DE3037943A1

DE3037943A1 - Verbrennungsverfahren mit abgasreinigung

Info

Publication number: DE3037943A1
Application number: DE19803037943
Authority: DE
Inventors: Göran ALMLÖF; Peter Linköping Hagqvist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-10-16
Filing date: 1980-10-08
Publication date: 1981-04-30
Also published as: DE3037943C2; CH650162A5; GB2060418A; GB2060418B; JPS6355603B2; SE427691B; SE7908565L; US4392871A; FR2468072A1; FR2468072B1; JPS56113924A

Description

Anwaltsakte: P + G 610 Göran ALMLÖF

S-582 41 Linköping,

und

Peter HAGQVIST

S-582 47 Linköping

Verbrennungsverfahren mit Abgasreinigung

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsverfahren mit Reinigung der Abgase, wobei Wasserdampf und andere nicht erwünschte, im Abgas vorliegende Substanzen, wie z.B. Schwefelverbindungen, Schwermetalle und ähnliche Verunreinigungen, kondensiert und/oder ausgefällt und zusammen mit besonderen Stoffen dadurch entfernt werden, daß die Abgase Druck, Kühlung und Ausdehnung unterworfen werden, und zwar jeder dieser Schritte in einer oder mehreren Stufen.

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Es sind zahlreiche Verfahren zum Reinigen und/oder Entfeuchten von Abgasen bekannt. Nur-beispielsweise wird auf DE-OS 2 013 0^9, US-PS 3 012 629 und SW-PS 3^5 O66 verwiesen. Bei diesen Verfahren lassen sich jedoch die aus dem Verbrennungsprozeß anfallenden Abgase nicht genügend wirksam reinigen, insbesondere dann, wenn beim Verbrennen von schwefelhaltigen Brennstoffen stark verschmutzte Abgase anfallen, die auch einen relativ hohen Anteil von Schwermetallen enthalten. Demgemäß wurden Versuche unternommen, um derartige Schwierigkeiten zu überwinden; der Brennstoff wurde in gasförmige Form überführt, um eine saubere Verbrennung zu erreichen und der Verbrennungsprozeß wurde im Schwebebettverfahren durchgeführt. Derartige Verfahren haben jedoch zu weiteren Schwierigkeiten bezüglich der Prozeßsteuerung und Weiterbehandlung der Restprodukte geführt, ferner zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kombiniertes Verbrennungs- und Abgasreinigungsverfahren anzugeben, das einen hohen Anlagen-Wirkungsgrad aufweist, und mit welchem die Abgase sehr stark gereinigt werden können, ung&war auch dann, wenn sehr geringwertige Brennstoffe verbrannt werden, wie beispielsweise sehr feuchte Kohle mit hohem Schwefelgehalt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gemäß den in den Patentansprüchen wiedergegebenen Merkmalen aufgebaut.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Wärmepumpprozeß angesehen werden, da dem Kompressor Energie zugeführt wird; die in der Expansionseinrichtung abgegebene Energie genügt nämlich nicht, um das Kompressionsverfahren und damit das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Bekannte Hochdruckkessel sind derart aufgebaut, daß die den Kompressor treibende Abgasturbine ohne zusätzliche Leistung auskommt.

Ein entscheidender, durch das erfindungsgemäße Verfahren herbeigebrachte Vorteil besteht darin, daß die Verunreinigungen in "sauberer" und konzentrierter Form abgetrennt werden, ohne daß sie chemisch an andere Substanzen als an Wasser gebunden sind. Geringwertige Kraftstoffe enthalten oft hohe Mengen Wassers,

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das bei bekannten Verfahren dieser Art vor der Verbrennung zerlegt v/erden muß, wobei erhebliche Energiemengen verlorengehen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dies jedoch nicht der Fallj hier wird im Gegensatz eine entsprechende Energiemenge ausgenutzt. Die Abgase enthalten zwar Wasserdampf, jedoch wird durch Abkühlen der Gase in einer oder mehreren Stufen auf eine unterhalb den Taupunkten von V/asser und Schwefelsäure liegende Temperatur die Verdampfungswärme ausgenutzt und es wird gleichzeitig ein guter Reinigungseffekt erzielt. Da geringwertige Brennstoffe große Mengen von Asche und partikelförmigern Material erzeugen, ist es oft zweckmäßig, das Kondensat in besonderen Düsen in eine Kühlstufe umzuwälzen, zweckmäßigerweise in einem economizer, und die genannte Asche sowie die partikelförmigen Bestandteile wegzuspülen.

Die einzelnen Elemente, insbesondere die unter Druck befindlichen, sind unter derartigen Bedingungen der Korrosion ausgesetzt. Dies läßt sich jedoch dadurch vermeiden, daß man diese Elemente aus Glas oder aus Kunststoff fertigt. Weiterhin kann die Expansionseinrichtung Kavitationsschäden unterliegen, sofern flüssige und feste Stoffe stromaufwärts der genannten Expansionsmittel nicht wirkungsvoll entfernt werden. Wird eine mit einem Rotor ausgerüstete Expansionsmaschine verwendet, beispielsweise eine umlaufende Gasturbine, so ist im Hinblick auf die geringen Temperaturen, bei welchen der Prozeß abläuft, der Schmierung besondere Aufmerksamkeit zuzuwenden, ferner der Gefahr der Beschädigung und der Eisbildung auf den Turbinenschaufeln. Diese Gefahren lassen sich jedoch dadurch ausschalten, daß eine Expansionseinrichtung der Schraubenrotorbauart statt einer Turbine verwendet wird.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

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Pig. 1 zeigt eine Schemadarstellung mit der Zufuhr verunreinigter Abgase zu dem Kompressor.

Fig. 2 ist eine Darstellung ähnlich jener gemäß Fig. 1, wobei jedoch die Verbrennung der Brennstoffe stromabwärts des Kompressors stattfindet.

Fig. 3 ist eine genauere Darstellung des in Fig. 2 veranschaulichten Verfahrens.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform v/erden Luft und Brennstoff einer Brennstelle zugeführt, die in diesem Falle ein Dampfkessel 1 ist. Die verunreinigten Abgase werden von Kessel 1 einem Kühler 2 und von dort einem Kompressor 3 zugeführt, an dessen EinlaS die Abgase den Zustand I haben. Sodann werden die Abgase von dem Kompressor beim Zustand II einem Kühler K zugeleitet und gelangen von dort beim Zustand III zu einer Expansionseinrichtung 5j an deren Ausgang die Gase mit dem Zustand IV einem Sammelbehälter 6 zuströmen. Die trockenen, kalten und sauberen oder sogar inerten Gase gelangen aus Behälter 6 zu einem Kamin 7· Hier sind Vorkehrungen getroffen, um zu verhindern, daß die Gase auf den Boden herabfallen; hierzu gehört beispielsweise das Aufheizen der Gase und/oder deren Vermischung mit Umgebungsluft. Die kalten Gase können jedoch noch produktiver für Kühlzwecke eingesetzt werden, beispielsweise durch deren Zuführung zum Kühler 2 oder zu benachbarten Gebäuden, industriellen Anlagen oder Vergnügungseinrichtungen, in welchen ein Kältebedarf herrscht.

Die Expansionsmaschine 5 ist derart gestaltet und angeordnet, daß sie über eine Welle 8, die die genannte Maschine mit dem Kompressor verbindet, den Kompressor 3 antreibt. Gemäß der Erfindung wird mittels eines Motors 9, der an die Antriebswelle des Kompressors 3 angeschlossen ist, zusätzliche Leistung dem Kompressor 3 zugeführt.

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Temperatur und Druck werden gemäß den Bedingungen der Zustände I, II und XIT derart angepaßt, daß die gewünschte Kondensation des in den Gasen enthaltenen Wasserdampfes, und die Trennung von Kondensat, Ruß, Staub, Schwefelsäure usw. im Kühler 4 erfolgt, so daß die Temperatur der Gase beim Zustand IV derart niedrig ist (bis herab zu beispielsweise -60⁰C bis -65⁰C), daß die gewünschten Teile der verbleibenden Verunreinigungen und die Eiskristalle in Behälter 6 gesammelt werden können. An dieser Stelle sei darauf verwiesen, daß das Aufbessern der Temperatur- und Druckwerte derart rasch stattfindet, daß für die Mehrzahl der verunreinigenden Substanzen der Übergang von Gas zu Peststoffen über eine flüssige Phase stattfindet, die derart lange dauert, daß die Möglichkeit chemischer Reaktionen zwischen den verschiedenen Niederschlägen ausgeschlossen ist.

Der in Fig. 2 veranschaulichte Prozeß, der in Fig. 3 noch mehr in Einzelheiten dargestellt ist, unterscheidet sich von jenem gemäß Fig. 1 dadurch, daß die Verbrennungsstelle in Gestalt des Kessels 2 hier auf der Druckseite des Kompressors 3 plaziert ist. Alternativ zum Verbrennungsprozeß läßt sich vorteilhafterweise eine Brennkraftmaschine, am besten ein Dieselmotor, verwenden, der von Kompressor 3 gespeist wird.

Das in Fig. 3 veranschaulichte Verfahren umfaßt die folgenden Verfahrensschritte: Die in der Figur angegebenen Werte basieren auf einem Gasvolumen, das durch den Kessel hindurchströmt, genauer gesagt auf der Luftmenge, die notwendig ist, um 1 kg Öl zu verbrennen.

Die Verbrennungsluft wird aus der Umgebung genommen und durch Kühler 2 hindurchgeleitet, in welcher sie durch die kalten Abgase gekühlt wird, um die Belastung des Kompressors zu vermindern.

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Der zuvor erwähnte Zustand I umfaßt die folgenden "Daten:

Masse M = 15 kg

Druck P. = 1 bar

Temperatur T, = 0⁰C

Die Luft enthält 57 g Wasserdampf, gesättigte Luft.

Die Luft wird sodann im Kompressor J komprimiert. Aufgrund der Wirkungsgradverluste mu3 die zugeführte Arbeit höher als die theoretisch an sich notwendige sein. Dies führt zu einem Anstieg der Temperatur über jenen Wert hinaus, der durch die adiabate Kompression berechnet würde. Zustand II herrscht dann, wenn die folgenden Werte vorliegen:

Druck Pp = 5 bar
Temperatur Tp = l87°C.

Das Öl wird sodann in dem unter Druck stehenden System in Anwesenheit der Verbrennungsluft verbrannt und die Abgase werden durch Kessel 1 in üblicher V/eise hindurchgeleitet.

Aus Fig. j5 erkennt man, daß Kessel 1 in der angegebenen Reihenfolge eine Brennkammer 11, einen Dampferzeuger 12 mit einem hieran angeschlossenen Dampfdom 13, einen Überhitzer 14, eine hieran angeschlossene Dampfturbine 15* einen Economizer 16, einen Gaswäscher 17 und einen hierauf folgenden Gaskühler 18 umfaßt. Zwischen Dampfturbine 15 und Wäscher 17 ist ein Kondensor 19 mit einem Kaltwasserkreis 20 angeschlossen, der -ebenfalls an den Gaskühler 18 angeschlossen ist.

Liegt die Temperatur des verfügbaren kalten Wassers bei 10⁰C, so läßt sich die Kondensortemperatur auf 25 C halten. Hierdurch kann auf einen Gaskühler stromabwärts des Economizers verzichtet werden. Hat jedoch das Kühlwasser andererseits eine höhere Temperatur, oder müssen die zu reinigenden Abgase auf einen relativ hohen Reinheitsgrad gebracht werden, so sollte ein Gaskühler verwendet werden. Zustand III herrscht bei den folgenden Werten:

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1.

Druck P-j. = 5
Temperatur T
Das Gas enthält 150g Wasserdampf.

Temperatur T = 40°C

Während des Verbrennungsprozeßes wird eine relativ groSe Menge Wasserdampf gebildet, wenn auch der größte Teil dieses Wasserdampfes im Economizer kondensiert. Der Wasserdampf führt den größten Teil des in den Abgasen enthaltenen Rußes und der festen Partikel mit sich fort. Dies begründet den hohen Wirkungsgrad des Verfahrens zu einem wesentlichen Teil. Das Prozeßwasser oder Kondensat wird aus dem Kessel zu einem unter Druck stehenden Ventil geleitet.

Die Abgase werden nach dem Durchlaufen des Kessels der Turbine 5 zugeführt, in welcher sie einen Teil ihrer Energie abgeben. Der adiabatische Wärmeabfall führt dazu, daß das in den Gasen verbliebene Wasser zu Eiskristallen kondensiert, während die Verunreinigungen nach und nach ausfallen. Der verbleibende Schlamm wird im Sammelbehälter 6 stromabwärts von Turbine 5 aufgenommen.

Beim Zustand IV (stromabwärts der Turbine) liegen die folgenden Werte vor:

Temperatur T₂, = 53°C

Druck P_21- = 1 bar

Das Gas enthält weniger als ein Gramm Wasserdampf,

Sofern diese Endtemperatur keine genügend hohe Reinigungswirkung ermöglicht, läßt sich der Druck im Kessel anheben oder, wie im Falle des folgenden Beispieles, läßt sich die Temperatur T_ auf +15°C mit Hilfe des Gaskühlers l8 absenken»

Ein Temperaturwert von T^, =+l5°C führt zu einem Wassergehalt von 4-2 g im gesamten Gasvolumen. T₂, wird dann zu -66⁰C.

T₂, ist das Ergebnis von a) der adiabatischen Temperaturdifferenz! b) der Verluste des Turbinen-Wirkungsgrades (was zu einer Steigerung der Gastemperatur führt)j c) der Verdampfungswärme plus der

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Fusionswärme jenes Teiles des V/assers, das stromabwärts der Turbine kondensiert ist. Es läßt sich nachweisen, daß eine Endtemperatur von -55°C bis -60°C eine hohe Reinigungswirkung zur Folge hat, und daß T^ dann zweckmäßigerweise oberhalb 20⁰C liegt. So herrschen im Falle des in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsbeispieles bei Verwendung des Gaskühlers 18 mit einer Kühlwassertemperatur von 5°C, was zu T^, = 20⁰C führt, bei Zustand IV die folgenden Werte:

Druck Ph=I bar

Temperatur Th = -60°.

Liegt die Endtemperatur unter -60°, so beginnt Kohlendioxyd zu kondensieren. Obgleich Kohlendioxyd ein Produkt ist, das gewerblich verwertbar ist, kann sein Entstehen im vorliegenden Falle Probleme nach sich ziehen.

Da der Verbrennungsprozeß im Kessel 1 unter Druck stattfindet, wird das Flammenvolumen reduziert, während der Verbrennungsdurchsatz und die Flammentemperatur und damit auch die Intensität der Strahlung im Vergleich zu herkömmlichen Kesseln ansteigen. Ein in Verbindung mit der Erfindung verwendeter Kessel kann daher kleiner als ein üblicherweise verwendeter Kessel sein. Dies ist u.a. beim Umbau eines alten Systemes in ein modernes, sauberes und wirtschaftliches System gemäß der Erfindung wichtig, da lediglich der Kessel ausgetauscht werden muß.

Wird das Verbrennungsverfahren gemäß der Erfindung ausgeführt, so läßt sich ebensogut Öl, Kohle oder Pech verwenden, auch wenn der Wassergehalt 50 % überschreitet. In normalen Fällen bei einem Druck von 64 bar im Dampfkreis, einer Kondensortemperatur von 30° und einem Kesseldruck von 5 bar beträgt der maximale Wassergehalt für Öl 55 % und für Kohle 56 % (jeweils Gewichtsprozente )„

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Es versteht sich, daß die Möglichkeit des wirkungsvollen Einsatzes von Brennstoff in Gestalt pulverisierter Kohle mit hohem Viassergehalt von größter Bedeutung ist. Ss ist dann beispielsweise möglich, die pulverisierte Kohle, die mit Wasser vermischt ist, dem Brennraum im Kessel zuzupumpen. Sin derartiger Brennstoff, der als "flüssige Kohle" bezeichnet wird, läßt sich ähnlich wie Gl fördern. Sin im Handel erhältliches, schwedisches Erzeugnis dieser Art wird unter dem Namen "CARBOGEL" vertrieben und enthält feingemahlene Kohle und Wasser, ferner weitere Zuschläge, die das Absetzen der Kohle verhindern. Dieser Kraftstoff hat einen Energiegehalt von 8,9 MWh/nr, verglichen mit einem Wert von 10,3 MWh/rrr im Falle von Öl. Hieraus erkennt man, daß die Gasmenge wesentlich geringer als die Hälfte jener bei Verbrennung von O'l ist.

Im Hinblick auf die Tatsache, daß das erfindungsgemäSe Verfahren kontinuierlich arbeitet und daß demgemäß große Gasmengen ohne zusätzliche Chemikalien durchgesetzt werden können, erkennt man die entscheidenden Vorteile gegenübeherkömmlichen Verfahren, die das Einsetzen von Expansionsgerät zum Reinigen der Abgase umfassen. Das Reinigen wird bei bekannten Systemen und Anlagen diskontinuierlich ausgeführt.

Heidenheim, 07-10.80
DrW/Srö

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Claims

Anwaltsakte: P + G 610 Göran ALMLÖF

3-582 41 Linköping,

und

Peter HAGQVIST

S-582 47 Linköping

Patentansprüche

Verbrennungsverfahren mit Reinigung der hierbei erzeugten Abgase, wobei Wasserdampf und andere unerwünschte Verunreinigungen, wie Schwefelverbindungen, Schwermetalle usw., die in den Abgasen enthalten sind, kondensiert und/oder niedergeschlagen und zusammen mit partikalförmigen Stoffen dadurch ausgeschieden werden, daß die genannten Abgase in einer oder mehreren Stufen Druck, Kühlung und Expansionen unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an das Unterwerfen der Prozeß-Gase (Verbrennungsluft vor der Verbrennung oder Abgase nach der Verbrennung) unter Druck mittels eines Kompressors, nach dem Kühlen der genannten Gase und nach dem Entfernen unter Druck von Wasser, staubförmigen Partikeln und anderen niedergeschlagenen unerwünschten Substanzen die genannten Abgase zusammen mit den verbleibenden, unerwünschten Substanzen einem raschen Temperaturabfall mittels einer Expansionseinrichtung unterworfen werden, und daß die dem Kompressor zugeführte Antriebsleistung und damit der Druckanstieg einerseits und die Kühlung andererseits, derart gewählt werden, daß auf der Auslaßseite der Expansionseinrichtung eine Temperatur erzielt wird, die tief genug ist, um in den Abgasen eine Kondensation und ein Niederschlagen der verbleibenden unerwünschten Substanzen herbeizuführen.
2. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionseinrichtung als umlaufende Expansionsmaschine wie ein Schrauben-Rotor-Expander ausgeführt ist und dazu eingesetzt wird, den Kompressor zusammen mit einer weiteren Antriebsquelle anzutreiben.

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J5. Verbrennungs verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsprozeß nach dem genannten Komprimieren, jedoch vor der genannten Kühlung stattfindet.

K. Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3*
dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen der Abgase und/oder
der Verbrennungsluft vor der Kompressionsstufe durchgeführt wird.

Heidenheim, den O7.lO.8o
DrW/Srö

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