DE3728557C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verteilung von Ammoniak in einem heißen, NO X -haltigen Gasstrom. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for distributing ammonia in a hot, NO x -containing gas stream. The invention also relates to a device for carrying out the method.
Aus den Veröffentlichtungen BWK, Bd. 39 (1987), Nr. 3 - März, Seiten 93 ff., insbesondere Seite 97 und VGB Kraftwerkstechnik 67, Heft 3 - März 1987, Seiten 245 ff., insbesondere Seiten 247 und 248 ist bekannt, daß beim Einbringen von vergleichsweise geringen Mengen Ammoniak in einen großen Gasstrom ungleichmäßige Ammoniak-Konzentrationen im Gasstrom auftreten. Diese Erscheinung tritt besonders bei Ammoniak-Konzentrationen von 300 bis 5000 ppmv auf. Bei katalytischen Prozessen, wie beispielsweise der selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, verringert sich dabei der Umsatz oder es treten Ammoniak-Durchbrüche auf. From the publications BWK, Vol. 39 (1987), No. 3 - March, Pages 93 ff., In particular page 97 and VGB Kraftwerkstechnik 67, Issue 3 - March 1987, pages 245 ff., Especially pages 247 and 248 it is known that when introducing comparatively uneven small amounts of ammonia in a large gas stream Ammonia concentrations occur in the gas stream. These Appearance occurs especially at ammonia concentrations of 300 up to 5000 ppmv. In catalytic processes such as for example the selective, catalytic reduction of Nitrogen oxides, the turnover decreases or it occurs Ammonia breakthroughs.
Um die Verteilung von Ammoniak im Gasstrom zu verbessern, wurde vorgeschlagen, flüssiges Ammoniak zunächst in den gasförmigen Aggregatszustand zu überführen und dieses gasförmige Ammoniak dann in den Gasstrom einzuleiten. Da das Volumen des Ammoniaks im gasförmigen Aggregatszustand erheblich größer als im flüssigen Aggregatszustand ist, ist eine gleichmäßigere Verteilung im Gasstrom erreicht. Nachteilig ist dabei jedoch, daß das Ammoniak zunächst unter Energieeinsatz verdampft werden muß und anschließend über aufwendige, für den Transport des gasförmigen Ammoniaks geeignete großvolumige Verteilereinrichtungen, wie Brausen, statische Mischer, dem Gasstrom zugeführt werden muß. Solche Verteilereinrichtungen führen auch zu einem erhöhten Druckverlust des Gasstroms.To improve the distribution of ammonia in the gas stream, was suggested liquid ammonia first in the gaseous Transfer state of matter and this gaseous ammonia then initiate into the gas stream. Since the volume of ammonia in the gaseous state of matter considerably larger than in the liquid Physical state, is a more even distribution in the Gas flow reached. The disadvantage, however, is that the ammonia must first be evaporated using energy and then over elaborate, for the transport of the gaseous Ammoniaks suitable large volume distribution facilities, such as Showers, static mixers to which gas flow must be supplied. Such distribution devices also lead to an increased Pressure drop in the gas flow.
Um die Verteilung geringer Ammoniakmengen in einem großen Gasstrom zu verbessern, wurde auch vorgeschlagen, gasförmiges Ammoniak mit leicht verdichteter Luft im Verhältnis 1 : 20 bis 1 : 25 zu mischen. Auch damit läßt sich das zu verteilende Volumen vergrößern. Es treten jedoch ebenfalls die oben genannten Nachteile auf. Außerdem muß die für die Mischung vorgesehene Luft komprimiert und statisch mit dem Ammoniak vermischt werden.To distribute small amounts of ammonia in a large Improving gas flow has also been suggested to be gaseous Ammonia with slightly compressed air in a ratio of 1:20 to 1:25 to mix. This also allows the volume to be distributed enlarge. However, the above also occur Disadvantages. In addition, the air intended for the mixture must compressed and mixed statically with the ammonia.
Es besteht auch die Möglichkeit, durch Zusetzen von Wasser zu Ammoniak die Verteilung im Gasstrom zu verbessern. Es kann mit Ammoniak-Wassermischungen im Verhältnis 1 : 3 bis 1 : 4 gearbeitet werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß vergleichsweise viel Wasser als Ballast zu transportieren ist und entsprechend aufwendige Lager für das Ammoniak-Wassergemisch vorgesehen sein müssen. Außerdem wird die Energie zur Verdampfung des Wassers dem Gasstrom entzogen.There is also the option of adding water Ammonia to improve the distribution in the gas stream. It can with Ammonia-water mixtures worked in a ratio of 1: 3 to 1: 4 will. The disadvantage of this method is that it is comparatively much water is to be transported as ballast and accordingly elaborate bearings for the ammonia-water mixture can be provided have to. In addition, the energy to evaporate the water is the Gas flow withdrawn.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, durch das auf einfache Weise eine gleichmäßige Verteilung von Ammoniak im Gasstrom erreicht wird. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung vorzuschlagen.The object of the invention is a method of the beginning to propose the type mentioned, through the simple way a uniform distribution of ammonia in the gas stream is achieved. It is a further object of the invention to provide a corresponding one Propose device.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Ammoniak in flüssigem Aggregatzustand direkt in den heißen Gasstrom eingedüst wird.According to the invention, the above object is in a method of initially mentioned type in that the ammonia in liquid state is injected directly into the hot gas stream becomes.
Es hat sich gezeigt, daß bei einer solchen direkten Eindüsung des flüssigen, weder mit Luft noch mit Wasser gemischten Ammoniaks, dieses spontan im Gasstrom selbst verdampft. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung und somit gleichmäßige Konzentration des Ammoniaks im Gasstrom erreicht.It has been shown that with such a direct injection of the liquid ammonia mixed with neither air nor water, this evaporates spontaneously in the gas stream itself. This will make one even distribution and thus even concentration of Ammoniaks in the gas stream reached.
Mit dem beschriebenen Verfahren ist eine gleichmäßige Ammoniakverteilung auch dann zu erreichen, wenn die Ammoniak-Konzentration im Gasstrom vergleichsweise niedriger sein soll, also etwa in der Größenordnung von 300 bis 1500 ppmv liegt. Dies ist beispielsweise vor SCR-Prozessen der Fall, die aufgrund der vergleichsweise niedrigen NO X -Konzentration eine entsprechend niedrige Ammoniak-Konzentration erforderlich machen. Die Verteilung des Ammoniaks im Gasstrom läßt sich weiter dadurch verbessern, daß das Ammoniak mit einem Druck zwischen 2 bis 50 bar in den heißen Gasstrom eingedüst wird. Es wird dadurch eine besonders feine Zerstäubung des flüssigen Ammoniaks erreicht, die die Verdampfung unterstützt. With the described method, a uniform ammonia distribution can also be achieved if the ammonia concentration in the gas stream is to be comparatively lower, that is to say in the order of magnitude of 300 to 1500 ppmv. This is the case, for example, before SCR processes, which make a correspondingly low ammonia concentration necessary due to the comparatively low NO x concentration. The distribution of the ammonia in the gas stream can be further improved by injecting the ammonia into the hot gas stream at a pressure between 2 and 50 bar. A particularly fine atomization of the liquid ammonia is thereby achieved, which supports the evaporation.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß in einem vom Gasstrom durchströmten Reaktor eine Düsenanordnung angeordnet ist. Um zu verhindern, daß das Ammoniak bereits in der Düsenanordnung verdampft, weist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung die Düsenanordnung ein Wärmeschutzrohr auf, der einen Düsenstock der Düsenanordnung umschließt.A device for performing the method is distinguished characterized in that in a reactor through which the gas stream flows Nozzle arrangement is arranged. To prevent the ammonia already evaporated in the nozzle arrangement, preferably has Embodiment of the invention, the nozzle arrangement Heat protection tube on the one nozzle assembly of the nozzle arrangement encloses.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen: Further advantageous embodiments of the invention result from the dependent claims and the following description of Embodiments. The drawing shows:
Fig. 1 eine schematische Ansicht der Vorrichtung zum Eindüsen von Ammoniak, Fig. 1 is a schematic view of the apparatus for injecting ammonia,
Fig. 2 bis 5 verschiedene Düsenanordnungen in Seitenansicht, und Fig. 2 to 5 different nozzle arrangements in side view, and
Fig. 6 bis 11 verschiedene Düsenanordnungen in Aufsicht. FIGS. 6 to 11 different nozzle arrangements in plan view.
In den Fig. sind die Sprühkegel der Düsenanordnungen strichpunktiert dargestellt.In the figures are the spray cones of the nozzle arrangements shown in dash-dotted lines.
In einem Reaktor 1 ist eine Düsenanordnung 2 angeordnet, die einen oder mehrere Düsenstücke 3 aufweist, welche jeweils von einem Wärmeschutzrohr 4 umschlossen sind.In a reactor 1 , a nozzle arrangement 2 is arranged, which has one or more nozzle pieces 3 , each of which is surrounded by a heat protection tube 4 .
Die Düsenanordnung 2 ist über eine Leitung 5 und eine Pumpe 6 an einen Behälter 7 mit flüssigem Ammoniak angeschlossen. Die Pumpe 6 ist eine Membranpumpe oder eine Kreiselpumpe, beispielsweise eine Magnetpumpe. Insbesondere handelt es sich um eine Dosierpumpe, mit der sich auch kleine Mengen auch bei hohen Drücken fördern lassen und bei der eine genaue Mengendosierung erreicht ist. The nozzle arrangement 2 is connected via a line 5 and a pump 6 to a container 7 with liquid ammonia. The pump 6 is a diaphragm pump or a centrifugal pump, for example a magnetic pump. In particular, it is a metering pump with which even small quantities can be conveyed even at high pressures and with which an exact quantity metering is achieved.
An der Leitung 5 ist ein Überströmventil 8 angeordnet, das in den Reaktor 1 mündet. Außerdem liegt in der Leitung 5 ein Stellventil 9, das über einen die Temperatur im Reaktor 1 erfassenden Temperaturregler 10 oder extern zu steuern ist. Außerdem ist zwischen der Leitung 5 und dem Behälter 7 eine Bypaßleitung 11 vorgesehen.An overflow valve 8 is arranged on the line 5 , which opens into the reactor 1 . In addition, there is a control valve 9 in line 5 , which is to be controlled via an external temperature controller 10 which detects the temperature in reactor 1 . In addition, a bypass line 11 is provided between the line 5 and the container 7 .
Die Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung ist etwa folgende:The operation of the device described is approximately the following:
Mittels der Pumpe 6 wird flüssiges Ammoniak aus dem Behälter 7 mit einem Druck zwischen 5 bar und 30 bar zu der Düsenanordnung 2 gefördert. Der Druck hängt dabei auch vom im Reaktor 1 herrschenden Druck ab.By means of the pump 6 , liquid ammonia is conveyed from the container 7 to the nozzle arrangement 2 at a pressure between 5 bar and 30 bar. The pressure also depends on the pressure prevailing in the reactor 1 .
Durch den Reaktor 1 strömt ein heißer Gasstrom 12, dessen Temperatur beispielsweise zwischen 250°C und 450°C liegt. Über die Düsen bzw. die Düsen 13 des Düsenstocks 3 wird das flüssige Ammoniak in den Gasstrom 12 eingesprüht. Der sich einstellende Sprühkegel ist mit 14 bezeichnet. Das eingedüste flüssige Ammoniak verdampft unter der Wirkung des heißen Gasstromes 12 praktisch schlagartig. Es verteilt sich damit gleichmäßig über den Querschnitt des Gasstroms 12.A hot gas stream 12 flows through the reactor 1 , the temperature of which is, for example, between 250 ° C. and 450 ° C. The liquid ammonia is sprayed into the gas stream 12 via the nozzles or the nozzles 13 of the nozzle assembly 3 . The resulting spray cone is designated 14 . The injected liquid ammonia evaporates suddenly under the action of the hot gas stream 12 . It is thus distributed evenly over the cross section of the gas stream 12 .
Das Wärmeschutzrohr 4 schützt den Düsenstock 3 gegenüber der Wärme des heißen Gasstroms 12, so daß im Düsenstock 3 selbst das flüssige Ammoniak noch nicht verdampft. The heat protection tube 4 protects the nozzle assembly 3 against the heat of the hot gas stream 12 , so that even the liquid ammonia does not yet evaporate in the nozzle assembly 3 .
Beim Absperren des Ammoniakflusses in der Leitung 5 mittels des Stellventils 9 läßt sich kaum vermeiden, daß das Ammoniak Gasblasen bildet. Das Überströmventil 8 stellt sicher, daß beim erneuten Wiedereinschalten des Ammoniakflusses die Gasblasen unter Umgehung der Düsenanordnung 2 direkt in den Reaktor 1 gelangen. Es ist damit gewährleistet, daß nach dem Einschalten des Ammoniakflusses sehr schnell die gewünschte Zerstäubung des flüssigen Ammoniaks an den Düsen 13 erfolgt.When the ammonia flow in the line 5 is shut off by means of the control valve 9 , it can hardly be avoided that the ammonia forms gas bubbles. The overflow valve 8 ensures that when the ammonia flow is switched on again, the gas bubbles get directly into the reactor 1 bypassing the nozzle arrangement 2 . This ensures that the desired atomization of the liquid ammonia takes place very quickly at the nozzles 13 after the ammonia flow has been switched on.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der Innenraum 15 des Wärmeschutzrohres 4, in dem der Düsenstock 3 verläuft, über Öffnungen 16, 17 einer Flanschplatte 18 mit der Umgebungsluft verbunden. Dadurch erfolgt eine natürliche Belüftung des Innenraums 15, wodurch eine Kühlung des Düsenstocks 3 erreicht ist.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the interior 15 of the heat protection tube 4 , in which the nozzle assembly 3 extends, is connected to the ambient air via openings 16 , 17 of a flange plate 18 . This results in a natural ventilation of the interior 15 , whereby cooling of the nozzle assembly 3 is achieved.
Die Düsenanordnung nach den Fig. 1, 2 und 6 ist für Reaktoren mit Kreisquerschnitt vorgesehen. Die Düse 13 ist in der Mitte des Kreisquerschnittes angeordnet.The nozzle arrangement according to FIGS . 1, 2 and 6 is intended for reactors with a circular cross section. The nozzle 13 is arranged in the middle of the circular cross section.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist an den Innenraum 15 des Wärmeschutzrohres 4 eine Druckluftleitung 19 angeschlossen. Der Innenraum 15 wird hierdurch zwangsbelüftet. In the embodiment according Fig. 3 of the heat insulation pipe 4 is connected a compressed air line 19 to the interior 15. The interior 15 is thereby forced-ventilated.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind am Düsenstock 3 zwei Düsen 13 angeordnet. Sind zwei solche Düsenstöcke nebeneinander vorgesehen (vgl. Fig. 7), dann ergibt sich das in Fig. 7 dargestellte Sprühbild, wobei sich die Sprühkegel der vier Düsen 13 rosettenförmig überlagern. Eine solche Düsenanordnung ist für quadratische oder rechteckige Reaktorquerschnitte geeignet.In the embodiment according Fig. 3, two nozzles 13 are arranged on the nozzle assembly 3. If two such nozzle assemblies are provided next to one another (cf. FIG. 7), then the spray pattern shown in FIG. 7 results, the spray cones of the four nozzles 13 being superimposed in a rosette shape. Such a nozzle arrangement is suitable for square or rectangular reactor cross sections.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist das Wärmeschutzrohr 4 durch die der Flanschplatte 18 gegenüberliegende Wandung des Reaktors 1 hindurchgeführt. Es ist dort mittels einer Stopfbuchse 20 befestigt. Außerhalb der Stopfbuchse 20 ist das Wärmeschutzrohr 4 offen, so daß Kühlluft von der Öffnung 16 durch das Wärmeschutzrohr 4 hindurchzieht. Am Düsenstock 3 sind mehrere Düsen 13 angeordnet. Das Wärmeschutzrohr 4 stützt gleichzeitig den Düsenstock 3.In the embodiment of Fig. 4, the heat insulation pipe 4 is passed through the flange 18 of the opposite wall of the reactor 1. It is fastened there by means of a stuffing box 20 . Outside the stuffing box 20 , the heat protection tube 4 is open, so that cooling air from the opening 16 passes through the heat protection tube 4 . A plurality of nozzles 13 are arranged on the nozzle assembly 3 . The heat protection tube 4 also supports the nozzle assembly 3 .
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, bei dem das Wärmeschutzrohr 4 wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 befestigt ist, ist der Düsenstock 3 beidseitig durch das Wärmeschutzrohr 4 geführt. Der Düsenstock 3 ist beidseitig an die Leitung 5 angeschlossen. Diese Anordnung eignet sich besonders für solche Fälle, in denen am Düsenstock 3 sehr viele Düsen vorgesehen sind. In the embodiment of Fig. 5, in which the thermal protection tube 4 is attached as in the embodiment of Fig. 4, the nozzle 3 is guided on both sides by the thermal insulation pipe 4. The nozzle assembly 3 is connected to the line 5 on both sides. This arrangement is particularly suitable for those cases in which a large number of nozzles are provided on the nozzle assembly 3 .
Bei der Ausführung nach Fig. 5 sind mehrere Wärmeschutzrohre 4 mit Düsenstöcken 3 parallel nebeneinander angeordnet. Außerdem sind weitere Wärmeschutzrohre 4 mit Düsenstöcken 3 vorgesehen, die die erstgenannten Wärmeschutzrohre 4 kreuzen (vgl. Fig. 11).In the embodiment according to FIG. 5, a plurality of heat protection tubes 4 with nozzle sticks 3 are arranged in parallel next to one another. In addition, further heat protection tubes 4 are provided with nozzle assemblies 3 , which cross the first-mentioned heat protection tubes 4 (cf. FIG. 11).
Bei der Anordnung nach Fig. 8 weist die Düsenanordnung vier Düsenstöcke 3 auf, die beispielsweise entsprechend Fig. 3 gestaltet sind. Die Düsenstöcke 3 sind wechselweise an den beiden gegenüberliegenden Seiten des Reaktors 1 angeschlossen.In the arrangement according to FIG. 8, the nozzle arrangement has four nozzle blocks 3 , which are designed, for example, according to FIG. 3. The nozzle assemblies 3 are alternately connected to the two opposite sides of the reactor 1 .
Bei der Düsenanordnung nach Fig. 9 sind zwei vergleichsweise lange Düsenstöcke 3 vorgesehen. Diese sind entsprechend Fig. 5 jeweils an beiden Seiten des Reaktors 1 an die Leitung 5 angeschlossen.In the nozzle arrangement according to FIG. 9, two comparatively long nozzle blocks 3 are provided. These 5 are each connected in accordance with Fig. On both sides of the reactor 1 to the line 5.
Die Düsenanordnung nach Fig. 10 ist der der Fig. 9 ähnlich. Jedoch sind hier die Düsen 13 der Düsenstöcke 3 schräggestellt, so daß sich im Reaktorquerschnitt entsprechend elliptische Sprühkegelquerschnitte einstellen.The nozzle assembly of FIG. 10 is similar to that of Fig. 9. However, the nozzles 13 of the nozzle assemblies 3 are inclined here, so that elliptical spray cone cross sections are set in the reactor cross section.
Die gezeigten Reaktorquerschnitte sind rund oder rechteckig. Es lassen sich jedoch auch sechs- oder achteckige Reaktorquerschnitte vorsehen. Anstelle der gezeigten Rundstrahldüsen können auch andere Düsenformen, wie beispielsweise Flachstrahldüsen, verwendet werden. The reactor cross sections shown are round or rectangular. However, it can also be hexagonal or octagonal Provide reactor cross sections. Instead of the shown Round jet nozzles can also have other nozzle shapes, such as for example, flat jet nozzles can be used.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen liegt die Düsenaustrittsrichtung in Richtung des Gasstroms 12. Die Anordnung kann jedoch auch so getroffen werden, daß die Düsenaustrittsrichtung im Gegenstrom zum Gasstrom liegt.In the exemplary embodiments described, the nozzle exit direction is in the direction of the gas flow 12 . However, the arrangement can also be made such that the nozzle exit direction is countercurrent to the gas flow.
Da flüssiges Ammoniak produktionsbedingt geringe Verschmutzungen enthält, können nach längerem Betrieb die Düsen 13 verstopfen. Die Düsen 13 sind deshalb zu Reinigungszwecken auswechselbar.Since liquid ammonia contains low levels of contamination due to production, the nozzles 13 can become blocked after prolonged operation. The nozzles 13 are therefore interchangeable for cleaning purposes.
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