DE69114402T2

DE69114402T2 - Rauchgas SOx/NOx-Entfernungsverfahren und die Anwendung des Nebenproduktes.

Info

Publication number: DE69114402T2
Application number: DE69114402T
Authority: DE
Inventors: Ping-Wha Lin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-08-17
Filing date: 1991-08-07
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2011-08-08
Also published as: EP0471278B1; US5084258A; EP0471278A1; CA2049411A1; DE69114402D1; CA2049411C

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einem verbesserten Lin-Rauchgas SOx/NOx Verfahren und der Verwendung von dessen Nebenprodukten. Mein früheres US- Patent 4 756 893 offenbart ein Verfahren zum Umwandeln von Schwefeldioxid in Schwefeltrioxid durch einen katalytischen Konverter, wobei danach die Reaktionswärme des Schwefeltrioxids mit Gips und/oder Bimsstein zur Energieerzeugung genutzt wird.
Der Einsatz als Kraftwerk kann wie folgt dargestellt werden:
Gas, das eine hohe Schwefeldioxidkonzentration aufweist, durchquert erst einen Partikelfilter. Nachdem das Gas von Feststoffen gereinigt ist, wird es in einen katalytischen Konverter geleitet. Hier wird ein großer Teil des Gases von So&sub2; zu SO&sub3; umgewandelt.
Das Gas gelangt dann in einen mit Flüssigkeit versehenen Gipsreaktor, in dem die Mischung aus Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid mit den Gipspartikeln reagieren kann.
Das sich ergebende feste Material der trockenen Ablagerungen wird "Linfan" genannt, wobei der Großteil davon von dem Gas getrennt und als wertvolles Nebenprodukt verwendet werden kann. Der verbleibende Staub in dem Austrittsgas wird durch Zyklone oder andere geeignete Feststoffilter entfernt, die stromabwärts des mit Flüssigkeit versehenen Reaktors angeordnet sind. Die gasförmige Mischung, die den Entsobwefelungsvorgang verläßt, ist im wesentlichen frei von Staub und Schwefeloxiden
Der Entschwefelungsvorgang ist beim Entfernen von Schwefeloxiden (SO&sub2; und SO&sub3;) aus dem Rauchgas zu fast 100% effektiv. Außerdem ist das Verfahren in hohem Grade exotherm; beim Durchqueren des katalytischen Konverters und des mit Flüssigkeit versehenen Gipsreaktors nimmt die Temperatur des Rauchgases stark zu. Die aus dem Verfahren resultierende Energie wird durch das Kühlen des Reaktors mittels Wasserleitungen entnommen, wodurch überhitzter Dampf entsteht, um Dampfmaschinen, Dampfturbinen, Kompressoren oder dergleichen anzutreiben.
Das sich ergebende feste Nebenprodukt, Linfan, besteht aus einem Kern, der von einer Schale aus anhydrem Calciumsulfat umgeben ist, die eine Vielzahl von Sprüngen aufweist. Die Beschichtung von Calciumsulfat, die bei hoher Temperatur durch die chemischen Reaktionen gebildet wird, ist ein nützliches Material. Es hat sich gezeigt, daß Linfan zum Überziehen von Materialien, zum Ersetzen von Flugasche für hochfestes Konstruktionsmaterial, zum Ersetzen vom Zement bei der Betonherstellung, als wesentliche Zutat bei der Zementherstellung und als Chemikalie für die städtische und industrielle Abwasserbehandlung verwendet werden kann. Da das Nebenprodukt unterschiedliche kommerzielle Anwendungen hat, weist das Verfahren keine Abfallproleme auf. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Rauchgasentschwefelung nach dem Stand der Technik unter Verwendung eines Rauchgas-Bypasses;
Fig. 2 zeigt die vorliegende Erfindung, die beheizte Aufschlagplatten innerhalb des Leitungssysterns verwendet;
Fig. 2A ist ein Querschnitt durch das Leitungssystem und eine Aufschlagplatte;
Fig. 3 zeigt die vorliegende Erfindung, die einen beheizten Raum oberhalb des Leitungssystems und Aufschlagplatten verwendet;
Fig. 4 zeigt einen beheizten Raum oberhalb eines Leitungssystems mit rechtwinklig angeordneten Aufschlagplatten;
Fig. 5 ist ein Querschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4;
Fig. 6 einen beheizten Raum oberhalb eines Leitungssystems mit Aufschlagplatten, wobei heißes Gas für den Raum durch eine alternative Einrichtung bereitgestellt wird;
Fig. 7 zeigt die vorliegende Erfindung, wobei ein heißes Medium kontinuierlich durch einen Schornstein und ein Leitungssystem zirkuliert wird;
Fig. 8 zeigt die vorliegende Erfindung, wobei das heiße Rauchgas einem thermischen Schock unterworfen wird, und die Rauchgastemperatur insgesamt zu erhöhen;
Fig. 9 zeigt eine alternative Einrichtung, um einen thermischen Schock auf das Rauchgas auszuführen;
Fig. 9A ist ein Querschnitt längs der Linie 9A-9A aus Fig. 9, und
Fig. 10 ist ein verbessertes Verfahren zum Entfernen von Schwefel- und Stickstoffoxiden in Übereinstimmung mit der Erfindung. Genaue Darstellung der Erfindung I. Neuer Ansatz für das Lin-Verfahren zum Entfernen von SOx/NOx
Die Erfindung zeigt weiter, daß die Schritte für die katalytische Oxidation nach dem Stand der Technik entfallen können und durch eine Einrichtung zur ordentlichen Kontrolle der Temperatur des Rauchgases zur Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; ersetzt werden können. Die Rolle von Temperatur und zeitlicher Änderung der Temperatur bei der Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3;
SO&sub2; kann zu SO&sub3; mittels eines Katalysators wie Vanadium- Pentoxid oxidiert werden. Allerdings erfordert die Verwendung eines katalytischen Konverters eine Regelung der Temperatur des Rauchgases durch einen Wärmetauscher und einen Brenner zum erneuten Erwärmen auf das optimale Niveau für die katalytische Umwandlung, das Entfernen von Feststoffen aus dem Rauchgas durch ein Filtern vor der katalytischen Umwandlung, um ein Zusetzen des katalytischen Konverters zu verhindern, und häufige Wartungsarbeiten in dem katalytischen Konverter. Die Verwendung eines Katalysators stellt legt dem Verfahren eine schwere finanzielle Belastung auf.
Die Erfindung offenbart ein neues Verfahren zum Oxidieren von SO&sub2; zu SO&sub3; ohne die Verwendung eines Katalysators. Eine kürzlich gemachte Entdeckung hat aufgezeigt, daß dies durch die Verwendung einer guten Kontrolle der Temperatur des Rauchgases erreicht werden kann.
Bei der Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; (einem exothermen Vorgang) ist es bekannt, daß eine Erhöhung der Temperatur zu einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, aber zu einer Verringerung der Gieichgewichtskonzentration des Reaktionsprodukts führen wird. Da die Konzentration von SO&sub2; im Rauchgas gering ist, üblicherweise kleiner als 2%, wird sogar das Schwefeldioxid vollständig oxidiert und die Konzentration von Schwefeltrioxid in dem Rauchgas liegt auch bei hoher Temperatur noch unter der Gleichgewichtskonzentration. Daher ist die Gleichgewichtskonzentration bei der Reaktion kein wesentlicher Faktor.
Es ist gezeigt worden, daß SO&sub2; beim Vorhandensein von SO&sub3; effektiv zu SO&sub3; in einem mit Flüssigkeit versehenen Gipsreaktor umgewandelt werden kann. Dies lag an der durch die Reaktion zwischen Gips und SO&sub2; erzeugten Temperatur, und die hohe lokale Temperatur auf der Oberfläche der Gipspartikel erleichtert die rasche Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3;.
Im Schornstein eines Kraftwerkes an dem Punkt, wo die Kohle verbrannt und SO&sub2; erzeugt wird, liegt die Flammentemperatur üblicherweise oberhalb von 1650ºC (3000ºF). Während das Gas im Schornstein nach oben strömt, nimmt die Temperatur rasch ab, Allerdings liegt auch an einer Stelle vor dem Überhitzer an der Spitze eines Schornsteins die Temperatur noch etwas oberhalb von 1093ºC (2000ºF).
Die Frage: Warum ist bei einer Umgebung mit so hoher Temperatur die Umwandlungseffizienz von SO&sub2; zu SO&sub3; so gering? Der Grund kann wie folgt mathematisch erklärt werden.
In der Oxidation von SO2 zu SO3 wie in der folgenden Gleichung dargestellt
SO&sub2; + ½ O&sub2; T SO&sub3; (1)
ist die Endkonzentration des sich ergebenden Produkts, SO&sub3;, eine Funktion mehrerer Faktoren, insbesondere der Schwefeldioxidkonzentration, der Sauerstoffkonzentration, der Konzentration der Hintergrundpartikel, der Temperatur und der Zeit. Mathematisch kann dies durch die folgende Beziehung ausgedrück werden:
[SO&sub3;] - F{[SO&sub2;], (O&sub2;], [M] , T, t} (2)
Daher kann die zeitliche Rate der SO&sub3;-Produktion durch die folgende partielle Differentialgleichung berechnet werden:
Wobei
[SO&sub2;] = SO&sub3; - Konzentratlon in Mol
[SO&sub2;] = SO&sub2; - Konzentration in Mol
[SO&sub2;] = O&sub2; - Konzentration in Mol
[M] = Konzentration der Hintergrundpartikel in Mol
T = Temperatur, absolut
t = Zeit in Sekunden
Für das Rauchgas mit geringer SO&sub2;-Konzentration sind die zeitlichen Änderungen der Sauerstoffkonzentration, d[O&sub2;]/dt, und die der Konzentration der Hintergrundpartikel d[M]/dt, nicht wesentlich. In einem Schornstein und Leitungssystem wird allerdings die Temperatur des Rauchgases rasch von einem hohen Niveau auf ein niedriges Niveau gesenkt, und daher kann die zeitliche Änderung der Temperatur, dT/dt, die sehr wesentlich ist, nicht vernachlässigt werden. Um die chemische Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; in dem Leitungssystem auftreten zu lassen, werden ein einmaliges und harausforderndes Problem und dessen Lösung vorgeschlagen
Die Reaktionsrate der Oxidation von SO2 zu SO3 hängt von der Temperatur ab. Je höher die Temperatur ist, desto größer ist die Reaktionsrate. In einem Kraftwerk oder einer anderen industriellen Anlage ändert sich die Temperatur des Rauchgases in der Regel von einem hohen auf ein niedriges Niveau aufgrund von Wärmeverlusten und der Wärmeübertragung an Überhitzern, Energiespargeräten, Vorwärmern und derglelönen. Daher ist dT/dt in der Tat ein negativer Wert. Aus der oben erwähntan partiellen Differentialgleichung (3) geht hervor, daß ein negatives dT/dt einen nachteiligen Einfluß auf die Reaktion hat, soweit die Kinetik betroffen ist. Offensichtlich ist es schwierig, SO&sub2; zu SO&sub3; in Schornsteinen oder anderen Leitungssystemen für Rauchgas zu oxidieren Kann die Arrhenius-Gleichung verwendet werden, um die Reaktionsrate bei der Kontrolle der Luftverschmutzung zu erfassen?
Traditionell wird die Arrhenius-Gleichung weit verwendet, um eine chemische Reaktionskonstante zu berechnen und wird wie folgt dargestellt:
k = Ae-E/RT oder k = ATme-E/RT
wobei
K = Reaktionskonstante
A ist eine "vorexponentielle" Konstante
E ist die Aktivierungsenergie
T ist die Absoluttemperatur.
Obwohl die Arrheniusgleichung die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsrate zeigt, enthält sie nicht den Term der zeitlichen Änderung der Temperatur. Sie ist offensichtlich nur für einen statischen Zustand nützlich, in dem die Temperatur des Experiments mehr oder weniger bei einem konstanten Wert gehalten wird. Bei der Kontrolle der Luftverschmutzung in einem Kraftwerk oder einer anderen industriellen Anlage ändert sich die Temperatur des Rauchgases rasch von einem Bereich zum anderen, und die chemische Reaktion findet unter nicht-statischen Bedingungen statt. Daher kann die Arrhenius-Gleichung nicht verwendet werden, um die dort vorliegenden Reaktionsraten im voraus zu bestimmen. Die Rolle von Wasserdampf bei der Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3;
Rauchgas enthält in der Regel Wasserdampf, weshalb auch die folgenden Reaktionen stattfinden:
SO&sub2; + ½ O&sub2; E> SO&sub3; (1)
SO&sub3; + H&sub2;O T H&sub2;SO&sub4; (4)
Die Bildung von H&sub2;SO&sub4;-Dampf in Gleichung (4) entfernt SO&sub3; aus dem Rauchgas und verschiebt so die Reaktion in Gleichung (1) zur rechten Seite, was zu mehr SO&sub3;-Erzeugung im Rauchgas führt. Gleichung (4) ist bei einer Umgebung von hoher Temperatur nicht wesentlich. Zwei neue Ansätze für die Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3;
Die Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; kann durch zwei Ansätze ohne die Verwendung eines Katalysators verbessert werden, und diese sind:
A, Steigerung der Temperatur im Rauchgas, um das Energieniveau aller Partikel in dem Rauchgas zu erhöhen. Richard C. Flagan und John Senfeld (Fundamentals of Air Pollution Engeneering, pg. 218, Prentice Hall) zeigen, daß die charakteristische Zeit für die SO&sub3;-Oxidation bei ca. 0,009 Sekunden liegt mit θ 0,9 bei 927ºC (1700ºK), aber auf 0,13 Sekunden bei 816ºC (1500ºK) zunimmt (θ, das Gleichgewichtsverhältnis, wird definiert als das Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft, normalisiert bezogen auf das stöchiometrische Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft). Durch die Verwendung eines positiven dt/dt und das Einführen von Turbulenzen in die dynamische Umgebung, wie z.B. ein System zur Gasentschwefelung zur Kontrolle der Luftverschmutzung, kann die Reaktionszeit weiter verringert werden.
B, Verwendung eines thermischen Radiators, des Temperatur auf ein derartiges Niveau angehoben wird, so daß die Strahlung maximal und selektiv absorbiert werden kann. Es ist bekannt, daß viele einatomige oder symmetrisch zweiatomige Gase wie O&sub2; und N&sub2; wenig oder keine Strahlung absorbieren, aber viele mehratomige Gase wie SO&sub2;, CO&sub2; und Wasserdampf, etc., tun es. Durch die Verwendung eines thermischen Radiators wie z.B. eine Stahlplatte kann die Temperatur des Radiators auf ein derartiges Niveau angehoben werden, so daß die Strahlung maximal und selektiv von SO&sub2;, CO&sub2; und Wasserdampf absorbiert werden kann. Auf diese Weise werden die Moleküle von SO&sub2;, CO&sub2; und Wasserdampf in dem Rauchgas energetisch angeregt und in Vibrationen versetzt, und die Kollision von Molekülen und die Kombination von SO&sub2; und O&sub2; werden verbessert. Es sollte beachtet werden, daß Gase und Dämpfe nicht Strahlung aller Wellenlängen absorbieren. Im Vakuum liegen die Absorptionsbänder von SO&sub2;-Molekülen hauptsächlich in den Wellenlängenbändern von 8,70, 19,08 bzw. 7,34 um oder den Wellennummern 1151, 524,1361 1/cm. Es absorbiert Strahlung nur in dem Wellenlängenband im mittleren Infrarotbereich. Es ist daher möglich, daß, obwohl die Temperatur des Rauchgases geringer ist als die auf der Oberfläche des Radiators, SO&sub2;-Moleküle durch die Absorption von Strahlung energetisch angeregt werden, was zu einer Vibration der SO&sub2;-Moleküle und zu einer Kollision mit anderen Molekülen führt Auf diese Weise wird die Oxidatlon von SO&sub2;-Molekülen verbessert.
Die Basisbestandteile des Rauchgases sind CO&sub2;, Wasserdampf und etwa 75% Sauerstoff und Stickstoff. Wie bereits ausgeführt, nehmen Sauerstoff und Stickstoff keine Strahlung Im Infrarot-Bereich auf. Bei der Strahlung von der Wellennummer 1595 1/cm zeigt Wasserdampf eine sehr starke Vibration. CO&sub2;-Moleküle entwickeln Vibrationen bei den 667,3, 1285,5 und 1388,3 1/cm Bändern Im Infrarot- Bereich. Die Chance einer Kollision des energetisch angereicherten Wasserdampfes und der CO&sub2;-Moleküle wird in diesen Bereichen der Wellenlänge sehr erhöht sein, und die Kollisionen sind hilfreich bei der Energieübertragung. Daher kann das Vorliegen von Wasserdampf und CO&sub2; indirekt die Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; durch Strahlung unterstützen. Es ist bekannt, daß thermische Strahlung das Spektrum des sichtbaren Lichts und den Infrarot-Bereich überdeckt. Je höher die Temperatur der strahlenden Oberfläche ist, desto kleiner wird die vorherrschende Wellenlänge der ausgesandten thermischen Strahlung sein. Es hat sich gezeigt, daß die Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; am besten durch eine Temperatur der strahlenden Oberflächen von mehr als 649ºC (1200ºF) und durch eine Konzentration der Strahlung in einem Band mit den Wellennummern von 500 bis 1600 1/cm unterstützt wird.
Ein schwarzer Körper ist eine gute Strahlungsquelle. Die Emissivität für Boilermateriallen liegt in der Regel zwischen 0,80 und 0,95; diese sind daher ebenfalls gute Strahlungsquellen. II. Verfahren zur Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; in Leitungssystemen
Bei einem Verständnis des Reaktionsmechanismusses, können die Verfahren für die Oxidation von SO&sub2; zur Erzeugung von SO&sub3; gut entwickelt werden, und sie werden wie folgt dargestellt: 1. Steigern der Oxidationsrate von SO&sub2; durch eine beheizte Aufschlagplatte
Wie vorstehend ausgeführt muß dT/dt zum effizienten Erzeugen von SO&sub3; durch die Oxidation von SO&sub2; ein positiver Wert sein. Ein positiver Wert von dT/dt ist ein mächtiger Antrieb zum Bilden von SO&sub3;. Daraus folgt, daß die Temperatur des Rauchgases rasch auf ihren optimalen Wert in einem ausgewählten Bereich des Leitungssystems angehoben werden sollte, bevorzugt stromabwärts des ersten Überhitzers, wo die Gastemperatur ca. 482 ºC (900ºF) beträgt. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 tritt Rauchgas 1 aus dem ersten Überhitzer 10 in den Raum 20 ein, der beheizte Aufschlagplatten 30 enthält. Indem das Rauchgas auf die Oberfläche jeder Aufschlagplatte gelenkt wird, deren Temperatur bevorzugt bei ca. 816 ºC (1500ºF) gehalten wird, wird die Umwandlung von Schwefeldioxid in Schwefeltrioxid verbessert. Das Rauchgas 1 kann durch einen zweiten Überhitzter 5 und einen Überhitzer 8 zum erneuten Erwärmen, angebracht oberstromig des Überhitzers 10, fließen.
Fig. 2A zeigt die Konstruktion der beheizten Aufschlagplatten 30, die für eine erhöhte Zeitrate der Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; verwendet werden, in einem Leitungssystem eines Kraftwerks oder einer industriellen Einrichtung. Die Anlage besteht aus einem Träger 50, der aus isoliertem Material wie Keramik hergestellt ist. Der keramische Träger hat einen wellbiechartigen Querschnitt, und ein Heizraum 52 ist zwischen der keramischen Rückwand und einer Metallplatte 54 vorgesehen, die am der keramischen Rückwand durch eine Materialverbindung 56 oder auf andere mechanische Weise verbunden ist. Ein Verbindungsmaterial, das die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der beiden Materialien aufgrund des hohen Temperaturunterschieds ertragen kann, ist erhältlich. In die Eindellungen der keramischen Rückwand sind elektrische Widerstände 58 eingesetzt. Das Erwärmen des Raumes 52 und der Metaliplatte wird erreicht, indem elektrischer Strom durch die Widerstände 58 geleitet wird, die ihrerseits die Temperatur der Metallplatte 54 erhöhen.
Die Metallplatte ist aus Stahl, einem anderen Eisenmaterial oder einem Äquivalent hergestellt. Wenn ein Eisenmaterial oder Stahl verwendet wird, wird ein Großteil der Energie beim Erwärmen in dem Material gespeichert, wenn sich dessen Kristalle von kubisch-räumlich zentriert (body centered cubic, bcc) zu flächenzentriert (face centered cubic, fcc) in einem bekannten Temperaturbereich (oberhalb von 704ºC (1300ºF)) verändern. So wandelt sich ein 0,4% C-Stahl von kubisch-räumlich zenzriert zu flächenzentriert in dem Temperaturbereich von ca. 749ºC bis 777ºC (1380ºF bis 1430ºF). Die Änderung der Kristallform erfordert einen hohen Energieaufwand, und die Energie ist in dem Material gespeichert, wenn die Transformation vollzogen ist. Wenn der Vorgang der Umwandlung der Kristallform von kubischräumlich zentriert zu flächenzentriert umgekehrt wird, muß die gespeicherte Energie freiaesetzt werden. Offensichtlich hat die Änderung der Kristallform in Eisenmaterialien einen die Temperatur regulierenden Effekt und verhindert, daß das Eisenmaterial unter den bestimmten Temperaturbereich fällt, der sich nahe an der gewünschten Temperatur für die Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; befindet.
Das Rauchgas wird unter einem Winkel θ (bevorzugt zwischen 30º und 45º) mit der Aufschlaglinie (einer Linie senkrecht zu der Aufschlagfläche) geleitet und führt zur Ausbildung eines schiefen Aufschlags. Die Geschwindigkeiten der Gaspartikel vor dem Aufschlag werden in zwei Komponenten unterteilt, dies ist eine senkrecht zu der Metallplatte und eine parallel dazu. Der Aufschlag findet nur längs der Aufschlaglinle I statt, die senkrecht zu der heißen Metallplatte 54 ist. Da die Metallplatte einen dünnen heißen Gasfilm aufweist, kann der Restitutionskoeffizient zu Null gesetzt werden; daher kann der Aufschlag als vollständiger plastischer Aufschlag behandelt werden. Bei einem vollständig plastischen Aufschlag wird die zur metallischen Oberfläche senkrecht stehende Komponente der Geschwindigkeit zu Null, während die parallel zur Platte 54 unverändert bleibt. Daher sind die Gaspartikel, die sich über die Oberfläche der Metallplatte nach dem Aufschlag bewegen, mehr oder weniger parallel zur Oberfläche. Andererseits wird aufgrund des hohen Temperaturgradienten des Gases nahe der Oberfläche der Metallplatte auch auf der Oberfläche der Metallplatte konvektive Turbulenz erzeugt, die zu einer Zunahme in der Wahrscheinlichkeit für Kollision von Molekülen führt und auf diese Weise die Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; weiter verbessert. Der schiefe Aufprall hat den weiteren Vorteil, daß die Ansammlung von Festpartikeln auf der Oberfläche der Metallplatte 54 eliminiert werden kann, da die sich an der Oberfläche der Platte befindliche Turbulenz die Partikel einfach wegspült. Die Wärmeübertragung von der heißen Metallplatte auf die Gasmoleküle wird mittels Strahlung, Konvektion und Leitung erreicht. Bei einer Oberfläche mit hoher Temperatur ist Stahlung an wichtigsten. Die Konvektion kann nur dazu beitragen, Partikel von einer Stelle zur anderen zu bewegen, und dann wird Kitze zwischen Molekülen mittels Leitung übertragen. Bezüglich der Wärmeübertragung durch Strahlung sei, wie bereits ausgeführt, darauf hingewiesen, daß einatomige und symmetrische zweiatomige Partikel wie Sauerstoff und Stickstoff keine Strahlung absorbieren. Andere Partikel wie Schwefeldioxid, Kohlendioxid und Wasserdampf absorbieren thermische Strahlung in bestimmten Wellenlängen. Während das Rauchgas über die beheizte Metallplatte fließt, wird das gesamte Rauchgas durch Konvektion und Leitung erwärmt. In der Zwischenzeit werden SO&sub2;-, Wasserdampf- und CO&sub2;-Moleküle auch durch die Strahlung der korrekten Frequenz erwärmt und energetisch angeregt. Die Vibrationen von Molekülen fördern Zusammenstöße, die den Energietransfer zwischen den Molekülen unterstützen. So wird die Oxidation verbessert. Fig. 2 ist ein Vorschlag für ein Flußdiagramm, das die beheizten Aufschlagplatten 30 für ein Verfahren zur Rauchgasentsobwefelung in einem Kraftwerk verwendet. Die Aufschlagplatten 30 sind wie gezeigt an strategischen Stellen in dem Leitungssystem angeordnet. Durch die Verwendung der beizten Aufschlagplatten kann auf einen katalytischen Konverter verzichtet werden. Als Ergebnis ist es nicht nötlg, ein hocheffizientes Svstem zum Entfernen der Feststoffe vorzusehen, um das Zusetzen des katalytischen Konveroers zu verhindern. Außerdem ist kein ausgefeiltes System on Wärmetauschern erforderlich, um die Temperatur des Rauchgases auf die optimale Umwandlungstemperatur des Katalysators einzustellen. Die Erfindung für zu einer wesentlichen Verringerung des Kapitalaufwands. Außerdem ist die den Aufschlagplatten zugeführte Wärme nicht verschwendet, da sie im System verbleibt; sie wird auf das Rauchgas übertragen. Sobald die Temperatur der beheizten Aufschlagplatten auf das gewünschte Niveau angehoben ist, muß die zusätzlich erforderliche Energie, um die Temperatur auf diesem Niveau zu halten, nicht groß sein, da in dem sich rasch bewegenden Gasstrom nur ein kleiner Anteil der Gaspartikel die Strahlung aufnehmen kann und die Wärmeübertragung zum Gas durch Leitung nicht sehr groß ist. Außerdem kann die aus der exothermen Reaktion (Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3;) entstehende Wärme beitragen, einen Teil der Hitze bereitzustellen. 2. Steigern der Oxidationsrate von SO&sub2; durch einen beheizten Raum
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 fließt Rauchgas aus einem ersten Überhitzer oder Einsparer 110, das eine Temperatur von ca. 482ºC (900ºF) bzw, 260ºC (500ºF) hat, nach unten in einen Heizberelch 70. Fig. 3 zeigt, daß die Einrichtungen zur Gasbehandlung stromabwärts des ersten Überhitzers 110 angeordnet sind, aber die Einrichtungen zur Gasbehandlung können auch stromabwärts eines Einsparers angeordnet sein. Die Wärme für den Raum wird von dem heißen Rauchgas 60 bereitgestellt, das direkt aus einem Schornstein an einer Stelle vor dem zweiten Überhitzter 105 oder von dem Raum zwischen dem zweiten und dem erneuten Überhitzer 105, 108 angezogen wird. Das Gas (von einem Schornstein) hat eine Temperatur von ca. 1093ºC (2000 ºF). Das heiße Gas strömt zuerst in einen Kopfraum 74 und durch eine Verteilungseinrichtung, um das heiße Gas gleichmäßig über den Heizraum 62 zu verteilen. Die hier verwendete Verteilungseinrichtung ist z.B. eine perforierte Platte 72. Das heiße Gas strömt nach oben in den Heizraum 62 zur Verteilung, der durch eine Stahlplatte 64 als Leier für das Rauchgas und eine isolierende Wand 55, hergestellt aus Keramik und/oder anderen wärmeisolierenden Materialien, abgeschlossen ist. Der Heizraum 62 ist mit Rippen 65 versehen, die mit der Stahlwand verschweißt sind. Die Rippen werden nicht nur zum Einleiten von Durohmischungen für einen besseren Wärmeübergang, sondern auch zum Verstärken der stählernen Leitungssystems zum Vermeiden von Buckeln verwendet. Das Gas 60, das aus dem Heizraum m62 austritt, durchquert eine perforierte Platte 78 und wird in einem Kopfraum 76 gesammelt, aus dem Rauchgas wieder zurück in den Boller gespeist wird, bevorzugt an einer Stelle zwischen dem erneuten Überhitzer 108 und dem ersten Überhitzer 110 oder zwischen den Überhitzern 105, 108. In dem Heizbereich 70 sind Aufschlagplatten 68 aus Stahl oder einem anderen Eisenmaterial angebracht. Sie sind mit der stählernen Leitungsplatte mit einem Winkel von bevorzugt zwischen 60º und 45º gegenüber der Oberfläche der Leitung verschweißt. Wegen des Wärmeübergangs durch die Stahlplatte kommt es zu einer Verringerung der Gastemperatur in dem Heizraum 62, während das heiße Gas nach oben strömt. In der Zwischenzeit wird das Rauchgas, das von dem ersten Überhitzer 110 nach unten in den Helzbereich 70 strömt, einem thermischen Schock unterworfen. Die plötzliche Zunahme der Temperatur des Rauchgases wegen der Wäremeübertragung und die der SO&sub2;-Moleküle wegen der Absorption von Strahlung, plus durch den Aufschlag und die thermische Konvektion ausgelöste Turbulenz stellen eine unwahrscheinliche Antriebskraft für die Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; bereit. Während das Rauchgas zickzackartig nach unten strömt, wird die Temperatur des Rauchgases erhöht. Daher zwingt der positive Temperaturgradient des Gases mehr SO&sub2; zu einer Oxidation zu SO&sub3;.
Fig. 4 zeigt dieselbe Anordnung wie Fig. 3 mit der Ausnahme, daß die Aufschlagplatten 69 senkrecht zur Wand der Leitung sind. Die Aufschlagplatten bilden einen Kaskadenreaktor 79, und das Rauchgas nimmt einen turbulenten und verwirbelten Weg in der Reaktionszone. Das heiße Gas kann entweder von einem Schornstein oder von dem Bereich zwischen dem zweiten und dem erneuten Überhitzer entnommen werden, wie anhand Fig. 3 oben beschrieben. Fig. 5 ist eine Querschnittsdarstellung von Fig. 4. 2A. Alternative Methode zum Steigern der Oxidationsrate von SO&sub2; durch einen beheizten Raum
Anstatt das heiße Gas aus einem Schornstein abzuziehen, wird heißes Gas in einem Brenner 80 erzeugt und in den Kopfraum 85 des beheizten Raumes 82 wie in Fig. 6 gezeigt eingeblasen. Wahlweise kann der Brenner 80 etwas heißes Rauchgas von einem zugehörigen zweiten Überhitzer oder einem erneuten Überhitzer erhalten. Das gekühlte Gas 84 aus dem beheizten Raum wird dem Boller bevorzugt an der stromabwärts gerichteten Seite eines zugehörigen erneuten Überhitzers zugeführt. Obwohl in dem Brenner zusätzliche Energie verbraucht wird, ist diese nicht verschwendet, da die Wärme in dem gesamten System für die Krafterzeugung verbleibt. Dieses Schema ist eher geeignet, ein Kraftwerk nachträglich aufzurüsten, da es weniger Änderungen erfordert. Der Block 110 kann alternativ ein erster Überhitzer oder ein Einsparer sein. 2B. Alternative Methode zum Steigern der Oxidationsrate von SO&sub2; durch das Zirkulieren eines beheizten hochspezifischen Heizmediums
Fig. 7 zeigt ein hochspezifischen Heizmedium, das Wärme an einem Schornstein 99 oder einer anderen Heizeinrichtung aufnimmt und in einen Verteiler 94 eintritt, wodurch ein Medium 92 in Leitungen 90 verteilt wird. Das Medium bewegt sich nach oben entgegen der Strömungsrichtung des Rauchgases 94 in den Leitungen 90 in einem Heizbereich 91 des Leitungssystems. Die Temperatur des Mediums, wenn es in den Heizbereich 91 eintritt, liegt bevorzugt oberhalb von 816ºC (1500ºF), aber dies ist nur eine Schätzung und es ist vorhersehbar, daß auch geringere Temperaturen adäquat arbeiten würden. Das Medium 92 fließt entgegengesetzt zu der Richtung des Rauchgases 94 in dem Leitungssystem 96. Das gekühlte Medium wird durch den Kollektor 95 gesammelt und fließt durch die Leitung 97 und den Wärmetauscher 80. Nachdem das Medium Wärme am Wärmetauscher aufgenommen hat fließt es wieder zurück zu dem Heizbereich 91 des Leitungssystems. Das verwendete Medium kann überhitzter Dampf, Natrium, Helium, Stickstoff oder ein anderes sein. Wenn ein gasförmiges Medium verwendet wird, kann die Leitung 97 sich direkt in einen Schornstein 99 erstrecken, dem die Hitze durch das Medium entzogen wird. Daher erreicht die Temperatur des gasförmigen Mediums ihren Spitzenwert, wenn es aus dem Schornstein austritt und ehe es in den Verteiler 93 eintritt. Aus grundlegenden Gesetzen der adiabaten Ausdehnung und Kompression ergibt sich, daß eine Erhöhung der Temperatur mit einer Erhöhung des Druckes einhergeht. Daher ist der Druck des Gasmediums an dem Punkt auf seinem Spitzenwert, wenn das Gas den Schornstein 99 verläßt. Dieser hohe Druck Ist die treibende Kraft, um das Medium in den Leitungen nach oben zu bewegen. Während sich das Medium nach oben bewegt, wird seine Wärme kontinuierlich von dem Rauchgas entzogen, das sich nach unten in den Heizbereich bewegt. Die Temperatur des Mediums erreicht ihren kleinsten Wert, wenn es den Kollektor 95 verläßt und in die Leitung 97 eintritt. Einmal innerhalb des Schornsteins entzieht das Medium innerhalb des Schornsteins kontinuierlich Wärme, und seine Temperatur und sein Druck erreichen wieder ihre höchsten Werte, wenn es den Schornstein verläßt. Der Prozeß des Erwärmens und Abkühlens des Mediums wiederholt sich von alleine. So wird das Medium kontinuierlich durch die unterschiedlichen thermischen Energie durch das Leitungssystem getrieben. Eine mechanische Pumpe ist nicht erforderlich. 3. Steigern der Oxidationsrate von SO&sub2; durch thermischen Schock
Unter Bezugnahme auf Fig. 8 wird heißes Gas 201 mit ca. 1093 ºC (2000ºF) aus einem Schornstein gezogen und in den Gasverteiler 200 geleitet, von dem aus das heiße Gas in eine Anzahl von Leitungen 202 verteilt wird. Heißes Rauchgas kann wahlweise von einer Stelle zwischen dem zweiten und dem erneuten Überhitzer abgezogen werden. Die Leitungen 202 erstrecken sich zu unterschiedlichen Positionen in dem Leitungssystem für das Rauchgas und sind dann um 90º nach oben abgeknickt und verlaufen weiter bis auf ein Niveau etwa 3,5 m (10 feet) oberhalb eines ersten Überhitzers oder Einsparers (nicht dargestellt). Die Leitungen sind gebogen und gestützt durch metallische Streifen 203, die nicht nur aus Aussteifungen dienen, sondern auch bei der Erzeugung von Turbulenzen in dem Rauchgas helfen, um den Wärmeaustausch zu erleichtern. Das heiße Gas fließt nach oben in den Leitungen in einer Richtung entgegen der Strömungsrichtung des Rauchgases von dem ersten Überhitzer oder Einsparer. Um eine Wirbelbewegung des Gases zu erreichen, können die offenen Enden wahlweise zwischen 45º und 60º gegenüber der Achse der Leitungen 202 gebogen sein. Das heiße Gas 201 verläßt die Leitungen an deren offenen Enden 205 und bildet eine Schicht von heißem Gas an der Spitze der Leitungen. Währenddessen sinkt das relativ kalte Rauchgas 207 von dem ersten Überhitzer oder Einsparer in die heiße Gasschicht und führt zu einem heftigen Vermischen. Während sich die kalten Gasmoleküle mit den warmen mischen, erfahren die kalten Gasmoleküle einen thermischen Schock oder eine rasche zeitliche Änderung der Temperatur, wodurch die SO&sub2;- Moleküle rasch zu SO&sub3; oxidiert werden. Das gut gemischte Rauchgas 206 entzieht den heißen Leitungen 202 mehr Wärme, während es sich nach unten zu einem Einsparer oder Vorheizer (nicht dargestellt) bewegt. Der positive Temperaturgradient bewirkt eine hohe zeitliche Rate der Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; in dem Heizbereich des Leitungssystems.
Das heiße Gas 201 von dem Schornstein enthält Flugasche, und es ist tatsächlich ein zweiphasiger Strom mit einer geringen Feststoffdichte. Flugasche ist ein refraktierendes Material und kann als Wärmespeicher dienen. Nachdem der Strom die offenen Enden 205 der Leitungen 202 verlassen hat, kühlt sich der Gasanteil rasch nach dem Mischen mit dem Rauchgas von dem Überhitzer ab. Die Tenperatur der Flugasche verringert sich aufgrund ihrer hohen Wärmekapazität mit einer geringeren Rate und kann als Promoter für die Oxidation von SO&sub2; über einen längeren Zeitraum dienen. Jeder heiße Partikel von Flugasche erzeugt einen konvektiven Gasstrom an seiner Oberfläche. So werden die Gasmoleküle energetisch angeregt, und Zusammenstöße zwischen den Molekülen werden unterstützt. Als Ergebnis findet die Oxidation von SO&sub2; nahe an der Oberfläche von Flugasche rasch statt.
3A. Alternatives Verfahren zur Erhöhen der Reaktionsrate der Oxidation von SO&sub2; durch thermischen Schock
Die Fig. 9 und 9A zeigen ein alternatives Verfahren zur Erhöhen der Reaktionsrate der Oxidation von SO&sub2; durch thermischen Schock. Brennstofföl und Luft werden in einen Brenner 310 eingespritzt und verbrannt. Wahlweise kann ein Teil des Rauchgases an der stromabwärts gelegenen Seite eines zweiten Überhitzers, erneuten Überhitzers oder Einsparers (nicht dargestellt) entnommen und in den Brenner 310 eingespritzt werden. Das eingespritzte Rauchgas 111, das SO&sub2; enthält, wird in dem Brenner 310 einer abrupten Zunahme der Temperatur unterworfen, und sein SO&sub2;-Gehalt wird zu SO&sub3; oxidiert. Das heiße Gas von dem Brenner tritt in den Gasverteiler 312 ein, von dem aus das heiße Gas 311 in Leitungen 302 verteilt wird, die durch Streifen 303 gestützt werden. Das eintretende Rauchgas 314, das SO&sub2; enthält, wird einem abrupten Anstieg der Temperatur unterworfen, wodurch sein SO&sub2; zu SO&sub3; oxidlert wird. Die Betriebsweise von da ab ist dieselbe wie bei Fig. 8, wie bereits vorstehend beschrieben. Fig. 9A ist ein Querschnitt durch Fig. 9, der die vorgeschlagene Anordnung der Leitungen zeigt. III. Entfernen von Stickoxiden durch das Lin-Verfahren
In einer vorhergehenden Studie in einem Pilotkraftwerk wurde die Entfernung von NOx zusammen mit der Entfernung von SOx untersucht. Das Pilotkraftwerk kann wie folgt beschrieben werden. Das an SOx reiche Rauchgas wurde an einer Stelle stromabwärts des katalytischen Vanadiumkonverters in dem Schwefelsäurekraftwerk abgezogen. Die Luft zum Verteilen des SOx in dem Rauchgas wurde vor dem Mischen mit den an SOx reichen Rauchgas angewärmt. Das gut gemischte Gas wurde in den mit Flüssigkeit versehenen Gipsreaktor eingeleitet. In der Zwischenzeit wurde NO&sub2; von einem Gaszylinder in den Windfang des Reaktors geleitet. Das Rauchgas von dem Reaktor floß durch einen Zyklon und einen Venturi-Scrubber, ehe es in die Atmosphäre freigegeben wurde. Die NOx-Konzentrationen wurden am Eingang des Reaktors, am Ausgang des Reaktors und am Ausgang des Pilotkraftwerks gemessen.
Tabelle 1 zeigt die unveröffentlichten spezifischen Ergebnisse der Untersuchung. Das Fehlen einer Wechselwirkung zwischen dem Gips und NO&sub2; in dem mit Flüssigkeit versehenen Gipsreaktor ist wahrscheinlich auf die kurze Verweilzeit des Rauchgases und die Umgebung mit hoher Temperatur in dem mit Flüssigkeit versehenen Gipsreaktor zurückzuführen. Allerdings wurde NO&sub2; vollständig durch das Venturi-Scrubbing-System an der stromabwärts gelegenen Seite des mit Flüssigkeit versehenen Gipsreaktors entfern. Die Entfernung von NO&sub2; ist offensichtlich auf die Reaktion mit Wasser und mitgerissenem Gips zurückzuführen (Die Reaktionsmechanismen sind nachfolgend dargestellt). Tabelle 1 Entfernung * von Stickstoffdioxid durch das Lin-SystemDie Chemie der NOx-Entfernung im Lin-Prozeß
Während der Verbrennung fossiler Brennstoffe werden sowohl Stickoxid, NO, als auch Stickstoffdioxid, NO&sub2;, erzeugt; aber die überwiegende Mehrheit der Stickoxide wird als NO emittiert. Die Bildung von NO kann durch die allgemeine Formel ausgedrückt werden:
½ N&sub2; + ½ O&sub2; T NO (5)
Stickoxid ist die stabilste Oxidationsform von Stickstoff. Um die Stickoxide in dem Lin-System durch chemische Verfahren zu entfernen, muß zuerst das Stickoxid in Stickstoffdioxid umgewandelt werden. Stickoxid reagiert mit Sauerstoff, um Stickstoffdioxid zu bilden, und die Gleichgewichtsgleichung wird wie folgt durch die allgemeine Reaktionsformel ausgedrückt:
NO + ½ O&sub2; NO&sub2;, H = -56,35 g-kJ (6)
2NO + O&sub2; N&sub2;O&sub4;, H = -169,6 g-kJ (7)
Bei 115,6 ºC (240ºF) wird das meiste N&sub2;O&sub4; in NO&sub2; dissoziiert.
Die Produktionsrate von NO&sub2; ist eine Funktion der NO- Konzentration, der Sauerstoffkonzentration, der Konzentration des Hintergrunds, der Temperatur und der Zeit. Nach D. B. Wilson (Temperature Sensitivity of Rate Constants; Arrhenius Relations, AICHEMI, Series E: Kinetics, Col. 1 AICHE) wird die Umwandlung im Gleichgewicht durch eine niedrigere Temperatur begünstigt; die Reaktionsrate nimmt mit einer Steigerung der Temperatur ab. Bei der Oxidation von NO zu NO&sub2; ist die Reaktionsrate um so höher, je geringer die Temperatur ist. Aus der Logik von Gleichung (2), die ich für die Oxidation von SO&sub2; entwickelt habe, folgt, daß die Rate der Bildung von NO&sub2; durch ein rasches Kühlen des Verbrennungsprodukts in Gegenwart von Sauerstoff begünstigt wird.
In dem Temperaturbereich des Rauchgases in einem Kraftwerk findet die Oxidation von NO in der Regel in einem Bereich geringerer Temperatur statt. Wie vorstehend ausgeführt strömt das Rauchgas in einem Kraftwerk von einem Bereich mit hoher Temperatur zu einem Bereich mit geringer Temperatur; der negative Gradient der Temperatur (-dT/dt) kann die Reaktionsrate erhöhen. Offensichtlich liegt in einem Kraftwerk eine treibende Kraft bezüglich der Oxidation von NO zu NO&sub2; vor. Wenn an einer bestimmten Stelle des Leitungssystems des Rauchgas plötzlich abgekühlt oder der negative Gradient der Temperatur stark angehoben wird, wird die Erzeugung von NO&sub2; deutlich verbessert.
Die Gleichung für die zeitliche Rate der Oxidation von NO wird durch Wourtzel (Thorpe's Dictionary of Applied Chemistry, pg. 520, 14th Ed. Vol. 8, Longman) als d(Pno)/dt = k(Pno)²(O&sub2;) angegeben, wobei t in Sekunden und P in mm angegeben ist. Hg und der Koeffizient der Geschwindigkeit, k, bei unterschiedlichen Temperaturen sind: Tabelle 2
Aus der Gleichung und der obenstehenden Tabelle ist klar, daß die Geschwindigkeit der Oxidation für NO von der Temperatur abhängt; je geringer die Temperatur, desto höher die Oxidationsrate. Tabelle 2 berücksichtigt allerdings nicht die Änderung der Temperatur. In einem Kraftwerk, während das Rauchgas von einem Bereich hoher Temperatur zu einem Bereich niedriger Temperatur strömt, wird die zeitliche Rate der Oxidation von NO weiter durch die hohe zeitliche Rate der Verringerung der Temperatur erhöht. Es wird erwartet, daß die Reaktionsrate in einem System zum Transport von Rauchgas in einem Kraftwerk oder einer industriellen Anwendung höher ist als die nach der Wourtzel-Formel berechnete.
Stickstoffdioxid ist ein reaktives Gas. Bei Vorhandensein von Wasser wird Natriumsäure gebildet:
3NO&sub2; + H&sub2;O T 2HNO&sub3; + NO (8)
Stickstoffdioxid kann auch mit Gips reagieren, um Calciumnitrit, Calciumnitrat und Nitrogen zu bilden:
2CaO + 4NO&sub2; T Ca(NO&sub2;)&sub2; + Ca(NO&sub3;)&sub2; (9)
Ca(NO&sub2;)&sub2; + 2NO&sub2; T Ca(NO&sub3;)&sub2; + 2NO (10)
Ca(NO&sub2;)&sub2; + 2NO T Ca(NO&sub3;)&sub2; + N&sub2; (11)
Das Entfernen von NO&sub2; in den Gleichungen (8), (9), (10) zerstört das Gleichgewicht in Gleichung (6) und führt zu einem Verschieben der Reaktion auf die rechte Seite, was zu einer erhöhten Produktion von Stickstoffdioxid und einer höheren Effizienz in der Entfernung von NOx führt. Offensichtlich kann NO&sub2; durch Wasser und Gips bei geringer Temperatur entfernt werden. Das verbesserte System zum Entfernen von NOx
Aus den oben erwähnten Beobachtungen an dem Pilotkraftwerk und dem Mechanismus der Reaktion folgt, daß durch das Einspritzen von Wasser in das Leitungssystem nach dem mit Flüssigkeit versehenen Gipsreaktor, um das Rauchgas auf ca. 115,6 ºC (240ºF) zu kühlen, und durch das Bereitstellen einer ausreichenden Länge des Leitungssystems, um die Reaktionszeit des Gases auf ca. 3 Sekunden an der stromabwärts gewandten Seite des mit Flüssigkeit versehenen Gipsreaktors zu erhöhen, ein großer Anteil von NOx in dem Rauchgas entfernt werden kann. Während dieser kurzen Spanne der Reaktionszeit wird einer großer Anteil von NO zu NO&sub2; umgewandelt, das seinerseits mit Wasser und mitgerissenem Gips reagiert, um Calciumnitrat zu bilden.
Da der Siedepunkt für stark verdünnte Natronsäure bei ca. 106,7 ºC (224ºF) liegt (H. Reny, Treatise on Inorganic Chemistry, Elsevier), sollte durch ein Senken der Temperatur des Rauchgases auf 115,6 ºC (240ºF) keine Gefahr der Säurekorrosion an der Oberfläche des Leitungssystems und anderer Einrichtungen bestehen. Als Folge wird keine Korrosion auftreten. Die Temperatur des Rauchgases kann gesenkt werden, indem kleine Wassertropfen eingespritzt oder eine Dampfeinspritzung vorgenommen wird an der stromabwärts gelegenen Seite des mit Flüssigkeit versehenen Gipsreaktors. Das vollständige Lin-System zum Entfernen von SOx/NOx
Fig. 10 ist ein vollständige Lin-System zum Entfernen von SOx/NOx, das auf den zuletzt entdeckten Reaktionsmechanismen und den Ergebnissen des Pilotkraftwerks beruht, und wird wie folgt dargestellt. Das Gas von dem ersten Überhitzer 400 wird zuerst durch die Einheit 500 geleitet, um die Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; zu fördern (vgl. Fig. 2 bis 9), wo das Gas plötzlich einer Umgebung mit hoher Temperatur ausgesetzt wird, und die plötzliche Änderung der Temperatur ist die treibende Kraft, die die Oxidation von So&sub2; zu SO&sub3; verursacht. Das an SO&sub3; reiche Gas tritt dann in einen Zyklon 520 ein, in dem die größeren Partikel aus dem Gas entfernt werden. Das Gas tritt dann in einen mit Flüssigkeit versehenen Gipsreaktor 522 ein, wo das SO&sub3; mit Gips reagiert, um CaSO&sub4; zu bilden, das sich auf der Oberfläche von nicht an der Reaktion beteiligtem Gips anlagert. In der Gegenwart von SO&sub3; wird SO&sub2; zu SO&sub3; oxidiert und reagiert mit Gips, um CaSO&sub4; zu bilden, ebenfalls als Überzug. Der Reaktionsmechanismus ist vollständig in meinem US-Patent 4 756 893 beschrieben. Die Gasemission aus dem mit Flüssigkeit versehenen Gipsreaktor ist praktisch frei von SOx. Die im Rauchgas enthaltene Wärme wird weiter durch den Luftvorwärmer 524 entzogen.
An der stromabwärts gelegenen Seite des Luftvorwärmers wird Dampf 526 oder ein sehr fein verteiltes Wasser in das Rauchgas gegeben, um die Temperatur des Gases auf ca. 115,6 ºC (240ºF) einzustellen. Der plötzliche Abfall der Temperatur an dem Einsparer 508 und dem Luftvorwärmer 524 wird die treibende Kraft, die für die Oxidation von NO zu NO&sub2; verantwortlich ist, bereitstellen, das seinerseits wieder mit dem Dampf oder Wasserdampf und mitgerissenen Gipspartikeln reagieren wird, um Ca(NO&sub3;)&sub2; zu bilden. Die Partikel in dem Rauchgas werden aus dem Gasstrom durch die Verwendung eines Luftsackes 525 entfernt. Die feinen, in dem Luftsack gesammelten Partikel, die im wesentlichen CaSO&sub4;, nicht an der Reaktion beteiligten Gips und Ca(NO&sub3;)&sub2; enthalten, können als Dünger verwendet werden. Das Gas, das aus dem Luftsack und dem Ausgang 527 austritt, ist im wesentlichen frei von Festpartikeln, NOx und SOx.
In Fig. 10 stellen der zweite Überhitzer 5, der erneute Überhitzer 8 und die Bauteile 400, 508, 524, 525 und 527 die Ausrüstung für die Krafterzeugung dar, die nicht als die für die Kontrolle der Verschmutzung angesehen werden soll. Da ein Kraftwerk in jedem Fall ein System zur Entfernung von Feststoffen benötigt, ehe es seine Gase in die Umgebung abgeben kann, sollte auch der Luftsack am Ende des Systems nicht als Bestandteil des Systems zur Entfernung von SOx/NOx angesehen werden. Daher sind die tatsächlichen wesentlichen Ausrüstungsgegenstände, die in dem Lin-System zur Entfernung von SOx/NOx verwendet werden, nur drei Einheiten, nämlich die Einheit 500 zum Fördern der Oxidation von SOx (vgl. Fig. 2 - 9), der Zyklon 520 und der mit Flüssigkeit versehene Gipsreaktor 522. Offensichtlich ist der Kapitalaufwand für das neue System geringer als bisher. Nach meinen Berechnungen beträgt der Kapitalaufwand für das neue System weniger als die Hälfte des Aufwands wie für mein früheres System. Offensichtlich kann die Erfindung als grundlegender Durchbruch auf dem Gebiet der Kontrolle der Verschmutzung betrachtet werden.
Das verbesserte System zur Entfernung von SOx/NOx ist einfach zu bedienen, effektiv bei der Entfernung von Verschmutzung und billig hinsichtlich des Kapitaleinsatzes. Seine weitere Entwicklung kann zu einem kosteneffektiven und umweltpolitisch vertretbaren weitverbreiteten Einsatz von Kohle mit hohem Schwefelgehalt führen.
Ich habe die einzigartige Kinetik der chemischen Reaktion und den Mechanismus des verbesserten Lin-Verfahrens zur Entfernung von SOx/NOx entwickelt, das Problem der Entfernung von Schwefeldioxid und Stickoxiden aus dem Rauchgas, die sauren Regen verursachen, gelöst und den lange bestehenden Bedarf für ein kommerziell akzeptables System zur Kontrolle und Entfernung von Luftverschmutzung befriedigt. Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einigen wenigen ausgewählten Beispielen und Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist dies so zu verstehen, daß diese zur Illustration der Erfindung dienen und in keinem Fall als Restriktionen davon. Das verbesserte Verfahren kann z.B. auch verwendet werden, um Schwefeloxide und Stickoxide aus Gasemissionen von industriellen Wassererwärmern, Ölraffinerien, Schwefelsäurekraftwerken, der Papierindustrie, Kraftwerken zur Behandlung von Erdgas, Kokskraftwerken der Stahlindustrie und Metalischmelzen (Kupfer, Zinn, Blei, etc.) in der Metallindustrie zu entfernen. Es können Laserstrahlen oder Mikrowellen von korrekter Frequenz verwendet werden, um die Moleküle des Schwefeldioxidgases anzuregen und das Energieniveau der Partikel zu erhöhen. Es ist verständlich zu erwarten, daß der Fachmann verschiedene Revisionen und Anpassungen an meiner Erfindung vornehmen kann, und es ist beabsichtigt, daß derartige Revisionen und Anpassungen in den folgenden Ansprüchen als Äquivalente meiner Erfindung enthalten sind.
1. Verbessertes Verfahren zum Erreichen einer hohen Konversionsrate von Stickoxiden und Schwefeloxiden, die in einem Sauerstoff enthaltenden Rauchgas enthalten sind, durch eine plötzliche Temperaturänderung, das folgende Schritte umfaßt:
a) Zuführen des Rauchgases zu einer Heizeinrichtung,
b) Unterwerfen des Rauchgases unter eine rasche Erwärmung, um eine rasche und zeitlich positive Änderung der Temperatur zu erreichen, so daß die Schwefeloxide in diesem Rauchgas mit einer hohen Rate in Schwefeltrioxid umgewandelt werden,
c) Reagieren des an Schwefeltrioxid reichen Rauchgases mit Partikeln, die Kalzium enthalten, um das Schwefeltrioxid zu Kalziumkomponenten umzuwandeln,
d) Unterwerfen des entschwefelten Austrittsgases aus dem Reaktor unter eine rasche Abkühlung durch eine Kühleinrichtung, um eine schnelle und zeitlich negative Temperaturänderung herbeizuführen, so daß Stickoxide in diesem Rauchgas mit einer hohen Rate zu Stickstoffdioxid umgewandelt werden,
e) Reagieren des an Stickstoffdioxid reichen Rauchgases mit einem Reaktionsmittel, das Kalzium enthält, um das Stickstoffdioxid in Kalziumkomponenten umzuwandeln.
2. Verbessertes Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kühleinrichtung einen Rauchgasvorwärmer enthält.
3. Verbessertes Verfahren nach Anspruch 1, wobei das plötzliche Erwärmen mittels einer thermischen Strahlungseinrichtung durchgeführt wird, die eine beheizte Aufschlagplatteneinrichtung aufweist, die innerhalb des Leitungssystemes angeordnet ist.
4. Verbessertes Verfahren nach Anspruch 3, wobei die beheizte Aufschlagplatteneinrichtung Hitze von heissen Gasen erhält, die in dieses Leitungssystem eingeführt werden.
5. Verbessertes Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des plötzlichen Anhebens der Temperatur der Gase einen Schritt umfasst von Heizen von Luft und umgeleiteten Gasen mit Luft in einem Zwischenerhitzer und das Übertragen der so erhitzten Gase durch eine Leitungseinrichtung in ein Leitungssystem, so daß die erhitzten Gase aus den Enden der Leitungseinrichtung in eine Richtung strömen, die im wesentlichen entgegengesetzt ist der Strömung der Gase in dem Leitungssystem, wobei die erhitzten Gase eine Schicht aus heißem Gas nahe an den Enden der Leitungseinrichtung bilden und ein rasches Erwärmen des Gasstroms in dem Leitungssystem herbeiführen, um diese rasche Temperaturänderung durchzuführen und dadurch die Umwandlung von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid zu bewirken.
6. Verbessertes Verfahren nach Anspruch 1, wobei das plötzliche Heizen den Schritt des Zirkulierens eines beheizten Mediums durch eine thermische Strahlungseinrichtung in eine Richtung entgegengesetzt zur Strömung dieser Gase umfasst, um einen raschen Temperaturanstieg dieser Gase zu bewirken.
7. Verbessertes Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Erhöhung der Temperatur der Gase bewirkt wird durch eine Gas-Wechselwirkung, die umfasst das Umleiten eines Gasstroms in ein Leitungssystem und das Übertragen dieser umgeleiteten Gase durch eine Leitungseinrichtung in dieses Leitungssystem, so daß der Strom der umgeleiteten Gase aus den Enden der Leitungseinrichtung in eine Richtung im wesentlichen entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Gase in dem Leitungssystem erfolgt, wobei die umgeleiteten Gase eine heiße Gasschicht nahe an den Enden der Leitungseinrichtung bilden und ein rasches Heizen des Gasstroms in dem Leitungssystem bewirken, um diese rasche Temperaturänderung herbeizuführen und dadurch die Umwandlung von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid zu bewirken.
8. Verbessertes Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Kühlens des jetzt plötzlich geheizten Rauchgases auf eine geringere Temperatur durch eine Kühleinrichtung weiter besteht aus:
a) dem fortlaufenden Freisetzen eines Stroms von entschwefeltem Austrittsgas, mitgeführten, Kalzium enthaltenden Partikeln und diesen Stickoxiden zu einer Einrichtung, die eine rasche Temperaturabnahme herbeiführt bis wenig oberhalb der Kondensationstemperatur von Nitro-Säure und dadurch die Stickoxide oxidiert,
b) Unterwerfen des Stroms von entschwefeltem Austrittsgas, mitgeführten Partikeln, die Kalzium enthalten, und Stickoxiden unter Wasser, um Kalziumnitrat zu bilden.
9. Verbessertes Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung zur Temperaturjustierung eine rasche Abnahme der Temperatur des Gasstroms bewirkt und die Wechselwirkung mit dem Wasser die Temperatur des Gasstroms auf etwa 115,6ºC (240ºF) reduziert.