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WO2010072304A1 - Method and device for catalytic denitrification of gas flows from large combustion plants - Google Patents

Method and device for catalytic denitrification of gas flows from large combustion plants Download PDF

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Publication number
WO2010072304A1
WO2010072304A1 PCT/EP2009/008446 EP2009008446W WO2010072304A1 WO 2010072304 A1 WO2010072304 A1 WO 2010072304A1 EP 2009008446 W EP2009008446 W EP 2009008446W WO 2010072304 A1 WO2010072304 A1 WO 2010072304A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas stream
catalytic
carbon dioxide
catalyst
removal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/008446
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Nicole SCHÖDEL
Marianne Ponceau
Florian Winkler
Roland Ritter
Torsten Stoffregen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde Engineering Dresden GmbH
Original Assignee
Linde KCA Dresden GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde KCA Dresden GmbH filed Critical Linde KCA Dresden GmbH
Publication of WO2010072304A1 publication Critical patent/WO2010072304A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation 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
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86Catalytic processes
    • B01D53/8621Removing nitrogen compounds
    • B01D53/8625Nitrogen oxides
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
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    • B01D53/86Catalytic processes
    • B01D53/8621Removing nitrogen compounds
    • B01D53/8625Nitrogen oxides
    • B01D53/8628Processes characterised by a specific catalyst
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation 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
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
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    • B01D53/86Catalytic processes
    • B01D53/8621Removing nitrogen compounds
    • B01D53/8625Nitrogen oxides
    • B01D53/8631Processes characterised by a specific device
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02CCAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/10Capture or disposal of greenhouse gases of nitrous oxide (N2O)

Definitions

  • the invention relates to a method for the catalytic removal of at least part of nitrogen oxides from a gas stream, in particular exhaust gas stream, a
  • power plants ie industrial installations for providing in particular electrical and partly additional thermal power
  • primary energy is used, which is made available after appropriate conversion as useful energy.
  • gas streams are generated which can not be released to the environment without further purification steps.
  • fossil fuels e.g. Coal, petroleum or natural gas
  • waste gas streams containing environmentally harmful components.
  • the problem is especially the formation of nitrogen oxides in the combustion of fossil fuels. These nitrogen oxides can be produced in different ways, for example by oxidation of the nitrogen contained in the combustion air and / or in the fuels.
  • Catalyst arrangements are known (e.g., Shell Lateral Flow Reactor) which can operate at lower temperatures (up to about 180 ° C). However, their application is limited in temperature down by the formation of ammonium salts. Higher sulfur levels in the exhaust gas cause higher operating temperatures to avoid salt formation.
  • the catalyst for denitrification of the exhaust gas stream i. to reduce the nitrogen oxide content of the exhaust stream
  • High Dust arrangement Here, the catalytic treatment is carried out as the first cleaning step for the flue gas before a dust separation or sulfur removal.
  • tail end arrangement The catalytic denitrification is carried out after the dust separation and the desulfurization.
  • a vanadium-titanium oxide catalyst is usually used at a temperature between 300 and 35O 0 C.
  • Germany has set a limit of 100 mg / m 3 for power plants which will be operational from 2013 onwards. Such low values can only be achieved in practice with secondary measures.
  • the catalyst life is greatly reduced due to the high catalyst poison and dust load of the flue gases, as well as dust buildup of the catalyst, salt formation problems, and sulfur dioxide formation Corrosion problems occur Due to the high particulate load, which leads to binding of NH3, increased ammonia consumption and slippage occur.
  • the arrangement of the catalyst in the almost pressure-free region of the flue gas leads in all cases due to the pressure loss to increased energy consumption, which adversely affects the overall energy balance of the power plant.
  • new power plant concepts have been proposed in which the fossil fuel, eg coal, is burned with an oxygen-rich combustion gas, in particular with technically pure oxygen or with oxygen-enriched air (oxygen combustion gas process).
  • the oxygen content of this combustion gas is for example 95 to 99.9% by volume.
  • the resulting flue gas contains mainly carbon dioxide with a share of about 70 to 85 vol%.
  • the aim of these new concepts is to compress the carbon dioxide produced during combustion of the fossil fuels and concentrated in the flue gas in suitable deposits, in particular in certain rock layers or salt water bearing layers, and thus to limit carbon dioxide emissions to the atmosphere. This is intended to reduce the climate-damaging effect of greenhouse gases such as carbon dioxide.
  • Such power plants are referred to in the art as so-called "oxyfuel" power plants.
  • Carbon dioxide-containing gas streams also accumulate in other large-scale combustion plants that are operated with fossil fuels. These include, for example, industrial furnaces, steam boilers and similar large-scale thermal plants for power and / or heat generation. It is conceivable that even such systems are operated with oxygen or oxygen-enriched air, so that carbon dioxide-rich exhaust gas streams are formed, from which the carbon dioxide is separated and a recovery or storage (eg by pressing in the ground) is supplied. In this case, it is also necessary to observe maximum limits for the nitric oxide content.
  • Object of the present invention is to provide a method of the type mentioned above and an apparatus for performing the method so that in an economical manner an effective catalytic nitrogen oxide removal from the gas stream is made possible.
  • this object is achieved in that the catalytic removal of the nitrogen oxides is carried out in a gas stream compressed to a pressure of at least 2 bar.
  • the catalytic denitrification takes place at the end of a purification chain for the gas stream. Accordingly, the compression and catalytic treatment is preceded in particular by dedusting and desulfurization of the flue gas. As a result, the gas stream supplied to the catalyst is substantially free of dust and sulfur, which allows the use of catalysts which operate at low temperatures. This contributes to a further improvement of the heat integration.
  • Oxy-fuel gas processes work (so-called "oxyfuel" plants).
  • a compression of the carbon dioxide-rich exhaust stream is already provided in order to be able to use this or storage.
  • This exhaust gas compression can be used in a technically elegant manner for the purpose of the invention. Accordingly, the catalytic treatment of the gas stream takes place in Range of this exhaust gas compression at elevated pressure.
  • the compressed gas stream is formed by a carbon dioxide-rich exhaust gas stream of a large combustion plant, are burned in the fossil fuels with a combustion gas having a higher oxygen content than air.
  • the compressed, carbon dioxide-rich and low-nitrogen gas stream may be sent for use or storage.
  • it can be pressed into rock layers of the subsurface without the risk of a negative influence on rock formations due to the action of nitrogen oxides.
  • the resulting after carbon dioxide purification gas stream with reduced carbon dioxide content complies with the legal requirements regarding nitrogen oxide emissions after the catalytic Enstickung.
  • a catalyst containing at least one mixed oxide is used for the catalytic removal of nitrogen oxides.
  • Vanadium-titanium oxide is particularly suitable for this purpose.
  • ammonia and / or ammonia-producing derivatives such as urea are preferably used as the reducing agent for the catalytic treatment.
  • a catalyst containing at least one noble metal in particular platinum, which can already be used at temperatures of 100 to 200 ° C.
  • Particularly recommended is the use of a selective noble metal catalyst containing, for example, platinum on a mixed oxide support.
  • hydrogen can be advantageously used as a reducing agent.
  • the reaction can be accelerated by a partial conversion of nitrogen monoxide to nitrogen dioxide in advance become.
  • the catalysts and reducing agents mentioned can also be combined.
  • the gas stream is preferably compressed to a pressure between 2 and 100 bar, particularly preferably between 5 and 50 bar, for the catalytic removal of nitrogen oxides.
  • the catalytic treatment is advantageously carried out at a temperature in the range of 100 to 350 0 C, more preferably in the range of 120 to 250 0 C.
  • the heat required by using the heat of compression due to the compression of the gas stream, by heat exchange in countercurrent, by a Electric heater, an integration into the power plant (eg with steam) or by combinations of the mentioned methods are provided.
  • the concentrations of nitrogen oxides are preferably 200 to 2500 mg / Nm 3 , more preferably 400 to 1000 mg / Nm 3 .
  • the gas stream to be treated contains carbon dioxide as the main constituent (typically more than 70% by volume) and also oxygen (typically 2 to 10% by volume) as well as nitrogen and traces of other gases.
  • Nitric oxide removal is not carried out in the intended for further use or storage, compressed, carbon dioxide-rich gas stream, but in a branched off from this after compression gas stream with reduced carbon dioxide content.
  • This intended for delivery to the atmosphere gas stream is referred to in the art as "vent" gas.
  • the compression is followed by a particular cryogenic purification stage, in which the gas components, which can not be pressed, for example, are separated.
  • a gas stream with increased carbon dioxide content which is supplied for further use or storage, and a separated gas stream with reduced carbon dioxide content, which is released to the atmosphere.
  • the latter gas stream has an increased nitrogen oxide content, so it must be cleaned before being released to the atmosphere.
  • the invention further relates to a device for the catalytic removal of at least a portion of nitrogen oxides from a gas stream, in particular exhaust gas stream, a large combustion plant, in particular a power plant, with a catalyst device downstream of the large combustion plant in the gas flow direction.
  • the stated object is achieved in that the catalyst device is preceded by a gas flow compression device.
  • the gas stream compression device has at least two
  • Compressor stages wherein the catalyst device is arranged in the gas flow direction after the first and before the last compressor stage.
  • the catalyst device is arranged between the first and the second compressor stage, where typically a pressure of 2 to 5 bar prevails. It can also be e.g. be arranged at the end of a pre-compression in a range with a pressure of 10 to 30 bar.
  • the catalyst device advantageously has a honeycomb-shaped carrier structure with a catalytic coating which contains at least one mixed oxide, in particular vanadium-titanium oxide, and / or a noble metal, in particular platinum.
  • the catalyst device has a bed of a catalyst material containing at least one mixed oxide, in particular vanadium-titanium oxide, and / or a noble metal, in particular platinum.
  • the heat produced during the compression of the gas stream can usefully be used to achieve the temperatures required for nitrogen oxide reduction.
  • the catalyst operates at an increased reaction rate.
  • Catalyst achieved an additional acceleration of the catalytic NOx reduction.
  • the invention is suitable for all conceivable large combustion systems in which carbon dioxide-containing gas flows incurred. These include, for example, power plants powered by fossil fuels, industrial furnaces, steam boilers and similar large-scale thermal plants for power and / or heat generation. With particular advantage, the invention can be used in large combustion plants, which are supplied with technically pure oxygen or oxygen-enriched air as fuel gas and which consequently incurred exhaust gas streams with high carbon dioxide concentrations. In particular, the invention is suitable for so-called low-carbon coal-fired power plants, which are operated with oxygen as fuel gas (oxyfuel "power plants) and at where the carbon dioxide contained in the exhaust gas in a high concentration is separated and pressed in the underground (“C02-Ca ⁇ ture Technoiogy").
  • FIG. 1 shows a comparison of block diagrams of a flue gas purification according to the prior art (A) with two variants of the invention (B and C)
  • FIG. 1 shows a conventional flue gas cleaning according to the state of the art ("low-dust arrangement"), in which the exhaust gas stream (flue gas stream) of a combustion boiler K of a coal power plant is first fed to a dedusting unit by means of a filter unit F. catalytic reduction for removal of nitrogen oxide in a catalytic converter unit SCR After that, the flue gas of a flue gas desulfurization REA, for example in a
  • Part of the purified exhaust gas is returned via return line Y to the combustion boiler V of the power plant.
  • a flue gas purification according to the invention is shown for comparison, in which the selective catalytic reduction SCR takes place in the exhaust gas flow after the compression V for comparison.
  • a power plant which operates according to the oxygen combustion gas process ("oxyfuel" power plant).
  • the carbon dioxide-rich exhaust gas obtained in the combustion boiler K is first dedusted in a filter device F analogously to embodiment A.
  • the flue gas desulfurization REA is now preferred according to the invention and carried out in the filter unit F already after the dedusting. A portion of the thus treated exhaust gas is returned to the combustion boiler K for lowering the combustion temperature and thus to reduce the formation of nitrogen oxide via the return line Y.
  • the remaining exhaust gas flow is fed to a compressor V.
  • the compressed exhaust gas stream is fed to the selective catalytic reduction of a catalyst unit SCR.
  • the exhaust gas largely freed from nitrogen oxides is then in a cryogenic purification stage R in a gas stream G, which contains the non-compressible components and a carbon dioxide-rich and largely nitrogen oxide-free exhaust stream, which is provided for the compression P, divided.
  • the selective catalytic reduction in the catalytic converter unit SCR thus does not take place in the almost unpressurised region, but at an increased pressure after the compression of the exhaust gas flow in the compressor V.
  • a variant of the invention in which the selective catalytic reduction takes place in the branched gas stream G ("vent" gas).
  • This variant differs from the embodiment B in that the compressed gas stream compressed in the compressor V is not supplied directly to the catalyst unit SCR, but is first treated in the cryogenic purification R.
  • the non-compressible components are separated from the exhaust stream.
  • the separated gas stream G contains a reduced proportion of carbon dioxide and an increased proportion of nitrogen oxides.
  • the thus purified gas stream G can then be discharged to the environment.
  • the remaining exhaust gas flow with increased carbon dioxide content is the compression P supplied.
  • FIG. 2 shows a detailed view of the compression and catalytic treatment of the exhaust gas flow.
  • the arrangement corresponds to the embodiment B shown in the block diagram of FIG. 1.
  • the carbon dioxide-rich flue gas RG prepurified in the dedusting and desulphurisation system (not shown) is compressed in the present embodiment in a compressor V in two stages to the desired pressure of 15 to 25 bar.
  • the exhaust gas stream already preheated by the compression is further heated against the exhaust gas stream treated in the catalytic converter unit SCR, in order subsequently to be brought to the desired reaction temperature of 140 to 160 ° C. in the following electric heater E.
  • hydrogen is supplied as the reducing agent RD.
  • the selective catalytic reduction finally takes place in the catalyst unit SCR.
  • a selective noble metal catalyst is used in the present embodiment, which has platinum on a mixed oxide carrier.

Landscapes

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  • Catalysts (AREA)

Abstract

The invention relates to a method and to a device for catalytic denitrification of gas flows from large combustion plants, particularly of power plant exhaust gases. In order to achieve effective denitrification in an economically feasible manner, even for so-called "oxyfuel" plants using oxygen as a combustion gas, the invention proposes that the catalytic treatment is performed not in the zero-pressure gas flow, but in a gas flow compressed to a pressure of at least 2 bar.

Description

Beschreibung description

Verfahren und Vorrichtung zur katalytischen Entstickunq von Gasströmen ausProcess and apparatus for the catalytic denitrification of gas streams

Großfeuerungsanlagenlarge combustion plants

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalytischen Entfernung mindestens eines Teils von Stickoxiden aus einem Gasstrom, insbesondere Abgasstrom, einerThe invention relates to a method for the catalytic removal of at least part of nitrogen oxides from a gas stream, in particular exhaust gas stream, a

Großfeuerungsanlage, insbesondere eines Kraftwerks, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.Large combustion plant, in particular a power plant, and a device for carrying out the method.

Zur Sicherstellung der Energieversorgung einer Volkswirtschaft sind Kraftwerke, also industrietechnische Anlagen zur Bereitstellung von insbesondere elektrischer und teilweise zusätzlicher thermischer Leistung, unverzichtbar. In solchen Kraftwerken wird Primärenergie eingesetzt, die nach entsprechender Umwandlung als Nutzenergie verfügbar gemacht wird. Dabei fallen in der Regel Gasströme an, die nicht ohne weitere Reinigungsschritte an die Umwelt abgegeben werden können. Insbesondere in kalorischen Kraftwerken, bei denen fossile Brennstoffe, z.B. Kohle, Erdöl oder Erdgas, verbrannt werden, fallen üblicherweise als Rauchgase bezeichnete Abgasströme an, die umweltschädliche Bestandteile enthalten. Problematisch ist dabei besonders die Bildung von Stickoxiden bei der Verbrennung der fossilen Rohstoffe. Diese Stickoxide können auf unterschiedlichen Wegen, beispielsweise durch Oxidation des in der Verbrennungsluft und/oder in den Brennstoffen enthaltenen Stickstoffs, entstehen. Bisher wird versucht, die Bildung von Stickoxiden durch Primärmaßnahmen zu verringern. So werden z.B. spezielle Verbrennungsverfahren, die mit Luftstufung oder Brennstoffstufung arbeiten, eingesetzt. Auch eine Verringerung der Verbrennungstemperatur durch eine Abgasrückführung resultiert in einer verminderten Stickoxidbildung. Bei Braunkohlekraftwerken können die bisher geltendenIn order to secure the energy supply of an economy, power plants, ie industrial installations for providing in particular electrical and partly additional thermal power, are indispensable. In such power plants primary energy is used, which is made available after appropriate conversion as useful energy. As a rule, gas streams are generated which can not be released to the environment without further purification steps. Especially in caloric power plants where fossil fuels, e.g. Coal, petroleum or natural gas, burned, usually incurred as flue gases referred to waste gas streams containing environmentally harmful components. The problem is especially the formation of nitrogen oxides in the combustion of fossil fuels. These nitrogen oxides can be produced in different ways, for example by oxidation of the nitrogen contained in the combustion air and / or in the fuels. Attempts have been made to reduce the formation of nitrogen oxides by primary measures. Thus, e.g. special combustion processes that work with air staging or fuel staging used. A reduction of the combustion temperature by an exhaust gas recirculation results in a reduced nitrogen oxide formation. For lignite-fired power plants, the previously applicable

Abgasgrenzwerte in der Regel durch Primärmaßnahmen eingehalten werden. Bei Steinkohlekraftwerken sind dagegen bereits heute Sekundärmaßnahmen erforderlich, um den Stickoxidausstoß zu verringern. Dabei haben sich in der Praxis nur die so genannte selektive nicht-katalytische Reduktion (SNCR) und die so genannte selektive katalytische Reduktion (SCR) durchgesetzt. Sollen besonders niedrige Stickoxidwerte im Abgas erreicht werden, so ist die selektive katalytische Reduktion (SCR) das Verfahren der Wahl. Bei der selektiven katalytischen Reduktion wird im Allgemeinen ein Vanadium- Titanoxid-Katalysator mit einer typischen Arbeitstemperatur von 300 bis 450=C eingesetzt. Seltener kommt ein für höhere Temperaturen (350 bis 6000C) geeigneter Zeolith-Katalysator zur Anwendung. Als Reduktionsmittel dienen Ammoniak oder ammoniakbildende Derivate wie z.B. Harnstoff. Es sind auch spezielleExhaust gas limits are usually met by primary measures. Coal-fired power plants, on the other hand, already require secondary measures today in order to reduce nitrogen oxide emissions. In practice, only the so-called selective non-catalytic reduction (SNCR) and the so-called selective catalytic reduction (SCR) have prevailed in practice. If particularly low nitrogen oxide levels in the exhaust gas are to be achieved, selective catalytic reduction (SCR) is the method of choice. In the selective catalytic reduction, a vanadium-titanium oxide catalyst with a typical working temperature of 300 to 450 = C is generally used. Rarer is a suitable for higher temperatures (350 to 600 0 C) suitable zeolite catalyst. The reducing agents are ammonia or ammonia-forming derivatives such as urea. They are also special

Katalysatoranordnungen bekannt (z.B. Shell Lateral Flow Reaktor), die bei niedrigeren Temperaturen (bis ca. 180°C) betrieben werden können. Deren Anwendung ist allerdings bezüglich der Temperatur nach unten durch die Bildung von Ammoniumsalzen beschränkt. Höhere Schwefelgehalte im Abgas bedingen dabei höhere Betriebstemperaturen zur Vermeidung der Salzbildung.Catalyst arrangements are known (e.g., Shell Lateral Flow Reactor) which can operate at lower temperatures (up to about 180 ° C). However, their application is limited in temperature down by the formation of ammonium salts. Higher sulfur levels in the exhaust gas cause higher operating temperatures to avoid salt formation.

Der Katalysator zur Entstickung des Abgasstroms, d.h. zur Reduzierung des Stickoxidgehalts des Abgasstroms, kann üblicherweise an drei verschiedenen Positionen im Abgasstrom eines Kraftwerks eingesetzt werden. Diese Varianten werden in Fachkreisen folgendermaßen definiert:The catalyst for denitrification of the exhaust gas stream, i. to reduce the nitrogen oxide content of the exhaust stream, can usually be used at three different positions in the exhaust stream of a power plant. These variants are defined in professional circles as follows:

1. "High Dust"-Anordnung: Hier wird die katalytische Behandlung als erster Reinigungsschritt für das Rauchgas noch vor einer Staubabscheidung oder Schwefelentfernung durchgeführt.1. "High Dust" arrangement: Here, the catalytic treatment is carried out as the first cleaning step for the flue gas before a dust separation or sulfur removal.

2. "Low Dust"-Anordnung: Die katalytische Behandlung erfolgt hier nach der Staubabscheidung, aber noch vor der Entschwefelung. Dabei wird in der Regel ein Vanadium-Titanoxid-Katalysator oder Zeolith-Katalysator bei einer Temperatur zwischen 300 und 4000C eingesetzt.2. "Low Dust" Arrangement: The catalytic treatment takes place here after the dust separation, but before the desulfurization. In this case, a vanadium-titanium oxide catalyst or zeolite catalyst is used at a temperature between 300 and 400 0 C usually.

3. "Tail End"-Anordnung: Dabei wird die katalytische Entstickung nach der Staubabscheidung und der Entschwefelung durchgeführt. Hierfür wird üblicherweise ein Vanadium-Titanoxid-Katalysator bei einer Temperatur zwischen 300 und 35O0C verwendet.3. "tail end" arrangement: The catalytic denitrification is carried out after the dust separation and the desulfurization. For this purpose, a vanadium-titanium oxide catalyst is usually used at a temperature between 300 and 35O 0 C.

Die gängigen Methoden zur katalytischen Entstickung von Kraftwerksabgasen sind beispielsweise in "Catalytic Air Pollution Contol", R.M. Heck, RJ. Farrauto, van Nostrand Reinhold (1995) beschrieben. Ein Überblick über diese Verfahren wurde auch im 40. Kraftwerkstechnischen Kollloquium 2008; "Zielkonflikt Emissionen und Energieeffizienz"; Prof. M. Beckmann, Prof. U. Gampe, S. Grahl, S. Hellfrisch; TU Dresden, institut für Energietechnik gegeben.The current methods for the catalytic denitrification of power plant exhaust gases are, for example, in "Catalytic Air Pollution Control", RM Heck, RJ. Farrauto, van Nostrand Reinhold (1995). An overview of these processes was also presented in the 40th Power Engineering Collaborative Event 2008; "Conflict of interest emissions and Energy efficiency ", Prof. M. Beckmann, Prof. U. Gampe, S. Grahl, S. Hellfrisch, TU Dresden, Institute of Energy Technology.

Zukünftige Umweltschutzgesetze werden eine weitere Reduzierung des Stickoxidgehalts in Rauchgasen von Kraftwerken vorschreiben. So ist z.B. inFuture environmental laws will prescribe a further reduction in nitrogen oxide levels in power station flue gases. For example, e.g. in

Deutschland für Kraftwerke, die ab dem Jahr 2013 in Betrieb gehen, ein Grenzwert von 100 mg/m3 vorgesehen. Derartig niedrige Werte lassen sich in der Praxis nur mit Sekundärmaßnahmen erreichen.Germany has set a limit of 100 mg / m 3 for power plants which will be operational from 2013 onwards. Such low values can only be achieved in practice with secondary measures.

Alle bisher bekannten Katalysatoranordnungen weisen jedoch insbesondere beim Einsatz in Kohlekraftwerken erhebliche Nachteile auf:However, all previously known catalyst arrangements have considerable disadvantages, in particular when used in coal power plants:

In der "High Dusf'-Anordnung ist die Lebensdauer der Katalysatoren aufgrund der hohen Katalysatorgift- und Staubfracht der Rauchgase stark eingeschränkt. Außerdem treten Verlegungen des Katalysators durch den Staub auf. Probleme verursacht auch die Bildung von Salzen. Darüber hinaus wird Schwefeldioxid gebildet, wodurch Korrosionsprobleme auftreten. Aufgrund der hohen Partikelbelastung, die zu einer Bindung von NH3 führt, treten erhöhter Ammoniakverbrauch und Schlupf auf.In the High Dusf arrangement, the catalyst life is greatly reduced due to the high catalyst poison and dust load of the flue gases, as well as dust buildup of the catalyst, salt formation problems, and sulfur dioxide formation Corrosion problems occur Due to the high particulate load, which leads to binding of NH3, increased ammonia consumption and slippage occur.

Bei der "Low Dusf'-Anordnung ist die Staubbelastung geringer, aber die Salzbildung kann auch hier zu Verlegungen führen. Auch sind die Katalysatorgifte, die die Lebensdauer des Katalysators reduzieren, noch vorhanden. Die Korrosionsproblematik stellt sich ebenfalls.Dust levels are lower in the Low Dusf arrangement, but salt formation can lead to relocations, and the catalyst poisons that reduce catalyst life are still present, and the problem of corrosion also arises.

In der "Tail End"-Anordnung ist die Katalysatorbelastung zwar geringer, dafür muss aber der gesamte Abgasstrom wieder auf die Betriebstemperatur des Katalysators aufgewärmt werden, was energetisch ungünstig ist.Although the catalyst loading is lower in the "tail end" arrangement, the entire exhaust gas flow must be warmed up again to the operating temperature of the catalytic converter, which is energetically unfavorable.

Insgesamt wird bisher die "Low Dust"-Anordnung bevorzugt.Overall, so far the "low dust" arrangement is preferred.

Generell führt die Anordnung des Katalysators im nahezu drucklosen Bereich des Rauchgases in allen Fällen aufgrund des Druckverlustes zu einem erhöhten Energieverbrauch, was die Gesamtenergiebilanz des Kraftwerks negativ beeinflusst. In jüngster Zeit werden neue Kraftwerkskonzepte vorgeschlagen, bei denen der fossile Brennstoff, z.B. Kohle, mit einem sauerstoffreichen Verbrennungsgas, insbesondere mit technisch reinem Sauerstoff oder mit sauerstoffangereicherter Luft, verbrannt wird (Sauerstoffbrenngasverfahren). Der Sauerstoffanteil dieses Verbrennungsgases beträgt z.B. 95 bis 99,9 Vol%. Das dabei entstehende Rauchgas enthält hauptsächlich Kohlendioxid mit einem Anteil von ca. 70 bis 85 Vol%. Ziel dieser neuen Konzepte ist es, das bei der Verbrennung der fossilen Brennstoffe entstehende und im Rauchgas konzentriert vorhandene Kohlendioxid in geeigneten Lagerstätten, insbesondere in bestimmten Gesteinsschichten oder salzwasserführenden Schichten, zu verpressen und somit den Kohlendioxidausstoß zur Atmosphäre zu begrenzen. Dadurch soll die klimaschädliche Wirkung von Treibhausgasen wie Kohlendioxid reduziert werden. Derartige Kraftwerke werden in der Fachwelt als so genannte "Oxyfuel"-Kraftwerke bezeichnet.In general, the arrangement of the catalyst in the almost pressure-free region of the flue gas leads in all cases due to the pressure loss to increased energy consumption, which adversely affects the overall energy balance of the power plant. Recently, new power plant concepts have been proposed in which the fossil fuel, eg coal, is burned with an oxygen-rich combustion gas, in particular with technically pure oxygen or with oxygen-enriched air (oxygen combustion gas process). The oxygen content of this combustion gas is for example 95 to 99.9% by volume. The resulting flue gas contains mainly carbon dioxide with a share of about 70 to 85 vol%. The aim of these new concepts is to compress the carbon dioxide produced during combustion of the fossil fuels and concentrated in the flue gas in suitable deposits, in particular in certain rock layers or salt water bearing layers, and thus to limit carbon dioxide emissions to the atmosphere. This is intended to reduce the climate-damaging effect of greenhouse gases such as carbon dioxide. Such power plants are referred to in the art as so-called "oxyfuel" power plants.

Da auch die Rauchgase dieser Kraftwerke neben Kohlendioxid andere umweltschädliche Bestandteile enthalten, ist wie bei herkömmlichen Kraftwerken eine Rauchgasreinigung erforderlich, um gesetzliche Emissionsvorgaben für Abgasemissionen in die Atmosphäre bzw. Anforderungen hinsichtlich der Kohlendioxidlagerung zu erfüllen. Insbesondere sind beim Transport des kohlendioxidreichen Abgases in Rohrleitungen zu einer weiteren Nutzung oderSince the flue gases of these power plants in addition to carbon dioxide contain other environmentally harmful components, a flue gas cleaning is required as in conventional power plants to meet legal emission requirements for exhaust emissions to the atmosphere or requirements for carbon dioxide storage. In particular, when transporting the carbon dioxide-rich exhaust gas in pipelines for further use or

Lagerung sowie beim Einbringen in Gesteinsformationen bestimmte Höchstgrenzen für den Stickoxidgehalt zu beachten. Bei den bisher bekannten Konzepten erfolgen daher in aufeinander folgenden Schritten eine Entstaubung, Entstickung und Entschwefelung des Rauchgases. Im Anschluss an diese Rauchgasreinigung wird das so aufbereitete, kohlendioxidreiche Abgas verdichtet, um einer weiteren Nutzung oder Lagerung zugeführt zu werden. Die katalytische Stickoxidentfernung erfolgt somit auch hier im drucklosen Bereich vor der Verdichtung des Abgases.Storage and also when introducing into rock formations certain maximum limits for the nitrogen oxide content to be observed. In the previously known concepts, therefore, dedusting, denitrification and desulfurization of the flue gas take place in successive steps. Subsequent to this flue gas cleaning, the thus treated, carbon dioxide-rich exhaust gas is compressed to be supplied for further use or storage. The catalytic nitrogen oxide removal is thus also here in the unpressurized area before the compression of the exhaust gas.

Kohlendioxidhaltige Gasströme fallen auch bei sonstigen Großfeuerungsanlagen an, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Hierzu zählen z.B. Industrieöfen, Dampfkessel und ähnliche thermische Großanlagen zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung. Es ist denkbar, dass auch solche Anlagen mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft betrieben werden, so dass kohlendioxidreiche Abgasströme entstehen, aus denen das Kohlendioxid abgetrennt und einer Verwertung oder Speicherung (z.B. durch Verpressung im Untergrund) zugeführt wird. In diesem FaN sind ebenfaiis Höchstgrenzen für den Stickoxidgehait zu beachten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so auszugestalten, dass auf wirtschaftliche Weise eine effektive katalytische Stickoxidentfernung aus dem Gasstrom ermöglicht wird.Carbon dioxide-containing gas streams also accumulate in other large-scale combustion plants that are operated with fossil fuels. These include, for example, industrial furnaces, steam boilers and similar large-scale thermal plants for power and / or heat generation. It is conceivable that even such systems are operated with oxygen or oxygen-enriched air, so that carbon dioxide-rich exhaust gas streams are formed, from which the carbon dioxide is separated and a recovery or storage (eg by pressing in the ground) is supplied. In this case, it is also necessary to observe maximum limits for the nitric oxide content. Object of the present invention is to provide a method of the type mentioned above and an apparatus for performing the method so that in an economical manner an effective catalytic nitrogen oxide removal from the gas stream is made possible.

Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die katalytische Entfernung der Stickoxide in einem auf einen Druck von mindestens 2 bar verdichteten Gasstrom durchgeführt wird.According to the invention, this object is achieved in that the catalytic removal of the nitrogen oxides is carried out in a gas stream compressed to a pressure of at least 2 bar.

Mit dieser Verfahrensführung ergeben sich erhebliche technische und wirtschaftliche Verbesserungen gegenüber den bisher angewandten Methoden zur katalytischen Entstickung von Abgasströmen von Großfeuerungsanlagen. Aufgrund der durch die Druckerhöhung bewirkten Volumenstromkonzentrierung können deutlich kompaktere Katalysatoreinheiten eingesetzt werden. Außerdem kann die bei der Verdichtung des Abgasstroms anfallende Wärme zur Erwärmung des Abgasstroms auf die optimale Betriebstemperatur des Katalysators genutzt werden. Dadurch wird die Energieeffizienz des Verfahrens erheblich verbessert.With this procedure, there are significant technical and economic improvements over the previously used methods for catalytic denitrification of exhaust gas streams from large combustion plants. Due to the volume flow concentration caused by the pressure increase, significantly more compact catalyst units can be used. In addition, the heat produced during the compression of the exhaust gas flow can be used to heat the exhaust gas flow to the optimum operating temperature of the catalytic converter. This significantly improves the energy efficiency of the process.

Zweckmäßigerweise erfolgt die katalytische Entstickung am Ende einer Reinigungskette für den Gasstrom. Demnach ist der Verdichtung und katalytischen Behandlung insbesondere eine Entstaubung und Entschwefelung des Rauchgases vorgeschaltet. Dadurch ist der dem Katalysator zugeführte Gasstrom weitgehend staub- und schwefelfrei, was den Einsatz von Katalysatoren erlaubt, die bei niedrigen Temperaturen arbeiten. Dies trägt zu einer weiteren Verbesserung der Wärmeintegration bei.Expediently, the catalytic denitrification takes place at the end of a purification chain for the gas stream. Accordingly, the compression and catalytic treatment is preceded in particular by dedusting and desulfurization of the flue gas. As a result, the gas stream supplied to the catalyst is substantially free of dust and sulfur, which allows the use of catalysts which operate at low temperatures. This contributes to a further improvement of the heat integration.

Besondere Vorteile ergeben sich bei einer Anwendung der Erfindung auf Großfeuerungsanlagen, insbesondere Kraftwerke, die nach demParticular advantages arise in an application of the invention to large combustion plants, in particular power plants, according to the

Sauerstoffbrenngasverfahren arbeiten (so genannte "Oxyfuel"-Anlagen). Bei solchen Anlagen ist bereits eine Verdichtung des kohlendioxidreichen Abgasstroms vorgesehen, um dieses einer Nutzung oder Lagerung zuführen zu können. Diese Abgasverdichtung kann auf technisch elegante Weise zum Zwecke der Erfindung genutzt werden. Demnach erfolgt die katalytische Behandlung des Gasstroms im Bereich dieser Abgasverdichtung bei erhöhtem Druck. Bei dieser besonders bevorzugten Variante der Erfindung wird also der verdichtete Gasstrom von einem kohlendioxidreichen Abgasstrom einer Großfeuerungsanlage gebildet, in der fossile Brennstoffe mit einem Verbrennungsgas verbrannt werden, das einen höheren Sauerstoffanteil als Luft aufweist.Oxy-fuel gas processes work (so-called "oxyfuel" plants). In such systems, a compression of the carbon dioxide-rich exhaust stream is already provided in order to be able to use this or storage. This exhaust gas compression can be used in a technically elegant manner for the purpose of the invention. Accordingly, the catalytic treatment of the gas stream takes place in Range of this exhaust gas compression at elevated pressure. In this particularly preferred variant of the invention, therefore, the compressed gas stream is formed by a carbon dioxide-rich exhaust gas stream of a large combustion plant, are burned in the fossil fuels with a combustion gas having a higher oxygen content than air.

In diesem Fall ist es zweckmäßig, einen Teil des kohlendioxidreichen Gasstroms vor der Verdichtung des Gasstroms zur Verbrennung zurückzuführen. Dies bewirkt einerseits aufgrund der Senkung der Verbrennungstemperatur eine Verminderung der Stickoxidbildung bei der Verbrennung. Andererseits wird der dem Katalysator zugeführte Gasvolumenstrom verkleinert, so dass die Katalysatoreinheit noch kompakter ausgeführt werden kann. Aufgrund der Gasrückführung werden die Stickoxide in dem Gasstrom zum Katalysator aufkonzentriert, was aufgrund der i.A. positiven Reaktionsordnung bzgl. der Stickoxidekonzentrationen weiter zur Verkleinerung der Katalysatoreinheit beiträgt.In this case, it is convenient to recycle a portion of the carbon dioxide-rich gas stream prior to compression of the gas stream for combustion. This causes on the one hand due to the reduction of the combustion temperature, a reduction of nitrogen oxide formation during combustion. On the other hand, the gas volume flow supplied to the catalyst is reduced, so that the catalyst unit can be made even more compact. Due to the gas recirculation, the nitrogen oxides are concentrated in the gas stream to the catalyst, which due to the i.A. positive reaction order regarding the nitrogen oxide concentrations further contributes to the reduction of the catalyst unit.

Nach der katalytischen Behandlung kann der verdichtete, kohlendioxidreiche und stickoxidarme Gasstrom einer Nutzung oder Speicherung zugeführt werden. Beispielsweise kann er in Gesteinsschichten des Untergrunds verpresst werden, ohne dass die Gefahr einer negativen Beeinflussung von Gesteinsformationen durch die Einwirkung von Stickoxiden besteht. Der nach einer Kohlendioxidreinigung anfallende Gasstrom mit verringertem Kohlendioxidgehalt erfüllt nach der katalytischen Enstickung die gesetzlichen Vorgaben bzgl. Stickoxidemissionen.After the catalytic treatment, the compressed, carbon dioxide-rich and low-nitrogen gas stream may be sent for use or storage. For example, it can be pressed into rock layers of the subsurface without the risk of a negative influence on rock formations due to the action of nitrogen oxides. The resulting after carbon dioxide purification gas stream with reduced carbon dioxide content complies with the legal requirements regarding nitrogen oxide emissions after the catalytic Enstickung.

Vorzugsweise wird zur katalytischen Stickoxidentfernung ein mindestens ein Mischoxid enthaltender Katalysator verwendet. Hierfür kommt insbesondere Vanadium-Titanoxid in Betracht. Dabei werden als Reduktionsmittel für die katalytische Behandlung bevorzugt Ammoniak und/oder ammoniakerzeugende Derivate wie z.B. Harnstoff eingesetzt. Alternativ kann auch ein mindestens ein Edelmetall, insbesondere Platin, enthaltender Katalysator verwendet werden, der bereits bei Temperaturen von 100 bis 2000C eingesetzt werden kann. Besonders empfehlenswert ist die Verwendung eines selektiven Edelmetallkatalysators, der z.B. Platin auf einem Mischoxid-Träger enthält. In diesem Fall kann mit Vorteil Wasserstoff als Reduktionsmittel eingesetzt werden. Mit entsprechend ausgewählten Katalysatoren kann die Umsetzung durch eine partielle Umwandlung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid im Vorfeld noch beschleunigt werden. Prinzipiell können die genannten Katalysatoren und Reduktionsmittel auch kombiniert werden.Preferably, a catalyst containing at least one mixed oxide is used for the catalytic removal of nitrogen oxides. Vanadium-titanium oxide is particularly suitable for this purpose. In this case, ammonia and / or ammonia-producing derivatives such as urea are preferably used as the reducing agent for the catalytic treatment. Alternatively, it is also possible to use a catalyst containing at least one noble metal, in particular platinum, which can already be used at temperatures of 100 to 200 ° C. Particularly recommended is the use of a selective noble metal catalyst containing, for example, platinum on a mixed oxide support. In this case, hydrogen can be advantageously used as a reducing agent. With appropriately selected catalysts, the reaction can be accelerated by a partial conversion of nitrogen monoxide to nitrogen dioxide in advance become. In principle, the catalysts and reducing agents mentioned can also be combined.

Der Gasstrom wird zur katalytischen Stickoxidentfernung bevorzugt auf einen Druck zwischen 2 und 100 bar, besonders bevorzugt zwischen 5 und 50 bar, verdichtet.The gas stream is preferably compressed to a pressure between 2 and 100 bar, particularly preferably between 5 and 50 bar, for the catalytic removal of nitrogen oxides.

Außerdem erfolgt die katalytische Behandlung vorteilhafterweise bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis 3500C, besonders bevorzugt im Bereich von 120 bis 2500C. Die erforderliche Wärme kann durch Nutzung der Kompressionswärme infolge der Verdichtung des Gasstroms, durch Wärmetausch im Gegenstrom, durch einen Elektroerhitzer, eine Integration in das Kraftwerk (z.B. mit Dampf) oder durch Kombinationen der genannten Methoden bereitgestellt werden.In addition, the catalytic treatment is advantageously carried out at a temperature in the range of 100 to 350 0 C, more preferably in the range of 120 to 250 0 C. The heat required by using the heat of compression due to the compression of the gas stream, by heat exchange in countercurrent, by a Electric heater, an integration into the power plant (eg with steam) or by combinations of the mentioned methods are provided.

Am Eintritt des Gasstroms zur katalytischen Entstickung liegen die Konzentrationen an Stickoxiden vorzugsweise bei 200 bis 2500 mg/Nm3, besonders bevorzugt bei 400 bis 1000 mg/Nm3. Dabei enthält der zu behandelnde Gasstrom als Hauptbestandteil Kohlendioxid (typischerweise über 70 Vol%) und daneben noch Sauerstoff (typischerweise 2 bis 10 Vol%) sowie Stickstoff und Spuren weiterer Gase.At the inlet of the gas stream for catalytic denitrification, the concentrations of nitrogen oxides are preferably 200 to 2500 mg / Nm 3 , more preferably 400 to 1000 mg / Nm 3 . The gas stream to be treated contains carbon dioxide as the main constituent (typically more than 70% by volume) and also oxygen (typically 2 to 10% by volume) as well as nitrogen and traces of other gases.

Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird die katalytischeAccording to a development of the inventive concept, the catalytic

Stickoxidentfernung nicht in dem zur weiteren Nutzung oder Lagerung vorgesehenen, verdichteten, kohlendioxidreichen Gasstrom durchgeführt, sondern in einem von diesem nach der Verdichtung abgezweigten Gasstrom mit vermindertem Kohlendioxidgehalt. Dieser zur Abgabe an die Atmosphäre vorgesehene Gasstrom wird in Fachkreisen als "Vent"-Gas bezeichnet. Bei dieser Variante ist der Verdichtung eine insbesondere kryogene Reinigungsstufe nachgeschaltet, in der die Gasbestandteile, die z.B. nicht verpresst werden können, abgetrennt werden. Auf diese Weise entsteht ein Gasstrom mit erhöhtem Kohlendioxidgehalt, der der weiteren Nutzung oder Lagerung zugeführt wird, und ein abgetrennter Gasstrom mit vermindertem Kohlendioxidgehalt, der an die Atmosphäre abgegeben wird. Der letztgenannte Gasstrom weist einen erhöhten Stickoxidanteil auf, so dass er vor der Abgabe an die Atmosphäre gereinigt werden muss. Da der Gasstrom bereits verdichtet ist, wird bei dieser Verfahrensvariante die katalytische Stickoxidentfernung mit Vorteil in diesem abgezweigten Gasstrom durchgeführt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur katalytischen Entfernung mindestens eines Teils von Stickoxiden aus einem Gasstrom, insbesondere Abgasstrom, einer Großfeuerungsanlage, insbesondere eines Kraftwerks, mit einer der Großfeuerungsanlage in Gasströmungsrichtung nachgeschalteten Katalysatoreinrichtung.Nitric oxide removal is not carried out in the intended for further use or storage, compressed, carbon dioxide-rich gas stream, but in a branched off from this after compression gas stream with reduced carbon dioxide content. This intended for delivery to the atmosphere gas stream is referred to in the art as "vent" gas. In this variant, the compression is followed by a particular cryogenic purification stage, in which the gas components, which can not be pressed, for example, are separated. In this way, a gas stream with increased carbon dioxide content, which is supplied for further use or storage, and a separated gas stream with reduced carbon dioxide content, which is released to the atmosphere. The latter gas stream has an increased nitrogen oxide content, so it must be cleaned before being released to the atmosphere. Since the gas stream is already compressed, in this process variant, the catalytic nitrogen oxide removal is advantageously carried out in this diverted gas stream. The invention further relates to a device for the catalytic removal of at least a portion of nitrogen oxides from a gas stream, in particular exhaust gas stream, a large combustion plant, in particular a power plant, with a catalyst device downstream of the large combustion plant in the gas flow direction.

Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Katalysatoreinrichtung eine Gasstromverdichtungseinrichtung vorgeschaltet ist.On the device side, the stated object is achieved in that the catalyst device is preceded by a gas flow compression device.

Vorzugsweise weist die Gasstromverdichtungseinrichtung mindestens zweiPreferably, the gas stream compression device has at least two

Verdichterstufen auf, wobei die Katalysatoreinrichtung in Gasströmungsrichtung nach der ersten und vor der letzten Verdichterstufe angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist die Katalysatoreinrichtung zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe angeordnet, wo typischerweise ein Druck von 2 bis 5 bar herrscht. Sie kann auch z.B. am Ende einer Vorverdichtung in einem Bereich mit einem Druck von 10 bis 30 bar angeordnet sein.Compressor stages, wherein the catalyst device is arranged in the gas flow direction after the first and before the last compressor stage. Particularly preferably, the catalyst device is arranged between the first and the second compressor stage, where typically a pressure of 2 to 5 bar prevails. It can also be e.g. be arranged at the end of a pre-compression in a range with a pressure of 10 to 30 bar.

Die Katalysatoreinrichtung weist vorteilhafterweise eine wabenförmige Trägerstruktur mit einer katalytischen Beschichtung auf, die mindestens ein Mischoxid, insbesondere Vanadium-Titan-Oxid, und/oder ein Edelmetall, insbesondere Platin, enthält.The catalyst device advantageously has a honeycomb-shaped carrier structure with a catalytic coating which contains at least one mixed oxide, in particular vanadium-titanium oxide, and / or a noble metal, in particular platinum.

Gemäß einer anderen Variante der Erfindung weist die Katalysatoreinrichtung eine Schüttung eines Katalysatormaterials auf, das mindestens ein Mischoxid, insbesondere Vanadium-Titan-Oxid, und/oder ein Edelmetall, insbesondere Platin, enthält.According to another variant of the invention, the catalyst device has a bed of a catalyst material containing at least one mixed oxide, in particular vanadium-titanium oxide, and / or a noble metal, in particular platinum.

Die Erfindung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen:The invention offers a whole series of advantages:

Aufgrund der Verdichtung des Gasstroms und gegebenenfalls der Anordnung der katalytischen Stickoxidentfernung nach der Rückführung eines Teils des Gasstroms zur Großfeuerungsanlage ist der zur katalytischen Stickoxidentfernung führendeDue to the compression of the gas stream and optionally the arrangement of the catalytic nitrogen oxide removal after the return of a portion of the gas stream to the large combustion plant is leading to the catalytic nitrogen oxide removal

Volumenstrom verringert, wodurch eine geringere Baugröße der Apparate ermöglicht wird.Volume flow reduced, whereby a smaller size of the apparatus is made possible.

Da der Katalysator einer geringeren Staub- und Giftlast ausgesetzt ist, ist seine Lebensdauer länger. Die bei der Verdichtung des Gasstroms entstehende Wärme kann sinnvoll zur Erreichung der für die Stickoxidreduktion erforderlichen Temperaturen genutzt werden.Since the catalyst is exposed to a lower dust and poison load, its life is longer. The heat produced during the compression of the gas stream can usefully be used to achieve the temperatures required for nitrogen oxide reduction.

Aufgrund des geringen Schwefeldioxidrestgehalts im Gasstrom ist der Einsatz von Niedertemperaturkatalysatoren möglich, was zu einer weiteren Energieeinsparung führt.Due to the low residual sulfur dioxide content in the gas stream, the use of low-temperature catalysts is possible, which leads to a further energy saving.

Infolge des hohen Stickoxid-Eintrittspartialdrucks arbeitet der Katalysator mit einer erhöhten Reaktionsrate.Due to the high nitrogen oxide inlet partial pressure, the catalyst operates at an increased reaction rate.

Aufgrund der in Anwesenheit von Sauerstoff bei erhöhten Drücken einsetzenden - zumindest teilweisen - Gasphasenumsetzung von NO zu NO2 wird bei geeignetemDue to the fact that in the presence of oxygen at elevated pressures incipient - at least partial - gas phase reaction of NO to NO2 is suitable

Katalysator eine zusätzliche Beschleunigung der katalytischen NOx- Reduktion erreicht.Catalyst achieved an additional acceleration of the catalytic NOx reduction.

Wegen der Gasstromverdichtung vor der katalytischen Behandlung ist der Druckverlust am Katalysator weniger kritisch.Because of the gas stream compression before the catalytic treatment, the pressure loss at the catalyst is less critical.

Aufgrund der im Niederdruckbereich verbliebenen Rauchgasentschwefelung ist der zur Verdichtung und anschließenden katalytischen Entstickung geführte Gasstrom weitgehend schwefelfrei, wodurch Korrosionsprobleme vermieden werden. Schließlich ergibt sich noch ein wesentlicher Vorteil der Erfindung dadurch, dass nur gasförmige Produkte, insbesondere Stickstoff und Wasserdampf, entstehen, so dass keine Entsorgungsprobleme auftreten.Because of the flue gas desulphurisation remaining in the low-pressure range, the gas stream conducted for compression and subsequent catalytic denitrification is largely free of sulfur, which avoids corrosion problems. Finally, there is still a significant advantage of the invention in that only gaseous products, in particular nitrogen and water vapor arise, so that no disposal problems occur.

Die Erfindung eignet sich für alle denkbaren Großfeuerungsanlagen, bei denen kohlendioxidhaltige Gasströme anfallen. Hierzu zählen z.B. mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke, Industrieöfen, Dampfkessel und ähnliche thermische Großanlagen zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung. Mit besonderem Vorteil kann die Erfindung bei Großfeuerungsanlagen eingesetzt werden, die mit technisch reinem Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft als Brenngas versorgt werden und bei denen demzufolge Abgasströme mit hohen Kohlendioxidkonzentrationen anfallen. Insbesondere eignet sich die Erfindung für so genannte CO2-arme Kohlekraftwerke, die mit Sauerstoff als Brenngas betrieben werden (Oxyfuel"-Kraftwerke) und bei denen das im Abgas in hoher Konzentration enthaltene Kohlendioxid abgetrennt und im Untergrund verpresst wird ("C02-Caρture-Technoiogy").The invention is suitable for all conceivable large combustion systems in which carbon dioxide-containing gas flows incurred. These include, for example, power plants powered by fossil fuels, industrial furnaces, steam boilers and similar large-scale thermal plants for power and / or heat generation. With particular advantage, the invention can be used in large combustion plants, which are supplied with technically pure oxygen or oxygen-enriched air as fuel gas and which consequently incurred exhaust gas streams with high carbon dioxide concentrations. In particular, the invention is suitable for so-called low-carbon coal-fired power plants, which are operated with oxygen as fuel gas (oxyfuel "power plants) and at where the carbon dioxide contained in the exhaust gas in a high concentration is separated and pressed in the underground ("C02-Caρture Technoiogy").

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:In the following, the invention will be explained in more detail with reference to embodiments schematically illustrated in the figures:

Es zeigenShow it

Figur 1 einen Vergleich von Blockschaltbildern einer Rauchgasreinigung nach dem Stand der Technik (A) mit zwei Varianten der Erfindung (B und C)1 shows a comparison of block diagrams of a flue gas purification according to the prior art (A) with two variants of the invention (B and C)

Figur 2 eine Detailansicht einer Rauchgasreinigung mit katalytischer Entstickung im verdichteten Abgasstrom2 shows a detailed view of a flue gas cleaning with catalytic denitrification in the compressed exhaust gas flow

In Figur 1 ist als Ausführung A eine herkömmliche Rauchgasreinigung nach dem Stand der Technik dargestellt („Low Dust"- Anordnung). Dabei wird der Abgasstrom (Rauchgasstrom) eines Verbrennungskessels K eines Kohlekraftwerks zunächst einer Entstaubung mittels einer Filtereinheit F zugeführt. Anschließend erfolgt eine selektive katalytische Reduktion zur Stickoxidentfernung in einer Katalysatoreinheit SCR. Danach wird das Rauchgas einer Rauchgasentschwefelung REA, z.B. in einer1 shows a conventional flue gas cleaning according to the state of the art ("low-dust arrangement"), in which the exhaust gas stream (flue gas stream) of a combustion boiler K of a coal power plant is first fed to a dedusting unit by means of a filter unit F. catalytic reduction for removal of nitrogen oxide in a catalytic converter unit SCR After that, the flue gas of a flue gas desulfurization REA, for example in a

Wäsche, unterzogen. Ein Teil des gereinigten Abgases wird über Rücklaufleitung Y zum Verbrennungskessel V des Kraftwerks zurückgeführt.Laundry, subjected. Part of the purified exhaust gas is returned via return line Y to the combustion boiler V of the power plant.

Im vorliegenden Beispiel soll es sich um ein nach dem Sauerstoffbrenngasverfahren arbeitendes Kraftwerk (sog. "Oxyfuel' -Kraftwerk) handeln. Dabei wird die Kohle mit technisch reinem Sauerstoff (Sauerstoffgehalt im Brenngas >95 Vol%) verbrannt. Das kohlendioxidreiche Abgas dieser Verbrennung soll zu einem Großteil in Gesteinsschichten des Untergrunds verpresst werden, um die Kohlendioxidemissionen an die Atmosphäre und die damit verbundenen klimaschädlichen Wirkungen (Treibhauseffekt) zu verringern. Hierzu wird das in den oben beschriebenenIn the present example, it is supposed to be a power plant operating on the basis of the oxygen-fired combustion process ("oxyfuel" power plant), where the coal is combusted with technically pure oxygen (oxygen content in the fuel gas> 95% by volume) A large proportion of them are pressed into rock layers of the subsurface in order to reduce carbon dioxide emissions to the atmosphere and the associated climate-damaging effects (greenhouse effect)

Reinigungsschritten aufbereitete Abgas mittels eines Verdichters V komprimiert und zunächst einer kryogenen Reinigung R zugeführt, in der die nicht verpressbaren Bestandteile abgetrennt und als Gasstrom G ("Vent"-Gas) abgezogen werden. Der verbleibende kohlendioxidreiche Abgasstrom wird schließlich z.B. über Rohrleitungen und Zwischenspeicherbehälter zur Verpressung P geleitet. Bei dieser herkömmiichen Rauchgasreinigung erfoigt somit die selektive kataiytische Reduktion SCR im nahezu drucklosen Bereich vor der Abgasverdichtung.Purification stages treated exhaust gas compressed by a compressor V and first a cryogenic cleaning R supplied in which the non-compressible components are separated and withdrawn as gas stream G ("vent" gas). The remaining carbon dioxide-rich exhaust gas stream is finally passed, for example via pipelines and intermediate storage tank for pressing P. In this conventional flue gas cleaning, the selective catalytic reduction SCR thus takes place in the almost pressureless region before the exhaust gas compression.

In Ausführung B ist zum Vergleich eine Rauchgasreinigung nach der Erfindung gezeigt, bei der die selektive kataiytische Reduktion SCR im Abgasstrom nach der Verdichtung V erfolgt. Dabei wird wie bei der Ausführung A von einem Kraftwerk ausgegangen, das nach dem Sauerstoffbrenngasverfahren arbeitet ("Oxyfuel"- Kraftwerk). Das im Verbrennungskessel K anfallende, kohlendioxidreiche Abgas wird analog zur Ausführung A zunächst in einer Filtereinrichtung F entstaubt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Anordnung wird gemäß der Erfindung nun jedoch die Rauchgasentschwefelung REA vorgezogen und bereits im Anschluss an die Entstaubung in der Filtereinheit F durchgeführt. Ein Teil des so aufbereiteten Abgases wird zum Verbrennungskessel K zur Senkung der Verbrennungstemperatur und somit zur Verminderung der Stickoxidbildung über die Rückführleitung Y zurückgeleitet. Der verbleibende Abgasstrom wird einem Verdichter V zugeführt. Der komprimierte Abgasstrom wird zur selektiven katalytischen Reduktion einer Katalysatoreinheit SCR zugeleitet. Das von Stickoxiden weitgehend befreite Abgas wird dann in einer kryogenen Reinigungsstufe R in einen Gasstrom G, der die nicht verpressbaren Bestandteile enthält und einen kohlendioxidreichen und weitgehend stickoxidfreien Abgasstrom, der für die Verpressung P vorgesehen ist, aufgeteilt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Rauchgasreinigung gemäß der Ausführung A erfolgt somit die selektive kataiytische Reduktion in der Katalysatoreinheit SCR nicht im nahezu drucklosen Bereich, sondern bei einem erhöhten Druck nach der Kompression des Abgasstroms im Verdichter V.In version B, a flue gas purification according to the invention is shown for comparison, in which the selective catalytic reduction SCR takes place in the exhaust gas flow after the compression V for comparison. In this case, as in the embodiment A, a power plant is assumed which operates according to the oxygen combustion gas process ("oxyfuel" power plant). The carbon dioxide-rich exhaust gas obtained in the combustion boiler K is first dedusted in a filter device F analogously to embodiment A. In contrast to the conventional arrangement, however, the flue gas desulfurization REA is now preferred according to the invention and carried out in the filter unit F already after the dedusting. A portion of the thus treated exhaust gas is returned to the combustion boiler K for lowering the combustion temperature and thus to reduce the formation of nitrogen oxide via the return line Y. The remaining exhaust gas flow is fed to a compressor V. The compressed exhaust gas stream is fed to the selective catalytic reduction of a catalyst unit SCR. The exhaust gas largely freed from nitrogen oxides is then in a cryogenic purification stage R in a gas stream G, which contains the non-compressible components and a carbon dioxide-rich and largely nitrogen oxide-free exhaust stream, which is provided for the compression P, divided. In contrast to the conventional flue gas cleaning according to embodiment A, the selective catalytic reduction in the catalytic converter unit SCR thus does not take place in the almost unpressurised region, but at an increased pressure after the compression of the exhaust gas flow in the compressor V.

In Ausführung C ist eine Variante der Erfindung gezeigt, bei der die selektive kataiytische Reduktion im abgezweigten Gasstrom G ("Vent"-Gas) erfolgt. Diese Variante unterscheidet sich von der Ausführung B dadurch, dass der im Verdichter V komprimierte Abgasstrom nicht unmittelbar der Katalysatoreinheit SCR zugeführt wird, sondern zunächst in der kryogenen Reinigung R aufbereitet wird. Dabei werden die nicht verpressbaren Bestandteile vom Abgasstrom abgetrennt. Der abgetrennte Gasstrom G enthält einen verminderten Anteil an Kohlendioxid und einen erhöhten Anteil an Stickoxiden. Zur weitgehenden Entfernung der Stickoxide aus dem zur Abgabe an die Atmosphäre vorgesehenen Gasstrom G wird in der Katalysatoreinheit SCR eine selektive katalytische Reduktion durchgeführt. Der so gereinigte Gasstrom G kann anschließend an die Umgebung abgelassen werden. Der verbleibende Abgasstrom mit erhöhtem Kohlendioxidgehalt wird der Verpressung P zugeführt.In embodiment C, a variant of the invention is shown in which the selective catalytic reduction takes place in the branched gas stream G ("vent" gas). This variant differs from the embodiment B in that the compressed gas stream compressed in the compressor V is not supplied directly to the catalyst unit SCR, but is first treated in the cryogenic purification R. The non-compressible components are separated from the exhaust stream. The separated gas stream G contains a reduced proportion of carbon dioxide and an increased proportion of nitrogen oxides. For the substantial removal of the nitrogen oxides from the gas provided for release to the atmosphere gas stream G is in the catalyst unit SCR performed a selective catalytic reduction. The thus purified gas stream G can then be discharged to the environment. The remaining exhaust gas flow with increased carbon dioxide content is the compression P supplied.

In Figur 2 ist eine Detailansicht der Verdichtung und katalytischen Behandlung des Abgasstroms gezeigt. Dabei entspricht die Anordnung der im Blockschaltbild von Figur 1 gezeigten Ausführung B. Das in der nicht dargestellten Entstaubung und Entschwefelung vorgereinigte, kohlendioxidreiche Rauchgas RG wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Verdichter V in zwei Stufen auf den gewünschten Druck von 15 bis 25 bar komprimiert. In einem nachgeschalteten Gegenstromwärmetauscher W wird der durch die Kompression bereits vorgewärmte Abgasstrom gegen den in der Katalysatoreinheit SCR behandelten Abgasstrom weiter erwärmt, um anschließend im folgenden Elektroerhitzer E auf die gewünschte Reaktionstemperatur von 140 bis 1600C gebracht zu werden. Nach der Verdichtung des Abgasstroms wird Wasserstoff als Reduktionsmittel RD zugeführt. Die selektive katalytische Reduktion findet schließlich in der Katalysatoreinheit SCR statt. Hierzu wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein selektiver Edelmetallkatalysator verwendet, der Platin auf einem Mischoxid-Träger aufweist.FIG. 2 shows a detailed view of the compression and catalytic treatment of the exhaust gas flow. In this case, the arrangement corresponds to the embodiment B shown in the block diagram of FIG. 1. The carbon dioxide-rich flue gas RG prepurified in the dedusting and desulphurisation system (not shown) is compressed in the present embodiment in a compressor V in two stages to the desired pressure of 15 to 25 bar. In a downstream countercurrent heat exchanger W, the exhaust gas stream already preheated by the compression is further heated against the exhaust gas stream treated in the catalytic converter unit SCR, in order subsequently to be brought to the desired reaction temperature of 140 to 160 ° C. in the following electric heater E. After the compression of the exhaust gas stream, hydrogen is supplied as the reducing agent RD. The selective catalytic reduction finally takes place in the catalyst unit SCR. For this purpose, a selective noble metal catalyst is used in the present embodiment, which has platinum on a mixed oxide carrier.

Beispiel: selektiver Edelmetallkatalysator mit Wasserstoff als ReduktionsmittelExample: Selective noble metal catalyst with hydrogen as reducing agent

Pt-Mischoxid-Katalysator ca. 400 ppm NOx, 2,5% O2, 10% N2 in CO2 T ca. 1500C p ca. 25 bargPt mixed oxide catalyst approx. 400 ppm NOx, 2.5% O2, 10% N2 in CO2 T approx. 150 0 C p approx. 25 barg

GHSV ca. 100 000 h-1 U-NOx ca. 90%GHSV approx. 100 000 h-1 U-NOx approx. 90%

Zum Vergleich liegen klassische DeNOx-Anwendungen mit Vanadium/Titanoxidkatalysatoren im näherungsweise drucklosen Bereich beiFor comparison, classic DeNOx applications with vanadium / titanium oxide catalysts are included in the near-zero pressure range

Vergleichbaren Umsetzungen bei einer Raumgeschwindigkeit von 3000 - 10 000 h-1 und Temperaturen von 300 - 4500C. Comparable reactions at a space velocity of 3000 - 10 000 h-1 and temperatures of 300 - 450 0 C.

Claims

Patentansprüche claims 1. Verfahren zur katalytischen Entfernung mindestens eines Teils von Stickoxiden aus einem Gasstrom, insbesondere Abgasstrom, einer Großfeuerungsanlage, insbesondere eines Kraftwerks, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Entfernung der Stickoxide in einem auf einen Druck von mindestens 2 bar verdichteten Gasstrom durchgeführt wird.1. A method for the catalytic removal of at least a portion of nitrogen oxides from a gas stream, in particular exhaust stream, a large combustion plant, in particular a power plant, characterized in that the catalytic removal of the nitrogen oxides is carried out in a compressed to a pressure of at least 2 bar gas stream. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der verdichtete Gasstrom von einem kohlendioxidreichen Abgasstrom einer Großfeuerungsanlage gebildet wird, in der fossile Brennstoffe mit einem Verbrennungsgas verbrannt werden, das einen höheren Sauerstoffanteil als Luft aufweist.2. The method according to claim 1, characterized in that the compressed gas stream is formed by a carbon dioxide-rich exhaust stream of a large combustion plant in which fossil fuels are burned with a combustion gas having a higher oxygen content than air. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des kohlendioxidreichen Gasstroms vor der Verdichtung des Gasstroms zur Verbrennung zurückgeführt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that a portion of the carbon dioxide-rich gas stream is recirculated to the combustion prior to the compression of the gas stream. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der verdichtete kohlendioxidreiche Gasstrom nach der katalytischen Stickoxidentfernung einer Nutzung oder Speicherung zugeführt wird.4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the compressed carbon dioxide-rich gas stream after the catalytic nitrogen oxide removal of a use or storage is supplied. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur katalytischen Stickoxidentfernung ein mindestens ein Mischoxid, insbesondere Vanadium-Titan-Oxid, enthaltender Katalysator verwendet wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the catalytic nitrogen oxide removal at least one mixed oxide, in particular vanadium-titanium oxide containing catalyst is used. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur katalytischen Stickoxidentfernung ein mindestens ein Edelmetall, insbesondere Platin, enthaltender Katalysator verwendet wird.6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that for the catalytic removal of nitric oxide, a catalyst containing at least one noble metal, in particular platinum, is used. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom auf einen Druck zwischen 2 und 100 bar, insbesondere zwischen 5 und7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the gas stream to a pressure between 2 and 100 bar, in particular between 5 and 50 bar, verdichtet wird. 50 bar, is compressed. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Stickoxidentfernung bei einer Temperatur von 100 bis 350 ,°=C] insbesondere 120 bis 2500C, durchgeführt wird.8. The method according to any one of claims 3 to 7, characterized in that the catalytic nitrogen oxide removal at a temperature of 100 to 350, ° = C] in particular 120 to 250 0 C, is performed. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur katalytischen Stickoxidentfernung ein Reduktionsmittel, insbesondere Ammoniak und/oder Harnstoff und/oder Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid und/oder ein Kohlenwasserstoff, verwendet wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the catalytic nitrogen oxide removal, a reducing agent, in particular ammonia and / or urea and / or hydrogen and / or carbon monoxide and / or a hydrocarbon is used. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der verdichtete kohlendioxidreiche Gasstrom einer Reinigungsstufe zugeführt wird, von der ein Gasstrom mit erhöhtem Kohlendioxidgehalt abgezogen wird, welcher der Nutzung oder Speicherung zugeführt wird, und ein Gasstrom mit verringertem Kohlendioxidgehalt abgezogen wird, welcher an die Atmosphäre abgegeben wird, wobei die katalytische Stickoxidentfernung in dem Gasstrom mit verringertem10. The method according to any one of claims 2 to 9, characterized in that the compressed carbon dioxide-rich gas stream is fed to a purification stage, from which a gas stream with increased carbon dioxide content is withdrawn, which is supplied to the use or storage, and a gas stream with reduced carbon dioxide content is withdrawn , which is discharged to the atmosphere, wherein the catalytic nitrogen oxide removal in the gas stream with reduced Kohlendioxidgehalt durchgeführt wird.Carbon dioxide content is carried out. 11. Vorrichtung zur katalytischen Entfernung mindestens eines Teils von Stickoxiden aus einem Gasstrom, insbesondere Abgasstrom, einer Großfeuerungsanlage, insbesondere eines Kraftwerks, mit einer der Großfeuerungsanlage in11. An apparatus for the catalytic removal of at least a portion of nitrogen oxides from a gas stream, in particular exhaust gas stream, a large combustion plant, in particular a power plant, with a large combustion plant in Gasströmungsrichtung nachgeschalteten Katalysatoreinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatoreinrichtung eine Gasstromverdichtungseinrichtung vorgeschaltet ist.Gas flow direction downstream catalyst device, characterized in that the catalyst device is connected upstream of a gas flow compression device. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die12. The device according to claim 11, characterized in that the Gasstromverdichtungseinrichtung mindestens zwei Verdichterstufen aufweist, wobei die Katalysatoreinrichtung in Abgasströmungsrichtung nach der ersten und vor der letzten Verdichterstufe angeordnet ist.Gas stream compression device has at least two compressor stages, wherein the catalyst device is arranged in the exhaust gas flow direction after the first and before the last compressor stage. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die13. The apparatus according to claim 11 or 12, characterized in that the Katalysatoreinrichtung eine wabenförmige Trägerstruktur mit einer katalytischen Beschichtung aufweist, die mindestens ein Mischoxid, insbesondere Vanadium- Titan-Oxid, und/oder ein Edelmetall, insbesondere Platin, enthält. Catalyst device has a honeycomb-shaped support structure with a catalytic coating containing at least one mixed oxide, in particular vanadium-titanium oxide, and / or a noble metal, in particular platinum. 14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinrichtung eine Schüttung eines Katalysatormaterials aufweist, das mindestens ein Mischoxid, insbesondere Vanadium-Titan-Oxid, und/oder ein Edelmetall, insbesondere Platin, enthält. 14. The apparatus of claim 11 or 12, characterized in that the catalyst device comprises a bed of a catalyst material containing at least one mixed oxide, in particular vanadium-titanium oxide, and / or a noble metal, in particular platinum.
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