DE3879027T2 - Verfahren und einrichtung fuer die behandlung oder mischung von komponenten in gas -oder fluessigkeitsstroemen. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung, möglicherweise durch chemische Bindung, von Verunreinigungen in einem Fluid, wie einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom, in dem das Fluid mit neutralisierenden und/oder absorbierenden Substanzen in Kontakt gebracht wird und die erhaltenen Mischungs- oder Reaktionsprodukte abgetrennt werden.
• Ein Beispiel einer Anwendung, in der dieses Verfahren durchgeführt wird, ist (sind) die zyklonförmigen Reaktionskammer(n), in denen Absorptions/Neutralisierungs-Substanzen mit verunreinigten Rauchgasen von Müllverbrennungsanlagen in Kontakt gebracht werden.
• Dabei ist die erste Funktion der Zyklone das Einfangen von Funken, die aus den Brennern mitgeschleppt werden, in den Fällen wo Gewebefilter verwendet werden, um Flugasche und Reaktionsprodukte aus den Rauchgasen zu entfernen, bevor die genannten Rauchgase durch einen Kaminschacht in die Atmosphäre ausgestoßen werden. Der Kontakt zwischen den Rauchgasen und den in den Zyklonen zugesetzten Absorptions-/Neutralisierungs-Substanzen ist derart, daß ein Teil der sauren Komponenten aus den Rauchgasen gebunden und neutralisiert werden. Versuche haben gezeigt, daß der Neutralisierungseffekt in den Zyklonen höher ist als der der auf den stromabwärtigen Filtergeweben gebildeten Neutralisierungsschicht. Es gibt jedoch Hinweise darauf, daß im Falle von hoher Belastung mit sauren Komponenten, wie sie in der Praxis in Rauchgasen regelmäßig vorkommen, die Gesarnteffizienz von stromaufwärtigen Zyklonen und stromabwärtigen Gewebefiltern ungenügend ist, um die in jüngster Zeit in nationalen und internationalen Vorschriften festgelegten Emissionsstandards einzuhalten.
• Die alternative Möglichkeit wäre eine nasse Rauchgasreinigung, mit der diese Standards eingehalten werden können. Die Folge davon ist jedoch, daß es die Investitionen als Folge der mit diesem Verfahren verbundenen komplizierten Verfahrensweise um den Faktor 2 oder 3 erhöht, wozu außerdem, in den meisten Fällen, zusätzliche Abwasserreinigung erforderlich ist.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die trockene Rauchgasreinigung mit Zyklonen in der Weise zu verbessern, daß Emissionsstandards eingehalten werden und sich sogar niedrigere Werte als erwartet ergeben, so daß eine besondere Verbesserung bei der Lösung von Umweltproblemen, beispielsweise, in Bezug auf Müllverbrennungsanlagen, erzielt wird. Dies kann dabei zu recht akzeptablen Preisen erreicht werden.
• Dementsprechend werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch Anwendung der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale, die in den Zyklon eintretenden Komponenten nicht nur zentrifugiert, sondern die leichten Fraktionen in den Rauchgasen einschließlich des Hauptteils der gasförmigen sauren Komponenten werden daran gehindert, direkt durch den Rauchgasstrom zum Zyklonausgang zu diffundieren, so daß der Kontakt mit den neutralisierenden schwereren Komponenten zu kurz ist.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die leichten Fraktionen in den Rauchgasen zusammen mit den schwereren Fraktionen gemeinsam nach Eintritt in die Zyklone zentrifugiert, während im Gegensatz zur Situation bei der derzeitigen Konstruktion in Zyklonen, ein in zunehmendem Maße intensivierter Kontakt durch erhöhte Konzentration und bei gleichzeitig stark erhöhter Geschwindigkeit mittels eines umgekehrten Konus, der bevorzugt in der Mitte des Zyklons vorgesehen ist, verstärkt wird. Dies zwingt die leichten (d. h. sauren) Komponenten in den Rauchgasen dazu, mit den neutralisierenden Substanzen unmittelbar, intensiv und über einen längeren Zeitraum zu reagieren.
• Durch Wiederholung der Konstruktion eines umgekehrten Konus, wie oben gezeigt, auf einer tieferen Ebene wird eine Umkehr der Rauchgasbewegung erreicht, wodurch der absteigende Wirbel von hoher Geschwindigkeit umgekehrt wird in einen aufsteigenden, zu Beginn expandierenden Wirbel von relativ geringer Geschwindigkeit. Da der Wirbel demgemäß danach auf einer höheren Ebene sich wieder der Mitte des Zyklons nähert, werden die Beschleunigung und die Konzentration beträchtlich erhöht. Die schwereren Fraktionen in dem stark beschleunigten aufsteigenden Wirbel werden mit den leichten Fraktionen (einschließlich der zu neutralisierenden) im Gasstrom wieder intensiv gemischt. Wiederholung der oben genannten umgekehrten Konuskonstruktionen im Inneren des Zyklons erhöht den Effekt des Mischens und Neutralisierens von sauren Komponenten in den Rauchgasen. Darüber hinaus kann der Effekt des Mischens und der chemischen Reaktion pro "Boden" dadurch erhöht werden, daß der Abstand zwischen den inneren Konussen verstellbar ausgebildet wird. Auf diese Weise können wesentlich höhere Vortex(Wirbel)-Geschwindigkeiten (und daher höhere Mischungs-Effizienzen) erzielt werden, als zu Beginn (d. h. bei Eintritt in den Zyklon) vorliegen. Die Veränderung des Abstands zwischen den inneren Konussen kann durch Kopplung der Einstellung an z. B. die gemessene Acidität des Rauchgases vor ihrem Ausstoß in den Kaminschacht geregelt werden. Der letzte feste Konus kann zu einem zylindrischen Behältnis verlängert werden, wo der Wirbel - durch geeignetes Dimensionieren des Zylinders - auf eine so niedrige Geschwindigkeit reduziert werden kann, daß feste Komponenten (Flugasche, chemische Reaktionsprodukte und mögliche Überschüsse von neutralisierenden Substanzen) abgetrennt werden. Der gereinigte Gasstrom wird durch einen zentralen Auslaß im untersten Zylinder entfernt. Natürlich muß ein Abzug aus der Anlage nicht notwendigerweise in der oben genannten Weise stattfinden. Es ist auch möglich, zum Beispiel, einen tangentialen Abzug aus dem Umfang auszuwählen. Eine weitere Möglichkeit könnte sein: Abzug vom oberen Ende der Anlage im Falle, wo ein "Boden" ausreichend wäre, um die geforderte Effizienz zu erreichen. Wenn eine Vergrößerung des untersten Konus gewählt wird, wie oben erwähnt, wird automatisch ein Sammelbehältnis erzeugt, das selektiv eine Anzahl von nützlichen Funktionen erfüllen kann:
• a) zeitweilige Lagerung von abgetrennten und/oder umgesetzten Produkten vor der Absonderung in einen Behälter;
• b) Rückführung der abgetrennten produkte zu einer Einlaßöffnung zum Zyklon oder einem der Böden, um dadurch zu ermöglichen, daß noch nicht vollständig umgesetztes neutralisierendes Material nochmals am Prozeß teilnimmt.
• Einige Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Vorrichtungen werden in Beispielen beschrieben mit Bezug zu den begleiten den Zeichnungen, in denen:
• Fig. 1 schematisch die Arbeitsweise eines üblichen Zyklons zeigt;
• Fig. 1A eine Querschnittsansicht gemäß Pfeil A in Fig. 1 darstellt;
• Fig. 2 eine Draufsicht der Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Zyklons zeigt;
• Fig. 3 schematisch eine Querschnittsansicht des in Fig. 2 gezeigten Zyklons darstellt;
• Fig. 4 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3 darstellt, jedoch das obere Ende des in Fig. 3 dargestellten Zyklons und seine Arbeitsweise ausführlicher zeigt;
• Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 4 darstellt, jedoch in einer weiteren Stufe der Fluidbewegung;
• Fig. 6 eine ähnliche Ansicht darstellt, die die Fluidbewe gung nach der in Fig. 5 gezeigten Situation zeigt; und
• Fig. 7 die Beendigung des Prozesses durch Sammeln der Reaktionsprodukte zeigt.
• Fig. 1 stellt eine Querschnittsansicht einer üblichen Zyklonkonstruktion dar, wobei die zentrifugale Abtrennung der schwereren Flugasche, neutralisierenden Substanzen und Reaktionsprodukte durch den absteigenden Wirbel (a) und die schnelle Diffusion der leichten (d. h. sauren) Komponenten (b), einschließlich leichter fester Komponenten der Rauchga se, die anschließend an stromaufwärts gelegenen Filtern des Kaminschachts abgesondert werden, gezeigt ist. Die mit absorbierenden und/oder neutralisierenden Substanzen gemischten Rauchgase werden tangential durch 1 in den Zylindrischen Teil (2) eingeführte wo sie miteinander in Kontakt gebracht werden. Die schwereren Komponenten wie Flugasche und ein Teil des Reaktionsmaterials steigen über Wirbel (a) ab in den Absonderungs- oder Sammeltrichter 8. Die leichteren Fraktionen, wie saure Gase, leichte Flugaschenpartikel und übriges Reaktionsmaterial werden von Wirbel (a) direkt am offenen Unterteil des Auslaßrohrs 11 abgetrennt und verschwinden durch Wirbel (b) in Bruchteilen von Sekunden durch Rohr 11. Die zur Neutralisierung von unerwünschten Komponenten verfügbare Reaktionszeit ist daher sehr kurz. In den Fällen, wo der Prozentsatz der unerwünschten chemischen Komponenten im Gasstrom hoch ist, reagiert das zugesetzte Neutralisierungs- und/oder Absorptions-Mittel in ungenügender Weise. Daher wird die Zusammensetzung der durch 11 ausgestoßenen Rauchgase nicht die in jüngster Zeit erhobenen Emissionsstandards erfüllen.
• Ein wesentlicher Überschuß an Neutralisierungsmittel hat sich als ungeeignet zur Lösung des Problems erwiesen und schafft darüber hinaus zwei zusätzliche Probleme:
• - die zusätzlichen Kosten, die mit dem Ausstoß von wesentlichen Mengen von Rückständen auf Mülldeponien verbunden sind, die
• - diese Materialien nur zu erhöhten Gebühren annehmen können.
• Die Rückstände erfordern, in der Tat, zusätzliche Vorkehrungen in den Mülldeponien, um die Wasserwirtschaft und -qualität zu regeln.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, diese Nachteile zu vermeiden und das Ergebnis in positiver Weise zu verbessern, in einer Weise wie es im Prinzip in den Figuren 2 - 7 gezeigt ist.
• Wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt, werden Rauchgase tangential durch 1 in den Zylinder 2 - den Zyklon - eingeführt, gegebenenfalls mit zugesetzten neutralisierenden Substanzen. Die Zusätze dieser und/oder anderer Substanzen, kann natürlich auch nach dem Eintritt stattfinden, d. h. durch die Spitze des Konus 4 oder die Grundfläche von Konus 5.
• Unerwünschte Komponenten werden zusammen mit den schwereren Komponenten (Flugasche und neutralisierende Substanzen) in Zylinder 2 zentrifugiert, während im Gegensatz zu der für die Zyklone aus dem Stand der Technik beschriebene Situation in zunehmendem Maße intensivierter Kontakt durch erhöhte Konzentration gefördert wird und gleichzeitig eine starke Erhöhung der Wirbel-Geschwindigkeit (a) mittels eines umgekehrten Konus 4, der (bevorzugt) in der Mitte des Zyklons, vorgesehen ist.
• Wie aus der Detaildarstellung in Fig. 4 ersichtlich ist, erzeugt der zentral aufgehängte umgekehrte Konus 4 anfangs den beschleunigten absteigenden Wirbel (a) , der in Fig. 3 gezeigt ist. Dieser Wirbel wird durch das Unterteil des Konus 5 um 180º von seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt und hat den zylindrischen Querschnitt II, der wesentlich größer ist als Querschnitt I, als einzigen Ausweg, mit anderen Worten, neben der Umkehrung um einen Winkel von 180º findet eine plötzliche Expansion statt. Dies ist sehr vorteilhaft mit den zusätzlichen Wirbel-Effekten, die zu zusätzlicher Mischung und verstärkten chemischen Reaktionen führen. Die Gasbewegung im Zyklon kann nicht plötzlich geradlinig werden, da, wie Modellversuche gezeigt haben, ein neuer Wirbel (b) gebildet wird, der gemäß den in den Zeichnungen gezeigten unterbrochenen Linien zwischen den zwei Konussen mit zunehmend höherer vertikaler und tangentialer Geschwindigkeit = Mischungsgeschwindigkeit = chemische Reaktionsgeschwindigkeit aufsteigt. Das Absorptions-/Neutralisierungs-Mittel wird gezwungen, ein zweites Mal zu reagieren.
• Fig. 5 zeigt dasselbe Detail des Zyklons wie Fig. 4 mit einer Darstellung der Gasbewegungen, die sich in einer weiteren Stufe nach der in Fig. 4 gezeigten entwickeln. Aus Querschnitt III findet wiederum eine Umkehr der Gasbewegungen von im wesentlichen 180º statt. Es ist anzumerken, daß eine Umkehrung um 180º, wie hierin angewendet, so verstanden werden sollte, daß der Effekt in vertikaler Richtung eintritt. Die eigentliche Gasbewegung bleibt tangential, was einen Wirbel ergibt, der senkrecht dazu als Wirbel auf- oder absteigt. In Querschnitt III findet wiederum eine solche Umkehrung um 180º statt. Es wird Wirbel (c) gebildet, was zu sehr hohen Geschwindigkeiten führt, mit anderen Worten, einem sehr hohen Mischungseffekt und sehr hohen chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten. Das Absorptions-/Neutralisierungs-Mittel wird gezwungen, zum dritten Mal zu reagieren, nun auf dem zweiten "Boden".
• Fig. 6 zeigt die mögliche Folge auf die in Fig. 5 gezeigte Situation. Durch Wiederholung dieser Konstruktion über mehrere "Böden" kann die Reaktionseffizienz, in der Tat, auf ein unbegrenztes Maß gesteigert werden.
• Fig. 7 zeigt eine der Möglichkeiten, den Reaktionsprozeß zu beenden, wobei dasselbe erfindungsgemäße Prinzip mit dem Einfangen der Reaktionsprodukte angewendet wird. Wenn die Wand des Konus 7 verlängert wird, kann die Geschwindigkeit des Wirbel (d) durch Dimensionierung von Durchmessern reduziert werden, so daß die festen Komponenten: Flugasche, chemische Reaktionsprodukte und ein Überschuß an neutralisierenden Substanzen im Zylinder 8 abgeschieden werden. Der Wirbel (d) erzeugt automatisch Wirbel (e), der nun gemäß der unterbrochenen Linien aufsteigt und danach durch den zentralen Auslaß die nun in starkem Maße chemisch gereinigten Gase durch 11 ausstößt.
• Die Zunahme der Effizienz der Abscheidung von Feststoffen ergibt eine geringere Belastung der Filter, was die Kosten für Energie und Unterhaltung reduziert. Die Zunahme der Effizienz der chemischen Reaktionen bedeutet eine Einsparung an Chemikalien und Reststoffen, also geringere Betriebskosten, die mittels des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung sogar noch geringer sein können, als die bekannter Einrichtungen.
• Es ist klar, daß wo auf Rauchgase und saure Komponenten Bezug genommen wird, das Prinzip der vorliegenden Erfindung auch auf andere Fluide zutrifft, z. B. Industrieabgase oder Flüssigkeiten und basische Komponenten, in welchem Fall natürlich andere Absorptions-/Neutralisierungs-Mittel eine Rolle spielen können. Wo der Ausdruck "Absorption" in der Beschreibung verwendet wird, kann der Ausdruck "Adsorption" oder ein ähnlicher Ausdruck statt dessen verwendet werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Entfernung, gegebenenfalls durch chemische Bindung, von Verunreinigungen in einem Fluid, wie einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom, in dem das Fluid mit neutralisierenden und/oder absorbierenden Substanzen in Kontakt gebracht und in eine Wirbelbewegung (a) versetzt wird, die erhaltenen Mischungs- oder Reaktionsprodukte nach dem Kontaktierungsprozeß getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidmischung in eine Wirbelbewegung (a) versetzt wird, während sie schon neutralisierende und/oder absorbierende Substanzen enthält, die Wirbelbewegung (a) bei gleichzeitiger Kompression der Mischung beschleunigt wird, der komprimierte Wirbel zu einer Ablenkung von im wesentlichen 180º gezwungen wird, und zur Expansion und nachfolgend wieder Beschleunigung und Kompression (b, c) gezwungen wird, der Prozeß nach Wunsch wiederholt wird und der zuletzt gebildete Wirbel (c) in einer solchen Weise verlangsamt wird, daß Feststoffe aus der wirbelnden Mischung ausgeschieden und abgesondert werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zylindrische Kammer (2) , die an ihrem geschlossenen oberen Ende eine tangentiale Einlaßöffnung aufweist, sowie einen konischen Einsatz (4) , der an seinem schmalen Ende relativ zur zylindrischen Kammer (2) abgeschlossen ist und mit seinem unteren Rand in einem kurzen Abstand (I) von der zylindrischen Wand der genannten Kammer (2) angeordnet ist, gekennzeichnet durch einen zweiten, kegelförmig-konischen Einsatz (5), der in einem variablen Abstand (II) unter dem hohlen ersten konischen Einsatz (4) vorgesehen ist, wobei der genannte zweite konische Einsatz (5) ein offenes oberes Ende aufweist und sein breiteres unteres Ende dichtend mit der Wand der zylindrischen Kammer (2) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des ersten Konus (4) oder des zweiten Konus (5) mit einer zentralen Auslaßöffnung (11) (Fig. 3) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Anordnung des ersten oben geschlossenen Konus (4) und des sich darunter anschließenden zweiten oben offenen stumpfen Konus (5) , die zusammen einen Boden bilden, mindestens ein weiterer gleicher Boden (6, 7) in der Kammer (2) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Böden (4, 5, 6, 7) variabel ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Konus (7) des unteren Bodens (6, 7) sich mit einem sich darunter anschließenden Sammelraum (8) von größeren Abmessungen als die zylindrische Kammer (2) verbindet, wobei in dem weiten Raum (8) sich ein Abzug 11 in der Mitte nach unten erstreckt, die Abmessungen des Sammelraumes (8) so ausgewählt sind, daß in einem gegebenen Reinigungsprozeß die Reaktionsprodukte und/oder der Überschuß an neutralisierenden Substanzen durch die Verlangsamung des Wirbels in den genannten Verbindungsraum (8) ausgeschieden werden, der als Lagerraum funktioniert.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch eine Feststoffabsonderung in einen Behälter, in ein Rückflußrohr und/oder in eine Downstream-Filtervorrichtung in einer gewünschten Höhe der Kammer (2).