用於廢氣純化的方法和裝置製造方法
2023-07-28 04:37:41
用於廢氣純化的方法和裝置製造方法
【專利摘要】為了純化含有與CO、VOC或一氧化二氮結合的氮氧化物的廢氣，特別是由生產水泥熟料、硝酸、己二酸、肥料和三氧化鈾產生的廢氣，使用具有至少兩個再生器(A,B)的再生式熱後燃燒系統，CO、VOC和一氧化二氮藉助於該系統在800至1000℃的溫度下在燃燒室(1)中被熱純化，並且通過添加氮-氫化合物用SCR催化劑(6)將氮氧化物熱還原，其中已被熱純化的廢氣在大約300℃的溫度下在合適的位置從相應的兩部分再生器(A或B)中被移出，經由SCR催化劑(6)在固定的流向上被導引，並隨後反饋到再生器(A或B)的剩餘區段(A』,B』)。
【專利說明】用於廢氣純化的方法和裝置
【技術領域】
[0001] 本發明根據權利要求1的前序部分涉及一種方法。本發明還涉及用於實施該方法 的裝置以及該裝置的用途。
【背景技術】
[0002] 從DE 19905733 B4中已知再生式熱後燃燒系統與選擇性催化還原（SCR)的結合。 在這種方法中，SCR催化劑材料各自被布置在再生式熱交換器材料上，從而當在再生器入口 添加還原劑時實現了具有高熱效率的徹底催化脫氮。然而，這種方法不允許同時純化有機 組分，因為催化劑上方的溫度不足以熱氧化有機汙染物。
[0003] 從EP 472 605 B1中已知一種根據權利要求1的前序部分的廢氣純化方法，其中 再生器被堅直分為三個部分（圖4)。首先，廢氣流過再生器的下部低溫區段，然後通過中 心的SCR催化劑，其中氨從廢氣中被吸收。隨後，廢氣在再生器的上部高溫區段被加熱到 800°C，有機物質在相鄰的燃燒室中被熱燃燒。按這種方式預純化的廢氣然後流過第二個高 溫再生器，並將熱量輸送到其蓄熱體。隨後，在大約430至230°C的溫度下，氮氧化物（N0 X) 與被吸收的氨在催化劑層上被還原。
[0004] 該方法的一個缺點是，其導致在流動方向上，SCR催化劑上方的溫度分布高度波 動，正如在熱交換器中那樣，其也仍隨循環時間而變化。出於工藝相關的原因，不可能在SCR 催化劑的最佳溫度下遍及其全部體積對其進行操作。此外，溫度的永久性變化意味著對SCR 催化劑的高機械應力。
[0005] 進一步的缺點是，如果N0X被還原成氮（N 2)則放熱。在高N0X濃度的情況下，單釋 放的熱量就限制了最大N0X入口濃度，因為不然的話SCR催化劑將經受由過熱引起的快速 熱老化。在同樣必須考慮SCR催化劑長度上的溫度分布及其波動的情況下，最大N0 xAD 濃度大幅度降低。
[0006] 進一步的主要缺點是，在具有三個再生器的已知工藝中，如果要使用由相對柔軟 的材料製成的均勻擠出的材料或波紋狀SCR催化劑代替明顯更昂貴的塗有SCR-催化活性 塗層（washcoat)的陶瓷蜂窩熱交換器，則出於結構上的原因，每個再生器有至少三個柵板 是必要的。
[0007] 此外，每個再生器中必須提供足夠數量的催化劑，因此與單個SCR系統相比，在系 統具有兩個再生器的情況下，催化劑的數量要加倍，並且在系統具有三個再生器的情況下， 催化劑的數量要三倍。
【發明內容】
[0008] 因此在一方面，本發明的目的是在再生式熱工藝中利用來自有機組分以及一氧化 碳（C0)的熱氧化或後燃燒和/或一氧化二氮（N 20)熱還原成氮（N2)的全部能量含量-如 果可能的話，不需要任何的外部能量供給-方式是通過提高反應所產生的溫度，並且還使 用後者藉助於選擇性催化還原進行脫氮，並且在另一方面，在不需要單獨供給能量的情況 下提供在SCR催化劑的最佳工作溫度下遍及其全部體積對其進行操作的可能性。
[0009] 根據本發明，這是通過以權利要求1為特徵的方法實現的。在權利要求2至9中 描述根據本發明的方法的優選實施方案。涉及用於實施根據本發明方法的優選裝置的權利 要求10由權利要求11至14的措施進一步展開。權利要求15涉及根據本發明的裝置的優 選用途。
[0010] 根據本發明，在熱後燃燒系統中純化含有可用大氣氧氧化的可熱純化的化合物以 及氮氧化物和/或在熱純化期間形成氮氧化物的化合物的廢氣。可氧化的可熱純化的化合 物（特別）是揮發性有機化合物（V0C)、一氧化碳、氨和一氧化二氮，其中氨（NH 3)被還原成 氮（N2)、N0X和水，並且其中一氧化二氮（N 20)被還原成N2和02以及被氧化成N0X。除了一 氧化二氮外，在熱純化期間，在高於1KKTC的溫度下（如像在燃燒器火焰中）或者藉助於 例如胺、腈或氰化物的含氮有機化合物（特別地）可熱形成氮氧化物，因此不需要使用催化 劑。
[0011] 後燃燒系統具有至少兩個填充有蓄熱體並連接到共同的燃燒室的再生器。要純化 的廢氣被交替地供給到其蓄熱體已被預熱的原料氣體入口再生器，並且從燃燒室出來的熱 純化廢氣到清潔氣體出口再生器，用於其蓄熱體的加熱以及氮氧化物與氮藉助於還原劑的 SCR反應。
[0012] 不論原料氣體溫度如何，為了達到SCR反應所需的溫度，都不需要消耗額外的能 量。
[0013] 根據本發明，後燃燒系統的至少兩個再生器在流動方向上各自被分成兩部分，即 再生器的背著燃燒室的第一區段和再生器的朝著燃燒室的第二區段。所述至少兩個再生器 具有共同的SCR催化劑，其中在燃燒室中熱純化的廢氣在已經於清潔氣體出口再生器的與 燃燒室相鄰的區段中冷卻後達到SCR反應所需的大約300°C的溫度，並且與還原劑混合，被 供給到共同的催化劑用於形成清潔氣體。
[0014] 藉助於SCR催化劑獲得的原料氣體將其熱量輸送到清潔氣體出口再生器的背著 燃燒室的第二區段的蓄熱體，並且然後被引導到外部。
[0015] 根據本發明的方法（具有在最佳催化劑溫度下通過SCR催化劑的流量恆定的優 點），也有可能使用擠出的SCR催化劑，例如基於五氧化二釩（V205)、三氧化鎢（W03)和/或 二氧化鈦（Ti02)的催化劑，這些催化劑對機械應力和溫度變化的抵抗力很小，但從另一方 面來說，這些催化劑較便宜。
[0016] 不論再生器的數量如何，可僅用一個SCR催化劑實施根據本發明的方法，其通流 總是在相同的方向上，不依賴於熱後燃燒系統的循環。
[0017] 為了達到SCR反應所需的溫度，SCR反應不需要消耗額外的能量，因為清潔氣體出 口再生器中的廢氣可在朝著燃燒室的區段被移出，從而處於合適的位置。選擇此合適的位 置，使得在溫度優選至少800°C的燃燒室中純化的廢氣在流過清潔氣體出口再生器的與燃 燒室相鄰的區段後已經以這樣的方式冷卻，以使得SCR反應所需的溫度被調節，其中該溫 度優選為200至400°C，特別是250至350°C，並且特別優選為280至320°C。
[0018] 為了確保SCR催化劑的選擇性和最大限度地減少SCR催化劑的老化，而且還防止 so 2氧化成so3，必須要選擇如此確定的工作溫度窗口。
[0019] 通過將還原劑供給到燃燒室裡，燃燒室中的氮氧化物可以熱的手段（因此不是催 化手段）被預脫氮，方式是通過將它們還原成氮。
[0020] 為還原燃燒室中的氮氧化物，優選使用作為水溶液的氮-氫化合物。氨、尿素或氨 基甲酸可例如被用作氮-氫化合物。
[0021] 為了降低燃燒室中熱脫氮所需的反應溫度，可以將添加劑加到氮-氫化合物中， 例如諸如醇的有機化合物。為了氮-氫化合物的水溶液在燃燒室中的最佳分布，可以設置 兩個流體噴嘴或超聲霧化器，各自具有恆定或脈動的泵預壓力。
[0022] 通過供給還原劑到燃燒室裡，通常原料氣體的氮氧化物載量的大約50%被移除； 在燃燒室中的熱N0 X還原期間可能的氨逸出被相鄰的SCR催化劑用作額外的還原劑，如此 根據本發明，在SCR反應期間不發生氨排放以及還原劑需求的同時減少。作為還原劑，也可 以使含V0C的還原劑介入燃燒室，例如來自攝影行業或化學工業的廢水，其除了氨外還含 有相當量的有機溶劑。
[0023] 對於SCR反應，以水溶液或以氣態形式經由單級或雙級混合裝置將作為還原劑的 氮-氫化合物（例如氨）供給到清潔氣體出口再生器的直接在SCR催化劑的上遊朝著燃燒 室的第二區段。
[0024] 再生式熱後燃燒系統的蓄熱體優選由擠出的稜柱形陶瓷蓄熱體構成，該擠出的稜 柱形陶瓷蓄熱體具有多個在氣流方向上延伸的氣體流路通道，例如EP 472 605 B1中所描 述的那樣。SCR催化劑也可由以SCR催化劑材料製成並且具有在氣流方向上延伸的氣體流 路通道的這種擠出的稜柱形陶瓷蓄熱體構成。
[0025] 在與還原劑混合前，熱純化的廢氣優選流過陶瓷散裝床，目的是為了在廢氣進入 SCR催化劑前均化其溫度。陶瓷填充材料由優選為鞍形或環形的陶瓷成型體構成。其在SCR 催化劑的截面區域上分布加入的還原劑，並同樣減少SCR催化劑入口處的溫度波動。
[0026] 根據本發明，廢氣如此在循環中被交替地供給到至少一個其蓄熱體已被預熱的原 料氣體入口再生器。按這種方式純化的廢氣被供給到燃燒室，所述燃燒室具有超過800°C的 高溫，特別是850至1000°C。在此高溫下，V0C由廢氣中的大氣氧燃燒，和/或一氧化二氮 被熱轉化成氮。當流過清潔氣體出口再生器的朝著燃燒室的區段時，所產生的熱量被輸送 到此區段。通過從兩部分清潔氣體出口再生器的朝著燃燒室的區段中排出廢氣，有可能經 由SCR催化劑在所有的循環中在相同的方向上引導廢氣。在流動分布和溫度均化後，在循 環中供給與還原劑混合的廢氣通過陶瓷散裝床到在大約300°C的最佳工作溫度下的SCR催 化劑。清潔氣體、（及）因此也藉助於SCR催化劑被純化的廢氣將剩餘的熱量輸送到兩部 分清潔氣體出口再生器的背著燃燒室的區段，使得由SCR反應產生的熱量也可以被利用。
[0027] 如果不用還原劑實施熱還原，例如在800至850°C的溫度下，廢氣在燃燒室中的停 留時間優選為〇. 5至3秒，特別是0. 7至1. 5秒。相比而言，在使用還原劑進行熱SNCR還 原的情況下，在超過850°C、特別是900至950°C的燃燒室溫度下，停留時間優選為1至4秒， 特別是1. 5至2秒。當一氧化二氮被熱分解時，在優選900至1000°C、特別是950至970°C 的燃燒室溫度下，停留時間優選為1至3秒，特別是1. 5至2秒。
[0028] 為了移除原料氣體入口再生器中含有的殘餘廢氣，優選在廢氣流的方向改變之前 使用來自另外的兩部分再生器的清潔氣體將各原料氣體入口再生器吹掃一個循環。關於 V0C或一氧化碳，可以實現大於99. 5%的純化效率。
[0029] 在較高廢氣流速的情況下，提供根據本發明構造的多個再生器對來代替兩個或三 個再生器。這使得有可能將單個再生器的尺寸限制在可運輸的規模上。此外，通過再生器 的順序路線減小了 SCR催化劑的交替熱應力負荷。與具有三個再生器的系統相比，SCR催 化劑的交替負荷例如僅為具有五個再生器的系統情況的50%，以及僅為具有七個再生器的 系統情況的33%。
[0030]在用於實施根據本發明的方法的裝置中，連接到共同燃燒室的至少兩個再生器優 選被布置成彼此平行。它們各自具有兩個優選布置成在堅直方向上彼此疊置並填充有蓄熱 體的區段。具有對至少兩個再生器為共同的SCR催化劑的固定件（mounting)側向附接到 所述區段。
[0031] 為將催化劑連接到至少兩個再生器的下區段和上區段，固定件具有切斷閥，優選 為提動閥，它們的布置方式使得料流可通過或繞過（即不通過）SCR催化劑。
[0032]本發明通常適用於純化含有可用廢氣中的大氣氧氧化的可熱純化的化合物以及 氮氧化物和/或在熱後燃燒系統的燃燒室中的熱純化期間形成氮氧化物的化合物的廢氣。
[0033] 因此，根據本發明的方法和根據本發明的裝置特別適用於純化由生產水泥熟料、 硝酸、己二酸和肥料所產生的廢氣。此外，根據本發明的方法和/或根據本發明的裝置適用 於純化由生產三氧化鈾所產生的廢氣，所述三氧化鈾是通過在氧氣氛中加熱重鈾酸銨（鈾 精礦）得到的。
[0034] 關於具有五個帶吹掃選項的再生器的裝置，再生器的切斷閥的循環順序路線（即 示意路線圖）以舉例的方式描述於下表中，其中切斷閥的編號與附圖的圖3對應，並且再生 器被相應地表示為A至E。"0"表示關閉的切斷閥，並且"1"表示打開的切斷閥。
[0035]
【權利要求】
1. 一種純化廢氣的方法，所述廢氣含有可用所述廢氣中的氧進行氧化的可熱純化的化 合物以及氮氧化物和/或在後燃燒系統中的熱純化期間形成氮氧化物的化合物，所述後燃 燒系統具有至少兩個填充有蓄熱體（3)並連接到共同的燃燒室（1)的再生器（A，B-.)，其 中將所述廢氣交替地供給到原料氣體入口再生器（A或B)，其蓄熱體（3)已被預熱，並且從 所述燃燒室（1)出來的熱純化廢氣被供給到清潔氣體出口再生器（B或A)，用於其蓄熱體 (3)的加熱以及所述氮氧化物藉助於還原劑選擇性地催化還原成氮，其特徵在於，至少兩個 再生器（A，B…）在流動方向上各自被分成兩部分，即所述再生器（A'，A";B'，B"）的背著 所述燃燒室（1)和朝著所述燃燒室（1)的區段，並且所述至少兩個再生器（A，B…具有 用於所述選擇性催化還原的共同催化劑（6)，其中在冷卻到與所述燃燒室（1)相鄰的所述 清潔氣體出口再生器（A，B…）的區段中的選擇性催化還原所需的溫度並與所述 還原劑混合後，在所述燃燒室（1)中熱純化的廢氣被供給到所述共同的催化劑（6)，用於形 成清潔氣體，所述清潔氣體在其已經將熱量輸送到背著所述燃燒室（1)的所述清潔氣體出 口再生器（A，B…）的區段（A'，B'）的蓄熱體（3)後被引導到外部。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，要純化的廢氣含有作為可氧化的可熱純 化的化合物的揮發性有機化合物、一氧化碳、氨和/或一氧化二氮以及作為在所述熱純化 期間形成氮氧化物的化合物的氨、一氧化二氮和/或含氮揮發性有機化合物。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述選擇性催化還原所需的溫度為200至 400。。。
4. 根據前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，能夠通過將還原劑供入到所述燃 燒室（1)當中而使存在的或在所述燃燒室（1)中形成的氮氧化物熱預脫氮。
5. 根據前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，燃燒室（1)中的溫度為至少 800°C，並且在熱脫氮的情況下為至少900°C。
6. 根據前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，在已經與所述還原劑混合後，所述 熱純化的廢氣優選流過陶瓷填充材料（15)，用於在所述廢氣進入所述催化劑（6)前均化其 溫度。
7. 根據前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，氮-氫化合物用於將所述燃燒室 (1)中的氮氧化物還原和/或利用催化劑（6)還原成氮。
8. 根據前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，所述廢氣在所述燃燒室（1)中的 停留時間為〇. 3至1秒，並且在熱脫氮的情況下為1至4秒。
9. 根據前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，設置另外的再生器（A至E)用於在 清潔氣體流到所述清潔氣體出口再生器前用其吹掃所述原料氣體入口再生器（A至E)。
10. 用於實施根據前述權利要求之一所述的方法的裝置，其特徵是後燃燒系統帶有至 少兩個具有共同燃燒室（1)的再生器（A，B)，它們各自具有布置成彼此疊置並填充有蓄熱 體（3)的兩個區段（A'，A";B'，B"），並且帶有用於選擇性催化還原的催化劑（6)的共同固 定件（22)側向附接到其上，其中所述固定件（22)具有用於將所述催化劑（6)連接到所述 下區段（A'，B'）和所述上區段（A"和B"）的切斷閥（V-4A，V-5A，V-6A;V-4B，V-5B，V-6B)， 其中有或沒有通過所述催化劑（6)的流動。
11. 根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於，所述固定件（22)具有對所述至少兩個 再生器（A，B)為共同的上部收集管道（25)和對所述至少兩個再生器（A，B)為共同的下部 收集管道（26)，前者用於將所述熱純化的廢氣供給到所述催化劑（6)，後者用於以所述催 化劑（6)純化的清潔氣體，空間（27)布置在每個再生器（A，B)的所述上管道（25)與所述 下管道（26)之間，其中所述切斷閥（V-4A，V-5A，V-6A) (V-4B，V-5B，V-6B)用於將所述上部 收集管道（25)經由所述催化劑（6)連接到所述下部收集管道（26)，或者用於將所述再生器 (A，B)的下區段（A'，B'）經由所述空間（27)連接到其上區段（A"，B"）。
12. 根據權利要求11所述的裝置，其特徵在於，用於為採用所述催化劑（6)的選擇性催 化還原供給所述還原劑的噴嘴（11)設置在所述上部收集管道（25)中。
13. 根據權利要求10至12之一所述的裝置，其特徵在於，在所述催化劑（6)上設置陶 瓷填充材料（15)，用於均化所述廢氣的溫度並將後者與所述還原劑混合。
14. 根據權利要求10至13之一所述的裝置，其特徵在於，設置多對再生器（A至E)，它 們各自具有布置成彼此疊置並填充有蓄熱體（3)的兩個區段（A'，A"，B'，B"），並且帶有用 於選擇性催化還原的催化劑（6)的共同固定件（22)側向附接到其上，其中所述固定件（22) 包括用於經由所述催化劑（6)將所述上部收集管道（25)連接到所述下部收集管道（26)或 者將所述再生器（A至E)的所述下區段（A'，B'）連接到所述上區段（A"，B"，…）的切斷 閥（V-4A至V-4E、V-5A至V-5E、V-6A至V-6E)。
15. 根據權利要求10至14之一的裝置的用途，用於純化由生產水泥熟料、硝酸、己二 酸、肥料和三氧化鈾產生的廢氣。
【文檔編號】B01D53/86GK104379237SQ201480000858
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年1月29日 優先權日:2013年1月29日
【發明者】克裡斯蒂安·穆勒德 申請人:化學熱處理技術有限責任公司