DE102017111079A1

DE102017111079A1 - Verfahren zur Abscheidung saurer Schadgase aus Abgasen

Info

Publication number: DE102017111079A1
Application number: DE102017111079.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Brand; Maria Helena Möbs; Winfried Gutperl
Original assignee: Graf Enviropro GmbH
Current assignee: Steinmueller Engineering GmbH
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2018-08-23
Also published as: ES2803948T3

Abstract

Bekannte Verfahren zur Abscheidung saurer Schadgase aus Abgasen sehen aktiviertes Natriumbikarbonat oder andere Vorstufen von Natriumkarbonat als Sorbens vor.
Um eine einfache, verschleißarme und kostengünstige Methode zur Aktivierung von Natriumbikarbonat oder anderen Vorstufen von Natriumkarbonat zur nahstöchiometrischen Abscheidung saurer Schadgase auf niedrigste Emissionswerte zu erhalten und um das Sorbens auch bei niedrigeren Abgastemperaturen nutzen zu können, ist vorgesehen, dass ein Teilstrom des Reingases aufgeheizt wird, um damit die Aktivierung und den Zerfall des Natriumbikarbonats oder anderer Vorstufen des Natriumkarbonats durchzuführen, die dem Teilstrom nach der Aufheizung zugeführt worden sind.
Es liegen somit zwei Schritte vor, nämlich der Aktivierungsschritt, der im abgezweigten aufgeheizten Reingasteilstrom stattfindet und der Reaktionsschritt, der in der Abgas enthaltenden Reaktionsstrecke (12) stattfindet, in die der aufgeheizte Reingasteilstrom, der mit aktiviertem Material beladen ist, zurückgeführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abscheidung saurer Schadgase aus einem eine Abgastemperatur aufweisenden Abgas, bei dem das Abgas über einen Abgaskanal in eine Reaktionsstrecke geleitet wird und dem Abgas im Abgaskanal oder in der Reaktionsstrecke ein aktiviertes, aufgespaltenes Vorläuferprodukt von Natriumkarbonat zugeführt wird, das als Sorbens mit den Schadgasen in der Reaktionsstrecke reagiert, so dass das Abgas, nachdem es ein auf die Reaktionsstrecke folgendes Filter passiert hat, als Reingas vorliegt.
Ein solches Verfahren wird vorzugsweise bei Abgasen angewandt, die aus diversen industriellen oder Kraftwerksprozessen oder Müllverbrennungsanlagen stammen.
Bei dem Vorläuferprodukt handelt es sich meistens um Natriumbikarbonat. Von Reingas spricht man im Allgemeinen, wenn die Emissionskonzentrationen den gesetzlich geforderten entsprechen oder darunter liegen.
Natriumbikarbonat (chemischer Name: Natriumhydrogencarbonat, Summenformel: NaHCO3) oder auch natürlich vorkommende Natriumhydrogenkarbonat enthaltende Mineralien wie Trona (Na3 (HCO3) (CO3) ·2H2O) sind neben Kalkhydrat ein oft eingesetztes Sorbens zur Abscheidung saurer Schadgase in der Abgasreinigung. Saure Schadgase sind beispielsweise HCl, SO2 und SO3. Insbesondere wenn die Abgase aus der Verbrennung von Ersatzbrennstoffen wie Müll stammen, ist Natriumbikarbonat ein geeignetes Sorbens, um die Schadstoffe aus dem Abgas sicher und dauerhaft auf die vorgegebenen Emissionsgrenzwerte zu reduzieren. Abgase aus Müllverbrennungsanlagen zeichnen sich neben der Belastung durch Schwermetalle, insbesondere Quecksilber und evtl. auch durch Dioxine und Furane, aber besonders durch einen hohen HCl-Gehalt aus.
Dieser hohe HCl-Gehalt im Abgas erschwert die Nutzung eines Standard-Kalkhydrats, das mit akzeptablen Stöchiometrien bei den geforderten Abscheideleistungen in einem Temperaturbereich von 65-110 °C besonders reaktiv ist. Auf Grund des Calciumchlorid-Gleichgewichtes ist das entsprechende Quenchen auf diese Reaktionstemperaturen nicht möglich, da sich hoch hygroskopisches Calciumchlorid (CaCl2) bilden würde.
Eine interessante Alternative zur Nutzung von Standard-Kalkhydrat ist die Nutzung von Natriumbikarbonat, das aber erst ab einer Temperatur von ca. 130-150 °C ausreichend schnell reagiert. Das dabei gebildete Natriumchlorid (NaCl) ist stabil und nicht hygroskopisch. Natriumbikarbonat eignet sich aber ebenso zur Abscheidung von Schwefeloxiden aus Abgasen, die aus den Reaktanten stabiles Natriumsulfat bilden. Das ist insbesondere bei kleineren Anlagen mit relativ geringen Abgasmengen, z. B. aus kleineren Kohlefeuerungen, eine interessante Alternative.
Ab einer Temperatur von ca. 60 °C beginnt der thermische Zerfall von Natriumbikarbonat mit der „in situ“ - Bildung von Natriumkarbonat unter Abspaltung von Wasser und Kohlendioxid. Das gebildete Natriumkarbonat besitzt eine hochaktive Oberfläche. Allerdings verläuft dieser Prozess auf Grund der aufzubringenden Aktivierungsenergie sehr langsam. Dies führt zu hohen Verweilzeiten und entsprechend langen Reaktionsstrecken.
Erst oberhalb einer Temperatur von etwa 130-150 °C verläuft dieser Zerfall mit einer akzeptablen Geschwindigkeit. Deshalb ist es nur unter erschwerten Randbedingungen möglich, z. B. durch unverhältnismäßig lange Verweilzeiten, die durch entsprechend lange Kanalführung oder Feststoffrezirkulation zu erreichen sind, Natriumbikarbonat bei niedrigeren Temperaturen als Sorbens zu verwenden.
Wenn die Abgastemperaturen nicht ausreichend hoch sind, um das Natriumbikarbonat mit einer angemessenen Verweilzeit von ca. 2 s und einer akzeptablen Stöchiometrie einsetzen zu können, gibt es verschiedene Möglichkeiten, eine Präaktivierung des Natriumbikarbonats durchzuführen.
Die US 2012/0244054 beschreibt einen zweistufigen Prozess zur Reinigung von Abgas, das saure Schadgase enthält. Hier wird ein Teilstrom, der bis zu 50 % des heißen Abgasstromes beträgt, nach einem Wärmetauscher aber noch vor Eintritt in die Reaktionsstrecke in einen Seitenkanal abgezweigt, in den dann das Natriumbikarbonat eingedüst und teilweise bis nahezu vollständig zersetzt wird, wobei die Temperatur im abgezweigten Teilstrom mindestens 50 °C höher als im Hauptabgasstrom ist. Anschließend wird dieser Teilstrom, der das aktivierte Sorbens enthält, wieder mit dem Hauptstrom zusammengeführt.
Nachteil dieser Methode ist es, dass die Kesselleistung reduziert wird, da die benötigte Energie für die Aufspaltung des Natriumbikarbonats aus der vom Kessel erzeugten Energie genommen wird. Außerdem kann eine sehr hohe Staubbeladung des Abgases ungewünschte Einflüsse wie Verlängerung der Verweilzeit und Erhöhung der Stöchiometrie sowie Verschleiß durch Aschepartikel mit sich bringen.
Die IT 1306648 beschreibt eine Methode zur Aktivierung von Natriumbikarbonat in einem Zersetzungsreaktor, das zuvor auf 10-50 µm aufgemahlen wurde. Die zur thermischen Behandlung des Natriumbikarbonates notwendige Energie wird durch das Verbrennen von Methangas oder anderen Brennstoffen, die Wasser und Kohlendioxid als Verbrennungsgase liefern, elektrisch oder mit Dampf erzeugt. Das aktivierte, hoch reaktive Natriumkarbonat wird dann über einen Mixer in das Abgas eingebracht.
Die US 7,854,911 beschreibt eine Methode zur Präaktivierung von Vorstufen von Natrium-basierten Sorbentien, insbesondere Trona. Dabei wird der Kalzinierungsschritt getrennt vom Abgasstrom durchgeführt, indem das Sorbens in einen heißen Gasstrom, der durch Verbrennung von Gas erzeugt wird, eingedüst und dort kalziniert wird. Das aktivierte Sorbens wird dann in den Abgasstrom eingedüst. Nachteil dieser Erfindung ist, dass eine eigene Apparatur für die Kalzinierung vorgehalten werden muss.
Die US 4,555,391 beschreibt die trockene Eindüsung von Natriumbikarbonat oder entsprechenden Mineralien wie Trona, die jenes enthalten, wobei zur besseren Ausnutzung des Sorbens dieses mit den bereits gebildeten Reaktionsprodukten mehrfach rezirkuliert wird und so die Verweilzeit erhöht wird. Der Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass zum einen entsprechendes Equipment für die Rezirkulation des Feststoffes eingebaut werden muss und zum anderen der Druckverlust in der Anlage erhöht wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kanalführung so zu gestalten, dass lange Reaktionsstrecken, die zu ausreichender Verweilzeit führen, gebaut werden mit dem Nachteil eines sehr hohen Platzbedarfs.
Die Erfindung beruht auf der Aufgabe, zur nahstöchiometrischen Abscheidung saurer Schadgase aus Abgasen auf niedrigste Emissionswerte eine einfache, verschleißarme und kostengünstige neue Methode zur Aktivierung von Natriumbikarbonat oder anderen Vorstufen des Natriumkarbonats zu erhalten, um das Sorbens auch bei niedrigeren Abgastemperaturen mit den nachfolgend aufgeführten Vorteilen nutzen zu können:

• Einfache Anwendung ohne Spezialequipment
• Energieeffizient durch Ausnutzung der vorhandenen Wärme des Reingases
• Kein zusätzlicher Druckverlust durch Feststoffrezirkulation
• Optimierte Kanalführung und Kanallänge auf Grund kurzer Verweilzeiten
• Einfache Regelungen zur Effizienzsteigerung

Dazu sieht die Erfindung vor, dass ein Teil des Reingases als Reingasteilstrom in eine Rückführleitung abgezweigt wird, die zurück in den Abgaskanal und/oder in die Reaktionsstrecke führt, wobei das Vorläuferprodukt von Natriumkarbonat an einer Dosierstelle in den Reingasteilstrom innerhalb der Rückführleitung dosiert wird.
Das Verfahren soll vor allem dann zum Einsatz kommen, wenn die Abgastemperatur kleiner als 150 °C beträgt, weil dann die Temperatur nicht ausreicht, das Vorläuferprodukt von Natriumkarbonat in ausreichend kurzer Zeit aufzuspalten.
Um die Aufspaltung des Natriumbikarbonats oder eines anderen Vorläuferproduktes zu beschleunigen, wird die Rückführleitung stromabwärts der Dosierstelle als Wirbelstromreaktor ausgebildet, in dem hohe Turbulenzen und damit ein besonders guter Stoff- und Wärmeübergang vorherrschen und der so dimensioniert ist, dass er mit einer Geschwindigkeit von 6-12 m/s, bevorzugt aber von 8-10 m/s durchströmt wird, so dass der Platzbedarf reduziert wird.
Vorzugweise handelt es sich bei dem Wirbelstromreaktor um einen Vertikalreaktor, der ggf. eine Umlenkung von mehr als 90° erhält.
Zuvor erfolgt eine Aufheizung des Reingasteilstroms in der Rückführleitung auf eine Temperatur von 150 °C bis 300 °C, bevorzugt auf eine Temperatur von 160 °C bis 260 °C.
Dabei erfolgt die Aufheizung des Reingasteilstroms stromaufwärts der Dosierstelle. Das Vorläuferprodukt von Natriumkarbonat wird somit in den aufgeheizten Reingasteilstrom eindosiert, so dass die Aufspaltung sofort beginnen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt demnach einen Teilstrom des Reingases, in den das Natriumbikarbonat oder andere Vorstufen des Natriumkarbonats eingedüst werden und der zuvor aufgeheizt wird, um in dem aufgeheizten Teilstrom eine Präaktivierung des Sorbens durchzuführen. Der bei direkter Eindüsung in den Abgaskanal in einem Prozess stattfindende Aktivierungs- und Reaktionsschritt wird gemäß dieser Erfindung in zwei Schritte aufgeteilt, und zwar in den Aktivierungsschritt, der im abgespaltenen aufgeheizten Reingasteilstrom stattfindet und den Reaktionsschritt, der in der Abgas enthaltenden Reaktionsstrecke stattfindet, in die der aufgeheizte Reingasteilstrom, der mit aktiviertem Material beladen ist, zurückgeführt worden ist.
Um die gewünschte Schadgasreduzierung zu erzielen, wird die zu dosierende Menge des Vorläuferprodukts von Natriumkarbonat durch den Gehalt an Schadgasen im Abgas und den geforderten reduzierten Schadgasgehalt im Reingas geregelt.
Um eine bessere Reaktionsfreudigkeit des Sorbens zu erreichen, kann das Vorläuferprodukt des Natriumkarbonats direkt vor der Eindüsung aufgemahlen werden.
Natriumbikarbonat hat sich als das Vorläuferprodukt von Natriumkarbonat bewährt. Es können aber auch andere Vorläuferprodukte wie Trona eingesetzt werden.
Die Temperaturen im Abgaskanal betragen in der Regel 100-200 °C. Nachdem der Abgasstrom die Reaktionsstrecke und ein der Rektionsstrecke nachgeschaltetes Entstaubungsfilter durchlaufen hat und nun als Reingasstrom vorliegt, beträgt seine Temperatur zwischen 80-200 °C. Die Verweilzeit des Sorbens im Abgaskanal und der Reaktionsstrecke beträgt 0,5-4 Sekunden, wobei höhere Temperaturen zu kürzeren Verweilzeiten führen.
In der Rückführleitung sollte die Verweilzeit des Vorläuferproduktes von Natriumkarbonat stromabwärts der Dosierstelle bei mindestens 0,5 s, bevorzugt aber zwischen 0,5 s und 2 s liegen. Mit Verweilzeit des Vorläuferproduktes ist die Zeit zwischen dem Zeitpunkt des Eintritts eines Moleküls des Vorläuferproduktes in die Rückführleitung und dem Zeitpunkt bezeichnet, zu dem dieses Molekül bzw. sein Folgemolekül Natriumkarbonat die Rückführleitung wieder verlässt. Die Verweilzeit wird so gewählt, damit sich eine zu einem bestimmten Zeitpunkt in die Rückführleitung eintretende Menge eines Vorläuferproduktes beim Durchlaufen der Rückführleitung nahezu vollständig in Natriumkarbonat umwandeln kann, so dass nur noch geringe Mengen des Vorläuferproduktes die Rückführleitung wieder verlassen. Diese Definition gilt auch in der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen, wenn von „Verweilzeit des Vorläuferproduktes“ die Rede ist.
Bei Temperaturen des Abgases am Eintritt in den Abgaskanal zwischen ca. 150 °C und 200 °C kann das Natriumbikarbonat direkt, also ohne vorhergehende Aktivierung, in den Abgaskanal oder die Reaktionsstrecke eingeblasen werden. Bei Temperaturen zwischen 80 °C und ca. 150 °C wird die erfindungsgemäße Präaktivierung eingesetzt.
Zur externen Karbonatspaltung wird Reingas in hinreichender Menge rezirkuliert und auf Temperaturen zwischen 150 °C und 300 °C, vorzugsweise auf 160 °C bis 260 °C aufgeheizt.
Die Beladung des abgespaltenen Reingasstromes mit Natriumbikarbonat beträgt 1 kg Natriumbikarbonat pro 2-5 m³ Reingas, bestenfalls 1 kg Natriumbikarbonat pro 3-4 m³ Reingas.
Unter Berücksichtigung dieser Vorgabe wird die benötigte Menge an zu rezirkulierendem Reingas anlagenspezifisch berechnet. Dabei soll bei möglichst niedrigen Temperaturen eine vollständige Aufspaltung erreicht werden. Die Temperatur, auf die das abgezweigte Reingas aufgeheizt werden muss, wird so eingestellt, dass am Punkt der Wiedereindüsung in den Abgaskanal eine minimale Temperatur, die mindestens der Abgastemperatur entspricht, bevorzugt aber 20 °C höher liegt, erhalten wird.
Zur Aufheizung des Reingasteilstroms in der Rückführleitung ist eine Aufheizvorrichtung vorgesehen, deren Leistung bei einem eingestellten konstanten Reingasteilstrom so geregelt wird, dass die vor dem Übergang des Reingasteilstroms in den Abgaskanal und/oder der Reaktionsstrecke herrschende Rückführtemperatur des Reingasteilstroms über einer vorgegebenen Sollwerttemperatur liegt, die mindestens der Abgastemperatur entspricht.
Vorzugsweise liegt die Sollwerttemperatur bis zu 20 °C über der Abgastemperatur.
Außerdem kann die in die Rückführleitung abgezweigte Reingasteilmenge erhöht werden, wenn die Rückführtemperatur unter die Abgastemperatur fällt.
Die Verweilzeit des Vorläuferprodukts von Natriumkarbonat in der Rückführleitung stromabwärts der Dosierstelle wird so eingestellt, dass sie größer als 0,5 s ist, bevorzugt 0,5-1 s beträgt.
Die Gasgeschwindigkeit im Abgaskanal bei 100 % Abgasvolumenstrom beträgt 18 ± 2 m/s, in der Reaktionsstrecke ca. 9-18 ± 2 m/s und in der Rückführleitung vor Eindüsung des Sorbens 18 ± 2 m/s, im vertikalen Teil der Rückführleitung nach Eindüsung des Sorbens 8-18 ± 2 m/s. Diese Werte bestimmen die Auslegung der jeweiligen Anlage.
Als Aufheizvorrichtung eignet sich vorzugsweise ein Gasbrenner, aber auch ein Ölbrenner oder ein elektrischer Heizer sind möglich.
Um eine gleichmäßige Verteilung des Sorbens im Abgaskanal zu erreichen, ist vorgesehen, dass der Abgaskanal auf der Oberseite mit einem gleichmäßig verteilten Netz von Eindüsstellen für den Reingasteilstrom ausgestattet ist.
Zum Transport des Reingases durch die Rückführleitung zurück in den Abgaskanal/die Reaktionsstrecke befindet sich in der Rückführleitung nach der Aufheizvorrichtung ein Gebläse.
Im Folgenden soll anhand von Ausführungsbeispielen die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen:

1 schematisch den Prozess der Aktivierung des Natriumbikarbonats oder anderer Vorstufen des Natriumkarbonates sowie die vorgesehene Prozessregelung und optional mögliches Equipment,
2 schematisch die besondere Ausführung der Rückführleitung nach Sorbenseindüsung als Vertikalreaktor,
3 eine besondere Ausführung zur Regelung der abgezweigten Reingasteilmenge, wenn entweder die vom Kessel kommende Abgasmenge oder die Schadstofffracht schwankt,
4 im Detail die Situation für die Rückführung des aktivierten Sorbens in den Abgaskanal/die Reaktionsstrecke.

Die vorliegende Erfindung verbessert in hervorragender Weise die Aktivierung von Natriumbikarbonat oder anderen Vorstufen des Natriumkarbonats für den Einsatz als Sorbens in der Abgasreinigung. Die dieser Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Aktivierungs-/Zerfallsschritt und der nachfolgende Reaktionsschritt des Sorbens voneinander getrennt werden.
Natriumbikarbonat ist ein u. a. in der Abgasreinigungstechnik noch immer gebräuchlicher Name für Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3) und wird daher im vorliegenden Text benutzt.
Am Beispiel des Natriumbikarbonats (Natriumhydrogenkarbonats) wird erläutert, wie der Prozess verläuft. Natriumbikarbonat zersetzt sich gemäß der folgenden Reaktionsgleichung: 2 NaHCO3 →Na2CO3 + H2O + CO2 (2 Teile Natriumbikarbonat zersetzen sich zu je einem Teil Natriumkarbonat, Wasser und Kohlendioxid).
Diese Zersetzung erfordert einen erheblichen Energieaufwand, da insbesondere die Verdampfungsenthalpie für das abgespaltene Wasser aufgewendet werden muss, die bei 100 °C 2257 kJ/kg beträgt.
Das bei der Zersetzung gebildete Natriumkarbonat (Na2CO3) ist hoch reaktiv, es wird quasi in einem „status nascendi“ gebildet und dann direkt in die Reaktionsstrecke oder in den davor verlaufenden Abgaskanal injiziert. Dort reagiert es dann mit den sauren Schadgasen. Die Reaktionen verlaufen gemäß den nachfolgenden Reaktionsgleichungen: Na2CO3 + SO2 →Na2SO3 + CO2 Na2CO3 + SO2 + ½ O2 →Na2SO4 + CO2 Na2CO3 + SO3 →Na2SO4 + CO2 Na2CO3 + 2 HCl → 2 NaCl + CO2 + H2O Na2CO3 + 2 HF → 2 NaF + CO2 + H2O
Die dabei entstehenden Reaktionsprodukte sind nicht hygroskopisch und werden teilweise in neuen Prozessen weiterverwendet.
Diese Reaktionen laufen zeitlich gesehen schnell ab, aber eine Gesamtverweilzeit von ca. 1-2 s ist vorzusehen. Wenn das zur Entstaubung vorgesehene Filter als Gewebefilter ausgeführt wird, kann dieses in die Verweilzeitbetrachtung einbezogen werden, da hier noch eine gewisse Nachreaktion stattfindet.
Um den Aktivierungsschritt vom Reaktionsschritt des Sorbens zu trennen, sieht die Erfindung das folgende Verfahren vor:
Das von einem Kessel 10 kommende Abgas wird über einen Abgaskanal 11 und eine Reaktionsstrecke 12 dem Filter 13 zur Entstaubung zugeführt. Dem Entstaubungsfilter 13 folgt ein Transportgebläse 14, das die Abgase durch die Anlage zieht und zum Kamin 15 transportiert. Zwischen Kessel 10 und Reaktionsstrecke 12 kann eine Staubvorabscheidung (ESP, Zyklon) 16 installiert sein.
Wenn die Abgastemperatur am Eintritt in den Abgaskanal 11 80-150 °C beträgt, wird saugseitig des Transportgebläses 14, das sich nach dem Entstaubungsfilter 13 befindet, ein Reingasteilstrom mittels einer Regelklappe 24 in eine Rückführleitung 18 abgetrennt und wird dort über eine mit Gas oder Öl betriebene oder elektrische Aufheizvorrichtung 19 aufgeheizt.
Optional kann die Entnahme des Reingasteilstroms auch druckseitig des Transportgebläses 14 erfolgen. In den Reingasteilstrom wird nach der Aufheizvorrichtung 19 aus einem Vorratsbehältnis 20 gemahlenes Natriumbikarbonat oder ein anderes Vorläuferprodukt von Natriumkarbonat über eine Dosiereinrichtung 21 an einer Dosierstelle 25 in der Rückführleitung 18 dosiert.
In dem aufgeheizten Reingasteilstrom findet dann der Zerfall des Natriumbikarbonats in sehr kurzer Zeit statt. Das Zerfallsprodukt des Natriumbikarbonats, das Natriumkarbonat, wird mit dem aufgeheizten Reingasteilstrom, der auch das beim Zerfall entstehende Kohlendioxid und den Wasserdampf aufnimmt, in den Abgaskanal 11 oder in die Reaktionsstrecke 12 eindosiert. Nachdem der Reingasteilstrom mit dem aktivierten Sorbens in den Abgas führenden Abgaskanal 11 oder in die Reaktionsstrecke 12 zurückgeführt wurde, finden jetzt im Abgaskanal 11 und/oder in der Reaktionsstrecke 12 die eigentlichen Reaktionen zwischen dem Natriumkarbonat und den sauren Schadgasen statt.
Wenn das Abgas am Eintritt in den Abgaskanal 11 eine Temperatur von mehr als 150 °C besitzt, kann das Natriumbikarbonat direkt aus dem Vorratsbehältnis 20 in den Abgaskanal 11 dosiert werden. Eine Reingasrezirkulation wird nicht benötigt.
In der Reaktionsstrecke 12 soll eine Sorbens-Verweilzeit von ca. 0,5-4 s inklusive Filter erreicht werden, vorzugsweise 1-2 s. Die Verweilzeit des Vorläuferproduktes in der Rückführleitung 22 ab Eindüsung des Sorbens beträgt mindestens 0,5 s, ist aber in der Regel nicht länger als 2 s. Die Gasgeschwindigkeit im Abgaskanal 11 beträgt bei 100 % Abgasvolumenstrom ca. 18 ± 2 m/s, in der Reaktionsstrecke 12 ca. 9-18 ± 2 m/s und in der Rückführleitung vor Eindüsung des Sorbens 18 ± 2 m/s, im vertikalen Teil nach Eindüsung des Sorbens 8-18 ± 2 m/s.
Eine gleichmäßige Verteilung des Sorbens über den Kanalquerschnitt muss sichergestellt werden. Dazu werden mehrere Dosieröffnungen über die obere Querschnittsfläche des Abgaskanals 11 oder der Reaktionsstrecke 12 eingebaut. Ein Detail dazu zeigt 4.
Für den Transport des Reingasteilstromes bzw. Rücktransport des mit aktiviertem Sorbens beladenen Reingasteilstroms kann ein kleines Zusatzgebläse 23 in der Rückführleitung 22 eingesetzt werden, das sich stromabwärts der Aufheizvorrichtung 19 befindet. Das ist insbesondere dann erforderlich, wenn der Reingasstrom saugseitig des - Transportgebläses 14 abgenommen wird. Natriumbikarbonat wird entweder vor oder nach dem Zusatzgebläse 23 in die Rückführleitung eingedüst. Der Vorteil einer Eindüsung auf der Saugseite des Zusatzgebläses 23 ist, die Eigenschaften des Zusatzgebläses 23 als Mischer nutzen zu können und so eine gute Durchmischung des Sorbens mit dem Reingasteilstrom zu erreichen. Allerdings ist das - Zusatzgebläse für die entsprechende Staubbeladung auszuführen.
Wird das Sorbens auf der Druckseite des Zusatzgebläses 23 aufgegeben, ist dazu Förderluft 33 erforderlich. Außerdem müssen zu einer gleichmäßigen Verteilung des Sorbens im Reingasteilstrom mehrere Dosieröffnungen eingebaut werden. Das Zusatzgebläse muss in diesem Fall aber nur unbelastetes Reingas transportieren.
In der Basisvariante wird die Rückführleitung mit einer Gasgeschwindigkeit von ca. 8-18 ± 2 m/s dimensioniert, wobei die Verweilzeit des Vorläuferproduktes ab der Dosierstelle 25 mindestens 0,5 beträgt, bevorzugt aber nicht größer als 2 s ist.
Zur Aufheizung des Reingases kann ein Gas-/Ölbrenner oder eine elektrische Aufheizung 19 verwendet werden. Vorzugsweise wird ein einfacher Gasbrenner eingesetzt. Der Reingasteilstrom wird auf Temperaturen zwischen 150-300 °C, vorzugsweise auf Temperaturen zwischen 160 °C und 260 °C aufgeheizt.
Gegenüber der in den Patenten US 7,854,911 und IT 013066648 beschriebenen Form der Aktivierung durch Entkopplung vom Abgasstrom wird hier die Energie, die im Reingas aufgrund der Temperatur vorhanden ist, genutzt. Dadurch ist die Temperaturdifferenz zur gewünschten Zerfallstemperatur geringer. Es kann also kostengünstig eine Aktivierung durchgeführt werden, da nur noch die Energiedifferenz zwischen Reingastemperatur und benötigter Zerfallstemperatur aufgebracht werden muss. Die Leistung dieser Aufheizvorrichtung 19 richtet sich danach, mit welcher Temperatur das Reingas an der Dosierstelle 25 zur Verfügung steht und welche Menge an Natriumbikarbonat dosiert werden muss.
Die Menge an Natriumbikarbonat, die zur Aktivierung in den abgezweigten Reingasteilstrom eingeblasen wird, wird durch den SO2 / HCl - Abgasgehalt und den geforderten SO2 / HCl - Reingasgehalt geregelt. Dazu wird die Restschadstoffkonzentration im Reingas gemessen. Die Zufuhr von zu aktivierendem Sorbens wird erhöht, wenn die Restschadstoffkonzentration im Reingas über den vorgegebenen Sollwert steigt.
Die Temperatur, auf die der abgezweigte Reingasteilstrom aufgeheizt werden muss, ist unter Berücksichtigung aller energierelevanten Prozesse zu berechnen. Diese sind:

• Aufheizung des entstehenden Natriumkarbonats
• Aufheizung des bei der Spaltung entstehenden Wasseranteils
• Verdampfungsenthalpie dieses Wasseranteils
• Aufheizung des gebildeten Wasserdampfanteils
• Aufheizung des gebildeten Kohlendioxids

Dabei ist zu beachten, dass im abgezweigten Reingasteilstrom direkt vor der Wiedereindüsung in den Abgasstrom die Rückführtemperatur mindestens der Abgastemperatur entsprechen muss, bevorzugt aber 20 °C darüber liegt. Diese Temperatur wird dem System als Sollwert vorgegeben.
Die Temperaturregelung für den Reingasstrom vor Wiedereindüsung in das Abgas kann als einfache Sollwertregelung ausgeführt werden. Dabei wird dem System ein Sollwert für die Rückführtemperatur vor Wiedereindüsung vorgegeben, der auf die Aufheizvorrichtung wirkt. Weicht der Istwert der Temperatur in einem bestimmten, vordefinierten Maß vom Sollwert ab, regelt die Aufheizvorrichtung 19 automatisch nach.
Die thermodynamisch relevanten Prozesse sollen an einem Beispiel verdeutlicht werden:
Beispielsweise beträgt der Abgasvolumenstrom 100.000 m³/h, die Abgastemperatur 140 °C. Es werden ca. 1.100 m³/h Reingas als Reingasteilstrom in die Rückführleitung 18 abgezweigt, um es aufzuheizen. Der Kanalquerschnitt für den Reingasteilstrom wird unter Berücksichtigung einer Geschwindigkeit von 6-18 m/s so dimensioniert, dass eine ausreichende Verweilzeit für das Natriumbikarbonat etwa 0,5-2 s ab Eindüsstelle in der Rückführleitung 22 erreicht wird. Das entstehende Natriumkarbonat entsteht quasi „in situ“, d.h., es soll mit den Schadgasen reagieren, bevor die Kristallisation einsetzt. Je nach Bedarf an Natriumbikarbonat wird die Temperatur, auf die der abgezweigte Reingasteilstrom aufgeheizt werden muss, berechnet. Wird beispielsweise angenommen, dass die zu dosierende Menge an Natriumbikarbonat 300 kg/h beträgt und die Temperatur des verwendeten Natriumbikarbonats an der Dosierstelle 25 in die Rückführleitung 20 °C beträgt, reicht es aus, den Reingasteilstrom auf 260 °C aufzuheizen. Der in das Abgas zurückgeführte Reingasteilstrom, der das Natriumkarbonat in aktivierter Form enthält, besitzt dann eine Temperatur von etwa 140 °C. Zur Aufheizung des Reingasteilstromes werden dann, basierend auf einem Heizwert für Propangas von 25,9 kWh/m³, ca. 1,3 m³/h Propangas oder eine elektrische Leistung von 34 kW pro Stunde benötigt.
Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache Aktivierung und Aufspaltung des Natriumbikarbonats oder anderer Vorstufen des Natriumkarbonats und damit seine Nutzung auch in niedrigeren Temperaturbereichen ohne Beeinflussung der Kesselleistung, ohne Eingriff in Systeme, die außerhalb der eigenen Anlage liegen, ohne eine separate Anlage zur Aufheizung bereit zu stellen, ohne den erhöhten Druckverlust durch Feststoffrezirkulation oder ohne eine lange Reaktionsstrecke mit entsprechend hohem Platzbedarf zur Erhöhung der Verweilzeit vorzusehen und ohne Verschleißpotential.
Gemäß der 2 besteht eine besondere Ausführung der Rückführleitung 22 stromabwärts der Dosierstelle 25 - darin, diesen Teil der Rückführung 22 als Vertikalreaktor (Wirbelstromreaktor 26), in dem hohe Turbolenz und ein besonders guter Stoff-/Wärmeübergang vorherrscht, auszubilden. Die Geschwindigkeit wird hier gegenüber der Geschwindigkeit in der Rückführleitung bis zur Eindüsung 18 verringert und liegt bei 6-12 m/s, bevorzugt aber bei 8-10 m/s, die Verweilzeit des Vorläuferproduktes von der Sorbenseindüsung in den aufgeheizten Reingasteilstrom bis zur Wiedereindüsung des Reingasteilstroms in den Abgaskanal 11 / die Reaktionsstrecke 12 beträgt mindestens 0,5-2 s.
In einer speziellen Ausführung des Vertikalreaktors wird dieser als Umkehrreaktor mit einer Umlenkung größer als 90° mit den gleichen Dimensionierungsvorgaben ausgebildet. Bei einer 180°-Umkehrung spricht man von einem U-turn.
Eine besondere Ausführung besteht darin, die abgezweigte Reingasteilmenge zu regeln. Dies ist erforderlich, wenn vor dem Gebläse in der Rückführleitung eine maximale, für das Gebläse noch zulässige Temperatur T2 von ca. 260 °C überschritten wird, während die minimale Temperatur (T) vor der Wiedereindüsung, die mindestens der Abgastemperatur entspricht, nicht erreicht wird. Dann muss der rezirkulierte Reingasteilstrom solange erhöht werden, bis die entsprechenden Temperaturgrenzen eingehalten werden. Diese Regelung ist in 3 dargestellt.
Varianten zur hier beschriebenen Ausgestaltung des Prozesses sind möglich. Beispielsweise können das Natriumbikarbonat oder andere Vorstufen des Natriumkarbonates auch ungemahlen vorgehalten werden. Sie werden dann mit üblicher Mahltechnik auf die geforderte Korngröße, die insbesondere von der Art der zu entfernenden Schadgase abhängt, aufgemahlen. Das Natriumbikarbonat sollte gemäß Herstellerinformationen für eine HCl-Reingaskonzentration ≥ 10 mg/Nm³ auf einen d90 < 35 µm aufgemahlen werden und auf einen d90-Wert < 20 µm für Emissionswerte für HCl < 10 mg/Nm³ sowie für SOx-Abscheidegrade > 80%.
Der Vorteil des Mahlens besteht darin, dass der Mahlvorgang als solcher bereits das Energieniveau anhebt und das frisch aufgemahlene Natriumbikarbonat reaktiver ist als aufgemahlen gelagertes Material. Damit könnte die Verweilzeit für den Aktivierungsprozess noch optimiert werden. Ebenso ist dadurch die zur Aktivierung benötigte Energie deutlich geringer.
Eine vorteilhafte Alternative besteht darin, die Reaktionsstrecke 12, die standardmäßig als horizontaler Kanal ausgebildet ist, als Vertikalreaktor auszubilden. Dies hat den Vorteil, dass die Bauweise kompakter wird, da nicht so viel horizontale Kanalstrecke installiert werden muss.
Bezugszeichenliste

10: Kessel
11: Abgaskanal
12: Reaktionsstrecke
13: Entstaubungsfilter
14: Transportgebläse
15: Kamin
16: Staubvorabscheidung
18: Rückführleitung vor Dosierstelle
19: Aufheizvorrichtung
20: Vorratsbehältnis
21: Dosiereinrichtung
22: Rückführleitung nach Dosierstelle
23: Zusatzgebläse
24: Regelklappe
25: Dosierstelle
26: Wirbelstromreaktor
33: Förderluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2012/0244054 [0010]
IT 1306648 [0012]
US 7854911 [0013, 0061]
US 4555391 [0014]
IT 013066648 [0061]

Claims

Verfahren zur Abscheidung saurer Schadgase aus einem eine Abgastemperatur aufweisenden Abgas, bei dem das Abgas über einen Abgaskanal (11) in eine Reaktionsstrecke (12) geleitet wird und dem Abgas im Abgaskanal (11) oder in der Reaktionsstrecke (12) ein aktiviertes, aufgespaltenes Vorläuferprodukt von Natriumkarbonat zugeführt wird, das als Sorbens mit den Schadgasen in der Reaktionsstrecke (12) reagiert, so dass das Abgas, nachdem es ein auf die Reaktionsstrecke (12) folgendes Filter (13) passiert hat, als Reingas vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Reingases als Reingasteilstrom in eine Rückführleitung (18, 22) abgezweigt wird, die zurück in den Abgaskanal (11) und/oder in die Reaktionsstrecke (12) führt, wobei das Vorläuferprodukt von Natriumkarbonat in den Reingasteilstrom an einer Dosierstelle (25) in die Rückführleitung (18, 22) dosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einer Abgastemperatur von kleiner als 150 °C angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (22) stromabwärts der Dosierstelle (25) als vorzugsweise vertikaler Wirbelstromreaktor (26) ausgebildet ist, der so dimensioniert ist, dass er mit einer Geschwindigkeit von 6-12 m/s, bevorzugt aber von 8-10 m/s durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelstromreaktor (26) eine Umlenkung von wenigstens 90° aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reingasteilstrom in der Rückführleitung(18, 22)auf eine Temperatur von 150 °C bis 300 °C, bevorzugt auf eine Temperatur von 160 °C bis 260 °C aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung des Reingasteilstroms stromaufwärts der Dosierstelle (25) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu dosierende Menge an Vorläuferprodukt von Natriumkarbonat durch den Gehalt an Schadgasen im Abgas und den geforderten reduzierten Schadgasgehalt im Reingas geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufheizung des Reingasteilstroms in der Rückführleitung (18) eine Aufheizvorrichtung (19) vorgesehen ist, deren Leistung bei einem eingestellten konstanten Reingasteilstrom so geregelt wird, dass die vor dem Übergang des Reingasteilstroms in den Abgaskanal (11) und/oder die Reaktionsstrecke (12) herrschende Rückführtemperatur des Reingasteilstroms über einer vorgegebenen Sollwerttemperatur liegt, die mindestens der Abgastemperatur entspricht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerttemperatur bis zu 20 °C über der Abgastemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Rückführleitung (18, 22) abgezweigte Reingasteilmenge erhöht wird, wenn die - Rückführtemperatur unter die Abgastemperatur fällt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des - Vorläuferprodukts von Natriumkarbonat in der Rückführleitung (22) stromabwärts der Dosierstelle (25) mindestens 0,5 s beträgt, bevorzugt aber nicht größer als 2 s ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskanal (11)/die Reaktionsstrecke auf der Oberseite mit einem gleichmäßig verteilten Netz von Eindüsstellen für den rückgeführten Reingasteilstrom ausgestattet ist.