DE102013224297A1

DE102013224297A1 - Gasoxidationsanlage sowie Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102013224297A1
Application number: DE102013224297.2A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Gores Stefan; Christoph Dötsch
Original assignee: Caverion Deutschland GmbH
Current assignee: Krantz GmbH
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-05-28
Also published as: PL2878887T3; EP2878887B1; EP2878887A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) zur thermischen Behandlung eines mit oxidierbaren Bestandteilen belasteten Rohgasvolumenstroms, umfassend – mindestens zwei Wärmespeichermassen (2, 3), wobei die Wärmespeichermassen (2, 3) jeweils an mindestens einen Rohgaskanal (6) und mindestens einen Reingaskanal (7) angeschlossen sind und – mindestens eine strömungstechnisch zwischen den Wärmespeichermassen (2, 3) angeordnete Brennkammer (12), in der die in dem Rohgasvolumenstrom befindlichen Bestandteile oxidierbar und der Rohgasvolumenstrom so in einen Reingasvolumenstrom umwandelbar ist, Um die Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine Abkühlung der Gasoxidationsanlage ohne Verzögerung möglich ist, um einen Totalausfall der Anlage zu verhindern und die in der Gasoxidationsanlage gewonnene Energie dabei möglichst effizient weiter zu nutzen, ohne dass die Reingasgrenzwerte unterschritten werden, wird vorgeschlagen, dass mindestens einen Kanal (16), der direkt an die Brennkammer (12) angeschlossen ist und mittels dessen ein Fluid in die Brennkammer (12) einleitbar ist, wobei eine Einleitung des Fluids zu einer Temperaturreduzierung in der Brennkammer (12) führt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Gasoxidationsanlage.

Description

Einleitung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasoxidationsanlage zur thermischen Behandlung eines mit oxidierbaren Bestandteilen belasteten Rohgasvolumenstroms, umfassend

– mindestens eine erste und eine zweite Wärmespeichermasse, wobei die Wärmespeichermassen jeweils an mindestens einen Rohgaskanal und mindestens einen Reingaskanal angeschlossen sind und
– mindestens eine strömungstechnisch zwischen den Wärmespeichermassen angeordnete Brennkammer, in der die in dem Rohgasvolumenstrom befindlichen Bestandteile oxidierbar sind und der Rohgasvolumenstrom so in einen Reingasvolumenstrom umwandelbar ist.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Gasoxidationsanlage zur thermischen Behandlung eines mit oxidierbaren Bestandteilen belasteten Rohgasvolumenstroms, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
Die Wärmespeichermassen sind meist in getrennten Behältern oder in einem durch Trennwände geteilten gemeinsamen Behälter angeordnet und werden abwechselnd von einem Rohgasvolumenstrom und einem Reingasvolumenstrom durchströmt. Im Sinne dieser vorliegenden Anmeldung lassen sich die Wärmespeichermassen in einen oberen, der Brennkammer zugewandten Bereich und einen unteren der Brennkammer abgewandten Bereich unterteilen.
Weiterhin kann im Sinne der vorliegenden Anmeldung unter den in einem Behälter angeordneten Wärmespeichermassen auch eine einzelne Wärmespeichermasse verstanden werden, die, bedarfsweise mittels einer Trennwand, in zwei Abschnitte aufgeteilt ist, wobei jeder Abschnitt abwechselnd von dem Rohgasvolumenstrom und dem Reingasvolumenstrom durchströmt wird.
Es führen jeweils ein Rohgaskanal und ein Reingaskanal zu den einzelnen Wärmespeichermassen, wobei je nach Prozesszyklus abwechselnd der Rohgasvolumenstrom oder der Reingasvolumenstrom durch die entsprechende Wärmespeichermasse geleitet wird. Die erste Wärmespeichermasse wärmt den Rohgasvolumenstrom vor, bevor letzterer in die Brennkammer geleitet und dort durch die Oxidation der oxidierbaren Bestandteile in den Reingasvolumenstrom umgewandelt wird. Der Reingasvolumenstrom überträgt seine thermische Energie an die zweite nachgeschaltete Wärmespeichermasse. Bei einem darauf folgenden Prozesszyklus wird zunächst die zweite, zuvor von dem Reingasvolumenstrom vorgewärmte Wärmespeichermasse mit dem Rohgasvolumenstrom durchströmt und heizt letzteren auf. Durch die erste, zuvor von dem Rohgasvolumenstrom durchströmte Wärmespeichermasse wird nun der Reingasvolumenstrom geleitet, wobei letzterer nun die erste, jetzt „nachgeschaltete” Wärmespeichermasse aufheizt.
Stand der Technik
Es sind bereits zahlreiche Gasoxidationsanlagen und Verfahren zu deren Betrieb in verschiedenen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt.
Während des Betriebs der Gasoxidationsanlage wird thermische Energie durch die Oxidation von oxidierbaren Bestandteilen, beispielsweise kohlenstoffhaltiger Verbindungen freigesetzt (= exotherme Reaktion). Plötzliche Konzentrationserhöhungen der oxidierbaren Bestandteile in dem Rohgasvolumenstrom führen zu einem überautothermen Zustand. Infolgedessen tritt ein Temperaturanstieg innerhalb der Gasoxidationsanlage auf. Ein überautothermer Zustand, in dem der Gehalt des Rohgases an oxidierbaren Bestandteilen größer ist, als für die dauerhafte Aufrechterhaltung einer minimalen Oxidationstemperatur in de Anlage auch ohne weitere externe Energiezufuhr erforderlich wäre, sollte allerdings über langen Zeitraum vermieden werden, da dies zu einem Ausfall der Gasoxidationsanlage wegen Überhitzung führen kann. Zur Vermeidung eines Totalausfalls wird in solchen Fällen bereits zuvor eine Abschaltung der Anlage eingeleitet, um einen unkontrollierten überautothermen Prozess der Gasoxidationsanlage entgegen zu wirken und dabei einen Verschleiß oder Beschädigungen der Bauteile zu minimieren.
Heutzutage wird häufig ein Bypass, wie dieser beispielsweise in der DE 10 2010 012 005 A1 beschrieben wird, an die Brennkammer angeschlossen. Mittels des Bypasses wird der Reingasvolumenstrom direkt aus der Brennkammer abgeleitet und folglich wird der Gasoxidationsanlage eine gewisse thermische Energie entzogen. Dadurch wird verhindert, dass die nachgeschaltete Wärmespeichermasse zu stark aufgeheizt wird. Dennoch findet keine unmittelbare Abkühlung der Wärmespeichermasse statt. Vielmehr erfolgt die Abkühlung der Wärmespeichermasse, also die Abgabe der ,überschüssigen' thermischen Energie an den Reingasvolumenstrom, erst bei einem anschließenden Prozesszyklus durch das kalte Rohgas, welches diese Wärmespeichermasse dann durchströmt, wobei eine ausreichende Abkühlung häufig sogar erst nach zwei bis drei Prozesszyklen stattfindet.
Innerhalb dieses Zeitraumes kann allerdings schon ein Totalausfall der Gasoxidationsanlage eingetreten sein. Das heißt, bei dem Bypass handelt es sich um eine lediglich recht Träge wirkende Einflussgröße auf die Anlagentemperatur.
Ein weiterer Nachteil des Bypasses besteht darin, dass es schwer einschätzbar ist, wie viel thermische Energie über den Bypass abgeleitet werden muss. Dabei kann es durchaus möglich sein, dass ungewollter Weise so viel thermische Energie abgeleitet wird, dass der Rohgasvolumenstrom nicht ausreichend von der vorgeschalteten Wärmespeichermasse vorgeheizt wird. Die Wärmequelle schafft es in diesem Fall nicht, den ungenügend vorgewärmten Rohgasvolumenstrom derart aufzuheizen, dass eine ausreichende Oxidation der oxidierbaren Bestandteile in dem Rohgasvolumenstrom auftritt. Dies kann zur Folge haben, dass die geforderten Reingasgrenzwerte nicht mehr eingehalten werden.
Hinzu kommt, dass mittels des Bypasses thermische Energie aus der Gasoxidationsanlage entnommen wird und dieser nicht mehr für die Oxidation zur Verfügung steht. Folglich führt dieses zu einem Energieverlust innerhalb der Gasoxidationsanlage.
Eine weitere heutzutage angewandte Methode zur Regelung einer Gasoxidationsanlage besteht darin, dass dem Rohgasvolumenstrom Zuluft beigemischt wird, bevor dieser in die vorgeschaltete Wärmespeichermasse geleitet wird. Dies führt zu einer Senkung der Konzentration der oxidierbaren Bestandteile in dem Rohgasvolumenstrom und verringert beziehungsweise verhindert somit eine überautotherme Reaktion in der von dem Rohgasvolumenstrom durchströmten Wärmespeichermasse. Da keine zeitlich und/oder räumlich hoch aufgelösten Betrachtungen der Temperatur- und Reaktionsverläufe in den Wärmespeichermassen möglich sind, kann die benötigte Menge an Zuluft nur geschätzt beziehungsweise erahnt werden. Ein Zuviel an Zuluft verursacht einen vermehrten Einsatz des Brenners, und ein Zuwenig an Zuluft führt schlimmstenfalls zu einem Totalausfall der Gasoxidationsanlage, da auch in diesem Fall eine Abkühlung der Wärmespeichermassen frühestens nach ein bis drei Prozesszyklen auftritt.
Aufgabe
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine Abkühlung der Gasoxidationsanlage mit möglichst geringer Verzögerung möglich ist, um einen Totalausfall der Anlage zu verhindern. Die in der Gasoxidationsanlage gewonnene Energie sollte dabei möglichst effizient weiter genutzt werden, ohne dass die Reingasgrenzwerte überschritten werden.
Lösung
Die zugrunde liegende Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch mindestens einen Kanal gelöst, der vorzugsweise unmittelbar an die Brennkammer angeschlossen ist und mittels dessen ein Fluid in die Brennkammer einleitbar ist, wobei eine Einleitung des Fluids zu einer Temperaturreduzierung in der Brennkammer führt.
Mittels dieser Anordnung kann die Brennkammertemperatur unmittelbar nach Feststellung eines zu starken Temperaturanstiegs in der Brennkammer gesenkt werden, indem das Fluid in die Brennkammer eingeleitet und mit dem darin befindlichen Gasgemisch vermengt wird. Es können sogar plötzlich auftretende Temperaturanstiege innerhalb der Wärmespeichermasse ausgeglichen werden. Es handelt sich somit um eine sehr rasch auf die Brennkammertemperatur wirkende Stellgröße. Die Temperaturanstiege sind beispielweise auf Änderungen im Energiegehalt beziehungsweise Konzentrationsanstiege der oxidierbaren Bestandteile in dem Rohgasvolumenstrom zurückzuführen, da diese zu einer verstärkten exothermen Reaktion und somit zu einer vermehrten Freisetzung an thermischer Energie führen. Es versteht sich, dass das zugeführte Fluid eine möglichst geringe Temperatur jedenfalls deutlich unterhalb der Brennkammertemperatur aufweist, wobei meist ein Fluid mit Umgebungs- beziehungsweise Raumtemperatur verwendet werden wird.
Durch das Einleiten des Fluids in die Brennkammer kann der Wärmeverlust innerhalb der Gasoxidationsanlage möglichst gering gehalten werden, da die thermische Energie im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen, zumindest nicht über einen thermisch ungenutzten Bypassstrom abgeleitet wird, sondern innerhalb der Gasoxidationsanlage, und der zwar vornehmlich in den Wärmespeichermassen verbleibt. Dass dennoch ein Totalausfall der Gasoxidationsanlage vermieden werden kann, lässt sich folgendermaßen erklären:
Zum einen entfaltet die Einleitung eines hinreichend kühlen Fluids in die Brennkammer eine sehr unmittelbare und zeitnahe Wirkung, d. h. Reduzierung der Brennkammertemperatur was insbesondere dann eine Anlagenabschaltung wegen Überhitzung vermeidet, wenn die eine mögliche Abschaltung auslösenden Temperatursensoren sich in der Brennkammer befinden, was nach dem Stand der Technik üblich ist. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren unter Aspekten der Energieeffizienz als sehr positiv zu beurteilen, da trotz des Abkühleffekts keine Energie ungenutzt aus dem System abgegeben wird (wie das bei einem Bypass ohne Wärmerückgewinnung der Fall ist), sondern die Energie in der jeweils der Brennkammer nachgeschalteten Wärmespeichermasse (zwischen-)gespeichert wird. Dies ist insbesondere dann besonders sinnvoll, wenn die Überhitzungsproblematik lediglich für einen kurzen Zeitraum aufgrund einer temporären Spitze in dem Gehalt des Rohgases an oxidierbaren Bestandteilen hervorgerufen wird und diese Spitze bald durch Phasen abgelöst würde, in denen (gerade) ein autothermer Betrieb möglich wäre bzw. sogar wieder ein unterautothermer Betriebszustand vorliegt.
Ferner bietet die erfindungsgemäße Fluideinleitung in die Brennkammer aber auch eine sehr elegante Möglichkeit zur Regelung des Temperaturniveaus der Wärmespeichermassen. Auch ohne einen konkreten Anlass für eine Temperatursenkung in der Brennkammer kann eine Fluideinleitung dort sinnvoll sein, wenn nämlich durch eine länger andauernde Nutzung eines heißen Bypasses die Temperatur innerhalb der Wärmespeichermassen so weit absinkt, dass eine zu geringe Vorwärmung des Rohgasvolumenstroms zu einer Überschreitung der Reingasgrenzwerte führt. Hier wird durch die gezielte Fluideinleitung in die Brennkammer ein höherer Volumenstrom durch die zweite aufzuwärmende Wärmespeichermasse geleitet, so dass die Temperatur innerhalb dieser Masse und durch die zyklische Umschaltung der Strömungsrichtung durch die Temperatur der gesamten Wärmespeichermasse angehoben wird.
Die Abkühlung der Gasoxidationsanlage und vor allem der Wärmespeichermassen findet noch im gleichen Prozesszyklus statt, ohne dass dabei thermische Energie verloren geht. Vielmehr ist es so, dass die gesamte thermische Energie der Gasoxidationsanlage weiterhin zur Verfügung steht und zum Aufheizen des Rohgasvolumenstroms nach einem Zykluswechsel eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Fluid von einem Gas, vorzugsweise Außenluft, gebildet wird. Ein gasförmiger Zustand des Fluides ermöglicht eine besonders gute Durchmischung des Fluides mit dem Gasgemisch in der Brennkammer. Wird das Fluid von der Außenluft gebildet, muss kein zusätzliches beispielsweise in Behältern angeordnetes Fluid bereitgehalten werden. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass das Fluid von einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder einer wasserhaltigen Flüssigkeit gebildet ist. In diesem Fall wird der Abkühleffekt durch die Verdampfungsenthalpie des Wassers noch verstärkt.
Um eine möglichst gute Verteilung des Fluids innerhalb der Brennkammer zu ermöglichen, sieht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der mindestens eine Kanal in mindestens einer, vorzugsweise zwei Einspeisestellen mündet, wobei sich die Einspeisestellen vorzugsweise in einem oberen Bereich der Brennkammer befinden. Die Vermischung des Fluides und des Gasgemisches findet durch die Mehrzahl an Einspeisestellen an verschiedenen Orten statt, wodurch eine möglichst schnelle und gleichmäßige Durchmischung erreicht wird. Die Anordnung der Einspeisestellen in dem oberen Teil der Brennkammer, also dem Bereich der Brennkammer, der sich nicht unmittelbar an der mindestens einen Wärmespeichermasse befindet, begünstigt eine gute Durchmischung des Fluids mit dem Gasgemisch, dadurch, dass das Fluid das warme, in der Brennkammer nach oben gestiegene Gasgemisch unmittelbar kühlt. Das „kühlere” Gasgemisch befindet sich in dem Bereich der Brennkammer, der an die Wärmespeichermassen grenzt. Das führt dazu, dass das eine geringere Temperatur aufweisende Gasgemisch mit der Wärmespeichermasse in Kontakt kommt und diese aufheizt. Da die Temperatur des Gasgemisches sich innerhalb eines tolerierbaren Bereichs befindet, wird die Wärmespeichermasse wegen der Abhängigkeit weniger stark aufgeheizt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fluid zumindest teilweise von dem Reingasvolumenstrom gebildet wird. Der bereits zur Verfügung stehende Reingasvolumenstrom braucht lediglich mittels des Kanals direkt oder indirekt in die Brennkammer geleitet werden. Infolgedessen braucht kein weiteres Fluid bereitgehalten werden. Weiterhin werden mögliche noch vorhandene oxidierbare Bestandteile in dem Reingasvolumenstrom ein weiteres Mal erhitzt und durch Oxidation gereinigt. Dadurch ist eine Verbesserung der Reingaswerte in Hinblick auf den Rest-Schadstoffgehalt möglich.
In konstruktiver Hinsicht ist es von Vorteil, wenn der mindestens eine Kanal unmittelbar mit dem Reingaskanal verbunden ist. Vorzugsweise führt der Kanal zu der mindestens einen Einspeisestelle in der Brennkammer. Ein Umbau von bereits bestehenden Gasoxidationsanlagen ist ohne Weiteres möglich.
Alternativ ist vorgesehen, dass in der Brennkammer ein Brenner angeordnet ist, wobei vorzugsweise ein Verbrennungsluftkanal des Brenners den mindestens einen Kanal bildet. Die Art der Anordnung erfordert keine zusätzlichen Umbaumaßnahmen, da der Verbrennungsluftkanal, welcher Luft für die Verbrennung in die Brennkammer leitet, bereits vorhanden ist. Neben dem Verbrennungsluftkanal weist der Brenner noch einen Brennstoffkanal auf zur Einleitung eines Brennstoffes in die Brennkammer.
Der mindestens eine Kanal kann optional auch zwischen dem Reingaskanal und dem Verbrennungsluftkanal angeordnet sein. Eventuelle Komplikationen durch die Doppelnutzung eines Abschnittes des Verbrennungskanals sind nicht gegeben, da das Fluid nur in die Brennkammer geleitet wird, wenn die Temperatur zu hoch ist. Wenn der Brenner zum Einsatz kommt, ist hingegen gerade nicht genügend thermische Energie in der Brennkammer durch die exotherme Reaktion vorhanden. Folglich braucht auch kein Fluid in die Brennkammer eingeleitet zu werden, um das Gasgemisch abzukühlen.
Obgleich in der Mehrzahl der Fälle ein Brenner in der Gasoxidationsanlage vorhanden ist, kann es im Sinne der vorliegenden Anmeldung durchaus möglich sein, dass anstatt des Brenners eine andere Wärmequelle verwendet wird.
Für den Fall, dass ein Kanal beispielsweise wegen eines Defektes ausfällt oder ein Kanal die Brennkammer nicht mit genügend Fluid versorgen kann, um die Temperatur in der Brennkammer zu senken, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung mindestens einen weiteren Kanal vor, der unmittelbar an die Brennkammer angeschlossen ist, wobei mittels dieses Kanals das Fluid, vorzugsweise Außenluft, in die Brennkammer einleitbar ist. Beim Betrieb zweier Kanäle kann eine größere Menge des Fluides in die Brennkammer eingeleitet werden und somit eine schnellere Abkühlung der Gasoxidationsanlage bewirken.
Der Anteil des in die Brennkammer eingeführten Volumenstroms des Fluids den Rohgasvolumenstrom sollte zwischen 1% und 25%, vorzugsweise zwischen 5% und 15% betragen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine weitere Kanal unmittelbar mit dem Reingaskanal verbindbar ist oder von dem Verbrennungsluftkanal gebildet wird. Diese konstruktiven Umbauarbeiten lassen sich ohne Probleme bewältigen. Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass der erste Kanal mit dem Reingaskanal verbunden ist und der weitere Kanal von dem Verbrennungsluftkanal gebildet wird. Eine umgekehrte Anordnung ist durchaus auch denkbar.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Bypasskanal strömungstechnisch an die Brennkammer, vorzugsweise unmittelbar, angeschlossen ist, wobei der Bypasskanal vorzugsweise eine Wärmetauschereinrichtung aufweist. Mittels des Bypasses kann thermische Energie aus der Gasoxidationsanlage entnommen werden, um diese für andere Zwecke, z. B. zur Erzeugung von Dampf, Thermalöl, Heißwasser oder Heißluft zu nutzen. Durch den Bypass findet eine zusätzliche Abkühlung der Gasoxidationsanlage beziehungsweise der Wärmespeichermassen statt.
Es besteht auch die Möglichkeit, bereits bestehende Gasoxidationsanlagen, welche einen Bypass aufweisen können, mittels des mindestens einen Kanals nachzurüsten. Der Bypass führt die überschüssige thermische Energie aus der Brennkammer heraus und setzt diese für weitere Zwecke ein. Eine direkte Abkühlung wird mittels des Fluids erreicht. Dadurch kann ein Totalausfall der Gasoxidationsanlage verhindert werden.
In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein weiterer Kanal, derart an die Gasoxidationsanlage angeschlossen ist, dass das mittels des weiteren Kanals in die Gasoxidationsanlage eingeleitete Fluid, mit dem Rohgasvolumenstrom vermischbar ist, bevor ein von dem Rohgasvolumenstrom und dem Fluid gebildeter Mischvolumenstrom in eine der Wärmespeichermassen eintritt. Eine Vermischung des Fluids mit dem Rohgasvolumenstroms, bevor letzteres in die vorgeschaltete Wärmespeichermasse eingeleitet wird, senkt die Konzentration an oxidierbaren Bestandteilen in dem Rohgasvolumenstrom. Dadurch kann verhindert werden, dass eine überautotherme Reaktion auftritt und die Temperatur in der Brennkammer und den Wärmespeichermassen unkontrolliert ansteigt. Falls es dennoch zu einem Temperaturanstieg kommen sollte, lässt sich dieser mittels der Kanäle, welche Fluid in die Brennkammer einleiten, wieder ausgleichen.
Um zu ermöglichen, dass das Fluid mit dem Rohgasvolumenstrom gemischt wird, bevor beides in die vorgeschaltete Wärmespeichermasse eingeleitet wird, ist vorgesehen, dass der weitere Kanal unmittelbar mit dem mindestens einen Rohgaskanal verbunden ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Gasoxidationsanlage zur thermischen Behandlung eines mit oxidierbaren Bestandteilen belasteten Rohgasvolumenstroms, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

– Der Rohgasvolumenstrom wird ausgehend von einem Rohgaskanal in einen ersten Behälter der Rohgasreinigungsanlage eingeleitet, der mindestes eine Wärmespeichermasse aufweist.
– Der Rohgasvolumenstrom wird durch die mindestens eine erste Wärmespeichermasse in eine Brennkammer geleitet, wobei in der Wärmespeichermasse gespeicherte thermische Energie auf den Rohgasvolumenstrom übergeht und diesen erwärmt.
– In der Brennkammer werden die Bestandteile des Rohgasvolumenstroms oxidiert und der Rohgasvolumenstrom so in einen Reingasvolumenstrom umgewandelt.
– Ausgehend von der Brennkammer wird der Reingasvolumenstrom zumindest teilweise und/oder zeitweise in mindestens eine zweite Wärmespeichermasse geleitet, wobei in dem Reingasvolumenstrom enthaltene Wärmeenergie auf die zweite Wärmespeichermasse übergeht und diese erwärmt.
– Der Reingasvolumenstrom wird in einen Reingaskanal eingeleitet.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Betrieb der Gasoxidationsanlage mittels mindestens eines Kanals ein Fluid direkt in die Brennkammer eingeleitet wird. In der Brennkammer vermischt sich das Fluid mit dem Gasgemisch, welches zu einem Anteil aus dem Rohgasvolumenstrom und zu einem anderen Anteil aus dem Reingasvolumenstrom besteht. Das Verfahren zeichnet daher gleichermaßen durch die oben beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Gasoxidationsanlage aus.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fluid, vorzugsweise Gas, weiter vorzugsweise Außenluft, an mindestens zwei Einspeisestellen in die Brennkammer eingeleitet wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass bei Ausfall einer der Einspeisestellen eine andere Einspeisestelle noch zur Verfügung steht. Befinden sich mindestens zwei Einspeisetellen an der Brennkammer führt dieses zu einer besonders guten Durchmischung des Gasgemisches und des Fluides.
Besonders vorteilhaft ergibt sich vorgenannte Ausgestaltung, wenn das Fluid ausgehend von dem Reingaskanal in die Brennkammer eingeleitet wird und/oder das Fluid durch einen Verbrennungsluftkanal eines Brenners in die Brennkammer geleitet wird. Konstruktiv lässt sich diese Anordnung einfach erreichen, da der Verbrennungsluftkanal und eine dazugehörige Einspeisestelle bereits vorhanden sind und lediglich das Fluid durch den Kanal geleitet werden muss. Wird das Fluid, vorzugsweise zusätzlich, von dem Reingas gebildet, führt der Kanal von dem Reingaskanal zu der Einspeisestelle.
In einer erfindungsgemäßen Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Reingasvolumenstroms über einen Bypass abgeführt wird. Die thermische Energie, welche in der Gasoxidationsanlage entsteht, kann über den Bypass abgeleitet werden und beispielsweise mittels eines Wärmetauschers zur Nutzung an anderer Stelle (Heizung, Prozesswärme, o. ä.) ausgekoppelt werden.
Schließlich ist noch vorgesehen, dass der Rohgasvolumenstrom mit dem Fluid gemischt wird, sodass ein Mischvolumenstrom gebildet wird, bevor der Mischvolumenstrom in eine der Wärmespeichermassen geleitet wird. Auf diese Weise kann die Konzentration an oxidierbaren Bestandteilen in dem Rohgasvolumenstrom verringert werden, bevor dieser durch die vorgeschaltete Wärmespeichermasse geleitet wird, wodurch weniger thermische Energie in dem System freigesetzt wird.
Ausführungsbeispiele
Die erfindungsgemäße Anlage sowie das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand vier Ausführungsbeispiele, die in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert.
Es zeigt:
1: ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Gasoxidationsanlage in einer ersten Ausführungsform,
2: ein Schaltbild einer Gasoxidationsanlage in einer zweiten Ausführungsform,
3: ein Schaltbild einer Gasoxidationsanlage in einer dritten Ausführungsform,
4: ein Schaltbild einer Gasoxidationsanlage in einer vierten Ausführungsform.
Die 1 zeigt ein Schaltbild erfindungsgemäße Gasoxidationsanlage 101 mit einer ersten Wärmespeichermasse 2 und einer zweiten Wärmespeichermasse 3. Die Wärmespeichermassen 2, 3 sind jeweils in einem Behälter 4, 5 angeordnet, wobei Wärmespeichermassen 2, 3 jeweils mit einem Rohgaskanal 6 und mit einem Reingaskanal 7 verbunden sind. Dabei ist vorgesehen, dass mittels Ventilen 8, 9, 10, 11 sowohl der Rohgaskanal 6 als auch der Reingaskanal 7 strömungstechnisch von den Behältern 4, 5 getrennt werden kann. Weiterhin sind die beiden Wärmespeichermassen 2, 3 über eine Brennkammer 12 miteinander verbunden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich in der Brennkammer 12 ein Brenner 13 als externe Wärmequelle. Auch wenn es durchaus üblich ist, einen Brenner 13 in Gasoxidationsanlagen 101 einzusetzen, sind in bestimmten Konstellationen auch Gasoxidationsanlagen ohne Brenner 13 denkbar.
In einem ersten Prozesszyklus wird das erste Ventil 8 geöffnet und das zweite Ventil 9 geschlossen, damit ein Rohgasvolumenstrom über den Rohgaskanal 6 in einen unteren Bereich 14 der ersten Wärmespeichermasse 2 eingeleitet werden kann. Der untere Bereich 14 der Wärmespeichermassen 2, 3 ist ein Teil der Wärmespeichermassen 2, 3, der von der Brennkammer 12 abgewandt ist und somit als erstes mit dem Rohgasvolumenstrom in Kontakt kommt. Ein oberer Bereich 15 der Wärmespeichermassen 2, 3 ist der Brennkammer 12 zugewandt. Das in diesem Prozesszyklus geschlossene zweite Ventil 9 verhindert, dass der Rohgasvolumenstrom in den Reingaskanal 7 gelangt. Das heißt für diesen Prozesszyklus, dass die erste Wärmespeichermasse 2 vor die Brennkammer 12 geschaltet ist.
Der Rohgasvolumenstrom wird von der ersten vorgeschalteten Wärmespeichermasse 2 aufgeheizt, bevor dieser weiter in die Brennkammer 12 geleitet wird. Anschließend wird der Rohgasvolumenstrom innerhalb der Brennkammer 12 von dem Brenner 13 weiter aufgeheizt, wodurch die in dem Rohgasvolumenstrom vorhandenen oxidierbaren Bestandteile oxidieren und thermische Energie freigesetzt wird. Durch diesen Prozess wird der Rohgasvolumenstrom in ein Reingasvolumenstrom umgewandelt. Für die Einleitung und gegebenenfalls auch Aufrechterhaltung der Oxidation wird thermische Energie benötigt (endotherm), es wird allerdings durch die Oxidation auch thermische Energie freigesetzt (exotherm).
Die Oxidation der oxidierbaren Bestandteile findet sowohl in der Brennkammer 12 als auch in der zweiten Wärmespeichermasse 3, welche der Brennkammer 12 nachgeschaltet ist, statt. In der Brennkammer 12 befindet sich ein Gasgemisch, welches anteilig aus dem Rohgasvolumenstrom und anteilig aus dem Reingasvolumen besteht. Die während der Oxidation entstandene thermische Energie wird an die zweite Wärmespeichermasse 3 abgegeben. Der Reingasvolumenstrom verlässt die zweite Wärmespeichermasse 3 über den Reingaskanal 7. Das dritte in diesem Prozesszyklus verschlossene Ventil 10 verhindert, dass der Rohgasvolumenstrom durch die zweite nachgeschaltete Wärmespeichermasse 3 strömt. Das vierte Ventil 11 ist geöffnet und verbindet die zweite nachgeschaltete Wärmespeichermasse 3 mit dem Reingaskanal 7.
In einem zweiten Prozesszyklus wird das vierte Ventil 11 geschlossen und das dritte Ventil 10 geöffnet. Dies ermöglicht, dass der Rohgasvolumenstrom in die zweite Wärmespeichermasse 3, welche in diesem Prozesszyklus die vorgeschaltete Wärmespeichermasse bildet, geleitet wird. Mit der in der zweiten Wärmespeichermasse 3 gespeicherten thermischen Energie wird der Rohgasvolumenstrom aufgeheizt, bevor dieser in die Brennkammer 12 geleitet wird. Dort wird der Rohgasvolumenstrom weiter aufgeheizt, damit die Oxidation stattfinden kann. Der dabei entstehende Reingasvolumenstrom wird in die erste Wärmespeichermasse 2 geleitet und gibt dort seine thermische Energie ab.
Befindet sich ein hoher Anteil oxidierbarer Bestandteile in dem Gasgemisch, wird durch die exotherme Reaktion mehr thermische Energie freigesetzt als im stationären Zustand für eine Einhaltung bestimmter Maximaltemperaturen akzeptabel wäre. Infolgedessen steigt die Temperatur innerhalb der Brennkammer 12 und auch in der jeweils nachgeschalteten Wärmespeichermasse 2, 3 stark an. Um diesem Temperaturanstieg entgegen zu wirken, wird das Gasgemisch mit einem Fluid durchmischt. Das Fluid wird über einen Kanal 16 eingeleitet, welcher an einer Einspeisestelle mit der Brennkammer 12 verbunden ist. Die Zufuhr des Fluids wird über ein fünftes Ventil 17 geregelt. Vorzugsweise befindet sich die Einspeisestelle in einem oberen der Wärmespeichermassen 2, 3 abgewandten Teil der Brennkammer 12. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Fluid von einem Gas, vorzugsweise von Außenluft gebildet. Eine eventuell in dem Kanal 16 erforderliche Luftfördereinrichtung ist der Einfachkeit halber in der Zeichnung nicht dargestellt.
Eine weitere mögliche Ausführungsform ist gestrichelt in der 1 dargestellt. Diese zeigt, dass auch mehrere Einspeisestellen an der Brennkammer 12 vorhanden sein können, wobei es denkbar ist, dass weitere Kanäle 18 zu den jeweiligen Einspeisestellen hinführen oder der Kanal 16 Abzweigungen zu den verschiedenen Einspeisestellen aufweist.
Die 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasoxidationsanlage 201. Der Kanal 16 ist zwischen dem Reingaskanal 7 und der Einspeisestelle in der Brennkammer 12 angeordnet. Das führt dazu, dass das Fluid von dem Reingasvolumenstrom gebildet wird.
In der 3 wird ein weitere erfindungsgemäße Gasoxidationsanlage 301 dargestellt, wobei sich die Gasoxidationsanlage 301 in der Hinsicht von der Gasoxidationsanlage 101 in 1 unterscheidet, dass der Kanal 16 nicht zwischen dem Reingaskanal 7 und der Brennkammer 12 angeordnet ist, sondern von einem Verbrennungsluftkanal 19 des Brenners 13 gebildet wird. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann der Kanal 16 den Reingaskanal 7 mit dem Verbrennungsluftkanal 19 des Brenners 13 verbinden und somit den Reingasvolumenstrom als Fluid in die Brennkammer 12 einleiten.
In weiteren hier nicht dargstellten Ausführungsbeispielen sind auch Kombinationen der oben genannten Ausführungsbeispiele möglich.
Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel wie 1, wobei ergänzend noch ein Bypasskanal 20 und/oder ein weiterer Kanal 21 an die Gasoxidationsanlage 401 angeschlossen sind. Der Bypasskanal 20 führt bedarfsweise einen Teil des Reingasvolumenstroms unmittelbar aus der Brennkammer 12 heraus. Die thermische Energie wird über eine Wärmetauschereinrichtung 22, die der Bypasskanal 20 aufweist, ausgekoppelt und anderweitig verwendet. Der weitere Kanal 21 leitet das Fluid in den Rohgaskanal 6 ein, um den Rohgasvolumenstrom mit dem Fluid zu mischen, bevor dieser dadurch gebildete Mischvolumenstrom in die vorgeschaltete Wärmespeichermasse geleitet wird.
Bezugszeichenliste

101, 201, 301, 401: Gasoxidationsanlage
2: Wärmespeichermasse
3: Wärmespeichermasse
4: Behälter
5: Behälter
6: Rohgaskanal
7: Reingaskanal
8: Ventil
9: Ventil
10: Ventil
11: Ventil
12: Brennkammer
13: Brenner
14: unterer Bereich
15: oberer Bereich
16: Kanal
17: Ventil
18: weiterer Kanal
19: Verbrennungsluftkanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010012005 A1 [0008]

Claims

Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) zur thermischen Behandlung eines mit oxidierbaren Bestandteilen belasteten Rohgasvolumenstroms, umfassend – mindestens zwei Wärmespeichermassen (2, 3), wobei die Wärmespeichermassen (2, 3) jeweils an mindestens einen Rohgaskanal (6) und mindestens einen Reingaskanal (7) angeschlossen sind und – mindestens eine strömungstechnisch zwischen den Wärmespeichermassen (2, 3) angeordnete Brennkammer (12), in der die in dem Rohgasvolumenstrom befindlichen Bestandteile oxidierbar sind und der Rohgasvolumenstrom so in einen Reingasvolumenstrom umwandelbar ist, gekennzeichnet durch – mindestens einen Kanal (16), der vorzugsweise unmittelbar an die Brennkammer (12) angeschlossen ist und mittels dessen ein Fluid in die Brennkammer (12) einleitbar ist, wobei eine Einleitung des Fluids zu einer Temperaturreduzierung in der Brennkammer (12) führt.
Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid von einem Gas, vorzugsweise Außenluft, gebildet wird.
Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (16) in mindestens einer, vorzugsweise zwei Einspeisestellen mündet, wobei sich die Einspeisestellen vorzugsweise in einem oberen Teil der Brennkammer (12) befinden.
Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid zumindest teilweise von dem Reingasvolumenstrom gebildet wird.
Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (16) unmittelbar mit dem Reingaskanal (7) verbunden ist.
Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammer (12) ein Brenner (13) angeordnet ist, wobei vorzugsweise ein Verbrennungsluftkanal (19) des Brenners (13) den mindestens einen Kanal (16) bildet.
Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch, mindestens ein weiterer Kanal (18), der unmittelbar an die Brennkammer (12) angeschlossen ist, wobei mittels dieses Kanals (18) das Fluid, vorzugsweise Außenluft, in die Brennkammer (12) einleitbar ist.
Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Kanal (18) unmittelbar mit dem Reingaskanal (7) verbindbar ist oder von dem Verbrennungsluftkanal (19) gebildet wird.
Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch, einen Bypasskanal (20) der strömungstechnisch an die Brennkammer (12), vorzugsweise unmittelbar, angeschlossen ist, wobei der Bypasskanal (20) vorzugsweise eine Wärmetauschereinrichtung (22) aufweist.
Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch, mindestens einen weiteren Kanal (21), der derart an die Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) angeschlossen ist, dass das mittels des weiteren Kanals (21) in die Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) eingeleitete Fluid, mit dem Rohgasvolumenstrom vermischbar ist, bevor ein von dem Rohgasvolumenstrom und dem Fluid gebildeter Mischvolumenstrom in eine der Wärmespeichermassen (2, 3) eintritt.
Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kanal (21) unmittelbar mit dem mindestens einen Rohgaskanal (6) verbunden ist.
Verfahren zum Betrieb einer Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) zur thermischen Behandlung eines mit oxidierbaren Bestandteilen belasteten Rohgasvolumenstroms, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Der Rohgasvolumenstrom wird durch mindestens eine vorgeschaltete Wärmespeichermasse (2, 3) in eine Brennkammer (12) geleitet, wobei in dieser Wärmespeichermasse (2, 3) gespeicherte thermische Energie auf den Rohgasvolumenstrom übergeht und diesen erwärmt. b) In der Brennkammer (12) werden die Bestandteile des Rohgasvolumenstroms oxidiert und der Rohgasvolumenstrom so in einen Reingasvolumenstrom umgewandelt. c) Ausgehend von der Brennkammer (12) wird der Reingasvolumenstrom zumindest teilweise und/oder zeitweise in mindestens eine nachgeschaltete Wärmespeichermasse (2, 3) geleitet, wobei in dem Reingasvolumenstrom enthaltene Wärmeenergie auf diese nachgeschaltete Wärmespeichermasse (2, 3) übergeht und diese erwärmt. d) Der Reingasvolumenstrom wird in einen Reingaskanal (7) eingeleitet, gekennzeichnet durch den folgenden Verfahrensschritt: e) Im Betrieb der Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) wird mittels eines Kanals (16) ein Fluid direkt in die Brennkammer (12) eingeleitet.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid, vorzugsweise Gas, weiter vorzugsweise Außenluft, an mindestens zwei Einspeisestellen in die Brennkammer (12) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ausgehend von dem Reingaskanal (7) in die Brennkammer (12) eingeleitet wird und/oder das Fluid durch einen Verbrennungsluftkanal (19) eines Brenners (13) in die Brennkammer (12) geleitet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Reingasvolumenstroms über einen Bypasskanal (20) abgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohgasvolumenstrom mit einem Fluid gemischt wird, sodass ein Mischvolumenstrom gebildet wird, bevor der Mischvolumenstrom in eine der Wärmespeichermassen (2, 3) geleitet wird.