DE19601323A1 - Vorrichtung zur Abgaskühlung in Verdampfungskühlern - Google Patents

Description

Zur Abgaskühlung oder -konditionierung werden in verschiedenen Indu­ striezweigen, z. B. der Stahlindustrie, Zementindustrie, Abfallbehandlung oder Recyclingtechnik, Verdampfungskühler eingesetzt. Diese Abgasküh­ lung ist erforderlich, um die Wirksamkeit der nachgeschalteten Gasreini­ gungsstufen, unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand, sicherzustellen.

Grundprinzip der Verdampfungskühler stellt die Eindüsung von Wasser über Düsenlanzen in fein verteilter Form in den heißen Gasstrom mit voll­ ständiger Wasserverdampfung dar. Im Gegensatz zu Quenchstufen und Wäschern haben Verdampfungskühler den Vorteil, daß nur diejenige Was­ sermenge eingedüst wird, die leistungsabhängig gerade benötigt wird, um eine bestimmte Austrittstemperatur geregelt zu erreichen. Der Verdamp­ fungskühler bleibt deswegen bei entsprechender Auslegung trocken und es entsteht kein überschüssiges Abwasser.

Die Gaskühlung läuft durch die spontane Verdampfung in Sekundenbruch­ teilen in einem Verdampfungsraum ohne Einbauten und Wärmetauscher­ flächen ab. Es hat sich deshalb als weiterer Vorteil dieses Systems erwie­ sen, daß eine evtl. Rekombination von Dioxinen und Furanen, wie sie im Abgasstrom von Verbrennungsprozessen beobachtet wurde, unterdrückt werden kann.

Die Funktion des Verdampfungskühlers setzt neben der thermodynami­ schen Auslegung und Erfahrung ein Düsensystem zur Erzeugung eines möglichst feinen Tropfenspektrums voraus.

Zur Wasserverdüsung wurden in der Vergangenheit zwei unterschiedliche Systeme genutzt:

• a) Einstoffdüsen, die über Wasserpumpen mit Kühlwasser bei Drücken von 20-50 bar versorgt werden und die aufgrund ihrer Düsengeo­ metrie ein Tropfenspektrum erzeugen, bei dem mit max. Tropfen­ durchmessern von 300-400 µm gerechnet werden muß.
• b) Zweistoffdüsen, bei denen die Verdüsung des Kühlwassers mit Hilfe von Druckluft oder Dampf als Treibmedium bei ca. 3-6 bar erfolgt. Die maximalen Tropfendurchmesser liegen hierbei zwischen ca. 100-150 µm und damit deutlich unter denen von Einstoffdüsen-Systemen.

Beide Systeme haben damit im praktischen Betrieb technische und wirtschaftliche Anwendungsgrenzen:
Einstoffdüsen werden aufgrund ihres Tropfenspektrums in erster Linie bei Anlagen eingesetzt, bei denen hohe Eintrittstemperaturen vorliegen. Aufgrund der thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten ergeben sich kurze Verdampfungszeiten auch für gröbere Tropfen.

Durch den Düsenaufbau und das hieraus resultierende Sprühbild wird je­ doch die Regelbarkeit der Düsen begrenzt. Schon bei einer Teillast von 50% ist der Düsenwiderstand so gering, daß sich eine Tropfenvergröße­ rung um ein Vielfaches ergibt. Da dieser Lastfall häufig auch mit Anfahr­ zuständen, d. h. niedrigen Temperaturen im Abgas und in der Anlage zu­ sammenfällt, ist ein "Naßfahren" des Kühlers mit entsprechenden Stauban­ backungen nicht auszuschließen.

Zweistoffdüsen weisen andererseits ein sehr gutes Teillastverhalten auf. Sie haben jedoch einen hohen Druckluftverbrauch, der hohe Erzeugungs­ kosten verursacht. Zusätzlich wird die Abgasmenge durch den Druckluft- oder Dampfanteil erhöht, was für die Auslegung der nachgeschalteten Gasreinigungsstufen berücksichtigt werden muß. Diese Düsenbauart wird deswegen nur bei kleineren Durchsatzleistungen und niedrigen Eintrittstemperaturen wirtschaftlich eingesetzt.

Der Erfindung liegt deshalb eine Vorrichtung zugrunde, bei welcher zur Ab­ gaskühlung in einem Verdampfungskühler zwei getrennte Düsensysteme, z. B. als Kombination aus Ein- und Zweistoffdüsen einsetzt wird und diese steuerungsmäßig so verknüpft werden, daß beide Systeme optimal in ihren Anwendungsgrenzen arbeiten können.

Diese Vorrichtung soll nachfolgend anhand Abb. 1 beschrieben werden:

Zur Abgaskühlung hinter einer thermischen Prozeßstufe, z. B. Schmelzofen, Kalzinierofen, Müllverbrennung oder -pyrolyse, Wertstoffrückgewinnung, ohne oder mit teilweiser Wärmerückgewinnung wird ein Verdampfungsküh­ ler (1) angeordnet, bevor das Abgas einer oder mehreren Gasreinigungs­ stufen zugeleitet wird.

Der Verdampfungskühler ist in vertikaler Bauweise ausgeführt. Das Abgas tritt von oben in den Verdampfungskühler ein, der im Bereich hoher Abgas­ temperaturen mit einer temperaturbeständigen Auskleidung versehen ist.

Alternativ kann die Bauweise des Verdampfungskühlers bei entsprechen­ der Dimensionierung mit Anströmung von unten erfolgen, ohne daß sich die erfindungsgemäße Vorrichtung ändert.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die zur Gaskühlung erforder­ liche Wassermenge auf zwei getrennte Düsensysteme unterschiedlicher Druckstufen, z. B. einem Zweistoffdüsen-System mit 5 bar (2) und einem Einstoff-Düsensystem mit 35-40 bar (5) aufgeteilt. Die Leistungsabgren­ zung der Düsensysteme erfolgt anhand der zu erwartenden Anlagenfahr­ weise (Mindestlast) und einer Kostenoptimierung aus Investition und Be­ triebskosten für Druckluft. Dabei ergeben sich sinnvollerweise 20-40% Anteile für ein Zweistoffdüsen-System sowie 60-80% für das Einstoff- Düsensystem.

Beide Düsensysteme werden im Eintrittsbereich des Verdampfungskühlers strömungsgünstig angeordnet und über getrennte Ringleitungen aus verschiedenen Pumpenstationen versorgt.

Der Verdampfungskühler wird mit einer Regelung ausgerüstet, die so auf­ gebaut ist, daß der Verdampfungskühler im Anfahrbetrieb, d. h. praktisch ab 0 kg/h Wasser mit dem Zweistoffdüsensystem über die Pumpe (3) ange­ fahren werden kann.

Die Regelung der Wassermenge in Abhängigkeit einer konstanten Austrittstemperatur (9) erfolgt das wasserseitige Regelventil (4) des Zweistoffdüsensystems. Eine zusätzliche Erfassung der Abgasmenge (10) und Eintrittstemperatur vor Verdampfungskühler (11) zur rechnerischen Korrektur der Wassermenge ist möglich, jedoch nicht Voraussetzung für den erfindungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung.

Nach Erreichen der Auslegungsmenge für das Zweistoffdüsen-System, er­ faßt entweder über Endschalter des Regelventils (4) oder über die gemes­ sene Wassermenge im Zweistoffdüsen-System, wird das Einstoffdüsen- System in Betrieb gesetzt.

Nach Einschalten der Pumpe (8) öffnen die Stellventile (6 und 7) und geben die Wasserversorgung der Einstoffdüsen frei.

Die Stellzeiten der Ventile (6 und 7) sind so auf das Regelventil (4) abge­ stimmt, daß die eintretende Temperaturabsenkung aufgrund der zusätzlichen Wasserzufuhr durch das Regelventil (4) des Zweistoffdüsen­ systems ausgeregelt werden kann.

Damit kann einfacherweise die Feinregelung des Verdampfungskühlers über das leistungsfähige Zweistoffdüsen-System erfolgen und das Einstoffdüsen-System entsprechend dem Betriebszustand dazu- bzw. abgeschaltet oder nach Bedarf dazugeregelt werden.

Neben dieser Grundvariante ergeben sich folgende Ausbaustufen bei gleichzeitiger weiterer Reduzierung der Druckluft- oder Dampfmenge:
Bei dieser Variante wird das Einstoffdüsen-System in zwei getrennte Dü­ sengruppen unterteilt. Die Anlage wird wie bei der Grundvariante über das Zweistoffdüsensystem gestartet, jedoch zunächst nur eine Einstoffdüsen­ gruppe über das beschriebene Stellventil (6) freigegeben.

Nachdem durch diese Düsengruppe die volle Wassermenge gefördert wird, öffnet die zweite Düsengruppe über ein weiteres Stellventil (7).

Als weitere Variante kann es sich als wirtschaftlich erweisen, die Hoch­ druckpumpe (8) zur Düsenversorgung des Einstoffdüsen-Systems über eine Drehzahlregelung an unterschiedliche Leistung anzupassen oder eine Grobregelung vorzunehmen.

Mit der beschriebenen Vorrichtung wird es möglich, Verdampfungskühler auch unter extremen Lastschwankungen betriebssicher beim An- und Abfahrbetrieb zu betreiben und gleichzeitig erhebliche Kosteneinsparungen durch geringen Energieverbrauch zu erzielen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Abgaskühlung in Verdampfungskühlern dadurch gekennzeichnet, daß in Verdampfungskühlern zwei getrennte Düsensysteme unterschiedlicher Druckstufen zur Erzeugung unterschiedlicher Tropfenspektren eingesetzt werden und die Anlagensteuerung so aufgebaut ist, daß das Düsensystem mit feinem Tropfenspektrum zum An- und Abfahren und zur Ausregelung von Lastspitzen eingesetzt und das Düsensystem mit grobem Tropfen­ spektrum erst nach Erreichen einer bestimmten Anlagenleistung oder Abgastemperatur zugeschaltet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Düsensystem zur Erzeugung eines feinen Tropfenspektrums Zwei­ stoffdüsen mit Druckluft oder Dampf als Treibmedium und als Düsensystem zur Erzeugung eines groben Tropfenspektrums Einstoffdüsen ohne Treib­ medium verwendet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsensystem mit grobem Tropfenspektrum mit einer Unterteilung der Düsenversorgung ausgerüstet ist und Düsengruppen stufenweise zu- und abgeschaltet werden können.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpen des Düsensystems mit grobem Tropfenspektrum mit einer Drehzahlregelung ausgerüstet sind.