DE4119630A1 - Verfahren zur umwandlung von im rauchgas einer verbrennungsanlage enthaltenen schadstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung von im Rauchgas einer Verbrennungsanlage enthaltenen Schadstof­ fen in unschädliche, selektiv deponierbare oder weiterverar­ beitbare Stoffe unter Verwendung eines Naßwäschers.

Die umweltverträgliche Beseitigung von Klärschlamm und Müll, insbesondere von toxischen Schadstoffen enthaltendem Son­ dermüll stellt ein erhebliches Problem dar und ist bisher nur mit erheblichem apparativen und finanziellen Aufwand möglich. In der Regel erfolgt die Müll- oder Klärschlammbeseitigung durch Verbrennung, wobei die freiwerdende Energie in Kraftwerk­ prozessen genutzt wird. Die Rauchgase enthalten neben den übli­ chen säurebildenden Gasen wie NO_x, SO₂ und SO₃ auch Halogen­ wasserstoffe und teilweise hoch toxische Schadstoffe, wie Dio­ xin, Furane und Quecksilber. Zur Abscheidung dieser Schadstoffe waren in herkömmlichen Müll- und Klärschlammverbrennungsanlagen extrem kostenaufwendige Anlagen mit Aktivkohlereaktoren, DeNO_x- Anlagen und/oder Oxidationskatalysatoren erforderlich. Die Wirksamkeit der Reaktanden und damit der Wirkungsgrad der Rei­ nigungs- und Abscheidungsprozesse hängt wesentlich von der lau­ fenden Regeneration der Adsorptionsmittel und Katalysatoren ab, wodurch auch der betriebliche Aufwand herkömmlicher Prozesse unverhältnismäßig hoch wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Umwandlungs­ verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das sich universell auch und speziell für die Umwandlung von hoch toxischen Schadstoffen im Rauchgas eignet und von relativ kostengünstigen, zuverlässigen und erprobten Umwandlungsstufen Gebrauch macht.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der NO₂-Gehalt im Rauchgasstrom auf einen Wert 5 mg/Norm-m³, vorzugsweise 1-1,5 mg/Norm-m³ gehalten wird und ein SO₂-Gehalt eingestellt wird, der 4000 mg/Norm-m³ ist, und daß der Rauchgasstrom danach einer induzierten Oxidation im Naßwäscher unterworfen wird, wobei die Waschflüssigkeit auf ei­ nem pH-Wert im Bereich von 5 bis 6 und das Rohgas in intensiven Kontakt mit der Waschflüssigkeit gehalten wird.

Durch die Einstellung der Reaktionsparameter vor dem und im Naßwäscher gelingt es, praktisch alle kritischen oder toxischen Schadstoffanteile in Rauchgasen aus Müll- oder Klärschlammver­ brennungsanlagen im Naßwäscher zu oxidieren, und zwar parallel zu der in herkömmlichen Kraftwerksprozessen üblichen Rauch­ gasentschwefelung (REA).

Wichtig ist dabei die möglichst genaue Einhaltung der Stö­ chiometrie für den Ablauf der Reaktion. Demgemäß ist in Weiter­ bildung der Erfindung vorgesehen, daß die Reaktion im Naßwä­ scher nahe des stöchiometrischen Verhältnisses durchgeführt wird, wobei der Anteil von SO₂ gemäß der stöchiometrischen Gleichung

den oberen Grenzwert bildet, der nicht überschritten wird. Wenn der SO₂- bzw. SO₃ ^2--Anteil gegenüber dem stöchiometri­ schen Verhältnis geringer wird, so wird die Reaktionsgeschwin­ digkeit kleiner; es wurde gefunden, daß bei Überschreitung des Grenzwerts des stöchiometrischen Verhältnisses die Reaktion der gewünschten Schadstoffumwandlung unterbunden wird, weil die re­ duzierende Kraft des SO₂ über die Schadstoffoxidation die Ober­ hand gewinnt, da der Sauerstoff für die Oxidation von SO₂ über­ wiegend verbraucht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist da­ durch weitergebildet, daß vor der Naßwäsche das Luft/SO₂-Ver­ hältnis im Rauchgasstrom auf den gewünschten Wert oder den ge­ wünschten Bereich eingestellt wird. Letzteres geschieht bei­ spielsweise dadurch, daß vor der Naßwäsche Luft oder O₂ dem Rauchgasstrom beigemischt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit vergleichbaren Vorteilen zur Umwandlung von Schadstoffen aus Rauchgasen einer Klärschlammverbrennungsanlage aus einer Müll- oder Sondermüll­ verbrennungsanlage oder auch in Zuordnung zu einem mit üblichen fossilen Brennstoffen versorgten Kraftwerk verwenden, bei dem zusätzlich zu dem üblichen Brennstoff schadstoffreiche Stoffe wie Klärschlamm und/oder Müll verbrannt werden. Bei dieser Ver­ wendung ergibt sich ein besonderer Vorteil der Erfindung; denn es hat sich überraschend herausgestellt, daß die in herkömmli­ chen Kraftwerksanlagen zur NO_x-, SO₂- und SO₃-Abscheidung aus dem Rauchgasstrom verwendeten Anlagen ohne beachtlichen Mehr­ aufwand auch zu der erfindungsgemäßen Umwandlung besonders to­ xischer Schadstoffe im Rauchgas, beispielsweise von Dioxinen, Furanen oder anderen Kohlenwasserstoffen, Quecksilber usw. aus­ gezeichnet geeignet. So kann beispielsweise in einem herkömmli­ chen Kohlekraftwerk ein Anteil von 10-30% Klärschlamm und/oder Müll verbrannt werden. Bei dieser Einbindung der Klärschlamm- oder Müllverbrennung bleiben am Ausgang des Naßwäschers die Schadstoffanteile eindeutig unterhalb der vorgeschriebenen Grenzwerte. Dadurch können mit bereits bestehenden Anlagen er­ hebliche Müll- und Klärschlammengen umweltschonend beseitigt und besonders kostenintensive Spezialverbrennungsanlagen her­ kömmlicher Ausführung entlastet werden. Ähnlich einer Kohlever­ brennung wird auch bei einem solchen Misch-Verbrennungsprozeß das Rauchgas einem NO_x-Minderungsprozeß (katalytisch oder durch Adsorption) einer Partikelabscheidung, beispielsweise in einem E-Filter, und schließlich der Naßwäsche mit den o.g. Parametern unterworfen.

Die Einstellung des Luft/SO₂-Verhältnisses erfolgte bezogen auf die jeweils geltende O₂-Norm (6% O₂ für Steinkohlekraft­ werke). Der SO₂-Anteil ist zur Einhaltung der Stöchiometrie bei einer Norm von 6% O₂ kleiner einzustellen als 4000 mg/Norm-m³. Bei der Müllverbrennung, bei der ein O₂-Anteil von 11% der Norm entspricht, gilt die folgende Beziehung:

das heißt, bei einem Grenzwert für den SO₂-Gehalt bei der Steinkohleverbrennung von 4000 mg/Norm-m³ ergibt sich ein Grenzwert für den SO₂-Anteil bei der Müllverbrennung (bezogen auf die jeweils gültigen Normwerte) von 6000 mg/Norm-m³.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeich­ nung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Verbrennungsanlage mit einer Reinigungsanlage, in der das erfin­ dungsgemäße Verfahren verwendet wird.

Das in der einzigen Figur dargestellte Ausführungsbeispiel umfaßt die wesentlichen Komponenten eines Kraftwerks mit Kessel und nachgeschalteter Rauchgas-Reinigungsanlage. Die Komponenten der Reinigungsanlage können baulich überwiegend konventioneller Art sein, da sich das erfindungsgemäße Verfahren für die Ein­ bindung in herkömmliche Kraftwerksprozesse eignet.

Anders als bei herkömmlichen Kraftwerken, in denen fossile und relativ schadstoffarme Brennstoffe verwendet werden, wird bei dem beschriebenen Beispiel in den Kessel 1 stark schadstoffbelastetes Brennmaterial, das Müll und/oder Klärschlamm enthält, über die Brennstoffaufgabe 3 eingebracht. In bestehenden, für fossile Brennstoffe konzipierten Kraftwer­ ken kann ohne wesentliche Anlagenänderung ein Teil, beispiels­ weise 10 bis 30% des Brennstoffbedarfs durch stark schadstoff­ belastete Stoffe, wie Müll oder Klärschlamm gedeckt werden. Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel wird für die­ sen Falle einer gemischten Brennstoffaufgabe beschrieben.

Das Rauchgas verläßt den Kessel 1 bei einer hohen Tempera­ tur und wird im Block 5 einer NO_x-Minderung (beispielsweise durch selektive katalytische Reduktion (SCR)) unterworfen und in einem Wärmetauscher 7 (LUVO) abgekühlt. Mit dem LUVO 7 wird die Verbrennungsluft zum Kessel vorgewärmt. Der Gasstrom wird danach zur Partikel-, insbesondere Staubabscheidung einem Elek­ trofilter 9 zugeführt und in einem weiteren Wärmetauscher 11 (GAVO) weiter abgekühlt. Hinter dem Wärmetauscher 11 wird in der Leitung 12 Luft oder Sauerstoff dem Gasstrom in geregelter Menge beigemischt. Der Rauchgasstrom, dessen O₂/SO₂-Verhältnis durch die Luftzufuhr geregelt ist, wird in einen Naßwäscher 15 eingeleitet. In dem Naßwäscher 15 sind quer zu dem das Naßwä­ schergefäß von unten nach oben durchströmenden Rauchgasstrom mehrere Sprühebenen (beispielsweise fünf Sprühebenen) 17 einge­ baut. Die im Wäschersumpf 19 befindliche Wäschersuspension wird mittels einer geeigneten Rühranordnung 21 ständig bewegt und mit den abgetrennten Rauchgasanteilen in innigem Kontakt gehal­ ten. Die im Sumpf 19 befindliche Suspension wird über eine Lei­ tungs- und Pumpanordnung 23 in die Sprühebenen 17 angehoben und von letzteren aus in gleichmäßiger Verteilung über den Appara­ tequerschnitt im Gegenstrom zum Rauchgas (Pfeil 25) versprüht. Das an der Austragsstelle 27 aus dem Naßwäscher 15 austretende Reingas wird durch die Sekundärseite des GAVO 11 geleitet und auf die übliche Weise auf eine Temperatur von beispielsweise 90 bis 100°C gebracht und durch den Schornstein 30 ausgeblasen.

Für die erfindungsgemäß vorgesehene induzierte Oxidation im Naßwäscher 15 ist die Einstellung eines günstigen Luft/SO₂- bzw. O₂/SO₂-Verhältnisses ebenso wichtig, wie die Aufrechter­ haltung des pH-Werts zwischen 5 und 6 in der Wäschersuspension. Dabei wird der SO₂-Anteil mittelbar über die Menge der in der Leitung 12 dem Gasstrom beigemischten Luft/O₂ geregelt, so daß das Verhältnis von O₂ und SO₂ (SO₃ ^2-in der wäßrigen Lösung) dem stöchiometrischen Verhältnis der bei der induzierten Oxidation ablaufenden Reaktion entsprechend der folgenden Gleichung ent­ spricht:

Schadstoff (Akzeptor) + 1/2 O₂ (Aktor) → Stoff (oxidiert)

SO₃^2- (Induktor) + 1/2 O₂ (Aktor) → SO₄^2-

Der Anteil von SO₂ sollte sich dem Verhältnis gemäß dieser stöchiometrischen Gleichung möglichst eng annähern, es jedoch nicht überschreiten.

Die Einstellung des pH-Wertes kann in an sich bekannter Weise durch Zugabe von Kalkmilch und Abtrennung von Gips erfol­ gen.

Wenn der zu reinigende Gasstrom Quecksilberdämpfe enthält, sollte die Wäschersuspension (Absorptionssuspension) im Naßwä­ scher eine Temperatur < 50°C haben, damit das im Naßwäscher in­ termediär vorliegende Hg⁺ nicht in Hg²⁺ + Hg⁰ (metallisch) dis­ proportionieren kann. Dementsprechend ist die Austrittstempera­ tur des Reingases am Reingasauslaß 27 im Bereich zwischen 40 und 50°C.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen mög­ lich. So kann die Naßwäsche ggf. mehrstufig vorgenommen werden, um auch Spurenbestandteile vor allem toxischer Schadstoffe zu­ verlässig zu beseitigen. Die Meß- und Regeleinrichtungen zur Überwachung und Regelung der Reaktionsparameter des Rauchgases und der Adsorptionssuspension vor allem vor und im Wäscher 15 sind nicht dargestellt. Sie können in an sich bekannter Weise realisiert werden. Bei Einsatz des beschriebenen Verfahrens mit dem Naßwäscher 15 bei der reinen Müllverbrennung ist in der Re­ gel eine NO_x-Minderungsstufe überflüssig. Auch die Temperatur­ führung - im beschriebenen Ausführungsbeispiel beeinflußt durch den LUVO 7 und GAVO 11 sowie durch die Temperaturbe­ schränkung im Wäscher 15 - kann sich nach den Gegebenheiten im Einsatzfall und nach der Art des zu behandelnden Rauchgases richten.

Claims (11)

1. Verfahren zur Umwandlung von im Rauchgas einer Verbren­ nungsanlage enthaltenen Schadstoffen in unschädliche, selektiv deponierbare oder weiterverarbeitbare Stoffe unter Verwendung eines Naßwäschers, dadurch gekennzeichnet, daß der NO₂-Gehalt im Rauchgasstrom auf einen Wert < 5 mg/Norm-m³, vorzugsweise 1-1,5 mg/Norm-m³ gehalten wird und ein SO₂-Gehalt eingestellt wird, der 4000 mg/Norm-m³ ist und daß der Rauchgasstrom danach einer induzierten Oxidation im Naßwäscher unterworfen wird, wobei die Waschflüssigkeit auf ei­ nem pH-Wert im Bereich von 5 bis 6 und das Rohgas in intensiven Kontakt mit der Waschflüssigkeit gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion im Naßwäscher nahe des stöchiometrischen Verhält­ nisses durchgeführt wird, wobei der Anteil von SO₂ gemäß der stöchiometrischen Gleichung den oberen Grenzwert bildet, der nicht überschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß vor der Naßwäsche das O₂/SO₂-Verhältnis im Rauchgas­ strom eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rauchgasstrom vor der Naßwäsche Luft oder O₂ beigemischt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Temperatur der Waschflüssigkeit auf 50°C gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch dosiertes Zugeben von Kalkmilch zur Waschflüssigkeit der pH-Wert im Bereich zwischen 5 und 6 gehal­ ten wird.

7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Umwandlung von Schadstoffen aus Rauchgasen einer Klärschlammverbrennungsanlage.

8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Umwandlung von Schadstoffen aus Rauchgasen einer Müll- oder Sondermüllverbrennungsanlage.

9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Umwandlung von Schadstoffen aus Rauchgasen einer Verbren­ nungsanlage, in der zusätzlich zu schadstoffärmeren fossilen Brennstoffen schadstoffreiche Stoffe, wie Klärschlamm und/oder Müll verbrannt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Kessel eines Steinkohlekraftwerks 10-30% Klärschlamm und/oder Müll verbrannt werden, daß das Rauchgas danach einem NO_x-Minderungsprozeß, einer Partikelabscheidung und schließlich der Naßwäsche unterworfen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauchgasstrom innerhalb des Naßwäschers im Gegenstrom mit einer Wäschersuspension geführt wird, die in mehreren Sprühebenen verteilt über den Wäscherquerschnitt ver­ sprüht wird.