DE3511759A1 - Verfahren und vorrichtung zum reinigen von abgasen - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen υοη Abgasen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Trockenverfahren zum Reinigen von Abgasen, wobei ein Absorptionsmittel des Ca-Typs zum Absorbieren und zum Entfernen von schädlichen sauren Substanzen aus dem Abgas verwendet wird» sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Heiße Abgase von Heizkesseln oder Müllverbrennungsanlagen enthalten normalerweise 10 bis 2000 ppm von schädlichen sauren Substanzen wie Schwefeloxiden (SO ), Salzsäure (HCl) und Fluorwasserstoffen (HF). Es ist erforderlich» solche Substanzen nach den Umweltschutzgesetzen zu entfernen. Diese schädlichen sauren Substanzen wurden bisher im allgemeinen mittels der Naßmethode entfernt» wobei eine absorbierende Flüssigkeit oder ein Brei» die bzw. der ein alkalisches Absorptionsmittel enthält, in direkten Kontakt mit dem auf eine niedrigere Temperatur abgekühlten Abgas gebracht wird, um das Gas zu reinigen. Obgleich diese Methode einen hohen Wirkungsgrad hinsichtlich der Entfernung schädlicher saurer-Bestandteile aufweist» entstehen Probleme hinsichtlich der Behandlung des resultierenden Abfallwassers, die ein üJiedererhitzen des Abgases und teure Anlagen erfordert und hohe laufende Kosten verursacht.

Aufgrund der vorher geschilderten Probleme wurden verschiedene Methoden als Ersatz für das IMaßverf ahren untersucht. So wurde beispielsweise vorgeschlagen, schädliche Substanzen durch Aktivkohle zu absorbieren und dann zu desorbieren, oder bei einem "halbnassen" Verfahren einen Brei aus Löschkalk in das Abgas einzusprühen »'· Diese Verfahren haben jedoch keinen sehr hphen Wirkungsgrad hinsichtlich des Ent*- fernens der sauren Bestandteile» Obgleich Forschungen an einer Trockenmethode·' durchgeführt wurden, bei denen Partikel eines Absorptionsmittels des Ca-Typs (Ätzkalk» Lösch-

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kalk,Dolomit oder dgl.) durch das Innere einer Feuerungsanlage oder eines Rauchzuges diffundiert wurden, wurde dieses Verfahren nicht in die Praxis umgesetzt außer in Fällen, in denen keine scharfen Umujeltschutzbestimmungen vorliegen, da die Reaktionsfähigkeit des Absorptionsmittels niedrig ist. Beispielsweise ist die Reaktionsfähigkeit zwischen dem Absorptionsmittel und SO im besten Fall etwa 20%, während die-

jenige des Absorptionsmittels mit HCl nicht höher als 50% ist. Es wird allgemein erwartet, daß die Reaktionsfähigkeit mit kleiner werdender Partikelgröße v/erbessert wird, während eine Verringerung der Partikelgröße nicht zu einer nennenswerten Vergrößerung der Reaktionsfähigkeit uon Kalk führt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Trockenmethode zum Reinigen uon Abgasen zu schaffen, die eine v/erbesserte Reaktionsfähigkeit zwischen einem Absorptionsmittel des Ca-Typs, wie Ätzkalk oder Löschkalk, und schädlichen sauren Substanzen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Vorrichtungen zur Durchführung desselben werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem mittleren Durchmesser von Partikeln und ihrer relativen Kohäsion zeigt;

Fig. 2 ist ein Flußbild,welches ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;

Fig. 3 ist eine vergrößerte geschnittene Teilansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ;

Fig. 4 ist ein Längsschnitt eines Injektors als Beispiel für eine Vorrichtung zum Zerteilen der Agglomerate und zum Dispergieren der Partikel in einem Trägergas;

Fig. 5 ist ein Längsschnitt eines Rohres mit einer Blende als weiteres Beispiel einer Vorrichtung zum Teilen der . Agglomerate und zum Dispergieren der Partikel in einem Trägergas;

Fig. 6 ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem mittleren Partikel-Durchmesser eines Absorptionsmittels des Ca-Typs (gelöschter Kalk) und dem Prozentsatz des entfernten HCl zeigt, und

Fig. 7 ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem mittleren Partikeldurchmesser eines Absorptionsmittels (Löschkalk) und dem Prozentsatz des entfernten SO zeigt.

Zunächst wird das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Grundsätzlich haben 'individuelle, voneinander unabhängige kleine Partikel (im folgenden als Primärpartikel bezeichnet) in der Größenordnung von die Tendenz, zu agglomerieren. Diese Tendenz steigt mit kleiner werdender Partikelgröße, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. Wenn also Partikel mit einer Größe won 1 bis 2 durch ein einfaches Rohr oder eine einfache Düse in ein Abgas eingesprüht werden, wie dies bei der konventionellen Trockenmethode der Fall ist, bilden diese Primärpartikel Sekundaragglomerate, bevor sie in das Abgas dispergieren, so daß sich die Primärpartikel im Abgas wie grobe Partikel verhalten. Mit der konventionellen Methode konnte daher keine merklich verbesserte Reaktionsfähigkeit des Absorptionsmittels erreicht werden, selbst wenn die Partikelgröße verringert wurde.

Andererseits ist es bekannt, daß Sekundäragglomerate, wenn sie einer definierten Dispersionsenergie in einem Gasstrom ausgesetzt werden, in dem Gasstrom dispergiert und in einzelne Primärpartikel aufgeteilt werden. Von diesem Gesichtspunkt her ist es nützlich, ein Venturi beispielsweise in einen Abgaskanal einzusetzen und ein Absorptionsmittel, das bereits in der Form won Sekundaragglomeraten vorliegt, in den Kanal an einer Stelle stromaufwärts des Venturis einzusprühen. Das Absorptionsmittel kann dann in Primärpartikel zerteilt werden, bevor es gleichmäßig mit dem Abgas gemischt wird, um schädliche saure Bestandteile mit verbessertem Wirkungsgrad zu entfernen. Um jedoch Sekundäragglomerate in die ursprünglichen Primärpartikel mit beispielsweise bis zu 5 - zu zerteilen, ist es erforderlieh, ein sich stark verengendes Venturi zu verwenden und die Geschwindigkeit des Abgases auf Werte bis zu 300 m/sec zu erhöhen. Dadurch entsteht ein großer Druckverlust» Um dem Abgas, das häufig in großen Mengen anfällt, eine derart erhöhte Geschwindigkeit zu erteilen, muß viel Energie aufgewandt werden, was unwirtschaftlich ist. Diese Nachteile werden gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch vermieden, daß ein Absorptionsmittel und ein Trägergas zusammen einer Aufteil- und Dispersionsvorrichtung zugeführt werden, in der Primärpartikel des Absorptionsmittels in dem Trägergas dis-

2.5 pergieren, das in geringer Menge, jedoch mit hoher Geschwindigkeit strömt, um ein Aerosol mit hoher Partikelkonzentratioh zu erhalten, welches dann gleichmäßig mit einem Abgas gemischt wird. Dadurch kann ein hoher Wirkungsgrad hinsichtlich des Entfernens der sauren Substanzen mit geringem Energieverbrauch erreicht werden.

Es sei nun auf Fig. 2.Bezug genommen. Ein Abgas 1 aus einem nicht dargestellten Heizkessel oder einer Abfallverbrennungsanlage wird in einen Mischabschnitt 2 eines Abgas-Kanals eingeführt. Ein Trägergas 4 und ein Absorptionsmittel 5 des

Ca-Typs werden einer Aufteil- und Dispersionsv/orrichtung 3 zugeführt, in der das Absorptionsmittel 5 in Primärpartikel aufgeteilt wird und diese in hoher Konzentration in dem Trägergas 4 dispergiert werden. Das hochkonzentrierte Aerosol wird uon der Vorrichtung 3 in den Mischabschnitt 2 eingeführt, in'welchem das Aerosol gleichmäßig mit dem Abgas 1 gemischt wird. Das Ca-Absorptionsmittel (beispielsweise Ätzkalk oder Löschkalk) reagiert mit den schädlichen sauren Bestandteilen (z.B. SO₂ und· HCl) in dem Abgas entsprechend den folgenden Gleichungen:

CaO + SO₂ + TfO₂ »» CaSO^,

Ca(OH)₂ + SO₂ +

CaO + 2HCl

Ca(OH)₂ + 2HCl

Das Absorptionsmittel, das auf diese Weise die schädlichen sauren Bestandteile absorbiert hat» wird in einem StäUbäb" scheider 6 zusammen mit Ruß, Staub und dgl. gesammelt und von dessen unteren Ende abgeführt, wie dies bei 7 angedeutet ist. Das gereinigte Abgas wird durch einen Schornstein 8 in die Atmosphäre entlassen.

Bei dem vorstehend beschriebenen System beträgt die Konzentration uon Primärpartikeln des Absorptionsmittels in dem Trägergas zwischen 50 und 500 g/Nm und die Konzentration der Primärpartikel in dem Abgas nach dem Mischen 1 bis 20 g/Nm . Die Menge des Trägergase.s braucht also nur etwa 1/25 bis¹ 1/50 der Men.ge des Abgases zu betragen. Demzufolge ist der Energieverbrauch in diesem Falle wesentlich klei ner- als in dem Fall, in dem das Abgas selbst auf höhere Strömungsgeschwindigkeit gebracht werden muß. Außerdem wird durch die verringerte Konzentration aufgrund des

Mischens die Kollisionshäufigkeit der absorbierenden Primärpartikel miteinander und somit die Gefahr, daß die Primärpartikel wieder agglomerieren, verringert.

Brauchbar als Zerteil- und Dispersionsuorrichtung 3 ist ein Injektor, eine Blende, ein Venturi, eine Strahlmühle, oder ein mechanischer Brecher. In Fig. 4 ist ein Injektor dargestellt, der ein Innenrohr 9 und ein Außenrohr 10 aufweist. Das Trägergas 4 tritt in einem Strahl aus dem Innenrohr 9 aus und erhält dabei eine höhere Geschwindigkeit. Der Unterdruck, der im Auslaßab-

1G schnitt des Außenrohres 10 erzeugt wird» saugt Sekundäragglomerate 5a des Absorptionsmittels 5 aus einem Kanal 10a, zerteilt diese in Primärpartikel 5b im Auslaßabschnitt und dispergiert die Partikel in dem Trägergas. In Fig. 5 ist ein Rohr 11 dargestellt, dem das Trägergas 4 und das Absorptionsmittel in Form v/on Sekundäragglomeraten 5a zugeführt wird, und in dem eine Blende 12 angeordnet ist. Die Geschwindigkeit des Trägergases mit den darin enthaltenen Sekundäragglomeraten erhöht sich» uienn es durch die Blende 12 strömt, wodurch die Agglomerate in Primärpartikel 5b zerteilt werden, die in dem Trägergas dispergiert werden.

Ein Venturirohr hat die gleiche Konstruktion wie in Fig. 5, nur daß anstelle der Blende 12 ein Venturi eingesetzt ist. Das Venturirohr arbeitet nach dem gleichen Prin-zip wie das Blendenrohr uon Fig. 5.

In einer Strahlmühle werden Feststoffpartikel in einem Trägergas miteinander zur Kollision gebracht und dadurch in ihrer Größe verringert. Sekundäragglomerate können dadurch in die ursprünglichen Primärpartikel bestimmter Größe zerteilt werden, oder es können Primärpartikel, die eine solche Größe besitzen» daß sie keine Sekundäragglomerate bilden, in kleinere Primärpartikel zerteilt werden.

Ein mechanischer Brecher wird lediglich zum Zerkleinern von groben Partikeln in Primärpartikel vorbestimmter Größe und zum Dispergieren desselben in einem Gas verwendet*

In jedem Fall sollen die Primärpartikel, die schließlich in dem Trägergas dispergiert sind, einen mittleren Durchmesser

μ in

won nicht mehr als 10 aufweisen. Um bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Entfernen schädlicher saurer Bestandteile mit dem gleichen hohen Wirkungsgrad wie bei dem Naßverfahren durchzuführen, ist es notwendig, daß die PrI*- märpartikel zum Entfernen won HCl einen mittleren Durehmes" ser won bis zu 5 Mikron und zum Entfernen won SO einen mittleren Durchmesser won 1 bis 3 Mikron haben.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens muß dafür gesorgt werden, daß die Primärpartikel des Absorptions** mittels sich nach dem Dispergieren nicht reagglomerieren* Zu diesem Zweck ist es notwendig, die Länge des das hochkonzeh" trierte Aerosol führenden Kanals won der Zerteil» und Disper« sionsworrichtung 3 zu dem Mischabschnitt 2 klein zu halten und starke Biegungen in diesem Kanal zu wermeiden* um jede Turbulenz auszuschließen.

Wenn ein Injektor, ein Blendenrohr oder ein Venturirohr als Zerteil- und Dispersionsworrichtung 3 verwendet wird, wird diese worzugsweise in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise angeordnet. In dieser Anordnung ist die Vorrichtung 3 direkt in einem Bogen 13a des Abgaskanals 13 angebracht, und der Auslaß der Vorrichtung 3 ist in der gleichen Richtung orientiert wie die Abgasströmung nach dem Bogen 13a. Demzufolge werden die Primärpartikel 5b won der Vorrichtung 3 direkt in den Mischabschnitt 2 eingesprüht, ohne daß sie eine dazwischen geschaltete Leitung durchströmen müssen. Dies schließt fast wollständig die Gefahr einer Reagglomeration aus. Vorzugsweise ist der Mischabschnitt 2 mit einem Diffusor 2a wersehen, um die Dispersion der Primärpartikel 5b im Abgas 1 zu unterstützen. Der Abschnitt des Abgaskanals 13 won dem Bogen 1/3a bis zum Staubabscheider 6 hat ein derartiges Volumen, daß die Primärpartikel 5,b in dem Abgas

-,Bewährend etwa 1 bis 3 Sekunden suspendiert bleiben, bevor sie den Staubabscheider 6 erreichen. Der Diffusor 2a, obgleich er grundsätzlich ein Venturi ist, dient nicht dazu, dem Abgas 1 eine erhöhte Geschwindigkeit zu erteilen und dabei Sekundäragglomerate in Primärartikel zu zerteilen, und er ist daher nicht stark eingeschnürt und bewirkt somit keinen nennenswerten Druckverlust. Primärpartikel des Absorptionsmittels können auch in den Heizkessel oder die A*bfallverbrehnungsanlage eingesprüht werden.

Beispiele von Ca-Absorptionsmitteln, die in einem großen Temperaturbereich won 900 bis 1200 C verwendet werden können,
sind Kalkstein (in erster Linie CaCO,), Ä'tzkalk (CaO), ge- löschter Kalk (CaGH), Dolomit (CaMg(CO₃J₂), kalzinierter Dolomit (CaPIgO₂) und gelöschter Dolomit (CaMg(OH),)-.. Bei ho-

hen Temperaturen von 900 bis 1200⁰C werden Kalkstein* Löschkalk, Dolomit und gelöschter Dolomit sofort thermisch zersetzt (unter Freiwerden von H„0 und CO₂), um porösen, stark
reagierenden Ätzkalk oder kalzinierten Dolomit zu büden_ä so .daß mit diesen Stoffen bessere Ergebnisse erzielt werden als mit handelsüblichem Ätzkalk und kalziniertem Dolomit, die normalerweise kristallin sind. Bei Temperaturen über 12GO⁰C werden Ätzkalk und kalzinierter Dolomit fortschreitend kristallisiert und daher in ihrem Reaktionsvermögen langsamere Ca-Absorptionsmittel, die bei Temperaturen zwischen 150 und 400 C verwendet werden können, sind beispielsweise Ätzkalk, Löschkalk, kalzinierter Dolomit und gelöschter Dolomit, wobei
Löschkalk und gelöschter Dolomit bevorzugt sind.

Normalerweise wird als Staubabscheider B ein Sackfilter oder eine elektrische Abscheideeinrichtun-g verwendet»

Die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich aus den folgenden Beispielen.

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Beispiel 1

Löschkalk murde als Ca-Absorptionsmittel für das System gemäß Fig. 2 verwendet, in dem die Zerteil- und Dispersionsuorrichtung 3 ein Injektor zur Erzeugung eines Aerosols hbher Konzentration war. Der Injektor wurde in einen Abgaskanal eingesetzt, durch den ein simuliertes ^; Abgas mit einer Temperatur von 250 C und mit einem Gehalt von etwa 10D0 ppm HCl strömte, uiobei der Auslaß des Injektors in der Strb'mungsrichtung des Abgases gerichtet war. Um das Aerosol wirksam mit dem Abgas zu mischen, war der Abgaskanal an einer Stelle unmittelbar stromabwärts des Injektors eingeschnürt, um einen Diffusor zu bilden. Der Injektor wurde betrieben, indem Druckluft mit einem Druck uon 5 bar und einer Menge uon 6.0 Nm /h hindurchgeführt wurde. Löschkalk wurde dabei in einer Menge uon 5 kg/h in den Abgaskanal eingesprüht. Die Primärpartikel des Löschkalks erreichten den Staubabscheider B nach etwa 2 Sekunden.

Dieses Verfahren wurde mit Löschkalk uon unterschiedlicher Partikelgröße (Primärpartikel unterschiedlichen Durchmessers) wiederholt. Die Fig-, 6 zeigt das Ergebnis»

In F_vig. B ist A die Menge des entfernten HCl in Prozenten bei Verwendung uon Löschkalk mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, und B die Menge des entfernten HCl bei Verwendung uon Löschkalk entsprechend der konuentionellen Trockenmethode* Es ist zu e.rkennen, daß das Reaktionsuermögen mit kleiner werdender Partikelgröße bei dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich stärker ansteigt als bei dem konuentionellen Verfahren»

Beispiel 2

Die gleiche Prozedur wie in Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch mit folgenden Abwandlungen:

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- /ro -

Simuliertes Abgas mit etwa 1000 ppm SO , einer Temperatur von

1100 C und einer Durchflußmenge von etwa 1900 Nm /h; Injektor: Luftmei
tikel: 7,4 kg/h.

Injektor: Luftmenge 6,3 Nm /h, Menge der eingesprühten Par-

Fig. 7 zeigt die Ergebnisse, die bei diesem Experiment erreicht wurden. Bei A' und B' sind die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit dem konventionellen V/erfahren er« reichten Ergebnisse dargestellt. Es ist ersichtlich» daß das erfindungsgemäße l/erfahren auch beim Entfernen υοη SO wirkungsvoller ist.

-to-

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Claims (13)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Reinigen eines Abgases, dadurch gekennzeichnet, daß individuelle, unabhängige feine Partikel eines Ca-Absorptionsmittels in einem Trägergas in hoher Konzentration dispergiert werden, wobei der mittlere Partikel-

um

durchmesser des Absorptionsmittels bis zu 10 beträgt, dann das so-erzeugte hochkonzentrierte Aerosol in das Abgas eingeführt und mit diesem gleichmäßig gemischt wird und schließlich die feinen Partikel des Absorptionsmittels, weiche schädliche saure Bestandteile des Abgases absorbiert haben, zusammen mit Staub und Ruß aus dem Abgas entfernt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas eine Temperatur von 900 bis 1200⁰C hat und daß als Ca-Absorptionsmittel Kalkstein, Ätzkalk, Löschkalk, Dolomit, kalzinierter Dolomit oder gelöschter·Dolomit verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas eine Temperatur von 150 bis AOO C hat und das Ca-Absorptionsmittel aus Ä'tzkalk, Löschkalk, kalziniertem Dolomit oder gelöschtem Dolomit besteht.

Bankverbindung: Hypobank Gauting Konto-Nr. 3 750123 448 (BLZ 700 260 01)

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ca-Absorptionsmittel-Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 5 , vorzugsweise 1 bis 3 Mikron v/erujendet werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Zerteil- und Dispergierv/orrichtung (3) zum Zerteilen won Sekundäraggiomeraten des Absorptionsmittels in individuelle feine Einzelpartikel und Vermischen derselben mit dem Trägergas.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerteil- und Dispersionsvorrichtung (3) einen Injektor (9,10) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerteil- und Dispersionsvorrichtung (3) ein Rohr (11 ) mit einer Blende (12) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerteil- und Dispersionsvorrichtung (3) ein Venturi-Rohr aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerteil- und Dispersionsvorrichtung eine Strahlmühle aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerteil- und Disper.sionsvorrichtung (3) in einem Abgaskanal (13) angeordnet und sein Auslaß in Strömungsrichtung der Abgase gerichtet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß der Zerteil- und Dispersionsvorrichtung (3) in einem Bogen (13a) des Abgaskanals (13) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskanal (13) stromabwärts des Bogens (13a) mit Mitteln (2a) zur Förderung der Mischung des hochkonzentrierten Aerosols mit dem Abgas versehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Förderung der Mischung ein im Abgaskanal (13) angeordneter Diffusor (2a) ist.