DE3709392A1 - Verfahren zur rauchgasbehandlung - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung der Rauchgase von Heizkessel- bzw. Verbrennungsanlagen unterschiedlichster Bauausführung sowie Heizleistung und ist vorzugsweise sowohl für Nachrüstungen in mittleren und kleinen Heizzentralen als auch für die Realisierung derartiger Neubauobjekte effektiv anwendbar.

Die erfindungsgemäße Lösung dient in Verbindung mit einer intensiven Reinigung und optimalen Wärmenutzung der Rauchgase, die aus der Verbrennung fester Brennstoffe resultieren, zur Umwandlung der beim Reinigungsprozeß anfallenden Schadstoffbestandteile in wirtschaftlich verwertbare Produkte oder in ökologisch ungefährliche Substanzen zwecks problemloser Entsorgung bzw. Deponierung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind eine Vielzahl wirksamer Prinziplösungen bekannt, die eine Abgasreinigung, insbesondere zur Verringerung der umweltbelastenden SO₂-Emission, mittels verschiedener Waschlösungen bzw. -suspensionen und unterschiedlichster technischer Einrichtungen zur Erzielung eines intensiven Kontaktes zwischen Abgas und Waschmittel beinhalten. Die Waschlösungen bzw. -suspensionen bestehen dazu zum großen Teil aus Wasser, Alkali- oder Erdalkalimetallverbindungen (z. B. Natriumhydroxid, Natriumcarbonat, Calciumhydroxid) sowie Oxydationskatalysatoren (z. B. Mangan- oder Kobaltionen) und werden in der Regel durch Zirkulationsvorrichtungen mit dem Abgas ständig in Kontakt gebracht. Derartige Waschverfahren sind durch den Einsatz kostengünstiger und verfügbarer Absorptionsmittel charakterisiert und gewährleisten eine nahezu vollständige chemische Umsetzung der gebildeten Sulfitverbindungen in beständige Sulfate der genannten Metalle (z. B. Natriumsulfat, Calciumsulfat).

Die Analyse des Standes der Technik verdeutlicht jedoch, daß eine problemlose Entsorgung bzw. Deponierung oder Nachbehandlung zur stoffwirtschaftlichen Nutzung der anfallenden Reaktionsprodukte derzeit nur durch mehrstufige und teilweise komplizierte Verfahrensschritte mit hohem Investitionsvolumen, energetischen Betriebsaufwendungen und Instandhaltungsanforderungen realisierbar ist.

Dies zeigt sich beispielsweise anhand der Erfindungslösungen gemäß DE-OS 29 25 959, DE-PS 29 25 547, DE-OS 33 23 140, DE-OS 33 04 484, DE-OS 33 05 120 und DD-WP 2 13 358. Desweiteren besitzen die aus der Fachliteratur bekannten und zum Teil praktisch verwirklichten Abgasbehandlungs- und Schadstoffentsorgungsmethoden den Nachteil, daß sich diese nur auf die technisch-technologische Anwendung in Großkraftwerken sowie Müllverbrennungsanlagen beziehen und demzufolge sowohl aus Gründen des großen Platzbedarfes als auch der ungünstigen ökonomischen Gesamtverhältnisse für mittlere und kleinere Verbrennungsanlagen mit Heizleistungen bis etwa 12 MW ungeeignet sind.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein effektives und universell anwendbares Rauchgasbehandlungsverfahren für alle Leistungsbereiche von Verbrennungsanlagen zu entwickeln, welches sich einerseits durch eine minimale Anzahl von verfahrenstechnisch erforderlichen Apparaturen und Prozeßschritten einfachster Art auszeichnet und darüber hinaus nur geringe Investitions- und Betriebskosten beansprucht.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt gemäß vorgenannter Zielstellung die Aufgabe zugrunde, das Rauchgasbehandlungsverfahren so zu konzipieren, daß die im Rauchgas enthaltenen Schadstoffe unter Einbeziehung eines bekannten und zuverlässigen Naßreinigungsverfahrens zunächst neutralisiert und mittels einer sich anschließenden Nachbehandlung in industriell verwertbare Materialien oder physiologisch unbedenkliche und damit deponierbare Abfallmaterialien umgesetzt werden. Die Erfindung ist dazu weiterhin so auszugestalten, daß die Nachbehandlung innerhalb oder in unmittelbarer Nähe der Verbrennungsanlage erfolgt, ein geringer Vorrichtungs- und Platzbedarf für die Durchführung des Verfahrens benötigt und eine optimale Gesamtenergiebilanz ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem eine bekannte Naßwaschvorrichtung, vorzugsweise eine mit Strahlapparat ausgerüstete Vorrichtung, mit der Verbrennungsanlage derart gekoppelt ist, daß die in der Waschvorrichtung enthaltenen und bekannten wäßrigen Absorptionsmittel, welche sich aus wenigstens einer Alkali- und Erdalkaliverbindung und einem metallischen Oxydationskatalysator zusammensetzt, in einer ersten Verfahrensstufe mit den aus der Verbrennung resultierenden Rauchgasen intensiv vermischt und der größte Teil der Schadstoffe sowohl absorbiert als auch oxydiert wird und in einer zweiten Verfahrensstufe das verbrauchte Absorptionsmittel (z. B. wässrige Alkalisulfatlösung oder Erdalkalisulfatsuspension) vollständig oder teilweise in das Innere der Verbrennungsanlage und/oder in deren Einhausungsbereiche oder kontaktnahen Umgebungsbereiche, vorzugsweise in den Ascheauffangbehälter kontinuierlich oder periodisch eingeleitet wird.

Erfindungswesentlich ist ferner, daß die wässrigen Lösungen oder Suspensionen in solche Bereiche der Verbrennungsanlage befördert werden, in denen eine Verdampfung des Wasser möglich und ein erneuter Aufschluß der Sulfate in SO₂ unmöglich ist. Die nach einer Verdampfung des Wasseranteiles des verbrauchten Absorptionsmittels entstehenden Feststoffe stellen grundsätzlich physiologisch unbedenkliche Substanzen dar.

Bei der Durchführung einer Verdampfung im Ascheauffangbehälter der Verbrennungsanlage bilden die letztlich als Feststoffe anfallenden Sulfate zusätzliche Inhaltsstoffe der Asche.

In dem Falle gelingt es außerdem, den Wärmeinhalt dieses Bereiches der Verbrennungsanlage durch deren Kombination mit der nachgeschalteten Naßwaschvorrichtung zurückzugewinnen. Eine vollständige oder teilweise Einleitung des verbrauchten Absorptionsmittels in den Ascheauffangbehälter hat darüber hinaus den Vorteil, daß sich das Schwefeldioxid, welches beim Waschverfahren noch nicht chemisch gebunden wurde, durch die in der Asche befindlichen Metalloxide, z. B. Calcium-, Magnesium-, Aluminium- und Eisen(III)oxide, vollständig neutralisiert wird.

Dieses Asche-Sulfat-Feststoffgemisch kann entweder für eine Weiterverwertbarkeit, beispielsweise als Zuschlagstoff für gipsgebundene Bau- und Modellierstoffe, verwendet oder bei daraus resultierenden ungünstigen örtlichen Transport- und Lagerungsverhältnissen ökologisch problemlos auf einer Abfalldeponie abgesondert werden.

Die bei einer Verdampfung des Wasseranteiles des verbrauchten Absorptionsmittels in anderen Sektionen der Verbrennungsanlage gebildeten sulfatischen Feststoffe sind ebenfalls als Ausgangs- oder Zusatzstoffe für die chemische Industrie oder Baumaterialienindustrie nutzbar. Die hierzu für den Verdampfungsvorgang notwendige Wärmeenergie wird zwar der Verbrennungsanlage entzogen, geht jedoch aufgrund der Einleitung des Dampfes in die Naßwaschvorrichtung und der damit verbundenen Kondensation des Dampfes, abgesehen von vernachlässigbar geringen wärmeenergetischen Fortleitungs- und Übertragungsverlusten, dem Gesamtprozeß nicht verloren.

Zur optimalen Rückgewinnung der Abgaswärme ist ein weiteres erfinderisches Verfahrensdetail derart vorgesehen, daß das für die kontinuierliche oder periodische Erneuerung der Absorptionslösung benötigte Wasser als vorgewärmtes Frischwasser, welches durch Nutzung der Restwärme der Abgase mittels eines unmittelbar nach der Waschvorrichtung am Schornstein angeordneten Wärmeübertragers bereitet wird, zugespeist wird.

Ausführungsbeispiel

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines speziellen Beispieles näher erläutert.

Der mit einer Verbrennungsanlage 1 für feste Brennstoffe 13 gekoppelte Strahlapparat 2, besteht im wesentlichen aus einer Strahldüse 3, einem Strahlrohr 4, einem Sammelbehälter 5 für die Absorptionslösung 6 und einer Pumpe 7. Die Rauchgase der Verbrennungsanlage 1 werden durch die unter Druck verdüste Absorptionslösung 6 über das Rauchgasaustrittsrohr 8 angesaugt. Die im Freistrahl enthaltenen Gasblasen werden zum größten Teil bis zum Boden des Sammelbehälters 5 eingetragen. Bei Aufsteigen zur Oberfläche unterliegen sie zusätzlich dem durch den Freistrahl hervorgerufenen Turbulenzfeld, womit alle für einen intensiven Stoffaustausch notwendigen Erfordernisse, wie lange Verweilzeit des Rauchgases in der Absorptionslösung 6, hohe Turbulenz, feine Gasdispergierung und weitgehende Homogenität der Lösung gewährleistet sind.

Infolgedessen wird nicht nur eine optimale Abgas-Wärmerückgewinnung erreicht, sondern auch eine nahezu vollständige Neutralisation der schadhaften Rauchgasbestandteile, insbesondere des Schwefeldioxids [SO₂].

Die wäßrige Absorptionslösung 6 setzt sich dazu vorzugsweise aus Calciumhydroxid [CA (OH)₂] und einem Kobaltkatalysator [Co²⁺ oder Co³⁺], welcher die Oxydation zu Calciumsulfat [CaSO₄] bei den vorhandenen Temperaturen von 373 K beschleunigt bzw. eine ungünstige Sulfitbildung verhindert, zusammen. Die Absorptionslösung 6 wird nach erreichter optimaler Suspendierung mit Calciumsulfat [Ca SO₄] über ein Auslaßventil 18 in den Ascheauffangbehälter 9 eingebracht. Durch die dort vorliegenden Temperaturen von über 373 K findet eine Verdampfung des Wasseranteiles und damit eine Trocknung des Calciumsulfates [Ca SO₄] statt.

Noch nicht gebundenes Schwefeldioxid [SO₂] wird hierbei wegen des relativ hohen Anteiles an Calciumoxid [CaO], der ca. 34 . . . 37 Masse-% beträgt, ebenfalls zu Calciumsulfat [CaSO₄] oxidiert. Neben den bereits in der Asche enthaltenen Sulfaten, es sind ca. 16 . . . 22 Masse-%, treten aufgrund der Anwesenheit bestimmter Mengen Metalloxide, wie z. B. Eisen(III)oxid, Silizium-, Aluminium- und Magnesiumoxid, weitere Sulfatreaktionen, allerdings nur in geringem Maße, ein.

Das nach der Trocknung in feinkörniger Form vorliegende Asche-Sulfat-Feststoffgemisch 10 enthält Calciumsulfat- Hydrat und Calciumsulfat-Halbhydrat, welches zum überwiegenden Teil z. B. gemäß der Umsetzung CaSO₄ + 2 H₂O CaSO₄ · 1/2 H₂O + 1 1/2 H₂O im Ascheauffangbehälter 9 entsteht.

Das Asche-Sulfat-Feststoffgemisch 10 ist als Zuschlagstoff für viele Baugipsmaterialien verwendbar, beispielsweise zur Herstellung gipsgebundener Holzwolle-Leichtbauplatten, d. h. wenn Masse-Mischungsverhältnisse von mindestens 1 : 6 bis 1 : 10 bezüglich des reinen Calciumsulfates gewählt werden.

Soll eine Entsorgung des Asche-Sulfat-Gemisches 10 auf einer Abfalldeponie erfolgen, ist es aus ergonomischen Gründen vorteilhaft, dieses Gemisch nach der Entnahme aus der Verbrennungsanlage 1 mit Wasser zu versetzen. Da das Calciumsulfat-Halbhydrat dabei wieder Kristallwasser aufnimmt und erhärtet, kann das Asche-Feuerstoffgemisch 10 in stückiger Gestalt staubfrei und volumenvermindert transportiert werden.

Der im Ascheauffangbehälter 9 der Verbrennungsanlage 1 entstehende Wasserdampf 11 gelangt durch das Gitterrost 12 und den festen Brennstoff 13 gemeinsam mit den Rauchgasen über das Rauchgasaustrittsrohr 8 wirder in den Strahlapparat 2, in welchem die Auskühlung der vorgenannten gasförmigen Medien erfolgt.

Bevor das gereinigte Abgas A das Schornsteinrohr 14 verläßt, wird deren Restwärme mittels eines Doppelmantel- Wärmeübertragers 15 für die Vorwärmung von Frischwasser F genutzt. Das vorgewärmte Frischwasser F wird sowohl zur Kompensation der verbrauchten Absorptionslösung 6 im Sammelbehälter 5 als auch für Warmwasserbedarfszwecke außerhalb der Rauchgasbehandlungsanlage zur Verfügung gestellt. Die Zuführung des Frischwassers F in den Strahlapparat 2 erfolgt periodisch oder kontinuierlich mittels einer Dosiereinrichtung 19, über welche das aus einem Speicherbehälter 20 eingespeiste Calciumoxid [CaO] entsprechend zugemischt wird.

Das dosierte Überleiten der zu Calciumsulfat [CaSO₄] oxidierten Absorptionslösung 6 in den Ascheauffangbehälter 9 wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit bestimmter Pegelstände im Sammelbehälter 5 durch ein Auslaßventil 18, welches von einer Schwimmervorrichtung 17 bestätigt wird, vorgenommen. Es besteht auch die Möglichkeit, die Zugabe neuer Absorptionslösung 6 in den Sammelbehälter 5 und die Abfuhr verbrauchter Absorptionslösung 6 in den Ascheauffangbehälter 9 so zu gestalten, daß das Auslaßventil 18 und die Dosiereinrichtung 19 in Abhängigkeit von Steuersignalen eines im Sammelbehälter 5 installierten pH-Wert-Meßgerätes bestätigt werden.

Im Hinblick auf eine effektive Verfahrensgestaltung bieten sich nicht nur Calciumhydroxidlösungen als Absorptionslösungen 6 an, sondern auch Natriumcarbonatlösungen [Na₂CO₃].

• Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen  1 - Verbrennungsanlagen
   2 - Strahlapparat
   3 - Strahldüse
   4 - Strahlrohr
   5 - Sammelbehälter
   6 - Absorptionslösung
   7 - Pumpe
   8 - Rauchgasaustrittsrohr
   9 - Ascheauffangbehälter
  10 - Asche-Sulfat-Feststoffgemisch
  11 - Wasserdampf
  12 - Gitterrost
  13 - fester Brennstoff
  14 - Schornsteinrohr
  15 - Doppelmantel-Wärmeübertrager
  16 - Wärmeübertrager
  17 - Schwimmervorrichtung
  18 - Auslaßventil
  19 - Dosiereinrichtung
  20 - Speicherbehälter
   A - gereinigtes Abgas
   F - Frischwasser
   N - Nutzwasser

Claims (5)

1. Verfahren zur Rauchgasbehandlung, bei dem eine Verbrennungsanlage, vorzugsweise für feste Brennstoffe, mit einer Naßwaschvorrichtung, vorzugsweise eine mit Strahlapparat ausgerüstete Vorrichtung, welche eine wäßrige Absorptionslösung aus wenigstens einer Alkali- oder Erdalkalimetallverbindung und einem metallischen Oxydationskatalysator enthält, gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die bekannte Absorptionslösung (6) in einer ersten Verfahrensstufe mit den aus der Verbrennungsanlage (1) austretenden Rauchgasen intensiv vermischt und nach der Oxydation mit den Schadstoffbestandteilen in einer zweiten Verfahrensstufe vollständig oder teilweise in das Innere der Verbrennungsanlage (1) und/oder in deren Einhausungsbereiche oder kontaktnahen Umgebungssektionen, vorzugsweise in den Ascheauffangbehälter (9), kontinuierlich oder periodisch eingeleitet wird.

2. Verfahren zur Rauchgasbehandlung nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrigen Reaktions- bzw. Oxydationsprodukte der Absorptionslösung (6) in solche Bereiche der Verbrennungsanlage (1) befördert werden, in denen eine Verdampfung des Wassers erfolgt und ein erneuter Sulfataufschluß ausgeschlossen wird.

3. Verfahren zur Rauchgasbehandlung nach Pkt. 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der entstehende Wasserdampf (11) entweder durch das Gitterrost (12) und den festen Brennstoff (13) oder andere Sektionen der Verbrennungsanlage (1) geführt und anschließend wieder in die Naßwaschvorrichtung geleitet wird.

4. Verfahren zur Rauchgasbehandlung nach Pkt. 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Verbrennungsanlage (1) entnommene Asche-Sulfat-Feststoffgemisch (10) entweder in dieser Form oder nach Zugabe von Wasser abtransportiert wird.

5. Verfahren zur Rauchgasbehandlung nach Pkt. 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das für die kontinuierliche oder periodische Erneuerung der Absorptionslösung (6) benötigte Wasser mittels der Restwärme der durch das Schornsteinrohr (14) entweichenden gereinigten Abgase (A) vorgewärmt wird.