WO2000003795A1 - Statischer mischer - Google Patents

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exhaust gas
static mixer
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mesh
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Inventor
Ingo Ganzmann
Ralf Sigling
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/88—Handling or mounting catalysts
    • B01D53/885—Devices in general for catalytic purification of waste gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/45—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads
    • B01F25/452—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads characterised by elements provided with orifices or interstitial spaces
    • B01F25/4523—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads characterised by elements provided with orifices or interstitial spaces the components being pressed through sieves, screens or meshes which obstruct the whole diameter of the tube

Definitions

  • the invention relates to a static mixer in the flow channel of an exhaust gas cleaning system of a large combustion system, in particular a combined gas and steam turbine system.
  • a large combustion plant is, for example, a coal, oil or gas-fired power plant, a boiler plant or a waste incineration plant.
  • the exhaust gases generated when fossil fuel or organic materials are burned contain pollutants that should not be released into the environment. Therefore, a large combustion system includes an exhaust gas purification system.
  • Such an exhaust gas purification system removes, for example, nitrogen oxides by the selective catalytic reduction (SCR) method, hydrocarbons, carbon monoxide and / or dioxins from the exhaust gas.
  • SCR selective catalytic reduction
  • hydrocarbons, carbon monoxide and / or dioxins from the exhaust gas.
  • the nitrogen oxides are converted to water and molecular nitrogen together with a reducing agent, usually ammonia, which is introduced into the exhaust gas.
  • ammonia the use of urea, which is decomposed into ammonia in the exhaust gas, is also known.
  • the reducing agent is introduced into the exhaust gas stream upstream of the catalytic converter. This is done by a large number of nozzles of an injection grille which extends over the entire cross section of the flow channel of the exhaust gas cleaning system.
  • a static mixer is usually used, as is known, for example, from DE 43 13 393 AI.
  • the known static mixer already delivers a satisfactory result with regard to a homogeneous mixture of the reducing agent with the exhaust gas.
  • he is relatively expensive to manufacture and assemble.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a static mixer in the flow channel of an exhaust gas cleaning system which is both inexpensive to manufacture and easy to assemble.
  • the expanded mesh can consist of plastic or metal, the latter also being referred to as expanded metal.
  • expanded metal is described, for example, in the company brochure "Stretching Makes Larger, Expanded Mesh” from Ernst Sorst & Co., Hanover (DE) and is commercially available in a wide variety of designs.
  • DE 32 08 634 C discloses an expanded metal sheet use as a carrier for a catalytic substance in the manufacture of catalyst plates.
  • expanded mesh is equivalent in terms of swirling properties to that of a conventional static mixer.
  • many sharp-edged cut surfaces of the expanded metal ensure good turbulence generation.
  • an expanded metal compared to previously known static mixers is that an expanded metal weighs less than a comparable conventional static mixer. This simplifies the assembly of the static mixer, which reduces the assembly costs. Since expanded metal is a widely used item, it is always available from stock. This eliminates delivery times, which also lowers assembly costs. This is particularly advantageous for repairs where a new static mixer has to be quickly available.
  • the static mixer expediently fills the entire cross section of the flow channel of the exhaust gas cleaning system.
  • This cross section is often 200 m 2 and more in large combustion plants. Therefore, the static mixer is composed kgittern of a number of industrially produced Strec ', which are assembled in modular construction.
  • This static mixer has a free cross-section of 25% to 85% of the cross-sectional area of the flow channel of the exhaust gas cleaning system.
  • the expanded metal preferably forms a plane oriented perpendicular to the direction of flow. Due to the manufacturing process of the expanded metal, the webs of the expanded metal are inclined with respect to this plane. This angle of inclination ⁇ has a decisive influence on the eddy formation and is expediently between 20 ° and 60 °.
  • the expanded mesh can be fine or coarse-meshed, depending on the application. The general rule is that the longer the wake, the larger the stitches are. In a gas and steam turbine plant, the mesh length is expediently between 5 cm and 30 cm and the mesh width between 2 cm and 15 cm.
  • the size of the web width should also be adapted to the operating conditions of the exhaust gas cleaning system.
  • the ratio of mesh length to web width in a gas and steam system is expediently between 1 and 20.
  • the expanded metal mesh is advantageously arranged behind the injection grille, which extends over the cross section of the flow channel, based on the flow direction of the exhaust gas. In this way, the reducing agent injected into the exhaust gas flows together with the exhaust gas through the static mixer and is swirled by the turbulence generated by it.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exhaust gas cleaning system arranged in a waste heat boiler of a gas and steam turbine system
  • FIG. 3 shows a section through the expanded metal from FIG. 2 according to line III-III.
  • the exhaust gas purification system 3 shows the arrangement of the static mixer 1 within the exhaust gas purification system 3 of a gas and steam turbine system.
  • the gas and steam turbine system there are a number of heat exchangers 7 and the exhaust gas purification system 3.
  • the exhaust gas 9 of the combustion system flows from a combustion chamber (not shown) into the waste heat boiler 5. After the exhaust gas 9 has passed a number of heat exchangers 7, it occurs in the flow direction 10 into the exhaust gas purification system 3.
  • the exhaust gas purification system 3 comprises an injection grille 12 which extends over the cross section of the flow channel 11 and has a plurality of nozzles 13 through which the reducing agent is injected into the exhaust gas 9.
  • the reducing agent can be present, for example, in the form of an aqueous solution of urea or as ammonia water.
  • an expanded grille 17 is arranged as a static mixer 8. It is followed by a catalyst composed of a number of catalyst elements 19. Exhaust gas 9 and reducing agent are swirled by the expanded mesh 17 and mix in the free trailing path between expanded mesh 17 and catalyst elements 19 to form a homogeneous gas mixture. As such, it enters the catalytic converter elements 19 in which the nitrogen oxides contained in the exhaust gas 9 are reduced to molecular nitrogen and water. After passing through further heat exchangers 7, the cleaned exhaust gas leaves the waste heat boiler 5 again.
  • the expanded mesh 17 has a number of meshes 23, each delimited by webs 21, through which the exhaust gas flows when the exhaust gas cleaning system is in operation.
  • the effect of mixing the exhaust gas with the reducing agent is determined by the geometry of the expanded metal 17.
  • the geometry of the expanded metal 17 results from the width b of the webs 21, their thickness d, and from the width B and length L of the meshes 23.
  • the width B of the meshes is 4.5 cm, their length L is 10 cm, and that Ratio of mesh length L to web width b is 8.
  • the mesh formed by the mesh free cross-section is about 60% of the cross-sectional area of the flow channel of the exhaust gas cleaning system.
  • FIG. 3 shows a section through the expanded metal from FIG. 2 along the line III-III.
  • the surfaces of the webs 21 of the expanded metal 17 are inclined by the angle ⁇ with respect to the flow direction 10, as a result of which exhaust gas and reducing agent are deflected and swirled in the stream through the expanded metal 17.
  • the angle ⁇ is 25 °.

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Abstract

Es wird als statischer Mischer (11) im Strömungskanal einer Abgasreinigungsanlage (5) einer Verbrennungsgroßanlage, insbesondere einer Gas- und Dampfturbinen-Anlage, ein Streckgitter (17) mit einer Anzahl von zwischen Stegen gebildeten Maschen eingesetzt. Ein Streckgitter (17) ist eine preiswerte und verfügbare Alternative zu einem herkömmlichen statischen Mischer, erfordert hingegen jedoch einen wesentlich geringeren Raumbedarf und eine kürzere (absolute) Nachlaufstrecke. Der statische Mischen ist bevorzugt zwichen einem sich über den Querschnitt des Strömungskanals erstrckenden Eindüsegitter (12) für ein Reduktionsmittel und Katalysatorelementen (19) angeordnet.

Description

Beschreibung
Statischer Mischer
Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer im Strömungskanal einer Abgasreinigungsanlage einer Verbrennungsgroßanlage, insbesondere einer kombinierten Gas- und Dampfturbinen- Anlage.
Eine Verbrennungsgroßanlage ist beispielsweise ein kohle-, öl- oder gasbefeuertes Kraftwerk, eine Kesselanlage oder auch eine Müllverbrennungsanlage. Die bei der Verbrennung von fossilem Brennstoff oder organischen Materialien entstehenden Abgase enthalten Schadstoffe, die nicht in die Umwelt gelan- gen sollen. Daher umfaßt eine Verbrennungsgroßanlage eine Abgasreinigungsanlage. Eine solche Abgasreinigungsanlage entfernt beispielsweise Stickoxide nach dem Verfahren der Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR) , Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und/oder Dioxine aus dem Abgas . Zur Entfernung von Stickoxiden nach dem SCR-Verfahren werden die Stickoxide zusammen mit einem in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittel, in der Regel Ammoniak, an einem Katalysator zu Wasser und molekularem Stickstoff umgesetzt. Anstelle von Ammoniak ist auch die Verwendung von Harnstoff bekannt, welcher im Abgas zu Ammoniak zersetzt wird.
Da die Schadstoffe zusammen mit dem Reduktionsmittel am Katalysator reagieren, wird das Reduktionsmittel vor dem Katalysator in den Abgasstrom eingebracht. Dies geschieht durch ei- ne Vielzahl von Düsen eines Eindüsegitters, welches sich über den gesamten Querschnitt des Strömungskanals der Abgasreinigungsanlage erstreckt. Zur besseren Vermischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas wird üblicherweise ein statischer Mischer eingesetzt, wie er z.B. aus der DE 43 13 393 AI be- kannt ist. Zwar liefert der bekannte statische Mischer bezüglich einer homogenen Mischung des Reduktionsmittel mit dem Abgas bereits ein zufriedenstellendes Ergebnis. Jedoch ist er sowohl in der Herstellung als auch in der Montage relativ teuer .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen stati- sehen Mischer im Strömungskanal einer Abgasreinigungsanlage anzugeben, der sowohl preiswert in der Herstellung als auch einfach zu montieren ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein als statischer Mischer verwendetes Streckgitter gelöst, welches eine Anzahl von zwischen Stegen gebildeten Maschen aufweist.
Das Streckgitrer kann aus Kunststoff oder aus Metall bestehen, wobei letzteres auch als Streckmetall bezeichnet wird. Ein derartiges Streckgitter ist zum Beispiel in dem Firmenprospekt „Strecken macht größer, Streckgitter" der Firma Ernst Sorst & Co., Hannover (DE) beschrieben und in vielfältiger Ausführung im Handel erhältlich. Aus der DE 32 08 634 C ist es bekannt, ein Streckmetallblech als Träger für eine katalytische Substanz bei der Herstellung von Katalysatorplatten einzusetzen.
Es hat sich gezeigt, daß ein Streckgitter, was die Verwirbe- lungseigenschaften angeht, gleichwertig ist, wie ein herkömm- licher statischer Mischer. Besonders die vielen scharfkantigen Schnittflächen des Streckgitters sorgen für eine gute Turbulenzerzeugung.
Um eine optimale Verwirbelung von Reduktionsmittel und Abgas zu erzielen, ist es notwendig, den statischen Mischer in seiner Geometrie an den Katalysator anzupassen. Diese Geometrie ist abhängig von der Anzahl der vorgeschalteten Reduktionsmitteldüsen pro m2 Querschnittsfläche des Strömungskanals, von der sogenannten Nachlaufstrecke zwischen statischem Mi- scher und Katalysator, in der das Abgas mit dem Reduktionsmittel verwirbelt wird, dem Querschnitt der Längskanäle des Katalysators, der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases und weiteren Faktoren. Daher war es bisher nötig, den statische Mischer für jede Abgasreinigungsanlage individuell zu fertigen. Streckgitter hingegen sind in verschiedensten Geometrien und in Zwischengrößen fein abgestuft lagermäßig im Handel vorhanden. Aus diesem Grunde entfällt die individuelle Anfertigung des statischen Mischers, was dessen Herstellung preiswert macht.
Ein weiterer Vorteil eines Streckgitters gegenüber bisher be- kannten statischen Mischern liegt darin, daß ein Streckgitter weniger wiegt als ein vergleichbarer herkömmlicher statischer Mischer. Hierdurch erleichtert sich die Montage des statischen Mischers, was die Montagekosten verringert. Da ein Streckgitter ein vielfältig verwendeter Artikel ist, ist er stets lagerseitig verfügbar. Hierdurch entfallen Lieferzeiten, was ebenfalls die Montagekosten senkt. Dies ist speziell bei Reparaturen, bei denen ein neuer statischer Mischer schnell verfügbar sein muß, von besonderem Vorteil.
Der statische Mischer füllt zweckmäßigerweise den gesamten Querschnitt des Strömungskanals der Abgasreinigungsanlage aus. Dieser Querschnitt beträgt bei Verbrennungsgroßanlagen nicht selten 200 m2 und mehr. Daher ist der statische Mischer aus einer Anzahl von industriell gefertigten Strec'kgittern zusammengesetzt, die in Modulbauweise zusammengefügt werden. Dieser statische Mischer weist dabei einen freien Querschnitt von 25% bis 85% der Querschnittsfläche des Strömungskanals der Abgasreinigungsanlage auf.
Das Streckgitter bildet vorzugsweise eine senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtete Ebene. Durch das Herstellungsverfahren des Streckgitters sind die Stege des Streckgitters gegenüber dieser Ebene geneigt. Dieser Neigungswinkel α beeinflußt die Wirbelbildung maßgebend und liegt zweckmäßigerweise zwischen 20° und 60°. Das Streckgirter kann je nach Anwendungsfall fein- oder grobmaschig sein. Ganz allgemein gilt, daß je länger die Nachlaufstrecke ist, desto größer sind zweckmäßigerweise die Maschen. Bei einer Gas-und Dampfturbinenanlage liegt die Ma- schenlänge zweckmäßigerweise zwischen 5cm und 30cm und die Maschenbreite zwischen 2cm und 15cm.
Auch die Größe der Stegbreite sollte an die Betriebsbedingungen der Abga≤reinigungsanlage angepaßt werden. Je nach Strö- mungsgeschwincigkeit und Nachlaufstrecke beträgt das Verhältnis von Maschenlänge zu Stegbreite in einer Gas- und Dampfanlage zweckmäßigerweise zwischen 1 und 20.
Bei einer Eindüsung des Reduktionsmittels in den Strömungska- nal ist das Streckgitter vorteilhafterweise - bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases - hinter dem Eindüsegitter angeordnet, das sich über den Querschnitt des Strömungskanals erstreckt. Auf diese Weise strömt das in das Abgas eingedüste Reduktionsmittel zusammen mit dem Abgas durch den statischen Mischer und wird durch die von ihm erzeugten Turbulenzen verwirbelt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine schematische Darstellung einer in einem Abhitzekessel einer Gas- und Dampfturbinen-Anlage angeordneten Abgasreinigungsanlage;
FIG 2 eine perspektivische Ansicht auf ein Streckgitter;
FIG 3 einen Schnitt durch das Streckgitter aus FIG 2 gemäß Linie III-III.
In Figur 1 wir die Anordnung des statischen Mischers 1 innerhalb der Abgasreinigungsanlage 3 einer Gas- und Dampfturbinen-Anlage dargestellt. Innerhalb des Abhitzekessels 5 der Gas- und Dampfturbinen-Anlage befinden sich eine Anzahl Wärmetauscher 7 und die Abgasreinigungsanlage 3. Das Abgas 9 der Verbrennungsanlage strömt von einem (nicht dargestellten) Verbrennungsraum in den Abhitzekessel 5. Nachdem das Abgas 9 eine Anzahl von Wärmetauschern 7 passiert hat, tritt es in Strömungsrichtung 10 in die Abgasreinigungsanlage 3 ein. Die Abgasreinigungsanlage 3 umfaßt ein sich über den Querschnitt des Strömungskanals 11 erstreckendes Eindüsegitter 12 mit einer Vielzahl von Düsen 13, durch die das Reduktionsmittel in das Abgas 9 eingedüst wird. Das Reduktionsmittel kann beispielsweise in Form einer wäßrigen Lösung von Harnstoff oder als Ammoniakwasser vorliegen. In Strömungsrichtung 10 des Abgases 9 hinter dem Eindüsegitter 12 ist ein Streckgitter 17 als statischer Mischer 8 angeordnet. Ihm ist ein aus einer Anzahl von Katalysatorelementen 19 zusammengesetzter Katalysator nachgeschaltet. Abgas 9 und Reduktionsmittel werden vom Streckgitter 17 verwirbelt und vermischen sich in der freien Nachlaufstrecke zwischen Streckgitter 17 und Katalysatorelementen 19 zu einem homogenen Gasgemisch. Als solches tritt es in die Katalysatorelemente 19 des Katalysators ein, in denen die im Abgas 9 enthaltenen Stickoxide zu molekularem Stickstoff und Wasser reduziert werden. Das gereinigte Abgas verläßt nach Passieren weiterer Wärmetauscher 7 den Abhitzekessel 5 wieder.
Eine mögliche Ausführungsform des Streckgitters 17 ist in Figur 2 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Definitionsgemäß weist das Streckgitter 17 eine Anzahl von jeweils durch Stege 21 begrenzte Maschen 23 auf, durch die beim Betrieb der Abgasreinigungsanlage das Abgas hindurchströmt. Dabei wird der Effekt der Durchmischung des Abgases mit dem Reduktionsmittel durch die Geometrie des Streckgitters 17 bestimmt. Die Geometrie des Streckgitters 17 ergibt sich durch die Breite b der Stege 21, deren Dicke d, sowie durch die Breite B und Länge L der Maschen 23. Die Breite B der Maschen beträgt 4,5 cm, deren Länge L 10 cm, und das Verhältnis von Maschenlänge L zu Stegbreite b beträgt 8. Der durch die Maschen gebildete freie Querschnitt beträgt etwa 60% der Querschnittsfläche des Strömungskanals der Abgasreinigungsanlage.
Figur 3 zeigt einen Schnitt durch das Streckgitter aus Figur 2 entlang der Linie III-III. Die Flächen der Stege 21 des Streckgitters 17 sind gegenüber der Strömungsrichtung 10 um den Winkel α geneigt, wodurch Abgas und Reduktionsmittel im Strom durch das Streckgitter 17 abgelenkt und verwirbelt werden. Der Winkel α beträgt 25°.

Claims

Patentansprüche
1. Statischer Mischer (1) im Strömungskanal (11) einer Abgas- reinigungsa lage (5) einer Verbrennungsgroßanlage, insbeson- dere einer Gas- und Dampfturbinen-Anlage, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Verwendung eines Streckgitters .(17) mit einer Anzahl von zwischen Stegen (21) gebildeten Maschen (23) .
2. Statischer Mischer (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der durch die Maschen (23) gebildete freie Querschnitt 25% bis 85% der Querschnittsfläche des Strömungskanals (11) beträgt.
3. Statischer Mischer (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stege (21) des Streckgitters (17) gegenüber der Strömungsrichtung (10) des Abgases (9) in einem Winkel α zwischen 20° und 60' geneigt sind.
4. Statischer Mischer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Maschenlänge (L) zwischen 5 cm und 30 cm und die Maschenbreite (B) zwischen 2 cm und 15 cm beträgt.
5. Statischer Mischer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verhältnis der Maschenlänge (L) zur Stegbreite (b) zwischen 1 und 20 beträgt.
6. Statischer Mischer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Streckgitter (17) - in Strömungsrichtung (10) des Abgases (9) - nach einem sich über den Querschnitt des Strömungskanals (11) erstreckenden Eindüsegitter (12) für ein Reduktionsmittel der Abgasreinigungsanlage (5) angeordnet ist.
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