BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Anlage für eine thermische, und gegebenenfalls eine physikalische und/oder chemische Behandlung mindestens eines Gasstromes, der in einer turmartigen Anordnung ein schwerkraftangetriebenes, vertikal fliessendes Bett aus festem, körnigen Schüttgut im Gegenstrom zu dem Festkörperfluss durchsetzt.
Die thermische Behandlung - Abkühlung und Aufheizung - von verschmutzten Gasen mit einem zweiten Gas bereitet in konventionellen Wärmetauschern, wie indirekten Röhrcn - oder Plattenwärmetauschern oder Drehluftvorwärmern mit mechanischem Wärmetransport, Schwierigkeiten; denn derartige Wärmetauscher können verstopfen, oder die Wärmeübergangsleistungen können durch Verbackungen zwischen den Lamellen stark reduziert werden. Enthalten die verschmutzten Gase darüberhinaus korrosiv wirkende Verunreinigungen, beispielsweise Chlorwasserstoff in Rauchgasen, so entstehen an den Metalloberflächen der Wärmetauscher kaum beherrschbare Korrosionen einerseits auf der Hochtemperaturseite und anderseits auf der kalten Seite bei Taupunktunterschreitungen.
Es ist bekannt (CH-PS 121 769), zur Kokskühlung Wärme von als Schüttgut körniger Konsistenz vorliegendem Koks, der durch einen vertikalen Schachtbehälter abwärtsrieselt, auf einen im Gegenstrom dazu geführten Gasstrom zu überträgen, der im Kreislauf geführt und in einem konventionellen, indirekten Wärmetauscher wieder abgekühlt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die thermische Behandlung von Gasen, besonders von verschmutzten und/oder korrosiven Gasen, zu verbessern. Unter Verwendung des aus der Kokskühlung bekannten Grundgedankens wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, dass in turmartigen Anordnungen der Anlage mindestens zwei bezüglich des Schüttgutflusses hintereinander liegende, je von einem Gasstrom durchsetzte Behandlungsstufen vorgesehen sind, dass ferner das Schüttgut in der Anlage im Kreislauf führbar ist, und dass schliesslich eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, durch die der Mengenfluss des Schüttgutes durch die Behandlungsstufen derart steuerbar wird, dass er sich zum Mengenstrom der zu behandelnden Gase mindestens annähernd umgekehrt proportional verhält, wie die spezifischen Wärmen von Schüttgut und Gasstrom,
wobei für den Mengenfluss folgende Gleichung gilt: worin Gs = GG X cpG/cps, Gs Massenstrom Schüttgut
GG Massenstrom Gas c0 spezifische Wärme des Gases c,s spezifische Wärme des Schüttguts bedeuten.
Die neue Anlage arbeitet dabei im Gegensatz zu konventionellen Wärmetauschern im direkten Wärmetausch. Weiterhin findet in den turmartigen Anordnungen in den vom Gas durchströmten Schüttgutschichten ein praktisch vollständiger Temperaturausgleich zwischen Gas und Schüttgut statt. Wenn der Schüttgutsfluss daher im Kreislauf in Abhängigkeit von dem Gasstrom entsprechend dem Verhältnis der spezifischen Wärmen beider gesteuert wird, wird ein praktisch vollständiger Übergang der gewinnbaren Wärmemengen vom Gas auf das Schüttgut und umgekehrt erreicht.
Als Schüttgut kann dabei Material gewählt werden, das sich gegen die Gase inert verhält. Als inertes Material, das auch für hohe Temperaturen geeignet ist und im Säuretaupunkt nicht angegriffen wird, sind beispielsweise Keramikkugeln anzusehen; diese haben mit Vorteil einen konstanten Durchmesser von beispielsweise 50 mm. Bei Temperaturen unter 150 "C können auch Gummikugeln verwendet werden.
Andere geeignete Schüttgutmaterialien sind Metallkugeln, Granit, Porphyr, Kies, Kieselsteine oder gebrochener Kalkstein (CaCo3) mit Korngrössen von 5-100 mm.
Bei einem Teil der genannten Naturprodukte stellt sich beim Anfahren des Systems ein Abrieb ein, bis die Ecken der einzelnen Körner abgerundet sind. Zwischen beiden Behandlungsstufen, die in auf unterschiedlichen Niveauhöhen liegenden, getrennten Gehäusen untergebracht sein können, können daher Behandlungsstufen für das Schüttgut vorgesehen sein. Dabei kann beispielsweise Luft oder ein anderes Gas in einem Windsichter durch das Schüttgut mit einer Geschwindigkeit von 1-4 m/sec geblasen werden, um die Feinanteile des Abriebes auszulüften. Eine Abtrennung der Feinanteile über Siebe mit einer Maschenweite von 2-5 mm ist ebenfalls möglich.
Als Werkstoff für die turmartigen Anordnungen dienen bei nicht korrosiven Gasen Stahl oder Kesselblech; bei höheren Temperaturen ist gegebenenfalls eine Innenauskleidung aus feuerfestem Material, beispielsweise Schamotte, vorzusehen. Für Anlagen, in denen korrosive Gase behandelt werden, werden rostfreie Werkstoffe verwendet.
Die Druckverluste in den turmartigen Anordnungen und damit der Energiebedarf wird von den Schüttguthöhen bestimmt. Dabei hängt die Höhe der Schüttung auch vom Querschnitt der Anordnungen ab. Bei einer Querschnittsfläche von 1-1,5 m2 ist beispielsweise eine Schüttguthöhe von 2 - 5 m ausreichend; bei Flächen von 30 m2 - 50 m2 sind dagegen Schüttungshöhen von 5-8 m erforderlich. um eine gleichmässige Gasverteilung im Schüttgut zu erreichen. Der Druckverlust auf der Gasseite beträgt dann beispielsweise zwischen 5-20 mbar.
Die die beiden Behandlungsstufen durchsetzenden Gasströme können verschieden sein, wobei z. B. der eine ein verschmutztes Gas und der andere ein Reingas ist. Weiterhin ist es jedoch auch möglich, dass der gleiche Gasstrom beide Behandlungsstufen durchsetzt, wobei er zwischen beiden Stufen einem thermischen, chemischen und/oder physikalischen Prozess unterworfen ist. Zur Vergleichmässigung der Temperaturverteilung über dem Querschnitt der turmartigen Anordnungen ist es zweckmässig, wenn in den Behandlungsstufen Strömungsleiter- und/oder Mischelemente vorgesehen sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer turmartigen Anordnung, die das Kernstück der neuen Anlage bildet;
Fig. 2 ist schematisch eine erste Anlage, in der der gleiche Gasstrom beide Behandlungsstufen durchsetzt;
Fig. 3 gibt eine ähnliche Anlage wie Fig. 2 für eine andere Aufgabe wieder;
Fig. 4 schliesslich ist eine Anlage, in der zwei verschiedene Gase behandelt werden.
Die turmartige Anordnung zur thermischen Behandlung von Gasen enthält zwei je in einem Stahlgehäuse 1 bzw. 2 beliebigen Querschnitts untergebrachte Behandlungsstufen A und B. Das Gehäuse 1 der Behandlungsstufe A, das sich unten trichterartig verengt und mit seinem Trichter 3 auf das Gehäuse 2 der Behandlungsstufe B aufgesteckt ist, hat eine Gaseintrittsöffnung 4 im Bodenbereich und mehrere Gasaustrittsöffnungen 5 nahe seiner Decke 6. In diese mündet über einen Stutzen 7 eine nicht gezeigte Zuführleitung, über die das körnige Schüttgut 8 in die Behandlungsstufe A eingespeist wird. Die Gasaustrittsöffnungen 5 sind mit einem Ringkanal 9 verbunden, aus dem eine Gasleitung 10 zu weiteren Behandlungsstationen für die Gase, z. B. zu einem in Fig. 1 nicht gezeigten Filter, abzweigt.
Durch eine Abschirmung 11, die den Gaseintritt 4 dachartig abdeckt, wird in Strömungsrichtung der Gase nach der Eintrittsöffnung 4 ein von Schüttgut 8 freier Hohlraum 13 gebildet, durch den die Verteilung der einströmenden Gase auf das Schüttgut 8 erleichtert wird.
Falls in der Anordnung Temperaturen über 600 ç C erreicht werden, sind die Gehäuse 1 und 2 bzw. Teile davon mit einer feuerfesten Auskleidung 12, beispielsweise aus Schamotte, versehen.
Der grundsätzliche Aufbau des Gehäuses 2 der Behandlungsstufe B ist gleich demjenigen für das Gehäuse 1 der Behandlungsstufe A. Auch beim Gehäuse 2 ist unten ein Gaseintritt 15 vorgesehen, der bei der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion in einen Ringraum 16 führt; dieser Ringraum 16 wird von einer trichterartigen, mit Durchtrittsöffnungen 17 für das Gas versehenen Jalousie 18 begrenzt, bei der die Durchtrittsöffnungen 17 ebenso wie der überwiegende Teil des Gehäuseinneren mit Schüttgut 8 gefüllt sind. Der Trichter der Jalousie 18 endet in einem Rohr 14, in dem für einen geregelten Transport oder Mengenfluss des Schüttgutes 8 eine Zellenradschleuse 20 vorhanden ist. Oberhalb des Schüttgutkegels ist im Gehäuse 2, ähnlich wie im Gehäuse 1, ein mit Gas gefüllter Hohlraum vorhanden. aus dem ein Gasaustritt 21 wegführt.
Wie bereits erwähnt, durchsetzt das Schüttgut 8 die Gehäuse 1 und 2 bzw. die Behandlungsstufen A bzw. B aufgrund der Schwerkraftwirkung in einem kontinuierlichen Strom, der über die Zellenradschleuse 20 geregelt wird. Im Gegenstrom dazu strömt in jeder Behandlungsstufe Gas von unten nach oben.
Ein über den Querschnitt der Gehäuse 1 und 2 im Schüttgut 8 gleichmässiges Temperaturprofil kann durch in den Schüttgutstrom eingebaute statische Mischelemente 22 und oder tropfenförmige Verdrängungskörper 23 erreicht bzw.
verbessert werden. Weiterhin ist es möglich, die Zellenschleuse 20 durch mehrere parallele Schleusen (Fig. 4) zu ersetzen oder stattdessen andere gebräuchliche Siloaustragsvorrichtungen, wie Förderbänder oder Schubböden, vorzusehen.
In der Anlage nach Fig. 2 durchsetzt der gleiche Gasstrom beide Behandlungsstufen A und B; sie dient beispielsweise der Reinigung eines verunreinigten Abluftstromes, dessen Verunreinigungen z. B. aus Kohlenwasserstoffen bestehen. Die Reinigung erfolgt durch eine thermische Nachverbrennung, die zwischen beiden Behandlungsstufen A und B durchgeführt wird. Die verschmutzte Luft wird dabei zunächst vorgewärmt; durch Zufuhr von Primärenergie in Form von Öl oder Gas erfolgt dann eine direkte Aufheizung bei gleichzeitiger Verbrennung und Oxidation der organischen Verunreinigungen. Je intensiver die Abluft dabei vorgewärmt wird, umso weniger Primärenergie muss für die direkte Nachverbrennung aufgewendet werden.
Für die Vorwärmung des zu behandelnden d.h. nachzuverbrennenden Abluftstromes, dient dabei die Behandlungsstufe B, während die Behandlungsstufe A eine zweifache Aufgabe hat. Zum einen wird in ihr die gereinigte, d. h.
nachverbrannte Abluft, wiederum bis auf Temperaturen von etwa 30 C abgekühlt, mit denen sie - nach Durchgang durch ein nachgeschaltetes Feinfilter 25 - in die Atmosphäre ausgeblasen werden kann. Zum anderen wird in der Behandlungsstufe A die Wärme aus dem heissen Abluftstrom zurückgewonnen, die dann in der Stufe B zur Vorwärmung der zu behandelnden Luft genutzt wird.
Der Wärmeentzug aus dem Gas und der Wärmeübergang auf das Gas erfolgen über das schwerkraftangetriebene, abwärtsfliessende Schüttgut 8 als Wärmeträger- und Wärmetransportmedium aus der Stufe A in die Stufe B.
Theoretisch kann das Schüttgut am Austritt 24 aus der oberen Behandlungsstufe A auf die Eintrittstemperatur des Gases in diese Stufe aufgeheizt sein, die beispielsweise bis zu 800 C beträgt. Entsprechend ist das Gas am Austritt 33 aus der Stufe A auf die Wärmeträgereintrittstemperatur von etwa 30 C abgekühlt. Durch externe Wärmezufuhr sind daher nur die Wärmeverluste des Systems zu decken, so dass der Primärenergiebedarf sehr gering ist.
Die turmartige Anordnung 30 entspricht, abgesehen von geringfügigen Änderungen, der im Zusammenhang mit Fig. 1 ausführlich beschriebenen Ausführungsform; daher werden zur Bezeichnung ihrer Elemente weitergehend die in Fig. 1 verwendeten Bezugsziffern benutzt. Die erwähnten Änderungen bestehen darin, dass der Gaseintritt 15 in die Behandlungsstufe B in einen, das Gehäuse 2 aussen umschliessenden Ringkanal 31 führt, von dem aus auf dem Mantelumfang des Gehäuses 2 verteilte Öffnungen 32 den Eintritt des Gases in das abwärts fliessende Schüttgut 8 ermöglichen. Dieses besteht z. B. aus Kieselsteinen oder Kalkstein mit Korndurchmessern von 5-50 mm. Weiterhin ist der Ringkanal des Gasaustrittes aus der Behandlungsstufe A ersetzt durch einen einzigen Austritts-Stutzen 33 für das gereinigte Gas.
Die zu reinigende Abluft wird als das zu behandelnde Gas der Anlagen bzw. der Anordnung 30 über eine Leitung 35 zugeführt. Ihre Gesamtmenge wird mit Hilfe einer Ap Messung 36 bestimmt. ehe vor dem Gaseintritt 15 des Ge häuses 7 eine mit Hilfe eines absperrbaren Drosselorgans 39 veränderbare Teilmenge über eine Zweigleitung 37, gefördert von einem Ventilator 38, als Verbrennungsluft einem Brenner 40 zufliesst. Als Primärbrennstoffwird diesem Öl oder Gas über eine Brennstoffleitung 41 zugeführt, in der ein Absperr- und Drosselorgan 42 vorhanden ist.
Aus einer von diesem Brenner 40 betriebenen Verbrennungskammer 43, in die über eine vom Gasaustritt 21 der Behandlungsstufe B kommende Leitung 44 die vorgewärmte verunreinigte Abluft eingespeist wird. führt eine Leitung 45 die heissen Verbrennungsgase über den Gaseintritt 4 der Stufe A in den Hohlraum 13. Angesaugt von einem Ventilator 46 in der vom Gasaustritt 33 zum Filter 25 führenden Reingasleitung 47.
durchsetzen die heissen Verbrennungsgase aus dem Hohlraum 13 das in der Stufe A abwärtsfliessende Schüttgut 8, wobei sie sich auf etwa 30 DC abkühlen und das Schüttgut 8 aufheizen. so dass es an seinem Austritt 24 aus der Stufe A nahezu 800 C heiss ist.
Wie erwähnt, erfolgt die zur Verminderung des Bedarfs an Primärenergie durchgeführte Vorheizung der verunreinigten Abluft in der Stufe B. Die Abluft tritt in diese mit etwa 25-30 C über den Ringkanal 31 ein und wird im Gegenstrom zum Schüttgut 8 auf etwa 775 DC aufgeheizt, wobei sich das Schüttgut 8 von nahezu 800 dz an der Stelle 24 auf etwa 30 C im Bereich der Zellenradschleuse 20 abkühlt. Von dieser gelangt das Schüttgut 8 über eine Bandwaage 48, mit der sein Mengenfluss gemessen wird, in ein Gurtbecherwerk 49. durch das es über eine Leitung 50 dem Anschluss-Stutzen 7 in der Decke 6 der Stufe A zugeleitet wird.
Um den optimalen Wärmeaustausch von Gas auf das Schüttgut und umgekehrt zu gewährleisten. der zur Erreichung der genannten Temperaturwerte notwendig ist, ist es erfindungsgemäss erforderlich, den Mengenfluss des ab wärtsfliessenden Schüttgutes 8 in Abhängigkeit von der Menge des zu behandelnden Gases zu steuern. Im vorliegenden Beispiel ist diese Gasmenge der der Anlage in der Leitung 35 zufliessende Gasstrom, der mit Hilfe der Mengenmesseinrichtung 36 gemessen wird. Deren Messwerte fliessen über eine Signalleitung 51 einem Rechner und Regler 52 zu.
Als weiteres Eingangssignal gelangt ein Messwert für den Mengenstrom des zirkulierenden Schüttgutes 8 über eine weitere Signalleitung 53 zum Rechner 52; dieser Messwert für den Schüttgutfluss wird ermittelt durch einen Mengenmesser 54 an der Bandwaage 48.
Der Rechner und Regler 52 regelt mit seinem Ausgangssignal. das über eine Leitung 55 auf den Antrieb 56 für die Zellenradschleuse 20 gelangt. den Mengenfluss des Schüttgutes 8 so. dass er sich. wie gefordert. zu dem Gasmengenstrom in der Leitung 35 mindestens annähernd umgekehrt proportional verhält wie die spezifischen Wärmen von zu behandelndem Gas und Schüttgut. Es gilt somit für den Mengenfluss Gs des Schüttgutes 8 die Beziehung Gs = GG x CpG cp5. wobei GG der Mengenstrom des zu behandelnden Gases. CpG dessen spezifische Wärme bei konstantem Druck und cps die spezifische Wärme des Schüttgutes 8 sind.
Die relevanten Daten für die im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebene Abluftreinigung seien nun nochmals tabellarisch zusammengefasst: zu behandelndes Gas Abluft Verunreinigungen organische Lösungsmit tel.
vorwiegend Kohlenwas serstoffe Volumenstrom der Abluft 40 000 Nm3/h mittlere Dichte der Abluft 1.29 kg/m3 mittlere spezifische Wärme der Abluft CpG 1.07 kJ/kg C Gastemperatur Eintritt Stufe B 25 C Behandlungstemperatur 800 DC Gastemperatur Austritt Stufe B 750 ;
;C Gastemperatur Eintritt Stufe A 800 C Gastemperatur Austritt Stufe A 35 DC Schüttgut Kieselsteine oder Kalk stein (CaCO3) Korngrösse 5 - 50 mm spezifische Wärme Schüttgut Cps 0.83 kJ/kg-C Schüttgutmengenfluss 66.500 kg/h Schüttguttemperatur Eintritt
Stufe A 30DC Schüttguttemperatur Austritt
Stufe A 775DC Schüttguttemperatur Eintritt
Stufe B 775DC Schüttguttemperatur Austritt
StufeB 30'C
In Fig. 3 wird eine Anlage gezeigt, die mit derjenigen nach Fig. 2 praktisch identisch ist. Verschieden ist lediglich, dass die Verbrennungsluft für den Brenner 40 nicht aus dem zu behandelnden Gasstrom abgezweigt, sondern über eine separate Leitung 57 in die Anlage eingespeist wird.
Weiterhin ist zwischen der Bandwaage 48 und dem Förderer 49 ein vibriertes Sieb 58 vorgesehen, durch das aus dem körnigen Schüttgut 8 durch Abrieb entstandener Staub ausgeschieden und entfernt wird, ehe das Schüttgut in die Stufe A zurückgeführt wird. Selbstverständlich müssen diese Schüttgutverluste ersetzt werden, was über eine Leitung 59, die in die Leitung 50 einmündet, erfolgen kann.
Als Anwendungsbeispiel für die Anlage nach Fig. 3 ist eine NOx-Abscheidung aus Rauchgasen nach dem SCR (Selektive katalytische Reduktion-) Verfahren zugrundegelegt. Bei diesem Verfahren werden die NOx-Schadstoffe in einer katalytischen Reaktion bei Temperaturen von 350-400 DC mit Ammoniak zu Stickstoff und Wasser umgesetzt.
Die Zuführung des Ammoniak erfolgt dabei über eine Leitung 60 in die Leitung 35, ehe das zu behandelnde Rauchgas in die Anlage eingespeist wird.
Die Reaktion findet in einem in der Leitung 44 der Verbrennungskammer 43 vorgeschalteten Reaktor 61 statt, der mit Vanadiumpentoxid auf einem Keramikträger als Katalysator gefüllt ist. Der Brenner 43 und die Brennkammer 44 haben bei dieser Anwendung der Anlage lediglich die Aufgabe, die für die katalytische Umsetzung notwendige Rauchgastemperaturen von 350 - 400 DC zu erzeugen; mit Hilfe des Brenners 43 wird dabei das Schüttgut 8 in der Stufe A auf die erforderliche Temperatur aufgeheizt, während in der Stufe B der Wärmeübergang von Schüttgut 8 auf das zu behandelnde Gas erfolgt.
Falls beispielsweise eine Kühlung des zu behandelnden Gases zwischen den Stufen A und B notwendig ist, können Brenner 40 und Brennkammer 43 auch durch Gaskühler, beispielsweise Gaswäscher. ersetzt sein; eine solche Variante der Fig. 3 ist nicht ausdrücklich dargestellt. da in der Anlage lediglich die für die thermische Behandlung erforderlichen, zwischen dem Gasaustritt 21 und dem Gaseintritt 4 gelegene Elemente zwischen den Behandlungsstufen A und B ausgetauscht werden müssen.
Die Anlage nach Fig. 4 dient zur Nutzung grosser Abwärmemengen. wie sie beispielsweise in den Rauchgasen bei der Zementherstellung anfallen. In dieser Anlage, bei der die turmartige Anordnung in zwei räumlich voneinander ge trennte Teilanordnungen 30a und 30b getrennt ist, werden die Behandlungsstufen A und B von zwei voneinander völlig unabhängigen Gasströmen durchsetzt.
Die im Gehäuse 1 untergebrachte Behandlungsstufe A ist mit den heissen, mit Staub verunreinigten - das zu behandelnde Gas bildenden - Rauchgasen aus der Zementherstellung beaufschlagt. Diese Rauchgase werden über eine Leitung 63, in der der Gasmengenmesser 36 eingebaut ist, dem Gaseintritt 4 der Stufe A zugeführt. Dieser steht in dem gezeigten Beispiel mit einem Hohlraum 16 und Durchtrittsöffnungen 17 in Verbindung, wie sie ausführlich für den Gaseintritt 15 der Stufe B im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben sind. Die Rauchgase werden in der Stufe A vom Schüttgut 8 abgekühlt, wobei das Schüttgut 8 sich etwa auf die Rauchgastemperatur von 360 "C aufheizt und gleichzeitig als Staubfilter wirkt.
Vom durch eine Zellenschleuse 20 verschlossenen Austritt 24 der auf höherem Niveau gelegenen Stufe A gelangt das verunreinigte Schüttgut 8 in einen Windsichter 64, von dem es über eine Leitung 65 in den Zuführstutzen 66 der Stufe B fliesst. In dieser wird zur Abwärmenutzung und die Abwärme der Zementherstellung vom Schüttgut 8 an ein Reingas abgegeben, das über den Gaseintritt 15 aus einer Leitung 72 unten in die Stufe B einfliesst und diese über den Gasaustritt 21 durch die Leitung 44 wieder verlässt.
Der Windsichter 64 besteht aus einer vibrierenden Rutsche 67, auf der von unten über einen Lochboden ein Luftstrom durch das Schüttgut 8 geblasen wird, um den Staub auszublasen und mit dem Luftstrom wegzutransportieren.
Der Luftstrom wird dabei in einem geschlossenen Kreislauf 68 geführt, in dem ein Ventilator 69 die Strömung aufrechterhält. In einem Zyklon 70 wird der Luftstrom von Staub befreit. Der im Zyklon 70 abgeschiedene Staub, der ein wertvolles Produkt darstellt, wird - ebenso wie derjenige, der aus dem gereinigten, die Stufe A verlassenden Gasstrom im Feinfilter 25 abgeschieden wird - zu dem Zementherstellungsprozess zurückgeführt.
Da das Schüttgut 8 am Austritt 24 aus der Stufe A seine maximale Temperatur aufweist, heizen sich der Windsichter 64 sowie der Kreislauf 68 beim Anfahren der Anlage auf eine Temperatur von etwa 360 oC auf. Die bei der Zwischensichtung des Schüttguts auftretenden Wäremverluste werden dabei in engen Grenzen gehalten, da der Reinigungsluftstrom im geschlossenen Kreislauf 68 geführt ist. Zusätzlich sind die die Zwischensichtung umfassenden Anlageteile mit hochwirksamen Wärmeisolationen versehen, was nicht ausdrücklich dargestellt ist.
Im Gegenstrom zum sich abkühlenden Schüttgut 8 fliesst als wärmeaufnehmendes Medium durch die Stufe B ein Reingasstrom, der, gefördert von einem Ventilator 71, durch die Leitung 72 in die Stufe B etwa mit Umgebungstemperatur eintritt und von dem Schüttgut 8 bis zu seinem Austritt aus der Stufe B auf etwa 350 C aufgeheizt wird. Die diesen Heissgasstrom aufnehmende an den Gasaustritt 21 anschliessende Leitung 44, aus der eine mit einem Regelorgan 73 versehene Leitung 74 abzweigt, führt zu einem Abhitzekessel 75 für eine Dampferzeugung. Der abgekühlte Reingasstrom kann nach dem Austritt aus dem Kessel 75 entweder in die Zementherstellung - beispielsweise als Verbrennungsluft für den Drehofen - oder in die Stufe B über die Leitung 72 und 76 zurückgeführt werden.
Es ist jedoch auch möglich, die heissen Reingase dem Drehofen direkt zuzuleiten, was durch die Leitung 77 angedeutet ist. Die Nutzung der Wärme des Reingases in einem Abhitzekessel 75 wird dabei vorwiegend in bereits bestehenden Anlagen zur thermischen Verbesserung angewendet, während die Rückführung der heissen Reingase als Verbrennungsluft in den Drehofen bei Neuanlagen bevorzugt wird.
Die Austrittstemperatur des Schüttgutes 8 aus der Stufe B und damit seine Eintrittstemperatur in die Stufe A können zur Regelung der Temperatur der die Stufe A durch die Leitung 47 verlassenden Abgase herangezogen werden. Zur Regelung dieser Schüttgutaustrittstemperatur wird dabei die Menge des in die Behandlungsstufe B eintretenden Reingases in der Leitung 72 benutzt. Diese Menge wird durch ein Regelorgan 78 bestimmt, das von einem Regler 79 gesteuert wird, der die Messwerte eines Temperaturfühlers 80 aufnimmt, mit einem einstellbaren Sollwert vergleicht und die Reingasmenge entsprechend verändert. Der Temperaturfüh ler 80 misst dabei die Schüttguttemperatur vor der Bandwaage 48.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemässen Anlage zur Abwärmenutzung gegenüber konventionellen Anlagen, bei denen aus dem Abgas in einem Abhitzekessel Dampf er zeugt wird, wobei sich die Abgase lediglich auf etwa 230 "C abkühlen - siehe Technische Rundschau Sulzer 65 (1963) Heft 2, Seite 20 bis 22 - liegt darin, dass eine relativ einfache Konstruktion für den Abhitzekessel verwendet werden kann, da dieser nur von dem Reingasstrom aus der Stufe B beaufschlagt wird. Weiterhin können die Abgase auf eine erheblich tiefere Temperatur abgekühlt werden, weil die Entstaubung nicht in einem Elektro-Filter durchgeführt werden muss.
Dabei kann die Temperatur, mit der die Abgase die Anlage oder die Leitung 47 verlassen, durch eine Steuerung der Schüttguttemperatur am Austritt aus der Stufe B in Verbindung mit der Steuerung des Schüttgut-Mengenflusses praktisch auf eine beliebig niedrige Temperatur eingestellt werden. Hierbei ist es möglich, die Abgase bis unter den Taupunkt abzukühlen, ohne dass eine Gefahr des Verstopfens der Wärmerückgewinnungsanlage besteht. Damit ist auch die Einsatzmöglichkeit eines einfachen Tuchfilters 25 wegen der niedrigen Gastemperaturen und dem relativ kleinen Abgasvolumen gegeben.
Bei einer eventuellen Abkühlung des Schüttgutes 8 unter den Abgastaupunkt, stellen sich an der Oberfläche des Schüttgutes 8 im Bereich des Abgasaustrittes 33 am oberen Ende der Stufe A gegebenenfalls feuchte Bedingungen ein, wodurch noch eine weitere Flugstaubabscheidung an das Schüttgut 8 stattfindet. Allerdings muss die Abluft dann vor dem Eintritt in den Filter 25 - indirekt durch eine Fremdheizung 81 oder durch direkte Heissluftzufuhr, wofür die bereits erwähnte, aus der Leitung 44 abzweigende Leitung 74 dient - wieder erwärmt werden.
Der Gasstrom durch die Leitung 74 wird dabei beispielsweise von der durch einen Fühler 82 erfassten Austrittstemperatur des Gases aus der Stufe A geregelt. Selbstverständlich ist es möglich, durch konventionelle Regelungen die Aufteilung des heissen Reingasstromes auf die Leitungen 44 und 74 über das Regelorgan 73 zu beeinflussen. Ebenso ist es möglich, die Aufteilung des abgekühlten Reingases zwischen einer Zirkulation über die Leitungen 76 und 72 und einer Verwendung in der Zementherstellung zu steuern und zu verändern.
Als Schüttgut 8 wird in der Anlage nach Fig. 4 mit Vorteil Kalkstein eingesetzt; denn ein Abrieb wird dann in der Zwischensichtung im Zyklon 70 ebenfalls abgetrennt und kann mit dem restlichen Flugstaub aus dem Filter 25 in die Zementproduktion eingespeist werden. Die Verluste durch Abrieb werden durch frischen Kalkstein über die Leitung 59 ersetzt.
DESCRIPTION
The invention relates to a system for a thermal and, if appropriate, a physical and / or chemical treatment of at least one gas stream which, in a tower-like arrangement, passes through a gravity-driven, vertically flowing bed of solid, granular bulk material in countercurrent to the flow of solids.
The thermal treatment - cooling and heating - of contaminated gases with a second gas causes difficulties in conventional heat exchangers, such as indirect tube or plate heat exchangers or rotary air preheaters with mechanical heat transport; because such heat exchangers can clog or the heat transfer performance can be greatly reduced by caking between the fins. If the contaminated gases also contain corrosive impurities, for example hydrogen chloride in flue gases, then there is hardly any controllable corrosion on the metal surfaces of the heat exchangers on the one hand on the high temperature side and on the other hand on the cold side if the temperature falls below the dew point.
It is known (CH-PS 121 769) for coke cooling to transfer heat from coke as a bulk consistency, which trickles down through a vertical shaft container, to a countercurrent gas stream, which is circulated and conducted in a conventional, indirect heat exchanger is cooled again.
The object of the invention is to improve the thermal treatment of gases, especially dirty and / or corrosive gases. Using the basic concept known from coke cooling, this object is achieved according to the invention in that in tower-like arrangements of the system at least two treatment stages are provided, one behind the other with respect to the flow of bulk material, each of which a gas stream is permeated, and that the bulk material can also be circulated in the system and finally a control device is provided, by means of which the mass flow of the bulk material through the treatment stages can be controlled in such a way that it is at least approximately inversely proportional to the mass flow of the gases to be treated, like the specific heat of bulk material and gas stream,
where the following equation applies to the mass flow: where Gs = GG X cpG / cps, Gs mass flow bulk material
GG mass flow gas c0 mean specific heat of the gas c, s specific heat of the bulk material.
In contrast to conventional heat exchangers, the new system works in direct heat exchange. Furthermore, in the tower-like arrangements in the bulk material layers through which the gas flows, there is practically complete temperature compensation between the gas and bulk material. If the bulk material flow in the circuit is therefore controlled in dependence on the gas flow in accordance with the ratio of the specific heat of the two, a practically complete transition of the heat quantities which can be obtained from the gas to the bulk material and vice versa is achieved.
Material that is inert to the gases can be selected as the bulk material. Ceramic balls, for example, can be regarded as an inert material that is also suitable for high temperatures and is not attacked at the acid dew point; these advantageously have a constant diameter of, for example, 50 mm. At temperatures below 150 "C rubber balls can also be used.
Other suitable bulk materials are metal balls, granite, porphyry, gravel, pebbles or broken limestone (CaCo3) with grain sizes of 5-100 mm.
With some of the natural products mentioned, abrasion occurs when the system is started up until the corners of the individual grains are rounded. Treatment stages for the bulk material can therefore be provided between the two treatment stages, which can be accommodated in separate housings located at different height levels. For example, air or another gas can be blown through the bulk material in a wind sifter at a speed of 1-4 m / sec in order to vent the fine fractions. It is also possible to separate the fine particles using sieves with a mesh size of 2-5 mm.
In the case of non-corrosive gases, steel or boiler plate serve as the material for the tower-like arrangements; at higher temperatures, an inner lining made of refractory material, for example chamotte, may have to be provided. Stainless materials are used for systems in which corrosive gases are treated.
The pressure losses in the tower-like arrangements and thus the energy requirement is determined by the bulk material heights. The height of the bed also depends on the cross-section of the arrangements. With a cross-sectional area of 1-1.5 m2, for example, a bulk height of 2-5 m is sufficient; for areas of 30 m2 - 50 m2, however, bed heights of 5-8 m are required. to achieve an even gas distribution in the bulk material. The pressure loss on the gas side is then, for example, between 5-20 mbar.
The gas streams passing through the two treatment stages can be different, z. B. one is a polluted gas and the other is a clean gas. Furthermore, however, it is also possible for the same gas stream to pass through both treatment stages, wherein it is subjected to a thermal, chemical and / or physical process between the two stages. To even out the temperature distribution over the cross section of the tower-like arrangements, it is expedient if flow guide and / or mixing elements are provided in the treatment stages.
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawing.
Fig. 1 shows the basic structure of a tower-like arrangement, which forms the core of the new system;
Fig. 2 is a schematic of a first plant in which the same gas stream passes through both treatment stages;
FIG. 3 shows a system similar to FIG. 2 for another task;
Finally, Fig. 4 is a plant in which two different gases are treated.
The tower-like arrangement for the thermal treatment of gases contains two treatment stages A and B, each accommodated in a steel housing 1 or 2 of any cross-section. The housing 1 of the treatment stage A, which narrows like a funnel at the bottom, and with its funnel 3 onto the housing 2 of the treatment stage B is plugged in, has a gas inlet opening 4 in the bottom area and a plurality of gas outlet openings 5 near its ceiling 6. A supply line (not shown), via which the granular bulk material 8 is fed into the treatment stage A, opens into this via a nozzle 7. The gas outlet openings 5 are connected to an annular channel 9, from which a gas line 10 to further treatment stations for the gases, for. B. branches to a filter, not shown in Fig. 1.
A shield 11, which covers the gas inlet 4 in a roof-like manner, forms a cavity 13 free of bulk material 8 in the flow direction of the gases after the inlet opening 4, by means of which the distribution of the inflowing gases onto the bulk material 8 is facilitated.
If temperatures in excess of 600 ° C. are reached in the arrangement, the housings 1 and 2 or parts thereof are provided with a refractory lining 12, for example made of fireclay.
The basic structure of the housing 2 of the treatment stage B is the same as that for the housing 1 of the treatment stage A. Also in the housing 2, a gas inlet 15 is provided at the bottom, which leads to an annular space 16 in the construction shown in FIG. 1; this annular space 16 is delimited by a funnel-like blind 18 provided with through openings 17 for the gas, in which the through openings 17, like the predominant part of the interior of the housing, are filled with bulk material 8. The funnel of the blind 18 ends in a tube 14 in which a cellular wheel sluice 20 is provided for a regulated transport or flow of the bulk material 8. Above the bulk material cone, a cavity filled with gas is present in the housing 2, similar to the housing 1. from which a gas outlet 21 leads away.
As already mentioned, the bulk material 8 passes through the housings 1 and 2 or the treatment stages A or B due to the effect of gravity in a continuous flow which is regulated via the cellular wheel sluice 20. In countercurrent, gas flows from bottom to top in each treatment stage.
A uniform temperature profile across the cross section of the housings 1 and 2 in the bulk material 8 can be achieved or by means of static mixing elements 22 and or drop-shaped displacement bodies 23 built into the bulk material flow.
be improved. Furthermore, it is possible to replace the cell lock 20 with a plurality of parallel locks (FIG. 4) or to provide other conventional silo discharge devices, such as conveyor belts or moving floors, instead.
2, the same gas stream passes through both treatment stages A and B; it is used, for example, to clean a contaminated exhaust air stream, the contaminants of which, for. B. consist of hydrocarbons. The cleaning is carried out by thermal afterburning, which is carried out between the two treatment stages A and B. The polluted air is first preheated; by supplying primary energy in the form of oil or gas, there is then a direct heating with simultaneous combustion and oxidation of the organic contaminants. The more intensively the exhaust air is preheated, the less primary energy has to be used for direct post-combustion.
For preheating the post-combustion exhaust air flow serves treatment stage B, while treatment stage A has a dual function. On the one hand, the cleaned, i.e. H.
Afterburned exhaust air, again cooled to temperatures of about 30 C, with which it can be blown out into the atmosphere after passing through a downstream fine filter 25. On the other hand, in treatment stage A, the heat is recovered from the hot exhaust air stream, which is then used in stage B to preheat the air to be treated.
The heat removal from the gas and the heat transfer to the gas take place via the gravity-driven, downward flowing bulk material 8 as heat transfer medium and heat transport medium from stage A to stage B.
Theoretically, the bulk material at the outlet 24 from the upper treatment stage A can be heated to the entry temperature of the gas into this stage, which is, for example, up to 800.degree. Correspondingly, the gas at outlet 33 from stage A has cooled to the heat carrier inlet temperature of approximately 30 ° C. External heat supply therefore only has to cover the heat losses of the system so that the primary energy requirement is very low.
Apart from minor changes, the tower-like arrangement 30 corresponds to the embodiment described in detail in connection with FIG. 1; the reference numerals used in FIG. 1 are therefore used to designate their elements. The changes mentioned consist in the fact that the gas inlet 15 in the treatment stage B leads into an annular channel 31, which surrounds the housing 2 on the outside, from which openings 32 distributed on the circumference of the housing 2 allow the gas to enter the downwardly flowing bulk material 8. This consists e.g. B. from pebbles or limestone with grain diameters of 5-50 mm. Furthermore, the ring channel of the gas outlet from treatment stage A is replaced by a single outlet nozzle 33 for the cleaned gas.
The exhaust air to be cleaned is supplied as the gas to be treated to the systems or the arrangement 30 via a line 35. Their total amount is determined using an Ap measurement 36. Before the gas inlet 15 of the housing 7, a variable quantity with the help of a shut-off throttle body 39 via a branch line 37, promoted by a fan 38, flows as combustion air to a burner 40. As a primary fuel, this oil or gas is supplied via a fuel line 41 in which a shut-off and throttle element 42 is present.
From a combustion chamber 43 operated by this burner 40, into which the preheated contaminated exhaust air is fed via a line 44 coming from the gas outlet 21 of the treatment stage B. A line 45 leads the hot combustion gases via the gas inlet 4 of stage A into the cavity 13. Sucked in by a fan 46 in the clean gas line 47 leading from the gas outlet 33 to the filter 25.
the hot combustion gases from the cavity 13 pass through the bulk material 8 flowing downward in stage A, they cool down to about 30 DC and heat up the bulk material 8. so that it is almost 800 C hot at its exit 24 from stage A.
As mentioned, the preheating of the contaminated exhaust air takes place in stage B in order to reduce the need for primary energy. The exhaust air enters it at about 25-30 C via the ring channel 31 and is heated in counterflow to the bulk material 8 to about 775 DC, whereby the bulk material 8 cools down from almost 800 dz at point 24 to approximately 30 ° C. in the area of the cellular wheel sluice 20. From this, the bulk material 8 reaches a belt bucket elevator 49 via a belt weigher 48, by means of which its quantity flow is measured, through which it is fed via a line 50 to the connecting piece 7 in the ceiling 6 of stage A.
To ensure the optimal heat exchange from gas to the bulk material and vice versa. which is necessary to achieve the above-mentioned temperature values, it is necessary according to the invention to control the flow of the bulk material 8 flowing downward as a function of the amount of the gas to be treated. In the present example, this gas quantity is the gas flow flowing into the system in line 35, which is measured with the aid of quantity measuring device 36. Their measured values flow to a computer and controller 52 via a signal line 51.
As a further input signal, a measured value for the mass flow of the circulating bulk material 8 reaches the computer 52 via a further signal line 53; this measured value for the bulk material flow is determined by a volume meter 54 on the belt scale 48.
The computer and controller 52 regulates with its output signal. which reaches the drive 56 for the rotary valve 20 via a line 55. the flow of bulk 8 so. that he is. as requested. behaves at least approximately inversely proportional to the gas flow in line 35 as the specific heat of gas to be treated and bulk material. The relationship Gs = GG x CpG cp5 therefore applies to the quantity flow Gs of the bulk material 8. where GG is the mass flow of the gas to be treated. CpG whose specific heat at constant pressure and cps are the specific heat of the bulk material 8.
The relevant data for the exhaust air purification described in connection with FIG. 2 are now summarized again in a table: gas to be treated exhaust air impurities organic solvents tel.
predominantly hydrocarbons Volume flow of the exhaust air 40 000 Nm3 / h average density of the exhaust air 1.29 kg / m3 average specific heat of the exhaust air CpG 1.07 kJ / kg C gas temperature inlet stage B 25 C treatment temperature 800 DC gas temperature outlet stage B 750;
; C gas temperature inlet stage A 800 C gas temperature outlet stage A 35 DC bulk material pebbles or limestone (CaCO3) grain size 5 - 50 mm specific heat bulk material Cps 0.83 kJ / kg-C bulk material flow 66,500 kg / h bulk material temperature inlet
Stage A 30DC outlet temperature
Stage A 775DC bulk material temperature entry
Stage B 775DC outlet temperature
Level B 30'C
In Fig. 3 a system is shown which is practically identical to that of Fig. 2. The only difference is that the combustion air for the burner 40 is not branched off from the gas stream to be treated, but is fed into the system via a separate line 57.
Furthermore, a vibrating sieve 58 is provided between the belt scale 48 and the conveyor 49, through which dust produced by abrasion is removed from the granular bulk material 8 and removed before the bulk material is returned to stage A. Of course, these bulk material losses have to be replaced, which can be done via a line 59 which opens into line 50.
3 is based on NOx separation from flue gases using the SCR (selective catalytic reduction) method. This process converts the NOx pollutants with ammonia to nitrogen and water in a catalytic reaction at temperatures of 350-400 DC.
The ammonia is fed via a line 60 into line 35 before the flue gas to be treated is fed into the system.
The reaction takes place in a reactor 61 connected upstream of the combustion chamber 43 in line 44 and which is filled with vanadium pentoxide on a ceramic carrier as a catalyst. In this application of the system, the burner 43 and the combustion chamber 44 merely have the task of generating the smoke gas temperatures of 350-400 DC necessary for the catalytic conversion; With the help of the burner 43, the bulk material 8 is heated in stage A to the required temperature, while in stage B the heat transfer from bulk material 8 to the gas to be treated takes place.
If, for example, cooling of the gas to be treated is necessary between stages A and B, the burner 40 and combustion chamber 43 can also be cooled by gas coolers, for example gas scrubbers. to be replaced; such a variant of FIG. 3 is not expressly shown. since only the elements required for the thermal treatment, located between the gas outlet 21 and the gas inlet 4, have to be exchanged between the treatment stages A and B.
4 is used to use large amounts of waste heat. as they occur, for example, in the flue gases during cement production. In this system, in which the tower-like arrangement is separated into two spatially separated sub-arrangements 30a and 30b, the treatment stages A and B are penetrated by two completely independent gas flows.
The treatment stage A housed in the housing 1 is acted upon by the hot, dust-contaminated - forming the gas to be treated - smoke gases from the cement production. These flue gases are fed to the gas inlet 4 of stage A via a line 63 in which the gas flow meter 36 is installed. In the example shown, this is connected to a cavity 16 and passage openings 17, as are described in detail for the gas inlet 15 of stage B in connection with FIG. 1. The flue gases are cooled in stage A by the bulk material 8, the bulk material 8 heating up to about the flue gas temperature of 360 ° C. and at the same time acting as a dust filter.
From the outlet 24 of the stage A located at a higher level, which is closed by a cell lock 20, the contaminated bulk material 8 reaches a wind sifter 64, from which it flows via a line 65 into the supply nozzle 66 of stage B. For the use of waste heat and the waste heat from cement production, the bulk material 8 emits this to a clean gas, which flows through the gas inlet 15 from a line 72 below into stage B and leaves it again via the gas outlet 21 through line 44.
The wind sifter 64 consists of a vibrating chute 67, on which an air stream is blown through the bulk material 8 from below via a perforated base in order to blow out the dust and to transport it away with the air stream.
The air flow is guided in a closed circuit 68 in which a fan 69 maintains the flow. In a cyclone 70, the air flow is freed from dust. The dust separated in the cyclone 70, which is a valuable product, is returned to the cement manufacturing process, as is that separated from the cleaned gas stream leaving stage A in the fine filter 25.
Since the bulk material 8 has its maximum temperature at the outlet 24 from stage A, the wind sifter 64 and the circuit 68 heat up to a temperature of approximately 360 ° C. when the system starts up. The heat losses occurring during the intermediate sifting of the bulk material are kept within narrow limits, since the cleaning air flow is guided in a closed circuit 68. In addition, the system components comprising the intermediate sighting are provided with highly effective thermal insulation, which is not expressly shown.
In countercurrent to the cooling bulk material 8, a clean gas flow flows as a heat-absorbing medium through stage B, which, conveyed by a fan 71, enters line B into line B at approximately ambient temperature and from bulk material 8 until it exits the stage B is heated to about 350 C. The line 44, which receives this hot gas flow and connects to the gas outlet 21, from which a line 74 provided with a regulating member 73 branches off, leads to a waste heat boiler 75 for generating steam. After leaving the boiler 75, the cooled clean gas stream can either be returned to cement production - for example as combustion air for the rotary kiln - or to stage B via lines 72 and 76.
However, it is also possible to feed the hot clean gases directly to the rotary kiln, which is indicated by line 77. The use of the heat of the clean gas in a waste heat boiler 75 is mainly used in existing plants for thermal improvement, while the return of the hot clean gases as combustion air in the rotary kiln is preferred in new plants.
The outlet temperature of the bulk material 8 from stage B and thus its inlet temperature into stage A can be used to regulate the temperature of the exhaust gases leaving stage A through line 47. The amount of the clean gas entering treatment stage B in line 72 is used to regulate this bulk material outlet temperature. This amount is determined by a control element 78, which is controlled by a controller 79, which records the measured values of a temperature sensor 80, compares it with an adjustable target value and changes the amount of clean gas accordingly. The temperature sensor 80 measures the bulk material temperature upstream of the belt scale 48.
The main advantage of the system according to the invention for utilizing waste heat compared to conventional systems in which steam is generated from the exhaust gas in a waste heat boiler, the exhaust gases only cooling to about 230 ° C. - see Technische Rundschau Sulzer 65 (1963) No. 2, page 20 to 22 - is that a relatively simple construction can be used for the waste heat boiler, since this is only acted upon by the clean gas flow from stage B. Furthermore, the exhaust gases can be cooled to a considerably lower temperature because the dedusting is not carried out in an electrical system -Filter needs to be done.
The temperature at which the exhaust gases leave the system or line 47 can be set practically to an arbitrarily low temperature by controlling the bulk material temperature at the outlet from stage B in conjunction with controlling the bulk material flow. It is possible to cool the exhaust gases below the dew point without the risk of the heat recovery system becoming blocked. This also enables the use of a simple cloth filter 25 because of the low gas temperatures and the relatively small exhaust gas volume.
If the bulk material 8 cools below the exhaust gas dew point, moist conditions may occur on the surface of the bulk material 8 in the area of the exhaust gas outlet 33 at the upper end of stage A, whereby a further dust separation from the bulk material 8 takes place. However, the exhaust air must then be reheated before entering filter 25 - indirectly by means of external heating 81 or by direct supply of hot air, for which the already mentioned line 74, which branches off from line 44, is used.
The gas flow through line 74 is regulated, for example, by the outlet temperature of the gas from stage A detected by a sensor 82. Of course, it is possible to influence the distribution of the hot clean gas flow on lines 44 and 74 via control element 73 by conventional controls. It is also possible to control and change the division of the cooled clean gas between a circulation via lines 76 and 72 and a use in cement production.
Limestone is advantageously used as bulk material 8 in the system according to FIG. 4; because an abrasion is then also separated in the intermediate sifting in the cyclone 70 and can be fed with the remaining fly dust from the filter 25 into the cement production. The abrasion losses are replaced by fresh limestone via line 59.