DE3314183C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Wärme von einem heißen, SO₂-haltigen Rauchgas vor seiner Entschwe­ felung bei tiefer Temperatur (Kaltverfahren) auf das kalte entschwefel­ te Reingas vor seiner Abgabe an den Kamin. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Übertragung von Wärme von einem heißen SO₂-haltigen Rauchgas vor der SO₂-Entfernung aus dem Gas durch Absorp­ tion mit einer wässrigen Absorptionslösung auf das kalte, durch Absorp­ tion gereinigte Gas.

Es sind zahlreiche Verfahren zur SO₂-Entfernung aus Rauch­ gasen durch Absorption mit wässrigen Lösungen oder Suspensionen bekannt. Nach dem Wellman-Lord-Verfahren wird das SO₂-haltige Rauchgas mit einer wässrigen Natriumsulfit-Lösung in Berührung gebracht, die dabei SO₂ aus dem Gas unter teilweiser Bildung von Natriumhydrogen­ sulfit aufnimmt. Die Absorption erfolgt bei Temperaturen von beispiels­ weise etwa 50 bis 55°C, so daß das heiße Rauchgas zunächst auf etwa diese Temperatur abgekühlt werden muß. Das gereinigte Rauchgas hat nach Verlassen der Absorptionsstufe eine Temperatur von etwa 50 bis 55°C. Um ihm im Kamin und bei der Abgabe an die Atmosphäre einen genügenden Auftrieb zu verleihen, muß es vor Eintritt in den Kamin auf etwa 80 bis 100°C erwärmt werden. Dieses Erfordernis besteht bei allen Rauchgas-Entschwefelungsverfahren, die mit wässrigen Medien zur Herausnahme des SO₂ arbeiten.

Das ungereinigte Rauchgas enthält neben Schwefeldioxid auch geringere Mengen Schwefeltrioxid sowie häufig weitere korrosive Verunreinigungen, so daß bei der Abkühlung des Gases auf das Tempera­ turniveau der Entschwefelungsstufe der Schwefelsäure-Taupunkt durch­ schritten wird und deshalb erhebliche Korrosionen an dem zur Rauchgas­ kühlung eingesetzten Wärmeaustauscher auftreten können. Auch an dem zur Wiedererwärmung des Reingases dienenden Wärmeaustauscher können Korrosionen und/oder Anbackungen auftreten, wobei die letzteren durch von dem Reingas mitgeführtes und im Austauscher abgeschiedenes Absorp­ tionsmittel gebildet werden. Beim Wellman-Lord-Verfahren sind diese Abscheidungen wasserlöslich und daher unproblematisch. Die hohe Korro­ sionsgefährdung der Austauscher sowohl bei der Abkühlung des ungerei­ nigten Rauchgases als auch bei der Wiedererwärmung des entschwefelten Rauchgases erfordern einen hochwertigen korrosionsfesten Werkstoff in beiden Stufen, wodurch sich ein beträchtlicher Kostenfaktor ergibt. Ein Vorschlag zur Realisierung des Wärmeaustausches ist die Verwendung eines Ljungström-Regenerators, der bekanntlich bei Dampfkesselanlagen zur Vorwärmung der Verbrennungsluft durch Rauchgas auf wesentlich höherem Temperaturniveau häufig eingesetzt wird (Ullmann, Enz. Techn. Chem., Bd. 1, S. 278-9). Der Einsatz eines Ljungström-Regenerators in dem tiefen Temperaturbereich anströmseitig der Rauchgas-Entschwefe­ lungsanlage macht es ebenfalls erforderlich, seine gesamte Übertragungs­ fläche aus korrosionsbeständigem Werkstoff, z.B. emailliertem Blech, auszuführen. Derartige Apparate sind kostspielig und arbeiten nicht leckagefrei, d.h. in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen wird das eine oder das andere Medium durch das Gegenmedium verunreinigt. Deshalb muß man auf der Seite des gereinigten Gases mit höherem Druck als auf der Seite des SO₂-haltigen Gases fahren, um zu vermeiden, daß SO₂-haltiges Rohgas zum Reingas überströmt und den Entschwefelungs­ grad beeinträchtigt. Dieser Nachteil besteht auch dann, wenn mit dem heißen, SO₂-haltigen Rauchgas via Ljungström-Regenerator nicht Reingas, sondern ein anderen Gas, wie z.B. Luft, erwärmt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Mängel zu beseitigen. Insbesondere sollen die Investitionskosten für die Rohgaskühlung auf das Temperaturniveau der Rauchgasentschwefelungs­ anlage und die Reingas-Wiedererwärmung auf eine einen genügenden Auftrieb gewährleistende Temperatur erheblich gesenkt werden. Darüber hinaus soll die bei der Rauchgasabkühlung auf etwa die Betriebstempe­ ratur der nassen Rauchgasentschwefelung im tiefen Temperaturbereich abzuführende Wärme zur Erzeugung von zusätzlichem Kesseldampf ausge­ nutzt werden, soweit sie nicht zur Wiedererwärmung des entschwefelten Gases gebraucht wird. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgen­ den Beschreibung.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem eingangs genann­ ten Verfahren dadurch gelöst, daß man die zur Abkühlung des heißen Rauchgases vor Eintritt in die Entschwefelung abzuführende Wärme mit einem flüssigen oder verdampfbaren Wärmeträger auf Luft überträgt und die dadurch vorgewärmte Luft nach weiterer Erwärmung mit heißem Rauchgas zum kleineren Teil dem entschwefelten Kaltgas zumischt und im übrigen als Verbrennungsluft einsetzt. Durch die Entkopplung der Rohgasabkühlung und Reingas-Wiedererwärmung kann nicht nur die Aus­ nutzung der Rauchgaswärme optimiert werden, sondern es ergeben sich auch wesentliche Einsparungen an Investitionskosten. Da sich bei der Wärmeübertragung von dem heißen Wärmeträger auf die kalte Luft keine Korrosionsprobleme ergeben, kann diese Wärmeaustauschstufe in gewöhnlichem Stahl, d.h. kostengünstig ausgeführt werden. Lediglich die Austauschstufe, in der das SO₂-haltige Rohgas seine Wärme an den Wärmeträger abgibt, ist aus einem hochwertigen korrosionsfesten Werk­ stoff herzustellen. Derartige Werkstoffe sind aus der Schwefelsäure­ technologie bekannt. Die Luftvorwärmung hat gegenüber der Reingas- Wiedererwärmung somit den Vorteil, daß keine von Reingas berührten Heizflächen mehr vorhanden sind und demzufolge eine erhebliche Erspar­ nis an hochwertigem korrosionsfestem Material erzielt wird. Darüber hinaus ergibt sich die Möglichkeit, die von dem schwefelhaltigen Roh­ gas berührte Kühlfläche zu Lasten der luftberührten Heizfläche zu minimieren, indem die Temperatur des Heizmittels niedrig gehalten wird. So wird ebenfalls korrosionsfestes Material in der Rohgas-Kühl­ stufe gegen einen Mehrverbrauch an gewöhnlichem Kohlenstoffstahl im Luftvorwärmer eingespart. Ferner ergibt sich eine energetische Ver­ besserung. Durch die Übertragung der bei der Rohgasabkühlung auf das tiefe Temperaturniveau vom Rohgas abgegebenen Wärme an die Verbrennungs­ luft wird die Kesselleistung gesteigert, d.h. die in einem tiefen Tem­ peraturbereich abgeführte Wärme wird zur Erzeugung von Hochdruckdampf ausgenutzt, wohingegen die im Temperaturbereich von etwa 150 bis etwa 60°C aus dem Rohgas direkt verfügbare Wärme sonst nur zur Niederdruck­ dampferzeugung geeignet wäre. Durch die erfindungsgemäß erzielte Wär­ merückführung aus dem Tieftemperaturbereich in die Kesselanlage ergibt sich eine Steigerung der Kesselleistung in der Größenordnung von 1% (bei einem 200 MW-Kraftwerk). Als weiterer Vorteil des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens ergeben sich wesentliche Einsparungen bei den erforder­ lichen Rauchgasleitungen.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bringt man den Wärmeträger in einer ersten Stufe mit dem heißen Rauchgas und in einer zweiten Stufe mit kalter Luft in Wärmeaustausch und zirkuliert den Wärmeträger zwischen den beiden Wärmeaustauschstufen. Da die zweite Wärmeaustauschstufe mit Luft von etwa Umgebungstemperatur oder einer wenig darüber liegenden Temperatur beaufschlagt wird, kann der Wärme­ träger mit relativ tiefer Temperatur zirkulieren, so daß auch die Temperatur des zu entschwefelnden Rauchgases bei Eintritt in die Rauchgasentschwefelung gesenkt werden kann. Dadurch sinkt auch die Betriebstemperatur der SO₂-Absorption, die Absorption wird verbessert, und die Regeneration erfordert demzufolge einen geringeren Wärmeauf­ wand (Heizdampf). Bei der SO₂-Absorption mit wässriger Na₂SO₃-haltiger Lösung nach dem Wellman-Lord-Verfahren führt die so erzielbare Absen­ kung der Gastemperatur zu einer Dampfeinsparung in der Regeneration von etwa 10%.

Nach der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kühlt man das heiße Rauchgas mit dem Wärmeträger von einer Temperatur in dem Bereich von 110 bis 190°C auf eine Temperatur in dem Bereich von 40 bis 80°C ab und wärmt die Luft mit dem Wärmeträger von etwa Umgebungstemperatur oder wenig darüber auf eine Temperatur in dem Bereich von 70 bis 110°C vor. Insbesondere wird das heiße Rauchgas von einer Temperatur in dem Bereich von 140 bis 160°C auf eine Temperatur in dem Bereich von 50 bis 70°C abgekühlt und die Luft von einer Temperatur in dem Bereich von 20 bis 35°C auf eine Temperatur in dem Bereich von 80 bis 100°C vorgewärmt. Weiterhin ist vorgesehen, daß man die Temperatur des kalten entschwefelten Gases durch die Warmluftzumischung von 40 bis 60°C auf eine Temperatur in dem Bereich von 80 bis 110°C anhebt. Die Warmluft hat nach der weiteren Erwärmung eine Temperatur in dem Bereich von etwa 250 bis 400°C. Die weitere Erwärmung erfolgt in üblicher Weise in einem Kessel-Luftvorwärmer, der insbesondere ein Ljungström-Regene­ rator sein kann.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß man 10 bis 30% der erwärmten Luft dem aus der Rauch­ gasentschwefelung abströmenden kalten Reingas zumischt. Dieser Luft­ anteil muß zwar über die erforderliche Verbrennungsluft hinaus von dem Luftgebläse angesaugt werden. Da jedoch der Druckabfall in dem Luftvorwärmer und in dem Kessel-Luvo vergleichsweise gering ist, ist der Mehraufwand für die erhöhte Gebläseleistung gering im Verhältnis zu den oben aufgezeigten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Vorzugsweise betreibt man die erste Wärmeaustauschstufe mit einer größeren Temperaturdifferenz und einer kleineren Wärmeaus­ tauschfläche als die zweite Wärmeaustauschstufe. Auf diese Weise wird eine Minimierung der Investitionskosten für beide Wärmeaustauschstufen erreicht.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben, in der das Fließschema einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist.

Das Rauchgas verläßt die Kesselanlage 1 mit einer Tempera­ tur von z.B. 450°C und wird zunächst in einem Kessel-Luftvorwärmer 2 auf etwa 150°C abgekühlt. Nach Passieren des Elektrofilters 3 und des Saugzuggebläses 4 wird das Rauchgas in dem Gaskühler 5 auf etwa 60°C abgekühlt. Es passiert dann den Absorptionsteil der Rauchgas- Entschwefelungsanlage 6, in dem das SO₂ sowie weitere saure Gasbestand­ teile, wie SO₃, mit einer wässrigen Absorptionslösung, insbesondere einer Natriumsulfit-Lösung, aus dem Gas entfernt werden. Das so gereinigte Rauchgas strömt dann weiter zum Fuß des Kamins 7.

Die Kühlung des SO₂-haltigen Rauchgases in dem Gaskühler 5 erfolgt durch indirekten Wärmeaustausch mit einem flüssigen Wärmeträger, wie z.B. Wasser, der dem Kühler durch Leitung 8 ^a zugeführt wird. Der in dem Kühler 5 erwärmte Wärmeträger gelangt durch Leitung 8 ^b zu einem Primär-Vorwärmer 9. Er tritt dort in Wärmeaustausch mit Luft, die durch das Luftgebläse 10 aus der Atmosphäre angesaugt und in den Vorwärmer 9 gedrückt wird. Dabei wird die Luft auf etwa 90°C erwärmt, während der Wärmeträger auf 40 bis 60°C zurückgekühlt wird. Die vorgewärmte Luft passiert dann den üblichen Kessel-Luftvorwärmer 2, der als Ljungström-Regenerator ausgebildet ist. Dabei wird die Luft durch das aus der Kesselanlage 1 abströmende heiße Rauchgas auf etwa 300°C er­ hitzt. 80% dieser erhitzten Luft werden als Verbrennungsluft der Kesselanlage 1 zugeführt, während die restlichen 20% der auf etwa 300°C erhitzten Luft mit dem aus der Rauchgas-Entschwefelungsanlage 6 abströmenden gereinigten Rauchgas einer Temperatur von 50°C vereinigt wer­ den. Die vereinigten Gase haben bei Eintritt in den Kamin 7 eine Tem­ peratur von etwa 90°C und damit einen für den Aufstieg im Kamin und die Verteilung in der Atmosphäre ausreichenden Auftrieb.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, den Einsatz des hochwertigen korrosionsfesten Werkstoffs auf den Gaskühler 5 zu be­ schränken und diesen noch zu Lasten des Primär-Vorwärmers 9, der als üblicher Luftvorwärmer aus Kohlenstoff-Stahl ausgeführt sein kann, flächenmäßig zu minimieren. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß die bei tiefer Temperatur in dem Gaskühler 5 abge­ führte Wärme in die Kesselanlage 1 zurückgeführt wird und daher der Hochdruckdampferzeugung dient, soweit sie nicht dem Reingas über den Warmluftstrom zum Zwecke der Wiedererwärmung zugeführt wird.

Claims (7)

1. Verfahren zur Übertragung von Wärme von einem heißen, SO₂-haltigen Rauchgas vor seiner Entschwefelung bei tiefer Temperatur auf das kalte entschwefelte Reingas vor der Abgabe an den Kamin, dadurch gekennzeichnet, daß man die zur Abkühlung des heißen Rauchgases vor Eintritt in die Entschwefelung abzuführende Wärme mit einem flüssi­ gen oder verdampfbaren Wärmeträger auf Luft überträgt und die dadurch vorgewärmte Luft nach weiterer Erwärmung mit heißem Rauchgas zum kleineren Teil dem entschwefelten Kaltgas zumischt und im übrigen als Verbrennungsluft einsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Wärmeträger zwischen einer ersten und einer zweiten Stufe zirkuliert, in denen man ihn mit dem heißen SO₂-haltigen Rauchgas bzw. mit kalter Luft in Wärmeaustausch bringt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß man das heiße Rauchgas mit dem Wärmeträger von 110 bis 190°C auf 40 bis 80°C abkühlt und die Luft mit dem Wärmeträger von etwa Umgebungstemperatur auf 70 bis 110°C vorwärmt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur des kalten Reingases durch die Warmluftzumischung von 40 bis 60°C auf 80 bis 110°C anhebt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die vorgewärmte Luft auf eine Temperatur in dem Bereich von 250 bis 400°C weiter erwärmt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man 10 bis 30% der erwärmten Luft dem Kaltgas zumischt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die erste Wärmeaustauschstufe mit einer größe­ ren Temperaturdifferenz zwischen den wärmeaustauschenden Medien und einer kleineren Wärmeaustauschfläche als die zweite Wärmeaustausch­ fläche betreibt.