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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Rohgasreinigung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Reinigung von wasserdampfhaltigem, organische Verunreinigungen mitführendem Rohgas, insbesondere Brüdendampf, zur Geruchsbeseitigung und/oder Umwandlung von Abgasen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Reinigungsvorrichtung zur Durchführung eines Rohgas-/Brüdendampf-Reinigungsverfahrens.
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Die Rohgasreinigung kann insbesondere zur Geruchsbeseitigung unter Verwendung von thermischen Anlagen, beispielsweise regenerativen thermischen Oxidationsanlagen, durchgeführt werden. Hierbei ist jedoch zumeist ein hoher energetischer Aufwand erforderlich, um die für eine thermische Rohgasreinigung erforderlichen Systemtemperaturen aufrechtzuerhalten. Dieser hohe energetische Aufwand liegt zumeist darin begründet, dass oftmals zunächst ein Abscheidevorgang durchgeführt wird, um Wasser mit beispielsweise organischem Staub, insbesondere Fett, Öl und/oder Eiweißpartikel, aus dem Rohgas abzuscheiden. Hierdurch gehen dem der thermischen Anlage zur Rohgasreinigung zugeführten Rohgasstrom oxidierbare Stoffe mit erheblichem Heizwert verloren, was die Effizienz der thermischen Umwandlung reduziert. Zudem müssen die bei dem Abscheidevorgang anfallenden Stoffe aufwändig nachbehandelt und/oder speziell als Sonderabfall entsorgt werden. Verzichtet man hingegen auf einen Abscheidevorgang zur Vorbehandlung des Rohgases, kann es im Verlauf der thermischen Umwandlung zu Anhaftungen, Verblockungen oder sonstigen Ablagerungen an einem Wärmeübertragermaterial (Wärmetauschermaterial, Wärmespeichermaterial) kommen, welche die Betriebsdauer der Anlage stark reduzieren und/oder den Wartungsaufwand deutlich erhöhen können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reinigung eines wasserdampfhaltigen Rohgasstroms, insbesondere Brüdendampf mit organischen Verunreinigungen, bereitzustellen, welches einfach und kosteneffizient durchführbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verfahren Folgendes umfasst:
- Zuführen des Rohgasstroms zu einem Reformierbereich, in welchem im Rohgasstrom enthaltene organische Verunreinigungen mit dem im Rohgasstrom enthaltenen Wasserdampf chemisch reagieren, wodurch ein reformierter Rohgasstrom erhalten wird;
- Zuführen des reformierten Rohgasstroms sowie eines Oxidatorstroms zu einem Oxidationsbereich, in welchem Bestandteile des reformierten Rohgasstroms mit Oxidator des Oxidatorstroms chemisch reagieren, wodurch ein Reingasstrom erhalten wird.
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Vorzugsweise reagieren die im Rohgasstrom enthaltenen organischen Verunreinigungen ohne Sauerstoffzufuhr mit dem im Rohgasstrom enthaltenen Wasserdampf.
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Die Verunreinigungen sind oder umfassen insbesondere flüssige Verunreinigungen und/oder feste Verunreinigungen und/oder gasförmige Verunreinigungen.
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Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Rohgasstrom zunächst reformiert wird und erst anschließend durch Zuführung von Oxidator, vorzugsweise Luft, Frischluft, Umgebungsluft, sauerstoffhaltiger Abluft, Prozessabluft, etc., thermisch umgewandelt wird, kann ein im Rohgasstrom enthaltener Heizwert vorzugsweise bei der Oxidation genutzt werden und somit eine brennstoffsparende oder sonst wie energiesparende thermische Rohgasreinigung ermöglichen. Zudem ist ein solches Verfahren vorzugsweise vergleichsweise einfach und kostengünstig, weil auf einen vorhergehenden Abscheideschritt verzichtet werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Reingasstrom einem Wärmeübertrager, insbesondere einem Kondensator, zugeführt wird und dass mittels des Wärmeübertragers, insbesondere mittels des Kondensators, im Reingasstrom enthaltener Wasserdampf kondensiert wird. Hierdurch kann insbesondere ein Volumen und/oder Volumenstrom des Reingasstroms in der Reingasabführung reduziert werden, wodurch letztlich eine energieeffiziente Durchströmung der Reinigungsvorrichtung erhältlich sein kann.
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Die chemische Reaktion im Reformierbereich ist vorzugsweise eine allotherme und/oder hydrothermale Vergasung. Vorteilhaft für den Energiebedarf der Dampfreformierung kann eine Wassergas-Shift-Reaktion vorzugsweise im ersten Strömungsraum sein.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die chemische Reaktion in dem Oxidationsbereich eine Reaktion mit Stützenergie und/oder eine autotherme Oxidation ist. Der Wasserdampf des wasserdampfhaltigen Rohgasstroms dient vorzugsweise als Vergasungsmedium, insbesondere im Reformierbereich. Eine Reaktion mit Stützenergie ist vorzugsweise eine Verbrennung.
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Das Verfahren kann vorzugsweise mit jeder Thermisch-Regenerativen-Abluftreinigungsanlage (TRA) durchgeführt werden. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Lösung nicht nur mit den in den beigefügten Figuren beispielhaft dargestellten Ausführungsformen einer Reinigungsvorrichtung, sondern vielmehr auch mit zahlreichen Varianten hiervon durchgeführt werden.
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Beispielsweise können linear angeordnete Regeneratorkammern als Strömungsräume vorgesehen sein. Ferner können rotierende Anlagen vorgesehen sein, insbesondere Drehschiebervorrichtungen gemäß der
EP 0 548 630 A1 . Auch kann das Verfahren vorzugsweise auf Oxidizern wie beispielsweise dem Produkt „Vocsidizer®“ der Firma MEGTEC SYSTEMS, INC. gemäß der
WO 01/88436 A1 durchgeführt werden. Ferner kann vorzugsweise auch eine Durchführung des Verfahrens auf einer derjenigen Anlagen vorgesehen sein, welche in einer oder mehreren der nachfolgenden Druckschriften offenbart sind:
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Auf sämtliche der hierin genannten Dokumente wird hiermit explizit Bezug genommen und deren Inhalt wird hiermit durch Inbezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Beschreibung gemacht.
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Günstig kann es sein, wenn das Verfahren mittels einer Reinigungsvorrichtung durchgeführt wird, welche mehrere Strömungsräume umfasst, wobei ein erster der Strömungsräume zumindest zeitweise den Reformierbereich bildet und wobei ein zweiter der Strömungsräume zumindest zeitweise einen Wärmespeicherbereich bildet, welchem der Reingasstrom zugeführt wird.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Reinigungsvorrichtung mindestens einen dritten Strömungsraum umfasst, der zumindest zeitweise einen Vorheizbereich bildet, welchem der Oxidatorstrom zum Vorheizen desselben zugeführt wird, bevor der Oxidatorstrom dem Oxidationsbereich zugeführt wird.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn der Rohgasstrom und/oder der Reingasstrom und/oder der Oxidatorstrom zyklisch/alternierend jeweils unterschiedlichen Strömungsräumen zugeführt wird, so dass die Strömungsräume jeweils alternierend den Reformierbereich und/oder den Wärmespeicherbereich und/oder den Vorheizbereich bilden.
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Vorzugsweise werden die Strömungsräume in unterschiedlichen Richtungen durchströmt, je nachdem, ob der jeweilige Strömungsraum einen Reformierbereich oder einen Wärmespeicherbereich bildet.
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Insbesondere ist eine Hauptströmungsrichtung in einem Strömungsraum, wenn dieser einen Reformierbereich bildet, einer Hauptströmungsrichtung in demselben Strömungsraum, wenn dieser den Wärmespeicherbereich bildet, entgegengesetzt.
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Die Strömungsräume werden vorzugsweise alternierend erhitzt und abgekühlt, insbesondere mittels des Reingasstroms erhitzt und/oder mittels des Rohgasstroms und/oder des Oxidatorstroms abgekühlt.
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Die Umschaltung der Strömungswege erfolgt zyklisch/alternierend und/oder erfolgt bevorzugt basierend auf dem energetischen Gleichgewicht der Wärmespeicherbereiche, wie es beispielsweise aus der Patentschrift
EP 1 906 088 B1 bekannt ist (auch als XtraBalance®-Verfahren bekannt).
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Die Strömungsräume sind vorzugsweise mit einem Wärmespeichermaterial versehen, beispielsweise zumindest abschnittsweise mit einem Wärmespeichermaterial gefüllt.
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Das Wärmespeichermaterial ist oder umfasst vorzugsweise eine Zusammensetzung von verschiedenen keramischen Materialien (beispielsweise Material, welches unter der Marke XtraComb® bekannt ist). Unter „Zusammensetzung“ ist vorzugsweise auch eine Schichtung von Speicherelementen, Speicherkörpern oder Speicherblöcken zu verstehen, wobei die Speicherelemente, Speicherkörper oder Speicherblöcke beispielsweise ebenenweise oder lagenweise, insbesondere in der vertikalen Zusammensetzung oder Stapelung, inhomogen sind.
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Das Wärmespeichermaterial kann insbesondere dichtgebranntes und/oder glattes und/oder hochporöses und/oder mit einem Katalysatormaterial beschichtetes und/oder keramisches Speichermaterial umfassen oder hieraus gebildet sein. Ferner kann das Wärmespeichermaterial vorzugsweise eine Zusammensetzung aus dichtgebranntem Speichermaterial und/oder glattem Speichermaterial und/oder hochporösem Speichermaterial und/oder mit einem Katalysatormaterial beschichtetem Speichermaterial und/oder keramischem Speichermaterial sein.
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Günstig kann es sein, wenn der Rohgasstrom einen Oxidatorgehalt, insbesondere Sauerstoffgehalt, von weniger als 5 Vol.-%, insbesondere weniger als 3 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 1 Vol.-%, aufweist.
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Der Rohgasstrom ist insbesondere Brüdendampf.
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Vorzugsweise ist der Rohgasstrom mit Wasserdampf gesättigt.
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Der Rohgasstrom wird vorzugsweise ohne Zugabe weiterer Medien zu dem Reformierbereich zugeführt. Insbesondere wird dem Rohgasstrom vorzugsweise kein oxidatorhaltiger Gasstrom zugeführt, bevor der Rohgasstrom zu dem Reformierbereich zugeführt wird.
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Im Reformierbereich wird der Rohgasstrom vorzugsweise auf mindestens ungefähr 600°C, insbesondere auf mindestens ungefähr 750°C, beispielsweise auf mindestens ungefähr 800 °C, besonders bevorzugt auf mindestens 850°C, erhitzt.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Rohgasstrom im Reformierbereich und/oder der Reingasstrom in einem Wärmespeicherbereich und/oder der Oxidatorstrom in einem Vorheizbereich durch jeweils eine Wärmespeichereinheit einer Wärmespeichervorrichtung geführt werden, wobei eine oder mehrere oder sämtliche Wärmespeichereinheiten insbesondere durch keramische Strömungskörper, beispielsweise formkeramische Strömungskörper, gebildet sind oder solche umfassen.
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Die vorzugsweise porösen Oberflächen der keramischen Strömungskörper sind insbesondere als Beschleunigungsfaktor der allothermen und/oder hydrothermalen Vergasung wirksam.
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Vorzugsweise weisen die Wärmespeichereinheiten katalytische Materialien, beispielsweise eine katalytische Beschichtung und/oder katalytisch wirksame Bestandteile, auf.
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Die katalytische Wirkung bezieht sich dabei vorzugsweise stets auf die Reformierung des Rohgasstroms.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Rohgasstrom vor der Zuführung zum Reformierbereich und/oder der Oxidatorstrom vor und/oder nach der Zuführung zu einem Vorheizbereich mittels eines Wärmeübertragers und/oder einer Heizvorrichtung erhitzt werden.
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Günstig kann es sein, wenn eine Heizvorrichtung ein Brenner, beispielsweise ein Gas- und/oder Ölbrenner, ist oder einen solchen umfasst. Alternativ oder ergänzend kann die Heizvorrichtung auch eine elektrische Heizeinrichtung, beispielsweise einen Infrarot-Heizer, einen Widerstandsheizer und/oder Ähnliches, umfassen. Die Wärmeübertragung auf den Rohgasstrom und/oder den Oxidatorstrom kann hierbei direkt durch Zuführung eines Heizgasstroms oder aber indirekt über einen Wärmeübertrager erfolgen.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Rohgasstrom und/oder der Oxidatorstrom auf mindestens ungefähr 90 °C, beispielsweise mindestens ungefähr 95 °C, vorzugsweise mindestens ungefähr 100 °C, erhitzt werden, insbesondere um eine Kondensation von Wasser im Bereich der Reinigungsvorrichtung, insbesondere der thermischen Abluftreinigungsanlage, zu vermeiden.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn der Reingasstrom zunächst einem Wärmespeicherbereich und anschließend einem nachgeschalteten Wärmeübertrager zugeführt wird, wobei der Reingasstrom mittels des Wärmeübertragers insbesondere so weit abgekühlt wird, dass sich Kondensat bildet und hierdurch zunächst noch im Reingasstrom enthaltene Wärme auf den Wärmeübertrager übertragen und/oder anderweitig nutzbar gemacht wird. Vorteilhaft für den Energiebedarf zur Förderung des Rohgas- und Reingasstromes ist vorzugsweise die Verringerung des Reingas-Volumenstromes durch das Auskondensieren des enthaltenen Wasserdampfes. Insbesondere kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass im Kondensator ein Unterdruck unterhalb des Umgebungsdruckes entsteht, wodurch sich der Energiebedarf zur Förderung des Rohgas-und Reingasstromes für die Rohgasreinigung reduziert.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn der Oxidatorstrom an dem Reformierbereich vorbei und/oder unabhängig von einem Strömungsweg des Rohgasstroms zu dem Oxidationsbereich zugeführt wird.
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Insbesondere wird der Oxidatorstrom vorzugsweise durch einen von dem Strömungsraum, welcher den Reformierbereich bildet, separaten Strömungsraum hindurch zu dem Oxidationsbereich zugeführt.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Massenstrom und/oder der Volumenstrom des Oxidatorstroms abhängig von einem Massenstrom und/oder Volumenstrom des Rohgasstroms und/oder abhängig von einem Sauerstoffgehalt im abströmenden Reingasstrom gesteuert und/oder geregelt wird. Insbesondere erfolgt die Steuerung und/oder Regelung derart, dass in dem Oxidationsbereich und/oder in einer Reingasabführung ein vorgegebener Oxidatorgehalt und/oder eine vorgegebene Temperatur erzielt werden.
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Die im Rohgasstrom enthaltenen Verunreinigungen, insbesondere organische Verbindungen, werden im Reformierbereich aufgespalten und umgesetzt, insbesondere durch Dampfreformierung. Ein hierdurch erhältlicher reformierter Rohgasstrom umfasst insbesondere gasförmige oxidierbare und/oder organische Substanzen, beispielsweise Wasserstoff, Methan und/oder Kohlenstoffmonoxid.
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Insbesondere findet die Dampfreformierung an einer porösen und/oder keramischen Oberfläche von Wärmespeichereinheiten in mindestens einem Strömungsraum statt.
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Gegebenenfalls noch im Rohgasstrom enthaltener Oxidator, insbesondere Sauerstoff, kann genutzt werden, um einen Teil der für die Dampfreformierung erforderlichen Energie zu liefern, insbesondere durch partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen, wodurch beispielsweise Kohlenstoffmonoxid entsteht.
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Beispielsweise mittels einer sich daran anschließenden Wassergas-Shift-Reaktion kann vorzugsweise weitere Energie für die Dampfreformierung, insbesondere die Dampfreformierung im ersten Strömungsraum, geliefert werden.
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Ein Hauptteil der für die Dampfreformierung erforderlichen Aktivierungsenergie wird vorzugsweise von Wärmespeichermaterial und/oder einem Wärmeübertrager im Reformierbereich geliefert. Insbesondere wird die Energie mittels der Wärmespeichereinheiten in den Strömungsräumen bereitgestellt, welche hierfür zuvor erhitzt wurden, insbesondere durch Wärmeübertragung aus dem Reingasstrom. Vorteilhaft ist weiterhin eine Energiebereitstellung aus der Dampfreformierung und/oder der Wassergas-Shift-Reaktion.
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Bei dem Verfahren können insbesondere zwei, drei oder mehr als drei Strömungsräume vorgesehen sein.
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Mittels des Oxidatorstroms wird vorzugsweise stets mindestens ein Strömungsraum gespült.
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Mittels des Reingasstroms wird vorzugsweise stets mindestens ein Strömungsraum, vorzugsweise darin enthaltenes Wärmespeichermaterial, erhitzt.
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Mittels des Rohgasstroms wird vorzugsweise die in mindestens einem Strömungsraum enthaltene oder bereitgestellte Wärme des Wärmespeichermaterials genutzt.
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Im Oxidationsbereich reagieren vorzugsweise organische Bestandteile des Rohgasstroms mit dem Oxidator aus dem Oxidatorstrom. Hierbei sorgen der Wasserdampfanteil und der im Vergleich zur Umgebungsluft reduzierte Sauerstoffgehalt für eine Minimierung der thermischen Stickoxidbildung. Im Wärmespeicherbereich, welchem der Reingasstrom vorzugsweise zugeführt wird, ist vorzugsweise reaktionsbeschleunigend wirksames Wärmespeichermaterial vorgesehen. Dieses Oberflächen vergrößernde Wärmespeichermaterial ermöglicht vorzugsweise eine Nachoxidation im insbesondere oberen Wärmespeicherbereich der Strömungsräume, um noch im Reingasstrom enthaltene Restverunreinigungen, insbesondere nicht komplett oxidierte Stoffe, umzuwandeln und/oder unschädlich zu machen.
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Mittels eines Wärmeübertragers aus dem Reingasstrom abgeführte Wärme kann insbesondere zur Vorwärmung von Prozessabluft und/oder Umgebungsluft, insbesondere vor der Zuführung als Oxidatorstrom, genutzt werden. Hierbei anfallendes Kondensat wird vorzugsweise erneut einem Produktionsprozess zugeführt.
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Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine Reinigungsvorrichtung zur Reinigung eines Rohgasstroms bereitzustellen, welche einfach aufgebaut und kosteneffizient betreibbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Reinigungsvorrichtung zur Reinigung eines wasserdampfhaltigen Rohgasstroms mit organischen Verunreinigungen gelöst, wobei die Reinigungsvorrichtung Folgendes umfasst: eine Rohgaszuführung zum Zuführen des Rohgasstroms zu einem Reformierbereich der Reinigungsvorrichtung, in welchem im Rohgasstrom enthaltene organische Verunreinigungen mit dem im Rohgasstrom enthaltenen Wasserdampf chemisch reagieren, wodurch ein reformierter Rohgasstrom erhältlich ist;
und eine Oxidatorzuführung zum Zuführen eines Oxidatorstroms zu einem Oxidationsbereich der Reinigungsvorrichtung, in welchem Bestandteile des reformierten Rohgasstroms mit Oxidator des Oxidatorstroms chemisch reagieren, wodurch ein Reingasstrom erhältlich ist.
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Die erfindungsgemäße Reinigungsvorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Reinigungsvorrichtung weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
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Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen.
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Die Reinigungsvorrichtung umfasst vorzugsweise einen insbesondere in der Reingasabführung angeordneten Wärmeübertrager, welcher insbesondere ein Kondensator ist. Mittels des Wärmeübertragers, insbesondere mittels des Kondensators, ist vorzugsweise im Reingasstrom enthaltener Wasserdampf kondensierbar. Insbesondere kann hierdurch ein Volumen und/oder Volumenstrom des Reingasstroms in der Reingasabführung reduziert werden, wodurch letztlich eine energieeffiziente Durchströmung der Reinigungsvorrichtung erhältlich sein kann. Vorzugsweise kann im Wärmeübertrager, insbesondere im Kondensator, ein Unterdruck unterhalb des Umgebungsdruckes erzeugt werden, wodurch sich der Energiebedarf zur Förderung des Rohgas-und Reingasstromes für die Rohgasreinigung reduzieren kann.
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Günstig kann es sein, wenn die Reinigungsvorrichtung mehrere insbesondere mit Wärmespeichermaterial versehene Strömungsräume und eine Steuervorrichtung umfasst, wobei die Reinigungsvorrichtung mittels der Steuervorrichtung in unterschiedliche Betriebsmodi versetzbar ist.
In einem ersten Reinigungsmodus ist mittels der Rohgaszuführung vorzugsweise mindestens einem ersten der Strömungsräume der Rohgasstrom zuführbar und mittels einer Reingasabführung der Reingasstrom aus mindestens einem zweiten der Strömungsräume abführbar. Dieser Modus läuft vorzugsweise zyklisch wiederkehrend, insbesondere mit allen, wenigstens jedoch mit mindestens zwei, Strömungsräumen ab.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Reinigungsvorrichtung mittels der Steuervorrichtung in weitere Betriebsmodi, beispielsweise einem zweiten oder dritten oder vierten Reinigungsmodus versetzbar ist, in welchem weitere Strömungsräume zur Durchleitung des Rohgasstroms und/oder des Reingasstroms vorgesehen sind.
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Mindestens ein dritter Strömungsraum wird vorzugsweise in mindestens einem Reinigungsmodus gespült. Dieser mindestens eine dritte Strömungsraum, welchem der Oxidatorstrom, insbesondere ein Frischluftstrom, Prozessabluftstrom und/oder Prozessgasstrom, zuführbar ist, enthält vorzugsweise eine Vorheizeinrichtung insbesondere zum Erhitzen des Oxidatorstroms, bevor dieser Oxidatorstrom dem Wärmespeicherbereich stromaufwärts des Oxidationsbereichs zugeführt wird.
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Die Reinigungsvorrichtung umfasst insbesondere eine regenerative thermische Oxidationsvorrichtung (RTO) oder bildet eine solche.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn die Reinigungsvorrichtung mehrere Strömungsräume umfasst, welche mit dem Rohgasstrom, dem Reingasstrom und/oder dem Oxidatorstrom durchströmbar sind, wobei die Strömungsräume jeweils eine Wärmespeichereinheit umfassen.
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Eine oder mehrere oder sämtliche Wärmespeichereinheiten weisen vorzugsweise einen Lagenaufbau aus unterschiedlichen, temperaturbeständigen Feststoffmaterialen, insbesondere unterschiedlichen Wärmespeichermaterialien, auf.
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Alternativ oder ergänzend hierzu können eine oder mehrere oder sämtliche Wärmespeichereinheiten eine oder mehrere Strömungslagen zur Beeinflussung einer Einströmung, Durchströmung oder Ausströmung von Gas aufweisen.
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Beispielsweise ist ein Lagenaufbau aus verschiedenen Wärmespeichermaterialien und/oder Strömungsmaterialien vorgesehen.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine erste Lage aus einem dichtgebrannten keramischen Material gebildet ist. Hierdurch kann insbesondere ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Material, was zu einer Geruchsverschleppung, Salzbildung und Verblockung des Speichermaterials führen kann, vermieden werden.
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Mindestens eine zweite Lage ist vorzugsweise aus Tonerdeporzellan oder ähnlichem Speichermaterial gebildet, wobei dieses Tonerdeporzellan oder ähnliche Material ein im Vergleich zum Material der ersten Lage höhere Raumdichte aufweisen kann. Hierdurch kann in dieser zweiten Lage vorzugsweise eine größere Energiemenge gespeichert werden.
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Beispielsweise eine dritte Lage umfasst vorzugsweise ein Mullitmaterial, vorzugsweise poröses Mullitmaterial. Dieses Mullitmaterial weist vorzugsweise eine reaktionsbeschleunigende Wirkung auf, welche sich insbesondere aus einer Oberflächenvergrößerung und Spuren von Metallen im Material ergeben kann.
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Als vierte Lage ist beispielsweise eine Schüttung von turbulenzerzeugenden Materialen, beispielsweise Sattelkörpern und/oder Kugeln, vorgesehen, wodurch eine optimierte Zuströmung des reformierten Rohgasstroms zu dem Oxidationsbereich und somit eine optimierte Oxidation im Oxidationsbereich erzielt werden kann. Weiterhin ermöglicht diese Schüttung vorzugsweise eine Vergleichmäßigung der Anströmung des Reingasströmungsraumes und führt zu einer gleichmäßigen Energieabgabe an das darin befindliche Wärmespeichermaterial.
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Bei alternativen Ausführungsformen des Lagenaufbaus können auch zusätzliche Lagen vorgesehen oder einzelne der genannten Lagen weggelassen werden.
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Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausfü h ru ngsbeispielen.
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In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Reinigungsvorrichtung zur Reinigung von wasserdampfhaltigem Rohgas, welches organische Verunreinigungen aufweist, mit einer Regelung des Sauerstoffgehaltes im Reingasstrom;
- 2 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung der Reinigungsvorrichtung in einem Reinigungs- und Spülmodus;
- 3 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung der Reinigungsvorrichtung im Reinigungsmodus; und
- 4 einen schematischen Schnitt durch den Aufbau einer Wärmespeichereinheit einer Wärmespeichervorrichtung der Reinigungsvorrichtung.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Eine in den 1 bis 4 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Reinigungsvorrichtung kommt insbesondere zur Reinigung von Rohgas zum Einsatz.
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Besonders eignet sich die Reinigungsvorrichtung 100 zur Reinigung von Brüdendampf, welcher auch als Brodem oder Wrasen bekannt ist.
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Die Reinigungsvorrichtung 100 umfasst insbesondere eine regenerative thermische Oxidationsvorrichtung 102 zur thermischen Umwandlung von Geruchsstoffen und sonstigen Verunreinigungen im Brüdendampf.
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Vorzugsweise umfasst die Reinigungsvorrichtung 100 einen Reformierbereich 104, einen Wärmespeicherbereich 106 und einen Vorheizbereich 108.
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Dem Reformierbereich 104 ist mittels einer Rohgaszuführung 110 der Reinigungsvorrichtung 100 das zu reinigende Rohgas zuführbar.
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Über eine Oxidatorzuführung 112 und/oder eine Spülgaszuführung 114 ist vorzugsweise dem Vorheizbereich 108 Oxidator und/oder Spülgas zuführbar.
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Ferner ist vorzugsweise eine Reingasabführung 116 der Reinigungsvorrichtung 100 vorgesehen, über welche aus dem Rohgas erzeugtes Reingas abführbar ist.
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Die Reingasabführung 116 ist somit insbesondere eine Abgasabführung 118 der Reinigungsvorrichtung 100.
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Die Reingasabführung 116 schließt sich insbesondere an den Wärmespeicherbereich 106 an oder umfasst diesen.
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Mehrere Wärmeübertrager 120 der Reinigungsvorrichtung 100 dienen vorzugsweise der Erwärmung oder Abkühlung von Gasströmen, um letztlich die Energieeffizienz der Reinigungsvorrichtung 100 zu optimieren.
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Zudem ist vorzugsweise eine Wärmespeichervorrichtung 122 der Reinigungsvorrichtung 100 vorgesehen, mittels welcher die in der Reinigungsvorrichtung 100 erzeugte Wärme zwischenspeicherbar und für einen optimierten Betrieb der Reinigungsvorrichtung 100 erneut nutzbar ist.
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Die Wärmespeichervorrichtung 122 umfasst hierzu insbesondere mehrere Wärmespeichereinheiten 124.
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Die Reinigungsvorrichtung 100 umfasst einen Oxidationsbereich 126, welcher sich an den Reformierbereich 104 und den Vorheizbereich 108 anschließt und welcher insbesondere in den Wärmespeicherbereich 106 mündet.
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Bei der in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 sind der Reformierbereich 104, der Vorheizbereich 108 und der Wärmespeicherbereich 106 nicht ortsfest, sondern werden abhängig von den Orten der Zuführung von Rohgas und Oxidator sowie abhängig von der Abführung von Reingas zeitlich variierend durch unterschiedliche Strömungsräume 128 der Reinigungsvorrichtung 100 gebildet.
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Jeder Strömungsraum 128 umfasst hierbei eine Wärmespeichereinheit 124 der Wärmespeichervorrichtung 122, so dass den Strömungsräumen 128 abhängig von der jeweiligen Gaszuführung beziehungsweise Gasabführung Wärme zuführbar oder daraus Wärme entnehmbar ist.
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Eine oder mehrere optionale Heizvorrichtungen der Reinigungsvorrichtung 100 können zusätzlich zur Wärmespeichervorrichtung 122 und/oder zusätzlich zu den Wärmeübertragern 120 zur Optimierung des Betriebs der Reinigungsvorrichtung 100 beitragen.
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Wie insbesondere aus einem Vergleich der 2 und 3 hervorgeht, werden die Strömungsräume 128 abhängig von dem jeweiligen Betriebsmodus (Reinigungsmodus) der Reinigungsvorrichtung 100 in unterschiedlichen Richtungen durchströmt.
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Für eine optimierte Nutzung und/oder Wärmeübertragung sind die Wärmespeichereinheiten 124 in den Strömungsräumen 128 vorzugsweise mit einem Lagenaufbau versehen.
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Wie 4 zu entnehmen ist, kann hierbei insbesondere eine Optimierung für die Zuführung und Hindurchführung von Rohgas vorgesehen sein. Hierfür ist insbesondere eine erste Lage 130a vorgesehen, welche beispielsweise aus einem dichtgebrannten keramischen Material gebildet ist.
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Eine sich an die erste Lage 130a anschließende zweite Lage 130b ist vorzugsweise aus Tonerdeporzellan oder einem ähnlichen Keramikmaterial gebildet und weist eine im Vergleich zum Material der ersten Lage 130a erhöhte Dichte auf. Hierdurch kann ein Bereich mit hoher Wärmespeicherkapazität geschaffen werden.
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Eine sich an die zweite Lage 130b anschließende dritte Lage 130c umfasst beispielsweise ein Mullitmaterial, welches reaktionsbeschleunigend wirksam ist und zur Optimierung von reaktionskinetischen Vorgängen innerhalb des Strömungsraums 128 beiträgt.
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Eine sich an die dritte Lage 130c anschließende vierte Lage 130d dient schließlich vorzugsweise der Optimierung der Zuströmung zu dem sich an die Wärmespeichereinheit 124 anschließenden Oxidationsbereich 126. Die vierte Lage 130d weist hierfür beispielsweise eine Schüttung aus einem turbulenzerzeugenden Material, beispielsweise Sattelkörpern, auf.
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Bei der in 4 dargestellten Durchströmung der Wärmespeichereinheit 124 mit Rohgas dient die Wärmespeichereinheit 124 als Reformierbereich 104 der Reinigungsvorrichtung 100.
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Wenn dieselbe Wärmespeichereinheit 124 oder eine baulich identische weitere Wärmespeichereinheit 124 als Wärmespeicherbereich 106 genutzt wird, ergibt sich eine Umkehrung der Strömungsrichtung.
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Die Reinigungsvorrichtung 100 umfasst vorzugsweise einen Oxidatorsensor 140, insbesondere zur Detektion von Sauerstoff, welcher den Volumenstrom des über die Oxidatorzuführung 112 zugeführten Oxidators mittels einer Steuereinheit 141 steuert oder regelt.
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Zum kurzzeitigen Spülen des Oxidators werden vorzugsweise eine gemeinsame oder zwei einzelne Umschalteinheiten 115 genutzt.
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Die in den 1 bis 4 dargestellte Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 funktioniert vorzugsweise wie folgt:
- Ein beispielsweise als Brüdendampf ausgebildetes Rohgas wird über die Rohgaszuführung 110 zu einem ersten Strömungsraum 128a geführt, welcher den Reformierbereich 104 bildet.
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In diesem ersten Strömungsraum 128a ist eine Wärmespeichereinheit 124 angeordnet, beispielsweise entsprechend der in 4 schematisch dargestellten Ausführungsform.
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Diese Wärmespeichereinheit 124 wurde vor der Zuführung des Rohgases mit Wärme beladen, so dass das nun zugeführte Rohgas mittels der Wärmespeichereinheit 124 erhitzt wird. Insbesondere wird eine Temperatur von mindestens ungefähr 750 °C, beispielsweise mindestens 800 °C, erzielt.
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Bei diesen hohen Temperaturen werden die Bestandteile des Rohgases aufgespalten, so dass sich insbesondere aus Kohlenwasserstoffen und Wasser ein reformiertes Rohgas, beispielsweise Wassergas, ergibt. Insbesondere werden dabei langkettige Kohlenwasserstoffe und schwerflüchtige Kohlenwasserstoffe weitestgehend in Methan, Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und sonstige leicht brennbare Stoffe umgewandelt.
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Das Rohgas weist einen sehr geringen Sauerstoffanteil von unter 5 Vol.-%, insbesondere höchsten ungefähr 1 Vol.-%, auf, so dass die leicht brennbaren Bestandteile im Reformierbereich 104 nicht oxidieren, sondern von dem Reformierbereich 104 in den Oxidationsbereich 126 weitergeleitet werden können.
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Insbesondere wird dabei der gesamte Rohgasstrom, welcher durch den Reformierbereich 104 hindurchgeführt wurde, als reformierter Rohgasstrom zu dem Oxidationsbereich 126 zugeführt.
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Im Oxidationsbereich 126 trifft der reformierte Rohgasstrom auf einen oxidatorhaltigen Gasstrom, insbesondere einen Oxidatorstrom.
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Der Oxidatorstrom ist insbesondere Luft oder ein Luftgemisch oder ein oxidatorhaltigen, insbesondere sauerstoffhaltiges, Prozessgas.
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Der Oxidatorstrom wird über die Oxidatorzuführung 112 zu einem dritten Strömungsraum 128c zugeführt. Dabei wird darauf geachtet, dass die Temperatur des Oxidatorstroms zumindest näherungsweise 100 °C oder mehr beträgt, beispielsweise mindestens 100 °C, vorzugsweise mindestens ungefähr 110 °C. Hierdurch kann eine unerwünschte Kondensation von Wasser vorzugsweise vermieden werden.
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Mittels einer optionalen Heizvorrichtung und/oder-eines oder mehrerer Wärmeübertrager 120 kann der Oxidatorstrom erhitzt werden. Hierbei handelt es vorzugsweise um eine Vorwärmung.
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Erst in dem Strömungsraum 128c wird der Oxidatorstrom auf eine gewünschte Temperatur erhitzt, um diesen dem Oxidationsbereich 126 zuführen zu können. Die Zieltemperatur des Oxidatorstroms beträgt dabei vorzugsweise mindestens 750 °C, beispielsweise mindestens ungefähr 800 °C, insbesondere ungefähr 850 °C.
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Diese Erwärmung auf die Zieltemperatur wird im Strömungsraum 128 insbesondere dadurch erzielt, dass auch der dritte Strömungsraum 128c eine Wärmespeichereinheit 124, beispielsweise gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsform, aufweist. Diese Wärmespeichereinheit 124 wird vorzugsweise vor der Zuführung des Oxidatorstroms erhitzt, beispielsweise unter Verwendung des Reingasstroms.
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Der Oxidatorstrom weist vorzugsweise einen Sauerstoffgehalt von mindestens ungefähr 15 Vol.-% beispielsweise mindestens ungefähr 18 Vol.-%, vorzugsweise ungefähr 21 Vol.-%, auf.
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Die Zusammenführung des erhitzten, reformierten Rohgasstroms mit dem erhitzten Oxidatorstrom im Oxidationsbereich 126 führt zu einer Oxidation der brennbaren Bestandteile des reformierten Rohgasstroms im Oxidationsbereich 126, wodurch insbesondere Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff aus dem reformierten Rohgasstrom oxidiert werden, insbesondere zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
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Hierdurch ist letztendlich ein Reingasstrom erhältlich, welcher durch einen den Wärmespeicherbereich 106 bildenden zweiten Strömungsraum 128b aus dem Oxidationsbereich 126 abgeführt wird.
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In dem Wärmespeicherbereich 106 gibt der Reingasstrom zumindest einen Teil seiner Wärme an die im zweiten Strömungsraum 128b angeordnete Wärmespeichereinheit 124 ab. Diese Wärmespeichereinheit 124 ist vorzugsweise eine Wärmespeichereinheit 124 entsprechend der in 4 dargestellten Ausführungsform.
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Nach dem Durchströmen des den Wärmespeicherbereich 106 bildenden zweiten Strömungsraums 128b wird das Reingas über die Reingasabführung 116 abgeführt. Mittels eines optionalen Wärmeübertragers 120 kann die noch im Reingas verbliebene Wärmemenge vorzugsweise zumindest teilweise aus dem Reingasstrom abgeführt und somit anderweitig nutzbar gemacht werden.
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Der vorstehend beschriebene Reinigungsbetrieb der Reinigungsvorrichtung 100 (beispielsweise gemäß 1, welcher insbesondere einen Normalbetrieb darstellt) kann vorzugsweise so lange aufrechterhalten werden, bis die in den Wärmespeichereinheiten 124 des ersten und dritten Strömungsraums 128a, 128c gespeicherten Wärmemengen nicht mehr für eine ausreichende Erhitzung des Rohgasstroms und/oder des Oxidatorstroms oder nicht mehr für eine ausreichende Reaktion im Reformierbereich 104 ausreichen. Der Zeitpunkt der Umschaltung wird vorzugsweise durch Messung, Berechnung oder sonstige Ermittlung des Energieinhalts in den Strömungsräumen bestimmt, insbesondere durch Durchführung eines Energievergleichs der Strömungsräume unter Verwendung eines Steuermoduls, beispielsweise des Steuermoduls XtraBalance.
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Wenn keine ausreichende Erhitzung mehr möglich ist, wird die Reinigungsvorrichtung 100 vorzugsweise mittels einer Steuervorrichtung 115 in einen Spülbetrieb versetzt (siehe 2), in welchem beispielsweise mittels einer Spülgaszuführung 114 dem dritten Strömungsraum 128c kurzzeitig Umgebungsluft zugeführt wird. Dem ersten Strömungsraum 128a wird Rohgas und Spülgas und/oder dem zweiten Strömungsraum 128b Reingas zugeführt. Insbesondere wird mittels des Spülgases, welches beispielsweise Umgebungsluft ist, eine Reinigung der Wärmespeichereinheiten 124 erzielt, um letztlich bei einer im Anschluss anstehenden Strömungsumkehrung einen unerwünschten Ausstoß von Geruchsstoffen oder schädlichen Gasen zu vermeiden.
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Nach dem Spülvorgang wird das Rohgas nicht mehr dem ersten Strömungsraum 128a, sondern beispielsweise dem zweiten Strömungsraum 128b zugeführt, welcher dann folglich nicht mehr den Wärmespeicherbereich 106, sondern nunmehr den Reformierbereich 104 bildet (siehe 3).
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Die in dem zweiten Strömungsraum 128b angeordnete Wärmespeichereinheit 124 wurde schließlich zuvor aufgrund der Zuführung des Reingasstroms stark erhitzt und bildet somit nun eine ausreichende Wärmequelle zur Durchführung des Reformiervorgangs zum Reformieren des Rohgasstroms.
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Der erste Strömungsraum 128a, welcher zuvor den Reformierbereich 104 gebildet hat, bildet entsprechend nun den Spülbereich 108, so dass der im Oxidationsbereich 126 erzeugte Reingasstrom nunmehr über den dritten Strömungsraum 128c abgeführt wird.
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Die im dritten Strömungsraum 128c angeordnete Wärmespeicher-einheit 124 wird dadurch erhitzt und somit für eine spätere Nutzung als Reformierbereich 104 oder auch als Vorheizbereich 108 vorbereitet.
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Neben den in den 2 und 3 dargestellten Betriebsmodi der Reinigungsvorrichtung 100 können zahlreiche weitere Betriebsmodi realisiert werden. Insbesondere wird auch der in den 1, 2 und 3 den Vorheizbereich 108 bildende dritte Strömungsraum 128c in regelmäßigen Abständen zur Ausleitung/ Abführung des Reingases genutzt (siehe 3) und dadurch zur erneuten Verwendung als Vorheizbereich 108 oder auch als Reformierbereich 104 vorbereitet.
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Die Steuerung der Oxidatorzuführung 112 erfolgt insbesondere abhängig von einem Sauerstoffgehalt im Reingasstrom. Insbesondere wird die Oxidatormenge, insbesondere der Oxidatorvolumenstrom und/oder der Oxidatormassenstrom, vorzugsweise so gesteuert und/oder geregelt, dass sich eine zuverlässige Oxidation der im reformierten Rohgasstrom enthaltenen Stoffe im Oxidationsbereich 126 ergibt. Die entsprechende Regelung kann beispielsweise temperaturabhängig, sauerstoffabhängig oder auch abhängig von einer Zusammensetzung des Reingasstroms erfolgen. Darüber hinaus sind selbstverständlich zahlreiche weitere Steuergrößen und/oder Regelgrößen denkbar.
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Dadurch, dass bei der beschriebenen Reinigungsvorrichtung 100 aus einem Rohgasstrom ein reformierter Rohgasstrom erzeugt wird, bevor dieser mit Oxidator chemisch umgesetzt wird, kann die Reinigungsvorrichtung 100 besonders einfach und kosteneffizient betrieben werden. Zudem können Zusatzvorrichtungen, wie beispielsweise Abscheider und Wäscher vermieden werden.
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Bei einer Weiterbildung kann zudem vorgesehen sein, dass der Reingasstrom einem Kondensator zugeführt wird, insbesondere einem in der Reingasabführung 116 angeordneten Wärmeübertrager 120, welcher als Kondensator ausgebildet ist. Das Volumen des Reingasstromes kann hierdurch vorzugsweise reduziert werden, insbesondere indem der Wasserdampf, welcher in dem Reingasstrom enthalten ist, auskondensiert wird. Im Kondensator kann somit vorzugsweise ein Unterdruck unterhalb des Umgebungsdruckes erzeugt werden, wodurch sich der Energiebedarf zur Förderung des Rohgas-und Reingasstromes für die Rohgasreinigung reduzieren kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0548630 A1 [0012]
- WO 0188436 A1 [0012]
- WO 0159367 A1 [0012]
- AU 2001232509 A1 [0012]
- WO 1995/024590 A1 [0012]
- EP 1906088 B1 [0012, 0020]
