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Verfahren zum Einblasen von Ammoniak in ein Abgas-Feuerrohr Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Einblasen von Ammoniak in ein Feuerrohr für Abgase.
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Zur Verhinderung von Korrosion oder der Bildung eines sauren Rußes
an der Niedertemreraturseite eines ölgefeuerten Kessels ist bereits eine Vorrichtung
zum Einblasen von Ammoniak in ein Abgas-Feuerrohr vorgeschlagen worden, die gemäß
Fig. 1 einen Flüssigammoniak-Behälter a, einen Flüssigammoniak-Verdampfer g, im
Feuerrohr b am Auslaß eines Lufterhitzers angeordnete Düsenrohre c, eine oder mehrere
Düsen d, eine llischvorrichtung e, eine den Behälter a und den Verdampfer g mit
den Düsenrohren c verbindende Leitung h sowie eine die Austrittsseite eines Unterwindgebläses
mit der Mischvorrichtung e verbindende Leitung f aufweist, wobei die Anordnung derart
getroffen ist, daß von der Austrittsseite des Unterwindgebläses stammende Luft und
vom Behälter a sowie vom Verdampfer g stammendes Ammoniakgas in der Alischvorrichtung
e miteinander vermischt werden und das resultierende Gemisch über die Düsen in das
Feuerrohr b eingeblasen wird, um die Schwefelsäurekomponenten des Abgases im Feuerrohr
mit AmmoniaJ zu neutralisieren.
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Dieser herkömmlichen Vorrichtung haftet der Dachteil an, daß das Ammoniak
unabhängig von der Verteilung von Schwefelsäurekomponenten im Abgas stets gleichmäßig
in das Feuerrohr eingeblasen wird. Wird daher ein Ljungström-Luftvorerhitzer verwendet,
bei welchem die Temperaturverteilung und die Verteilung der Schwefelsäurekomponenten
am Auslaß des Erhitzers unter dem Einfluß von Rotation, d.h. Rotordrehung, ungleichmäßig
werden, so wird die eingeblasene Ammoniaknienge an lokalisierten Punkten zu hoch
oder zu niedrig; im letzteren Fall bilden sich an den Düsen ablagernde, diese verstopfende
und die Korrosion eher begünstigende als sie verhütende, niedrigschmelzende Verbindungen.
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Obwohl bisher angenommen wurde, daß Ammoniaksulfat und saures Ammoniaksulfat
die Proddite der Neutralisierung von im Abgas enthaltener Schwefelsäure mittels
Ammoniaks sind, ist die Zusammensetzung des Neutralisationsprodukts kompliziert
und können sich je nach dem Molverhältnis von NH, H2SO4 möglicherweise Verbindungen
von außerordentlich niedrigem Schmelzpunkt, beispielsweise im Bereich von etwa 500C
bilden. Die bekannte Vorrichtung besitzt auch den Nachteil, daß - da das Ammoniak-Luft-Gemisch
bei Normaltemperatur in das Feuerrohr eingeblasen wird - die Düsenrohre abgekühlt
werden und schon dadurch das Verstopfen der Düsen mit Feuerrohrstaub begünstigt
wird.
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Zur Ausschaltung der genannten Nachteile der bekannten Vorrichtung
schafft die Erfindung ein Verfahren zum Einblasen von Ammoniak in ein Feuerrohr
für Abgas, dessen Besonderheit darin besteht, daß ein Gemisch aus Ammoniak und Luft
zunächst auf eine Temperatur gebracht wird, welche praktisch der Temperatur des
Abgases im Feuerrohr an der Auslaßseite eines Lufterhitzers entspricht, und das
Gemisch sodann unter Regulierung seiner Durchsatzmenge über mehrere im Feuerrohr
auf weite Abstände zueinander verteilte Düsen in das Feuerrohr eingeblasen wird.
Die Erfindung bewirkt damit die
Verhinderung von Korrosion oder
der Bildung vcn saurem uß an der ITiedertemperaturseite eines ölbefeuerten Kessels
sowie die vollständige Verhindermlar der VerUtopfung der Dusen durch niedrigschmelzende
Verbindungen oder Feuerrohrstauben um deren volle Betriebsbereitschaft während einer
längeren Zeitspanne aufrechtzuerhalten.
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Da das Gemisch aus Ammoniak und Luft erfindungsgeniäß auf eine Temperatur
gebracht, die pralStisch derjenigen des Abgases am Austritt des Lufterhitzers entspricht,
und dann in das Feuerrohr aus einer Anzahl von Düsen eingeblasen wird, die - wie
erwähnt - mit weitern Abstand voneinander im Feuerrohr verteilt sind, werden die
die Düsen enthaltenden Rohre durch das Ammoniak-Luft-Gemisch nicht abgekühlt, so
daß die im Abgas enthaltenen Schwefelsäurekomponenten nicht an den Oberflächen dieser
Rohre kondensieren können, so daß mithin die Verstopfung der Düsen durch Staubablagerung
völlig verhindert werden kann.
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Bei Verwendung eines Ljungström-Luftvorerhitzers können Temperaturverteilung
und Verteilung der Schwefelsäurekomronenten im Abgas am Auslaß des Erhitzers unter
dem Einfluß der rotation ungleichmäßig werden. Erfindungsgemäß kann jedoch Ammoniak
in einer zur Ausschaltung dieser ungleichmäßigen Temperatur- und Schwefelsäuurekomponenten-Verteilung
ausreichenden Menge eingeblasen werden, da das Ammoniak-Luft-Gemisch - bei einer
praktischer der Temperatur des Abgases am Auslaß des Lufterhitzers entsprechenden
Temperatur - unter Regulierung seiner Durchsatzmenge auf oben beschriebene gleise
über mehrere Düsen eingeblasen wird, wodurch die Bildung von niedrigschmelzenden
Verbindungen vermieden und die Verstopfung der Düsen durch diese Verbindungen völlig
verhindert werden kann.
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Da das Gemisch aus Ammoniak und Luft, die von entsprechenden Zufuhrquellen
aus zugefüJirt werden, gemäß dem genannten charakteristischen Erfindungsmerkmal
am Auslaß des Lufterhitzers aus jeder Düse gleichmäßig in das iteuerrohr eingeblasen
werden kann, um die SchlcfelsäurclSomponenteil im Abgas mit Ammoniak zu neutralisieren,
können Korrosion und Bildung von saurem uß an der Niedertemperaturseite des ölbefeuerten
Kessels vollständig verhindert werden, Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Vergleich zum Stand der llechnilL anhand von Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Vorrichtung
zum Einblasen von Ammoniak in ein Abgase führendes Feuerrohr, Fig. 2 eine schematische
Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum einblasen
von Ammoniak in ein Abgase führendes Feuerrohr, Fig. 3a bis 3c lotrechte Schnittansichten
verschiedener Düsenformen und Fig. 4 einen lotrechten Schnitt durch die in ein Düsenrollr
eingebauten Düsen.
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Die herkömmliche Vorrichtung gemäß Fig. 1 wurde eingangs bereits erläutert.
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Im folgenden ist nunmehr das erfindungsgemäße Verfahren anhand von
Fig. 2 beschrieben. Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind ein Flüssigamroniaißehälter
1, ein I-iehrlagen-Sieb 2, ein Ammoniak-Verdampfer 3 und ein Speicher 4 vorgesehen.
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Ein Ventil 5 zur lkegulierunÒ der Durchsatzmenge an Ammoniak wird
automatisch in Abhängigkeit von einem aus einem zentralen Kontrollraum ihm eingespeisten
Ausgangssignal (R # Fic) betätigt, das in Abhangigkeit von der Messung der effektiven
Kesselleistung (bzw. z.B. der Temperatur) oder der der Abs gasmenge entsprechenden
Durchsatzmenge des Schweröls erzeugt wird.
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An der Auslaßseite eines Unterwind-Gebläses ist eine Luftzufuhr 6
angeordnet, und die Anordnung weist weiterhin einen handbetätigten Schieber 7, eine
Düse o zur Messung der Durchsatzmenge sowie eine Ammoniak-Mischvorrichtung 9 auf.
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Die von der Luftzufuhr 6 gelieferte Luftmenge, die in der Mischvorrichtung
9 mit dem Ammoniakgas vermischt werden soll, wird durch den handbetätigten Schieber
7 in der Weise geregelt, daß die Ammoniakgaskonzentration im Ammonial-Luft-Gemisch
3 bis 6% beträgt.
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An der Auslaßseite eines Lufterhitzers ist eine Heißluftzufuhr 10
vorgesehen, der ein handbetätigter Schieber 11, eine Düse 12 zur Messung der Durchsatzmenge
und eine Heißluft-Mischvorrichtung 13 nachgeschaltet sind. Die von der Heißluftzufuhr
10 gelieferte Luftmenge, die in der Mischvorrichtung 13 mit dem von der Mischvorrichtung
9 gelieferten AmmoniaJLuft-Gemisch vermischt werden soll, wird mit Hilfe des handbetätigten
Schiebers 11 derart geregelt, daß die Temperatur des resultierenden Gemisches 100
bis 150°C beträgt.
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Am Auslaß des Lufterhitzers sind mehrere Feuerrohre 14 angeordnet,
wobei mehrere Gruppen von Düsenrohren 15 bei der
dargestellten Ausführungsform
vier Gruppen, sowie ausbaubar in jedes Düsenrohr 15 eingesetzte Düsen 16 vorgesehen
sind.
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Die Düsen 16 besitzen eine solche Form, daß ein Verstopfen derselben
im größtmöglichen Maß verhindert wird. Beispielsweise können Düsen vorgesehen sein,
die gemäß Fig. 3a eine sich in Strömungsrichtung erweiternde Öffnung aufweisen,
wobei der Diffusionsbereich durch die Größe der Öffnungserweiterung festgelegt werden
kann, eine weniger verwirbelte Strömung erzeugt wird und das Fluidum zufriedenstellend
verteilt wird. Wahlweise können gemäß Fig. 3b Düsen vorgesehen sein, deren Öffnung
in einem mittleren Abschnitt liegt, wobei die Düsenteile getrennt herstellbar sein
können und sich daher einfach fertigen lassen und das Fluidum zufriedenstellend
verteilen. Schließlich kann gemäß Fig. 3c wahlweise auch eine Düse mit einem konvergierenden
Ende verwendet werden, die eine weniger verwirbelte Strömung erzeugt.
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Diese Düsen werden jeweils in je 0,2 bis 0,3 m3 des Feuerrohrquerschnitts
angeordnet, so daß das Ammoniak ausreichend im Abgas verteilt werden kann. Außerdem
ist jede Düse gemäß Fig. 4 ausbaubar in das Düsenrohr 15 eingeschraubt, um ihr Auswechseln
zu erleichtern.
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Düsen bzw. Lochblenden 17 dienen zur Feststellung einer Verstopfung
der zugeordneten Düsen 16 durch Messung einer Druckgefälleänderung, die auftritt,
wenn eine vorgegebene Düsen gruppe verstopft ist und sich die Durchsatzmenge an
Ammoniakgas im zugeordneten Düsenrohr geändert hat. In die gleiche Leitung sind
Ventile 18 eingeschaltet. Die die vorstehend beschriebenen Bauteile miteinander
verbindenden ausgezogenen Linien und die an diesen Linien angebrachten Pfeile geben
die Strömungswege und die Strömungsrichtungen des Ammoniakgases an, während die
gestrichelten Linien die Luftströmungswege angeben.
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In einem Ljungström-Luftvorerhitzer dreht sich ein Rotor zwischen
Luft niedriger Temperatur und Gas hoher Temperatur. Aus diesem Grund wird die Temporaturverteilung
des Abgases an der Auslaßseite des Lufterhitzers ungleichmäßig, wie dies beispielsweise
durch die folgende Tabelle verallschaulicht ist: Tabelle 1 Gemessene Temperatur
des Abgases am Auslaß des Lufterhizers (Abweichung vom Mittelwert) Querrichtung
Längsrichtung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Mittelwert a 5 5 2 1 0 -2 -3 -7 -13 -1 b 9 7 7 7
4 -1 -4 -8 -13 1 c 9 12 10 7 3 -5 -5 ~n -15 1 d 9 13 11 5 -1 -7 -3 -11 -16 -1 Mittelwert
8 10 7 5 2 -4 -5 -9 -14 o
Laufrichtung des Rotors Außerdem liegen die Schwefelsäurekomponenten im Abgas von
einem Kessel an der Einlaßseite des Lufterhitzers,,deren Temperatur über 30000 liegt,
praktisch vollständig in Form von SO3 vor, während sie am Auslaß des Lufterhitzers
infolge der Drehung des Rotors in anderer Form vorliegen. Genauer gesgt, kondensiert
Schwefelsäuregas an einem Teil der Rotorfläche, wo die Temperatur unter dem Taupunkt
der Säure liegt, und verdampft an einem anderen Teil dieser Fläche, wo die Tempe
ratur über ael;l Taupunkt licht und sich die Schwefelsäurekomponenten zur wärmeren
Seite des Rotors bewegen. Mit anderen Worten nehmen die Schwefelsäurekomponenten
an der wärmeren Saite des Rotors zu, so daß ihre Verteilung sowie die Temperaturverteilung
an
der Auslaßseite des Lufterhitzers ungleichmäßig werden. Die tatsächlich gemessenen
Mengen der Schwefelsäurekomponenten sind beispielhaft in nachstehender Tabelle aufgeführt:
Tabelle 2 Gemessene Mengen der Schwefelsäurekomponenten am Auslaß des Lufterhitzers
(Mittelwert 100%) Querrichtung Längsrichtung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 tAttelwert a 139
148 112 109 94 86 83 62 48 98 b 160 143 148 145 115 99 75 68 55 112 c 159 137 127
117 91 62 65 58 51 95 d 150 137 137 92 121 92 44 40 43 96 Mittelwert 152 141 131
116 105 85 67 57 49 100
Laufrichtung des Rotors Mithin sind die Temperaturverteilung und die Verteilung
der Schwefelsäurekomponenten an der Auslaßseite des Lufterhitzers infolge der Hotordrehung
ungleichmäßig. Infolgedessen wird Ammoniak in das Feuerrohr am Auslaß des Lufterhitzers
in einer Menge eingeblasen, welche der der Verteilung der Schwefelsäurekomponenten
angepaßten Menge zuzüglich einer Menge zur Kompensierung der Temperaturverteilung
entspricht. (Eine größere Ammoniakmenge muß in den Teil eingeblasen werden, in welchem
die Temperatur des Abgases höher liegt, da der Schmelzpunkt der Ammoniak-Schwefelsäureverbindung
höher ist, wenn das Molverhältnis von NH: : H2S04 höher liegt). Die berechnete Mengenverteilung
des einzublasenden Ammoniaks ist in der nachstehenden Tabelle beispielhaft angegeben:
Tabelle
3 Berechnete Mengenverteilung von einzublasendem Ammonial (Bezüglich Temperatur
kompensiert) Querrichtung Längsrichtung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Mittelwert a 144 154 116
105 89 78 74 51 34 95 b 175 153 159 155 117 92 65 55 39 113 c 176 159 144 125 91
53 55 45 35 98 d 166 162 157 95 112 75 35 30 28 96 Mittelwert 165 158 143 120 102
75 57 45 34 100
Laufrichtung des Potors Die Verteilung des eingeblasenen Amoniaks wird durch die
Öffnungsdurchmesser-Verteilung der im Feuerrohr 14 angeordneten Düsen 16 bestimmt.
Aus diesem Grund müssen die Öffnungsdurchmesser der in den verschiedenen Gruppen
enthaltenen Düsen 16 vor dem Einblasen von Ammoniak auf zweckmäßige Werte festgelegt
werden, um der vorstehend aufgeführten Verteilung der Schwefelsäurekomponenten zu
entsprechen.
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Genau genommen hängt die Verteilung der Schwefelsäurekomponenten auch
von der Durchsatzmenge und der Temperatur des Abgases ab, doch ist diese Abweichung
so gering, das sie vernachlässigt werden kann.
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Das im Verdampfer 3 vollständig verdampfte Ammoniakgas wird der Ammoniak-Mischvorrichtung
9 zugeführt, während seine Durchsatzmenge durch das Ventil 5 geregelt wird, welches
in Abhängigkeit von der gemessenen Brennstoff-Durchsatsmenge arbeitet. In der Mischvorrichtung
wird das zugeführte Ammoniakgas
mit von der Luftzufuhr 6 stammender
Luft vermischt und bildet ein ttischgas, in welchem die AmmoniaWtonzentration 3
bis 6% beträgt. Das auf diese Weise gebildete Ammoniak-Luft-Gemisch wird zur Heißluft-Mischvorrichtung
13 überführt, in welcher es mit der von der Heißluftzufuhr 10 stammenden Heißluft
vermischt wird, wodurch ein Ammoniak-Luft-Gemisch mit einer praktisch der Temperatur
des Abgases, d.h. von 100 bis 15O0C, entsprechenden Temperatur gebildet wird. Dieses
Gemisch wird dann in die Düsenrohre 15 eingeleitet und über die Düsen 16 in die
Feuerrohre 14 eingeblasen.
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Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit einer einen Ljungström-Lufterhitzer
verwendenden Vorrichtung dargestellt und beschrieben ist, braucht der Lufterhitzer
selbstverständlich kein solcher mit einem Rotor zu sein, sondern kann vielmehr jeder
beliebige andere Lufterhitzer verwendet werden, vorausgesetzt, daß er die Temperaturverteilung
und die Verteilung der Schwefelsäurekomponenten des Abgases im Feuerrohr verändert.
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Obgleich die Erfindung außerdem vorstehend in Verbindung mit einer
bevorzugten Ausführungsform dargestellt und beschrieben ist, ist sie ersichtlicherweise
keineswegs hierauf beschränkt, da selbstverständlich zahlreiche Änderungen und Abwandlungen
möglich sind, ohne daß vom Rahmen und vom allgemeinen Erfindungsgedanken abgewichen
wird.