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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Rauchgas, bei
dem ein pulverförmiges
Reagenz mit einem Förderluftstrom
in einen Rauchgasstrom geblasen wird und bei dem der Rauchgasstrom konditioniert
wird.
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In
industriellen Prozessen werden, abhängig von den eingesetzten Rohstoffen
und Energieträgern,
unter anderem Schadstoffe wie Schwefeloxide (SO2/SO3), Chlorwasserstoff (HCl) und gegebenenfalls
auch Fluorwasserstoff (HF) freigesetzt. Diese Schadstoffe müssen durch
Rauchgasreinigungsverfahren abgeschieden werden, um die vorgeschriebenen
Grenzwerte einhalten zu können.
Neben der nassen Abgasreinigung, der Rauchgaswäsche mit Ca(OH)2,
stellen die trockenen und die konditionierte Sorption gängige Reinigungsverfahren
nach dem Stand der Technik dar.
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Bei
den Trockensorptionsverfahren wird das Reagenz pulverförmig in
das Rauchgas eingeblasen. Als Reagenz wird meist Kalkhydrat eingesetzt.
Die im Abgas vorhandenen sauren Schadstoffe werden chemisch gebunden
und die gebildeten Produkte an geeigneten Abscheidevorrichtungen
abgeschieden. Nachteilig bei der reinen Trockensorption ist der
hohe Verbrauch an Kalkverbindungen, der darauf zurückzuführen ist,
dass die Kalkpartikel nicht vollständig durchreagieren.
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Es
wurden verschiedene Versuche unternommen, den Wirkungsgrad des Trockensorptionsverfahrens
zu erhöhen.
Dabei hat es sich gezeigt, dass bei einer Schadstoffabscheidung
mit Kalkhydrat die Abscheideleistung vor allem durch eine Erhöhung der
relativen Rauchgasfeuchte verbessert werden kann. Der Einfluss der
Rauchgasfeuchte macht sich besonders bei der Abscheidung von Schwefeldioxid bemerkbar.
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Im
Gegensatz zur trockenen Rauchgasreinigung verwendet daher die konditionierte
Trockensorption in Form der Sprühsorption
als Reagenz für die
Abscheidung bzw. die Emissionsminderung der gasförmigen Schadstoffe im Rauchgas
in der Regel Kalkmilch, eine Suspension von Kalkhydrat in Wasser.
Die Kalkmilch wird in das Rauchgas eingesprüht, wobei der Wasseranteil
der Kalkmilch durch die Rauchgaswärme vollständig verdampft und das Kalkhydrat
als trockenes Pulver im Rauchgasstrom verbleibt. Durch die Verdampfung
des Wassers erfährt
das Rauchgas gleichzeitig eine Kühlung
in der Regel auf 140–170°C. Das Calciumhydroxid
reagiert dann mit den im Abgas vorhanden Schadstoffen und die Reaktionsprodukte
sowie die im Rauchgas enthaltenen Feststoffe und das überschüssige Kalkhydrat
werden anschließend
in trockener Form in einem nachgeschalteten Filter abgeschieden.
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An
den Düsen
kommt es zu Verschleißerscheinungen
infolge von Erosion durch die Kalkmilch und enthaltene Schmutzpartikel.
Der hierdurch notwendige technische Aufwand (z. B. Düsen aus
SiC oder SiSiC, beheizte Flächen
etc.) und der erhöhte Energiebedarf
sind nicht unerheblich.
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Bei
einer anderen Variante der trockenen Rauchgasreinigung, bei der
konditionierten Trockensorption, wird vor der Reagenzzugabe Wasser
in das heiße
Rauchgas eingedüst.
Durch die Verdampfung des Wassers kühlt sich das Rauchgas ab. Gleichzeitig
wird durch das verdampfte Wasser der Wassergehalt des Rauchgases
erhöht.
Beides führt
dazu, dass sich die relative Feuchte des Rauchgases erhöht und eine
wirkungsvollere Abscheidung der Schadstoffe des Rauchgases möglich ist.
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Wird
das Rauchgas bei der Konditionierung bis zu seiner Tautemperatur
abgekühlt,
kommt es zur Kondensation. Die Kondensate können Korrosionsschäden im Rauchgasweg
(z. B. im Rauchgaskanal) verursachen, so dass bei der Rauchgaskonditionierung
vorsorglich ein ausreichender Temperaturabstand zum Taupunkt von
10 bis 20 K eingehalten wird. Die Bildung von flüssigem Wasser kann infolge der
Kapillarkondensation in den Poren der Reagenzpartikel aber auch
bereits bei Temperaturen erfolgen, die deutlich oberhalb der Taupunkttemperatur
liegen.
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Allgemein
verbessert sich infolge einer Rauchgaskonditionierung mit zunehmender
Rauchgasfeuchte die Schadstoffabscheidung. Dafür erhöht sich aber auch das Korrosionsrisiko
für Anlagenkomponenten
im Rauchgasweg und parallel dazu auch der technische Aufwand bzw.
die Investitionskosten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes
der Technik zu überwinden
und ein technisch und wirtschaftlich vorteilhaftes und effizientes
Verfahren zur Reinigung von Rauchgas bereitzustellen. Insbesondere
soll ein möglichst
sicherer und störungsfreier
Rauchgasbetrieb gewährleistet
sein. Dabei ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass eine
Kondensatbildung im Rauchgasweg möglichst vermieden wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Spezielle Verfahrensmerkmale
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Es
war überraschend
und für
den Fachmann in keiner Weise vorhersehbar, dass es für eine effektive
Schadstoffabscheidung bei einer konditio nierten Trockensorption
nicht der gesamte Rauchgasstrom konditioniert werden muss, sondern
dass es ausreichend ist, die Abscheidebedingungen nur im Bereich der
Reagenzeindüsung
zu optimieren.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch eine geeignete Prozessführung der
Taupunkt im Bereich der Reagenzeindüsung partiell unterschritten
wird.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Reinigung
von Rauchgas, bei dem ein pulverförmiges Reagenz mit einem Förderluftstrom
in einen Rauchgasstrom geblasen wird und bei dem anschließend die
im Rauchgas enthaltenen Schadstoffe an einem Filter abgeschieden
werden. Dabei wird die relative Feuchte des Rauchgasstromes zum
Teil derart erhöht,
dass es im Eintrittsbereich des Förderluftstromes in den Rauchgasstrom zu
einer partiellen Unterschreitung des Taupunktes und damit zur Kondensation
an dem eingeblasenen pulverförmigen
Reagenz kommt. Bei der nachfolgenden Vermischung von Rauchgas- und
Förderluftstrom
wird die partielle Taupunktunterschreitung jedoch wieder aufgelöst.
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Vorteilhafterweise
wird durch das erfindungsgemäße Verfahren
eine höhere
Abscheideleistung durch eine effektivere Schadstoffabscheidung erreicht.
Die Effektivität
der Schadstoffabscheidung wird insbesondere durch die Bildung einer
flüssigen Phase
(Hydrathülle)
auf den Oberflächen
der pulverförmigen
Reagenzpartikel positiv beeinflusst. So ist die Kinetik der chemisorptiven
Reaktionen im wässerigen
Bereich 106fach schneller als diejenige
an den trockenen Partikeln. Erfindungsgemäß kann der nach dem Stand der
Technik erforderliche zusätzliche
Verfahrensschritt der Konditionierung des gesamten Rauchgases durch
eine Verdampfungskühlung,
um so die relative Rauchgasfeuchte zu erhöhen, eingespart werden. Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kommt es durch die partielle Taupunktunterschreitung zu einer Kondensation
bzw. Nebelbildung an den eingedüsten
pulverförmigen Partikeln
und hierdurch bedingt zu einer effektiven Abscheidung der Schadstoffe
an den Parti keln. Nachfolgend wird die partielle Taupunktunterschreitung
wieder aufgelöst.
Korrosionsschäden
durch wässerige
und/oder aggressive Kondensate an Anlagenkomponenten im Rauchgasweg
können
so vermieden werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist der verfahrenstechnische Aufwand geringer und die Prozessführung einfacher
als bei den konditionierten Trockensorptionsverfahren nach dem Stand
der Technik, da weniger Anlagenkomponenten und Verfahrensschritte
für die
Schadstoffabscheidung erforderlich sind. Der Aufwand für die Wiederaufheizung des
Rauchgases vor der DeNOx-Anlage ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
reduziert.
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Der
einfachere Rauchgasreinigungsprozess nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
ermöglicht vorteilhaftweise
einen sichereren Anlagenbetrieb, da weniger stör- und verschleißanfällige mechanische Komponenten
benötigt
werden. Hierdurch sind die Wartungs- und Reparaturkosten verringert
und die Reisezeit der Rauchgasreinigungsanlage wird erhöht.
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Erfindungsgemäß kann weniger
Reagenz als nach dem Stand der Technik üblich eingesetzt werden. Durch
den verringerten Reagenzbedarf aufgrund einer effektiveren Schadstoffabscheidung
werden die Betriebskosten zusätzlich
verringert.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann die Konditionierung auf engstem Raum durchgeführt werden,
da nicht der gesamte Rauchgasstrom konditioniert wird, sondern nur
der Bereich der Reagenzeindüsung.
Vorteilhafterweise können
daher auch bestehende Anlagen für
eine normale Trockensorption ohne großen technischen Aufwand nachgerüstet werden,
da eine Konditionierung des gesamten Rauchgases nicht notwendig
ist.
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1 zeigt
das Verfahrensprinzip der partiellen Taupunktunterschreitung. Über einen
Förderluftstrom
wird das pulverförmige
Reagenz in den Rauchgasstrom gedüst.
Nur im Bereich der Reagenzeindüsung
wird das Rauchgas derart konditioniert, dass hier eine Mischzone
mit partieller Taupunktunterschreitung entsteht. Hierdurch kommt
es zur Kondensation an den eingedüsten Reagenzpartikeln, die dabei
als Kondensationskerne fungieren. Bei der fortschreitenden Vermischung
des reagenzbeladenen Förderluftstromes
mit dem Rauchgasstrom nach dem Freistrahlprinzip wird nachfolgend
für das Rauchgas
wieder ein Betriebszustand erreicht, der den erforderlichen Temperaturabstand
zum für
diesen Zustand relevanten Taupunkt gewährleistest bzw. aufweist. Die
Auswahl des erforderlichen Temperaturabstandes bereitet dem Fachmann
keinerlei Schwierigkeiten. In der Regel kann das Rauchgas insgesamt
auf einem relativ hohen Temperaturniveau belassen werden, da durch
die direkte Rauchgaskonditionierung an der Stelle der Reagenzeindüsung eine
generelle Abkühlung
des gesamten Rauchgasstromes nicht erforderlich ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein Teil des Rauchgasstromes konditioniert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Reinigung von Rauchgas handelt es sich vorzugsweise um ein konditioniertes
Trockensorptionsverfahren. Als pulverförmiges Reagenz wird bevorzugt
Kalkhydrat eingesetzt.
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Eine
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht die Aufteilung des Rauchgasstromes in zwei in der Regel unterschiedlich
große,
konzentrisch angeordnete Teilströme
vor, wobei der innere, kleine Rauchgasteilstrom vorkonditioniert
und mit dem pulverförmigen
Reagenz beladen wird. Die Reagenzzufuhr kann dabei über eine
pneumatische Förderung
mit einem gekühlten
Förderluftstrom
erfolgen. Bei dieser Variante besteht weiterhin die Möglichkeit,
das Rauchgas durch die Konditionierung zu kühlen.
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Eine
zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht keine
Aufteilung vor. Sofern dies erforderlich ist, kann eine vollständige Vorkonditionierung
des Rauchgasstromes durchgeführt
werden. Die Reagenzzufuhr kann auch hier mit einer pneumatischen
Förderung
erfolgen. Der Förderluftstrom
wird bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vor der Vermischung
mit dem Rauchgas und der Beladung mit dem pulverförmigen Reagenz
stark abgekühlt.
Die Abkühlung
erfolgt zum Beispiel durch eine Entspannung von Druckluft in einer Turbine.
Es wird so stark abgekühlt,
dass bei dem Mischvorgang von Rauchgasstrom und Förderluftstrom
der Taupunkt teilweise unterschritten wird, in der Regel auf ca.
0 bis ca. –20°C. Diese
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
eignet sich insbesondere für
Rauchgase mit einem hohen Feuchtegehalt, beispielsweise Rauchgase
aus der Verbrennung von Klärschlamm
etc., da hierbei eine Vorkonditionierung nicht erforderlich ist
und sich der technische Aufwand somit weiter reduziert.
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Bei
der dritten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird gleichzeitig
mit der Reagenzeindüsung
in den Rauchgasstrom Wasserdampf in den Rauchgaskanal eingedüst. Die
Dampfeindüsung
erfolgt hierbei bevorzugt direkt in den Förderluftstrom synchron mit
der Reagenzeindüsung
in den Rauchgasstrom. Der Förderluftstrom
weist dabei vorzugsweise relativ niedrige Temperaturen (ca. 20 bis
ca. 25°C)
auf, da diese Form der Rauchgaskonditionierung im Wesentlichen bei
niedrigen Temperaturen effizient ist. Für die pneumatische Förderung
kann normale Umgebungsluft verwendet werden, so dass eine Kühlung des
Förderluftstromes
(zum Beispiel durch den Einsatz von entspannter Druckluft) nicht notwendig
ist.
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Vorzugsweise
wird bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens der Wasserdampf über eine
Dampflanze synchron mit dem pulverförmigen Reagenz in den Rauchgasstrom
eingedüst.
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Der
Impuls des austretenden Dampfstromes kann bei der kombinierten Dampf-
und Reagenzeindüsung
durch eine entsprechende Gestaltung der Dampflanze für eine optimale
Verteilung des Reagenzes im Querschnitt des Rauchgaskanals genutzt werden.
Vorzugsweise ist daher die Dampflanze derart gestaltet, dass das
Reagenz gleichmäßig im Querschnitt
des Rauchgaskanals verteilt wird. Der Querschnitt des Rauchgaskanals
kann somit auch beliebig gestaltet werden (beispielsweise kann er auch
rechteckig sein), da eine Beaufschlagung des ganzen Kanals mit dem
Adsorbens möglich
ist.
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Bei
der kombinierten Dampf- und Reagenzeindüsung muss die Kondensatbildung
bei der Abkühlung
des Wasserdampfes in der Dampflanze durch den kühlen Förderstrom eingeschränkt werden,
so dass eine Vermischung des Kondensates mit dem Reagenz in der
Nähe der
Dampflanze weitgehend verhindert wird, um das Risiko von Anbackungen
an der Dampflanze zu reduzieren. Eine entsprechende Ausführung der
Anlage bereitet dem Fachmann keinerlei Schwierigkeiten. Gegebenenfalls
ist ein Kondensatabfluss bei der Dampflanze erforderlich.
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2 zeigt
beispielhaft den Aufbau einer kombinierten Dampflanze mit Kegelventil
und vorgeschalteter Drosselblende wie sie für das erfindungsgemäße Verfahren
verwendet werden kann. Die kombinierte Dampflanze besteht im Prinzip
aus zwei konzentrisch angeordneten Rohren, wobei das innere Rohr
für die
Dampfeindüsung
und das äußere Rohr
für die
Reagenzeindüsung
vorgesehen ist. Die Dampfmenge kann über eine Drosselblende voreingestellt
oder mit einem geeigneten Ventil geregelt werden. Über ein
Kegelventil am Dampflanzenkopf kann die seitliche Anströmung des
Reagenz-beladenen Förderluftstromes
durch den austretenden Wasserdampfstrom geregelt werden.
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Über die
beiden Parameter Massenstrom und Austrittswinkel des Wasserdampfstromes
kann die zugeführte
Wasserdampfmenge und die optimale Verteilung des Reagenzes im Querschnitt
des Rauchgaskanals geregelt werden. Diese Option stellt einen Vorteil
der Eindüsung
von Wasser- bzw. Sattdampf verglichen mit den anderen Verfahrensvarianten
dar.
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Auch
ohne weitere Ausführungen
wird davon ausgegangen, dass ein Fachmann die obige Beschreibung
im weitesten Umfang nutzen kann.
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
und Beispiele sind deswegen lediglich als beschreibende, keineswegs
als in irgendeiner Weise limitierende Offenbarung aufzufassen.
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Vergleichsbeispiel
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Bei
der normalen Trockensorption mit Ca(OH)2 werden
34 kg Kalkhydrat pro Tonne Abfall (Brennstoff), wobei das Kalkhydrat
eine Oberfläche von
40 qm/g aufweist, zur Reinigung benötigt.
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Beispiel
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
mit partieller Taupunktunterschreitung werden bei Benutzung einer
Dampflanze zur Reinigung nur 23 kg Kalkhydrat pro Tonne Abfall (Brennstoff),
wobei das Kalkhydrat eine Oberfläche
von nur 18 qm/g aufweist, benötigt.
Erfindungsgemäß wird also
weniger Reagenz in einfacherer Qualität benötigt als dies nach dem Stand
der Technik erforderlich ist.