DE10125926A1

DE10125926A1 - Munitions- und Restsprengstoffverbrennungsanlage mit interner Entstickung

Info

Publication number: DE10125926A1
Application number: DE2001125926
Authority: DE
Inventors: Irmtraud Oberlaender; Christian Koch
Original assignee: HEINRICH LUTHE GmbH
Current assignee: GRV LUTHE KAMPFMITTELBESEITIGUNG GMBH, 14974 LUDWI
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-05-29
Also published as: DE10125926C2

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Munitions- und Restsprengstoffverbrennungsanlage mit interner Entstickung in der Abgasreinigung, in der die entstehenden Rauchgase in einem über der dickwandigen Verbrennungskammer liegenden unter Unterdruck stehenden Reflektions- und Mischkammer zu einem kontinuierlichen Rauchgasstrom umgewandelt und teilweise als Zusatz zu einem Brenner teilweise als Zusatz für eine Entstickungsanlage aufgeteilt und nach der thermischen Abgasreinigung und Verbrennungskammerwandheizung wieder gemischt in den Entstickungskatalysator geleitet und in einem Nachverbrennungskatalysator nachverbrannt werden.

Description

Das Verfahren beschreibt eine Munitions- und Restsprengstoffverbrennungsanlage, die trotz des Einsatzes von stickstoffhaltigem Brennmaterial und extrem schneller Verbrennung zu einem sauberen Abgas mit geringen Werten an Stickoden und anderen Schadgasen führt. Dadurch werden auch bei der Verbrennung dieser Problemstoffe die Abgasrichtlinien erfüllt.
Diese Aufgabenstellung ist durch die Forderung nach Einhaltung der Schadstoffgrenzwerte auch bei der Munitionsverbrennung ohne nachgeschaltete Wäscher und zusätzlichen Harnstoff- oder Ammoniaktanks entstanden.
Bisher werden Sprengstoffe in speziellen starkwandigen Behältern verbrannt. Durch Öffnungen an beiden Seiten wird ein Zugang für die Entnahme der verbleibenden Hülsen geschaffen. Die Geschosse werden durch Erhitzen der Behälterwand mit einem ersten Brenner gezündet. Die entstehenden Abgase werden mit einem 2. Brenner thermisch nachverbrannt. Die so nachverbrannten Gemische werden durch Wäscher gereinigt. Durch diese Verfahrenstechnik werden die Stickoxide nicht ausreichend reduziert und die wechselnden Gasbelastungen führen trotz Brenner und Wäscher zu einer darüber hinaus belasteten Abgaszusammensetzung. Die erzielten Gaswerte entsprechen nicht den vorgeschriebenen Normen, insbesondere bei den Stickoxiden.

Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, die Nachteile dieser Technik zu vermeiden, die Abgasgrenzwerte einzuhalten und dabei keine zusätzlichen Tanks an Wasch- oder Reduktionsmittel, wie Ammoniak, Harnstoff oder Lösungsmittel zu verbrauchen. Die Anlage soll eine trockene Abgasreinigung haben, um damit auch die Entstehung weiterer, problembehafteter Rückstände zu vermeiden.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass es möglich ist, die Abgase der Geschossverbrennung durch einen großen Unterdruckbehälter mit Reflexions- und Ausgleichseinbauten zu einem relativ kontinuierlichen, ammoniakhaltigen Abgasstrom umzuwandeln. Dieser ist umso gleichmäßiger, je gleichmäßiger die Geschossverbrennung erfolgt. Die Geschosse werden deshalb nicht nur durch die Wanderwärmung gezündet, sondern auch durch einen Heißluftstrom aus einem keramischen Wärmetauscher.

Der keramische Wärmetauscher und die Wanderwärmung der Geschossbrennkammer werden nun mit einem Abgas aus einem Brenner bedient, der gleichzeitig 60-90% der Geschossabgase als Frischluft mit ansaugt. Dieser Brenner hat nicht nur auf der Abgasseite die thermische Nachverbrennungskammer, sondern auch die Teilabkühlung in dem keramischen Wärmetauscher und den Gaskanälen der Geschossbrennkammer nachgeschaltet. Die Hauptluftmenge der Verbrennungsluft des Brenners kommt jedoch aus . einer Luftvorwärmung am Ende der Anlage.

Nach dem Verlassen der Abgase aus der Wandung der Geschossbrennkammer werden dies mit den restlichen 10-40% Geschossverbrennungsgase gemischt, die nicht in die thermische Nachverbrennung geleitet wurden. Das Gemisch gelangt in die DeNOx- Katalysatorschicht, die die beiden Gase miteinander reagieren lässt, wobei die Reaktion NO_X + NH₃ = N₂ + H₂O abläuft. Die Stickoxide zerfallen in Stickstoff in dem DeNOx- Katalysator. Restliche Kohlenwasserstoffe, die aus den 10-40% Geschoßverbrennungsgasen übrigbleiben, werden in der nachgeschalteten Oxidationskatalysatorschicht verbrannt.

Die aus dieser Schicht kommenden Gase werden in einem Luftvorwärmer für die Verbrennungsluft abgekühlt und in einer nachfolgenden Schicht aus Aktivsubstanzen (Molekularsieb) von evtl. enthaltenen Sonderstoffen, wie Quecksilber, befreit.

Die nachfolgende Fig. 1 zeigt das Verfahren und die Einrichtungen, die für eine schadstoffarme Verbrennung von Sprengstoffen, Geschossen und Geschossscheiben erforderlich sind.

Die Geschosse, Munition, Restsprengstoff und abgesägt Geschossscheiben werden in der Fig. 1 bei 1 in den Einfülltrichter eingegeben. Die Schleuse 2 sorgt für das wechselseitige Öffnen mit einer luftdichten Einfüllung in den dickwandigen Verbrennungsbehälter 3. Durch die Beheizung der Wand mit den heißen Rauchgasen der thermischen Verbrennungsanlage 8 und dem direkt eingeleiteten heißen Luftstrom 9 mit 1000 bis 1300°C aus dem keramischen Wärmetauscher 10 wird die Munition entzündet und mit dem eingegeben Heißluftstrom 9 konzentriert verbrannt. Die metallischen Reste der Geschosse werden taktweise über die Klappe 4 mit einem gegenüberliegenden Hydraulik- oder Pneumatikstempel in den Restmetallbehälter 5 geschoben und dort schichtweise (alle 8 Stunden) entleert.

Die Verbrennungsgase aus der heißen Luft 9 und dem verbrannten Sprengstoff 1 gelangen über die Trümmerlastrohre 11, die die nach oben geschleuderten Metallstücke reflektieren und die Metallschaummischeinrichtung 12 in den oberen Teil des Ausgleichsbehälters. Die Schicht 12 ist eine Mischeinrichtung, die aus einem Metallschaum gebildet wird und die dafür sorgt, dass die sporadisch entstehenden Rauchgase zu einem kontinuierlichen Rauchgasstrom vergleichmäßigt wird.

Die Vakuumpumpe 17, die als Kolbenpumpe oder Seitenkanalpumpe ausgebildet sein kann, sorgt für einen Unterdruck im Verbrennungsbehälter und für die kontinuierliche Rauchgasabsaugung. Dieses Rauchgas ist stark ammoniakhaltig und wird deshalb nur zu 60-90% über das Ventil 18 in die Ansaugluft des Brenners 7 und zu 10-40% über die direkte Zuleitung in die Katalysatorkammer geleitet. Der über den Brenner geleitete Anteil des Rauchgases wandelt die Ammoniakanteile in Stickode und Stickstoff um. Die direkt in die Katalysatorkammer geleiteten Rauchgase besitzen das Ammoniak noch als Reduktionsmittel. Beide Anteile werden in dem Mischer 6, bestehend aus Sulzer Mischer- Blechen, gemischt und in dem DeNOx-Katalysator 13 zu einem NOx-armen Abgas umgewandelt. Der DeNOx-Katalysator besteht aus den 3 Komponenten TiO₂, WO₂ und V₂O₅, im Verhältnis 85 : 10 : 5.

Der Entstickung 13 ist ein Oxidationskatalysator 14 nachgeschaltet, der die noch unverbrannten Anteile der 10-40% direkt eingeleiteten Abgasanteile verbrennt. Die an dieser Stelle noch 300°C heißen, sauberen Abgase werden in einem nachfolgenden Wärmetauscher 15 für die Vorwärmung der Verbrennungsluft der thermischen Nachverbrennung 8 über den Brenner 7 genutzt. Die so abgekühlten Rauchgase werden in einem nachfolgenden "Polizeifilter" 16 wegen der Rückhaltung von dampfförmigen Problemstoffen, wie Quecksilber, geleitet. Dieser Polizeifilter besteht aus Aktivkohle oder Molekularsieb, je nach Anforderung.

In einem nachfolgenden Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden. Über ein Transportband 19 werden je 5 Minuten 1 Geschossscheibe mit 300 g Sprengstoff TNT und 500 g Geschosshülsenmaterial aus Eisen eingegeben. Die Schleusen 2 sind so geschaltet, dass sie alle 5 Minuten 2 × auf und zu gehen und somit sicherstellen, dass alle Geschossscheiben eingegeben wurden.

Damit entsteht in dem Verbrennungsbehälter 3 eine Wärmeentwicklung von 0,53 kW und mit einer eingegebenen Heißluftmenge von 3 m³/h über den Wärmetauscher 10 mit 1100°C eine Rauchgasmenge von 3,1 m³/h i. N. Die sehr ungleichmäßige Verbrennung wird über den großen Raum der Einheit von Verbrennungsbehälter mit den Einbauten 11, bestehend aus Rohren und 12, bestehend aus einem Aluminiumschwammguss mit insgesamt 1 m³ Rauminhalt und 0,2 bar Unterdruck (0,8 bar absolut), vergleichmäßigt.

Unter der Annahme, dass die eingegebenen 0,3 kg Sprengstoff in beliebig kurzer Zeit in Rauchgas umgesetzt werden, steigt der Druck in dem System höchstens auf 0,05 bar Überdruck je Verbrennungseinheit. Unter der Berücksichtigung realer Verhältnisse bleibt der Gesamtbehälter immer unter einem, schwankenden Unterdruck und damit ist die Rauchgaslieferung in der Vakuumpumpe 17 maximal 20% unterschiedlich zu einer kontinuierlichen Förderung.

Dieser Gasanfall macht die Art der Gasreinigung möglich und bringt die Katalysatoren in eine fast kontinuierliche Arbeitsweise mit einer optimalen Reinigungswirkung. Dabei gehen in dem Ausführungsbeispiel 2,1 m³/h Rauchgas in den Brenner 7, der eine Leistung von 32 kW hat. Die Ansaugluftmenge dieses Brenners ist 30 m³/h, wobei die Ansaugmenge an Rauchgas 7% ist. Die restlichen 93% werden vorgewärmt über den Wärmetauscher 15 mit einer Temperatur von 200°C angesaugt.

Zusammen mit einer Ölmenge von 3 kg/h ergibt sich bei einem λ von 1,3 eine Verbrennungstemperatur von 1700°C und damit eine mittlere Temperatur in der thermischen Brennkammer 8 von 1300°C. Die Eingangstemperatur in dem Wärmetauscher 10 ist damit 1300°C. Die darin erwärmte Luftmenge von 3 m³/h ist 10% der Rauchgasmenge. Die Erwärmung von 20°C auf 1100°C bringt deshalb eine Abkühlung von 55°C + Wärmeverluste, also 100°C. Das Rauchgas kommt somit in die Wandkanäle der Brennkammer 3 mit einer Temperatur von 100°C und verlässt diese mit einer Temperatur von 450°C. Gemischt mit dem relativ kalten Rauchgas über die Vakuumpumpe 17 ergibt sich dann eine Mischtemperatur von 300°C in dem Mischer 6.

In dem Katalysator der Entstickung 13 steigt die Temperatur über die Redoxreaktion um 20°C an. Das Rauchgas hat damit in dem Oxidationskatalysator 14 immer noch die Temperatur von 300°C trotz der Wärmeverluste nach außen. Der Luftvorwärmer 15 kühlt dann die Rauchgase auf 100°C ab und erwärmt die Frischluft auf 200°C. Damit sind die Verhältnisse für den nachfolgenden Adsorber 16 auf die richtige Temperatur eingestellt.

In dem dargestellten Anwendungsfall ergibt sich eine Rückstandsmetallmenge von 5,5 kg, die den Behälter 5 über eine Betriebszeit von 10 Stunden mit 55 kg Metall füllt. Dieser ist luftdicht an die Brennkammer 4 angeflanscht und wird alle 10 Stunden durch einen leeren Behälter ersetzt. Die Entleerung der Brennkammer über den Stößel und die Klappe 4 erfolgt alle 15 Minuten mit einer Geschosshülsenmenge von 1,5 kg. Das Transportband enthält je jede 2. Transportlasche eine Geschossscheibe und hat somit eine Transportgeschwindigkeit von mindestens 24 Laschen je Stunde. Bezeichnungen zu der Fig. 1 1 Zufuhr der Munition und Restsprengstoffe
2 Wechselseitig öffnendes Klappensystem als Eingangsschleuse
3 Dickwandige Munitionsverbrennungskammer
4 Klappenaustrag für die verbleibenden Metallhülsen
5 Restmetallbehälter
6 Gasmischer im Katalysatorbehälter
7 Brenner für die thermische Abgasreinigung, Heizung der Munitionsverbrennungskammer und Wärmetauscherheizung
8 Keramisch ausgekleidete Thermische Abgasreinigungskammer
9 Aufgeheizte Verbrennungsluft für die Sprengstoffverbrennung
10 Keramischer Wärmetauscher aus Mo-SiC für die Verbrennungslufterwärmung
11 Reflexionsrohre für die Geschosstrümmer als Schutz des darüber liegenden Metallschwammes und zur Vorvergleichmäßigung des Abgasstromes
12 Metallschwamm als Strömungsgleichrichter für die Geschossverbrennungsgase
13 DeNOx-Katalysator aus TiO₂, WO₂ und V₂O₅
14 Nachoxidationskatalysator
15 Luftvorwärmer für die Verbrennungsluft des Brenners 7
16 Rückhaltemasse für Problemstoffe aus Aktivkohle oder Molekularsieb
17 Vakuumpumpe
18 Regelventile zur Aufteilung des Munitionsabgases in Zusatzgas zum Brenner und Reduktionsgas für die Entstickung

Claims

1. Munitions- und Restsprengstoffverbrennungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die entstehenden Rauchgase in einem über der dickwandigen Verbrennungskammer liegenden unter Unterdruck stehenden Reflektions- und Mischkammer zu einem kontinuierlichen Rauchgasstrom umgewandelt und teilweise als Zusatz zu einem Brenner teilweise als Zusatz für eine Entstickungsanlage aufgeteilt und nach der thermischen Abgasreinigung und Verbrennungskammerwandheizung wieder gemischt in den Entstickungskatalysator geleitet und in einem Nachverbrennungskatalysator nachverbrannt werden ohne zusätzliches Entstickungsmittel durch eine interne Reduktionsmittelgewinnung aus dem Verbrennungsabgas der Munitions- und Restsprengstoffverbrennungsanlage.

2. Munitions- und Restsprengstoffverbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der thermischen Nachverbrennung und der Wandheizung der Munitionsverbrennungskammer ein keramischer Wärmetauscher aus molubdänoxidhaltigen SiC zwischengeschaltet ist, der die Verbrennungsluft des Munitionsmaterials auf mindestens 1000°C erwärmt.

3. Munitions- und Restsprengstoffverbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dickwandige Munitionsverbrennungskammer 2 Ausfräsungen besitzt, die mit einer hydraulischen oder pneumatischen Schiebevorrichtung und mit einer gegenüberliegenden federbelasteten Öffnung 4 versehen ist, um die metallischen Rückstände periodisch in einen Vorratsbehälter 5 ohne Öffnung der Anlage zu entleeren.

4. Munitions- und Restsprengstoffverbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Verbrennungsabgase aus der Munitionsverbrennung in Zuluft für den Brenner und Reduktionsgas für die Entstickung im Verhältnis 60 bis 90 zu 40 bis 10% ist.

5. Munitions- und Restsprengstoffverbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dickwandige Verbrennungsbehälter und die darüber liegende Ausgleichskammer ein Volumen von 0,5 bis 5 m³ und ein Vakuum von 0,1 bis 0,5 bar Unterdruck haben.

6. Munitions- und Restsprengstoffverbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichmäßigung der Strömung der Verbrennungsgase des Sprengstoffes in dem über dem dickwandigen Verbrennungsbehälter liegenden Raum durch zwei in Strömungsrichtung hintereinander liegenden Schichten aus versetzten Rohren und einem Metallschaumguß bestehen.