DE19512786A1 - Verfahren zur Anlage zur SO¶2¶- und SO¶3¶-Steuerung durch Injektion eines trockenen Sorptionsmittels/Reagens und Naßgaswaschung - Google Patents

Verfahren zur Anlage zur SO¶2¶- und SO¶3¶-Steuerung durch Injektion eines trockenen Sorptionsmittels/Reagens und Naßgaswaschung

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DE19512786A1 DE19512786A DE19512786A DE19512786A1 DE 19512786 A1 DE19512786 A1 DE 19512786A1 DE 19512786 A DE19512786 A DE 19512786A DE 19512786 A DE19512786 A DE 19512786A DE 19512786 A1 DE19512786 A1 DE 19512786A1
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Description

Gebiet und Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Entfernung von Teilchen und anderen Kontaminanten aus einem Verbrennungsgas, das durch die Verbrennung eines fossilen Brennstoffs erzeugt wird, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung, die neu und nutzbringend sind, wobei gleichzeitig Schwefeltrioxid (SO₃) aus dem Verbrennungsgas durch Injektion eines trockenen Sorptionsmittels stromabwärts einer Teilchen­ sammelvorrichtung entfernt, umgesetztes und nicht-umgesetztes trockenes Sorptionsmittel in einem Naßgaswäscher aufgefangen und Schwefeldioxid (SO₂) in dem Naßgaswäscher entfernt werden.
Auf dem Gebiet des Umweltschutzes werden verschiedene Ansätze verwendet, um Schwefeloxide und andere Kontaminanten aus einem Verbrennungsgas zu entfernen, das durch die Verbrennung eines fossilen Brennstoffs erzeugt wird, um länder- und bundesbehördliche Emissions­ anforderungen zu erfüllen. Ein Ansatz beinhaltet das Aufspüren und die Verwendung von fossilen Brennstoffen, die einen niedrigeren Schwefelge­ halt und/oder weniger andere Kontaminanten aufweisen. Ein zweiter Ansatz beinhaltet die Entfernung oder die Reduktion des Schwefelgehalts und/oder von anderen Kontaminanten in dem Brennstoff durch mechani­ sche und/oder chemische Verfahren vor der Verbrennung. Ein hauptsäch­ licher Nachteil des zweiten Ansatzes ist die begrenzte Wirtschaftlichkeit des mechanischen und/oder chemischen Verfahrens, das erforderlich ist, um die vorgeschriebenen reduzierten Gehalte an Schwefeloxiden und/oder an anderen Kontaminanten zu erzielen.
Alles in allem beinhalten die am häufigsten verwendeten Ansätze zur Entfernung von Schwefeloxiden und/oder von anderen Kontaminanten aus einem Verbrennungsgas die Aufreinigung des Verbrennungsgases durch Nachverbrennung. Es sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, um die Substanz SO₂ aus Verbrennungsgasen zu entfernen.
Ein erstes Verfahren zur Entfernung von SO₂ aus einem Verbrennungs­ gas beinhaltet, daß man entweder eine trockene alkalische Substanz mit dem Brennstoff vor der Verbrennung vermischt, oder daß man eine pulverförmige alkalische Substanz direkt in die heißen Verbrennungsgase injiziert, um Schwefeloxide und andere Kontaminanten durch Absorption oder Adsorption und nachfolgender Oxidation zu entfernen. Zu den hauptsächlichen Nachteilen dieses ersten Verfahrens zählen: ein Fouling der Wärmeübertragungsoberflächen (wodurch dann ein häufigeres Ab­ blasen des Rußes auf diesen Wärmeübertragungsoberflächen erforderlich wird), niedrige bis mäßige Entfernungswirkungsgrade, eine schwache Ausnutzung des Reagens und eine erhöhte Teilchenbelastung der Ver­ brennungsgase, wodurch eine zusätzliche Behandlung (z. B. eine Befeuch­ tung oder eine Injektion von Schwefeltrioxid) des Gases erforderlich werden kann, wenn ein elektrostatischer Präzipitator zum Teilchensammeln stromabwärts verwendet wird.
Ein zweites Verfahren zur Entfernung von SO₂ aus dem Verbrennungs­ gas, das zusammengefaßt als naßchemische Absorptionsverfahren bezeich­ net wird und auch als Naßgaswaschung bekannt ist, beinhaltet ein "Wa­ schen" der heißen Verbrennungsgase mit einer wäßrigen alkalischen Lösung oder Aufschlämmung in einer Aufwärtsströmungs-Gas-Flüssigkeits- Kontaktvorrichtung, um Schwefeloxide und andere Kontaminanten zu entfernen. Zu den hauptsächlichen Nachteilen, die mit diesen Naßgas­ waschverfahren verbunden sind, zählen: der Verlust an Flüssigkeit sowohl an die Atmosphäre (d. h. aufgrund der Sättigung des Verbrennungsgases und der Übertragung von Feuchtigkeit) als auch an den in dem Ver­ fahren erzeugten Schlamm, und die Wirtschaftlichkeit in bezug auf die Werkstoffe für das Absorber-Element selbst und für alle dazu in Bezug stehenden, stromabwärts gelegenen Hilfsmittel (d. h. primäre/sekundäre Entwässerungs- und Abwasserbehandlungs-Untersysteme).
Ein drittes Verfahren, das zusammengefaßt als chemisches Sprühtrock­ nungs-Absorptions-Verfahren bezeichnet wird und auch als Trocken-Gas- Waschung bekannt ist, beinhaltet das Sprühen einer wäßrigen alkalischen Lösung oder Aufschlämmung, die durch mechanische, Zweifach-Flüssig­ keits- oder rotierende schalenförmige Zerstäuber fein zerstäubt worden sind, in die heißen Verbrennungsgase, wodurch Schwefeloxide und andere Kontaminanten entfernt werden. Zu den hauptsächlichen Nachteilen, die mit diesen Gas-Waschverfahren verbunden sind, zählen: ein mäßiger bis hoher gasseitiger Druckabfall über den Gaseinlaß der Verteilungsvor­ richtung des Sprühtrockners und Beschränkungen hinsichtlich des Tempe­ raturabfalls des Sprays (d. h. die Annäherung an die Sättigungstemperatur des Verbrennungsgases), die erforderlich sind, um einen kontrollierten Betrieb aufrechtzuerhalten.
Es sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, um SO₃ aus einem Verbrennungsgas zu entfernen. Ein Verfahren ist bekannt als Injektion eines trockenen Sorptionsmittels, was die Injektion eines Sorptionsmittels (im allgemeinen Kalk, Kalkstein, aktivierter Kalk, Natriumhydrogencarbo­ nat oder andere Alkali-Natrium-Salze, oder andere Alkali-Verbindungen oder -Salze von Metallen, wobei Metalle wie Siliciumdioxid, Aluminium, Eisen usw., die Kationen sind) in das Verbrennungsgas bei Temperaturen oberhalb der adiabatischen Sättigungstemperatur des Verbrennungsgases beinhaltet. Die erforderliche Menge des Sorptionsmittels hängt in hohem Maße von den Eigenschaften des Sorptionsmittels (d. h. von der Zusam­ mensetzung, der Teilchengröße, der Oberfläche usw.), der Temperatur des Verbrennungsgases und dem Injektionsverfahren ab.
Chemische Sprühtrocknungs-Absorptions-Verfahren wie solche, die oben im Zusammenhang mit der Entfernung von SO₂ beschrieben sind, werden ebenfalls zur SO₃-Kontrolle verwendet.
Feuchtpräzipitatoren sind ebenfalls zur Entfernung von SO₃ aus feuchten Verbrennungsgasströmen verwendet worden. Bei diesen Systemen bildet SO₃ ein Aerosol aus H₂SO₄ durch Reaktion mit Wasser. Das Aerosol verhält sich sehr ähnlich wie ein festes Teilchen, indem es entfernt wird, wenn eine elektrische Ladung angelegt wird. Das Aerosol wird sodann zur Entfernung aus dem Verbrennungsgasstrom durch Aufprall auf ange­ feuchtete Platten oder Rohren aufgefangen.
SO₃ kann auch durch Kondensation entfernt werden. Ein bekanntes Verfahren ist das WSA-SNOX-Verfahren, bei dem SO₂ katalytisch in SO₃ überführt wird. Das SO₃ wird danach durch Kondensation entfernt, wodurch eine verdünnte Schwefelsäure gebildet wird. Weitere bekannte Verfahren zur SO₃-Entfernung beinhalten Aktivkohle und Füllkörperbett-, Fließbett- oder Wirbelschicht-Verfahren. Weiterhin sind kombinierte Verfahren, bei denen ein heißes, katalytisches Behältnis ("baghouse") verwendet werden, zur Entfernung von SO₃ bekannt. Weiterhin kann SO₃ durch Zugabe eines Sorptionsmittels oder eines Reagens wie MgO zu dem Brennstoff entfernt werden.
Ein bekanntes System zur Entfernung von SO₃ aus einem Verbrennungs­ gas, das bei einem Verbrennungsprozeß erzeugt wird, ist in Fig. 1 schematisch erläutert. Ein fossiler Brennstoff (2), wie Kohle, wird in einem Dampferzeuger (4) verbrannt, und das erhaltene Verbrennungsgas (6) wird über einen Wärmetauscher (8) geführt, um das Gas abzukühlen. SO₃ aus dem Verbrennungsgas (6) wird in Trockengaswascheinrichtungen (10) entfernt, indem das Verbrennungsgas (6) mit einer zerstäubten Reagensaufschlämmung (12) durch Verdampfung in Kontakt gebracht wird. Die in den Trockengaswascheinrichtungen (10) verwendete Reagens­ aufschlämmung (12) wird durch eine Reagens-Herstellungsvorrichtung (14) bereitgestellt. Nach der Trockengaswaschung wird das partiell gereinigte, jedoch teilchen-beladene Verbrennungsgas (16) zu einem Teilchenkollektor (18), wie einem Behältnis ("baghouse") oder einem Präzipitator, geleitet, um die Teilchen aus dem Verbrennungsgas (16) zu entfernen. Nachdem die Teilchen aus dem Verbrennungsgas (16) entfernt worden sind, verläßt das gereinigte Verbrennungsgas (20) die Vorrichtung durch einen Schorn­ stein (22). Reaktionsprodukt (24) und aufgefangene Partikel sowie ande­ res Material (26), die in der Trockengaswaschvorrichtung (10) und in dem Teilchenkollektor (18) aufgefangen worden sind, werden sodann einer Entsorgungsvorrichtung (26) zugeführt, während jedes wiederver­ wendbare Reagens aus dem Reaktionsprodukt (24) in die Reagens-Her­ stellungsvorrichtung (14) zurückgeführt wird. Trockengaswascheinrichtungen wie die in Fig. 1 dargestellten besitzen sowohl aufgrund der erforderli­ chen Energie, um die Reagensaufschlämmung zu zerstäuben, als auch aufgrund der Kosten des Reagens selbst hohe Betriebskosten. Weiterhin ist die Reagensverwertung schlecht im Vergleich zu anderen Systemen wie Naßgaswaschsystemen.
Fig. 2 illustriert schematisch ein weiteres bekanntes System zur Entfer­ nung von SO₃ aus Verbrennungsgas, das durch die Verbrennung eines fossilen Brennstoffs produziert wird. Bei diesem System injiziert ein Trockeninjektionsverfahren ein Sorptionsmittel (30) an eine oder mehrere Positionen von einer Vielzahl von Positionen in diesem System. Ein erste Position (32) umfaßt eine Injektion des Sorptionsmittels (30) direkt zusammen mit dem Brennstoff (2). Eine zweite Position (34) umfaßt eine Injektion des Sorptionsmittels in den Dampfkessel (4), so daß sich das Sorptionsmittel mit dem Verbrennungsgas (6) an einer stromabwärts von dem Injektionspunkt des Brennstoffs (2) gelegenen Position vermischt. Eine dritte Position (36) umfaßt eine Injektion des Sorptionsmittels (30) in das Verbrennungsgas (6) direkt stromaufwärts oder vor dessen Ein­ trittsstelle in den Wärmetauscher (8), während eine vierte Position (38) eine Injektion des Sorptionsmittels (30) in das Verbrennungsgas nach dessen Austritt aus dem Wärmetauscher (8) umfaßt. Das Sorptionsmittel (30) wird von einer Sorptionsmittel-Aufnahme- und Herstellungsstation (40) bereitgestellt, während die aufgefangenen Teilchen und weitere Materialien (42) in einer Abfallentsorgungsvorrichtung (44) aufgefangen werden. Diese Trockeninjektionsverfahren erfordern, ähnlich wie Trocken­ gaswäscher, typischerweise teure Reagenzien, und es ist bekannt, daß sie eine schlechte Reagensverwertung aufweisen, was zu erhöhten Betriebs­ kosten und erhöhten Mengen an Abfallprodukten führt. Zusätzlich be­ schränkt die Gegenwart von nicht verbrauchtem Reagens in dem Abfall­ produkt dessen Verwendung als Produkt und beeinflußt nachteilig die Eigenschaften des Abfalls, was sich negativ auf den Betrieb von Müll­ deponien auswirkt. Da schließlich sowohl die Reaktionsprodukte als auch nicht verbrauchtes Sorptionsmittel in dem Teilchensammelbehälter (18) aufgefangen werden, ist das nicht verbrauchte Sorptionsmittel nicht leicht zugängig zur Verwendung bei der Entfernung von SO₂.
Die in den Fig. 1 und 2 erläuterten bekannten Systeme entfernen SO₃ aus dem Verbrennungsgas vor der Entfernung von Teilchen aus dem Verbrennungsgas in dem Teilchensammelbehälter (18). In einigen Fällen beeinflussen diese Verfahren zur Entfernung von Schwefeloxid signifikant den Wirkungsgrad des Teilchensammelbehälters (18) aufgrund der erhöh­ ten Teilchenbelastung, die auftritt, wenn das Reaktionsprodukt zu dem Teilchensammelbehälter (18) geleitet wird. Wenn der Teilchensammelbe­ hälter (18) ein elektrostatischer Präzipitator ist, ergibt sich weiterhin eine günstige Gelegenheit, den Widerstand der Teilchen, der den Wirkungs­ grad des Sammelns beeinflußt, zu ändern.
Auf dem Gebiet des Umweltschutzes ist es wohlbekannt, daß ein Naß­ gaswäscher SO₃ nicht effektiv aus einem Verbrennungsgas entfernt. In Naßgaswaschsystemen führt das rasche Abschrecken des Verbrennungs­ gases, das auftritt, wenn das heiße Gas mit Wasser oder einem wäßrigen Strom in Kontakt gebracht wird, zur Bildung eines H₂SO₄-Aerosols. Diese sehr feinen H₂SO₄-Tröpfchen neigen dazu, den Naßgaswäscher zu passieren, ohne daß sie aus dem Verbrennungsgas entfernt werden. Kürzlich durchgeführte Tests in einer Naßgaswasch-Pilotanlage, die heißes Verbrennungsgas aus einer kohlebefeuerten Dampfkesselvorrichtung erhielt, zeigten, daß nur 25 bis 35% des SO₃ in dem Verbrennungsgas an dem Einlaß zum Naßgaswäscher bei SO₃-Konzentration von 9-25 ppm entfernt wurden. Obwohl SO₃ typischerweise nur einen kleinen Teil der Schwefeloxide des Verbrennungsgases, das in solchen Verbrennungs­ verfahren produziert wird, ausmacht, können sogar kleine Überschußmen­ gen an SO₃ in dem Verbrennungsgas, das bei einer solchen Vorrichtung aus dem Schornstein emittiert wird, eine sichtbare Rauchfahne bewirken, was dazu führen kann, daß die Vorrichtung Ausführungsbestimmungen hinsichtlich der Opazität oder den SO₃-Emissionen überschreitet.
Andere bekannte System zur Entfernung von SO₃ aus einem Verbren­ nungsgas erfordern eine weitere Ausrüstung, sind sehr kompliziert hin­ sichtlich Bauweise und Betrieb und stellen ein sehr teures Verfahren zur Entfernung von SO₂ und SO₃ dar. Es ist somit klar; daß ein ein­ faches und wirtschaftliches Verfahren und System noch benötigt wird, um sowohl SO₂ als auch SO₃ aus dem Verbrennungsgas, das durch die Verbrennung eines fossilen Brennstoffs produziert wird, zu entfernen, das die Nachteile der vorgenannten Ansätze überwindet.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von SO₂ und SO₃ aus einem Verbrennungsgas, wobei ein Trockensorptionsmittel in das Verbrennungsgas stromabwärts einer Teil­ chensammelvorrichtung injiziert wird, umgesetztes und nicht-umgesetztes trockenes Sorptionsmittel in einem Naßgaswäscher aufgefangen und Schwefeldioxid (SO₂) in dem Naßgaswäscher entfernt wird. Insbesondere bezieht sich ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung auf ein Ver­ fahren zur Entfernung von SO₃ und SO₂ aus einem Verbrennungsgas, das durch die Verbrennung eines fossilen Brennstoffes entsteht, um ein gereinigtes Verbrennungsgas zu produzieren. Die Verfahrensschritte umfassen: die Versorgung von Teilchensammeleinrichtungen zum Auf­ fangen von Teilchen aus dem Verbrennungsgas mit dem Verbrennungs­ gas, wodurch ein teilweise gereinigtes Verbrennungsgas hergestellt wird, und die Beförderung des teilweise gereinigten Verbrennungsgases aus den Teilchensammeleinrichtungen, nachdem die Teilchen aus dem Verbren­ nungsgas entfernt worden sind; nachdem die Teilchen aus dem Verbren­ nungsgas entfernt worden sind, die Injektion in einer Menge eines Troc­ kensorptionsmittels in das Verbrennungsgas, die ausreichend ist, um im wesentlichen mit dem gesamten SO₃ aus dem teilweise gereinigten Verbrennungsgas umgesetzt zu werden und dieses zu entfernen, wodurch im wesentlichen SO₃-freies Verbrennungsgas, das umgesetztes trockenes Sorptionsmittel und nicht-umgesetztes trockenes Sorptionsmittel enthält, zu produzieren; die Beförderung des im wesentlichen SO₃-freien Verbren­ nungsgases, des umgesetzten trockenen Sorptionsmittels und des nicht- umgesetzten trockenen Sorptionsmittels zu Naßgaswascheinrichtungen (Naßgaswäschern); die Bereitstellung eines primären Reagens zu den Naßgaswascheinrichtungen, um SO₂ aus dem Verbrennungsgas zu entfer­ nen und weiterhin, um das trockene Sorptionsmittel in dem im wesentli­ chen SO₃-freien Verbrennungsgas zu befeuchten, wodurch sowohl das umgesetzte als auch das nicht-umgesetzte trockene Sorptionsmittel aus dem im wesentlichen SO₃-freien Verbrennungsgas entfernt wird, und wobei weiterhin das nicht-umgesetzte trockene Sorptionsmittel als Reagens zur SO₂-Entfernung verfügbar gemacht wird; und die Reaktion des primären Reagens und des nicht-umgesetzten trockenen Sorptionsmittels mit dem SO₂, um das SO₂ aus dem im wesentlichen SO₃-freien Ver­ brennungsgas zu entfernen, wodurch ein gereinigtes Verbrennungsgas produziert wird.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des oben genannten Verfahrens.
Das trockene Sorptionsmittel kann irgendeine Art von Reagens sein, einschließlich eines Reagens auf Calcium-Basis, auf Natrium-Basis oder auf Magnesium-Basis. Weiterhin besitzt die Teilchengröße des trockenen Sorptionsmittels eine Größe von mehr als 1,0 Mikron und vorzugsweise von mehr als 2,0 Mikron, damit die Teilchen effektiv in den Naßgas­ wascheinrichtungen gesammelt und aus dem Verbrennungsgas entfernt werden.
Die verschiedenen Merkmale der Neuheit, die die Erfindung kennzeich­ nen, sind in aller Ausführlichkeit in den beigefügten Ansprüchen darge­ legt, die einen Teil dieser Offenbarung bilden. Zum besseren Verständnis der Erfindung, ihrer Vorteile beim Betrieb und den bei ihrer Anwendung erhaltenen besonderen Ergebnissen wird Bezug genommen auf die beilie­ genden Zeichnungen und die Beschreibung, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen sind schematische Ansichten dargestellt, wobei
Fig. 1 eine bekannte Vorrichtung zur Entfernung von SO₃ aus einem Verbrennungsgas erläutert,
Fig. 2 eine zweite bekannte Vorrichtung zur Entfernung von SO₃ aus einem Verbrennungsgas erläutert und
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entfernung von SO₃ aus einem Verbrennungsgas erläutert.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die Tatsache, daß eine SO₃- Entfernung durch eine Trockeninjektion abhängig ist von Parametern wie der Teilchengröße oder der Oberfläche, der Menge an injiziertem Sorp­ tionsmittel, dem Injektionsverfahren, dem Typ des Sorptionsmittels und der Temperatur des Verbrennungsgases in der Nachbarschaft der Injek­ tionsstelle.
Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, betrifft ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfer­ nung von SO₃ und SO₂ aus einem Verbrennungsgas, wobei ein Naßgas­ wäscher (50) verwendet wird, der stromabwärts des Teilchensammlers (18), wie einem Behälter ("baghouse") oder einem elektrostatischen Präzi­ pitator, angeordnet ist. Zu Erläuterungszwecken werden die gleichen Bezugsziffern verwendet, um die gleichen oder ähnliche Teile oder Merkmale, die von den bekannten Systemen und Verfahren verwendet werden, zu bezeichnen.
Verbrennungsgas (6) aus dem Dampfkessel (4) wird durch einen Wärme­ tauscher (8) geführt, wodurch gekühltes Verbrennungsgas (52) bereitge­ stellt wird, das sodann zum Teilchensammler (18) befördert wird, um vor irgendeiner nachfolgenden Bearbeitung des Verbrennungsgases zur Entfer­ nung von SO₂ und/oder SO₃ Teilchen aus dem Verbrennungsgas (52) zu entfernen. Teilweise gereinigtes Verbrennungsgas (54) verläßt somit den Teilchensammler (18) und wird zu Naßgaswäscher (50) befördert. Teil­ chen (56), die aus dem Verbrennungsgas (52) entfernt worden sind, werden zu einer Abfallbeseitigungsvorrichtung (58) zur Abfallbeseitigung geleitet. Bevor jedoch die Naßgaswascheinrichtungen (50) mit dem Ver­ brennungsgas (54) versorgt wird, wird ein Trockensorptionsmittel (60), wie ein Reagens auf Calcium-, Natrium oder Magnesium-Basis, mit beliebigen bekannten Einrichtungen in das Verbrennungsgas (54) injiziert. Das trockene Sorptionsmittel (60) kann irgendeine der folgenden Substanzen umfassen: Kalk, Kalkstein, aktivierter Kalk, Natriumhydrogenbicarbonat oder andere Alkali-Natrium-Salze, oder andere Alkali-Verbindungen oder -Salze von Metallen, wobei Metalle wie Siliciumdioxid, Aluminium, Eisen, Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium usw., die Kationen sind, und andere Alkali-Verbindungen, wie Verbindungen auf der Basis von Ammo­ niak, oder Gemische solcher Verbindungen miteinander oder mit inerten oder katalysierenden Agenzien. Das trockene Sorptionsmittel (60) wird von Sorptionsmittel-Herstellungs- und -Aufnahmeeinrichtungen (62) bereit­ gestellt. Das trockene Sorptionsmittel (60) reagiert mit dem SO₃ in dem Verbrennungsgas (54), wodurch der größte Teil des SO₃ aus dem Ver­ brennungsgas (54) entfernt wird, wobei ein im wesentlichen SO₃-freies Verbrennungsgas erzeugt wird. Eine ausreichende Menge des trockenen Sorptionsmittels (60) wird so stromaufwärts den Naßgaswascheinrichtungen (50) in das Verbrennungsgas (54) injiziert, daß ein Teil des trockenen Sorptionsmittels (60) übrigbleibt oder nicht umgesetzt wird, nachdem der größte Teil des SO₃ absorbiert worden ist, wodurch das im wesentlichen SO₃-freie Verbrennungsgas produziert wird, das umgesetztes trockenes Sorptionsmittel und nicht-umgesetztes trockenes Sorptionsmittel enthält.
Nachdem das trockene Sorptionsmittel (60) in das Verbrennungsgas (54) injiziert worden ist, wird das umgesetzte trockene Sorptionsmittel und der verbleibende oder nicht-umgesetzte Teil des trockenen Sorptionsmittels (60) zu den Naßgaswascheinrichtungen (50) befördert. In den Naßgas­ wascheinrichtungen (50) wird das trockene Sorptionsmittel (60) befeuchtet, wodurch das nicht-umgesetzte trockene Sorptionsmittel als ein Reagens zur SO₂-Entfernung verfügbar gemacht wird. Die Naßgaswascheinrichtun­ gen (50) befeuchtet das umgesetzte und das nicht-umgesetzte trockene Sorptionsmittel (60) im Verbrennungsgas und entfernt dieses aus dem Verbrennungsgas, wobei sichergestellt wird, daß das nicht-umgesetzte trockene Sorptionsmittel (60) verfügbar gemacht wird, um SO₂ aus dem Verbrennungsgas innerhalb den Naßgaswascheinrichtungen (50) zu ab­ sorbieren.
Falls notwendig, wird weiterhin Zusatzreagens (64) von der optionalen Reagensherstellungsvorrichtung (66) zu den Naßgaswascheinrichtungen (50) geliefert. Eine optionale Reagensherstellungsvorrichtung (66) wäre nicht bei Situationen erforderlich, wenn das nicht-umgesetzte trockene Sorp­ tionsmittel (60) und das Zusatzreagens (64) dieselbe Verbindung sind, oder wenn das gesamte Reagens zur SO₂-Entfernung als eine Überschuß­ menge von nicht-umgesetztem trockenem Sorptionsmittel, das in das Verbrennungsgas (54) injiziert wurde, bereitgestellt wird. Im letztgenann­ ten Fall wäre die Menge des in das Verbrennungsgas (54) injizierten trockenen Sorptionsmittels (60) ausreichend, um nicht nur das SO₃ in dem Verbrennungsgas (54) zu berücksichtigen, sondern auch um genü­ gend Reagens bereitzustellen, so daß, wenn es befeuchtet und in den stromabwärts gelegenen Naßgaswascheinrichtungen verfügbar ist, die ge­ wünschte Menge von SO₂ aus dem Verbrennungsgas entfernt wird. In diesem zuletzt genannten Fall würden die Naßgaswascheinrichtungen (50) dazu dienen, einen Bereich bereitzustellen, in dem eine Flüssigkeit, typischerweise Wasser, in das Verbrennungsgas gesprüht werden würde, um das trockene Sorptionsmittel in dem Verbrennungsgas zu befeuchten und aus dem Verbrennungsgas zu entfernen. Das Gemisch aus Wasser und trockenem Sorptionsmittel, das am Boden der Naßgaswascheinrich­ tungen (50) gesammelt wird, würde somit zu einer Aufschlämmung werden, die in das Verbrennungsgas rückinjiziert wird.
Es sollte darauf hingewiesen werden, daß es nicht notwendig ist, daß das trockene Sorptionsmittel (60) und das Zusatzreagens (64) zur SO₂-Entfer­ nung in den Naßgaswascheinrichtungen (50) die gleiche Verbindung sind. Beispielsweise könnte das trockene Sorptionsmittel (60) hydratisierten Kalk umfassen, während Kalkstein (CaCO₃) als das Zusatzreagens (64) in den Naßgaswascheinrichtungen (50) verwendet würde. Nach Entfernung des SO₂ aus dem Verbrennungsgas innerhalb den Naßgaswascheinrichtun­ gen (50) tritt im wesentlichen sauberes Verbrennungsgas (68) über einen Schornstein (22) aus der Vorrichtung aus. Es ist für den Fachmann ein­ zusehen, daß das im wesentlichen saubere Verbrennungsgas (68), das durch den Schornstein (22) entweicht, eine gewisse Menge SO₂ beinhal­ tet, wobei die Menge von der Bauweise und von den Sicherheitsvor­ schriften abhängt. Typische, in der Industrie erforderliche Wirkungsgrade der SO₂-Entfernung bei Naßgaswascheinrichtungen liegen im Bereich von 90-98%. Andere Kombinationen von Verbindungen für das trockene Sorptionsmittel (60) und das Zusatzreagens (64) können ebenfalls ver­ wendet werden.
Um eine SO₃-Entfernung von 90% unter Verwendung eines auf Calcium basierenden Reagens (wie hydratisierter Kalk-Ca(OH)₂) zu erreichen, liegt das molare Zuführungsverhältnis von Ca/SO₃ im Bereich von etwa 2,0 bei hohen Temperaturen, d. h. etwa 2000°F, bis 10,0 bei mittleren Temperaturen, d. h. etwa 700°F, bis etwa 20,0 bei niedrigen Temperatu­ ren, d. h. etwa 315°F. Typischerweise werden etwa 0,3- 1,5% des Schwefels bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen in SO₃ über­ führt. Etwas SO₃ wird mit Flugasche oder auf Oberflächen im Verbren­ nungsgasstrom entfernt. Daher beträgt eine typische SO₃-Konzentration für eine Umweltschutzvorrichtung 0-25 ppm bei gutem Zustand oder 50-100 ppm unter erschwerten Bedingungen oder bei Bedingungen unter Ölbefeuerung. Sogar bei einem molaren Verhältnis Ca/SO₃ von beispielsweise 20 beträgt die Menge des Reagens, die zur Entfernung von 90% des SO₃ erforderlich ist, wesentlich weniger als die zur Entfernung des SO₂ erforderliche Menge. Dieses Ergebnis wird untenstehend wie folgt erläutert:
Basis: 100 mol Schwefel
Ergebnis: 99 mol SO₂ × 1 mol Ca/mol SO₂ = 99 mol Ca
1 mol SO₃ × 20 mol Ca/mol SO₃ = 20 mol.
Bei diesem Beispiel werden 100 mol Schwefel in 99 mol SO₂ und 1 mol SO₃ überführt. Unter Verwendung einer Konversion von 1 Ca/mol SO₂, was einem Naßgaswäscher angenähert ist, sind 99 mol Ca erforderlich. Es sind jedoch 20 mol Ca erforderlich, um 1 mol SO₃ bei niedriger Temperatur zu entfernen, obwohl in Wirklichkeit nur 1 mol Ca umge­ setzt wird. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 sind daher, wenn 20 mol des Sorptionsmittels injiziert werden, um SO₃ zu entfernen, 19 mol des nicht­ umgesetzten Sorptionsmittels noch verfügbar, um zur Reaktion mit dem SO₂ in den Naßgaswascheinrichtungen (50) verwendet zu werden. Weiter­ hin können 100 mol Ca injiziert werden, um im wesentlichen das gesam­ te SO₃ zu entfernen. Dann werden die 99 mol des nicht-umgesetzten Sorptionsmittels durch die Naßgaswascheinrichtungen (50) aufgefangen und sind zur Reaktion mit SO₂ verfügbar.
Kürzlich durchgeführte Untersuchungen haben bestätigt, daß Naßgaswasch­ einrichtungen wirksame Vorrichtungen zur Teilchenkontrolle darstellen, insbesondere für Teilchen mit einer Größe von mehr als 1-2 Mikron. Die Partikelgrößen von Sorptionsmitteln wie Calcit-hydratisierter Kalk, Lignosulfonat-Kalk, Typ-N-Dolomit-hydratisierter Kalk und pulverisierter Kalkstein, die in Sorptionsmittel-Injektionsversuchen verwendet werden, liegen in einem solchen Teilchengrößenbereich, daß 10% oder mehr weniger als 2,0 Mikron groß sind. Da die Naßgaswascheinrichtungen Teil­ chen dieser Größe nicht wirksam entfernt, besitzt das in der vorliegenden Erfindung verwendete Sorptionsmittel vorzugsweise eine Größe von mehr als 1-2 Mikron. Dies wird durch Sieben oder eine andere mechanische Trennung der Feinfraktion erreicht. Da die SO₃-Entfernung ein wenig von dieser Feinfraktion abhängt, wird die injizierte Menge erhöht, um die resultierende Abnahme der Oberfläche pro Masseneinheit des gröbe­ ren Sorptionsmittels auszugleichen.
Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens zählen:
  • - die kombinierte Entfernung von SO₂ und SO₃ in einem System,
  • - die Nutzbarmachung des Reagens, die so hoch ist wie diejenige, die mit herkömmlichen Naßgaswäschern erzielt wird;
  • - ein Teil des Reagens oder das gesamte Reagens, das für das Verfahren erforderlich ist, wird in die Naßgaswaschein­ richtungen injiziert, damit es die SO₃-Entfernung maximiert und zur SO₂-Entfernung verfügbar ist;
  • - keine nachteiligen Effekte auf Teilchenentfernungsvorrich­ tungen, da die Injektion des Sorptionsmittels stromabwärts des Teilchensammlers durchgeführt wird;
  • - keine Erhöhung der gebildeten Abfallmenge gegenüber bekannten Systemen;
  • - eine große Vielzahl von verwendeten Reagenzien, ein­ schließlich Reagenzien, auf Natrium-, Magnesium- und Cal­ cium-Basis;
  • - keine nachteiligen Auswirkungen auf die Naßgaswaschein­ richtungen, so daß fast jede Naßgaswäscher-Technologie ver­ wendet werden kann;
  • - Entfernung von HCl und von anderen sauren Gasen sowie von SO₂ und SO₃;
  • - Reduktion der Rauchfahne am Schornstein und der Opazi­ tät durch SO₃ und Entfernung der Feinteilchen mit einer geringeren Ausrüstung als bei anderen Systemen, was zu niedrigeren Betriebskosten führt;
  • - bei Reagenzien oder Sorptionsmitteln auf Calcium-Basis wird durch Reaktion des SO₃ Gips (CaSO₄) gebildet, wo­ durch die Teilchengröße des in den Gasstrom injizierten Sorptionsmittels zur leichteren Entfernung in den Naßgas­ wascheinrichtungen vergrößert werden kann;
  • - der Gips kann als Impfkristall in dem Verfahren verfügbar gemacht werden;
  • - es ist nur ein Sorptionsmittelherstellungs-/handhabungssy­ stem bei Vorrichtungen, die das gleiche Sorptionsmittel sowohl zur SO₂- als auch zur SO₃-Entfernung benutzen, erforderlich, so daß, wenn Kalkstein verwendet wird, eine Trockenvermahlung, die bereits bei einigen Naßgaswäschern eingesetzt wird, angewendet werden würde; und
  • - eine Injektion des Sorptionsmittels stromabwärts der Teil­ chensammlung minimiert den Verlust an wertvollem Rea­ gens.
Während besondere Ausführungsformen der Erfindung detailliert darge­ stellt und beschrieben worden sind, um die Anmeldung und die Prinzi­ pien der Erfindung zu erläutern, ist klar, daß die Erfindung auch anders ausgeführt werden kann, ohne von diesen Prinzipien abzuweichen.

Claims (16)

1. Verfahren zur Entfernung von SO₃ und SO₂ aus einem Verbren­ nungsgas, das durch die Verbrennung eines fossilen Brennstoffs erzeugt wird, umfassend
  • - die Beschickung von Teilchensammeleinrichtungen mit dem Verbrennungsgas zum Sammeln von Teilchen aus dem Ver­ brennungsgas, wodurch ein teilweise gereinigtes Verbren­ nungsgas erzeugt wird;
  • - die Beförderung des teilweise gereinigten Verbrennungsgases aus den Teilchensammeleinrichtungen, nachdem Teilchen aus dem Verbrennungsgas entfernt worden sind;
  • - die Injektion eines trockenen Sorptionsmittels in das Ver­ brennungsgas, nachdem Teilchen aus diesem entfernt wor­ den sind, in einer Menge, die ausreichend ist, um mit dem SO₃ des teilweise gereinigten Verbrennungsgases umgesetzt zu werden und im wesentlichen das gesamte SO₃ aus die­ sem zu entfernen, wodurch ein im wesentlichen SO₃-freies Verbrennungsgas erzeugt wird, das umgesetztes trockenes Sorptionsmittel und nicht-umgesetztes trockenes Sorptions­ mittel enthält;
  • - die Beförderung des im wesentlichen SO₃-freien Verbren­ nungsgases, des umgesetzten trockenen Sorptionsmittels und des nicht-umgesetzten trockenen Sorptionsmittels zu Naßgas­ wascheinrichtungen, wodurch sowohl das umgesetzte als auch das nicht-umgesetzte trockene Sorptionsmittel in dem im wesentlichen SO₃-freien Verbrennungsgas befeuchtet und entfernt wird, wodurch das nicht-umgesetzte trockene Sorp­ tionsmittel als Reagens zur SO₂-Entfernung verfügbar ge­ macht wird; und
  • - die Umsetzung des angefeuchteten Reagens mit dem SO₂ in den Naßgaswascheinrichtungen, wodurch ein Teil des SO₂ aus dem im wesentlichen SO₃-freien Verbrennungsgas, das zu den Naßgaswascheinrichtungen befördert worden ist, ent­ fernt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, umfassend den Schritt der Injektion eines trockenen Sorptionsmittels in das Verbrennungsgas in einer Menge, die ausreichend ist, um ein im wesentlichen SO₃-freies Verbrennungsgas, das umgesetztes trockenes Sorptionsmittel enthält, zu erzeugen, und eines nicht-umgesetzten trockenen Sorptionsmittels in einer Menge, die, nachdem das nicht-umgesetzte trockene Sorp­ tionsmittel in den Naßgaswascheinrichtungen angefeuchtet und als feuchtes Reagens zur SO₂-Entfernung verfügbar gemacht worden ist, ausreichend ist, um mit dem SO₂ des im wesentlichen SO₃-freien Verbrennungsgases, das zu den Naßgaswascheinrichtungen befördert worden ist, umgesetzt zu werden und genügend SO₂ zu entfernen, um ein im wesentlichen sauberes Verbrennungsgas zu erzeugen.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das trockene Sorptions­ mittel ausgewählt ist aus Reagenzien auf Natrium-Basis, auf Calcium- Basis und auf Magnesium-Basis.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend den Schritt der Beschickung der Naßgaswascheinrichtungen mit einem Zusatzreagens in einer solchen Menge, daß eine ausreichende Menge an nicht-umgesetztem trockenem Sorptionsmittel und Zusatzreagens vorhanden ist, die mit dem SO₂ aus dem im wesentlichen SO₃-freien Verbrennungsgas, das zu den Naßgaswascheinrichtungen befördert worden ist, umgesetzt wird und genügend SO₂ entfernt, um ein im wesentlichen sauberes Verbrennungsgas zu erzeugen.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das trockene Sorptionsmittel und das Zusatzreagens aus der gleichen chemischen Verbindung bestehen.
6. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das trockene Sorptionsmittel und das Zusatzreagens aus unterschiedlichen chemischen Verbin­ dungen bestehen.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das trockene Sorptionsmittel einen Teilchengrößen-Bereich von mehr als etwa 1,0 Mikron aufweist.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das trockene Sorptionsmittel einen Teilchengrößen-Bereich von mehr als etwa 2,0 Mikron aufweist.
9. Vorrichtung zur Entfernung von SO₃ und SO₂ aus einem Verbren­ nungsgas, das durch die Verbrennung eines fossilen Brennstoffs erzeugt worden ist, umfassend
  • - Teilchensammeleinrichtungen zur Entfernung von Teilchen aus dem Verbrennungsgas, wodurch ein teilweise gereinigtes Verbrennungsgas erzeugt wird;
  • - Abzugseinrichtungen zur Beförderung des teilweise gereinigt­ en Verbrennungsgas aus den Teilchensammeleinrichtungen;
  • - Einrichtungen zur Injektion eines trockenen Sorptionsmittels in das Verbrennungsgas, das innerhalb der Abzugseinrich­ tungen befördert worden ist, in einer Menge, die ausrei­ chend ist, um mit dem SO₃ aus dem teilweise gereinigten Verbrennungsgas umgesetzt zu werden und im wesentlichen das gesamte SO₃ zu entfernen, wodurch ein im wesentlichen SO₃-freies Verbrennungsgas erzeugt wird, das umgesetztes trockenes Sorptionsmittel und nicht-umgesetztes trockenes Sorptionsmittel enthält; und
  • - Naßgaswascheinrichtungen zur Entfernung eines Teils des SO₂ aus dem im wesentlichen SO₃-freien Verbrennungsgas, wobei die Naßgaswascheinrichtungen sowohl das umgesetzte als auch das nicht-umgesetzte trockene Sorptionsmittel in dem im wesentlichen SO₃-freien Verbrennungsgas befeuch­ tet, wodurch das nicht-umgesetzte trockene Sorptionsmittel als feuchtes Reagens zur SO₂-Entfernung verfügbar gemacht wird, und wobei das befeuchtete Reagens mit dem SO₂ in den Naßgaswascheinrichtungen reagiert, wodurch ein Teil des SO₂ aus dem im wesentlichen SO₃-freien Verbrennungs­ gas entfernt wird.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, umfassend Einrichtungen zur Injek­ tion eines trockenen Sorptionsmittels in das Verbrennungsgas in einer Menge, die ausreichend ist, um ein im wesentlichen SO₃-freies Verbrennungsgas zu erzeugen, das umgesetztes trockenes Sorptions­ mittel enthält, und eines nicht-umgesetzten trockenen Sorptionsmittels in einer Menge, die, nachdem das nicht-umgesetzte trockene Sorp­ tionsmittel in den Naßgaswascheinrichtungen befeuchtet und als Rea­ gens zur SO₂-Entfernung verfügbar gemacht worden ist, ausreichend ist, um mit dem SO₂ aus dem im wesentlichen SO₃-freien Verbren­ nungsgas, das zu den Naßgaswascheinrichtungen befördert worden ist, umgesetzt zu werden und genügend SO₂ zu entfernen, um ein im wesentlichen sauberes Verbrennungsgas zu erzeugen.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei das trockene Sorp­ tionsmittel ausgewählt ist aus Reagenzien auf Natrium-Basis, auf Calcium-Basis und auf Magnesium-Basis.
12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, umfassend Ein­ richtungen zur Beschickung der Naßgaswascheinrichtungen mit einem Zusatzreagens in einer solchen Menge, daß die Menge an trockenem Sorptionsmittel und an Zusatzreagens ausreichend ist, um mit dem SO₂ aus dem im wesentlichen SO₃-freien Verbrennungsgas, das zu den Naßgaswascheinrichtungen befördert worden ist, umgesetzt zu werden und genügend SO₂ zu entfernen, um ein im wesentlichen sauberes Verbrennungsgas zu erzeugen.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei das trockene Sorptionsmittel und das Zusatzreagens aus der gleichen chemischen Verbindung bestehen.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei das trockene Sorptionsmittel und das Zusatzreagens aus unterschiedlichen chemischen Verbin­ dungen bestehen.
15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das trocke­ ne Sorptionsmittel einen Teilchengrößen-Bereich von mehr als etwa 1,0 Mikron aufweist.
16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei das trocke­ ne Sorptionsmittel einen Teilchengrößen-Bereich von mehr als etwa 2,0 Mikron aufweist.
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