DE2759286A1

DE2759286A1 - Verfahren und einrichtung zur behandlung von rauchgasen

Info

Publication number: DE2759286A1
Application number: DE19772759286
Authority: DE
Inventors: Harald F Dr Funk
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-04-06
Filing date: 1977-12-30
Publication date: 1979-07-12

Description

J3e schreibung
Die Erfindun: betrifft ein Verfahren zum behandeln von Rauchgasen od. dgl. Verbrennungssabgasen vor dem Ausstoßen in die Atmosphäre, bestehend aus Entstaubung, Abkühlung bis unter den Taupunkt des Wasserdampfes durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium, Abtrennung des Kondensats, und Abtrennung gasförmiger Schadstoffe durch Niederschlagen auf großen Oberflächen, über die die Rauchgase geleitet werden, wobei als kühlmedium ein zunächst flüssiges und beim Wärmeaustausch mit den Rauchgasen verdampfendes Arbeitsmedium verwendet und diese im Kreislauf geführt wird, in welchem die bei der Kühlung der Gase aufge- nommene Wände durch Arbeitsleisturi unter Entspannung wieder entzogen wird, und wobei die Abtrennun; der gasförmigen Schadstoffe durch Ausfrieren an bis unter deren sondensationstemperatur tiefgekühlten Generatorflohen erfolgt, nach Patent (P 26 56 866 Ein solches, den Gegenstand des Lauptpatentes bildendes Verfahren ermöglicht eine vollständige Abtrennung aller Schadstoffe aus den Rauchgasen vor deren Ausstoßung in die Atmosphäre, so daß nur vollständig sauberes und kühles Gas in die Atmosphäre entlassen wird. Hierdurch können Schornsteine und dergleichen vollständig eingespart werden, und außerdem können die abgetrennten Schadstoffe zum Teil als zur Weiterverarbeitung geeignete reine Gase gewonnen werden. Die sonst in Schornsteinen verlorengehende fühlbare und latente Wärme der Rauchgase kann weitgehend in Arbeit umgewandelt und dadurch ebenfalls genutzt werden.
Bei dem im Hauptpatent beschriebenen Verfahren ist in der Kühlstufe ein indirekter Wärmeaustausch zwischen den Rauchgasen und dem im Kreislauf geführten Arbeitsmedium vorgesehen. Die dabei zu gewinnende Arbeitsleistung ist beschränkt durch das relativ geringe Volumen des Arbeitsmediums.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren nach dem Hauptpatent so zu verbessern, daß die bei der Abkühlung der Rauchgase gewonnene Energie noch besser in Arbeitsleistung umgesetzt werden kann.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Arbeitsmedium in die zuvor komprimierten Rauchgase direkt injiziert und dabei verdampft wird und daß das Dampf-Rauchgasgemisch durch Entspannung unter Arbeitsleistung gektihlt und das Arbeitsmedium kondensiert, von den gekühlten Rauchgasen getrennt und im Kreislauf zurückgeführt wird.
Bei diesem Verfahren leistet in der Entspannungsmaschine, insbesondere eine Turbine, nicht nur die Masse des verdampften Arbeitsmediums, sondern auch die gesamte Nasse der Rauchgase intspannun6sarbeit. Damit kann eine wesentlich weitgehendere Umwandlung des Wärmeinhalts der Rauchgase in nutzbare Energie erzielt werden.
In einer einfacheren Ausführungeform des Verfahrens kann als Arbeitsmedium Wasser verwendet werden, was den Vorteil hat, daß beim Abtrennen des Kondensats auch der in den Rauchgasen enthaltene Wasserdampfanteil gemeinsam mit dem Arbeitsmedium abgezogen werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jedoch als Arbeitsmedium eine organische Flüssigkeit mit einem an die Temperaturen der anfallenden Rauchgase und die Verhältnisse des zu durchlaufenden R*nkSne-Kreielaufe angepaßten Siedeverhalten verwendet. Insbesondere kommen halogenierte Kohlenwasserstoffe, z.B. Octafluoroyclobutan in Frage. Aus dem Mollierdiagramm dieser Verbindung läßt sich ein besonders günstiges Verhalten in dem vorgesehenen Arbeitskreislauf ablesen.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem gemeinsam mit dem Arbeitsmedium auch die Rauchgase selbst Entspannungsarbeit leisten sollen, setzt eine vorherige Komprimierung der Rauchgase voraus. Diese kann in besonders vorteilhafter Weise dadurch erfolgen, daß der die Rauchgase erzeugende Verbrennunissprozeß selbst unter Druck durchgeführt wird. Dadurch können nachgeschaltete Verdichter entfallen.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Verbrennungsgase vom Verbrennungsraum werden, wie durch Pfeile 15, 16, 17 gekennzeichnet, durch eine Reihe von Staubabscheidern 20, 21, 22 geleitet, worin Festteile zurtickgehalten werden. Der Abscheider 20 ist vorzugsweise ein Zyklon, worin Teilchen bis zu 50 um abgeschieden werden, wie durch Pfeil 24 angezeigt. Die Abscheider 21 und 22 sind z.B. Sackfilter, die noch kleinere Partikel abscheiden (siehe Pfeile 25, 26). Die Abscheider 20, 21, 22 sollen isoliert sein, um Wärmeverluste weitgehend zu vermeiden.
Die von Staubteilchen befreiten, weiterhin unter Druck stehende Rauchgase gelangen nun in ein Verdampfungsgefäß 30, in welches über eine Leitung 31 und einer Brause 32 od.dgl. Injektionseinriohtung ein flüssiges Kühl- und Arbeitsmedium unter entsprechendem Druck injiziert wird, welches beim Wärmeaustausch mit den z.B. 200 bis 300 C heißen Rauchgasen verdampft. Das Arbeitsmedium wird in solcher Menge injiziert, daß ein möglichst reicher, vorzugsweise nahezu gesättigter Dampf des Arbeitnediums gebildet wird, aber möglichst kein unverdampftes flüssiges Arbeitsmedium zurückbleibt. Eventuell trotzdem anfallendes flüssiges Arbeitsmedium kann sich in einem sumpf 33 ansammeln und über eine Leitung 34 in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Als Arbeitsmedium kann Wasser verwendet werden. Vorzugsweise wird jedoch eines der bekannten, für einen Rankine-Ereislauf geeigneten organischen Arbeitsmittel verwendet, insbesondere ein halogenierter Kohlenwasserstoff wie z.B. Octafluorcyclobutan C4P8, wie es unter dem Markennamen Frigen C 318 von der Firma Hoechst AG vertrieben wird. Dieses Arbeitsmedium weist in dem betreffenden rremperaturbereich eine ausreichende Bestandigkeit und ein an den anschließenden Entspannungs-Kondensationskreislauf besonders gut angepaßtes Siedeverhalten (Mollier-Diagramm) auf.
Das nach wie vor unter Druck stehende Dampf-Hauchgasgemisch aus dem Verdampfungsgefäß 30 wird dann einer Entspannungsturbine 91 zugeführt, in der es sich unter Arbeitsleistung entspannt und abkühlt. Die dabei frei werdende Arbeitsleistung kann durch einen von der Turbine 91 angetriebenen Generator 99 in elektrische Snergie umgesetzt werden. Durch die große Nasse des durch die Turbine 91 geleiteten Dampf-Bauchgasgemisches kann eine hohe Arbeitsleistung gewonnen werden.
Das entspannte und gekühlte Dampf-Gasgemisch gelangt dann in einen durch eine ühlschlane 39 mit einem Kühlmittel indirekt gekühlten Kondensator 35, in dem das Kondensat, und zwar sowohl das Arbeitsmedium als auch der kondensierte Wasseranteil der 1Rauchgase abgetrennt wird. Das kondensierte Arbeitsmedium wird über die Leitung 95 und die Pumpe 93 wieder im Kreislauf zur Zuführungsleitung 31 zurückgeführt. Ist das Arbeitsmedium Wasser, so kann auch der kondensierte Wasserdampfanteil der rauchgase über die Leitung 95 mitabgezosen und im Kreislauf geführt werden, wobei überschüssiges Wasser an geeigneter Stelle aus dem Kreislauf entnommen werden kann. Wird, wie oben erwähnt, vorzugsweise ein organisches Arbeitsmedium verwendet, so ist es einfach, das mit dem Arbeitsmedium nicht mischbare Wasser über eine getrennte (nicht dargestellte) Abzugsleitung dem Kondensator 35 zu entnehmen.
Die vom Kondensat befreiten, entspannten und z.B. auf Umgebungstemperatur (10 - 400 C), gekühlten Gase werden aus dem Kondensator 35 über die Leitung 38 abgezogen, durch einen Verdichter 45 erneut auf ca. 3 atü verdichtet und über die Leitung 49, gegebenenfalls einen Nachkühler 50 und die Leitung 53 in die Reinigungs- und Trennanlage 58 zum Abtrennen der gasförmigen Schadstoffe geleitet. Bei nur unvollständiger Entspannung der Rauchgase in der Turbine 91 kann eventuell der nachgeschaltete Verdichter 45 auch entfallen.
Abweichend von der dargestellten Ausführungsform kann statt des indirekten gekfihlten Kondensators 35 auch ein direkt durohinjiziertes Wasser gekühltes Kondensator- und Strippergefäß vorgesehen sein, in welchem das Arbeitsmedium und der Wasserdampf durch direkt injiziertes Wasser kondensiert und abgeschieden wird, so daß sich im Sumpf des Gefäßes zwei miteinander nicht mischbare Flüssigkeitsschichten des Arbeitsiediums und des Wassers bilden, an die Abzugsleitungen angeschlossen sind.
Die Trennanlage 58 besteht aus wenigstens drei gleichen Regeneratoren 59, 61, 63. Jeder dieser Regeneratoren 59, 61, 63 enthält lose Feststoffe, wie 8.3. Keraiikkngeln, Quarseteine, Stahlkugeln oder andere Körper, die große Oberflächen haben und als Wärmeträger dienen und dabei nicht korrodieren. Er ist mindestens in seinem unteren Teil wärmeisoliert. Automatische Schaltventile 64a, 64b, 64c und 65a, 65b und 65c sind an beiden Enden jedes der Regeneratoren 59, 61, 63 über Rohrverbindungen 67, 68 angeschlossen. Die Zuführleitung 53 führt zu den Ventilen 64a. Eine Abzugsleitun£-" 70 für Säuregas geht von den Ventilen 64b aus, während das gereinigte Gas durch die Leitung 71 von den Ventilen 64c abgezogen wird. An die Ventile 65a und 65c ist über Leitungen 73, 74 eine Expansionsturbine 75 angeschlossen, die einen 8tromgenerator 76 antreibt.
Das Säuregas, d.h. die Schadetoffe, werden durch eine Vakuumpumpe 79 aus der Abzugsleitung 70 abgesaugt und gelangt über eine Leitung 80 zum Kompressor 81, der es soweit nötig kosprimiert und über die Leitung 82 zur Weiterverarbeitunt, insbesondere zur Neutralisations-Gaswäsche, bringt.
Die Rauchgase werden in der Regeneratoranlage 58 zyklisch verarbeitet. In jeder Periode arbeitet jeder der Regeneratoren 9, 61, 63 in einer anderen Arbeitsphase. Während ein Xegenerator das einströmende Gas abkühlt und die Füllmasse dabei etwas erwärmt wird, werden in dem zweiten, von der Gaszufuhr abgeschalteten Regenerator die abgeschiedenen schwereren Komponenten durch Vakuum abgesaugt und im dritten Regenerator durch Zuführung das durch Entspannunz weiter gekühlten Reingases aus dem ersten regenerator die Füllmasse neuerdings heruntergekühlt. Die erste Periode wird eingeleitet durch das Öffnen der Ventile 64a, 65a am oberen und unteren Ende des Regenerators 59 und der Ventile 64c, 65c am Kopf und Boden des Regenerators 63. Gas strömt durch den Behälter 59, treibt die Turbine 67 und wird durch den Behälter 63 zurückgeleitet. Die expandierenden Gase in der Turbine 67 werden dadurch abgekühlt und geben die Kälte im Regenerator 63 ab. Natürlich wird angenommen, daß die Anlage bereits vorgekühlt wurde und die Regeneratoren am kalten Ende die entsprechende Temperatur halten. Während der Beschickung der Regeneratoren mit dem Rauchgas werden die weniger flüchtigen Komponenten ausgefroren. Alle 6 bis 10 Minuten werden die Regeneratoren umgeschaltet. Wichtig für die Funktion der Anlage ist ein ausreichendes Druckverhältnis zwischen Einlaß und Auslaß der Expansionsturbine 67. Dieses Druckverhältnis muß groß genug sein, um das rückgeführte Reingas und somit den Regenerator 63 entsprechend abzukühlen. Die weniger flüchtigen Komponenten des Gases werden beim Abkühlen im Regenerator 59 kondensiert bzw. aublimiert, während das Reingas" über den Regenerator 63 wieder auf Umgebungstemperatur aufgewärmt wird. Die Anschlüsse bzw. Schaltventile 65b werden hierbei nicht benötigt, können aber zweckmäßig sein, wenn z.B.
ein vierter Regenerator angeschlossen werden soll.
Eine weitere Phase, die gleichseitig mit der Beschickung des ersten und Kühlung des dritten Regenerators abläuft, ist die Verdunstung der ausgefrorenen Komponenten im zweiten Regenerator 61. Dieser Schritt wird durchgefilhrt, indem die Ventile 65a, 65b und 65c geschlossen werden und das warme Ende des Regenerators 61 durch das Ventil 64b mit der Pumpe 79 und dem Kompressor 81 verbunden wird. Die Vaknumpumpe arbeitet bei einem Druckverhältnis von ls10. Bei diesem Druckverhältnis werden die ausgefrorenen Komponenten wieder verdampft und in Form von Säuregas aus dem ilegenerator 61 abgezogen. Das so abgesaugte Gas wird im Kompressor 81 komprimiert und in die Rohrleitung 81 gedrückt. Das Säuregas wird normalerweise aus C02 bestehen mit relativ kleinen anteilen an H2S, SO2, SO3, HCN, NOx und anderen Schadstoffen. Je nach dem, wie niedrig die Temperstur am unteren Ende der Regeneratoren 59, 61, 63 eingestellt ist, können dabei eventuell im Rauchgas vorhandene, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, wie s.B. C2H4 und C2E6 sowie C3 und Cq Fraktionen festgehalten werden. Die Schadstoffe im Bäuregas werden in einer Laugenwäsche neutralisiert, wobei das Wasser, welches vom Austauscher 35 ab- gelassen wurde, Verwendung finden kann. Die erwähnten Kohlenwasserstoffe können dann zur Weiterverwendung abgetrennt werden.
Die aufeinanderfolgenden Phasen, so wie sie eben beschrieben wurden, werden dann so verschoben, daß der Regenerator 63 durch Leitung 53 und Ventil 64 beschickt wird, wobei die Schadkomponenten wiederum ausgeschieden werden, während das Reingas, nachdem es in Turbine 72 expandiert wurde, durch den Regenerator 61 zurückgeleitet wird. Gleichzeitig erfolgt die Verdunstung der sublimierten bzw. ausgefrorenen Komponenten, die im Regenerator 59 festgehalten wurden. Die nächste Schaltphase ist ähnlich wie die vorhergehenden, wobei das Gas durch die Leitung 53 in den Regenerator 61 aufgegeben wird und der Regenerator 59 durch Reingas abgekühlt wird und vom Regenerator 63 das Säuregas durch Pumpe 79 abgesaugt und im Kompressor 81 auf Druck gebracht wird. Die gereinigten Gase werden bei 71 in die Atmosphäre abgegeben, ohne daß dazu ein Schornstein notwendig ist. Da diese Abgase trocken sind, kann man sie eventuell in einem Verdunstungskühler verwenden.
Das Gas, das durch die Leitung 82 in eine Neutralisationeanlage geschickt wird, geht durch eine Laugenwäeohe, wozu auch das Wasser vom Austauscher 35 zur Aufbereitung verwendet wird.
Schadstoffe aus chemischen Verfahren, die also nicht von der Verbrennung bei 10 stammen, können mit den Gasen in Leitung 53 behandelt werden. Die Beimengung von solohen Gasen wird durch den Pfeil 90 im Verfahrensschema angezeigt.
Ein Ableitungesystem ähnlich wie eine Kanalisation 101 kann dazu vorgesehen werden, um Abgase aller Art zu reinigen.
Eine entsprechende Koiprimierung kann in der Leitung 101 vorgesehen sein, um die gesammelten Gase in die Leitung 53 aufgeben zu können. Falls auch wertvollere Komponenten, wie Wasserstoff oder Kohlenwasserstoff, in das Sammelsystem 101 gelangen, können sie vorher abgetrennt und einer Verwertung zugeführt werden.
L e e r s e i t e

Claims

Verfahren und Einrichtung zur behandlun- von Rauchgasen nach Patent ... e 26 56 563.3 P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zum Behandeln von Rauchgasen od.dgl. Verbrennungsabgasen vor dem Ausstoßen in die Atmosphsre, bestehend aus Entstaubung, Abkühlung bis unter den Taupunkt des Wasserdampfes durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium, Abtrennung des Kondensats, und Abtrennung gaeförmiger Schadstoffe durch Niederschlagen auf großen Oberflächen, über die die Rauchgase geleitet werden, wobei als Kühlmedium ein zunächst flüssiges und beim Wärmeaustausch mit den Rauchgasen verdampfendes Arbeitsmedium verwendet und dieses im Kreislauf geführt wird, in welchem die bei der Kiihiung der Gase aufgenommene Wärme durch Arbeitsleistung unter Entspannung wieder entzogen wird, und wobei die Abtrennung der gasförmigen Schadstoffe durch Ausfrieren an bis unter deren Kondensationstemperatur tiefgekühlten Generatorflächer erfolgt, nach Patent ... (P 2@ 5@ @@8.3), dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Arbeitzmedium in die zuvor komprimierten Hauchgase direkt injiziert und dabei verdampft wird @@@e: das Dampf-dauergasgemi@@@ durch Entspannung unter Arbeiteleistung gekühlt und das Arbeitsmedium kondensiert, von den gekühlten Hauchgasen getrennt und im kreislauf zurückgeführt wird.
2. Verfahren nach A Anspruch 1 , dadurch g e 1; e n n z e i c h -n e t , daß als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß als Arbeitsmedium eine organische Flüssigkeit, insbesonder ein halogenierter Kohlenwasserstoff verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß als Arbeitsmedium Octafluorcyclobutan C4F8 verwendet wird.
5 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Komprimierung der Rauchgase mindestens teilweise dadurch erfolgt, daß die die Rauchgase erzeugende Verbrennung im Feuerungsraum unter Druck erfolgt.
t. Verfahren nach Apspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß das bei der Abkühlung kondensierte wasser @esondert vom kondensierten Arbeitsmedium abgetrennt und abgezogen und als Neutralisierungsflüssigkeit bei der keutralisierung der vor, den Regeneratorkühlflächen abgezogenen Schadstoffe verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Menge des injizierten hrbeitsmediums so bemessen wird, daß nahezu ein Sattdampf Gebildet wird.
. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Entstaubungsstufe, einer mit Wärmetauscher versehene Abkiihlstufe und einer Abtrennstufe für gasförmige Schadatoffe mit Eeutralisiereinrichtung für die Schadstoffe, dadurch e K e n n z e i c h n e t , daß die Abkühlstufe ein Verdampfunsgef@s mit Zuführleitung (31) für die Rauchgase, Injedtionseinrichtung (32) für das Arbeitsmedium, sowie eine an das Verdampfungsgefüß (30) angeschlossene Entspannungs-Arbeitamaschine (91) aufweist.
9. Eiprichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c hnet, daß an die Entspannungs-Arbeitsmaschine (91) ein kondensator zur zur hbtennunb des kondensierten Arbeitsmediums angeschlossen ist, von dem eine Abzugsleitung (95) für das kondensierte Arbeitsmedium über eine Pumpe (93) im Kreislauf zurück zur Injektionseinrichtung (32) beführt ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Verdampfungsgefäß (30) einen Gumpf (33) für überschünsiges flüssiges Arbeitsmedium aufweist, der über eine Leitung (34) an die Pumpe (93) angeschlossen ist.