DE3831300C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Aufarbeitung SO₂-haltiger Abgase, bei dem die Abgase gegebenenfalls vorgereinigt, dann abgekühlt und einer SO₂-Wäsche mit einem physikalischen oder chemischen Lösungsmittel sowie anschließender Regenerierung des Lösungsmittels zugeführt werden.

Der zunehmende Einbau von Entschwefelungsanlagen z.B. in Kraftwerken oder in Anlagen der Hüttenindustrie oder die Nachrüstung derart bestehender Anlagen haben dazu geführt, daß die SO₂-Wäsche immer mehr an Bedeutung gewinnt.

Das SO₂-hältige Abgas wird beispielsweise mit Tetraethylenglykoldimethylether in Berührung gebracht, worin sich SO₂ entsprechend seiner Löslichkeit bei gegebener Temperatur und gegebenem Partialdruck löst. Es wird eine Absorption bei niedriger Temperatur angestrebt, weshalb die heißen Abgase zunächst abgekühlt werden müssen. Im allgemeinen erfolgt diese Abkühlung gegen kaltes Reingas mittels Wärmetauschern oder Regeneratoren.

Eine derartige Wäsche zur SO₂-Abtrennung ist beispielsweise in cav 1984, März, Seiten 12 bis 14 von P. Köhler, W. Kristof und G. Linde unter dem Titel "Entschwefelung von Abgasen" beschrieben worden.

Das gereinigte Abgas hat nach dem Verlassen der Waschsäule eine Temperatur, welche in der Nähe des H₂O-Taupunktes von je nach Kühlwasserbedingungen 10 bis 30°C liegt, was eine direkte Abgabe des Reingases an die Atmosphäre in Bodennähe unmöglich macht. Das Reingas wird daher soweit wieder angewärmt, daß es bei Abgabe über einen Kamin genügend Auftrieb hat, um z.B. durch die TA-Luft vorgegebene Immissionswerte einhalten zu können, d. h. sich ausreichend in der Atmosphäre zu verteilen.

Laut TA-Luft sollen die Kamine dabei so hoch sein, daß ein ungestörter Abtransport der freien Luftströmung ermöglicht wird. Bei entsprechend großen Anlagen führt dies ohne weiteres zu Kaminhöhen von 200 m. Da derart hohe Kamine sehr teuer sind, ist eine bessere Abgasreinigung oft die wirtschaftlichere Lösung.

Selbst bei kleineren Anlagen sind die Kamine meist 70 m und mehr hoch, sind also regelrechte Bauwerke und entsprechend teuer in Planung und Ausführung, dabei haben sie weiter keine Aufgabe als nur den Abgabepunkt der Reingase in einer bestimmten Höhe über dem Erdboden zu gewährleisten.

Somit stellt der notwendige Kamin einen erheblichen Kostenfaktor dar. Bei einer Nachrüstung kann er überdies zu Platzproblemen führen.

Auf eine Wiederanwärmung mittels Wärmetauschern, die auch große Kosten verusacht und störanfällig ist, kann nur verzichtet werden, wenn durch Zumischung von anderen heißen Gasen eine Versottung des Kamins vermieden wird oder durch eine korrosionsfeste Ausrüstung des Kamins, welches wiederum sehr teuer ist.

Die Praxis hat zudem gezeigt, daß die verwendeten Regeneratoren oder Wärmetauscher zum Rauchgas-Reingas-Wärmetausch gravierende Mängel aufweisen, wie beispielsweise Leckagen durch Schlupf oder Undichtheiten, gigantische Ausmaße bei den Regeneratoren oder Korrosion und starke Verlegungen mit Salzen bei den Wärmetauschern, die einen sicheren, stabilen und wirtschaftlichen Betrieb derzeit sehr schwierig erscheinen lassen.

Ferner verursachen diese Apparate einen nicht unerheblichen Druckverlust des Abgases, der durch eine entsprechend höhere Verdichtungsleistung des Gebläses kompensiert werden muß.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß das Reingas unter Einhaltung vorgegebener Immissionswerte auf einfache, umweltfreundliche, kostengünstige und platzsparende Weise an die Atmosphäre abgegeben wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß über Kopf der SO₂-Waschsäule von SO₂ abgereichertes Rauchgas - sogenanntes Reingas - mittels eines Kaminaufsatzes auf der Waschsäule bevorzugt ohne Zwischenschaltung eines zusätzlichen Rohgas-Reingas- Wärmetauschers direkt an die Atmosphäre abgegeben wird.

Der wesentliche Gedanke war, daß die Waschsäulen durch die verschärften geforderten Emissions­ grenzen inzwischen selbst schon so hoch wie die Kamine geworden sind, d.h. Waschsäulenhöhen von 50 m und mehr (gegenüber ehemals 20 bis 30 m) sind üblich, da ansonsten die geforderte Reingas-Qualität nicht erreicht wird. Wird nun auf die Waschsäule, d.h. in der Regel nach einem Waschmittelrückwaschabschnitt, noch ein in bevorzugter Weise korrosionsfestes Rohr gesetzt, durch das das Reingas direkt an die Atmosphäre abgegeben wird, so läßt sich sowohl die Verrohrung der Rauchgasführung vom Waschsäulenkopf zum Gebläse bzw. Wärmetauscher wie die Rauchgasleitung vom Gebläse bzw. Wärmetauscher zum Kamin und der Kamin selbst einsparen.

Somit wird erfindungsgemäß die notwendige sehr hohe Waschsäule einer weiteren Nutzung als Kamin zugeführt ohne den Abgabepunkt für das Reingas anschließend noch wesentlich erhöhen zu müssen.

Auch kann aufgrund der Erfindung auf den sehr kritischen und teuren Reingasanwärmer verzichtet werden, der oftmals durch systembedingten GAVO- (Gasvorwärmer-) oder LUVO- (Luftvorwärmer-) Schlupf zu einer Erhöhung des Schadstoffgehaltes im Reingas führt. Eine Einschränkung in dieser Hinsicht stellen allerdings die Großfeuerungsanlagen dar, die nach der TA-Luft, welche aber nur für die BR Deutschland bindend ist, das Reingas im allgemeinen mit einer Mindesttemperatur von 72°C an die Atmosphäre abgeben müssen. Für diese Fälle ist erfindungsgemäß die Wiederanwärmung durch Einblasen von Dampf oder heißen Gasen, welche mit Vorteil aus der Verbrennung von Erdgas gewonnen werden, oberhalb eines Rückwaschabschnittes in die Waschsäule oder in den Kaminaufsatz vorgesehen. Ein positiver Nebeneffekt ist dabei die zusätzliche Verwirbelung des Reingases, was im Hinblick auf die Immission günstig ist. Natürlich ist auch die höhere Temperatur der Reingase vorteilhaft, da sie den Auftrieb verbessert und Wasserdampffahnen vermieden werden.

Auch kann es sich als günstig erweisen, für die Wiederanwärmung und Verwirbelung einen Wärmetauscher, z.B. einen Rohrbündelwärme­ tauscher, in die Waschsäule unterhalb des Kaminaufsatzes oder in den Kaminaufsatz selbst einzubauen.

Mit Vorteil wird für den Kaminaufsatz korrosionsfestes Blech als Material verwendet und der Kaminaufsatz in einer Länge von 1 bis 20 m, bevorzugt 2 bis 8 m ausgeführt. Dies ist möglich, da die Waschsäule ohnehin eine bestimmte Stabilität aufweisen und entsprechend ausgelegt sein muß und die Haupthöhe des Bauwerkes ausmacht.

In Weiterbildung des grundlegenden Erfindungsgedankens ist es wünschenswert, die Emissionswerte für SO₂ so niedrig wie möglich zu halten, das SO₂ aber mindestens bis auf 400 mg/Nm³, vorzugsweise 250 mg/Nm³ und weniger auszuwaschen. Unter Umständen muß bei einem Verzicht auf den Reingasanwärmer etwas besser entschwefelt werden, da die Verteilung des SO₂ in der Atmosphäre bei niedrigen Temperaturen schlechter ist und die Immissionswerte im Anlagenbereich sonst etwas höher sind.

Grundsätzlich wird erfindungsgemäß der Wegfall des Reingasanwärmers und des Kamins durch eine größtmögliche Emissionsminderung und damit eine entsprechend hohe Waschsäule, welche auch als Kamin dient, kompensiert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß das Abgas vor der SO₂-Wäsche einem Gebläse zugeführt wird, was den Vorteil von höheren Absorptionsdrücken und damit geringeren Waschmittelumlaufmengen erbringt.

Ferner kann es sich als zweckmäßig erweisen, das Abgas in der SO₂-Waschsäule zuerst einer Wasservorwäsche sodann der eigentlichen SO₂- Auswaschung und anschließend einer Lösungs­ mittelrückwäsche mit Wasser zu unterziehen. Dabei wird das Abgas nach der Wasservorwäsche aus der Waschsäule abgezogen, über ein Gebläse geleitet und der Waschsäule im SO₂-Waschab­ schnitt wieder aufgegeben.

Die Wasservorwäsche dient in erster Linie zur Abkühlung der heißen Rauchgase. Hierzu wird Wasser in den sogenannten Quenchteil der Waschsäule eingedüst, welches zuerst verdampft und anschließend wieder auskondensiert. Bei der Kondensation bilden sich sogenannte H₂O- Kondensationskeime, die bevorzugt eine Bindung mit Staub- bzw. Feststoffpartikeln eingehen und so gleichzeitig eine gute Staubabscheidung ermöglichen. Mittels der Wassereindüsung ist eine Abkühlung bis an den H₂O-Taupunkt möglich.

Durch die Plazierung des Gebläses zwischen Quenchteil und Waschabschnitt statt vor der Waschsäule wird eine Verringerung des Volumenstromes und damit der Verdichtungs­ leistung erreicht.

Das Gebläse sollte korrosionsfest ausgerüstet sein, z.B. durch Gummierung, da im Rauchgas wie auch im Reingas SO₃-Tröpfchen vorhanden sein können, deren Taupunkt bei ca. 120°C liegt.

Mit Vorteil wird die Lösungsmittelrückwaschung mit erwärmtem Kühlwasser, welches bei der Regenerierung anfällt, durchgeführt. Auf diese Weise wird gleichzeitig die Reingasqualität verbessert, das Reingas angewärmt und erwärmtes Kühlwasser wieder abgekühlt, so daß es erneut bei der Regenerierung eingesetzt werden kann.

Die Erfindung bezieht sich überdies auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 10 bis 14.

Insgesamt bietet die Erfindung den Vorteil, daß bei vorgegebener Immission das Reingas auf einfache und kostengünstige Weise bei verringerter Emission an die Atmosphäre abgegeben wird, bei gleichzeitiger Erhöhung der Betriebssicherheit der Anlage und Verringerung des Platzbedarfs (fehlender Kamin) und der Investitionskosten. Letzteres ist besonders für die Abgasreinigung bei kleineren und mittleren Industrieanlagen von Bedeutung.

Es verdient auch hervorgehoben zu werden, daß die Erfindung überdies weitere umweltfreundliche Vorteile aufweist. Zum einen sind niedrigere SO₂-Emissionen erreichbar, da keine Rückverschmutzung des Reingases durch Regeneratorschlupf (bis 3%) oder Wärmetauscherlecks auftreten können; zum anderen bedeutet der verringerte Gesamtdruckverlust Energieeinsparung und damit auch weniger Abgasproduktion. Schließlich hat der Betreiber einer Kraftwerksanlage oder einer sonstigen SO₂-Emissionsquelle ein größeres Eigeninteresse an einem geringen Schadstoffausstoß, da die Schadstoffverteilung in die Umgebung etwas verschlechtert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung sind anwendbar zur Abtrennung von SO₂ aus Industrie- und Kraftwerksabgasen, insbesondere zur Aufarbeitung von Abgasen aus Hüttenbetrieben und der Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe wie z.B. Kohle oder Erdöl oder von Abgasen aus einer Claus-Anlage.

Es sei nochmals hervorgehoben, daß im Stand der Technik davon ausgegangen wird, daß bestimmte Immissionswerte überhaupt nur durch Abgabe des Reingases über einen separaten Kamin einzuhalten sind. Eine derartige Anleitung gibt beispiels­ weise die TA-Luft (1983).

Nachfolgend sei die Erfindung anhand eines Zahlenbeispiels sowie eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Zahlenbeispiel

Im vorliegenden Fall handelt es sich um Abgas aus einer Rösterei, die aufgrund der relativ geringen unterfeuerten Wärme nicht der Großfeuerungsanlagen-Verordnung (GEVO) unterliegt. Von diesem Abgas fallen 30 000 m³/h an, mit einem SO₂-Gehalt von 15 000 mg/m³. In einer erfindungsgemäßen SO₂- Wäsche wird dieses Abgas auf einen SO₂-Gehalt von 250 mg/m³ abgereinigt und liegt am Kopf der Waschsäule mit 15°C als Reingas vor. Berechnungen der Kaminhöhe aufgrund der TA-Luft ergeben eine Mindestkaminhöhe von ca. 17 m, die Waschsäule hat aber schon eine Höhe von 70 m.

Daraus berechnet sich eine Immissionskonzen­ zentration im Nahfeld zwischen 350 und 500 m Entfernung vom Kamin - unter Berücksichtigung einer ungünstigen Wetterlage und einer Windgeschwindigkeit von 3 m/s - von maximal 10% des nach der TA-Luft zulässigen Wertes von 0,14 mg/m³. Bei einer Abgabetemperatur von 72°C, wie sie nach der GEVO gefordert wird, wären es 7% vom zulässigen Immissionswert, d.h. der Einfluß der Abgabetemperatur ist unwesentlich. Im Fernfeld ab 700 m Entfernung vom Kamin ist dieser Einfluß nicht mehr nachweisbar, die Immissionskonzentration beträgt dort weniger als 1% vom zulässigen Wert.

Durch eine verbesserte Auswaschung des SO₂ auf 180 mg/m³ im Reingas wird der Einfluß der Abgabetemperatur auch im Nahfeld voll kompensiert.

Das vorstehende Beispiel zeigt deutlich, daß bei gegebener Emission die Wiederanwärmung des Reingases gegenüber der kalten Abgabe des Reingases direkt an die Atmosphäre praktisch keine verbesserte Verteilung des Reingases in der Atmosphäre bewirkt.

Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1

Gemäß Fig. 1 werden 30 000 m³/h eines Abgases aus einer Rösterei mit einer Temperatur von 300°C und einem Druck von 0,98 bar über Leitung 1 einer Waschsäule 2 mit einer Höhe von 58 m in der Nähe des Kolonnensumpfes zugeführt. Über Leitung 9 wird Quenchwasser in Leitung 1 eingespritzt, welches im Abgas teilweise verdampft und so die erste notwendige Abkühlung des Abgases auf eine Temperatur von 50 bis 70°C erbringt, sowie eine Staubgrobabscheidung bewirkt.

Im Quenchteil der Waschsäule 2 wird durch kaltes Quenchwasser aus den Leitungen 3 und 4, das Abgas noch weiter abgekühlt. Dadurch wird zuvor verdampftes Einspritzwasser wieder auskondensiert und auf diese Weise gleichzeitig die im Abgas vorhandenen kleineren Staubpartikel gebunden.

Ein Teil des Quenchwassers wird via Leitung 5 aus der Waschsäule 2 abgezogen und nach Kühlung 6, 7 wieder in die Waschsäule 2 eingespeist.

Das in der Waschsäule 2 aufsteigende nunmehr abgekühlte Abgas verläßt die Waschsäule 2 am Ende des Quenchteils über Leitung 10 und wird über ein Gebläse 11 dem Waschabschnitt der Waschsäule 2 zugeleitet. Dort wird das Abgas mit über Leitung 12 herangeführtem kaltem Lösungsmittel, wie z.B. Tetraethylenglykol­ dimethylether, gewaschen und das beladene Lösungsmittel über Leitung 13 abgezogen. Zur Entfernung mitgerissenen Lösungsmittels werden die 25.148 Nm³/h gereinigtes Gas bei einer Temperatur von 19°C mit über Leitung 14 in einer Menge von 18 m³/h herangeführtem angewärmten Kühlwasser von 66°C am Kopf der Waschsäule 2 nochmals gewaschen und dabei gleichzeitig auf 39°C erwärmt und anschließend mittels eines auf die Waschsäule 2 aufgesetzten Kaminrohres 15 von 5 m Länge direkt an die Atmosphäre abgegeben. Zur besseren Verwirbelung und zur Erzeugung eines größeren Ausströmimpulses ist es zweckmäßig, wenn das Kaminrohr 15 einen wesentlich geringeren Durchmesser als die Waschsäule 2 besitzt. Bei Einbau von Wärmetauscherschlangen in das Kaminrohr 15 wirken diese als statische Mischer, eine Querschnittsverengung ist dann nicht mehr unbedingt notwendig bzw. möglich.

Das beladene Lösungsmittel aus Leitung 13 wird nach Anwärmung 16 gegen regeneriertes Lösungsmittel einer Regeneriersäule 17 zugeführt, in der das Lösungsmittel zuerst gestrippt und anschließend mit Kühlwasser gewaschen wird, welches über Leitung 18 herangeführt wird. Das beladene heiße Rückwaschwasser wird einem Wärmetauscher 20 via Leitung 19 zugeführt und gibt dabei seine Wärme an das Kühlwasser in Leitung 14 ab. Ein Teil dieses Rückwaschwassers wird zur Deckung der Wasserverluste im Rückwaschteil der Waschsäule 2 in Leitung 14 verwendet.

Vom Kopf der Regeneriersäule wird ein stark SO₂-haltiges Gas abgezogen (Leitung 21) und beispielsweise zu H₂SO₄ weiterverarbeitet (nicht dargestellt).

Das notwendige Strippgas wird mittels eines Reboilers, der sich aus den Leitungen 22 bis 24 und dem Wärmetauscher 25 zusammensetzt, zur Verfügung gestellt.

Vom Sumpf der Regeneriersäule 17 wird via Leitung 12 regeneriertes Lösungsmittel abgezogen und nach Kühlung in den Wärmetauschern 16 und 26 erneut der Waschsäule 2 aufgegeben.

Das bei der Rückwaschung in Waschsäule 2 anfallende auf 23°C abgekühlte Kühlwasser wird über Leitung 27 abgezogen und zum einen Teil der Wiederanwärmung auf 66°C im Wärmetauscher 20 zugeführt und anschließend zur Rückwaschung von Lösungsmittel und Reingasanwärmung in Waschsäule 2 eingesetzt (Leitung 14) und zum anderen Teil als Rückwaschwasser in der Regeneriersäule 17 verwendet (Leitung 27a).

Durch die Verwendung des heißen Kühlwassers aus der Regenerierung zur Rückwaschung in der SO₂-Waschsäule werden ohne zusätzliches Equipment zwei Vorteile erzielt, erstens wird das Reingas um 20°C angewärmt (ohne korrosionsfesten Wärmetauscher) und zweitens werden ca. 70m³/h externes Kühlwasser (bei 10°C Anwärmung) eingespart.

Die Waschsäule 2 sowie die Regeneriersäule 17 enthalten Einbauten z.B. Schüttungen, Kamin- und/oder Siebböden, die nicht näher beschrieben bzw. bezeichnet sind, gleiches gilt auch für etwaige vorhandene Pumpen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Aufarbeitung SO₂-haltiger Abgase, bei dem die Abgase gegebenenfalls vorgereinigt, dann abgekühlt und einer SO₂-Wäsche mit einem physikalischen oder chemischen Lösungsmittel, sowie anschließender Regenerierung des Lösungsmittels zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß von SO₂ abgereichertes Abgas - sogenanntes Reingas - nach der SO₂-Wäsche mittels eines Kaminaufsatzes auf der Waschsäule direkt an die Atmosphäre abgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reingas vor Eintritt in die Atmosphäre durch Wärmetausch angewärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reingas durch Einblasen von heißen Gasen oberhalb eines Rückwaschabschnittes in die Waschsäule der SO₂-Wäsche oder in einen Kaminaufsatz zusätzlich erwärmt und verwirbelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Gase aus der Verbrennung von Erdgas gewonnen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reingas durch Einblasen von Dampf oberhalb eines Rückwaschabschnittes in die Waschsäule der SO₂-Wäsche oder in einen Kaminaufsatz zusätzlich erwärmt und verwirbelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas in der SO₂-Waschsäule zuerst einer Wasservorwäsche, sodann der eigentlichen SO₂-Wäsche und anschließend einer Lösungsmittelrückwäsche mit Wasser unterzogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösungsmittelrückwaschung mit erwärmtem Kühlwasser, welches bei der Regenerierung anfällt, durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Abgases vor der SO₂-Wäsche erhöht wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SO₂ bis auf 400 mg/Nm³, vorzugsweise 250 mg/Nm³ und weniger ausgewaschen wird.

10. Vorrichtung zur Aufarbeitung SO₂-haltiger Abgase, die gegebenenfalls vorgereinigt werden, mit einem oder zwei Kühlern (6, 7), einer Waschsäule (2) für die Wäsche mit einem physikalischen oder chemischen Lösungsmittel und einer Regeneriersäule (17) zur Regenerierung des Lösungsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Kopf der Waschsäule (2) ein Kaminaufsatz (15) aufgesetzt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaminaufsatz als korrosionsfestes Rohr ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaminaufsatz aus korrosionsfestem Blech hergestellt ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaminaufsatz eine Länge von 1-20 m, vorzugsweise 2-8 m aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in die Waschsäule unterhalb des Kaminauf­ satzes oder in den Kaminaufsatz selbst ein Wärmetauscher eingebaut wird.