Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anlage zur Reduktion von Stickoxiden (NOχ) staubhaltiger Abgase mittels eines SCR-Katalysators. Derartige

Abgase fallen beispielsweise in Brennanlagen für Zement oder Minerals sowie in der Kraftwerkstechnik an.

Das SCR- Verfahren zur NOχ-Minderung erfordert bei einem vertretbaren Einsatz von Vanadium und Edelmetallen aufgrund der mitunter hohen Schwefelfrachten in den Abgasen Reaktionstemperaturen von über 280 ⁰ C. Bei Zementbrennanlagen ist es daher in der Regel notwendig, den Katalysator direkt hinter dem Zyklonvorwärmer zu platzieren, da hier prozessbedingt Temperaturen von etwa 300 bis 380 °C vorliegen. Leider weisen jedoch die Abgase an dieser Stelle eine extrem hohe Staubbeladung in der Größenordnung von 50 bis 150 g/Nm ³ auf. Diese hohen

Staubfrachten führen am Katalysator zu Betriebsproblemen durch Verstopfungen; sie können ferner auch die poröse Oberfläche des Katalysators deaktivieren. Da der Katalysator in der Regel fest im Reaktor montiert ist, gibt es nur begrenzte Möglichkeiten , ihn im Betrieb zu reinigen und zu reaktivieren.

Um Staubablagerungen auf der Oberfläche von High-Dust-Katalysatoren zu entfernen, ist der Einsatz von Druckluftbläsern bekannt (DE 10037499). Zur Unterstützung der Reinigungsleistung dieser Staubbläser wurde auch schon eine zusätzliche akustische Reinigung der Katalysatoren mit Schallhörnern vorgeschlagen, die den angelagerten Staub auflockern, ehe er mit den Staubbläsern entfernt wird (DE 102005039997).

In der Praxis zeigt sich jedoch, dass diese bekannten Verfahren vielfach, insbesondere bei der Herstellung von Zementklinker, nicht den gewünschten Reinigungseffekt gewährleisten.

Es ist ferner ein Verfahren zur Reinigung von Gasen bekannt, bei dem im Gasstrom enthaltene Staubpartikel zunächst durch Schallbeaufschlagung agglomeriert und mittels eines porösen Querstromfilter abgeschieden werden, ehe der so erzielte, staubfreie Reingasstrom beispielsweise einem Katalysatorbett zugeführt wird (US 4,319,891 und US 4,378,976). Bei einem ähnlichen Verfahren erfolgt die Abscheidung der durch Schallbeaufschlagung gebildeten Staubagglomerate unmittelbar in der Schallkammer, aus der ein staubfreier Gasstrom abgezogen und einem Katalysator zugeführt wird (US 5,419,877).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren sowie eine Anlage zu schaffen, die eine besonders wirksame und betrieblich zuverlässige Reduktion von Stickoxiden staubhaltiger Abgase mittels eines SCR-Katalysators ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass die Abgase vor Eintritt in den Katalysator durch Agglomeration von Staubpartikeln auf eine solche Mindestgröße konditioniert werden, bei der durch den Katalysator hindurchgeführte Staubpartikel- Agglomerate den Katalysator weder verstopfen, noch seine poröse Oberfläche deaktivieren. Die erfindungsgemäße Anlage ist demgemäß durch eine dem Katalysator vorgeschaltete Konditionierstufe zur Agglomeration von in den Abgasen enthaltenen Staubpartikeln auf die genannte Mindestgröße gekennzeichnet. Wie die der Erfindung zu Grunde liegenden Versuche zeigten, hängt die Gefahr einer

Verstopfung des Katalysators und einer Deaktivierung seiner porösen Oberfläche sehr eng mit der Größe der Staubpartikel zusammen. Sorgt man daher erfindungsgemäß für eine bestimmte Mindestgröße der Staubpartikel-Agglomerate, so können diese in der Regel ohne Betriebsprobleme durch den Katalysator geführt werden, da sie weder den Katalysator verstopfen, noch seine poröse Oberfläche deaktivieren. Auf diese Weise wird eine sehr wirksame und betrieblich zuverlässige Reduktion von Stickoxiden staubhaltiger Abgase mittels des SCR-Katalysators ermöglicht. Je nach Art des SCR-Katalysators sowie der Temperatur, des Staubgehaltes und des

Volumenstromes der staubhaltigen Abgase liegt die anzustrebende mittlere Partikelgröße der Staubpartikel- Agglomerate bei mindestens 5 μm, vorzugsweise bei 8 bis 15 μm.

Die Agglomeration von Staubpartikeln kann akustisch herbeigeführt werden, indem in einer staubhaltigen Abgas- Strömung Ultraschallwellen erzeugt werden.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Agglomeration elektrostatisch herbeizufuhren, indem wenigstens zwei staubhaltige Abgas-Teilströme gegensinnig elektrostatisch aufgeladen und dann zwecks Agglomeration von Staubpartikeln zusammengeführt werden.

Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden im Zusammenhang mit der Beschreibung einiger Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schemadarstellung eines ersten Ausfuhrungsbeispieles (mit akustischer Agglomeration), aus der die mit zunehmender Größe der gebildeten Staubpartikel-Agglomerate eintretende Verringerung ihrer

Schwingungsamplitude ersichtlich ist,

Fig. 2 eine Schemadarstellung des ersten Ausfuhrungsbeispieles zur Erläuterung des im Strömungsschatten der Agglomerate auftretenden Druckabfalles,

Fig. 3 ein Fließschema einer erfindungsgemäßen Anlage mit akustischer Agglomeration, Fig. 4 eine Prinzipskizze eines weiteren Ausfuhrungsbeispieles mit akustischer Agglomeration, Fig. 5 eine Schemadarstellung eines Ausführungsbeispieles mit elektrostatischer Agglomeration. Bei dem in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten ersten Ausführungsbeispiel wird die Agglomeration von Staubpartikeln in der Abgas- Strömung akustisch herbeigeführt. Zu diesem Zweck werden staubhaltige Abgase 3 einer Konditionierstufe 1 zur Agglomeration von in den Abgasen 3 enthaltenen Staubpartikeln zugeführt.

Die Konditionierstufe 1 wird durch ein beispielsweise horizontal ausgerichtetes Strömungsrohr gebildet, in dem nahe des Eintritts der staubhaltigen Abgase 3 eine Schallquelle 2 angeordnet ist. Die Schallquelle 2 beaufschlagt die Konditionierstufe 1 mit Schall- bzw. Ultraschallwellen, deren Frequenz mindestens 18 kHz, vorzugsweise mindestens 20 kHz, und deren Schallpegel mindestens 120 dB, vorzugsweise 140 bis 160 dB, beträgt. Diese Ultraschallwellen erzeugen eine Relativbewegung zwischen den Staubpartikeln und dem sie tragenden Fluid, was zu Kollisionen zwischen den Staubpartikeln und zu einer Staubpartikel- Agglomeration führt.

Das Trägergas 4, d.h. der Gasbestandteil der staubhaltigen Abgase 3, wird aufgrund seiner geringen Dichte von den Ultraschallwellen in eine Schwingung mit der größten Amplitude versetzt. Kleine Staubpartikel schwingen nahezu synchron und mit etwa gleicher Amplitude wie das Trägergas 4. Mit steigendem Durchmesser der sich bildenden Staubpartikel- Agglomerate 5 macht sich die Wirkung der Trägheit zunehmend bemerkbar; die Schwingungsamplitude der sich bildenden Agglomerate 5 wird nun geringer. Mit zunehmender Entfernung von der Schallquelle 2 und entsprechend längerer Einwirkungszeit der Ultraschallwellen wird der Durchmesser der Agglomerate 5 größer, wobei die unterschiedlichen Schwingungsamplituden die gewünschte Kollision der Staubpartikel und damit ihre Agglomeration unterstützen.

Die Darstellung der vier Schwingungen unterschiedlicher Amplitude in Fig. 1 ist ganz schematisch zu verstehen und soll den Zusammenhang zwischen der Schwingungsamplitude und der Größe der sich bildenden Agglomerate sowie das raum-zeitliche Wachstum der Agglomerate verdeutlichen. Wie in Fig. 2 veranschaulicht, fuhren die Schwingungen der Staubpartikel und der sich bildenden Staubpartikel- Agglomerate außerdem zu Druckgradienten. So erzeugt das Partikel A hinter sich einen Strömungsschatten, der einen Druckgradienten zur Folge hat: der Druck p2 hinter dem Partikel A ist kleiner als der Druck pl vor dem Partikel A.. Der geringere Druck p2 im Strömungsschatten des Partikels A führt dort zu einer höheren Geschwindigkeit v2 als vor dem Partikel A (vi). Der Druckabfall hinter einem Partikel A lässt die im Strömungsschatten des Partikels A nachfolgenden Partikel B schneller schwingen und steigert daher zusätzlich die Kollisionsrate und die Agglomeration. Um hohe Agglomerationsraten zu erreichen, ist ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der Staubbeladung der Abgase und der Ausbreitung der Schallwellen in der Konditionierstufe erforderlich. Die akustische Agglomeration erfolgt vorzugsweise mit einer Staubbeladung zwischen 3 und 30 g/Nm ³ , vorzugsweise zwischen 5 und 20 g/Nm ³ .

Extrem hohe Staubbeladungen der Abgase, etwa zwischen 50 und 150 g/Nm ³ , können beispielsweise in der Zementindustrie auf der Gasaustrittsseite des Vorwärmers auftreten. Hier empfiehlt es sich, die Staubbeladung der Abgase vor der Staubagglomeration zunächst durch eine Vorentstaubung auf einen für die Staubagglomeration geeigneten Wert herabzusetzen. Als Hilfsmittel für eine solche

Vorentstaubung eignen sich vor allem Zyklone aufgrund ihres einfachen Aufbaus und ihrer geringen Störungsanfälligkeit. Ein ohnehin vorhandener Zyklonvorwärmer der Zementbrennanlage kann also für den genannten Zweck der Vorentstaubung der Abgase um eine zusätzliche Stufe erweitert werden. Auf dem Markt gibt es SCR-Katalysatortypen mit Platten- und Wabengeometrien sowie mit unterschiedlichen Kanaldurchmessern. Bei hoher Staubempfindlichkeit des Katalysators, wie sie insbesondere bei geringen Abmessungen der Strömungskanäle des Katalysators meist vorliegt, kann es zweckmäßig sein, den Staubgehalt der Abgase nach der Staubagglomeration, jedoch vor Zuführung der

Abgase zum Katalysator, durch Abscheidung zumindest eines Teiles der gebildeten Staubpartikel- Agglomerate auf eine für den SCR-Katalysator geeigneten Wert herabzusetzen. Die Vor- und die Nachentstaubung der Abgase mit Zyklonen steigern den

Gesamtdruckverlust einer Anlage und erhöhen den Anlagenaufwand. Auf die Nachentstaubung durch einen Zyklon kann in Abhängigkeit der erforderlichen Reinheit auch bei staubempfindlichen Katalysatoren dann verzichtet werden, wenn die in der Konditionierstufe gebildeten Staubpartikel-Agglomerate zumindest teilweise bereits am Ausgang der Konditionierstufe abgeschieden werden.

Fig. 3 zeigt schematisch den Gaspfad einer Anlage zur Reduktion von Stickoxiden staubhaltiger Abgase mittels eines SCR-Katalysators, wobei die aus dem Vorwärmerturm einer Zementbrennlage austretenden Abgase einer akustischen Staubagglomeration unterworfen werden, ehe sie in den Katalysator gelangen. Eine

Vorentstaubung der Abgase vor der Staubagglomeration sowie eine Nachentstaubung in einer Entstaubungseinheit zwischen akustischer Agglomeration und Eintritt in den SCR-Katalysator sind optional vorgesehen. Fig. 4 zeigt eine Prinzipsskizze einer Anlage, bei der in der Konditionierstufe eine akustisch induzierte Agglomeration und anschließend eine Abscheidung von gebildeten Staubpartikel- Agglomeraten erfolgt.

Das staubhaltige Abgas 3 tritt links in die Konditionierstufe 1 ein, die als ein etwa horizontal angeordnetes Rohr ausgebildet ist. Die Schallquellen 2a, 2b, 2c sind im oberen Bereich bzw. oberhalb der Konditionierstufe 1 horizontal nebeneinander angeordnet.

Die Agglomeration von Staubpartikeln in der Konditionierstufe 1 fuhrt aufgrund der Schwerkraft zu einem Absinken der gebildeten Staubpartikel- Agglomerate. Dadurch wird bereits in der Konditionierstufe 1 eine Teilentstaubung des Abgases erreicht. In ihrem unteren Bereich, vorzugsweise nahe des rechten Endes, ist die

Konditionierstufe 1 mit einer Öffnung 6 versehen, durch die sedimentierte

Staubpartikel-Agglomerate abgeführt werden, während das teilentstaubte Gas 7 gesondert abgezogen wird.

Zur weiteren Verbesserung der Abscheidung der gebildeten Staubpartikel- Agglomerate können beispielsweise in der Nähe des gasseitigen Ausganges der Konditionierstufe Prallbleche vorgesehen werden.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrostatisch herbeigeführten Agglomeration. Das staubhaltige Abgas 3 wird hierbei in wenigstens zwei Teilströme 3a, 3b geteilt, die dann eine Einrichtung 8 zur elektrostatischen Aufladung durchströmen. Darin wird der Teilstrom 3a elektropositiv und der Teilstrom 3b elektronegativ aufgeladen. Anschließend werden die beiden Teilströme

3a, 3b in einer Zone 9 der Konditionierstufe wieder zusammengeführt, wobei sich gegensätzlich aufgeladene Staubpartikel elektrostatisch anziehen und agglomerieren.

Im Gegensatz zur akustischen Agglomeration ist bei dieser elektrostatischen Agglomeration im allgemeinen keine Vorentstaubung erforderlich. Vorzugsweise erfolgt statt dessen eine Nachentstaubung. Wie weitgehend sie erfolgt, hängt von den Wechselwirkungen zwischen den Staubagglomeraten und dem Katalysator ab.