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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung der Rauchgasströmung in
der Rauchgasentschwefelung (REA) aus rohrförmigen Prallkörpern, die
dazu eingesetzt wird, die Staub- und Schwefeldioxidabscheidung in
der REA zu verbessern.
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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. Zusätzlich werden
auch Feinstaube, die den Elektrostatischen Filter passieren konnten, teilweise
abgeschieden – wenn
die Staubpartikel von einem der Sprühtropfen getroffen werden.
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In
einer REA sind üblicherweise
zwischen drei und sechs Sprühebenen
eingebaut, die das Rauchgas von unten kommend nach oben durchströmt. Jeder
Sprühebene
besteht aus Rohrleitungen mit Suspensionsflüssigkeit, die in einer oder
mehreren Düsen
enden. Die Düsen
versprühen
die Suspensionsflüssigkeit
in den Rauchgasstrom.
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Jede
Sprühebene
ist idealerweise so aufgebaut, dass ihre Düsen mit ihren Sprühkegeln
eine komplette Überdeckung
des REA-Querschnitts erreichen. Die Sprühkegel der Düsen überlappen
also so, dass der gesamte Querschnitt überdeckt wird und keine Lücken ohne
Besprühung
gegeben sind. Sind Lücken
zwischen den Sprühkegeln
(oder Sprühschirmen)
dann kann das Rauchgas durch diese Lücken ungereinigt strömen.
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Die
Abscheideleistung für
Staub und SO2 hängt
weitgehend davon ab, wie gut es gelingt, den gesamten Querschnitt
einer REA mit Sprühkegeln
zu bedecken (für
jede Sprühebene!).
Eine Lücke
ohne Besprühung
führt nicht
nur dazu, dass ein proportionaler Teil des Rauchgases durch diese
Lücke strömt. Da der
Sprühkegel
jedoch für
die Rauchgasströmung einen
erheblichen Widerstand darstellt, wird eine um so größere Menge
Rauchgas zu dieser und durch diese Lücke strömen, da der Strömungswiderstand an
dieser Stellen natürlich
entsprechend gering ist und daher viel Rauchgas durch diese Lücke dem
Widerstand des Rauchgasstroms ausweichen wird.
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Jede
Lücke im
Rauchgasstrom führt
also dazu, dass ein großes
Volumen Rauchgas der Besprühung
mit Suspensionsflüssigkeit
und damit der Reinigung von Staub und SO2 ausweichen und ungereinigt
weiter fließen
kann.
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Eine
gute Auslegung – bzw.
Positionierung der Düsen
führt dazu
dass dieser Düsen
eine gleichmäßige Überdeckung
erreichen und keine Lücken
im Rauchgasstrom entstehen.
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Weiter
wird diese Auslegung zusätzlich
verbessert, dass mithilfe von CFD Analysen (Computerational Fluid
Dynamics) zusätzlich
die Rauchgasströme
analysiert werden und die Düsenkonfiguration
so eingestellt wird, dass eine gleichmäßige Verteilung des Rauchgasstroms
auf die Querschnittsfläche erreicht
wird. Durch diese Analysen werden die Düsenkonfiguration (Abstände, Ausrichtung
und Konfiguration der Düse)
in iterativen Analysen auf den Bedarf so eingestellt, dass sich
trotz unterschiedlicher Anströmung
der ersten Düsenebene
eine gleichmäßige Strömung durch
die mehreren Sprühebenen entsteht.
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Es
blieb jedoch ein wichtiger Teil des REA Querschnitts, der mit solchen
Einstellungen der Düsen
nur begrenzt erreicht werden kann – das sind die Randzonen der
REA – also
die Außenwand.
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Das
Problem besteht darin, dass jedes Objekt, dass konzentriert mit
einem starken Strahl aus Suspensionsflüssigkeit besprüht wird,
irgendwann durch Abrasion Schaden erleidet. Die Suspensionsflüssigkeit
enthält
einen Feststoffgehalt von 12–15% und
diese Feststoffe bestehen zu großem Teil aus hoch abrasiv wirkenden
Kristallen oder Mahlprodukten. Wenn also der Strahl einer Düse aus zu
kurzer Entfernung auf die REA Wand gerichtet ist, dann kann es passieren,
dass erst die Gummierung und dann die Wand selbst durch abrasiven
Schnitt zerstört
wird.
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Daher
werden die Düsen
so weit von der REA-Wand entfernt installiert, dass ihr Sprühkegel diese
zerstörende
Wirkung gar nicht erst entfaltet. Der Nachteil ist, dass sich am
Rand wegen des ungleichmäßigen Überlapps
von Sprühkegeln
Zonen mit starker Besprühung
(hoher Druckverlust) und schwacher Besprühung abwechseln und sich Zonen starker
Gasströmung
mit entsprechend geringer Reinigung bilden.
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Dazu
kommt noch einzweiter Effekt. Aufgrund der Strömungsgegebenheiten bilden sich
an den Wänden
besonders starke Gasströmungen.
Zum Beispiel wir der Rauchgasstrom mit hoher Geschwindigkeit von
der Seite her in die REA eingeführt.
Die oberhalb des Eintritts liegenden Düsen sprühen auf diesen Rauchgasstrom
und hintern ihn darauf aufzusteigen. Stattdessen schiebt sich der
Rauchgasstrom quer durch die REA auf die dem Eintritt gegenüberliegende
Seite, um dort an die Wand zu prallen. Dann wird das Rauchgas durch
das nachströmende Rauchgas
nach oben gedrückt
und ein besonders starker Rauchgasstrom fließt entlang der Wand auf der
dem Eintritt gegenüberliegenden
Wand hoch.
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Dies
ist nur eines von mehreren möglichen Szenarien
mit hohen Rauchgasströmen
entlang der Wand.
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Es
wurde deshalb schon vor einigen Jahren von der Firma Marsulex das
Konzept eines Wall Rings entworfen und patentiert. Hierbei handelt
es sich um einen spitz in den Rauchgasstrom hineinragenden Wulst.
Dieser ist aus zwei Platten geformt, die an die Wand geschweißt werden.
Diese spitzen Wulste drücken
den Rauchgasstrom unter den Düsenschirm
im Absorber und unterbrechen damit die oben beschriebenen Massenströme bzw. überdecken
die oben beschriebenen Lücken
in den Sprühkegeln
der Düsen.
Es ist allerdings auch hier ein Problem, dass diese wall rings in
die Sprühkegel
der Düsen
hineinragen und daher unter Abrasion leiden.
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Es
traten jedoch auch immer wieder Probleme mit diesen wall rings auf.
Je nach relativer Größe (Querschnitt
des wall rings relativ zum Querschnitt der REA) kann ein wall ring
zu einem ganz erheblichen Druckverlust führen. Es gab Fälle, wo
durch den Einbau eines wall rings der Druckverlust des Systems so
erhöht
wurde, dass die Gebläseleistung
nicht mehr ausreichte und deshalb das Kraftwerk nach der Umrüstung nur
noch mit weniger als 100% Leistung gefahren wurde – also weniger
Strom produziert wurde.
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Ein
anderes Problem sind die Anbackungen, die sich auf und unter dem
Wall Ring auf die Wand bzw. auf den wall ring setzten und zu Zerstörungen und
Gefahren führten,
wenn sie im Betrieb oder nach der Abschaltung abrutschten oder abgeschlagen wurden.
Deshalb wurde der Wall Ring auch als aus der Wand ragendes Dreieck
gebaut. Damit wurde die Gefahr der Anbackungen minimiert. Oben ansetzende
Anbackungen rutschen schnell ab auf der Schräge und unten aufbauende Anbackungen
finden nicht die strömungsfreie
Totzone, in der sie sich aufbauen können. Allerdings ist das nur
begrenzt so – auch
diese optimierten Wall Rings führten
vielfach zu erheblichen Anbackungen.
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Diese
Erfindung wählt
eine ganz andere Konfiguration, um das Konzept eines wall rings
umzusetzen. Es werden die folgenden Grundkonzepte eingesetzt, um
eine verfahrentechnische Funktion zu erreichen, die der des Wall
Rings gleichkommt aber sogar noch zu einer besseren Abscheidung
führt:
- 1. Der wall ring wird aus Rohrsegmenten gebaut.
- 2. Es wird Kunststoff als Baumaterial eingesetzt.
- 3. Es wird der Strom nur behindert aber nicht völlig unterbrochen.
- 4. Der Wall Ring dient gleichzeitig als Kontaktkörper für die Reinigung.
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Der
Wall ring wird aus Rohrsegmenten gebaut, die auf einfachen Tragkonstruktionen
entlang der Wand liegen. Diese Rohrsegmente sind einfacher und kostengünstiger
einzubauen als ein konventioneller Wall Ring.
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Als
Material wird Kunststoff – vorzugsweise Polypropylen – gewählt, wegen
seines geringen Gewichts, seiner überragenden Festigkeit gegen
Abrasion und wegen seines geringen Preises. Außerdem sind Anbackungen erfahrungsgemäß weniger
fest mit der Unterfläche
aus Kunststoff verbunden. Das Problem der Abrasion wird durch diese
Materialwahl völlig
vermieden.
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Die
Rohrsegmente werden in einem engen Abstand zueinander aber mit einer
Lücke zwischen zwei
Rohren gelegt. Diese Lücke
bewirkt einerseits, dass Rauchgas zwischen den Rohren durchströmen kann – allerdings
wegen des start verengten Raums nur mit einer geringen Menge. Die
Verschiebung wird also nicht durch eine völlige Versperrung erreicht sondern
nur durch eine Reduzierung der Durchtrittsfläche.
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Weiter
kann durch die Lücke
zwischen den Rohrsegmenten auch die Suspensionsflüssigkeit
abfließen,
die von den höher
gelegenen Suspensionsebenen auf den Wall Ring herabregnen. Dies
hält die Rohre
permanent durch einen reaktiven Flüssigkeitsfilm bedeckt, der
mit dem von unten durchströmenden
Rauchgas in Kontakt kommt und die SO2 und Staubpartikel herausfiltert.
Der wall ring dient also als eine Art Kontaktkörper, der die SO2 Abscheidung
unterstützt.
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Der
Druckverlust des wall ring wird durch die Durchlässigkeit der Konstruktion im
Vergleich zu dem konventionellen Wall Ring deutlich reduziert. Gleichzeitig
unterstützen
die Rohre als Kontaktkörper
die Reinigung des vorbeiströmenden
und durchströmenden
Rauchgasstroms auch für
den Teil, der weiterhin durch den Wall Ring fließt.
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Dieser
Wall Ring ist insbesondere auch für die Nachrüstung von bestehenden Anlagen
geeignet. Er kann mit nur geringem Aufwand in relativ kurzer Zeit
nachgerüstet
werden.
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Das
vorgeschlagene Konzept setzt sich aus einer Reihe von bekannten
Konzepten zusammen:
- 1. Einsatz von Kunststoff
Es
ist nichts Neues Kunststoff – insbesondere
Polypropylen – in
REA aus Kostenersparnisgründen einzusetzen.
Kunststoffe haben den Vorteil, das sie in dieser hochkorrosiven
Situation nicht angegriffen werden.
- 2. Einsatz von Rohrsegmenten
Rohrsegmente wurden bereits
in der REA als Tropfenabscheider eingesetzt – als sogenannte Rohr- oder
Rollenabscheider. Hier konnte die Überlegenheit der geometrischen
Bauform des Rohrs in Bezug aus geringe Verschmutzungsneigung bewiesen
werden.
- 3. Wall Ring
Der Wall Ring an sich wurde in den USA patentiert und
wird seit vielen Jahren in den USA und in Europa eingesetzt, um
die Rauchgasführung
im Absorber zu optimieren – also
insbesondere die an der Wand entlang aufströmende Rauchgas in die Mitte
und unter die Sprühkegel
der Reinigungsdüsen
zu drücken.
- 4. Strömungswiderstände aus
Rohrsegmenten
Es wurden Rohrsegmente bereits an anderer Stelle
(z. B. oberhalb des Tropfenabscheiders – ein Patent) oder unterhalb
des Tropfenabscheiders (Rollenabscheider) eingesetzt, um hohe Druckverluste
zu erzeugen und den Rauchgasstrom in eine andere Richtung zu drücken.
- 5. Kontaktflächen
Es
wurden in verschiedenen REA Designs – z. B. von Noell und von Mitsubishi
Heavy Industry – Kontaktflächen eingesetzt,
um die Abscheidung des Rauchgases zu verbessern.
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Die
Erfindung dieses Gebrauchsmusters besteht einerseits darin, dass
die bekannte Funktion des Wall Ring in einer neuartigen und verfahrenstechnisch
wie kostenbezogen vorteilhafteren Bauform umgesetzt wird. Die vorgeschlagene
Bauform führt
zu einer besseren Abscheidung bei einem geringeren Druckverlust
und ist kostengünstiger
und schneller einzubauen.
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Die
Erfindung dieses Gebrauchsmusters besteht andererseits darin, dass
bekannte Komponenten und Techniken (Strömungswiderstand aus verschmutzungsresistente
Rohrsegmenten, Kontaktflächen
und Kunststoffrohre) eingesetzt werden, um in dieser, neuartigen
Kombination eine deutlich verbesserte Funktion zu erreichen.
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Die
bessere Abscheidung wird dadurch erreicht, dass der Wallring gleichzeitig
als Kontaktkörper
und als Strömungswiderstand
eingesetzt wird.
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Der
geringere Druckverlust wird dadurch erreicht, dass nicht ein undurchlässiger Strömungswiderstand
eingebaut wird sondern ein durchlässiger Widerstand.
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Die
Funktion wird dadurch gesichert, dass die vorteilhafte verschmutzungsresistente
Bauform des Rohrsegments genutzt wird, um diesen Strömungswiderstand
zu konfigurieren.
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Die
Sicherheit gegen Korrosion wird dadurch erreicht, dass die Rohrsegmente
und Rohrhalterungen aus korrosionsfestem Kunststoff hergestellt
werden.
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Die
Sicherheit gegen erhebliche Anbackungen wird hergestellt, indem
der Wall Ring als durchlässiger
Rost aus geometrisch günstigen
Rohrsegmenten gebaut wird, sodass Totzonen der Strömung bzw.
Auflageflächen
vermieden werden, an denen sich Anbackungen aufbauen können.
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Die
günstigen
Kosten werden dadurch erreicht, dass der Wall Ring aus Kunststoff
hergestellt, einfach an die Wand angebaut wird und nur geringes Gewicht
hat (inklusive Verschmutzungsgewicht).
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen 1 bis 3 erläutert.