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VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ABSCHEIDU:;G ugFELTscHADLIcHER
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GASE AUS ABGASEN VON FEUGSALAGE Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Abscheidung umweltschädlicher Gase aus Abgasen von Feuerungsanlagen
in einem Reaktor mit einer Reagenzlösung, die vorwiegend aus Wasser und in Wasser
löslichen Absorptionsmitteln besteht, bei gleichzeitiger Abscheidung von festen
Bestandteilen des Abgases in demselben Reaktor. Das Wasser dient sowohl als Lösungsmittel
für die Absorptionsmittel als auch als Abscheidemittel für die festen Bestandteile
des Abgases; es verdampft im Reaktor praktisch vollständig. Das aus dem Reaktor
austretende Abgas hat eine Temperatur oberhalb der Wassertaupunkttemperatur und
ist deshalb frei von Wassertropfen. Es ist ebenfalls weitgehend frei von Feststoffen
und - bei geeigneter Wahl der Absorptionsmittel - ebenfalls weitgehend frei von
umweltschädlichen Gasen, Dämpfen und flüssigen Bestandteilen. Die Reaktionsprodukte
aus der Absorption können sich im Reaktor mit sonstigen im Abgas noch enthaltenen
Gasen und Feststoffen oder mit zusätzlich in den Reaktor eingebrachten Gasen, Flüssigkeiten
und Feststoffen zu verwertbaren Reinigungsrückständen umsetzen. Diese können als
trockenes Pulver aus dem Reaktor abgezogen werden.
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Umweltschädliche Gase, beispielsweise Schwefeloxide, Stickstoffoxide,
Chlor und Fluor, und Feststoffe, beispielsweise Flugasche und Ruß, sind Bestandteile
von Abgasen aus Feuerungsanlagen der chemischen Industrie, der Hüttenindustrie,
der Energieversorgungsunternehmen und der Kommunen. Sie entstehen bei der Verbrennung
fossiler Brennstoffe, zu denen Kohle, öl und Gas gehören, sowie bei der Müllverbrennung.
Der Abscheidung der umweltschädlichen Gase und der Feststoffe aus diesen Abgasen
kommt zur Verringerung der Luftverschmutzung eine wachsende Bedeutung zu. Die abnehmende
Luftverschmutzung darf allerdings nicht einhergehen mit einer zunehmenden Verschmutzung
des Erdbodens und des Wassers durch die bei der Abgasreinigung entstehenden Rückstände.
Deshalb sollten diese nicht umweltschädlich sein. Sie sollten nach Möglichkeit verwertbar
sein, beispielsweise als Ersatz für natürliche Rohstoffe. Außerdem sollten zur
Abgasreinigung
möglichst keine Absorptionsmittel eingesetzt werden müssen, die anderweitig als
Rohstoffe sinnvoller verwendet werden können oder die erst durch aufwendige Verfahren
hergestellt werden müssen. Weiterhin sollte bei der Abgasreinigung die Temperatur
des Abgases nicht so weit absinken, daß es zur Verbesserung der Immision unter Einsatz
von Primärenergie erst wiederaufgeheizt werden muß, bevor es in die Atmosphäre abgegeben
wird.
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Es sind viele Verfahren und Vorrichtungen zur Abscheidung umweltschädlicher
Gase aus Abgasen mit in Wasser löslichen Absorptionsmitteln bekannt. Sie werden
grob unterschieden in die sogenannten Naß-Verfahren und die sogenannten Naß-Trocken-Verfahren.
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Bei den Naßverfahren, für die beispielsweise das in DE 31 10 974.8
beschriebene Verfahren zur Rauchgasentschwefelung betrachtet werden kann, wird in
einem Reaktor eine Reagenzlösung, die vorwiegend aus Wasser und in Wasser löslichen
Absorptionsmitteln besteht, in das Abgas gesprüht, aus dem zuvor die Feststoffe
in Filtern größtenteils abgeschieden wurden. Da die Absorptionsmittel nur solange
Gase absorbieren können, solange sie in Wasser gelöst sind, enthalten die Reagenzlösungen
soviel Wasser, daß nur ein kleiner Teil im Reaktor durch die vom Abgas übertragene
Wärme verdampft, der größere Teil aber flüssig bleibt, damit die Absorptionsmittel
während ihres gesamten Kontaktes mit dem Abgas in den Reaktor mit den abzuscheidenden
Gasen reagieren können. Bei entsprechender Auslegung des Verfahrens und des Reaktors
können außer leicht in Wasser löslichen Absorptionsmitteln auch Absorptionsmittel
verwendet werden, die in Wasser schwer löslich sind und teilweise noch als Feststoffe
in der Reagenzlösung vorliegen. Diese sind zwar in der Regel reaktionsträger als
leicht lösliche, dafür aber meistens billiger. Das Wasser mit den in ihm enthaltenen
Reinigungsrückständen, die größtenteils aus den Reaktionsprodukten aus der Absorption
bestehen, aber auch aus nicht verbrauchten Absorptionsmitteln und aus dem Abgas
ausgewaschenen festen Bestandteilen aus der Feuerung, wird in einem Behälter auf
dem Boden des Reaktors aufgefangen. Ublicherweise wird ein Teil davon der frischen
Reagenzlösung zur Erhöhung der Ausnutzung der Absorptionsmittel zugemischt. Der
Rest wird aus dem Reaktor abgezogen und in der
Regel einer weiteren
Reaktion mit zusätzlichen Reagentien ausgesetzt, damit sich sie bei der Absorption
entstehenden Reaktionsprodukte zu verwertbaren Rückständen umsetzen; so wird beispielsweise
bei der Rauchgasentschwefelung mit Kalk oder Kalkstein als Absorptionsmittel das
im Reaktor bei der Absorption entstehende Kalziumsulfit mit Sauerstoff zu Kalziumsulfat
oxidiert, damit es nach einer zusätzlichen Entwässerung und Trocknung als Gips verwertet
werden kann. Diese Umsetzung kann bei einigen Naßverfahren auch bereits im Auffangbehälter
des Reaktors vorgenommen werden, wenn die zur Umsetzung notwendigen Reagentien in
diesen Behälter eingebracht werden. Der Nachteil dieser Verfahren ist, daß die Reinigungsrückstände
nur naß aus dem Reaktor abgezogen werden können und in der Regel vor einer Verwertung
erst entwässert und getrocknet werden müssen. Dabei kann auch Abwasser entstehen.
Ein weiterer Nachteil ist, daß das Abgas im Reaktor durch das eingebrachte Wasser
bis unter Wassertaupunkttemperatur abgekühlt wird und deshalb im allgemeinen erst
nach einer Wiederaufheizung aus dem Schornstein in die Atmosphäre abgegeben werden
kann. Die Unterschreitung der Wassertaupunkttemperatur hat auch zur Folge, daß vom
Abgas flüssiges Wasser in Form kleiner Tröpfchen mitgeführt wird, die in Tropfenabscheidern
am Abgasaustritt abgeschieden werden müssen, Bei den Naß-Trocken-Verfahren, für
die beispielhaft das in DE 29 19 542 beschriebenen Verfahren zur Rauchgasentschwefelung
betrachtet werden kann, sind im gereinigten Abgas auch ohne Tropfenabscheider keine
Wassertröpfchen mehr enthalten, und die Reinigungsrückstände können als trockenes
Pulver aus dem Reaktor abgezogen werden, obwohl die in den Reaktor eingebrachte
Reagenzlösung wie bei den Naß verfahren ebenfalls aus Wasser und in Wasser löslichen
Absorptionsmittel besteht. Bei diesen Verfahren wird allerdings im Unterschied zu
den Naß verfahren nur soviel Wasser mit der Reagenzlösung in das Abgas gesprüht,
daß es im Reaktor bis auf geringe Reste in den Reinigungsrückständen fast vollständig
verdampft. Die Temperatur des Abgases sinkt dabei nicht unter die Wassertaupunkttemperatur
ab. Bei der Verdampfung trocknen die bei der Absorption entstandenen Reaktionsprodukte.
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Sie lagern sich dabei aneinander oder an die im Abgas noch
enthaltenen
Feststoffe aus der Feuerung. Da die Absorption der abzuscheidenden Gase nur während
der relativ kurzen Zeit erfolgen kann, während der die Absorptionsmittel noch in
Wasser gelöst sind, werden bei diesen Verfahren vorwiegend Absorptionsmittel verwendet,
die leicht in Wasser löslich sind. Dennoch werden sie nur teilweise ausgenutzt und
müssen immer im überschuß zugegeben werden, auch dann, wenn ein Teil der Reinigungsrückstände
mit noch nicht verbrauchten Absporptionsmitteln der frischen Reagenzlösung wieder
zugemischt wird. Eine Umsetzung der bei der Absorption entstehenden Reaktionsprodukte
findet im Reaktor wegen der kurzen Zeit, während der diese Produkte dort in Wasser
gelöst sind, kaum statt. Eine Umsetzung außerhalb des Reaktors, zu der es notwendig
wäre, die Reinigungsrückstände wieder anzufeuchten, würde zwei wesentliche Vorteile
dieser Verfahren gegenüber den Naß-Verfahren zunichte machen, nämlich die, daß die
Reinigungsrückstände nach dem Ausbringen aus dem Reaktor bereits trocken sind und
daß kein Abwasser anfällt. Die gleichzeitige Trocknung der Rückstände im Reaktor
hat den Nachteil, daß ein erheblicher Teil von ihnen als Staub mit dem Abgas zusammen
aus dem Reaktor ausgetragen wird. Dieser muß in dem Reaktor nachgeschalteten Filtern
abgeschieden werden. Dabei werden gleichzeitig auch die vom Abgas aus der Feuerung
mitgeführten Feststoffe abgeschieden; eine Vorabscheidung in Filtern wie bei den
Naßverfahren wird im allgemeinen nicht vorgenommen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
beschriebenen Art zu schaffen, bei dem die Vorteile der Naß-Verfahren zur Abgasreinigung
und die Vorteile der Naß-Trocken-Verfahren weitgehend kombiniert vorhanden und die
Nachteile beider Verfahren weitgehend ausgeschlossen sind, sowie die zur Durchführung
dieses Verfahrens notwendige Vorrichtung.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Reaktor vorgesehen, in dessen unteren
Teil das zu reinigende Abgas eingeleitet wird. Es enthält die abzuscheidenden gasförmigen
Bestandteile und feste Rückstände aus der Feuerung, beispielsweise Flugasche und
Ruß. Das Abgas durchströmt den Reaktor von unten nach oben und tritt gereinigt am
oberen Ende aus dem Reaktor aus. Unterhalb der Austrittsöffnung
für
das Abgas wird eine Reagenzlösung, die aus Wasser und in Wasser löslichen Absorptionsmitteln
besteht, vorwiegend in Gegenrichtung zum aufwärts strömenden Abgas versprüht. Die
Menge des in der eingesprühten Reagenzlösung enthaltenen Wassers ist derart auf
die Menge und die Temperatur des in dem Reaktor zu reinigenden Abgases abgestimmt,
daß praktisch alles Wasser im Reaktor verdampft, das gereinigte Abgas den Reaktor
mit einer Temperatur oberhalb der Wassertaupunkttemperatur verläßt und die aus dem
Abgas abgeschiedenen Reinigungsrückstände als feste, getrocknete und praktisch wasserfreie
Stoffe aus dem Reaktor abgezogen werden können.
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Beim Versprühen der Reagenzlösung entstehen Tropfen, in denen die
Absorptionsmittel enthalten sind. Die Tropfen fallen entgegen der Richtung des aufsteigenden
Abgases in dem Reaktor nach unten.
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Sie werden vom aufsteigenden Abgas im Fallen gebremst und verdampfen
durch die vom Abgas auf sie übertragene Wärme allmählich.
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Die abzuscheidenden gasförmigen Bestandteile des Abgases reagieren
mit den Absorptionsmitteln, solange diese in den Tropfen gelöst sind oder, sofern
sie als Feststoffe in den Tropfen vorliegen, solange sie von einer Wasserhülle umgeben
sind. Dabei entstehen in den Tropfen Reaktionsprodukte, die beim Verdampfen der
Tropfen trocknen und sich aneinanderlagern oder an die noch vorhandenen Feststoffpartikel
des Absorptionsmittel anlagern. Die trockenen Partikel werden vom aufsteigenden
Abgas ebenfalls abgebremst.
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Je nach Größe und Gewicht werden sie entweder so wenig abgebremst,
daß sie auf den Boden des Reaktors sinken, von wo aus sie aus dem Reaktor abgezogen
werden können, oder sie werden so stark abgebremst, daß sich ihre Bewegungsrichtung
umkehrt und sie vom Abgas im Reaktor wieder nach qben gefördert werden. Im oberen
Teil des Reaktors werden sie durch die eingesprühte Reagenzlösung wieder benetzt.
Durch diese Benetzung können sie sowohl miteinander als auch mit den Feststoffpartikeln
der Absorptionsmittel, die in der eingesprühten Reagenzlösung enthalten sind, zu
größeren Partikeln agglomerieren. Sie können ebenfalls agglomerieren mit den gleichfalls
von der eingesprühten Reagenzlösung benetzten Feststoffpartikeln aus der Feuerung,
die im Abgas noch enthalten sind. Außer durch Agglomeration wachsen die Partikel
auch dadurch an, daß sie durch die Benetzung erneut in der Lage sind,
abzuscheidende
Gase zu absorbieren, sofern sie noch Absorptionsmittel enthalten, die noch nicht
vollständig ausgenutzt sind.
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Durch die Volumen- und Gewichtsvergrößerung fallen die feuchten Feststoffpartikel
im Reaktor wieder gegen den aufsteigenden Abgasstrom nach unten. Sie werden dabei
von diesem erneut getroc:.#et und abgebremst. Je nach Größe und Gewicht werden sie
entweder so stark abgebremst, daß sie vom aufsteigenden Abgas wieder nach oben gefördert
werden, wo sie durch Agglomeration und Absorption weiter anwachsen, oder sie werden
so wenig abgebremst, daß sie im Reaktor auf den Boden sinken und abgezogen werden
können.
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In dem Reaktor entsteht somit eine Wolke aus Tropfen, in denen Feststoffpartikel
eingelagert sind, und aus getrockneten Feststoffpartikeln; im oberen Teil der Wolke
befinden sich vorwiegend die Tropfen, im unteren Teil vorwiegend die getrockneten
Feststoffpartikel. An der Oberseite der Wolke werden die Feststoffpartikel und die
Tropfen durch die in den Reaktor eingesprühte Reagenzlösung am Austreten aus dem
Reaktor gehindert, an der Unterseite fallen nur die getrockneten Feststoffpartikel
aus der Wolke aus, die in ihr so angewachsen sind, daß sie von dem aufsteigenden
Abgas nicht mehr genügend stark abgebremst werden konnten.
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Da die Absorptionsmittel bei diesem Verfahren relativ lange im Abgas
reaktionsfähig sind, können außer in Wasser leicht löslichen auch schwer lösliche
Absorptionsmittel verwendet werden, die in der Reagenzlösung als Feststoffpartikel
vorliegen. Die Ausnutzung der Absorptionsmittel richtet sich nach der Partikelgröße
der nicht vollständig gelösten Absorptionsmittel in der eingesprühten Reagenzlösung
und nach der Größe der Partikel, die bei der Absorption der Gase in der Wolke entstehen,
sowie nach der Geschwindigkeit des im Reaktor aufwärts strömenden Abgases. Je größer
die Abgasgeschwindigkeit ist und je kleiner die Partikel sind, desto länger verweilen
die Absorptionsmittel in der Wolke, werden ständig benetzt und können dabei, auch
wenn sie schon teilweise zu Reaktionsprodukten umgesetzt sind, Gase absorbieren.
Die Ausnutzung wird dadurch entsprechend hoch, Sollte die Ausnutzung dennoch nicht
ausreichend hoch sein,
kann ein Teil der aus dem Reaktor abgezogenen
Reinigungsrückstände mit den darin enthaltenen unverbrauchten Absorptionsmitteln
der Reagenzlösung zugemischt werden, damit diese im Reaktor erneut mit dem Abgas
in Kontakt kommen und Gas absorbieren können.
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Die bei der Absorption der gasförmigen Bestandteile des Abgases entstehenden
Reaktionsprodukte können im Reaktor parallel zu der gleichzeitig stattfindenden
Absorption zu verwertbaren Rückständen umgesetzt werden, da sie - wie die Absorptionsmittel
auch - in der Wolke wiederholt in Wasser gelöst sind und dadurch reagieren können.
Nach der Umsetzung können die dabei entstandenen Reaktionsprodukte ebenfalls als
trockene Feststoffe aus dem Reaktor abgezogen werden. Die Umsetzung kann mit Reagentien
erfolgen, die im zu reinigenden Abgas bereits enthalten sind - beispielsweise Sauerstoff
- oder sie kann mit Reagentien erfolgen, die dem zu reinigenden Abgas oder der zur
Absorption eingesprühten Reagenzlösung zugesetzt werden. Wenn eine Umsetzung oder
eine Nachbehandlung außerhalb des Reaktors erforderlich ist, zu der die bereits
getrockneten Rückstände wieder befeuchtet werden müssen, beispielsweise zum Auswaschen
unerwünschter Bestandteile, können diese anschließend zur erneuten Trocknung im
Abgas dem Reaktor wieder zugeführt werden, beispielsweise zusammen mit der Reagenzlösung.
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Die Vorteile des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens sind
im wesentlichen: a) Das Abgas verläßt den Reaktor mit einer Temperatur oberhalb
der Wassertaupunkttemperatur. Es muß in der Regel nicht wiederaufgeheizt werden
und ist frei von Wassertropfen; eine Tropfenabscheidung ist nicht notwendig.
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b) Das Abgas verläßt den Reaktor staubfrei; eine nachgeschaltete Staubabscheidung
ist nicht notwendig. In dem Reaktor werden auch die im zu reinigenden Abgas noch
enthaltenen Feststoffrückstände aus der Feuerung - wie zum Beispiel Flugasche und
Ruß - aus dem Abgas abgeschieden.
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c) Die Absorptionsmittel werden weitgehend ausgenutzt und müssen nicht
im Uberschuß zugegeben werden. Es können auch Absorptionsmittel verwendet werden,
die schwer in Wasser löslich sind und teilweise noch als Feststoffe vorliegen; diese
Absorptionsmittel sind in der Regel billiger als leicht lösliche.
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d) Die Reinigungsrückstände können als getrocknete und praktisch wasserfreie
Feststoffe aus dem Reaktor abgezogen werden.
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Dadurch ist eine Entwässerung nicht erforderlich, bei der unter Umständen
Abwasser entsteht. Es ist außerdem keine Trocknung unter Einsatz von zusätzlicher
Energie notwendig.
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e) Eine Umsetzung der bei der Absorption entstehenden Reaktionsprodukte
kann im Reaktor mit den im Abgas bereits enthaltenen Reagentien erfolgen oder mit
Reagentien, die zusätzlich in den Reaktor eingebracht werden. Die entstehenden Reaktionsprodukte
werden im Reaktor ebenfalls getrocknet.
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f) Nach einer Umsetzung oder Nachbehandlung der Reaktionsprodukte
außerhalb des Reaktors unter Zugabe von Wasser können diese zur erneuten Trocknung
im Abgas dem Reaktor wieder zugeführt werden.
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Die zur Durchführung des Verfahrens notwendige Vorrichtung wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf die schematischen Schnittdarstellungen in den Zeichnungen beschrieben;
es zeigen: Fig. 1 Eine einfache Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 2 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Ausführung
des unteren Reaktorbereiches und Fig. 3 und 4 Beispiele für erfindungsgemäße Ausführungen
des oberen Reaktorbereiches.
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Die in Fig. 1 dargestellte einfache Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeigt einen Reaktor (1), in den das
zu reinigende Abgas (Pfeile 15) aus dem Rohgaskanal (2) durch eine Gasverteilung
(3) in den unteren Bereich des Reaktors eintritt. Die Abgasströmung wird zweckmäßig
in einem Strömungsgleichrichter (4) vergleichmäßigt.
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Das gereinigte Abgas (Pfeile 16) tritt durch einen Gassammler (5)
in den Reingaskanal (6) ein. Die Reagenzlösung (Pfeile 17) wird im oberen Bereich
des Reaktors durch eine Versprüheinrichtung (7) in das Abgas gesprüht. Die getrockneten
Reinigungsrückstände (Pfeil 18) können aus dem Abzugstrichter (8) aus dem Reaktor
entfernt werden.
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Fig. o zeigt bespielhaft eine Ausführungsform des unteren Reaktorbereiches
der erfindungsgemäßen VorrIchtung. Das zu reinigende Abgas (Pfeile 15) wird durch
eine Vorri-htung (9) im Rohrgaskanal (2) und/oder in der Gasverteilung (3) in Teilströme
aufgeteilt, die durch verschiedene Strömungsgleichrichter (4,10) in Sen mittleren
Reaktorbereich einströmen. Dadurch wird bewirkt, daß die Strömung optimal an die
übrigen Bedingungen im Reaktor angepaßt werden kann. Beispielsweise kann der gesamte
Abgasstrom in zwei unterschiedlich große Teilströme aufgeteilt werden, von denen
der größere durch den Gleichrichter (10) strömt, vorwiegend in Wandnähe des Reaktors
aufsteigt und in den im oberen Bereich des Reaktors die Reagenzlösung, wie in Fig.
3 beispielsweise gezeigt, durch in Wandnähe angebrachte Versprüheinrichtungen (12)
vorwiegend horizontal gesprüht wird. Der kleinere der beiden Teilströme, der durch
den Gleichrichter (4) strömt, kann vorwiegend als Strömung zum Trocknen der Reinigungsrückstände
und als Sichterströmung dienen, von der kleine Partikel im Reaktor wieder nach oben
gefördert werden und gegen die große Partikel in den Abzugstrichter (8) fallen.
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Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform des oberen Reaktorbereiches
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in dem die Reagenzlösung (Pfeile 17) in das Abgas
gesprüht wird, das gereinigt aus dem Gassammler (5) in den Reingaskanal (6) eintritt
(Pfeile 16).
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Durch die Vorrichtung (11) wird die Reagenzlösung beispielsweise durch
Düsen über die gesamte Querschnittsfläche des Reaktors (1) so versprüht, daß durch
sie vor allem die Feststoffe aus dem Abgas abgeschieden werden. Diese Reagenzlösung
kann überwiegend aus Wasser bestehen, wenn beispielsweise durch die Vorrichtung
(12) zusätzlich Reagenzlösung von der Reaktorwand aus in den Reaktor eingebracht
wird; das ist zweckmäßig, wenn beispielsweise ein erheblicher Teilstrom des Abgases
an den Wänden aufwärtsströmt, wie das durch die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung bewirkt
werden kann. Vorrichtungen nach Art der Vorrichtung (12) können in dem Reaktor zusätzlich
vorhanden sein, solche nach Art der Vorrichtung (11) müssen im Reaktor wegen der
Feststoffabscheidung aus dem Abgas vorhanden sein.
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Fig. 4 zeigt beispielhaft eine weitere Ausführungsform des oberen
Reaktorbereiches der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in dem die Reagenzlösung (Pfeile
17) in das Abgas gesprüht wird. Das Abgas tritt im Gegensatz zu dem in Fig. 3 gezeigten
Beispiel durch den Gassammler (5) horizontal in den Reingaskanal (6) ein (Pfeile
16).
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Durch die Vorrichtung (13) wird die Reagenzlösung beispielsweise durch
Düsen in einer Fläche, die zur Vertikalen geneigt ist, so versprüht, daß durch sie
vor allem Feststoffe aus dem Abgas abgeschieden werden. Diese Reagenzlösung kann
überwiegend aus Wasser bestehen, wenn beispielsweise durch einen Rotationszerstäuber
(14) zusätzlich Reagenzlösung in das Abgas gesprüht wird.
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