DE3037943C2 - - Google Patents
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- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Gattungsbe
griff.
Ein solches Verfahren ist aus DE-OS 28 22 808 bekannt gewor
den. Hierbei erfolgen Abkühlung und Kondensation der heißen
Rauchgase bei Normaldruck.
Außerdem ist ein ähnliches Verfahren aus GB-PS 7 74 415 be
kannt geworden. Abkühlen und Kondensieren von Wasser aus
Normalluft erfolgen hierbei durch Kompression, Kühlen und
Expansion.
Es sind zahlreiche weitere Verfahren zum Reinigen und/oder Entfeuch
ter von Abgasen bekannt. Nur beispielsweise wird auf DE-OS
20 13 049, US-PS 30 12 629 und SW-PS 3 45 066 verwiesen. Bei
diesen Verfahren lassen sich jedoch die aus dem Verbrennungs
prozeß anfallenden Abgase nicht genügend wirksam reinigen,
insbesondere dann, wenn beim Verbrennen von schwefelhaltigen
Brennstoffen stark verschmutzte Abgase anfallen, die auch einen
relativ hohen Anteil von Schwermetallen enthalten. Demgemäß wur
den Versuche unternommen, um derartige Schwierigkeiten zu über
winden; der Brennnstoff wurde in gasförmige Form überführt, um
eine saubere Verbrennung zu erreichen und der Verbrennungsprozeß
wurde im Schwebebettverfahren durchgeführt. Derartige Verfahren
haben jedoch zu weiteren Schwierigkeiten bezüglich der Prozeß
steuerung und Weiterbehandlung der Restprodukte geführt, fer
ner zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kombiniertes Ver
brennungs- und Abgasreinigungsverfahren anzugeben, das einen
hohen Anlagen-Wirkungsgrad aufweist, und mit welchem die Abgase
sehr stark gereinigt werden können, und zwar auch dann, wenn sehr
geringwertige Brennstoffe verbrannt werden, wie beispielsweise
sehr feuchte Kohle mit hohem Schwefelgehalt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist gemäß den in den Patentan
sprüchen wiedergegebenen Merkmalen aufgebaut.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Wärmepumpprozeß ange
sehen werden. Da dem Kompressor Energie zugeführt wird; die in
der Expansionseinrichtung abgegebene Energie genügt nämlich
nicht, um das Kompressionsverfahren und damit das erfindungsge
mäße Verfahren durchzurühren. Bekannte Hochdruckkessel sind
derart aufgebaut, daß die den Kompressor treibende Abgasturbine
ohne zusätzliche Leistung auskommt.
Ein entscheidender, durch das erfindungsgemäße Verfahren
erbrachter Vorteil besteht darin, daß die Verunreinigungen in
"sauberer" und konzentrierter Form abgetrennt werden, ohne daß
sie chemisch an andere Substanzen als an Wasser gebunden sind.
Geringwertige Brennstoffe enthalten oft hohe Mengen Wassers,
das bei bekannten Verfahren dieser Art vor der Verbrennung zer
legt werden muß, wobei erhebliche Energiemengen verlorengehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dies jedoch nicht der
Fall; hier wird im Gegensatz eine entsprechende Energiemenge
ausgenutzt. Die Abgase enthalten zwar Wasserdampf, jedoch wird
durch Abkühlen der Gase in einer oder mehreren Stufen auf eine
unterhalb den Taupunkten von Wasser und Schwefelsäure liegende
Temperatur die Verdampfungswärme ausgenutzt und es wird gleich
zeitig ein guter Reinigungseffekt erzielt. Da geringwertige
Brennstoffe große Mengen von Asche und partikelförmigem Material
erzeugen, ist es oft zweckmäßig, das Kondensat in besonderen Dü
sen in eine Kühlstufe umzuwalzen, zweckmäßigerweise in einem
Economizer, und die genannte Asche sowie die partikelförmigen
Bestandteile wegzuspülen.
Die einzelnen Elemente, insbesondere die unter Druck befindlichen,
sind unter derartigen Bedingungen der Korrosion ausgesetzt. Dies
läßt sich jedoch dadurch vermeiden, daß man diese Elemente aus
Glas oder aus Kunststoff fertigt. Weiterhin kann die Expansions
einrichtung Kavitationsschäden unterliegen, sofern flüssige und
feste Stoffe stromaufwärts der genannten Expansionsmittel nicht
wirkungsvoll entfernt werden. Wird eine mit einem Rotor ausge
rüstete Expansionsmaschine verwendet, beispielsweise eine um
laufende Gasturbine, so ist im Hinblick auf die geringen Tempe
raturen, bei welchen der Prozeß abläuft, der Schmierung beson
dere Aufmerksamkelt zuzuwenden, ferner der Gefahr der Beschädi
gung und der Eisbildung auf den Turbinenschaufeln. Diese Gefahren
lassen sich jedoch dadurch ausschalten, daß eine Expansionsein
richtung der Schraubenrotorbauart statt einer Turbine verwendet
wird.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin
ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Fig. 1 zeigt eine Schemadarstellung mit der Zu
fuhr verunreinigter Abgase zu dem Kompres
sor.
Fig. 2 ist eine Darstellung ähnlich jener gemäß
Fig. 1, wobei jedoch die Verbrennung der
Brennstoffe stromabwärts des Kompressors
stattfindet.
Fig. 3 ist eine genauere Darstellung des in Fig. 2
veranschaulichten Verfahrens.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform werden Luft und
Brennstoff einer Brennstelle zugefünrt, die in diesem Falle ein
Dampfkessel 1 ist. Die verunreinigten Abgase werden von Kessel 1
einem Kühler 2 und von dort einem Kompressor 3 zugeführt, an des
sen Einlaß die Abgase den Zustand I haben. Sodann werden die Ab
gase von dem Kompressor beim Zustand II einem Kühler 4 zugelei
tet und gelangen von dort beim Zustand III zu einer Expansions
einrichtung 5, an deren Ausgang die Gase mit dem Zustand IV
einem Sammelbehälter 6 zuströmen. Die trockenen, kalten und sau
beren oder sogar inerten Gase gelangen aus Behälter 6 zu einem
Kamin 7. Hier sind Vorkehrungen getroffen, um zu verhindern, daß
die Gase auf den Boden herabfallen; hierzu gehört beispielsweise
das Aufheizen der Gase und/oder deren Vermischung mit Umgebungs
luft. Die kalten Gase können jedoch noch produktiver für Kühl
zwecke eingesetzt werden, beispielsweise durch deren Zuführung
zum Kühler 2 oder zu benachbarten Gebäuden, industriellen Anla
gen oder Vergnügungseinrichtungen, in welchen ein Kältebedarf
herrscht.
Die Expansionsmaschine 5 ist derart gestaltet und angeordnet, daß
sie über eine Welle 8, die die genannte Maschine mit dem Kompres
sor verbindet, den Kompressor 3 antreibt. Gemäß der Erfindung
wird mittels eines Motors 9, der an die Antriebswelle des Kompres
sors 3 angeschlossen ist, zusätzliche Leistung dem Kompressor 3
zugeführt.
Temperatur und Druck werden gemäß den Bedingungen der Zustände
I, II und III derart angepaßt, daß die gewünschte Kondensation
des in den Gasen enthaltenen Wasserdampfes, und die Trennung
von Kondensat, Ruß, Staub, Schwefelsäure usw. im Kühler 4 er
folgt, so daß die Temperatur der Gase beim Zustand IV derart
niedrig ist (bis herab zu beispielsweise -60° C bis -65° C), daß
die gewünschten Teile der verbleibenden Verunreinigungen und
die Eiskristalle in Behälter 6 gesammelt werden können. An die
ser Stelle sei darauf verwiesen, daß das Aufbessern der Tempe
ratur- und Druckwerte derart rasch stattfindet, daß für die Mehr
zahl der verunreinigenden Substanzen der Übergang von Gas zu
Feststoffen über eine flüssige Phase stattfindet, die derart
lange dauert, daß die Möglichkeit chemischer Reaktionen zwischen
den verschiedenen Niederschlägen ausgeschlossen ist.
Der in Fig. 2 veranschaulichte Prozeß, der in Fig. 3 noch mehr
in Einzelheiten dargestellt ist, unterscheidet sich von jenem
gemäß Fig. 1 dadurch, daß die Verbrennungsstelle in Gestalt des
Kessels 1 hier auf der Druckseite des Kompressors 3 plaziert
ist. Alternativ zum Verbrennungsprozeß läßt sich vorteilhafter
weise eine Brennkraftmaschine, am besten ein Dieselmotor, ver
wenden, der vom Kompressor 3 gespeist wird.
Das in Fig. 3 veranschaulichte Verfahren umfaßt die folgenden
Verfahrensschritte: Die in der Fig. angegebenen Werte basieren
auf einem Gasvolumen, das durch den Kessel hindurchströmt, ge
nauer gesagt auf der Luftmenge, die notwendig ist, um 1 kg Öl
zu verbrennen.
Die Verbrennungsluft wird aus der Umgebung genommen und durch
Kühler 2 hindurchgeleitet, in welcher sie durch die kalten Ab
gase gekühlt wird, um die Belastung des Kompressors zu vermin
dern.
Der zuvor erwähnte Zustand I umfaßt die folgenden Daten:
Masse M = 15 kg
Druck P₁ = 1 bar
Temperatur T₁ = 0° C
Die Luft enthält 57 g Wasserdampf, gesättigte Luft.
Druck P₁ = 1 bar
Temperatur T₁ = 0° C
Die Luft enthält 57 g Wasserdampf, gesättigte Luft.
Die Luft wird sodann im Kompressor 3 komprimiert. Aufgrund
der Wirkungsgradverluste muß die zugeführte Arbeit höher als
die theoretisch an sich notwendige sein. Dies führt zu einem
Anstieg der Temperatur über jenen Wert hinaus, der durch die
adiabate Kompression berechnet würde. Zustand II herrscht dann,
wenn die folgenden Werte vorliegen:
Druck P₂ = 5 bar
Temperatur T₂ = 187° C.
Temperatur T₂ = 187° C.
Das Öl wird sodann in dem unter Druck stehenden System in An
wesenheit der Verbrennungsluft verbrannt und die Abgase werden
durch Kessel 1 in üblicher Weise hindurchgeleitet.
Aus Fig. 3 erkennt man, daß Kessel 1 in der angegebenen Reihen
folge eine Brennkammer 11, einen Dampferzeuger 12 mit einem
hieran angeschlossenen Dampfdom 13, einen Überhitzer 14, eine
hieran angeschlossene Dampfturbine 15, einen Economizer 16, einen
Gaswäscher 17 und einen hierauf folgenden Gaskühler 18 umfaßt.
Zwischen Dampfturbine 15 und Wäscher 17 ist ein Kondensor 19 mit
einem Kaltwasserkreis 20 angeschlossen, der ebenfalls an den Gas
kühler 18 angeschlossen ist.
Liegt die Temperatur des verfügbaren kalten Wassers bei l0° C,
so läßt sich die Kondensortemperatur auf 25° C halten. Hierdurch
kann auf einen Gaskühler stromabwärts des Economizers verzichtet
werden. Hat jedoch das Kühlwasser andererseits eine höhere Tempe
ratur, oder müssen die zu reinigenden Abgase auf einen relativ
hohen Reinheitsgrad gebracht werden, so sollte ein Gaskühler ver
wendet werden. Zustand III herrscht bei den folgenden Werten:
Druck P₃ = 5 bar
Temperatur T₃ = 40° C
Das Gas enthält 150 g Wasserdampf.
Temperatur T₃ = 40° C
Das Gas enthält 150 g Wasserdampf.
Während des Verbrennungsprozesses wird eine relativ große Menge
Wasserdampf gebildet, wenn auch der größte Teil dieses Wasser
dampfes im Economizer kondensiert. Der Wasserdampf führt den
größten Teil des in den Abgasen enthaltenen Rußes und der festen
Partikel mit sich fort. Dies begründet den hohen Wirkungsgrad
des Verfahrens zu einem wesentlichen Teil. Das Prozeßwasser oder
Kondensat wird aus dem Kessel zu einem unter Druck stehenden Ven
til geleitet.
Die Abgase werden nach dem Durchlaufen des Kessels der Turbine 5
zugeführt, in welcher sie einen Teil ihrer Energie abgeben. Der
adiabatische Wärmeabfall führt dazu, daß das in den Gasen ver
bliebene Wasser zu Eiskristallen kondensiert, während die Verun
reinigungen nach und nach ausfallen. Der verbleibende Schlamm
wird im Sammelbehälter 6 stromabwärts von Turbine 5 aufgenommen.
Beim Zustand IV (stromabwärts der Turbine) liegen die folgenden
Werte vor:
Temperatur T₄ = 33° C
Druck P₄ = 1 bar
Das Gas enthält weniger als ein Gramm Wasserdampf.
Druck P₄ = 1 bar
Das Gas enthält weniger als ein Gramm Wasserdampf.
Sofern diese Endtemperatur keine genügend hohe Reinigungswirkung
ermöglicht, läßt sich der Druck im Kessel anheben oder, wie im
Falle des folgenden Beispieles, läßt sich die Temperatur T₃ auf
+15° C mit Hilfe des Gaskühlers 18 absenken.
Ein Temperaturwert von T₃ = +15° C führt zu einem Wassergehalt von
42 g im gesamten Gasvolumen. T₄ wird dann zu -66° C.
T₄ ist das Ergebnis von a) der adiabatischen Temperaturdifferenz;
b) der Verluste des Turbinen-Wirkungsgrades (was zu einer Steige
rung der Gastemperatur führt); c) der Verdampfungswärme plus der
Fusionswärme jenes Teiles des Wassers, das stromabwärts der
Turbine kondensiert ist. Es läßt sich nachweisen, daß eine End
temperatur von -55° C bis -60° C eine hohe Reinigungswirkung zur
Folge hat, und daß T₃ dann zweckmäßigerweise oberhalb 20° C liegt.
So herrschen im Falle des in Fig. 3 veranschaulichten Ausfüh
rungsbeispieles bei Verwendung des Gaskühlers 18 mit einer Kühl
wassertemperatur von 5° C, was zu T₃ = 20° C führt, bei Zustand IV
die folgenden Werte:
Druck P₄ = 1 bar
Temperatur T₄ = -60°.
Temperatur T₄ = -60°.
Liegt die Endtemperatur unter -60°, so beginnt Kohlendioxyd zu
kondensieren. Obgleich Kohlendioxyd ein Produkt ist, das
gewerblich verwertbar ist, kann sein Entstehen im vorliegenden
Falle Probleme nach sich ziehen.
Da der Verbrennungsprozeß im Kessel 1 unter Druck stattfindet,
wird das Flammenvolumen reduziert, während der Verbrennungs
durchsatz und die Flammentemperatur und damit auch die Intensi
tät der Strahlung im Vergleich zu herkömmlichen Kesseln anstei
gen. Ein in Verbindung mit der Erfindung verwendeter Kessel
kann daher kleiner als ein üblicherweise verwendeter Kessel
sein. Dies ist u. a. beim Umbau eines alten Systemes in ein mo
dernes, sauberes und wirtschaftliches System gemäß der Erfin
dung wichtig, da lediglich der Kessel ausgetsuscht werden muß.
Wird das Verbrennungsverfahren gemäß der Erfindung ausgeführt,
so läßt sich ebensogut Öl, Kohle oder Pech verwenden, auch wenn
der Wassergehalt 50% überschreitet. In normalen Fällen bei
einem Druck von 64 bar im Dampfkreis, einer Kondensortempera
tur von 30° und einem Kesseldruck von 5 bar beträgt der maxi
male Wassergehalt für Öl 55% und für Kohle 56% (jeweils Ge
wichtsprozente).
Es versteht sich, daß die Möglichkeit des wirkungsvollen Ein
satzes von Brennstoff in Gestalt pulverisierter Kohle mit hohem
Wassergehalt von größter Bedeutung ist. Es ist dann beispiels
weise möglich, die pulverisierte Kohle, die mit Wasser vermischt
ist, dem Brennraum im Kessel zuzupumpen. Ein derartiger Brenn
stoff, der als "flüssige Kohle" bezeichnet wird, läßt sich ähn
lich wie Öl fördern. Ein im Handel erhältliches,
Erzeugnis dieser Art
enthält feingemahlene Kohle und Wasser, ferner weitere Zu
schläge, die das Absetzen der Kohle verhindern. Dieser Kraft
stoff hat einen Energiegehalt von 8,9 MWh/m³, verglichen mit
einem Wert von 10,3 MWh/m³ im Falle von Öl. Hieraus erkennt man,
daß die Gasmenge wesentlich geringer als die Hälfte jener bei
Verbrennung von Öl ist.
Im Hinblick auf die Tatsache, daß das erfindungsgemäße Verfahren
kontinuierlich arbeitet und daß demgemäß große Gasmengen ohne
zusätzliche Chemikalien durchgesetzt werden können, erkennt man
die entscheidenden Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren,
die das Einsetzen von Expansionsgerät zum Reinigen der Abgase
umfassen. Das Reinigen wird bei bekannten Systemen und Anlagen
diskontinuierlich ausgerührt.
Claims (4)
- Verbrennungsverfahren mit Reinigung der hierbei erzeugten Ab gase, wobei Wasserdampf und unerwünschte Verunreini gungen, die in den Abgasen enthalten sind, zusammen mit partikelförmigen Stoffen dadurch ausgeschieden werden, daß die Abgase in einer oder mehreren Stufen durch Druck, Kühlung und Expansionen kondensiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase mittels eines Kompressors unter Druck gesetzt, gekühlt und unter Druck von Wasser, staubförmigen Partikeln und anderen niedergeschlagenen unerwünschten Substanzen befreit werden, worauf die Abgase zusammen mit den verbleibenden, unerwünsch ten Substanzen einem raschen Temperaturabfall mittels einer Expansionseinrichtung unterworfen werden, wobei die dem Kompressor zugeführte Antriebsleistung und damit der Druckan stieg einerseits und die Kühlung andererseits, derart gewählt werden, daß auf der Auslaßseite der Expansionseinrichtung eine Temperatur erzielt wird, die tief genug ist, um in den Abgasen eine Kondensation und ein Niederschlagen der verblei benden unerwünschten Substanzen herbeizuführen.
- 2. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Schrauben-Rotor-Expander verwendet wird, der den Kompressor zusammen mit einer weiteren Antriebsquelle treibt.
- 3. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Abgase die Verbrennungs luft komprimiert wird.
- 4. Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase und/oder die Verbrennungsluft vor dem Komprimieren gekühlt werden.
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