DE3642472A1 - Verfahren und vorrichtung zur reinigung von abgasen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur reinigung von abgasen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reinigung von Abgasen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein solches Verfahren ist zur Reinigung von NO x -haltigen Abgasen aller Art geeignet, gleichgültig, ob sie aus einer Verbrennungsmaschine oder einer Verbrennungsanlage stammen.
In der deutschen Patentanmeldung P 36 33 416.2 ist ein Verfahren zur Reinigung von Abgasen beschrieben, für dessen Durchführung zwei Elektroden und ein Katalysator verwendet werden. Mit Hilfe dieser Bauelemente werden freie oder an der Katalysatorfläche adsorbierte NO x - Moleküle mit Hilfe von Elektronen in NO--Ionen umgewandelt. Diese Ionen werden anschließend mit freien oder adsorbierten NO-Molekülen unter Abgabe von Elektronen und unter Bildung von Sauerstoff und Stickstoff zur Reaktion gebracht.
Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß für die Durchführung sehr viel Energie aufgewendet werden muß und die Menge der beseitigten Schadstoffe noch nicht den gewünschten Wert erreicht hat.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Abbau von NO x insbesondere auf der Katalysatoroberfläche zu vergrößern und den Energiebedarf zu senken, sowie eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 4, 9 und 10 offenbart.
Für die Durchführung des Verfahrens wird die Oberfläche des Katalysators der Einwirkung eines elektrischen Feldes ausgesetzt oder mit UV-Strahlung bestrahlt. Für die Durchführung des Verfahrens wird vorzugsweise ein zylinderförmiger Katalysator verwendet, auf dessen Innenflächen als Ringe ausgebildete metallische Elektroden angeordnet sind. Die Elektroden weisen einen definierten Abstand voneinander auf und sind alternierend an den Plus- bzw. Minus-Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen. Vorzugsweise wird hiefür eine Hochspannungsquelle verwendet. Als Katalysator werden Doppelt- und Mehrfachoxidsysteme bzw. ein Kobalt-Perowskit und ein oder mehrere Fischer-Tropsch-Katalysatoren verwendet.
Anstelle dieser Vorrichtung können auch mehrere ringförmige Elektroden verwendet werden, die in definiertem Abstand voneinander angeordnet sind. Zwischen jeweils zwei ringförmigen Elektroden ist eine ringförmige Katalysatorfläche angeordnet. Die ringförmigen Elektroden sind wiederum alternierend an den Plus- bzw. Minuspol einer Gleichspannungsquelle, vorzugsweise einer Hochspannungsquelle angeschlossen. Das zu reinigende Gas wird durch den von den Elektroden und den zylinderförmigen Katalysatorflächen gebildeten Zylinder hindurchgeleitet.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann auch durch einen nicht elektrisch leitenden Katalysator gebildet werden, der zylinderförmig ausgebildet und von einem ebenfalls zylinderförmig ausgebildeten metallischen Gehäuse umgeben wird, das eng an den Außenflächen des Katalysators anliegt. Auf die Innenflächen des Katalysators sind ringförmige Elektroden in definiertem Abstand voneinander angeordnet. Für die Durchführung des Verfahrens wird an die Elektroden und das metallische Gehäuse eine Wechselspannung hoher Frequenz angelegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein zylinderförmiger Katalysator vorgesehen, in dessen Innenbereich UV-Strahler angeordnet sind, deren Längsachsen zur Längsachse des Katalysators parallel verlaufen. Durch den Innenbereich des Katalysators wird das zu reinigende Gas geleitet.
Anstelle eines zylinderförmigen Katalysators können auch zwei als ebene Flächen ausgebildete Katalysatoren verwendet werden, die in definiertem Abstand voneinander angeordnet sind. Zwischen diesen beiden Flächen sind ebenfalls UV-Strahler angeordnet. Das zu reinigende Gas wird zwischen diesen beiden Flächen hindurchgeleitet. Beide Ausführungsformen sind durch ein Gehäuse nach außenhin so begrenzt, daß nur Ein- und Austrittsöffnungen für das Gas offen bleiben.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen,
Fig. 2 eine Variante der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform,
Fig. 3 eine Vorrichtung mit UV-Strahlern,
Fig. 4 eine Vorrichtung mit Katalysatoren, die als ebene Flächen ausgebildet sind.
Die in Fig. 1 dagestellte Vorrichtung umfaßt im wesentlichen ein zylinderförmiges Gehäuse 2, Elektroden 3 und einen Katalysator 4. Das Gehäuse 2 ist zylinderförmig ausgebildet und aus einem korrosionsbeständigen jedoch elektrisch nicht leitenden Material gefertigt. An seinen beiden Stirnflächen 2 A, 2 E ist das Gehäuse 2 offen. Eine Öffnung 2 E dient als Eintritt für das zu reinigende Gas, während das gereinigte Gas und die dabei gebildeten Reaktionsprodukte aus der zweiten Öffnung 2 A austreten. Der Katalysator 4 ist als Zylinder ausgebildet. Seine Abmessungen sind so gewählt, daß seine Außenfläche eng an der Innenfläche des Gehäuses 2 anliegt. Der Katalysator 4 kann beispielsweise durch Beschichtung der Innenfläche des Gehäuses mit dem entsprechenden Katalysatormaterial ausgebildet werden. Für die Herstellung des Katalysators werden vorzugsweise Doppel- und Mehrfachoxidsysteme verwendet. Kobalt-Perowskit kann zusammen mit verschiedenen Fischer-Tropsch-Katalysatoren ebenfalls zur Ausbildung von Katalysatoren verwendet werden. Als Doppeloxidsysteme sind beispielsweise Zink- und Cromoxid bzw. Eisen und Siliziumoxid geeignet. Als Dreifachoxidsystem kommt beispielsweise Nickeloxid, Molybdänoxid und Gammaaluminiumoxid in Frage. Kupferoxid, Nickeloxid und Aluminiumoid können ebenfalls verwendet werden. Auf der Innenfläche des Katalysators 4 sind Elektroden 3 angeordnet, die als Ringe ausgebildet sind. Die Elektroden 3 sind in definiertem Abstand untereinander angeordnet. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elektroden 3 mm. Die Elektroden sind aus einem gut leitenden Material gefertigt. Die sie bildenden Ringe weisen eine Höhe von 0,05 mm auf. Die Elektroden 3 sind alternierend an den Pluspol 6 P bzw. den Minuspol 6M einer Hochspannungsquelle angeschlossen.
An Stelle eines Gehäuses 2 aus einem nichtleitenden Material, kann auch ein Gehäuse 2 aus einem leitenden Material verwendet werden. in diesem Fall wird für die Herstellung des Katalysators ein nichtleitendes Material verwendet. Die Elektroden 3 und das Gehäuse 2 werden dann zur Ausbildung eines elektrischen Feldes an eine Wechselspannungsquelle (hier nicht dargestellt) angeschlossen.
Das zu reinigende Abgas wird in die Öffnung 2 E eingeleitet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Querschnitt der Öffnung 2 E 2 cm². Das zu reinigende Abgas strömt mit einer Raumgeschwindigkeit von 6000/h in die Öffnung 2 E des Gehäuses 2 ein. Der Anteil an NO x -Molekülen an diesem ungereinigten Abgas beträgt 1000 ppm No x -Moleküle. Das aus der Öffnung 2 A austretende gereinigte Abgas enthält nur noch 100 ppm NO x -Moleküle. Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung wird nach außenhin ebenfalls durch ein Gehäuse 2 begrenzt. Dieses ist ebenfalls zylinderförmig ausgebildet und aus einem elektrisch nicht leitenden Material gefertigt, welches korrosionsbeständige Eigenschaften besitzt. Die erste Öffnung 2 E des Gehäuses dient als Einlaß für das zu reinigende Gas, während die zweite Öffnung 2 A als Austritt für das gereinigte Gas dient. Im Inneren des Gehäuses 2 sind Elektroden 3 in definiertem Abstand zueinander angeordnet. Die Elektroden 3 sind als Ringe ausgebildet, deren Abmessungen so gewählt sind, daß sie direkt an die Innenfläche des Gehäuses 2 angrenzen. Die Elektroden 3 können beispielsweise durch Aufdampfen auf die Innenfläche des Gehäuses 2 gebildet werden. Der Abstand zwischen den Elektroden beträgt wiederum 3 mm. Zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgende Elektroden 3 ist ein als Zylinder ausgebildeter Katalysator 4 angeordnet. Die Abmessungen der Katalysatoren 4 sind so bemessen, daß ihre Außenflächen direkt an der Innenfläche des Gehäuses 2 anliegen. Gleichzeitig schließt jeder Katalysator 4 bündig an zwei Elektroden 3 an. Erfindungsgemäß können die zylinderförmig ausgebildeten Katalysatoren 4 ebenfalls auf die Innenfläche des Gehäuses 2 aufgedampft bzw. aufgesprüht werden.
Ebenso wie bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung sind die Elektroden 3 alternierend an den Minuspol 6 M bzw. den Pulspol 6 P einer Gleichspannungsquelle, insbesondere an eine Hochspannungsquelle, angeschlossen.
Fig. 3 zeigt eine Variante der für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbaren Vorrichtung. Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung 1 wird nach außenhin wiederum durch ein zylinderförmiges Gehäuse 2 begrenzt, das aus einem elektrisch leitenden oder nichtleitenden Material gefertigt ist, welches gegen Korrosion, insbesondere gegen die schädliche Einwirkung der in dem zu reinigenden Abgas enthaltenden Stoffe beständig ist. Über die Öffnung 2 E des Gehäuses 2 wird das zu reinigende Abgas in das Innere des Gehäuses eingeleitet. Das gereinigte Gas tritt über die Öffnung 2 A aus dem Gehäuse aus. Im Inneren des Gehäuses 2 ist ein Katalysator 4 angeordnet, der zylinderförmig ausgebildet ist. Der Katalysator 4 ist aus dem gleichen Material gefertigt, wie der in Fig. 1 dargestellte und die in der zugehörigen Beschreibung erläuterte Katalysator 4. Erfindungsgemäß kann der Katalysator 4 durch Aufsprühen oder Aufdampfen des für seine Herstellung bestimmten Materials auf die Innenfläche des Gehäuses 2 gebildet werden. Andererseits besteht auch die Möglichkeit, den Katalysator vorzufertigen und in das Gehäuse 2 einzusetzen. In diesem Fall sind seine Abmessungen so zu wählen, daß seine Außenfläche direkt an der Innenfläche des Gehäuses 2 anliegt. Im Inneren des Katalysators 3 sind eine Vielzahl von UV- Strahlern 7 installiert. Vorzugsweise sind die UV-Strahler ringförmig in einem geringen Abstand von der Oberfläche des Katalysators 4 angeordnet. Die UV-Strahler 7 sind so positioniert, daß ihre Längsachsen parallel zur Längsachse des zylinderförmigen Katalysators 4 verläuft. Erfindungsgemäß werden Hochleistungs-UV-Strahler verwendet, die für die 254 nm-Quecksilber-Resonanzlinie einen Wirkungsgrad von . . .=30 bis 50% erreichen. Die Photonenenergie bei 254 nm Wellenlänge beträgt 4,9 eV. Von jedem Photon werden aus der Oberfläche des Katalysators etwa 0,25 Elektronen herausgelöst. Wird davon ausgegangen, daß pro Elektron n×NO-Moleküle in N₂- und O₂-Moleküle umgewandelt werden, so berechnet sich der Energieaufwand pro vernichtetes NO-Molekül gemäß nachfolgender Gleichung:
4,90 eV/(η · n γ) = 7,84×10-19 Ws/(η · n · γ)
Bei einem 100 MW-Kraftwerk erfolgt ein Rauchgasausstoß von etwa 300 000 m³/h, wobei das Rauchgas etwa 1000 ppn NO-Moleküle enthält. Das entspricht einem NO-Molekül- Ausstoß von 2×10+24 Molekülen pro Sekunde. Die Leistung, welche für die Reinigung dieses Abgases mit Hilfe von UV-Strahlern erforderlich ist, errechnet sich gemäß nachfolgender Gleichung:
7,84×10-19/(η · n · q)×2×10+24=ρ W=1,6/(η · n · γ) MW
Werden für η=40%, n=20, q=0,25 eingesetzt, so ergibt sich aus der obigen Gleichung ein Wert von 0,8 MW oder anders ausgedrückt weniger als 1% der Kraftwerksleistung. Die heute erhältlichen UV-Hochleistungsstrahler geben etwa 1 W UV-Strahlung pro cm Länge ab. Bei einer Lampenlänge von 3 m benötigt man 0,8 MW UV-Leistung. Für die Reinigung der obengenannten Rauchgasmenge eines 100 MW-Kraftwerks sind etwa 2700 UV-Strahler erforderlich. Das Verfahren zur Reinigung des Abgases beruht auf der Beseitigung der im Abgas enthaltenen NO-Moleküle mit Hilfe von Elektronen. An der Oberfläche des Katalysators werden NO-Moleküle adsobiert. In dem zu reinigenden Gas, welches durch das Gehäuse 2 strömt, sind freie NO- Moleküle enthalten. Mit Hilfe der Elektronen, welche durch die UV-Strahler bzw. das elektrische Feld erzeugt werden, erfolgt eine Umwandlung eines Teils dieser freien und adsorbierten Moleküle, wobei NO x -Ionen gebildet werden. Diese Ionen wiederum reagieren mit freien und adsorbierten NO-Molekülen unter Abgabe von Elektronen zu Stickstoff und Sauerstoff. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Tatsache aus, daß die NO-Moleküle bei Temperaturen unter 400°C thermodynamisch instabiler sind als Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle. Mit Hilfe des Katalysators wird die Bindungsenergie der NO-Moleküle auf einen Wert herabgesetzt, der kleiner als 5 eV ist. Hierdurch wird sichergestellt, daß bei der Beseitigung der NO x -Moleküle nicht zusätzlich Energie zur Spaltung von Abgasbestandteilen wie Sauerstoff und Wasser verlorengeht.
Fig. 4 zeigt eine Variante der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung. Der Unterschied zwischen beiden Vorrichtungen 1 bestehen darin, daß bei der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung zwei als ebene Flächen ausgebildete Katalysatoren 4 vorgesehen sind. Die beiden Katalysatoren 4 sind in einem definierten Abstand voneinander angeordnet, der vorzugsweise 2 cm beträgt. Zwischen diesen beiden Katalysatoren 4 sind UV-Strahler 7 angeordnet. Vorzugsweise sind die Strahler in der Nähe der beiden Katalysatoroberflächen 4 positioniert. Die Längsachsen der UV-Strahler verlaufen parallel zur Längsachse der Katalysatoren 4. Die gesamte Anordnung wird von einem quaderförmigen Gehäuse 2 nach außen begrenzt. An zwei gegenüberliegenden Seiten ist der das Gehäuse 2 bildende Quader offen. Vorzugsweise sind es die beiden Begrenzungsflächen, die senkrecht zu den Längsachsen der UV-Strahler 7 angeordnet sind. Diese Öffnungen dienen als Ein- und Austrittsöffnung des Gases. Das zu reinigende Abgas wird über die dargestellte Öffnung 2 E in das Innere des Gehäuses 2 eingeleitet und dort gereinigt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Reinigung von NO x -haltigen Abgasen aus Verbrennungsanlagen und Verbrennungsmotoren mit wenigstens einem Katalysator (1), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Entladung wenigstens die Oberfläche des Katalysators (4) der Einwirkung eines elektrischen Feldes oder der Bestrahlung durch Licht ausgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Katalysators (4) mit UV- Licht bestrahlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Katalysators (4) dem elektrischen Feld einer Gleich- oder einer Wechselspannungsquelle ausgesetzt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit wenigstens zwei Elektroden (3) und mindestens einem Katalysator (4), die von einem Gehäuse (2) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3) in definiertem Abstand voneinander auf einem flächig ausgebildeten Katalysator (4) installiert oder durch einen solchen Katalysator (4) voneinander getrennt angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (4) als Zylinder ausgebildet und die als Ringe geformten Elektroden (3) auf seiner Innenfläche angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere als Zylinder ausgebildete Katalysatoren (4) vorgesehen und jeweils ein Katalysator (4) zwischen zwei als Ringe ausgebildeten Elektroden (3) angeordnet ist, und daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Elektroden (3) 3 mm und die Höhe der Elektroden (3) beträgt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zylinderförmige Katalysator (4) aus einem dielektrischen Material gefertigt und zwischen dem Gehäuse (2), das aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist, und den Elektroden (3) eine hochfrequente Wechselspannung gelegt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) aus einem dielektrischen Material gefertigt und die Elektroden (3) alternierend an den Minuspol (6 M) und den Pluspol (6 P) einer Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (4) zylinderförmig ausgebildet und in seinem Innenbereich UV-Strahler (7) angeordnet sind.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei als ebene Flächen ausgebildete Katalysatoren (4) in definiertem Abstand deckungsgleich angeordnet sind, und daß zwischen den beiden Katalysatoren (4) UV-Strahler (7) installiert sind.
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