AT507601A2 - Regenerative thermische oxidationsanlage - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine RTO-Anlage (= Regenerative Thermische Oxidationsanlage) zur Reinigung von Abgas- oder Abluftströmen mit niedrigem Gehalt an brennbaren Schadstoffen, mit einer Brennkammer und mindestens zwei daran anschliessenden Regeneratorkammern, die mit keramischer Wärmespeichermasse in Form von in ihrer Längsrichtung Kanäle aufweisenden, insbesondere quader- oder würfelförmigen, stranggepressten und gebrannten Wabenkörpern befüllt sind und abwechselnd in einer der Regeneratorkammern von unbehandeltem Abgas bzw. Abluft und in einer anderen Regeneratorkammer von in der ersten Regeneratorkammer sowie in der Brennkammer erhitztem Abgas bzw. Abluft mit verbrannten Schadstoffen durchströmt werden. Die Erfindung betrifft auch einen Wärmespeicher-Wabenkörper zur Befüllung von Regeneratorkammern einer solchen RTO-Anlage. 

  
Das Schema einer bekannten derartigen Anlage einfacher Bauart, d.h. nur mit zwei in Vertikalrichtung gegenläufig durchströmten Regeneratorkammern und einer Brennkammer ist in Fig. 1 gezeigt. In der dargestellten Anfangsphase der Beaufschlagung der in Fig. 1 links unten dargestellten ersten Regeneratorkammer von unten und der in Fig. 1 rechts unten dargestellten zweiten Regeneratorkammer von oben strömt das unbehandelte Abgas bzw. die unbehandelte Abluft durch die erste  Regeneratorkammer, die in der vorhergehenden Phase aufgeheizt worden ist, dann (in Fig. 1 von links nach rechts) durch die im dargestellten Beispiel durch einen Gasbrenner mit Brenngaszufuhr (dunkler Pfeil) und Zufuhr von Verbrennungsluft (heller Pfeil) erhitzte Brennkammer, in Fig. 1 oben, sowie dann durch die zweite Regeneratorkammer, die oben noch heiss und unten noch kalt ist.

   In der nächsten (nicht dargestellten) Phase ist die Beaufschlagung umgekehrt, d.h. das unbehandelte Abgas bzw. die unbehandelte Abluft strömt von unten durch die in der vorhergehenden Phase aufgeheizte rechte Regeneratorkammer, dann in der Brennkammer von rechts nach links, sowie in der linken Regeneratorkammer nach unten. In der zuerst durchlaufenen Regeneratorkammer und in der Brennkammer findet eine Oxidation der brennbaren Schadstoffe statt, in der zweiten durchlaufenen Regeneratorkammer wird die thermische Energie auf die Wärmespeichermasse rückgewonnen. Das Reingas wird durch einen in Fig. 1 rechts dargestellten Kamin abgeführt. 

  
Die Regeneratorkammern sind befüllt mit keramischer Wärmespeichermasse in Form von vorzugsweise quader- oder würfelförmigen Wabenkörpern. Die Längsabmessung des Quaders ist zumeist etwa doppelt so gross wie die Querabmessung mit etwa gleich langen Querseiten des Quaders. Der Quader weist in seiner Längs-, d.h. Durchstr[delta]mungsrichtung, verlaufende Kanäle auf. Mehrere Lagen der quaderf[delta]rmigen Wabenkörper liegen so aufeinander (bei Vertikalanordnung, wie in Fig. 1 gezeigt) bzw. an einander (bei ebenso möglicher Horizontalanordnung) , dass über die gesamte Packung der Wabenkörper durchgehende, parallele Kanäle gebildet werden. Die Wabenkörper werden durch Strangpressen aus hochtemperaturbeständigen Keramikmaterialien mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und hoher Thermoschockbeständigkeit, nachfolgendes Trocknen, Schneiden und Brennen hergestellt. 

  
Probleme können sich durch die grosse Beanspruchung durch die Wechselbelastung durch hohe und niedrige Temperaturen in Kombination mit dem Druckverlust des in grosser Menge durchströmenden Abgases bzw. der Abluft ergeben. Wenn einzelne Wabenkanäle verstopft oder zerstört werden, können die betroffenen Wabenkörper aus der Packung herausgedrückt werden, wovon insbesondere die Wabenkörper der oberen Lagen der Packung betroffen sind. Es müssen dann ganze Lagen der Wabenkörper aufwendig ausgetauscht werden. Bei der Horizontalanordnung, die in vielen Fällen aus konstruktiven und Raumgründen günstiger als die Vertikalanordnung sein kann, lastet weniger Eigengewicht insbesondere auf der obersten Lage als bei der Vertikalanordnung.

   Bei der Horizontalanordnung ergibt sich deshalb verstärkt die Gefahr, dass ein Wabenkörper aus seiner Lage verrückt wird, nicht in Position bleibt und in die Brennkammer fällt. Im Prinzip muss die Wabe nur den Reibungswiderstand überwinden, um die Position zu verändern. Wird die Wabe ein wenig aus der Lage herausgeschoben, verringert sich die Aufla geflache zur unteren Wabe, und in weiterer Folge fällt die Wabe heraus . 

  
Der Stand der Technik begegnet dem geschilderten Problem des Hineinfallens einzelner Wabenkörper in die Brennkammer wie folgt : 

  
Es werden Keramikmaterialien mit besonders niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und besonders guter Thermoschockbeständigkeit verwendet . 

  
Man verwendet eine keilförmige Unterlage für die Pakkung bzw. das Keramikbett der Wabenkörper. Der Keilwinkel vergrössert den Widerstand gegen das Verschieben der Wabenkörper bzw. die Reibung. 

  
Einzelne Wabenkorper der brennkammerseitigen Lage werden mit feuerfestem Mörtel verbunden eingebaut, womit allerdings der Nachteil des Verlustes der thermischen Unabhängigkeit verbunden ist . 

  
Ein Gitter aus hochtemperaturbeständigem Werkstoff wird brennkammerseitig vor den Wabenkörpern eingebaut und verhindert unerwünschte Positionsveränderungen der Wabenkörper. 

  
Die einzelnen Methoden oder auch deren Kombinationen sind aufwendig und liefern oft nur wenig zufriedenstellende Ergebnisse. Die Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, Positionsveränderungen der Wabenkörper in einer RTO-Anlage der eingangs genannten Art ohne die erwähnten Nachteile zu begegnen.  Die Lösung besteht bei der Anlage der eingangs angegebenen Art darin, dass aneinander anliegende Wabenkörper mindestens der brennkammerseitigen Lagen der Wabenkörper je an mindestens einer Seitenwand durch eine Nut- und Feder-Anordnung zusammengehalten sind. 

  
Die Nut- und Feder-Anordnung kann an allen, z.B. vier, Seitenwänden jedes Wabenkörpers mindestens der brennkammerseitigen Lagen vorgesehen sein. 

  
Die Nut- und Feder-Anordnung kann durch mindestens einen an den Wabenkörpern selbst angeordneten Vorsprung gebildet sein, der in eine entsprechende Ausnehmung mindestens eines anderen Wabenkörpers eingreift. 

  
Dabei enthält vorzugsweise jeder Wabenkörper an mindestens einer Seitenwand mindestens eine Ausnehmung und an der gegenüberliegenden Seitenwand mindestens einen der Form der Ausnehmung entsprechenden Vorsprung. 

  
Bei einer besonders einfach herzustellenden Ausführungsform weisen die Wabenkörper im Mittelbereich ihrer Längskanten je über einen Eckbereich herum sich erstreckende Ausnehmungen auf, wobei gesonderte keramische Verbindungsplatten in die Ausnehmungen von jeweils vier aneinander anliegenden Wabenkörpern eingepasst sind. 

  
Die Verbindungsplatten weisen zweckmässig Kanäle etwa in der Verlängerung der von ihnen gehaltenen Wabenkörper auf.  Vorteilhaft sind die Verbindungsplatten kreisförmig und passen in jeweils viertelkreisförmige Ausnehmungen der Wabenkörper. 

  
Bei einer besonders stabilen Ausführungsform sind die brennkammerseitigen Wabenkörper grobzelliger als die Wabenkörper der übrigen Lagen und weisen z.B. nur einen Kanal an der Stelle von zwei oder vier der letzterwähnten Wabenkörper auf. Dadurch ist die Beanspruchung durch den Druckverlust in der brennkammerseitigen Lage verringert. 

  
Eine besonders grosse Stabilität ergibt sich, wenn die Regeneratorkammern eine die Packung der Wabenkörper umhüllende Einhausung mit den Wabenkörpern entsprechender Nut- und FederAnordnung aufweisen. 

  
Ein Wärmespeicher-Wabenkörper zur Befüllung von Regeneratorkammern einer erfindungsgemässen RTO-Anlage, welcher Wabenkörper aus Keramikmaterial insbesondere in Form eines Quaders oder Würfels stranggepresst und gebrannt ist, wobei der Wabenkörper mit geschlossenen Seitenwänden und in seiner Längsrichtung verlaufenden Kanälen ausgebildet ist, die an beiden Stirnwänden des Wabenkörpers offen stehen, ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper an mindestens einer Seitenwand eine Ausnehmung aufweist. 

  
Der Wabenkörper kann vorteilhaft an der gegenüberliegenden Seitenwand einen der Form der Ausnehmung entsprechenden Vorsprung aufweisen.  Die mindestens eine Ausnehmung des Wabenkörpers kann schlitzförmig sein. Sie ist vorteilhaft im Mittelbereich von zwei benachbarten Längskanten angeordnet und kann sich je über einen Eckbereich erstrecken. Bei dieser Ausführungsform sind die schlitzförmigen Ausnehmungen vorteilhaft viertelkreisförmig. Statt im Mittelbereich der Längskanten kann die Ausnehmung auch in deren Endbereich angeordnet sein, um eine vorteilhafte Lage der Nut- und Feder-Verbindung nahe der Brennkammer zu ermöglichen. Auch die Lage im Eckbereich ist nicht notwendig; reicht eine Nut- und Feder-Verbindung von nur zwei Wabenkörpern aus, kann die Ausnehmung z.B. im mittleren Bereich einer Seitenwand des Wabenk[delta]rpers angeordnet sein. 

  
Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Darin zeigt 

  
Fig. 1 das Schema eines Beispiels einer bekannten RTO-Anlage einfacher Bauart, 

  
Fig. 2 schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemässen Wärmespeicher-Wabenk[delta]rpers, 

  
Fig. 3 schematisch mehrere aufeinander gestapelte Wabenkörper nach Fig. 2, 

  
Fig. 4A, 4B, 4C mehrere Wabenkorper einer zweiten Ausführungsform, zusammengehalten durch in Ausnehmungen der Wabenkorper eingreifende Verbindungsplatten, 

  
Fig. 5 eine der in den Fig. 4A, 4B, 4C gezeigten Verbindungsplatten zwischen zwei Wabenk[delta]rpern in grösserem Massstab.  Die RTO-Anlage nach Fig. 1 weist eine durch einen Gasbrenner 1 beheizte Brennkammer 2 und zwei unten daran anschliessende Regeneratorkammern 3, 4 auf. Die BrenngasZuführung des Gasbrenners 1 ist mit 5 und die VerbrennungsluftZuführung mit 6 bezeichnet. Die Regeneratorkammern 3, 4 sind mit keramischer Wärmespeichermasse in Form von quaderförmigen, stranggepressten, gebrannten Wabenkörpern befüllt. Die beiden Regeneratorkammern 3, 4 werden abwechselnd von unbehandeltem Abgas bzw. Abluft und von in einer der beiden Regeneratorkammern 3, 4 und in der Brennkammer 2 erhitztem Abgas bzw. Abluft mit verbrannten Schadstoffen durchströmt.

   In der in Fig. 1 dargestellten ersten Phase durchströmt die zu reinigende Abluft zunächst die keramische Wärmespeichermasse in der Regeneratorkammer 3 und wird dadurch schon annähernd auf die für die geforderte Schadstoffvernichtung notwendige Oxidationstemperatur vorgewärmt. Unter geringfügiger Brennstoffzufuhr in der Brennkammer 2 oder durch genügend hohen Energiegehalt der Schadstoffe wird die Abluft bzw. das Abgas auf die endgültige Verbrennungstemperatur (typisch 800-900[deg.]C) gebracht. Dadurch werden die Schadstoffe nahezu vollständig oxidiert. Das heisse Reingas wird durch die weitere keramische Wärmespeichermasse in der Regeneratorkammer 4 abgeleitet, an welche die thermische Energie mit hoher Effizienz wieder abgegeben wird.

   Nach einer bestimmten Zykluszeit (typisch sind 60-240 s) wird die Gasströmungsrichtung gewechselt, d.h. die Wärmespeichermasse wird wieder mit  thermischer Energie vom Gasstrom eingangsseitig entladen und ausgangsseitig beladen. 

  
In Fig. 1 sind die in dieser ersten Phase herrschenden Strömungsrichtungen innerhalb der Regeneratorkammern 3 , 4 durch Pfeile angedeutet. In dieser Phase wird die von heissem Gas angeströmte Regeneratorkammer 4 aufgeheizt, während die von kaltem Gas angeströmte Regeneratorkammer 3 abkühlt. Zwischen den oberen Enden der beiden Regeneratorkammern 3 , 4 verläuft die Strömung innerhalb der Brennkammer 2 in dieser ersten Phase von links nach rechts.

   In der daran anschliessenden (nicht dargestellten) zweiten Phase, sobald die Abkühlung der Regenerationskammer 3 und die Aufheizung der Regenerationskammer 4 vorher eingestellte Werte erreichen, ist dann die Beaufschlagung umgekehrt: Das unbehandelte Abgas bzw. die Abluft strömt von unten her durch die Regeneratorkammer 4, dann von rechts nach links durch die Brennkammer 2 und anschliessend von oben her durch die Regeneratorkammer 3. In beiden Phasen wird das Abgas bei 7 zugeführt und verlässt das Reingas die Anlage durch einen mit 8 bezeichneten Kamin. In der erwähnten ersten Phase sind zwei in Fig. 1 hell eingezeichnete Ventile geöffnet und zwei dort dunkel eingezeichnete Ventile geschlossen, in der erwähnten zweiten Phase sind die Ventilstellungen umgekehrt .

    Die Regeneratorkammern 3, 4 sind befüllt mit keramischer Wärmespeichermasse in Form von aus Keramikmasse stranggepressten und gebrannten quaderförmigen Wabenkörpern. Die Längsabmessung der Quader ist etwa doppelt so gross wie die Querabmessung mit etwa gleich langen Querseiten. Die Quader weisen in ihrer Längsrichtung, d.h. Durchströmungsrichtung, durchgehende Kanäle und geschlossene Seitenwände auf . 

  
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Wärmespeicher-Wabenk[delta]rpers ist in Fig. 2 schematisch gezeigt. Die sich in Längsrichtung des Wabenkörpers 10 von einer Stirnseite 11 zur anderen Stirnseite 12 des Wabenkörpers 10 durchgehend erstreckenden Kanäle (mit einem Durchmesser von typisch etwa 2-5 mm) sind nicht eingezeichnet. An einer Seitenwand des Wabenkörpers 10 befindet sich eine Ausnehmung 13 und an der gegenüber angeordneten Seitenwand ein Vorsprung 14, dessen Form derjenigen der Ausnehmung 13 entspricht und in diese hineinpasst . 

  
Fig. 3 zeigt mehrere aufeinander gestapelte Wabenkörper 10 nach Fig. 2, wobei der Vorsprung 14 der beiden oberen Körper 10 jeweils in den Hohlraum 13 des darunter dargestellten Körpers 10 eingepasst ist. Mit den Pfeilen X ist angedeutet, dass die Position der Wabenkörper nicht verändert wird. Mindestens die brennkammerseitige Lage der Wabenkorper 10 ist in dieser Weise verbunden. Bei Vertikalanordnung der Wabenkörper 10 ist die Strömungsrichtung vertikal, bei Horizontalanordnung liegen  die Wabenkörper 10 mit der in Fig. 2 vorderen oder hinteren Seitenfläche auf dem horizontalen Untergrund einer Einhausung der Regeneratorkammern 3 , 4 auf . 

  
Die in Fig. 2 vordere und die hintere Seitenwand der Wabenkörper 10 können analog wie die in Fig. 2 obere und die hintere Seitenwand ausgebildet sein (nicht dargestellt) . 

  
Die Fig. 4A, 4B und 4C zeigen mehrere quaderförmige Wabenkörper einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Hier sind die sich in Längsrichtung der Quader durchgehend erstreckenden Kanäle ersichtlich. Die Wabenkörper weisen im Mittelbereich von zwei benachbarten Längskanten schlitzförmige Ausnehmungen 15 (Fig. 4A, 4C) auf, die sich je über einen Eckbereich erstrecken. In die Ausnehmungen 15 von jeweils 4 aneinander anliegenden Wabenkörpern wird beim Einbringen der Wabenkörper in die Regeneratorkammern jeweils eine keramische Verbindungsplatte 16 eingesetzt. Die Verbindungsplatten 16 sind kreisförmig und die schlitzförmigen Ausnehmungen 15 der Wabenkorper jeweils viertelkreisförmig. Mindestens die brennkammerseitige Lage der Wabenkörper ist in der in den Fig. 4A-4C gezeigten Weise zusammengehalten. 

  
Fig. 5 zeigt eine der in den Fig. 4A-4C sichtbaren Verbindungsplatten 16 zwischen zwei Wabenkörpern in grösserem Massstab. Die Verbindungsplatten weisen Kanäle etwa in der Verlängerung der Kanäle der von ihnen gehaltenen Wabenkörper auf.

Claims (14)

Patentansprüche :

1. RTO-Anlage (= Regenerative Thermische Oxidationsanlage) zur Reinigung von Abgas- oder Abluftströmen mit niedrigem Gehalt an brennbaren Schadstoffen, mit einer Brennkammer (2) und mindestens zwei daran anschliessenden Regeneratorkammern

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut- und Feder-Anordnung an allen vier Seitenwänden jedes Wabenkörpers mindestens der brennkammerseitigen Lagen vorgesehen ist. *

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut- und Feder-Anordnung durch mindestens einen an den Wabenkörpern (10) selbst angeordneten Vorsprung (14) gebildet ist, der in eine entsprechende Ausnehmung (13) mindestens eines anderen Wabenkörpers (10) eingreift.

(3, 4), die mit keramischer Wärmespeichermasse in Form von in ihrer Längsrichtung Kanäle aufweisenden, insbesondere quaderoder würfelförmigen, stranggepressten, gebrannten Wabenkörpern befüllt sind und abwechselnd in einer der Regeneratorkammern (3) von unbehandeltem Abgas bzw. Abluft und in einer anderen Regeneratorkämmer (4) von in der ersten Regeneratorkammer (3) sowie in der Brennkammer (2) erhitztem Abgas bzw. Abluft mit verbrannten Schadstoffen durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass aneinander anliegende Wabenkörper (10) mindestens der brennkammerseitigen Lagen der Wabenkörper je an mindestens Seitenwand durch eine Nut- und Feder-Anordnung zusammengehalten sind.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Wabenkörper (10) an mindestens einer Seitenwand mindestens eine Ausnehmung (13) und an der gegenüberliegenden Seitenwand mindestens einen der Form der Ausnehmung (13) entsprechenden Vorsprung (14) aufweist.

5. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenkörper im Mittelbereich ihrer Längskanten je über einen Eckbereich herum sich erstreckende Ausnehmungen

(15) aufweisen, wobei gesonderte keramische Verbindungsplatten

(16) in die Ausnehmungen (15) von jeweils vier aneinander anliegenden Wabenkörpern eingepasst sind.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsplatten (16) Kanäle etwa in der Verlängerung der von ihnen gehaltenen Wabenkörper aufweisen.

7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsplatten (16) kreisförmig sind und in jeweils viertelkreisförmige Ausnehmungen (15) der Wabenkörper passen.

8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die brennkammerseitigen Wabenkörper grobzelliger als die Wabenkörper der übrigen Lagen sind und z.B. nur einen Kanal an der Stelle von zwei oder vier der letzterwähnten Wabenkörper aufweisen.

9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneratorkammern (3, 4) eine die Pakkung der Wabenkörper einschliessende Einhausung mit einer den Wabenkörpern entsprechender Nut- und Feder-Anordnung aufweisen.

10. Wärmespeicher-Wabenkörper zur Befüllung von Regeneratorkammern einer RTO-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welcher Wabenkörper (10) aus Keramikmaterial in Form insbesondere eines Quaders oder Würfels stranggepresst und gebrannt ist, wobei der Wabenkorper mit geschlossenen Seitenwänden und in seiner Längsrichtung verlaufenden Kanälen ausgebildet ist, die an beiden Stirnwänden des Wabenkörpers offen stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (10) an mindestens einer Seitenwand eine Ausnehmung (13 bzw. 15) aufweist.

11. Wärmespeicher-Wabenkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkorper (10) an der gegenüberliegenden Seitenwand einen der Form der Ausnehmung (13) entsprechenden Vorsprung (14) aufweist.

12. Wärmespeicher-Wabenkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung (15) des Wabenkörpers schlitzförmig ist.

13. Wärmespeieher-Wabenkörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmige Ausnehmung (15) im Mittelbereich von zwei benachbarten Längskanten angeordnet ist und sich je über einen Eckbereich erstreckt.

14. Wärmespeicher-Wabenkörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmige Ausnehmung (15) viertelkreisförmig ist.