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Die
Erfindung bezieht sich auf einen horizontal angeströmten Tropfenabscheider
aus rohrförmigen Prallkörpern, der
zur Abscheidung von Tropfen aus Rauchgasströmen in einer Rauchgasentschwefelung eingesetzt
wird.
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Rauchgase
aus fossil befeuerten thermischen Kraftwerken werden vorwiegend
nach dem Nasswaschverfahren entschwefelt. Das schwefelhaltige Rauchgas
(Suspensionslösung)
wird mit Kalksteinmilch besprüht
und das im Rauchgas befindliche SO2 in den Sprühtropfen dieser Suspensionslösung gebunden
und dann in Calziumsulfitdihydrat (Gips) umgewandelt. Die kleineren
dieser Sprühtropfen werden
durch den Gasstrom mitgeführt.
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Es
ist die Aufgabe des Tropfenabscheidersystems, diese im Rauchgasstrom
mitgeführten Tropfen
abzufangen und in den Wäscherkreislauf
zurückzuführen. Andernfalls
kommt es in den nachgeschalteten Komponenten (Wärmetauscher, Rauchgaskanäle, Nassgebläse, Schornstein
usw.) zu Ablagerungen und in Folge zu Korrosion und Druckverlusterhöhung. Die
elektrische Leistung des Kraftwerks wird gemindert (Druckverlusterhöhung verursacht
erhöhten
Stromeigenverbrauch und ggf. auch eine Reduzierung der Erzeugung)
und die Wartungskosten (Sanierung von Korrosionsstellen und Reinigungskosten
zur Entfernung der Anbackungen) steigen.
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Das
Tropfenabscheidersystem trennt die Tropfen vom Gasstrom, indem es
den Rauchgasstrom umlenkt. Dabei werden die Tropfen Zentrifugalkräften ausgesetzt
und können
dem Rauchgas in seinem Weg nicht folgen, sondern prallen auf die
Strömungswiderstände, die
die Umlenkung des Rauchgasstroms verursachen. Die Tropfen werden
dadurch auf diesen „Prallkörpern” abgeschieden
und damit aus dem Rauchgasstrom entfernt. Sie werden dann durch
die Schwerkraft wieder nach unten in den Waschkreislauf zurückgeführt.
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Die
Feststoffe in den Suspensionstropfen – Flugasche, Kalkstein und
Gips – lagern
sich dabei auf diesen Prallkörpern
ab und bilden Anbackungen. Deshalb werden die Tropfenabscheider
mit Waschsystemen ausgerüstet,
mit denen während
des Betriebs die Anbackungen wieder entfernt werden können. Diese
Waschsysteme werden regelmäßig eingeschaltet.
Es kann der Tropfenabscheider sowohl anströmseitig als auch abströmseitig
gewaschen werden – es
kann also ein Tropfenabscheider zwei Waschsysteme haben.
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Die
Tropfenabscheidersysteme sind üblicherweise
zweistufig bis dreistufig ausgelegt und jede Stufe ist mit ein bis
zwei Waschsystemen ausgerüstet.
Die Betriebserfahrung zeigt, dass ein einstufiges Abscheidersystem
grundsätzlich
nicht ausreichend ist, um die Tropfen sicher aus dem Rauchgas zu
entfernen. Auch zweistufige Tropfenabscheider (Grobabscheider und
Feinabscheider) entlassen noch eine erhebliche Menge an Tropfen
mit Feststoffen mit dem Rauchgas. Viele moderne Tropfenabscheidersysteme
sind deshalb dreistufig ausgelegt (Grobabscheider, Feinabscheider
und Feinstabscheider).
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Die
Tropfenabscheider sind dabei traditionell als plattenartige und
gebogene Umlenkkörper
konfiguriert. Diese plattenartigen, gebogenen und starr aufgehängten Umlenkkörper werden
so konfiguriert, dass Kanäle
gebildet werden, durch die das Rauchgas fließt. Das Ziel dieser Konfiguration
ist, einerseits eine starke Umlenkung des Rauchgases zu verursachen
und andererseits die „Versperrung" des Rauchgaswegs
durch Strömungswiderstände zu minimieren.
Die Prallkörper
oder Umlenkbleche werden allgemein Lamellen genannt – und die
Abscheider entsprechend Lamellenabscheider. Die gängigen Lamellenabscheider
der verschiedenen Hersteller unterscheiden sich nur aufgrund ihrer
Geometrie, der Lamellenabstände
und der Umlenkung.
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Die
Betriebserfahrung zeigt weiter, dass in vielen Anlagen die Waschsysteme
nicht in der Lage sind, diese Lamellanabscheider im Betrieb völlig von Anbackungen
frei zu halten. Es setzt sich mit zunehmender Betriebsdauer immer
mehr Feststoff in den Kanälen
zwischen den Lamellen ab und die Durchtrittsbreite wird verengt.
Es kommt partiell zu Verstopfungen der Kanäle. Die Folge sind eine Erhöhung des Druckverlusts
(Minderung der Kraftwerksleistung) und zu einer Erhöhung der
Rauchgasgeschwindigkeit in den noch nicht verstopften Lamellenkanälen. Letzteres
führt auch
dort zu einer verstärkten
Ablagerungsneigung und einem beschleunigten Fortschreiten der Ablagerungen
bzw. Verstopfungen sowie irgendwann zu einem Versagen des Tropfenabscheiders.
Ab einer bestimmten Rauchgasgeschwindigkeit werden die zunächst abgeschiedenen
Tropfen nicht zurück
in den Wäscher
geführt,
sondern wieder in den Rauchgasstrom zurückgeführt (Mitriss).
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Diese
Anbackungen treten insbesondere im sogenannten Grobabscheider zuerst
auf. Die Ursache ist, dass dieser Grobabscheider die Masse der mit
Feststoffen belasteten Tropfen abscheidet (> 90%) und entsprechenden Belastungen ausgesetzt ist.
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Infolge
der Anbackungen versagt der Grobabscheider im Verlauf der Reisezeit
und der Feinabscheider übernimmt
zunehmend die Funktion des Grobabscheiders, bis auch er durch zu
viele Anbackungen versagt, bzw. der Druckverlust zu hoch wird.
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Die
abscheidungsreduzierende Wirkung der Anbackungen hat dazu geführt, dass
inzwischen weniger die Abscheideleistung eines Abscheiders im Schwerpunkt
des Interesses steht, sondern vielmehr die Neigung zu Verschmutzungen
und Anbackungen im Tropfenabscheidersystem. Eine hohe Abscheideleistung
ist nicht relevant, wenn sie durch schnelle Verschmutzung wieder
zunichte gemacht wird.
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In
vielen Anlagen hat sich der konventionelle Lamellenabscheider trotz
der online betriebenen Waschsysteme als problematisch erwiesen.
Die Abscheider können
nicht verschmutzungsfrei gehalten werden, sondern es baut sich die
Verschmutzung während
der Reisezeit schleichend auf, bis der Abscheider seine Funktion
verliert und die Komponenten nach dem Tropfenabscheider verschmutzen.
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Der
Rohrabscheider wurde im letzten Jahrzehnt als Alternative zum konventionellen
Lamellenabscheider entwickelt und insbesondere in Situationen eingesetzt,
in denen die vorher eingesetzten Lamellenabscheider schon nach kurzer
Zeit verschmutzten. Durch Laborversuche wurde gezeigt, dass die
Abscheideleistung des Rohrabscheiders (in Abhängigkeit von der Konfiguration)
als Grobabscheider durchaus gleichwertig zum konventionellen Lamellenabscheider
ist. Und die Betriebserfahrungen haben gezeigt, dass dieser Tropfenabscheider auch
in diesen Anlagen über
lange Reisezeiten sauber bleibt.
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Es
ist bekannt, dass die Abscheideleistung eines Abscheiders durch
zwei Parameter kontrolliert wird: Rauchgasgeschwindigkeit und Flüssigkeitsvolumen.
Die Rauchgasgeschwindigkeit ist inzwischen bekannt als Verursacher
von Überrissproblemen
und wird deshalb bei Neubau von REA wie auch bei der Optimierung
bestehender REA genau verfolgt und geplant. Es wird bei der verfahrenstechnischen
Konzeption sehr darauf geachtet, dass die Überrissgeschwindigkeit nicht überschritten
wird.
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Weniger
bekannt ist der Einfluss der Flüssigkeitsmenge
im Rauchgas auf die Leistung des Abscheiders. Wird dem Abscheider
bei einer gegebenen Rauchgasgeschwindigkeit eine erhöhte Flüssigkeitsmenge
zugeführt,
dann kann es passieren, dass der Tropfenabscheider plötzlich durchreißt, obwohl die Überrissgeschwindigkeit
noch gar nicht erreicht ist.
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Das
beste Beispiel ist der Waschvorgang. Wenn bei einem gut funktionierenden
Abscheider die Waschbedüsung
angeschaltet wird, die den Tropfenabscheider anströmseitig
besprüht,
so kommt es nach einigen Sekunden zu massivem Durchriß. Die Ursache
dieses Durchriß ist
offensichtlich nicht die Geschwindigkeit sondern die Flüssigkeitsmenge. Das
Fassungsvermögen
des Tropfenabscheiders ist offensichtlich überschritten.
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In
einigen REA kann es aber auch im normalen Betrieb dazu kommen, dass
die Flüssigkeitsmenge
dieses Fassungsvermögen
des Tropfenabscheiders übersteigt.
Dieses Problem kann lokal (nur in einigen Bereichen des Tropfenabscheiders)
oder auch auf der gesamten Abscheiderfläche auftreten.
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Wenn
diese Flüssigkeitsüberlast
nur lokal auftritt, dann ist dies im Zweifel durch eine Ungleichverteilung
des Gasstroms verursacht. Die Ungleichverteilung des Gasstroms führt dazu,
dass in einem Teilbereich hohe Geschwindigkeiten auftreten, die entsprechend
viel Flüssigkeit
mitführen.
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In
anderen Fällen
ist der Flüssigkeitseintrag aber
durch die verfahrenstechnisch Konfiguration verursacht und verteilt
sich über
die gesamte Fläche des
Tropfenabscheiders. Dies ist der klassische Überlastfall.
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Während im
ersten Fall die Lösung
zunächst darin
liegt, diese Ungleichverteilung und die dadurch verursachte Überladung
des Tropfenabscheiders mit Flüssigkeit
zu eliminieren, so kann im zweiten Fall nur der Tropfenabscheider
auf die hohe Flüssigkeitsbeladung
des Rauchgases eingestellt werden.
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Eine
hohe Flüssigkeitsbeladung
führt nicht nur
zu dem Problem, dass der Tropfenabscheider durchreißt sondern
auch dazu, dass der Tropfenabscheider stark verstopft. Dafür gibt es
insbesondere zwei Ursachen. Die hohe Flüssigkeitsmenge bringt eine
entsprechend hohe Feststofffracht in den Tropfenabscheider. Daher
kann es entsprechend schnell zum Aufbau von Verstopfungen kommen.
Die Feststoffe werden in entsprechend großer Menge zugeführt. Andererseits
ist die Wirkung der Waschbedüsung
stark eingeschränkt
oder gar völlig
verhindert. Wenn die Flüssigkeitsmenge
im Rauchgas sehr hoch und daher die Flüssigkeitsbeladung im Tropfenabscheider
ebenfalls sehr hoch ist, kann die Waschflüssigkeit nicht die reinigende
Wirkung entfalten. Der Waschflüssigkeit
steht dann ein sehr hoher Eintrag an Suspensionsflüssigkeit
gegenüber,
die die Wirkung der Waschflüssigkeit
neutralisiert. Zweitens fällt die
Waschbedüsung
häufig
auch noch aus, weil die Waschdüsen
während
der „off" Zeit verstopfen.
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Das
Ziel der Erfindung ist es, ein Tropfenabscheiderkonzept vorzustellen,
dass einerseits auch bei einer sehr hohen Flüssigkeitsbeladung sicher abscheidet
und andererseits bei dieser feststoffbeladenen Flüssigkeitsmenge
auch nicht verstopft.
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Der
Rohrabscheider ist bekannt als ein Abscheider, der auch ohne Waschen
und bei hohem Feststoffeintrag nicht verstopft. In einer ganzen
Reihe von Anlagen wird der Rohrabscheider ohne online Waschbedüsung betrieben
und verschmutzt nicht.
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Allerdings
ist die Abscheideleistung des Rohrabscheiders begrenzt, wenn eine
bestimmte Flüssigkeitsbeladung überschritten
wird. Daher ist der konventionelle Rohrabscheider für diese
Situation nicht geeignet. Wenn die Flüssigkeitsmenge, die bereits
abgeschieden wurde und entlang des Rohrs nach unten abläuft eine
bestimmte Menge ueberschreitet, dann kommt es wieder zum verstärkten Durchriß. Der Flüssigkeitsfilm
an der Abrisskante ist dann so dick, dass Tropfen wieder aus diesem
Flüssigkeitsfilm
herausgerissen werden. Die Abrisskante sind die beiden Punkte am
Rohrumfang, an denen das Rauchgas sich aus dem direkten Kontakt
mit dem Rohr löst
um weiter zum nächsten
Rohr oder zum zweiten Abscheider zu strömen.
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Eine
bekannte Bauform für
das Auffangen von großen
Wassermengen ist der Einsatz von Rinnen oder Halbrohren zum Abfangen
der großen
Wassermengen. In dieser Konzeption wird ein halbiertes Rohr in den
Rauchgasstrom gestellt – mit
der Öffnung
auf der Anströmseite.
Die Flüssigkeit
im Gasstrom wird damit aufgefangen und zu einem großen Teil
abgeleitet.
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Allerdings
haben diese Rinnenkonfigurationen den Nachteil, dass die Abscheideleistung schlecht
ist. Es wird zwar eine große
Flüssigkeitsmenge
aus dem Gasstrom herausgeholt, aber der Restgehalt an Flüssigkeit
im Rauchgas ist noch immer sehr hoch. Ausserdem sind diese Rinnen
meist so konzipiert, dass der Druckverlust sehr hoch ist.
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Die
Erfindung schlägt
vor, die beiden bekannten Bauformen des Rohrabscheiders und der Regenfängerrinnen
in einem Konzept zu vereinen, um die Vorteile beider Bauformen zukombinieren. Die
Erfindung wird dann so konzipiert, dass die Lösung in Paketen oder Panelen
gebaut, geliefert und eingebaut werden kann. Dadurch können die
erfindungsgemäßen Abscheider
ohne Probleme in die Stahlstruktur der vorhandenen Abscheider eingebaut und
die Aenderung der Gesamtkonfiguration gering gehalten werden. Das
minimiert die Kosten und die Einbazeit.
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Der
erfindungsgemäße Abscheider
besteht aus mindestens vier Rohrreihen. Zumindest die ersten beiden
Rohrreihen sind als „halbierte" Rohre konstruiert.
Die Rohre werden zu zwei Halbschalen geschnitten. Diese Halbschalen
werden dann als erste und zweite Rohrlage eingebaut. Die Öffnung der Halbschale
wird dabei in Rauchgasanströmrichtung gestellt – also die Öffnung zum
heranströmenden Rauchgas.
Mindestens die beiden letzten Rohrreihen sind als vollständige Rohre
konstruiert. Diese beiden Rohrreihen funktionieren als normale Rohrabscheider
wie aus den einschlägigen
Patenten und Gebrauchsmuster bekannt.
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In
dieser Bauform werden die Vorteile der jeweiligen Konfiguration
kombiniert. Die mindestens zwei vorne liegenden Halbschalen funktionieren
als rinnenförmige
Abscheider. Die Tropfen werden durch die Geschwindigkeit in die
Halbschale hineingetragen während
das Rauchgas um den Strömungswiderstand
herumströmen
muss. Die Tropfen werden dann im Inneren der Halbschale abgeschieden
und können
ohne Kontakt mit dem Rauchgas nach unten ablaufen.
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Es
sind mindestens zwei Halbschalenreihen notwendig, damit die Masse
der Flüssigkeitsbeladung
aus dem Rauchgas herauszuholen. Die erste Reihe kann nur 50% der
Fläche
abdecken, eine engere Bauform würde
den Druckverlust des Abscheiders unnötig in die Höhe treiben.
Die Flüssigkeitstropfen,
die die erste Reihe passieren, weil sie in einer Position herangetragen
wurden, die zwischen zwei Halbschalen der ersten Reihe liegen, werden dann
in der zweiten Halbschalenreihe abgeschieden.
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Nach
den mindestens zwei Reihen von Halbschalen werden dann mindestens
zwei Reihen Vollrohre gebaut. Diese Rohre haben – in der richtigen Konfiguration – die gewünschte Abscheideleistung, die
für einen
Grobabscheider erforderlich ist Die Halbschalen können diese
Abscheideleistung nicht erreichen, weil die Tropfen, die an den
Rändern
der Halbschale abgeschieden werden, wieder in dne Rauchgasstrom
zurück
gerissen werden. Die Abscheidefunktion des Rohrabscheiders wurde
inzwischen in Labor und Praxis ausreichend bewiesen und theoretisch
beschrieben.
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Beide
Bauformen – der
Rohrabscheider und der Halbschalenabscheider – haben den Vorteil, dass sie
in dieser Bauform verschmutzungsresistent sind. Eine Lamelle würde in dieser
Belastungssituation schnell verstopfen, die vorgeschlagene Bauform nicht.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Bauform ist, dass sie in der Paketform für schnellen
Einbau und schnellen Austausch eines konventionellen Lamellenabscheiders
konfiguriert werden kann. Sie passt in die Stahlstruktur, die normalerweise
für die
Lamellenabscheider vorgesehen ist.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen 1 bis 4 erläutert.
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- 1
- Halbschalenabscheider
- 2
- Tragbalken
horizontal und Wanne
- 3
- Halbschalen
- 4
- Rohr
- 5
- Rauchgaskanal
- 6
- Tragbalken
vertikal
- 7
- Rohrabscheider
- 8
- Strömungsrichtung
des Rauchgases
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Bild
1 zeigt das horizontal angeströmte
Abscheidersystem mit vorgebautem Halbschalenabscheider und nachgelagertem
Rohrabscheider – Draufsicht
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Bild
2 zeigt den horizontal angeströmten
Lamellenabscheider mit vorgebautem Halbschalenabscheider und nachgelagertem
Rohrabscheider – Detailsicht
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Bild
4 zeigt den Gasstrom
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Bild
3 zeigt das Abscheidersystem als Seitenansicht