DE19611332A1 - Verfahren zur Konditionierung von Abgasen - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Konditionie­ rung von Abgasen gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Ein Verfahren dieser Gattung ist beispielsweise aus der DE-PS 44 10 213 bekannt.

Technologischer Hintergrund und Stand der Technik

Für die Entstaubung von Abgasen werden neben Schlauchfiltern hauptsächlich elektrostatische Filter verwendet. Die Abschei­ deleistung dieser Elektrofilter ist u. a. von der Zusammenset­ zung der Flugasche abhängig. Bei Flugasche mit geringer elek­ trischer Leitfähigkeit (spezifischer elektrischer Widerstand < 10¹¹ Ohm cm) nimmt die Abscheideleistung drastisch ab. Der Grund für diese Abnahme der Abscheideleistung liegt darin, daß die auf den Abscheideelektroden im Filter abgeschiedene Staubschicht (Filterkuchen) ein Hindernis für den zwischen Sprüh- und Abscheideelektroden fließenden Strom darstellt. Die Staubschicht wird dann so dick und hat einen derart hohen elektrischen Widerstand, daß an ihr ein merklicher Anteil der Spannung abfällt, so daß Spannungsüberschläge im Filterkuchen auftreten. Diese Spannungsüberschläge führen zu Gasentladungen an den Abscheideelektroden, ein Effekt, der in der Literatur mit Rücksprühen (engl. back corona oder back ionization) be­ zeichnet wird. Die Folge dieser (unerwünschten) Entladungen ist, daß Ionen mit entgegengesetzter Polarität freigesetzt werden, die sich in Richtung der Sprühelektroden bewegen und die Ladung der entgegenkommenden Staubpartikel erniedrigen. Ein weiterer unerwünschter Effekt ist darin zu sehen, daß durch das Rücksprühen bereits abgeschiedene Staubpartikel aus dem Filterkuchen herausgeschleudert werden.

Die geschilderten Vorgänge treten insbesondere bei der Abgas­ reinigung von kohlebefeuerten Kraftwerken auf, in denen Kohle mit niedrigem Schwefelgehalt verbrannt wird.

Um die Abscheideleistung der Abgasreinigungsanlage derartiger Kraftwerke zu erhöhen, wird seit langem dem Abgas vor dem Elektrofilter Wasserdampf, Schwefeltrioxid oder Ammoniak zuge­ setzt. Diese Zusätze - in vergleichsweise geringer Dosierung zugesetzt - erhöhen die elektrische Leitfähigkeit der Flug­ asche um eine oder mehrere Größenordnungen, haben jedoch den Nachteil, daß aufwendige Zusatzeinrichtungen zur Lagerung, Aufbereitung und Einbringen des Zusatzes in das Abgas vor dem Elektrofilter notwendig sind. So wird z. B. in dem Konferenzbe­ richt von William G. Hankins und Ray E. George "A Novel, En­ ergy-efficient SO₃ Flue Gas Conditioning Process", 10th Parti­ culate Control Symposium, Washington D.D., April 5-8, 1993, Session B4 (Ash Properties and Particulate Collector Perfor­ mance) zunächst elementarer Schwefel zu Schwefeldioxid ver­ brannt und anschließend in einem Katalysator in Schwefeltrio­ xid umgewandelt, wobei komplizierte Randbedingungen eingehal­ ten werden müssen. Hinzu kommt, daß an einigen Standorten die Konditionierung durch Zusatz von Chemikalien nicht erwünscht oder gar durch gesetzliche Vorschriften nicht gestattet ist.

Bei einem anderen aus der US-A-5,011,516 bekannten Verfahren wird vor dem elektrostatischen Filter ein Teil des Schwefel­ dioxid enthaltenden heißen Abgasstroms katalytisch in Schwe­ feltrioxid umgewandelt und der so behandelte Teilstrom wieder in den Gashauptstrom eingedüst, der vor der Eindüsstelle auf eine niedrigere Temperatur herabgekühlt wurde.

Einen anderen Weg beschreitet das aus der DE-PS 44 10 213 be­ kannte Verfahren. Anstelle einer katalytischen Umsetzung des Schwefeldioxids in Schwefeltrioxid erfolgt die Umwandlung in der Weise, daß das Abgas vor dem Eintritt in den elektrosta­ tischen Filter durch eine Gasentladungsstrecke mit stillen elektrischen Entladungen geführt wird. In der Entladung werden aus dem im Abgas mitgeführten Wasserdampf OH-Radikale erzeugt, die mit dem im Abgas stets vorhandenen Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid reagieren. Dieses wiederum reagiert mit Was­ serdampf zu Schwefelsäure, die auf den Partikeln kondensiert und zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des auf den Abscheideelektroden des Elektrofilters abgeschiedenen Fil­ terkuchen führt. Auf diese Weise wird die Abscheideleistung im Filter auch bei der Abgasreinigung von Verbrennungsanlagen für schwefelarme Brennstoffe wesentlich verbessert, ohne daß Che­ mikalien dem Abgas zugesetzt werden müssen.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Konditionierung von Abgasen anzugeben, das die Abscheidelei­ stung im nachgeschalteten elektrostatischen Filter auch bei vergleichsweise geringen Schwefelkonzentrationen im Abgas er­ höht und darüber hinaus ohne chemische Zusätze auskommt und einfach und wirtschaftlich durchzuführen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Masse- und/oder Hochspannungselektroden solche verwendet wer­ den, die auf ihren dem Abgaskanal zugewandten Oberfläche(n) mit einer katalytischen Beschichtung versehen sind.

Der Vorteil der Erfindung ist dabei insbesondere darin zu se­ hen, daß die durch die stillen elektrischen Entladungen ini­ tiierte Umwandlung von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid durch die Anwesenheit eines Katalysators in unvorhersehbarer Weise gesteigert wird, weil an der Katalysatoroberfläche zusätzlich SO₂ zu SO₃ oxidiert wird. Die optimale Arbeitstemperatur des Katalysators kann dabei vorteilhaft durch die elektrische Lei­ stung in der stillen elektrischen Entladung eingestellt wer­ den.

Die Erzeugung von OH-Radikalen aus Wasserdampf im Abgas und die anschließende Umwandlung von SO₂ in SO₃ erfolgt dabei in der Weise, daß in der stillen elektrischen Entladung OH-Radi­ kale entstehen, diese einen Teil des SO₂ über die Zwischenstufe HSO₃ zu SO₃ und schließlich zu H₂SO₄ umwandeln. H₂SO₄ konden­ siert auf den abzuscheidenden Staub- oder Aschepartikel und führt auf diese Weise zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit des Filterkuchens auf den Abscheideelektroden des Elektrofilters.

H₂O in Form von Wasserdampf ist im Abgas reichlich vorhanden (typisch 6-9% und mehr). Der Hauptbestandteil des Abgases ist Stickstoff mit zwischen 70 und 75%. Wird in einem solchen Gasgemisch eine Gasentladung initiiert, so bilden sich in er­ ster Linie positive Ionen N₂⁺ und H₂O⁺. OH-Radikale entstehen durch Dissoziation von Wassermolekülen durch Kollisionen mit Elektronen

e + H₂O → e + H + OH (1)

und durch Ionen-Rekombinationen

H₂O⁺ + H₂O → H₃O⁺ + OH (2).

Die am häufigsten vorkommenden Ionenart N₂+ geht dabei nicht verloren, sondern gibt ihre Ladung an Wassermoleküle ab und nimmt damit an der Reaktionskette (2) teil:

N₂⁺ + H₂O → H₂O⁺ + N₂ (3).

Zusätzlich zu diesen Reaktionen bilden sich aus den Spezies N₂* und O(¹D) OH-Radikale:

N₂* + H₂O → OH + N₂ + O (4)

O(¹D) + H₂O → OH + OH (5).

Reaktionen von OH-Radikalen und SO₂ führen in einer sehr schnellen Dreierstoßreaktion zu HSO₃:

SO₂ + OH + M → HSO₃ + M (6)

worin M einen dritten Reaktionspartner bedeutet. Dieser kann irgendein Gasmolekül im Gasgemisch oder irgendeine Oberfläche sein, z. B. ein Flugaschepartikel sein. HSO₃ wird durch fol­ gende Reaktionen sehr schnell in SO₃ umgewandelt:

HSO₃ + OH → SO₃ + H₂O (7)

HSO₃ + O₂ → SO₃ + H₂O (8).

Das so gebildete HSO₃ führt bei den im Abgas herrschenden Be­ dingungen unmittelbar zur Bildung von H₂SO₄:

SO₃ + H₂O → H₂SO₄ (9).

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung sche­ matisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen Abgaskanal mit integrierter Entladungsstrecke, wobei Masse- und Hochspannungselektroden mit einem Dielek­ trikum und einer darüberliegenden Katalysatorschicht beschichtet sind,

Fig. 2 einen vereinfachten Querschnitt durch die Entla­ dungsstrecke gemäß Fig. 1.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 der Zeichnung gelang mit Partikeln beladenes Abgas aus einer Verbrennungsanlage 1, z. B. ein kohlebefeuerter Kes­ sel eines Kraftwerks, über eine Abgasleitung 2 zu einem elek­ trostatischen Filter 3. In der Abgasleitung 2 ist eine gene­ rell mit der Bezugsziffer 4 bezeichnete Entladungsstrecke vor­ gesehen, deren Aufbau aus Fig. 2 hervorgeht.

Quer zur Strömungsrichtung des Abgases sind im Beispielsfall abwechselnd drei Hochspannungselektroden 5 und zwei Masseelek­ troden 6 eingebaut. In der Praxis ist die Anzahl der Elektro­ den erheblich größer. Alle Elektroden 5, 6 weisen einen me­ tallischen Kern auf und sind mit einem Dielektrikum 7 be­ schichtet. Die Elektroden können wie in Fig. 1 dargestellt kreisrunden Querschnitt haben. Sie können jedoch auch platten­ förmig sein, wobei dann die Platten parallel zur Strö­ mungsrichtung des Abgases verlaufen. Das Dielektrikum 7 be­ steht aus Glas, Quarz, Email, Keramik oder einem gefüllten Kunststoff, also Materialien, wie sie auch beim Bau von Ozon­ erzeugern seit vielen Jahren verwendet werden. Weil es aus­ reicht, wenn nur ein Elektrodentyp mit einem Dielektrikum 7 beschichtet ist. Alternativ können auch nur die Hochspannungs­ elektroden 5 oder die Masseelektroden 6 mit einem Dielektrikum versehen sein.

Der Abstand zwischen benachbarten Elektroden beträgt wenige Millimeter bis 50 mm. Die Masseelektroden 6 sind jeweils par­ allelgeschaltet und mit dem einen auf Erdpotential liegenden Anschluß einer Hochspannungsquelle 8 verbunden. Die Abgaslei­ tung liegt ebenfalls auf Erdpotential. Die Hochspannungselek­ troden 5 sind gleichfalls parallelgeschaltet und an den ande­ ren Pol der Hochspannungsquelle 8 angeschlossen. Die Hochspan­ nungsquelle 8 liefert eine Wechselspannung, deren Spannung so hoch ist, daß sich zwischen den Masse- und Hochspannungselek­ troden 6 bzw. 5 stille elektrische Entladungen ausbilden, also typischerweise im Bereich 10-100 kV. Die Frequenz der Wech­ selspannungsquelle liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 kHz und einigen 10 MHz, einem Frequenzbereich, den moderne Schaltnetzteile (engl. switch-mode power supply) liefern kön­ nen.

Bei einer praktischen Realisierung der Erfindung ist die Ent­ ladungsstrecke 4 vorzugsweise als separate Baueinheit ausge­ bildet und kann leicht in den Abgaskanal eingebaut werden.

Erfindungsgemäß sind nun die Elektroden 5, 6 außen mit einer Katalysatorschicht 9 versehen. Weil das Katalysatormaterial selbst dielektrische Eigenschaften aufweist, kann dabei bei den Elektroden das eigentliche Dielektrikum 7 entfallen.

Die Katalysatorschicht 9 besteht im wesentlichen aus Vanadium­ pentoxid. Generell können Katalysatormaterialien verwendet werden, die unter Abgasbedingungen Schwefeldioxid in Schwefel­ trioxid umwandeln, z. B. solche, wie sie auch in der eingangs genannten US-A-5,011,516 verwendet werden.

Im Betrieb und bei eingeschalteter Hochspannung laufen bei al­ len Ausführungsformen die eingangs anhand von Summenreaktionen geschilderten Vorgänge ab. Der im Abgas stets vorhandene Was­ serdampf reagiert - initiiert durch die Entladungen in der Ent­ ladungsstrecke 4 - mit dem ebenfalls vorhandenen Schwefeldio­ xid zu Schwefeltrioxid und schließlich zu Schwefelsäure, die auf den Staubpartikel kondensiert und letztendlich die Leit­ fähigkeit des Filterkuchens erhöht, der sich auf den Abschei­ deelektroden des elektrostatischen Filters 2 bildet.

Bezugszeichenliste

1 Verbrennungsanlage
2 Abgasleitung
3 elektrostatisches Filter
5 Hochspannungselektroden
6 Masseelektroden
7 Dielektrikum
8 Hochspannungsquelle
9 Kat.-Schicht auf 5 bzw. 6

Claims (2)

1. Verfahren zur Konditionierung von Abgasen durch Einwirken von Schwefeltrioxid auf das Abgas und anschließende Ab­ scheidung der im Abgas mitgeführten Partikel in einem elektrostatischen Filter (3), wobei das Abgas vor dem Eintritt in den elektrostatischen Filter (3) durch eine Gasentladungsstrecke (4) mit stillen elektrischen Entla­ dungen geführt wird, welche Gasentladungsstrecke quer zum Abgasstrom angeordneten stab- oder gitterförmige Hoch­ spannungs- (5, 5a, 10) und Masseelektroden (6; 9a, 9b) auf­ weist, die an eine Hochspannungsquelle (8) angeschlossen sind, wobei mindestens eine der Elektrodenarten, vorzugs­ weise die Hochspannungselektroden, mit einem Dielektrikum (8) versehen sind, in welcher Gasentladungsstrecke im we­ sentlichen aus dem im Abgas mitgeführten Wasserdampf OH-Radi­ kale erzeugt werden, die mit dem im Abgas stets vor­ handenen Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid reagieren, da­ durch gekennzeichnet, daß als Masse- und/oder Hochspan­ nungselektroden (6, 5) solche verwendet werden, die auf ihren dem Abgaskanal (2) zugewandten Oberfläche(n) mit einer katalytischen Beschichtung (9) versehen sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysator auf der Basis von Vanadiumpentoxid ver­ wendet wird.