DE3609164A1 - Vorrichtung zur feststoffseitigen kopplung von wanderbettadsorptionsvorrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kopplung von Wander­ bettadsorptionsappparaten für die Reinigung von Gasen, ins­ besondere zur Entschwefelung und Entstickung von Rauchgasen aus Feuerungsanlagen durch mehrmaliges Durchleiten des zu reinigenden Gasstromes durch körnige, kohlenstoffhaltige Materialien, wobei mindestens zwei Wanderbetten bezüglich des Gasweges und bezüglich des Feststoffweges so hintereinander geschaltet werden, daß, durch Schwerkraft bewegt, das aus dem in Gasstromrichtung gesehen zweiten Wanderbett unten austretende, körnige, kohlenstoffhaltige Material oben in das erste Wanderbett einfließt, wo hingegen das zu reinigende Gas, quasi im Gegenstrom, zuerst durch das erste, dann durch das zweite Wanderbett durchströmt.

Nach den Verfahren entsprechend dem Stand der Technik wird das aus dem ersten Wanderbett unten austretende, beladene, kohlenstoffhaltige, körnige Material in einer separaten Ein­ richtung regeneriert und gegebenenfalls zusammen mit frischem kohlenstoffhaltigen, körnigen Material am oberen Einlaß des zweiten Wanderbettes wieder eingefüllt.

Nach einem, in der Anmeldung P 36 04 204.8 beschriebenen Ver­ fahren und einer entsprechenden Vorrichtung, aber auch nach der Veröffentlichung DE 27 21 588 und DE 25 40 141, weiterhin nach DE- OS 31 01 053, bei denen ein Wanderbett in mindestens zwei Zonen unterteilt ist, die mit wechselnden Richtungen vom Gasstrom durchströmt werden, treten Kurzschlußströmungen des Gases inner­ halb des Wanderbettes auf. In diesen Anordnungen lassen sich Linien gleichen Druckwiderstandes so einzeichnen, daß an bestimm­ ten Stellen eine Querdurchströmung des Wanderbettes nicht mehr stattfindet, sondern Kurzschlußströmung auftritt. Entsprechend bekannten Gesetzmäßigkeiten der Strömungslehre sind den ver­ schiedenen Druckwiderständen entsprechend unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten zugeordnet.

Das kohlenstoffhaltige, körnige Material der Wanderbetten ist für die Reinigung von Gasen nur dann zu gebrauchen, wenn es eine hohe Aktivität besitzt. Diese Aktivität beruht auf einer großen inneren Oberfläche, an der Adsorption, Reaktion und Katalyse mit entsprechenden Umsätzen verlaufen. Enthalten die zu reinigenden Gase Sauerstoff, wie beispielsweise Rauchgase, findet immer auch eine exotherme Oxidation des kohlenstoffhaltigen Materials statt. Da die Umsatzgeschwindigkeiten dieser Reaktion auch bei sehr kleinen Gasgeschwindigkeiten nicht dazu führt, daß im Betriebs­ fall der in diesen Gasen vorhandene Sauerstoff verbraucht wird, wird beobachtet, daß die dadurch bedingte Wärmeentwicklung je Zeiteinheit nur noch von der Temperatur abhängig ist. In gleicher Weise wie die Reaktion zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff, sind die Adsorptionsvorgänge auf dem körnigen, kohlenstoffhaltigen Material exotherm. Wird Schwefeldioxid adsorbiert, entsteht durch ebenfalls exotherme Oxidation auf dem körnigen, kohlenstoff­ haltigen Material Schwefeltrioxid. Dieses wird durch adsorbiertes Wasser ebenfalls exotherm hydratisiert und zusätzlich in einer exothermen Verdünnungsreaktion auf 60-80% verdünnt. Auf diese Weise läßt sich in einem Wanderbett, bei konstantem Schadstoff­ mengenstrom, eine temperaturabhängige Wärmeentwicklung, wie in Fig. 1 als Linie Q dargestellt, feststellen. Würde die ent­ stehende Wärme nicht abgeführt werden, würde sich die Temperatur des körnigen, kohlenstoffhaltigen Materials laufend erhöhen und nach Erreichen der Zündgrenze zum Abbrand des Wanderbettes führen.

Da jedoch das Rauchgas, welches quer durch die Wanderbetten strömt, als Wärmeträgermedium wirkt, kann sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen dem entstehenden Wärmestrom und dem durch das abströmende Rauchgas weggeführten Wärmekapazitätsstrom einstellen. In der Fig. 1 sind drei Wärmekapazitätsströme des Rauchgases, W 1, W 2 und W 3 eingezeichnet, die definierten Volumen­ strömen, d.h. Strömungsgeschwindigkeiten, entsprechen.

Ist der kapazitive Wärmestrom W (1, 2, oder 3) kleiner als der Wärmequellstrom Q, steigt die Temperatur des Wanderbettes langsam an. Wird nun bei steigender Temperatur der Wärmekapazitätsstrom des abströmenden Gases größer (W 1, W 2) als der Wärmequellstrom Q, kühlt sich das Wanderbett selbsttätig wieder ab. Diese Dynamik führt zu den stabilen Gleichgewichtspunkten G 1. Bei den Gasgeschwindigkeiten W 1 und W 2 wirkt das System links von Schnittpunkt G 2 selbst stabilisierend. In den Strecken, wo die Wärmekapazitätsströme des abströmenden Gases (Linie W 2 rechts vom Gleichgewichtspunkt G 2 und links vom Gleichgewichtspunkt G 1 sowie die Wärmekapazitätslinie W 3, mit Ausnahme eines tangentialen Punktes, im gesamten Verlauf) unterhalb der Q-Linie liegen, heizt sich das Wanderbett stetig bis zur Zündgrenze auf. In diesem Bereich ist das Wanderbett thermisch instabil; ohne Eingriff von außen kommt es zwangsläufig zum Abbrennen. Die Wärmekapazitäts­ linie W 3 stellt einen Grenzfall dar. Sie repräsentiert die minimal mögliche Strömungsgeschwindigkeit für das betreffende Gas, die gerade noch bei einer definierten Temperatur ohne irreversible Aufheizung gefahren werden kann. Diese Geschwindig­ keit darf aus Gründen der Betriebssicherheit an keiner Stelle im wandernden Bett aus körnigem, kohlenstoffhaltigen Material unter­ schritten werden.

Aus diesen Ausführungen wird sofort deutlich, daß die in DE 27 21 588, DE 25 40 141 und DE-OS 31 01 053 vorgeschlagenen Vorrich­ tungen nach dem Stand der Technik mit sauerstoffhaltigen Gasen nicht betriebssicher gefahren werden können, da durch Nichts verhindert werden kann, daß in einzelnen Bereichen der Wanderschicht die Strömungsgeschwindigkeit unter eine für die irreversible Aufheizung kennzeichnende Größe absinkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch für sauerstoffhaltige Gase, insbesondere für Rauchgase eine betriebs­ sichere Fahrweise zu ermöglichen, wenn zwischen zwei Wanderbetten das feste, kohlenstoffhaltige, körnige Material in offener Ver­ bindung steht, oder ein einziges Wanderbett in verschiedenen Höhenzonen mehrfach mit wechselnder Richtung durchströmt wird.

Diese Aufgabe ist durch die der Erfindung zugrunde liegenden Idee mit den der Erfindung zugrunde liegenden Vorrichtungen besonders gut gelöst worden:

• - Das Auftreten von Bettüberhitzungen wird durch entsprechende Auslegung von Druckwiderstandsstrecken, wie sie in den Abbildungen 2 bis 6 dargestellt sind, vermieden.
• - Besonders vorteilhaft wirkt die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dadurch, daß die Verweilzeiten des kohlenstoffhaltigen, körnigen Materials zwischen den querdurchströmten Zonen minimiert wird. Dadurch werden sich trotz allem gegebenen­ falls aufheizende Bereiche zwischen den querdurchströmten Zonen schnell in Bereiche übergeführt, die durch das durch­ strömende Gas gekühlt werden.
• - Die Betriebssicherheit ist bei der Reinigung von sauerstoff­ haltigen Gasen, insbesondere Rauchgasen, erhöht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf verschiedene Weise ausgestaltet sein. Wesentlich ist jedoch, daß sie eine Quer­ schnittsverengung des Wanderweges des kohlenstoffhaltigen, körnigen Materials darstellt und daß die Länge dieser Einschnürung durch die Druckverhältnisse in den jeweils verbundenen Wanderbetten im Hinblick auf eine definierte Gas­ durchströmung bestimmt wird. Ebenso ist kennzeichnend, daß der Querschnitt mindestens so groß ist, daß ein einwandfreies Passieren des körnigen, kohlenstoffhaltigen Materials möglich ist, höchstens jedoch so groß gewählt wird, daß im Falle uner­ warteter Temperaturerhöhung die Verweilzeit hinreichend klein ist, um vor Erreichen der Temperatur entsprechend Punkt G 2 in Fig. 1 im unteren Wanderbett die Temperatur zu stabilisieren. In den Abbildungen Fig. 2 bis Fig. 6 sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt:

Im einzelnen setzt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung, gem. Fig. 2, aus einem Sammeltrichter 1, einer definierten Druck­ widerstandsstrecke 2 und einem Verteilertrichter 3 zusammen. Im Betriebsfall ist die Vorrichtung mit kohlenstoffhaltigem, körnigen Material 4 gefüllt. Die Abmaße d und h werden rechne­ risch festgelegt, und zwar entsprechend dem Verhältnis der Drucke P 1 und P 2 sowie einer gewünschten mittleren Verweilzeit. Der Winkel des Verteilertrichters 3 wird im Vergleich zum Schütt­ winkel des kohlenstoffhaltigen, körnigen Materials so gewählt, daß im Betriebsfall keine Hohlräume entstehen. In der Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung beispielhaft dargestellt, in der ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgezeichnet ist. Die wesentlichen Bestandteile der Vorrichtung, nämlich Sammeltrichter 5, definierte Druckwider­ standsstrecke 6 und Verteilertrichter 7, sind wieder vorhanden. Im Sammeltrichter 5 sind Absaugleitungen 8 angebracht, die über eine Ringleitung 9 und eine Absaugleitung 10 das Entfernen von staubförmigen Abrieb oder Bruch des körnigen, kohlenstoffhaltigen Materials 11 ermöglichen. Dies zeigt sich als vorteilhaft, da Feinanteile des kohlenstoff­ haltigen, körnigen Materials, die durch Bruch oder Abrieb ent­ stehen und durch die Gasströmung von unten nach oben mitgerissen werden, sich in der Querschnittserweiterung ansammeln und den Druckwiderstand unerwünscht heraufsetzen können. Die voraus­ berechnete Strömungsgeschwindigkeit könnte in Folge dessen ohne Absaugung nicht eingehalten werden. Diese Absaugung ist selbstverständlich auch für die nachfolgenden Beispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in Fig. 4 bis 6 beschrieben sind, einsetzbar. Die Ausgestaltung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung, entsprechend den Fig. 2, 3 und 6, ist insbe­ sondere gedacht für Ausführungen von Gasreinigungsanlagen, wie sie in der Anmeldung P 36 04 204.8 angegeben wurde.

Entsprechend der Fig. 4 läßt sich die erfindungsgemäße Vor­ richtung auch so ausführen, daß ein Schenkel des Verteiler­ trichters 15 durch die sich natürlich ergebende Oberfläche des Schüttkegels des körnigen, kohlenstoffhaltigen Materials 12 gebildet wird. In diesem Fall besteht die erfindungsgemäße Vor­ richtung aus einem Sammeltrichter 13, einer definierten Druck­ widerstandsstrecke 14, die im Betriebsfall mit körnigem, kohlen­ stoffhaltigen Material 12 gefüllt ist, und einem teilweise offenen Verteilertrichter 16, 15. Für den Fall, daß eine Gasreinigungsvorrichtung in der Art vorliegt, wie sie durch DE 27 21 588 oder 25 40 141 veröffentlicht ist, kann die Höhe der definierten Druckwiderstandsstrecke 14 deutlich kürzer sein, als in den Fällen Fig. 2 und Fig. 3, da der gasseitige Druck­ widerstand zwischen erstem und zweitem Bettdurchtritt gering ist.

Für die gleiche Art der Gasreinigungsvorrichtungen wie in Fig. 4 läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch entsprechend Fig. 5 ausführen. Die Einschnürung des Wanderbettes wird asymme­ trisch durch eine schräge Verengung 19 zu einer definierten, verengten Widerstandsstrecke 20 eingezogen und mit einem Verteilerblech 21 wieder auf die Bettbreite ausgedehnt. Die der Einschnürung gegenüberliegende Seite besteht aus einer gasdurch­ lässigen Wandung 18, die entweder in Form von Jalousieblechen, Netzwerken, oder Lochblechen etc. ausgeführt sein kann, die das körnige, kohlenstoffhaltige Material 22 stützt.

Geringere Bauhöhe ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise gemäß Fig. 6. In den Sammeltrichter 23 und den Verteilertrichter 27 sind Sperrkörper 26 eingebaut, die bereits in den Trichtern den gewünschten verengten Querschnitt her­ stellen, so daß die definierte Druckwiderstandsstrecke 24 in die Trichter 23, 24 fortgesetzt gedacht werden muß. Die Vorrichtung ist im Betriebsfall mit kohlenstoffhaltigem, körnigen Material 25 gefüllt. Die Sperrkörper 26 können selbstverständlich auch in den Vorrichtungsbeispielen gemäß Fig. 2 bis 5 eingebaut sein.

Mit dem folgenden Beispiel sei die erfindungsgemäße Vorrichtung kurz beschrieben. Der gasseitige Druckwiderstand zwischen einem ersten und einem zweiten Wanderbett aus körnigem, kohlenstoff­ haltigen Material, welche zur Reinigung von Rauchgasen eingesetzt sind, beträgt bei einer Last von 100% rd. 2,5 mbar. Wird die Rauchgaskapazität auf 30% des Normallastfalles heruntergefahren, ist der gasseitige Druckwiderstand zwischen beiden Wanderbetten rd. 0,03 mbar. Der Auslauf des zweiten Wanderbettes, das senkrecht über dem ersten Wanderbett angeordnet ist, mündet in eine erfindungsgemäße Vorrichtung, z.B. gemäß Fig. 2. Sie enthält als Druckwiderstandsstrecke eine Rohrleitung mit einem Quer­ schnitt von rd. 0,12 m². Die Länge dieses Druckwiderstandsrohres, das im Betriebsfall mit kohlenstoffhaltigem, körnigen Material aufgefüllt ist, wird auf 2 000 mm bemessen. Dies gewährleistet eine Aufenthaltszeit des kohlenstoffhaltigen, körnigen Materials von ca. 20 Minuten, d.h. eine ca. 17 mal höhere Wandergeschwin­ digkeit als im Wanderbett. Bei Normallast (100%) stellt sich eine Gasgeschwindigkeit von ca. 0,4 m/sek. in diesem Druck­ widerstandsrohr ein. Im 30%-Lastfall beträgt die Geschwindigkeit noch ca. 0,1 m/sek. Diese Geschwindigkeiten liegen einerseits hinreichend weit unterhalb der kritischen Gasgeschwindigkeit, die zu einem Feststoffstau führen würde, andererseits hinreichend oberhalb der kritischen Geschwindigkeit, die zur stetigen Aufheizung des kohlenstoffhaltigen, körnigen Materials führen kann. Die Staubabsaugung fördert staubbeladenes Rauchgas in diskontinuierlicher Arbeitsweise.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur feststoffseitigen Verbindung von im Kreuz­ strom mit Gas durchströmten Wanderbetten aus körnigen, kohlenstoffhaltigen Materialien, wobei zwei Wanderbetten übereinander angeordnet sind und das Gas zunächst ein Wander­ bett quer durchströmt, nach dem Austritt zum zweiten Wander­ bett geleitet wird und dieses ebenfalls quer durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beide Wanderbetten eine Strecke verengten Querschnitts einge­ baut ist, wobei der Querschnitt rechnerisch aus den Gas­ drucken im ersten und zweiten Wanderbett und nach der Verweilzeit des kohlenstoffhaltigen, körnigen Materials in der Einschnürung festgelegt wird.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hauptbestandteile der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung ein Sammeltrichter (1, 5, 13, 19, 23), eine definierte Druckwiderstandsstrecke (2, 6, 14, 24) und ein Verteiltrichter (3, 7, 16, 21, 27) sind.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiltrichter (16) nicht allseitig gasdicht abgeschlossen ist und mindestens eine Seite (15) durch die Oberfläche des Schüttkegels des körnigen, kohlenstoffhaltigen Materials (12) gebildet wird, durch die das Gas durchströmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ gekennzeichnet, daß Einschnürung (19), Druckwiderstands­ strecke (20) und Verteiltrichter (21) asymmetrisch Verengung und Wiedererweiterung herbeiführen, wobei mindestens eine Seitenwand über die gesamte Höhe gasdurchlässig ausgeführt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gasdurchlässige Seite der Vor­ richtung (17, 18) aus Siebgewebe, Lochblechen, jalousieartig angeordneten Blechen oder Streckmetall besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Sammeltrichter (1, 5, 13, 19, 23) allein / und / oder im Verteilrichter (3, 7, 16, 27) Sperrkörper (26) eingebaut sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Sammeltrichter (1, 5, 13, 19, 23) durch nach außen führende Leitungen (8) ggf. über eine entsprechende Ringleitung (9) mittels einer Saugleitung (10) staubbeladenes Gas abgezogen wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch die Druckwiderstandsstrecke 0,07 bis 0,5 m/s beträgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Druck­ widerstandsstrecke 1/10 bis 1/20 des Wanderbettquerschnittes beträgt.