DE19715244A1 - Verfahren zur Reinigung von heissen Rauchgasen, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie Anwendung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Reinigung von heissen Rauchgasen, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie Anwendung des Verfahrens

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Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Rauchgasreinigung. Sie betrifft ein Verfahren zur Reinigung von heißen Rauchgasen, bei welchem Verfahren die ungefilter­ ten heißen Rauchgase während einer Filterphase durch wenig­ stens ein keramisches Hochtemperatur-Barrierenfilter geleitet werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit wenigstens einem keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter sowie eine Anwendung des Ver­ fahrens.
STAND DER TECHNIK
Im Stand der Technik sind verschiedene Methoden zur Reinigung von heißen Rauchgasen bekannt. In Fig. 1 ist ein typisches Beispiel für ein bekanntes Rauchgasfiltersystem im Zusammen­ hang mit einer Gasturbinenanlage dargestellt. Einem Kessel 10 wird von einem mit der Gasturbine 13 verbundenen Kompressor 12 komprimierte Verbrennungsluft zugeführt. Die aus dem Kes­ sel 10, z. B. einem Kohlekessel mit PFBC (Pressurised Fluid Bed Combustion), entweichenden heißen Rauchgase werden in einer nachfolgenden Zyklone von groben Ascheteilchen befreit und gelangen dann direkt zur Gasturbine 13. Hinter der Gasturbine 13 werden die Gase in einem Wärmetauscher 14 abge­ kühlt und anschließend in einem Niedertemperaturfilter 15 endgültig von allen Partikeln gereinigt. Bei dieser Art der Niedertemperatur-Filterung gelangen Partikel und flüchtige alkalische Komponenten des Rauchgases in die Gasturbine 13 und können dort Probleme verursachen.
Bei einer anderen bekannten Anlage werden die heißen Rauch­ gase direkt einer Filtereinrichtung zugeführt. Die wirkungs­ vollste Art der Entfernung von Partikeln direkt aus den heißen Rauchgasen ist die Barrieren-Filterung mittels kerami­ scher Filter (keramische Barrierenfilter). Derartige Barrie­ renfilter sind z. B. aus der Druckschrift EP-A2-0 600 440 be­ kannt. Fig. 2 zeigt ein beispielhaftes System einer solchen Heißgasfilterung im Zusammenhang mit der bereits erwähnten Gasturbine. Die heißen Rauchgase aus dem Kessel 10 werden in diesem Fall durch einen vor der Gasturbine 13 angeordneten Hochtemperaturfilter 17 in Form eines keramischen Barrieren­ filters geschickt. Zusätzlich kann vor das Hochtemperaturfil­ ter 17 auch noch die Zyklone 11 vorgeschaltet werden.
Große technische Probleme ergeben sich jedoch, wenn die Tem­ peratur der zu filternden Rauchgase oberhalb 700°C liegt. Die herauszufilternden Partikel erweichen bei diesen Temperaturen und werden dadurch klebrig. Die chemische Zusammensetzung der Flugasche kann bei diesen Temperaturen zu einer eutektischen Mischung führen und es besteht ein hohes Risiko, daß die Filterelemente im Hochtemperaturfilter 17 sich zusetzen oder verstopfen, und daß der entstehende Filterkuchen nur unvoll­ ständig von den Filterelementen entfernt werden kann. Daher ist bei den bekannten Heißgas-Filtersystemen die Zuverläs­ sigkeit und Betriebssicherheit bis heute gering. Hinzu kommt, daß alkalische Komponenten im Rauchgas mit niedriger Ver­ dampfungstemperatur das Filter durchqueren können und weiter stromabwärts im Prozeß kondensieren können.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Rauchgasreinigung anzugeben, welche sich durch eine hohe Zuverlässigkeit im Betrieb auszeichnen und zusätz­ liche Filterstufen im Niedertemperaturbereich unnötig werden lassen.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß vor Beginn der Filterphase das we­ nigstens eine keramische Hochtemperaturfilter mit einem als Filterhilfe wirkenden Vorbeschichtungsmaterial beschichtet wird, und daß nach Beendigung der Filterphase der Staubku­ chen, der sich während der Filterphase unter Mitwirkung des Vorbeschichtungsmaterials an dem wenigstens einen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter gebildet hat, zur Vorbereitung auf eine neue Filterphase entfernt wird.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zur Beschichtung des wenigstens einen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfil­ ters das Vorbeschichtungsmaterial stromaufwärts von dem we­ nigstens einen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter in­ jiziert wird. Hierdurch wird eine einfache und gleichmäßige Verteilung des Vorbeschichtungsmaterials auf der Filterober­ fläche erreicht.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei separate keramische Hochtemperatur-Barrierenfilter verwendet werden, und daß die wenigstens zwei keramischen Hochtempera­ tur-Barrierenfilter abwechselnd mit den ungefilterten heißen Rauchgasen beaufschlagt werden. Mit dem alternierenden Be­ trieb kann eine fortlaufende Filterung ohne Ausfallzeiten er­ reicht werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß, wenn sich das eine der wenigstens zwei keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter in der Fil­ terphase befindet, das jeweils andere keramische Hochtempera­ tur-Barrierenfilter vom aufgebauten Staubkuchen befreit und neu mit dem Vorbeschichtungsmaterial beschichtet wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt wenigstens einen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter und ist dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts des wenigstens einen kera­ mischen Hochtemperatur-Barrierenfilters eine Einrichtung zur Injektion des Vorbeschichtungsmaterials vorgesehen ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Er­ findung ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei ke­ ramische Hochtemperatur-Barrierenfilter parallel zueinander angeordnet sind, daß Mittel vorhanden sind, mit denen wahl­ weise der eine oder der andere der wenigstens zwei kerami­ schen Hochtemperatur-Barrierenfilter in den Rauchgasstrom ge­ schaltet werden kann, und daß die Schaltmittel so ausgebil­ det und angeordnet sind, daß die wenigstens zwei keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter wahlweise hintereinander ange­ ordnet in den Rauchgasstrom geschaltet werden können.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An­ sprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 eine Gasturbinenanlage mit Niedertemperaturfilte­ rung der Rauchgase nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine Gasturbinenanlage mit Hochtemperaturfilte­ rung der Rauchgase nach dem Stand der Technik; und
Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Hochtemperaturfilterung nach der Erfindung mit einem Paar umschaltbarer, vorbeschichtbarer Bar­ rierenfilter.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Hochtemperaturfilterung nach der Erfindung im Zusammenhang mit einer Gasturbinenanlage dargestellt. Wie in den Fig. 1 und 2 versorgt hier ein Kompressor 12, der auf einer Welle mit einer Gasturbine 13 angeordnet ist, einen Kessel 10 mit Verbrennungsluft. Die heißen Rauchgase aus dem Kessel werden durch eine Filtereinrichtung geleitet, treiben dann die Gasturbine 13 an, werden anschließend in einem Wärmetauscher 14 abgekühlt und schließlich durch einen Abluftkamin 16 an die Umwelt abgegeben.
Die Filtereinrichtung umfaßt zwei parallel angeordnete kera­ mische Hochtemperatur-Barrierenfilter 19 und 20, die ein­ gangsseitig wahlweise über ein erstes 3-Wege-Ventil 21 mit den heißen Rauchgasen aus dem Kessel 10 beaufschlagt werden können. Am Ausgang der beiden Hochtemperatur-Barrierenfilter 19, 20 sind jeweils ein zweites und ein drittes 3-Wege-Ventil 22 bzw. 23 angeordnet, mittels derer die gefilterten Rauch­ gase wahlweise auf den Eingang des jeweils anderen Hochtempe­ ratur-Barrierenfilters oder direkt an die Gasturbine 13 wei­ tergeleitet werden können. Stromaufwärts von den beiden Hochtemperatur-Barrierenfiltern 19, 20 sind jeweils (durch Pfeile dargestellte) Einlässe 24, 25 vorgesehen, durch welche für ein Vorbeschichtungsmaterial (precoat material) für den jeweiligen Filter injiziert werden kann. Die beiden kerami­ schen Hochtemperatur-Barrierenfilter 19, 20 können wahlweise als eigenständige Filter ausgebildet sein, oder als separate Filterabteilungen in einem gemeinsamen Filtergehäuse.
Bevor eines der Filter 19, 20 in der Filterphase mit dem Rauchgasstrom beaufschlagt wird, wird zunächst durch den zu­ gehörigen Einlaß 24 bzw. 25 stromaufwärts vom Filter ein Vorbeschichtungsmaterial injiziert. Der Zweck dieses Filter­ hilfsmittels ist es, die Bildung eines leicht zu entfernenden Filterkuchens auf der Filteroberfläche zu fördern bzw. zu be­ wirken. Ist die Vorbeschichtung abgeschlossen, wird das staubbeladene Rauchgas durch den Filter geschickt und an der Oberfläche der Schicht aus Vorbeschichtungsmaterial gefil­ tert. Wenn der (mit der Staubablagerung zunehmende) Druckab­ fall am Filter einen kritischen (oder vorbestimmten) Wert er­ reicht, oder wenn eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist, wird das gerade in der Filterphase befindliche Filter abgeschaltet und der Staubkuchen, der sich gebildet hat, wird von der Fil­ teroberfläche entfernt.
Die beiden Filter 19, 20, die entweder als eigenständige Fil­ ter oder als separate Filterabteilungen in einem gemeinsamen Filtergehäuse ausgebildet sind, werden über das 3-Wege-Ventil 21 abwechselnd in den Rauchgasstrom eingeschaltet. Ist das Hochtemperatur-Barrierenfilter 19 gerade in den Rauchgasstrom eingeschaltet, kann beim abgeschalteten Hochtemperatur-Bar­ rierenfilter 20 der Staubkuchen entfernt und zur Vorbereitung auf eine neue Filterphase neues Vorbeschichtungsmaterial in­ jiziert werden, und umgekehrt. Besonders günstig ist es, wenn mittels der 3-Wege-Ventile 22 und 23 das gereinigte Rauchgas vom Ausgang des gerade eingeschalteten Filters zum Eingang des abgeschalteten anderen Filters geleitet und dort zur In­ jektion des Vorbeschichtungsmaterials verwendet wird. Hier­ durch können die Temperaturverluste minimiert werden. Dies führt zu einem sehr zuverlässigen Betrieb, weil die Entfer­ nung des Staubkuchens von der Filteroberfläche wesentlich verbessert wird.
Eine sorgfältige Auswahl des Vorbeschichtungsmaterials ist notwendig, um eutektische Mischungen zu vermeiden. Darüber­ hinaus kann ein richtig ausgewähltes Vorbeschichtungsmaterial einen großes Teil der flüchtigen Alkalien und auch gasförmi­ ges HCl und HF binden, so daß stromabwärts keine Maßnahmen zur Reduzierung dieser Komponenten getroffen werden müssen. In diesem Sinne geeignete Materialien sind Mischungen von Alumino-Silikaten mit einer von der Flugasche selbst abwei­ chenden Zusammensetzung. Die Zusammensetzung derartiger Mi­ schungen und die Wirkung solcher Mischungen auf die Entfer­ nung von Alkalien und Komponenten wie HCl, HF ist beispiels­ weise aus den Druckschriften B. Wu, K. Jaanu, F. Shadman, 3rd Int. Symposium on Gas Cleaning at High Temperatures, Karls­ ruhe/Germany, 1996, p.339, oder K. Jaanu, M. Orjala, 3rd Int. Symposium on Gas Cleaning at High Temperatures, Karls­ ruhe/Germany, 1996, p.328, bekannt.
Obgleich bei dem im Rahmen der Erfindung vorgeschlagenen Sy­ stem mit etwas höheren Investitionskosten zu rechnen ist, werden diese Kosten kompensiert durch einen sehr zuverlässi­ gen Betrieb und die Tatsache, daß ein Niedertemperaturfil­ ter, Zyklone und eine Vorrichtung zur Entfernung von Alkalien eingespart werden können.
Bezugszeichenliste
10
Kessel
11
Zyklone
12
Kompressor
13
Gasturbine
14
Wärmetauscher
15
Niedertemperaturfilter
16
Abluftkamin
17
Hochtemperaturfilter
19
,
20
Hochtemperatur-Barrierenfilter
21
,
22
,
23
3-Wege-Ventil
24
,
25
Einlaß für Vorbeschichtungsmaterial (precoat material)

Claims (15)

1. Verfahren zur Reinigung von heißen Rauchgasen, bei welchem Verfahren die ungefilterten heißen Rauchgase während einer Filterphase durch wenigstens ein keramisches Hochtempe­ ratur-Barrierenfilter (17, 19, 20) geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Filterphase das wenig­ stens eine keramische Hochtemperaturfilter (19, 20) mit einem als Filterhilfe wirkenden Vorbeschichtungsmaterial beschich­ tet wird, und daß nach Beendigung der Filterphase der Staub­ kuchen, der sich während der Filterphase unter Mitwirkung des Vorbeschichtungsmaterials an dem wenigstens einen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter (19, 20) gebildet hat, zur Vorbereitung auf eine neue Filterphase entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterphase beendet wird, wenn der Druckabfall am wenigstens einen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter (19, 20) einen vorbestimmten Wert überschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterphase nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit be­ endet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschichtung des wenigstens einen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilters (19, 20) das Vor­ beschichtungsmaterial stromaufwärts von dem wenigstens einen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter (19, 20) injiziert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorbeschichtungsmaterial Mischungen aus Alumino-Silikaten verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei separate keramische Hochtemperatur-Barrierenfilter (19, 20) verwendet werden, und daß die wenigstens zwei keramischen Hochtemperatur-Barrie­ renfilter (19, 20) abwechselnd mit den ungefilterten heißen Rauchgasen beaufschlagt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn sich das eine der wenigstens zwei keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter (19 bzw. 20) in der Filter­ phase befindet, das jeweils andere keramische Hochtemperatur- Barrierenfilter (20 bzw. 19) vom aufgebauten Staubkuchen be­ freit und neu mit dem Vorbeschichtungsmaterial beschichtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Beschichtung des jeweils anderen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilters (20 bzw. 19) gefiltertes Rauchgas vom Ausgang des einen keramischen Hochtemperatur- Barrierenfilters (19 bzw. 20) verwendet wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit wenigstens einem keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter (19, 20), dadurch gekennzeich­ net, daß stromaufwärts des wenigstens einen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilters (19, 20) eine Einrichtung (24, 25) zur Injektion des Vorbeschichtungsmaterials vorgese­ hen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei keramische Hochtemperatur-Barrierenfil­ ter (19, 20) parallel zueinander angeordnet sind, und daß Mittel (21, 22, 23) vorhanden sind, mit denen wahlweise der eine oder der andere der wenigstens zwei keramischen Hochtem­ peratur-Barrierenfilter (19, 20) in den Rauchgasstrom ge­ schaltet werden kann.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (21, 22, 23) so ausgebildet und ange­ ordnet sind, daß die wenigstens zwei keramischen Hochtempe­ ratur-Barrierenfilter (19, 20) wahlweise hintereinander ange­ ordnet in den Rauchgasstrom geschaltet werden können.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel drei 3-Wege-Ventile (21, 22, 23) umfas­ sen, von denen das eine (21) die ungefilterten Rauchgase wahlweise auf den Eingang eines der beiden keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter (19, 20) lenkt, das zweite (22) die gefilterten Rauchgase aus dem einen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter (19) wahlweise auf den Eingang des anderen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilters (20) oder zum Ausgang der Filtereinrichtung lenkt, und das dritte (23) die gefilterten Rauchgase aus dem anderen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilter (20) wahlweise auf den Eingang des einen keramischen Hochtemperatur-Barrierenfilters (19) oder zum Ausgang der Filtereinrichtung lenkt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden keramischen Hochtempe­ ratur-Barrierenfilter (19, 20) als eigenständige Filter aus­ gebildet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden keramischen Hochtempe­ ratur-Barrierenfilter (19, 20) als separate Filterabteilungen in einem gemeinsamen Filtergehäuse ausgebildet sind.
15. Anwendung der Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, Reinigung von Rauchgasen zwischen einem Kessel (10) und einer Gasturbine (13)
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