Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasreinigung
bei Feuerungsanlagen, wobei die Abgase in Berührung mit Wasser gebracht werden, um Wärme unmittelbar auf das Wasser zu übertragen und dann mittels eines Wärmetauschers vom Wasser weiter auf das zu erwärmende Fluid zu übertragen.
Bei Grossanlagen, wie z.B. Kraftwerken, Kehrichtverbrennungsanlagen, sind seit längerer Zeit verschiedene Verfahren zum Reinigen der Abgase im Einsatz. Währenddem also im industriellen Bereich Massnahmen zur Reinhaltung der Luft eingesetzt werden, ist dies bei Feuerungsanlagen, wie sie bei Millionen von Ein- und Mehrfamilienhäusern zur Raumheizung und zur Warmwasserbereitung verwendet werden, nicht der Fall. In diesen Feuerungsanlagen werden jedoch gesamthaft wesentlich grössere Mengen von umweltbelastenden fossilen Brennstoffen verbrannt als in den industriellen Anlagen. Dementsprechend ist auch der Anteil der Raumheizung und der Warmwasserbereitung an der Luftverschmutzung besonders gross.
Dieses Problem ist schon seit längerer Zeit bekannt, doch ist es bisher nicht gelungen, für relativ kleine Anlagen wirtschaftliche Verfahren und Vorrichtungen zum Reinigen der Abgase zu schaffen, die befriedigend funktionieren und auch wirtschaftlich tragbar sind.
Um Brennstoff zu sparen sind sogenannte Brennwertkessel konzipiert worden, bei denen der im Abgas enthaltene Wasserdampf kondensiert und somit auch die Kondensationswärme genutzt wird. Da aber das Kondenswasser schweflige Säure enthält, müssen Brennwertkessel aus korrosionsfestem Material gefertigt werden. Als solches wird normalerweise rostfreier Stahl verwendet. Brennwertkessel sind daher relativ teuer in der Herstellung. Des weiteren können sie zu einer unerwünschten Umweltbelastung führen. Das saure Kondenswasser aus Brennwertkesseln wird normalerweise in die Kanalisation geleitet. Dadurch kann die Biologie einer Kläranlage erheblich gestört werden. Bedenklich ist jedoch vor allem, dass das saure Kondenswasser aus dem Stahl gelöste Schwermetalle, wie Chrom, enthält.
Diese Schwermetalle gelangen über den Klärschlamm in den landwirtschaftlichen Boden und wirken so umwelt- und gesundheitsschädigend.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Reinigung der Abgase und Nutzung der Verbrennungswärme zu schaffen, das einen hohen Wirkungsgrad aufweist, aber keinen teuren Brennwertkessel mit all seinen Nachteilen benötigt.
Das erfinderische Verfahren sieht vor, dass das Wasser in einem Primärkreislauf umgewälzt wird, dass dem Wasser periodisch oder kontinuierlich ein Mittel zur Neutralisierung der in den Abgasen enthaltenen Schadstoffen zugefügt wird, und dass durch das Wasser eine derartige Abkühlung der Abgase vorgenommen wird, dass mindestens ein Teil des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes kondensiert wird.
Dadurch, dass das Wasser in einem Primärkreislauf umgewälzt wird, wird der Wärmeübergang erheblich beschleunigt.
Durch die periodische oder kontinuierliche Zuführung eines Mittels zur Neutralisierung der in den Abgasen enthaltenen Schadstoffen wird mit relativ einfachen Mitteln eine wirksame Reinigung der Abgase bewirkt. Es werden den Abgasen insbesondere Schwefel- und Stickstoffverbindungen, z.B.
SO2, S03 und No, NO2 entzogen. Besonders wichtig ist, dass durch das Wasser eine derartige Abkühlung der Abgase vorgenommen wird, dass mindestens ein Teil des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes kondensiert wird. Bei der Verbrennung von einem Kilogramm Heizöl fallen in den Abgasen ungefähr 0,8 Kilogramm Wasser in Form von Wasserdampf an.
Wird nun dieses Wasser kondensiert, so steht die dabei frei werdende Wärme ebenfalls zur Nutzung, also z.B. für Heizzwecke, zur Verfügung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Abkühlung das Volumen der Abgase stark reduziert wird, so dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens relativ klein bemessen werden kann. Die erhöhte Wärmeausbeute senkt den Brennstoffbedarf und trägt so weiter zur Reinhaltung der Luft bei. Von wirtschaftlichem Interesse ist dabei, dass durch die Brennstoffersparnisse die Kosten der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens rasch amortisiert werden können.
Die beschriebene Ausbildung des Verfahrens bringt also die Vorteile des Brennwertkessels, bei dem der im Abgas enthaltene Wasserdampf kondensiert wird, nicht aber die Nachteile eines solchen Kessels. Weil nämlich dem Wasser periodisch oder kontinuierlich ein Mittel zur Neutralisierung der in den Abgasen enthaltenen Schadstoffen zugefügt werden kann, wird auch eine Auswaschung von Schwermetallen verhindert, wenn die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aus rostfreiem Stahl besteht.
Zweckmässigerweise wird die bei der Verbrennung entstehende Flamme mindestens teilweise von einem Wasservorhang umschlossen. Dies ermöglicht einen Übergang von Strahlungswärme aus der Flamme in das Wasser. Des weiteren wirken die heissen Abgase direkt auf das Wasser ein. Es erfolgt ein sehr rascher Wärmeübergang. Bereits in diesem Stadium kann ein Teil des Wassers verdampfen, wobei es dann aber später wieder kondensiert wird.Es ist möglich, die Abgase durch eine Wasser-Dünnschichtvorrichtung, z.B.
durch ein mit Wasser benetztes Steinbett, zu führen. Das Wasser bildet dabei auf den Steinen einen dünnen Film, der sehr rasch Wärme aufnimmt und mindestens teilweise verdampft. Es ist aber nicht nur ein grosser Wärmeaustausch vorhanden, sondern auch ein erheblicher Stoffaustausch, indem Schadstoffe aus den Abgasen direkt in das Wasser übertreten können. Besonders gross ist der Stoffaustausch, wenn sich Abgase und verdampftes Wasser vermengen. Im Steinbett entsteht auch eine hohe Turbulenz, welche diesen Stoffaustausch begünstigt. Ein besonderer Vorteil des Steinbetts ist seine schalldämmende Wirkung. Die sonst üblichen Verbrennungsgeräusche werden praktisch eleminiert. Massgebend beteiligt daran sind dabei das durch die Steine geschaffene schalldämpfende Labyrint und der durch die Abkühlung der Gase entstehende plötzliche Druckabfall.
Wenn hier von einem Steinbett die Rede ist, so erfolgt dies nur als Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften hitze- und wasserbeständigen Dünnschichtvorrichtung. Steine, insbesondere Kalksteine, stellen ein billiges Material dar, das sogar zusätzlich noch als Neutralisierungsmittel dienen kann. Möglich wäre aber auch die Verwendung von anderen Mitteln zur Bildung von Rieselfilmen, z.B. von Keramikplatten mit einer Vielzahl von Durchlässen für Wasser und Abgase, von Röhren, in denen Abgase und Rieselfilm z.B. im Gegenstrom fliessen, usw.
Vorteilhaft werden die Abgase bzw. die Mischung von Abgasen und verdampftem Wasser nach dem Verlassen der Dünnschichtvorrichtung durch einen Sprühregen geführt.
Die Abgase besitzen nach dem Verlassen der Wasser-Dünnschichtvorrichtung ein erheblich kleineres Volumen und haben eine verhältnismässig geringe Geschwindigkeit.
Durch den Sprühregen werden die Abgase noch weiter abgekühlt und ihr Volumen noch weiter verkleinert, und es erfolgt auch eine Kondensation des Wasserdampfes. Es hat sich gezeigt, dass in dieser Phase praktisch alle noch verbleibenden Schadstoffe aus den Abgasen ausgeschieden werden.
Wenn es auch möglich wäre, das so erwärmte Wasser direkt zu Heizzwecken zu verwenden, erscheint es zweckmässiger, Wärme aus dem Primärkreislauf über einen Wärmetauscher an einen Sekundärkreislau f abzugeben, also z.B.
an das Wasser einer Zentralheizung.
Vorteilhaft wird der pH-Wert des Wassers ständig im Bereich von etwa 7 bis 9 gehalten. Dies bewirkt eine gute Reinigungswirkung. Die Reinigungswirkung kann auch dadurch verbessert werden, dass den Abgasen noch Luft beigefügt wird. Dadurch, insbesondere in der Anwesenheit von Wasserdampf und/oder Wassertropfen, wird eine Aufoxidation und gute Ausscheidung von Schadstoffen, wie NO und SO2, erreicht.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durch- führung des Verfahrens. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserbehälter vorgesehen ist, welcher das für das Verfahren verwendete Wasser aufnimmt, und dass im Wasserbehälter ein Wärmetauscher angeordnet ist, um die im Wasser enthaltene Wärme auf das Fluid zu übertragen. Dies ergibt eine sehr einfache Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Zweckmässigerweise ist der Wasserbehälter nur teilweise mit Wasser gefüllt und dient zugleich als Brennkammer. Die Flamme des Brenners kann somit unmittelbar auf das Wasser einwirken. Zweckmässigerweise sind dabei Mittel zur Förderung des Wärme- und Stoffaustausches zwischen den Abgasen und dem Wasser vorgesehen.
Diese Mittel umfassen vorteilhaft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines die Flamme eines Brenners mindestens teilweise umgebenden Wasservorhangs. Die Wärme der Flamme wird daher durch Strahlung zu einem grossen Teil unmittelbar auf diesen Wasservorhang übertragen. Auch die Abgase stehen direkt in Berührung mit diesem Wasservorhang, so dass ein intensiver Wärme- und Stoffaustausch stattfindet.
Zweckmässigerweise umfassen die Mittel zur Förderung des Wärme- und Stoffaustausches mindestens eine Wasser Dünnschichtvorrichtung, z.B. ein vom Abgas durchströmtes und mit Wasser berieseltes Steinbett. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Wasser-Dünnschichtvorrichtung die Form eines Hohlzylinders aufweist, der die Flamme des Brenners umgibt. Durch diese Formgebung wird eine besonders grosse Oberfläche der Wasser-Dünnschichtvorrichtung und somit der entstehenden Rieselfilme erzielt, die für den Wärme- und Stoffaustausch von Bedeutung sind. Wird der Brenner vertikal angeordnet, so entsteht dabei eine einfache koaxiale Bauweise der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Mittel zur Förderung des Wärme- und Stoffaustausches können eine Sprüheinrichtung zur Erzeugung eines Sprühregens in einem vom Abgas durchströmten Raum aufweisen. Wie bereits erwähnt, wird durch einen solchen Sprühregen ein starker Wärme- und Stoffaustausch bewerkstelligt, wobei auch eine Kondensation des Wasserdampfes aus den Abgasen stattfindet, welche wesentlich zur Wärmeausbeute beiträgt.
Vorteilhaft ist die Vorrichtung zur Förderung des Wärmeund Stoffaustausches im Wasserbehälter angeordnet. Dies ergibt eine sehr einfache Konstruktion der Vorrichtung. Die Sprüheinrichtung kann über einem Trog angeordnet sein, der eine Reihe von Öffnungen aufweist, die so plaziert sind, dass sie um mindestens einen Teil der Flamme einen Wasservorhang erzeugen und/oder das Steinbett berieseln. Dies ergibt eine einfache Konstruktion der Vorrichtung.
Vorteilhaft weist die Sprüheinrichtung mindestens einen rotierenden Sprüharm auf. Solche Sprüharme, wie sie bei Rasensprengern und Geschirrwaschmaschinen bekannt sind, erzeugen einen besonders feinen Sprühnebel, der dank seiner grossen wirksamen Oberfläche besonders effektiv ist.
Zweckmässigerweise ist hinter der Wasser-Dünnschichtvorrichtung ein Umlenkblech vorgesehen, das die Abgase umleitet, um eine längere Verweilzeit mit dem z.B. durch ein Steinbett erzeugten Wasserdampf zu erzielen. Dadurch wird insbesondere der Stoffaustausch begünstigt, so dass den Abgasen ein Grossteil der Schadstoffe entzogen wird. Es kann auch eine Vorrichtung vorgesehen sein, welche die Stellung des Umlenkblechs in Abhängigkeit des Wasserstandes im Wasserbehälter steuert. Dadurch wird erreicht, dass die durch das Umlenkblech begrenzte Durchlassöffnung immer gleich gross bleibt, so dass der Durchflusswiderstand für die Abgase unabhängig vom Wasserspiegel konstant gehalten wird. Das Umlenkblech kann beispielsweise von einem Schwimmer getragen werden.
Nach der Sprüheinrichtung kann noch ein Wärmetauscher angeordnet sein, um noch weiteren, in den Abgasen enthaltenen Wasserdampf zu kondensieren und die Abgase weiter abzukühlen, um so weiter Wärme dem Wasser zuzuführen.
Wenn die Steine des Steinbetts aus Kalkstein bestehen, bewirkt dies eine Neutralisation des Wassers. Zweckmässigerweise wird jedoch eine Dosiervorrichtung zur dosierten Beimengung von Neutralisationsmittel in das Wasser vorgesehen. Wenn die Schadstoffe laufend neutralisiert werden, entstehen keine grossen Korrosionsprobleme. Daher kann die ganze Vorrichtung auch aus relativ billigen Materialien hergestellt werden. Es besteht ferner auch keine Gefahr, dass erhebliche Mengen von Schwermetallen aus Anlageteilen herausgelöst und der Kläranlage zugeführt werden.
Zweckmässigerweise ist ein Ablassventil für das im Wasserbehälter enthaltene Wasser vorgesehen, sowie ein Niveaufühler, um bei Überschreiten eines bestimmten Niveaus das Ablassventil zu betätigen und überschüssiges Wasser aus dem Wasserbehälter abzulassen. Durch diese Einrichtung wird das anfallende Kondenswasser von Zeit zu Zeit aus der Vorrichtung entfernt. Ferner ist nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, dass der zur Erzeugung der Flamme verwendete Brenner ein modulierender Olvergasungsbrenner ist. Ein solcher Brenner ermöglicht einen gleitenden Betrieb, liefert also je nach Wärmebedarf mehr oder weniger Wärme.
Die Kombination mit einem Ölvergasungsbrenner ist aber auch deshalb besonders interessant, weil ein Ölvergasungsbrenner keine Abgase mit unverbrannten Kohlenwasserstoffresten erzeugt, welche eventuell noch zusätzliche Mittel zur Abscheidung von Öl aus dem Wasser erfordern könnten. Versuche haben auch gezeigt, dass die Vorrichtung auch mit einem modernen Zerstäubungsbrenner benützt werden kann, wobei dann aber zweckmässigerweise eine Trockenbrennkammer vorgesehen wird.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, dass eine pH-Messsonde vorgesehen ist, welche ein Signal erzeugt, um beim Überschreiten eines vorbestimmten pH-Wertes die Dosiervorrichtung zu betätigen.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäss der Erfindung mit waagrecht angeordnetem Brenner,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines auf einem Schwimmer angeordneten Umlenkblechs,
Fig. 3 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung mit senkrecht angeordnetem Brenner,
Fig. 4 eine Trockenbrennkammer für die Verwendung der Vorrichtung mit einem Zerstäubungsbrenner.
Die Vorrichtung 10 dient zur Durchführung des eingangs beschriebenen Verfahrens zur Erhitzung eines Fluids und zur Reinigung der bei der Verbrennung entstehenden Abgase. Bei dieser Vorrichtung wird die bei der Verbrennung entstehende Wärme mindestens zum Teil unmittelbar auf Wasser übertragen und dann mittels des Wärmetauschers 11 vom Wasser 32 weiter auf das zu erwärmende Fluid über tragen. Die Vorrichtung 10 besteht im wesentlichen aus dem durch einen Deckel 13 verschlossenen Wasserbehälter 12, in welchem der Wärmetauscher 11 angeordnet ist. Der Wasserbehälter 12 ist durch eine Isolation 15, z.B. Glaswollematten, wärmeisoliert. Auch der Deckel 13 besitzt eine Wärmeisolation 15'. Ein Brenner 17 ist vorgesehen, welcher praktisch waagrecht angeordnet ist und im Wasserbehälter 12 eine Flamme 19 erzeugt. Der Brenner 17 kann ein Öl- oder Gasbrenner sein.
Es könnte sich auch um einen Brenner für feste Brennstoffe handeln, wobei dann allerdings dafür gesorgt werden müsste, dass keine grösseren Aschenmengen im Wasser anfallen, welche die Funktion der Vorrichtung beeinträchtigen könnten. Von besonderem Interesse ist jedoch die Anwendung des Verfahrens mit einem Ölbrenner, besonders wenn das Heizöl relativ hohe Mengen von Schwefel enthält.
Wie die Fig. 1 zeigt, ist der Wasserbehälter 12 nur teilweise mit Wasser 32 gefüllt, so dass ein Teil des Behälters 12 als Brennraum 21 dient.
Bei der Verwendung eines Ölzerstäubungsbrenners wird im Brennraum 21 noch eine sogenannte Trockenbrennkammer 23 vorgesehen. Diese Trockenbrennkammer besteht aus einem hitzebeständigen Stahlblechmantel 25, der hinten einen Stahlblechdeckel 27 aufweist. Im Innern befindet sich eine Keramikfasermatte 29, die von einem Gitterträger 31 gehalten wird. Die Trockenbrennkammer sorgt beim Zer stäubungsbrenner für eine praktisch vollständige Verbren nung des Öls, weil allfällige Öltröpfchen, die an die Keramik fasermatte gelangen, dort verdampfen und verbrennen.
Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung des Verfah rens mit einem Ölvergasungsbrenner, weil bei diesem das Öl vor der Flammenbildung völlig verdampft wird, so dass keine öligen Rückstände ins Wasser gelangen können. Weil bei der Verwendung eines Ölvergasungsbrenners keine Trok kenbrennkammer 23 notwendig ist, erfolgt auch ein besserer
Wärmeübergang von der Flamme 19 ins Wasser.
Im Wasserbehälter 12 können Mittel zur Förderung des
Wärme- und Stoffaustausches vorgesehen sein. Durch die
Umwälzpumpe 33 wird das Wasser 32 in einem Primärkreis lauf umgewälzt. Dieser Primärkreislauf wird gebildet durch die Umwälzpumpe 33, die Leitung 35 und die Sprühvorrich tung 36. Die Sprühvorrichtung 36 ist über einem Trog 37 angeordnet, der eine Reihe von Öffnungen 39 aufweist, die so plaziert sind, dass sie um mindestens einen Teil der
Flamme 19 einen Wasservorhang 41 erzeugen und/oder
Wasserfilme in einer Wasser-Dünnschichtvorrichtung 43 bilden, d.h. z.B. ein Steinbett 44 berieseln. Beim gezeigten
Ausführungsbeispiel wird der Brennraum 21 unten durch den Wasserspiegel 45, oben durch den mit Wasser gefüllten
Trog 37, auf beiden Seiten durch einen Wasservorhang 41 und hinten durch das mit Wasser berieselte Steinbett 43 begrenzt.
Das Steinbett 43 befindet sich in einem Drahtkorb 47. Es ist z.B. mit Kalksteinen 44 gefüllt. Es kann aber auch mit anderem Material, z.B. Tonscherben, gefüllt sein. Bedingung ist lediglich, dass es sich um relativ feuerfestes Material han delt.
Die Wasser-Dünnschichtvorrichtung 43, d.h. das Steinbett
43 des gezeigten Ausführungsbeispiels, wird im Betrieb stark erwärmt, so dass ein Teil des über die Steine 44 rieselnden
Wassers verdunstet und sich als Wasserdampf mit den
Abgasen vermischt und mit ihnen reagiert. Wie mit einer gestrichelten Linie 46 zum Steinbett 43 angedeutet, kann dabei den Abgasen noch etwas Luft, z. B. vom Gebläse des
Brenners 17, zugeführt werden, um eine Aufoxidation von
Schadstoffen wie NO und S02 zu erreichen.
Hinter dem Steinbett 43 befindet sich ein Umlenkblech 49, das die Abgase umleitet, um eine längere Verweilzeit der Abgase mit dem durch das Steinbett 43 erzeugten Wasserdampf zu erzielen.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung des Umlenkblechs 49, bei welcher dieses in Abhängigkeit vom Wasserstand 45 bewegt wird. Zu diesem Zweck wird das Umlenkblech 49 von einem Schwimmer 50 getragen. Dadurch wird erreicht, dass die Grösse der Durchlassöffnung 48 und somit auch der Durchflusswiderstand für die Abgase immer konstant bleibt. Somit wird auch ein konstanter Gegendruck für die Abgase gewährleistet.
Die Sprühvorrichtung 31 befindet sich in einem vom Abgas durchströmten Raum 51 im oberen Teil des Wasserbehälters 12. In Flussrichtung der Abgase ist nach der Sprüheinrichtung 36 ein weiterer Wärmetauscher 53 angeordnet.
Dieser hat die Aufgabe, den in den Abgasen noch enthaltenen Wasserdampf zu kondensieren und die Abgase weiter abzukühlen, um so noch weitere Wärme dem zu erwärmenden Fluid zuzuführen. Bei der Verwendung der Vorrichtung bei einer Zentralheizung ist es zweckmässig, den Rücklauf 54 an den Wärmetauscher 53 anzuschliessen, so dass das Fluid in diesem Wärmetauscher 53 vorgewärmt wird, bevor es in den Wärmetauscher 11 gelangt.
Wenn die Abgase am Wärmetauscher 53 vorbeigeströmt sind, haben sie eine Temperatur von etwa 35"C und können durch den Auspuff 55 die Vorrichtung 10 verlassen. Wegen der tiefen Temperatur der Abgase kann das Auspuffrohr 55 einen relativ geringen Durchmesser haben. Ein eigentliches Kamin ist nicht notwendig; es würde so sogar ein Kunststoffrohr genügen. Es erweist sich als zweckmässig, wie durch die gestrichelt eingezeichnete Linie 56 angedeutet, etwas Luft vom Ventilator des Brenners 17 zum Auspuff 55 abzuzweigen, um einen guten Abzug der Abgase zu gewährleisten.
Da durch die Vorrichtung 10 das bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entstehende Wasser kondensiert wird, steigt im Betrieb der Wasserspiegel im Wasserbehälter ständig an. Es muss daher von Zeit zu Zeit Wasser aus dem Wasserbehälter 12 abgelassen werden. Dazu dient das Ventil 57. Dieses Ventil kann beispielsweise durch den Niveaufühler 58 gesteuert werden, welcher bei einem vorbestimmten Niveau des Wasserspiegels 45 das Ventil 57 öffnet, um überschüssiges Wasser z.B. in die Kanalisation abzulassen. Zur ersten Füllung des Wasserbehälters dient das Ventil 59, das an die Wasserleitung 61 angeschlossen ist.
Eine Dosiervorrichtung 63 dient zur dosierten Beimengung von Neutralisationsmittel, z.B. von Kalkmilch, in das Wasser. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die Dosiervorrichtung 63 einen Behälter 65 zur Aufnahme des Neutralisierungsmittels. Ein Magnetventil 67 wird von Zeit zu Zeit betätigt, um Neutralisierungsmittel dem Primärkreislauf zuzuführen. Diese Betätigung kann beispielsweise durch den pH-Fühler 59 erfolgen.
Mit der Bezugsziffer 71 ist ein Sicherheitsthermostat bezeichnet. Die Bezugsziffer 73 bezeichnet einen Vorlauffühler.
Abgesehen von der Tatsache, dass die beschriebene Vorrichtung einen hohen thermischen Wirkungsgrad aufweist und eine gute Abgasreinigung ermöglicht, hat sie noch den Vorteil einer geringen Trägheit. Der Wasserinhalt des Wasserbehälters 12 ist relativ gering, so dass wenig Zeit benötigt wird, um eine Temperaturänderung zu erzielen. Bei der Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung für eine Zentralheizung kann daher, wenn ein modulierender Brenner verwendet wird, auf das sonst übliche Mischventil verzichtet werden. Entsprechend der gewünschten Vorlauftemperatur wird die Leistung des Brenners 17 verändert.
Im Betrieb der Vorrichtung 10 wird das im Wasserbehälter 12 enthaltene Wasser 32 durch die Umwälzpumpe 33 umge pumpt. Es entsteht somit im Raum 51 ein Sprühregen, wobei sich Wasser im Trog 37 ansammelt. Dieses Wasser fliesst durch die Öffnungen 39 des Troges und erzeugt auf beiden Seiten der Flamme19 einen Wasservorhang. Weiter fliesst Wasser auf das Steinbett 43. Die Strahlung der Flamme 19 überträgt Wärme auf die Wasservorhänge 41, den Wasserspiegel 45, den Trog 37 und das mit Wasser berieselte Steinbett 43. Dasselbe gilt auch für die Abgase. Da sich auf den Steinen 44 des Steinbetts 43 ein dünner Rieselfilm bildet, besteht eine relativ grosse Kontaktfläche, auf welche die Abgase einwirken können. Dabei verdampft ein Teil des Wassers.
Da sich hinter dem Steinbett 43 ein Umlenkblech 49 befindet, steht eine relativ lange Zeit zur Verfügung, innerhalb welcher die Abgase und der Wasserdampf miteinander reagieren können. Die Luftzufuhr über Leitung 46 liefert Sauerstoff zur Aufoxidation von Schadstoffen. Im Sprühregen des Raums 51 erfolgt dann eine erhebliche Abkühlung des dort eintretenden Gemisches von Wasserdampf und Abgasen, so dass der Wasserdampf kondensiert.
Reste des noch in den Abgasen enthaltenen Dampfes werden am weiteren Wärmetauscher 53 kondensiert, so dass das durch den Auspuff 55 strömende Abgas nur noch einen relativ geringen Wassergehalt aufweist.
Die im Wasser gelösten Schadstoffe werden durch das von Zeit zu Zeit aus dem Behälter 65 dem umgewälzten Wasser zugefügten Neutralisierungsmittel neutralisiert. Das überschüssige Wasser wird dann von Zeit zu Zeit über das Ventil 57 abgeführt. Da die vom Wasser aufgenommenen Schadstoffe weitgehend neutralisiert wurden, kann dieses Wasser unbedenklich in die Kanalisation abgelassen werden. Gegebenenfalls werden die festen Bestandteile vorher noch durch ein Filter 75, z.B. ein Papierfilter, abgeschieden. Das Papierfilter 75 wird von Zeit zu Zeit ausgewechselt. Es bestehen keine Bedenken, dieses Papierfilter samt dem abgeschiedenen Material, das zum grössten Teil aus unschädlichem Gips besteht, der Kehrichtabfuhr zuzuführen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 ist der Brenner senkrecht angeordnet. Dies ermöglicht eine konzentrische Konstruktion der Vorrichtung 10. Dies verbilligt die Herstellung und ergibt auch gewisse funktionelle Vorteile.
Da im übrigen die Vorrichtung analog zu jener von Fig. 1 aufgebaut ist, können für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Für Einzelheiten kann auf die Beschreibung von Fig. 1 verwiesen werden.
Es ist aber zu beachten, dass die Wasser-Dünnschichtvorrichtung 43, z.B. ein Steinbett, die Form eines Hohlzylinders aufweist, der die Flamme 19 des Brenners 17 umgibt. Auch das Umlenkblech 49 ist hohlzylinderförmig und kann mit dem kreisrunden Trog 37 aus einem Stück gefertigt sein. Ein weiterer Unterschied zur Vorrichtung von Fig. 1 besteht darin, dass der Trog 37 seitlich angeordnete Öffnungen 39' aufweist, aus denen das Wasser auf das Steinbett 43 fliesst.
Erst unter dem Steinbett 43 entsteht ein Wasservorhang 41.
Es wäre aber möglich, auf diesen Wasservorhang 41 zu verzichten und das Steinbett 43 bis etwas unter den minimalen Wasserspiegel 45 zu führen. Die konzentrische Konstruktion hat den Vorteil, dass das Volumen des Steinbetts 43 ziemlich gross wird, was natürlich auch eine entsprechende Vergrösserung der wirksamen Wasserfilmoberfläche bewirkt.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist der Brenner senkrecht angeordnet. Es wäre aber auch eine waagrechte Anordnung möglich, wobei aber das Steinbett 43 eine seitliche Öffnung haben müsste.
Im Raum 51 ist zusätzlich noch ein weiteres Umlenkblech 49 angeordnet, das mindestens teilweise mit Löchern versehen ist, durch welche Wasser in den Trog und Abgase in Richtung zum Auspuff 55 strömen könnten.
Wiederum dient eine Dosiervorrichtung 63 zur dosierten Beimengung von Neutralisationsmittel in das Wasser. Die in Fig. 3 dargestellte Dosiervorrichtung 63 ist jedoch etwas anders aufgebaut als jene von Fig. 1. So ist eine Dosiermittelumwälzpumpe 77 vorgesehen, mit der das Dosiermittel vom unteren Teil des Behälters 6 zum oberen Teil umgepumpt werden kann. Ein Umpumpen in Zeitintervallen ist zweckmässig, um ein Absetzen von festen Bestandteilen am Grund des Behälters 65 zu vermeiden. Wiederum kann ein Magnetventil 67 von Zeit zu Zeit betätigt werden, um Neutralisierungsmittel dem Wasser im Wasserbehälter 12 zuzugeben.
Die Betätigung des Magnetventils 67 kann, wie bereits in bezug auf Fig. 1 beschrieben, durch den pH-Fühler 69 erfolgen.
The invention relates to a method for exhaust gas purification
in combustion plants, the exhaust gases being brought into contact with water in order to transfer heat directly to the water and then to be transferred further from the water to the fluid to be heated by means of a heat exchanger.
For large systems, such as Power plants, waste incineration plants, have been using various processes for cleaning the exhaust gases for a long time. So while measures to keep the air clean are used in the industrial sector, this is not the case with combustion systems, such as those used in millions of single and multi-family houses for space heating and water heating. Overall, however, much larger quantities of environmentally harmful fossil fuels are burned in these combustion plants than in industrial plants. Accordingly, the share of space heating and water heating in air pollution is particularly large.
This problem has been known for a long time, but so far it has not been possible to create economical processes and devices for purifying the exhaust gases for relatively small systems which function satisfactorily and are also economically viable.
To save fuel, so-called condensing boilers have been designed, in which the water vapor contained in the exhaust gas condenses and thus the heat of condensation is also used. However, since the condensed water contains sulphurous acid, condensing boilers must be made from corrosion-resistant material. As such, stainless steel is normally used. Condensing boilers are therefore relatively expensive to manufacture. Furthermore, they can lead to an undesirable environmental impact. The acidic condensed water from condensing boilers is usually drained into the sewage system. This can significantly disrupt the biology of a sewage treatment plant. Above all, it is of concern that the acidic condensate contains heavy metals, such as chromium, that have been released from the steel.
These heavy metals enter the agricultural soil via the sewage sludge and are therefore harmful to the environment and human health.
It is an object of the present invention to provide a method for purifying the exhaust gases and utilizing the heat of combustion which has a high degree of efficiency but does not require an expensive condensing boiler with all of its disadvantages.
The inventive method provides that the water is circulated in a primary circuit, that the water is periodically or continuously added a means for neutralizing the pollutants contained in the exhaust gases, and that the water cools the exhaust gases such that at least one Part of the water vapor contained in the exhaust gases is condensed.
Because the water is circulated in a primary circuit, the heat transfer is accelerated considerably.
The periodic or continuous addition of an agent for neutralizing the pollutants contained in the exhaust gases results in effective cleaning of the exhaust gases using relatively simple means. In particular the sulfur and nitrogen compounds, e.g.
SO2, S03 and No, NO2 withdrawn. It is particularly important that the water cools the exhaust gases in such a way that at least part of the water vapor contained in the exhaust gases is condensed. When one kilogram of heating oil is burned, about 0.8 kilograms of water in the form of water vapor accumulate in the exhaust gases.
If this water is now condensed, the heat released is also available for use, e.g. for heating purposes. Another advantage is that the volume of the exhaust gases is greatly reduced by the cooling, so that the device for carrying out the method can be dimensioned relatively small. The increased heat yield lowers the fuel requirement and further contributes to keeping the air clean. It is of economic interest that the fuel savings enable the costs of the device for carrying out the method to be amortized quickly.
The described embodiment of the method thus brings the advantages of the condensing boiler, in which the water vapor contained in the exhaust gas is condensed, but not the disadvantages of such a boiler. Because a water can be added periodically or continuously to neutralize the pollutants contained in the exhaust gases, heavy metals are also prevented from being washed out if the device for carrying out the method consists of stainless steel.
The flame formed during the combustion is expediently at least partially enclosed by a water curtain. This enables a transfer of radiant heat from the flame into the water. Furthermore, the hot exhaust gases act directly on the water. There is a very rapid heat transfer. Already at this stage part of the water can evaporate, but later it will be condensed again. It is possible to remove the exhaust gases by means of a water thin film device, e.g.
through a stone bed wetted with water. The water forms a thin film on the stones, which absorbs heat very quickly and at least partially evaporates. However, there is not only a large amount of heat exchange, but also a substantial mass transfer, in that pollutants from the exhaust gases can pass directly into the water. The mass exchange is particularly great when exhaust gases and evaporated water mix. There is also a high level of turbulence in the stone bed, which favors this mass transfer. A particular advantage of the stone bed is its sound-absorbing effect. The usual combustion noises are practically eliminated. The sound-absorbing labyrinth created by the stones and the sudden drop in pressure caused by the cooling of the gases play a key role in this.
If we are talking about a stone bed, this is only an exemplary embodiment of an advantageous heat and water-resistant thin-film device. Stones, especially limestones, are a cheap material that can even serve as a neutralizing agent. However, it would also be possible to use other means for forming trickle films, e.g. of ceramic plates with a variety of passages for water and exhaust gases, of tubes in which exhaust gases and trickle film e.g. flow in countercurrent, etc.
The exhaust gases or the mixture of exhaust gases and evaporated water are advantageously passed through a drizzle after leaving the thin-film device.
The exhaust gases have a considerably smaller volume after leaving the water thin-film device and have a relatively low speed.
The drizzle further cools the exhaust gases and further reduces their volume, and there is also a condensation of the water vapor. It has been shown that practically all remaining pollutants are eliminated from the exhaust gases in this phase.
If it were also possible to use the water heated in this way directly for heating purposes, it seems more appropriate to transfer heat from the primary circuit to a secondary circuit via a heat exchanger, e.g.
to the water of a central heating system.
The pH of the water is advantageously kept constantly in the range from about 7 to 9. This has a good cleaning effect. The cleaning effect can also be improved by adding air to the exhaust gases. As a result, in particular in the presence of water vapor and / or water drops, oxidation and good excretion of pollutants such as NO and SO2 are achieved.
The invention also relates to a device for performing the method. This device is characterized in that a water container is provided, which receives the water used for the method, and that a heat exchanger is arranged in the water container in order to transfer the heat contained in the water to the fluid. This results in a very simple device for performing the method. The water container is expediently only partially filled with water and at the same time serves as a combustion chamber. The flame of the burner can thus act directly on the water. Appropriately, means are provided to promote the exchange of heat and materials between the exhaust gases and the water.
These means advantageously comprise a device for generating a water curtain that at least partially surrounds the flame of a burner. The heat of the flame is therefore largely transferred directly to this water curtain by radiation. The exhaust gases are also in direct contact with this water curtain, so that an intensive heat and material exchange takes place.
The means for promoting the exchange of heat and material expediently comprise at least one water thin-film device, e.g. a stone bed through which the exhaust gas flows and sprinkled with water. It is advantageous if the water thin-film device has the shape of a hollow cylinder which surrounds the flame of the burner. As a result of this shaping, a particularly large surface area of the water thin-film device and thus the resulting trickle films are achieved, which are important for the heat and mass transfer. If the burner is arranged vertically, this results in a simple coaxial construction of the device for carrying out the method.
The means for promoting the heat and material exchange can have a spray device for generating a spray rain in a space through which the exhaust gas flows. As already mentioned, such a drizzle brings about a strong heat and mass exchange, with condensation of the water vapor from the exhaust gases also taking place, which contributes significantly to the heat yield.
The device for promoting the exchange of heat and material is advantageously arranged in the water tank. This results in a very simple construction of the device. The spray device can be arranged over a trough which has a series of openings which are placed in such a way that they create a water curtain around at least part of the flame and / or sprinkle the stone bed. This results in a simple construction of the device.
The spray device advantageously has at least one rotating spray arm. Such spray arms, as are known from lawn sprinklers and dishwashers, produce a particularly fine spray which is particularly effective thanks to its large effective surface.
A baffle is expediently provided behind the water thin-film device, which bypasses the exhaust gases in order to extend the dwell time with e.g. to achieve water vapor generated by a stone bed. This favors the exchange of materials in particular, so that a large part of the pollutants is extracted from the exhaust gases. A device can also be provided which controls the position of the deflection plate as a function of the water level in the water tank. It is thereby achieved that the passage opening delimited by the deflection plate always remains the same size, so that the flow resistance for the exhaust gases is kept constant regardless of the water level. The baffle can be carried by a float, for example.
After the spraying device, a heat exchanger can also be arranged in order to condense still further water vapor contained in the exhaust gases and to further cool the exhaust gases so as to continue to supply heat to the water.
If the stones of the stone bed are made of limestone, this will neutralize the water. However, a metering device for metered addition of neutralizing agent into the water is expediently provided. If the pollutants are continuously neutralized, there will be no major corrosion problems. Therefore, the whole device can also be made from relatively inexpensive materials. There is also no danger that significant quantities of heavy metals will be extracted from the plant parts and fed to the sewage treatment plant.
A drain valve for the water contained in the water tank is expediently provided, as well as a level sensor in order to actuate the drain valve when a certain level is exceeded and to drain excess water from the water tank. This device removes the condensed water from the device from time to time. Furthermore, according to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the burner used to generate the flame is a modulating oil gasification burner. Such a burner enables smooth operation, so it delivers more or less heat depending on the heat requirement.
The combination with an oil gasification burner is also particularly interesting because an oil gasification burner does not produce any exhaust gases with unburned hydrocarbon residues, which could possibly require additional means for separating oil from the water. Tests have also shown that the device can also be used with a modern atomizing burner, but then a dry combustion chamber is expediently provided.
Another embodiment of the invention provides that a pH measuring probe is provided which generates a signal to actuate the metering device when a predetermined pH value is exceeded.
The invention will now be described with reference to the drawing. It shows:
1 is a schematic representation of a first embodiment of the device according to the invention with a horizontally arranged burner,
2 is a perspective view of a baffle arranged on a float,
3 shows a schematic representation of a second exemplary embodiment of the device according to the invention with a vertically arranged burner,
Fig. 4 shows a dry combustion chamber for the use of the device with an atomizing burner.
The device 10 is used to carry out the method described at the outset for heating a fluid and for cleaning the exhaust gases formed during the combustion. In this device, the heat generated during the combustion is at least partially transferred directly to water and then transferred from the water 32 to the fluid to be heated by means of the heat exchanger 11. The device 10 consists essentially of the water container 12 closed by a cover 13, in which the heat exchanger 11 is arranged. The water tank 12 is isolated by insulation 15, e.g. Glass wool mats, heat insulated. The cover 13 also has thermal insulation 15 '. A burner 17 is provided, which is arranged practically horizontally and generates a flame 19 in the water tank 12. The burner 17 can be an oil or gas burner.
It could also be a burner for solid fuels, although care would then have to be taken to ensure that there are no large amounts of ash in the water which could impair the function of the device. However, it is of particular interest to use the method with an oil burner, especially if the heating oil contains relatively large amounts of sulfur.
1 shows, the water tank 12 is only partially filled with water 32, so that part of the tank 12 serves as the combustion chamber 21.
When an oil atomization burner is used, a so-called dry combustion chamber 23 is also provided in the combustion chamber 21. This dry combustion chamber consists of a heat-resistant sheet steel jacket 25 which has a sheet steel cover 27 at the rear. Inside there is a ceramic fiber mat 29 which is held by a lattice girder 31. The dry combustion chamber ensures a practically complete combustion of the oil in the atomizing burner, because any oil droplets that reach the ceramic fiber mat evaporate and burn there.
However, the use of the method with an oil gasification burner is particularly advantageous, because in this the oil is completely evaporated before the flame is formed, so that no oily residues can get into the water. Because no Trok kenbrennerkammer 23 is necessary when using an oil gasification burner, there is also a better one
Heat transfer from the flame 19 into the water.
In the water tank 12, funds to promote the
Heat and material exchange can be provided. Through the
Circulation pump 33, the water 32 is circulated in a primary circuit. This primary circuit is formed by the circulation pump 33, the line 35 and the Sprühvorrich device 36. The spray device 36 is arranged above a trough 37 which has a series of openings 39 which are placed so that they around at least a portion of the
Flame 19 generate a water curtain 41 and / or
Form water films in a water thin film device 43, i.e. e.g. sprinkle a stone bed 44. In the shown
The combustion chamber 21 is embodied at the bottom by the water level 45 and at the top by the one filled with water
Trough 37, delimited on both sides by a water curtain 41 and at the back by the stone bed 43 sprinkled with water.
The stone bed 43 is located in a wire basket 47. It is e.g. filled with limestone 44. But it can also be used with other materials, e.g. Pottery shards to be filled. The only requirement is that the material is relatively refractory.
The water thin film device 43, i.e. the stone bed
43 of the exemplary embodiment shown is strongly heated during operation, so that part of the trickling over the stones 44
Water evaporates and forms as water vapor with the
Exhaust gases mixed and reacted with them. As indicated by a dashed line 46 to the stone bed 43, the exhaust gases can still have some air, e.g. B. from the blower
Burner 17, are supplied to an oxidation of
To achieve pollutants such as NO and S02.
Behind the stone bed 43 is a baffle plate 49, which redirects the exhaust gases in order to achieve a longer dwell time of the exhaust gases with the water vapor generated by the stone bed 43.
Fig. 2 shows an arrangement of the baffle 49, in which this is moved depending on the water level 45. For this purpose, the deflection plate 49 is carried by a float 50. It is thereby achieved that the size of the passage opening 48 and thus also the flow resistance for the exhaust gases always remain constant. This also ensures a constant back pressure for the exhaust gases.
The spray device 31 is located in a space 51 through which the exhaust gas flows, in the upper part of the water tank 12. A further heat exchanger 53 is arranged downstream of the spray device 36 in the flow direction of the exhaust gases.
This has the task of condensing the water vapor still contained in the exhaust gases and of further cooling the exhaust gases in order to add further heat to the fluid to be heated. When using the device in a central heating system, it is expedient to connect the return 54 to the heat exchanger 53, so that the fluid in this heat exchanger 53 is preheated before it reaches the heat exchanger 11.
When the exhaust gases have flowed past the heat exchanger 53, they have a temperature of about 35 ° C. and can leave the device 10 through the exhaust 55. Because of the low temperature of the exhaust gases, the exhaust pipe 55 can have a relatively small diameter It would even be useful, as indicated by the dashed line 56, to branch off some air from the fan of the burner 17 to the exhaust 55 in order to ensure a good exhaust gas extraction.
Since the water formed during the combustion of hydrocarbons is condensed by the device 10, the water level in the water tank rises continuously during operation. Water must therefore be drained from the water tank 12 from time to time. The valve 57 is used for this purpose. This valve can be controlled, for example, by the level sensor 58, which opens the valve 57 at a predetermined level of the water level 45 in order to e.g. to drain into the sewage system. The valve 59, which is connected to the water pipe 61, serves for the first filling of the water container.
A metering device 63 is used for metered admixture of neutralizing agent, e.g. of milk of lime, into the water. In the exemplary embodiment shown, the metering device 63 contains a container 65 for receiving the neutralizing agent. A solenoid valve 67 is actuated from time to time to supply neutralizing agent to the primary circuit. This actuation can be carried out, for example, by the pH sensor 59.
The reference numeral 71 designates a safety thermostat. Reference numeral 73 denotes a flow sensor.
In addition to the fact that the device described has a high thermal efficiency and enables good exhaust gas purification, it also has the advantage of low inertia. The water content of the water tank 12 is relatively low, so that little time is required to achieve a temperature change. When using the device according to the invention for a central heating system, the usual mixing valve can therefore be dispensed with if a modulating burner is used. The output of the burner 17 is changed in accordance with the desired flow temperature.
In operation of the device 10, the water 32 contained in the water tank 12 is pumped through the circulation pump 33. A drizzle thus arises in room 51, water collecting in the trough 37. This water flows through the openings 39 of the trough and creates a water curtain on both sides of the flame 19. Water continues to flow onto the stone bed 43. The radiation from the flame 19 transfers heat to the water curtains 41, the water level 45, the trough 37 and the stone bed 43 sprinkled with water. The same also applies to the exhaust gases. Since a thin trickling film forms on the stones 44 of the stone bed 43, there is a relatively large contact area on which the exhaust gases can act. Part of the water evaporates.
Since there is a baffle 49 behind the stone bed 43, a relatively long time is available within which the exhaust gases and the water vapor can react with one another. The air supply via line 46 provides oxygen for the oxidation of pollutants. In the drizzle of the room 51, the mixture of water vapor and exhaust gases entering there then cools down considerably, so that the water vapor condenses.
Remains of the steam still contained in the exhaust gases are condensed on the further heat exchanger 53, so that the exhaust gas flowing through the exhaust 55 has only a relatively low water content.
The pollutants dissolved in the water are neutralized by the neutralizing agent added to the circulated water from time to time from the container 65. The excess water is then discharged from time to time via valve 57. Since the pollutants absorbed by the water have been largely neutralized, this water can be safely discharged into the sewage system. If necessary, the solid components are previously filtered through a filter 75, e.g. a paper filter, deposited. The paper filter 75 is replaced from time to time. There is no reason to dispose of this paper filter together with the separated material, which consists largely of harmless gypsum, for waste disposal.
3, the burner is arranged vertically. This enables the device 10 to be designed concentrically. This reduces the cost of manufacture and also gives certain functional advantages.
Since the rest of the device is constructed analogously to that of FIG. 1, the same reference numerals can be used for the same parts. For details, refer to the description of FIG. 1.
It should be noted, however, that the water thin film device 43, e.g. a stone bed which has the shape of a hollow cylinder which surrounds the flame 19 of the burner 17. The baffle plate 49 is also hollow cylindrical and can be made in one piece with the circular trough 37. Another difference from the device of FIG. 1 is that the trough 37 has openings 39 ′ arranged on the side, from which the water flows onto the stone bed 43.
A water curtain 41 is only created under the stone bed 43.
However, it would be possible to dispense with this water curtain 41 and to guide the stone bed 43 to a little below the minimum water level 45. The concentric construction has the advantage that the volume of the stone bed 43 becomes quite large, which of course also results in a corresponding enlargement of the effective water film surface.
3, the burner is arranged vertically. However, a horizontal arrangement would also be possible, but the stone bed 43 would have to have a lateral opening.
A further deflection plate 49 is additionally arranged in space 51, which is at least partially provided with holes through which water in the trough and exhaust gases could flow in the direction of the exhaust 55.
Again, a metering device 63 is used for metered addition of neutralizing agent into the water. The dosing device 63 shown in FIG. 3 is, however, constructed somewhat differently from that of FIG. 1. A dosing agent circulating pump 77 is provided with which the dosing agent can be pumped from the lower part of the container 6 to the upper part. Pumping around at time intervals is expedient in order to avoid sedimentation of solid components at the bottom of the container 65. Again, a solenoid valve 67 can be actuated from time to time to add neutralizing agent to the water in the water tank 12.
As already described with reference to FIG. 1, the solenoid valve 67 can be actuated by the pH sensor 69.