DE4441193C2

DE4441193C2 - Verfahren zur Kühlung von Rauchgasen sowie Rauchgaskühler

Info

Publication number: DE4441193C2
Application number: DE19944441193
Authority: DE
Inventors: Dieter Prof Dr Ing Wurz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1994-11-18
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2014-11-19
Also published as: DE4441193A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von Rauchgasen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus WO 86/04519 ist ein derartiges Verfahren bekannt, bei dem das Rauchgas in den Stoff- und Wärmeübergangsgrenzschichten der Kühlelemente mit hoher Geschwindigkeit auf Temperaturen unter halb des Schwefelsäuretaupunkts abgekühlt wird, so daß eine Wandkondensation der Schwefelsäure und damit eine weitgehende Schwefelsäureabscheidung stattfindet.

Ferner sind in der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentan meldung DE 44 06 772 ein Verfahren und eine Anordnung be schrieben, mit denen eine besonders hohe SO₃-Abscheidung durch schonende Kühlung erreicht werden soll.

Hierzu sollte die Oberflächentemperatur der Wände von Kühlele menten in einer Kühlstrecke möglichst wenig unter die Rauchgas temperatur abgesenkt werden. Um bei diesem Verfahren bei hoher SO₃-Beladung der Rauchgase unvermeidlich gebildete H₂SO₄-Aerosole zu verdampfen, bevor das Rauchgas in eine nachgeschaltete Anla genkomponente zur Abscheidung von SO₃ eingeleitet wird, ist eine Zwischenerhitzung des Rauchgases vorgesehen.

Die Erfindung hat prinzipiell das gleiche Ziel wie die oben ge nannte Patentanmeldung DE 44 06 772, nämlich das Abscheiden von Schwefeltrioxid (SO₃) ohne Bildung von Schwefelsäure-Aerosolen zu erreichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Verfahren gemäß der Erfindung die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.

Die Erfindung verzichtet bewußt darauf, schonend im Sinne der DE 44 06 772 zu kühlen, bei der die Wandtemperatur der Kühlelemente nur wenig unter der Gastemperatur gehalten wird. Vielmehr wird bei der Erfindung schnell derart abgekühlt, daß die Wandtempera tur der Kühlelemente weit unter die Rauchgastemperatur und auch weit unter die Schwefelsäuretaupunktstemperatur des Rauchgases abgesenkt wird.

Dabei macht sich die Erfindung die folgenden grundsätzlichen Überlegungen zur Physik und Thermodynamik der Schwefelsäure- (H₂SO₄-)Kondensation in Strömungsgrenzschichten an Kühlflächen zu nutze:
Ein Grundproblem der Kondensationsabscheidung von SO₃ als H₂SO₄- Film an gekühlten Wänden besteht darin, daß die Transportge schwindigkeit für die abgeführte Wärme größer ist als jene für SO₃ bzw. für die bei dieser Temperatur gasförmig vorliegende Schwefelsäure. Dies ist im wesentlichen dadurch bedingt, daß die Wärme von den vielen Molekülen geringen Molekulargewichtes (CO₂, N₂, O₂, H₂O) schneller zur Wand transportiert werden kann als die relativ schweren SO₃ bzw. H₂SO₄-Moleküle wandern können. Somit ist es bei entsprechend hohen SO₃-Gehalten des Rauchgases unver meidlich, daß in der Stoff- und Wärmeübergangsgrenzschicht die Schwefelsäuretaupunktstemperatur unterschritten wird. Sobald dies eintritt, ist jedoch eine schonende Kühlung mit Nachteilen verbunden, da hierdurch dem System die Zeit zur Aerosolbildung bzw. zum Aerosolwachstum geboten wird. Größere Aerosole sind jedoch durch ihre Masse in ihrer thermischen Mobilität stark beeinträchtigt und können über Diffusionsvorgänge kaum abge schieden werden.

Demnach wird das sich abkühlende Rauchgas erfindungsgemäß auf folgende Weise "überlistet", um einen hohen SO₃-Abscheidegrad zu erzielen:
Das Feld, in welchem die Rauchgasabkühlung und die Schwefelsäu re-Wandkondensation ablaufen soll, wird möglichst feinstruktu riert mit Kühlfläche belegt. Die Abkühlung erfolgt im Gegensatz zur DE 44 06 772 nicht schonend, sondern schnell und auf kleinem Raume. Die Wandtemperatur wird weit unter die Rauchgaseintritts temperatur abgesenkt. Dadurch wird erreicht, daß die Transport wege für das auszukondensierende SO₃ bzw. die hierfür erforder lichen charakteristischen Zeiten klein gehalten werden. Zwar kann auch hierbei die Schwefelsäuretaupunktskonzentration im Rauchgas überschritten werden. Es ist jedoch für die Erfindung die Erkenntnis von entscheidender Bedeutung, daß eine (uner wünschte) Aerosolbildung in der freien Strömung erst bei ganz bestimmten Randbedingungen eintritt. Wenn Kondensationskerne nicht in ausreichender Konzentration im Rauchgas enthalten sind, kann das System bei Abkühlung weit in das Gebiet eines thermody namischen Ungleichgewichtes, d. h. in die Schwefelsäureübersät tigung, hineingelangen, und zwar umso weiter, je schneller die Änderungsgeschwindigkeit des Gaszustandes ist. Durch die Schwe felsäureübersättigung in der Gasströmung ergeben sich hohe Transferraten zur kalten Wand hin, so daß die Neigung zur Fremd kondensation an den im Rauchgas mitgeführten Kondensationskernen irrelevant ist, während die H₂SO₄-Übersättigung durch H₂SO₄-Wand kondensation so niedrig gehalten wird, daß keine homogene Kon densation durch spontane Schwefelsäure-Keimbildung in freier Strömung zu befürchten ist.

Zwar enthält das Rauchgas Kondensationskerne in Gestalt von Flugaschepartikeln. Der mittlere Abstand dieser Partikel ist jedoch im Rauchgas schwerölgefeuerter Dampferzeuger jedenfalls hinter dem Elektrofilter groß im Vergleich zur Wegstrecke, die ein SO₃-Molekül bei richtiger Bemessung des Rohgaskühlers durch laufen muß, um an der kalten Wand abgeschieden zu werden. Die Interceptions-Wahrscheinlichkeit durch Kondensationskerne ist für SO₃-Moleküle demnach gering. Dies gilt jedenfalls für größe re Flugaschepartikel.

Falls im Rauchgas zusätzlich zu Flugaschepartikeln feinste Keime (sogenannte "Aitkenkeime") in größerer Zahl enthalten sind, sind folgende Aspekte zu beachten:

- Sofern nicht die Kondensation fördernde, grenzflächenenerge tische Bedingungen vorliegen, tritt die Kondensation an den Aitkenkeimen auch erst bei einer gewissen Übersättigung auf, die umso größer sein muß, je kleiner der Durchmesser der Keime ist (Abhängigkeit des Dampfdruckes vom Krümmungsradi us: "Thomsonsche Formel").
- Die Aitkenkeime besitzen wegen ihrer geringen Masse auch selbst noch eine erhebliche thermische Mobilität und können demnach selbst zu einem relevanten Prozentsatz an den mit einem Schwefelsäurefilm belegten Kühlwänden abgeschieden werden. Falls bereits in geringem Umfange Schwefelsäurekon densation an diesen Keimen stattgefunden hat, kann die Schwefelsäure mit diesen Aitkenkeimen zur kalten Wand trans portiert werden.

Wichtig ist, den Keimen oder bereits gebildeten und zunächst noch sehr kleinen Aerosolen keine Zeit für ein Wachstum durch Agglomeration und Schwefelsäurekondensation zu lassen, denn je größer die Partikelmasse ist, umso geringer ist ihre thermische Mobilität.

Die Kühlrippen der Kühlelemente gemäß der Erfindung bieten dem SO₃-beladenen Rauchgas kalte Kondensationsflächen für H₂SO₄ an, ohne das Rauchgas selbst weiträumig unter die Taupunkttemperatur abzukühlen. Abgesehen von den sehr dünnen wandnahen Stoff- und Wärmeübergangsgrenzschichten läßt sich dabei im Rauchgas eine Temperatur oberhalb der mit der SO₃-Abscheidung abfallenden Schwefelsäuretaupunktstemperatur halten, so daß es nicht zu der unerwünschten Aerosolbildung kommt.

Ein Rauchgaskühler nach der Erfindung zeichnet sich durch dichte Belegung des Strömungsquerschnittes mit Kühlflächen aus. Dies bietet den Vorteil geringer Kühlerabmessungen, so daß ein Rauch gaskühler gemäß der Erfindung in existierenden Kraftwerken nach gerüstet werden kann. Allerdings sollten erhöhte Anforderungen an eine strömungstechnisch günstige Ausführung gestellt werden, um den Druckverlust im Rauchgas und damit auch den Eigenenergie bedarf gering zu halten. Hierzu sei auf die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 verwiesen.

Bei filigran ausgeführten Kühlelementen kommt der Abreinigungs technik eine große Bedeutung zu. Andererseits ist von ausgeführ ten Entstickungsanlagen sowie von ebenfalls recht filigran aus geführten Regenerativwärmetauschern bekannt, daß dieses Problem gelöst werden kann.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 in einem Teil-Axialschnitt bzw. in einem Quer schnitt ein an sich bekanntes Kühlelement zum Einsatz in einem Rauchgaskühler nach der Erfin dung;

Fig. 3 und 4 zwei abgewandelte Ausführungen von Kühlelemen ten im Querschnitt;

Fig. 5 eine Anordnung aus Kühl- und Heizelementen ge mäß der Erfindung in einem Teilaxialschnitt und

Fig. 6 zu der Anordnung nach Fig. 5 gehörige Tempera turverläufe v über dem Wandabstand x.

Fig. 1 zeigt ein an sich bekanntes Kühlelement in Gestalt eines außenberippten, von Kühlmittel durchströmten Kühlrohres 2 mit Kühlrippen 4. Bei derart filigranen Ausführungen kann die Fluga schebeladung zu Problemen führen. Die Flugasche schwerölgefeuer ter Kraftwerke stellt allerdings kein großes Verkrustungsrisiko dar. Beläge aus Ölflugasche sind insbesondere dann gut abzuspü len, wenn sie wie im vorliegenden Falle schwefelsäuregetränkt sind. Da die Rauchgase schwerölgefeuerter Kessel kaum Chlorid enthalten, steht der Verwendung von Edelstahlrippenrohren auch kein Korrosionsrisiko entgegen. Es wäre allerdings ein Werkstoff mit besonders hoher Wärmeleitung vorzuziehen.

Mit einem Rippenrohrkonzept für die Kühlelemente gemäß der Fig. 1 kann man das Verfahren nach der Erfindung, den Strömungsquer schnitt des Rauchgases möglichst dicht mit Kühlflächen zu bele gen und somit eine hohe Änderungsgeschwindigkeit des Gaszustan des zu erzwingen, besonders gut umsetzen. Folgende Bemessungs regeln sind zur Dimensionierung der Kühlrippen vorteilhaft:

- Rippenlänge L_R = 30-300 mm
- Rippenbreite B_R = 20-100 mm
- Rippenabstand W_R = 2-10 mm
- Verhältnis Rippenabstand zu Rippenlänge:
- Gas-Anströmgeschwindigkeit des Kühlelementes (Wärmetauschers) v₀ = 1-10 m/s
- Mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Rauchga ses in den Gassen zwischen den Kühlrippen 4:
v₁ = 1,5-15 m/s
- Oberflächentemperatur der Rippen Θ_R (im we sentlichen gleich der Kühlmitteltemperatur) Θ_R = 60-120°C.

Bei der Ausgestaltung des Kühlelementes mit Kühlrippen 4′ und Kühlrohr 2′ ist zur Anpassung an einen für die SO₃-Abscheidung optimalen Temperaturverlauf in den Kühlrippen 4′ das kühlmittelführende Kühlrohr 2′ exzentrisch zu den Rippen ange ordnet. Die relative Exzentrizität ε = E/L_R liegt vorteilhaft im Bereich 0-30%, wobei die Maße E und L_R aus der Fig. 3 er sichtlich sind.

Ein Beitrag zur Lösung der Aufgabe, die im Rauchgas enthaltene Schwefelsäure bei möglichst geringen Druckverlusten und geringen Abmessungen zu kondensieren, wird auch durch eine aerodynamisch günstige Formgebung für das Kühlrohr 4′′ erzielt, welches gemäß Fig. 4 mit elliptischem Querschnitt ausgeführt ist.

Die über Kühlelemente gemäß den Fig. 1 bis 4 erzielte Wärme auskopplung kann zur Reingaserhitzung und/oder zur Gewinnung von Nutzwärme genutzt werden.

Die Erfindung ist ausgehend von der Erkenntnis konzipiert, daß bei der SO₃-Abscheidung durch Wandkondensation die Wärmeabfuhr intensiver verläuft als die Schwefelsäurekondensation (Lewis- Zahl < 1), so daß es, verstärkt durch die Nichtlinearität der Verknüpfung von Dampfdruck und Temperatur, leicht zu einer SO₃- Übersättigung sowie zur Aerosolbildung kommen kann. Dieser Pro blematik trägt die Weiterentwicklung der Erfindung gemäß Fig. 5 in besonders vorteilhafter Weise Rechnung. In Strömungsrichtung gesehen vor einem Kühlelement 2, 4; 2′, 4′ oder 2′′, 4′′ gemäß den Fig. 1 bis 4 ist ein Heizelement für den inneren Wärmetransport angeordnet, welches mit Heizflächen zwischen die wärmeauskop pelnden Schwefelsäure-Kondensationsflächen hineinragt. Die Heiz flächen sind von Heizrippen 6 gebildet, welche Wärme aus der Rauchgasströmung auskoppeln und in Strömungsrichtung nach hinten zwischen die Kühlrippen 4, 4′, 4′′ hinein transportieren, entspre chend der Wärmeauskopplung über die Kühlrippen, die zu einer Absenkung der Gastemperatur führt.

Dabei kann der innere Wärmetransport zwischen die Kondensations flächen der Kühlrippen 4, 4′ oder 4′′ hinein durch Wärmeleitung oder bei gröber strukturierten Plattenwärmetauschern durch Kon vektion, z. B. auch mit Hilfe von Heat-pipe-Systemen, erfolgen.

Während auf den Kühlflächen der Kühlrippen 4, 4′ oder 4′′ die Schwefelsäure auskondensiert, wird das Rauchgas durch Wärmezu fuhr von den zwischen die Kühlrippen 4, 4′, 4′′ hineinragenden Heizrippen 6 her auf einem Temperaturniveau gehalten, bei dem nur in unmittelbarer Nachbarschaft der Kühlflächen die Schwefel säuretaupunktstemperatur unterschritten ist.

Dadurch kühlt sich das Rauchgas im Schwefelsäurekondensator re lativ wenig ab. In einem nachgeschalteten Kühler kann entspre chend mehr Wärme ausgekoppelt und z. B. für Heizzwecke sowie zur weitergehenden Abscheidung von SO₃ ohne Aerosolbildung verwendet werden.

Insbesondere dann, wenn die Rauchgastemperatur vor dem Schwefelsäurekondensator schon recht nahe am Schwefelsäuretau punkt liegt, ist es vorteilhaft, die zwischen die Kühlrippen 4, 4′ oder 4′′ hineinragenden Heizrippen 6 durch von außen zuge führte Wärme aufzuheizen, z. B. durch inneres Beaufschlagen ei nes mit den Rippen 6 gut wärmeleitend verbundenen Heizrohres 8 mit Heißwasser, Sattdampf mittleren Druckes oder mit Rauchgas. Die Konstruktion ist dann so auszulegen, daß der unterschiedli chen Wärmedehnung von Heizrohr 8 und Kühlrohr 2, 2′ oder 2′′ Rech nung getragen wird.

Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich, wenn die Heiz rippen 6 schlecht wärmeleitend oder wärmeisolierend auf demsel ben Rohr 2, 2′ oder 2′′ wie die Kühlrippen 4, 4′ oder 4′′ befestigt sind, z. B. nur mit Punktberührung, während die Kühlrippen 4, 4′ oder 4′′ optimal wärmeleitend mit dem Kühlrohr 2, 2′ oder 2′′ ver bunden sind.

Aus dem Diagramm nach Fig. 6 sind qualitative Temperaturverläufe Θ über dem Abstand x ersichtlich. Darin bedeuten:

- Kurve a: Temperaturverlauf der Kühlrippen oberfläche ohne Heizrippen 6
- Kurve b: über den Querschnitt gemittelter Temperaturverlauf ohne Heizrippen 6
- Kurve c: Temperaturverlauf der Heizrippen oberfläche
- Kurve d: über den Querschnitt gemittelter Temperaturverlauf mit Heizrippen 6
- Kurve e: Temperaturverlauf der Kühlrippen oberfläche mit Heizrippen 6.

Ein Vergleich der Kurven a und e verdeutlicht den durch die Heizrippen 6 zusätzlich erzielbaren Effekt einer schwächeren Abkühlung.

Claims

1. Verfahren zur Kühlung von Rauchgasen, bei dem mittels kon trollierter Schwefelsäurekondensation in einer Kühlstrecke enthaltend Kühlelemente Schwefeltrioxid (SO₃) abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl elemente als Außen-Rippenrohre (2, 4; 2′, 4′; 2′′, 4′′) ausge führt sind, deren Kühlrohre (2, 2′, 2′′) von Kühlmittel durchströmt sind, die außen von Rauchgas umströmt sind und deren Rippen (4, 4′, 4′′) wie folgt bemessen sind:

- Rippenlänge L_R = 30-300 mm
- Rippenbreite B_R = 20-100 mm
- Rippenabstand W_R = 2-10 mm
- Verhältnis Rippenabstand zu Rippenlänge: wobei
- die Gas-Anströmgeschwindigkeit des Wärmetauschers zu v₀ = 1-10 m/s
- die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Rauchgases in den Gasen zu v₁ = 1,5-15 m/s und
- die Oberflächentemperatur der Rippen Θ_R, die im we sentlichen der Kühlmitteltemperatur entspricht, zu Θ_K = 60-120°Cgewählt sind.

2. Rauchgaskühler zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre (2′, 2′′) exzentrisch zu den Kühlrippen (4′, 4′′) angeordnet sind und die relative Exzentrizität ε = E/L_R zwischen 0 und 30% liegt.

3. Rauchgaskühler nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kühlrohre (2′′) aerodynamisch gün stig, insbesondere mit elliptischem oder tropfenförmigem Querschnitt, ausgeführt sind.

4. Rauchgaskühler zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kühlelementen (2, 4; 2′, 4′; 2′′, 4′′) Heizel emente (6, 8) angeordnet sind.

5. Rauchgaskühler nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Heizelemente (6, 8) mit Fremd energie beheizbar sind, insbesondere durch Zufuhr von Heiß wasser, Dampf oder heißem Rauchgas.

6. Rauchgaskühler nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Heizelemente (6, 8) durch Wärme auskopplung aus dem Rauchgas beheizt sind.

7. Rauchgaskühler nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wärmeauskopplung aus dem Rauchgas teils unmittelbar vor und teils zwischen den Kühlelementen (2, 4; 2′, 4′; 2′′, 4′′) vorgesehen ist.

8. Rauchgaskühler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (6) Heizrippen (6) aufweisen, welche zwischen die Rippen (4) ragen.

9. Rauchgaskühler nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Heizrippen (6) wärmeleitend mit einem ein Heizfluid führenden Heizrohr (8) verbunden sind.

10. Rauchgaskühler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Heizrippen (6) wärmeiso lierend mit den Kühlrohren (2) verbunden sind.