DE4034905A1 - Verfahren zur rauchgasenergieauskopplung an fossil gefeuerten dampfkesseln mit nachgeschalteter rauchgasentschwefelung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rauchgasenergieauskopplung speziell im Bereich des Schwefelsäuretaupunktes an fossil gefeuerten Dampfkesseln mit nachgeschalteter halbtrockener oder auch nasser Rauchgasentschwefelung.

Um Schwefelsäurekorrosion an Heizflächen, Kanälen und sonstigen Bauwerken am "kalten" Dampfkesselende zu vermeiden, wird die Wärmeübertragung vom Rauchgas an den Wasser-Dampf- Trakt und an die Verbrennungsluft so organisiert, daß die Rauchgase mit Sicherheit nicht in den Bereich des Schwefelsäure- Taupunktes hin abgekühlt werden, obwohl die Emission ab Schornstein eine meistens größere Rauchgaskühlung zulassen würde. Der Temperaturbereich um den Säure-Taupunkt herum ist deshalb ein bisher unzulässiger Bereich der Rauchgaskühlung und somit auch ein unzulässiger Bereich für die Nutzenergieauskopplung bzw. ein Bereich bedeutender Energieverluste. Bei der bekannten Nachschaltung von Rauchgasentschwefelungsanlagen, die zur Erzielung höchster Entschwefelungsgrade Rauchgastemperaturen um 70°C fordern, ergab sich erneut die Frage der bis auf dieses Temperaturniveau führenden Rauchgaskühlung und des Durchfahrens der Schwefelsäure- Taupunkte, weshalb entweder säurefeste Materialien eingesetzt werden oder Kühlwasser ins Rauchgas versprüht wird. Die säurefeste Auslegung verursacht erhöhte Anlagenkosten, und die Kühlung mit Wasser führt zu entsprechenden Wasserverlusten. Neben der für Dampfkesselrauchgase extrem tief liegenden Arbeitstemperatur von ca. 65 bis 85°C hängt die Einbindung vom Schwefeldioxid der Rauchgase in Kalzium-Sulfite und -Sulfate, insbesondere vom Kalzium-Schwefel-Molverhältnis, ab. Die Einbindecharakteristik der halbtrocken arbeitenden Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß mit zunehmendem Kalzium-Schwefel-Molverhältnis die Schwefeldioxid- Einbindung anteilig immer kleiner wird.

Einbindegrade von 90% fordern Molverhältnisse von etwa 2,0 und größer. Andererseits liegt die Einbindung im unter­ stöchiometrischen Bereich und speziell bei Molverhältnissen kleiner/gleich 0,6 über der aus der Suspensionsversprühung sich ergebenden Stöchiometrie, d. h., daß gerade in diesem Bereich der über die Rauchgasasche (Flugasche) mit eingetragene Kalk zusätzlich reaktionsfähig ist bzw. reaktionsfähig gemacht werden kann.

Die Wasseranteile der jeweiligen Suspension müssen vollständig verdampft werden, so daß die Einbindeprodukte in trockenem Zustand anfallen. Andererseits ist die Einbindung um so besser, je näher der Wassertaupunkt angefahren wird. Deshalb bestimmt insbesondere der Suspensionswasseranteil den zur Verdampfung benötigten Energiebedarf, der aus dem Rauchgas selbst abzudecken ist. In dem oft auftretenden Fall eines größeren Rauchgasenergieangebots als Energiebedarf zur Suspensionswasserverdampfung wird zusätzlich Wasser allein zur Temperaturregelung eingesetzt, dadurch allerdings auch ein Wasser- und Energieverlust verursacht.

Hauptmangel der bisher bekannten Sprühabsorber ist jedoch der mit zunehmendem Einbindegrad überproportional ansteigende Additivbedarf und die sich so ergebenden hohen Additivverluste, da deren Umsatzrate mit steigendem Kalzium- Schwefel-Molverhältnis immer ungünstiger wird.

Die SO₂-Einbindung erfolgt bei den halbtrockenen Verfahren durch Versprühen von aus Ascherezirkulat aufbereiteten Aschesuspensionen (DE-PS 29 19 542), durch Kalkhydrat-Suspensionen (DE-OS 28 47 591) sowie durch Versprühen nur von Wasser in mit reaktionsfähigen Partikeln beladenes Rauchgas (DE-OS 36 30 940).

Am Absorberfuß liegen die Rauchgastemperaturen geringfügig über dem Wasser-Taupunkt bei 70 bis 85°C, weshalb eine Rauchgas-Wiederaufheizung auf ca. 110°C zur sicheren Emission ab Schornsteinmund erforderlich ist.

Hierzu sind

• - die Vermischung mit einem heißeren Rauchgas- Teilstrom, der jedoch nicht oder nur teilentschwefelt ist (DD-PS 2 28 177),
• - die Kondensation von Brüden aus Trocknungsanlagen,
• - die Kondensation von Anzapfdampf, die jedoch die Nettoleistung der Energieanlage reduziert,
• - regenerative Gas-Gas-Wärmetauscher,
• - Gas-Wärmeträger/Wärmeträger-Gas-Wärmetauscher (MITZUI, Japan)

bekannt.

Diese Lösungen sind infolge der geringen Additivausnutzung, der hohen Wasserverluste, des hohen Energieumsatzes im Absorber und des hohen elektrischen Eigenbedarfs mit erheblichen Nachteilen verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nutzenergie­ auskopplung aus Rauchgasen im Bereich des Schwefelsäure- Taupunktes zu ermöglichen und im Zusammenhang damit ein solches halbtrockenes Rauchgasentschwefelungsverfahren zu entwickeln, mit dem Entschwefelungsgrade größer 90% erreicht werden bei gleichzeitig reduzierten Wasser- und Energieverlusten (Rauchgaswärme und Elektroenergie) sowie erhöhter Additivausnutzung.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß unmittelbar vor der zweiten Sprühebene eine Rauchgas-Zwischenaufheizung mittels indirekter Wärmeübertragung aus kondensierendem Sattdampf erfolgt.

Der erste Sprühabschnitt wird unterstöchiometrisch mit einem Ca-S-Molverhältnis kleiner/gleich 0,6 so betrieben, daß im Zusammenwirken mit noch reaktiv werdenden Kalkpartikeln aus der eingetragenen Rauchgas-Flugasche größere SO₂-Einbindungen erreicht werden als aus alleiniger Additivfahrweise möglich wären. Nach einer anschließenden Zwischenaufheizung erfolgt wiederholt das Versprühen einer Kalkhydrat-Suspension, diesmal mit einem Ca-S-Molverhältnis größer 1, jedoch, bezogen auf den durch den ersten Sprühabschnitt bereits bedeutend reduzierten SO₂-Gehalt der Rauchgase, am Eintritt in die zweite Sprühebene. Der zweite Sprühabschnitt endet am Absorberfuß, von dem die Hauptanteile der Einbindeprodukte abgeführt werden. Die bis hierher weitestgehend entschwefelten Rauchgase strömen durch die Entstaubungsanlage zum Saugzug, um nachfolgend zum zweiten und letzten Mal aufgeheizt zu werden.

Verglichen mit dem bisher bekannten nur einstufigen Absorber­ betrieb werden bei gleich großen Entschwefelungsgraden nur 45 bis 50% der Additivmenge in Summe beider Sprühabschnitte benötigt bzw. verbraucht. Im gleichen Maßstab reduziert sich auch der Suspensionswasseranteil, so daß die Rauchgastemperaturen am Absorbereintritt und nach der Zwi­ schenaufheizung nur noch 105 bis 115°C betragen müssen. Die Energie zur Zwischen- und Wiederaufheizung wird dem Rauchgas selbst durch zwei Verdampferpakete, die im Rauch­ gastrakt vor Absorber angeordnet sind, entzogen. Den beiden Sattdampferzeugern nachgeschaltet sind zwei Heizflächenpakete zur Auskopplung zusätzlicher Nutzwärme aus dem Rauchgas und damit zur Anhebung des Kesselwirkungsgrades um mehrere Prozent-Punkte. Diese zusätzliche Nutzwärmeaus­ kopplung ist allein durch das Erreichen der minimalen Ein­ trittstemperatur vor der ersten Sprühstufe begrenzt bzw. darauf abgestimmt.

Im Bereich des dritten Heizflächenpaketes wird eine kleine Teilmenge des Additivs zur SO₂-Einbindung in Form pulver­ förmigen Branntkalkes oder auch als Kalkhydratsuspension in den gesamten Rauchgas-Strömungsquerschnitt und über mehrere Meter des Strömungsweges entlang der einzelnen Heizflächen eingesprüht und damit aus dem Rauchgas aus­ kondensierende Schwefelsäure als feste Kalziumsulfat-Partikel eingebunden und somit der Heizflächen- und sonstigen Korrosion entzogen. Hierbei nicht umgesetzter Branntkalk bzw. nicht umgesetztes Kalkhydrat wird durch das Rauchgas in den Absorber eingetragen und leistet dort noch einen Beitrag zur SO₂-Einbindung.

Erfindungsgemäß wird durch Abgriff einer kleinen Additiv-­ teilmenge und durch deren Versprühung im Bereich des Schwefel­ säure-Taupunktes und somit eine bisher akzeptierte große Energieverlustposition in einen weiteren Nutzenergieanteil umgewandelt.

Dieses Prinzip ist auch unabhängig von nachgeschalteten Entschwefelungsanlagen einsetzbar und verhilft zu Verbesserungen des Dampfkesselwirkungsgrades um 3- bis 12%-Punkte. In Verbindung mit einer nachgeschalteten halbtrockenen Rauchgasentschwefelung sichert dieses Prinzip darüber hinaus die ebenfalls erfindungsgemäße Steigerung des SO₂-Einbindegrades ohne Erhöhung der Additivdosierung bzw. fördert die Additivausnutzung im Interesse der Hauptfunktion.

Fig. 1 zeigt Verfahren und Prinzipanordnung zur näheren Erläuterung der Erfindung.

Der zweistufige Sprühabsorber 1 ist eingangsseitig über einen parallel aufgestellten Rauchgaszuführungskanal 2 mit dem Dampfkessel, dessen Rauchgasenthalpie bis unterhalb des Schwefelsäuretaupunktes ausgenutzt und dessen Rauchgase auf halbtrockene Art entschwefelt werden sollen, verbunden.

Der Rauchgasabzug erfolgt vom Absorberfuß aus über eine elektrische Gasreinigungsanlage 3, einen Saugzug 4 und eine Rauchgaswiederaufheizung 5.

Im Rauchgaszuführungskanal 2 sind drei getrennt geschaltete und mit jeweils unterschiedlichem Druck betriebene Sattdampferzeuger 6; 7; 8 sowie die erste Verbrennungsluft- Vorwärmstufe 9 installiert. Der als Heizfläche ausgebildete Sattdampferzeuger 8 bildet jenen Bereich innerhalb des Rauchgastraktes, in dem Schwefelsäure durch Überfahren deren Taupunktes und durch die deutlich unterhalb dieses Taupunktes liegende Heizflächentemperatur kondensiert. Zur sofortigen Einbindung dieser auskondensierenden Schwefelsäure wird über das Sprühsystem 11 Branntkalkmehl 11 oder auch Kalkhydratsuspension 12 an die Heizflächen 8 und in den Rauchgasstrom 18 eingesprüht in einem Sicherheiten beinhaltenden stöchiometrischen Verhältnis in bezug auf die Schwefelsäurekondensatmenge. Die sich bildenden Kalziumsulfatpartikel sowie das nicht umgesetzte Branntkalk- oder Kalkhydratpulver gelangt mit der Rauch­ gasströmung in den Absorber 1 und trägt hier zur SO₂-Einbindung als weitere Hauptfunktion bei.

Der Absorber 1 ist in zwei Sprühabschnitte 13; 14 aufgeteilt, die durch eine Rauchgaszwischenaufheizung 15 voneinander getrennt sind. Der erste Sprühabschnitt 13 wird seitens versprühter Kalkhydratsuspension stark unter­ stöchiometrisch betrieben, um die mit dem Rauchgas ein­ getragenen Kalkbestandteile der Flugasche wie auch die nicht umgesetzten Additive aus der Schwefelsäure-Einbindung zur Reaktion zu bringen in Verbindung mit dem Suspensions­ wasseranteil. Die Nutzwärme in der Heizfläche 8 wird so ausgekoppelt, daß sich die Minimaltemperatur des Rauchgases für den sicheren Betrieb der Sprühstufe 13 einstellt, also kein zusätzliches Wasser zur Rauchgastemperatur-Regelung eingesetzt werden braucht.

Die Zwischenaufheizung 15 gewährleistet ein nochmaliges Versprühen von Kalkhydratsuspension 12 im zweiten Sprüh­ abschnitt 14, diesmal jedoch mit einem über 1,0 liegenden stöchiometrischen Verhältnis, hier aber bezogen auf das nach erster Sprühstufe noch verbliebene Schwefeldioxid.

Die Zwischenaufheizung 15 erfolgt durch kondensierenden Sattdampf, der allein zu diesem Zweck im Sattdampferzeuger 6 erzeugt wird. Das gleiche Prinzip ist eingesetzt zur Rauchgaswiederaufheizung 5, zu der Sattdampf kondensiert, erzeugt in der Heizfläche 7.

Die zwischen den Heizflächen 6; 15 sowie 7; 5 geschalteten Kondensat-Sattdampf-Kreisläufe sind verfahrensintern und stellen keine Nutzwärmeauskopplung dar. Nutzwärme - hier jedoch in bedeutender Größenordnung im Vergleich zum bisherigen Zustand ohne vorliegender Erfindung - wird mit den Heizflächenpaketen 8; 9 ausgekoppelt.

Die Schwefeleinbindeprodukte aus den Sprühstrecken 13; 14 wie auch aus dem Bereich der Heizfläche 8 werden am Trichter 16 des Absorbers 1 und an den Aschetrichtern 17 des Staubabscheiders 3 ausgehalten.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1 Sprühabsorber
 2 Rauchgaszuführungskanal
 3 Gasreinigungsanlage
 4 Saugzug
 5 Rauchgaswiederaufheizung
 6 Sattdampferzeuger
 7 Sattdampferzeuger
 8 Sattdampferzeuger
 9 Verbrennungsluft-Vorwärmstufe
10 Sprühsystem
11 Branntkalkmehl
12 Kalkhydratsuspension
13 Sprühabschnitt
14 Sprühabschnitt
15 Rauchgaszwischenaufheizung
16 Trichter
17 Aschetrichter
18 Rauchgasstrom

Claims (6)

1. Verfahren zur Rauchgasenergieauskopplung an fossil gefeuerten Dampfkesseln mit nachgeschalteter Rauchgas­ entschwefelung, wobei in einem Rauchgastrakt vor einem Sprühabsorber Wärmeenergie gewonnen und die gewonnene Energie dem Rauchgas anschließend wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgastemperatur im Rauchgastrakt vor Eintritt in den Sprühabsorber durch zusätzliche Verdampferheizflächen bis in den Bereich des Schwefelsäure-Taupunktes abgesenkt, auskondensierende Schwefelsäure im Augenblick ihrer Kondensation an Heizflächen, im Abgastrakt wie auch im Rauchgasstrom durch Zugabe von Additivpartikeln eingebunden wird, die Partikel im Rauchgasstrom mitgeführt werden und das beladene Rauchgas anschließend im Sprühabsorber zwischen zwei Sprühabschnitten durch einen Teil der vom Absorber zusätzlich gewonnenen Wärme erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Sprühabsorber die Additivsuspension stufenweise zugegeben und der erste Sprühabschnitt mit einem additivbezogenen unterstöchiometrischen Molverhältnis gefahren wird, wodurch neben dem Additivhauptstrom die mit der Flugasche eingetragenen Kalkbestandteile aktiviert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf den zweiten Sprühabschnitt abgestimmte Rauch­ gaszwischenaufheizung durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sprühabschnitt mit einem auf die geforderten Entschwefelungsgrade abgestimmten Kalzium-Schwefel- Molverhältnis betrieben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zwischen- wie auch zur Wiederaufheizung indirekte Wärmetauscher mit kondensierendem Sattdampf unterschiedlicher Druckstufen eingesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sattdampf vor der im Säuretaupunktbereich liegenden, zusätzlichen Wärmeauskopplung und damit im Rauchgastrakt selbst erzeugt wird.