DE3734292A1 - Verfahren und anordnung zur kondensation von verbrennungsgasen - Google Patents

Verfahren und anordnung zur kondensation von verbrennungsgasen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kondensation von Verbrennungsgasen in Verbrennungsanlagen sowie eine Vorrichtungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Kondensation von Rauch- und Abgasen aus der Verbrennung von feuchten Brennstoffen und/oder Brennstoffen, die reich an Wasserstoff sind, insbesondere aus der Verbrennung von festen Brennstoffen, wie Torf, Holzschnitzeln und Abfall, für Heizzwecke, z.B. für kommunale Fernheizungen.
Bei herkömmlichen Verbrennungsanlagen geht ein beträchtlicher Teil des Energiegehalts des Brennstoffes über die Verbrennungsgase verloren. Dieser Energieverlust wird verringert, wenn man den Energiegehalt durch Kondensation an der Oberfläche von Wärmeaustauschern auf Luft, Wasser, feuchte Luft oder dgl. überträgt. Diese Technik wird z.B. zum Erwärmen von Leitungswasser angewandt.
Bei dem in der DE-PS 5 47 218 beschriebenen Dampfkessel wird vorerhitzte Verbrennungsluft mit erhitztem Druckwasser befeuchtet. Die Kessel-Abgase dienen auch zum Vorerhitzen von Verbrennungsluft, Kessel-Speisewasser und befeuchteter Verbrennungsluft zusätzlich zu dem Druckwasser.
In der SE-PS 1 63 470 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhitzen von befeuchteter Luft und relativ kalter Luft mit Hilfe von Verbrennungsgasen beschrieben. Das zum Befeuchten der Luft verwendete Wasser wird gegebenenfalls vorerhitzt, wobei auch die Verbrennungsgase zu diesem Zweck verwendet werden können.
Die bekannten Verbrennungsgas-Kühl- bzw. Kondensations- Verfahren ermöglichen es nicht, den Energiegehalt der Verbrennungsgase voll zu nutzen. Beispielsweise kann bei Fernheizungen nur ein beschränkter Teil des Wärmegehalts der Verbrennungsgase durch Kondensation rückgewonnen werden, und zwar aufgrund der hohen Temperatur des in dem Heizleitungssystem im Kreislauf geführten Wassers oder Rückwassers von etwa 50 bis 65°C.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen der Energiegehalt von feuchten Verbrennungsgasen zurückgewonnen werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Kondensation von Verbrennungsgasen in Verbrennungsanlagen, welches gekennzeichnet ist durch die Kombination folgender Schritte:
  • a) Kühlen und Befeuchten des Verbrennungsgases durch Einsprühen von Wasser;
  • b) Kühlen und Kondensieren von Wasserdampf aus den Verbrennungsgasen in einer ersten Kondensationsstufe durch indirekten Wärmeaustausch mit im Kreislauf geführtem Wasser oder Rückwasser aus einem Heißwasser-Kreislauf;
  • c) weiteres Kühlen und Kondensieren von Wasserdampf aus den Verbrennungsgasen in einer zweiten Kondensationsstufe durch indirekten Wärmeaustausch mit Wasser aus einem Verbrennungsluft-Befeuchter;
  • d) Erwärmen und Befeuchten von Verbrennungsluft in dem Befeuchter durch direkten Kontakt mit erwärmtem, im Kreislauf zurückgeführtem Wasser aus der zweiten Kondensationsstufe.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens, welche gekennzeichnet ist durch die Kombination eines Befeuchters (8) zum Erwärmen und Befeuchten von Verbrennungsluft, Überhitzer (10, 12) zum Überhitzen von erwärmter, befeuchteter Verbrennungsluft, einer Sprühkammer (16) zum Kühlen und Befeuchten der Verbrennungsgase, eines indirekten Wärmeaustauschers (17) zur Wärmeübertragung zwischen dem aus einem Heißwasser-Kreislauf rezirkuliertem Wasser und Verbrennungsgas, eines Wärmeaustauschers (21) zur indirekten Wärmeübertragung zwischen Wasser aus dem Befeuchter und dem Verbrennungsgas, einer Zufuhrleitung (24), durch die Flüssigkeit zum Reinigen des Tröpfchenseparators (23) zugeführt wird, eines Kondensatsammlers (22) zum Sammeln von Verbrennungsgas- Kondensat sowie Sprüh- und Rieselwasser, einer Zufuhrleitung (1) zum Einspeisen von zusätzlichem Wasser in den Befeuchter, einer Ableitung (5) zum Ableiten eines Teils des Wassers in der Leitung (4) aus dem Befeuchter und einer Leitung (28) zum Ableiten des Kondensats.
Erfindungsgemäß gelingt es, einen weit höheren Prozentsatz des Wasserdampfgehaltes der Verbrennungsgase zu kondensieren, als dies mit bekannten Verfahren möglich war. Hierdurch kann die Verbrennungsanlage mit maximalem ökonomischem Nutzen betrieben werden.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 ein Energie-Flußdiagramm, das eine erfindungsgemäße Ausführungsform erläutert.
Erfindungsgemäß wird das Verbrennungsgas abgekühlt und befeuchtet, indem man das Gas in direkten Kontakt mit Wasser bringt, worauf es abgekühlt wird, so daß ein Teil des vorhandenen Wasserdampfes kondensiert. Die Kondensationswärme wird durch indirekten Wärmeaustausch zurückgewonnen. Diese Kondensationswärme wird teilweise auf ein Wärmeabsorptionsmedium übertragen, vorzugsweise Rückwasser, das in einem Fernheizsystem im Kreislauf geführt wird, und teilweise auf einen Kreislauf, in dem Wasser innerhalb der Anlage zirkuliert wird, wobei dieses Wasser zum Erwärmen und Befeuchten der Verbrennungsluft dient.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform (siehe Fig. 1) wird Luft, sogenannte Verbrennungsluft, die in die Verbrennungsanlage durch die Leitung (2) eintritt, in einem Befeuchter (8) im Gegenstrom zu rezirkuliertem Wasser aus der Kondensatorstufe (21) erwärmt und befeuchtet, wobei der Befeuchter (8) vorzugsweise ein Befeuchtungsturm des Typs ist, der mit Füllkörpern oder Böden ausgerüstet ist. Zusätzliches Wasser für den Befeuchtungsturm (8) wird durch eine Leitung (1) zugeführt. Das zusätzliche Wasser umfaßt vorzugsweise enthärtetes oder entionisiertes Wasser oder ein gereinigtes Kondensat.
Um ein Aufkonzentrieren von Verunreinigungen in dem Befeuchtungswasser zu vermeiden, werden 5 bis 50% des Wassers kontinuierlich durch eine Leitung (5) abgeleitet, wobei diese Menge auf Basis der dem Befeuchtungsturm zugeführten Menge an zusätzlichem Wasser errechnet wird.
In dem Befeuchtungsturm ist ein Tröpfchenseparator (9) angeordnet, der Tröpfchen aus der erwärmten, befeuchteten Verbrennungsluft entfernt. Das Überhitzen der erwärmten, befeuchteten Verbrennungsluft, die aus dem Befeuchtungsturm austritt, erfolgt in Überhitzern (10, 12). Die überhitzte Verbrennungsluft wird dann zu der (nicht gezeigten) Verbrennungsanlage durch eine Leitung (14) geleitet.
Das Verbrennungsgas aus der Verbrennungsanlage wird durch eine Leitung (15) zu einer Sprühkammer (16) geleitet, in der es mit Sprühwasser, das durch eine Leitung (19) zugeführt wird, befeuchtet und abgekühlt wird. Das derart befeuchtete und abgekühlte Verbrennungsgas wird zu einer ersten Kondensationsstufe (17) für den indirekten Wärmeaustausch mit Rückwasser aus einem Heizleitungsnetz, welches über eine Leitung (20) zugeführt wird, geleitet. In dieser Stufe wird das Verbrennungsgas weiter abgekühlt, um einen Teil des in dem Gas enthaltenen Wasserdampfes zu kondensieren, wobei die dabei freigesetzte Kondensationswärme auf das Rückwasser übertragen wird und dieses erwärmt. Das Verbrennungsgas wird dann einer zweiten Kondensationsstufe (21) zugeführt, in der es weiter abgekühlt wird und weiterer Wasserdampf durch indirekten Wärmeaustausch mit Wasser, das über eine Leitung (6) einem Tank (3) am unteren Ende des Befeuchtungsturms (8) entnommen wird, kondensiert wird. Um ein Ansammeln von Verunreinigungen an den Wärmeaustausch-Oberflächen der Kondensationsstufe zu verhindern, werden diese Oberflächen intermittierend mit Rieselwasser, das über Leitung (18) zugeführt wird, gereinigt.
Der Wasserstrom in dem Befeuchtungskreislauf - Befeuchtungsturm (8) und Leitungen (4, 6, 7) - wird vorzugsweise so geregelt, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Rückwasser aus der zweiten Kondensationsstufe in Leitung (7) und dem in Leitung (4) abströmenden Wasser 10 bis 30°C, vorzugsweise 15 bis 25°C, beträgt. Hierdurch wird erreicht, daß ein Maximum der in den Verbrennungsgasen enthaltenen Abwärme zurückgewonnen werden kann.
Das gekühlte Verbrennungsgas wird dann einem Tröpfchenseparator (23) zugeführt und von dort über eine Leitung (26) einem Schornstein. Der Separator (23) wird intermittierend mit Rieselwasser, das über eine Leitung (24) zugeführt wird, gereinigt. Gegebenenfalls kann man das Verbrennungsgas vor dem Eintritt in den Schornstein in einer Vorrichtung (27) stromabwärts zum Separator (23) erhitzen, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, um eine Korrosion des Schornsteins sowie der zum Schornstein führenden Gasleitungen oder -kanäle zu verhindern.
Das Sprühwasser, Rieselwasser, Verbrennungsgas-Kondensat und die in dem Tröpfchenseparator (23) entfernten Tröpfchen werden in einem Kondensatsammler (22) gesammelt, aus dem die darin enthaltene Flüssigkeit abgezogen und über eine Leitung (28) einer Reinigungsvorrichtung (30) oder über eine Leitung (29) einem Auffangbehälter zugeführt wird. In den Kondensationsstufen können Reinigungschemikalien verschiedener Art zugeführt werden, um eine Reinigung des Gases zu bewirken, vorzugsweise über eine Leitung (31), die mit der Leitung (19) verbunden ist, in der das Sprühwasser geführt wird.
In einer anderen besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist das in dem Befeuchtungsturm verwendete zusätzliche Wasser ein Kondensat, das aus der zweiten Kondensationsstufe entnommen wird. In diesem Fall ist zwischen den ersten und zweiten Kondensationsstufen vorzugsweise eine Kollektorplatte für Schmutzkondensat aus dieser Stufe in Kombination mit geeigneten Leitungen angeordnet, wodurch es möglich ist, "verunreinigtes" Kondensat aus der ersten Kondensationsstufe von dem "reineren" Kondensat aus der zweiten Kondensationsstufe zu trennen.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 in einem Arbeitsbeispiel näher erläutert.
Beispiel
Dieses Beispiel bezieht sich auf eine Verbrennungsanlage zum Verbrennen von Torf mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 50% für die Heißwasser-Erzeugung in einem kommunalen Fernheizungsnetz, wobei das rezirkulierte Wasser oder Rückwasser eine Temperatur von 60°C hat.
Auf 20°C erwärmte Verbrennungsluft wird über die Leitung (2) mit einem Durchsatz von 3,9 kg/s dem Befeuchtungsturm (8) zugeführt. Enthärtetes Wasser mit einer Temperatur von 10°C wird über die Leitung (1) mit einem Durchsatz von 0,63 kg/s dem Tank (3) am unteren Ende des Befeuchtungsturms (8) zugeführt.
15,59 kg auf 38°C erwärmtes Wasser werden pro Sekunde dem Tank (3) am unteren Ende des Befeuchtungsturms (8) über die Leitung (4) entnommen. 0,19 kg dieses Wassers werden pro Sekunde durch die Leitung (5) abgeleitet, wobei dieses Wasser eine Temperatur von 38°C hat. Der Rest des Wassers mit einer Temperatur von 38°C wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 15,4 kg/s über die Leitung (6) der zweiten Kondensationsstufe (21) zugeführt. Das Wasser wird in der Kondensationsstufe durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsgas auf eine Temperatur von 58°C erhitzt.
Der Tröpfchenseparator (9) entfernt Wassertröpfchen aus der Verbrennungsluft im Inneren des Befeuchtungsturms. Heiße befeuchtete Verbrennungsluft mit einer Temperatur von 56°C und einem Taupunkt von 56°C wird aus dem Befeuchtungsturm (8) mit einem Durchsatz von 4,34 kg/s einem ersten Überhitzer (10) zum indirekten Wärmeaustausch mit Heißwasser einer Temperatur von 180°C, welches über die Leitung (11) aus dem (nicht gezeigten) Heißwasser-Kreislauf der Verbrennungsanlage zugeführt wird, zugeleitet. Die befeuchtete Verbrennungsluft wird dadurch auf 95°C erhitzt und anschließend in einem zweiten Überhitzer (12) auf 190°C überhitzt. Der zweite Überhitzer wird mit Verbrennungsgas aus dem Kessel der Verbrennungsanlage, welches über die Leitung (13) mit einem Durchsatz von 5,2 kg/s zugeführt wird und eine Temperatur von 245°C hat, beheizt. Die Temperatur des Verbrennungsgases fällt hierdurch auf 170°C. Das Verbrennungsgas, das einen Wasser-Taupunkt von 72°C hat, wird dann durch die Leitung (15) der Sprühkammer (16) zugeführt. Die überhitzte, befeuchtete Verbrennungsluft wird dann dem (nicht gezeigten) Kessel über die Leitung (14) zugeführt. Das Verbrennungsgas wird mit Hilfe des durch die Leitung (19) eingeleiteten Sprühwassers abgekühlt und befeuchtet. Das Verbrennungsgas wird in der ersten Kondensationsstufe (17) durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Rückwasser, welches aus dem Fernheizsystem rezirkuliert und über die Leitung (20) zugeführt wird, kondensiert, wobei sich das Rückwasser von 60°C auf 65,4°C erwärmt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Rückwassers beträgt 70,5 kg/s. Das taufeuchte Verbrennungsgas wird aus der Kondensationsstufe (17) mit einem Durchsatz von 4,81 kg/s und einer Temperatur von 65°C der zweiten Kondensationsstufe (21) zugeführt. Das Verbrennungsgas verläßt die zweite Kondensationsstufe mit einem Durchsatz von 4,32 kg/s und einer Temperatur von 48°C und ist bis zum Taupunkt befeuchtet.
Das Verbrennungsgas wird dann durch den Kondensatsammler (22) und den Tröpfchenseparator (23) geleitet, worauf man es durch die Vorrichtung (27) leitet, in der es auf 58°C erhitzt wird. Die Vorrichtung (27) wird indirekt durch Dampf, der über die Leitung (25) mit einem Durchsatz von 0,022 kg/s und einer Temperatur von 180°C zugeführt wird, erhitzt. Der Dampf wird der (nicht gezeigten) Dampfhaube der Verbrennungsanlage entnommen.
Das in den Kondensationsstufen (17, 21) erhaltene Kondensat, das Sprüh- und Rieselwasser aus der Sprühkammer (16), das Rieselwasser und die entfernten Tröpfchen aus dem Tröpfchenseparator (23) werden in dem Kondensatsammler (22) gesammelt.
Das Kondensat wird dann dem Kondensatsammler (22) über die Leitung (28) mit einem Durchsatz von 0,88 kg/s und einer Temperatur von 47°C entnommen und über die Leitung (29) einer kommunalen Kläranlage zugeführt.
Die Verbrennungsanlage hat eine Leistung von 8,9 MW. Kühlt man das Verbrennungsgas auf herkömmliche Weise durch Wärmeaustausch mit Rückwasser aus dem kommunalen Heiznetzwerk, jedoch ohne die erfindungsgemäße Befeuchtung der Verbrennungsluft, auf 65°C, so beträgt die Leistung nur 7,6 MW, was einer Abnahme von 14,6% gegenüber der erfindungsgemäßen Verbrennungsgas-Kondensation entspricht. In einer herkömmlichen Verbrennungsanlage, in der die Verbrennungsgase nicht kondensiert werden, beträgt die entsprechende Leistung lediglich 7,3 MW, d.h. 18% weniger als die erfindungsgemäß erzielte Leistung.
Der Energiefluß in diesem Beispiel ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Bedeutung der einzelnen Bezugszeichen ist aus der folgenden Tabelle ersichtlich:
AA = Heizkessel
17 = Kondensationsstufe 1
21 = Kondensationsstufe 2
A = aus Heizkessel, MW
B = Verbrennungsverluste, MW
C = Rückwasser aus dem kommunalen Heiznetzwerk, erhitzt in dem Heizkessel, MW
D = Verbrennungsgas aus dem Heizkessel, MW
E = Überhitzen, MW
F = Rückwasser aus dem kommunalen Heiznetzwerk, erhitzt in der ersten Kondensationsstufe, MW
G = aus der Verbrennungsanlage, MW
H = Kondensat, MW
I = Verbrennungsgas aus der ersten Kondensationsstufe, MW
K = Kondensat aus der zweiten Kondensationsstufe, MW
L = Verbrennungsgas aus der zweiten Kondensationsstufe,
M = erhitztes Verbrennungsgas zum Schornstein, MW
N = zusätzliches Wasser, MW
P = abgeleitetes Befeuchtungswasser, MW
R = erwärmtes Befeuchtungswasser, MW
S = zugeführte Verbrennungsluft, MW
T = Brennstoffzufuhr, MW
U = zum Heizkessel, MW
Der Strom R, d. h. der Strom aus der zweiten Kondensationsstufe (21) zu dem Heizkessel (AA), ist in herkömmlichen Verbrennungsgas-Kondensationsanlagen, in denen die Verbrennungsluft nicht befeuchtet wird, nicht vorhanden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Kondensation von Verbrennungsgasen in Verbrennungsanlagen, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Schritte:
  • a) Abkühlen und Befeuchten des Verbrennungsgases durch Einspritzen von Wasser,
  • b) Abkühlen und Kondensieren von Wasserdampf aus dem Verbrennungsgas in einer ersten Kondensationsstufe durch indirekten Wärmeaustausch mit Rückwasser aus einem Heißwasser-Kreislauf,
  • c) weiteres Kühlen und Kondensieren von Wasserdampf aus dem Verbrennungsgas in einer zweiten Kondensationsstufe durch indirekten Wärmeaustausch mit Wasser aus einem Verbrennungsluft-Befeuchter,
  • d) Erwärmen und Befeuchten von Verbrennungsluft in dem Befeuchter durch direkten Kontakt mit erwärmtem Rückwasser aus der zweiten Kondensationsstufe.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verbrennungsluft im Anschluß an ihre Befeuchtung überhitzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Tröpfchen aus dem Verbrennungsgas entfernt und das Gas nach Vervollständigung des Gas-Abkühlprozesses wieder erhitzt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Befeuchter Wasser zuführt und daraus 5 bis 50 Volumenprozent des zugeführten Wassers ableitet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Befeuchter zugeführte zusätzliche Wasser enthärtetes und/oder entionisiertes Wasser oder gereinigtes Kondensat aus dem Verbrennungsgas-Kondensationsprozeß ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Befeuchter zugeführte zusätzliche Wasser ein der zweiten Kondensationsstufe entnommenes Kondensat ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Wasser-Zustrom zu dem Befeuchter derart regelt, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem zuströmenden und dem abströmenden Wasser 10 bis 30°C, vorzugsweise 15 bis 25°C, beträgt.
8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Kombination eines Befeuchters (8) zum Erwärmen und Befeuchten von Verbrennungsluft, Überhitzer (10, 12) zum Überhitzen der erwärmten und befeuchteten Verbrennungsluft, einer Sprühkammer (16) zum Abkühlen und Befeuchten von Verbrennungsgas, eines indirekten Wärmeaustauschers (17) zum Wärmeaustausch zwischen Rückwasser aus einem Heißwasser-Kreislauf und Verbrennungsgas, einem indirekten Wärmeaustauscher (21) zur Wärmeübertragung zwischen Wasser aus dem Befeuchter und Verbrennungsgas, einem Kondensatsammler (22) zum Sammeln von Verbrennungsgas-Kondensat und Sprühwasser sowie Rieselwasser, einer Zufuhrleitung (1) zum Einspeisen von zusätzlichem Wasser in den Befeuchter, einer Leitung (5) zum Ableiten eines Teils des Wassers aus dem Befeuchter und einer Leitung (28) zum Ableiten von Kondensat.
9. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Zufuhrleitung (31) zum Einspeisen von Gas-Reinigungschemikalien in die Sprühkammer (16) durch die Leitung (19).
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