DE3037943C2

DE3037943C2 -

Info

Publication number: DE3037943C2
Application number: DE3037943A
Authority: DE
Inventors: Goeran Almloef; Peter Linkoeping Se Hagqvist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-10-16
Filing date: 1980-10-08
Publication date: 1989-12-28
Also published as: US4392871A; FR2468072B1; JPS56113924A; SE427691B; DE3037943A1; GB2060418B; GB2060418A; SE7908565L; JPS6355603B2; FR2468072A1; CH650162A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Gattungsbe griff.

Ein solches Verfahren ist aus DE-OS 28 22 808 bekannt gewor den. Hierbei erfolgen Abkühlung und Kondensation der heißen Rauchgase bei Normaldruck.

Außerdem ist ein ähnliches Verfahren aus GB-PS 7 74 415 be kannt geworden. Abkühlen und Kondensieren von Wasser aus Normalluft erfolgen hierbei durch Kompression, Kühlen und Expansion.

Es sind zahlreiche weitere Verfahren zum Reinigen und/oder Entfeuch ter von Abgasen bekannt. Nur beispielsweise wird auf DE-OS 20 13 049, US-PS 30 12 629 und SW-PS 3 45 066 verwiesen. Bei diesen Verfahren lassen sich jedoch die aus dem Verbrennungs prozeß 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 wur den Versuche unternommen, um derartige Schwierigkeiten zu über winden; der Brennnstoff 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 Prozeß steuerung und Weiterbehandlung der Restprodukte geführt, fer ner zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades.

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

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gemäß den in den Patentan sprüchen wiedergegebenen Merkmalen aufgebaut.

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

Ein entscheidender, durch das erfindungsgemäße Verfahren erbrachter 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 Brennstoffe enthalten oft hohe Mengen Wassers, das bei bekannten Verfahren dieser Art vor der Verbrennung zer legt werden muß, wobei erhebliche Energiemengen verlorengehen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dies jedoch nicht der Fall; 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 Wasser und Schwefelsäure liegende Temperatur die Verdampfungswärme ausgenutzt und es wird gleich zeitig ein guter Reinigungseffekt erzielt. Da geringwertige Brennstoffe große Mengen von Asche und partikelförmigem Material erzeugen, ist es oft zweckmäßig, das Kondensat in besonderen Dü sen in eine Kühlstufe umzuwalzen, 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 Expansions einrichtung Kavitationsschäden unterliegen, sofern flüssige und feste Stoffe stromaufwärts der genannten Expansionsmittel nicht wirkungsvoll entfernt werden. Wird eine mit einem Rotor ausge rüstete Expansionsmaschine verwendet, beispielsweise eine um laufende Gasturbine, so ist im Hinblick auf die geringen Tempe raturen, bei welchen der Prozeß abläuft, der Schmierung beson dere Aufmerksamkelt zuzuwenden, ferner der Gefahr der Beschädi gung und der Eisbildung auf den Turbinenschaufeln. Diese Gefahren lassen sich jedoch dadurch ausschalten, daß eine Expansionsein richtung der Schraubenrotorbauart statt einer Turbine verwendet wird.

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

Fig. 1 zeigt eine Schemadarstellung mit der Zu fuhr verunreinigter Abgase zu dem Kompres sor.

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 werden Luft und Brennstoff einer Brennstelle zugefünrt, 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 des sen Einlaß die Abgase den Zustand I haben. Sodann werden die Ab gase von dem Kompressor beim Zustand II einem Kühler 4 zugelei tet und gelangen von dort beim Zustand III zu einer Expansions einrichtung 5, an deren Ausgang die Gase mit dem Zustand IV einem Sammelbehälter 6 zuströmen. Die trockenen, kalten und sau beren 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 Umgebungs luft. Die kalten Gase können jedoch noch produktiver für Kühl zwecke eingesetzt werden, beispielsweise durch deren Zuführung zum Kühler 2 oder zu benachbarten Gebäuden, industriellen Anla gen 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 Kompres sor verbindet, den Kompressor 3 antreibt. Gemäß der Erfindung wird mittels eines Motors 9, der an die Antriebswelle des Kompres sors 3 angeschlossen ist, zusätzliche Leistung dem Kompressor 3 zugeführt.

Temperatur und Druck werden gemäß den Bedingungen der Zustände I, II und III derart angepaßt, daß die gewünschte Kondensation des in den Gasen enthaltenen Wasserdampfes, und die Trennung von Kondensat, Ruß, Staub, Schwefelsäure usw. im Kühler 4 er folgt, so daß die Temperatur der Gase beim Zustand IV derart niedrig ist (bis herab zu beispielsweise -60° C bis -65° C), daß die gewünschten Teile der verbleibenden Verunreinigungen und die Eiskristalle in Behälter 6 gesammelt werden können. An die ser Stelle sei darauf verwiesen, daß das Aufbessern der Tempe ratur- und Druckwerte derart rasch stattfindet, daß für die Mehr zahl der verunreinigenden Substanzen der Übergang von Gas zu Feststoffen 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 1 hier auf der Druckseite des Kompressors 3 plaziert ist. Alternativ zum Verbrennungsprozeß läßt sich vorteilhafter weise eine Brennkraftmaschine, am besten ein Dieselmotor, ver wenden, der vom Kompressor 3 gespeist wird.

Das in Fig. 3 veranschaulichte Verfahren umfaßt die folgenden Verfahrensschritte: Die in der Fig. angegebenen Werte basieren auf einem Gasvolumen, das durch den Kessel hindurchströmt, ge nauer 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 Ab gase gekühlt wird, um die Belastung des Kompressors zu vermin dern.

Der zuvor erwähnte Zustand I umfaßt die folgenden Daten:

Masse M = 15 kg
Druck P₁ = 1 bar
Temperatur T₁ = 0° C
Die Luft enthält 57 g Wasserdampf, gesättigte Luft.

Die Luft wird sodann im Kompressor 3 komprimiert. Aufgrund der Wirkungsgradverluste muß 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 P₂ = 5 bar
Temperatur T₂ = 187° C.

Das Öl wird sodann in dem unter Druck stehenden System in An wesenheit der Verbrennungsluft verbrannt und die Abgase werden durch Kessel 1 in üblicher Weise hindurchgeleitet.

Aus Fig. 3 erkennt man, daß Kessel 1 in der angegebenen Reihen folge 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 Gas kühler 18 angeschlossen ist.

Liegt die Temperatur des verfügbaren kalten Wassers bei l0° C, 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 Tempe ratur, oder müssen die zu reinigenden Abgase auf einen relativ hohen Reinheitsgrad gebracht werden, so sollte ein Gaskühler ver wendet werden. Zustand III herrscht bei den folgenden Werten:

Druck P₃ = 5 bar
Temperatur T₃ = 40° C
Das Gas enthält 150 g Wasserdampf.

Während des Verbrennungsprozesses wird eine relativ große Menge Wasserdampf gebildet, wenn auch der größte Teil dieses Wasser dampfes 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 Ven til 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 ver bliebene Wasser zu Eiskristallen kondensiert, während die Verun reinigungen 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 T₄ = 33° C
Druck P₄ = 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 T₃ auf +15° C mit Hilfe des Gaskühlers 18 absenken.

Ein Temperaturwert von T₃ = +15° C führt zu einem Wassergehalt von 42 g im gesamten Gasvolumen. T₄ wird dann zu -66° C.

T₄ ist das Ergebnis von a) der adiabatischen Temperaturdifferenz; b) der Verluste des Turbinen-Wirkungsgrades (was zu einer Steige rung der Gastemperatur führt); c) der Verdampfungswärme plus der Fusionswärme jenes Teiles des Wassers, das stromabwärts der Turbine kondensiert ist. Es läßt sich nachweisen, daß eine End temperatur von -55° C bis -60° C eine hohe Reinigungswirkung zur Folge hat, und daß T₃ dann zweckmäßigerweise oberhalb 20° C liegt. So herrschen im Falle des in Fig. 3 veranschaulichten Ausfüh rungsbeispieles bei Verwendung des Gaskühlers 18 mit einer Kühl wassertemperatur von 5° C, was zu T₃ = 20° C führt, bei Zustand IV die folgenden Werte:

Druck P₄ = 1 bar
Temperatur T₄ = -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 Verbrennungs durchsatz und die Flammentemperatur und damit auch die Intensi tät der Strahlung im Vergleich zu herkömmlichen Kesseln anstei gen. 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 mo dernes, sauberes und wirtschaftliches System gemäß der Erfin dung wichtig, da lediglich der Kessel ausgetsuscht 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 Kondensortempera tur von 30° und einem Kesseldruck von 5 bar beträgt der maxi male Wassergehalt für Öl 55% und für Kohle 56% (jeweils Ge wichtsprozente).

Es versteht sich, daß die Möglichkeit des wirkungsvollen Ein satzes von Brennstoff in Gestalt pulverisierter Kohle mit hohem Wassergehalt von größter Bedeutung ist. Es ist dann beispiels weise möglich, die pulverisierte Kohle, die mit Wasser vermischt ist, dem Brennraum im Kessel zuzupumpen. Ein derartiger Brenn stoff, der als "flüssige Kohle" bezeichnet wird, läßt sich ähn lich wie Öl fördern. Ein im Handel erhältliches, Erzeugnis dieser Art enthält feingemahlene Kohle und Wasser, ferner weitere Zu schläge, die das Absetzen der Kohle verhindern. Dieser Kraft stoff hat einen Energiegehalt von 8,9 MWh/m³, verglichen mit einem Wert von 10,3 MWh/m³ im Falle von Öl. Hieraus erkennt man, daß die Gasmenge wesentlich geringer als die Hälfte jener bei Verbrennung von Öl ist.

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

Claims

Verbrennungsverfahren mit Reinigung der hierbei erzeugten Ab gase, wobei Wasserdampf und unerwünschte Verunreini gungen, die in den Abgasen enthalten sind, zusammen mit partikelförmigen Stoffen dadurch ausgeschieden werden, daß die Abgase in einer oder mehreren Stufen durch Druck, Kühlung und Expansionen kondensiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase mittels eines Kompressors unter Druck gesetzt, gekühlt und unter Druck von Wasser, staubförmigen Partikeln und anderen niedergeschlagenen unerwünschten Substanzen befreit werden, worauf die Abgase zusammen mit den verbleibenden, unerwünsch ten Substanzen einem raschen Temperaturabfall mittels einer Expansionseinrichtung unterworfen werden, wobei die dem Kompressor zugeführte Antriebsleistung und damit der Druckan stieg 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 verblei benden unerwünschten Substanzen herbeizuführen.
2. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Schrauben-Rotor-Expander verwendet wird, der den Kompressor zusammen mit einer weiteren Antriebsquelle treibt.
3. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Abgase die Verbrennungs luft komprimiert wird.
4. Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase und/oder die Verbrennungsluft vor dem Komprimieren gekühlt werden.