DE102021109809A1

DE102021109809A1 - Thermische rohgasbehandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021109809A1
Application number: DE102021109809.2A
Authority: DE
Inventors: Björn Beeh; Erhard Rieder
Original assignee: Duerr Systems AG
Current assignee: Duerr Systems AG
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2022-10-20
Also published as: CN117295911A; EP4327019A1; DE112022002202A5; WO2022223074A1

Abstract

Eine thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) zum Beispiel einsetzbar als thermische Abluftreinigungsanlage (TAR) oder thermische Nachverbrennungsanlage (TNV) hat vorteilhafterweise mehrere Brennermodule (12n), die jeweils eine Brennkammer (14n), einen an die Brennkammer (14n) angeschlossenen Brenner (19) zum Verbrennen von in einem zu reinigenden Rohgas enthaltenen Schadstoffen, einen Rohgaseingang (21) zum Einleiten des zu reinigenden Rohgases durch den Brenner (19) in die Brennkammer (14n) und einen Reingasausgang (22) zum Ausleiten eines gereinigten Reingases aufweisen, wobei diese mehreren Brennermodule (12n) jeweils über Anschlussflansche (15) aneinandergekoppelt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung, zum Beispiel einsetzbar als thermische Abluftreinigungsanlage (TAR) oder thermische Nachverbrennungsanlage (TNV). Solche thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtungen können zum Beispiel zum Reinigen von Schadstoffen aus einer Abluft aus einer Werkstückbearbeitungsanlage (z.B. Lackieranlage von Karosserien), zur Schwachgasverbrennung (z.B. im Deponie- oder Biogas-Umfeld, etc.), zur Erzeugung von Inertgas beispielsweise zur Desorption von Zeolithkonzentratoren, aber auch für verschiedene andere Zwecke oder andere Anlagen verwendet werden.
Eine thermische Abluftreinigung (TAR) soll in der Regel die geltenden gesetzlichen Anforderungen zur Abreinigung von Kohlenwasserstoffen aus einer Abluft zum Beispiel aus Trockneranlagen im Rahmen des Immissionsschutzes erfüllen. Klassischerweise bestehen TAR-Systeme aus einem Brenner und einer Brennkammer, wobei die Brennkammer funktionsbedingt für hohe Verbrennungstemperaturen sehr komplex und kostenintensiv ausgelegt sein muss (z.B. Verwendung hochwertiger Stähle). Zur Vermeidung von Betriebsunterbrechungen der Werkstückbearbeitungsanlagen aufgrund Betriebsausfällen der TAR-Systeme und zur Anpassung der TAR-Systeme an veränderte Luftverhältnisse der Werkstückbearbeitungsanlagen müssen die herkömmlichen TAR-Systeme häufig ersetzt / ausgetauscht werden, was sehr aufwändig und kostenintensiv ist. Die Auslegung des TAR-Systems muss in der Regel auf Maximalwerte erfolgen, was bei stärkeren Schwankungen der Volumenströme und/oder deren Schadstoffbelastungen zu erheblichen Anforderungen an die Teillastfähigkeit der Anlagen stellt. Eine über den gesamten Bereich zufriedenstellende Kombination aus zu behandelnder Luftmenge und den einzuhaltenden Emissionswerten ist oft technisch nicht oder nur mit gewissem Aufwand in der Brennerregelung zu erreichen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung zu schaffen, die zumindest eines der oben genannten Probleme herkömmlicher TAR-Systeme vermeidet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im unabhängigen Anspruch 1 definierte thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung weist erfindungsgemäß mehrere Brennermodule auf, die jeweils eine Brennkammer mit einem Brennraum zum Behandeln eines Rohgases darin, einen an die Brennkammer angeschlossenen Brenner zum Verbrennen von in einem zu reinigenden Rohgas enthaltenen Schadstoffen (z.B. Oxidation von Kohlenwasserstoffen in Abluft aus einem Trocknersystem), einen Rohgaseingang zum Einleiten des zu reinigenden Rohgases durch den Brenner in die Brennkammer und einen Reingasausgang zum Ausleiten eines gereinigten Reingases aufweisen. Die mehreren Brennermodule sind jeweils über Anschlussflansche aneinandergekoppelt. Die mehreren Rohgaseingänge der mehreren Brennermodule können wahlweise einzeln oder gruppenweise an eine jeweilige Rohgaszuleitung angeschlossen werden, und die mehreren Reingasausgänge der mehreren Brennermodule können wahlweise einzeln oder gruppenweise an eine jeweilige Reingasableitung angeschlossen werden.
Die vorgeschlagene Modularität der thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung bietet mehrere Vorteile. So ermöglicht die Modularität zum Beispiel Leistungsanpassungen, Wartungen, Reinigungen und Reparaturen des TAR-Systems mit geringerem Aufwand, da einzelne Brennermodule relativ einfach ergänzt oder entnommen werden können und vorzugsweise auch individuell angesteuert werden können. Das Vorhandensein der mehreren Brenner in der modularen Vorrichtung bewirkt zudem eine redundante Brennfunktion, durch die eine zuverlässige Betriebsfähigkeit des TAR-Systems gewährleistet werden kann. Außerdem können im Teillastbetrieb die einzelnen aktiven Brennermodule durchgetauscht, d.h. vorzugsweise wechselweise betrieben werden, sodass eine Vergleichmäßigung der Belastungen der mehreren Brenner erzielt werden kann.
Vorzugsweise weist zumindest ein Teil der Anschlussflansche der mehreren Brennermodule jeweils eine Durchgangsöffnung auf, durch welche die Brennräume der Brennkammern der jeweiligen aneinander gekoppelten Brennermodule zu einem gemeinsamen Brennraum miteinander verbunden sind, sodass ein Gasaustausch zwischen den einzelnen Brennermodulen stattfinden kann. Durch diese Bildung eines gemeinsamen Brennraums kann zum Beispiel mit nur einem Aufheizbrenner die gesamte Vorrichtung auf die erforderliche Mindestreaktionstemperatur vorgeheizt werden, und kann die erforderliche Spülung / Vorbelüftung gemeinsam für den gemeinsamen Brennraum aller Brennkammern erfolgen. Diese Verbindung der Brennräume kann optional auch so ausgeführt sein, dass die Durchgangsöffnungen jeweils durch ein Absperrorgan (z.B. eine Klappe oder ein Schieber) absperrbar sind. Das Aufheizen des gemeinsamen Brennraums (auf eine Mindestreaktionstemperatur) kann neben einem Aufheizbrenner auch mit einer anderen Aufheizeinrichtung (z.B. einer elektrischen oder elektromagnetischen Aufheizvorrichtung oder einer schaltbaren Hochtemperatur-Wärmequelle anderer Art) vorgenommen werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die mehreren Brennermodule jeweils ferner einen Gaszugang zum Einleiten eines Brennstoffes (z.B. Erdgas) in den jeweiligen Brenner auf, sodass das zu reinigende Rohgas dann gemeinsam mit dem Brennstoff in den Brennraum der jeweiligen Brennkammer eingeleitet werden kann. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die mehreren Brennermodule jeweils ferner einen Zugang zum Einleiten eines flüssigen Brennstoffes und vorzugsweise eine geeignete Eindüsungsvorrichtung zum Eindüsen des flüssigen Brennstoffes in den jeweiligen Brenner aufweisen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist an den Rohgaseingängen der mehreren Brennermodule jeweils eine Ventilvorrichtung zum wahlweisen Öffnen oder Schließen und optional auch zum Drosseln des jeweiligen Rohgaseingangs vorgesehen, wobei die Ventilvorrichtungen unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Hierdurch kann eine Gesamtluftmenge des zu reinigenden Rohgases auf eine geeignete Anzahl der vorhandenen Brennermodule verteilt werden, sodass die einzelnen Brenner der benutzten Brennermodule jeweils mit wenigstens einer Mindestluftmenge und höchsten einer Maximalluftmenge für den Brennerbetrieb beaufschlagt werden. Im Fall auch vorhandener Gaszugänge für Brennstoff sind solche Ventilvorrichtungen vorzugsweise auch zum wahlweisen Öffnen oder Schließen und optional auch zum Drosseln des jeweiligen Gaszugangs vorgesehen.
Vorzugsweise sind die Brenner der mehreren Brennermodule einzeln oder gruppenweise unabhängig voneinander ansteuerbar, sodass die mehreren Brenner individuell oder gruppenweise in Betrieb genommen oder ausgestaltet werden können. Durch diese Maßnahme kann zum Beispiel bei einer niedrigeren Gesamtluftmenge des zu reinigenden Rohgases die Anzahl der aktivierten Brenner reduziert werden, sodass die einzelnen Brenner in günstigen Betriebsbereichen gefahren werden können und auch Energie eingespart werden kann. Als weiterer Aspekt kann auf diese Weise zum Beispiel auch Abluft ohne Gaszumischung behandelt werden, wie beispielsweise beim Betrieb mit einer Aufkonzentrationsanlage. Außerdem kann so im Fall der miteinander verbundenen Brennkammern die Funktion als Aufheizbrenner auf nur einen Brenner oder zumindest eine reduzierte Anzahl der Brenner reduziert werden, wodurch ebenfalls Energie eingespart werden kann. Mit anderen Worten können bei der erfindungsgemäßen Modularität einzelne Brennermodule abgeschaltet werden und damit eine variable Leistungsbereitstellung erzielt werden. Speziell beim Betrieb der Rohgasbehandlungsvorrichtung mit einem Konzentrator bietet sich in diesem Zusammenhang auch die folgende Betriebsweise an. Die Abluft aus dem Konzentrator, die ohne Zumischung von Gas bei Konzentrationen z.B. auch oberhalb von 25% UEG betragen kann, wird über den Brenner einer der mehreren Brennermodule eingeleitet, während der Brenner eines anderen Brennermoduls z.B. mit einer Mischung aus Abluft des Konzentrators und Gas betrieben wird, was insbesondere bei einem Konzentrator vorteilhaft sein kann, der in der sogenannten Split-Betriebsweise betrieben wird. Bei dieser Prozessführung kann über ein später erläutertes Bypassmodul der Rohgasbehandlungsvorrichtung Energie zum Beheizen der Desorption zur Verfügung gestellt werden oder die Luftverhältnisse so geregelt werden, dass die rekuperierte Luft aus dem Brenner die erforderliche Temperatur zur Desorption aufweist (für Zeolith zum Beispiel 200°C bis 220°C).
Zusätzlich oder alternativ zur oben beschriebenen unabhängigen Ansteuerbarkeit der Brenner der mehreren Brennermodule können die einzelnen Brenner auch mehrstufig ausgebildet und ansteuerbar sein. Die Stufen können beispielsweise aus ringartig, segmentartig (insbesondere zirkulär und/oder radial segmentiert) und/oder in Mustern gruppierten Brennerelementen aufgebaut und vorzugsweise unabhängig voneinander ansteuerbar sein. Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass die Stufen identische oder zumindest teilweise abweichende Anzahlen von Brennerelementen umfassen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung ferner wenigstens eine Luftmengenerfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Gesamtluftmenge des zu reinigenden Rohgases auf. Auf diese Weise kann das TAR-System die Betriebsanpassung an die zu reinigende Rohgasmenge eigenständig durchführen. Die wenigstens eine Luftmengenerfassungsvorrichtung kann zum Beispiel Differenzdrucksensoren über jeweils einen Brenner oder einen Differenzdrucksensor über alle Brennermodule oder einen Strömungsratensensor in einer gemeinsamer Rohgaszuleitung aufweisen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Brennermodule auf einem gemeinsamen Grundrahmen getragen, wobei wenigstens eines der mehreren Brennermodule über ein Gleitlager auf dem Grundrahmen gelagert ist. Mithilfe der Gleitlager können thermische Dehnungen der jeweiligen Brennermodule ausgeglichen werden und können die Brennermodule für Wartungs-, Reinigungs- und Reparaturmaßnahmen einfach auseinandergezogen bzw. zusammengeschoben werden. Vorzugsweise ist an dem Grundrahmen zudem ein Erweiterungsrahmen angebracht, über den die Brennermodule mittels der Gleitlager auseinandergeschoben werden können, sodass der mögliche Bewegungsumfang vergrößert wird und zusätzliche Brennermodule einfacher hinzugefügt werden können.
In einer Ausgestaltung der Erfindung hat der Brenner wenigstens eines Brennermoduls ein Wärmeübertragungssystem zur Wärmeübertragung vom ausströmenden Reingas auf einströmendes Rohgas und/oder einströmenden Brennstoff integriert. D.h. der Brenner ist als ein rekuperativer Brenner ausgestaltet. Vorzugsweise sind alle oder die meisten Brenner der modularen Rohgasbehandlungsvorrichtung als rekuperative Brenner ausgestaltet. Die Erfindung ist in diesem Zusammenhang auf keine spezielle Konstruktion des in/an den Brenner integrierten Wärmeübertragungssystems eingeschränkt. Durch die Verwendung von rekuperativen Brennern kann zudem eine zusätzliche Maßnahme zur Wärmerückgewinnung in den Brennkammern entfallen oder im Verhältnis zu einer Ausführung der modularen Rohgasbehandlungsvorrichtung ohne rekuperative Brenner zumindest erheblich verkleinert ausfallen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens ein Brennermodul der mehreren Brennermodule ferner einen Heißgasausgang zum Ausleiten eines Heißgases aus der jeweiligen Brennkammer auf, der an eine Heißgasleitung angeschlossen werden kann. Dieses Brennermodul kann als „Bypassmodul“ bezeichnet werden. Durch das Ausleiten von Heißgas aus den Brennkammern ist es möglich, Energie aus dem Brennraum abzuziehen, um eine Überhitzung zu vermeiden, oder zusätzliche Energie aus dem Brennraum dem Reingas und/oder anderen Wärmetauschern (z.B. zum Aufheizen der Werkstückbearbeitungsanlage) zuzuführen. Ein solches Bypassmodul ist vorzugsweise direkt (d.h. ohne Gleitlager) auf dem Grundrahmen montiert, und der Brenner eines solchen Bypassmoduls kann vorzugsweise weniger oder nicht rekuperativ ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, ein solches Bypassmodul als Zusatzmodul ohne eigenen Brenner auszubilden, welches über zumindest einen Anschlussflansch an zumindest ein Brennermodul gekoppelt werden kann.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Brenner jeweils oben an der jeweiligen Brennkammer angeschlossen und ragen nach unten in die jeweilige Brennkammer. Diese Konstruktion kann ein Absetzen von Feststoffen und/oder Kondensaten aus dem Rohgas begünstigen, welche zum Beispiel bei bestimmten Lacksystemen im Rahmen des Verbrennungsprozesses entstehen können. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann dabei in mindestens einer der Brennkammern und/oder in einem Bypassmodul und/oder in einem Zusatzmodul eine im Wesentlichen unten angeordnete Austragungsvorrichtung zur permanenten oder phasenweisen Austragung von Feststoffen und/oder Kondensaten vorgesehen sein. Eine derartige Austragungsvorrichtung kann dabei beispielsweise eine mechanische Fördereinrichtung (z.B. eine Förderschnecke), eine Absaugvorrichtung und/oder eine Ausspülvorrichtung umfassen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens eines der mehreren Brennermodule eine Eindüsungsvorrichtung zum Eindüsen eines Zusatzmittels für den Reinigungsvorgang des Rohgases in die jeweilige Brennkammer auf. Das Zusatzmittel ist zum Beispiel ein Hilfsstoff zur selektiven nichtkatalytischen Reduktion (SNCR) zum Beispiel zum Reinigen von stickstoffhaltigen Rohgasen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens eines der mehreren Brennermodule wenigstens eine Temperaturerfassungsvorrichtung (z.B. Temperatursensor wie beispielsweise Thermoelement, IR-Sensor, Pyrometer, etc.) zur Temperaturerfassung in der jeweiligen Brennkammer oder in der Durchgangsöffnung zur benachbarten Brennkammer auf. Durch diese Temperaturmessung können zum Beispiel die Betriebszustände der Brenner überwacht und/oder geregelt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung haben die Brenner der Brennermodule jeweils eine im Wesentlichen kreisförmige oder elliptische oder polygonale (z.B. rechteckig, hexagonal, oktogonal) Querschnittsform, die strömungstechnische Vorteile liefert, insbesondere bei rekuperativen Brennern.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die modulare thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung ferner wenigstens ein Zusatzmodul ohne eigenen Brenner aufweisen, welches zwischen zwei der mehreren Brennermodule angekoppelt ist und dessen Innenraum über Durchgangsöffnungen mit den Brennräumen der benachbarten Brennkammern zum Bilden eines gemeinsamen Innenraums verbunden ist. Das Zusatzmodul weist wenigstens eine Zusatzfunktion für die Rohgasbehandlungsvorrichtung auf, die ausgewählt ist aus: (a) Vergrößern des gemeinsamen Brennraums der Brennkammern; (b) Kompensieren von Dimensionsveränderungen (insbesondere thermisch bedingte Längenänderungen) der Vorrichtung; (c) Wärmeübertragung vom Reingas im gemeinsamen Innenraum auf ein anderes Fluid außerhalb der Vorrichtung; (d) Heißgasausleitung; (e) Wärmespeicherung; (f) Katalysator; (g) Austragen von Fluiden und/oder Partikeln aus dem gemeinsamen Innenraum; (h) Eindüsen von Zusatzstoffen in den gemeinsamen Innenraum; und (i) Adsorbieren oder Absorbieren von Schadstoffen aus dem Innenraum. Alternativ oder zusätzlich kann die thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung ferner wenigstens ein Zusatzmodul ohne eigenen Brenner aufweisen, welches an ein äußeres der mehreren Brennermodule angekoppelt ist. Auch dieses Zusatzmodul weist wenigstens eine Zusatzfunktion auf, die ausgewählt ist aus: (a) Vergrößern des Brennraums der benachbarten Brennkammer; (b) Kompensieren von Dimensionsveränderungen (insbesondere thermisch bedingte Längenänderungen) der Vorrichtung; (c) Wärmeübertragung vom Reingas im Brennraum der benachbarten Brennkammer auf ein anderes Fluid außerhalb der Vorrichtung; (d) Heißgasausleitung; (e) Wärmespeicherung; (f) Katalysator; (g) Austragen von Fluiden und/oder Partikeln aus dem Brennraum der benachbarten Brennkammer; (h) Eindüsen von Zusatzstoffen in den Brennraum der benachbarten Brennkammer; und (i) Adsorbieren oder Absorbieren von Schadstoffen aus dem Brennraum der benachbarten Brennkammer.
Die thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung der Erfindung kann in verschiedenen Strukturformen ausgestaltet sein, die je nach dem Anwendungsfall zu bevorzugen sind. In einer Ausführungsform haben die Brennermodule jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform, sodass sie entlang einer im Wesentlichen geraden Linie aneinandergekoppelt werden können und so eine Vorrichtung mit einer im Wesentlichen rechteckigen Gesamtquerschnittsform bilden. In einer anderen Ausführungsform haben die Brennermodule jeweils eine tortenstückartige Querschnittsform, sodass sie entlang einer im Wesentlichen kreisförmigen Linie aneinandergekoppelt werden können und so eine Vorrichtung mit einer im Wesentlichen kreisförmigen oder polygonalen Gesamtquerschnittsform bilden.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Werkstückbearbeitungsanlage, die neben einer Prozesskammer zum Aufnehmen von zu bearbeitenden Werkstücken, wobei die Prozesskammer mit wenigstens einer Abluftleitung zum Ausleiten von zu reinigender Abluft aus der Prozesskammer verbunden ist, auch wenigstens eine oben beschriebene thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung der Erfindung aufweist, wobei die Rohgaseingänge der mehreren Brennermodule jeweils an eine der wenigstens einen Abluftleitung angeschlossen sind. Die erfindungsgemäße thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung ist besonders vorteilhaft auch anwendbar auf Werkstückbearbeitungsanlagen zum Trocknen und/oder Härten von lackierten / beschichteten / geklebten Werkstücken, speziell auf dem Gebiet der Durchlauftrockner, Durchlaufhärtungsanlagen, Kammertrockner und Kammerhärtungsanlagen, in denen lackierte und/oder geklebte Karosserien oder Karosserieteile getrocknet und/oder gehärtet werden können, ohne dass die Erfindung auf dieses spezielle Anwendungsgebiet beschränkt sein soll. Die thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung kann zum Beispiel auch in vorteilhafter Weise zur Schwachgasverbrennung (z.B. im Deponie- oder Biogas-Umfeld, etc.) oder zur Erzeugung von Inertgas beispielsweise zur Desorption von Zeolithkonzentratoren verwendet werden.
Der Betrieb der oben beschriebenen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung der Erfindung weist neben üblichen Betriebsweisen vorzugsweise auch ein oder mehr der folgenden Schritte auf: (a) Inbetriebnahme einer Anzahl der Brennermodule entsprechend der zu behandelnden Rohgasmenge; (b) Abschalten wenigstens eines der mehreren Brennermodule, falls eine Rohgasmenge einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet; (c) Betreiben der Brennermodule wechselweise im Teillastbetrieb; (d) Spülen des gemeinsamen Brennraums von benachbarten Brennkammern; (e) Vorbelüften des gemeinsamen Brennraums von benachbarten Brennkammern; (f) nach einem Abschalten eines Brennermoduls Spülen des jeweiligen Brenners mit Luft ohne Brennstoffzumischung; und (g) Betreiben eines Teils der Brennermodule mit Rohgaszufuhr zum Brenner und eines anderen Teils der Brennermodule mit Frischluftzufuhr zum Brenner.
Ferner kann bei Nichterreichen oder Unterschreiten eines Temperaturgrenzwertes (Betriebsmindesttemperatur, vorzugsweise einer einstellbaren Betriebsmindesttemperatur, insbesondere einer Mindestreaktionstemperator) im gemeinsamen Brennraum der gemeinsame Brennraum durch Inbetriebnahme einer eines Aufheizbrenners oder einer anderen Aufheizeinrichtung (z.B. einer elektrischen oder elektromagnetischen Aufheizvorrichtung oder einer schaltbaren Hochtemperatur-Wärmequelle anderer Art) mit Wärmeenergie versorgt werden, um die Betriebsmindesttemperatur wieder zu erreichen bzw. zu halten. Der Einsatz einer anderen Aufheizeinrichtung als des Aufheizbrenners ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn für den Betrieb des Aufheizbrenners beispielsweise keine Gas- oder Brennstoffversorgung verfügbar ist.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen, zum Teil nur schematisch:

1 eine Querschnittsansicht einer modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine perspektivische Seitenansicht (mit offengelassener Seite aus Blickrichtung) einer modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung von 1 gemäß einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Untersicht (mit offengelassener Unterseite aus Blickrichtung) der modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung von 2;
4 eine detailliertere Darstellung des unteren Teils der perspektivischen Seitenansicht der modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung von 2;
5A-F Querschnittsansichten verschiedener Ausführungsvarianten einer modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung der Erfindung mit einem inneren Zusatzmodul;
6A-D Querschnittsansichten verschiedener weiterer Ausführungsvarianten einer modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung der Erfindung mit einem äußeren Zusatzmodul;
7A eine Querschnittsansicht einer modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7B eine Perspektivansicht der modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung von 7A; und
8 ein Anwendungsbeispiel der modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung der Erfindung in einer Werkstückbearbeitungsanlage.

Bezugnehmend auf 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel einer modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung gemäß der Erfindung einschließlich verschiedener optionaler Ausführungsvarianten näher beschrieben. Beispielhaft wird die Rohgasbehandlungsvorrichtung als thermische Abluftreinigungsvorrichtung (TAR) verwendet, weshalb sie nachfolgend häufig als TAR oder TAR-System bezeichnet wird.
Die thermische Abluftreinigungsvorrichtung (TAR) 10 ist modular ausgebildet und enthält mehrere Brennermodule 12n (in 1 sind beispielhaft vier Brennermodule 12a, 12b, 12c, 12d enthalten).
Die Brennermodule 12n enthalten jeweils eine Brennkammer 14n mit einem Brennraum darin und einen vorzugsweise von oben in die Brennkammer 14n hineinragenden Brenner 19. Die Brennkammern 14n haben jeweils einen Brenner-Anschlussflansch 18 zum Anschließen des Brenners 19 sowie Anschlussflansche 15 zum Aneinanderkoppeln von benachbarten Brennkammern 14n und/oder Abschlussflansche 17 an den äußeren Brennermodulen 12n zum Abschließen der TAR 10. Wie in 1 dargestellt, haben die Anschlussflansche 15 vorzugsweise Durchgangsöffnungen 16, um die Brennräume der benachbarten Brennkammern 14n zu einem gemeinsamen Brennraum miteinander zu verbinden, sodass ein Gasaustausch zwischen den Brennkammern stattfinden kann und damit ein gemeinsamer Brennraum entsteht. Optional können an den Durchgangsöffnungen 16 Absperrorgane (z.B. in Form von Klappen oder Schiebern) vorgesehen sein, um bei Bedarf einen Teil oder alle der Durchgangsöffnungen 16 absperren zu können.
Wie bereits erwähnt, ragen die Brenner 19 jeweils vorzugsweise von oben nach unten in die jeweilige Brennkammer bzw. deren Brennraum. Hierdurch kann ein Absetzen von Feststoffen und/oder Kondensaten aus dem Rohgas in den Brennräumen begünstigt werden. Zum Entfernen solcher aus dem Rohgas abgesetzten Elemente aus den Brennräumen sind, obwohl nicht dargestellt, im unteren Bereich der Brennkammern 14n vorzugsweise Austragungsvorrichtungen zum permanenten oder phasenweisen Austragen der abgesetzten Feststoffe und/oder Kondensate vorgesehen. Die Austragungsvorrichtungen können beispielsweise mechanische Fördereinrichtungen (z.B. Förderschnecken), Absaugvorrichtungen und/oder Ausspülvorrichtungen umfassen.
Die Brenner 19 sind vorzugsweise als rekuperative Brenner ausgestaltet und haben jeweils einen Rohgaseingang 21 zum Einleiten eines zu reinigenden Rohgases von einer Rohgaszuleitung 20 durch den Brenner 19 in die Brennkammer 14n, einen Gaszugang 13 zum Einleiten eines Brennstoffes in den Brenner 19 und einen Reingasausgang 22 zum Ausleiten eines gereinigten Reingases aus der Brennkammer 14a durch den Brenner 19n in eine Reingasableitung 23. Anstelle des Gaszugangs 13 zum Einleiten von zum Beispiel Erdgas als Brennstoff können die Brenner 19 wahlweise auch einen Zugang zum Einleiten eines flüssigen Brennstoffes aufweisen, vorzugsweise kombiniert mit einer geeigneten Eindüsungsvorrichtung zum Eindüsen des flüssigen Brennstoffes in den jeweiligen Brenner. Die Brenner 19 haben vorzugsweise eine runde oder elliptische oder polygonale (z.B. rechteckig, hexagonal, oktogonal) Querschnittsform für strömungstechnische Vorteile. Die Brenner 19 haben ferner jeweils ein integriertes Wärmeübertragungssystem 29 zur Wärmeübertragung vom ausströmenden Reingas auf das einströmende Rohgas und den einströmenden Brennstoff. Die Erfindung ist in diesem Zusammenhang auf keine spezielle Ausführungsform dieses Wärmeübertragungssystems 29 eingeschränkt. Die Rohgaseingänge 21 der Brennermodule 12n sind in 1 beispielhaft alle mit einer gemeinsamen Rohgaszuleitung 20 verbunden; je nach Anwendungsfall können die Rohgaseingänge 21 alternativ auch einzeln oder gruppenweise mit zwei oder mehr Rohgaszuleitungen verbunden werden.
Wie in 1 dargestellt, kann optional wenigstens eine Brennkammer 14d der mehreren Brennermodule 12n außerdem einen Heißgasausgang 24 aufweisen, an den eine Heißgasableitung 25 angeschlossen werden kann. Die Heißgasableitung 25 ist beispielsweise zur Reingasableitung 23 geführt, sodass das Reingas nach der Wärmeabgabe in den Wärmeübertragungssystemen 29 der Brenner 19 wieder etwas erwärmt wird. Die Heißgasableitung 25 und die Reingasableitung 23 können zur Temperaturregelung des Reingases mit Strömungsreglern 27a, 27b ausgestattet sein. Alternativ kann die Heißgasableitung 25 auch zu irgendwelchen Wärmetauschern der jeweiligen Werkstückbearbeitungsanlage geführt sein. Durch das Ausleiten des Heißgases aus der Brennkammer 14d und damit auch aus dem gemeinsamen Brennraum der TAR 10 kann auch ein Überhitzen der TAR 10 vermieden werden. Das Brennermodul 12d mit der Brennkammer 14d mit Heißgasableitung kann zum Beispiel als Bypassmodul bezeichnet werden. Der Brenner 19 des Bypassmoduls 12d kann auch weniger rekuperativ oder nicht rekuperativ ausgestaltet sein, oder das Bypassmodul 12d kann auch ohne eigenen Brenner ausgestaltet sein.
Die Brenner 19 der mehreren Brennermodule 12n sind unabhängig voneinander ansteuerbar / betreibbar. Zum Ausführen eines geeigneten Betriebs der mehreren Brennermodule 12n sind vorzugsweise ein oder mehr der folgenden Merkmale vorgesehen: wenigstens eine Temperaturerfassungsvorrichtung (z.B. ein Temperatursensor wie beispielsweise Thermoelement, IR-Sensor, Pyrometer, Widerstandsthermometer) 34 in einer Brennkammer 14n oder einer Durchgangsöffnung 16 zum Erfassen einer Temperatur im Brennraum; wenigstens eine Luftmengenerfassungsvorrichtung 28 zum Erfassen einer aktuellen zu reinigenden Rohgasluftmenge; mehrere Ventilvorrichtungen 26n an den Brennermodulen 12n jeweils zum wahlweisen Öffnen oder Schließen und optional auch zum Drosseln des jeweiligen Rohgaseingangs 21 und des jeweiligen Gaszugangs 13. Die Luftmengenerfassungsvorrichtung 28 ist in 1 beispielhaft als ein Strömungsratensensor in der Rohgaszuleitung 20 angedeutet; alternativ kann die Luftmengenerfassungsvorrichtung auch mehrere Differenzdrucksensoren über jeweils einen Brenner oder einen Differenzdrucksensor über alle Brennermodule aufweisen.
Neben der erwähnten unabhängigen Ansteuerbarkeit der Brenner 19 der mehreren Brennermodule 12n können die einzelnen Brenner 19 auch mehrstufig ausgebildet und ansteuerbar sein. Die Stufen können beispielsweise aus ringartig, segmentartig (insbesondere zirkulär und/oder radial segmentiert) und/oder in Mustern gruppierten Brennerelementen aufgebaut und vorzugsweise unabhängig voneinander ansteuerbar sein. Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass die Stufen identische oder zumindest teilweise abweichende Anzahlen von Brennerelementen umfassen.
Die modulare TAR 10 kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Brennermodulen 12n haben. Außerdem können durch die Modularität je nach Bedarf auf einfache Weise zusätzliche Brennermodule hinzugefügt oder einzelne Brennermodule entfernt werden. Außerdem können die Brennermodule 12n grundsätzlich auf beliebige Luftmengen ausgelegt sein. Außerdem können bei Bedarf andere Zusatzmodule hinzugefügt werden, wie später anhand der 5A bis 6D beschrieben.
Bezugnehmend auf 2 bis 4 werden nun weitere Merkmale und Vorteile eines speziellen Ausführungsbeispiels der modularen TAR 10 gemäß der Erfindung erläutert.
Wie in 2 erkennbar, sind die Brenner 19 bevorzugt jeweils oben an den Brennkammern 14n angeschlossen und ragen nach unten in die Brennkammern 14n bzw. deren Brennräume. Außerdem ist in 2 dargestellt, dass die Brennermodule 12n auf einem Grundrahmen 30 getragen sind, der zudem um einen Erweiterungsrahmen 32 ergänzt sein kann. Wie in 4 dargestellt, sind die Brennermodule 12a, 12b, 12c, 12e auf dem Grundrahmen 30 jeweils über ein Gleitlager 31 gelagert, während das eine Bypassmodul 12d direkt auf dem Grundrahmen 30 befestigt ist. Durch die Gleitlager 31 können thermische Dehnungen der Brennermodule 12n ausgeglichen werden. Außerdem können durch die Gleitlager 31 die Brennermodule 12n zum Beispiel für Wartungs-, Reinigungs- und Reparaturmaßnahmen einfacher auseinandergezogen bzw. zusammengeschoben werden, was zudem durch den Erweiterungsrahmen 32 unterstützt wird. Durch die Gleitlager 31 und den Erweiterungsrahmen 32 ist es außerdem einfacher möglich, einzelne Brennermodule aus der TAR 10 zu entfernen oder auszutauschen oder der TAR 10 zusätzliche Brennermodule hinzuzufügen.
In 2 und 3 ist ferner veranschaulicht, dass eines der mehreren Brennermodule 12n, insbesondere das äußere Brennermodul am Rand der TAR 10, optional mit einer Eindüsungsvorrichtung 35 zum Eindüsen eines Zusatzmittels in die jeweilige Brennkammer 14n bzw. den gemeinsamen Brennraum ausgestattet sein kann. Mit dem Zusatzmittel kann zum Beispiel die Reinigung des Rohgases in der TAR 10 unterstützt / gefördert werden, insbesondere falls das Rohgas spezielle Schadstoffe oder Schadstoffkonzentrationen enthält. Alternativ oder zusätzlich können auch Flüssigbrennstoffe oder organisch belastete Flüssigkeiten zugegeben werden.
Andere Ausführungsformen der TAR gemäß der Erfindung können auch noch weitere spezielle Merkmale enthalten oder einzelne der oben erläuterten speziellen Merkmale weglassen.
Die Funktionsweise einer thermischen Abluftreinigungsvorrichtung und deren Brenner sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Es werden deshalb nun nur ein paar spezielle Betriebsaspekte des modularen TAR-Systems der Erfindung erläutert.
Die Brennermodule 12n können für verschiedene Rohgasluftmengen ausgeführt sein, beispielsweise zwischen 100 und 2000 Nm³/h, vorzugsweise zwischen 250 und 1500 Nm³/h, besonders bevorzugt zum Beispiel für etwa 500 Nm³/h oder etwa 1000 Nm³/h je Brennermodul. Die Gesamtluftmenge der TAR 10 ist natürlich ein Vielfaches der Luftmenge je Brennermodul 12n.
Nach der Vorbelüftung werden je nach Vorwahl alle oder nur einzelne Brennermodule 12n aktiviert. Die Regelung der einzelnen Brenner 19 erfolgt dann modulierend, bis die Mindestluftmenge oder die Maximalluftmenge je Brenner 19 erreicht wird. Zum Beispiel kann bei Unterschreiten der Mindestluftmenge eines oder mehrerer Brenner 19, welche mithilfe der Luftmengenerfassungsvorrichtung 28 erfasst wird, eines der Brennermodule außer Betrieb gesetzt werden, indem zunächst die jeweilige Ventilvorrichtung die Brennstoffeinleitung absperrt und dann nach einer Spülung des Brenners 19 zum Entfernen der verbliebenen Gase aus dem Brenner auch die Rohgaseinleitung absperrt. Die Brenner 19 der übrigen Brennermodule 12n übernehmen dann auch die Rohgasmenge des außer Betrieb gesetzten Brennermoduls, sodass bei diesen die Mindestluftmenge für den ordentlichen Betrieb jeweils nicht unterschritten wird. Wird im umgekehrten Betriebsfall die Maximalluftmenge aller aktiven Brennermodule 12n erreicht, so können ein oder mehr zusätzliche Brennermodule, die sich noch im Standby-Modus befinden, in Betrieb gesetzt werden. Um Kapazitätsengpässe zu verhindern, können der Betrieb der weiteren Brennermodule vorzugsweise bereits ab 80-90% der Maximalluftmenge vorbereitet werden. Aufgrund der verbundenen Brennkammern 14n ist aber keine Vorbelüftung der neu in Betrieb zu nehmenden Brennermodule 12n erforderlich, sodass die Reaktionszeit auf Luftmengenänderungen auf ein Mindestmaß verkürzt werden kann. Diese durch die Modularität ermöglichte Betriebsweise der TAR 10 erzielt eine Energieeinsparung und eine Leistungsanpassung an die aktuelle Rohgasluftmenge, da nicht immer alle Brennermodule in Betrieb sein müssen.
Durch die Verbindung der Brennkammern 14n mit Bildung eines gemeinsamen Brennraums ist es möglich, mit nur einem Aufheizbrenner 19 die gesamte TAR 10 auf die erforderliche Mindestreaktionstemperatur vorzuheizen. Auch bei Nichterreichen oder Unterschreiten der Mindestreaktionstemperator im gemeinsamen Brennraum kann der gemeinsame Brennraum durch Inbetriebnahme eines Aufheizbrenners 19 mit Wärmeenergie versorgt werden, um die Mindestreaktionstemperatur wieder zu erreichen bzw. zu halten. Neben einem Aufheizbrenner 19 kann auch eine andere Aufheizeinrichtung (z.B. eine elektrische oder elektromagnetische Aufheizvorrichtung oder eine schaltbare Hochtemperatur-Wärmequelle anderer Art) benutzt werden, um den gemeinsamen Brennraum mit Wärmeenergie zu versorgen. Auch die Spülungs- und Vorbelüftungsprozesse erfolgen über den gesamten Brennraum, sodass der Zeitaufwand im Vergleich zu herkömmlichen TAR-Systemen deutlich reduziert werden kann.
Bei Bedarf von Energie, die über die vorhandene Energie im TAR 10 hinausgeht, ist es möglich, dass ein oder mehr der mehreren Brennermodule 12n mit Frischluft betrieben werden, um zusätzliche Energie zur Verfügung zu stellen. Die restlichen Brennermodule 12n werden weiter mit dem zu reinigenden Rohgas betrieben. Diese Vorgehensweise kann zum Beispiel auch genutzt werden, um bei einem Aufheizvorgang der Werkstückbearbeitungsanlage den erhöhten Energiebedarf durch mehr in Betrieb gehaltene Brennermodule 12n abzudecken. Während eines Aufheizvorgangs der Werkstückbearbeitungsanlage kann insbesondere durch das Bypassmodul 12d Heißgas zum Beheizen der Trockner aus der TAR 10 entnommen werden.
D.h. der Betrieb der TAR 10 kann neben den üblichen Betriebsweisen herkömmlicher TARs bevorzugt ein oder mehr der folgenden Schritte aufweisen: (a) Inbetriebnahme einer Anzahl der Brennermodule 12n entsprechend der zu behandelnden Rohgasmenge; (b) Abschalten wenigstens eines der mehreren Brennermodule 12n, falls eine Rohgasmenge einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet; (c) Betreiben der Brennermodule 12n wechselweise im Teillastbetrieb; (d) Spülen des gemeinsamen Brennraums von benachbarten Brennkammern 14n; (e) Vorbelüften des gemeinsamen Brennraums von benachbarten Brennkammern 14n; (f) nach einem Abschalten eines Brennermoduls 12n Spülen des jeweiligen Brenners 19 mit Luft ohne Brennstoffzumischung; und (g) Betreiben eines Teils der Brennermodule 12n mit Rohgaszufuhr zum Brenner 19 und eines anderen Teils der Brennermodule 12n mit Frischluftzufuhr zum Brenner 19.
Bezugnehmend auf 5A bis 5F werden nun mehrere verschiedene Ausführungsvarianten der oben beschriebenen modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung erläutert. Dabei sind gleiche bzw. entsprechende Komponenten der Vorrichtung mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1 gekennzeichnet.
Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthalten die thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtungen 10 dieser Ausführungsvarianten jeweils ein Zusatzmodul 36n ohne eigenen Brenner, das zwischen zwei der mehreren Brennermodule 12n eingekoppelt ist. Die Anschlussflansche der Zusatzmodule 36n sind jeweils mit Durchgangsöffnungen 16 versehen, sodass die Innenräume der Zusatzmodule 36n mit den Brennräumen der benachbarten Brennkammern 14n verbunden sind und so gemeinsame Innenräume bilden.
In der Ausführungsvariante von 5A enthält das Zusatzmodul 36a keine speziellen Zusatzelemente, sondern nur einen Innenraum, durch den das Volumen des gemeinsamen Brennraums der Brennkammern 14n der mehreren Brennermodule 12a-d erweitert wird.
In der Ausführungsvariante von 5B sind an den Wänden des Zusatzmoduls 36b in Verbindungsrichtung zwischen den beiden angrenzenden Brennermodulen 12c und 12d ein oder mehr Kompensationselemente 37b vorgesehen, die eine thermische bedingte Veränderung der Dimensionierung der Brennermodule 12n kompensieren können, sodass die Gesamtgröße der Vorrichtung 10 auch bei starken Temperaturbelastungen im Wesentlichen gleichgehalten werden kann.
In der Ausführungsvariante von 5C enthält das Zusatzmodul 36c ein Wärmetauscherelement 37c, über das zumindest ein Teil Wärme vom Reingas im gemeinsamen Innenraum der mehreren Brennermodule 12a-d und des Zusatzmoduls 36c an irgendein anderes Fluid außerhalb der Vorrichtung 10 übertragen werden kann. Zum Beispiel können auf diese Weise Thermalöl-Zwischenkreise für zum Beispiel Heizanlagen, ORC-Arbeitsmedien, Prozessgase (z.B. Trocknerluft, Desorptionsluft, etc.) oder dergleichen erwärmt werden.
In der Ausführungsvariante von 5D enthält das Zusatzmodul 36d mehrere Wärmespeicher- und/oder Katalysatorelemente 37d, die einen Teil der Wärmeenergie aus dem Reingas im gemeinsamen Innenraum aufnehmen können und/oder eine Katalysatorfunktion zum Behandeln des Rohgases haben. Die so gespeicherte Wärme kann zum Beispiel für regenerative Alternativ- oder Zusatzprozesse, zur Verbesserung der Wiederstart-Eigenschaften der Vorrichtung 10 und dergleichen benutzt werden. Zusätzlich oder alternativ können die Zusatzelemente 37d dieses Zusatzmoduls 36d auch dem Adsorbieren oder Absorbieren von Schadstoffen (z.B. CO₂) aus dem gemeinsamen Innenraum dienen.
In der Ausführungsvariante von 5E enthält das Zusatzmodul 36e im unteren Bereich wenigstens ein Austragungselement 37e zum Austragen von Fluiden und/oder Partikeln (z.B. Feststoffe, Kondensate) aus dem gemeinsamen Innenraum. Diese Austragung kann dem Reinigen des modularen TARs 10 und einer effektiveren Behandlung des zu reinigenden Rohgases dienen.
In der Ausführungsvariante von 5F enthält das Zusatzmodul 36f ein Eindüsungselement 37f zum Eindüsen von Zusatzmitteln in den gemeinsamen Innenraum. Das Zusatzmittel ist zum Beispiel ein Hilfsstoff zur selektiven nichtkatalytischen Reduktion (SNCR) zum Beispiel zum Reinigen von stickstoffhaltigen Rohgasen. Bei Verwendung eines solchen Zusatzmoduls 36f kann auf weitere Eindüsungselemente an den Brennermodulen 12n verzichtet werden, insbesondere falls die Brennräume aller Brennermodule 12n miteinander und mit dem Innenraum des Zusatzmoduls 36f zu einem gemeinsamen Innenraum verbunden sind.
Während in den 5A bis 5F jeweils nur ein Zusatzmodul 36n in der modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung 10 eingekoppelt ist, können wahlweise auch zwei oder mehr Zusatzmodule 36n jeweils zwischen zwei Brennermodulen 12n in die Vorrichtung eingekoppelt werden. Im Fall von mehreren Zusatzmodulen 36n können diese unterschiedliche oder gleiche Zusatzfunktionen für die Vorrichtung 10 beinhalten. Während in den 5A bis 5F die Zusatzmodule 36n jeweils nur eine Zusatzfunktion beinhalten, können wahlweise auch Zusatzmodule mit mehreren Zusatzfunktionen verwendet werden. Der Fachmann wird neben den unter Bezug auf 5A bis 5F beschriebenen Zusatzfunktionen zudem noch weitere Zusatzfunktionen für die modulare Vorrichtung 10 erkennen, die durch Zusatzmodule bereitgestellt werden können. So kann das Zusatzmodul zum Beispiel auch eine Heißgasausleitung umfassen, sodass keines der Brennermodule 12n als Bypassmodul ausgebildet sein muss.
Bezugnehmend auf 6A bis 6D werden nun mehrere verschiedene weitere Ausführungsvarianten der oben beschriebenen modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung erläutert. Dabei sind gleiche bzw. entsprechende Komponenten der Vorrichtung wieder mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1 gekennzeichnet.
Im Unterschied zu den in 5A-F dargestellten Ausführungsvarianten enthalten die thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtungen 10 dieser Ausführungsvarianten jeweils ein Zusatzmodul 38n ohne eigenen Brenner, das an einem äußeren der mehreren Brennermodule 12n angekoppelt ist. Diese äußeren Zusatzmodule 38n können grundsätzlich dieselben Zusatzfunktionen wie die oben beschriebenen inneren Zusatzmodule 36n haben.
In der Ausführungsvariante von 6A enthält das Zusatzmodul 38a keine speziellen Zusatzelemente, sondern nur einen Innenraum, durch den das Volumen des gemeinsamen Brennraums der Brennkammern 14n der mehreren Brennermodule 12a-d erweitert wird. In der Ausführungsvariante von 6B enthält das Zusatzmodul 38b ein Wärmeübertragungselement 39b, welches in den gemeinsamen Brennraum der Brennermodule 12n hineinragt, um zumindest einen Teil Wärme vom Reingas an irgendein anderes Fluid außerhalb der Vorrichtung 10 zu übertragen. In der Ausführungsvariante von 6C enthält das Zusatzmodul 38c ein Eindüsungselement 39c, welches in die Brennräume der mehreren Brennermodule 12n hineinragt, um Zusatzmittel einzudüsen. In der Ausführungsvariante von 6D enthält das Zusatzmodul 38d ein Austragungselement 39d, welches im unteren Bereich in die Brennkammern 14n der Brennermodule 12n hineinragt, um Fluide und/oder Partikel (z.B. Feststoffe, Kondensate) aus den Brennkammern 14n auszutragen.
Während in den 6A bis 6D jeweils nur ein Zusatzmodul 38n an die modulare thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung 10 angekoppelt ist, können wahlweise auch zwei Zusatzmodule 38n an den beiden äußeren Brennermodulen 12a, 12d angekoppelt werden. In diesem Fall können die zwei Zusatzmodule 38n unterschiedliche oder gleiche Zusatzfunktionen für die Vorrichtung 10 beinhalten. Während in den 6A bis 6D die Zusatzmodule 38n jeweils nur eine Zusatzfunktion beinhalten, können wahlweise auch Zusatzmodule mit mehreren Zusatzfunktionen verwendet werden. Der Fachmann wird neben den unter Bezug auf 6A bis 6D beschriebenen Zusatzfunktionen zudem noch weitere Zusatzfunktionen für die modulare Vorrichtung 10 erkennen, die durch Zusatzmodule bereitgestellt werden können. Diesbezüglich sind insbesondere auch alle oben in Bezug auf die inneren Zusatzmodule 36n erwähnten Zusatzfunktionen möglich.
Während in den obigen Ausführungsvarianten von 5A bis 5F jeweils nur ein inneres Zusatzmodul 36n vorhanden ist und in den obigen Ausführungsvarianten von 6A bis 6D jeweils nur ein äußeres Zusatzmodul 38n vorhanden ist, besteht im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, diese beiden Konzepte zu kombinieren. D.h. Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen TAR 10 können optional auch wenigstens ein inneres Zusatzmodul 36n und wenigstens ein äußeres Zusatzmodul 38n aufweisen. Die inneren und äußeren Zusatzmodule 36n, 38n können in diesem Fall wahlweise unterschiedliche oder gleiche Zusatzfunktionen für die TAR 10 beinhalten.
Wie in 1 bis 6 dargestellt, sind die Brennermodule 12n in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel und auch in den oben beschriebenen Ausführungsvarianten jeweils in einer im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsform strukturiert und über die Anschlussflansche 15 entlang einer im Wesentlichen geraden Linie (jeweils Links-Rechts-Richtung in den Figuren) aneinandergekoppelt.
Bezugnehmend auf 7A und 7B wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen modularen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung erläutert. Im Gegensatz zu 1 bis 5 haben die Brennermodule 12n jeweils eine tortenstückartige Querschnittsform, sodass sie über die Anschlussflansche entlang einer im Wesentlichen kreisförmigen Linie aneinander koppelbar sind. Hierdurch ergibt sich eine andere Gesamtstruktur, die je nach Anwendungsfall vorteilhafter sein kann. Im Ausführungsbeispiel von 7A-B ergibt sich so eine hexagonale Gesamtstruktur. In anderen möglichen Varianten sind aber auch andere polygonale Strukturen möglich.
Wie insbesondere in 7A ersichtlich, haben die Brennermodule 12n bei dieser tortenstückartigen Querschnittsform eine breitere Außenseite und eine schmalere Innenseite und dementsprechend schräg verlaufende Anschlussflansche 15 zwischen benachbarten Brennermodulen. Optional kann zentral zwischen den Brennermodulen 12n ein Fluidkanal 11 integriert sein, sodass eine Wärmeübertragung auf ein diesen durchströmendes Fluid ermöglicht werden kann. Wie in 7B veranschaulicht, können bei dieser Strukturform die Brennermodule 12n ferner auf Führungsschienen 33 gelagert sein, über die sie in radialer Richtung verschiebbar sind.
Der Aufbau und die Funktionsweise der Brennermodule 12n sind relativ zum obigen Ausführungsbeispiel der 1 bis 6 außer der Strukturform im Wesentlichen unverändert. D.h. die Brennermodule 12n haben insbesondere ebenfalls Brennkammern und Brenner und bevorzugt auch einen gemeinsamen Brennraum und optional wenigstens ein inneres Zusatzmodul. Bezüglich weiterer Einzelheiten und möglicher Varianten wird einfach auf die obigen Erläuterungen zu 1 bis 6 verwiesen, um umfangreiche Wiederholungen zu vermeiden.
Die oben beschriebene modulare thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung 10 der Erfindung (gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen und -varianten) kann in vorteilhafter Weise zum Beispiel für Werkstückbehandlungsanlagen, insbesondere zum Trocknen und/oder Härten von lackierten / beschichteten / geklebten Werkstücken (z.B. Karosserien oder Karosserieteile) verwendet werden. Die modulare TAR 10 kann aber zum Beispiel auch zur Schwachgasverbrennung (z.B. im Deponie- oder Biogas-Umfeld, etc.) oder zum Erzeugen von Inertgas zur Desorption von Zeolithkonzentratoren oder vergleichbaren Anwendungen eingesetzt werden.
8 zeigt beispielhaft eine mögliche Verwendung der erfindungsgemäßen thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung als TAR-System in einer Werkstückbehandlungsanlage 40 zum Trocknen und/oder Härten von lackierten / beschichteten / geklebten Werkstücken (z.B. Karosserien oder Karosserieteile). Natürlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 auch in anderen Strukturen von Werkstückbearbeitungsanlagen 40 in vorteilhafter Weise eingesetzt werden.
Die Werkstückbearbeitungsanlage 40 weist eine Prozesskammer 42 mit mehreren Zonen zum Aufnehmen von zu bearbeitenden Werkstücken auf, wobei die Prozesskammer 42 mit wenigstens einer Frischluftleitung 44 zum Einleiten von Frischluft in die Prozesskammer verbunden ist. Im Anwendungsbeispiel von 8 ist die Prozesskammer 42 mit zwei Zonengruppen ausgestaltet und deshalb mit zwei Abluftleitungen 48 zum Ausleiten von zu reinigender Abluft aus den beiden Prozesskammer-Zonengruppen versehen. Außerdem ist die Prozesskammer 42 in dieser Ausführungsform mit mehreren Umluftkreisläufen 50 zum Ausleiten und Wiedereinleiten von Umluft aus der / in die Prozesskammer verbunden. In dieser Werkstückbearbeitungsanlage 40 können zwei modulare thermische Rohgasbehandlungsvorrichtungen 10 der Erfindung eingesetzt werden, deren Rohgaseingänge 21 n jeweils mit einer der beiden Abluftleitungen 48 verbunden sind.
Die Umluftkreisläufe 50 sind vorzugsweise jeweils mit einem Umluftrekuperator 51 ausgestattet, in dem jeweils ein Ventilator 52 zum Fördern der Umluft und ein Umluft-Wärmeübertrager 53 enthalten sind. Die Reingasausgänge 22n der beiden modularen TARs 10 sind jeweils mit einer Reingasableitung 23 verbunden, die durch eine Gruppe der Umluftrekuperatoren 50 verläuft, in denen Wärme vom Reingas auf die Umluft übertragen wird, und optional auch noch durch einen Frischluft-Wärmeübertrager 45 verläuft, in dem Restwärme vom Reingas auf die Frischluft übertragen wird. Anstelle des Umluft-Wärmeübertragers 53 können die Umluftrekuperatoren 51 alternativ auch eine Umluft-Mischkammer enthalten, über die zumindest ein Teil des Reingases dem Umluftstrom beigemischt wird. Es sei vorsorglich darauf hingewiesen, dass die Umluftkreisläufe 50 mit ihren Umluftrekuperatoren 51 in 8 nur schematisch dargestellt sind, ohne die konkreten Positionierungen und Verbindungen ihrer Komponenten zu bestimmen und ohne mögliche weitere Komponenten (z.B. Drosselklappen, Messvorrichtungen, etc.) zu zeigen.
In anderen Anwendungen können auch nur eine TAR 10 oder mehr als zwei TARs 10 in der Werkstückbearbeitungsanlage 40 verwendet werden. Im Fall von mehreren TARs 10 können diese mit gleichen oder verschiedenen Anzahlen von Brennermodulen ausgestattet sein.
Neben der in 8 beispielhaft veranschaulichten Verwendung, kann die erfindungsgemäße thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung 10 grundsätzlich für beliebige Anwendungen / Behandlungen / Anlagen eingesetzt werden. Die thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung kann insbesondere als thermische Abluftreinigungsvorrichtung (TAR) oder als thermische Nachverbrennungsanlage (TNV), zum Beispiel zum Reinigen von Schadstoffen aus einer Prozessluft per Oxidation, eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

10: thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung
11: Fluidkanal
12n: Brennermodule
13: Gaszugänge
14n: Brennkammern
15: Anschlussflansch
16: Durchgangsöffnung
17: Abschlussflansch
18: Brenner-Anschlussflansch
19: Brenner
20: Rohgaszuleitung
21: Rohgaseingänge
22: Reingasausgänge
23: Reingasableitung
24: Heißgasausgang
25: Heißgasableitung
26n: Ventilvorrichtungen
27a,b: Strömungsregler
28: Luftmengenerfassungsvorrichtung
29: Wärmeübertragungssystem
30: Grundrahmen
31: Gleitlager
32: Erweiterungsrahmen
33: Führungsschienen
34: Temperaturerfassungsvorrichtung
35: Eindüsungsvorrichtung für Zusatzmittel
36n: Zusatzmodul (zwischen Brennermodulen)
37n: Zusatzelemente der Zusatzmodule 36n
38n: Zusatzmodul (an äußerem Brennermodul)
39n: Zusatzelemente der Zusatzmodule 38n
40: Werkstückbearbeitungsanlage
42: Prozesskammer
44: Frischluftleitung
45: Frischluft-Wärmeübertrager
48: Abluftleitung
50: Umluftkreisläufe
51: Umluftrekuperatoren
52: Ventilatoren
53: Umluft-Wärmeübertrager

Claims

Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10), aufweisend: mehrere Brennermodule (12n), die jeweils aufweisen: eine Brennkammer (14n) mit einem Brennraum zum thermischen Behandeln eines Rohgases darin; einen an die Brennkammer (14n) angeschlossenen Brenner (19) zum Verbrennen von im zu reinigenden Rohgas enthaltenen Schadstoffen; einen Rohgaseingang (21) zum Einleiten des zu reinigenden Rohgases durch den Brenner (19) in die Brennkammer (14n); und einen Reingasausgang (22) zum Ausleiten eines gereinigten Reingases, wobei die mehreren Brennermodule (12n) jeweils über Anschlussflansche (15) aneinandergekoppelt sind; und wobei die mehreren Rohgaseingänge (21) der mehreren Brennermodule (12n) wahlweise einzeln oder gruppenweise an eine jeweilige Rohgaszuleitung (20) angeschlossen werden können, und die mehreren Reingasausgänge (22) der mehreren Brennermodule (12n) wahlweise einzeln oder gruppenweise an eine jeweilige Reingasableitung (23) angeschlossen werden können.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei welcher zumindest ein Teil der Anschlussflansche (15) der mehreren Brennermodule (12n) jeweils eine Durchgangsöffnung (16) aufweist, um die Brennräume der Brennkammern (14n) von jeweiligen aneinander gekoppelten Brennermodulen (12n) zu einem gemeinsamen Brennraum miteinander zu verbinden.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die mehreren Brennermodule (12n) jeweils ferner einen Gaszugang (13) zum Einleiten eines Brennstoffes in den jeweiligen Brenner (19) und/oder einen Zugang zum Einleiten eines flüssigen Brennstoffes in den jeweiligen Brenner (19) aufweisen.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher an den Rohgaseingängen (21) der Brennermodule (12n) jeweils eine Ventilvorrichtung (26n) zum wahlweisen Öffnen, Drosseln und/oder Schließen des jeweiligen Rohgaseingangs (21) vorgesehen ist, wobei die Ventilvorrichtungen (26n) unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Brenner (19) der mehreren Brennermodule (12n) einzeln oder gruppenweise unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend wenigstens eine Luftmengenerfassungsvorrichtung (28) zum Erfassen einer Gesamtluftmenge des zu reinigenden Rohgases.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Brennermodule (12n) auf einem gemeinsamen Grundrahmen (30) getragen werden, wobei wenigstens eines der mehreren Brennermodule (12n) über ein Gleitlager (31) auf dem Grundrahmen (30) gelagert ist.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 7, bei welcher an dem Grundrahmen (30) ein Erweiterungsrahmen (32) angebracht ist, über den die Brennermodule (12n) mittels der Gleitlager (31) auseinandergeschoben werden können.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Brenner (19) wenigstens eines Brennermoduls (12n) ein Wärmeübertragungssystem (29) zur Wärmeübertragung vom ausströmenden Reingas auf einströmendes Rohgas und/oder einströmenden Brennstoff integriert hat.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher wenigstens ein Brennermodul (12e) der mehreren Brennermodule (12n) ferner einen Heißgasausgang (24) zum Ausleiten eines Heißgases aus der jeweiligen Brennkammer (14e) aufweist, der an eine Heißgasleitung (25) angeschlossen werden kann.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Brenner (19) jeweils oben an der jeweiligen Brennkammer (14n) angeschlossen sind und nach unten in die jeweilige Brennkammer (14n) hineinragen.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher wenigstens eines der mehreren Brennermodule (12n) eine Eindüsungsvorrichtung (35) zum Eindüsen eines Zusatzmittels für den Reinigungsvorgang des Rohgases in die jeweilige Brennkammer (14n) aufweist.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher wenigstens eines der mehreren Brennermodule (12n) wenigstens eine Temperaturerfassungsvorrichtung zur Temperaturerfassung in der jeweiligen Brennkammer (14n) oder in der Durchgangsöffnung (16) zur benachbarten Brennkammer aufweist.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Brenner (19) der Brennermodule (12n) jeweils eine im Wesentlichen kreisförmige oder elliptische oder polygonale Querschnittsform haben.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend wenigstens ein Zusatzmodul (36n) ohne Brenner, das zwischen zwei der mehreren Brennermodule (12n) angekoppelt ist und dessen Innenraum über Durchgangsöffnungen (15) mit den Brennräumen der benachbarten Brennkammern (14n) zum Bilden eines gemeinsamen Innenraums verbunden ist und das wenigstens eine Zusatzfunktion aufweist, die ausgewählt ist aus: a) Vergrößern des gemeinsamen Brennraums der Brennkammern (14n); b) Kompensieren von Dimensionsveränderungen der Vorrichtung (10); c) Wärmeübertragung vom Reingas im gemeinsamen Innenraum auf ein anderes Fluid außerhalb der Vorrichtung (10); d) Heißgasausleitung; e) Wärmespeicherung; f) Katalysator; g) Austragen von Fluiden und/oder Partikeln aus dem gemeinsamen Innenraum; h) Eindüsen von Zusatzstoffen in den gemeinsamen Innenraum; und i) Adsorbieren oder Absorbieren von Schadstoffen aus dem Innenraum.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend wenigstens ein Zusatzmodul (38n) ohne Brenner, welches an ein äußeres der mehreren Brennermodule (12n) angekoppelt ist und das wenigstens eine Zusatzfunktion aufweist, die ausgewählt ist aus: a) Vergrößern des Brennraums der benachbarten Brennkammer; b) Kompensieren von Dimensionsveränderungen der Vorrichtung (10); c) Wärmeübertragung vom Reingas im Brennraum der benachbarten Brennkammer auf ein anderes Fluid außerhalb der Vorrichtung (10); d) Heißgasausleitung; e) Wärmespeicherung; f) Katalysator; g) Austragen von Fluiden und/oder Partikeln aus dem Brennraum der benachbarten Brennkammer; h) Eindüsen von Zusatzstoffen in den Brennraum der benachbarten Brennkammer; und i) Adsorbieren oder Absorbieren von Schadstoffen aus dem Brennraum der benachbarten Brennkammer.
Thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Brennermodule (12n) jeweils eine rechteckige Querschnittsform haben und entlang einer geraden Linie aneinandergekoppelt sind oder jeweils eine tortenstückartige Querschnittsform haben und entlang einer kreisförmigen Linie aneinandergekoppelt sind.
Werkstückbearbeitungsanlage (40), aufweisend: eine Prozesskammer (42) zum Aufnehmen von zu bearbeitenden Werkstücken, wobei die Prozesskammer (42) mit wenigstens einer Abluftleitung (48) zum Ausleiten von zu reinigender Abluft aus der Prozesskammer verbunden ist; und wenigstens eine thermische Rohgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rohgaseingänge (21) der mehreren Brennermodule (12a) jeweils an eine der wenigstens einen Abluftleitung (48) angeschlossen sind.
Verfahren zum Betreiben der thermischen Rohgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, aufweisend wenigstens einen der folgenden Schritte: a) Inbetriebnahme einer Anzahl der Brennermodule (12n) entsprechend der zu behandelnden Rohgasmenge; b) Abschalten wenigstens eines der mehreren Brennermodule (12n), falls eine Rohgasmenge einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet; c) Betreiben der Brennermodule (12n) wechselweise im Teillastbetrieb; d) Spülen des gemeinsamen Brennraums von benachbarten Brennkammern (14n); e) Vorbelüften des gemeinsamen Brennraums von benachbarten Brennkammern (14n); f) nach einem Abschalten eines Brennermoduls (12n) Spülen des jeweiligen Brenners (19) mit Luft ohne Brennstoffzumischung; und g) Betreiben eines Teils der Brennermodule (12n) mit Rohgaszufuhr zum Brenner und eines anderen Teils der Brennermodule (12n) mit Frischluftzufuhr zum Brenner.
Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem bei Nichterreichen oder Unterschreiten eines Temperaturgrenzwertes im gemeinsamen Brennraum der gemeinsame Brennraum durch Inbetriebnahme eines Aufheizbrenners (19) oder einer anderen Aufheizeinrichtung mit Wärmeenergie versorgt wird.