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Beschreibung
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Verfahren zur Wärmerückgewinnung aus Abgasen und hierfür geeignete
Vorrichtung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückgewinnung
der#ügbaren Wärme eines Gasstroms wie eines Abgases. Der Gasstrom wird im Gegenstrom
mit einem flüssigen Medium in zwei Stufen in Berührung gebracht. Die erste Stufe
findet zwischen dem teilweise gekühlten Gasstrom und einem kalten flüssigen Medium
in einem Packungsbett statt, durch welches die Kühlflüssigkeit abwärts und der Gasstrom
aufwärts strömt, so daß das aufgewärmte Kühlmedium und der abgekühlte Gasstrom ausgetragen
werden können. Die zweite Stufe findet statt zwischen dem aufgewärmten Kühlmedium
aus der ersten Stufe und dem heißen Gasstrom in einer Vielzahl von parallelen vertikal
angeordneten Durchgängen. Das aufgewärmte Kühlmedium fließt an den Innenwände der
vertikalen Durchgänge als dünner Flüssigkeitsfilm (Fallstromkühler) abwärts, während
der heiße Gasstrom aufsteigt, so daß heißes Kühlmedium und teilweise abgekühltes
Gas ausgetragen werden können. Die zweite Stufe erfolgt durch direkten Wärmeübergang
mit geringem Massenübergang, so daß minimale Wärmeverluste durch Verdampfen von
flüssigem Medium und Austragen des Dampfes mit dem Gasstrom eintreten.
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nn einem Das heiße Kühlmedium wird/in/indirekten Wärmeaustausch mit
einem fließfähigen Medium heruntergekühlt und das fließfähige Medium, welches Wasser,
Luft oder ein Prozeßstrom sein kann, wird dabei erwärmt.
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Die Wärmerückgewinnung, insbesondere bei nur mäßig erhöhten Temperaturen
aus einem Gasstrom enthaltend der korrodierendeyverschmutzende Bestandteilewie die
verschiedensten Abgase, erscheint im Hinblick auf die allgemeine Energiekrise und
die hohen Kosten für Primärenergie geboten. Das Problem der wirksamen und wirtschaftlichen
Wärmerückgewinnung ist dann besonders groß, wenn nur relativ tiefe Temperaturen
des Gases zur Verfügung stehen. Im Falle von Abgasen muß deren fühlbare Wärme aus
einem großen Gasvolumen, welches nur einen geringen Wärmeinhalt hat, gewonnen werden.
Abgase aus dem Abbrennen schwefelhaltiger Brennstoffe sind außerordentlich korrosiv
insbesondere dann, wenn die Verbrennungsgase mit einem wässrigen Medium gewaschen
worden sind, welches zur Bildung von schwefeliger Säure und Schwefelsäure in situ
führte.
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Abgase enthalten darüberhinaus auch im allgemeinen beträchtliche Mengen
an Schwebstoffen wie Staub, Ruß, Flugasche und dergleichen.
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Zur Wärmerückgewinnung sind die verschiedensten Methoden bekannt (US-PS
1 083 885, 1 986 529, 2 090 466, 2 878 099, 3 169 575, 3 439 724 und 3 906 507).
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Aufgabe der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Wärmerückgewinnung
aus heißen Abgasen enthaltend Schwebstoffe und giftige Bestandteile, die an kalten
Wärmeaustauscherflächen hochkorrosive Kondensate bilden würden. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren sind zwei Wärmeaustausch-Stufen vorgesehen. In der ersten Stufe wird eine
wässrige Flüssigkeit in direkte Berührung mit dem heißen Gasstrom gebracht, wobei
diesem Wärme entzogen und die Temperatur der Flüssigkeit angehoben wird.
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Gleichzeitig werden die Schwebstoffe und die giftigen Gase durch die
Flüssigkeit ausgewaschen, wodurch man eine erwärmte Schwebstoffe und Verunreinigungen
enthaltende Flüssigkeit einerseits und einen abgekühlten gereinigten
Gasstrom
andererseits erhält. Die giftigen Gase liegen nun in verdünnter Lösung vor, in der
sie ungefährlich bzw. unschädlich sind. In der zweiten Stufe gelangt nun die vorgewärmte
Schwebstoffe und giftige Gase enthaltende Flüssigkeit zu einem indirekten Wärmeaustausch
mit einem Kühlmedium und wird dadurch abgekühlt, während das Kühlmedium aufgewärmt
wird. Mit anderen Worten wird die fühlbare Wärme des heißen Gasstroms mit Hilfe
dieser beiden Wärmeaustauschereibeiten zur Erwärmung des Kühlmediums herangezogen,
ohne daß dieses die Schwebstoffe und giftigen Gase aufzunehmen hat und ohne daß
während der zweiten Stufe aus diesen giftigen Gasen korrosive Flüssigkeiten kondensiert
werden.
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Wie oben bereits erwähnt, handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren um ein zweistufiges Verfahren, bei dem das Abgas im Gegenstrom mit einer
Flüssigkeit in Berührung gebracht wird. In der ersten Stufe findet der Gegenstrom-Kontakt
zwischen teilweg gekühltem Gasstrom und kalter Flüssigkeit unter Bildung einer aufgewärmten
Flüssigkeit und des vollständig abgekühlten Gasstroms statt. In der zweiten Gegenstrom-Stufe
wird die aufgewärmte Flüssigkeit mit dem eintretenden Heißgas in Berührung gebracht,
wodurch man eine heiße Flüssigkeit und einen teilweise gekühlten Gasstrom erhält.
Die erste Stufe erfolgt in einem Bett aus Füllkörpern wie Kugeln, Ringen, Sattelkörpern
oder dergleichen, durch welches die kalte Flüssigkeit abwärts fließt und der teilweise
gekühlte Gasstrom aufsteigt. Die zweite Stufe findet in einer Vielzahl von parallelen
vertikal angeordneten Durchgängen statt. Die aufgewärmte Flüssigkeit fließt über
die Innenwände der Durchgänge als dünner Film abwärts, während das heiße Gas in
direkter Berührung mit dem Fallfilm aufsteigt, so daß ein hoher Wärmeübergang bei
geringem Massenübergang stattfindet, d.h. es findet
nur in geringem
Ausmaß eine Verdampfung der Flüssigkeit statt, so daß auch nur eine geringe Dampfmenge
mit dem Gasstrom abgeführt wird und nur eine geringe Wärmemenge als Verdampfungswärme
verbraucht wird.
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Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung
umfaßt ein im wesentlichen horizontal angeordnetes Bett aus Füllkörpern in einem
ersten Behälter oder Raum und eine Vielzahl von vertikalen Durchgängen oder Leitungen
in einem zweiten Behälter oder Turm, ded darunter angeordnet ist. Zur Verteilung
der kalten FlUss$¢eit über das Bett sind entsprechende Vorrichtungen vorgesehen,
ebenso für die Verteilung des auMLeigenden teilweise gekühlten Gasstroms. Die aufgewärmte
Flüssigkeit wird unter dem Füllkörperbett abgezogen und der völlig abgekühlte Gasstrom
über dem Bett entnommen und aus dem ersten Behälter ausgetragen. Die aufgewärmte
Flüssigkeit gelangt aus dem Boden des ersten Behälters in den Kopf des zweiten Behälters.
Dort wird die aufgewärmte Flüssigkeit über die Durchgänge oder Leitungen verteilt,
an deren Innenwände sie als dünner Film abwärts fließt (Fallfilm-Austauscher).
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Das heiße Abgas tritt in den Boden des zweiten Behälters ein und steigt
durch die Leitungen auf, wodurch es teilweise gekühlt wird. Aus dem Kopf des zweiten
Behälters wird es dann unter das Bett im ersten Behälter verteilt, während die heiße
Flüssigkeit aus dem Boden des zweiten Behälters ausgetragen werden kann. Die Flüssigkeit
wird über den Leitungen versprüht1 um das Gas vor ihrem Eintritt in das Füllkörperbett
zu waschen und teilweise zu reinigen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
gelangt nun die heiße Flüssigkeit in indirektem Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium,
*daneben oder vorzugsweise
wobei dieses erwärmt und die Flüssigkeit
abgekühlt wird.
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Das Kühlmedium kann Wasser sein-z.B. Prozeßwasser, Trinkwasser, Kesselspeisewasser-oder
Lduiftt wie zur Raumbeheizung oder als Verbrennungsluftyoder auch irgendeine andere
Flüssigkeit oder ein anderes Kühlgas.
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Die beiden Behälter für die erste und zweite Stufe können nebeneinander
oder übereinander angeordnet sein, wobei letzteres bevorzugt wird. In diesem Fall
kann man auch die beiden Stufen in einem einzigen Behälter oder in einer Kolonne
oder dergleichen zusammenfassen.
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Die vertikalen Durchgänge oder Leitungen können im Querschnitt regulär
polygonal sein, wie sechsecki#und sind zweckmäßigerweise nebeneinander bienenwabenartig
angeordnet.
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Die Flüssigkeit ist in erster Linie Wasser oder eine wässrige Lösung
oder Dispersion. Enthält das zu reinigende Gas Schwefeldioxid, also wenn es sich
um das Abgas aus der Verbrennung von schwefelhaltigen Brennstoffen handelt, so wendet
man zweckmäßigerweise als Flüssigkeit Wasser enthaltend eine alkalischeyerbindung
an, welche Schwefeldioxid aus dem Gas zu binden vermag und damit eine Luftverunreinigung
verhindert. Bei ir bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist demnach die Flüssigkeit eine wässrige Lösung einer alkalisch reagierenden Substanz
wie Hydroxid, Sulfit oder Carbonat von Natrium, Kalium, Lithium oder Ammonium bzw.
eine Aufschlämmung oder eine wässrige Dispersion enthaltend alkalisch reagierende
Stoffe wie Hydroxide, Sulfite oder Carbonate von Magnesium, Calcium oder Barium.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
enthält der Topf des zweiten Behälters zur Verteilung der aufgewärmten Flüssigkeit
eine
Vielzahl von Düsen, die nebeneinander in einer im wesentlichen horizontalen Ebene
angeordnet sind. Unterhalb der Leitungen befinden sich im allgemeinen Ablenkvorrichtungen,
so daß die eintretenden heißen Gase gleichmäßig in die Leitungen eintreten. Die
Abführung des Kitgases aus dem Kopf des ersten Behälters enthält vorzugsweise einen
Deflegmator oder Tröpfchenabscheider über dem Füllkörperbett und einen Kamin aus
dem Kopf des ersten Behälters, in welchem sich unmittelbar ober dem Füllkörper-Bett
des ersten Behälters ein Saugzug-Gebläsebefindet. Auch im Kopf des zweiten Behälters
befindet sich zweckmäßigerweise ein Tröpfchenabscheider, und zwar über der Sprühvorrichtung
für die Flüssigkeit. Dieser Tröpfchenabscheider kann eine Anzahl von Leitblechen
oder dergleichen sein, wie Winkelbleche oder Füllkörper.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die hierfür geeignete Vorrichtung
werden in erster Linie zur Rückgewinnung von Wärmeenergie, die vorher nicht genutzt
worden ist, angewandt; dies gilt in erster Linie für Abgase aus Industrieanlagen
und Anlagen, wo große Mengen an Brennstoffen abgebrannt werden wie Kraftwerken und
dergleichen. Die erfindungsgemäße Anlage läßt sich mit jeder beliebigen bestehenden
Anlage kombinieren, also auch angeschlossen werden an Verbrennungsanlagen für Heizöl,
Kohle, Gas und Abgänge sowie Rückstände aus der Kohleaufbereitung. Dadurch kann
die Gesamt-Wärmewirtschaftlichkeit derartiger Anlagen bis auf über 95 % angehoben
werden, was sich durch Einsparung an Brennstoff zeigt.
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Durch das erfindungsgemäße System gelingt ganz allgemein gesprochen
durch direkten Wärmeübergang die Nutzung der Wärme eines heißen Abgases. Die Arbeitsflüssigkeit
gelangt mit dem heißen Abgas in direkten Kontakt. Diese kommt in direkten thermischen
Kontakt mit der zu erwärmenden Prozeßflüssigkeit
durch etwas abgeänderte
Konstruktion des Gehäuses und unter Verwendung von RohrWärmeaustauscher.
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Auf diese Weise erreicht man den Wärmeübergang von dem heißen Abgas
auf das kalte Prozeßprodukt. Das kalte Abgas wird über den Kamin mit einer Temperatur
von etwa 320C abgeleitet. Der 9ugag dient zur Kompensation des Druckverlusts innerhalb
der Anlage.
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Von besonderer Bedeutung ist die Einfachheit, mit der die Abgastemperatur
unter den Taupunkt gesenkt werden kann. Die beim Abkühlen kondensierenden Schwefelsäuren
fallen als Arbeitsflüssigkeiten mit einer Konzentration #0,5 56 an. Aufgrund dieser
Konzentrationen sind die Korrosionsprobleme ohne Schwierigkeiten zu beherrschen.
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Korrosion, die normalerweise bei Temperaturen unter dem Taupunkt des
Abgases auftritt, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht zu erwarten.
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Bei der Mehrzahl der Heizanlagenvwie Kesseln,unabhängig beheizten
Heißwasserbereitern oder Lufterhitzern-beträgt die Wärmerückgewinnung 17 bis 25
56 der Leistung bei Abgastemperaturen in der Größenordnung von 149 bis 4250C. Einsparungen
erreicht man somit bei den Kesselanlagen für Öl und Erdgas. Andere Anwendungsgebiete
des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Trockner, Öfen, Schachtöfen, Brenner, Härteöfen
und dergleichen.
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Bei allen diesen technischen Gebieten wird aus der aufgewandten Wärmeenergie
nur sehr wenig verbraucht, so daß der Hauptanteil im allgemeinen über die Schornsteine
verloren geht. Das erfindungsgemäße Verfahren und die dafür geeignete Vorrichtung
gestatten nun die Nutzbarmachung dieser Wärmeenergie, so daß der Wärmeaufwand gesenkt
werden kann. In vielen Anlagen kann in dadurch garmwasserbereiter oder Lufterhitzer
eingespart werden, womit wieder ein gewisser Energiegewinn verbunden ist.
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Bei den meisten Anwendungsgebieten wird die rückgewonnene Wärmeenergie
auf Frischwasser übertragen, also zum Vorwärmen von Frischwasser, bevor dieses auf
Arbeitstemperatur erhitzt und angewandt wird. Für Anlagen, der /Bedarf an Heißwasser
groß ist, können durch das erfindungsgemäße Verfahren die größten Einsparungen erreicht
werden. Durch Einsparung von Brennstoffen durch sonst nicht genutzte Wärmeenergie
kann die Leistungsfähigkeit von Heißwasseranlagen weitgehendst verbessert werden.
Auf diese Weise lassen sich oft Spitzenbelastungen vermeiden. Andere Anwendungsgebiete
sind die Kesselspeisewasser-Vorwärmung, Raumbeheizung, Lufterhitzung und ganz allgemein
gesprochen überall dort, wo mäßige Temperaturen benötigt werden. Man kann Je nach
den angestrebten Anwendungsgebieten das erfindungsgemäße Verfahren ganz speziell
dimensionieren. Ein Beispiel dafür ist eine Temperatursteigerung von bereits vorgewärtem
Prozeßwasser aus bereits vorhandenen Wärmerückgewinnungsanlagen in Verbindung mit
dem Vorwärmen von frischem Kesselspeisewasser. Diese Optimierung der Wärmerückgewinnung
wird schnell zu einer Notwendigkeit, wenn die Kosten für die Energie weiter steigen.
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In der zweiten Verfahrensstufe liegt eine Vielzahl von Durchgängen
oder Leitungen vor, in denen ein großer Wärmeübergang bei geringem Massenübergang
stattfindet.
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Hoher Wärmeübergang bei geringem Massenübergang ist wünschenswert,
d.h. wenn Dampf entweichtlwird Wärme verbraucht und als Verdampfungswärme vergeudet,
denn die Dämpfe werden von dem Gasstrom mitgenommen. Demzufolge ist der Massenübergang
möglichst gering zu halten.
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Mit anderen Worten konkurrieren die Wassererhitzung und die Dampferzeugung.
Die Wärmeenergie ist für die Wassererhitzung aufzuwenden. Dies erreicht man durch
direkten Kontakt mit einem dünnen Flüssigkeitsfilm an der Innenfläche eines vertikalen
Rohrs in der zweiten Verfahrensstufe innerhalb des zweiten Behälters. Ohne
dieser
Vorrichtung wäre die Austrittstemperatur der Flüssigkeit thermodynamisch begrenzt
auf einen Bereich zwischen 55 und 650C. Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet
Jedoch weit höhere Austrittstemperaturen.
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Nach der Erfindung gewinnt man Abwärme zurück und kann sie über ein
anderes Medium durch rekuperativen Wärmeaustausch nutzbar machen. Dazu muß die Wärme
von der Arbeitsflüssigkeit, die höchstmögliche Austrittstemperatur zuläßt, auf einen
Wärmeträger übergehen.
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der Durchgänge Aufgrund der benetzten Flächen/wird eine Korrosion
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden. Die Heizflächen bzw. Kühlflächen
stehen nicht mit dem sehr korrosiven Gas in Berührung und die Flüssigkeit kann gegebenenfalls
chemisch behandelt werden. Gase mit einem sehr hohen Schwebstoffgehalt können ohne
der Gefahr von Verstopfungen durch die Schwebstoffe (Stäube, Fasern, Ruß, Asche
und dergleichen) verarbeitet werden, Gase enthaltenden kondensierbare Verbindungen,
welche zusammenlaufen und klebrig sein können (Harze, Gummen, Polymere und dergleichen)lassen
sich in gleich guter Weise verarbeiten. Diese Produkte kondensieren an der Flüssigkeitsoberfläche
und werden mit der Flüssigkeit abtransportiert. Wenn sie an der Innenfläche der
Durchgänge oder Leitungen kondensieren, entstehen dabei keine Probleme wegen deren
großen Querschnitts.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders zweckmäßig für ein
Wasser/Gas-System wegen des hohen Wärmeübergangs und des geringen Massenübergangs.
Der Hauptgrund dafür ist die mäßige Oberflächenregenerierung des fallenden Flüssigkeitsfilms.
Auch die Sprüheinrichtung im Kopf der Anlage stellt ein wirksames Mittel zur Kondensation
aus dem austretenden Gas dar.
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Werden Sprühdüsen unterschiedlichen Sprühwinkels vorgesehen, so erfüllt
die Anlage auch die Funktion/ einen Gasgegenstrom zu dem Sprühstrahl zu gestatten.
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Dies beruht auf der Unfähigkeit des Gases und/oder der Tröpfchen zu
verwirbeln und sich damit zu mischen, was zu einer einstufigen Berührung führen
würde. Dabei wird der Vorteil der Vermeidung einer Verstopfung der Anlage aufrechterhalten.
Durch die Flüssigkeitszerstäubung kommt es zur Entfernung eines sehr großen Anteils,
im allgemeinen von etwa 90 96(der gröberen und eventuell zu einer Verstopfung führenden
Schwebstoffe. Auf diese Weise kann man das Gas anschließend nach einem anderen Mechanismus
behandeln wie in einer Füllkörperkolonne, in Sackfiltern oder dergleichen. In der
erfindungsgemäßen Vorrichtung kommt es zu einem geringen Druckabfall, so daß für
den Betrieb ein geringerer Kraftbedarf und eine einfachere Anlage erforderlich sind.
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Zusammenfassend kann man also sagen, daß das erfindungsgemäße Verfahren
zur Wärmerückgewinnung auf dem direkten Kontakt einer Arbeitsflüssigkeit mit dem
Heißgas beruht.
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Dieser Kontakt erfolgt im Gegenstrom, so daß mit hohem Temperaturunterschied
einerseits und größtem Temperaturausgleich andererseits gearbeitet werden kann.
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Die Arbeitsflüssigkeit ist im allgemeinen eines wässrige Lösung, deren
gelöste Substanzen im Hinblick auf die spezielle Anlage und das spezielle Verfahren
gewählt sind.
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Die Aufgabe der Anlage ist ein zweifache; einerseits geht es um die
Rückgewinnung von Wärmeenergie bei der höchstmöglichen Temperatur, d.h. um die Flüssigkeit
auf die aus thermodynamischen Gründen höchst zulässige Temperatur zu erwärmen; in
zweiter Linie geht es darum, das Gas von den Schwebstoffen (Staub, Asche, Nebel)
und den gasförmigen Verunreinigungen zu befreien.
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das ist An der Heißgas-Eintrittsstelle , /Flüssigkeits-Austrittsstelle
(zweite Stufe), ist eine Vorrichtung für hohen Wärmeübergang und geringen Massenübergang
vorgesehen,
um die Wasserverdampfung möglichst nieder zu halten.
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Dieser Massenübergang beruht auf der Wärmeaufnahme aus dem Gas in
Form von Verdampfungswärme und nicht zu sehr der fühlbaren Wärme durch die#lüssigkeit,
wodurch der Anstieg der gesamten Temperatur gering ist. Die Vorrichtung für die
zweite Stufe besteht grundsätzlich aus einer Gruppe parallel an der Innenwand von
Rohren fallenden Flüssigkeitsfilmen, innerhalb welcher im Gegenstrom vertikal zylindrisch
oder in einem Ringraum aufsteigend sich das Gas nach oben bewegt. Dadurch wird hoher
Wärmeübergang bei relativ geringem Massenübergang erreicht. Die Folge davon ist
eine hohe Wasser-Austrittstemperatur. In dieser Stufe wird etwa 25 bis 30 56 der
verfügbaren Wärmeenergie des Gases übertragen.
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Der Rest wird in der sich anschließenden Stufe übertragen. Die Flüssigkeit
wird am Kopf des Zylinders mit Hilfe einer Anzahl von Sprühdüsen verteilt. Sie wird
über eine Pumpe zugeführt,# deren Saugseite sie aus der vorhergehenden Kontaktstufe
aufnimmt.
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Durch den Sprühkontakt in der zweiten Stufe werden aus dem Gas die
meisten gröberen Schwebstoffe (Asche, Staub) entfernt. Daher können sich diese groben
Schwebstoffe nicht in der Füllkörperkolonne der ersten Stufe abscheiden und deren
freien Strömungsraum einschränken.
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Das Gas tritt dann unten in die Füllkörperkolonne ein.
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Die Flüssigkeit in diesem Bereich stammt aus der in den Kopf der Kolonne
kalt eingespritzten Flüssigkeit.
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In der Kolonne strömt das Gas im Gegenstrom zu der Flüssigkeit. Es
wird dabei der restliche Wärmeinhalt aus dem Gas auf die Flüssigkeit übertragen,
während gleichzeitig eine Waschwirkung in die Füllkörperkolonne eintritt. Damit
werden die feineren Staubteilchent nebel- und gasförmige Verunreinigungen aus dem
Gas entfernt. Ist die Flüssigkeit entsprechend zusammengesetzt, d.h. enthält sie
entsprechende alkalisch wirkende
Zusätze, so läßt sich aus dem
Gas auch eine gasförmige Komponente wie Schwefeldioxid entfernen. Mit Hilfe von
basischen Substanzen lassen sich die Schwefeloxide auswaschen.
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Zum Schluß findet der Kontakt zwischen dem gekühlten Gas und der kalten
Flüssigkeit, die im Kopf der Anlage eingespritzt wird, statt, Dies führt zu der
Kondenstion kondensierbarer Bestandteile des Gases und zur Herunterkühlung des Gases
auf einige Grade über die Eintrittstemperatur der Flüssigkeit. Nun kann das Kaltgas
abgeblasen werden.
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Das Gesamtergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Übertragung
der gesamten im Gas verfügbaren Wärme, nämlich sowohl der fühlbaren Wärme als auch
der latenten Wärme des darin enthaltenen Wasserdampfs, wobei die Arbeitsflüssigkeit
die höchstmögliche Temperatur erhält und gleichzeitig das Gas gewaschen ist.
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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren weiter erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens und
der dafür geeigneten Vorrichtung; Fig. 2 ist eine Ansicht der Fallfilmkolonne von
unten auf den Schnitt 2-2 der Fig. 1; Fig. 3 ist eine ähnliche Ansicht, Jedoch entlang
des Schnitts 3-3 der Fig. 1; Fig. 4 ist eine Prinzipskizze einer anderen Ausführungsform
der für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Vorrichtung; Fig. 5 zeigt die
Ansicht des Querschnitts nach 5-5 der Fig 4 der Fallfilmkolonne; Fig. 6 bis 9 zeigen
Prinzipskizzen anderer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer
dafür geeigneten Vorrichtung.
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Bei den Fig. 1 bis 3 soll ein Abgas aus einem Dampfkessel 10 erfindungsgemäß
behandelt werden Das Abgas 12 aus dem Dampfkessel 10 kann ohne Waschen und/oder
Wärmerückgewinnung über den Schornstein 14 in die Atmosphäre 16 abgeblasen werden.
Das Abgas enthält Stickstoff, Kohlendioxid und restlichen Sauerstoff und im Falle
der Verfeuerung von schwefelhaltigen Brennstoffen einen geringen Anteil von Schwefeldioxid
und einen sehr kleinen Anteil von Schwefeltrioxid und darüberhinaus noch üblicherweise
Schwebstoffe wie Ruß oder Flugasche. Das Abgas hat eine Temperatur von etwa 150
bis 3000C.
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Das Abgas 12 gelangt über das Ventil 18 und die Leitung 20 in den
unteren Teil 24 der Wärmerückgewinnungsanlage 26. Im unteren Teil 24 befindet sich
eine Vielzahl von im Abstand voneinander parallel und horizontal angeordneten Stäbe
28. Diese Stäbe sind in parallelen Reihen so angeordnet, daß sie den Strom des Abgases
in eine Vielzahl von parallelen vertikal ausgerichteten Gasdurchgängen 30, die aus
dem unteren Teil 24 nach oben gerichtet sindzerteilen Oberhalb der Gasdurchgänge
30 führt das Rohr 32 Flüssigkeit über die Düsen 34 in das obere Ende der Gasdurchgänge
30 ein. Die Flüssigkeit - in diesem Fall eine wässrige Lösung - tritt aus den Düsen
34 beispielsweise mit einer Temperatur von etwa 40 bis 800C aus.
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Die Tröpfchen der Flüssigkeitsstrahlen 36 fallen in den Gas durchgängen
30 nach unten und berühren deren Wände, so daß dünne Flüssgkeitsfilme38 (Fig. 3)
sich ausbilden, die an der Innenfläche der Gasdurchgänge 30 mit hexagonalem Querschnitt
abwärts fließen und sich in dem unteren Teil 24 zu einem Volumen vorgewärmter Flüssigkeit,
nämlich mit einer Temperatur von etwa 60 bis 950C1sammeln. Von dort wird die warme
Flüssigkeit 40 über die Leitung 42 in den Wärmeaustauscher 44 geführt und dort auf
etwa 45 bis 850C abgekühlt.
Die abgekühlte Flüssigkeit 48 gelangt
nun über die Leitung 46 in die Rücklaufleitung 50 und die Austragleitung 52 und
kann von dieser als abgekühlte Flüssigkeit 54 bei 56 abgezogen werden. Handelt es
sich bei der Arbeitsflüssigkeit um Wasser und bei dem Gas um Abgase, so kann die
abgekühlte Flüssigkeit in den Abwasserkanal oder dergleichen eingeleitet werdenlum
ein Ansammeln der Schwebstoffe in der Arbeitsflüssigkeit zu verhindern. Enthielt
das Abgas Schwefeldioxid und die Arbeitsflüssigkeit eine alkalische Substanz, so
kann die abgekühlte Flüssigkeit 56 zur Freisetzung und Gewinnung von S02 und zur
Regenerierung der alkalischen Arbeitsflüssigkeit aufgearbeitet werden.
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Die rücklaufende Flüssigkeit in der Rücklaufleitung 50 wird mit Hilfe
der Pumpe 58 und der Leitung 60 aufwärts bis in die Leitung 64 geführt, über welche
frische Arbeitsflüssigkeit 66 nachgespeist werden kann. Die Arbaitsflüssigkeit wird
über die Leitung 68 und die Sprühdüsen 72 nach unten gerichtet auf das Füllkörperbett
74 innerhalb des Behälters 76. Die Flüssigkeit durchströmt das Füllkörperbett und
kühlt und wäscht das aufsteigende Gas weiter, welches unten in das Bett 74 über
die Leitung 78 eintritt, in welche das aus den Gasdurchgängen 30 aufgestie#ne,teilweise
gekühlte und gewaschene Gas gelangt. Das das Bett 74 verlassende Gas tritt in den
Kamin 82 ein und wird mit Hilfe des Saugzug-Gebläses 86 abgeblasen.
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Die Aufteilung der Flüssigkeit zwischen der einen Kontaktstufe 76
und den Gaadurchgängen 30 geschieht mit Hilfe der Trennwand 88, welche das aufsteigende
Gas in/geetung 78 führt und gleichzeitig die abfließende Flüssigkeit unter dem Bett
74 über die Leitung 92 und Pumpe 94 der Leitung 32 zuführt#m nun zum unteren Teil
der Anlage nach Fig. 1 zu kommen so ergibt sich daraus, daß der Leitung 96 innerhalb
des
Wärmeaustauschers 44 über die Pumpe 98 und die Leitung 100 aus dem Vorratsgefäß
112 und Leitung 118 Kühlwasser zugeführt wird, welches über die Leitung 114 in das
Vorratsgefäß zuläuft. Anstelle von Wasser kann für diesen Zweck auch Luft oder irgendein
beliebiges Prozeßprodukt dienen. Jedenfalls wird das Wasser auf eine Temperatur
von etwa 50 bis 900C erwärmt durch indirekten Wärmeaustausch mit der warmen Flüssigkeit
40, wobei die höchste Temperatur abhängt von verschiedenen Faktoren wie relative
Strömungsgeschwindigkeit, Heizfläche, Gegenstrom oder Gleichstrom oder dergleichen,
was alles dem Fachmann bekannt ist. Das erwärmte Kühlwasser wird über 104 aus dem
Wärmeaustauscher abgeleitet und kann über 106 ausgetragen und ein Teil davon gegebenenfalls
über die Rückleitung 110 in das Vorratsgefäß 112 geführt werden.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 und 5 handelt es sich im wesentlichen
um eine ähnliche Anlage wie bei Fig. 1 bis 3, Jedoch mit winkelförmigen Einbauten
als Tropfenfänger 120 über den Sprühdüsen 34 für die Arbeitsflüssigkeit. Aus der
Fig. 4 entnimmt man die fallenden Flüssigkeitsfilme 38 an den vertikalen Wänden
122 in einer Fallfilmkolonne mit honigwabenartigem Querschnitt. Diesen fallenden
Flüssigkeitsfilmen strömen die Gasteilströme 126 entgegen. Bei dieser Ausführungsform
wird die Verdampfungskühlung der Flüssigkeit in die Gasteilströme verhindet, so
daß zwar der Wärmeübergang groß der Massenübergang Jedoch gering ist.
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Die Flüssigkeitsstrahlen 36 führen zu einer Vorreinigung des Gases
unter Kondensation von Wasserdampf. Die Heißgase können in diesem Fall feucht sein
und Säuren oder saure Gase enthalten, welche korrosiv sind, wie Abgase aus der Schwefelsäureindustrie,
in der schwefeltrioxid haltiges Prozeßgas mit Oleum oder konzentrierter Schwefelsäure
zur Herstellung von gegebenenfalls rauchender
Schwefelsäure gewaschen
wird. Derartige Abgase können außer Säuretröpfchen auch S03 und SO, enthalten, welche
als solche und absorbiert in einem wässrigen Medium außerordentlich korrosiv sind.
Die absteigenden Wasserfilme 38 verhindern Jedoch einen korrosiven Angriff auf die
Wände 122.
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Das Heißgas kann aber auch kondensierbare Harze als Schwebstoffe oder
als Dämpfe bei 100 bis 3000C enthalten.
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Solche gummiartigen Produkterwie Harze oder andere Schwebstoffe wie
Faserflug, können zu einem Verstopfen der Anlage und der Prozeßeinheiten führen,
Jedoch findet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kondenstation der Dämpfe und
die Aufnahme der Schwebstoffe in der Flüssigkeit nicht an den Wänden 122 sondern
an dem Flüssigkeitsfilm 38 statt.
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Die ablaufende warme Flüssigkeit sammelt sich in dem Trichter 128,
gelangt in den Wärmeaustauscher 130 und wird dann wie oben wieder rückgekühlt. Die
rückgekühlte Kühlflüssigkeit gelangt schließlich aus dem Wärmeaustauscher 130 über
die Leitung 132 wieder zur Verdüsung.
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In der Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform des Verfahrens und
der Vorrichtung nach der Erfindung gezeigt. Die erfindungsgemäße Anlage ist angebaut
an einen Schornstein einer Kesselanlage.Mit Hilfe einer Pumpe wird die heiße Arbeitsflüssigkeit
zum ersten Kontakt im unteren Sprühbereich über die untere Verteilerleitung 134
sowie in den anschließenden Wärmeaustauscher geleitet. Die ausgebrauchte kalte Arbeitsflüssigkeit
tritt aus diesem bei 136 aus und kann über 138 in die obere Verteilerleitung 140
rückgeführt oder verworfen werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 namlich bestehen
somit zwei Sprühzonen,/unterhalb der Verteilerleitungen 134 und 140.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 gelangt das Heißgas aus einer
Kesselanlage, enthaltend Ruß und dergleichen1 in eine Sprühzone unterhalb der Verteilerleitung
144, in der die eventuell zu Verstopfungen neigenden Schwebstoffe ausgewaschen werden.
In dieser Stufe braucht das Gas nicht vollständig gewaschen werden, sondern es sind
nur die groben Schwebstoffe, die sonst das Bett der Füllkörper 146 verlegen würden,
zu entfernen. Als Füllkörperbett können übliche Stoffe angewandt werden. Auch bei
der oberen Sprühkammer 148 kann es sich um eine bekannte Konstruktion für gute Verteilung
der rückgeleiteten Waschflüssigkeit handeln.
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Die in der Fig. 8 gezeigte Ausführungsform nach der Erfindung ist
ähnlich der der Fig. 1 mit Ausnahme, daß das Füllkörperbett 150 in dem Behälter
152 getrennt ist von der Fallfilmkolonne 154. Das Heißgas kann mit einer Temperatur
von etwa 200 bis 6000C eintreten, während die erwärmte Flüssigkeit die Fallfilmkolonne
mit einer Temperatur von etwa 50 bis 95 0C verläßt.
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Als Flüssigkeit kann man anstelle eines wässrigen Mediums auch eine
Kohlenwasserstoffraktion und dergleichen anwenden; dann kann diese mit höherer Temperatur-z.B.
bis etwa 1500C-ausgetragen werden.
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Das Fließschema der Fig. 9 zeigt die bevorzugte Erwärmung vonProzeßwasser
159 für beispielsweise eine Papiedindustrie, Textilindusi#e, Gerberei oder Wäscherei.
Das zu erwärmende Wasser kann auch Trinkwasser für den Verbrauch in Wohnanlagen
oder Krankenhäusern, in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben oder dergleichen sein.
Es kann aber auch Kesselspeisewasser sein, wenn das Kondensat nicht rückgeleitet
werden soll. In einem anderen Fall kann das zu erwärmende fließfähige Medium in
der Einheit 160 Luft sein,z.B. sekundäre Verbrennungsluft oder Zusatzluft für die
Raumbeheizung1für das Trocknen der Luft oder dergleichen. Der Regler 162 regelt
die
Strömungsgeschwindigkeiten über die Schaltleitungen 164, 166, 168 auf pneumatische,
elektrische oder mechanische Weise und erhält die entsprechenden Meßwerte über die
Signalleib=~yn170 und 172. Das in 160 erwärmte Prozeßwasser gelangt über 174 in
den offenen Vorratsbehälter 176 und dann über die Leitung 178, Pumpe 180, Ventil
182 und Leitung 184 zu dem dampfbeheizten Druckwasserkessel 186. Während die Leitung
174 nicht beaufschlagt ist oder eine ungenügend hohe Temperatur hat, dient die Dampfschlange
188 in dem Druckwasserkessel 186 zur Erwärmung des Wassers, welcherKaltwasser über
190/192 und Ventil 194 erhalten kann.
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Die Erfindung wird an folgenden Beispielen weiter erläutert.
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Beispiel 1 Am besten wird das erfindungsgemäße Verfahren und die dafür
geeignete Vorrichtung anhand einer großen anlage mit einer wiedergewinnbaren Wärmemenge
von zumindet 474 MJ/h (500 KBTU/h ) gezeigt. Eine solche Anlage entspricht einem
Dampfkessel mit einer Leistung in der Größenordnung von etwa 37,3 ~ 10 3 kj (100
HP).
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Bei einer einwandfrei funktionierenden Kesselanlage mit einer Abgastemperatur
von etwa 2500C beträgt die nutzbar zu machende Wärmeenergie 15 bis 20 56 des gesamten
Wärmeaufwands, wenn das Abgas auf etwa 600C heruntergekühlt wird.
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In der Großindustrie sind die Kosten ausreichend gesenkt, so daß es
wirtschaftlich ist, die Anlage für häusliche Beheizungsanlagen mit hohem Energiebgdarf
in der Größenordnung von einigen 100-ten MVW. Ein Bedarf für diese relativ minderwertige
Wärmeenergie in ausreichenden Mengen muß vorhanden span. Dies trifft zu, wenn ein
ausreichender Temperaturunterschied vorhanden ist * (few hundred KBTV/hr)
wie
Flüsse oder Grundwasser, welches für die Warmwasserbereitung herangezogen werden
soll. Als Beispiel wird auf die Gerberei verwiesen, deren Brennstoff und Warmwasserverbrauch
derart ist, daß eine Rückgewinnung von Wärme 1/3 der für die Warmwasserbereitung
erforderlichen Energie zur Verfügung stellen kann. Dieser Faktor kann abhängig von
dem Anwendungsgebiet und in manchen Fällen der Jahreszeit variieren. Ein anderes
Beispiel: Bei der häuslichen Warmwasserbereitung kann dieser Anteil von 1/5 bis
1 variieren. Wie oben bereits darauf hingewiesen, liegt ein Vorteil der Erfindung
auch darin, verschiedene umweltbelastende Stoffe aus dem Abgas zu entfernen. Dies
gilt insbesondere für Schwebstoffe mit einer Feinheit >1 /um. Auch lassen sich
wie erwähnt chemische Schadstoffe wie Schwefeloxide mit alkalischen Waschflüssigkeiten
entfernen, so daß das Jeweilige Verfahren an den Jeweiligen Anwendungszweck streng
angepaßt werden kann.
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Erfindungsgemäße Einheiten auf Kesselanlagen, die Öl Nr. 6 verfeuern,
finden sich beispielsweise in kommerziellen Wäschereæn, Gerbereien und lebensmittelverarbeitenden
Betrieben. Sie zeigen folgende Spezifikationen: Kesselgröße/ nutzbargemachte Wärmeenergie/
Gesamtwärmeangebot Brennstoff-Aquivalent 112 . 10-3 kJ 1 422 MJ/h (300 H.P.)/11
376 MJ/h (1,5 MBTU/h)/37,854 1/h (12 MBTU/h ) 376 gal/h) #116Sg#T#U#/h)/37#8S4 l/h
37,3 ~ 10 3 kJ 474 MJ/h 100 H.P.)/3 792 MJ/h (500 KBTU/h)/11,36 l/h (4 MBTU/h 3
gal/h) 447,6 . 10## 10-3 MJ/h 3 413 MJ/h l/h L1200 H.P.)/26 544MJ/h 3,6 MBTU/h)/94,64
(28 MBTU/h) (25 gal/h)
In allen Fällen wird die wiedergewonnene
Wärmeenergie verwertet zur Vorwärmung von Frischwasser vor dessen Eintritt in den
Warmwasserbereiter.
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Bisher hat man bei derartigen Anlagen zur Nutzbarmachung der Wärmeenergie
Rohrbündel-Wärmeaustauscher direkt in dem Heißgasstrom und dem drehbaren Generator
vorgesehen. Nachteilig an diesen Anlagen ist, daß bei der Verfeuerung von schwefelhaltigen
Brennstoffen die Gas-Austrittstemperatur über etwa 1300C liegen muß, um eine Kondensation
von konzentrierter Schwefelsäure und die damit verbundene Korrosion zu vermeiden.
Damit wird aber auch das Ausmaß der Wärmerückgewinnung sehr wesentlich eingeschränkt.
Dies gilt insbesondere für ein Wärmegefälle von 5 bis 20°C,Ist der verfeuerte Brennstoff
Öl, Kohle, Holz, Bagasse oder dergleichen, können sich die Schwebstoffe der Abgase
sammeln, die Leitungen blockieren und damit Betriebsunterbrechungen der Anlage hervorrufen.
Darüberhinaus führt bereits eine geringe Ansatzbildung an den Heizflächen zu einer
wesentlichen Verschlechterung des Wärmeübergangskoeffizienten, so daß die entsprechenden
Anlagen überdimensioniert werden müssen.
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Verschiedene Arten derartiger rohrförmiger Wärmeaustauscher in Schornsteinen
wurden auch bereits bei gasbeheizten Kesselanlagen eingebaut. Im allgemeinen arbeiten
sie gut. Erdgas mit seinem niederen Verhältnis C : H führt Jedoch zu einem nicht
korrosiven Abgas mit hohem Wasserdampfgehalt. Dies gestattet die Anwesenheit von
metallischen Kühlflächen im Abgasstrom.
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Da Jedoch Öl und Kohle die bevorzugten Brennstoffe sind, wurde die
Entwicklung der erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnung notwendig, bei der das Heißgas
in direktem Kontakt mit einer Arbeitsflüssigkeit, insbesondere Wasser, steht, Dieser
Kontakt findet an einer solchen Fläche in einem solchen Volumen und bei
solchen
Strömungsverhältnissen statt, daß die gesamte wirtschaftlich verfügbare Wärmeenergie
aus dem Gas auf die Flüssigkeit übergehen kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Temperatur der Flüssigkeit
bis in die Nähe des Siedepunkts erhöht werden, da die Gas-Eintrittstemperatur im
allgemeinen über 2500C liegt, während die Gas-Austrittstemperatur bis unmittelbar
auf die Flüssigkeits-Eintrittstemperatur abgesenkt werden kann. Voraussetzung dafür
ist Jedoch eine nahezu perfekte Gegenströmung zwischen Gas und Flüssigkeit. Um diese
zu erreichen, sind verschiedene konstruktive Maßnahmen erforderlich. Die Anordnung
von wahrscheinlich größtem Interesse ist eine stationäre Füllkörperpackung in einem
vertikalen Zylinder (Fig. 6).
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Darin kann das heiße Gas aufgrund des Druckunterschieds aufsteigen,
während die Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft absinkt. In Verbindung damit steht
nach Fig. 6 eine erste Sprühzone, in der das eintretende Heißgas teilweise gekühlt
und gewaschen wird. Auf diese Weise lassen sich die gröberen Schwebstoffe abscheiden,
wodurch insgesamt es zu einer sehr hohen Wirksamkeit der Wärmeübertragung kommt.
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Obwohl die LMTD merklich herabgesetzt ist, ist der mittlere Gesamt-Wärmeübergangskoeffizient
beträchtlich erhöht durch die Anwesenheit eines kondensierbaren Gases - nämlich
Wasserdampf - von beträchtlichem Partialdruck innerhalb der permanenten Gase in
Form von N2, C02 und dergleichen. Durch die Abkühlung des Gases geht ein eventuell
vorhandener natürlicher Zug verloren. Durch den Druckabfall in der Kontaktzone kann
der Kraftaufwand für das Gebläse zur Einführung von Sekundärluft in den Feuerraum
in gewissem Umfang verringert werden. Daher wird an der Stelle ein Saugzug-Gebläse
angewandt, wo das Kaltgas an die Atmosphäre abgeblasen wird.
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Im allgemeinen kann man sagen, daß der Gegenstrom umso perfekter ist,
Je größer der Druckabfall des Gases ist, d.h. die Druckdifferenz zwischen Gaseintritt
und Gasaustritt. Es muß Jedoch ein Kompromiß gefunden werden, gegenüber dem Kraftverbrauch
und der Investitions- und Wartungskosten eines derartigen Saugzug-Gebläses. Die
Erreichung der Gegenströmung ist außerordentlich wichtig, da der direkte Kontakt
bei einer gemischten Strömung oder bei Gleichstrom zu beträchtlichen Wärmeverlusten
durch Verdampfung und dann Dampfverlusten führen würde.
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Darüberhinaus wären die Austrittstemperaturen der beiden Medien nahezu
gleich, so daß die Verluste und die Wirksamkeit der Wärmeübertragung konkurrieren
würden.
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Angenommen, daß im allgemeinen eine -Diff bis Temperatur/von etwa
bis 20°C (heat sink) zur VerfUgung steht, kann die Gas-Austrittstemperatur auf unter
etwa 300C gesenkt werden. Dies ist ideal, denn bei dieser Temperatur beträgt die
absolute Feuchtigkeit des gesättigten Gases etwa 25 #, was einer Hearabsetzung der
absoluten Feuchtigkeit des eintretenden Heißgases um etwa 80 56 gleich kommt. Darüberhinaus
steigt die Neigung der Kurve der absoluten Feuchtigkeit gegenüber der Temperatur
von diesem Punkt stark an. Daher sollte die GasAustrittstemperatur so tief wie möglich
sein.
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Um die Gegenströmung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erreichenlgibt
es auch andere Methoden wie Kontakt in Mehrkammeranlagen, Fallfilmanlagen, Umlenkbleche
und dergleichen. Daraus ergeben sich Verfahrensvarianten, Jede mit ihren speziellen
Maßnahmen und Vorteilen. Enthält beispielsweise ein Gas besonders viel Schwebstoffe
oder andere Verunreinigungen, wird man eine Mehrkammeranlage für ein hohes Verhältnis
Flüssigkeit zu Gas anstreben.
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Bei Abgasen, die korrodierenden Bestandteile enthalten wie S02 und
S03, stellt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein stationärer Zustand mit
einer Gleichgewichts-Konzentration dieser Bestandteile en. Wird die Arbeitsflüssigkeit
nur in einem einmaligen Umlauf geführt, ist die Konzentration gering. Wird Jedoch
die Arbeitsflüssigkeit teilweise rückgele5#tet, so wird sie höher. Wird beispielsweise
ein Öl Nr. 6 verfeuert, welches 2 56 Schwefel enthält und die Arbeitsflüssigkeit
nicht rückgeleitet, so kommt es zu einer Konzentration an schwefeliger Säure und
Schwefelsäure von maximal 0,25 56 bei einem pH-Wert von minimal 4. Bei Gesamtrücklauf
der Arbeitsflüssigkeit muß diese kontinuierlich von Sulfit-und Sulfationen befreit
werden, indem man sie z.B. durch ein Bett aus Kalkstein leitet. Dabei erhält man
einen annehmbaren und neutralen Rückstand, der im wesentlichen aus Koksteilchen
und Calciumsulfat besteht. Ist die Arbeitsflüssigkeit aus gebrauchtes Prozeßwasser
aus der Anlage, so besteht keine Notwendigkeit für kontinuierliche Behandlung oder
Frischwasserzufuhr, wodurch die Betriebskosten gesenkt werden können.
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Die meisten Anlagen wurden in Ke ælanlagen installiert, deren Feuerungsrate
innerhalb des dynamischen Bereichs von 2 : 1 variiert. Dies führt zu einem Kraftbedarf
für den Saugzug im Bereich von 4 : 1 und eine (Kraft)-Energieaufnahme von 8 :1 .
Zur Zeit arbeiten die Vorrichtungen zur Wärmerückgewinnung bei gleicher Einstellung
ohne Rücksicht auf die Feuerungsrate oder die Heizleistung. Obwohl es zu keinen
nennenswerten Wärmeverlusten kommt, ist es doch energiesparender, eine Möglichkeit
der Optimierung zu haben. Dies setzt eine Regelbarkeit des Saugzuggebläses,der Strömungsrate
der Arbeitsflüssigkeit, der Leistungen der Pumpen und soweiter voraus; dafür gibt
es zwei Möglichkeiten. Die erste ist die direkte elektromechanische Wechselwirkung
von Teilen
der Vorrichtung und den Strömungskreisen auf die Feuerleistung
oder die Modulations-Regelung. Die zweite Möglichkeit besteht auf dem Einsatz von
Meßwertumsetzern aus aktiven Elementen und Regeleinrichtungen in Verbindung mit
im Stromkreis geschaltete Entscheidungsfähigkeits-Schaltungen. Für größere komplexere
Systeme sind Mikroprozessoren angezeigt. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, die
Anlage unabhängig von der Feuerleistung zu regeln. Derartige Regeleinrichtungen
können bestehenden Anlagen angebaut werden, wenn entsprechende Betriebsdaten zur
Verfügung stehen und diese für die Regelung herangezogen werden können.
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Eine integrale Komponente der Anlage ist der indirekte Wärmeaustauscher,
in dem letztlich der Wärmeübergang von der heißen Arbeitsflüssigkeit auf ein zu
erwärmendes fließfähiges Medium stattfindet. Dabei wird die Arbeitsflüssigkeit abgekühlt
und kann rückgespeist oder ausgetragen werden.
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Die installierten Anlagen können ganz aus korrosionsbeständigem Stahl
bestehen. Dieser Werkstoff entspricht in allen Fällen mit Ausnahme dort, wo Kondensation
auf den Metallflächen stattfindet. Die Einheit muß für alle Verunreinigungen des
Abgases undurchlässig sein. Daher wesen als Werkstoff glasfaserverstärkte Kunststoffe
auf der Basis von z.B. Polyestern ("Hetron-197") empfohlen. Wird beispielsweise
die erfindungsgemäße Anlage einer Anlage nachgeschaltet, in der chlorhaltige Verbindungen
abgebrannt werden wie chlorierte organische Substanzen und Kunststoffe wie Polyvinylchlorid,
Lösungsmittel, Gesteinsmaterial aus dem Meer oder dergleichen, dann ist mit Ausnahme
der wirtschaftlich kaum tragbaren Superlegierungen als Werkstoff glasfaserverstärkter
Kunststoff das Material der Wahl. Dies gilt auch für Veraschungsanlagen (Incinerator)
oder Müllverbrennungsanlagen, wo Chlorkonzentrationen bis zu 3 000 ppm auftreten
können, die in erster Linie
aus Verpackungsmaterial stammen. Die
Anwesenheit von korrosiven und ionischen Stoffen in der Arbeitsflüssigkeit erfordert
hoch widerstandsfähige Werkstoffe, in erster Linie Kunststoffe wie Polyvinyl-Harze,
Polyester, Polyepoxide und dergleichen, aber auch korrosionsbeständige Stähle.
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Die Kosten für eine solche Anlage liegen in der Größenordnung von
6 000 $ für eine Anlage mit einer Leistungyon etwa 37,3 ~ 10 3 kJ (100 H.P.)1. In
diesem Fall beträgt die Wärmerückgewinnung etwa 474#MJ/h (500 KBTU/h), woraus sich
Energiekosten von 1,25 $/h ergeben. Für eine Anlage für 100 Arbeitsstunden Je Woche
bedeutete dies eine Kosteneinsparung von 6 500 $ Je Jahr. Berücksichtigt man die
geringen Betriebskosten der erfindungsgemäßen Anlage, so amortisiert sich diese
in etwa einem Jahr, was im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit außerordentlich vorteilhaft
ist. Diese Berechnungen beruhen auf den Energiekosten zur Zeit der Anmeldung. Abhängig
von der Leistung der Gesamtanlage sinken obige Preise für die erfindungsgemäße Wärmerückgewinnung
weiter.
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Beispiel 2 Unter Berücksichtigung der Gegebenheiten einer bestehenden
Fabrik oder Anlage hängt die Austrittstemperatur der Arbeitsflüssigkeit von vielen
Faktoren ab. Den größten Einfluß hat die Eintrittstemperatur des Abgases und die
absolute Feuchtigkeit. Die absolute Feuchtigkeit des Abgases hängt ihrerseits wieder
von dem verfeuerten Brennstoff und dem Überschuß der Verbrennungsluft ab.
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Wird Erdgas verfeuert, so liegt der Dampfgehalt des Verbrennungsgases
bei etwa 11 56, während er bei Verfeuerung von Heizöl Nr. 6 nur etwa 7 56 beträgt.
In einer Anlage zur Verfeuerung von Heizöl Nr. 6 und einer Schornsteintemperatur
des Abgases von etwa 3000C wird die Arbeitsflüssigkeit auf etwa 55 0C erwärmt. Dies
ist etwas
weniger als die theoretisch mögliche Temperatur. Bei
anderen Anlagen, die Heizöl Nr. 6 verfeuern und eine Abgastemperatur im Schornstein
von etwa 1750C ergeben, läßt sich die Temperatur der Arbeitsfliissigkeit auf etwa
490C, also sehr nahe an dem theoretischen Wert steigern. Dies war durch Verbesserung
des Kontakts, insbesondere in der ersten Kühl- und Waschzone zu erreichen. Im allgemeinen
nähert sich die Austrittstemperatur der Arbeitsflüssigkeit dem Taupunkt (Wasser/
Luft) des ankommenden Gases mit seiner ursprünglichen Feuchtigkeit und Temperatur
in Verbindung mit der rückgeleiteten warmen Arbeitsflüssigkeit. Bei Anlagen mit
primärer Kühl- und Waschzone kann die Gas-Austrittstemperatur unter 300C liegen.
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Beispiel 3 Das erfindungsgemäße Verfahren wurde angewandt in Verbindung
mit Plattentrocknern im Rahmen der Papierstoff -Herstellung. Die verfügbare Wärmeenergie
der Abgase sollte übertragen werden auf das Weißwasser aus dem vorhergehenden Verfahren,
welches einer weiteren Verwendung zugeführt werden sollte. Das Abgas aus diesen
Trocknern hatte eine Temperatur zwischen etwa 100 und 1600c bei einer absoluten
Feuchtigkeit in der Größenordnung von 0,09 bis 0,11 kg/kg (d.e.). Die maximale Massenströmungtwenn
alle Trockner arbeiten war 56,25 t/h (125 000 lbs/h). Das Weißwasser trat mit etwa
350C ein und mit etwa 450C aus, wobei mit einer Durchflußmenge von 1,73 bis 2,7
m3/min/gerechnet wird. Der Wärmebedarf betrug dabei 5,3 bis 8,2 Die verfügbare Wärmeenergie
der Heißgase, wenn alle Trockner arbeiteten, übertrag die benötigte Menge für diesen
Temperaturanstieg bei der oben angegebenen maximalen Durchsatzmenge. Es besteht
eine direkte Beziehung zwischen dem Volumen des eintretenden Wassers und der Heißgasmenge.
Daher variiert der Temperaturanstieg * (450 - 700 gal/min) **(5,6 6 - 8,7 mio BTV/h)
nicht
beträchtlich mitvariterender Last.
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Die Anlage zur Wärmerückgewinnung war ein vertikaler zylindrischer
Turm mit einer Höhe von 9,15 m und einem Durchmesser von 2,4 m über alles. Das Weißwasser
wurde über Düsen im Kopf der Anlage eingespritzt. Die absinkenden Tropfen schlugen
auf eine Reihe von vertikalen Platten auf. Dazu benötigte man eine Pumpe mit einer
Leistung von 1,136 m3/min/bei einem Druck von 2,8 bar.
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Das Heizgas trat in den Boden der Anlage ein, wurde mit Hilfe von
entsprechenden Leitblechen unter die vertikalen Platten geleitet und stieg dann
auf, durchströmte einen Tropfenabscheider und wurde schließlich mit Hilfe eines
Saugzug-Ventilators im Kopf der Anlage ausgetragen. Bei diesem Verfahren gelangte
das Heißgas mit dem fallenden Wasserfilm an den vertikalen Platten in Berührung
und wurde dann im oberen Teil der Anlage in einer Sprünzone mit Wasser niederster
Temperatur abgekühlt. Bei optimaler Wärmeübertragung kam es zu keinem Verstopfen.
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Um nun die erfindungsgemäße Anlage anzupassen an die Leistung der
Gesamtanlage, wenn ein oder mehrere Trockner nicht in Betrieb sind oder die Gesamtleistung
der einzelnen Trockner herabgeregelt worden ist, diente folgendes System: Die Pumpe
fördert Weißwasser zu den Düsen in der gleichen Rate wie die Zuspeisung. Dies geschieht
durch eine über Rückkoppelung betätigbare Anordnung mit entsprechend hohem Verhältnis
zum Herunterregeln. Der Zug aus dem Saugzug-Gebläse wird über entsprechend angeordnete
Luftöffnungen beeinflußt, und zwar automatisch derart, daß ein bestimmter Zug unabhängig
von der Last aufrechterhalten wird.
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Die von Weißwasser und Gas umströmten Bauteile bestanden aus korrosionsbeständigem
Stahl der Spezifikation 316 oder aus glasfaserverstärkten Kunststoffen.
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* (700 gal/min)
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