CH672264A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umsetzen von in Rauchgasen enthaltenen gasförmigen Schwefelverbindungen, insbesondere von Schwefeldioxid, in von den 15 Rauchgasen abzutrennende feste Verbindungen. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.

Beim Verfeuern von schwefelhaltigen Brennstoffen, wie Kohle oder Öl, in Dampfkesselanlagen entstehen umwelt-20 schädliche Schwefelverbindungen, insbesondere Schwefeldioxid. Neuerdings versucht man in zunehmendem Masse Rauchgasreinigungsverfahren zu entwickeln, bei denen das SO2 zu Kalziumverbindungen gebunden wird.

Bei den bekannten Lösungen wird Kalk in wässriger 25 Aufschlämmung entweder in Karbonat- oder in Hydroxidform in den dem Kessel nachgeschalteten Reaktor eingesprüht. Die erstere Form wird als Nasskalksteinverfahren, die letztere Form als halbtrockenes Verfahren bezeichnet. Der Reaktor ist in seiner typischen Form ein relativ grosser 30 Behälter, in den die wässrige Kalkaufschlämmung von oben in abwärtiger Richtung eingesprüht wird. Der hydraulische Durchmesser des Reaktors ist grösser als der Durchmesser des Rauchgaskanals, so dass die Strömungsgeschwindigkeit der Rauchgase bei deren Eintritt in den Reaktor sinkt. Das 35 Verhältnis aus Höhe/Länge des Reaktors und hydraulischem Durchmesser (h/dhydr.) ist klein; es liegt bei den bekannten Lösungen typischerweise in der Grössenordnung von 2 bis 5. Im Reaktorraum herrschen hierbei nahezu konstante Verhältnisse, da die Strahlungsturbulenz einen Aus-40 gleich der Verhältnisse bewirkt, so dass alle Reaktionsstufen unter gleichartigen Bedingungen erfolgen.

Als Nachteil der vorgenannten Lösung ist zu nennen, das bei ihr Vorrichtungen zur Herstellung und zur Behandlung der Aufschlämmung erforderlich sind, was die Investitions-45 kosten beträchtlich erhöht. Ausserdem ist das Eintragen der Aufschlämmung in den Reaktor ein sehr störungsanfälliger Vorgang, was gleichbedeutend mit Produktionsausfällen und -Störungen ist. Die Regelung des Einsprühens der Aufschlämmung erfordert nämlich ein Höchstmass an Genauig-50 keit, da zu grosse Tropfen sich als solche auf dem Reaktorboden ansammeln. Die Konsistenz der wässrigen Kalzium-hydroxidaufschlämmung wird so hoch zu halten versucht, dass die in den Rauchgasen enthaltene Wärmeenergie ausreicht, das in den Reaktor eingebrachte Wasser zu verdamp-55 fen, so dass das Absorptionsprodukt in Form eines trockenen Pulvers anfällt. Bei so dicker Aufschlämmung neigen die Düsen jedoch stark zu Verstopfung, und es ist schwierig, die Tröpfchengrösse beim Einsprühen zu regulieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umsetzen in Rauchgasen enthaltener Schwefelverbindungen, insbesondere Schwefeldioxid, in von den Rauchgasen abzutrennende feste Verbindungen, die dann auf einfache und wirtschaftliche Weise von den Rauchgasen der Kesselanlage getrennt werden können, zu schaffen.

Die hauptsächlichen Merkmale der Erfindung gehen aus den beigefügten Patentansprüchen hervor.

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Anders als bei der vorgenannten bereits bekannten Lösung lässt man die Geschwindigkeit der gasförmige Schwefelverbindungen enthaltenden Rauchgase im Reaktor nicht nennenswert sinken, sondern man schleust die Rauchgase durch eine längliche Reaktionszone, in der die Geschwindigkeit der Rauchgase im wesentlichen unverändert bleibt, wobei die Verweilzeit der Reaktion über die Länge der Reaktionszone geregelt wird und das Voranschreiten der Reaktion durch Einbringen eines oder mehrerer pulvriger Reagenzien an einer oder mehreren Stellen der Reaktorzonenlänge in den Rauchgasstrom reguliert werden kann.

Anders als bei der vorgenannten bereits bekannten Lösung wird das mit den gasförmigen Schwefelverbindungen der Rauchgase reagierende Reagens nicht als wässrige Aufschlämmung in die Reaktionszone eingetragen, sondern man speist das Wasser getrennt vom Reagenz in Form von Nebel oder Dampf in die Reaktionszone, während das Reagens in Pulverform in die Reaktionszone gebracht wird. Auf diese Weise vermeidet man die mit der Herstellung, der Handhabung und dem Eindüsen der wässrigen Aufschlämmung in den Reaktor verbundenen Schwierigkeiten. Das getrennte Einbringen von Wasser und/oder Dampf zum einen und pulvrigem Reagens zum anderen in den Reaktor lässt sich technisch leicht und billig bewerkstelligen. Auch gestalten sich Wartung und Instandhaltung solcher Vorrichtungen einfach, und die Bedienung der Anlage erfordert kein umfangreiches Personal.

Die an das eine Ende der langgestreckten Reaktionszone geführten Rauchgase können schon fertig pulvriges Alkali-und/oder Erdalkalimetalloxid und/oder -hydroxid in Staubform oder Wasser in Nebelform und/oder als Wasserdampf enthalten, wobei dann entsprechend Wasser und/oder Wasserdampf oder pulvriges Alkali- und/oder Erdalkalimetalloxid und/oder -hydroxid an einer oder mehreren hintereinander befindlichen Stellen in den Reaktor eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich dazu können natürlich auch pulvriges Oxid und/oder Hydroxid sowie Wasser und/oder Wasserdampf getrennt voneinander, gegebenenfalls an der gleichen Stelle, jedoch getrennt voneinander, in den Reaktor selbst eingebracht werden. Statt blossen Wassers kann auch schwachkonzentrierte Kalzium- oder Magnesiumhydroxidemulsion eingesprüht werden.

In einem gewissen günstig gelegenen Fall wird pulvriges Oxid und/oder Hydroxid an wenigstens zwei hintereinander befindlichen Stellen in die Reaktionszone eingetragen, wobei das Einspeisen von Wasser und/oder Wasserdampf in die Reaktionszone zwischen diesen hintereinander liegenden Eintragsstellen oder ortgleich mit dem pulverförmigen Reagens erfolgen kann.

Neben den vorgenannten Reagenzien und Wasser kann zur Umwandlung des bei der Reaktion entstandenen Sulfits in Sulfat noch Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise in vorgewärmter Form, in den Endabschnitt der Reaktionszone eingetragen werden. Gleichzeitig können in den Reaktionszonen-Endabschnitt heisse Rauchgase zum Aufheizen der Gase im Reaktor-Endabschnitt vor der Staubabscheidung eingeleitet werden.

Die Temperatur der in die Reaktionszone einzuleitenden Rauchgase beträgt 50 — 800 °C, bevorzugt jedoch 90-200 °C.

Als in die Reaktionszone einzutragendes pulvriges Reagens dient vorzugsweise Kalziumoxid und/oder -hydroxid, das von in die Kesselanlage eingespeistem Kalziumkarbonat stammen kann, welches dort zu Kalziumoxid zerfällt und welches, wird in die Kesselanlage Wasser und/oder Wasserdampf eingetragen, weiter Kalziumhydroxid bilden kann.

Das Karbonat kann in die Kesselanlage entweder als trockenes Pulver oder in gewissen Fällen auch als wässrige Aufschlämmung eingebracht werden.

Abweichend von der oben genannten bereits bekannten Lösung arbeitet man bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit einem langgestreckten Reaktor, zum Beispiel mit einem Rohrreaktor, dessen Verhältnis aus Länge und hydraulischem Durchmesser gross ist, nämlich typischerweise ca. 10 oder sogar noch mehr beträgt. In diesem Reaktor verringert sich die Geschwindigkeit der Rauchgase nicht wesentlich, sondern bleibt so hoch, dass die an der Reaktion beteiligten gasförmigen und festen Stoffe von den Rauchgasen mitgerissen und weitertransportiert werden. Die erforderliche Verweilzeit kann über die Länge des Reaktors eingestellt werden, und hinter dem Reaktor können die staub- oder nebelartigen Stoffe entweder in einem separaten Abscheider oder im herkömmlichen Staubabscheider der Kesselanlage von den Rauchgasen getrennt werden. Unter hydraulischem Durchmesser ist in diesem Zusammen die Querschnittfläche des Reaktors zu verstehen.

Ein derart langgestreckter Reaktor bietet ausserdem den Vorteil, dass sich in den einzelnen Reaktorabschnitten unterschiedliche Bedingungen einstellen oder dass in den einzelnen Abschnitten sogar unterschiedliche Reaktorverhältnisse eingestellt werden können. Die Temperatur kann zum Beispiel schwanken je nachdem, ob Reaktionswärme freigesetzt wird oder Wärme beim Verdampfen von Wasser gebunden wird. Auf diese Weise lässt sich der Prozess in der gewünschten Weise optimieren.

Der langgestreckte Reaktor kann in die schwefelhaltige Brennstoffe verbrennende Kesselanlage fest integriert werden, zum Beispiel in der Weise, dass der Reaktor im Kesselhaus oder aber ausserhalb desselben zwischen den Kessel-Heizflächen und dem Staubabscheider angeordnet ist. Der Reaktor kann aber auch völlig getrennt von der Kesselanlage hinter dem Staubabscheider angeordnet werden, wobei dann das Oxid statt in den Kessel separat in den Rauchkanal eingetragen wird, und wobei dann ein eigener Staubabscheider erforderlich ist. Diese Verfahrensweise bietet den Vorteil, dass die Flugasche und das entstandene Sulfat-/Sulfitge-misch vom Rauchgasstrom getrennt werden.

Im folgenden soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden; es zeigen:

Fig. 1 das schematische Schnittbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 das schematische Schnittbild einer anderen Aus-führungsform der Erfindung.

In der Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 1 den Feuerraum der Kesselanlage, in welchem schwefelhaltiger Brennstoff 17 gewöhnlich unter Zuführung von Luft 18 verbrannt wird. Die schwefeldioxidhaltigen Rauchgase 16 kühlen im Kessel an den Heizflächen 2 und im Vorwärmer 3 der Verbrennungsluft 18 ab. Hinter dem Kessel 1 werden die Rauchgase 16 gemäss Erfindung in den langgestreckten Reaktor 4 geleitet, an den sich die Staubabscheidungsanlage 5 und der Schornstein 6 anschliessen.

Das zum Binden des Schwefels vorgesehene Reagens, vorzugsweise Kalziumkarbonat, wird aus dem Vorratsbehälter 7 über die Dosieraufgabevorrichtung 8 in den Luftstrom des Gebläses 9 der pneumatischen Förderanlage gebracht und gelangt entweder über die Leitung 10 ins Oberteil des Kessels 1 und/oder über die Leitung 11 in den vorderen Abschnitt des Reaktors 4 und möglicherweise über die Leitung 12 noch an eine andere weiter hinten liegende Stelle des Reaktors 4. Ausserdem wird in den langgestreckten Reaktor 4 entweder nur an dessen vorderem Ende oder an mehreren über die Reaktorlänge verteilten Stellen über die Düsen 15

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Wasser eingespritzt. Weiter kann an einer zweckmässigen Stelle des Reaktors 4 in diesen über die Leitung 14 Warmluft oder über die Leitung 13 Rauchgas eingetragen werden um die Temperatur der Rauchgase im Endabschnitt des Reaktors vor Erreichen des Staubabscheiders 5 zu erhöhen.

Das Reagens wird vorzugsweise in einer überschüssigen Menge in bezug auf den im Brennstoff 17 enthaltenen Schwefel eingesetzt. Das Reagens kann entweder über die Leitung 10 direkt in den Kessel 1 und/oder an einer oder mehreren Stellen 11,12 des Reaktors 4 direkt in diesen eingebracht werden. Über die Leitung 12 werden vorzugsweise höchstens 50% der Gesamtreagensmenge eingetragen.

Die von der Pumpe 19 über die Düsen 15 eingetragene Wassermenge wird vorzugsweise höchstens so gross bemessen, dass sie unter der Wirkung der Wärme der Rauchgase 16 möglichst vollständig verdampft. Bei Bedarf kann jedoch die Rauchgastemperatur im Reaktor 4 durch Zuführung heisser Rauchgase 16 über die Umgehungsleitung 13 in den Endabschnitt des Reaktors 4 erhöht werden.

In Fig. 2 bezeichnen die Bezugszahlen die entsprechenden Objekte wie in Fig. 1. Die in Fig. 2 gezeigte Lösung unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Lösung darin,

dass der Reaktor nun erst hinter dem Rauchgasflugaschen-abscheider, gewöhnlich hinter dem Elektrofilter 20, angeordnet ist. Dabei erhält man dann die Flugasche zum einen und die als Reaktionsergebnis anfallenden Kalziumverbindungen zum anderen im wesentlichen fertig voneinander getrennt, da ja die Flugasche vor dem Reaktor abgeschieden und das Reagens, vorzugsweise Kalziumoxid, erst nach dem Abscheiden der Flugasche in den Reaktor eingebracht wird. Dem Reaktor ist natürlich ein eigener Feststoffabscheider nachgeschaltet, zum Beispiel ein herkömmliches Elektrofilter oder eine andere entsprechende geeignete Abscheidevorrichtung.

Anstelle von Kalziumkarbonat oder -oxid kann in den Kessel 1 oder in den Reaktor 4 irgendein anderes Oxid oder in den Kessel ein dort zu Oxid zerfallendes Alkali- und/oder Erdalkalimetallkarbonat, wie Kalzium-Magnesiumkarbo-nat, eingebracht werden. Wenngleich das Verfahren und der Reaktor gut mit einem einzigen Reagens, zum Beispiel Kalziumkarbonat oder -oxid, funktionieren, so kann die Anlage, um günstig erhältliche Reagenzien zu nutzen, doch gleichzeitig auch mit mehreren verschiedenen Reagenzien gefahren werden. Die Reagenzien können dabei entweder miteinander vermischt an der gleichen Eintragsstelle bzw. den gleichen Eintragsstellen oder einzeln an getrennten Eintragsstellen je nach Bedarf eingebracht werden. Das Kalziumoxid stammte von Kalziumkarbonat oder von Kalzium-Magnesiumkarbonat, das, in den Kessel eingegeben, zu Oxid und Kohlendioxid zerfallen war.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Beispielen im einzelnen beschrieben.

Beispiel 1

Untersucht wurde ein Reaktor mit einer Querschnittfläche von ungefähr (0,4 x 0,4)m2 und einer Länge von ca. 20 m. In den Reaktor wurden bei verschiedenen Temperaturen Rauchgase eingeblasen, die hauptsächlich kalziumoxid-haltigen Staub und ca. 900 ppm SO2 enthielten. Ausserdem wurde in den Reaktor Wasser eingesprüht.

Das in den Rauchgasen enthaltene Kalziumoxid und das Wasser bilden Kalziumhydroxid, das als stark reaktiver Stoff mit den Oxiden des Schwefels reagiert.

Die Reaktorverhältnisse und die Reaktionsergebnisse (Analyse) gehen aus Tabelle 1 hervor, deren erste Spalte die Kalziumoxidmenge, definiert als Kalzium-Molverhältnis in bezug auf Schwefel, deren zweite Spalte die Temperatur des 5 in den Reaktor eingeleiteten Rauchgases, deren dritte Spalte die Temperatur des Rauchgases bei dessen Austritt aus dem Reaktor, deren vierte Spalte die Schwefeldioxidreduktion in Prozent, deren fünfte Spalte den prozentualen Flugaschenanteil im Feststoff, deren sechste Spalte den prozentualen 10 Sulfit- und Sulfatanteil im Feststoff und deren siebente Spalte den Anteil der übrigen Verbindungen im Feststoff enthält.

Tabelle 1

15 Ca/S Tjr

SO2-Redukt.

Zusammensetzung d. Produktes

Flugasche

CaSO 3/ CaSC>4

Sonstige Verbindungen

20

0,52

50 °C

65 °C

56%

76%

23%

1%

1,56

90 CC

68 °C

82%

61%

26%

13%

2,20

200 °C

72 °C

87%

51%

24%

25%

2,22

120 °C

62 °C

96%

53%

26%

21%

2,3

110°C

68 °C

93%

53%

25%

22%

4,0

120 °C

68 °C

98%

43%

20%

37%

4,1

800 °C

110°C

72%

38%

15%

47%

30

Beispiel 2

In den Reaktor wie in Beispiel 1 werden Rauchgase eingeleitet, deren Flugasche mit Elektrofilter separat abgetrennt worden ist. Die Zugabe des Kalziumoxids in die Rauchgase erfolgt hinter dem Elektrofilter vor dem Reaktor.

Die mit der Umsetzung verbundenen Untersuchungsergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt: Die Kalziumoxidmenge ist als Kalzium-Molverhältnis zum Schwefel angegeben; die prozentualen Anteile von Kalziumsulfit, Kalziumsulfat und der zusammengefassten restlichen Verbindungen am bei der Reaktion entstandenen Feststoff sind in jeweils einer eigenen Spalte angegeben. Die Rauchgaseintrittsund -austrittstemperaturen sowie die Schwefeldioxid-Reduktion in Prozent sind auf entsprechende Weise wie in Tabelle 'angegeben.

Ca/S Ti,

45

SO2- Produktanalyse Redukt.

CaSC>3 CaS04 Sonstige Verbindungen

1,56 90 C 50 2,22 120 °C 4,0 120 °C

68 68 68

82% 93% 98%

44% 36% 23%

21% 17% 11%

35% 47% 61%

Beispiel 3

Kalziumoxid wird wie im Beispiel 2 hinter dem Elektrofilter in den Reaktor eingebracht, jedoch wird den Rauchga-55 sen hinter dem Reaktor nun ein Oxydationsmittel oder sauerstoffhaltiges Gas, wie Luft, zugesetzt, wobei das Kalziumsulfit zu Sulfat oxydiert. Die Reaktionsbedingungen und -ergebnisse sind in Tabelle 3 auf entsprechende Weise wie in Tabelle 1 und Tabelle 2 angegeben.

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Tabelle 3

Ca/S Tjn Tout SO2- CaSC>3 CaSC>4 Sonstige Ver-Redukt. bindungen

(1) CaO + H,0 - Ca(OH)i

Ca(OH)2 + S02 CaSÒ3 + H20

1,56 90 ;C 2,22 120 °C 4,0 120 "C

68 'C 68 ;C 68 "C

82% 93% 98%

1,4% 0,8% 0,8%

65% 53% 35%

33% 46% 64%

s

2 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

1. 672264

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum Umsetzen in Rauchgasen enthaltener gasförmiger Schwefelverbindungen in von den Rauchgasen abzutrennende feste Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmige Schwefelverbindungen enthaltenden Rauchgase (16) an dem einen Ende einer langgestreckten Reaktionszone (4) in diese geleitet werden, und dass in die Reaktionszone ausserdem getrennt a) pulvriges Alkali- und/ oder Erdalkalimetalloxid (7) und/oder -hydroxid und b) Wasser (15) und/oder Wasserdampf an einer oder mehreren Stellen eingebracht werden, und dass am entgegengesetzten Ende der Reaktionszone feste Schwefelverbindungen enthaltende Rauchgassuspension abgeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am besagten einen Ende der langgestreckten Reaktionszone (4) in diese zusammen mit den Rauchgasen pulvriges Oxid und/oder Hydroxid (16) und getrennt davon in den Anfangsabschnitt der Reaktionszone Wasser (15) und/oder Wasserdampf eingebracht wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass pulvriges Oxid und/oder Hydroxid an wenigstens zwei hintereinander angeordneten Stellen (11,12) in die Reaktionszone eingebracht wird, und dass Wasser (15) und/ oder Wasserdampf zwischen diesen hintereinander befindlichen Eintragsstellen in die Reaktionszone eingebracht wird.
4. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Endabschnitt der Reaktionszone (4) Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas (14), vorzugsweise in vorgewärmtem (3) Zustand, eingeleitet wird.
5. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Endabschnitt der Reaktionszone (4) heisse Rauchgase (13) eingeleitet werden.
6. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am besagten einen Ende der Reaktionszone (4) in diese Rauchgase (16) eingeleitet werden, deren Temperatur 50 bis 800 °C, vorzugsweise 90 bis 200 °C beträgt.
7. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Reaktionszone (4) pul-verförmiges Kalziumoxid (7) und/oder -hydroxid eingebracht wird.
8. 8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Reaktionszone (4) pul-verförmiges Kalzium-Magnesiumhydroxid eingebracht wird.
9. 9. Vorrichtung zum Umsetzen in Rauchgasen enthaltener gasförmiger Schwefelverbindungen, insbesondere Schwefeldioxid, in von den Rauchgasen abzutrennende feste Verbindungen, gekennzeichnet durch einen langgestreckten Reaktor (4), an dessen einem Ende eine Eintrittsöffnung für die gasförmige Schwefelverbindungen enthaltenden Rauchgase (16) und an dessen entgegengesetztem Ende eine Austrittsöffnungfür die feste Schwefelverbindungen enthaltende Rauchgassuspension vorhanden ist, und welcher ausserdem Organe (15) zum Eintragen von Wasser und/oder Dampf sowie Organe zum separaten Eintragen pulvrigen Alkali- und/ oder Erdalkalimetalloxids (7) und/oder -hydroxids in den Reaktor (4) an einer oder mehreren über die Reaktorlänge verteilten Stellen aufweist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (4) dem Kessel (1), in dem schwefelhaltige Brennstoffe (17) verfeuert werden, fest angegliedert ist.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor hinter dem Feststoffabschei-der der Kesselrauchgase angeordnet ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Organ (10) zum Eintragen des pulvrigen Materials in den Reaktor mit dem Ofen (1) in Verbindung steht, um das pulvrige Material zusammen mit den Rauchgasen (16) aus dem Ofen (1) in den Reaktor zu leiten.
13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus der Länge des s langgestreckten Reaktors (4) und einem hydraulischen Durchmesser grösser als 10 ist.