DE19751851A1 - Aerosolminderung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Verminderung von Aerosolen in dem Rauchgas von naßgehenden Rauchgasreinigungsanlagen mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Bei der Verbrennung von chlor- und schwefelhaltigen Brennstoffen wird mit den Rauchgasen Chlorwasserstoff, Schwefeldioxid und in wesentlich geringerem Umfang auch Schwefeltrioxid freigesetzt. Dies gilt insbesondere für die Verbrennung von Abfällen. Für die Entfernung dieser Schadstoffe werden als Naßwäscher ausgebildete Rauchgasreinigungsanlagen eingesetzt (Thermische Abfallbehandlung und -verwertung, expert-Verlag 1989, Seiten 100 bis 115). Bei einer unzureichenden Abscheidung der Schadstoffe können Korrosionsschäden in den der naßgehenden Rauchgasreinigungsanlage nachgeschalteten Aggregaten auftreten.

Das Funktionsprinzip der Naßwäscher basiert auf der Tatsache, daß sich die sauren Schadgasbestandteile des Rauchgases in der Waschflüssigkeit lösen. Dadurch werden diese Schadstoffe im Gas unmittelbar oberhalb der Absorberflüssigkeit abgereichert. Der dabei entstehende Gradient der Konzentrationen in der Gasphase ist die Triebkraft für den Stofftransport. Der Stofftransport wird technisch vergrößert, indem der Waschflüssigkeit Neutralisationsmittel, in der Regel Alkali- oder Erdalkalihydroxide, -oxide oder -carbonate, zugeführt werden. Die Temperatur der Rauchgase kühlt sich in den Naßwäschern auf die sogenannte Kühlgrenztemperatur ab, wobei das Rauchgas erhebliche Mengen Wasserdampf bis zur Sättigung aufnimmt.

Nachteilig bei den naßgehenden Waschverfahren ist das schlechte Abscheidevermögen für Teilchen mit Durchmessern im Bereich von 0,05 bis zu 2 µm. Die typischen Abmessungen besonders schlecht abscheidbarer Teilchen liegen im 0,1 µm-Bereich, weshalb diese Partikel auch als submikrone Partikeln bezeichnet werden.

Bei einem bekannten Verfahren zum Reinigen von Gasen mit Wasser (EP-A 0 727 247) hat man bereits versucht, die Abscheidung der Aerosole dadurch zu verbessern, daß man den Gasstrom nach dem Verlassen der letzten Waschstufe durch eine Füllkörperschicht oder eine Gestrickpackung geleitet hat. Diese Schicht erzeugt eine Turbulenz und soll die Agglomeration der Aerosole und deren Abscheidung bewirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren derart zu gestalten, daß zur Vermeidung von Korrosionsschäden an der Rauchgasreinigungsanlage nachgeschalteten Aggregaten die Abscheidung von Aerosolen verbessert wird.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für eine Abscheidung der Aerosole durch Kollision und Vereinigung mit z. B. fallenden Tropfen die Abmessungen und die Masse der submikronen Partikel nicht ausreichend sind. Eine Kollision eines Tropfens mit einem submikrone Partikel setzt eine Annäherung beider Teilchen voraus. Das den Tropfen umgebende Gas weicht aber der Bewegung des Tropfens in einer Umströmung aus. Die geringe Masse der submikronen Partikel ermöglicht es diesen Teilchen, dieser Gasbewegung aufgrund zu geringer Trägheit zu folgen. Das submikrone Partikel kann die Strömungsgrenzschicht des Tropfens nicht durchdringen, weshalb eine Abscheidung des submikronen Partikels an der Phasengrenze des Tropfens nicht stattfindet. Statistisch wird nur ein sehr geringer Anteil der submikronen Partikel von Tropfen absorbiert.

Eine weitere wesentliche Eigenschaft dieser submikronen Partikel ist der geringe Diffusionskoeffizient, dessen Wert durch die Größe der submikronen Partikel bestimmt wird. Trotz eines bestehenden Konzentrationsgefälles fällt ein resultierender Diffusionsstrom sehr gering aus. Die submikronen Partikel erscheinen somit für eine Diffusionsabscheidung zu groß und für eine Trägheitsabscheidung zu klein.

Die Erfinder hatten erkannt, daß ein Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Korrosionsschäden insbesondere in einigen der der Rauchgasreinigungsanlage nachgeschalteten Wärmetauschern und dem ungünstigen Abscheideverhalten von Aerosolen in Naßwäschern besteht, und daß die Ursache dafür in der Bildung von Schwefeltrioxid-Aerosolen zu suchen ist. Dieses Schwefeltrioxid ist zwar prinzipiell in Wasser löslich, der Stofftransport tritt aber trotzdem nur in geringem Umfang auf.

Die mangelnde Abscheidung der submikronen Partikel in den Naßwäschern führt nun dazu, daß der Schwefelsäuretaupunkt des Rauchgases nach dem Durchtritt durch die Naßwäscher unterschritten sein kann. Dies führt zu einer möglichen Kondensation von Schwefelsäure, die in nachgeschalteten Teilen der Rauchgasreinigungsanlage zu Korrosion führen kann. Ein besonders korrosionsgefährdetes Anlagenbauteil ist z. B. der Wärmetauscher einer nachgeschalteten DeNOx-SCR-Anlage. Da in diesem Bauteil auf der Rohgasseite eine Aufheizung und auf der Reingasseite eine Abkühlung der Rauchgase erfolgt, werden verschiedene Grade der Wasserdampf- und Schwefelsäuresättigung durchlaufen. Ferner handelt es sich um großflächige und dünnwandige Bauteile, die dem korrosiven Angriff ausgesetzt sind. Diese Korrosion beeinträchtigt die Funktion der Bauteile oder setzt deren Lebensdauer herab. Der hohe Wassergehalt des Rauchgases begünstigt eine simultane Kondensation von Wasser, weshalb sich in den Kondensatfilmen geringe Schwefelsäurekonzentrationen einstellen können. Es ist bekannt, daß gerade verdünnte Schwefelsäure gegenüber der konzentrierteren Säure ein beschleunigendes Korrosionsverhalten zeigt.

Die geringe Abscheidung der naßgehenden Absorber für Schwefeltrioxid führt zu einem insgesamt niedrigeren Schwefelsäuretaupunkt als bei verbesserter Abscheidung. Verfahren zur Erhöhung der Aerosolabscheidung im Bereich der Wäsche verringern damit das Korrosionsrisiko nachgeschalteter Anlagenteile.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun das Rauchgas in einen Zustand der Wasserdampfübersättigung gebracht, indem es mit dem kälteren Gas gemischt wird. Durch diese Vermischung wird ein Mischgasstrom erzeugt, dessen Temperatur niedriger als seine Kühlgrenztemperatur ist. Zum Abbau der Wasserdampfübersättigung setzt mit dem Unterschreiten der Kühlgrenztemperatur eine selbstgängige Kondensation des Wassers ein. Diese Kondensation läuft bevorzugt an der Oberfläche der submikronen Partikel ab, die dabei als Kondensationskeime wirken. Als Folge davon wird ein Wachstumsprozeß der submikronen Partikel eingeleitet. Ein Wachstum der submikronen Partikel verbessert die Wahrscheinlichkeit einer Abscheidung durch Trägheitseffekte. In dem nachgeschalteten SO₂-Wäscher werden daher die Schwefeltrioxid-Aerosole in einem größeren Umfang abgeschieden, als dies ohne die Kaltgaszumischung der Fall wäre, so daß die Abtrennung der Schwefeloxide insgesamt verbessert wird und dadurch Korrosionsschäden vermieden werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Verfahrensschemas erläutert.

Entstaubtes Rohgas aus einer Verbrennungsanlage, insbesondere aus einer Müllverbrennungsanlage wird über eine Rohgasleitung 1 einem Quench 2 zugeführt, durchströmt einen ersten Wäscher 3 und wird nach dem Austritt aus diesem Wäscher 3 einem nur schematisch gezeigten zweiten Wäscher 4 zugeführt. Die Wäscher 3, 4 sind in Reihe geschaltet und können mehrstufig ausgebildet sein. In dem Wäscher 3 werden Halogenwasserstoffe und in dem nachgeschalteten Wäscher 4 werden Schwefeloxide aus dem Rauchgas entfernt.

Der Wäscher 3 enthält übereinander liegend zwei Waschstufen 5, 6. Die erste Waschstufe 5 besteht aus einem Füllkörperwäscher, dem von oben eine Waschflüssigkeit zugeführt wird. Die Waschflüssigkeit durchrieselt die Füllkörperschüttung 7 und sammelt sich in einem Sumpf 8 an, der im Bodenbereich des Wäschers 3 gebildet ist. Von dem Sumpf 8 geht eine mit einer Pumpe versehene Umlaufleitung 9 aus, über die die Waschflüssigkeit im Umlauf der ersten Waschstufe 5 wieder zugeführt wird. Oberhalb der Füllkörperschüttung 7 ist ein System aus Verteilrinnen 10 vorgesehen, die die zugeführte Waschflüssigkeit gleichmäßig über den Querschnitt der Füllkörperschüttung 7 verteilen. In einem vertikalen Abstand über dem Eintritt der die Waschflüssigkeit führenden Umlaufleitung 9 sind innerhalb der ersten Waschstufe 5 des Wäschers 3 Tropfenabscheider 11 angeordnet.

Die zweite Waschstufe 6 enthält ebenfalls eine Füllkörperschüttung 7, der von oben eine Waschflüssigkeit in einem Umlauf über eine mit einer Pumpe versehene Leitung 13 aus einem als Sumpf dienenden Behälter 14 zugeführt wird. Unterhalb der Füllkörperschüttung 7 der zweiten Waschstufe 6 ist innerhalb des Wäschers 3 ein gasdurchlässiger Boden 15 angeordnet, der die weitere Aufgabe erfüllt, die von oben abregnende Waschflüssigkeit zu sammeln. Durch diesen Boden 15 strömt das Rauchgas aus der ersten Waschstufe 5 der zweiten Waschstufe 6 zu. Die Waschflüssigkeit sammelt sich nach dem Durchtritt durch den Füllkörperwäscher 7 oberhalb des Bodens 15 an und wird in den Behälter 14 zurückgeführt.

Die Waschflüssigkeit dient ebenfalls als Kühlflüssigkeit für den Quench 2. Aus diesem Grund ist eine mit einer Pumpe versehene Zuführungsleitung 12 von dem Sumpf 8 des Wäschers 3 zu dem Kopf des Quenches 2 geführt. Verluste an Waschflüssigkeit werden durch die Zufuhr von Frischwasser oder Prozeßwasser in den Behälter 14 und durch Überführung des Überlaufes 19 in den Sumpf 8 ausgeglichen.

Gemäß der Erfindung wird die erste Waschstufe 5 des Wäschers 3 so betrieben, daß das Rauchgas am Ende dieser Waschstufe 5 eine Wassersättigung erreicht hat. Dies kann z. B. durch einen hinreichend intensiven Kontakt in einem Füllkörperwäscher ausreichender Größe erreicht werden. Zusätzlich zu dieser Maßnahme kann in den Umlaufleitungen 9, 13 je ein Wärmetauscher 16, 18 angeordnet sein, über die der jeweils umgewälzten Waschflüssigkeit Wärme zugeführt wird. Diese Wärmezufuhr stellt eine vollständige Wassersättigung sicher.

Oberhalb der Verteilrinnen 10 und unterhalb der Tropfenabscheider 11 ist in der zweiten Waschstufe 6 des Wäschers 3 ein Gasverteilsystem 17 angeordnet. Dieses Gasverteilsystem 17 ist ein Lanzensystem, das eine Vielzahl kleiner Austrittsöffnungen, von z. B. 10 mm Durchmesser besitzt. Durch dieses Gasverteilsystem 17 wird der zweiten Waschstufe 6 ein im Vergleich mit dem diese Waschstufe 6 durchströmenden Rauchgas kälteres Gas zugeführt. Dieses kältere Gas hat vorzugsweise eine hohe relative Feuchte. Vorteilhafterweise wird als kälteres Gas Außenluft verwendet, die zur Verbesserung des gewünschten Effektes aus dem Bereich eines Naßkühlturmes stammt und im Vergleich zu der Außenluft feucht und kühl ist.

Wegen der vorliegenden gleichförmigen Geschwindigkeitsverteilung des Rauchgases in der zweiten Waschstufe 6, die durch die vergleichmäßigende Wirkung der Füllkörperschüttung 7 bedingt ist und die gleichförmig verteilte Ausströmung des kälteren Gases, und die ebenfalls durch die Druckverluste der Austrittsöffnungen des Gasverteilsystems 17 bedingt ist, tritt eine gewünschte gleichförmige, homogene Vermischung von Rauchgas und kälterem Gas ein. Das Mischgas aus mit Wasserdampf gesättigtem Rauchgas und kälterem Gas weist eine unterhalb der Kühlgrenztemperatur liegende Mischtemperatur auf. Zum Abbau der Übersättigung kondensiert Wasser aus diesem Mischgas aus und zwar bevorzugt an der Oberfläche von in dem Rauchgas vorhandenen und als Kondensationskeim wirkenden submikronen Partikel. Dadurch kommt es zu einem erwünschten Wachstum der submikronen Partikel. Damit das Wachstum der submikronen Partikel tatsächlich stattfinden kann, ist eine ausreichend lange Kondensationsdauer erforderlich. Als ausreichend können je nach dem Grad der Übersättigung Zeitspannen in der Größenordnung von 0,2 s bis zu 2 s angesehen werden. Durch die Umlenkung des Gasstromes in den Tropfenabscheidern 11 und durch eine entsprechende Höhe des Abschnittes des vertikalen Wäschers 3 bis zum Eintritt in den nachgeschalteten Wäscher 4 steht dem Mischgas eine für die geforderte Verweilzeit ausreichende Kondensationsstrecke zur Verfügung.

Das beschriebene Verfahren bewirkt ein Wachstum der in dem Rauchgas vorhandenen, submikronen Partikel am Austritt aus dem Wäscher 3. Das so behandelte Rauchgas wird dem nachgeschalteten Wäscher 4 zugeführt, wo die vergrößerten Partikel durch die dort herrschenden Trägheitskräfte effektiver abgeschieden werden können. Mit der verbesserten Abscheidung der vergrößerten Partikel werden auch die an diese Partikel gebundenen Schwefeloxide, insbesondere das Schwefeltrioxid, besser aus dem Rauchgas entfernt.

Zusätzlich kann die in dem zweiten Wäscher 4 umgewälzte Waschflüssigkeit zur Verstärkung der Aerosolabscheidung gekühlt werden. Zu diesem Zweck ist in der Umlaufleitung des Wäschers 4 ein Kühler 20 angeordnet.

Claims (6)

1. Verfahren zur Verminderung von Aerosolen in dem Rauchgas aus naßgehenden Rauchgasreinigungsanlagen, bei dem ein entstaubtes Rauchgas in mindestens zwei in Reihe geschalteten, vorzugsweise mehrstufigen Wäschern zur Entfernung von Halogenwasserstoffen und Schwefeloxiden behandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vorletzten der genannten Wäscher das Rauchgas mit Wasser gesättigt oder übersättigt wird, daß der mit Wasser gesättigte oder übersättigte Rauchgasstrom anschließend mit einem Gas vermischt wird, dessen Temperatur geringer ist als diejenige des Rauchgasstromes vor der Vermischung und daß der mit dem kälteren Gas vermischte Rauchgasstrom dem letzten der genannten Wäscher zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kältere Gas eine hohe relative Feuchte aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kältere Gas Luft aus der freien Atmosphäre ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kältere Gas vor der Zumischung in einem Naßkühlturm oder einer Befeuchtungsanlage gekühlt und/oder befeuchtet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Waschflüssigkeit im Sumpf oder in der Umwälzung eines vor dem letzten Wäscher angeordneten Wäschers vorgewärmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Waschflüssigkeit vor dem Eintritt oder in der Umwälzung des letzten der Wäscher gekühlt wird.