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Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Rauchgas
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und Rückgewinnung von Abgaswärme Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Reinigung von Rauchgas und Rückgewinnung von Abgaswärme sowie
eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Erfindung betrifft insbesondere ein derartiges Verfahren bzw.
Vorrichtung, welche sich vorteilhafterweise für die Anwendung bei kleineren Verbrennungsanlagen,
insbesondere Heizungsanlagen von Wohnhäusern, eignen.
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Die Umweltbelastung durch Verbrennungsrückstände fossiler Energieträger,
wie Kohle und Heizöl, stellt ein immer drängender werdendes Problem dar, wobei insbesondere
der hohe SO2-Gehalt der Rauchgase zu einer nicht 2 tolerierbaren Luftverunreinigung
beiträgt. Gleichzeitig ist es im Hinblick auf die gesteigerten Energiekosten erforderlich,
den Heizwert der Brennstoffe möglichst weitgehend auszunutzen.
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Die bekannten Verfahren zur Rauchgasreinigung und Abgaswärme-Rückgewinnung
sind nachteiligerweise äußert kompliziert und erfordern teure Anlagen. Die Anwendung
derartiger Verfahren, welche im allgemeinen für Großfeuerungsanlagen, wie Heizkraftwerke
oder dergl., konzipiert wurden, bei kleineren Verbrennungsanlagen , wie Heizanlagen
von Einfamilienhäusern oder kleineren Wohneinheiten, kommt daher wegen des unvertretbar
hohen Aufwandes nicht in Betracht. Andererseits ist es bekannt, daß der weitaus
größte Anteil der Gesamtmenge der zu Heizzwecken verbrannten Brennstoffe gerade
in diesen kleineren Feuerungsanlagen verbrannt wird. Demgemäß gelangt bisher der
überwiegende Anteil der entstehenden Rauchgase ungereinigt in die Atmosphäre.
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Es besteht daher ein dringender Bedarf nach einem Rauchgasreinigungsverfahren,
welches sich insbesondere auch für kleinere Feuerungsanlagen eignet, d.h. welches
bei einem vertretbaren Aufwand hinsichtlich der Kosten für die Installation und
Wartung der zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Vorrichtung eine möglicht
weitgehende Entfernung schädlicher Bestandteile des Rauchgases, insbesondere eine
Absenkung des S02-Gehaltes, ermöglicht. Von besonderem Vorteil wäre es dabei, wenn
eine derartige Anlage gleichzeitig die Möglichkeit zur Rückgewinnung der Abgaswärme
bieten würde.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur
Reinigung von Rauchgas und Rückgewinnung von Abgaswärme zu schaffen, welches unter
Anwendung einer einfachen und kostengünstigen Vorrichtung weitgehend wartungsfrei
betrieben werden kann und das sich aufgrund seiner Einfachheit in hervorragender
Weise insbesondere zur Behandlung der Rauchgase eignet, die von kleineren Feuerungsanlagen
ausgestoßen werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die aus
einer Feuerungsanlage austretenden Rauchgase in einer ersten Verfahrensstufe mit
Wasserdampf belädt und das wasserdampfbeladene Rauchgas in einer zweiten Verfahrensstufe
mindestens einer Kondensationseinrichtung zuleitet, welche von einem Wärmeübertragungsmedium
durchströmt wird, welches das wasserdampfbeladene Rauchgas unter seinen Taupunkt
abkühlt, wobei man das gebildete Kondensat aus dem System entfernt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die
Beladung des Rauchgases mit Wasserdampf mittels eines wassergefüllten Siedegefäßes,
welches durch das Rauchgas erhitzt wird.
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Die Abkühlung in der Kondensationseinrichtung kann vorteilhafterweise
in mehreren, aufeinanderfolgenden Schritten erfolgen, und zwar unter Anwendung mehrerer,
voneinander unabhängiger Kondensationseinrichtungen, die in der Strömungsrichtung
des Rauchgases nacheinander angeordnet sind.
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Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens weist einen im Rauchgaskanal angeordneten, durch das Rauchgas beheizbaren
Wasserverdampfer
und mindestens eine nachgeschaltete, von einem
Wärmeübertragungsmedium durchströmte Kondensationseinrichtung auf.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden durch die beanspruchte
Kombination der Verfahrensstufen folgende Vorteile erzielt: Der Wärmeenergiegehalt
des aus der Feuerungsanlage austretenden Rauchgases wird zur Verdampfung von Wasser
genutzt, wobei der entstehende Dampf sowohl als Energieträger als auch als Rauchgasreinigungsmittel
Verwendung findet. In der nachfolgenden Kondensationsstufe wird nämlich die aus
dem Rauchgas aufgenommene Wärmeenergie in Form von Kondensationswärme wieder freigesetzt,
während gleichzeitig mit der Kondensation sowohl feste als auch wasserlösliche,
gasförmige Schadstoffbestandteile des Rauchgases zusammen mit dem abtropfenden Kondensat
entfernt werden. Da die Kondensationseinrichtung ständig von dem Kondensat benetzt
wird, ist zudem eine Ablagerung von festen Rauchgasbestandteilen, d.h. eine Verkrustung,
ausgeschlossen. Andererseits sind die Abgase, die stromab der Kondensationseinrichtung
in den Kamin g#elangen, im-wesentlichen trokken, wodurch eine Versottung des Kamins
verhindert wird.
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Somit erfolgt einerseits eine wirksame Ausnutzung der Abgaswärme unter
Rückgewinnung der Kondensationsenergie und andererseits eine wirkungsvolle Reinigung
des Rauchgases von Schadstoffen, wobei insbesondere das S02 weitgehend vollständig
aus dem Rauchgas entfernt wird. Das Verfahren kann unter Verwendung einer äußerst
einfachen Vorrichtung durchgeführt werden, und ist daher hervorragend auch für kleinere
Feuerungsanlagen geeignet. Die zur Durchführung des Verfahrens benötigten Bauteile
können vorteilhafterweise auch mit geringem baulichem Aufwand in bereits bestehende
Feuerungsanlagen eingebaut
werden. Bei Verwendung eines im Rauchgaskanal
angeordneten und durch das Rauchgas beheizbaren Wasserverdampfers ist darüber hinaus
eine automatische Einstellung der optimalen Verfahrensbedingungen gewährleistet,
wodurch sich die Anforderungen hinsichtlich Steuerung und Wartung der Anlage auf
ein Minimum reduzieren.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung vereinfacht
dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In einem allgemein mit 1 bezeichneten Rauchgaskanal sind in Strömungsrichtung
des Rauchgases aufeinanderfolgend ein Wasserverdampfer 3 und eine Kondensationseinrichtung
5 angeordnet. Ferner ist ein Sumpf 7 vorgesehen, in dem sich ein von der Kondensationseinrichtung
abtropfendes Kondensat sammelt und über eine mit einem Absperrhahn 8 ausgerüstete
Leitung 9 periodisch oder kontinuierlich abgeleitet werden kann. Der Wasserverdampfer
3 ist vorzugsweise als offenes Siedegefäß ausgebildet, welches eine Vielzahl von
Strömungskanälen 10 für das aus einer nichtgezeigten Feuerungsanlage austretende
Rauchgas aufweist und über eine mit einem Abspe#rrhahn 12 ausgerUstete Leitung 13
mit Frischwasser beschickt werden kann.
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Die Kondensationseinrichtung 5 umfaßt vorzugsweise mehrere, in Strömungsrichtung
des Rauchgases nacheinander angeordnete Kühlrohrsysteme 15, 16. Die Zahl dieser
Kühlrohrsysteme ist nicht auf die in der Zeichnung gezeigten zwei Systeme beschränkt.
Die Kühlrohrsysteme 15, 16 können eine beliebige, zweckentsprechende Form aufweisen,
wobei es vor allem wichtig ist, daß eine ausreichend große Oberfläche für den Kontakt
mit dem wasserdampfbeladenen Rauchgas zur Verfügung steht. Die Kühlrohrsysteme bestehen
vorzugsweise aus einem korrosionsfesten,
säurebeständigen Material,
beispielsweise aus Edelstahl.
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Während des Betriebs der Vorrichtung werden die Kühlrohrsysteme von
einem flüssigen oder gasförmigen Wärmeübertragungsmedium durchströmt. Vorzugsweise
wird Wasser als Wärmeübertragungsmedium verwendet. Das Wärmeübertragungsmedium wird
in der durch die Pfeile angedeuteten Strömungsrichtung durch die Kühlrohrsysteme
15, 16 geleitet, d.h. im Gegenstrom bezüglich der Rauchgasströmungw Die Zulauftemperatur
des Wärmeübertragungsmediums wird bei jedem Kühlrohrsystem so gewählt, daß sie höchstens
die Temperatur des Taupunktes des Rauchgases im zugeordneten Bereich der Kondensationseinrichtung
5 erreicht. Da der Taupunkt des Rauchgases während des Durchgangs durch die Kondensationseinrichtung
absinkt, werden demgemäß die dem ersten Kühlrohrsystem 15 nachfolgenden Kühlrohrsysteme
jeweils mit einer niedrigeren Zulauftemperatur des Wärmeübertragungsmediums betrieben.
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Im folgenden wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
unter Verwendung der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung erläutert.
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Der Wasserverdampfer 3 wird über die Leitung 13 mit Wasser gefüllt.
Das aus der nichtgezeigten Feuerungsanlage austretende Rauchgas, das bei herkömmlichen
Ölheizungsanlagen beispielsweise eine Temperatur von etwa 1500C aufweist, strömt
durch die Strömungskanäle 10 und erhitzt das Wasser im Wasserverdampfer 3 zum Sieden.
Dabei vermindert sich die Temperatur des Rauchgases beispielsweise auf etwa 100
bis 1200C. Die aus dem Wasserverdampfer 3 verdampfte Wassermenge hängt ab von der
Temperatur und der Menge des Rauchgases. Demgemäß weist die dargestellte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wasserverdampfers 3 einen speziellen Vorteil dahingehend
auf,
daß auf diese Weise eine vollständig automatische, optimale Steuerung der Wasserdampfmenge
bewirkt wird.
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Der in dem Wasservqrdampfer 3 erzeugte Wasserdampf wird von dem Rauchgas
mitgerissen, wobei eine innige Vermischung von Rauchgas und Wasserdampf erfolgt.
Das wasserdampfbeladene Rauchgas -gelangt anschließend im Rauchgaskanal 1 zu der
Kondensationseinrichtung 5 und trifft dort auf das erste Kühlrohrsystem 15. Hier
erfolgt eine Kondensation des Wasserdampfes. Gleichzeitig werden die vom Wasserdampf
benetzten, festen Bestandteile des Abgases abgeschieden sowie die in Wasser löslichen,
gasförmigen Bestandteile, insbesondere S02, niedergeschlagen. Das gebildete Kondensat
tropft von dem Kühlrohrsystem 15 ab und sammelt sich im Sumpf 7. Durch diesen ersten
Kondensationsvorgang wird der Feuchtigkeitsgehalt des Abgases verringert, wodurch
sein Taupunkt ebenfalls absinkt. Da jedoch das nachfolgende Kühlrohrsystem 16 mit
einer unter dem Taupunkt des Abgases an dieser Stelle liegenden Zulauftemperatur
des Wärmeübertragungsmediums betrieben wird, wiederholt sich der für das ~Kühlrohrs;ystem
15 beschriebene Kondensationsvorgang. Es erfolgt eine weitere Reinigung und Entfeuchtung
des Rauchgases, wobei wiederum Kondensationswärme zurückgewonnen und über das Wärmeübertragungsmedium
aus dem System entfernt wird. Das von dem Kühlrohrsystem 16 abtropfende Kondensat
sammelt sich ebenfalls im Sumpf 7. Falls erwünscht, können die beschriebenen Kondensationsvorgänge
unter Anwendung weiterer Kühlrohrsysteme wiederholt werden.
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Die mittels der Kühlrohrsysteme zurückgewonnene Kondensationswärme
kann beispielsweise für die Gebäudeheizung, für die Heizung von Brauchwasser oder
für eine Fußbodenheizung verwendet werden. Die Zulauftemperatur des Wärmeübertragungsmediums
im
ersten Kühlrohrsystem kann beispielsweise 50 bis 700C betragen. Mit dem hier aufgeheizten
Wärmeübertragungsmedium kann somit direkt eine Gebäudeheizung betrieben werden.
Das nächste, stromab gelegene Kühlrohrsystem 16 kann beispielsweise mit einer Zulauftemperatur
des Wärmeübertragungsmediums von 30 bis 5000 betrieben werden und beispielsweise
zur Aufheizung von Brauchwasser Verwendung finden.
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Die Wartung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist äußerst einfach.
Da sich das Verfahren, wie oben erwähnt, selbsttätig steuert, ist es lediglich erforderlich,
die im Wasserverdampfer 3 verdampfte Wassermenge wieder auf zu füllen und andererseits
das in dem Sumpf 7 gesammelte Kondensat zu entfernen. Die Auffüllung des Wasserverdampfers
3 mit Frischwasser sowie die Ableitung des Kondensats kann unter Einsatz einer zweckentsprechenden
Steuerungseinrichtung kontinuierlich oder periodisch erfolgen. Eine derartige automatische
Steuerungseinrichtung ist allerdings nicht erforderlich. Es genügt für einen sicheren
Betrieb der Vorrichtung, ~die Absperrhähne 12 bzw. 8 von Zeit zu Zeit per Hand zu
betätigen.
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