DE4215143C2

DE4215143C2 - Verfahren zur Reinigung und Kühlung von unter Druck stehenden heißen Gasen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4215143C2
Application number: DE19924215143
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Rank; Klaus Dr Ing Knop
Original assignee: MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Current assignee: Ferrostaal AG
Priority date: 1992-05-08
Filing date: 1992-05-08
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2012-05-09
Also published as: DE4215143A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung und Kühlung von heißen, staubbeladenen und unter einem Überdruck stehenden Prozeßgasen aus einem Reaktor, wobei das Gas bzw. die Gase aus dem Reaktor abgeführt, gereinigt und gekühlt werden, wobei das schlammbeladene Wasch- und Kühlwasser aus den Reinigungs- und Kühlanlagen aufbereitet und sowohl das gereinigte und gekühlte Gas als auch das aufbereitete Kühlwasser einer erneuten Nutzung zugeführt werden.

Aus der DE 37 14 749 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausschleusen von feinkörnigen, heißen Feststoffen aus einem Reaktor bekannt, bei dem die Gase nach Durchlaufen eines Zyklons einem Venturi-Wäscher zugeführt werden, bei dem die Feststoffe mit Wasser angefeuchtet, gekühlt und von dem Fördergut getrennt werden. Das Feststoff-Wasser-Gemisch sammelt sich in einem Sammelrohr an und wird dort entspannt und mündet in eine Zentrifuge zur Trennung von Feststoff und Wasser. Der abgetrennte Feststoff wird einem Container und das Wasser einem Absetz- und Sammelbecken mit nach geschalteter Filterpresse zur Abtrennung der restlichen Feststoffanteile zugeführt. Das insgesamt gereinigte Schlammwasser wird nach Zwischenkühlung als Umlaufwasser dem Wäscher wieder zugeführt.

Das gereinigte Gas wird über eine Reingasleitung einem Verwendungszweck, beispielsweise einer Gasturbine, zugeführt.

Die DE 31 22 565 A1 betrifft eine Anlage zur Behandlung von Produktgasen aus einer Kohledruckvergasungsanlage, die über einen getrennten Kreislauf für die Wasch- und Kühlstufe verfügt und wobei der Waschturm unter dem Ab gabedruck von 20 bar und mehr der Kohledruckvergasungs anlage arbeitet. Der Waschmittelkreislauf besitzt eine Waschmittelabzugsleitung, die zu einem Waschmittelauf nahmebecken mit Schlammabzug geführt ist. Von dort wird das Waschwasser über eine Waschmittelspeiseleitung, die mit einer Speisepumpe versehen ist, den Dralldüsen im oberen Teil des Waschturmes wieder zugeführt. Das Reingas ist aus dem Waschturm über eine Produktgasleitung abziehbar und ist an eine Entspannungsturbine angeschlossen.

Die US-PS 3.6 67.193 zeigt ein Verfahren zur Reinigung und Kühlung von heißen, staubbeladenen und unter einem Überdruck stehenden Prozeßgasen, bei dem das Gas in einem Venturi-Wäscher eintritt und das Prozeßwasser wieder zurückgeführt wird. Eine Trennung von Gas und Wasser erfolgt in einem konventionellen Kühlturm, wobei die Gase in die Atmosphäre entweichen und ein Teil des Überlaufwassers mit Frischwasser vermischt dem Venturi wieder zugeführt wird.

Die CH-PS 668 196 zeigt ein Verfahren und eine Ein richtung zum Kühlen und Entstauben von heißen, staub beladenen Gasen in einem geschlossenen System mit einem oberen Behälter sowie einem darunter angeordneten Ven turibereich und mit einem darunter angeordneten ersten Absetzer sowie mit einer Gasentfeuchtungsvorrichtung im Gasauslaß für das Reingas und einem darunter angeord neten zweiten Absetzer. Zur Entfeuchtung wird das Gas in einen Zyklon geleitet und durch schrägliegende Schaufeln in Rotation versetzt. Das hier abgetrennte Wasser wird danach dem zweiten Absetzer zugeführt und über eine Pumpe den beiden Reinigungsstufen als Umlauf wasser wieder zugeführt. Das weitgehendst trockene Reingas wird über den Gasauslaß abgeführt.

Auch bei der Kohlevergasung oder bei der Direkt reduktion von Eisenerzen müssen die aus einem Reaktor austretenden Prozeßgase vor einer Weiterverwendung gereinigt und abgekühlt werden, wobei die Prozeßgase je nach benutztem Verfahren den Reaktor in einer oder mehreren Linien verlassen und dabei getrennten Kühl- und Reinigungskreisläufen zugeführt werden.

Die erste Stufe einer aus der Praxis des Eisenhütten wesens bekannten Prozeßgas-Aufbereitung-Anlage umfaßt einen Kühl- und Waschvorgang mit Kühlwasser, in dem neben der Temperaturreduzierung mit Teilkondensation die vom Prozeßgas aus dem Reaktor ausgetragenen Staubpartikel ausgewaschen werden.

Die zweite Stufe umfaßt die Aufbereitung des Kühl- und Waschwassers in einer Kläranlage mit offenen Naturzug-Kühltürmen zur Rückkühlung des Kreislauf-Kühlwassers und verschiedenen offenen Absetzbecken und Eindickern zur Behandlung des in dem Waschwasser mitgeführten Schlammes. Zur Ergänzung der Verdunstungsverluste in den offenen Kühltürmen muß ständig Zusatzwasser zugeführt werden.

Bei diesen Kühl- und Reinigungsanlagen werden die aus dem Reaktor abströmenden heißen und staubbeladenen Prozeßgase jeweils in einer Quenchkammer und einem nachgeschalteten Quenchturm durch Einsprühen von Kühl- und Reinigungswasser beispielsweise bis auf ca. 40°C abgekühlt und gewaschen. Dabei tritt auch der vornehmlich im Reduktionsgas enthaltene Wasserdampf aus.

Diese zwar apparativ einfache Lösung erfordert jedoch ständig große Wassermengen, da die gesamte Wärme vom Wasser aufgenommen wird und die gesamte Kühlwassermenge mit dem Staub aus den Prozeßgasen beladen ist. Zur Reinigung des Kühl- und Waschwassers ist deshalb eine umfangreiche Schlammwasser-Klär- und -Aufbereitungsanlage erforderlich. Zur Umwälzung dieser Wassermengen ist ein hoher Energieeinsatz erforderlich und der Wasserverbrauch ist durch die Verdunstung in den offenen Absetzbecken, Eindickern und Kühltürmen sehr hoch.

Für die Aufstellung dieser Kühl-, Reinigungs- und Aufbereitungsanlagen sind großer Platzbedarf, eine umfangreiche bauliche Infrastruktur, ein riesiges Rohrleitungsnetz mit den erforderlichen Absperr- und Regelarmaturen, Stahlkonstruktionen, Isolierung, elektrische Antriebe und Elektroschaltstationen erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Anwendung vorteilhafter Verfahrensschritte und dem Einsatz entsprechender Apparate den Gesamtaufwand einer Kühl-, Reinigungs- und Aufbereitungsanlage für die Prozeßgase und für die anfallenden Kühl- und Schlammwassermengen so zu reduzieren, damit in erheblichem Umfang Investitions- und Betriebskosten sowie Betriebsmittel, insbesondere Wasser und Strom, eingespart werden können.

Die verfahrensmäßige Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben. Die abhängigen Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Verfahrens. Weitere Unteransprüche betreffen Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtung wird durch eine Splittung des Wasch- und Kühlvorganges der Prozeßgase erreicht, daß in einer Gaswäsche in einem Venturiwäscher die Gase gereinigt und in einer Gaskühlung, mit Teilkondensation des im Prozeßgas enthaltenen Wasserdampfes, die Probleme in einer luftgekühlten Kühler- und Kondensatoranlage entfeuchtet und gekühlt werden.

Der Vorteil dieser Verfahrensweise liegt darin, durch Einsatz spezieller Apparate den Abscheideeffekt zu erhöhen, den Wasserbedarf zur Wäsche weitgehend zu reduzieren und damit auch den apparativen Aufwand zur anschließenden Wiederaufbereitung des Waschwassers zu verringern. Weiterhin wird erreicht, den Druckverlust zu minimieren und die Abkühlung der Prozeßgase auch mit anderen Wärmeträgern, z. B. Luft, durchführen zu können, wobei ein erheblicher Energieaufwand für die Pumparbeit durch die Reduzierung der umlaufenden Kühl- und Waschwassermenge um mehr als 80% eingespart wird. Aufgrund der Reduzierung der Waschwassermengen ist es möglich, die in dem kontaminierten Waschwasser enthaltenen Feststoffe mit Hilfe von beispielsweise Filterpressen zu entfernen. Der Filterkuchen hat bei Einsatz dieses Verfahrens ca. 40 Gew. -% Trockensub stanz.

Als spezielle Apparate zur Abscheidung von Stäuben aus Gasen werden sog. Venturiwäscher eingesetzt. Sie werden vor allem dort eingesetzt, wo die Abscheideleistung beispielsweise von Strahlwaschern nicht mehr ausreicht. Während bei einem Strahlwascher der Abscheidegrad nach unten begrenzt ist, lassen sich mit dem Venturiwäscher noch beliebig hohe Fraktionsabscheidegrade erzielen. Die gute Abscheideleistung beruht auf der hohen Relativgeschwindigkeit zwischen dem staubbeladenen Gasstrom und der Waschflüssigkeit. Der Abscheidegrad für eine bestimmte Kornfraktion ist eine Funktion des Druckverlustes des Venturiwäschers.

Je höher der Druckverlust im Venturiwäscher ist, desto größer wird seine Abscheideleistung sein.

Der vorgeschlagene Venturiwäscher ist automatisch regulierbar, d. h. auch bei schwankenden Gasströmen werden der Druckverlust und das Verhältnis von Gas zu Flüssigkeitsstrom konstant gehalten. Der Wäscher arbeitet immer am gleichen Betriebspunkt und damit im Bereich des optimalen Wirkungsgrades.

Thermodynamisch läuft das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt ab:

Die Prozeßgase treten unter Betriebsbedingungen - erwärmt, staubbeladen und unter Druck stehend - aus dem Reaktor in den Venturiwäscher ein und werden dort einer Vollreinigung und Teilkühlung unterzogen, die Endkühlung wird in nachgeschalteten Kühlanlagen durchgeführt, das Schlammwasser wird aus den Venturiwäschern der Schlammwasseraufbereitung zugeführt.

In bezug auf Druck und Temperatur sind die Prozeßgase mit dem vorhandenen Wasserdampfanteil ungesättigt. Dadurch wird ein Teil der zur Wäsche über den Venturiwäscher eingegebenen Kühlwassermenge verdampft. Die dazu notwendige Verdampfungswärme wird den Prozeßgasen entzogen, die sich dadurch abkühlen. Verdampfung und Abkühlung schreiten so weit fort, bis sich ein physikalisches Gleichgewicht eingestellt hat. Die Prozeßgase, vermehrt um die aus der Verdampfungskühlung herrührende Wasserdampfmenge, werden anschließend in der nachgeschalteten Kühler- und Kondensatorenanlage bis auf eine Temperatur abgekühlt, die für den Wiedereinsatz im Reaktor, beispielsweise ca. 40°C, erforderlich ist. Das dabei anfallende Kondensat wird über ein Entspannungsventil in die Atmosphäre abgeleitet. Als Kühler- und Kondensator wird ein Luftkühler verwendet.

Durch den als Abscheide- und Vorlagebehälter für den Venturiwäscher gewählten Zentrifugalabscheider kann auf weitere Tropfenabscheider im Prozeßfluß verzichtet werden.

Aus dem Abscheide- und Vorlagebehälter wird das kontaminierte und unter Druck stehende Waschwasser mit einem Feststoffgehalt von ca. 2 Gew.-% in einem mit einer Kühlschlange ausgerüsteten und unter Atmosphärendruck stehenden Zwischenbehälter entspannt. Mittels Rückkühlwasser (separater Kreislauf) wird das Schlammwasser auf eine für den anschließenden Filtervorgang geeignete Temperatur abgekühlt. Da durch die bei der Entspannung der über 100°C heißen Flüssigkeit auftretende Dampfbildung das Schlammwasser im Zwischenbehälter ständig in Bewegung ist, ist einmal ein guter Wärmeübergang an die Kühlschlange gewährleistet und zum anderen wird es kaum zu Feststoffablagerungen an der Kühlschlange kommen. Durch entsprechende Ausbildung des Abzugsstutzens im Behälterboden kann eine weitere Vorsorge gegen Feststoffablagerungen getroffen werden.

Für die Beschickung der Filteranlage werden im Hinblick auf den Feststoffgehalt des Schlammwassers beispielsweise Plungerpumpen verwendet.

Das gefilterte Waschwasser wird in einem ebenfalls mit Rückkühlwasser beschickten Röhren- oder Plattenkühler auf beispielsweise ca. 40°C abgekühlt und mit dem Kondensatwasser aus der Prozeßgaskühler- und Kondensatoranlage zusammengeführt. Vom Sammelbehälter aus werden die Venturiwäscher mit Kühl- und Waschwasser versorgt. Der anfallende Wasserüberschuß kann in den Wasserkreislauf der Gesamtanlage gegeben werden.

Der Einsatz eines Venturiwäschers und einer luftgekühlten Kühl- und Kondensationsanlage bedingt zwar gegenüber dem bekannten Verfahren einen erhöhten Druckverlust in den Gaskreisläufen und hat insofern einen erhöhten Energiebedarf für die Umwälzverdichter zur Folge, allerdings ist diese Zunahme mit ca. 2% so unbedeutend, daß der erhebliche Spareffekt und Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht geschmälert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstverständlich nicht beschränkt auf seine Anwendung im Rahmen der Kohlevergasung oder der Direktreduktion von Eisenerzen, beispielsweise nach dem sogenannten Hyl- oder Midrex-Verfahren, sondern läßt sich generell zur Reinigung und Kühlung von heißen, staubbeladenen Prozeßgasen verwenden.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand eines Verfahrens- und Apparateschemas näher erläutert.

Die Prozeßgase (A) treten unter Betriebsbedingungen - erwärmt, staubbeladen und unter Druck stehend - aus dem Reaktor (1) aus und werden dem Venturiwäscher (2) zur Vollreinigung und Teilkühlung und danach der Kühl- und Kondensationsanlage (3) zugeführt. Das so aufbereitete Prozeßgas (A) wird anschließend über einen Verdichter (4) und Rückkühler (5) dem Reaktor (1) nach einer weiteren Nachbehandlung, beispielsweise einer CO₂-Wäsche, wieder zugeführt.

Das kondensierte Wasser (C) aus der Kühl- und Kondensationsanlage (3) wird zunächst einem Sammelbehälter (6) zugeführt. Ein Entspannungsventil (14) sorgt für die Stabilisierung des Betriebsdruckes in der Kühl- und Kondensationsanlage (3).

Das schlammbeladene, unter Druck stehende und erwärmte Kühl- und Waschwasser (B) aus dem Venturiwäscher (2) wird dem mit einer Kühlschlange (8a) ausgerüsteten Zwischenkühler (8) zugeführt und auf Atmosphärendruck entspannt. Zwischen dem Venturiwäscher (2) und dem Zwischenkühler (8) ist ein Entspannungsventil (14) zur Regulierung des Betriebsdruckes des Kühl- und Waschwassers (B) vorgesehen. Die Abkühlung des Schlammwassers (B) im Zwischenkühler (8) wird mittels Rückkühlwasser (D) durchgeführt.

Das im Zwischenkühler (8) unter den Siedepunkt abgekühlte und entspannte Schlammwasser (B) wird durch Schlammwasserpumpen (9) einer mehrsträngigen Filteranlage (10), beispielsweise bestehend aus Filterpressen oder Trommelfiltern, zugeführt, wo eine weitere Trennung von Schlamm (B) und Kühlwasser (C) erfolgt. Eine Entlüftungsvorrichtung (15) sorgt für die Einhaltung des Atmosphärendruckes.

Das in dieser Anlage zurückgewonnene warme Kühlwasser (C) wird über einen Rückkühler (11) geleitet, einem Kühlwasserspeicher (12) zugeführt und mittels Kühlwasserpumpen (7) dem Kühlwasserspeicher (6) zugeleitet. Hier wird das Kühlwasser (C) mit dem Kondensatwasser (C) aus der Kühl- und Kondensationsanlage (3) gemischt und als aufbereitetes Kühlwasser (C) wieder dem Venturiwäscher (2) zugeleitet. Zum Abbau eines sich kurzzeitig aufbauenden Überdruckes und zum CO₂-Austritt sind die Kühlwasserspeicher (6 und 12) je mit einer Entlüftungsvorrichtung (15) versehen.

Der in der Filteranlage (10) gewonnene Schlamm (3) wird in Schlammbehälter (13) abgefüllt und einer weiteren Entsorgung zugeführt.

Bezugszeichenliste

1 Reaktor
2 Venturiwäscher
3 Kühl- u. Kondensationsanlage
4 Verdichter
5 Gaskühler
6 Kühlwasserspeicher
7 Kühlwasserpumpen
8 Kühlgefäß
8a Kühlschlange
8b Abzugsstutzen
9 Schlammwasserpumpen
10 Schlammfilter
11 Rückkühler
12 Kühlwasserspeicher
13 Schlammbehälter
14 Entspannungsventil
15 Entlüftungsvorrichtung
Kreisläufe:
A Prozeßgas
B Wasch- und Kühlwasser
C Kühlwasser
D Rückkühlwasser.

Claims

1. Verfahren zur Reinigung und Kühlung von heißen, staubbeladenen und unter einem Überdruck stehenden Prozeßgasen aus einem Reaktor, wobei das Gas aus dem Reaktor abgeführt, in einer Vollreinigungsstufe mit Teilkühlung gereinigt und vorgekühlt wird, wobei das schlammbeladene Wasch- und Kühlwasser aus den Reinigungs- und Kühlanlagen aufbereitet und sowohl das gereinigte und gekühlte Gas als auch das aufbereitete Kühlwasser einer erneuten Nutzung zugeführt werden, gekennzeichnet durch die Splittung von Reinigungs- und Kühlvorgängen in der Weise, daß das Gas (A) nach der Vollreinigungsstufe mit Teilkühlung eine Endkühl- und Kondensationsstufe durchläuft, daß das schlammbeladene Wasch- und Kühlwasser (B) der Vollreinigungsstufe eine Kühl-Entspannungs-Anlage und eine Abscheideanlage durchläuft, daß das gereinigte und weiter abgekühlte Wasser (C) in den Prozeßkreislauf zurückgeführt und der abgeschiedene Schlamm einer weiteren Entsorgung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (A) durch Entzug der Verdampfungswärme so weit abkühlt, bis sich ein physikalisches Gleichgewicht eingestellt hat.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (A), vermehrt um die aus der Verdampfungskühlung herrührenden Wasserdampfmenge, so weit abgekühlt wird, bis der Wasserdampf kondensiert, als Kondensatwasser (C) abgeführt und das Gas (A) einer weiteren Nutzung zugeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Vollreinigungsstufe unter Druck austretende schlammbeladene Wasch- und Kühlwasser (B) in einem Kühlgefäß entspannt und auf eine dem nachfolgenden Filtervorgang entsprechende Temperatur abgekühlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kühlung des schlammbeladenen Wasch- und Kühlwassers (B) Rückkühlwasser (D) verwendet wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischengekühlte, schlammbeladene Wasch- und Kühlwasser (B) gefiltert wird und daß das Wasser (C) rückgekühlt, gesammelt und wieder verwendet wird.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Reinigung und Kühlung von Prozeßgasen nach den Ansprüchen 1-6 mit einem Venturiwäscher als Vollreinigungs- und Teilkühlstufe, dadurch gekennzeichnet, daß zur Endkühlung des Gases (A) Kühl- und Kondensationsanlagen (3) nachgeschaltet sind.

8. Einrichtung nach Ansprüchen 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufbereitung des Wasch- und Kühlwassers (B) nach dem Venturiwäscher (2) ein Kühl-Entspannungs-Gefäß (8), Schlammwasserpumpen (9) sowie mindestens ein Schlammfilter (10) vorgesehen sind.

9. Einrichtung nach den Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das geneigt angeordnete Kühl-Entspannungs-Gefäß (8) aus einem mit einer Kühlschlange (8a) ausgerüsteten und unter Atmosphärendruck stehenden Behälter mit im Behälterboden angeordneten Abzugsstutzen (8b) besteht.

10. Einrichtung nach den Ansprüchen 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wiedergewinnung und Rückführung des Kühlwassers (C) in den Venturiwäscher (2) den Kühl- und Kondensationsanlagen (3) ein Kühlwasserspeicher (6) und Kühlwasserpumpen (7) nachgeschaltet sind und daß im Anschluß an den Schlammfilter (10) ein Rückkühler (11), ein Kühlwasserspeicher (12) und Kühlwasserpumpen (7) vorgesehen sind.