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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von sauerstofffreien
Abgasen durch generative Nachverbrennung.
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Ein
sauerstofffreies Abgas mit brennbaren Verunreinigungen, wie es beispielsweise
in Härtereien
anfällt,
wird dabei ohne vorherige Erhitzung oder Wärmetausch in einer Brennkammer
verbrannt und das resultierende Abgas anschließend in einer katalytischen
Reinigungsstufe nachgereinigt.
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Ferner
wird eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens vorgestellt.
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Im
Stand der Technik ist zur Reinigung von Abgasen, die brennbare Verunreinigungen
wie Kohlenwasserstoffe oder Wasserstoff enthalten, eine Reihe von
Verfahren bekannt. Im Sinne dieser Anmeldung ist unter dem Begriff „Abgas” nicht
nur das Abgas einer Verbrennung, sondern auch eine schadstoffbeladene
Abluft aus Anlagen zu verstehen.
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Das
einfachste Verfahren ist die Verbrennung in einer Fackel. Hierbei
werden die zu reinigenden Abgase einer offenen Flamme zugeführt und
die zündfähigen Bestandteile
dort verbrannt. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine einfache
und kostengünstige
Vorrichtung aus, die bei der Inbetriebnahme schnell Betriebsbereitschaft
erreicht. Allerdings stehen dem die Nachteile gegenüber, dass
das Abgas zündfähig sein
muss, das Verfahren nicht regelbar ist und die Einhaltung der Grenzwerte
für Schadstoffe im
Abgas nicht immer gewährleistet
ist.
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Eine
Verbesserung des Verfahrens stellt das als Thermische Nachverbrennung
(TNV) bekannte Verfahren dar. Hierbei werden die Abgase je nach
der Zusammensetzung der zu entfernenden Bestandteile auf Temperaturen
von 750–1000°C erhitzt
und in einer Brennkammer verbrannt. Zur Einhaltung der Vorschriften
des Explosionsschutzes müssen
die Abgase dazu vorher mit soviel Luft verdünnt werden, dass eine Konzentration
der brennbaren Bestandteile von unter 25% der unteren Explosionsgrenze
sichergestellt wird. Da die Verbrennung in einem einfachen Brenner
erfolgt, handelt es sich auch bei der TNV um ein Verfahren mit einer
einfachen Vorrichtung. Die Kohlenwasserstoffe des Abgases werden
sicher umgesetzt und die Grenzwerte für Schadstoffe im Abgas damit
zuverlässig
eingehalten. Auch bei diesem System wird die Betriebsbereitschaft
schnell erreicht. Die TNV hat jedoch das Manko eines sehr hohen
Energieverbrauchs, da durch die große Menge an zugesetzter Luft
eine erheblich größere Gasmenge
als das ursprüngliche
Abgas auf sehr hohe Temperaturen zu erhitzen ist. Durch nachgeschaltete
Wärmetauscher,
die das Abgas wiederum vor Eintritt in den Brennraum vorheizen können, kann
der Wirkungsgrad zwar verbessert werden, da die Vorheizung aber nur
so hoch erfolgen darf, dass noch keine Reaktion im Wärmetauscher
erfolgt, ist trotzdem noch ein erheblicher Energiebedarf aufzuwenden.
Ebenso sind die Herstellungskosten einer TNV Anlage höher, da aufgrund
der hohen Prozesstemperaturen höhere Materialkosten
anfallen (z. B. für
hochtemperaturfeste Stähle).
Zusätzlich
ergibt sich ein größerer Aufwand
durch die Notwendigkeit des Einsatzes von explosionsgeschützten Armaturen.
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Beispielhaft
für die
unzähligen
in der Fach- und Patentliteratur beschriebenen thermischen Nachverbrennungsanlagen
seien hier
DE 20 26
237 A und
WO
87/05090 A1 genannt. In
DE 20 26 237 A wird ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum thermischen Nachverbrennen von Abluft aus Industrieanlagen
beschrieben, bei dem die Abluft vorzugsweise unter erhöhtem Druck
durch einen oder mehrere Wärmetauscher
vorgeheizt wird, anschließend
in eine Brennkammer eingeleitet wird, dort zunächst einen weiteren Wärmetauscher
durchströmt
und dann in einem Brenner verbrannt wird. Die heißen Verbrennungsgase
passieren die Wärmetauscher
anschließend
in umgekehrter Reihenfolge, bevor sie ins Freie entlassen werden.
Ein Teil der verbrannten Abgasmenge wird in der Brennkammer zurückgeleitet,
um den Umsetzungsgrad der Verunreinigungen zu erhöhen. In
WO 87/05090 A1 wird
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Verbrennen von
oxidierbaren Bestandteilen in einem Prozessgas offengelegt, das
sich dadurch auszeichnet, dass das Abgas durch einen Wärmetauscher,
der vom gereinigten Abgas durchströmt wird, vorgeheizt und anschließend mittels
eines Brenners in einem Brennraum wird, wobei dem zu reinigenden
Abgas vor dem Eintritt in die Nachverbrennungsvorrichtung neben
der benötigten
Frischluft auch eine solche Menge an gereinigtem Abgas zugeführt wird,
dass die Konzentration an oxidierbaren Bestandteilen im eintretenden Gasstrom
konstant gehalten wird.
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Eine
Weiterentwicklung der TNV ist die Katalytische Nachverbrennung (KNV).
Hierbei wird durch den Einsatz einer katalytischen Reinigungsstufe
die für
den sicheren Umsatz der Kohlenwasserstoffe benötigte Temperatur abgesenkt.
Abhängig
von den zu entfernenden Abgasbestandteilen und dem eingesetzten
Katalysator wird das zu reinigende Abgas mit Hilfe von Wärmetauschern
und gegebenenfalls einer Zusatzheizung oder eines Zusatzbrenners
auf 250–400°C erhitzt.
Auch hier muss zur Einhaltung der Vorschriften des Explosionsschutzes
wieder eine Verdünnung
der zugeführten
Abgase mit Luft auf eine Konzentration der brennbaren Bestandteile
von unter 25% der unteren Explosionsgrenze erfolgen. Die Vorteile
der KNV sind dieselben wie die der TNV, wobei der Energieeinsatz
deutlich geringer ist. Durch nachgeschaltete Wärmetauscher und Rückgewinnung
der Reaktionswärme
kann sogar ein autothermer Betrieb der Anlage erreicht werden. Nachteilig
ist jedoch, dass die erzeugten Abluftmengen genauso hoch sind wie
bei der TNV, wodurch gerade bei zu erwartenden Konzentrationsspitzen
von Kohlenwasserstoffen im Abgas ein recht hoher Energieeinsatz
nötig ist.
Zudem ist ein autothermer Betrieb nur ab mittleren Kohlenwasserstoffkonzentrationen
möglich.
Darunter ist eine Stützfeuerung
mit zusätzlichen
Abgasen oder eine Zusatzheizung nötig. Ein weiterer Nachteil
ist die Empfindlichkeit des Katalysators gegen bestimmte Katalysatorgifte,
wie z. B. Halogene, Silikone, Phosphor, Schwefel und Schwermetalle,
die sicher aus dem zu reinigenden Abgas ausgeschlossen sein müssen. Ferner
ist der Umsetzungsgrad an dem Katalysatorbett etwas geringer als
bei der TNV.
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Die
Regenerative Nachverbrennung (RNV) stellt eine TNV oder KNV mit
einer „integrierten” Wärmerückgewinnung
dar. Dabei wird der Wärmeinhalt des
gereinigten Abgases in einer Wärmespeichermasse,
die sich direkt in der Oxidationszone befindet, gespeichert und
steht damit dem Oxidationsprozess unmit telbar zur Verfügung. In
der Regel werden dafür keramische
Füllkörper-Schüttungen
verwendet, die bei geringem Druckverlust einen guten Wirkungsgrad des
Wärmeübergangs
ermöglichen.
Im Fall der thermischen Nachverbrennung ist die Schüttung mit
inertem Schüttgut
gefüllt,
während
die katalytische Nachverbrennungsanlage mit einer entsprechenden
Katalysatorfüllung
beschickt ist. Mindestens zwei solcher Schüttungen werden im zyklischen
Wechsel betrieben, wobei die eine heiße Schüttung zur Vorwärmung des
Abgases von diesem durchströmt
wird und dabei abkühlt
und die zweite kalte Schüttung
durch die Oxidation der Abgase aufgeheizt wird. Der Sauerstoff in der
Kühlluft,
die im Katalysator zugeführt
wird, nimmt hierbei an der Reaktion teil. Durch die gute Wärmerückgewinnung
innerhalb der Anlage kann bei katalytischen Systemen schon bei geringen
Konzentrationen an Kohlenwasserstoffen eine autotherme Betriebsweise
erzielt werden. Dieser Vorteil ist allerdings mit einem hohen apparativen
Aufwand mit entsprechend großem
Platzbedarf verbunden. Zudem bedingt der Einsatz von Ventilen, die
heiße
Gase sperren, einen erhöhten
Wartungsaufwand. Aufgrund der langen Aufheizzeit, die die Wärmespeicher
benötigen,
wird die Betriebsbereitschaft einer solchen Anlage nur langsam erreicht.
Daher sind diese Anlagen für
einen sporadischen oder kurzzeitigen Einsatz ungeeignet und nur
im Dauerbetrieb sinnvoll einsetzbar.
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Ein
Beispiel für
die Regenerative Nachverbrennung findet sich in der
DE 196 11 226 C1 , wo eine
Vorrichtung zur thermischen Abgasbehandlung, insbesondere von oxidierbaren
Schwelgasen, vorgestellt wird, die eine Regeneratoreinheit umfasst
mit mindestens zwei Regeneratoren mit jeweils einem Wärmespeicher
und einer zwischen den Regeneratoren angeordneten Heizzone sowie
eine Pufferzelle. Der zu reinigende Abgasstrom ist abwechselnd jeweils
von einer Seite einer Reihenanordnung von zumindest zwei Regeneratoren
zuführbar,
wobei das während
der Umschaltvorgänge
ungereinigt in den Regeneratoren verbleibende Abgas in einer Pufferzelle,
die vom gereinigten Abgasstrom erwärmt wird, zwischengelagert
wird und nach Abschluss des Umschaltvorganges dem Eingangsstrom
wieder beigemischt wird.
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Aus
den geschilderten Nachteilen der im Stand der Technik bekannten
Abgas- und Abluftreinigungsverfahren
ergibt sich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung dann ein Verfahren
bzw. eine Vorrichtung zur Abgasreinigung zur Verfügung zu
stellen, das/die bei kompakter Bauweise mit geringem Platzbedarf
unter möglichst
geringem Energieeinsatz eine Reinigung von sauerstofffreien Abgasen
mit sehr hohen Konzentrationen an brennbaren Bestandteilen ermöglicht,
wie sie beispielsweise in Abgasen von Härtereien anfallen. Die Konzentration
an brennbaren Bestandteilen kann bei diesen bis zu 100 Vol.-% betragen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8 gelöst Vorteilhafte
Ausgestaltungen dazu sind in den Unteransprüchen genannt.
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Im
Sinne der Erfindung sind unter sauerstofffreien Abgasen solche Abgase
zu verstehen, die keinen Sauerstoff enthalten, was durch eine permanente
Sauerstoffanalyse sichergestellt wird.
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Vorgeschlagen
wird das erfindungsgemäße Verfahren
zur Reinigung von sauerstofffreien Abgasen durch generative Nachverbrennung,
wobei die Abgase Anteile an brennbaren Bestandteilen von bis zu
100% aufweisen und der Energieinhalt der Abgase direkt zur Erhitzung
der Abgase eingesetzt wird, beinhaltend die Schritte
- a. Zuführen
der zu reinigenden Abgase;
- b. Ausgleichen von Druck- und Mengenschwankungen in den zu reinigenden
Abgasen;
- c. Mischen eines ersten Gasstroms, bestehend aus den zu reinigenden
Abgasen, derart mit einem zweiten Gasstrom, bestehend aus Erdgas, dass
bei die zugemischte Menge an Erdgas abhängig ist vom Gehalt der brennbaren
Bestandteile in den Abgasen und ausreichend ist, um eine stabile
Verbrennung zu gewährleisten;
- d. Einleiten der gemischten Gasströme und eines dritten Gasstroms
bestehend aus Verbrennungsluft in einen Brenner wenigstens einer
Brennkammer;
- e. Verbrennung der vereinigten Gasströme in der Brennkammer bei so
hohen Temperaturen, dass unerwünschte,
brennbare Gasbestandteile durch Oxidation entfernt werden, wobei
die bei der Oxidation aus dem Energieinhalt der Abgase gewonnene
Wärmeenergie
direkt zur Erhitzung der Abgase eingesetzt wird;
- f. Katalytische Reinigung der oxidierten Abgase zur Umsetzung
darin verbliebener Verunreinigungen in einer katalytischen Reinigungsstufe
am Ausgang der Brennkammer;
- g. Einleiten von Kühlluft
in die Brennkammer zum Einstellen der erforderlichen Temperatur
für die katalytische
Reinigung in der katalytischen Reinigungsstufe.
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Die
zu behandelnden Abgase können
zu 100 Vol.-% aus brennbaren Bestandteilen bestehen, enthalten in
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung jedoch mindestens 0 Vol.-%, bevorzugt mindestens 10
Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 20 Vol.-% brennbare Anteile.
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Ist
der Anteil der brennbaren Gase im Abgas kleiner als 100 Vol.-%,
so werden die Abgase vor der Verbrennung im Brenner mit Erdgas vermischt,
um die Oxidation zu fördern.
Die Menge des zugemischten Erdgases ist dabei abhängig vom
Gehalt der brennbaren Anteile im Abgas.
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Besonders
bevorzugt erfolgt die Zumischung des Erdgases mittels einer automatischen
Regelung, die sicherstellt, dass im Brennraum eine Temperatur aufrecht
erhalten wird, die hoch genug für
die nachfolgende katalytische Reinigungsstufe ist. Ebenso erfolgt
bevorzugt eine automatische Regelung der Kühlluftzufuhr in den Brennraum, über die
die Temperatur unterhalb des Maximums gehalten werden kann, das
der maximalen Arbeitstemperatur des Katalysators entspricht.
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Die
Flammentemperatur des Brenners wird bevorzugt im Bereich von 600–1200°C, besonders bevorzugt
im Bereich von 800–1000°C, gehalten.
Die katalytische Reinigungsstufe wird bevorzugt bei 300–650°C, besonders
bevorzugt bei 400–530°C betrieben.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Regelung der Erdgaszufuhr in den Brenner in Abhängigkeit
von der Temperatur in der Brennkammer und/oder der Temperatur am
Eintritt in den Katalysator. Sinkt bei konstanter Zufuhr von Verbrennungsluft
und Kühlluft
die Temperatur im Brennraum oder am Katalysatoreintritt ab, so wird
die Erdgaszufuhr erhöht,
weil weniger brennbare Bestandteile im Abgas vorhanden sind. Steigt
die Temperatur an, wird entsprechend weniger Erdgas zugemischt.
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Eine
Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
die im Fließschema
in 1 mit ihren wesentlichen Funktionselementen dargestellt
ist, zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Abgaszufuhrleitung
(1), eine Erdgaszufuhrleitung (2), eine Luftzufuhrleitung
(3), eine oder mehrere Brennkammern (7) mit einem
daran angeschlossenen Brenner (6), eine am Ausgang der
Brennkammer installierte katalytische Reinigungsstufe (8)
und Überwachungseinrichtungen
für den
Ablauf der Verbrennung aufweist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsvariante
ist zur Erhöhung
der Sicherheit in der Gaszufuhrleitung für Erdgas und das Abgas jeweils
eine eigene Sicherheitsstrecke vorgesehen.
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Die
Abgaszufuhrleitung ist besonders bevorzugt mit einem Gaspufferbehälter (9)
ausgestattet, damit Druck- und Volumenstromschwankungen im zu reinigenden
Abgasstrom ausgeglichen werden können
und nicht auf den Brenner (6) übertragen werden. Dadurch wird
eine gleichmäßigere Verbrennung
gewährleistet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform werden die Erdgaszufuhrleitung
(2) und die Abgaszufuhrleitung (1) vor Eintritt
in den Brenner in einer Mischkammer (33) zusammengeführt. Dadurch
kann die Vermischung auch bei höheren
Inertgasanteilen im Abgas sichergestellt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Brenner ein Gebläsebrenner
mit zwei Brenngaseingängen.
Dadurch können
das zu reinigende Abgas und das Erdgas auch unvermischt dem Brenner
zugeführt
und erst unmittelbar im Brenner vermischt werden.
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Die
Verbrennungsluftzufuhr ist bevorzugt über einen Ventilator (im Luftgebläse (34))
und/oder über
ein Ventil (35) regelbar. Je nach benötigter Durchflussmenge erfolgt
die Regelung über
ein Ventil oder bei höheren
Durchsätzen über einen
Ventilator. Zur Feinabstimmung sind gegebenenfalls beide regelbar.
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Die Überwachungseinrichtungen
sind besonders bevorzugt in eine Gesamtsteuerung mit Messwertaufnehmern
integriert. Auf diese Weise wird eine effiziente zentrale Steuerung
und Überwachung
ermöglicht.
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Die
Bestandteile der Vorrichtung sind bevorzugt als Einzelmodule getrennt
transportierbar und am Einsatzort mit verbindenden Rohrleitungen
und Anschlüssen
zur Gesamtanlage aufbaubar. Dazu sind die verbindenden Rohrleitungen
entsprechend bevorzugt mit einem Schnellkupplungssystem ausgestattet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist die gesamte Vorrichtung als kompakte Einheit im Aufbauzustand
transportierbar. Dadurch ist es möglich, die Abgasreinigungsanlage
schnell einsatzbereit zu machen und bei Bedarf an eine Abgas erzeugende
Anlage anzuschließen.
Durch die kompakte Bauweise kann dies auch bei beengten Platzverhältnissen
erfolgen.
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Durch
die modulare Bauweise können
in weiteren Ausführungsformen
auch mehrere Abgas erzeugende Anlagen mit ihren Abgaszufuhrleitungen (1)
an einen entsprechend dimensionierten Brenner (6) angeschlossen
werden. Ferner können
auch die Abgase mehrerer Brennkammern (7) einer entsprechend
dimensionierten gemeinsamen katalytischen Reinigungsstufe (8)
zugeführt
werden. Dadurch lässt sich
das Anlagenkonzept flexibel den örtlichen
Gegebenheiten anpassen und durch gemeinsam genutzte Anlagenteile
weiterer Platz einsparen.
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Bei
den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren muss in der Regel
aus Gründen
des Explosionsschutzes eine Verdünnung
der zu reinigenden Abgase mit Luft auf eine Konzentration der brennbaren
Bestandteile von unter 25% der unteren Explosionsgrenze erfolgen.
Dadurch bedingt müssen
sehr große
Mengen an Gasen transportiert und erhitzt werden. Diese Verfahren
sind daher für
Abgase mit sehr hohen Anteilen an brennbaren Gasen eher ungeeignet.
Die vorliegende Erfindung ist im Gegensatz dazu besonders auf solche
Abgase mit hohen Anteilen an brennbaren Gasen von bis zu 100% ausgerichtet.
Solche Abgase kommen z. B. in Härtereien
in der metallbearbeitenden Industrie vor, die Werkstücke unter
Ausschluss von Luft unter Einsatz von Kohlenwasserstoffen in geschlossenen Öfen härten. Eine
Abgasreinigung solcher Abgase findet derzeit noch nicht statt.
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Durch
die Beschränkung
auf derartige sauerstofffreie Abgase und den Verzicht auf eine Vorerwärmung der
Abgase, sind die Anforderungen an den Explosionsschutz wesentlich
geringer. Die zu transportierenden Gasmengen bleiben vorteilhaft
klein und die Erhitzung der Abgase auf die in der katalytischen
Reinigungsstufe (8) benötigten
Temperaturen erfolgt überwiegend
durch die aufgrund der hohen Konzentrationen an brennbaren Gasbestandteilen hohe
Verbrennungswärme
des Abgases. Luft wird hierfür
nur in annähernd
stöchiometrischer
Menge für die
Verbrennung zugeführt.
Sinkt der Anteil der brennbaren Bestandteile im Abgas, so wird bei
Bedarf Erdgas zugemischt, um konstante Verbrennungstemperaturen
zu gewährleisten.
Der wesentliche Unterschied zu den bekannten Verfahren mit Wärmerückgewinnung
liegt darin, dass der Energieinhalt des Abgases direkt zur Erwärmung genutzt wird.
Daher wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch im Gegensatz
zur Regenerativen Nachverbrennung als „Generative Nachverbrennung” (GNV)
bezeichnet.
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Im
Brenner (6) werden alle unter den gegebenen Bedingungen
brennbaren Abgase verbrannt. Dadurch werden etwa 98% der Verunreinigungen aus
dem Abgas entfernt. Zur weiteren Reinigung schließt sich
dann eine katalytische Reinigungsstufe (8) an. Durch eine
geregelte Beimischung von Kühlluft
in den Brennraum wird die Prozesstemperatur für die nachfolgende katalytische
Reinigung eingestellt. Daher ist es möglich, die Flammentemperatur
im Brenner bei so hohen Temperaturen zu halten, dass schon dort
ein Großteil
der Verunreinigungen verbrennt. Die katalytische Nachreinigung sorgt
dann für eine
vollständige
Umsetzung der Kohlenwasserstoffe, die im Brenner nicht bzw. unvollständig umgesetzt wurden.
Nach Verlassen der Katalysatorstufe über den Auslass (5)
kann das gereinigte Abgas über
Wärmetauscher
(in den Zeichnungen nicht dargestellt) abgekühlt werden und die dabei zurück gewonnene Energie über Thermalöl und/oder
Dampf anderen Prozessen zur Verfügung
gestellt werden, da sie nicht für
die Vorheizung der zu reinigenden Abgase benötigt wird.
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Durch
das beschriebene Verfahren ergeben sich mehrere Vorteile: Es ermöglicht sehr
kompakte Anlagen wegen der kleinen Volumenströme, da die Beimischung von
Luft zum Abgas entfällt.
Die Luft wird erst dem Brenner zugeführt, so dass vorher kein zündfähiges Gemisch
vorliegt. Daher gibt es nur geringe Anforderungen an den Explosionsschutz.
Ferner ergeben sich dadurch geringe Anlagenkosten, geringer Energieverbrauch
und geringe Wartungskosten. Die Betriebsbereitschaft der Anlage
kann innerhalb weniger Minuten hergestellt werden. Die GNV arbeitet
unabhängig
von der Konzentration der Kohlenwasserstoffe im Abgas.
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Im
Folgenden soll das vorgestellte Verfahren anhand des Fließschemas
einer Anlage in vorteilhafter Ausgestaltung in 2 näher erläutert werden.
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Über die
Abgaszufuhrleitung (1) gelangt das mit brennbaren Bestandteilen
beladene Abgas über das
Magnetventil (11) in den Gaspufferbehälter (9). Die Abgaszufuhrleitung
(1) besitzt in diesem Ausführungsbeispiel einen Durchmesser
von 25 mm. Das Abgas hat eine maximale Temperatur von ca. 50°C und einen
Druck von ca. 1,3 bar. Um sicher zu stellen, dass kein Sauerstoff
im Abgas vorhanden ist, wird eine permanente Sauerstoffanalyse (15)
durchgeführt.
Der Gaspuffer (9) dient dem Ausgleich von Druck- und Mengenschwankungen
im Abgas. Eine Drucküberwachung
mittels PS+-Druckschalter (18) am Gaspufferbehälter (9)
sorgt dafür,
dass ab dem Erreichen eines gewissen Mindestdrucks durch das Öffnen des
Magnetventils (12) das zu reinigende Abgas dem Brenner (6)
zugeführt
wird. Bei Überschreiten
eines Maximaldruckes wird der Überdruck
dadurch abgebaut, dass das Magnetventil (10) geöffnet und
das Abgas direkt durch den Notauslass über Dach (4) abgeleitet
wird. Die entsprechende Auslassleitung ist mit einem Rückschlagventil
(16) gesichert. Da der Gaspufferbehälter (9) beim ersten
Anfahren der Anlage nach dem Aufbau noch mit Luft gefüllt ist, ist
vor dem Gaspufferbehälter
(9) eine Spülgaszufuhrleitung
(13) mit manuellem Einlassventil für ein sauerstofffreies Spülgas, in
der Regel Stickstoff, angebracht. Der entsprechende Spülgasauslass
(14) mit manuellem Auslassventil ist nach dem manuellen Druckregelventil
(17) hinter dem Magnetventil (12), das der Gewährleistung
konstanter Druckbedingungen für
den Brenner (6) dient, angeordnet. Somit kann man beim
ersten Anfahren der Anlage vor der Einleitung des zu reinigenden
Abgases zunächst
manuell eine Spülung
des Gaspufferbehälters
(9) und seiner Zu- und Ableitungen durchführen, um
die Sauerstofffreiheit und damit den Explosionsschutz herzustellen.
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Vor
der Einspeisung in den Brenner (6) wird der Gasdruck über einen
Druckminderer (25) reduziert und konstant gehalten. Vor
dem Eintritt in den Brenner (6) erfolgt eine Vermischung
mit einer Menge an Erdgas, die ausreichend ist, um eine stabile Verbrennung
zu gewährleisten.
Vor der Vermischung, die je nach enthaltenen Gasen und durchgesetzten
Volumenströmen
entweder in einer Mischkammer (33) oder direkt durch eine
Rohrzusammenführung
erfolgen kann, durchlaufen beide Gasstränge jeweils eine eigene Sicherheitsarmaturenstrecke, die
aus einem Druckschalter und aus Redundanzgründen zwei Magnetventilen (27, 28 und 29, 30)
besteht.
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Die
in die Mischkammer (33) oder den Brenner (6) eingelassenen
Gasmengen werden durch Motorventile (19, 20) kontrolliert,
die bei der Abgasstrecke mittels der Druckschalter PS– (31)
und PS+ (32) und bei der Erdgasstrecke über den Temperaturregler (23),
der am Eingang der katalytischen Reinigungsstufe (8) angeordnet
ist, angesteuert werden. Das Motorventil (19) sorgt so
zusätzlich
dafür,
dass der Druck konstant im Bereich, der an den Druckschaltern (31)
und (32) eingestellt ist, gehalten wird. Besonders beim Öffnen der
Magnetventile (27, 28) können so Spitzen im Energieeintrag
in den Brenner vermieden wer den. Eine entsprechende Sicherheitsschaltung
gestattet die Öffnung
der Magnetventile (27, 28) nur, wenn sich das
Motorventil (19) in seiner Minimalposition befindet.
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Die
für die
Verbrennung der Abgase (Oxidation der Verunreinigungen) notwendige
Verbrennungsluft wird über
die Luftzufuhrleitung (3) zudosiert. Am Ventil (35)
wird die Luftmenge so eingestellt, dass sie den Sauerstoff in annähernd stöchiometrischer
Menge für
die Verbrennung des auslegungsgemäß zu erwartenden Gasgemisches
aus Erdgas und Abgas liefert. Ist die Anlage für größere Durchsätze ausgelegt, so kann alternativ
oder in Ergänzung
dazu die Regelung der Luftzufuhr auch über den Ventilator des Luftgebläses (34)
erfolgen. Über das
Motorventil (21) erfolgt eine automatisch geregelte Zufuhr
von Kühlluft
in die Brennkammer (7). Der Temperaturregler (23),
der die Eingangstemperatur an der katalytischen Reinigungsstufe
(8) misst, steuert entsprechend die Motorventile (20, 21),
um eine stabile Verbrennung und die benötigte Eintrittstemperatur für den Katalysator
zu gewährleisten.
Zur zusätzlichen Überwachung
des Brenners ist in der Brennkammer (7) der Temperaturschalter
(22) angebracht, der die Temperatur im Brennerrohr vor
der Vermischung mit der Kühlluft
misst.
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Bei
der Verbrennung im Brenner (6) werden bereits ca. 98% der
Verunreinigungen aus dem Abgas entfernt. Zur vollständigen Umsetzung
der verbliebenen Verunreinigungen schließt sich an die Brennkammer
(7) die katalytischen Reinigungsstufe (8) an.
Das gereinigte Abgas verlässt
die Anlage über den
Auslass (5), der einen Durchmesser von 200 mm aufweist,
bei einem maximalen Druck von ca. 1,05 bar und einer maximalen Temperatur
von ca. 530°C. Daran
kann sich entweder direkt ein Schornstein anschließen oder
ein oder mehrere Wärmetauscher
für die
Rückgewinnung
der Wärmeenergie
für andere Prozesse,
was nicht in der Zeichnung gezeigt wird.
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Der
Regelvorgang durch den Temperaturregler (23) erfolgt folgendermaßen:
Bei
der Inbetriebnahme der Anlage wird am Ventil (35) die für die stöchiometrische
Verbrennung der Abgas-Erdgas-Mischung berechnete Luftmenge eingestellt.
Das Motorventil (21) wird so eingestellt, dass eine Mindestluftmenge
in den Brenner (6) gelangt. Anschließend werden die Magnetventile
(29, 30) der Sicherheitsstrecke geöffnet und
die Anlage zunächst im
Standby-Modus mit Erdgas betrieben. Das Motorventil (20)
ist dementsprechend ganz geöffnet.
Liegt am Gaspufferbehälter
(9) der vorgegebene Mindestdruck an und hat die Temperatur
am Eingang der katalytischen Reinigungsstufe (8) ihren
Mindestwert erreicht, so werden die Magnetventile (27, 28)
der Abgasstrecke geöffnet
und die Anlage arbeitet im Entsorgungsbetrieb. Bei zunächst unveränderter
Luftzufuhr wird vom Temperaturregler (23) das Motorventil (20)
gedrosselt, um die Eintrittstemperatur am Katalysator im vorgesehenen
Bereich zu halten. Erreicht das Motorventil (20) seine
Minimalstellung und die Temperatur in der Brennkammer (7)
ist immer noch zu hoch, dann steuert der Temperaturregler (23)
auch das Motorventil (21) an und öffnet damit die Kühlluftzufuhr
in die Brennkammer (7). Sinkt der Gehalt an brennbaren
Bestandteilen im Abgas und damit die Temperatur in der Brennkammer
ab, drosselt der Temperaturregler (23) das Motorventil
(20) wieder und öffnet
gegebenenfalls die Erdgaszufuhr über
Motorventil (20) weiter. Als Sicherheitsfunktion ist am Ausgang
der katalytischen Reinigungsstufe (8) der Temperaturschalter
(24) angebracht, der die maximale Betriebstemperatur des
Katalysators überwacht.
Wird diese Temperatur überschritten,
löst der Temperaturschalter
(24) die Notabschaltung der Anlage aus, indem die Magnetventile
(11, 12) geschlossen werden und das Magnetventil
(10) geöffnet
wird. Das Abgas wird dann sicher durch den Notauslass über Dach
(4) abgeleitet.
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Bei
dem in der katalytischen Reinigungsstufe (8) eingesetzten
Katalysator handelt es sich um einen Oxidationskatalysator, der
in diesem Beispiel aus einem 1:1 Gemisch von Palladium und Platin
besteht, das in einer Menge von 40 g/ft3 auf
einen Träger
aus Cordierit Waben mit 100 cpsi aufgebracht ist.
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- 1
- Abgaszufuhrleitung
- 2
- Erdgaszufuhrleitung
- 3
- Luftzufuhrleitung
- 4
- Notauslass über Dach
- 5
- Auslass
für das
gereinigte Abgas
- 6
- Brenner
- 7
- Brennkammer
- 8
- Katalytische
Reinigungsstufe
- 9
- Gaspufferbehälter
- 10
- Magnetventil
- 11
- Magnetventil
- 12
- Magnetventil
- 13
- Spülgaszufuhrleitung
- 14
- Spülgasauslass
- 15
- Sauerstoffanalyse
- 16
- Rückschlagventil
- 17
- Druckregler
- 18
- Druckschalter
- 19
- Motorventil
- 20
- Motorventil
- 21
- Motorventil
- 22
- Temperaturschalter
- 23
- Temperaturregler
- 24
- Temperaturschalter
- 25
- Druckminderer
- 26
- Druckminderer
- 27
- Magnetventil
- 28
- Magnetventil
- 29
- Magnetventil
- 30
- Magnetventil
- 31
- Druckschalter
- 32
- Druckschalter
- 33
- Mischkammer
- 34
- Luftgebläse
- 35
- Ventil
- 36
- Sicherheitsventil