DD253575B1 - Nassbehandlungsverfahren zur waermerueckgewinnung und schadstoffbeseitigung aus rauch- und abgasen - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur intensiven Reinigung und Wärmenutzung aller aus der Verbrennung flüssiger, gasförmiger sowie fester Brennstoffe resultierender Rauch- und Abgase. Das erfindungsgemäße Verfahren mit direktem Wärme- und Stoffaustausch zwischen Rauch- und Abgas und Waschflüssigkeit ist für Heizkessel- bzw. Verbrennungsanlagen unterschiedlichster Heizleistung und Bauausführung, vorzugsweise jedoch für eine Realisierung in mittleren und kleineren Heizzentralen bis etwa 12MW Heizleistung, universell und effektiv anwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind eine Vielzahl von Prinziplösungen bekannt, welche eine Reinigung, insbesondere zur Verminderung der umweltbelastenden Staub-, Ruß- und Schwefeldioxidemmission, und eine Wärmenutzung von Rauchgasen und Abgasen mittels verschiedenartiger Waschflüssigkeiten und technischer Systeme zur direkten Kontaktierung von Gas und Flüssigkeit beinhalten. Für eine Anwendung in kleineren und mittleren Heizkessel- bzw. Verbrennungsanlagen haben sich bisher solche Rauch- bzw. Abgasbehandlungsanlagen bevorzugt durchgesetzt, die unter Verwendung von Strahlapparaten einen intensiven Wärme- und Stoffaustausch zwischen Rauch- oder Abgasen (Schleppmedium) und Waschflüssigkeit (Treibmedium) bewirken. Zur günstigeren Gestaltung der spezifischen Abwärme- und Abscheideleistung werden dazu im Vorratsbehälter für die Waschflüssigkeit Gas- oder Luftblasen geringen Volumens erzeugt. Diese Bläschenproduktion wird durch mechanischen Energieeintrag (z. B. Rührwerkanordnung) in den Vorratsbehälter des Strahlapparates, u. a. dokumentiert in der DE-OS 2161476, durch Zugabe von Flotationsmitteln (z. B. Tenside) oder zum Teil durch die im Vorratsbehälter stattfindenden chemischen Umsetzungen des Schwefeldioxids zu Sulfaten realisiert. Zur Aufrechterhaltung eines funktionssicheren Waschkreislaufes sind hierbei zur Spezialpumpen, welche zwischen Vorratsbehälter und Strahldüse des Strahlapparates installiert werden, geeignet. Diese Pumpen für gashaltige Flüssigkeiten sind als Zentrifugalpumpen ausgeführt und z.B. im DD-WP101947 sowie DD-WP136287 beschrieben. Gegenüber konventionellen Kreiselpumpen wird die in Nabennähe des Laufrades stattfindende Gasbzw. Schaumkernbildung, welche zur Verringerung der Förderleistung oder zum vollständigen Aussetzen des Förderstroms führen kann, verhindert. Entscheidend Merkmale erwachsen jedoch aus dem vergrößerten Geräuschpegel, Elektroenergiebedarf sowie den erhöhten Herstellungskosten derartiger Zentrifugalpumpen. Dagegen bietet eine in der SU-PS 370440 vorgeschlagene Systemlösung insgesamt vorteilhaftere energetische und ökonomische Anwendungsverhältnisse. Hierbei wird ein Teilstrom eines gasförmigen Kühlmittels (Schleppmedium) nach dessen Kontakt mit einer auszukühlenden Zirkulationsflüssigkeit (Treibmedium) im Strahlrohr des Strahlapparates in die Verbindungsleitung zwischen der Strahldüse und einer herkömmlichen Flüssigkeitspumpe eingespeist. Das unter Druck verdüste Gas-Flüssigkeits-Gemisch erbringt zwar einen verbesserten, aber keinen optimalen Wärme- und Stoffaustausch sowie Schleppmedientransport. Daraus resultierend ergibt sich u.a. auch keine wesentliche Reduzierung der Strahlrohrlänge bzw. des Materialbedarfs (z. B. Edelstahl oder Spezialgas). Des weiteren können bei Anwendung dieser Behandlungsmethode für Kleinkesselanlagen im Hausbereich die auf Grund der Bauhöhe entstehenden Anordnungsprobleme nicht bemerkenswert beseitigt werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein effektives und universell anwendbares Naßbehandlungsverfahren mit direktem Wärme- und Stoffaustausch zwischen Rauch- oder Abgas und Waschflüssigkeit für alle Leistungsbereiche von Verbrennungsanlagen anzugeben, welches sich im Vergleich zu den bekannten Lösungen einerseits durch eine optimale Gestaltung der Impulsaustauschbedingungen sowie des Reinigungs- und Wärmeaustauschprozesses auszeichnet und zum anderen minimale Investitions- und Betriebskosten gewährleistet.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Rauchgasbehandlung so zu konzipieren, daß die Impuls-, Wärme- und Stoffaustauschbedingungen derjenigen Naßwaschanlagen, bei denen die Rauch- oder Abgase insbesondere durch Strahlwäscher bzw. Strahlapparate mit einer Waschflüssigkeit in Kontakt gebracht werden, erheblich intensiviert und demzufolge die energetischen Betriebsaufwendungen und/oder die Baugröße der Anlage zur Durchführung des Verfahrens bei unveränderter Abwärme- und Abscheideleistung deutlich reduziert werden. In erster Linie soll die Erfindung sowohl eine Herabsetzung der Abmessungen der Naßwaschanlage, insbesondere der Bauhöhe von Strahlapparaten, als auch den Einsatz von konventionellen Flüssigkeitspumpen und Begasungselementen einfachster Bauart ermöglichen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem der Waschflüssigkeit im Bereich der zur Strahldüse des Strahlwäschers bzw. -apparates führenden Druckleitung ein hochtemperiertes Gas oder Gasgemisch, dessen Temperatur über der Siedetemperatur der Waschflüssigkeit liegt, zugegeben wird. Das Gas oder Gasgemisch wird dazu der Umgebungsluft, dem Rauchgasstrom, dem gereinigten Abgasstrom, einem separat aufbereiteten oder industriell anfallenden Gasvorrat entnommen oder aus einer beliebigen Mischung der genannten Gase hergestellt. Das Eintragen des hochtemperierten Gases oder Gasgemisches in die Waschflüssigkeit, welches in Abhängigkeit von der geförderten Waschtlüssigkeitsmenge durchgeführt wird, erfolgt dabei entweder direkt oder nach rekuperativer Aufheizung mittels eines hochtemperierten Gases oder Gasgemisches oder/und nach Aufheizung mittels zusätzlicher Wärmeerzeugungsquellen. Das hochtemperierte Gas oder Gasgemisch bewirkt unmittelbar nach der Zugabe in den Waschflüssigkeitsstrom, welcher vorzugsweise mittels Flüssigkeitsstrahlpumpen realisiert wird, eine Kolbenblasen-, Ring- oder Blasenströmung mit hohem Dampfgehalt in der Gasphase und demzufolge einen außerordentlich turbulenten Strömungszustand. Die thermische Blasenanreicherung reduziert den zur optimalen Sprühstrahlerzeugung erforderlichen Gasmengeneintrag auf ein Minimum. Infolge der Dampfblasenexpansion vollzieht sich ein auffallend intensiver Strahlzerfall zur Tropfen- oder Sprühdüsenmündung. Überraschenderweise entstehen im Vergleich zu denjenigen Verfahren, die eine Einleitung von niedrigtemperierten Gasen oder Gasgemischen in den Waschflüssigkeitsstrom beinhalten, derart vorteilhafte Wärme-, Stoff- und Impulsaustauschbedingungen, daß z. B. unter der Voraussetzung gleicher Rauch- oder Abgasbehandlungsmengen und Schadstoffabscheideleistungen beträchtlich kürzere Strahlrohrlängen bei gleicher Gesamtenergiebilanz erreicht werden. Dies ist theoretisch darauf zurückzuführen, daß eine intensive Anfachung der Treibstrahlverwirbelung mit hohen Winkelgeschwindigkeiten sowie stabilen Winkelkonfigurationen im gesamten Strahlrohrbereich zu verzeichnen ist. Die mit der Strahlrohrlänge zeitlich anwachsenden großen und kleineren Wirbelkerne werden in vergrößerter Anzahl in der Mischzone, im sogenannten Übergangsgebiet und in der ausgebildeten Sprühströmung erzeugt und kollidieren in der Weise miteinander, daß sie sich verstärkt tangential berühren, leicht ineinander eindringen und wieder voneinander lösen, da die kleinen gegenüber den großen Wirbelgebieten eine größere massebezogene kinetische Energie besitzen. Dabei werden infolge der Ablösung von den großen Wirbelgebieten kleine Mischzonen mit neuen kleinen Wirbeln gebildet. Die vorliegenden optimalen Verdrallungsbedingungen verlängern somit nicht nur die Wirbelzerfallsstrecken, sondern erbringen auch verringerte Tropfengrößen bzw. eine verbesserte Zerstäubung. Daraus resultieren große Oberflächen und damit eine deutliche Steigerung des Wärme- und Stoffaustausches zwischen Waschflüssigkeit und Rauch- oder Abgas.

Ausführungsbeispiel

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Naßbehandlungsverfahren an Hand eines Strahlwäschersystems näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Gesamtansicht eines auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitenden Strahlwäschers Fig. 2: Beispielvariante für eine rekuperative Gasaufheizung im Bereich I entsprechend Fig. 1

Der in Fig. 1 dargestellte Strahlwäscher bzw. -apparat 1 besteht im wesentlichen aus einem Strahlrohr 2, einer Strahldüse 3, einem Vorratsbehälter 4 für die Waschflüssigkeit W, einem Schornsteinrohr 5, einer Kreiselpumpe 6 und einer Flüssigkeitsstrahlpumpe 12. Die Flüssigkeitsstrahlpumpe 12 ist in der Verbindungsleitung 13 zwischen Kreiselpumpe 6 und Strahldüse 3 installiert und dient zur Einspeisung eines Rauchgasteilstromes RT, welcher im Rauchgaseintrittsrohr 7 abgezweigt und über die Anschlußleitung 14 in die Flüssigkeitsstrahlpumpe 12 eingeleitet wird. Die Menge des einzutragenden Rauchgasteilstromes RT wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kreiselpumpe 6 bzw. der Menge der zirkulierenden Waschflüssigkeit W durch Betätigung einer Drosselklappe 8 geregelt. Im Hinblick auf eine optimale Wärmerückgewinnung (Brennwertnutzung) und Schadstoffbeseitigung ist die Größe des Waschflüssigkeitsstromes hauptsächlich gemäß der entsprechenden Lastzustände der Verbrennungsanlage, des Schadstoffgehaltes der Brennstoffe bzw. der Verbrennungsprodukte, der Art der benutzten Neutralisationsmittel, dem vorgesehenen Verwendungszweck für die chemischen Reaktions- oder Abprodukte C und der Wärmebedarfsträger zu bemessen. Der in die Verbindungsleitung 13 eingeleitete hochtemperierte Rauchgasteilstrom RT bewirkt eine Kolbenblasen-, Ring- oder Blasenströmung mit hohem Dampf gehalt in der Gasphase, womit bereits auf der Wegstrecke bis zur Strahldüse 3 eine Intensivierung des Wärme- und Stoffaustausches zu verzeichnen ist. Der Hauptstrom des Rauchgases R wird durch den Treibstrahl, der infolge der Dampfblasenexpansion und der damit verbundenen intensiven Zerstäubung eine größtmögliche

Impulsübertragung gewährleistet, in das Strahlrohr 2 transportiert und dort mit der Waschflüssigkeit W innig in Kontakt gebracht. Das Rauchgas R gelangt anschließend über das Schornsteinrohr 5 als gereinigtes und nahezu bis auf die Waschflüssigkeitstemperatur gekühltes Abgas A in die Atmosphäre.

Die Kühlung der Waschflüssigkeit erfolgt mittels rekuperativer Wärmeübertragung an einen Nutzwasserstrom N. Vor dem Eintritt der Waschflüssigkeit W in den Wärmetauscher 11 wird diese durch ein Filterelement 10 weitgehend von CO₂-Bläschen, anderen Gasbläschen und Feststoffpartikeln befreit.

Die Zugabe frischer Waschflüssigkeit WF in den Vorratsbehälter 4 ist mittels Schwimmerventileinrichtung 9 durchführbar. Der Austrag der chemischen Reaktions- oder Abprodukte C erfolgt im unteren Teil des Vorratsbehälters 4. Fig. 2 zeigt eine Variante zur Erzeugung von heißer Umgebungsluft LN aus kalter Umgebungsluft LK mittels hochtemperierten Rauchgases R. Dazu wird ein Rauchgasteilstrom RT im Rauchgaseintrittsrohr7 über die Vorlauf leitung 15 abgezweigt, durch einen rekuperativen Wärmeübertrager 17 geleitet und über die Rücklauf leitung 16 wieder dem Rauchgashauptstrom zugeführt. Die aufgeheizte Umgebungsluft LN wird auf Grund der Saugwirkung der Flüssigkeitsstrahlpumpe 12 über die Anschlußleitung 14 in die Verbindungsleitung 13 zwischen Strahldüse 3 und Kreiselpumpe 6 eingespeist. Eine derartige Lösung kommt insbesondere dann in Frage, wenn für Neutralisationszwecke ein Gasgemisch notwendig ist. Außerdem bietet sich gegenüber des in Fig. 1 aufgezeigten Erfindungsvorschlages der Vorzug, daß die Instandhaltungszyklen für Flüssigkeitsstrahlpumpe 12, Verbindungsleitung 13, Anschlußleitung 14 und Strahldüse 3 wegen ihrer verringerten Verunreinigungsgrade beträchtlich vergrößert werden können.

Claims (4)

1. Naßbehandlungsverfahren zur Wärmerückgewinnung und Schadstoff beseitigung aus Rauch- und Abgasen mit direktem Wärme-, Stoff- und Impulsaustausch zwischen den in einer oder mehreren Naßbehandlungsanlagen, vorzugsweise Strahlwäschern bzw. -apparaten, zu behandelnden Gasen und geeigneten Waschflüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Waschflüssigkeit (W) im Bereich der zur Strahldüse (3) des Strahlwäschers bzw. -apparates (1) führenden Druckleitung ein hochtemperiertes Gas oder Gasgemisch, dessen Temperatur über der Siedetemperatur der Waschflüssigkeit (W) liegt, zugegeben wird.

2. Verfahren nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas oder Gasgemisch der Umgebungsluft (KL, HL), dem Rauchgas (R), dem gereinigten Abgas (A), einem separat aufbereiteten oder industriell anfallenden Gasvorrat entnommen oder aus einer beliebigen Mischung dieser Gase hergestellt wird.

3. Verfahren nach Pkt. 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas oder Gasgemisch in die Waschflüssigkeit entweder direkt oder nach regenerativer oder rekuperativer Aufheizung mittels einer hochtemperierten Flüssigkeit oder eines hochtemperierten Gases oder Gasgemisches, vorzugsweise mittels des zu behandelnden Rauch- oder Abgases oder nach Aufheizung durch andere Wärmequellen eingebracht wird.

4. Verfahren nach Pkt. 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe des hochtemperierten Gases oder Gasgemisches in Abhängigkeit von der durch die Flüssigkeitspumpe, vorzugsweise Kreiselpumpe (6), geförderten Waschflüssigkeitsmenge erfolgt.

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