SE526864C2

SE526864C2 - Process and apparatus for separating pollutants from a gas stream

Info

Publication number: SE526864C2
Application number: SE0401751A
Authority: SE
Inventors: Lennart Granstrand
Original assignee: Svensk Roekgasenergi Intressen
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2005-11-15
Also published as: WO2006004490A1; SE0401751L; EP1765505A1; SE0401751D0

Abstract

Method and device for separation of pollutants, especially particles from a gas flow (2). The gas flow is led through a plurality of parallel tubes (42) which each comprise a substantially coaxial electrode (43) whereby a voltage is established between the electrodes and the tubes. The tubes are preferably maintained at earth potential and the electrodes (43) are supplied with a negative potential. The tubes (42) are disposed substantially vertically. The flue gas is introduced into the tubes in a substantially saturated state and is preferably led upwards through the tubes. The tubes are cooled externally and the condensate formed on the inside of the tubes flows down along the inside of the pipe walls, is gathered and is subjected to cleaning (Fig. 2).

Description

25 30 35 2526 964 Sådana förut kända lösningar är emellertid komplexa och kost- samma att tillverka och att driva. Ett ändamål med uppfinningen är därför att anvisa en enkel teknik som till relativt låg kostnad medger långtgående rening av rökgasen, och även medger enkelt och effektiv återvinning av värme ur rökgasen i samband med att denna renas. Ett speciellt ändamål är att utvinna värme och rena rökgasen vid en låg temperaturnivå för att uppnå en särskilt effektiv rening av rökgasen. Ändamàlen uppnås helt eller delvis genom uppfinningen. However, such prior art solutions are complex and expensive to manufacture and operate. An object of the invention is therefore to provide a simple technique which at a relatively low cost allows far-reaching purification of the flue gas, and also allows simple and efficient recovery of heat from the flue gas in connection with this purification. A special purpose is to extract heat and purify the flue gas at a low temperature level in order to achieve a particularly efficient purification of the flue gas. The objects are achieved in whole or in part by the invention.

Uppfinningen definieras i de bilagda självständiga patent- kraven.The invention is defined in the appended independent patent claims.

Utföringsformer av uppfinningen anges i de bilagda osjälv- ständiga patentkraven.Embodiments of the invention are set forth in the appended dependent claims.

I en särskilt föredragen utföringsform av uppfinningen har rökgasen efter den primära värmeutvinningen en relativt låg temperatur, exempelvis 50°C eller lägre. Därvid tillser man att rökgasen är väsentligen mättad innan den inleds genom en speciell värmeväxlare, som omfattar ett flertal parallella åtskilda rör som pà utsidan kyls av ett flöde av en fluid såsom exempelvis omgivningsluft, varvid det av fluiden upptagna värmet, och eventuellt även fluiden nyttiggöres, exempelvis som förvàrmd förbränningsluft för en biobränslepanna som producerar rökgasflödet. Alternativt kan rören vara omslutna av en behål- lare med ett inlopp och ett utlopp för kylningsfluiden, exem- pelvis en vätska såsom vatten, eller omgivningsluft, som sä- lunda värmes, varvid fluidens värmeinnehåll kan nyttiggöras pà i sig känt vis.In a particularly preferred embodiment of the invention, the flue gas after the primary heat recovery has a relatively low temperature, for example 50 ° C or lower. It is ensured that the flue gas is substantially saturated before it is started by a special heat exchanger, which comprises a plurality of parallel separated pipes which are cooled on the outside by a flow of a fluid such as ambient air, whereby the heat absorbed by the fluid, and possibly also the fluid, is utilized. for example as preheated combustion air for a biofuel boiler that produces the flue gas flow. Alternatively, the pipes may be enclosed by a container with an inlet and an outlet for the cooling fluid, for example a liquid such as water, or ambient air, which is thus heated, whereby the heat content of the fluid can be utilized in a manner known per se.

Rören är väsentligen vertikala och innehåller vardera en koaxiell elektrod som matas med en potential vilken kraftigt avviker frän jordpotential medan rören hàlles vid jordpoten- tial. Elektroden och dess matning är lämpligen anordnade och utformade för att frambringa corona-bägar i det mättade 10 15 20 25 30 35 'I 3 426 864 axiellt genomströmmande gasflödet, för laddning och/eller behandling av partiklarna däri, varvid gasflödet företrädes- vis ledes uppifrån och nedåt, sä att gasflödet förblir väsentligen mättat under rörelsen längs rören, trots att det fortgàende avkyles.The tubes are essentially vertical and each contain a coaxial electrode which is fed with a potential which deviates sharply from the ground potential while the tubes are held at the ground potential. The electrode and its feed are suitably arranged and designed to produce corona cups in the saturated axially flowing gas stream, for charging and / or treatment of the particles therein, the gas flow being preferably directed from above and downwards, so that the gas flow remains substantially saturated during the movement along the pipes, despite the fact that it continues to cool.

Eftersom rören kyles fràn utsidan kommer vatten fràn rökgasen att kondensera pà rörens insida och rinna ned längs rörens innerväggar under borttvättning av rökgaspartiklar som bl a pà elektrostatisk väg har blivit avsatta pà rörets insida.As the pipes are cooled from the outside, water from the flue gas will condense on the inside of the pipes and run down along the inner walls of the pipes while washing away flue gas particles which have been deposited on the inside of the pipe by electrostatic means.

I en praktisk utföringsform kan mängden partiklar i rökgasen minskas till exempelvis 30 mg/m3, då gasflödet kyls till en temperatur av ca 30°C, exempelvis mot omgivningsluft. Genom uppfinningen kan man sålunda i praktiken, tack vare avkylningen av röksgasflödet till låga temperaturnivàer av exempelvis omkring 30°C, befria rökgasen frän föroreningar som annars är särskilt besvärliga att omhänderta, sàsom vissa typer av salter. Det skulle rentav kunna vara möjligt att genom den uppfinningsenliga tekniken avlägsna föroreningar av typen dioxin. Genom att ytterligare kyla gasflödet, exempelvis ner mot l0°C eller 5°C, kan avskiljningen bli ännu effektivare för vissa föroreningar och/eller skulle ytterligare andra för- oreningar kunna avskiljas effektiv. Kondensatet med medbringade föroreningar frän rörens innerväggar produceras i relativt små flöden, och det finns för närvarande effektiva tekniker till- gängliga för att till relativt låg kostnad avskilja och slut- behandla föroreningarna ur kondensatflödet.In a practical embodiment, the amount of particles in the flue gas can be reduced to, for example, 30 mg / m 3, when the gas flow is cooled to a temperature of about 30 ° C, for example against ambient air. Thus, in practice, thanks to the cooling of the flue gas flow to low temperature levels of, for example, about 30 ° C, the flue gas can be freed from pollutants which are otherwise particularly difficult to dispose of, such as certain types of salts. It could even be possible to remove dioxin-type impurities by means of the technique according to the invention. By further cooling the gas flow, for example down to 10 ° C or 5 ° C, the separation can become even more efficient for certain pollutants and / or further other pollutants could be separated efficiently. The condensate with entrained contaminants from the inner walls of the pipes is produced in relatively small flows, and efficient techniques are currently available to separate and finalize the contaminants from the condensate flow at a relatively low cost.

Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas i exempelform med hänvisning till den bilagda ritningen.The invention will be described in the following in an exemplary form with reference to the accompanying drawing.

Fig. l visar schematiskt en förbränningsanläggning inne- fattande en partikelavskiljande rökgaskylare enligt uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 864 Fig. 2 visar schematiskt en sektionerad sidovy genom en rörvärmeväxlare, vars rör skall genomströmmas av rökgas eller processgas, för avskiljning av för- oreningar ur rökgasflödet under átervinning av värme fràn detsamma.Fig. 1 schematically shows an incineration plant comprising a particle-separating flue gas cooler according to the invention. Fig. 2 schematically shows a sectioned side view through a pipe heat exchanger, the pipes of which are to be flowed through by flue gas or process gas, for separating pollutants from the flue gas flow during recovery of heat from the same.

Fig. 3 visar en sektionerad vy tagen utmed linje III-III i fig. 2.Fig. 3 shows a sectional view taken along line III-III in Fig. 2.

Fig. 4 och 5 visar schematiskt en sidovy respektive en ändvy av en grupp av elektroder som är inmonterade i värmeväxlarerören.Figs. 4 and 5 schematically show a side view and an end view, respectively, of a group of electrodes which are mounted in the heat exchanger tubes.

Fig. 6 visar schematiskt en tvärsektion genom värmeväxlarens rör och elektroder och illustrerar placering av vätskeinsprutningsrör i mellanrum mellan grupper av närliggande värmeväxlingsrör. illustrerar schematiskt en sektion tagen utmed linje VII-VII i fig. 6.Fig. 6 schematically shows a cross section through the heat exchanger tubes and electrodes and illustrates the placement of liquid injection tubes in spaces between groups of adjacent heat exchange tubes. schematically illustrates a section taken along line VII-VII in Fig. 6.

Fig. 7 Pà fig. 1 illustreras en process, i vilken rökgas fràn en biobränslepanna utledes längs en flödesbana 2 och kyles längs denna i en kylare 3 genom lokal insprutning av vattensprayer vid åtskilda ställen längs flödesbanan. De resulterande flödena av värmt vatten och kondensat uttages lokalt längs flödesbanan och har motsvarande olika temperaturnivàer, och värmeväxlas vid respektive motsvarande temperaturnivàer mot en flödesbana som genomströmmas av en fluid, exempelvis fjärrvärmevatten, som skall värmas, som ett primärt ändamål med biobränslepannan.Fig. 7 Fig. 1 illustrates a process in which flue gas from a biofuel boiler is discharged along a flow path 2 and cooled along it in a cooler 3 by local injection of water sprays at separate locations along the flow path. The resulting flows of hot water and condensate are taken locally along the flow path and have correspondingly different temperature levels, and heat exchanged at the respective corresponding temperature levels against a flow path flowing through a fluid, for example district heating water, to be heated, as a primary purpose of the biofuel boiler.

Härvid urtvättas även grövre föroreningar såsom aska, sot- partiklar o. dyl. ur rökgasflödet. Efter den primära energi- utvinningen ur rökgasflödet har den avgående rökgasen som befinner sig i mättat tillstànd, en temperatur av ca 60°C, och inleds nu i en värmeväxlare 4. lO 15 20 25 30 35 Värmeväxlaren 4 innefattar ett knippe 41 av axelparallella cylindriska inbördes åtskilda rör 42 av värmeledande material, exempelvis syrafast rostfritt stål. Rören har företrädesvis cirkulärt tvärsnitt och är väsentligen vertikalt anordnade, och rökgasflödet fördelas till rören 42 via en inloppsläda 45 och inledes i rörens undre ändar och utledes i rörens 42 övre ändar till en utloppslàda 46, och därifrån vidare till exempelvis omgivningen. Rören 42 kyles utvändigt av ett forcerat flöde 50 av en fluid såsom företrädesvis omgivningsluft 58. Alternativt kan fluiden vara en vätska som genomströmmar ett hölje vilket omger värmeväxlaren 4. Kylningsluften 58 värmes och dess energiinnehåll nyttiggöres i en värmeförbrukare 56 och/eller införes som förbränningsluft i pannan l.In this case, coarser contaminants such as ash, soot particles and the like are also washed out. from the flue gas flow. After the primary energy recovery from the flue gas flow, the effluent flue gas which is in a saturated state, has a temperature of about 60 ° C, and now begins in a heat exchanger 4. The heat exchanger 4 comprises a bundle 41 of shaft-parallel cylindrical mutually separated pipes 42 of heat-conducting material, for example acid-resistant stainless steel. The pipes preferably have a circular cross-section and are arranged substantially vertically, and the flue gas flow is distributed to the pipes 42 via an inlet carriage 45 and is introduced into the lower ends of the pipes and discharged at the upper ends of the pipes 42 to an outlet drawer 46, and from there on to the surroundings. The pipes 42 are cooled externally by a forced flow 50 of a fluid such as preferably ambient air 58. Alternatively, the fluid may be a liquid flowing through a casing surrounding the heat exchanger 4. The cooling air 58 is heated and its energy content is utilized in a heat consumer 56 and / or introduced as combustion air into pannan l.

Utmed centrum av de cirkulärcylindriska rören 42 sträcker sig en respektive elektrod 43 som kan vara försedd med utmed elek- trodens längd och runt elektrodens omkrets fördelade utskott.Extending along the center of the circular-cylindrical tubes 42 is a respective electrode 43 which may be provided with projections distributed along the length of the electrode and around the circumference of the electrode.

Elektroderna 43 matas via ett fördelningssystem 44 med en ström som har en potential av exempelvis 50 000 volt relativt jord- potential. Rören 42 är lämpligen hällna vid jordpotential.The electrodes 43 are supplied via a distribution system 44 with a current having a potential of, for example, 50,000 volts relative to ground potential. The pipes 42 are suitably poured at ground potential.

Elektroderna är lämpligen negativt laddade relativt jordpoten- tial. Företrädesvis är elektroden matad och utformad för att generera corona-effekter i gasflödet längs röret. Vidare etableras ett elektriskt fält mellan elektroden och rörväggen.The electrodes are suitably negatively charged relative to earth potential. Preferably, the electrode is fed and designed to generate corona effects in the gas flow along the tube. Furthermore, an electric field is established between the electrode and the tube wall.

Partiklar i gasflödet som genomströmmar respektive rör kommer därvid att laddas och att avsättas pä rörets innervägg, där också vatten från den mättade gasen kondenserar. Kondensatet tvättar ned de pà rörets innervägg avsatta föroreningarna.Particles in the gas flow which flow through the respective pipes will then be charged and deposited on the inner wall of the pipe, where water from the saturated gas also condenses. The condensate washes down the contaminants deposited on the inner wall of the pipe.

Eventuellt kan det elektriska fältet och/eller Corona- effekterna nedbryta vissa typer av föroreningar i gasflödet.The electric field and / or Corona effects may degrade certain types of pollutants in the gas flow.

Kondensatet med däri innehällna fasta och lösa nedtvättade föroreningar uppsamlas i lådan 45 och utledes till en renare 60, vari kondensatet underkastas nägon i sig känd och icke närmare visad rening, efter vilken kondensatet kan recirkuleras till någon del av den ifrågavarande processen. 10 l5 20 25 30 35 e 575 864 I en speciell utföringsform av uppfinningen kan vätskerör 70 med en diameter av exempelvis 25 mm vara inplacerade i res- pektive mellanrum mellan varje grupp av närliggande konden- seringsrör 42 och sträcka sig parallellt med rören 42. Vätske- rören 70 kan mätas via ett vattentillförselsystem, har små perforationer 71, som är fördelade längs och runt rören 70 och bildar spraymunstycken för finfördelad utmatning av trycksatt vatten/vätska. De bildade vattensprayerna mättar kylningsluften 58 och kyler kondenseringsrören 42 så att kylningsluften får ett kraftenergiinnehäll vid relativt låg temperatur och så att rökgasen/processgasen effektivt kan kylas till en låg tempera- tur, trots en relativt liten värmeväxlingsyta, varvid konden- satet som bildas pä rörens 42 insida utnyttjas för nedtvättning av fasta föroreningar som avsatts på rörens 42 insida. Genom den valda flödesriktningen för processgasen uppnås gynnsamma nedtvättningsförhàllanden och begränsas återsmutsning av pro- cessgasen. Kylningsluften kan alltså utnyttjas exempelvis som förbrànningsluft för bränslepannan. Vätskerören 70 utgör en befuktare för kondensorrören 42 och frambringar ett högt över- gàngstal och en gynnsamt hög temperaturskillnad över kondensor- rörets 42 vägg.The condensate with solid and loose washed contaminants contained therein is collected in the box 45 and discharged to a cleaner 60, in which the condensate is subjected to some known and not shown purification, after which the condensate can be recycled to any part of the process in question. In a particular embodiment of the invention, liquid tubes 70 having a diameter of, for example, 25 mm may be located at respective spaces between each group of adjacent condensing tubes 42 and extend parallel to the tubes 42. Liquid the pipes 70 can be measured via a water supply system, have small perforations 71, which are distributed along and around the pipes 70 and form spray nozzles for atomized discharge of pressurized water / liquid. The formed water sprays saturate the cooling air 58 and cool the condensing pipes 42 so that the cooling air has a power energy content at a relatively low temperature and so that the flue gas / process gas can be efficiently cooled to a low temperature, despite a relatively small heat exchange surface. 42 inside is used for washing down solid contaminants deposited on the inside of the pipes 42. The chosen flow direction for the process gas achieves favorable washing-off conditions and reduces contamination of the process gas. The cooling air can thus be used, for example, as combustion air for the fuel boiler. The liquid pipes 70 constitute a humidifier for the condenser pipes 42 and produce a high transition number and a favorable high temperature difference across the wall of the condenser pipe 42.

Kondensorrörvärmeväxlaren 4 enligt fig. l och 2 har en värme- växlingsarea av ca 100 HF (rörens 42 lokala väggarea) och lufthastigheten över kondensorrören 42 är i exempel ca 14 m per sek.The condenser tube heat exchanger 4 according to Figs. 1 and 2 has a heat exchange area of about 100 HF (the local wall area of the tubes 42) and the air velocity over the condenser tubes 42 is in examples about 14 m per sec.

Ehuru uppfinningen ovan har beskrivits i anknytning till rök- gas från en biobränslepanna, bör det stå klart att en analog processgas från en processanläggning kan renas på motsvarande sätt som ovan beskrivits. Vidare bör det stå klart att den uppfinningesenliga reningen kan genomföras pä rökgasen eller processgasen utan någon föregående värmeutvinning ur gasen.Although the invention has been described above in connection with flue gas from a biofuel boiler, it should be clear that an analogous process gas from a process plant can be purified in a manner corresponding to that described above. Furthermore, it should be clear that the purification according to the invention can be carried out on the flue gas or the process gas without any prior heat recovery from the gas.

Emellertid fordras en relativt låg temperatur för rökgasen/pro- cessgasen, som införes i de med elektroder utrustade rören, av de ovan indikerade skälen.However, a relatively low temperature for the flue gas / process gas, which is introduced into the electrode-equipped pipes, is required for the reasons indicated above.

Claims

10 15 20 25 30 35 7 526 864 Patent claims

A method for separating pollutants, in particular particles, from a hot gas flow (2), wherein the gas flow is conducted through a plurality of parallel pipes (42), each of which contains a substantially coaxial electrode (43), a voltage is applied between the electrodes and the tubes, the tubes (42) are arranged substantially vertically, the gas flow is introduced into the tubes in a substantially water-saturated state, the tubes are externally cooled by a fluid stream (58), the heat absorbed by the fluid (58) is utilized, the gas flow and the fluid stream are passed through ) heat exchanged via channels of the pipes delimited by the pipes in a heat exchanger (4) and (42) walls, the condensate formed on the inside of the pipes, which flows down along the inside of the pipe walls, is collected and subjected to purification, characterized in that the cooling fluid (58) is a gas , and that the cooling fluid (58) is saturated with moisture in the channel of the heat exchanger (4) flowing through it on the outside of the pipes (42) by injecting water sprays (71) into spaces along and between groups of adjacent spirit tube (42).

Method according to claim 1, characterized in that the tubes are held at ground potential and that electrodes are preferably poured at a negative potential relative to the tubes.

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the heat absorbed by the fluid stream (58) is utilized in the process by which the hot gas flow (2) is generated.

Process according to any one of claims 1-3, characterized in that the gas flow (2) is a flue gas flow from a biofuel boiler (1) or is a hot process gas, that the gas flow is cooled during heat recovery to a temperature of not more than about 70 ° C and that the cooled flue gas flow / process gas in a saturated state is led through the pipes. 10 15 20 25 30 35 8 526 864

Method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the saturated gas flow (2) is led upwards from below through the substantially vertically oriented pipes (42).

Process according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the gas flow (2) initiated in the pipes is cooled to a temperature of at most 50 ° C, preferably at most about 40 ° C and most preferably at most about 30 ° C.

Method according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the cooling fluid consists of ambient air, which is preferably utilized in the process by which the hot gas flow (2) is generated.

A device for separating pollutants, in particular particles from a gas flow (2), comprising a plurality of parallel pipelines (42), each containing a substantially coaxial electrode (43) along its length, and a voltage supply (70) with which a voltage difference is established between the tube wall and the electrode, the tubes (42) being kept at ground potential and corona effects being established at the electrode, the tubes (42) being arranged substantially vertically, the flue gas (2) being arranged to be introduced into the tubes in saturated state lower parts and is led upwards through the pipes, and means are provided for driving a cooling fluid (58) towards the outside of the pipes, for condensing water on the inside of the pipes (42), whereby contaminants dissolved in and / or carried by the condensate are removed for separation of the impurities from the condensate, characterized in that pipelines (70), which extend parallel to and along the pipes (42) in (42) spaces between groups of adjacent pipes are provided with nozzle openings (71) distributed along and (70) around the pipes (70) and that the pipes are connected to a source of pressurized water for injecting water for injecting water sprays into said spaces and towards the pipes for humidifying a cooling fluid (58), which preferably consists of air.

Device according to claim 8, characterized by conduit means for transferring the moisture-saturated cooling fluid to a heat consumer (56) or to the source of the gas flow (2), preferably a biofuel boiler (1).