DE3516054A1

DE3516054A1 - Verfahren und anlage zur reinigung von rauchgasen

Info

Publication number: DE3516054A1
Application number: DE19853516054
Authority: DE
Inventors: Joachim-Christoph 3015 Wennigsen Zarnack
Original assignee: ZARNACK PLANUNGS und VERTRIEBS
Current assignee: ZARNACK PLANUNGS und VERTRIEBS
Priority date: 1985-05-04
Filing date: 1985-05-04
Publication date: 1986-11-06

Description

'Verfahren und Anlage zur Reinigung von Rauchgasen"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen von einem in einem geschlossenen Kreislauf geführten flüssigen Medium, insbesondere Wasser, in einem Wärmetauscher mit Rauchgasen, die nach dem Durchströmen des Wärmetauschers teilweise kondensiert und im übrigen als Abluft in die Atmosphäre abgeblasen werden, wobei das Rauchgas-Kondenswasser regeneriert und dann z. B. in eine Kanalisation abgeleitet wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahren, bestehend aus einem Verbrennungsraum mit einem Brenner, einem nachgeschalteten Wärmetauscher mit wasserführenden Einbauten, einer dem Wärmetauscher nachgeschalteten Regenerieranlage für das Rauchgas-Kondenswasser und einem mit einem Ventilator ausgestatteten Abluftrohr.
Es ist eine Anlage bekanntgeworden (Prospekt "Veritherm" der Veritherm-Heizungstechnik GmbH, Schmedenstedter Straße 9, D-3150 Peine/Dungelbeck), bei der das Heizaggregat zwei separate Wärmetauscher umfaßt für einen Hochtemperatur- sowie einen Niedrigtemperatur-Wasserkreislauf. In zwei Kreisläufen werden die heißen Verbrennungsgase an wasserdurchflossene Platten vorbeigeführt, wobei der erste Kreislauf den eigentlichen Heizkreislauf darstellt, während der zweite Kreislauf die letzte Restwärme zur Erhöhung des Wirkungsgrades ausnutzen soll. Die aus Wasserdampf und Schadstoffen bestehenden Abgase sollen soweit abgekühlt werden, daß eine Kondensation der Abgase erfolgt. Die Restgase werden durch Einspritzung von Wasser weitergekühlt und gleichzeitig gewaschen. Die Schadstoffe werden durch Granulat neutralisiert; das Kondensat wird anschließend der Kanalisation zugeführt. Die Anlage arbeitet mit einem Öl- oder Gasbrenner. Die wasserdurchflossenen Wärmetauscher versorgen das Heizungssystem mit Wärme. Die Abgase werden unten abgeführt, nachdem sie auf etwa 30 "C abgekühlt worden sind. Diese Anlage kommt ohne Schornstein aus. Zur Ableitung der Abgase reicht ein einfaches Kunststoffrohr mit einem Gebläse kleiner Leistungsaufnahme.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs erläuterte Verfahren sowie die Anlage zur Durchführung dieses Verfahren hinsichtlich der Rauchgas-Entschwefelung und Schadstoffbeseitigung sowie bezüglich des Wirkungsgrades zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst: a) Das zu erwärmende Medium wird in nur einem einzigen Kreislauf geführt; b) die Abkühlung der Rauchgase bis zum Unterschreiten ihres Taupunktes erfolgt in einem aus einem Kältemittel und einem Absorptionsmittel durchflossenen Absorptionssystem; c) das zu erwärmende Medium wird im Rücklauf vor seinem Eintritt in den Wärmetauscher in einem Absorber vorgewärmt.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn das Absorptionssystem einen Lösemittel- und einen Arbeitsstoff-Kreislauf umfaßt, wobei Lösemittel und dampfförmiger Arbeitsstoff in dem Absorber zusammengebracht und mit der dadurch freiwerdenden Lösungswärme das zu erwärmende Medium vorgewärmt werden, worauf dann durch Druckabsenkung ein Teil des Arbeitsstoffes wieder vom Lösemittel getrennt, durch Rauchgaswärme verdampft, durch Luftkühlung verflüssigt, auf Verdampferdruck angehoben und durch Rauchgaswärme wieder verdampft wird, während das Lösemittel nach seiner Druckabsenkung wieder in den Absorber gepumpt wird.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn als Lösemittel wässrige Lithiumbromidlösung und als Arbeitsstoff Wasser verwendet werden.
Bei dem neuen Verfahren wird kein zweiter Niedrigtemperatur-Wasserkreislauf benötigt. Während bei den üblichen Niedria-Wassertemperatur-Heizungsanlagen durch niedrige Wassertemperaturen die Wärmeabstrahlungsverluste verringert werden sollen, arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren ohne Abstrahlungsverluste, und zwar unabhängig davon, mit welcher Wassertemperatur gefahren wird.
Die Rauchgasentschwefelung erfolgt durch Unterschreitung der Abgastemperatur weit unter den Taupunkt. Hierbei tritt eine totale Kondensation der Verbrennungsgase ein, bestehend aus Wasserdampf, Schwefeldioxid, Stickoxide etc.
Diese kondensierten Verbrennungsgase werden nach der Neutralisation im System schadstofffrei in die Kanalisation abgeleitet, ohne den Abwasserreinigungsprozeß in einer biologischen Kläranlage zu gefährden.
Ausgehend von der eingangs erläuterten Anlage wird die vorstehend genannte Aufgabe ferner dadurch gelöst, daß dem Wärmetauscher eine Absorptionskältemaschine nachgeschaltet ist, die einen Austreiber, einen Verdampfer, einen luftgekühlten Kondensator sowie den genannten Absorber umfaßt und oberhalb von einer Rauchgaskondensat-Fangwanne angeordnet ist, die das Rauchgas-Kondenswasser in eine Neutralisationseinrichtung leitet.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Heizaggregat als Kompaktanlage ausgebildet ist und mit seinem Gehäuse den Brenner, die Wärmetauscherplatten für den Heizwasserkreislauf, die Verdampfer- und Austreiberwärmetauscherplatten für die Rauchgaskühlung, die Rauchgaskondensat-Fangwanne sowie den Rauchgaskondensat-Neutralisationsbehälter umfaßt.
Erfindungsgemäß ist es zweckmäßig, wenn der Lösemittel-Kreislauf aus den hintereinander geschalteten Komponenten Absorber, Drosselventil, Austreiber und Pumpe besteht, und wenn der Arbeitsstoff-Kreislauf aus den hintereinander geschalteten Komponenten Absorber, Drosselventil, Austreiber, Kondensator, Pumpe und Verdampfer besteht.
Die neue Anlage ist wie eine herkömmliche Heizungsanlage zu installieren. Die zusätzliche Wärmerückgewinnung aus den Rauchgasen, die dem Heizwasserkreislauf direkt zugeführt wird, entweicht nicht ungenutzt über den Schornstein in die Atmosphäre. Vielmehr wird die hochwertige Rauchgaswärme im System mehreren Wärmetauschereinheiten zugeführt, wobei die wasserdurchflossenen Wärmetauscher z. B. das Heizungssystem eines Hauses in herkömmlicher Weise versorgen.
Der Verbrennungsraum liegt vorzugsweise im oberen Teil des Heizaggregates, das im übrigen mit einem handelsüblichen Brenner für Gas oder Öl ausgerüstet sein kann.
Durch die Kombinationen des Absorptionsverfahrens mit den wasserdurchflossenen Wärmetauschern wird eine hohe Energieeinsparung erzielt, die auch Umrüstungen in bestehende Heizanlagen rechtfertigt. Im Vergleich zur Wärmepumpe, die nur die Abstrahlungswärme nutzt und relativ hohe Betriebskosten hat, benötigt das neue Verfahren bzw. die neue Anlage für die Wärmerückgewinnung nur sehr geringe Betriebskosten. Stehen industriell gesehen andere heiße Abgase aus Anlagen der Energieerzeugung zur Verfügung, kann auch auf den Betrieb des Öl-oder Gasbrenners verzichtet werden; durch die Zufuhr heißer Abgase aus anderen Anlagen arbeitet das erfindungsgemäße System als optimale Wärmerückgewinnungsanlage.
Das neue Verfahren kann bei entsprechender Dimensionierung der Anlage auch nutzbringend Anwendung finden bei Großfeuerungsanlagen.
Das mit dem Stoffpaar Lithiumbromid/Wasser betriebene Abwärmenutzungsverfahren arbeitet nach dem Absorptions-Prinzip. Der Nutzwärmestrom wird durch den exotherm verlaufenden Absorptionsprozeß des Wasserdampfes in dem Lithiumbromid generiert. Das Absorptionsverfahren weist im Gegensatz zur gebräuchlichen Kompressionswärmepumpe nur einen kleinen Eigenenergiebedarf auf, der nur ca. 2 % der Nutzwärme ausmacht. Das System hebt etwa 50 % der aufgenommenen Abwärme auf ein nutzbares höheres Temperaturniveau an. Die Kondensator-Abwärme kann für niedrige Temperaturen, z. B. als Luftwärme für Wäschetrockner-Räume, ausgenutzt werden. Durch die erreichbare Einsparung an Primärenergie gewinnt das Absorptionsverfahren auch eine hohe volkswirtschaftliche Bedeutung.
Das neue Verfahren bzw. die zu seiner Durchführung vorgesehene Anlage benötigt keine hochwertige Antriebsleistung.
Das Druckniveau liegt im Lösemittel- und Arbeitsstoff-Kreislauf im Austreiber, im Kondensator, im Verdampfer und im Absorber, vorzugsweise im Vakuumbereich. Denn zur Wasserverdampfung beim Einsatz von Wärme unter 100 "C ist Unterdruck erforderlich. Aus Sicherheitsaspekten erweist sich das Unterdrucksystem als wesentlich günstiger im Vergleich zu Drucksystemen.
Die Vorwärmung im Heizwasserrücklauf führt zu einer Temperaturerhöhung um vorzugsweise 15 bis 20 "C, und zwar ausgehend von einer Heizwasser-Rücklauftemperatur von vorzugsweise 40 °C. Die Heizwasser-Vorlauftemperatur liegt zweckmäßig bei 60 bis 80 "C, während die Ablauf -temperatur 20 bis 30 "C aufweisen soll.
Vor dem Abluft-Ventilator kann eine vom Brenner gesteuerte Zerstäuberdüse für eine Nachwäsche der Rauchgase angeordnet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Figur 1: in schaubildlicher Darstellung eine Anlage zur Rauchgas-Entschwefelung und Schadstoffbeseitigung bei gleichzeitiger Wärmerückgewinnung; Figur 2: den konstruktiven Aufbau der Anlage gemäß Figur 1 in einer Vorderansicht; und Figur 3: in schematischer Darstellung die Grundschaltung des Absorptionsverfahrens.
Die Anlage besteht im wesentlichen aus einem als Kompaktanlage ausgebildeten Heizaggregat 1 dessen mit einer Isolierung versehenes Gehäuse 2 folgende Bauelemente umschließt: - einen Brenner 3 für Gas- oder Heizöl mit automatischer Zündung und Regelung; - wasserdurchflossene Wärmetauscherplatten 4 für den Heizwasserkreislauf; - Verdampfer-Wärmetauscherplatten 5 und Austreiber-Wärmetauscherplatten 6 für die Rauchaskühlunq; - eine Rauchgaskondensat-Fangwanne 7 und - einen Rauchgaskondensat-Neutralisationsbehälter 8.
Außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet, jedoch mit dem Heizaggregat 1 verbunden sind - ein umgebungsluftgekühlter Kondensator 9 für das Absorptionssystem; - ein Absorber-Behälter 10 mit Wärmetauscher zur Abgabe der transformierten hochwertigen Wärme in den Heizwasser-Rücklauf vor dem Eintritt in das Heizaggregat und - ein Abluftrohr 11 mit Ventilator 12 für die gekühlten und entgifteten Rauchgase.
Figur 1 läßt erkennen, daß sich der Verbrennungsraum 13 im Gegensatz zu üblichen Heizsystemen im oberen Teil des Heizaggregates 1 befindet, so daß die Rauchgase von oben nach unten zwischen den heizwasserdurchflossenen Wärmetauscherplatten 4 durchgeleitet werden, an die sie ihre Wärme abgeben. Im unteren Teil des Heizaggregates 1 werden die Rauchgase durch die kammartig ineinander verschachtelt angeordneten Verdampfer- und Austreiber-Wärmetauscherplatten 5,6 geleitet, die zu einem Absorptionssystem gehören. Hier wird den Rauchgasen die Wärme bis auf eine Endtemperatur von 20 "C entzogen.
Die von dem Absorptions-System aufgenommene niedrige Wärme wird mittels dem Stoffpaar Lithiumbromid und Wasser zur Hälfte auf einen höheren Wärmewert transformiert und dem Heizwasser-Rücklauf 14 vor dem Eintritt in das Heizaggregat 1 über den Absorber 10 zugeführt. Die andere Hälfte der aufgenommenen Wärme wird durch den Kondensator 9 des Absorptionssystems der Umgebungsluft zugeführt.
Bei der Abkühlung der Rauchgase im Absorptionssystem auf 20 "C tritt eine totale Kondensation des Wasserdampfes ein, der bei der Verbrennung entstanden ist. Das dabei entstehende Kondensat wird in der Fangwanne 7, die die Verdampfer- und Austreiber-Wärmetauscherplatten 5,6 umfaßt, aufgefangen und dem Neutralisationsbehälter 8 zugeführt, der sich unter der Wanne befindet. Nach dem Durchfließen des mit einem Granulat befüllten Neutralisationsbehälters 8 wird das Kondensatwasser der Kanalisation 15 zugeführt.
Die abgekühlte und weitgehend schadstofffreie Abluft wird mit dem kleinen Ventilator 12 von geringer Leistungsaufnahme durch das Abluftrohr 11 abgeführt. Dabei dient der Ventilator 12 gleichzeitig zur optimalen Brennereinstellung für eine rußfreie Verbrennung.
Figur 3 zeigt einen geschlossenen Lösemittel-Kreislauf 16 für das Lithiumbromid und einen geschlossenen Arbeitsstoff-Kreislauf 17 für das Wasser.
Der Lösemittel-Kreislauf 16 besteht aus dem Austreiber 6, einer Lösemittelpumpe 18, dem Absorber 10 und einem Drosselventil 19. Durch Wärmezufuhr in Form der zu nutzenden Abwärme und Druckabsenkung in dem vorgeschalteten Drosselventil 19 wird Wasser aus der "wasserreichen" Lithiumbromidlösung im Austreiber 6 ausgedampft.Die so "verarmte" Lösung wird in den Absorber 10 gepumpt. Der Druckunterschied wird dabei durch die Aggregatzustände im Kondensator 9 bzw. Verdampfer 5 des Arbeitsstoff-Kreislaufes bestimmt. Im Absorber 10 nimmt das Lithiumbromid den aus dem Verdampfer 5 kommenden Wasserdampf in einer exothermen Reaktion auf und gibt damit nutzbare Wärme ab, deren Temperatur über dem Abwärmeniveau liegt. Die wasserreiche Lösung wird über das Drosselventil 19 in den Austreiber 6 zurückgeleitet, womit der Lösemittel-Kreislauf 16 geschlossen ist.
Im Arbeitsstoff-Kreislauf 17 wird der aus dem Austreiber 6 kommende Wasserdampf im Kondensator 9 unter Wärmeabgabe verflüssigt. Eine Pumpe 20 hebt das Kondensat auf den Verdampferdruck an. Im Verdampfer 5 wird das Kondensat wiederum unter Zufuhr der zu nutzenden Abwärme verdampft.
Der Dampf gelangt in den Absorber 10 und zurück in den Lösemittel-Kreislauf 16, über den der Arbeitsstoff-Kreislauf 17 selbst geschlossen wird.
In Figur 1 ist der Heizwasser-Vorlauf mit 21 und die in diesem Vorlauf vorgesehene Pumpe mit 22 bezeichnet.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Erwärmen von einem in einem geschlossenen Kreislauf geführten flüssigen Medium, insbesondere Wasser, in einem Wärmetauscher (4) mit Rauchgasen, die nach dem Durchströmen des Wärmetauschers t4) teilweise kondensiert und im übrigen als Abluft in die Atmosphäre abgeblasen werden, wobei das Rauchgas-Kondenswasser regeneriert und dann z. B. in eine Kanalisation (15) abgeleitet wird, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Merkmale: a) flas zu erwärmende Medium wird in nur einem einzigen Kreislauf geführt; b) die Abkühlung der Rauchgase bis zum Unterschreiten ihres Taupunktes erfolgt in einem aus einem Kältemittel und einem Absorptionsmittel durchflossenen Absorptionssystem (5,6,9,10); c) das zu erwärmende Medium wird im Rücklauf vor seinem Eintritt in den Wärmetauscher (4) in einem Absorber (10) vorgewärmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionssystem (5,6,9,10) einen Lösemittel-und einen Arbeitsstoff-Kreislauf (16,17) umfaßt, wobei Lösemittel und dampfförmiger Arbeitsstoff in dem Absorber (10) zusammengebracht und mit der dadurch freiwerdenden Lösungswärme das zu erwärmende Medium vorgewärmt werden, worauf dann durch Druckabsenkung ein Teil des Arbeitsstoffes wieder vom Lösemittel getrennt, durch Rauchgaswärme verdampft, durch Luftkühlung verflüssigt, auf Verdampferdruck angehoben und durch Rauchgaswärme wieder verdampft wird, während das Lösemittel nach seiner Druckabsenkung wieder in den Absorber (10) gepumpt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösemittel wässrige Lithiumbromidlösung und als Arbeitsstoff Wasser verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmung zu einer Temperaturerhöhung um 15 bis 20 "C führt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwasser-Vorlauftemperatur 60 bis 80 "C und die Heizwasser-Rücklauftemperatur etwa 40 "C betragen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablufttemperatur 20 bis 30 °C beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckniveau im Lösemittel-und Arbeitsstoff-Kreislauf (16,17) im Vakuumbereich liegt.
8. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus einem Verbrennungsraum (13) mit einem Brenner (3), einem nachgegeschalteten Wdrmeta1Echer (4) mit ,/assf-fwihrenden L3 fl bauten, einer dem Wärmetauscher (4) nachgeschalteten Regenerieranlage für das Rauchgas-Kondenswasser und einem mit einem Ventilator (12) ausgestatteten Abluftrohr (11), dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß dem Wärmetauscher (4) eine Absorptionskältemaschine nachgeschaltet ist, die einen Austreiber (6), einen Verdampfer (5), einen luftgekühlten Kondensator (9) sowie den genannten Absorber (10) umfaßt und oberhalb von einer Rauchgaskondensat-Fangwanne (7) angeordnet ist, die das Rauchgas-Kondenswasser in eine Neutralisationseinrichtung (8) leitet.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizaggregat (1) als Kompaktanlage ausgebildet ist und mit seinem Gehäuse (2) den Brenner, (3) die Wärmetauscherplatten (4) für den Heizwasserkreislauf, die Verdampfer- und Austreiberwärmetauscherplatten (5,6) für die Rauchgaskühlung, die Rauchgaskondensat-Fangwanne (7) sowie den Rauchgaskondensat-Neutralisationsbehälter (8) umfaßt.
10. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsraum (13) im oberen Teil des Heizaggregates (1) liegt.
11. Anlage nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösemittel-Kreislauf (16) aus den hintereinander geschalteten Komponenten Absorber (10), Drosselventil (19), Austreiber (6) und Pumpe (18) besteht.
12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsstoff-Kreislauf (17) aus den hintereinander geschalteten Komponenten Absorber (10), Drosselventil (19), Austreiber (6), Kondensator (9), Pumpe (20) und Verdampfer (5) besteht.
13. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Abluft -Ventilator (12) eine vom Brenner (3) gesteuerte Zerstäuberdüse für eine Nachwäsche der Rauchgase angeordnet ist.