Gebiet der Erfindung
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Diese Anmeldung ist eine Continuation-in-part der
Anmeldung mit der Ser.-Nr. 610 505, angemeldet am 15. Mai 1984.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Entfernen
von störenden Komponenten wie SO&sub2; und NOx aus einem heißen
bewegten Gasstrom. Im besonderen ermöglicht die Erfindung das
Entfernen von Schwefeldioxid (SO&sub2;) und Stickstoffoxiden (NOx)
aus Rauchgasen von industriellen und Energieversorgungs-Quellen.
Hintergrund der Erfindung
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Schwefeldioxid und Stickstoffoxide werden täglich in sehr
großen Mengen durch das Verbrennen von fossilen Brennstoffen
erzeugt und kehren nach der Oxidation in der Atmosphäre im
sogenannten "sauren Regen" zur Erde zurück. Die höheren
Säureanteile des Niederschlags in den Fallwinden großer SO&sub2;- und
NOx-Quellen in Form bedeutender Industriegebiete hat einen
beträchtlichen negativen ökologischen Einfluß in vielen Teilen
der Welt. Die Fische vieler Seen und Flüsse in diesen Gebieten
sind verschwunden, entweder durch direkte Vernichtung oder
durch Durchbrechung ihrer Nahrungskette. Die Flora ist auch
zerstört. Viele andere langfristige und kurzfristige
Auswirkungen sind noch in der Erforschung und alle Einwirkungen
rufen große Sorge hervor.
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Die bedeutendsten vom Menschen erzeugten SO&sub2;- und
NOx-Quellen sind zurückzuführen auf das Verbrennen von Kohle
und Erdölerzeugnissen. Alle fossilen Brennstoffe enthalten
Schwefel und die beliebtesten Brennstoffqualitäten sind die
Varietäten mit niedrigem Schwefelgehalt, da beim Verbrennen
von schwefelhaltigen Brennstoffen der vorhandene Schwefel SO&sub2;
bildet, mit den damit verbunden ökologischen Problemen.
Stickstoffoxide
werden während des Verbrennungsprozesses selbst
erzeugt, hauptsächlich von dem Stickstoff in der Luft, und
können bis zu einem gewissen Grade durch Beeinflussung der
Verbrennungsbedingungen gesteuert werden. Etwas NOx wird
nichtsdestoweniger auch bei den besten praktischen Bedingungen
erzeugt.
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Verursacht durch die die Erdölversorgung der Welt
betreffenden gegenwärtigen Unsicherheiten und die auf jeden Fall
begrenzte Versorgung, werden andere Energiequellen gesucht, um
die Energiebedürfnisse der Welt aufzutanken, die
kontinuierlich zunehmen. Eine ohne weiteres verfügbare Energiequelle,
die zur Zeit noch nicht völlig ausgenutzt wird, ist Kohle.
Viel der nicht abgebauten Kohle ist ungenutzt, bedingt durch
ökologische Bedenken, weil Kohle gewöhnlich einen unannehmbar
hohen Schwefelgehalt aufweist. Dies ist ein Problem, weil
geschätzt wurde, daß 95 Prozent des in Kohle enthaltenen
Schwefels beim Verbrennen SO&sub2; bildet, der in die Umwelt
abgegeben wird.
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In den letzten Jahrzehnten wurde für das Entfernen von SO&sub2;
aus Rauchgasen viel Interesse gezeigt und viele Systeme zur
SO&sub2;-Entfernung aus Rauchgasen wurden entwickelt. Viele große
Kraftwerke wurden mit einigen Arten von Systemen zur
SO&sub2;-Entfernung ausgerüstet.
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Der Wirkungsgrad dieser Entschwefelungsversuche ist im
allgemeinen ungenügend, um ökologischen Schaden in großem
Umfang zu verhindern. In einem Report für die Vereinigung zur
Kontrolle der Luftverschmutzung im Jahr 1978 untersuchte
William H. Megonnel von der Nationalen Vereinigung der
Elektrischen Gesellschaften in einem Artikel mit der Überschrift
"Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von
Schwefeldioxidwäschern" die derzeit in der Energieversorgung in Betrieb
befindlichen Systeme. Von zweiunddreißig als betriebsfähig
eingestuften Energieversorgungsbetrieben verwendeten praktisch
alle irgendeine Variation eines kohlensauren oder alkalischen
Waschverfahrens, das letztenendes die Sammlung von SO&sub2; als
Calciumsulfit umfaßte. In dem übrigbleibenden Beispiel wurde
das "Wellman-Lord Allied Chemical"-System verwendet, das die
SO&sub2;-Rückgewinnung und -reduktion zu Schwefel mit einem
Wirkungsgrad von 90 Prozent umfaßte.
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Der hauptsächliche Mangel dieser Systeme ist der beim
Betrieb erreichte, unannehmbar geringe Wirkungsgrad der
Entfernung, zum Beispiel im Durchschnitt etwa 75 Prozent in den
angeführten Beispielen. Weil Nordamerika bedingt durch
ökonomische und politische Gründe gezwungen ist, auf mehr und mehr
Kohle als Energiequelle umzustellen, was Kohle mit höherem
Schwefelgehalt einschließt, ist der dargelegte Wirkungsgrad
der Entfernung unzureichend, um ökologische Schäden von großem
Ausmaß zu verhindern.
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In den Jahren seit dem Megonnell-Bericht wurden die
Wirkungsgrade in einigen Systemen verbessert, aber die Verwendung
von Kohle nahm auch zu. Dadurch nahm die gesamte Emission, mit
der die Atmosphäre belastet wurde, zu. Die einzige Zahl, die
wirklich bedeutungsvoll ist, ist die Gesamttonnage der
Schwefeloxid- und Stickstoffoxidemissionen. Wenn diese nicht
signifikant sinkt, wird die gegenwärtige Situation der
Verschmutzung sich nicht ändern, ungeachtet der angeführten
Wirkungsgrade.
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In der großen Mehrzahl der in Verwendung befindlichen
Systeme zur SO&sub2;-Entfernung wird die saure Beschaffenheit einer
wäßrigen Lösung von SO&sub2; verwendet, um das SO&sub2; in Form von
Sulfit oder Bisulfit durch die Reaktion mit einem basischen
Material wie Calciumoxid oder -hydroxid oder durch Reaktion
mit einem Carbonat, wie Kalkstein oder Dolomit, abzufangen. In
einigen Fällen wird das Sulfit-Produkt mit atmosphärischem
Sauerstoff zum unlöslichen Sulfat oxidiert.
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Weitere Forschung wurde bei verschiedenen trockenen
Verfahren, katalytischen Verfahren und Verfahren, die Zusätze zum
Brennstoff einschließen, durchgeführt. Aber bis heute wurde
von diesen weiteren Verfahren wenig praktischer Gebrauch
gemacht, obwohl die Nachteile der vorher beschriebenen
Carbonat- oder Hydroxid-Waschvorgänge großes Interesse an
alternativen Reinigungsprozessen hervorgerufen haben.
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Stickstoffoxide wurden mit unterschiedlichem Erfolg durch
eine sehr große Anzahl von Verfahren im Labormaßstab entfernt,
oft auf sehr unökonomischen Wegen unter Verwendung von teuren
Reagenzien. Die verwendeten Verfahren umfassen die trockene
katalytische Reduktion oder Oxidation, Naßwaschen mit
basischen Lösungen oder Aminen und Waschen mit wäßrigen
oxidierenden Lösungen. Die für die Entfernung von Stickstoffoxiden
verwendeten Verfahren sind sehr verschieden und es scheint,
daß relativ wenige Verfahren in die praktische Verwendung
umgesetzt wurden, wobei der Schwerpunkt auf der Entfernung von
SO&sub2; lag, was allgemein in größeren Mengen vorhanden ist und
leichter durch herkömmliche Verfahren entfernt werden kann.
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Allgemein sind die Naßwaschverfahren, besonders die
Verfahren unter Verwendung von wäßrigen, oxidierenden Lösungen,
die einzigen Systeme, die ohne weiteres für die gleichzeitige
Entfernung von NOx und SO&sub2; verwendbar sind.
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Mehrere amerikanische Patente und ein kanadisches Patent
offenbaren verschiedene Systeme zur Behandlung von Gasströmen.
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In US-Patent Nr. 4 294 928, veröffentlicht am 13. Oktober
1981, beschreibt Tamony et al. ein Verfahren zum Entfernen von
Stickstoffoxiden aus einem kalten Gasstrom durch Injizieren
von überschüssigem Chlor in Gegenwart von Wasser in flüssiger
Phase in den Gasstrom und anschließendem Waschen des
reagierten Gasstromes mit einer wäßrigen Waschlösung für
Stickstoffdioxid. Im besonderen sieht Tamony et al. vor, daß die
Reaktion zwischen dem Gasstrom und dem Chlor bei einer Temperatur
vorzugsweise zwischen 10ºC und etwa 50ºC stattfindet. Selbst
in dem breitesten offenbarten durchführbaren Bereich ist
angegeben, daß die Reaktion bei einer Temperatur geringer als
dem Siedepunkt des Wassers oder der während der Oxidation
vorhandenen wäßrigen Lösung stattfindet (Spalte 1, Zeilen 42
bis 45). Die Reaktion von Chlor mit dem Gasstrom muß in
Gegenwart von Wasser in flüssiger Phase stattfinden (Spalte 1,
Zeilen 30 bis 32). Der Grund für diese Beschränkung ist in
Spalte 2, Zeilen 34 bis 40 angegeben, wo darauf hingewiesen
wird, daß die Geschwindigkeit der Oxidation als bedeutend
erhöht gefunden wurde, wenn das Chlor dem Gasstrom in
Gegenwart von Wasser in flüssiger Phase zugefügt wurde. Das ist
auch nachdrücklich in Spalte 1, Zeile 63 betont, wo angegeben
wird "Das vorhandene Wasser muß in der flüssigen Phase
vorliegen". Die in den Spalten 1 und 2 folgende Theorie betont
nachdrücklich die Gründe, warum Tamony et al. glauben, daß das
Wasser in der flüssigen Phase vorliegen muß.
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Das Verfahren von Tamony et al. leidet an mehreren
deutlichen Nachteilen. Erstens, wie aus der in Spalte 2
offenbarten Reaktion zu ersehen ist, ist es nur auf Stickstoffoxide
anwendbar und, wenn der Gasstrom andere als Stickstoffoxide
enthält, gibt es keine Gewißheit, daß diese anderen
Komponenten oxidiert werden. Zweiten muß das Verfahren von Tamony et
al. in Verbindung mit einem Kühlturm durchgeführt werden. Es
ist auch einige Verweilzeit in dem Kühlturm erforderlich, um
eine gründliche Oxidation sicherzustellen (s. Spalte 2, Zeilen
44 bis 51). Drittens, da das Verfahren von Tamony et al. mit
Wasser in flüssiger Phase durchgeführt werden muß, würde es
für einen weiten Bereich industrieller Anwendungen nicht
anwendbar sein.
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US-Patent Nr. 2 481 241, veröffentlich am 6. September
1949, Rapson et al., offenbart grundsätzlich, daß zu
Mischungen von Chlor und Chlordioxid hinzugefügtes Schwefeldioxid mit
der Mischung reagieren wird. Rapson et al. offenbaren auch die
Reaktion von Chlor mit Schwefeldioxid. Jedoch findet nichts
davon bei erhöhten Temperaturen statt. Rapson et al. waren im
wesentlichen mit dem Entfernen von Chlor aus gasförmigen
Mischungen, die Chlordioxid, Chlor und Wasserdampf enthalten,
befaßt, was nicht relevant ist für das beanspruchte Verfahren.
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US-Patent Nr. 3 803 390, veröffentlicht am 9. April 1974,
Gooch, offenbart speziell ein Verfahren, das eine
Oberflächenreaktion darstellt, und zwar reagiert das molekulare Gas mit
den Oberflächenmolekülen des partikulären Materials, um
Bereiche mit veränderten Oberflächencharakteristiken zu erzeugen.
Mechanismen der Oberflächenchemie, vom chemischen
Gesichtspunkt aus, sind auf Reaktionen der heißen Gasphase und
Reaktionen in Lösung nicht anwendbar.
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Das kanadische Patent Nr. 643 389, veröffentlicht am 19.
Juni 1962, Murray, lehrt, daß Chlor, hypochlorige Säure und
Calciumhypochlorit in Lösung mit Schwefelwasserstoff,
Methylmercaptan,
Methylsulfid und Methyldisulfid reagieren können
(Seite, Zeilen 27 bis 28). Das Murray-Patent offenbart nur
eine Reaktion in flüssiger Phase (Seite 3, Zeilen 20 bis 24).
Das kanadische Patent bezieht sich auch eher auf eine
Desodorierung als auf die Behandlung von Verunreinigungen in einem
heißen Rauchgasstrom und bezieht sich nicht auf SO&sub2; oder NOx
Das kanadische Patent Nr. 1 168 025 beschreibt ein
Verfahren, das in gewisser Hinsicht dem der vorliegenden Erfindung
ähnlich ist, jedoch ohne deutliche Angabe erzielter
praktischer Resultate.
Zusammenfassung der Erfindung
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Das Verfahren betrifft das Oxidieren nicht-partikulärer,
mit Chlor oxidierbarer Bestandteile, ausgewählt aus der Gruppe
bestehend aus SO&sub2;, NO, NO&sub2;, NOx und H&sub2;S in einem heißen
Rauchgasstrom, wobei die genannte oxidierte Form der Bestandteile
leichter aus dem heißen Rauchgasstrom entfernbar ist, als die
nicht oxidierte Form derselben, beinhaltend das Einspritzen
von genügend Chlor und Wasser in gasartiger oder flüssiger
Form in den Gasstrom, während der Gasstrom sich auf einer
Temperatur von mehr als 200ºC befindet, um mit den mit Chlor
oxidierbaren Bestandteilen zu reagieren und zu ermöglichen,
daß die Gasstrom/Chlor-Mischung während einer Zeitdauer
reagiert, die ausreicht, um zu ermöglichen, daß ein signifikantes
Ausmaß der Oxidation der Bestandteile stattfinden kann.
Insbesondere können Gasströme mit Temperaturen zwischen 200ºC und
650ºC behandelt werden.
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Das Verfahren umfaßt eine Waschbehandlung mit Wasser, bei
einem pH kleiner oder gleich 7, die sich an die
Oxidationsbehandlung mit Chlor anschließt, um den Entfernungsgrad der
Bestandteile zu erhöhen. Molverhältnisse von Cl&sub2;/NO oder
Cl&sub2;/SO&sub4; von etwa 0.5 bis etwa 5.0 können bei der Oxidation der
Gasstrombestandteile wie NO und CO&sub2; verwendet werden.
Vorzugsweise liegen die Molverhältnisse zwischen etwa 1.0 bis 2.0.
Zeichnung
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Fig. 1 veranschaulicht ein Flußdiagramm, das die Abfolge
einer Laborausstattung veranschaulicht, die benutzt wurde, um
die Leistungsfähigkeit des Verfahrens nachzuweisen.
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Fig. 2 veranschaulicht die Verkörperung einer
Ausführungsform des Verfahrens zur Verwendung als System zur
Rauchgasreinigung, wie es von einem elektrischen
Energieversorgungsunternehmen oder einem vergleichbaren großtechnischen Anwender
verwendet werden würde.
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Fig. 3 veranschaulicht in graphischer Form die Reaktion
von NO mit Cl&sub2; über einen definierten Temperaturbereich sowohl
in als auch ohne Gegenwart von Wasserdampf.
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Fig. 4 veranschaulicht in graphischer Form die Reaktion
von NO mit Cl&sub2; (bei geringeren Konzentrationen) über einen
definierten Temperaturbereich in und ohne Gegenwart von
Wasserdampf.
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Fig. 5 veranschaulicht in graphischer Form die Reaktion
von NO mit Cl&sub2; in Gegenwart von Wasserdampf bei 409ºC.
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Fig. 6 veranschaulicht in graphischer Form die Reaktion
von NO mit Cl&sub2; in Gegenwart von Wasserdampf bei 450ºC.
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Fig. 7 veranschaulicht in graphischer Form die Reaktion
von SO&sub2; mit Cl&sub2; in Gegenwart von Wasserdampf bei 200ºC.
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Die Fig. 8 und 9 veranschaulichen die Reaktion von Fig. 7
bei Temperaturen von 400ºC und 450ºC.
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Fig. 10 veranschaulicht in graphischer Form den Einfluß
von SO&sub2; auf die NO-Entfernung durch Cl&sub2; in Gegenwart von
Wasserdampf bei 400ºC.
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Fig. 11 veranschaulicht in graphischer Form den Einfluß
von NO auf die SO&sub2;-Entfernung durch Cl&sub2; in Gegenwart von
Wasserdampf bei 400ºC.
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Fig. 12 veranschaulicht in graphischer Form den Einfluß
des Waschens mit Wasser nach dem Reagieren von NO mit Cl&sub2; in
Gegenwart von Wasserdampf bei 450ºC.
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Fig. 13 veranschaulicht in graphischer Form den Einfluß
des Waschens mit Wasser nach dem Reagieren von SO&sub2; mit Cl&sub2; in
Gegenwart von Wasserdampf bei 450ºC.
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Fig. 14 veranschaulicht in graphischer Form den Einfluß
von SO&sub2; auf die NO-Entfernung durch Cl&sub2; in Gegenwart von
Wasserdampf bei 200ºC, gefolgt durch das Waschen mit Wasser.
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Fig. 15 veranschaulicht in graphischer Form den Einfluß
von NO auf die SO&sub2;-Entfernung durch Cl&sub2; in Gegenwart von
Wasserdampf bei 200ºC, gefolgt durch das Waschen mit Wasser.
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Fig. 16 veranschaulicht in graphischer Form den Einfluß
von NO auf die SO&sub2;-Entfernung durch Cl&sub2; bei 450ºC, gefolgt
durch das Waschen mit Wasser.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Das Verfahren zur Gasstromreinigung soll störende
Bestandteile des Gases oxidieren und sie dabei schwerflüchtig oder
viel leichter absorbierbar machen. Das Verfahren kann zur
gleichzeitigen Entfernung oder Reduzierung der vorhandenen
Anteile der folgenden Bestandteile verwendet werden; SO&sub2;, NOx,
H&sub2;S, Ammoniak, Quecksilber und andere metallische Dämpfe,
obwohl es für jeden Fachmann offensichtlich ist, daß dieses in
keiner Weise eine komplette Liste der leicht oxidierbaren
Verbindungen ist, die aus Gasströmen entfernt werden können.
Aufgrund des pH oder der chemischen Zusammensetzung der in dem
Verfahren verwendeten Waschlösungen werden durch das Verfahren
fast alle sauren oder basischen Verbindungen, genauso wie
Halogene, aus dem Gasstrom entfernt.
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Gasströme mit Temperaturen von zumindest 200ºC können
erfindungsgemäß behandelt werden. Hervorragende Ergebnisse
werden mit Gasströmen erzielt, die Temperaturen zwischen 200ºC
und 650ºC aufweisen. Chlor/Schwefeldioxid-Verhältnisse von
zumindest 1.0 sind bevorzugt.
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Das Verfahren kann durch einen trockenen,
elektrostratischen Ausfällapparat oder eine Sackkammer in
Standardausführung, betrieben bei der Temperatur des Gasstromes eingeleitet
werden. Die Aufgabe des Ausfällapparates oder der Sackkammer,
falls verwendet, ist das Entfernen von Feststoffteilchen aus
dem Gasstrom, was notwendig wäre bei der Verwendung dieses
Verfahren als Rauchgasreinigungssystem. Ein
Hochenergie-Naßwäscher kann als eine alternative Vorrichtung zum Entfernen
von Teilchen als wahlfreier dritter Verfahrensabschnitt
verwendet werden, wenn gewünscht. Die Sammlung von Teilchen kann
weggelassen werden, wenn gewünscht und ist nicht Gegenstand
der Erfindung.
Beispiele
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Eine große Anzahl von Versuchen wurden in einer
Laboreinrichtung durchgeführt, die schematisch in Fig. 1
veranschaulicht ist, um die Brauchbarkeit, Leistungsfähigkeit und die
Parameter des Anwendungsverfahren nachzuweisen. Die Ergebnisse
einer großen Anzahl dieser Versuche sind in den folgenden
graphischen Darstellungen und Tabellen veranschaulicht.
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Meßdaten wurden unter Verwendung der folgenden Geräte
erhalten:
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Beckmann-Modell 951, NO/NOx-Analysator,
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Thermoelektron TECO, Serie 40, SO&sub2;-Analysator,
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Cl&supmin;-Elektrode-Orion-Kombinationselektrode, Modell 96-17B,
Orion-Modell 901 Ionenanalysator.
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Das Gas wurde mittels eines Röhrenofens erhitzt, gesteuert
von einem Umformer von Variac und einem elektronischen
Temperaturregler.
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Grundsätzlich teilen sich die graphischen Darstellungen in
zwei Gruppen: (a) Gasphasenreaktionen (Diagramme 1-9) (Fig.
3-11); und (b) Gasphasenreaktionen, gefolgt durch Waschen
mit Wasser (Diagramme 10-14) (Fig. 12-16). Die Waschlösung
wurde bei der Verwendung bedingt durch die Reaktionsprodukte
sauer. Die Wirksamkeit des Waschens blieb ausreichend bei
einem pH von weniger als 1.
Diagramm 1 (Fig. 3)
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Die Reaktion von 9,500 ppm NO mit 19,000 ppm Cl&sub2;, sowohl
mit und ohne Wasserdampf, wurde über einen Bereich von 50-
450ºC untersucht. Über 200ºC steigerte der Wasserdampf
deutlich die NO/Cl&sub2;-Reaktion auf eine NO-Entfernung von 30
Prozent. (Aus vorhergehenden Arbeiten ist bekannt, daß bei
Temperaturen über den hier untersuchten viel größere Verringerungen
des NO-Level-Gehalts erreicht wurden).
Diagramm 2 (Fig. 4)
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Die Reaktion von 6,000 ppm NO mit 12,000 ppm Cl&sub2;, sowohl
mit und ohne Wasserdampf, wurde über einen Bereich von 50-
450ºC untersucht. Über 200ºC steigerte der Wasserdampf
deutlich die NO/Cl&sub2;-Reaktion auf eine NO-Entfernung von 30
Prozent.
Diagramm 3 (Fig. 5)
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Die Reaktion von 9,000 ppm, 2,800 ppm und 1,600 ppm NO mit
variierendem Cl&sub2; zu NO-Molverhältnis wurde in Gegenwart von
Wasserdampf bei 400ºC untersucht.
Diagramm 4 (Fig. 6)
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Die Reaktion von 9,000 ppm und 2,800 ppm NO mit
variierenden Molverhältnissen von Cl&sub2; zu NO wurde in Gegenwart von
Wasserdampf bei 450ºC untersucht.
Diagramm 5 (Fig. 7)
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Der Einfluß von Wasserdampf auf das Entfernen von SO&sub2; in
der Gasphase mit variierenden Molverhältnissen von Cl&sub2; zu SO&sub2;
wurde bei 200ºC untersucht. Eine deutliche Steigerung der
SO&sub2;-Entfernung wurde beobachtet. Die obere Kurve zeigt den
Einfluß einer sehr kleinen Menge einer Kondensation an der
Innenseite des Zuleitungsrohres zum dem leeren Wäscher, was
deutlich die sehr hohe Reaktivität von SO&sub2; und Cl&sub2; in Lösung
zeigt. Die Kondensation scheint durch die Produkte der
Gasreaktion erhöht zu werden, die an dem kalten Glas kondensieren
und, da sie sehr hygroskopisch sind, Wasserdampf aus dem
Gasstrom entfernen. Um diese Wirkung zu verhindern, muß das
leere Rohr des Wäschers zwischen den Ablesungen des
wasserdampfhaltigen Gases gewaschen und getrocknet werden, wobei das
Ablesen so schnell wie möglich erfolgen muß. Die trockene
Reaktion wurde sofort überprüft, um zu sehen, ob die
beobachtete Kondensation eine gleichartige Kontrollablesung kurz vor
Zugabe des Wasserdampfes beeinflußt hat.
Diagramme 6, 7 (Fig. 8 und 9)
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In gleicher Weise wurde der Einfluß des Wasserdampfes
gemäß dem obigen Diagramm 5 bei 400ºC und 450ºC untersucht.
Diagramm 8 (Fig. 10)
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Der Einfluß von SO&sub2; auf das Entfernen von 12,000 ppm NO
bei variierenden Molverhältnissen von Cl&sub2; zu SO&sub2; in Gegenwart
von Wasserdampf wurde bei 400ºC untersucht. Es wurde nur ein
geringer Einfluß beobachtet und die Ergebnisse liegen
innerhalb des experimentellen Fehlerbereichs des Null-Effektes.
Diagramm 9 (Fig. 11)
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In Ergänzung zu Diagramm 8 wurde der Einfluß von NO auf
das Entfernen von 7,000 ppm SO&sub2; aus der Gasphase bei 400ºC in
Gegenwart von Wasserdampf untersucht. Es wurde eine deutliche
Steigerung der SO&sub2;-Entfernung beobachtet, wobei die
SO&sub2;-Entfernung beinahe verdoppelt wurde.
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Die verbleibenden Diagramme zeigen Versuche, deren
Durchführung das Durchleiten des aus dem Reaktorrohr austretenden
Gases durch einen destilliertes Wasser enthaltenden Wäscher
beinhaltete.
Diagramm 10 (Fig. 12)
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Die Reaktion von 9,400 ppm NO mit variierenden
Molverhältnissen von Cl&sub2; zu NO in Gegenwart von Wasserdampf bei 450ºC,
gefolgt durch das Waschen mit Wasser, wurde untersucht. Das
Entfernen war im wesentlichen abgeschlossen bei einem
Cl&sub2;/NO-Verhältnis von 1.3.
Diagramm 11 (Fig. 13)
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Die Reaktion von 7,000 ppm SO&sub2; mit variierenden
Molverhältnissen von Cl&sub2; zu SO&sub2;, trocken, bei 450ºC, gefolgt durch
das Waschen mit Wasser. Das Entfernen war im wesentlichen
abgeschlossen bei einem Cl&sub2;/SO&sub2;-Verhältnis von 1.0.
Diagramm 12 (Fig. 14)
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Die Wirkung von SO&sub2; auf das Entfernen von 12,000 ppm NO
bei 200ºC in Gegenwart von Wasserdampf mit variierenden
Molverhältnissen von Cl&sub2; zu NO, gefolgt durch das Waschen mit
Wasser, wurde untersucht. Die Meßdaten zeigen, daß SO&sub2; in der
Konkurrenz um das Chlor dominiert, und daß die NO-Entfernung
nicht beginnt, bevor die SO&sub2;-Entfernung im wesentlichen
abgeschlossen ist.
Diagramm 13 (Fig. 15)
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In Ergänzung zu Diagramm 12 wurde der Einfluß von NO auf
das Entfernen 6,000 ppm SO&sub2; bei 200ºC mit variierenden
Molverhältnissen von Chlor zu NO, gefolgt durch das Waschen mit
Wasser, mit und ohne in dem Gasstrom vorhandenem Wasserdampf
untersucht. Die Gegenwart von NO oder Wasserdampf hatte keinen
Einfluß auf die SO&sub2;-Entfernung im Wäscher.
Diagramm 14 (Fig. 16)
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Der Einfluß von NO auf das Entfernen von 6,800 ppm SO&sub2; bei
450ºC mit variierenden Molverhältnissen von Cl&sub2; zu NO wurde
untersucht. Diagramm 11 (Fig. 13) zeigt die vergleichbare
SO&sub2;-Entfernung ohne Gegenwart von NO.
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Eine Anzahl von Stichproben wurden bei verschiedenen
Reaktionsbedingungen durchgeführt, um den Einfluß von beiden,
SO&sub2; und NO, auf die untersuchte Entfernung aus dem Gas zu
bestimmen. Die Ergebnisse sind unten in Tabelle 1 gezeigt. In
Teil 1 wurde die Gasphasenreaktion von 9,400 ppm NO mit einem
großen Überschuß von Chlor als unempfindlich für die Gegenwart
von SO&sub2; in Gegenwart von Wasserdampf bei 400ºC herausgefunden.
In Teil 2, mit einem Cl&sub2;/NO-Verhältnis von 2 : 1, waren
10,000 ppm NO in Gegenwart von Wasserdampf unempfindlich für
die Gegenwart von SO&sub2;. Teile 3 und 4 befassen sich mit dem
Einfluß von NO auf die SO&sub2;-Entfernung bei einem
Cl&sub2;/SO&sub2;-Verhältnis kleiner als 1 : 1, bei 450ºC, unter Anwendung von
Waschen mit Wasser. In Teil 3 wurde in Gegenwart von
Wasserdampf eine übereinstimmend wiederholbare Steigerung von SO&sub2;
durch NO beobachtet (die Ablesungen wurden fortlaufend, wie
angegeben, durchgeführt). In Teil 4, unter Verwendung von
trockenem Gas, wurde ein solcher Einfluß nicht beobachtet.
TABELLE 1
NO ppm SO&sub2; H&sub2;O Cl&sub2;/NO&sub2; Cl&sub2;/SO&sub2; NO-Entfernung SO&sub2;-Entfernung Heiße Gasphase Reaktionstemperatur Heiße Gasphase Reaktionszeit Waschen mit Wasser
Allgemeine Verfahrensparameter gestützt auf die
experimentellen Meßergebnisse
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Obschon die Erfinder nicht an irgendeine Theorie gebunden
zu sein wünschen, scheint es zur Unterstützung des Fachmanns
beim Verstehen der Erfindung möglich, auf der Basis der
graphischen und tabellarischen Meßergebnisse eine Anzahl von
Charakteristiken und Parametern für das Verfahren zu definieren:
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1. In der Gasphase, das heißt über etwa 200ºC, aber unter
650ºC, scheint die Reaktion von NO und Cl&sub2; durch die Gegenwart
von Wasserdampf gesteigert zu werden.
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2. Die Gegenwart von SO&sub2; scheint die
NO/Cl&sub2;-Wasserdampf-Gasreaktion nicht zu berühren.
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3. Es scheint eine wasserdampfgesteigerte Gasreaktion
zwischen SO&sub2; und Cl&sub2; zu geben. NO scheint diese Reaktion
weiter zu steigern.
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4. Das Waschen des aus dem Reaktor ausströmenden Gases bei
200ºC bis 450ºC mit Wasser scheint NO-Entfernungen von 98
Prozent bei einem Cl&sub2;-Gehalt so gering wie das Molverhältnis von
Cl&sub2;/NO von 1.3 zur Folge zu haben.
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5. Das Waschen des aus dem Reaktor ausströmenden Gases bei
200ºC bis 450ºC mit Wasser scheint SO&sub2;-Entfernungen von
99 Prozent bei einem Cl&sub2;-Gehalt so gering wie das
Molverhältnis von Cl&sub2;/SO&sub2; von 1.0 zur Folge zu haben.
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6. Es scheint, daß SO&sub2; bevorzugt entfernt wird, wenn NO
und SO&sub2; von der Gasphase zum Wäscher übergehen. Es scheint ein
geringer Einfluß auf das verbleibende NO vorhanden zu sein,
bis das meiste SO&sub2; entfernt ist. SO&sub2; scheint die
Absorptionsreaktion in die Lösung bei einer Gastemperatur von 450ºC zu
dominieren.
Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens
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Eine typische in Betrachtung gezogene Rauchgasbehandlungs-
und -waschanlage ist in Fig. 2 dargestellt. Es wird
angenommen, daß eine Anzahl von Behandlungsschritten übergangen
werden kann. Die Aufbereitungsgeschwindigkeiten können
gesteigert werden, wenn sich an die Rauchgasbehandlung eine
Waschbehandlung
mit Wasser anschließt.
Legende von Fig. 2
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1. Feuerkammer
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2. Schornstein
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3. Chlorzugabe, gefolgt von der Heißzone (9)
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4. Abschreckvorrichtung
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5. Venturi-Düse und damit verbundener Zyklon und Gebläse
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6. Querstromgasabsorber
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7. Querstromchlorabsorber
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8. CaCO&sub3;-Turm
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9. chemisch inerte Rohrleitung
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10. Schornstein-Wiedererwärmung
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11. Flugstaubablagerung und -filtration
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12. Schlammwäscher
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13. Sammel- und Schlickabscheidungsbehälter
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14. Säuremischung
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15. CaCO&sub4;-Ablagerung und -filtration
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16. Chlorgasentfernung
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17. Chlorgasentfernung
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18. Entnebelung
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19. CaCO&sub3;-Gleitzuführung
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20. Säurevorratsbehälter
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A. Wassermittel
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B. Abwasser des Wäschers für die Chlorregenerierung (7)
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C. Abwasser des Venturi-Zyklons
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D. gefiltertes Abwasser der Venturi-Düse (5)
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E. Lösung des Schlammwäschers (12)
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F. Abwasser des Wäschers für die Chlorregenerierung (7)
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G. entchlortes D und F
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H. entchlortes B
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J. angesäuertes und gefiltertes Abwasser der CaCO&sub3;-Säule
(8)
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K. Ausstoß eines sauren Nebenproduktes (2)
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In der folgenden Beschreibung des Verfahrens werden sieben
Schritte beschrieben.
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1. Chlor-Einspritzung und Heißgasreaktionen;
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2. Wasserlösung-Abschreckvorrichtung (wahlfrei)
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3. Hochenergiewäscher für das Entfernen von Teilchen
(wahlfrei)
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4. Gasabsorptionswäscher für das Entfernen von
Verunreinigungen;
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5. Chlorrückgewinnung (wahlfrei);
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6. Entfernung von Chlor- und Säuredampf; und
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7. Entnebler (wahlfrei).
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Die wahlfreien Schritte sind enthalten, um eine mögliche
kommerzielle Anwendung zu veranschaulichen. Schritte 2 und 3
führen z. B. standortspezifische Funktionen durch, die das
Kühlen des Gases und das Entfernen von Teilchen betreffen, was
nicht Gegenstand dieser Erfindung ist. Vom chemischen
Gesichtspunkt aus werden diese Schritte in gleicher Weise
funktionieren wie Schritt 4. Die Schritte, die für die Erfindung
strenggenommen von Bedeutung sind, sind 1, 4 und 6.
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Der erste Abschnitt des Verfahrens besteht aus einem Teil
einer chemisch inerten Rohrleitung (9) oder einer ähnlichen
Vorrichtung mit oder ohne Baffle, vorzugsweise einer
gedrosselten, mit Glas ausgekleideten Rohrleitung mit einer
Haltezeit von 5 bis 10 Sekunden. Chlor und Wasser werden auf einem
oder mehreren der folgenden Wege hinzugefügt:
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1. Gasförmiges oder flüssiges Chlor;
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2. flüssiges Wasser oder Wasserdampf;
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3. eine Mischung von Chlorgas und Luft, Inertgas oder
Rauchgas, das auch Salzsäure- und/oder
Salpetersäuredampf enthalten kann.
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4. Eine wäßrige Lösung von Chlor;
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5. Rückgeführte chlorhaltige Verfahrenslösung, die auch
Salzsäure und/oder Salpetersäure enthalten kann.
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Das dem Gasstrom zugefügte Chlor ist für die gasförmige
Oxidation von störenden Bestandteilen bestimmt, damit diese
Verbindungen bilden, die leichter in den folgenden Wäschern
absorbiert werden. Die Wasserdampfkonzentration kann zu diesem
Zeitpunkt auch reguliert werden durch das Hinzufügen von einem
oder mehreren von:
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1. flüssigem Wasser;
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2. einer wäßrigen Lösung von Chlor;
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3. rückgeführte chlorhaltige Verfahrenslösung, die auch
Salzsäure und/oder Salpetersäure enthalten kann;
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Obwohl eine wäßrige Lösung von 2 oder 3 hinzugefügt
wird, muß dies nicht notwendigerweise für die Kontrolle der
Wasserdampfkonzentration vorgesehen sein, da diese Lösungen ja
vielmehr für die Chloraddition verwendet werden können, ohne
Bedeutung für andere Parameter.
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Das in diesem Abschnitt hinzugefügte Chlor kann aus einer
von drei Quellen kommen. Das als Gas, Flüssigkeit oder als
wäßrige Lösung zugefügte Chlor stammt aus der
Chlordruckgasflasche, die als Chlorquelle für das Verfahren verwendet wird.
Eine oder mehrere von diesen sind bevorzugt. Das mit Luft
vermischte Chlor, inerte Gas oder Rauchgas stammt vorzugsweise
von der Verwendung von Gas oder warmem Gas zur Rückgewinnung
von Chlor aus den Abwasserlösungen der Wäscher des Verfahrens
durch Blasen. Die rückgeführte chlorhaltige Verfahrenslösung
ist die Abwasserlösung des fünften Verfahrensschrittes, des
Wäschers für die Chlorregenerierung (7). Bei den Chlorquellen,
die nicht aus der Druckgasflasche kommen, ist vorgesehen, daß
das Chlor zu dem frühesten Verfahrensabschnitt zur
Wiederverwendung von nicht reagiertem Chlor zurückkehrt.
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In diesem Verfahrensabschnitt hat der Gasstrom eine
Temperatur von 200ºC oder höher.
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In diesem Abschnitt wird die Gasstrom/Chlormischung
zumindest solange belassen, wie notwendig ist, um eine
zehnprozentige Zunahme der Absorption eines störenden Bestandteils
über die Absorption hinaus zu erzielen, die erreicht würde,
wenn dieser Abschnitt ausgelassen würde oder weniger als
10 Prozent, wenn dies ökonomisch zweckmäßig ist. Im Fall der
Rauchgasreinigung ist der interessierende Bestandteil ein
Stickstoffoxid, hauptsächlich NO, welches bedingt durch seine
geringe Wasserlöslichkeit schwer aus Gasen in nassen Wäschern
zu entfernen ist. Schwefeldioxyd ist ausreichend löslich, so
daß dieser Abschnitt für eine hinreichende Absorption von SO&sub2;
unnötig ist.
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SO&sub2; und H&sub2;S werden im zweiten, dritten und vierten
Abschnitt gleichzeitig in die Lösung entfernt. Stickstoffoxide
werden in allen Wäschern aus dem Gasstrom entfernt, aber
hauptsächlich im zweiten, dritten und vierten Abschnitt.
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Der zweite Abschnitt des Verfahrens ist eine wahlfreie
Wasserabschreckvorrichtung (4) in standardmäßiger Ausführung
für das Kühlen des Rauchgases, bevor es in die
Naßwäscherabschnitte eintritt, wenn gewünscht. Wasser oder rückgeführte
Verfahrenslösung wird als Sprühmittel hinzugefügt, wobei die
rückgeführte Verfahrenslösung wieder aus dem Wäscher (7) für
die Chlorregenerierung stammt, wie in dem ersten Abschnitt.
Vorzugsweise wird dieser Abschnitt ausgelassen, wenn nicht ein
Hochtemperaturrauchgas gereinigt wird. Die wäßrige Lösung
wird vorzugsweise rückgeführt, um eine Säurekonzentration so
hoch wie möglich in der Lösung zu erhalten, obgleich die
Erfindung auch bei einem pH von weniger oder gleich 7
funktioniert.
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Der dritte Abschnitt des Verfahrens ist ein wahlfreier
Hochenergiewäscher (5) in Standardausführung, der verwendet
werden kann, wenn die Entfernung von Teilchen gewünscht wird
und kein elektrostatischer Abscheider verwendet wird. Dieser
Wäscher ist idealerweise eine Hochdruck-Venturi-Düse oder eine
Venturi-Düse mit angewandter, intensitätsstarker Ionisation.
Vorzugsweise wird vor der Verwendung des hier beschriebenen
Verfahrens die elektrostatische Abscheidung angewendet, da das
Sammeln von Teilchen nicht Gegenstand der Erfindung ist. Die
Waschlösung in diesem Abschnitt stammt von denselben Quellen,
ist gleichermaßen zur und für ihre Entsorgung rückgeführt und
kann in der gleichen Weise entchlort werden, wie in dem
zweiten Abschnitt des Verfahrens. Wenn erwünscht, kann der Wäscher
mit der Lösung des zweiten Abschnittes beim Betrieb und bei
der Entsorgung kombiniert werden.
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Der vierte Abschnitt des Verfahrens umfaßt einen
gasabsorbierenden
Wäscher in Standardausführung (6), vorzugsweise
einen Füllkörperrieselturm, wie ein Querstromwäscher, aber
beinahe jeder Wäscher in Standardausführung kann verwendet
werden, wobei die Eignung grundsätzlich durch die
Gaskontaktzeit mit der Waschlösung bestimmt wird. Die Waschlösung in
diesem Abschnitt stammt von denselben Quellen, ist in
ähnlicher Weise zur und für ihre Entsorgung rückgeführt und kann in
derselben Weise entchlort werden, wie im zweiten Abschnitt des
Systems. Wenn erwünscht, kann die Wäscherlösung mit der Lösung
des zweiten und dritten Abschnittes beim Betrieb und bei der
Entsorgung kombiniert werden.
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Die Funktion dieses Verfahrensabschnittes ist die
Absorption der störenden Bestandteile in die Lösung, gefolgt von der
schnellen, irreversiblen Oxidation dieser Bestandteile, um
entweder nicht flüchtige Verbindungen, wie Schwefelsäure, oder
sonst hochlösliche flüchtige Verbindungen, wie Salpetersäure,
zu bilden, die leicht zurückgehalten werden können.
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Die Größe und der Typ dieses Wäschers ist durch die
Anforderungen einer jeden Situation bestimmt und eine
Installation, die beispielsweise hauptsächlich mit SO&sub2; umgehen muß,
wird, bedingt durch die relativ hohe Löslichkeit von SO&sub2;, nur
einen relativ einfachen Wäscher benötigen, wohingegen eine
Installation, die mit großen Mengen von NOx umgehen muß,
bedingt durch die geringere Löslichkeit von Stickstoffoxiden
einen Wäscher mit längerer Verweilzeit und hohem
Flüssigkeitskontakt benötigen wird.
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Der fünfte Abschnitt des Verfahrens, der ausgelassen oder
abgekürzt werden kann, wenn die Wirtschaftlichkeit der
Verwendung von Reagenzien nicht ein bedeutender Beweggrund ist oder
wenn ein Molverhältnis von Chlor zu SO&sub2; von weniger als 1.0
verwendet wird, ist ein gasabsorbierender Wäscher in
Standardausführung (7), vorzugsweise ein
Gegenstrom-Füllkörperrieselturm. Die Größe und der Typ des in diesem Abschnitt
verwendeten Wäschers ist durch die Menge der in diesem Wäscher
gewünschten Chlorsammlung bestimmt. Die Lösung in diesem Wäscher
stammt aus der Wasserleitung. Die Lösung kann nach dem
Entchloren durch Verwendung von Luft, inertem Gas oder Rauchgas,
welche das Chlor für dessen Rückkehr zu dem ersten Abschnitt
aus der Lösung blasen, rezirkuliert werden.
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Der Zweck dieses Absorbers ist die Rückgewinnung von
Chlor und sauren Dämpfen aus dem den vorherigen Absorber
verlassenden Gas, um das Chlor zu den früheren Abschnitten des
Verfahrens zurückzuführen. Die Abwasserlösung dieses Wäschers
kann als Teil des Brauchwassers der Abschnitte 1 bis 4
verwendet werden oder das ganze Brauchwasser dieser Abschnitte
bilden. Bedingt durch die Gegenwart von gelöstem Chlor im
Wäscher wird der Wäscher auch das Entfernen von NOx aus dem
Gasstrom fortsetzen.
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Der sechste Abschnitt des Verfahrens ist ein
Gegenstrom-Füllkörperrieselturm (8) für die Entfernung von Chlor
aus dem Gasstrom und für die Rückführung des Chlors zu
früheren Abschnitten des Systems. Der Wäscher wird mit einer
rezirkulierenden Lösung eines löslichen Carbonats oder Bicarbonats
oder sonst eines löslichen Hydroxids, wie Natriumhydroxid oder
Calciumhydroxid von Löschkalk, verwendet. Eine Wäscherlösung
oder -aufschlemmung eines Erdalkalicarbonats kann auch
verwendet werden. Alternativ kann ein festes Carbonat, wie Kalkstein
oder Dolomit, als fester Füllkörper in dem Wäscher verwendet
werden. Vorzugsweise wird eine 50prozentige Lösung von
Natriumhydroxid verwendet.
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Dieser Verfahrensabschnitt ist nicht ungleich zu der
Lehre von Howard et al., US-Patent Nr. 3 357 796. Dieser
Abschnitt weicht von der Lehre von Howard dadurch ab, daß eine
weitere Wirkungsweise gleichzeitig vorliegt. Durch die
Absorption von Chlor in die rezirkulierende Wäscherlösung ergibt
sich die Gegenwart von gelöstem HOCl und/oder Hypochlorit. Das
macht die Wäscherlösung stark oxidierend und daher entfernt
der Wäscher gleichzeitig Verunreinigungen aus dem Gasstrom
ebenso gut wie Chlor. Der Wäscher ist daher eine Vorrichtung
zum Entfernen von beidem, Chlor und Verunreinigungen,
hauptsächlich NOx, da die verbleibenden Verunreinigungen
normalerweise mit hohem Wirkungsgrad vor diesem Abschnitt entfernt
worden sind.
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Das Chlor reagiert in dem sechsten Abschnitt mit dem
Carbonat, Bicarbonat oder Hydroxid, um entweder ein
Hypochlorit oder hypochlorige Säure, HOCl, zu bilden. Durch das
Mischen mit den Abwasserlösungen von vorhergehenden Wäschern
(14) , die sehr sauer sind und Salzsäure und Schwefelsäure
enthalten, wird jedes Hypochlorit zu HOCl umgewandelt und in
Gegenwart von HCl hat das Lösungs- und
Disproportionierungsgleichgewicht des Chlors die Rückbildung von freiem Chlor zur
Folge, das aus der Lösung geblasen wird, vorzugsweise mit
Rauchgas (16).
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Wenn die Lösung dieses Verfahrensabschnittes Calciumionen
von einem CaCO&sub3;-, Dolomit-, Löschkalkwäscher oder einem
Wäscher mit gelöschtem calciniertem Dolomit enthält, müssen
Schritte unternommen werden, um das während der Ansäuerung mit
der Mischung aus HCL und H&sub2;SO&sub4; (15) ausgefallene CaSO&sub4;
herauszufiltern.
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Wenn die Lösung von diesem sechsten Verfahrensabschnitt
eine merkbare Menge gelösten Hydroxids, Carbonats oder
Bicarbonats enthält, muß das Vermischen mit den Lösungen der
vorhergehenden Abschnitte vorsichtig durchgeführt werden, bedingt
durch die Freisetzung von Wärme oder CO&sub2;, was keine
ernsthaften Probleme bereitet, wenn es berücksichtigt wird. Das
entstandene CO&sub2;, wenn vorhanden, wird spätestens beim Einlaß von
Abschnitt 6 und vorzugsweise früher im Verfahren entlüftet, da
die Bildung von CO&sub2; dazu neigen wird, Säuredämpfe und gelöstes
Chlor aus der Mischung zu entfernen.
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Das angesäuerte Abwasser dieses Verfahrensabschnittes
kann, wie in Abschnitt 5, entchlort werden und die Mischung
von Chlor und Luft, inertem Gas oder Rauchgas kann zu dem
ersten Verfahrensabschnitt hinzugefügt werden.
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Der siebte und letzte Abschnitt des Verfahrens besteht
aus einem wahlfreien Entneblungsschritt in Standardausführung
(18). Ein Füllkörperbett-Entnebler ist bevorzugt, aber es kann
jeder Entnebler von ausreichender Leistungsstärke verwendet
werden. Dieser Abschnitt kann mit dem vorhergehenden Abschnitt
kombiniert werden durch das Herstellen eines
Füllkörperwäschers
und durch das Einleiten der Waschflüssigkeit an einem
Punkt unterhalb der Oberfläche des oberen Teils der Füllkörper
und Verwendung der Füllkörper über der Höhe der
Flüssigkeitszufuhr als Entnebler.
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Das Abgas des Systems wird zu einem Schornstein zur
Beseitigung (2) geführt und kann wiedererwärmt werden (10),
wenn gewünscht.
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Wie es für einen Fachmann angesichts der vorhergehenden
Offenbarung offensichtlich sein wird, sind viele Änderungen
und Abwandlungen in der Ausführung dieser Erfindung möglich,
ohne vom Wesen oder Schutzbereich derselben abzuweichen.
Demgemäß ist der Schutzbereich der Erfindung in
Übereinstimmung mit dem durch die folgenden Ansprüche definierten Wesen
der Erfindung zu bilden.