DE 102005039997 A1 [0003]
- AT 405489 B [0005, 0010]
