AT399668B - Verfahren zum verhindern von feststoffablagerungen an dampfeintrittsöffnungen - Google Patents

Description

AT 399 668 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verhindern von Feststoffablagerungen an Dampfeintrittsöffnungen in Vorrichtungen zur Behandlung von Feststoffteiichen mit Dampf, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der Behandlung von Feststoffteilchen mit Dampf kann es dazu kommen, daß die zu behandelnden Feststoffteilchen beim Kontakt mit flüssigen Wasser zu einer betonartigen Masse erstarren. Dies beispielsweise dann, wenn für die Sorption von Schadstoffen aus Rauchgasen feste Sorbentien eingesetzt werden, z.B. in einem mit Kohle gefeuerten Kraftwerk, bei weichem Calciumcarbonat als Sorbens benützt und dieses dann gemeinsam mit der Asche der verfeuerten Kohle abgeschieden wird. Wird diese Asche mit einer geringen Menge (19-25% Wasser) in Kontakt gebracht, so erstarrt sie binnen kurzer Zeit zu einer betonartigen Konsistenz.

Es wurde daher zur Vermeidung derartiger Entwicklungen das in der Asche enthaltene CaO mit Dampf in völlig trockenem Zustand, also ohne Auftreten einer Feuchte, behandelt und dieses CaO in eine reaktionsfähige Form, nämlich in Ca(OH)2, Ubergeführt Dieses Ca(OH>2 wird dann in die Rauchgase rückgeführt, um dort weiteres SO2 zu absorbieren. Analog dazu wurde auch bereits vorgeschlagen, Ca(OH)2 als Sorbens in Rauchgasen direkt einzusetzen, was aber den Nachteil hat, daß das Ca(OH)2 ein sehr teures Produkt ist, sodaß der Einsatz von Ca(0H)2 im großtechnischen Maßstab wirtschaftlich nachteilig ist.

Es hat sich daher die Behandlung mit trockenem Wasserdampf als besonders günstig herausgestellt. Obwohl die Behandlung des Sorbens mit trockenem Wasserdampf erfolgt, kommt es bei nicht richtiger Konstruktion und Betriebsweise der Behandlungsvorrichtung immer wieder zu Krustenbildung in der Nähe des Dampfeintrittes in diese Vorrichtung. Diese Krusten wirken insofern betriebsstörend, als sie immer weiter wachsen, bis sie schließlich die Funktion der gesamten Vorrichtung beeinträchtigen.

Untersuchungen ergaben, daß der Dampf, wie er in einem Kraftwerk zur Verfügung steht, in der Regel naß ist. Es handelt sich dabei normalerweise um einen Abzapfdampf aus der Turbine und der wird zudem noch über eine längere, verhältnismäßig kleine Rohrleitung zur Behandlungsvorrichtung geführt. Durch den Wärmeverlust in der Rohrleitung kondensiert Wasser, welches dann in flüssiger Form auf das Sorbens gelangt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zu vermeiden, daß sich Feststoffablagerungen im Bereich der Dampfeintrittsöffnungen bilden können, bzw. in solchem Maße bilden können, daß sie die Funktion der gesamten Vorrichtung beeinflußen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die zu behandelnden Feststoffteilchen quer oder weitgehend quer zum Dampfstrom über den Mündungsrand der Dampfeintrittsöffnung in den Dampfstrom hineingeführt werden. Dadurch wird erreicht, daß die Feststoffteiichen aufgrund ihrer Bewegung eine abrasive Wirkung ausüben und damit den Mündungsrand der Dampfeintrittsöffnungen von Ablagerungen freihalten, bzw. falls sich dort etwas ablagern sollte, dies sofort wieder entfernen.

Vorteiihafterweise kann der Dampf mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 350 m/s, vorzugsweise 150 -250 m/s aus der Dampfeintrittsöffnung auströmen gelassen werden, wobei diese Öffnung von einem ebenen oder schwach konischen Bereich umgeben wird. Dadurch werden die Feststoffteiichen selbsttätig quer zur Ausströmrichtung des Dampfes über den Randbereich der Dampfeintrittsöffnung geführt, und zwar dadurch, daß sie aufgrund der Injektorwirkung durch den Dampfstrahl angesaugt und quer zur Dampfström-richtung beschleunigt werden. Um zu errreichen, daß möglichst schon das Entstehen von Ablagerungen im Bereich der Dampfaustrittsöffnungen im Keim unterbunden wird, kann der Dampf vor Durchtritt durch die Dampfeintrittsöffnung vom Kondensat getrennt werden.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und zwar insbesondere bei einer Vorrichtung zur Aktivierung von Sorbensteilchen zur Behandlung von Abgasen von Feuerungen fossiler Brennstoffe, ist erfindungsgemäß für die Dampfeinbringung in einer Behandlungskammer in deren unteren Bereich wenigstens eine Düse vorgesehen, deren Stirnfläche normal zur Düsenachse oder konisch zu dieser geneigt verläuft, wobei die Breite der Stirnfläche gleich oder größer ist als die Austrittsöffnung der Düse, .vorzugsweise größer als 5 mm. Aufgrund der Lage und Größe der Stirnfläche der Düsen wird die entsprechende Führung der Feststoffteiichen quer zur Ausströmrichtung der Düsen erzielt.

Dabei kann die Neigung der konischen Stirnfläche zur Düsenachse einen halben Kegelwinkel zwischen 45 und 135* einschließen, innerhalb dessen die gewünschte abrasive Wirkung der Feststoffteiichen auf die Ablagerungen erreicht wird. Für eine besonderes gute Ausnützung des Dampfes innerhalb der Behandlungsvorrichtung kann die Düse nach oben, vorzugsweise senkrecht nach oben, gerichtet sein, wobei im Falle der Anordnung mehrerer Düsen, diese nicht mehr als 10' zur Senkrechten geneigt sind. Dadurch erfolgt eine Beschleunigung der Feststoffteiichen nach oben innerhalb der Behandlungskammer, so daß sie eine möglichst lange Zeit innerhalb des Dampfstromes verbleiben, wodurch eine gute Aktivierung bzw. Umwandlung der 2

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Sorbensteilchen in Ca(OH)2 erfofgt. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann die Düse, bzw. die Düsen in einer Austrageleitung einer konischen Behandlungskammer vorgesehen sein, wobei die Düsenmündung unterhalb der Einmündung der Austrageleitung in das untere Ende der konischen Behandlungskammer angeordnet ist, und zwar mindestens in Entfernung von 1,5 Durchmesser der Düsenöffnung. Dadurch wird erreicht, daß die Sorbensteilchen möglichst mehrmals den Behandlungszylus durchlaufen, da die aufgrund der Schwerkraft abwärts strömenden Feststoffteilchen aufgrund der Sogwirkung wieder in den Dampfstrah! eingesaugt werden. Zu diesem Zweck kann das Verhältnis von Durchmesser der Austrageleitung zum Durchmesser der Düsenmündung zwischen 20 und 60 liegen. Um die gewünschte Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes aus der Düse zu erreichen, kann die Düsenmündung durch eine Verengung der Dampfzuführungsieitung gebildet sein, wobei das Verhältnis des Durchmessers der Dampfzuführungsleitung zum Durchmesser der Düsenmündung größer als 2 vorzugsweise größer als 2,5 ist. Dadurch wird die gewünschte Beschleunigung des Dampfstromes erreicht. Um zu verhindern, daß bereits kondensierte Flüssigkeit bis zur Düse gelangt, kann in der Dampfzufuhrleitung vor der Düse ein Zyklon zur Abscheidung von Wassertröpfchen vorgeschaltet sein.

Die Erfindung wird anhand der angeschlossenen Zeichnungen näher erläutert Figur 1 zeigt ein Ts-Diagramm aus welchem die Verhältnisse bei der Entspannung eines Dampfes von 3 bar auf 1 bar dargestellt sind. Figur 2 veranschaulicht schematisch die Verhältnisse an einer herkömmlichen Dampfeintrittsdüse. Figur 3 gibt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Düse wieder. Figur 4 zeigt eine Abwandlung der Düsenform gemäß Figur 3. Figur 5 gibt einen Ausschnitt aus der Behandlungskammer wieder, und zwar ist das untere Ende der Kammer dargestellt, von welcher eine Austrageleitung wegführt in welcher die Dampfeintrittsdüse angeordnet ist.

Praktischerweise hat jeder Behälter unten eine Austragsöffnung mit einem Verschlußorgan, im gegebenen Fall z.B. ein Zellenrad. Der Austrag des Feststoffes aus dem Behandlungsraum kann aber auch (evtl, zusätzlich) an anderer Stelle erfolgen; eine beispielhafte Lösung ist ein pneumatischer Austrag vertikal nach oben, wie er in der PCT-Anmeldung 90 911 272.4 (AT 90/00075), Fig.2, Pos.1, dargestellt ist. Der Aktivierungsdampf dient dann gleichzeitig als Fördermittel.

Wenn im Behandlungsraum ein Betriebsdruck von beispielsweise 1 bar absolut herrscht und ein Sattdampf mit einem Druck von 3 bar mittels einer Düse zugeführt wird, dann entspannt sich der Sattdampf in der Düse entlang einer Adiabate wie sie in Figur 1 im Ts-Diagramm als Linie 12' dargestellt ist. Dies bedeutet, daß aufgrund der Umwandlung von Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie in der Düse die Temperatur des Dampfes sinkt und dabei Wasser auskondensiert. Nach Austritt des Dampfes aus der Düse führt die Geschwindigkeitsenergie zu einer Verwirbelung, sodaß die Zustände entlang der Linie 2-3 bzw. 3-4 der Figur 1 auftreten, was zu einer Erwärmung und somit zur Wiederverdampfung der Wassertropfen führt. Bei Punkt 4 ist der Wasserdampf trocken und überhitzt. Ein geringer Teil der Wassertropfen schlägt sich an der Düsenwand nieder und fließt als Film im Inneren der Düse in Richtung des strömenden Dampfes zum Rand der Düse. Dort trifft dieser Wasserfilm auf das feinkörnige Sorbens und bildet mit ihm sofort eine feste Masse. In Fig. 2 sind diese Verhältnisse wiedergegeben, und zwar anhand eines herkömmlichen Düsenrohres 10. Durch dieses Düsenrohr 10 strömt Dampf D in Richtung zur Mündungsöffnung 11 hin. Vor dieser Mündungsöffnung 11 ist an der Innenseite des Rohres 10 ein Wasserfilm 15 wiedergegeben, welcher durch die Kondensierung der Rüssigkeit aus dem Dampf auftritt. Diese Flüssigkeit wird mit der Dampfströmung D in Richtung der Mündung 11 vorgeschoben, wobei am Mündungsrand ein festes Gebilde 14 entsteht, welches durch das Zusammentreffen von Sorbens und Wasser gegeben ist. Zusätzlich ist zu bedenken, daß die Innenwand der Düse wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit die niedere Temperatur-des entspannten Dampfes annimmt, sodaß auch die Außenwand 17 der Düse eine niedere Temperatur annimmt und sich dort der mit dem Sorbens vermischte Dampf niederschlagen wird, Dies führt zur Bildung weiterer Ablagerungen, welche in Rgur 2 mit 16 bezeichnet ist. Hat sich einmal ein Ansatz von solchen Ablagerungen gebildet, dann wachsen diese Ablagerungen weiter bis die Behandlungsvorrichtung funktionsunfähig ist.

Das Auftreten von Kondensat an der Düsenmündung könnte dadurch vermieden werden, daß überhitzter Dampf verwendet wird, der nie unter die Linie 13 in Rgur 1 abgekühlt wird. Diese Möglichkeit scheidet aus verfahrenstechnischen und wirtschaftlichen Gründen aus, weil ein überhitzter Dampf in der Turbine noch arbeitsfähig ist, und weil die Aktivierung des Sorbens um so wirksamer ist, je niedriger die Temperatur in der Behandlungsvorrichtung ist. Der Aufbau von Ablagerungen an der Düsenmündung kann jedoch auch, wie dies durch vorliegende Erfindung vorgenommen wird, mechanisch verhindert werden, und zwar dadurch, daß der Aufbau von Ablagerungen durch dauernden mechanischen Abtrag vermieden wird. Diese Möglichkeit der Verhinderung des Aufbaues von Ablagerungen wird mittels der in den Rguren 3 und 4 dargestellten Düse erreicht. In Figur 3 ist mit 20 die Dampfzuleitung bezeichnet, in welcher durch die Verengung 23 eine Düse gebildet wird, deren Austrittsöffhung 22 in einer ebenen Fläche 21 angeordnet ist. 3

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Gemäß Figur 4 ist diese ebene Fläche nicht, wie in Rgur 3 dargestellt, senkrecht zur Düsenachse, sondern weist einen Kegelwinkel a auf. Dieser Kegelwinkel beträgt in der Darstellung gemäß Rgur 4 110* kann aber im Bereich zwischen 45° und 135° liegen. Die beste Wirkung wird allerdings bei einem Kegelwinkel a von etwa 90 · erreicht werden. 5 In Figur 5 ist die Anordnung der Düse in einer Behandlungsvorrichtung dargestellt, und zwar handelt es sich beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 um eine Behandiungskammer, welche durch einen konisch verlaufenden unteren Teil 24 begrenzt ist, wobei von dem konischen unteren Teil 24 eine Austrageleitung 25 wegführt, die über die Mündungsöffnung 28 mit dem Inneren der Behandlungskammer verbunden ist. In diese Austrageieitung ist die Düse 23 eingebaut, und zwar derart, daß die obere Begrenzungsfläche 21 der io Düse von der Mündungsöffnung 28 die Entfernung G aufweist Das Maß G beträgt dabei vorzugsweise 0 ä Gä 1,5 J, wobei J der Durchmesser der Mündungsöffnung 28 ist. Die in Rgur 3 mit B bezeichnete Breite der ringförmigen Stirnfläche soll gleich oder größer als der Durchmesser E der Mündungsöffnung 22 sein, wobei B ä 5 mm sein soll. Dadurch werden die gewünschten abrasiven Wirkungen an der Fläche 21 erreicht Um genügend Feststoff von der Seite her zur Düse zu fließen zu lassen, ist pro Düse ein is Mindestquerschnitt J für den Umgebungsbereich um die Düse 23 notwendig. Das Verhältnis von J zu E sollte 20 < J/E sein. Anderseits sollte das Verhältnis J/E nicht größer als 60 sein, um sicherzustellen, daß in der Behandlungskammer keine nicht vom Feststoff durchströmten Ecken gegeben sind. Um ein sicheres Zufließen des Sorbens zur Düse zu gewährleisten, sollte der Winkel ß, also der Wandungswinkel des konischen Teils 24 der Behandlungskammer zur Senkrechten kleiner als 45 ° vorzugsweise kleiner als 20 * 20 sein. Diese Verhältnisse sind auch sinngemäß dann anzuwenden, wenn mehrere Düsen vorgesehen sind. Die gleichmäßigste Beströmung der Düsenstirnfläche ist dann gesichert, wenn die Düse senkrecht und zentral im Querschnitt J steht. Im Falle der Verwendung mehrerer Düsen sollen deren Achsen um nicht mehr als 10° von der Senkrechten abweichen. Es soll auch sichergestellt sein, daß durch die Verengung 23 die Beschleunigung der Dampfgeschwindigkeit erst im Düsenmund stattfindet und nicht schon vorher. Nur 25 die kurze Strecke des Düsenmundes soll kalt sein (Punkt 2' in Rgur 1). Rndet die Beschleunigung schon vorher statt, dann wird eine zu große Räche der Düse von innen gekühlt und es tritt das in Rgur 2 dargestellte Problem hinsichtlich des Kondensationfilmes 15 auf. Um eine ausreichende Beschleunigung im Düsenmund sicherzustellen, sollte das Verhältnis H Durchmesser der Dampfleitung 20) zu E (Durchmesser der Düsenmündung) gleich oder größer 2 sein. 30 Bei Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zunächst ähnlich wie in Rgur 2 ein Wasserfilm 26 entlang der Düsenwand aus der Düse 23 fließen und an der Kante mit der Fläche 21 einen Grat aus feuchtem Sorbens aufbauen. Der mit hoher Geschwindigkeit austretende Dampfstrahl saugt, wie jeder Freistrahl, aus seiner Umgebung Fluid an. Das Fluid, welches im vorliegenden Fall zur Verfügung steht, ist das feinkörnige (pulverige) Sorbens, vermischt mit dem früher ausgetretenen Dampf. Diese Mischung aus 35 Dampf und Sorbens befindet sich in fluidisiertem Zustand. Diese angesaugte Masse wird vom Dampfstrahl in der Austrittsrichtung des Dampfstrahls E wegtransportiert. Neue Masse strömt entlang der Stromlinien C nach. Wichtig für die Funktion (Sauberhalten der Fläche 21) ist jene Sorbensmasse, die über die Fläche 21 gleitet. In Folge der hohen Strömungsgeschwindigkeit wird die Sorbensmasse jede Art von Aufbau, der sich am Düsenrand bildet, sofort wegerodieren. Es hat sich sogar als notwendig erwiesen, diese Düse aus einem 40 besonders harten Werkstoff zu fertigen, damit sie nicht in sehr kurzer Zeit an der Flache 21 verschleißt. Die Reaktion zwischen, den Sorbensteilchen 27 und dem austretenden Dampf findet im Wirbelbereich S statt.

Bei einer Düsenkonstruktion gemäß Rgur 2 würden die Sorbensteilchen 18 in unmittelbarer Nähe des Düsenmundes parallel mit der Außenwand der Düse und damit parallel mit der Strömungsrichtung des Dampfes angesaugt. Die Stirnseite der Düse 10 nach Figur 2 wird nicht von der Sorbensmasse umsptilt, 45 sodaß es zum Aufbau der Ablagerungen 14 an der Düsenmündung kommt. Bei einer gemäß Rgur 2 ausgebildeteten dünnwandigen Düse ergibt sich weiters das Problem, daß die Düsenwand auf der Innenseite die niedrige Temperatur des mit hoher Geschwindigkeit strömenden Dampfes annehmen wird. Die Außenseite der dünnwandigen Düse wird damit auf eine Temperatur unter dem Taupunkt des mit dem Sorbens vermischten Dampfes abgekühlt. Die Folge davon ist, daß der mit dem Sorbens vermischte Dampf so sich an der Außenseite der Düse gleichfalls niederschlägt und dort einen zusätzlichen Aufbau von Ablagerungen 16 bildet.

Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Düse ist somit die mechanische Entfernung von eventuellen Ablagerungen von der Stirnfläche der Düse. Dies erfolgt wie schon vorlegend dargelegt durch die entsprechende Dimensionierung der Düse und auch dadurch, daß der Dampf mit ausreichender Geschwin-55 digkeit austreten gelassen wird, um das fluidisierte Material von der Düse wegtransportieren zu können, damit frisches Material nachfließt und dieses frische nachfließende Material selbst eine ausreichend erodierende Wirkung hat Die Dampfgeschwindigkeit muß daher größer als 100 m/sec, vorzugsweise größer als 150 m/sec sein. 4

Claims (10)

1. AT 399 668 B Die in Figur 5 dargestellte Behandlungskammer kann Teil einer Rauchgasaufbereitungsanlage sein, wobei die Behandlungskammer von oben her mit dem vom Rauchgastrom abgeschiedenen Sorbens befültt wird, wobei über die Leitung 20 von unten her Dampf zur Erzielung einer Wirbelschicht eingebracht wird. Überschüssiges Sorbensmaterial kann über die Austrageleitung 25 abgeführt und in den Behandlungskreis-s lauf rückgeführt oder aber aus dem Prozeß ausgeschieden werden. Patentansprüche 1. Verfahren zum Verhindern von Feststoffablagerungen an Dampfeintrittsöffnungen in Vorrichtungen zur io Behandlung von Feststoffteilchen mit Dampf, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnden Feststoffteilchen quer oder weitgehend quer zum Dampfstrom über den Mündungsrand der Dampfeintrittsöffnung in den Dampfstrom hineingeführt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf mit einer Geschwindigkeit von 75 50 - 350 m/s, vorzugsweise 150 - 250 m/s aus der Dampfeintrittsöffnung ausströmen gelassen wird, wobei diese Öffnung von einem ebenen oder schwach konischen Bereich umgeben wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf vor Durchtritt durch die Dampfeintrittsöffnungen vom Kondensat getrennt wird. 20
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere eine Vorrichtung zur Aktivierung von Sorbensteilchen zur Behandlung von Abgasen von Feuerungen fossiler Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß für Dampfeinbringung in eine Behandlungskammer in deren unterem Bereich wenigstens eine Düse (23) vorgesehen ist, deren Stirnfläche (21) normal zur 25 Düsenachse oder konisch zu dieser geneigt verläuft, wobei die Breite (B) der Stirnfläche (21) gleich oder größer ist als der Durchmesser der Austrittsöffnung (22) der Düse (23), vorzugsweise größer als 5 mm ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der konischen Stirnfläche 30 (21) zur Düsenachse einen halben Kegelwinkel (ct) zwischen 45“ und 135 * einschließt
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (23) nach oben, vorzugsweise senkrecht nach oben, gerichtet ist und daß im Falle der Anordnung mehrerer Düsen diese nicht mehr als 10“ zur Senkrechten geneigt sind. 35
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (23) bzw. die Düsen in einer Austrageleitung (25) einer konischen Behandlungskammer (24) vorgesehen ist, wobei die Düsenmündung (22) in Höhe oder unterhalb der Einmündung (28) der Austrageleitung (25) in das untere Ende der konischen Behandlungskammer (24) angeordnet ist, wobei die Entfernung der Düsenanordnung maxi- 4o mal den 1,5fachen Durchmesser (J) der Mündung (28) der Austrageleitung (25) beträgt.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Durchmesser (J) der Austrageleitung (25) zum Durchmesser (E) der Düsenmündung (22) zwischen 20 und 60 liegt.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenmündung (22) durch eine Verengung der Dampfzufuhrleitung (20) gebildet ist, wobei das Verhältnis des Durchmessers (H) der Dampfzufuhrleitung (20) zum Durchmesser (E) der Düsenmündung (22) größer als zwei, vorzugsweise größer als zweieinhalb ist. so
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Dampfzufuhrleitung (20) vor der Düse (23) ein Zyklon zur Abscheidung .von Wassertröpfchen vorgeschaltet ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 55 5