Dampferzeuger

Abstract

 Bei einem Dampferzeuger (1) mit einem dem Feuerraum (7) nachgeschalteten Strahlungsteil und einem sich daran anschliessenden konvektiven Teil, letzterer im wesentlichen bestehend aus rauchgasseitig hintereinandergeschalteten Berührungswärmetauscher (18), Überhitzer (9) und Economizer (2), wobei der Dampferzeuger (1) in einer Schaltung für die direkte selektive katalytische Reduktion (SCR-Verfahren) der Stickoxide im Rauchgas (19) eingesetzt wird, ist der Economizer (2) zweiteilig ausgeführt. Zwischen den beiden Teilen (2a, 2b) ist ein NOx-Katalysator (5) angeordnet, wobei der in Strömungsrichtung des Gases (19) vor dem Katalysator (5) angeordnete Economizer (2a) in mindestens zwei Sektionen (10a, 10b) unterteilt ist, welche einerseits rauchgasseitig nacheinander und andererseits vom aufzuheizenden Arbeitsmittel parallel von unten nach oben durchströmt sind und wobei mindestens eine Sektion (10a) über Leitungen (11a, 12) ständig mit der Trommel (13) in Verbindung steht und die andere(n) Sektion(en) (10b) über absperrbare Leitungen (11b) wahlweise vom Wasserkreislauf abschliessbar sind.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger mit einem dem Feuerraum nachgeschalteten Strahlungsteil und einem sich daran anschliessenden konvektiven Teil, letzterer im wesentlichen bestehend aus rauchgasseitig hintereinandergeschalteten Berührungswärmetauscher, Überhitzer und Economizer, welcher zur direkten selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren) von Stickoxiden (NOx) im Abgas von Kehrrichtverbrennungsanlagen (KVA) eingesetzt wird, wobei der NOx-Katalysator direkt mit den heissen Rauchgasen beschickt wird, also in der Schaltung vor dem Wäscher angeordnet ist.

Stand der Technik

[0002] Die NOx-Emissionen aus thermischen Abfallverbrennungsanlagen dürfen gesetzlich vorgegebene Werte nicht überschreiten. Zur Minderung der NOx-Emissionen, die im allgemeinen zwischen 300 und 450 mg/m³ liegen, werden bekanntermassen feuerungstechnische Primärmassnahmen und/oder effektiver wirkende abgasseitige Sekundärmassnahmen eingesetzt, wobei als Sekundärmassnahmen das SNCR-Verfahren (selective non-catalytic reduction) und das SCR-Verfahren (selective catalytic reduction) zur Verfügung stehen.

[0003] Beim SNCR-Verfahren erfolgt die NOx-Reduktion thermisch, indem das Reduktionsmittel (Ammoniak bzw. Harnstoff) in einem Temperaturbereich von etwa 900 bis 1100°C in den Feuerungs- oder Kesselteil eingedüst wird.

[0004] Beim SCR-Verfahren werden dagegen bei wesentlich niedrigeren Temperaturen die Stickoxide unter Zugabe von Ammoniakwasser an einem Katalysator zu Stickstoff und Wasserdampf umgesetzt. Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist es nur mit einem katalytischen Verfahren möglich, die NOx-Emissionen auf Werte < 100 mg/m³ zu senken.

[0005] Für die Schaltung der Katalysatorstufe bestehen nach dem bekannten Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten. So werden z.B. Kessel für Kehrrichtverbrennungsanlagen mit NOx-Katalysatoren ausgerüstet, die üblicherweise nach dem Wäscher eingesetzt werden. Dies hat zwar einerseits den Vorteil, dass die Gefahr einer Katalysatorvergiftung oder Blockierung durch Staub und Schwefeldioxid reduziert ist, andererseits aber den Nachteil, dass die Rauchgase vor Eintritt in den Katalysator wieder aufgeheizt werden müssen.

[0006] Deshalb ist bei neueren Schaltungen der NOx-Katalysator vor dem Wäscher vorgesehen. Er wird dann direkt mit den heissen Rauchgasen beschickt, so dass die Wiedererwärmung des Abgases nach der Wäsche entfällt. Bei vorheriger Entstaubung ("direkt-low dust"-Schaltung) auf Reststaubgehalte unter 10 mg/Nm³ erreichen die Katalysatoren ähnliche Standzeiten wie in den Schaltungen nach der Abgaswäsche. Der Elektro-Filter (E-Filter) zur Entstaubung kann aber auch nach dem NOx-Katalysator angeordnet sein ("direkt-high dust"-Schaltung).

[0007] Für ein optimales Arbeiten des Katalysators und eine möglichst lange Lebensdauer ist es notwendig, die Gastemperatur vor dem NOx-Katalysator möglichst konstant auf einem vorgegebenen Wert, beispielsweise 350°C, zu halten. Die optimale Betriebstemperatur des Katalysators liegt bei 320 bis 350°C (K.J. Thomé-Kozmiensky: Thermische Abfallbehandlung. EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH, 2.Auflage, 1994, S. 555-557). Diese Bandbreite kann in Abhängigkeit vom eingesetzten Katalysator noch grösser sein, z.B. ist ein bei einer Betriebstemperatur von 280°C arbeitender Katalysator in einer Kehrrichtverbrennungsanlage bekannt.

[0008] Mit dem bisher bekannten Stand der Technik ist aber eine annähernd konstante Gastemperatur bei den verschiedenen Betriebszuständen nicht möglich. So hat beispielsweise die Gastemperatur in einem konventionellen KVA-Kessel bei zwei unterschiedlichen Betriebsfällen folgende Werte:

Betriebsfall	Gastemperatur in °C nach
	Überhitzer	Verdampfer	Economizer
Vollast verschmutzt	461	343	237
Teillast sauber	370	290	190

[0009] Es ergeben sich also beträchtliche Unterschiede in der Höhe der Rauchgastemperatur (hier ca. 50°C nach dem Economizer), was sich bei einer direkten Beschickung des NOx-Katalysators mit den heissen Rauchgasen ungünstig auswirkt.

Darstellung der Erfindung

[0010] Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger zu entwickeln, der für SCR-Verfahrensschaltungen, bei denen der NOx-Katalysator vor dem Wäscher direkt mit den heissen Rauchgasen beschickt wird, einsetzbar ist, wobei mit relativ wenig Aufwand die Gastemperatur vor dem Katalysator auf einem annähernd konstanten, vorgegebenen Wert gehalten werden kann.

[0011] Erfindungsgemäss wird dies bei einem Dampferzeuger gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, dass der Economizer zweiteilig ausgeführt ist und zwischen den beiden Teilen ein NOx-Katalysator angeordnet ist, wobei der in Strömungsrichtung des Gases vor dem Katalysator angeordnete Economizer in mindestens zwei Sektionen unterteilt ist, welche einerseits rauchgasseitig nacheinander und andererseits vom aufzuheizenden Arbeitsmittel parallel durchströmt sind, wobei mindestens eine Sektion über eine Leitung ständig mit der Trommel in Verbindung steht und die andere(n) Sektion(en) über absperrbare Leitungen wahlweise vom Wasserkreislauf abschliessbar sind.

[0012] Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren zum Betrieb des Dampferzeugers dadurch erreicht, dass die Temperatur der Rauchgase unmittelbar vor ihrem Eintritt in den NOx-Katalysator gemessen wird und eine von der Höhe dieser Temperatur abhängige Anzahl der Absperrorgane in den Leitungen geschlossen wird. Dadurch werden eine bzw. mehrere Sektionen des Economizers vor dem Katalysator vom Wasserkreislauf abgeschlossen und ein Teil der Heizfläche wird inaktiv.

[0013] Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die Regelung der Gastemperatur vor dem NOx-Katalysator relativ einfach zu handhaben ist und durch die Gewährleistung einer annähernd konstanten Beaufschlagungstemperatur der NOx-Katalysator optimal arbeitet und eine lange Lebensdauer aufweist. Die Erfindung kann sowohl bei "direkt-low dust"- als auch "direkt-high dust"-Schaltungen angewendet werden, d.h. der E-Filter kann entweder vor oder nach dem Economizer angeordnet sein.

[0014] Es ist besonders zweckmässig, wenn der Economizer vor dem Katalysator so gross ausgelegt ist, dass im Betriebsfall "Volllast verschmutzt" die Eintrittstemperatur des Rauchgases in den Katalysator kleiner/gleich der Betriebstemperatur des Katalysators ist.

[0015] Ferner ist es vorteilhaft, wenn die im Kessel dem Economizer vor dem Katalysator vorgelagerten Bauteile, wie Überhitzer, Schutzbündel, Leerzüge, so ausgelegt sind, dass im Betriebsfall "Teillast sauber" die Eintrittstemperatur des Rauchgases in den Economizer vor dem Katalysator grösser/gleich der Betriebstemperatur des Katalysators ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0016] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines Kessels für eine Kehrrichtverbrennungsanlage dargestellt.

[0017] Es zeigen:

Fig. 1

drei Schaltungssschemata von Kehrrichtverbrennungsanlagen mit SRC-Verfahren nach dem Stand der Technik

I: konventionell

II: direkt-low dust

III: direkt-high dust;

Fig. 2

das erfindungsgemässe Schaltungsschema einer Kehrrichtverbrennungsanlage mit SCR-Verfahren (direkt-high dust);

Fig. 3

eine detailliertere Darstellung eines Teils von Fig. 2 im Bereich des Kessels, des NOx-Katalysators und des Economizers;

Fig. 4

eine schematische Darstellung der Erfindung im Bereich des Kessels, des E-Filters, des NOx-Katalysators und des Economizers (direkt-low dust-SCR-Verfahren).

[0018] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise die Beschickung des Kessels, die Feuerungsanlage und die Nasswäscheanlage. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0019] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.

[0020] Zum besseren Verständnis der Erfindung sind zunächst in Fig. 1 drei aus dem Stand der Technik bekannte SCR-Schaltungen mit dem nach den einzelnen Behandlungsschritten jeweils erreichbaren Temperaturniveau des Gases dargestellt. Teil I zeigt eine Schaltung, in der die Apparate Kessel 1/Economizer 2, E-Filter 3, Wäscher 4, NOx-Katalysator 5 und Abkühler 6 in der Reihenfolge ihrer Durchströmung angeordnet sind, wobei wegen der geringen Temperatur des Rauchgases nach dem Wäscher 4 (z.B. 70°C) das Gas vor Eintritt in den NOx-Katalysator 5 nochmals aufgeheizt werden muss (z.B. auf 350°C). Diese Aufheizung entfällt bei der in Teil II dargestellten "low dust"-Schaltung, bei der die Aggregate in der Reihenfolge Kessel 1, Elektro-Filter 3, NOx-Katalysator 5, Economizer 2 und Wäscher 4 angeordnet sind, ebenso wie bei der in Teil III gezeigten "high dust"-Schaltung mit einer Anordnung in der Reihenfolge Kessel 1, NOx-Katalysator 5, Economizer 2, E-Filter 3 und Wäscher 4.

[0021] Da in den beiden zuletzt genannten Fällen für unterschiedliche Betriebszustände keine konstante Gastemperatur vor dem NOx-Katalysator 5 gewährleistet werden kann, wird die erfindungsgemässe Lösung, von der eine Ausführungsvariante in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, angewendet. Grundlage ist, dass der Dampferzeuger 1 einen zweiteiligen Economizer 2 aufweist. Dieser besteht aus einem Teil 2a, welcher gasseitig vor dem NOx-Katalysator 5 angeordnet ist und einem Teil 2b, welcher nach dem NOx-Katalysator 5 angeordnet ist. Gemäss Schaltungsanordnung nach Fig. 2 sind danach in der Reihenfolge der Durchströmung der Gase ein Filter 3 und anschliessend ein Wäscher 4 angeordnet. Die Temperatur vor dem NOx-Katalysator ist für verschiedene Betriebszustände annähernd konstant (im gezeigten Ausführungsbeispiel 350°C), sie kann um +/-10°C differieren.

[0022] Fig. 3 zeigt eine detailliertere schematische Darstellung des erfindungsgemässen Dampferzeugers, wie er in der high dust-Schaltung nach Fig. 2 eingesetzt wird. Oberhalb eines Feuerraumes 7 sind zwei vertikale Leerzüge 8 angeordnet, die den Strahlungsteil des Dampferzeugers bilden. Im sich daran anschliessenden horizontalen Teil des Dampferzeugers sind in der Reihenfolge ihrer Durchströmung ein Überhitzer 9 und ein in zwei Hauptteile 2a und 2b unterteilter Economizer 2 angeordnet, wobei zwischen den beiden Teilen 2a, 2b der NOx-Katalysator 5, der für die selektive katalytische Reduktion der Stickoxide benötigt wird, untergebracht ist.

[0023] Der Economizer vor dem NOx-Katalysator 2a ist in mehrere getrennte Sektionen 10 (hier 4 Sektionen) unterteilt, die gasseitig nacheinander durchströmt werden, während sie vom Arbeitsmittel, d.h. wassermässig parallel von unten nach oben durchströmt werden. Diese parallelen Verbindungsleitungen 11 münden schliesslich in eine Leitung 12, die mit der Trommel 13 in Verbindung steht. Mit einer Ausnahme ist in allen parallel geschalteten Leitungen 11 ein Absperrorgan 14, beispielsweise ein Ventil, nach den einzelnen Sektionen 10 des Economizers vor dem NOx-Katalysators 2a angeordnet, so dass diese Sektionen wahlweise vom Wasserkreislauf abgeschlossen werden können, während eine Sektion 10 des Economizers vor dem Katalysator in jedem Falle, d.h. auch beim Absperren aller anderen Sektionen 10, mit der Trommel 13 verbunden ist.

[0024] Der Economizer vor dem Katalysator 2a ist so ausgelegt, dass Teilverdampfung auftreten kann. Er ist so gross ausgelegt, dass im Betriebsfall "Vollast verschmutzt" die Eintrittstemperatur des Rauchgases in den Katalysator 5 kleiner/gleich der Betriebstemperatur des Katalysators 5 ist.

[0025] Die im Dampferzeuger 1 dem Economizer vor dem Katalysator 2a vorgelagerten Bauteile, wie Überhitzer 9, Berührungswärmeerzeuger 18 ("Schutzbündel", die zuerst vom Rauchgas beaufschlagt werden), Leerzüge 8, so ausgelegt sind, dass im Betriebsfall "Teillast sauber" die Eintrittstemperatur des Rauchgases in den Economizer vor dem Katalysator grösser/gleich der Betriebstemperatur des Katalysators ist.

[0026] Nach der in Gasströmungsrichtung letzten Sektion 10 ist ein Temperaturmessorgan 15 angeordnet. Der sich gasseitig nach dem Katalysator 5 befindende zweite Teil des Economizers 2b ist im wesentlichen in Gegenstromschaltung realisiert. Eine Pumpe 16 pumpt über die Leitung 17 Wasser in den Teil 2b des Economizers, der nach dem NOx-Katalysator 5 angeordnet ist. Das Wasser kühlt die entstickten Rauchgase, die aus dem Katalysator 5 austreten weiter ab, bevor diese im hier nicht dargestellten Filter 3 entstaubt und dem Wäscher 4 zugeführt werden. Das Wasser wird dann am Katalysator 5 vorbei parallel in die Sektionen 10 geleitet, die von unten nach oben durchströmt werden, wobei ein weiterer Wärmeaustausch mit hier noch heisseren Rauchgas stattfindet. Um eine annähernd konstante Eintrittstemperatur der Rauchgase in den NOx-Katalysator zu gewährleisten, wird mittels des Temperaturmessorgans 15 die Rauchgastemperatur gemessen. In Abhängigkeit von der Höhe dieser Temperatur kann die Rauchgastemperatur beeinflusst werden, indem durch Schliessen oder Öffnen der jeweiligen Absperrorgane 14 einzelne Sektionen 10 des Economizers vor dem Katalysator 2a vom Wasserkreislauf abgeschlossen bzw. wieder angeschlossen werden. Dies bewirkt eine Veränderung der aktiven Heizfläche. Das SCR-Verfahren selbst läuft dann nach dem bekannten Stand der Technik ab.

[0027] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das eben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie kann beispielsweise auch in einem Dampferzeuger mit einem vertikalen konvektiven Zug realisiert werden.

[0028] In Fig. 4 ist schematisch ein erfindungsgemässer Dampferzeuger für das SCR-low dust-Verfahren dargestellt. Im Unterschied zu Fig. 3 ist hier zwischen dem Economizer vor dem Katalysator 2a und dem NOx-Katalysator 5 ein E-Filter 3 angeordnet. Ausserdem zeigt dieses Ausführungsbeispiel, dass der Economizer nach dem Katalysator 2b auch mit senkrechtem Gasfluss ausgeführt sein kann. In einer weiteren nicht dargestellten Variante ist der Economizer nach dem Katalysator 2b auch in einer grösseren räumlichen Entfernung vom NOx-Katalysator angeordnet.

Bezugszeichenliste

[0029] 

1

Kessel

2

Economizer

2a

Teil des Economizers vor dem NOx-Katalysator

2b

Teil des Economizers nach dem NOx-Katalysator

3

E-Filter

4

Wäscher

5

NOx-Katalysator

6

Abkühler

7

Feuerraum

8

Leerzug

9

Überhitzer

10

Sektionen von Pos. 2a

10a

nicht vom Wasserkreislauf abschliessbare Sektion

10b

vom Wasserkreislauf abschliessbare Sektion

11

parallele Verbindungsleitungen

11a

Verbindungsleitung ohne Absperrorgan

11b

Verbindungsleitung mit Absperrorgan

12

Leitung

13

Trommel

14

Absperrorgan

15

Temperaturmessorgan

16

Pumpe

17

Leitung

18

Berührungswärmeerzeuger

Ansprüche

1. Dampferzeuger (1) mit einem dem Feuerraum (7) nachgeschalteten Strahlungsteil und einem sich daran anschliessenden konvektiven Teil, letzterer im wesentlichen bestehend aus rauchgasseitig hintereinandergeschalteten Berührungswärmetauscher (18), Überhitzer (9) und Economizer (2), wobei der Dampferzeuger (1) in einer Schaltung für die direkte selektive katalytische Reduktion (SCR-Verfahren) der Stickoxide im Rauchgas (19) eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Economizer (2) zweiteilig ausgeführt ist und zwischen den beiden Teilen (2a, 2b) ein NOx-Katalysator (5) angeordnet ist, wobei der in Strömungsrichtung des Gases (19) vor dem Katalysator (5) angeordnete Economizer (2a) in mindestens zwei Sektionen (10a, 10b) unterteilt ist, welche einerseits rauchgasseitig nacheinander und andererseits vom aufzuheizenden Arbeitsmittel parallel durchströmt sind, wobei mindestens eine Sektion (10a) über eine Leitung (11a, 12) ständig mit der Trommel (13) in Verbindung steht und die andere(n) Sektion(en) (10b) über absperrbare Leitungen (11b) wahlweise vom Wasserkreislauf abschliessbar sind.

2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Leitungen (11b), welche von den Sektionen (10b) des Economizers vor dem Katalysator (2a), die vom Wasserkreislauf abschliessbar sind, in die Leitung (12) zur Trommel führen, jeweils ein Absperrorgan (14) angeordnet ist.

3. Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Economizer vor dem Katalysator (2b) so gross ausgelegt ist, dass im Betriebsfall "Vollast verschmutzt" die Eintrittstemperatur des Rauchgases (19) in den Katalysator (5) kleiner/gleich der Betriebstemperatur des Katalysators (5) ist.

4. Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Dampferzeuger (1) dem Economizer vor dem Katalysator (2a) vorgelagerten Bauteile, wie Überhitzer (9), Berührungswärmeerzeuger (18), Leerzüge (8), so ausgelegt sind, dass im Betriebsfall "Teillast sauber" die Eintrittstemperatur des Rauchgases (19) in den Economizer vor dem Katalysator (2a) grösser/gleich der Betriebstemperatur des Katalysators (5) ist.

5. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Economizer vor dem Katalysator (2a) und dem NOx-Katalysator (5) ein E-Filter (3) angeordnet ist.

6. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Economizer nach dem Katalysator (2b) im wesentlichen in Gegenstromschaltung durchströmt ist.

7. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Economizer nach dem Katalysator (2b) vertikal vom Rauchgas (19) durchströmt ist.

8. Dampferzeuger nach Anspruch 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Economizer nach dem NOx-Katalysator (2b) räumlich entfernt vom NOx-Katalysator (5) angeordnet ist.

9. Verfahren zum Betrieb eines Dampferzeugers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Rauchgase (19) unmittelbar vor ihrem Eintritt in den NOx-Katalysator (5) gemessen wird und eine von der Höhe dieser Temperatur abhängige Anzahl der Absperrorgane (14) in den Leitungen (11b) geschlossen wird.

Zeichnung