DD272416A1 - Verfahren zur rueckgewinnung der waerme von rauchgasen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rueckgewinnung der Waerme von Rauchgasen. Das Verfahren ist anwendbar zur Rueckgewinnung der Waerme von Rauchgasen und durch eine integrierte Rauchgasentschwefelung besonders bedeutsam fuer Gebiete mit hohen Emissionen von Rauchgasschadstoffen. Erfindungsgemaess wird das Rauchgas mit einem oberhalb von 100C siedenden und einem im Vergleich zu Wasser niedrigeren Wasserdampfpartialdruck aufweisenden, fuer schwefelhaltige Rauchgasschadstoffe und Wasserdampf absorptiven fluiden Energietraeger, der im Kreislauf gefuehrt wird, in direkten Kontakt gebracht. Dabei wird der Energietraeger auf Temperaturen ueber 100C erwaermt und das Rauchgas auf eine fuer das Ableiten in die freie Atmosphaere ausreichende Temperatur gebracht. Fig. 1
Description
Hierzu 2 Seiten Zeichnungen
Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar zur Rückgewinnung der Wärme von Rauchgasen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, die bei der Dampferzeugung in Heizwerken und Heizkraftwerken sowie bei Anlagen der technischen Trocknung und der Metallurgie anfallen und durch eine integrierte Rauchgasentschwefelung besonders bedeutsam für Gebiete mit einer hohen Emission von Rauchgasschadstoffen.
vorzugsweise alkalischen Lösungen in speziellen Vorrichtungen, wie beispielsweise in Waschtürmen, in Kontakt gebracht wird, wobei die schwefelhaltigen Komponenten chemisch oder physikalisch gebunden aus der Lösung abgetre' nt und einer
zur Sättigung der heißen Rauchgase durch Verdunstung aus dem flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen, wobei dem
dar Rauchgaswärme nur noch teilweise oder auf einem erheblich niedrigeren Temperaturniveau unterhalb des
mit hohem Investaufwand verbunden und verringern den Anteil der nutzbaren Rauchgaswärme.
o'i.ne Kondens .tion von Schwefelbestandteilen gewährleistet. Nachteilig ist dabei, daß die Rauchgaswärme keiner nutzbringende.ι Verwendung zugeführt wird.
und/oder der Waschlösung nach dem Waschturm entzogen und einer Nutzung außerhalb der Energieumwandlungsanlage zugeführt wird. Nachteilig ist dabei, daß das schwefelarme Rauchgas mit zusätzlichen Wärmeträgern angewärmt werden muß, damit die Rauchgasabführung durch einen Schornstein mittels Naturzug ohne Kondensation von Schwefelbestandteilen erfolgen kann.
und Luft vorgewärmt wird
geleitet, in wolchem Feuchtigkeit auekondensiert und schwefelhaltige Komponenten Im Kondensat gelöst werden. Die
höheren Temperatumlveau gegenüber der Anfalltemperatur gestattet. Die für das Betreiben der Wärmepumpe erforderliche
mit einer Wärmepumpenanordnung erfolgen soll, weist den Nachteil eines unbefriedigend niedrigen Nutztemperaturniveaus
befreit wird.
Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens, bei dem öle weltgehende Nutzung der Rauchgaswärme auf einem relativ hohen Temperaturniveau möglichst nahe oder oberhalb der Siedetemperatur von Wasser bei Umgebungsdruck und gleichzeitig eine starke Reduzierung der Schadstoffkonzentration Im an die Umwelt abgeführten Rauchgas mit geringem apparativen und ökonomischen Aufwand bei stabilem Betrieb möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, das eine Wärmeübertragung vom Rauchgas auf einen flüssigen Enorgieträger bei umfassender Ausnutzung der Rauchgasexergie, also eine möglichst hohe Anwärm ung des Energieträgers bis nahe oder oberhalb der Siedetemperatur von Wasser bei Umgebungsdruck gewf hrleistet, bei gleichzeitigem Stoff übergang von Insbesondere schwefelhaltigen Schadstoffen vom Rauchgas auf den Energieträger.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das zu behandelnde 'lauchgas im Gleich- oder Gegenstrom mit einem oberhalb von 100Ό siedenden und einem im Vergleich zu Wasser niedrigeren Wasserdampfpartialdruck aufweisenden, für schwefelhaltige Rauchgasschadstoffe und Wasserdampf absorptiven fluidon Energieträger in direkten Kontakt gebracht wird. Dabei erfolgt ein Übergang der Wärmt und der schwefelhaltigen Rauchgasschadstoffe von dem Rauchgas auf den Energieträger bei weitgehender Hemmung der Wasserverdunstung, so daß der Energieträger auf Temperaturen übar 1000C erwärmt und das behandelte Rauchgas nur auf eine für das Ableiten in die freie Atmosphäre noch ausreichende Temperatur von 80 bis 1000C' abgekühlt wird.
Erfindungsgemäß wird als fluider Energieträger eine wäßrige Lösung eingesetzt, die entweder aus 20 bis 58% Calciumchlorid zur Erhöhung des Siedepunktes auf über 10O0C, zur Absenkung des Wasserdampfportia!druckes und zur Erhöhung der Löslichkeit von Rauchgasschadstoffen und Wasserdampf mit Zusätzen von 1,2 bis 3 % kalkhaltiger Produkte wie Kalkmilch, Branntkalk, Carbldschlamm, Carbonatatlonsschlamm oder Flugasche zur Erreichung der Schadstoffabsorptionseffektr oder aus 20 bis 60% Saccharose zur Erhöhung des Siedepunktes auf über 1000C und der Kalklöslichkeit mit Zusätzen von 1,2 bis 3% kalkhaltiger Produkte zur cVreichung der Schadstoffabsorptionseffekte besteht. Als fluider Energieträ per können auch wasserfreie Flüssigkeiten mit einer Siedetemperatur oberhalb von 1009C mit absorptiven Zusätzen eingesetzt werden. Zu' Vermeidung örtlicher Unterschreitungen der Schwefelsäuretaupunktstemperatur und damit von Schwefelsäurekorrosion in Energieträgerkreislauf wird durch den Zusatz der kalkhaltigen Produkte die Konzentration an Absorbens für die schwefelhaltigen Rauchgasschadstoffe so eingestellt, daß, ausgehend von einer Konzentration von' ,2 bis 3% zu Beginn des Kontaktes zwischen dem fluiden Energieträger und dem entschwefelten auf 80 bis 100'C abgekühlten Rauchgas, die Absorbenskonzentration bis auf einen Minimalwert von 0,01 bis 0,02% beim Kontakt des fluiden Energieträgers mit dem unbehandeiten heißen Rauchgas mit einer Temperatur von 150 his 2500C abfällt.
Der fluide Energieträger wird in vorteilhafter Weise über eine Verteilervorrichtung in einen geeigneten Kontakuaum, beispielsweise in den oberen Teil eines Rauchgasschornsteines in dispergierter Form und/oder als Fiillfilm mit dem Rauchgas im Gegonstrom in direkten Kontakt gebracht.
Dabei erfolgt entlang der Kontaktstrecke zwischen dem fluiden Energieträger und dem Rauchgas eil Wärmeübergang vom Rauchgas auf den Energieträger, ein Feuchteübergang vom Energieträger auf das Rauchgas im Rauchgaseintrittsbereich bei hohen Gastemperaturen durch Verdunsten, ein Feuchteübergang vom Rauchgas auf den Energieträger im Rauchgasaustrittsbereich bei niedrigen Gastemperaturen durch Kondensation und Absorption, ein Übergang insbesondere der schwefelhaltigen Sehr ^stoffe sowie Flugasche aus dem Rauchgas auf den Energieträger sowie eine Reaktion der schwefelhaltigen Schadstoffe mit dem im Energieträger enthaltenen Absorbens.
Die Menge des im Kreislauf gefühlten dulden Energieträgers wird wärmeflkonomlsch vorteilhaft so bemessen, daß sich ein Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Feuchteübergangsprozessen einstellt. Das bedeutet, daß Im Eintrittebereich des heißen Rauchgase· ebensoviel Wasser In den dampfförmigen Zustand übergeht, wie Im Austrittehereich der abgekühlten Rauchgase kondensiert. Dadurch werden einerseits unzweckmäßig hohe Wasserverluste und damit auch Verluste durch Wasserdampfebfuhr vermieden, andererseits wirkt die freiwerdende Kondensatinneenthalpie einer Abkühlung der Rauchgase Im Austrittsbereich entgegen und trägt damit zur Aufrecherhaltung des natürlichen Auftriebes zur Rauchgasförderung und •ableitung durch den Schornstein bei.
Am unteren Teil des Kontaktapp'iratee, beispielsweise am Schornsteinfuß, wird der Energieträger einschließlich der darin enthaltenen siedepunktserhöhenden Substanzen, des zugesetzten nicht umgesetzten Absorbens, dessen Reaktionsprodukten mit Rauchgasschadstoffen, sowie abgeschiedener Flugasche mit hoher Temperatur abgezogen. Die Nutzanwendung erfolgt In bekannterWelse durch Auskreit.en der Wärme zu einem Heißwasser- oder Niederdruckdampferzeuger, zur Luftanwärmung oder direkt zu einem technologischen Prozeß. >
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch Im Gleichstrom oder elnor Kombination von Gleich· und Gegenstrom durchgeführt werden. Dadurch erfolgt in vorteilhafter Weise zusätzlich zur Wärme· und Stoffübertragung eine Impulsübertragung vom Energieträger auf das Rauchgas, wodurch eine Kompensation von Druckverlusten bei der Rauchgasförderung ohne den Einbau eines zusätzlichen Gebläses möglich ist. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren In einer kompakt gestalteten Anlage realisiert werden. Durch zweckmäßige Gestaltung der Umwälzung für den Energieträger Ist eine weitgehende Ausnutzung der Triebkräfte für den Wärme· und Stoffübergang auch bei teilweiser Gleichstromführung möglich. Die Regenerierung des im Kreislauf geführten Energieträgurs erfolgt durch Abtrennen der Flugasche und der unlöslichen Reaktionsprodukte mittels bekannter Trennverfahren, wie Sedimentation, Zyklonabacheldung und/oder Filtration. Die Abtrennung überschüssiger Wassermengen infolge von Neu'.rallsationerepk'loneri oder Rauchganfeuchtekondensation erfolgt durch eine Verdampferstufe im Regenerierungsprozeß oder durch Auskreisen. Verluste an flüssigem Energieträger und verbrauchtem Absorbens werden im Kreislauf ergänzt.
Der Anfahrvorgang für das erfindungsgemäße Verfahren In vorzugsweiser Ausführung mit Verwendung einerwäßrigen Lösung als Energieträger kann in einfacher Weise durch Zuführung einer wäßrigen Lösung mit der erforderlichen Konzentration an gelöstem Stoff erfolgen. Liegt die Konzentration an gelöstem Stoff In der eingesetzten Lösung niedriger als gefordert, beispielsweise weil als Lösung ein Abprodukt eines anderen Verfahrens verwendet wird, das nur geringe Konzentrationen an gelöstem Stoff aufweist, dann ist der Einsatz dieses Abproduktes als Energieträger möglich, da es während des Anfahrvorganges zum Aufkonzentrieren des Energieträgers durch stärkeren Übergang von Wasser aus der Lösung in den dampfförmigen Zustand im entsprechenden Teil der Kontaktstrecke kommt. Überschüssiges Wasser wird dann solange mit dem Rauchgas den Schornstein verlassen, bis es zur oben beschriebenen Einstellung eines Gleichgewichtes zwischen dem Übergang von Wasser aus der Lösung in den dampfförmigen Zustand im Rauchgaseintrittsbereich mit hohen Gastemperaturen und dem Übergang von dampfförmigem Wasser in die Lösung durch Kondensation im Rauchgasaustrittsbereich mit niedrigen Gastemperaturen.
In einer in der Figur I dargestellten vorzugsweisen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahren wird Rauchgas, das beispielsweise aus der Verbrennung von Rohbraunkohle in der Feuerungsanlage eines Dampferzeugers stammt, einem Multizyklon 1, der im Rauchgaskanal angeordnet ist, zum Zwecke der weltgehenden Befreiung und von Flugasche zugeführt und gelangt anschließend In den Rauchgasschornstein 2. Beim Aufsteigen durch Naturzug Im Rauchgasschornstein 2 strömt das Rauchgas mit einer durch die Sprüheinrichtung 3 eingebrachten und im Rauchgasschornstein 2 anfangs In disperglerter Form und später als Fallfilm an der Innenwand nach unten gelangenden wäßrigen Lösung von etwa 55% Calciumchlorid, dem Energieträger, und von etwa 1 % Calciumhydroxid, dem alkalischen Absorbens, in direkten Kontakt. Dabei wird Im unteren Teil des Rauchgasschornsteins 2 bei anfangs intensiver Abkühlung des Rauchgases von etwa 200°C auf etwa 900C infolge einer Partialdruckdifferenz Wasser aus der Lösung verdunstet und vom Rauchgas aufgenommen, wobei sich die Lösung von etwa 380C auf etwa 1130C erwärmt. Der Verdunstungsvorgang ist abgeschlossen, wenn die Wasserdampfpartialdrücke über der Lösung und im Rauchgas gleich sind. Beim weiteren Aufwärtsströmen des Rauchgases kehrt sich die Partialdruckdifferenz um und es kommt zur Kondensation von Wasserdampf aus dem Rauchgas an der Oberfl* ehe der Lösung. Im Abschnitt der Kondensation kühlt sich das Rauchgas nur unmerklich ab, das Aufheizen der Lösung von deren Eintrittstemperatur, die etwa 640C beträgt, auf 880C erfolgt im wesentlichen durch die frei werdende Kondensationsenthalpie. Im Bereich der Verdunstung kommt es zu einer Neutralisationsreaktion des Calclumhydroxldes mit den schwefelhaltigen Rauchgasschadstoffen, wie z. B. SO:, SO3, H2, SO4 und H2S unter Bildung von Calciumsulfit und Calciumsulfat. Insbesondere durch die Bindung von SO3 und H2SO4 wird erreicht, daß bei der relativ schnellen Abkühlung des Rauchgases der Schwefelsäuretaupunkt nicht unterschritten wird und damit die korrosive Wirkung der Schwefelsäure unterbleibt.
Eine Nachentschwefelung erfolgt im Bereich der Kondensation im oberen Schornsteinteil, wo do3 teilweise von schwefelhaltigen Schadstoffen befreite Rauchgas auf Calciumhydroxid in höherer Konzentration trifft. Das am Schornsteinkopf austreten· Je Rauchgas besitzt noch genügend Auftrieb, um weiträumig in die Atmosphäre verteilt zu werden. Das bei der Neutralisationsreaktion gebildete Wasser wird durch Verdunstung auf das Rauchgas übertragen und mit dem Rauchgas in die Atmosphäre abgeführt.
Die Lösung wird am Schornsteinfgß ein einem Auffangbehälter 4 gesammelt. In ihr befinden sich neben etwa 55% Calciumchlorid auch die Reaktionsprodukte Calciumsulfit und Calciumsulfat und restliches, nicht umgesetztes Calciumhydroxid, sowie Flugasche, die im Multizyklon nicht abgeschieden wurde. Anschließend gelangt eie in den Vorabscheider 5 für die unlöslichen Reaktionsprodukte und Flugasche, die sich im Bodenprodukt anreichern, welches diskontinuierlich über ein Austrittsventil in einen darunter angeordneten Rechenklassierer 6 abgezogen wird. Im Rechenklassierer β kommt es zu einer weiteren Trennung des Bodenproduktes aus dem Vorabscheider 5 in ein stark eingedicktes Gemisch aus Flugasche, Calciumsulfit und Calciumsulfat, das abgeschieden wird und den über den Klarlaufaustritt 7 abgeführten regenerierten Teil des Bodenproduktes. Mit der regenerierten Lösung, die beim Eitnritt in den Wärmeübertrager 8 noch eine Temperatur von etwa 1080C besitzt, erfolgt die Anwärmung des Nutzwärmeträgers Wasser im Wärmeübertrager 8 auf etwa 105"C, wobei sich die
. Lösung auf etwa 64 °C abkühlt. Die regenerierte und abgekühlte Lösung gelangt ansohlleßendzur Sprüheinrichtung 3, womit der
Reaktion und Abtrennung über den Rechenklassierer β verminderten Lösungsbestandteile Calciumhydroxid bzw. Calciumchlorid. Die zugegebenen Stoffe vermischen sich In der Überlaufvorlage 9 mit der vorgeklärten heißen Lösung und werden über die Umwälzpumpe 10 gemeinsam mit dem Klarlauf des Rechenklassierer 6 zum Wärmeübertrager 8 gefördert.
oben nach unten. Dabei laufen die gleichen Wärme· und Stoffübertragungsvorgänr) ab, die Im Ausführungsbelsplel 11m unteren Teil des Rauchgasschornstelner· 2 beschrieben sind.
ausgebildete zweite Kontaktstufe und tritt Im Qegenstrom mit dem aus dem Strahlgatwäscher 1 abgepumpten Energieträger, der auf dem w«g vom Eneraleträaeraustrittsstutzen 14 über die Pumpe 16 zur Sprüheinrichtung 3 Im Wärmeübertrager 8 durch
abgeführt. Der in der Sprühkolonne 13 auf etwa 100*C angewärmte Energieträger wird nach der Zugabe des verbrauchten
abgezogen und mittels einer Pumpe 15 zum Energieträgereintrittsstutzen 21 des Strahlgaswäschers 11 zur Anwärmung auf 110 bis 1150C gefördert.
Claims (2)
1. Verfahren zur Rückgewinnung der Wärme von Rauchgasen aus Verbrennungsanlagen für fossile Brennstoffe durch direkten Kontakt des Rauchgases mit einem Im Kreislauf geführten flüssigen Energieträger mit Rauchgasentschwefelung durch Reaktion von schwefelhaltigen Rauchgasschadstoffen mit einem vorzugsweise calciumhaltigen Absorbens und nachfolgender Regeneration des Energieträgers, gekennzeichnet dadurch, daß das Rauchgas mit einem oberhalb von 1000C siedenden und einem im Vergleich zu Wasser niedrigeren Wasserdampfpartialdruck aufweisenden, für schwefelhaltige Rauchgasschadstoffe und Wasserdampf absorptiven flulden Energieträger in direkten Kontakt gebracht wird, wobei ein Übergang der Wärme und der schwefelhaltigen Rauchgasschadstoffe auf den Energieträger bei weitgehender Hemmung der Wasserverdunstung stattfindet und der Energieträger auf Temperaturen oberhalb von 1000C erwärmt und das derart behandelte Rauchgas nur auf eine für das Ableiten in die freie Atmosphäre noch ausreichende Tempratur von 80 bis 1000C abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als fluide Energieträger eine wäßrige Lösung, bestehend aus 20 bis 58% Calciumchlorid zur Erhöhung des Siedepunktes auf über 1000C, zur Absenkung des Wasserdampfpartialdruckes und zur Erhöhung der Löslichkeit von gasförmigen Rauchgasschadstoffen und Wasserdampf mit Zusätzen von 1,2 bis 3% kalkhaltiger Produkte wie Kalkmilch, Branntkalk, Carbidschlamm, Carbonatatlonsschlamm oder Flugasche zur Erreichung der Schadstoffabsorptionseffekte oder eine wäßrige Lösung, bestehend aus 20 bis 60% Saccharose zur Erhöhung des Siedepunktes auf über 1000C und der Kalklöslichkoit mit Zusätzen von 1,2 bis 3% kalkhaltiger Produkte zur Erreichung der Schadstoffabsorptionseffekte oder wasserfreie Flüssigkeiten mit einer Siedetemperatur oberhalb von 1000C mit absorptiven Zusätzen eingesetzt werden.
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