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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Rauchgas
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe insbesondere Kohle in
Kraftwerken entstehen Rauchgase, die Staub, Chlorwasserstoff,
Schwefeldioxid und andere Schadstoffe enthalten. Zur Vermeidung
von Umweltbeeinträchtigungen werden die Rauchgase nach dem Stand
der Technik von diesen Schadstoffen weitgehend befreit.
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Eine typische, dem Stand der Technik entsprechende Anordnung zur
Rauchgasreinigung umfaßt die Verfahrensschritte Entstaubung,
Entfernung von Chlorwasserstoff und Schwefeldioxid
(Entschwefelung) und die Entfernung von Stickoxiden
(Entstickung). Als typische Apparate kommen für die Entstaubung
Elektrofilter häufig zum Einsatz und für die Abscheidung von
Chlorwasserstoff und Schwefeldioxid ein- oder mehrstufige
Naßwäscher.
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Staub wird im Entstauber nicht vollständig aus dem Rauchgas
abgeschieden, was zu einem gewissen Eintrag von Staub in die
nachgeschaltete Nasswäsche führt.
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Nach dem Stand der Technik kommen zahlreiche nasse
Waschverfahren zum Einsatz, deren prinzipielles Merkmal der
Einsatz eines wässerigen Mediums ist, in dem Schadstoffe gelöst
werden. Zur Verbesserung der Aufnahmefähigkeit des Wassers für
Schadstoffe werden dem Medium Neutralisationsmittel zugesetzt,
meist in Form von Kalk oder Kalkstein. In diesen Fällen
befinden sich auch Reaktionsprodukte der Neutralisationsreaktion
in der Waschflüssigkeit, meist in Form von gelöstem Chlorid und
in Form von teilweise ungelöstem Sulfit bzw. Sulfat.
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Bei der Reinigung von Rauchgasen aus Kohlekraftwerken wird
überwiegend Kalkstein als Neutralisationsmittel eingesetzt,
weshalb als Reaktionsprodukte Calciumchlorid entsteht, das in
der Waschflüssigkeit vollständig gelöst ist. Außerdem entsteht
Gips bzw. Calciumsulfit, die aufgrund der geringen Löslichkeit
überwiegend als Feststoff in der Waschflüssigkeit suspendiert
sind.
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Die verschiedenen Verfahren können sinnvoll eingeteilt werden
nach der Anzahl der beteiligten Waschstufen.
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In einstufigen Wäschen wird eine einheitliche Waschflüssigkeit
durch Zerstäuben mit dem Rauchgas in Kontakt gebracht. Im
einfachsten Fall geschieht dies in einem Absorber, in dem sich
verschiedene Ebenen befinden, in denen Düsen angeordnet sind.
Flüssigkeit wird mittels Pumpen vom unteren Teil des Absorbers,
der auch als Sumpf bezeichnet wird, zu den Düsen gefördert.
Flüssigkeitstropfen und Rauchgas treten in Kontakt. Die
Flüssigkeit wird anschließend gesammelt. Der diesbezügliche
Stand der Technik ist z. B. in DE 196 51 074 A1 (Fig. 7)
dargestellt.
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Eine Sonderform einstufiger Wäschen entsteht durch die
sequentielle Strömung des Rauchgases durch mehrere Waschzonen,
die durchaus auch in verschiedenen Apparaten angeordnet sind,
aber deren Waschflüssigkeiten gleich sind.
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Zweistufige Rauchgasentschwefelungsanlagen bestehen aus einer
ersten Waschstufe und einer zweiten Waschstufe mit jeweils
eigenen Flüssigkeitskreisläufen und jeweils unterschiedlichen
Eigenschaften der Kreislaufflüssigkeiten.
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Zweistufige Anlagen werden in der Absicht verwendet, in der
ersten Stufe hauptsächlich Chlorwasserstoff und Reststaub
abzuscheiden und in der zweiten Stufe Schwefeldioxid. Im Betrieb
wird auf die Zugabe von Neutralisationsmitteln zur
Waschflüssigkeit der ersten Stufe häufig verzichtet oder dieses
nur in geringem Umfang zugegeben. In der ersten Waschstufe
stellen sich niedrige pH-Werte ein.
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Der pH-Wert der zweiten Stufe wird durch Zugabe von
Neutralisationsmitteln auf einen für die Abscheidung von
Schwefeldioxid günstigen Wert eingestellt (z. B. pH = 5,5).
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Beide Flüssigkeitskreisläufe unterscheiden sich damit
hinsichtlich des pH-Wertes, hinsichtlich der Zusammensetzung
suspendierter Feststoffe und hinsichtlich der Konzentration
gelöster Chloride.
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Bei zweistufigen Waschanlagen besteht ein prinzipieller
Nachteil, der aus der Gefahr von Anbackungen innerhalb des
Wäschers rührt. Werden beide Kreislaufflüssigkeiten miteinander
vermischt, so fallen aus der Lösung feste Kristalle aus. Dieses
Phänomen wird als Mischungslücke bezeichnet und basiert auf der
vom pH-Wert abhängigen Löslichkeit von Salzen.
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Die Mischung beider Kreislaufflüssigkeiten entsteht ungewollt
durch den Übertrag von Tropfen von der ersten Waschstufe zur
zweiten Waschstufe durch Mitriß mit dem Rauchgasstrom. Aus
diesem Grund sind zweistufige Wäscher stets mit
Tropfenabscheidern zwischen den beiden Stufen ausgestattet,
meist in Form von gekrümmten, vertikal und parallel angeordneten
Lamellenpaketen, an deren Oberfläche Tropfen durch
Trägheitsabscheidung abgeschieden werden. Die Flüssigkeit der
abgeschiedenen Tropfen fließt innerhalb der Lamellen vertikal
nach unten ab, wird dort gesammelt und z. B. der Waschstufe-1
erneut zugeführt.
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Diese Tropfenabscheider besitzen den Nachteil, dass sie nur bis
zu einer gewissen maximalen Geschwindigkeit in der Lage sind,
Tropfen abzuscheiden. Bei einer über diese Grenze hinaus
gesteigerten Rauchgasgeschwindigkeit wird der in den
Tropfenabscheiderlamellen abfließende Flüssigkeitsfilm durch die
Gasströmung von den Lamellen erneut mobilisiert und gelangen in
die Waschstufe-2. Die Folge sind Anbackungen in der Waschstufe.
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Die Existenz dieser Grenzgeschwindigkeit führt dazu, dass die
Geschwindigkeit in der ersten Waschstufe eines zweistufigen
Waschverfahrens nach oben hin begrenzt ist. Bei Überschreitung
dieser Grenzgeschwindigkeit würden Tropfen am Tropfenabscheider
nicht sicher abgeschieden werden können. Feststoffanbackungen
innerhalb der zweiten Waschstufe wären die Folge.
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Dies stellt einen Nachteil dar, da hohe, vertikal nach oben
gerichtete Geschwindigkeiten in einer Waschstufe gute
Stoffaustauschbedingungen herbeiführen, wie die Schriften DE 197 13 773
und DE 197 33 256 lehren.
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Rauchgasgeschwindigkeiten oberhalb von 5 m/s im Inneren des
ersten Wäschers würden einen Tropfenmitriß in Richtung
Tropfenabscheider bedeuten, da die Sinkgeschwindigkeit von
Tropfen oder Tropfenschwärmen niedrigere Werte annimmt und
demzufoolge Tropfen nicht in dem rauchgasstrom nach unten fallen
können. Der damit verbundene Staueffekt vergrößert die
spezifische Oberfläche des Sprays, erhöht die Verweilzeit von
Tropfen in der Waschzone, was zu einer Verbesserung der
Stoffaustscuhbedingungen führt, andererseits nimmt die Belastung
des Tropfenabscheiders mit abzuscheidenen Tropfen zu und
gleichzeitig das Abscheidevermögen des Tropfenabscheiders für
Tropfen ab.
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Die Restriktion, bestimmte Gasgeschwindigkeiten in der
Waschstufe 1 wegen der Tropfenabscheidercharakterisik nicht zu
überschreiten begrenzt somit die maximal durchsetzbare
Rauchgasmenge durch einen Absorber und auch die Güte des
Stoffaustauschs in der Waschstufe 1.
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Unter bestimmten ungünstigen Umständen führen auch die in der
Waschstufe-1 abgeschiedenen Stäube zu einer Belagsbildung auf
den Tropfenabscheidern. Die Bildung erfolgt dabei nicht durch
einfaches Ablagern von Staub-Inhaltsstoffen: Durch die
Abscheidung von Stäuben wird der pH-Wert der Waschflüssigkeit
angehoben, dies führt zu einer vermehrten Abscheidung von
Schwefeldioxid in der Waschstufe-1 und Bildung von
Calciumsulfit, das sich phasenweise auf den Tropfenabscheidern
in Form von harten, schwer entfernbaren Belägen niederschlägt.
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In der Folge führt dies zu einer Verstopfung von Düsen, einer
Verstopfung der Tropfenabscheider und einem Anstieg des
rauchgasseitigen Druckverlustes. Die Effekte führen in der Summe
oder einzeln zu einer Einschränkung der Verfügbarkeit der nassen
Waschstufe.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Verfügbarkeit der
nassen Rauchgasreinigung zu steigern, die Bildung von die
Betriebssicherheit einschränkenden Feststoffbelägen nachhaltig
zu verhindern und eine Vergrößerung des durchsetzbaren
Rauchgasstromes durch eine Nasswäsche zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Umstand aus, dass die
Entstehung von Anbackungen durch die Mischungen von
Flüssigkeiten unterschiedlicher Zusammensetzungen erfolgt. Durch
das Studium der Beschaffenheit der Anbackungen konnte die
Schlußfolgerung gezogen werden, dass diese Anbackungen in
Schichten aufwachsen. Dies läßt sich darauf zurückführen, dass
die Oberfläche der Tropfenabscheider, der Reaktorwände oder der
Anbackungen mit einer Flüssigkeit benetzt ist und diesen
benetzten Oberflächen eine andere Flüssigkeit mit einer
abweichenden Zusammensetzung zugeführt wird. Dies läßt den
Schluß zu, dass die Anbackungen die Folge von zeitlich
veränderlichen Zusammensetzungen ist. Wünschenswert wäre der
Einsatz von Flüssigkeiten in den Waschstufen, deren
Zusammensetzung sich im zeitlichen Sinne nicht ändern oder
zumindest langsamer ändert. Ein Teil der Anbackungen in
zweistufigen Wäschersystemen nach dem Stand der Technik
resultiert aus der Vermischung von Flüssigkeit aus dem Wäscher-1
mit Flüssigkeit aus dem Wäscher-2, wobei beide Flüssigkeiten
einen unterschiedlichen pH-Wert besitzen.
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Die zeitliche Stabilisierung der Zusammensetzung der
Waschflüssigkeiten wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass
die Flüssigkeiten beider Sümpfe der beiden Waschstufen
miteinander vermischt werden. Erfindungsgemäß kann dies erreicht
werden durch Überführen der Kreislaufflüssigkeit der
Wäscherstufe-2 in den Wäscher-1. Gleichzeitig wird eine
entsprechende Menge Flüssigkeit vom Wäscher-1 in den Kreislauf
des Wäschers-2 überführt. Durch das gegenseitige Überführen
beider Flüssigkeiten in den jeweils anderen Absorber wird der
Unterschied in der Zusammensetzung beider Flüssigkeiten einander
angenähert.
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Durch die Annäherung der Zusammensetzungen beider Flüssigkeiten
werden zwei verschiedene Effekte erfindungsgemäß ausgenutzt. Zum
einen bewirkt eine angenäherte Zusammensetzung, dass im Falle
der Mischung der beiden Waschflüssigkeiten keine Feststoffe
durch Kristallisation abgelagert werden. Zum anderen steht als
Reservoir für die Flüssigkeiten die Summe der beiden
Sumpfvolumina zur Verfügung. Zeitliche Konzentrationsänderungen
werden in diesem Fall mit geringeren Transienten auftreten, was
Anbackungen innerhalb der Wäscher weniger wahrscheinlich werden
läßt.
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Wegen der entfallenden Notwendigkeit, Tropfen der ersten
Waschstufe an einem Übertritt in die zweite Waschstufe zu
hindern, kann auf die Verwendung eines Tropfenabscheiders
verzichtet werden. Entsprechend wirkt sich das Entfallen eines
Druckverlustes für den Tropfenabscheider positiv auf den
Energiebedarf der nassen Rauchgaswäsche aus.
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Das Entfallen des Tropfenabscheiders erlaubt
Rauchgasgeschwindigkeiten innerhalb der Waschstufen, die größer
sind als bei Einhaltung der Grenzgeschwindigkeit der
Tropfenabscheider. Erfindungsgemäß können durch die nasse
Rauchgaswäsche größere Rauchgasvolumenströme geführt werden, was
als weiterer Vorteil des Erfindungsgemäßen Verfahrens angesehen
werden kann. Dies erlaubt, insbesondere in der ersten Waschstufe
höhere Rauchgasgeschwindigkeiten auch im Bereich oberhalb von
5 m/s fahren zu können. Dies führt entsprechend der Lehren der
Schriften DE 197 13 773 und DE 197 33 256 zu verbesserten
Stoffaustauschbedingungen. Ohne die erfindungsgemäße
Verschaltung der Wäschersümpfe würden derartig hohe
Rauchgasgeschwindigkeiten zu einem Überriß von Tropfen führen,
und die notwendigen Tropfenabscheider über die Grenzbelastung
hinaus belasten und damit zu einem Versagen führen. Dies wird
durch das erfindungsgemäße Verfahren verhindert und damit der
Betriebsbereich der Waschstufe-1 vorteilhaft erweitert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand
der Fig. 1 erläutert.
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Rauchgas tritt durch eine Eintrittsöffnung 1 in eine erste
Waschzone 2 ein. Stoffaustauschfläche wird durch die Zerstäubung
der Kreislaufflüssigkeit mittels Düsen 3 erzeugt. Im
ausgeführten Beispiel weist die Strahlrichtung der Düsen 3 in
die gleiche Richtung wie die Gasströmung. Dadurch wird der
gasseitige Druckverlust gemindert. Nach Durchströmung einer 180 Grad-
Umlenkung 4 gelangt das Rauchgas in eine zweite Waschzone
5, in der ebenfalls Düsen 6 angeordnet sind. Das Rauchgas wird
im dargestellten Ausführungsbeispiel erneut umgelenkt und einer
dritten Waschzone 7 zugeführt, in der Düsen 8 angeordnet sind.
Nach verlassen dieser Waschzone wird das Rauchgas über einen
Austrittskanal 9 einer nicht dargestellten nachgeschalteten
Rauchgasbehandlungsanlage zugeführt.
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Die in der ersten Waschzone 2 mittels Düsen 3 zerstäubte
Flüssigkeit wird nach dem Kontakt mit dem Rauchgas in einem
Sumpf 10 gesammelt. Die in der zweiten Waschzone 5 mittels Düsen
6 zerstäubte Flüssigkeit wird gemeinsam mit der in der dritten
Waschzone 7 mittels Düsen 8 zerstäubten Flüssigkeit jeweils nach
dem Kontakt mit dem Rauchgas in einem Sumpf 11 gesammelt. Im
dargestellten Ausführungsbeispiel wird beiden Sümpfen 10 und 11
über Lanzen 12, 13 Luftsauerstoff zur Förderung der Oxidation des
Sulfits zum Sulfat zugeführt.
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Zur Bewahrung der Übersichtlichkeit sind Einrichtungen zur
Einbringung von Neutralisationsmitteln, zur Einbringung von
Wasser als Ersatz für das im Wäscher verdunstenden Wassers,
Einrichtungen zur Ausschleusung von Reaktionsprodukten,
Einrichtungen zur Messung und Regelung von Prozessgrößen,
Einrichtungen zur Quenchung des Rauchgases im Eintrittsbereich
der ersten Waschstufe, Einrichtungen zur Abscheidung von Tropfen
am Austritt 9 der letzten Waschstufe und Einrichtungen zur
Entleerung nicht dargestellt. Das Bedüsungssystem ist nur
schematisch dargestellt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Düsen 3 der
ersten Waschzone 2 von einer Pumpe 15 gespeist, die die in der
zweiten Waschzone 5 oder in der dritten Waschzone 7 zerstäubten
und nach dem Kontakt mit dem Rauchgas gesammelten
Kreislaufflüssigkeit aus dem Sumpf 11 fördert. Ferner werden die
Düsen 6, die die Waschzone 5 mit Flüssigkeit versorgen von
einer Pumpe 14 gespeist, die die Kreislaufflüssigkeit dem Sumpf
10 entnimmt.
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Durch das Überkreuz-Führen der Zuleitungen zu den Düsen 3 bzw.
den Düsen 6 wird der Inhalt beider Sümpfe 10 und 11 stetig
miteinander vermischt, was die Unterschieden in der chemischen
und physikalischen Beschaffenheit der Kreislaufflüssigkeiten
nivelliert und so vorteilhaft die Bildung von die Verfügbarkeit
der Anlage beeinträchtigenden Anbackungen im Inneren der Wäscher
verhindert.
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Die Anordnung kommt ohne die sonst in ähnlichen Verfahren
erforderlichen Tropfenabscheider im Bereich der Umlenkung 4 aus,
was vorteilhaft den rauchgasseitigen Druckverlust senkt und
damit die Betriebskosten der gasttungsgemäßen Wäscher senkt. Die
Vermischung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ohne
zusätzliche Pumpen erreicht.
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Wegen des Fehlens der Tropfenabscheider und der erfindungsgemäß
beabsichtigen Vermischung der Kreislaufflüssigkeiten stellt ein
Tropfenüberriß von der Waschstufe-1 in die nachgeschaltete
Waschstufe kein Problem dar, sondern ist im Sinne des
erfindungsgemäßen Verfahrens erwünscht. Hohe
Rauchgasgeschwindigkeiten im Inneren der ersten Waschstufe auch
oberhalb von 5 m/s sind für den Stoffaustausch förderlich.