DE2943349A1

DE2943349A1 - Verfahren und vorrichtung zum einspritzen eines saeure-konditioniermittels in einen rauchgasstrom

Info

Publication number: DE2943349A1
Application number: DE19792943349
Authority: DE
Inventors: William Arthur Quigley; Paul Herbert Sorenson
Original assignee: UOP LLC
Current assignee: Honeywell UOP LLC
Priority date: 1978-10-27
Filing date: 1979-10-26
Publication date: 1980-04-30
Also published as: JPS631103B2; ES489016A0; IT1124693B; IT7926850A0; CA1132063A; IN153232B; ES8100110A1; US4208192A; JPS5570357A; ES485318A0; GB2035830B; ES8102831A1; GB2035830A

Description

OR.-ING. DIPL.-1NCS.M. SC. Dl »L.-PHY S. DR. DIPl FHVS. DIP HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACh - HAECKER EOEHME PATENTANWÄLTE IN STUTTGART <"> Ω / QO/ Q

I NACHQERfTICHTi

A 43 809 b Anmelder: UOP INC.

UO - 168 TEN UOP PLAZA

Ιδ. Oktober 1979 Algonquin & Mt. Prospect

Roads

DES PLAINES, Illinois U.S.A..

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Einspritzen eines Säure-Konditioniermittels in einen Rauchgasstrom

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen eines Säure-Konditioniermittels in einen Rauchgasstrom nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zum Einspritzen eines Dampfes einer flüssigen Säure in einen Rauchgasstrom nach dem Oberbegriff des Anspruches 11.

Es ist bekannt, daß Flugasche enthaltende Gasströme, die aus der Verbrennung von Kohle oder von anderen fossilen Brennstoffen herrühren, in den Teilchen eine gewisse elektrische Leitfähigkeit bzw. einen elektrischen Widerstand entwickeln. Dies führt dazu, daß die elektrische Abscheidung mit schlechtem Wirkungsgrad erfolgt. Es ist auch bekannt, daß Rauchgasströnte variierende Mengen an Schwefeltrioxid (SO₃) von Hause aus enthalten. Wenn eine ausreichende Menge an SO-. oder K₇SO₄ im Gasstrom oder in der Flugasche vorliegt, ist der Widerstand der Teilchen bei der Aufgabe ihrer elektrostatischen Ladungen niedrig genug, daß sich eine gute Abscheidung ergibt.

Beim Versuch, die Luftverschmutzung zu reduzieren und die Emissionen von kohlegefeuerten Boilern zu verbessern, haben viele Industrie- und Krafterzeugungsunternehmen auf die Verwendung von Kohle mit niedrigem Schwefelgehalt umgestellt. Hierdurch

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wird die Menge des SO₂, welches in den Rauchgasen anwesend ist, verringert. Nun enthält zwar das Rauchgas von Kohle mit hohem Schwefelgehalt ausreichend SO₃, daß sich der richtige Widerstand ergibt; Kohle mit niedrigem Schwefelgehalt besitzt jedoch nicht ausreichend SO₃ im Rauchgas, daß sich der richtige Widerstand für die sich ergebende Flugasche einstellt, bei dem eine wirksame Abscheidung möglich ist. Somit suchen die Verwender mehr denn je nach sofort verfügbaren und preiswerten Lösungen für den schlechten Wirkungsgrad bei der Flugaschenabscheidung ihrer vorhandener elektrostatischer Abscheideinrichtungen. Sie haben dabei die Wahl, zur Behandlung der gefeuerten Rauchart ihre vorhandene Ausrüstung zu erweitern oder umzubauen, oder zur Gas-Konditionierung der Boiler-Verbrennungsgase überzugehen. Gas-Konditionierung wird dazu verwendet, die im Abgas befindliche Flugasche in einen ^idex .Standsbereich zu bringen, der zur Abscheidung geeigneter ist. Die GcS-Konditionierung ist aus ökonomischen Gründen für die Industrie attraktiver, da sie verhältnismäßig preiswert anzuschaffen ist, verglichen mit dem Anschaffungspreis eines vergrößerten bzw. neuen Abscheiders. Die sofortige Verfügbarkeit ist ein weiterer Vorteil dieses Lösungswegs , da das System recht rasch und mit geringster Störung der Last eingebaut werden kann.

Verschiedene Verfahren zur Gas-Konditionierung sind gegenwärtig bekannt. Die wirksameren Konditionierungsmittel sind H₃SO₄ und NH₃. Ein System, welches gegenwärtig vertrieben wird, ist in der US-Patentschrift 3 704 569 beschrieben. Es verwendet als Konditioniermittel verdampfte H₃SO₄. Bei diesem System werden große Volumina trockener Luft auf eine Temperatur von ungefähr 260 C erhitzt, so daß sie sich über der Verdampfungstemperatur von ungefähr 235° C befinden, und danach mit der Säure in einer mit Glas ausgekleideten Verdampfungskammer vermischt. Die heiße,

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verdampfte Säure wird dann zu Einspritzlanzen mittels glasausgekleideter Rohre gebracht und gleichförmig im Rauchgas dispergiert. Derartige Systeme ergeben zwar eine hervorragende Konditionierung der Rauchgase; sie sind jedoch deshalb teuer herzustellen, weil die Säure in einem heißen, verdampften Zustand transportiert wird, injdem sie außerordentlich korrosiv ist. Das Ergebnis ist, daß teure, korrosionsbeständige Materialien verwendet werden müssen. Außerdem ist der Betrieb des Systems teuer, da übergroße Energiemengen zur Erwärmung der Luft bis zu einer Temperatur, bei welcher sie die Säure verdampfen kann, verwendet werden müssen.

Ein zweites Verfahren zur Gaskonditionierung besteht darin, SO₃ direkt zu verwenden. Dieses System funktioniert im wesentlichen ebenso wie die oben erwähnte Verdampfung, mit der Ausnahme, daß die Wärme dem flüssigen SO, in einer Verdampfungskammer zugeführt wird, was zum SO₃-Dampf führt. Das SO₃ ist instabil und muß in Speichertanks, Pumpen und Strömungsleitungen erwärmt werden. Da ausleckende Flüssigkeit in den Gaszustand übergeht, ist das System recht gefährlich.

Eine dritte Methode ist in der US-Patentschrift 1 441 713 beschrieben. Hier wird Säure in einem Gasstrom in Form sehr kleiner Teilchen, insbesondere in Form eines Rauches eingebracht, der durch Kochen rauchender Schwefelsäure gebildet wird. Dabei wird zwar auch in Erwägung gezogen, daß die Säure durch eine geeignete Zerstäubungseinrichtung eingebracht werden kann; es ist jedoch keine andere Vorrichtung als Kochpfanne und Brenner beschrieben. Angesichts der außerordentlich korrosiven und gefährlichen Eigenschaft rauchender Schwefelsäure ist zu bezweifeln, daß die genannte Methode jemals Verwendung gefunden hätte. Wenn dies jedoch der Fall sein sollte, wäre

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es teuer gewesen, die korrosionsbeständigen Materialien und die notwendige Wärme zum Kochen der Säure bereitzustellen.

Ein viertes und komplexeres Verfahren zur Gaskonditionierung besteht darin, flüssigen Schwefel zu verbrennen. Das S0₂> welches vom Schwefelbrenner erzeugt wird, wird über einen Katalysator geleitet, welcher das SO₂ in SO₃ umwandelt. Das Endziel aller vier Methoden besteht darin, H-SO. in den Abscheider-Rauchgasen zu dispergieren und diese in einen Widerstandsbereich zu konditionieren, der zur Abscheidung geeigneter ist. Die Dispersion muß sehr fein sein, da eine elektrische Abscheideinrichtung ein wirksamer Sammler von Schwefelsäurenebel ist. Wie oben erwähnt, beinhaltet die Konditionierung üblicherweise das Einspritzen von H-SO. oder SO₃ in den Rauchgasstrom in verdampfter Form. Die Einspritzung von Säure in flüssiger Form wurde offensichtlich kommerziell bisher nicht durchgeführt. Grund hierfür ist vermutlich die Erwartung, daß eine Einspritzung in flüssiger Form nicht über den ersten Abschnitt einer Abscheideinrichtung hinaus konditionieren würde, da die Säureteilchen abgeschieden würden, wodurch die verbleibenden Abschnitte in einem Zustand hinterlassen würden, in welchem der Strom aufgrund der Anwesenheit unkonditionierter, auf den Elektroden abgesammelter Flugasche unterdrückt wäre. Außerdem waren bis zur recht jmgen Entwicklung von Schalldüsen die verfügbaren mechanischen Zerstäubungsdüsen nicht in der Lage, einen Spray zu erzeugen, der so fein war, daß er als Ersatz für die Dampfeinspritzung in Betracht gezogen werden konnte. Mechanische Düsen können typischerweise nur sehr schlecht auf niedrige Strömungen herabgestellt werden. Außerdem würden die erforderlichen hohen Flüssigkeitsdrucke und die kleinen Öffnungen die Wahrscheinlichkeit von Korrosion und Verstopfungen vergrößern.

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Das in der US-Patentschrift 4 070 424 beschriebene Verfahren wurde dazu entwickelt, die Nachteile der oben erwähnten Systeme zu vermeiden; hier wird flüssige Säure direkt in den Rauchgasstrom eingespritzt. Ausführliche Versuche haben jedoch gezeigt, daß im Gasstrom der zerstäubte Schwefelsäurenebel kollabieren, daß also der Nebel zu Tropfen agglomerieren kann, welche die interne Kanalstruktur benetzen und zu unerwünschtem Ascheaufbau führen.

Die vier genannten, bekannten Systeme zur Gaskonditionierung, bei denen SO₃ oder H₂SO₄ eingespritzt wird, erreichen zwar zufriedenstellende Ergebnisse; sie erzielen diese Ergebnisse jedoch unter beträchtlichem Aufwand, sowohl was den Kapitaleinsatz für die Ausrüstung als auch was die großen verwendeten Energiemengen betrifft.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, welches unter geringeren Kosten betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis angegeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 11 angegebenen Gattung derart weiterzubilden, daß sie mit geringen Kosten hergestellt und mit geringen Kosten betrieben werden k^ann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 11 beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen

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der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 12 bis 19 angegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, eine H-SO.-Gaskonditionierung zu erzielen, welche derjenigen bei bekannten Verdampfungssystemen äquivalent ist, jedoch bei viel geringeren Kosten. Geringe Kosten fallen sowohl bei der Anschaffung der Ausrüstung als auch bei den täglichen Betriebskosten, insbesondere für Energie, an. Grundsätzlich besteht der Konditionierungsprozeß darin, ein abgemessenes Volumen von 93 bis 98 %iger H-SO.-Lösung bei Umgebungstemperatur durch eine Zerstäubungsdüse direkt in eine Zyklonkammer zu pumpen, durch welche ein Heißgasstrom verläuft. Die Düse erzeugt einen sehr feinen H₃SO.-Nebel mit einer durchschnittlichen Teilchengröße ν 2η ungefähr 10 Mikron. Dieser wird durch die Zyklonströmung heißen Gates verdampft und dann direkt in den Einlaßkanal einer Abscheideinrichtung eingespeist. Die akustische Energie einer stehenden Welle, welche an der Düsenspitze von einer Zerstäubungsluftquelle aufgebaut wird, liefert die Energie, die zur Dissoziierung der größeren H-SO.-Moleküle zu kleineren Tropfen notwendig ist. Das System hat den deutlichen Vorteil, daß die Korrosion in der Ausrüstung und in den Förder leitungen sehr kleir|gehalten wird. Dies beruht darauf, daß die H-SO₄ nicht in verdampfter Form gefördert wird, mit der Ausnahme der Strecke zwischen der Zyklonkammer und dem Ort unmittelbar in der Nähe des Einlaßkanales. H-SO. ist verdampft am stärksten korrosiv. Demzufolge kann dadurch, daß die Säure in flüssiger Form zu den Düsen gebracht wird, die Ausrüstung aus leichter verfügbarem und preiswertem Material gebaut werden. Nur die Olsen und das Rohr oder die Lanze, welche die Kammer mit dem Inneren des Kanals verbindet, müssen aus korrosionsbeständigem Material gebaut sein, welches

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die Hochtemperaturumgebung in der Kammer und im Rauch sowie die zerstäubende Durchströmung der Säure an der Düse aushalten müssen. Die Kammer und der Düsenhalter können aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt sein. Da weder die Luft noch die Säure, welche in die Düse eintreten, erwärmt werden müssen, liegen die Betriebskosten ebenso wie die Herstellungskosten erheblich unter denjenigen, die bei anderen, herkömmlichen Gas-Konditioniersystemen anfallen. Heißes Gas muß der Zyklonkammer zugeführt werden; dieses kann jedoch von dem Verbrennungsluft-Vorerwärmer bei einer Temperatur von ungefähr 316 C erhalten werden, einer Temperatur, welche deutlich über dem Taupunkt der Schwefelsäure innerhalb der Kammer von ungefähr 166° C liegt, wenn die Säuredampfkondensation ungefähr 6000 ppm beträgt. Damit eine lokale Kondensation von Säuredampf vermieden und die Säure im Dampfzustand bis zum Ende der Lanze gehalten wird, welche den Säuredampf in den Einlaßkanal der Abscheideinrichtung einläßt, sollte die Temperatur über 260° C liegen. Unter idealen Bedingungen muß das heiße Gas nicht einmal von einem Gebläse bewegt werden, da es aufgrund des positiven Drucks am Vorerwärmer und des negativen Drucks am Einlaßkanal zur Abscheideinrichtung durch natürliche Konvektion angetrieben werden kann. Auch wenn die natürliche Konvektion nicht ausreicht, so daß also ein Ventilator erforderlich wird, entstehen verhältnismäßig geringe zusätzliche Kosten, verglichen mit den Einsparungen, die dadurch erzielt werden, daß Luft aus dem Vorerwärmer verwendet wird. Das erforderliche Gasvolumen ist recht klein, verglichen mit dem verfügbaren Volumen. Beispielsweise wurde festgestellt, daß 15,3 std m /min Luft bei 260° C 11,4 dm /hr Säure aus einer Düse verdampfen kann.

Damit das Kollabieren des Säurenebels und die Agglomeration des Nebels zu Tropfen vermieden wird, wenn der Nebel direkt in einen sich bewegenden Luftstrom eingespritzt wird, wie dies in

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der US-Patentschrift 4 070 42 4 der Fall ist, wird die Düse in eine Umgebung gebracht, welche von derjenigen des Kanales getrennt ist. Dort kann die Luftgeschwindigkeit geregelt werden, und zwar unabhängig von Veränderungen des Boilerbetriebs. Wenn sichergestellt ist, daß die Lufttemperatur in der getrennten Umgebung ausreichend hoch ist, daß der Säurenebel verdampft wird, besteht, wie gefunden wurde, keine Möglichkeit, daß sich im Rauchgaskanal Tropfen bilden. Vorzugsweise wird das heiße Gas, welches der getrennten Umgebung zugeführt wird, als kleiner Teil der heißen Luft abgezapft, welche den Boilern von einem Vorerwärmer zugeführt wird. Bei einem typischen Boiler in einem Kraftwerk verlassen die Rauchgase den Boiler bei ungefähr 3 99° C und werden durch einen Luft-Vorerwärmer geleitet. In diesem wird Umgebungs-Außenluft, welche sich durch den Vorerwärmer bewegt, auf eine Temperatur von ungefähr 343° C erwärmt. Aufgrund der Extraktion der Wärme wird die Temperatur des Rauchgases auf ungefähr 177° C erniedrigt, bevor es in den zur elektrostatischen Abscheideinrichtung führenden Kanal eintritt.

Zur Verdampfung verhältnismäßig großer Mengen von Säurenebel hat es sich als wichtig herausgestellt, daß ein verhältnismäßig großes Volumen heißer Luft bei niedriger Geschwindigkeit bereitgestellt wird. Hierzu wird eine zylindrische Kammer verwendet, die einen Durchmesser von 0,76 m und eine Länge von 1,68 m besitzt. Das Einlaß- und das Auslaßrohr treten in die Kammer tangential in der Nähe von jedem Ende derart ein, daß sich die heiße Luft entlang eines spiraligen bzw. zyklonischen Weges innerhalb der Kammer bewegt. Die Düse wird zentral im Einlaßende der Kammer angeordnet, so daß der von der Düse erzeugte Nebel von der Zyklon-Luftströmung abgenommen und von der Lufttemperatur verdampft wird, bevor er aus der Kammer zum Kanal

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weggeführt wird. Wie zuvor erwähnt hat, sich herausgestellt, daß durch Bereitstellung eines Luftstromes von ungefähr 15,3 std m /min pro Düse oder Kammer bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 260° C 11,4 dm /hr Säure verdampft werden können. Dies ist ausreichend Säure zur Behandlung eines Rauchgasvolumens von ungefähr 3 250 std m /min. Einige Boiler besitzen ein sehr viel größeres Volumen an Rauchgas als die genannte Zahl. Beispielsweise kann ein 3 60-Megawatt-Boiler ein Rauchgasvolumen von 23 853 std m /min besitzen, so daß bei einer derartigen Einheit mehrere Düsen und Kammern verwendet werden müssen. Die Anbringung mehrerer derartiger Kammern stellt jedoch kein Problem dar, da eine 3 60-Megawatt-Einheit einen Rauchgaskanal besitzt, der eine Breite von 18,3 m aufweist. Auf diese Weise können die Zyklonkammern nebeneinander über die Breite des Kanals hinweg angebracht werden, ohne daß sie einander stören. Die äußere Montage des Säure-Einspritzsystemes ermöglicht eine leichte Wartung, da nur das abschließende Austrittsrohr bzw. die Lanze für den Dampf innerhalb des Abscheiderkanals angebracht werden muß.

Aufgrund von Experimenten mit verschiedenen Positionen der Düse innerhalb der Zyklonkammer wurde gefunden, daß bei der Erzielung einer gleichförmigen Verdampfung des Säurenebels die Position der Düse sehr kritisch ist. In entsprechender Weise wurde gefunden, daß die Form der Nase am Düsenhalter ebenfalls kritisch ist. Damit die Länge der Kammer kleingehalten werden kann, scheint es wünschenswert, den Nebel so nahe wie möglich am Einlaßende der Kammer einzuspritzen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß eine derartige, stromaufwärts erfolgende Anbringung der Düse den Nebel in solchen Mengen am Düsenhalter konzentrierte, daß er auf den Boden der Kammer tropfte und dann verdampfte. Diese unerwünschte Konzentration stellte sich

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als Folge dessen dar, daß der Säurenebel auf den Düsenhalter zurückgeblasen wurde. Dies wiederum wurde dadurch bewirkt, daß der heiße Einlaßluftstrom auf das Nebelmuster aufprallte. Dieses Problem wurde dadurch gelöst, daß die Düse in eine Position gebracht wurde, die ungefähr 5,1 cm vor dem stromabwärts liegenden Rand des Einlaßrohres war. Wie zuvor erwähnt, hat sich auch die Form der Nase am Düsenhalter als recht kritisch herausgestellt. Um die Düse innerhalb der Kammer in der Nähe des Einlaßendes zu montieren, wird ein hohler, zylindrischer Düsenhalter durch das Einlaßende der Kammer montiert. Der Düsenhalter ist mit einer komplementären Tragefläche versehen, an welcher die Düse mit einem O-Ring am vorderen Ende befestigt werden kann; das hintere Ende des Düsenhalters wird von Klammern festgehalten, die an den Luft- und Säureleitungen befestigt sind. Versuche mit verschiedene; Konfigurationen des Nasenabschnittes des Düsenhalters zeigten, daß sich Nebel auf den Frontzonen ansammelte, sobald irgendwelche Frontzonen zwischen dem Nasenkonusabschnitt und der Düse zugelassen wurden. Dadurch, daß der Nasen-Konuswinkel auf 6C° gebracht und sein vorderer Rand tangential zum Düsenwinkel gemacht wurde, wurde die Frontzone im Effekt auf Null reduziert. Auf diese Weise wurde die Akkumulation von Säurenebel ausgeräumt.

Beim Betrieb in einer Anlage unter Umgebungstemperatur wird Säure aus einem Tagesspeichertank vor dem Eintritt in die System-Säurepumpe gefiltert. In Abhängigkeit von einem Steuersignal wird ein Volumen an H_SO., welches der gewünschten Einspritzrate entspricht, den Düsen zugeführt. Von der Abmeß-Ausrüstung gelangt die Säure dann durch Strömungsindikatoren, beispielsweise Rotameter, mit denen die Bedienungsperson den Zufluß zu jeder Kammer und Lanze überwachen kann. Druckmeßgeräte sind vorgesehen, damit der richtige Flüssigkeits- und Luftdruck an

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den Düsen sichergestellt ist. Die Säure wird durch die DUsen geleitet, wo sie sich mit der trockenen Zerstäubungsluft vermischt. Sie vird in einen feinen Säurenebel umgewandelt, der eine durchschnittliche Tropfengröße von ungefähr 10 Mikron besitzt. Ein geregelter Luftdruck von mindestens 0,68 atm über dem Säuredruck wird an den Düsen aufrechterhalten, damit die richtige Zerstäubungsenergie sichergestellt ist.

Ein chemisches Rückkopplungs-Steuersignal stromab von der Einspritzung' kann dazu verwendet werden, den I^SO.-Gehalt des Rauchgases zu bestimmen und die Abmeßeinrichtung so zu steuern, daß die gewünschte Konzentration aufrechterhalten wird. Zu diesem Zweck ist beispielsweise ein Land-Taupunktmesser geeignet. Die maximale Einspritz-Konzentration wird durch die Taupunkt-Temperatur des Rauchgases begrenzt und in einem Sicherheitsabstand vom Taupunkt gehalten. Insbesondere dort, wo die im Boiler verwendete Kohle einen gleichförmigen SO₃-Gehalt besitzt, kann alternativ die Säure-Einspritzrate auch nach den Veränderungen der Anlagenlast derart geregelt werden, daß sich im Rauchgas 15-30 ppm Säure ergeben.

Versuche mit dem erfindungsgemäßen Säurenebel-Einspritzsystem haben ergeben, daß sich hiermit erhebliche Verbesserungen der Abscheider-Funktion erzielen lassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 die perspektivische Ansicht der verschiedenen Bauelemente des Gas-Konditioniersystems, die mit Einspritz-Lanzen im Abscheider-Einlaßkanal verbunden sind;

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Fig. 2 die Seitenansicht der säurezerstäubenden Zyklonkammer;

Fig. 3 die Endansicht der säurezerstäubenden Zyklonkammer;

Fig. 4 die Draufsicht auf die säurezerstäubende Zyklonkammer;

Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine zerstäubende Einspritzdüse;

Fig. 6 die Seitenansicht, teilweise aufgebrochen und teilweise im Schnitt, einer in einem Düsenhalter angebrachten Einspritzdüse;

Fig. 7 ein schematisches Flußdiagramm einer typischen Gaskonditioniervorrichtung .

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Die insgesamt mit 10 gekennzeichnete Gaskonditioniervorrichtung enthält einen Säure-Tagestank 12 und einen Lufttank 14. Säureleitungen 16 und eine Luftleitung 18 sind mit mehreren Zerstäubungskammeranordnungen (von denen nur eine gezeigt ist) verbunden, die insgesamt mit 20 gekennzeichnet sind. Diese besitzen Säurenebel-Einspritzdüsen 22, die in sie hineinverlaufen, sowie Säuredampfeinspritzlanzen 24, die sich aus ihnen herauserstrecken. Die Lanzen 24 sind so eingerichtet, daß sie durch die Oberseite eines Kanalteiles 2 6 an einer Position in der Rauchgasströmung verlaufen, die stromaufvon einem elektrostatischen Abscheider (nicht gezeigt) liegt. Die besondere, stromaufwärts liegende Position sollte derart gewählt werden, daß der Säuredampf gleichförmig verteilt ist, wenn er den Abscheider erreicht. Die Anzahl und die Position der Lanzen sollte so gewählt sein, daß sich eine gleichförmige Dispersion ergibt. Heiße Gase, vorzugsweise aus einem (nicht gezeigten) Verbrennungsgas-Vorerwärmer,

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werden über das Einlaßrohr 2 8 (Figuren 1 bis 4) in die Kammer 20 eingebracht. Die Gase bewegen sich auf einem spiraligen bzw. zyklonartigen Weg vom einen Ende der Kammer zum anderen. Dort treten sie durch die Lanze 24 aus und werden durch die Öffnungen 30 im Rauchgasstrom in dem Kanal 26 verteilt. Die Düse 22 ist an der Spitze eines Düsenhalters 32 an einem Punkt der Achse der Kammer 20 montiert, der vorzugsweise ungefähr 5,1 cm stromab vom Einlaßrohr 28 liegt. Eine Klammer 34, die vom Düsenhalter 32 getragen wird, berührt die Luft- und Säureleitungen 18 und 16 und fixiert die Düsenposition gegenüber dem Düsenhalter. Ein Flansch 35, welcher an den Düsenhalter 32 angeschweißt ist, befestigt den Düsenhalter an der Kammer 20.

Die Düse ist in Fig. 5 genauer gezeigt. Sie enthält einen Hauptkörperabschnitt 36, der vorzugsweise aus Tantal hergestellt ist und in dem ein Öffnungsteil 3 8 positioniert ist. Dieses Öffnungsteil 3 8 enthält eine Öffnung 40 und einen Einlaßkonus-Abschnitt 42 sowie einen Auslaßkonus-Abschnitt 44. Die Öffnung 40 wirkt als Venturidüse und erhöht die Geschwindigkeit der Luft, welche durch die mit Gewinde versehene Öffnung 45 eingezogen wird, über diese Öffnung 45 ist die Düse an der Luftleitung 18 befestigt. Die Öffnung 40 unterstützt außerdem das Einziehen flüssiger Säure über zwei Paare gegenüberliegender Löcher 46, welche mit dem ringförmigen,Säure enthaltenden Reservoir 48 kommunizieren. Letzteres wird vom Öffnungsteil 3 8 und dem Körper 36 sowie der Säureeinlaßöffnung 50 begrenzt, welche mit einer mit der Säureleitung 16 verbundenen öffnung 52 kommuniziert, Am äußeren Ende der Düse 22 befinden sich zwei Trägerarme 54, welche ein Resonator-Schalenteil 56 mit einem Hohlraum 58 halten -und tragen. Die Düse 22 erzeugt ein intensives Schallenergiefeld, welches die Säure-

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teilchen in einen außerordentlich feinen Nebel aufbricht. Dieser besitzt eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 10 Mikron. Die Form des Modells ist vorzugsweise ähnlich derjenigen der Düse Modell 052, die von der Firma Sonic Development Corporation in Upper Saddle River, New Jersey, verkauft wird. Die Theorie der Funktion derartiger Düsen ist in der US-Patentschrift 3 240 254 erläutert. Zur Korrosionsresistenz ist die Düse 22 vorzugsweise aus Tantal oder einem anderen Material hergestellt, welches die korrosiven Umgebungsbedingungen aushält, die von der flüssigen Säure innerhalb der Düse und dem heißen Säurenebel bzw. -dampf, welcher die Außenabschnitte der Düse berühren kann, ausgehen. Materialien wie Edelstahl und "Hastelloy", die von Düsenherstellern zur Korrosionsbeständigkeit normalerweise angeboten werden, sind in einer Umgebung, in der heiße Säure vorliegt, nur von geringem Nutzen, da sie sehr schnell korrodieren würdsn.

Fig. 6 zeigt die Art, auf welche die Düse 22 im Düsenhalter 3 montiert ist. Der Düsenhalter enthält einen bearbeiteten Nasenabschnitt 59, welcher an einen Formblechabschnitt 60 angeschweißt ist. Eine O-Ringdichtung 61 befindet sich in einer Nut im Nasenabschnitt und trägt den vorderen Abschnitt der Düse 22. Der rückwärtige Abschnitt wird von der Klammer 3 4 (Fig. 1) gehalten, welche die Rohre 16 und 18 berührt. Wie oben erläutert, hat der konische Nasenabschnitt 59 vorzugsweise einen eingeschlossenen Winkel von ungefähr 60°, fluchtet mit der Düse 22 und ist auf diese ausgerichtet, wie in der Zeichnung gezeigt.

Das System, welches Säure den Düsen 22 zuführt, enthält einen Tagestank 12 mit einer Sichtanzeige 62 (Fig. 1) sowie mit Alarmsystemen für oberes und unteres Grenzniveau, welche mit

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Anzeigeeinrichtungen und einem (nicht gezeigten) Horn verbunden sind. Mehrere Abmeßpumpen 64 werden durch Schalter 66 gesteuert, wobei jede Pumpe Säure in zwei Säureleitungen 16 einspeisen kann.

Damit die Bedienungsperson so viel Information wie möglich erhält, enthält die Steuertafel 68 vorzugsweise Säureströmungs-Anzeigen 70, eine Anzeigevorrichtung für das Flüssigkeitsniveau im Tank, eine Tanktemperaturanzeige, eine Anzeige für den eingeschalteten Zustand des Systems, eine Anzeige für anliegende Leistung und Druckanzeigegeräte für Säureeinlaß, Lufteinlaß, Säureauslaß und Luftauslaß. Ein Einstellmeßgerät 71 ist außerdem vorgesehen, an welchem die niedrigste Temperatur der Rauchgase eingestellt wird, bei welcher das System arbeitet. Dies verhindert, daß das System unterhalb des Taupunktes der Säure arbeitet. Die meisten erwähnten Instrumente sind der Übersichtlichkeit halber aus Fig. 1 weggelassen, werden jedoch unten anhand der Fig. 7 beschrieben.

Fig. 7 zeigt ein schematisches Flußdiagramm des Gaskonditioniersystems, welches im gewerblichen Bereich typischerweise verwendet werden dürfte. Das in Fig. 7 gezeigte System verwendet mehrere Abmeßpumpen 64, bei denen es sich um Pumpen mit positiver Verdrängung handelt. Die Anzahl der verwendeten Pumpen hängt von der erforderlichen Gesamtströmung ab, wobei für jede einzelne Kammer 20 oder für Kammernpaare jeweils eine andere Pumpe benutzt wird. Die Pumpe saugt eine bestimmte Säuremenge aus dem Tagestank 12 beim Saughub an und drückt diese beim Druckhub durch den Auslaß. Die Säuremenge, die jeder Pumpe zugeführt und von dieser abgegeben wird, wird durch pneumatische Auslaßventile 72 bestimmt. Diese werden durch die Lastsignale 74 entsprechend einem Parameter, beispielsweise dem Vo-

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lumen der Rauchgase oder der Menge an SO, in den Rauchgasen stromab vom Abscheider, betätigt. Somit beeinflußt der stromabwärts liegende Rohrwiderstand der Strömung die Ausgangsströmung der Abmeßpumpen nicht materiell.

Nunmehr wird auf Fig. 7 genauer Bezug genommen. Der Säure-Tagestank 12 enthält Alarmeinrichtungen 76 für oberen und unteren Füllstand sowie einen Füllstandsanzeiger 78. Die Säure wird vom Tagestank 12 zu der bzw. den Abmeßpumpen 64 über Rohre geleitet. Wie zuvor erwähnt, hängt die Anzahl der Pumpen 64 von der gesamten benötigten Strömung ab. Die Säure wird von den Pumpen 64 über einen Pulsationsdämpfer 80 geleitet, der die durch die Kolbenhübe der Pumpe verursachte Strömung ausglättet. Die Leitung 82 zwischen dem Pulsationsdämpfer 80 und den Düsen 22 enthält ein Druckmeßgerät 84, welches den Druck mißt, einen Druckschalter 86, der bei abnormalen Druckbeiingungen als Alarmeinrichtung dient, ein Rückdruckventil 88, welches den für die Pumpenrückschlagventile (nicht gezeigt) zum vollständigen Schließen erforderlichen Druck erzeugt, eine Strömungsanzeige 70, welche anzeigt, daß die Pumpe tatsächlich pumpt, sowie ein Abschaltventil 92, welches die Säureleitung verschließt. Lufttrockner 9 4 reinigen und trocknen die ankommende Luft, bevor sie in den Luftaufnahmetank 14 gelangt. Dieser enthält einen für eine begrenzte Zeit ausreichenden Vorrat, für den Fall, daß die Versorgung 96 ausfällt. Nachdem die Luft den Tank 14 verlassen hat, passiert sie einen Strömungsindikator 18 und gelangt von dort durch einen Druckregler 100 und ein Druckmeßgerät 102. Danach passiert sie die Leitungen 104, welche mit den Düsen 22 verbunden sind. Eine Reinigungsleitung 106, welche ein Einwegeventil 108 und ein Strömungssteuerventil 110 enthält, ist zwischen den Lufttank 14 und die Säureleitung 112 gelegt, welche aus dem Tank 12 austritt. Auf diese Weise kann

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die Säure In den Säureleitungen bei Bedarf ausgedrückt werden.

Die optimale Säureeinspritzrate für die Gaskonditioniervorrichtung ist die, bei welcher die besten Resultate in der Flugascheabs cheidung erzielt werden, ohne daß Säure Über den Abscheider hinaus geführt wird. Diese Rate liegt allgemein so, daß zwischen 15 und 30 ppm Säure im Rauchgas erhalten werden. Das genaue Verhältnis variiert jedoch mit der Rauchgasgeschwindigkeit, der Kohlenanalyse, der Anlagenfunktion, dem Zustand des Abscheiders und anderen variablen Größen.

Ein Verfahren zur Bestimmung und zur Regelung der Säureeinspritzrate ist folgendes. Bei einer gegebenen Kohle wird die Anlage mit voller Kraft betrieben; die Säureeinspritzung durch die Düsen 22 wird bis zum Punkt maximaler Wirksamkeit des Abscheiders erhöht. Dies wird durch Beobachtung des Schachts (Kamins), durch Beobachtung der elektrischen Funktionsparameter des Abscheiders und/oder durch die Entnahme von Rauchgasproben bestimmt. Nachdem die korrekte Rate für die unter voller Last laufende Anlage bekannt ist, sollte ein Signal 74 für eine automatische Einspritzung der richtigen Säuremenge sorgen, welches von der Anlage der Konditioniereinheit zugeführt wird und welches grob proportional zur Rauchgas-Strömungsrate ist. Dieses Signal wird an das Steuerventil 72 gelegt. Es ermöglicht einen Abfall der Säureeinspritzrate proportional zu einem etwaigen Abfall der Rauchgas-Strömungsrate. Somit kann die Menge der jeweils eingespritzten Säure in einem konstanten Verhältnis zum Rauchgas gehalten werden. Wenn die Anlage die meiste Zeit in der Nähe der Vollast betrieben wird und nur einen einzigen Kohlentyp benutzt, ist das erwähnte Steuersystem sehr verläßlich. Wenn die Anlage verschiedene Kohlenarten verbrennt, zu denen jeweils unterschiedliche optimale Säureeinspritzraten

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gehören, können kompliziertere Steuersysteme verwendet werden, beispielsweise solche, die vom SO₃-Gehalt des in die Abscheideinrichtung austretenden Rauchgases abhängen.

Es ist wichtig, daß keine Säure an den Kanal- bzw. Abscheiderflächen kondensieren kann, da die Kondensation stark korrosiv ist. Demzufolge ist ein Temperatur-Einstellgerät 71 vorgesehen, welches die Säureeinspritzung abstellt, wenn die Rauchgastemperatur so niedrig wird, daß der Taupunkt der Säure erreicht werden könnte. Taupunkte liegen typischerweise zwischen 121° und 141° C; zur Erzielung eines Sicherheitsfaktors wird jedoch der Einstellpunkt im allgemeinen auf zwischen 141° C und 149° C gelegt. Die typische Rauchgastemperatur liegt zwischen 166° und 221° C.

Es ist schwierig, den exakten Luftdruck und der Säuredruck voraus zubestimmen, welcher in einer der Düsen 22 zu den besten Ergebnissen führt. Es ist nämlich praktisch unmöglich, zwei Düsen herzustellen, die sich identisch verhalten. Es vmrde jedoch festgestellt, daß eine zufriedenstellende Funktion erhalten werden kann, wenn der Wert des Luftdruckes mindestens 0,68 atm über dem Flüssigkeitswert liegt. Wenn der Wert des Luftdruckes zu hoch ist, ist das Sprühmuster sehr weit und kann um die Düse herum so weit zurückreichen, daß sich Tropfen bilden. Auf diese Weise wird die Aufgabe der Düse vereitelt. Wenn der Luftdruck zu hoch ist, ist es auch möglich, den Säurefluß aus der Düse abzuschneiden. Wenn der Luftdruck zu gering ist, tritt keine Zerstäubung auf und die Säure tropft aus der Düse. Bei einer Düse, welche zu hervorragenden Resultaten geführt hat, hatte die Öffnung 40 einen Durchmesser von 1,35 mm, während die Löcher 46, durch welche die Säure läuft, einen

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Durchmesser von 0,74 mm hatten. Bei Druckabfällen im System, die mit der Länge der Leitungen 16, 18 variieren, liegt ein typischer Betriebsdruck der Düse bei 1,3 atm für die Säure und bei 3,6 atm für die Luft. Diese Drucke wurden bei den Druckmeßgeräten 84, 102 gemessen.

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Claims

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DlPL-ING. M. SC. DirU-.'HY j. OR. DIPL-^HVS. DlPL -PHY6. OR.

HÖGER - STELLRECHT - GRIE-SSBACH - HAECKER BOEHME

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART OQ/ "\ "\ L Q

A 43 809 b Anmelder: UOP INC.

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18. Oktober 1979 Algonquin & Mt. Prospect

Roads

DES PLAINES, Illinois U.S.A.

Patentansprüche :

( 1.!Verfahren zur Einspritzung eines Säure-Konditioniermittels in einen Rauchgasstrom, der Flugasche besitzt, die zur Erhöhung des Wirkungsgrades, mit dem die Flugasche elektrostatisch abgeschieden werden kann, konditioniert werden muß, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

ein flüssiges Säure-Konditioniermittel wird unter Druck durch eine erste Leitung in einen Düsenhalter (32) , der eine Schall-Zerstäubungsdüse (22) enthält, bei einer Temperatur geleitet, die unter der Verdampfungstemperatur liegt;

ein Gas wird aus einer ersten Versorgungsquelle unter Druck über eine zweite Leitung in die Düse (22) geleitet, wobei die Düse (22) eine Einrichtung enthält, welche Schallschwingungen erzeugt, die die flüssige Säure zu einem Nebel aufbrechen kann, der eine durchschnittliche Tropfengröße von ungefähr 10 Mikron besitzt;

ein Strom heißer Luft mit einer Temperatur, die über der Verdampfungstemperatur der flüssigen Säure liegt, wird in eine Kammer (20) geleitet, in welcher der Düsenhalter (32) und die Düse (20) montiert sind, derart, daß der Strom heißen Gases im wesentlichen den gesamten Säurenebel, der aus der Düse (22) austritt, mitnimmt und verdampft;

der Strom heißen Gases, welcher die verdampfte Säure enthält,

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ORIGINAL INSPECTED

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wird in den Rauchgasstrom geleitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Konditioniermittel H₂SO₄ enthält, welche mit einer Geschwindigkeit eingespritzt wird, die zu zwischen 15 und 30 ppm Säure im Rauchgas führt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der eingespritzten Säure automatisch mit Veränderungen in der Strömungsgeschwindigkeit des Rauchgasstromes variiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Säure-Konditionierungsmittel sich auf Umgebungstemperatur befindet, wenn es über die erste Leitung in den Düsenhalter (32) geleitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom heißen Gases eine Temperatur von mindestens ungefähr 260° C besitzt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (20) im wesentlichen zylindrisch ist und daß die Düse (22) auf deren Achse montiert ist, daß der Strom heißen Gases derart in die Kammer (20) geleitet wird, daß er spiralig entlang deren Längsabmessung fließt, bevor er in den Rauchgasstrom geleitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Säurenebel von der Düse (22) in die Kammer (20) an einer Stelle eingebracht wird, die geringfügig stromab von dem Punkt liegt, an dem das heiße Gas in die Kam-

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mer (20) eintritt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle sich ungefähr 5,1 cm stromab von dem Punkt befindet, an welchem das heiße Gas in die Kammer (20) eintritt.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasvolumen im Strom heißen Gases konstant gehalten wird, während die Menge der in das heiße Gas eingespritzten Säure variiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom heißen Gases vom Luft-Vorheizer des Boilers, aus welchem der Rauchgasstrom austritt, abgezapft wird.

11. Vorrichtung zun Einspritzen eines Dampfes einer flüssigen Säure in einen Rauchgasstrom zur Konditionierung von im Strom befindlicher Flugasche und zur Förderung des Wirkungsgrades , mit dem die Flugasche elektrostatisch stromab von der Vorrichtung abgeschieden werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt: mindestens eine Kammer (20), die in der Nähe und in Verbindung mit dem Rauchgasstrom angeordnet ist; eine Quelle (12) flüssiger Säure; eine Quelle (96, 14) von Druckluft; mindestens eine Schalldüse (22), welche Säurenebel abgibt und an einem Düsenhalter (32) in mindestens einer Kammer (20) montiert ist; eine Pumpe (64), welche unter Druck stehende Säure der Düse (22) zuspeist; wobei die Düse (22) mit den Quellen (12, 14, 96) von Säure und Luft über Leitungen verbunden ist und die Kammer (20) eine Einlaßöffnung besitzt, welche in Verbindung mit einer Quelle (28) heißen Gases steht, sowie eine Auslaßöffnung, welche in Verbindung mit dem Rauchgasstrom steht, wobei ferner die öff-

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nungen derart positioniert sind, daß das heiße Gas einem spiraligen Weg um das SprUhmuster des Nebels aus mindestens einer Düse (22) und an diesem vorbei folgt, wodurch der Nebel mitgenommen und verdampft wird, bevor er in den Rauchgasstrom eingespritzt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (22) eine axial angeordnete, Venturi-förmige öffnung (40) enthält, über welche Luft in axialer Richtung geleitet wird, sowie mehrere radiale öffnungen (46) , die sich von der öffnung (40) nach außen zu einer Säure enthaltenden Kammer (4 8) erstrecken und Säure der öffnung (40) Zuspeisen, wo sie von der Luft mitgenommen und nach außen weggeführt wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens einer Schalldüse (22) Luft- und Säureversorgungsleitungen verbunden sind, welche Luft und Säure bei Umgebungstemperatur abgeben.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle heißen Gases (28) der Verbrennungsluft-Vor erwärmer eines Boilers ist, aus dem der Rauchgasstrom austritt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (20) einen länglichen, zylindrischen Innenraum besitzt, und daß der Düsenhalter (32) axial an einem Ende der Kammer (20) montiert ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung in die Kammer (20) in der

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Nähe von einem Ende eintritt, während sich die Auslaßöffnung in der Nähe des anderen Endes der Kammer (20) befindet, und daß die Düse (22) an dem Düsenhalter (32) derart montiert ist, daß sie einen Säurenebel geringfügig stromab von der Einlaßöffnung einspritzt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (22) den Nebel ungefähr 5,1 cm stromab von der Einlaßöffnung einspritzt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenhalter (32) einen konisch geformten vorderen Endabschnitt (59) besitzt, der einen Winkel von ungefähr 60° einschließt, wobei die Düse (22) an deren Spitze so positioniert ist, daß ihre Seiten mit den Wänden des Düsenhalters (32) fluchten.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und die Auslaßöffnung in der Wand der Kammer (20) derart positioniert sind, daß das heiße Gas in die Kammer (20) tangential eintritt und die Kammer (20) tangential verläßt.

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