DE2928061C2 - Verfahren zur Abgasbehandlung - Google Patents

Verfahren zur Abgasbehandlung

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DE2928061C2
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46Removing components of defined structure
    • B01D53/48Sulfur compounds
    • B01D53/50Sulfur oxides
    • B01D53/501Sulfur oxides by treating the gases with a solution or a suspension of an alkali or earth-alkali or ammonium compound

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Enfernung von Schwefeloxiden aus einem Abgas gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE-OS 21 61 476 ist ein Verfahren zum Entschwefeln von Abgasen unter Bildung von Gips bekannt, wobei feine Oj-Gasbläschen in den Flüssigkeitsvorratsbehälter eines Absorptionsturmes geschlossen werden, um das Sulfit in Sulfat umzuwandeln. Vorgesehen ist die Oxidation des insgesamt absorbierten SO2.
Ein weiteres Verfahren ztir Behandlung von SO2 und HCl enthaltendem Abgas ist nus der DE-OS 27 32 580 bekannt Hierbei wird durch Zugabe liner Mg-Verbindung MgCI gebildet, wodurch der Prozentsatz an gewonnenem HCi gesteigen wird. Weiterhin findet eine Oxidationsreaktion statt, durch die CaSO4 gebildet wird, das Gipssteinansatz ergeben kann. In der Kontrolle dieser Steinbildung ist bisher das bedeutendste technische Problem gesehen worden. Eine erfolgreiche Lösung dieses Problems war die Zirkulation von Impfkristallen, das heißt eine Technik zur Einleitung einer vorbestimmten Menge oder mehr an Gipsimpfkristallen in die Gaswäscherlauge oder Gaswaschlauge in einem Skrubber; hierdurch kann der frisch gebildete Gips in dem Gaswäscher auf den Impfkristallflächen abgeschieden werden und wachsen, so daß eine Abscheidung auf der Innenseite des Gaswäschers vermieden wird. Diese Technik findet weitverbreitete Anwendung als ausgezeichnete Maßnahme gegen die Steinbildung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein anderes Verfahren zur Vermeidung dieser Ablagerungen bzw. Steinbildung zu schaffen, und zwar ohne Impfkristallzirkulation.
Die Erfindung schlägt eine Technik zur Verhinderung von Steinbildung in den Gaswäschern von technischen Anlagen im Großmaßstab, wie bei der Abgasbehandlung bei Heizkesseln, vor und sie ist auf der Grundlage des Phänomens entwickelt worden, daß das kritische Verhältnis zwischen CaSOj und CaSCU, die in der Gaswaschlauge als Ergebnis der SOr-Entfernung gebildet werden, bei 82 :18 liegt und wenn der Anteil des CaS04 dies überschreitet, sich beide Produkte in festen Phasen abtrennen, wenn jedoch der Anteil ungenügend ist, CaSO4 nicht einfach abgetrennt wird (als Einzelphase), sondern in den Kristallgittern von CaSO3 eingebaut wird, das sich in einer festen Phase abgetrennt hat. Das üblicherweise bei den bestehenden Installationen bestehende Problem der Steinbildung wird noch im einzelnen beschrieben.
F i g. 1 ist ein Fließdiagramm für einen typischen Prozeß der bisherigen Technik.
Abgas, zum Beispiel aus einem mit Kohle beheizten Heizkessel, wird in einen Gaswäscher 3 bei Einspeiseleitung 1 eingeleitet und in der Eintrittszone des Kessels gekühlt und von Staub durch Waschlauge befrei«. Eine alternative Methode zum Kühlen und Entstauben des Gases durch gesonderte Kühl- und Staubsammelmittel vor Einströmen in den Gaswäscher ist selbstverständlich aus der Technik bekannt; die Erfindung ist bei beiden Methoden anwendbar. Für den Kühlzweck geht ein Teil des Wassers m der Gaswaschlauge durch Verdampfung verloren, wird jedoch über Zuführung 2 ergänzt Das Gas wird im Hauptkörper des Skrubbers 3 weiter gekühlt und entstaubt, während gleichzeitig SOx im Gas durch die Gaswaschlauge aufgenommen wird.
Wenn CaC03 als Absorbens eingesetzt wird, treten bei der SOx-Entfernung die folgenden Umsetzungen ein:
CaSO3+ SO2+ H2O-O2++2 HSO3- (a) HSO3- + 1/2O2-H+ + SO4 2- (b)
Ca2+ + SO4 2- — CaSO4 (c)
CaCO3 + HSO3- + H+ -CaSO3 + H2O + CO2
SO3+ H2O- 2H++SO42-
Das in dem Gaswäscher 3 erzeugte CaSO3 reagiert mit dem SO2, das absorbiert wird, gemäß Gleichung (a) unter Bildung von Ca2+ und HSO3-. Ein Teil des HSO3-wird dann durch O2 im Gas oxidiert und ergibt H+ + SO4 2-, wie es Gleichung (b) ausdrückt
Andererseits werden HSO3- und H+ mit dem'Absorbens CaCO3 neutralisiert und gemäß Gleichung (d) in CaSO3, H2O und CO2 umgewandelt, wobei letzteres Produkt in Gasform an die Atmosphäre freigesetzt wird. Mit Zunahme der Konzentrationen kombinieren das resultierende Ca2+ und SO4 2- unter Bildung von CaSO4, wie es Gleichung (c) ausdrückt, welches sich in fester Phase in gleicher Weise wie CaSO3 abscheidet.
Das Gas aus dem Heizkessel enthält etwas SO3 (Schwefeltrioxid), dat von der Gaswaschlauge absorbiert wird, wie Gleichung (e) angibt, um H+ und SO42-zu erhalten.
Es ist bereits vermerkt worden, daß die vorliegende Erfindung auf dem eigenartigen Phänomen basiert, wenn CaSO4 und CaSO3 sich in festen Phasen abtrennen, wie es durch die entsprechenden Reaktionsgleichungen (c) und (d) angegeben ist.
Wie angegeben, erweist sich das Verhältnis zwischen der Erzeugung von CaSO3 und CaSO4 von 82 :18 als kritisch, und wenn der Anteil der CaSO4-Erzeugung kleiner ist als dieses Verhältnis bzw. umgekehrt, wenn die CaSOa-Erzeugung dies übersteigt, wird CaSO4 in den Kristallen des gemäß (d) erzeugten CaSO3 inkorporiert, statt einzeln in einer festen Phase aufzutreten, wie es Gleichung (c) wiedergibt. Dies ist vermutlich der BiI-dung einer festen Lösung des Sulfits und Sulfats zuzuschreiben. Obwohl der Mechanismus so komplex ist, daß die Einzelheiten zur Zeit noch nicht geklärt werden können, erscheint diese Annahme vernünftig, da die Kri-
stalle aus CaSO4, die gewöhnlich leicht mikroskopisch beobachtet werden, nicht identifiziert werden können, wenn das oben erwähnte ungewöhnliche Phänomen eintritt.
Aus den Reaktionsgleichungen (b) und (c) geht eindeutig hervor, daß CaSC>4 erzeugt wird, wenn das HSO3-, das aus der Absorption von SO2 aus dem Abgas durch das Absorptionsmittel resultiert, mit O2 in dem Gas kombiniert Während natürlich SO4 2- erzeugt wird gemäß Formel (e), ist die Menge an SO3 in dem Gas sehr gering; wahrscheinlich wird das meiste SO42- gemäß Reaktionsgleichung (b) gebildet
Daher hängen die zu bildenden Anteile von CaSO3 und CaSO4 ab von der Menge der durch Oi im Gas zu erzeugenden SO42-.
Wenn CaSO4 bis zu einem Anteil gebildet worden ist der über die kritische Grenze hinausreicht, trennt sich CaSOi in einer festen Phase ab, wie die Gleichung (c) angibt
Die Gaswaschlauge 4, die durch den Gaswäscher 3 zirkuliert wird teilweise abgezogen und zu einem CaSO4-Klassierer, zum Beispiel einem Flüssigkcitszyklon, geführt wo ein Teil oder das gesamte CaSO4 klassiert und als CaSO4-haltige Zirkulationslauge zurückgeführt wird bzw. als Impfkristall-Zirkulationslauge 6, zum Beispiel vom Boden des Klassierers 5 zum Gaswäscher 3 zurückkehrt
Wenn die CaSO4-haltige Zirkulationslauge 6 zurück zum Gaswäscher gegeben wird, fällt das im Gaswäscher gemäS Reaktionsgleichung (c) gebildete CaSO4 aus und wächst über den Flächen von CaS04-Kristallen, die zurückkehren. Mit anderen Worten, das zurückkommende CaSO4 agiert im Gaswäscher als Impfkristallmasse für das Wachstum mit dem CaSO4, das nach Reaktionsgleichung (c) gebildet wird, wodurch die Steinbildung in dem Gaswäscher verhindert wird.
Das Gaswaschlauge 7, die vom Kopf des CaSO4-Kiassierers abgenommen wird, wird währenddessen zu einem Eindicker 8 befördert, wo die Suspension konzentriert und als Rückstand 9 vom Boden des Eindickers entladen wird, oder wenn nötig, wird das Konzentrat zur nachfolgenden Deponierung verschlammt
Aus dem Eindicker 8 wird die überstehende Lauge 10 zu einem Gaswaschlauge-Zubereitungskessel 11 überführt, wo sie mit CaCOa oder Ca(OH)2 gemischt wird, um frische Gaswaschlauge herzuss-illen.
Die so hergestellte Gaswaschlauge 13 wird je nach Bedarf in den Gaswäscher eingespeist
Obwohl die Zufuhr an den Gaswäscher 3 auf Basis der SO^-Konzentration im Abgas und des zu handhabenden Gasvolumens kontrolliert werden kann, ist es auch möglich, die Zufuhr so zu regeln, daß das pH der Zirkulationsiauge 4 auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.
Die Zufuhr des Wassers 2 zur Ergänzung wird so geregelt, daß sie die Wasserverluste durch Verdampfung in das Gas für Kühlungszwecke ausgleicht, wie bereits beschrieben, und auch die Verluste durch Entladung aus dem System als Feuchtigkeitsgehalt des Rückstandes 9 ersetzt. In der Zeichnung, bezeichnet M den eo Motor eines Rührers.
Ein typischer Prozeß der bisherigen Technik ist insoweit in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben worden, die ein Fließschema des Prozeßbetriebs darstellt wo der Anteil des CaSO4 größer als das kritische Verhältnis zwischen CaSO3 und CaSO4 von 82 :18 ist und CaSOi einzeln in die Gaswas« Mauge freigesetzt wird.
Wenn demgegenüber der CaSO4-Anteil geringer ist als das CaSO3ZCaSO4-Verhältnis von 82/18, dann würde ein Teil der Zirkulationslauge 4, die abgezogen und zu einem Klassierer wie einem Flüssigkeitszyklon 5 befördert worden ist nicht Impfkristalle aus CaSO4 ausfällen und daher würde CaSO4-haltige Zirkulationsflüssigkeit 6 nicht vom Boden des Klassierers 5 zum Gaswäscher zurückkehren. Dann aber würde, wenn der CaSO4-Anteii wieder das CaSO3: CaSO4-Verhäitnis von 82:18 übersteigt wegen einer verminderten Belastung des Heizkessels über Nacht oder dergleichen und teils wegen einer Zunahme im 02-Gehalt des Abgases, der Impfkristalleffekt bei der CaSO4-haltigen Zirkulationslauge 6, wie bereits in Bezug auf F i g. 1 beschrieben, in Abwesenheit von CaSO4-KristaIlen in der Gaswaschlauge 4, die durch den Gaswäscher zirkuliert, nicht eintreten. Als Folge würde sich eine beträchtliche Gefahr ergeben, daß CaSO4 gemäß Reaktionsgleichung (c) gebildet wird und zu CaSO4-Stein im Inneren des Gaswäschers wächst
Die vorliegende Erfindung bezweckt ein Abgasbehandlungsverfahren, das die zuvo: geschriebenen Nachteile der bisherigen Technik überwindet.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß erreicht durch einen Naßprozeß zur Abgasbehandlung, bei dem das Abgas mit einer Calciumhydroxid und/oder Calciumcarbonat enthaltenden Suspension gewaschen wird, um Schwefeloxide aus dem Gas zu entfernen, und welches darin besteht, daß
(1) Luft oder Sauerstoff enthaltendes Gas in den Gaswäscher in der Weise eingeleitet wird, daß mindestens 18 Gew.-% der durch die Gaswaschlauge absorbierten Schwefeloxide zu Gips oxidiert werden, und dann ein Teil des Gipses aus der teilweise abgenommenen gipshaltigen Gaswaschlauge zum Gaswäscher zurückgeleitet wird; oder
(2) ein Teii oder die gesamte Gaswaschiauge aus dem Gaswäscher in eine Oxidiervorrichtung geleitet wird, wo sie unter Zuleitung von Luft oder Sauerstoff enthaltendem Gas oxidiert wird, und nach der Oxidation ein Teil der Gaswaschlauge aus der Oxidiervorrichtung zum Gaswäscher zurückgeleitet wird, wobei mindestens 18Gew.-% der Schwefeloxide, die aus dem Gas durch die Gsswaschlauge absorbiert worden sind, zu Gips oxidiert werden.
Die obigen und weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den anliegenden Zeichnungen deutlicher werden.
Fig. 1 ist ein Fließdiagramm und beispielhaft für einen typischen Abgasbehandlungsprozeß der bisherigen Technik; F i g. 2 und 3 sind Fließdiagramme, die zwei veischiedene Ausgestaltungen des Verfahrens der Erfindung zeigen; und F i g. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Gipskonzentration und der Ablagerungsgeschwindigkeit wiedergibt
Wie F i g. 2 zeigt, besteht die vorliegende Erfindung in einem Verfahren zur Förderung der Oxidationsreaktion, die durch Reaktionsgleichung (b) wiedergegeben ist, indem eine kleine Menge Luft oder Sauerstoff 14 in das Flüssigkeitsreservoir am Boden de.·. Gaswäschers 3 eingespeist wird, wobei der Gaswäscher wie nach der bisherigen Technik, F i g. 1, benutzt wird, damit der Ca-SO4-Anteil immtf über dem CaSO3/CaSO4-Produktionsverhältnis von 82 : 18 liegen kann.
Die Luftmenge kann auf ein Minimum eingestellt werden, das unter Berücksichtigung der O2- und
SCb-Konzentrationen im Abgas, der Heizkesselbelastung und anderer Faktoren erforderlich ist.
Wie Fig.3 zeigt, betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren, bei dem ein Teil der Gaswäscherzirkulationslauge 4 abgenommen wird für eine Oxidiervor· richtung IS, wo sie zur Umsetzung gebracht wird gemäß Gleichung (b) mit zugeleitetem Sauerstoff oder Luft 14; und die erhaltene Lauge 16 wird zum Reservoir am Boden des Gaswäschers 3 zurückgeleitet, so daß der CaSO4-Anteil größer werden kann, als mindestens dem obenerwähnten CaSO3ZCaSO4-Verhältnis von 82 :18 entsprechend.
Man erkennt ohne weiteres, je höher die Konzentration des CaSO4 ist, um so größer wird der Impfkristalleffekt sein. Es ist jedoch ebenso klar, daß bei einer Einheit im Großmaßstab für den technischen Betrieb mehr Schwierigkeiten mit der Erhöhung der Aufschlämmungskonzentration verbunden sind.
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daher geboten, die Impfkristallkonzentration auf dem to irreduziblen Minimum zu halten. Zu diesem Zweck sind verschiedene Untersuchungen durchgeführt worden.
Als Ergebnis solcher Untersuchungen und auch der der Erfindung zugrundeliegenden Arbeiten erwies es sich als sehr zweckmäßig, die CaS04-Konzentration in der Gaswäscher-Zirkulationslauge auf einen Bereich von 2 bis 15Gew.-% durch Klassieren des Gipses mit einem Klassierer und durch Zirkulierenlassen des resultierenden Materials als Impfkristalle einzustellen.
F i g. 4 gibt graphisch die Ergebnisse von Tests wieder, die hinsichtlich der Beziehung zwischen der Gipskonzentration und der Bildungsgeschwindigkeit von Stein durchgeführt worden sind. Wenn die Gipskonzentration kleiner als 2 Gew.-°/o wird, tritt eine bedenkliche Steinbildung auf. Wenn die Konzentration über 15 Gew.-% hinausgeht, bleibt der Effekt praktisch unverändert. Ein Nutzen bei Anwendung der höheren Konzentration ist jedoch nicht gegeben.
Die getrennte Installierung der Oxidiervorrichtung macht die Einrichtung komplexer als bei Durchführung der Oxidation in dem Flüssigkeitsreservoir des Gaswäschers. Dieser Nachteil wird jedoch ausgeglichen durch den Vorteil der kompakten Oxidationsausstattung, die durch die Kompression der in die Oxidationsvorrichtung 15 gespeisten Luft 14 ermöglicht wird.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele in Verbindung mit unter identischen Testbedingungen durchgeführten Vergleichsbeispielen erläutert.
abgenommen, um einen konstanten Wert im Reservoir am Boden des Gaswäschers 3 aufrechtzuerhalten.
Test!
Vergleichsbeispiel
SO2 im Gas bei Eintritt:
O2 im Gas bei Eintritt:
3320 ppm
(aufTrockenbasis)
5,2%
(auf Trockenbasis)
SO2Im Gas bei Austritt: 157 ppm
(aufTrockenbasis)
Zusammensetzungsverhältnisse der abgenommenen Gaswaschlauge:
ReSt-CaCO3:5,7% (als CaCO3/Gesamt-Ca, auf Molbasis)
CaSO3/CaSO4 (Der CaSO4-Anteil wurde durch
D;-.~u..„ki..n ..-.„ A-. u.... ~_ cr\ ei- j
■ \Ukn.*VlllUU VWIl UVl IVIvIIgV all OVJ-JOIi αΐΙΛ UvI gesamten S-Menge berechnet) = 88 : 12 (auf Molbasis)
Anwesenheit von CaSO4-Kristallen in der Lauge: Mikroskopisch nicht erkennbar.
Beispiel 1
SO2 im Gas bei Eintritt:
O2 im Gas bei Eintritt:
1650 ppm
(auf Trockenbasis)
6,2%
(auf Trockenbasis)
SO2 im Gas bei Austritt: 75 ppm
(aufTrockenbasis)
50
Abgas aus einem ölbeheizten Ofen wurde zur SOx-Entfernung mit einer Geschwindigkeit von 2000 Nm3 pro Stunde. Ober einer Säulenpackung gewaschen, die 600 mm Durchmesser und 10 m Höhe hatte, mit gitterformigen Packkörpern bepackt war und im oberen Teil eine Gaskühlungs- und Entstaubungszone, 200 mm breit und 2 m hoch, aufwies. Die Ergebnisse des gemäß einem Verfahren der bisherigen Technik durchgeführten Tests sind in Vergleichsbeispiel 1 und die Ergebnisse nach der Erfindung in Beispiel! angegeben.
In jedem Fall wurde die Gaswaschlauge durch Suspendieren von Kalkstein, pulverisiert bis zu einer solchen Größe, daß 95% durch ein Sieb von 0,044 mm hindurchgingen, in Wasser bis zu einem Anteil von 1,5 mol/l hergestellt Die Lauge wurde so eingespeist, daß der pH-Wert der Gaswäscher-Zirkulationslauge 4 einen Wert von 53 hatte. Überschüssige Lauge wurde Zusammensetzungsverhältnisse der Gaswaschlauge (abgenommen):
Rest-CaCOj: 52% (als CaCOi/Gesamt-Ca, auf Molbasis)
CaSOyCaSO4 (Der CaSO4-Anteil wurde durch Schluß aus der Menge an SO3-SaIz aus der Gesamt-S-Menge berechnet) = 73 :27 (auf Molbasis)
Anwesenheit von CaSO4-Kristallen in der Lauge: Mikroskopische Untersuchungen ließen eindeutig Anwesenheii von dem CaSO4 zuzuordnenden Kristallen in Form von Plättchen und Säulen erkennen.
Test 2
Unter Anwendung dergleichen Einrichtung wie in Test 1 wurden ähnliche Versuche durchgeführt unfi die in dem Vergleichsbeispiel 2 und Beispiel 2 erhaltenen Ergebnisse gefunden.
Vergleichsbeispiel 2
Bei dem in F i g. 1 schematisch wiedergegebenen Verfahren wurde der Gipsklassierer 5 weggelassen, die Gaswaschlauge wurde durch den Eindicker 8 geschickt, dann wurden die Rückstände verworfen, während die überstehende Flüssigkeit benutzt wurde, um frische Gaswaschlauge herzustellen.
SO2-Konz- im Gas bei Eintritt: 1650 ppm
(aufTrockenbasis)
SOj-Konz. im Gas bei Austritt: 73 ppm
(aufTrockenbasis)
O2-Konz. im Gas bei Eintritt: 63%
(auf Trockenbasis)
Nach 115 Stunden kontinuierlichem Testbetrieb wurde die Innenseite des Gaswäschers untersucht; in den Kndflächenbereichen der Packungen wurde Stein festgestellt, der CaSC>4 als Hauptbestandteil enthielt.
Beispiel 2
C'r>.SO4-Kristalle (die nach Oxidation der gesamten Mcng'j CaSÜ3 mit Oxidationsmitteln erhalten, die zuvor in die gleiche Testvorrichtung gespeist worden waren, filtriert und durch einen Zentrifugep.scheider aus Zweckmäßigkeitsgründen reguliert wurden) wurden einer Waschlauge in solcher Menge zugesetzt, daß sie einen CaSO-i-Gehalt von 5 Gew.-% zeigte (als CaSO4 · 2 H2O); dann wurde das erhaltene Gemisch in ein Flüssigkeitsreservoir am Boden des Gaswäschers 3 für Testzwecke eingegeben.
SOj-Konz. im Gas bei Eintritt: 1650 ppm
(Trockenbasis)
SO2-Konz. im Gas bei Austritt:75 ppm
(Trockenbasis)
O2-Konz. im Gas bei Eintritt: 6,3%
(Trockenbasis)
Nach 125 Stunden kontinuierlichem Testbetrieb wurde die Innenseite des Gaswäschers inspiziert; Steinbildung war kaum zu beobachten.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
40
45
55
60
65

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Entfernung von Schwefeloxiden aus einem Abgas, bei dem ein Luft oder Sauerstoff enthaltendes Abgas mit einer Calciumhydroxid und/ oder Calciumcarbonat enthaltenden Suspension gewaschen wird und ein Teil des Gipses aus teilweise abgenommener gipshaltiger Gaswaschlauge in die Gaswäsche zurückgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gewässer ein Luft oder Sauerstoff enthaltendes Gas in der Weise zugeführt wird, daß mindestens 18 Gew.-% der durch die Gaswaschlauge absorbierten Schwefeloxide zu Gips oxidiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Calciumsulfate in dieser Gaswaschlauge, die zum Gaswäscher zurückgeleitet wird, auf einen Wert im Bereich von 2 bis 15 Gew.-% des Gesamtgewichtes dieser Lauge eingestellt wri
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