DE102004011955A1

DE102004011955A1 - Vorrichtung für thermisch rekuperative Abgasreinigung in einer kaminartig langgezogenen Kammer

Info

Publication number: DE102004011955A1
Application number: DE200410011955
Authority: DE
Inventors: Werner Deppe; Oliver Deppe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-29

Abstract

Die Vorrichtung für thermisch rekuperative Reingiung lösemittelhaltiger Abgase (TRA) besteht im Gegensatz zu den bekannten rekuperativen Verbrennungsanlagen im Kern aus nur einer vergleichsweise sehr langen, vorzugsweise zylindrischen inneren Kammer, in der sich sowohl der Brenner mit Reaktionsbereich (1) als auch die Tauscherrohre (3) für die Vorwärmung der lösemittelhaltigen Abgase befinden, wobei sich die Wärmetauscherrohre über die gesamte Länge der Kammer hinziehen, in der auch ein oder mehrere Strömungskörper (4) dergestalt angeordnet sind, daß die heiße Luftströmung des Reaktionsbereichs mit den Tauscherrohren in intensive Berührung kommt. Diese Vorrichtung ist in senkrechter kaminähnlich schlanker Bauweise konstruiert und u. a. geeignet für den Einsatz in der Druckindustrie zur Entsorgung der Lösemittel, die bei der Trocknung von Offsetfarben frei werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für thermisch rekuperative Abgasreinigung (TRA), bei der sich der Reaktions-bereich mit Brenner und der Rohgas- Vorwärmebereich mit Wärmetauscher zusammen in einer langgezogenen, vertikal angeordneten, vorzugsweise zylindrischen Kammer befinden.
Thermisch rekuperative Anlagen für die Reinigung von lösemittelhaltigen Abgasen sind an Trocknern von Rollenoffset-Rotationsmaschinen seit Jahrzehnten im Einsatz. Sie werden hauptsächlich für kleinere und mittlere Volumenströme von 2000 bis 20000 Nm³/h eingesetzt.

In diesem Zusammenhang wird auf folgende Schriften verwiesen:

– Patent EP 0560 678 B1 vom 15.09.1993, Dispositif d'épuration.
– Richtlinie VDI 2442 Band 6, Reinhaltung der Luft, Juni 1987, Abgasreinigung durch thermische Verbrennung.
– Richtlinie VDI 2587 Band 3, Blatt 1, Entwurf August 2000, Emissionsminderung an Rollenoffsetdruckanlagen

Bei diesen sogenannten rekuperativen Anlagen werden die Abgase in einem integrierten Luft/Luft-Wärmetauscher vorgeheizt, bevor sie in einer Brennkammer mit Unterstützung eines Gasbrenners auf ca. 750°C erhitzt und die Lösemittel dabei in CO₂ und H₂O umgewandelt werden. Außer Kohlendioxid und Wasserdampf enthält das Reingas natürlich noch die üblichen Luftbestandteile, wie Stickstoff und Sauerstoff aber schädliche Stoffe wie Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide und restliche organische Kohlenstoffverbindungen sind darin nur im Milligrammbereich vorhanden. Üblicherweise wird die Brennkammer durch einen zylindrischen Stahlkörper gebildet, der auf der Innenseite mit feuerfestem Dämm-Material verkleidet ist. An der Seite der Brennkammer, wo sich etwa zentrisch der Brenner befindet tritt das vorgewärmte Abgas in die Brennkammer ein, durchläuft den Verbrennungsprozess und wird auf der gegenüberliegenden Seite, d.h. am Ende der zylindrischen Brennkammer um ca. 180°C umgelenkt und durch eine zweite Kammer geführt, die zum Zentrum hin durch die Außenfläche der Brennkammer und zur Peripherie hin durch ein in der Regel zylindrisches Rohr gebildet wird. Am Ende dieses konzentrischen Zwischenraumes wird das heiße Reingas wiederum umgelenkt und im Gegenzug über den vorgenannten Wärmetauscher geführt, der sich in einer dritten Kammer befindet, die aus einem Zwischenraum um die zweite Kammer herum gebildet wird. Dieser Wärmetauscher besteht im Wesentlichen aus einigen hundert Tauscherrohren, über die das heiße Reingas einen Teil seiner Wärmeenergie an das eintretende Rohgas abgibt und dabei je nach Wirkungsgrad des Tauschers auf 350°C bis 500°C abkühlt. Damit es zu keiner Vermischung von Abgas mit Rohgas, d.h. mit der Abluft kommt, werden die Tauscherrohre an ihren beiden Enden an Abschluß-Lochplatten verschweißt. Durch die aufgrund der hohen Temperaturen auftretenden Längenausdehnungen der Tauscherrohre und sonstiger Dehnungsspannungen kommt es aber immer wieder zu Leckagen und damit zu Luftverunreinigungen, vornehmlich an den genannten Schweißnähten. Um diese Leckagen zu verhindern ist mit dem europäischen Patent Nr.: 0560 678 B1 vom 15.09.1993 eine TRA bekannt geworden, bei der die Tauscherrohre durch eine schraubenförmige Vertiefung die Wirkung eines Dehnungsausgleichers haben. Auch hat die Wärmetauscherkammer, die sich zwischen zwei zylindrischen Schalen befindet, transportschneckenartige Kanäle, durch die sich die heiße Luft spiralförmig kreisend fortbewegt, während sie über die Tauscherrohre strömt, wodurch eine gleichmäßige Längung der einzelnen Tauscherrohre erreicht wird. Bei anderen Bauweisen wird durch punktuelle Wärmedämmung, punktuelle Absaugung oder mittels Kompensatoren, Ausgleichsbögen oder auf andere, mehr oder weniger aufwendige Weise versucht, Leckagen zu verhindern bzw. zu neutralisieren.

Demgegenüber ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sich der Reaktionsraum mit Brenner und die Tauscherrohre gemeinsam in nur einer kaminförmig langgezogenen, senkrechten Kammer befinden. Somit wären Leckagen nur noch am oberen Ende dieser einen Kammer, am Eintritt der Abgase in die Tauscherrohre möglich, wenn durch Längsdehnung oder durch ungleiche Ausdehnung der Rohre Spannungen entstehen würden, was aber nicht auftritt, wie nachfolgend beschrieben wird.

Eine Vielzahl von Tauscherrohren hängt über die gesamte Länge dieser Reaktions- und Wärmetauscherkammer kreisförmig nahe der Kaminwand. Vergleichsweise sind es in der Regel weniger als bei herkömmlichen TRA's aber sie sind der langgezogenen kaminähnlichen Bauform entsprechend länger.

Am oberen Ende der Kammer sind die Tauscherrohre in den Bohrungen einer vorzugsweise runden Tragplatte auf ein oder mehrere Lochkreise verteilt, luftdicht abgehängt und können sich nach unten frei ausdehnen. Im Gegensatz zu den bekannten Bauarten, bei denen es wegen der verschiedenen Kammern auch an verschiedenen Stellen, vornehmlich an den Enden der Wärmetauscherrohre zur Vermischung von Abgasen mit bereits gereinigter Luft kommen kann, ist dies bei der vorliegenden Einkammerbauweise nicht möglich. Damit es auch an der oberen Aufhängung nicht zu Leckagen kommt sind die Rohre dort konisch geformt oder mit einem konischen Ring versehen und in einen Ventilsitz eingehängt, ähnlich dem am Zylinderkopf eines Ottomotors.

Die Abdichtung kann an den Stellen, an denen die Tauscherrohre eingehängt sind, auch mittels Bund- und Dichtring am Ende des jeweiligen Rohres, oder mittels Flansch oder durch Verschraubung, oder durch eine andere zweckdienliche Lösung erfolgen.

Außer den beschriebenen handelsüblichen Verbrennungsanlagen bei denen der Wärmetauscher, ebenso wie bei der Vorrichtung nach der Euro-Publikation 0560 678 B1 konzentrisch um die Brennkammer herum angeordnet ist, sind auch TRA's bekannt, bei denen die Brennkammer und die Wärmetauscherkammer nicht nur prozessmäßig sondern auch räumlich gesehen hintereinander angeordnet sind und zwar entweder unmittelbar zusammenhängend, also in einer Ebene, wobei sie horizontal oder kaminähnlich vertikal aufgestellt sein können oder die Tauscherkammer ist zur Brennkammer um 90° versetzt angeordnet, wobei dann der Wärmetauscher in der Regel kaminähnlich aufgestellt ist (VDI 2442, Band 6, Juni 1987, Abschnitt 5).

Alle diese Konstuktionen haben aber den Nachteil, daß sie im Hochtemperaturbereich zwei oder mehr vergleichsweise große ebene Flächen haben, an denen es naturgemäß zu Ausdehnungsspannungen kommt, ebenso wie an den vielen Schweißnähten an den Enden der Tauscherrohre und daß es an all diesen Stellen zu einer Vermischung von Roh- mit Reingas kommen kann, wenn dies nicht durch aufwendige Konstruktionsmaßnahmen verhindert wird. Wie beschrieben löst die vorliegende Erfindung diese Probleme auf einfache und kostengünstige Weise. Schon allein wegen des vergleichsweise geringen Durchmessers der Vorrichtung, kann bei der Konstruktion auf große ebene Flächen verzichtet werden, an denen naturgemäß Dehnungsspannungen auftreten. Zudem hat diese Nachverbrennungs-Vorrichtung noch folgende Vorteile:
Sie benötigt für die Aufstellung sehr wenig Grundfläche und kann beispielsweise an Rollenoffset-Rotationsanlagen hinter dem Trockner, also neben den Peripheriegeräten der Druckmaschine aufgestellt werden, ähnlich dem Kamin für Reingas an Trocknern mit integrierter Nachverbrennung.

Des Weiteren kann die Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs mit einer Ausrüstung ausgestattet werden, mit der die Temperaturanhebung des Rohgases im Wärmetauscher in Abhängigkeit von der Lösemittelkonzentration des Abgases geregelt wird. Naturgemäß sinkt der Gasverbrauch, je höher die Temperaturanhebung des Rohgases im Wärmetauscher ist. Weil jedoch im Rohgas etwa 1g/Nm³ bis maximal 10g/Nm³ Lösemittel vorhanden sind, die bei Verbrennung eine Temperaturerhöhung von ca. 28°C pro Gramm verursachen, ist die Wärmetauscherkapazität zu begrenzen. Durch eine Lösemittelkonzentration von 8g/Nm³ beispielsweise entsteht eine Temperaturerhöhung von ca. 225°C. Wenn der Brenner dabei auf Grundlast fährt und die vom Trockner einer Rotationsdruckmaschine kommenden Abgase 160°C warm sind, darf die Vorwärmung nur noch etwa 265°C bis 300°C betragen. Dementsprechend ist der Wirkungsgrad des Wärmetauschers zu begrenzen. Bei einer Lösemittelkonzentration von beispielsweise 1,5g/Nm³ wäre jedoch ein entsprechend höherer Wirkungsgrad des Tauschers zur Verringerung des Gasverbrauchs sinnvoll.

Erfindungsgemäß wird eine Anpassung des Wirkungsgrades des Wärmetauschers durch eine stufenlose Veränderung der aktiven Tauscheroberfläche erreicht, so daß die Temperaturanhebung des Rohgases immer so hoch wie möglich ist ohne aber die aus der Gesamtbilanz der Energieeinbringer resultierende Prozesstemperatur von beispielsweise 760°C zu überschreiten.

Eine Möglichkeit den Wirkungsgrad des Tauschers zu verringern wird erreicht, indem das Reingasausblasrohr nach unten hin, d.h. in die Kammer hinein verlängert wird, beispielsweise indem es teleskopartig ausgefahren wird, wodurch der obere Teil der Tauscherrohre nur noch geringfügig aktiviert wird.

Eine weitere Ausführung besteht aus einer weit in die Kammer hineinragenden festen Verlängerung des Ausblasrohres, das am unteren Ende verschlossen ist und sowohl im oberen wie auch im unteren Bereich rundherum Öffnungen aufweist. Durch sie kann die gereinigte Luft in das Ausblasrohr einströmen, wobei eine kolbenartig zu bewegende, an beiden Enden offene Hülse, ähnlich einem 3/2-Wegeventil, die oberen bzw. unteren Öffnungen mehr oder weniger verschließt, während die jeweilig anderen entsprechend geöffnet werden. Bei entsprechender Auslegung des Tauschers kann auf diese Weise mit Hilfe einer Regelung der Wärmeübergang so angepaßt werden, daß ein nahezu autothermer Betrieb der Anlage möglich ist. Die Regelung erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Lösemittelkonzentration des Abgases bzw. von der Temperatur erhöhung, die durch die Verbrennung dieser Lösemittel hervorgerufen wird. Dabei kann die sogenannte Energiebilanz-Regelung eingesetzt werden, aber auch Steuerungen und einfachere Temperaturregelungen sind anwendbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden durch die nachfolgend aufgeführten Schemata veranschaulicht:
1 bis 4 zeigen jeweils im Längsschnitt die vereinfachte Darstellung eines Beispiels für thermisch rekuperative Abluftreinigung, in der den Ansprüchen entsprechenden, kaminähnlich langgezogenen Form. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine innere Kammer mit 2 Reihen konzentrisch angeordneter Wärmetauscherrohre.
In 1 ist die Brenn-/Tauscherkammer 1+2 von einem Gestell eingefaßt dargestellt. Ferner ist die Rohgasströmung mittels kurzer und die Reingasströmung mittels dünner langgezogener Pfeile dargestellt. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Luftleitelemente 4 sorgen für eine vorteilhafte Strömung über die Tauscherrohre 3. Die Tauscherrohre sind im Reaktionsbereich 1 mit einer Schutzhülle umgeben dargestellt.
In 2 ist ein typisches Ausführungsbeispiel entsprechend Anspruch 2 mit der konzentrischen Kammer 6 zwischen der Brenn-/Tauscherkammer und dem Gehäuse 7 schematisch dargestellt. Das Rohgas tritt hierbei durch den unten links dargestellten Rohgasstutzen in das System ein. Ferner ist die konische Lagerung der Tauscherrohre 3 in der Tragplatte 8 zu erkennen. Desweiteren ist der Stellmechanismus 10 und die Verlängerung 9 des Ausblasrohres 5 entsprechend Anspruch 3 mit temperaturabhängiger Regelung schematisch dargestellt.
In 3 ist ein typisches Ausführungsbeispiel entsprechend Anspruch 4 schematisch dargestellt, in dem sich die Tauscherrohre nicht über die gesamte Länge der Brenn-/Tauscherkammer erstrecken. Ferner ist die Möglichkeit der konischen Aufhängung der Tauscherrohre 3 in der Tragplatte 8 dargestellt. Die Zwischenräume 11 sind mit feuerfesten Stoffen soweit wie nötig abgedichtet. Am Rohgas-Eintrittstutzen ist eine kalte Nebenschlußklappe 13 dargestellt, mit der der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung der Tauscherrohre bedarfsgerecht angepaßt werden kann.
In 4 ist ein typisches Ausführungsbeispiel nach Anspruch 5 schematisch dargestellt, wobei der unmittelbare Reaktionsbereich durch eine Brennkammerschale 14 vom Wärmetauscherbereich 2 getrennt ist. Die Zwischenräume 12 können dabei soweit wie nötig abgedichtet werden. Desweiteren ist ein Ausführungsbeispiel für eine Temperatur-Regelungsvorrichtung 10 entsprechend Anspruch 3, ähnlich wie in 2 schematisch dargestellt.
In 5 ist der Querschnitt des unteren Bereichs von 1 und 2 mit zwei Reihen Tauscherrohren 3 und deren Ummantelung (Schutzhülle) im Maßstab 1:10, bezogen auf eine vergleichsweise kleine TRA-Anlage, dargestellt; 1 und 2 selber sind dagegen ohne Maßstab dargestellt, ebenso 3 und 4.

Claims

Vorrichtung für thermisch rekuperative Verbrennung lösemittelhaltiger Abgase aus Trocknern von Rollenoffset-Rotationsmaschinen sowie Flexodruckmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmung und die Verbrennung der zu behandelnden Abgase in einer gemeinsamen kaminähnlich langgestreckten, vorzugsweise zylindrischen Kammer stattfinden, wobei eine Vielzahl von Tauscherrohren konzentrisch zur senkrechten Mittellinie, über die gesamte Länge der Kammer, nahe ihrer Wand angeordnet sind, durch die die Abgase zunächst hindurchgeleitet und vorgewärmt werden, bevor sie mittels Gas- oder Ölbrenner auf Prozesstemperatur gebracht und gereinigt werden und unmittelbar in fließenden Übergang der beiden Prozesse über die Tauscherrohre strömend, die Vorwärmung der eintretenden Abgase bewirken.
Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Zwischenraum ➅, der nach innen durch die zylindrische Außenfläche der Brenn-/Tauscherkammer begrennzt ist und nach außen durch ein mantelähnliches Gehäuse, so daß das Rohgas hindurchfließt, bevor es in die Tauscherrohre gelangt.
Vorrichtung entsprechend Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausblasrohr weit in die Kammer hineinführt und mit einem Stellmechanismus versehen ist, mit dem der Weg, den die heiße gereinigte Luft über den Wärmetauscher nimmt so vorgegeben werden kann, daß der Übertragungsgrad des Tauschers in einem gewissen Bereich stufenlos veränderbar ist, von beispielsweise etwa 70% bei niedriger Lösemittelkonzentration des Abgases auf etwa 40% bei hoher Lösemittelkonzentration. Die Einstellung erfolgt dabei vorzugsweise mittels einer Energiebilanz-Regelung.
Vorrichtung entsprechend Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Tauscherrohre nicht über die gesamte Länge der Brenn-/Tauscherkammer erstrecken.
Vorrichtung entsprechend Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsbereich gegen die Tauscherrohre hin brennkammerähnlich abgeschirmt ist.
Vorrichtung entsprechend Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine derartige Verbrennungsanlage waagerecht installiert wird.