DD280045A1 - Rauchgasentschwefelungsverfahren fuer dampfkessel mit muehlen- und rostfeuerungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rauchgasentschwefelungsverfahren, das in Dampfkesseln mit Muehlen- und Rostfeuerungen integriert werden kann und damit den Bau von speziellen Reaktoren fuer die Rauchgasentschwefelung vermeidet. Die technische Aufgabe, die von der Erfindung geloest wird, besteht darin, die Rauchgase im Kessel mit der gleichen Dichte und Gleichmaessigkeit mit schwefeloxidbindenden Additiven zu beladen, wie das in speziellen Reaktoren zur Rauchgasentschwefelung, z. B. fuer Spruehabsorptionsverfahren, moeglich ist. Geloest wird die Aufgabe, indem Suspensionen, die die Basismaterialien fuer schwefeloxidbindende Additive enthalten, mit abgegrenzten Druecken und Temperaturen, in die 400 bis 1 000C heisse Rauchgase fuehrenden Freiraeume der Dampfkessel oder auf das gluehende Brennstoffbett der Rostfeuerungen unter Volumenzunahme verduest werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Rauchgasentschwefelungsverfahren für Kessel mit Mühlen- und Rostfeuerungen, wie sie in der Volkswirtschaft 7ur Erzeugung vor. Wasserdampf und Heißwasser für die Elektroenergie-, Heiz- und Prozeßwärme sowie Prozeßdampferzeugung eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Entschwefelung von Rauchgasen und zur Reinigung von anderen gasförmigen Schadstoffen, die insbesondere Chlor und Fluor enthalten, werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Diese Verfahren können in zwei Grundkategorien eingeorndet werden, nämlich in Verfahren, bei denen die Reinigungsmittel unter Abgabe der gebundenen Stoffe regeneriert und wiederverwendet werden, während die da bei mit hoher Konzentration anfallenden Schadstoffe als industriell nutzbare Produkte anfallen oder zu solchen aufbereitet werden und solche, bei denen die schadstoffbeladenen Reinigungsmittel aus dem Reinigungsprozeß ausgetragen, industriell genutzt oder deponiert werden.

Unter den Verfahren, bei denen die schadstoffbeladenen Reinigungsmittel aus dem Reinigungsprozeß zur industriellen Nutzung oder Deponierung abgegeben werden, nehmen die Verfahren, die Kalziumverbindungen, wie Kalkstein, gebrannten und gelöschten Kalk zur Schadstoffbindung einsetzen, eine führende Rolle ein. Das Kalziumkarbonat des Kalksteines kann die Schwofeloxide der Rauchgase nicht binden. Wird es für diese Aufgabe eingesetzt, dann muß das gebundene Kohlendioxid vorher oder während des Prozesses vom Kalzium durch Lösen des Kalksteines in Wasser oder durch Erhitzen des Kalksteines abgetrennt werden. Der Einsatz einer wäßrigen Kalksteinlösung zum Auswaschen von Schwefeldioxiden aus Rauchgasen hat zur Folge, daß das Entschwefelungsverfahren bei Wassertaupunkttemperatur des Rauchgases arbeiten muß, was eine Wiederaufheizung der gereinigten Rauchgase vor ihrer Abgabe an die Umwelt oder ihre Ableitung über Kühltürme und eine Nachoxidation der schwefelbeladenen Suspension, die nach dem Waschvorgang vorliegt, vor der mechanischen Abtrennung von Gips aus der Suspension und die erneute Auflösung von Kalkstein in Wasser erfordert. Diese Entschwefelungsverfahren werden in die Kategorie der „nassen Entschwefelungsverfahren" eingeordnet (z.B. DD PS 223074).

Alle anderer, auf Basis von Kalk arbeitenden Entschwefelungsverfahren erfordern die Prozeßstufe des Kalkbrennens, d.h. die thermische Abspaltung ven Kohlendioxid aus dem Kalkstein. Das dabei entstehende Kalziumoxid kann als Feststoff Schwefeloxide und gasförmige Fluor- und Chlorverbindungen aufnehmen. Die Nachoxidation des dabei anfallenden Kalziumsulfits mit Sauerstoff aus dem Rauchgas führt zu trockenem Gips in Form von Kalziumanhydrit. Da diese Verfahren heterogene Gas-Feststoff-Systeme mit mechanischem oder pneumatischem Eintrag der Additive in die rauchgasführenden Freiräume der Kessel realisieren, werden sie zur Kategorie der „trockenen Entschwefelungsverfahren" gezählt l'j.a. DD PS 218563).

L ie auf der Basis von Kalk arbeitenden trockenen Verfahren erreichen eine relativ geringe Ausnutzung des Kalksteines und niedrige Entschwefelungsgrade der Rauchgase. Darüber berichteten u.a. Schwirlen, Böcker und Jüssen mit ihrem Beitrag „Versuche zur Entschwefelung von braunkohlenbefeuerten Industriekesseln nach dem Trocken-Additiv-Verfahren (TAV)", auf der VGB-Tagung 1987 in Wien.

Mit diesem Beitrag wird nachgewiesen, daß das pneumatische Einblasen von trockenem Kalziumhydroxidstaub in die Rauchgasführung der Kessel effektiver als das Einblasen von Kalksteinstaub ist.

Insbesondere mit dem Ziel, bei Erhalt des trockenen Endproduktes die Kalkausnutzung und die Entschwefelungsgrade des Rauchgases zu verbessern, eine Wiederaufheizung der Rauchgase zu vermeiden, aber auch kalkhaltige Aschen als Reinigungsmittel zu verwenden, erfolgte die Entwicklung von Sprühabsorptionsverfahren als sogenannte „halbtrockene Verfahren", wie es z. B. von Weidlich in der Zeitschrift „Neue Berliner Illustrierte", 3/1989,45. Jahrgang, beschrieben wurde. Bei diesen Verfahren werden aus Kalk, kalkhaltigen Aschen und Wasser hergestellte Suspensionen in speziellen Reaktoren in die Rauchgase versprüht. Durch direkte Wärmeübertragung vom Rauchgas an die versprühten Suspensionströpfchen wird das Wasser der Suspension in den Reaktoren verdunstet und trockenes, feinkörniges Kalziumhydroxid freigesetzt, das mit

Schwefeloxiden und Sauerstoff der Rauchgase zu trockenem Gips mit einem halben Mol Kristal !wasser je Mol Kalzium hydroxid reagiert, der auf bekannte Art aus dem Rauchgas abgetrennt wird.

Der Vorgang der Verdunstung des Wasseranteiles der versprühten Susponsionströpfchen, der maßgeblich den direkten Wärmeübertrag vom Rauchgas an die Suspensionströpfchen und den Stoffaustausch über die sich um die Suspensicnströpfchen bildende Wasserdampfhülle bestimmt, behindert die chemische Reaktion dos Kalziumhydroxides mit den Schwefeloxiden des Rauchgases, blockiert einen Teil des zur Verfügung stehenden Reaktionsraumes im Reaktor. Die Feinheit der Suspension und ihre Verdüsung in den Rauchgasstrom in einem Reaktor, die direkte Wärmeübertragung vom Rauchgas an die Suspensionströpfchen und der Verdunstungsvorgang selbst begrenzen somit das Leistungsvermögen der Sprühabsorptionsverfahren. Eine weitere Leistungsreduzierung für die speziellen Reaktoren der SprühaL sorptionsverfahren resultiert aus hohen Rauchgastemperaturen in den Reaktoren, da diese ein hohes effektives Rauchgasvolumen und damit hohe Rauchgasströmungsgeschwindigkeiien, was reduzierte Verweil- und damit Reaktionszeiten für die Rauchgasentschwefelung in den Reaktoren, da diese ein hohes effektives Rauchgasvolumen und damit hohe Rauchgasströmungsgeschwindigkeiten, was reduzierte Verweil- und damit Reaktionszeiten für die Rauchgasentschwefelung in den Reaktoren zur Folge hat, verursachen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, zur Rauchgasentschwefelung für Kesssl mit Mühlen· und Rostfeuerungen gegenüber den bekannten „trockenen Entschwefelungsverfahren" eine oessere Ausnutzung der Additive und höhere Rauchgasentschwefelungsgrade, ohne Errichtung spezieller Wäscher oder Reaktoren, wie sie für nasse Wasch- oder halbtrockene Sprühabsorptionsverfahren erforderlich sind, zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung hat die Aufgabe, solche Maßnahmen vorzuschlagen, die es ermöglichen, Rauchgase in Dampfkesseln mit der gleichen Dichte und Gleichmäßigkeit mit für die Rauchgasentschwefelung geeigneten Additiven zu beladen und dadurch mit der gleichen Wirksamkeit zu entschwefeln, wie das in speziellen Reaktoren, z. B. für die Sprühabsorptionsverfahren, erreicht wird, so daß die Entschwefelung der Rauchgase wie bei der Wirbelschichtfeuerung in die Dampfkessel integriert und der Bau spezieller Reaktoren fürdie Rauchgasentschwefelung vermieden werden kann. Diese technische Aufgabe wird gelöst, indem die Additive, z. B. Kalkstein oder Kalziumhydroxid, nicht wie beim Stand der Technik mechanisch oder pneumatisch, d. h. ohne wesentliche Volumenzunahme beim Eintrag in die rauchgasführenden Freiräume der Dampfkessel mit Staub- oder Rostfeuerungen, sondern so eingebracht werden, daß das Volumen des die Additive tragenden Massenstromes sich nach dem Eintrag in die rauchgasführenden Freiräume der Dampfkessel mindestens um zwei Zehnerpotenzen vergrößert.

Erfindungsgemäß werden deshalb in die 400 bis 1 000⁰C heiße Rauchgase fahrenden Freiräume slaubgefeuerter Dampfkessel oder direkt auf das glühende Brennstoffbett der Dampfkessel mit Rostfeuerungen Suspensionen, die Basismaterial für schwefeloxidbindende Additive, wie Kalziumhydroxid oder Kalkstein, enthalten, durch Druckerhöhung in bekannten Pumpen und über bekannte Düsen, versprüht.

Erfindungsgemäß wird der Druck der Suspension in den Pumpen auf 0,2 bis 10,0 MPa erhöht und die Temperstur der Suspension nach der Druckerhöhung durch indirekte Wärmeübertragung so eingestellt, daß diese mindestens 10K über der Temperatur des Wasserdampftaupunktesdes zu reinigenden Rauchgases, aber höchstens 3 K unter der zum Druck dor Suspension vor den Düsen gehörenden Siedetemperatur liegt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an Beispielen der Entschwefelung der Rauchgase in einem braunkohlenstaubgefeuerten Kraftwerkskessel mit Mühlenfeuerjng und einer Leistung von 360t Frischdampf/h mit Zwischenüberhitzung und in einem Dampfkessel zur Heizwärmeversorgung mit Rostfeuerung für Braunkohlenbriketts oder Siebbraunkohle mit einer Leistung von 10t Wasserdampf/h beschrieben.

I.Beispiel

1.1. Angaben zum Kraftwerkskessel

• Brennstoff: Rohbraunkohle (Rbk)

• Angaben zum Brennstoff: Heizwert = 7900kJ/kgPbk

Schwefelanteil = lOkg/tRbk Wasseranteil = 524kg/t Rbk

• AngabenzurFeuerung: Mühlenfeuerung

Kopfbrenner

fallender Feuerraum

LuftüberschußzahlA = 1,3

praktische Rauchgasmenge = 3,865m³ i.N./kg Rbk

(i.N. Sp = 0,1 MPa; t = 273K)

Schwefeleinbindung

in Kraftwerksasche = 2 kg/t Rbk

SO₂ im Rauchgas = 16kg/tRbk

• Brennstoffverbrauch: 135tRbk/Stunde

1.2. Aufgabe der Rauchgasentschwefelung

• Entschwefelungsgrad bezogen

aufdas SO₂ im Rauchgas: gröber 85%

• maximaler SO₂-Restgehalt im gereinigten

Rauchgas: 550rng/m³i.N.

• SO₂-Einbindung durch Reinigung: 13,6kgSO₂/tRbk

• erforderliches C8:SO₂-Molverhältnis: 2:1

• Kalziumhydroxidbüdarf: 31,45kg/tRbk

• Suspensionsverbrauch: 103,0kg/tRbk

oder 13,9t/Stunde

1.3. Masseameile in der Suspension

Wasser: 0,650

Kalkstein: 0,022

mineralischer Ballast: 0,025

Kalziumhydroxid: 0,305

.4. Enthalpiedifferenzen der Suspensionsprodukte vorderEinspritzpumpe: 202 kJ/kg Suspension

nach indirekter Wärmeübertragung: 929kJ/kg Suspension

nach Abschluß der Verdunstung

im Rauchgas: 3012kJ/kg Suspension

1.5. Druckstufen (p) und Temperaturen (t) im Suspensionssystem

t(°C) ρ (MPa)

• vorderEinspritzpumpe 65 0,1 ο nach der Einspritzpumpe 65 2,5

• nach der indirekten Vorwärmung

vor Einspritzung 200 2,4

Die auf 200⁰C vorgewärmte Suspension wird mit einem Druck von 2,4 MPa in das Rauchgas in Stromungsrichtung des Rauchgases nach den Brennern im Bereich der Rauuhgastemperaturen von 600 bis 1 000°C, eingesprüht. Die eingesprühte Suspension verdampft im Rauchgasstrom bei einer schlagartigen Volumenvergrößerung von 1:2000 auf Grund ihrer Enthalpiedifferenz, die zur Verdampfung von rund 48Ma.-% des Suspensionswassers führt. Die nach Abschluß der anschließend einsetzenden Verdunstung erreichte Volumenvergrößerung beträgt 1:12300, d.h. 3,861 kg/Sekunde eingedüste Suspension erreichen eine Volumenausdehnung auf 47,5m³, während pneumatisch eingetragener trockener Additivstaub praktisch nicht expandiert und sich deshalb schlechter mit dem Rauchgas vermischt. Praktisch zeitgleich zu den endothermen Prozeßschritten Verdampfung, Verdunstung und Überhitzung der Suspensionsprodukte setzt die thermische Spaltung des Kalziumhydroxides zu Kalziumoxid und Wasserdampf und die exotherme chemische Reaktion von Schwefeldioxid des Rauchgases mit dem Kalziumoxid aus den Suspensionsprodukten ein. Die Summe der Prozeßschritte ergibt, daß die Suspensionseinspritzung einen endothermen Prozeßablauf ergibt, so daß die Rauchgase direkt Wärme an die Suspensionsprodukte abgeben und sich deshalb um rund 20 K, d. h. im Durchschnitt des Einspritzraumes von 800 auf 780°C abkühlen.

2. Beispiel

2.1. Angaben zum Kessel zur Heizwärmeversorgung

• Brennstoff: stückige Siebbraunkohle

• Angaben zum Brennstoff: Heizwert = 7900 kJ/kgRbk

Schwefelanteil = 30kg/tRbk Wasseranteil = 524kg/tRbk

• Dampfparameter: ρ = 1,0MPa; t = 24O⁰C

• Angaben zur Feuerung: Schwingschubrost

Luftüberschußzahl (λ) = 1,4

praktisches Rauchgasvolumen = 4,1 m³ i.N./kg Rbk

Schwefeleinbindung in

Brennstoffasche - 2 kg/t Rbk

SO₂ im Rauchgas = 56kg/t Rbk

• Brennstoffverbrauch: 4500kg/h

2.2. Aufgabe der Rauchgasentschwefelung

• Entschwefelungsgrad bezogen

auf das SO2 im Rauchgas:	größer 85%
• maximaler SO2-Restgehalt im
gereinigten Rauchgas:	2000mg/m3 i. N. Rauchgas
• SO2-Einbindung durch Reinigung:	47,8 kg SO2A Rbk
• erforderliches Ca:S02-Molverhältnis:	2:1
• Bedarf an Kalziumhydroxid:	110,5kg/tRbk
• Bedarf an Suspension:	362,3kg/tRbk
	A 1630 kg/Stunde
2.3. Masseanteile in der Suspension
• Wasser:	0,650
• Kalkstein:	0,020
• mineralischer Ballast:	0,025
• Kalziumhydroxid:	0,305

2.4. Enthalpiedifferenzen der Suspensionsprodukte

• vorder Einspritzpumpe: 47kJ/kg

• nach der indirekten Wärmeübertragung: 552kJ/ g

• nach AbschlußderVerdunstung und Überhitzung im Rauchgasstrom: 3012kJ/kg

2.5. Drücke und Temperaturen im Suspensionssystem

• K⁰C) ρ (MPa)

• vor Einspritzpumpe: 15 0,1

• nach Einspritzpumpe: 15 1,5

• nach indirekter Vorwärmung und

vorEinspritzung: 160 1,2

In diesem Beispiel wird die Suspension nach indirekter Vorwärmung auf 160⁰C von der Kesseldecke direkt auf das glühende Brennstoffbett gedüst. Auf Grund der geringeren Vorwärmung verdunstet nur ein Anteil des Suspensionswassers von 25%, d. h. der Anteil der direkt an die Suspension im Feuerraum zu übertragenden Wärme ist auf Grund der niedrigeren Vorwärmung und des spezifisch höheren Suspensionsbedarfes, bedingt durch den höheren Schwefelgehalt der Rohbraunkohle, höher. Die Temperatur des Rauchgases sinkt deshalb um rund 8OK, d.h. von rund 1150 auf 1 070⁰C bei adiabater Verbrennung.

Claims (3)

1. Rauchgasentschwefelungsverfahren für Dampfkessel mit Mühlen- und Rostfeuerungen, dadurch gekennzeichnet, duo in die 400 bis 1 000^cC heiße Rauchgase führenden Freiräume staubgefeuerter Dampfkessel oder auf das glühende Brennstoffbett der Dampfkessel mit Rostfeuerungen Suspensionen, die Basismaterial für schwefeloxidbindende Additive, wie Kalkstein und Kalziumhydroxid, enthalten, durch Druckerhöhung in bekannten Pumpen und über bekannte Düsensysteme versprüht werden.

2. Rauchgasentschwefelungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Suspension vor den zum Versprühen eingesetzten Düsen 0,2 bis 10,0MPa beträgt.

3. Rauchgasentschwefelungsverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Suspension durch indirekte Wärmeübertragung nach der Druckerhöhung in den Pumpen und vor der Versprühung durch die Düsen erhöht wird, wobei die Temperatur der Suspension nach der indirekten Wärmeübertragung mindestens 10K über der Temperatur des Wasserdampftaupunktes des zu reinigenden Rauchgases, aber mindestens 3 K unter der zum Druck der Suspension vor den Düsen gehörenden Siedetemperatur der Suspension liegt.