DE4405010C2 - Verfahren zur Reinigung eines Verbrennungsabgases - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reinigung eines Verbrennungsabgases nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1, bei dem es sich um ein trockenes Verfahren zur Schadstoffabscheidung aus Verbrennungsabgasen handelt, wobei die Verbrennungsabgase aus Müllverbrennungen, Kraftwerken oder anderen Feuerungsanlagen und Quellen stammen können.

Aus der DE 35 39 347 A1 ist ein Verfahren zur Reinigung eines Verbrennungsabgases bekannt, bei dem ein Abgasstrom aus einem Kessel mittels eines Zufuhrrohrs in eine Reaktorstrecke gefördert wird, an deren Eingang der Abgasstrom mit einem Additiv und darauf folgend mit Wasser beaufschlagt wird. In einiger Entfernung zum Eingangsbereich wird der Abgasstrom dann noch einmal mit Additiv beaufschlagt. Der Strömungsquer­ schnitt in der Reaktorstrecke entspricht etwa dem Strömungs­ querschnitt des Zufuhrrohrs. Hierdurch wird erreicht, daß die Geschwindigkeit der Rauchgase sich während der Reaktorstrecke nicht wesentlich verringert. Vielmehr bleibt die Geschwindig­ keit der Rauchgase so hoch, daß die an der Reaktion beteilig­ ten gasförmigen und festen Stoffe von den Rauchgasen mitge­ rissen und weitertransportiert werden. Um den Rauchgasstrom über seinen gesamten Querschnitt abzukühlen muß daher gewähr­ leistet werden, daß das ihm beigegebene Kühlwasser über den gesamten Querschnitt des Rauchgasstroms verteilt wird, d. h., daß das Kühlwasser auch in diejenigen Bereiche gerät, die der Reaktorwandung benachbart sind. Demgemäß kann nicht verhindert werden, daß sich an den Wänden Inkrustierungen und Anbackungen bilden. Sofern man die wandnahen Bereiche nicht mit Kühlwasser beaufschlagt, wird der Rauchgasstrom nicht in seiner Gesamtheit gekühlt, wodurch der Abscheide­ grad des Verfahrens sinkt. Bei den bekannten Verfahren ist des weiteren die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Rauchgas, den Wassertropfen und dem Additiv vergleichsweise klein. Der Ausnutzungsgrad des Additivs ist gering. Die vorerwähnten Schwierigkeiten haben eine breite und erfolgreiche Anwendung des Verfahrens, wie es in der DE 35 39 347 A1 beschrieben ist, verhindert, wobei insbesondere die Anbackungen und Inkrustierungen zu unüberwindbaren Problemen führten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reinigung eines Verbrennungsabgases zur Verfügung zu stel­ len, mittels dem bei erhöhtem Ausnutzungsgrad des dem Rauchgasstrom zugeführten Additivs Inkrustierungen und An­ backungen an den Wandungen der Reaktorstrecke zuverlässig vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Im Quencher sind die erste Additivzufuhreinrichtung und die Wasserzufuhreinrichtung etwa in einer Höhe angeordnet und die Wasserzufuhreinrichtung ist als Zweistoff- bzw. Impuls­ düse ausgebildet, mittels der Wasser und Druckluft so misch­ bar und richtbar sind, daß sie in einem zur Haupterstreckung des Quenchers parallelen Düsenstrahl in den Quencher eintre­ ten, wobei die Geschwindigkeit des Düsenstrahls im Mundstück der Zweistoff- bzw. Impulsdüse im Überschallbereich liegt, so daß das durch die erste Additivzufuhreinrichtung einge­ führte trockene Additiv mit Abgas durch Injektorwirkung des durch die Zweistoff- bzw. Impulsdüse erzeugten Düsenstrahls in diesen eingesaugt wird. Erfindungsgemäß wird keine Durchdringung des Rauchgasstroms mit Wasser angestrebt, vielmehr wird der Rauchgasstrom sowie das ihm zugeführte Additiv von den Wandungen der Reaktionsstrecke weg zum aus der Zweistoff- bzw. Impulsdüse austretenden Düsenstrahl ge­ saugt. Beim Austritt aus dem Mundstück der Impulsdüse, in dem die Geschwindigkeit des Düsenstrahls im Überschallbereich liegt, zerplatzt der in der Zweistoff- bzw. Impulsdüse ge­ bildete Schaum in kleinste Wassertropfen, die so schnell ver­ dampfen, daß sie im weiteren Verlauf der Reaktorstrecke nicht bis an die Wandungen der Reaktorstrecke gelangen. Die aus der Impulsdüse austretende Druckluft läßt die Saugwirkung ent­ stehen, mittels der die Rauchgase und das Additiv in den schmalen Düsenstrahl, d. h. weg von den Reaktionsstreckenwan­ dungen, gezogen werden. Erfindungsgemäß wird beim Austritt des Quenchwassers das Rauchgas nebst Additiv in das aus der Impulsdüse austretende Wasser eingesaugt. Hierdurch wird erreicht, daß unverdampftes Wasser gar nicht erst in den den Wandungen der Reaktionsstrecke benachbarten Bereich gelangt. Inkrustierungen und Anbackungen an den Wandungen der Reak­ torstrecke können so zuverlässig vermieden werden. Des weiteren ergibt sich aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestal­ tung des Verfahrens ein sehr hoher Ausnutzungsgrad der in den Rauchgasstrom eingeführten Additive, was u. a. auf die Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Rauchgas sowie den Additiven einerseits und dem Wasser- bzw. Düsenstrahl andererseits zurückzuführen ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, in einem ggf. verlängerten Quencher eine zwei- oder mehrstufige Additiv- und Wasserzu­ gabe durchzuführen. Die bisherigen Versuche haben gezeigt, daß die im Quencher eingestellte Austrittstemperatur kaum Einfluß auf den Wirkungsgrad hat. Wichtig ist allein die kurzzeitige Benetzung des Additivs. Insofern ist sichergestellt, daß eine zweistufige Quenchung mit unterschiedlichem Temperaturniveau bei hohen SO₂-Konzentrationen sinnvoll ist. Je nach Anfor­ derungen an das Reingas kann der Absorber dann auch ganz entfallen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können außer SO₂ auch andere saure Schadgase, z. B. HCl, HF, HBr und SO₃, abge­ schieden werden.

Des weiteren ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Wiederaufheizung erforderlich, da im stark überhitzten Tem­ peraturbereich gearbeitet wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Ausführungs­ form unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zur Reinigung von Ver­ brennungsabgasen;

Fig. 2 die Einzelheit I in Fig. 1; und

Fig. 3 eine in Fig. 2 dargestellte Zweistoff- bzw. Impulsdüse.

Aus einer in den Fig. 1 bis 3 nicht dargestellten Ver­ brennungsanlage gelangt der mit Schadstoffen befrachtete Abgasstrom durch ein Zufuhrrohr 1 in die Vorrichtung zur Abgasreinigung. Die Temperatur des Abgasstroms beträgt beim Eintritt in die Vorrichtung zur Abgasreinigung ca. 350 Grad C. Bei Eintritt in die Vorrichtung zur Abgas­ reinigung wird der Abgasstrom mittels einer druckluft- und wasserbeaufschlagten Düse 2 mit einem Wasser/Druckluft­ gemisch beaufschlagt und so auf eine Temperatur von 250 Grad C heruntergekühlt. Stromab der Düse 2 gerät der ab­ gekühlte Abgasstrom durch ein Übergangsrohr 3 in einen Quencher 4. Im Quencher 4 ist eine Wasserzufuhreinrichtung in Form einer Impuls- bzw. Mehrstoffdüse 5 vorgesehen. Die Impuls- bzw. Mehrstoffdüse 5 hat die, in Fig. 3 in Einzel­ heiten gezeigte Ausgestaltung. Eine druckluftbeaufschlagte Luftkammer 6 ist mittels Luftdüsen 7 mit einer Kammer 8 verbunden, die mit Wasser beaufschlagt wird. Durch das Zu­ sammentreffen der etwa senkrecht zur Strömungsrichtung des Wassers in die Kammer 8 eintretenden Druckluftströmung mit dem Wasser werden das Wasser und die Druckluft so mitein­ ander verwirbelt und vermischt, daß sie als Wasser/Luft-Schaum aus der Kammer 8 durch ein Mundstück 9 aus der Zwei­ stoff- bzw. Impulsdüse austreten. Die Strömungsquerschnitte der Impuls- bzw. Zweistoffdüse 5 sowie die Druckbeaufschla­ gung des zugeführten Wassers sowie der zugeführten Druck­ luft sind so gewählt, daß ein aus der Zweistoff- bzw. Im­ pulsdüse austretender Düsenstrahl 10 eine Strömungsgeschwin­ digkeit im Überschallbereich aufweist.

Etwa in der gleichen Ebene, in der die als Wasserzufuhrein­ richtung dienende Impuls- bzw. Zweistoffdüse 5 innerhalb des Quenchers 4 angeordnet ist, ist im Quencher auch eine Additivzufuhreinrichtung 11 angeordnet. Dieser Additivzu­ fuhreinrichtung wird mit Hilfe von Druckluft aus einem Kalksilo als Additiv Ca(OH)₂ trocken zugeführt. Die der­ art in den Quencher 4 bzw. in den Abgasstrom eintretenden Additivpartikel werden aufgrund der Injektionswirkung des aus der Impuls- bzw. Zweistoffdüse 5 austretenden Düsen­ strahls 10, der Luft und Wasser enthält, in den Düsen­ strahl 10 eingesogen. Dasselbe geschieht mit den im Abgas­ strom vorhandenen Schadstoffen.

Dadurch, daß die Additivpartikel in den Düsenstrahl 10 ge­ raten, werden sie an ihren Oberflächen benetzt, so daß sie in einen Zustand gebracht werden, in dem sie in besonders wirksamer Weise mit den Schadstoffen - im dargestellten Aus­ führungsbeispiel im wesentlichen SO₂ - reagieren können. Sobald diese Reaktion, die im wesentlichen in einem der Mittelachse des Quenchers 4 nahen Raum stattfindet, abge­ schlossen ist, liegt die zwischenzeitliche Befeuchtung der Additivpartikel nicht mehr vor. Ein Anbacken feuchten Addi­ tivs an der Wandung des Quenchers 4 kann somit vermieden werden. Die Wechselwirkungen zwischen den in den Quencher 4 eingegebenen Additivpartikeln, dem Düsenstrahl 10 und dem Abgasstrom gehen am besten aus Fig. 2 hervor, in der dar­ gestellt ist, wie die Additivpartikel und Abgase in den Düsenstrahl 10 aufgrund der durch ihn entstehenden Injektor­ wirkung hineingesaugt werden.

Das Reaktionsprodukt aus den Additiven und den im Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen fällt am Endabschnitt des Quenchers 4 trocken an und wird in der Entnahmevorrichtung 12 aus der Vorrichtung zur Abgasreinigung entnommen. Aufgrund der wei­ teren Zugabe von Wasser durch die Impuls- bzw. Zweistoff­ düse 5 weist der Abgasstrom im Endabschnitt des Quenchers 4 noch eine Temperatur von ca. 90 bis 120 Grad C auf.

Stromab des Quenchers folgt ein Absorber 13, in dem der Abgasstrom mittels einer zweiten Additivzufuhreinrichtung 14 erneut mit trockenem Additiv beaufschlagt wird, welches der zweiten Additivzufuhreinrichtung mittels Druckluft aus dem Kalksilo zugeführt wird. Auch bei dem hier zugegebenen Additiv handelt es sich im dargestellten Ausführungsbei­ spiel um Ca(OH)₂.

Im Absorber werden nach dem Quencher 4 noch im Abgasstrom vorhandene Schadstoffe durch das Additiv absorbiert. Schi­ kaneneinbauten 15 sorgen für eine gute Vermischung des Gases mit dem Additiv. Überschüssiges Additiv und das Reaktions­ produkt verlassen den Absorber 13 in Aufwärtsrichtung.

Sowohl im Quencher 4 als auch im Absorber 13 wird das Addi­ tiv trocken in den Abgasstrom eingeführt. Lediglich im Quencher 4 erfolgt eine zwischenzeitliche Befeuchtung der Additivoberflächen wegen der räumlichen Nähe der Impuls- und Zweistoffdüse 5 zur im Quencher 4 vorgesehenen Additiv­ zufuhreinrichtung 11.

Stromab des Absorbers 13 gerät der noch immer eine Temperatur zwischen 90 bis 120 Grad C aufweisende Abgasstrom in eine Filtereinrichtung 16, die beispielsweise als Schlauch- oder Tuchfilter ausgestaltet sein kann. Hier werden noch im Ab­ gasstrom enthaltene Schwebstoffe abgeschieden, entnommen und mittels Druckluft zu einem Rückstandssilo gefördert.

Stromab der Filtereinrichtung 16 ist ein Lüfter 17 vorge­ sehen, der den gereinigten Abgasstrom, d. h. den Reingas­ strom, durch einen Kamin 18 in die Umgebung ausbläst.

Bei einem Versuchsbetrieb betrugen die Abgasmenge ca. 12 000 m³/h, die Abgastemperatur ca. 350 Grad C und die SO₂-Konzentration zwischen 3000 bis 10 000 mg/m³n. Es er­ folgte zunächst eine Quenchung von ca. 350 Grad C auf ca. 250 Grad C im Zufuhrrohr 1. Hierzu diente die Düse 2, die als Zweistoffdüse für Wasser und Luft ausgebildet war. Im Quencher 4 erfolgte eine Quenchung von ca. 250 Grad C auf 90 Grad C, 95 Grad C, 100 Grad C, 110 Grad C bzw. 120 Grad C.

In der zweiten Quenchstufe, d. h. im Quencher 4, wurden unterschiedliche Mengen an Additiven, d. h. zwischen 30 und 150 kg/h, und in den Absorber 0 bis 150 kg/h eingegeben.

Die Abscheideleistung bezüglich SO₂ betrug z. B. bei einer SO₂-Konzentration von 5000 mg/m³n und 50 kg Kalk im Quencher 4 und 60 kg Kalk im Absorber 13 und einer Abgasstromtempera­ tur von 100 Grad C beim Austritt aus dem Quencher 4 größer als 90%, d. h. im Reingas waren noch weniger als 500 mg SO₂ je m³n vorhanden. Bei 90 Grad C am Austritt des Quenchers 4 betrug die entsprechende Abscheideleistung 92%, d. h. im Reingas waren noch weniger als 400 mg SO₂/m³n enthalten; bei sonst gleichen Bedingungen, jedoch 120 Grad C, betrug die Abscheideleistung bezüglich SO₂ 88%, d. h. im Reingas waren je m³n noch weniger als 600 mg SO₂ enthalten.

Hieraus ist abzuleiten, daß die Betriebstemperatur bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keinen großen Einfluß mehr hat; eine zweistufige Quenchung mit jeweiliger Additivzugabe dürfte somit nochmals eine Verbesserung bringen.

Bei einer anderen Mengenverteilung des Additivs, d. h. wenn z. B. 60 kg in den Quencher 4 und lediglich 50 kg in den Ab­ sorber 13 eingegeben werden, ergab noch einmal eine Verbes­ serung des Wirkungsgrades von 1 bis 2%-Punkten.

Sofern die SO₂-Gehalte im Abgasstrom niedriger waren, konnte die Zugabe von Additiv entsprechend reduziert werden; bei gleichbleibender Additivzugabe ergaben sich weiter verbes­ serte Wirkungsgrade und Reingaswerte.

Eine Erhöhung der Additivzugabe brachte keine entsprechende Verbesserung der SO₂-Abscheidung.

Bei wesentlich höheren SO₂-Konzentrationen in dem Abgas­ strom konnte zwar bei einer Einfachzugabe von Additiv im Quencher 4 das Stöchiometrieverhältnis verbessert werden; der geforderte Reingaswert wurde jedoch nicht erreicht. Hier kann mittels einer zweistufigen Quenchung im Quencher 4, wobei jeweils eine Additivzugabe je Quenchung vorge­ sehen ist, eine Verbesserung erreicht werden.

Während des Versuchsbetriebs, der mehrere Monate dauerte, gab es keinerlei Anbackungen in der Vorrichtung. Die trockenen Reaktionsprodukte konnten störungsfrei abgezogen werden, da die Betriebstemperatur der Vorrichtung zur Abgasreinigung mit etwa 90 Grad C bis 120 Grad C deutlich oberhalb des Wasserdampftaupunkts von 50 Grad C bis 65 Grad C lag.

Claims (2)

1. Verfahren zur Reinigung eines Verbrennungsabgases, bei dem das Abgas zuerst in einem Quencher mit Wasser und einem trocke­ nen Additiv beaufschlagt wird, wobei die Zugabe von Wasser und Additiv in etwa gleicher Höhe in den Quencher erfolgt, dem Ab­ gasstrom dann in einem Absorber über eine zweite Additivzuführ­ einrichtung trockenes Additiv zugesetzt wird und das reagierte Additiv dem Abgasstrom nach dem Adsorber trocken entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Abgasstrom zugegebene Wasser so mit Druckluft beaufschlagt wird, daß der Luft und Wasser bzw. Schaum enthaltende Düsenstrahl mit Überschallge­ schwindigkeit in den Abgasstrom eintritt, und das in den Quencher eingegebene trockene Additiv mit Abgas in den erzeug­ ten Düsenstrahl eingesaugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Quencher eine zwei- oder mehr­ stufige Additiv- und Wasserzugabe vorgesehen ist.