DE4422924C2 - Verfahren zur Reinigung eines Abgasstromes aus einer Verbrennungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung eines mit Schadstoffhauptkomponenten wie SO₂, HCL und HF, und mit Schadstoffnebenkomponenten wie Dixoxinen, Furanen und Schwermetalldämpfen, beladenen Abgasstromes aus einer Ver­ brennungsanlage, insbesondere aus einer Müllverbrennungsan­ lage. Verbrennungsanlagen im Sinne der Erfindung dienen beispielsweise der Energieumwandlung im Rahmen eines Kraft­ werkes und/oder der Abfallentsorgung. Schadstoffhauptkompo­ nenten meint jene Schadstoffkomponenten, welche bezogen auf den Gesamtschadstoffanteil in großer Menge im Abgasstrom vorliegen. Schadstoffnebenkomponenten meint demgegenüber jene Schadstoffkomponenten, welche bezogen auf den Gesamt­ schadstoffanteil in geringen Mengen im Abgasstrom vorlie­ gen. Schadstoffhauptkomponenten sind typischerweise Schwe­ feldioxid, Chlorwasserstoff und im geringerem Umfange Fluorwasserstoff. Schadstoffnebenkomponenten sind bei­ spielsweise stabile organische Verbindungen wie Dioxine und Furane, und Schwermetalldämpfe, wie Quecksilber. Ein Adsor­ ber ist beispielsweise so aufgebaut, daß beladenes und so­ mit erschöpftes Adsorbens kontinuierlich aus einem geeig­ neten Reaktor, beispielsweise einem Wanderschicht-Reaktor, ausgeschleust und frisches Adsorbens aufgegeben wird. Außer der dynamischen Gasphase kann folglich auch die Wander­ schicht als quasi-dynamische Phase betrachtet werden. Dabei ist grundsätzlich die Führung der Gasphase im Gegenstrom oder im Querstrom möglich. Ein Adsorbens auf Kohlenstoff­ basis besteht beispielsweise aus Aktivkohlen oder Aktiv­ koksen aus Steinkohlen oder Braunkohlen. Eine Grobabschei­ destufe kann Massenkraftabscheider, filternde Abscheider, elektrische Staubabscheider oder Naßabscheider/-wäscher aufweisen. In einer Grobabscheidestufe können auch mehrere dieser Abscheider kombiniert sein.

Bei dem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art, von dem die Erfindung ausgeht, (DE 39 36 708 C1) wird ein mit Schadstoffhauptkomponenten und mit Schadstoffnebenkomponen­ ten beladener Abgasstrom in einen Adsorptionsreaktor einge­ führt, der bezüglich der Adsorption von Schadstoffhauptkom­ ponenten und Schadstoffnebenkomponenten verschiedene Kam­ mern aufweist. Als Schadstoffnebenkomponente wird hier Quecksilber in einer Kammer adsorbiert. Das mit dem Queck­ silber beladene Adsorbens wird einer Desorptionsanlage zu­ geleitet, in der das Quecksilber desorbiert wird. Das mit Restmengen beladene Adsorbens wird aus dieser Desorptions­ anlage zusammen mit dem mit den Schadstoffhauptkomponenten beladenen Adsorbens aus der zweiten Kammer des Adsorptions­ reaktors in ein Schmelzaggregat eingebracht. Hier werden die Schadstoffe in eine Schlacke eingebunden, die abgezogen und deponiert wird. Das bekannte Verfahren ist im Hinblick auf die Effektivität der Schadstoffabtrennung ver­ hältnismäßig aufwendig. Zudem fällt eine große Menge Schlacke an, die mit relativ hohen Konzentrationen an Schadstoffen beladen ist und daher aus Umweltgründen be­ denklich und als Sondermüll nur auf Sondermülldeponien deponierbar ist.

Der Erfindung liegt demgegenüber das technische Problem zu­ grunde, ein Verfahren zur Reinigung eines Abgasstromes an­ zugeben, aus welchem bei gleichbleibender Effektivität hin­ sichtlich der Schadstoffabtrennung weniger Sondermüll an­ fällt.

Zur Lösung dieses Problems lehrt die Erfindung ein Verfah­ ren zur Reinigung eines mit Schadstoffhauptkomponenten, wie SO₂, HCL und HF, und mit Schadstoffnebenkomponenten, wie Dioxinen, Furanen und Schwermetalldämpfen, beladenen Ab­ gasstromes aus einer Verbrennungsanlage, insbesondere aus einer Müllverbrennungsanlage, bei dem der Abgasstrom zu­ nächst einer Grobabscheidestufe zugeführt wird, in welcher zumindest die Schadstoffhauptkomponenten im Abgasstrom ab­ gereichert werden, bei dem die Schadstoffnebenkomponenten und Reste der Schadstoffhauptkomponenten in einem Adsorber aus dem vorgereinigten Abgasstrom abgetrennt und an einem Adsorbens auf Kohlenstoffbasis adsorbiert werden, bei dem das mit der Schadstoffnebenkomponente und Resten der Schad­ stoffhauptkomponente beladene Adsorbens aus dem Adsorber abgezogen und in einem Gegenstrom-Desorber von oben einge­ führt sowie in diesem durch einen im wesentlichen im Kreis­ lauf geführten Inertgasstrom im Gegenstrom unter Bildung eines Schadstoffreichgasstromes von Schadstoffen befreit wird, wobei ein Volumenstrom zusätzlichen Inertgases dem Kreislauf zugeführt wird, welcher dem Volumenstrom des aus dem Gegenstrom-Desorber abgeführten Schadstoffreichgases entspricht, bei dem das aus dem Desorber abgezogene Adsor­ bens einer Verbrennungsanlage zugeführt oder in den Adsor­ ber zurückgeführt wird, wobei das Adsorbens diskontinuier­ lich aus dem Gegenstrom-Desorber abgezogen wird und während des Abzugs des Adsorbens keine Durchströmung des Desorbers stattfindet, bei dem der Schadstoffreichgasstrom einem Kleinstmengenadsorber zugeführt wird und an einem Kleinst­ mengenadsorbens adsorbiert wird, wobei die Menge des zuge­ führten Adsorbens so gesteuert wird, daß das Kleinstmen­ genadsorbens mit den Schadstoffhauptkomponenten übersät­ tigt, mit den Schadstoffnebenkomponenten jedoch unterhalb der jeweiligen Sättigungsgrenzen der jeweiligen Schad­ stoffnebenkomponenten beladen wird, wobei eine Kleinstmen­ genabgasstrom aus dem Kleinstmengenadsorber abgezogen und zur Grobabscheidestufe zurückgeführt wird, mit der Maßgabe, daß der Inertgasstrom vor der Zufuhr in den Gegenstrom-Desorber auf 400 bis 650°C erwärmt wird, wobei der Inert­ gasstrom den Desorber mit einer Leerrohrströmungsgeschwin­ digkeit von 0,25 bis 0,3 m/s durchströmt, und wobei die mittlere Verweilzeit des beladenen Adsorbens im Gegenstrom-Desorber 1,5 bis 2 h beträgt. Es versteht sich, daß die Konzentrationen der Schadstoffkomponenten in dem den Adsorber verlassenden Abgasstrom praktisch Null, jedenfalls aus Umweltgründen unbedenklich sind. Der den Adsorber ver­ lassende Abgasstrom kann somit an die Umwelt abgegeben werden. Es versteht sich weiterhin, daß das aus dem Desor­ ber abgezogene Adsorbens hinsichtlich der Schadstoffkompo­ nenten soweit entladen ist, daß das Adsorbens kein Sonder­ müll im Sinne der gesetzlichen Vorschriften ist. Kleinst­ mengenadsorber bezeichnet einen Adsorber, welcher im Ver­ gleich zu dem Wanderbettadsorber mit nur geringen Mengen an Adsorbens auskommt. Das Kleinstmengenadsorbens kann aus dem gleichen Material wie das Adsorbens bestehen. Als Kleinst­ mengenadsorbens können aber auch andere geeignete Adsorp­ tionsmittel wie z. B. Zeolithe eingesetzt werden. Als Sättigungsgrenze ist ein Beladungsgrad des Adsorbens be­ zeichnet, bei welchem die Adsorptionsrate nicht mehr erheb­ lich größer als die Desorptionsrate ist. Diese Sättigungs­ grenze im technischen Sinne ist bereits vor Einstellung des Gleichgewichts zwischen Adsorptions- und Desorptionsrate erreicht (physikalische Sättigungsgrenze).

Die Grundkonzeption der Erfindung besteht darin, einen Schadstoffkreislauf für sowohl die Schadstoffhauptkomponen­ ten als auch für die Schadstoffnebenkomponenten einzurich­ ten, wobei zwei zumindest zum Teil spezifische Schad­ stoffsenken eingerichtet sind. Die Grobabscheidestufe ist eine Schadstoffsenke bezüglich zumindest der Schadstoff­ hauptkomponenten. Sie ist hinsichtlich ihrer Kapazität auf die Schadstoffhauptkomponenten abgestimmt. Der Kleinstmen­ genadsorber ist demgegenüber eine für die Schadstoff­ nebenkomponenten spezifische Schadstoffsenke und hinsicht­ lich seiner Kapazität auf diese abgestimmt. Das Kleinst­ mengenadsorbens wird mit den Schadstoffnebenkomponenten bis knapp unterhalb der Sättigungsgrenzen für diese Schad­ stoffnebenkomponenten beladen. Zwar werden auch Schadstoff­ hauptkomponenten gebunden, aufgrund der diesbezüglich ge­ ringen Kapazität des Kleinstmengenadsorbers im Vergleich zur anfallenden Menge an Schadstoffhauptkomponenten wird das Kleinstmengenadsorbens jedoch übersättigt und trägt im Vergleich zur Grobabscheidestufe keinen großen Anteil zur Abtrennung der Schadstoffhauptkomponenten bei. Der beson­ dere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß eine volumenmäßig nur geringe Menge an Kleinst­ mengenadsorbens anfällt, die jedoch mit insbesondere den Schadstoffnebenkomponenten hoch beladen ist. Gegenüber dem Stand der Technik wird somit ein nur geringes Sonder­ müllaufkommen erreicht, bei dennoch sehr hoher Effektivität der Abgasreinigung insgesamt. Wird die Grobabscheidestufe so ausgelegt, daß in ihr lediglich die Schadstoffhauptkom­ ponenten aus dem Abgasstrom abgetrennt werden, so erfolgt zudem eine sehr effektive Trennung von Schadstoffhauptkom­ ponenten und Schadstoffnebenkomponenten. Schadstoffhaupt­ komponenten, insbesondere Schwefeldioxid, können meist in Wirtschaftsgüter umgewandelt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfah­ rens sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich Aus­ führungsbeispielen darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Reinigung eines Abgasstroms mit Überführung des Adsorbens aus dem Desorber in die Verbrennungsanlage,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Reinigung eines Abgasstroms mit Rückführung des Adsorbens aus dem Desorber in den Adsorber.

Im Ausführungsbeispiel ist der Adsorber ein Wanderbett­ adsorber. Dementsprechend ist das Adsorbens als Wander­ bettadsorbens bezeichnet. In den Fig. 1 und 2 erkennt man eine Verbrennungsanlage 1, deren Abgasstrom 3 zunächst einer Grobabscheidestufe 2 zur Abreicherung zumindest der Schadstoffhauptkomponenten im Abgasstrom 3 zugeführt wird. An die Grobabscheidestufe 2 ist ein Wanderbettadsorber 4 zur Abtrennung der Schadstoffnebenkomponenten und der Reste der Schadstoffhauptkomponenten aus dem vorgereinigten Ab­ gasstrom 5 angeschlossen. Dem Wanderbettadsorber 4 ist ein Wanderbettadsorbens über ein. Wanderbettadsorbenszu­ führleitung 6 zuführbar. Das Wanderbettadsorbens ist nach Bela­ dung mit Schadstoffen über ein Wanderbettadsorbensabzugsleitung 7 abführbar. Der endgereinigte Abgasstrom wird dem Wanderbettadsorber 4 über ein Abgasabführleitung 23 entnommen. An die Wanderbettadsorbensabzugsleitung 7 ist ein Desorber 8 zur Befreiung des beladenen Wanderbettadsorbens von Schadstoffen angeschlossen. Zum Abzug von praktisch schadstofffreiem Wander­ bettadsorbens ist am Desorber 8 eine Desorberabzugsleitung 9 eingerichtet. Weiterhin weist der Desorber eine Schadstoffreichgas­ abführleitung 10 auf. Der Desorber 8 ist über eine Inertgas­ zuführleitung 13 und eine Inertgasabführleitung 14 an einen Inertgaskreislauf 15 angeschlossen. Im Rahmen des Inertgas­ kreislaufes 15 sind eine Kreislaufpumpe 16 und ein Inertgas­ wärmetauscher 17 zum Erwärmen des Inertgases eingerichtet. Der Inertgaswärmetauscher 17 ist mit der Inertgaszuführleitung 13 verbunden. Weiterhin weist der Inertgaskreislauf 15 eine Inert­ gaszusatzleitung 18 auf. An die Schadstoffreichgasabführleitung 10 ist ein Kühler/Abscheider 19 zum Kondensieren von Schwermetall Schadstoffkomponenten angeschlossen. Die Desorberabzugsleitung weist einen an die Inertgaszusatzleitung 18 angeschlossenen Wärmetauscher 20 auf zur Kühlung von abgezogenem Wanderbett­ adsorbens. An die Schadstoffreichgasabführleitung 10 ist ein Kleinstmengenadsorber 11 angeschlossen. Der Kleinstmengenadsorber 11 weist eine Kleinstmengenadsorberabgasleitung 12 auf, die mit der Grobabscheidestufe 2 verbunden ist. An die Schadstoff­ reichgasabführleitung 10 ist eine Lufteinblasleitung 24 ange­ schlossen.

In dem Ausführungsbeispiel Fig. 1 ist die Desorberabzugsleitung 9 mit der Verbrennungsanlage 1 verbunden. Alternativ hierzu ist es selbstverständlich möglich. Über die Desorberabzugsleitung 9 abgezogenes Wanderbettadsorbens anderen, separaten Verbren­ nungsanlagen zuzuführen.

In dem Ausführungsbeispiel Fig. 2 ist die Desorberabzugsleitung 9 an die Wanderbettadsorbenszuführleitung 6 angeschlossen.

Folgend wird das erfindungsgemäße Verfahren im einzelnen erklärt. In der Verbrennungsanlage 1 entsteht ein Abgasstrom, welcher mit Schad­ stoffhauptkomponenten und mit Schadstoffnebenkomponenten beladen ist. Dieser Abgasstrom 3 wird zunächst der Grobabscheidestufe 2 zugeführt, in welcher zumindest die Schadstoffhauptkomponenten im Abgasstrom 3 abgereichert werden. In dem Wanderbettadsorber 4 werden die Schadstoffnebenkomponenten und Reste der Schadstoff­ hauptkomponenten aus dem vorgereinigten Abgasstrom 5 abgetrennt und an dem Wanderbettadsorbens auf Kohlenstoffbasis adsorbiert. Das mit der Schadstoffnebenkomponente und Resten der Schad­ stoffhauptkomponente beladene Wanderbettadsorbens wird aus dem Wanderbettadsorber 4 abgezogen und in dem Desorber 8 unter Bildung des Schadstoffreichgasstroms 21 von Schadstoffen befreit. Dies erfolgt durch Zufuhr eines erwärmten Inertgasstroms, vor­ zugsweise eines Stickstoffgasstroms. Der Inertgasstrom wird im Gegenstrom zum beladenen Wanderbettadsorbens geführt. Der Inertgasstrom wird im wesentlichen im Kreislauf 15 geführt. Dabei wird ein Volumenstrom zusätzlichen Inertgases dem Kreislauf 15 zugeführt, welcher dem Volumenstrom des aus dem Desorber 8 ab geführten Schadstoff­ reichgases entspricht. Die Befreiung des Wanderbettadsorbens von Schadstoffen in dem Desorber 8 funktioniert besonders effektiv, wenn der Inertgasstrom vor der Zufuhr in den Desorber 8 mittels eines Wärmetauschers 17 auf 400-650°C, vorzugsweise 500-550°C, erwärmt wird. Der Inertgasstrom durchströmt den Desorber 8 mit einer Leerrohrströmungsgeschwindigkeit von 0,25-0,3 m/s, wobei die mittlere Verweilzeit des beladenen Wanderbettadsorbens im Desorber 8, 1.5 bis 2 h, beträgt. In dem Kühler/Abscheider 19 werden Schwermetall-Schadstoffkomponenten, insbe­ sondere Quecksilber, durch Kühlung aus dem Schadstoff­ reichgasstrom 21 auskondensiert. Die Kühlung erfolgt beispielsweise auf 10-50°C, vorzugsweise auf 20-40°C. Hierdurch ist eine zusätzliche Schadstoffsenke bezüglich dieser Schadstoffnebenkom­ ponente eingerichtet, weiche bewirkt, daß die erforderliche Menge Kleinstmengenadsorbens weiter reduziert ist. Das Wanderbettad­ sorbens wird diskontinuierlich aus dem Desorber 8 abgezogen. Dabei kann das Wanderbettadsorbens auch nur teilweise abgezogen werden. Während des Abzugs des Wanderbettadsorbens findet keine Durchströmung des Desorbers 8 mit Inertgas statt. Das aus dem Desorber 8 abgezogene Wanderbettadsorbens wird in dem Wärmetauscher 20 mittels des Volumenstroms zusätzlichen Inertgases gekühlt. Da damit der Volumenstrom zusätzlichen Inertgases vorgeheizt wird, kann die Heizleistung des Wärmetauschers 17 geringer ausfallen.

In dem Ausführungsbeispiel Fig. 1 wird das abgezogene Wander­ bettadsorbens der Verbrennungsanlage 1 zugeführt und in dieser als Brennstoff verwendet. Es versteht sich, daß bei diesem Ausführungsbeispiel stets eine entsprechende Menge an frischem Wanderbettadsorbens über die Wanderbettadsorbenszuführleitung 6 zugeführt werden muß.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel Fig. 2 wird das abgezogene Wanderbettadsorbens demgegenüber zu dem Wanderbettadsorber 4 zurückgeführt. Vorteilhaft ist hierbei, daß die erforderliche Menge frischen Wanderbettadsorbens gering ist. Dieses Ausführungsbeispiel empfiehlt sich, wenn die Verbrennung 1 nicht mit einem Brennstoff erfolgen soll, welcher mit dem Wanderbettadsorbens kompatibel ist.

Der Schadstoffreichgasstrom 21 wird in beiden Aus­ führungsbeispielen einem Kleinstmengenadsorber 11 zugeführt, wobei seine adsorptionsfähigen Anteile an dem Kleinstmengenadsorbens adsorbiert werden. Der Kleinstmengenadsorber 11 wird mit der Maß­ gabe betrieben, daß das Kleinstmengenadsorbens mit den Schad­ stoffhauptkomponenten übersättigt, mit den Schadstoffneben­ komponenten jedoch unterhalb der jeweiligen Sättigungsgrenzen der jeweiligen Schadstoffnebenkomponenten beladen wird. Diese Maßgabe läßt sich auf einfache Weise durch Steuerung der Zufuhrmengen und der Abfuhrmengen des Kleinstmengenadsorbens einstellen. Auf­ grund dieser Maßgabe erfolgt ein Durchbruch der Schadstoff­ hauptkomponenten durch den Kleinstmengenadsorber. Daher wird der Kleinstmengenadsorberabgasstrom 22 aus dem Kleinstmengenadsorber 11 zur Grobabscheidestufe 2 zurückgeführt. Aufgrund dieser Maß­ gabe werden die Schadstoffnebenkomponenten praktisch vollständig an dem Kleinstmengenadsorbens gebunden. Eine Verbesserung der Adsorptionsleistung des Kleinstmengenadsorbens ist dadurch ein­ richtbar, daß durch die Lufteinblasleitung 24 Luft in die Schad­ stoffreichgasabführleitung eingeblasen wird. Hierdurch wird der Schadstoffreichgasstrom auf ein niedrigeres Temperaturniveau herabgekühlt und desorbiertes Schwefeldioxid im Adsorber zu Schwefeltrioxid oxidiert. Beide Maßnahmen verbessern die Adsorp­ tionsfähigkeit von Schwermetallen an dem Kleinstmengenadsorbens.

Claims (4)

1. Verfahren zur Reinigung eines mit Schadstoffhauptkom­ ponenten, wie SO₂, HCL und HF, und mit Schadstoffnebenkom­ ponenten, wie Dioxinen, Furanen und Schwermetalldämpfen, beladenen Abgasstromes aus einer Verbrennungsanlage, ins­ besondere aus einer Müllverbrennungsanlage,
bei dem der Abgasstrom zunächst einer Grobabscheide­ stufe zugeführt wird, in welcher zumindest die Schad­ stoffhauptkomponenten im Abgasstrom abgereichert werden,
bei dem die Schadstoffnebenkomponenten und Reste der Schadstoffhauptkomponenten in einem Adsorber aus dem vorgereinigten Abgasstrom abgetrennt und an einem Ad­ sorbens auf Kohlenstoffbasis adsorbiert werden,
bei dem das mit der Schadstoffnebenkomponente und Resten der Schadstoffhauptkomponente beladene Adsorbens aus dem Adsorber abgezogen und in einem Gegenstrom-Desorber von oben eingeführt sowie in diesem durch einen im wesentlichen im Kreislauf geführten Inertgasstrom im Gegenstrom unter Bildung eines Schad­ stoffreichgasstromes von Schadstoffen befreit wird, wo­ bei ein Volumenstrom zusätzlichen Inertgases dem Kreis­ lauf zugeführt wird, welcher dem Volumenstrom des aus dem Gegenstrom-Desorber abgeführten Schadstoffreich­ gases entspricht,
bei dem das aus dem Desorber abgezogene Adsorbens einer Verbrennungsanlage zugeführt oder in den Adsorber zurückgeführt wird, wobei das Adsorbens diskontinuier­ lich aus dem Gegenstrom-Desorber abgezogen wird und während des Abzugs des Adsorbens keine Durchströmung des Desorbers stattfindet,
bei dem der Schadstoffreichgasstrom einem Kleinstmen­ genadsorber zugeführt wird und an einem Kleinst­ mengenadsorbens adsorbiert wird, wobei die Menge des zugeführten Adsorbens so gesteuert wird, daß das Kleinstmengenadsorbens mit den Schadstoffhauptkom­ ponenten übersättigt, mit den Schadstoffnebenkompo­ nenten jedoch unterhalb der jeweiligen Sättigungs­ grenzen der jeweiligen Schadstoffnebenkomponenten beladen wird,
wobei eine Kleinstmengenabgasstrom aus dem Kleinst­ mengenadsorber abgezogen und zur Grobabscheidestufe zurückgeführt wird,
mit der Maßgabe, daß der Inertgasstrom vor der Zufuhr in den Gegenstrom-Desorber auf 400 bis 650°C erwärmt wird, wobei der Inertgasstrom den Desorber mit einer Leerrohr­ strömungsgeschwindigkeit von 0,25 bis 0,3 m/s durchströmt, und wobei die mittlere Verweilzeit des beladenen Adsorbens im Gegenstrom-Desorber 1,5 bis 2 h beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Inertgasstrom ein Stickstoffgasstrom ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei Schwermetall-Schadstoffkomponenten durch Kühlung aus dem Schadstoffreichgasstrom auskondensiert werden, bevor der Schadstoffreichgasstrom in den Kleinstmengenadsorber ein­ tritt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das aus dem Gegenstrom-Desorber abgezogene Adsorbens in einem Wärmetauscher mittels des Volumenstroms zusätzlichen Inert­ gases gekühlt wird.