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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Verringerung des Gehaltes an unkondensierbaren gasförmigen
Bestandteilen, die in den in Rauchgasen vorhandenen
kondensierbaren Bestandteilen löslich sind.
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Die Erfindung hat insbesondere ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Verringerung des Chlorwasserstoffgehaltes von
Wasserdampf enthaltenden Rauchgasen, die bei der Verbrennung
von Abfällen wie Haushaltmüll entstehen, zum Gegenstand.
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Die Entsorgung durch Verbrennen von Abfällen, die Chlor, im
wesentlichen in Form von chlorierten Kunststoffen (vor allem
von Polyvinylchlorid, PVC) enthalten, führt im Rauchgas zum
Auftreten von gasförmigem Chlorwasserstoff (HCl) in
veränderlichen Gehalten, die von der Herkunft der Abfälle abhängig
sind. Beispielsweise beträgt im Haushaltmüll der mittlere
HCl-Gehalt etwa 1 g/Nm³ unter Standardprüfbedingungen (7 %
CO&sub2; oder 11 % O&sub2;), d. h. unter jenen, für die maximale
Abgangsgehalte definiert sind.
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Aus der französischen Patentschrift FR 2 592 812 ist ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung des Gehaltes an
sauren Schadstoffen in Rauchgasen bekannt, worin die
Rauchgase vom Staub befreit und abgekühlt sind, bevor sie an die
Atmosphäre abgegeben werden. In diesem Verfahren werden die
Rauchgase auf eine Temperatur unterhalb ihres Taupunkts
abgekühlt, wodurch der Wasserdampf kondensiert wird.
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Deshalb sind die den Wärmeaustauscher verlassenden Rauchgase
wasserdampfgesättigt, wobei die Schadstoffe noch in den
Wassertropfen gelöst vorhanden sind.
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Daher ist es erforderlich, am Ende des Wärmeaustauschers eine
Abscheideeinrichtung anzuordnen, welche die den Austauscher
verlassenden Tropfen auffängt.
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Die durch eine solche Einrichtung erzeugten Tropfen sind
jedoch sehr klein, da sie aus der In-Situ-Kondensation des
Wasserdampfes an Kondensationskeimen in den Rauchgasen stammen.
Deswegen ist die Abscheideeinrichtung, beispielsweise ein
Venturirohr, sehr energieintensiv und verschmutzt leicht.
Außerdem führt diese Abscheideeinrichtung zu einem
Druckabfall von etwa 300 daPa.
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Um diese Abscheideeinrichtung einsparen zu können, sind
verschiedene Anlagen vorgeschlagen worden, die sämtlich ein
erneutes Erhitzen der Rauchgase vorsehen, um sie anschließend
im ungesättigen Zustand abgeben zu können.
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Unabhängig von ihrer Bauart sind die Anlagen zum Abscheiden
oder erneuten Erhitzen kompliziert, teuer und schwierig
instandzuhalten. Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verringerung des Gehaltes
an gasförmigen Schadstoffen, welche im in den Rauchgasen
vorhandenen Wasser löslich sind, bereitzustellen, in welchem
nach der Verringerung des Schadstoffgehalts die Rauchgase
ohne irgendeine anschließende Behandlung, an Wasserdampf
ungesättigt und ohne Kondensattröpfchen, abgegeben werden.
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Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen.
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Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu
schaffen, welche hohe Durchsätze an zu behandelnden
Rauchgasen ermöglicht, ohne zu unerwünscht hohen Druckverlusten zu
führen, und die einen Entfernungsgrad gasförmiger Schadstoffe
von über 80 % sicherstellt.
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Daher hat die Erfindung zum Gegenstand ein Verfahren zur
Verringerung des Gehaltes an unkondensierbaren gasförmigen
Bestandteilen, die in den in Rauchgasen vorhandenen
kondensierbaren Bestandteilen löslich sind, in welchem die zuvor von
Staub befreiten Rauchgase einem Abkühlungsvorgang unterzogen
werden, in dessen Verlauf die kondensierbaren Bestandteile
kondensieren, die unkondensierbaren Bestandteile aus den
Rauchgasen in den Kondensaten absorbiert werden und die
Rauchgase nach der Abkühlung eine Sättigung an
kondensierbaren Bestandteilen von weit unter 100 % aufweisen.
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Ein weiterer erfindungsgemäßer Gegenstand ist ein Verfahren
zur Verringerung des HCl-Gehalts von Wasserdampf und HCl
enthaltenden Rauchgasen, die aus der Verbrennung von Hausmüll
herrühren, in welchem die Rauchgase abgekühlt werden, der
Wasserdampf kondensiert, der HCl aus den Rauchgasen im
kondensierten Wasser absorbiert wird und schließlich die
Rauchgase nach der Abkühlung an Wasserdampf ungesättigt sind.
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In der folgenden Beschreibung werden die erfindungsgemäßen
Merkmale und Vorteile verdeutlicht, auch unter Bezug auf die
im Anhang enthaltene Figur, die beispielhaft eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von Verbrennungsgasen
zeigt.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die zu
behandelnden Rauchgase, welche eine kondensierbare Dampfphase und
eine wasserlösliche unkondensierbare Gasphase enthalten und
beispielsweise aus der Verbrennung von Haushaltmüll stammen,
nach einem Entstaubungsvorgang, der ihren Staubgehalt auf
unter 50 mg/Nm³ senkt, auf eine Temperatur oberhalb ihres
Taupunkts td abgekühlt.
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Die Abkühlung wird erreicht, indem die zu behandelnden Gase
in einen Wärmeaustauscher mit einer Kühlfläche geführt
werden, deren Wandungstemperatur tW unterhalb des Taupunkts td
der zu behandelnden Gase liegt, und die Rauchgase in den
Wärmeaustauscher mit einer Eintrittstemperatur tGE von etwa
250 ºC und einem Wasserdampfgehalt von etwa 100 g pro kg
trockenes Rauchgas eintreten.
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Da die Rauchgastemperatur tG immer über dem Taupunkt td
liegt, kondensiert die kondensierbare Phase nur in Berührung
mit der Kühlfläche.
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Wenn Rauchgase, die aus einer kondensierbaren Dampfphase und
einer unkondensierbaren Gasphase bestehen, bei einer
Temperatur tG, die über dem Taupunkt td liegt, durch einen
Wärmeaustauscher mit einer Kühlfläche, deren Temperatur tW
niedriger als der Taupunkt td ist, geführt werden, fällt der Druck
der kondensierbaren Phase in der Nähe der Kühlfläche
plötzlich auf einen Druck PV* bei der Wandungstemperatur tW,
der kleiner als der Sättigungsdampfdruck PVS beim Taupunkt td
ist.
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Auf diese Weise bildet sich auf der Oberfläche der Kühlfläche
eine Kondensatschicht.
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PGl sei der Druck der wasserlöslichen unkondensierbaren Gase
und PGu sei der Druck der wasserunlöslichen unkondensierbaren
Gase, so ist der Gesamtdruck (PGl + PV + PGu) konstant und
gleich dem Atmosphärendruck.
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Wenn PV in der Nähe der Kühlfläche fällt, muß (PGl + PGu) um
denselben Wert steigen, da (PGl + PV + PGu) konstant ist,
wobei sich PGl und PGu proportional erhöhen.
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So baut sich über der auf der Oberfläche der Kühlfläche
gebildeten Kondensatschicht eine Schicht unkondensierbarer Gase
auf, in der ein großer Druckgradient herrscht.
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Dadurch diffundieren die wasserlöslichen unkondensierbaren
Gase, die in den Rauchgasen vorhanden sind, durch diese
Gasschicht und werden von der Kondensatschicht absorbiert.
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Der Wärmeaustauschvorgang entnimmt die latente
Kondensationswärme und die fühlbare Wärme aus der Schicht der
unkondensierbaren Gase, aber entzieht aus den Rauchgasen nur wenig
fühlbare Wärme.
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Da außerdem die Wandungstemperatur tW weit unter dem Taupunkt
td der Rauchgase liegt, ist der Wärmeaustauschprozeß, was die
Kondensation betrifft, sehr wirkungsvoll, trägt aber nur
wenig zum Austausch der fühlbaren Wärme bei.
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Die Temperatur der Rauchgase sinkt schrittweise durch die
Berührung mit der Schicht aus unkondensierbaren Gasen, die sich
wiederum in Berührung mit der Kondensatschicht befindet.
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Die Rauchgase zirkulieren weiter in dem Wärmeaustauscher mit
der Kühlfläche, wobei ihre Temperatur tG kontinuierlich
sinkt, aber über ihrem Taupunkt td bleibt, die kondensierbare
Dampfphase weiter nur an der Oberfläche der Kühlfläche des
Wärmeaustauschers kondensiert, deren Temperatur tW immer
wenigstens 20 ºC unter dem Taupunkt td der Rauchgase bleibt,
die mit ihr in Berührung stehen.
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Der Gehalt an wasserlöslichen unkondensierbaren Gasen, die in
der Kondensatschicht gelöst sind und der Gehalt an
unkondensierbaren Gasen in den Rauchgasen verringern sich im gleichen
Maße im Verlauf der Rauchgasführung durch den
Wärmeaustauscher, so daß die Differenz zwischen den Gasdrücken in den
Rauchgasen und den Partialdrücken oberhalb der
Kondensatschicht so groß bleibt, daß die oben beschriebene
Kondensation insbesondere bis zum Ende des Wärmeaustauschers nicht
unterbrochen wird.
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Da der Wärmeaustauscher nicht unendlich lang ist, verlassen
ihn unter diesen Bedingungen die Rauchgase mit einer
Temperatur tGA, die über ihrem Endtaupunkt td liegt, die relative
Feuchte bleibt weit unter 100 % und der Gehalt an
wasserlöslichen unkondensierbaren Gasen ist stark verringert.
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Die flüssige Phase, die auf der Oberfläche der Kühlfläche
kondensiert ist, und in welcher die unkondensierbaren Gase
gelöst sind, wird durch Abtropfen gesammelt und aus dem
Wärmeaustauscher abgezogen.
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Am Ausgang des Wärmeaustauschers enthalten die abgegebenen
Rauchgase, die eine Austrittstemperatur tGA von etwa 60 ºC
haben und an Wasserdampf ungesättigt sind, keine Tropfen,
derart, daß nicht entfernte unkondensierbare Gase nicht in
den abgegebenen Rauchgasen gelöst sind.
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Deshalb erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keine
Vorrichtung zur Entfernung der Kondensattropfen, die sonst mit
am Ausgang des Wärmeaustauschers abgegeben würden.
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Im nachfolgenden wird eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfingungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
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Die Vorrichtung zur Behandlung von Rauchgasen ist in der
Figur dargestellt. Sie ist an eine Verbrennungsanlage 1
angeschlossen, die einen Wärmerückgewinnungskessel 2 enthält, der
von einer Rohrleitung 21 mit Wasser gespeist wird und Dampf
erzeugt, der ihn durch eine Rohrleitung 22 verläßt.
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Die aus der Verbrennung eines Brennmaterials C herrührenden
Rauchgase verlassen den Kessel 2 mit einer relativ niedrigen
Temperatur, beispielsweise 250 bis 300 ºC, durch die
Rohrleitung 3. Anschließend strömen sie durch einen
Staubabscheider, der hier ein Zyklon 31 ist, aber auch ein anderer
Apparat, beispielsweise ein Elektroabscheider, sein kann, der den
Staubgehalt auf unter 50 mg/Nm³ senkt.
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Die vom Staub befreiten Rauchgase gelangen dann in den
Wärmeaustauscher 4, einen Rauchgas-Flüssigkeits-Wärmeaustauscher,
der eine Kühlfläche, beispielsweise zu einem Bündel
zusammengefaßte Rohre 41, umfaßt, in denen die von einer Pumpe 5
geförderte Kühlflüssigkeit umläuft, während die Rauchgase über
die Außenseite der Kühlwandungen 41 in dem Raum, der von den
Rohrböden 42 und dem nicht dargestellten Rohrbündelmantel
umschlossen wird, zirkulieren. Der Wärmeaustauscher kann nach
dem Gegenstrom-, Gleichstrom- oder Querstromprinzip arbeiten.
Er wird von den Rauchgasen in einer senkrecht absteigenden
Richtung durchströmt. Der Wasserdampf, der nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren auf der Kühlfläche des
Wärmeaustauschers 4 unter Beladung mit unkondensierbaren löslichen
Verbindungen kondensiert, wird durch eine am Boden des
Wärmeaustauschers befindliche Einrichtung 43 und die Rohrleitung 9
zu einem Behälter 10 abgezogen, wo die Lösung durch das
Mittel R neutralisiert wird.
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Die Kondensation auf den Kühlwandungen des Wärmeaustauschers
erzeugt große Tropfen, die von Kühlwandung zu Kühlwandung
fallen und schließlich ihren Fall am Boden des
Wärmeaustauschers in der Sammeleinrichtung 43 beenden, welche ein
geneigter Boden 44 ist, der als Behältnis dient, in das der
Syphon 45 eintaucht, der sich am Ende der Rohrleitung 9
befindet. Diese Syphoneinrichtung verhindert, daß die Rauchgase
in die Rohrleitung 9 eindringen können.
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Die abgekühlten, an Wasserdampf ungesättigten Rauchgase
verlassen den Wärmeaustauscher 4 durch eine Rohrleitung 6, die
sich in dessem unteren Teil oberhalb der Sammeleinrichtung 43
befindet, und werden von einem Gebläse 32 angesaugt, das sie
zum Schornstein 7 befördert. Die Rohrleitung 6 und das
Gebläse 32 bilden deshalb eine Fördereinrichtung für die im
Wärmeaustauscher 4 behandelten Rauchgase zum Schornstein 7.
Alternativ dazu kann sich das Gebläse 32 auch auf der
Rohrleitung 3 über dem Wärmeaustauscher 4 befinden. Deshalb
enthält
die Rauchgasfördereinrichtung vom Wärmeaustauscher 4 zum
Schornstein 7 keine Einrichtung zur Tropfenabscheidung.
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Da die im Wärmeaustauscher zirkulierenden Rauchgase eine
Geschwindigkeit von etwa 1,5 bis 2 m/s und die von der
Einrichtung 43 gesammelten großen Tropfen eine
Strömungsgeschwindigkeit von über 5 m/s aufweisen, sind die durch die Rohrleitung
6 abgesagten Rauchgase vollständig von Tropfen befreit, im
Unterschied zu Verfahren und Vorrichtungen des Standes der
Technik, in denen die erzeugten Tropfen sehr kleine
Durchmesser und daher sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten
aufweisen, wodurch diese Tropfen in die Rohrleitung 6
mitgerissen werden würden.
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Die Kühlflüssigkeit der aus den Rohren 41 bestehenden
Kühlfläche, die in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert und
im Wärmeaustauscher 4 erwärmt wird, wird vom Ausgang dieses
Wärmeaustauschers 4 zu einem Kühlkreislauf 81 geleitet, der
aus einem Kühlturm oder einem Plattenwärmeaustauscher
besteht, bevor sie erneut durch die Pumpe 5 in den
Wärmeaustauscher 4 eingespeist wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der
Wärmeaustauscher 4 aus Graphitrohren, die einerseits
korrosionsbeständig sind und andererseits die Zirkulation der
Kühlflüssigkeit unter hohem Druck erlauben.
Versuchsergebnisse der Behandlung von aus der Verbrennung
von Hausmüll stammenden Rachgasen
Rauchsgastemperatur (ºC)
Taupunkt (ºC)
mg HCl/Nm³ trocknen
Kühlwassertemperatur (ºC)
Durchsatz der behandelten Rauchgase trockene kg/h
Wirkungsgrad der HCl-Entfernung (%)
Kühlwasserdurchsatz m³/h
Eintritt
Austritt
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Die Versuche wurden durchgeführt, indem die aus der
Verbrennung von Hausmüll stammenden Rauchgase, die mehr als ein
Gramm HCl pro Nm³ enthielten, in den Wärmeaustauscher 4 mit
einem Durchsatz von über 5500 trockenen kg/h bei einer
Temperatur tGE von etwa 250 ºC eingeleitet wurden.
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Die verwendete Kühlflüssigkeit war Wasser bei einer
Temperatur von unter 40 ºC. Insbesondere wurde Wasser mit einer
Temperatur von etwa 20 ºC eingespeist, das den Wärmeaustauscher
4 mit einer Temperatur von etwa 28 ºC bei einem Durchsatz von
etwa 60 m³/h verließ.
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Die Rauchgase verließen den Wärmeaustauscher 4 mit einer
Temperatur von etwa 60 ºC, der Wirkungsgrad der HCl-Entfernung
beträgt mehr als 80 % und der Wasserdampfgehalt etwa 40 g pro
kg. Daraus ergibt sich, daß jetzt die Rauchgase eine relative
Feuchte von etwa 30 % aufweisen.
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In der Tabelle sind die verschiedenen Versuche
zusammengefaßt, welche die praktische Durchführbarkeit des Verfahrens
zeigen.
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Andere wasserlösliche unkondensierbare gasförmige
Verbindungen wie SO&sub2;, NOx und HF können selbstverständlich ebenfalls
gemäß demselben Verfahren und der derselben Vorrichtung
entfernt werden.
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Außerdem können auch solche kondensierbare Stoffe wie
Metalldämpfe oder verschiedene organische Verbindungen gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung entfernt werden.
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Insbesondere haben Versuche gezeigt, daß Rauchgase, die
321 g/Nm³ Quecksilber enthielten, nach der Behandlung durch
das erfindungsgemäße Verfahren nur noch 23 g/Nm³ Quecksilber
am Ausgang des Wärmeaustauschers 4 aufwiesen, was einen
Wirkungsgrad von etwa 95 % bedeutet.