DE3138665C2

DE3138665C2 -

Info

Publication number: DE3138665C2
Application number: DE3138665A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr. 4300 Essen De Richter; Martin Dr. 4600 Dortmund De Reinke
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1981-09-29
Filing date: 1981-09-29
Publication date: 1988-01-28
Also published as: JPS5874125A; DE3138665A1; JPS6259964B2; US4436701A

Description

Die Erfindung betrifft einen Adsorptionsreaktor zum Entfernen von SO₂ aus Abgasen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Reaktors. Derartige Reaktoren sind z. B. aus der DE-OS 29 20 149 bekannt.

Bei der adsorptiven SO₂-Entfernung aus Abgasen mittels der ein gangs genannten Adsorptionsreaktion wird der Abscheidegrad an SO₂ durch Verringerung der Abgastemperatur auf z. B. unterhalb 120°C verbessert.

Man hat die Eindüsung kälterer Fluide in das Abgas vor Eintritt in den Adsorptionsreaktor erprobt. Dies hat unter anderem die Nachteile einer Vergrößerung des Abgasvolumens sowie fehlender Nutzung des Wärmeinhaltes des Abgases.

Andererseits besteht ein Problem darin, daß die Abgase vor Ein tritt in die Adsorptionsmittelschicht stets ausreichend hohe Temperaturen zur Vermeidung von Korrosion durch Unterschreitung des Schwefelsäuretaupunktes haben sollen. - Hier sind also zwei konkurrierende Anforderungen an die Temperaturführung im bzw. vor dem Adsorptionsreaktor gestellt.

Es hat sich gezeigt, daß bei der erwähnten Eindüsung eines Flui des vor der Adsorptionsmittelschicht keine Adsorptionsprobleme auftreten, daß aber z. B. eine Eindüsung von Wasser in das Abgas vor Eintritt in einen mit einem kohlenstoffhaltigen Adsorptions mittel gefüllten Adsorptionsreaktor selbst unter günstigsten Be dingungen, d. h. bei vollständiger Verdampfung, Temperaturen un terhalb von 110-120°C nicht erreicht werden (vergl. R. Noack, K. Knoblauch, VDI-Berichte No. 267 (1976), Seiten 37/42). Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Adsorptionsreaktor und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen bereitzustellen, wo bei unter Vermeidung von Korrosionserscheinungen dennoch eine die SO₂-Abscheidung stark begünstigende Temperaturerniedrigung erfolgt und gleichzeitig der Wärmeinhalt des Abgases genutzt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Adsorptionsreaktor der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und, in bezug auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Reaktors, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 gelöst. Eine weitere Ausbildung der Erfindung ist in Unteranspruch 3 beschrieben.

Die Verwendung von Wärmeaustauschelementen zu Kühlzwecken in einem Adsorptionsreaktor ist zwar für sich bereits aus der DE-OS 19 33 995 bekannt. Dabei handelt es sich aber weder um einen Wanderschichtreaktor, noch um eine Aufteilung der Wander schicht in zwei, durch die gasdurchlässigen Kühlelemente ge trennte Bereiche mit unterschiedlicher Temperatur, so daß sich damit eine Vermeidung der Korrosionen und gleichzeitiger Ver besserung der SO₂-Abscheidung nicht verwirklichen läßt.

Die hier in Frage kommenden Abgase sind vor allem Rauchgase von Kraftwerken, aber auch von anderen Anlagen, bei denen ein Gasgemisch anfällt, aus welchem SO₂ oder andere, korrosive Gase abzuscheiden sind. Die innerhalb des Reaktors von oben nach unten wandernde Schicht aus körnigen Adsorptionsmitteln kann kontinuierlich oder absatzweise wandern. Als Adsorptions mittel eignen sich grundsätzlich diejenigen, welche möglichst gute Adsorptionsleistungen für SO₂ oder andere korrosive Gase erbringen, insbesondere kohlenstoffhaltige Adsorptionsmittel in Form von Aktivkohlen oder Molekularsieben.

Die in das Adsorptionsmittel eingetauchten Wärmeaustauschrohre sollten weder die Strömung des Rauchgases noch die Wander bewegung des Adsorptionsmittels beeinträchtigen. Es wird deshalb eine Anordnung gewählt, bei der die Wärmeaus tauschrohre in Form eines Rohrregisters nebeneinander ange ordnet sind, wobei zwischen den einzelnen Rohren genügend Raum für den Gasdurchtritt verbleiben muß. Solche Rohrregi ster werden dann in einer Ebene quer zur Gasströmungsrichtung in das Adsorptionsmittel eingetaucht, wobei die Richtung der Rohre vorzugsweise identisch mit der Wanderrichtung der Adsorptionsmittelkörper ist. Mehrere solcher Register kön nen parallel in gewissen Abständen hintereinander angeord net sein.

Der Adsorptionsreaktor selber ist bevorzugt so ausgestaltet, daß er dem Gasstrom eine möglichst große Durchströmungsfläche bei relativ kleiner Durchströmungs tiefe bietet; hierfür werden die Wände, durch die das Gas ein- und austritt, bevorzugt in Form von schräg zueinander versetzten Lamellen ausgeführt.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß das Abgas zunächst bei noch relativ hohen Temperaturen in den Adsorptionsreak tor eintreten kann, bei denen die Korrosionsgefahren durch z. B. Schwefelsäurebildung ausgeschlossen sind. Bei diesen Temperaturen, die z. B. über 150°C liegen können, werden dann zunächst die Schwefelsäureanteile des Rauchgases abge schieden. Dies führt zu einer Senkung des Schwefelsäure taupunktes auf Werte von beispielsweise unter 55°C. Dadurch werden Korrosionserscheinungen an den Außenwandungen der Wärmeaustauschrohre ausgeschlossen. Die Wärmeaustauschrohre wie derum bewirken die gewünschte Abkühlung des Rauchgases auf Temperaturen, bei denen die SO₂-Abscheidung gegenüber der Eintrittstemperatur in den Adsorptionsreaktor verbessert ist; darüber hinaus kann die dem Abgas entzogene Wärme nun mehr vorteilhaft z. B. in ein Fernwärmenetz eingespeist und somit genutzt werden. Überraschenderweise ist der Bedarf an Wärmetauschfläche bei in das Adsorptionsmittel eingetauch ten Wärmetauschrohren geringer, als wenn die Wärmetauschroh re lediglich von dem Abgas umspült würden; somit würden die Wärmetauschflächen relativ kleingehalten werden. Insgesamt erreicht die Erfindung also gleichzeitig eine Verbesserung der SO₂-Abscheidung und eine besonders vorteilhafte Nutzung des Energieinhaltes des Abgases und dessen Abkühlung auf Temperaturen von z. B. 90°C.

Verfahrensmäßig hat es sich als besonders vorteilhaft her ausgestellt, wenn das Abgas zunächst mit etwa der Ein trittstemperatur am Adsorptionsreaktor eine erste Adsorp tionsmittelschicht durchströmt und erst danach in Gasströ mungsrichtung eine Kühlung erfolgt, woraufhin an der oder den weiteren Adsorptionsmittelschichten die Adsorption weiter verläuft, wobei zwischen den einzelnen weiteren Schichten weitere Temperaturabsenkungen erfolgen können.

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkei ten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen zylindermantelför migen Adsorptionsreaktor,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie aa durch den Ad sorptionsreaktor gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie bb durch einen Ad sorptionsreaktor gemäß Fig. 1,

Fig. 4 einen Adsorptionsreaktor mit mehreren Wärmeaus tauschern im perspektivischen Teilschnitt.

Bei dem Adsorptionsreaktor gemäß Fig. 1 tritt das Abgas durch eine näherungsweise zylinderförmige Lamellenwand 1 in die Adsorptionsmittelschicht 2 ein und verläßt den Adsorptionsreaktor durch die zur Lamellenwand 1 parallel verlaufende Lamellenwand 3. Parallel zwischen den beiden Lamellenwänden 1 und 3 ist ein für die Gasströmung durchlässiger Wärmetauscher 4 angeordnet.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, bestehen die Lamellenwände 1 und 3 aus schräg zueinander versetzt angeordneten Lamel len 5. Das Adsorptionsmittel wird am oberen Ende der Ad sorptionsmittelschicht 2 aufgegeben und am unteren Ende abgezogen. Der Wärmeaustauscher kann in an sich beliebiger Richtung von einem Wärmeaustauscherfluid durchströmt werden; ebenso ist es möglich, den hier dargestellten Adsorptions reaktor - der im übrigen natürlich auch statt einer zylin dermantelförmigen eine ebenflächige Gestalt haben - sowohl in der einen als auch in der anderen Richtung mit Abgas zu durchströmen. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß der Wärme tauscher 4 z. B. aus entlang der Wanderungsrichtung der Adsorptionsmittel ausgerichteten Wärmetauschrohren 6 mit Ein- und Auslaufsammelleitungen 7 und 8 bestehen kann. Ein solches Rohrregister stört weder den Gasdurchtritt noch die Wanderung der Adsorptionsmittelkörner.

In Fig. 4 ist ein plattenförmiger Adsorptionsmittelreaktor mit mehreren quer zur Gasströmungsrichtung angeordneten Wärmetauschern in Form von Rohrregistern 4 a, 4 b, 4 c darge stellt.

Beispiel

Als kohlenstoffhaltiges Adsorptionsmittel wurde eine han delsübliche Aktivkohle mit einer spezifischen Oberfläche von 500 m²/g (bestimmt nach Brunauer, Emmet und Teller) verwendet. Der Wanderschichtreaktor wies eine Querschnitts fläche quer zur Strömungsrichtung der Abgase von 135 m² auf und hatte eine Bettiefe von 1,66 m; er war - seiner Höhe entsprechend - mit 224 m³ des Adsorptionsmittels gefüllt.

Bei einer Temperatur von 150°C wurden 120 000 m³/h Kraft werksabgas (gerechnet im Normzustand), das 0,1 Vol.-% SO₂, 6,4 Vol.-% O₂ und 10,1 Vol.-% Wasserdampf enthielt, bei einer Raumgeschwindigkeit (auf den leeren Adsorber bezogen) von 800 h^-1 (gerechnet bei 150°C) durch die Wanderschicht geleitet. Als Wärmetauscher wurden Rohre mit einer lichten Weite von 20 mm und einer Wandstärke von 2,5 mm zu drei Rohrregistern von jeweils 100 Rohren verbunden. Diese Rohr register wurden in Abständen von 0,41, 0,81 und 1,23 m von der Anströmfläche des Adsorbers parallel zu dieser angeord net (vergl. Fig. 4). Das Adsorptionsmittel durchwanderte den Adsorptionsreaktor von einer oberen Aufgabestelle zu einer unteren Abzugsstelle in etwa 60 h.

Die SO₂-Konzentration des Abgases wurde dabei auf 0,03 Vol.-% gesenkt (Entschwefelungsgrad 97%). Das Abgas hatte eine mittlere Austrittstemperatur aus dem Adsorptionsreaktor von 90°C. Kühlwasser durchströmte die Rohre parallel mit einem Volumenstrom von insgesamt 520 m³/h und wurde dabei von 60 auf 100°C aufgeheizt.

Vergleichsbeispiel

Unter sonst gleichen Bedingungen, wie im erfindungsgemäßen Beispiel, jedoch ohne Durchströmung der Wärmeaustauscher mit einem Kühlmittel wurde aufgrund der Adsorptionswärme eine Temperaturerhöhung des Abgases um ca. 4°C festge stellt sowie eine SO₂-Austrittskonzentration von 0,038 Vol.-%, entsprechend einem Entschwefelungsgrad von 62%.

Claims

1. Adsorptionsreaktor zum Entfernen von SO₂ aus Abgasen, bei dem die Abgase quer durch eine innerhalb des Reaktors von oben nach unten wandernde Schicht aus körnigen Adsorptions mitteln (2) geführt werden, gekennzeichnet durch in das Adsorptionsmittel (2) eingetauchte Wärmeaustauscher (4), die in Form eines oder mehrerer, quer zur Gasströmungs richtung ausgerichteter Rohrregister (4 a, 4 b, 4 c) parallel zu den Lamellenwänden (1, 3) im Adsorptionsreaktor ange ordnet sind, wobei zwischen den Wärmeaustauschrohren (6) Zwischenräume für den Gasdurchtritt vorgesehen sind.

2. Verfahren zum Betreiben eines Adsorptionsreaktors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas bei Temperaturen oberhalb etwa 120°C dem Adsorptionsreaktor aufgegeben wird, zunächst einen ersten Bereich der Ad sorptionsmittelschicht zur adsorptiven Entfernung der Schwefelsäure durchläuft, dann fluidgekühlt wird und anschließend zur adsorptiven Abtrennung von SO₂durch mindestens einen weiteren Bereich der Adsorptionsmittel schicht geführt wird, bevor es bei Temperaturen unterhalb etwa 120°C den Adsorptionsreaktor wieder verläßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Ver wendung des Kühlfluids für Fernwärmeheizungen.