Verfahren zum Reinigen eines im wesentlichen Sauerstofffreien, brennbaren Gases
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen eines im wesentlichen Sauerstofffreien, brennbaren Gases, das u.a. H2S, Hg, Dioxine und Furane enthält.
Bei verschiedenen chemischen und/oder physikalischen Behand¬ lungsprozessen entstehen brennbare Gase (Synthesegase), die u.a. H2S, Hg, Dioxine und Furane enthalten. Ein bekanntes Bei¬ spiel für ein derartiges Synthesegas ist das bei der Pyrolyse des Abfallbehandlungsverfahrens der Firma Thermoselect entste- hende Gas, das im Ergebnis als Verstromungsgas o.a. verwertet wird. Dieses Gas fällt bei einer Temperatur von etwa 1200 °C an und wird nach dem Thermoselect-Verfahren durch eine Pfei¬ fen-Wasserkühlung auf 90 °C herabgekühlt. Diese Schockkühlung wird durchgeführt, um eine DeNovo-Synthese von bei 1200 °C zersetzten Dioxinen und Furanen zu verhindern. In dem Kühlwas¬ ser sammeln sich nicht unerhebliche Mengen von Schwermetallen an. Zusammen mit einer anschließend durchgeführten Gaswäsche entstehen daher erhebliche Abwassermengen, deren Behandlung nicht unproblematisch ist. Die durchgeführten Gaswäschen die- nen insbesondere der Abscheidung von H2S, HC1 und Hg aus dem Synthesegas.
Als Alternative zu den Naßverfahren sind Trockenverfahren zur Abscheidung von Schadstoffen bekannt. Für die Adsorption ver- schiedener Stoffe sind Aktivkoks- bzw. Aktivkohlesorten herge¬ stellt worden. Bekannte Verfahren zur Abscheidung von S02 aus
Gasen, bei denen zugleich Hg mit abgeschieden werden kann, sind durch DE 40 12 887 C2 und durch DE 41 27 075 AI bekannt. Im übrigen sind Aktivkohlen in geeigneter Form dotiert worden, um auch andere Stoffe, wie beispielsweise Schwefelwasserstoff oder Quecksilber abzuscheiden. Die so dotierten Aktivkohlen sind außerordentlich teuer und daher für Massenverfahren nicht in Betracht gezogen worden. Alternative Abscheidungen von H2S und Hg erfolgen daher regelmäßig auf katalytischem bzw. chemischem Wege in gesonderten Verfahrensstufen. Da die be- kannten Behandlungsweisen sehr aufwendig sind, ist keine wirt¬ schaftliche Alternative zu dem problematischen Kühl- und Gas¬ wäscheverfahren bekannt, das im Thermoselect-Prozeß vorgesehen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Reinigen eines im wesent¬ lichen Sauerstofffreien, brennbaren Gases, das u.a. H2S, Hg, Dioxine und Furane enthält, vermeidet die Nachteile der be¬ kannten Verfahren durch folgende Verfahrensschritte:
- Durchleiten des Gases bei einer Temperatur >_ 100 °C durch einen Adsorber zur Durchführung einer gemeinsamen, praktisch vollständigen Abscheidung von H2S, Hg, Dioxinen und Furanen
- Regeneration des beladenen Adsorbens
Aufoxidation des bei der Regeneration erhaltenen Desorp¬ tionsgases zur Bildung von S02
- Einleiten des aufoxidierten Desorptionsgases in eine
Anlage zur Herstellung von Schwefelsäure, die mit einer Dioxine und Furane zerstörenden Temperatur gefahren wird und eine Abscheidung des Quecksilbers erlaubt.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht wesentlich darauf, daß mit einem geeigneten Adsorbens, insbesondere mit einer geeig¬ net dotierten Aktivkohle, die beispielsweise mit Jodidionen
dotiert ist, in demselben Schritt H2S, Hg sowie die Dioxine und Furane praktisch vollständig aus dem Synthesegas entfernt wer¬ den können. Das aus dem Adsorber austretende Synthesegas ist somit von den genannten Kontaminationen befreit und kann - ggf. nach einer Abscheidung von Salzsäure und ggf. einer
Elimination weiterer Schadstoffe in an sich bekannter Weise - der Verstromung oder einer anderen Verwertung zugeführt wer¬ den. Das beladene Adsorbens des Adsorbers wird regeneriert. Eine Aktivkohle kann nach der Regeneration erneut dotiert wer- den.
Die Entfernung des H2S'aus dem Synthesegas geschieht vorzugs¬ weise durch Adsorptionskatalyse, bei der unter Einwirkung von Sauerstoff, der zweckmäßigerweise vor dem Adsorber zudosiert wird, aus H2S die Reaktionsprodukte Schwefel und Wasser gebil¬ det werden. Der entstehende elementare Schwefel wird auf der inneren Oberfläche der Aktivkohle adsorbiert. Das Wasser wird in Form von Wasserdampf mit dem Gas abgeführt. Die Zugabe von Sauerstoff zum energiereichen Gas erfolgt in so geringer Menge, daß eine Explosionsgefahr nicht besteht._Geringe Mengen des H2S reagieren mit dem zudosierten Sauerstoff zu S02, das auf dem Aktivkoks katalytisch zu Schwefelsäure umgesetzt wird, so daß sich neben dem hauptsächlich adsorbierten Schwefel im Porengefüge des Aktivkokses auch geringe Mengen an Schwefel- säure befinden.. Bei einem üblichen Anfall der genannten Schad¬ stoffe ist der Umlauf der ausgewählten Aktivkohle zwischen Adsorption, Regeneration und erneutem Einsatz in der Adsorp¬ tion relativ gering, weil die Aktivkohle bis zu einer Menge von gut 1 kg S pro kg Aktivkohle beladbar ist. Dementsprechend gering ist der Aktivkohleverbrauch infolge von Abrieb beim
Aktivkohlehandling. Ist die Aktivkohle voll mit Schwefel be¬ laden, so ist die Adsorptionskapazität für Hg bei normalem Anfall bei weitem noch nicht ausgenutzt.
Erfindungsgemäß wird das bei der Regeneration erhaltene Reich¬ gas aufoxidiert. Dabei wird erreicht, daß aus dem adsorbierten Schwefel S02 entsteht. Das S02-haltige, aufoxidierte Reichgas
wird in eine Anlage zur Herstellung von Schwefelsäure gelei¬ tet, die mit einer Dioxine und Furane zerstörenden Temperatur gefahren wird und eine Abscheidung des Quecksilbers erlaubt.
Eine derartige Anlage zur Herstellung von Schwefelsäure ist die für diesen Zweck aus der DE 41 27 075 AI bekannte Stick¬ oxid-Schwefelsäureanlage, deren Denitrierturm heiß, d.h. bei einer Temperatur von >.60 °C, gefahren wird. In diesem Deni¬ trierturm werden etwaige durch DeNovo-Synthese gebildete Dioxine und Furane sicher in unschädliche Bestandteile gespal¬ ten, und zwar unter Bedingungen, die eine DeNovo-Synthese ausschließen. In der Stickoxid-Schwefelsäureanlage gemäß dem Fattinger-Verfahren wird das Quecksilber durch nitrosylschwe- felsäurehaltige Schwefelsäure zu Quecksilbersulfat umgewan- delt. Durch Zugabe eines Thiosulfats wird das Quecksilbersul¬ fat zu Quecksilbersulfid (HgS) umgewandelt und ausgefällt.
Erfindungsgemäß wird somit das für die Verarbeitung von Abga¬ sen bekannte Verfahren, das aus der Adsorption von Schad- Stoffen und der Schwefelsäure-Herstellung nach dem Fattinger- Verfahren beruht, für ein ganz anders geartetes, nämlich Sauerstofffreies Synthesegas angewendet, das als Schwefelbe¬ standteil zumindest überwiegend H2S aufweist. Dabei wird erst¬ malig ausgenutzt, daß mit einer zur Entfernung von H2S dotier- ten Aktivkohle zugleich auch Quecksilber und die Dioxine und Furane abgeschieden werden können, wobei die Abscheidung von Quecksilber durch die Anlagerung von Schwefel noch wesentlich gefördert wird. Vorzugsweise durch Einsatz eines > 500 °C heißen Inertgases, dessen bevorzugte Temperatur bei etwa 650 °C liegt, wird das Adsorbens regeneriert. Die thermische
Regeneration bei dieser Temperatur hat gegenüber der bekannten Extraktion des Schwefels mit Hilfe von Lösungsmitteln den Vor¬ teil, daß bei jeder Regeneration auch das Quecksilber sicher desorbiert wird. Dadurch entsteht ein relativ gleichmäßig zu- sammengesetztes Desorptionsgas. Diesem Desorptionsgas wird zur Aufoxidation Sauerstoff zugeführt. Auf diese Weise gelingt die Umwandlung der Zusammensetzung der Gasbestandteile so, daß das
Fattir-jer-Verfahren nunmehr auch für die ursprünglich ganz andersartige SchadstoffZusammensetzung verwendbar wird. Die mit dem Fattinger-Verfahren erzielbaren Vorteile der unproble¬ matischen Quecksilberabscheidung und der sicheren endgültigen Zerstörung der Dioxine und Furane sind daher auch für die hier in Betracht gezogene Ausgangs-Zusammensetzung des Gases er¬ zielbar.
In einer anderen vorteilhaften Verfahrensweise werden der im Desorptionsgas enthaltene Schwefel und das Quecksilber auskon¬ densiert und zwischengelagert. Dieses Schwefel/Quecksilber- Zwischenprodukt kann dann genau dosiert verbrannt werden, so daß der Schwefelsäureanlage eine stets gleichbleibende Menge an S02 in gleichbleibender Konzentration angeboten werden kann. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß die Regeneration und die Schwefelsäureanlage abgekoppelt von der Synthesegas- reinigungsanlage betrieben werden können. Dadurch wird eine hohe Verfügbarkeit der Synthesegasreinigung gesichert.
Das Desorptionsgas, das außer desorbiertem elementarem Schwe¬ fel auch S02 aus der Desorption der Schwefelsäure und HgS ent¬ hält, kann durch eine Kondensationsstufe geführt werden, in der S und HgS auskondensiert werden. Das dann immer noch S02- haltige Desorptionsgas kann in die Brennkammer für die Ver- brennung von Schwefel eindosiert werden. Dabei werden andere im Desorptionsgas noch enthaltene Schwefelverbindungen, die sich möglicherweise in der Aktivkohleregeneration bilden, bei der in der Brennkammer herrschenden Temperatur von ca. 800 °C auch zu S02 umgewandelt. Das hinter der Brennkammer austretende S02-Reichgas, das auch das durch Desorption der Schwefelsäure entstandene S02 enthält, durchläuft dann zweckmäßigerweise eine bekannte Reichgaswasehe, bevor es der Schwefelsäureanlage zu¬ geführt wird.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens be¬ steht darin, daß das in den Adsorber eingeleitete Gas eine Temperatur von >. 100 °C hat. Dies hat zur Folge, daß etwaig
eingesetztes Kühlwasser zum Herunterkühlen des heißen brenn¬ baren Gases von seiner Ausgangstemperatur in Dampfform in dem Synthesegas enthalten ist und in dieser Form den Adsorber durchläuft. Der Dampf beeinträchtigt nicht die Entschwefelung des Synthesegases. Ein Vorteil dieser Verfahrensweise besteht darin, daß das verdampfte Kühlwasser erst auskondensiert, nachdem praktisch alle Schadstoffe durch den Adsorber und et¬ waige Filter entfernt worden sind.
Die Ausgangstemperatur des Synthesegases beim Thermoselect-
Verfahren beträgt etwa 1200 °C. Das erfindungsgemäße Trocken- adsorptionsverfahren erlaubt die Herunterkühlung, beispiels¬ weise in einem Quenchturm, der ohne einen Überschuß an Wasser auskommt, auf etwa 110 bis 120 °C, also auf die Temperatur, mit der das Gas vorzugsweise in den Adsorber eintritt. Vor dem Eintritt in den Adsorber sollte das Synthesegas vorzugsweise ein Filter durchlaufen. In diesem Filter können mineralische Bestandteile und bei der jeweiligen Temperatur bereits in fester Form vorliegende Schwermetalle abgeschieden und einer Verglasung zu einem nicht eluierbaren Stoff zugeführt werden. Vorzugsweise wird hierzu ein Schlauchfilter benutzt. Schlauch¬ filter sind im vorliegenden Fall wirtschaftlich sinnvoll bis zu 250 °C einsetzbar. Es ist daher erfindungsgemäß möglich, die Herunterkühlung des Gases auf eine Temperatur von bis zu 250 °C vorzunehmen und auf dieser Temperatur die mineralischen Bestandteile und festen Schwermetalle auszufiltern. Die an¬ schließende Abkühlung auf die bevorzugten 110 bis 120 °C kann mit -einem Wärmetauscher erfolgen, so daß die Restenergie des Gases in verwertbarer Form gewonnen werden kann.
Alternativ zur Einschmelzung der Schwermetalle in eine Glas¬ schmelze ist es möglich, die im Schlauchfilter abgeschiedenen Schwermetalle und Schwermetallverbindungen durch eine kleine Wäsche zu führen, in der die wasserlöslichen Chloride abge- trennt werden. Die verbleibenden Schwermetalle und Schwer¬ metallverbindungen können dann weiter aufbereitet werden. Das dabei in kleinen Mengen anfallende Waschwasser wird in bekann-
ter Weise gereinigt und gemeinsam mit dem Überschußwasser, das in der Gaskühlung anfällt, in einen Vorfluter oder Kanal ein¬ geleitet.
In einer diesbezüglich noch vorteilhafteren Ausführungsform wird zur Rückgewinnung und vollen energetischen Nutzung der im heißen Synthesegas enthaltenen Energie ein Wärmetauscher, bei¬ spielsweise in Form eines Abhitzekessels, eingesetzt, mit dem Dampf und aus diesem über eine Turbine elektrische Energie erzeugt wird. Der Wärmetauscher wird in Anbetracht der relativ hohen HCl-Konzentration im Synthesegas aus korrosionsbeständi¬ gem Sonderstahl gefertigt oder mit herkömmlichen Materialien ausgekleidet. Um eine Zusetzung des Abhitzekessels mit den im Synthesegas enthaltenen mineralischen Stoffen zu vermeiden, kann das bei ca. 1200 °C anfallende Synthesegas auf ca. 900 °C oder darunter abgekühlt werden, vorzugsweise mit auf etwa 120 °C heruntergekühltem Synthesegas. Diese Abkühlung erfolgt, da die im Synthesegas enthaltenen mineralischen Stoffe bei etwa 900 °C oder ggf. darunter bereits eine feste Form ange- nommen haben und abgeschieden werden können. Sicherheitshalber kann das Synthesegas auch vor Eintritt in den Abhitzekessel beispielsweise bei 850 °C bis 900 °C durch einen Quarzschütt¬ gutfilter zur frühzeitigen Abscheidung der mineralischen Stoffe geleitet werden.
In dem Wärmetauscher (Abhitzekessel) wird das Synthesegas auf ca. 280 °C heruntergekühlt, anschließend vorzugsweise in einem Graphit-Wärmetauscher weiter auf etwa 150 °C. Bei dieser Tem¬ peratur kann zur Abscheidung der Schwermetalle und ggf. auch noch der mineralischen Stoffe hinter dem Graphit-Wärmetauscher ein Schlauchfilter eingesetzt werden. Anschließend wird das Gas mit einem weiteren Wärmetauscher auf die Eintrittstempera¬ tur in den Adsorber auf 110 bis 120 °C heruntergekühlt.
Im Synthesegas, das aus der Vergasung z.B. von Abfällen ent¬ steht, sind oftmals außer H2S noch andere Schwefelverbindungen, wie COS und CS2, enthalten. Für zahlreiche Anwendungen ist ein
schwefelfreies Abgas erforderlich, so daß alle Schwefelbe¬ standteile aus dem Synthesegas entfernt werden sollten. Dies gelingt erfindungsgemäß unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn vor der Adsorption eine katalytische Umwand¬ lung der schwefelhaltigen Bestandteile in adsorptionsfähige Schwefelkonfigurationen, vorzugsweise H2S, durchgeführt wird. Die adsorptionsfähigen Schwefelkonfigurationen können dann - zusammen mit dem sowieso im Synthesegas enthaltenen H2S - in der Adsorptionsstufe adsorbiert werden.
Die katalytische Umwandlung geschieht vorzugsweise durch Ver¬ wendung einer besonders dotierten Aktivkohle, die in einem Festbettreaktor vom Synthesegas durchströmt wird. Die Umwand¬ lung von COS und CS2 zu H2S stellt einen rein katalytischen, also keinen adsorptiven Vorgang dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich somit auch dann ein¬ setzen, wenn in dem Synthesegas ursprünglich nicht adsorbier¬ bare schwefelhaltige Bestandteile enthalten sind.
Für bestimmte Anwendungsfälle ist es möglich, die schwefelhal¬ tigen Bestandteile, die nicht durch den Adsorber adsorbiert werden, unbehandelt in dem im wesentlichen sauerstofffreien Gas (Synthesegas) zu belassen und mit diesem zur Energiegewin- nung zu verbrennen.
Ein derartiger Anwendungsfall ergibt sich bei der Ausnutzung des Synthesegases für den Sinterprozeß zur Herstellung von Zementklinker, bei der in einem Drehrohr Gastemperaturen von gut 2000 °C entstehen. Bei diesen Temperaturen werden die schwefelhaltigen Verbindungen, wie COS und CS2, zersetzt. Der dabei entstehende Schwefel gelangt als nicht störender Be¬ standteil in den Zementklinker. Auch für diesen Anwendungsfall ist somit das erfindungsgemäße Verfahren ohne weiteres ein- setzbar.
In der beigefügten Zeichnung ist der schematische Ablauf für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dar¬ gestellt.
Das Synthesegas weist üblicherweise eine Temperatur von etwa 1200 bis 1400 °C auf und tritt aus dem Hochtemperaturreaktor aus. Es wird einer Gaskühlung unterzogen und durchläuft ein Filter zur Abscheidung von mineralischen Bestandteilen und in fester Form vorliegenden Schwermetallen. Quecksilber wird von diesem Filter nicht abgeschieden, da es sich noch in gasförmi¬ ger Form in dem Synthesegas befindet.
Enthält das so vorbereitete Gas nicht adsorbierbare schwefel¬ haltige Bestandteile, wie COS oder CS2, und sollen diese Schwe- felbestandteile aus dem Gas vollständig entfernt werden, durchläuft das Gas einen mit einem Aktivkohlekatalysator, ge¬ bildet aus einem mit dotierter Aktivkohle, gefüllten Festbet¬ treaktor, in dem die nicht adsorbierbaren schwefelhaltigen Bestandteile, wie insbesondere COS und/oder CS2, in vorzugswei- se H2S umgewandelt werden. Das umgewandelte H2S kann zusammen mit dem sowieso im Synthesegas enthaltenen H2S in dem nachfol¬ genden Adsorber zusammen mit Hg, Dioxinen und Furanen sowie Reststaub abgeschieden werden.
Das so gereingte Gas gelangt in einen HCl-Wäscher, in dem das HC1 zurückgewonnen und anschließend zu verkaufsfähiger Salz¬ säure aufkonzentriert wird. Nach einer anschließenden Kühlung und Trocknung wird das gereinigte Synthesegas in geeigneter Weise verwertet, beispielsweise durch Verbrennung für Verstro- mungszwecke. Das daraus entstehende Abgas wird entstickt und kann über einen Kamin ins Freie geleitet werden.
Das Synthesegas, das beispielsweise nach dem Thermoselect-Ver- fahren durch Vergasung von Hausmüll entsteht, bringt bereits bei 1200 °C einen hohen Wasseranteil mit, der aus dem einge¬ setzten Abfall stammt. Um das Synthesegas nach seiner Reini¬ gung als Energieträger zu nutzen, wird es gekühlt und getrock-
net und dabei von diesem Wasser weitgehend befreit. Das Wasser ist leicht sauer und sonst praktisch frei von Schadstoffen und kann deshalb nach Neutralisation ohne weitere Behandlung in einen Vorfluter oder in die Kanalisation eingeleitet werden.
Wird für die Kühlung des Synthesegases von 1200 bis 1400 °C auf eine niedrigere Temperatur Kühlwasser eingesetzt, kann dieses in der HCl-Wäsche bzw. in der Gaskühlung zurückgewonnen und praktisch frei von Schadstoffen als Kühlwasser erneut ein- gesetzt werden.
Wird in der bevorzugten Ausführungsform das Synthesegas nicht mit Wasser in einem Quenchturm heruntergekühlt sondern die im heißen Synthesegas enthaltene Energie in einem Abhitzekessel und einem nachgeschalteten Graphit-Wärmetauscher als nutzbare Energie zurückgewonnen, so kann ein Teil des im eingesetzten Abfall enthaltenen Wassers, das in das Synthesegas gelangt, für die Salzsäureherstellung genutzt werden.
Die im HCl-Wäscher absorbierte Salzsäure kann in bekannter
Weise zu einer Verkaufsfähigen Salzsäure verarbeitet werden.
Die in dem Filter abgeschiedenen mineralischen Bestandteile und festen Schwermetalle können in einem bekannten Verfahren • zu einem eluierbeständigen Schmelzprodukt eingeschmolzen wer¬ den. Dabei trennen sich die nicht einschmelzbaren Schwermetal¬ le und Schwermetallverbindungen, wie z.B. Cadmium (Cd) ab und können zurückgewonnen werden.
Wenn das Porengefüge der Aktivkohle im Adsorber weitgehend mit Schwefel belegt ist, wird die Aktivkohle aus dem Adsorber ent¬ nommen und einer Regeneration zugeführt, die vorzugsweise mit heißem Inertgas von etwa 650 °C arbeitet. Dabei werden Schwe¬ fel und Quecksilber in Form von HgS desorbiert und mit dem Desorptionsgas abgeführt. Die regenerierte Aktivkohle gelangt, ggf. nach erneuter Dotierung, wieder in den Adsorber zurück. Die ebenfalls adsorbierten Dioxine und Furane werden unter den
Bedingungen der thermischen Regeneration weitestgehend zer¬ stört. Soweit geringe Teilmengen unzerstört desorbiert werden, gelangen diese mit dem Desorptionsgas in das Reichgas und wer¬ den in der Schwefelsäureanlage zerstört.
Bevor die regenerierte Aktivkohle zum Adsorber zurückgeführt wird, wird sie durch eine Siebung/Sichtung geführt. In ihr werden feine Bestandteile, wie Aktivkohleunterkorn und Staub, abgesondert und in den Rohmüll zurückgeführt.
Das Desorptionsgas, das den Regenerator mit etwa 450 °C ver¬ läßt, wird mit Luft versetzt und der in dem Desorptionsgas enthaltene Schwefel mit dem Luftsauerstoff zu S02 aufoxidiert.
Im bekannten Fattinger-Verfahren wird das im wesentlichen S02 enthaltene Reichgas gekühlt und entstaubt und anschließend einer Reichgaswäsche unterworfen. Dort findet die hauptsäch¬ liche Abscheidung von Hg statt. Das Waschwasser, das ggf. noch Spuren von Restschadstoffen enthält, wird an geeigneter Stelle in das heiße Synthesegas eingesprüht. Dort verdampft es und gelangt gasförmig mit dem zu reinigenden Synthesegas in die Gasreinigungsanlage.
Das S02-Reichgas dient zur Schwefelsäureherstellung in ver- kaufsfähiger Form. Restliches Hg wird in der Schwefelsäurean¬ lage als HgS abgeschieden. Es wird mit dem hinter der Regene¬ ration auskondensierten Schwefel zusammengeführt und bei der Verbrennung des Schwefels zersetzt. Dabei wird das Hg als metallisches Quecksilber freigesetzt und der im HgS enthaltene Schwefel zu S02 aufoxidiert. Bei dieser Verfahrensweise fällt letztendlich nur metallisches Quecksilber an, das in der Reichgaswäsche, die als Hg-Senke dient, auch als metallisches Quecksilber ausgefällt wird und als Wertstoff abgezogen werden kann.