DE19608796C2 - Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Reinigung eines sauerstoffhaltigen Abgases - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Reinigung eines sauerstoffhaltigen Abgases, wobei das Abgas einer mittels eines Brenners direkt beheiz­ ten Brennkammer zugeführt und der Brenner mit einem Brenn­ gas, vorzugsweise Erdgas, betrieben wird.

Solche Vorrichtungen und Verfahren sind bekannt (z. B. EP 0 463 839 A2; DE 26 03 492 A1; EP 0 235 277 B1). Sie dienen z. B. dazu, die mit Lösemitteldämpfen versetzte Abluft aus Lackier-, Beschichtungs- oder auch Tiefdruck-Betrieben zu reinigen, d. h. die Lösemittel und andere in der Regel or­ ganische Substanzen oxidativ in die nicht-toxischen Verbin­ dungen Kohlendioxid und Wasserdampf umzuwandeln, wenn eine Lösemittel-Rückgewinnung nicht möglich oder nur zu wirt­ schaftlich nicht vertretbaren Kosten realisierbar ist.

Diese meist als "thermische Nachverbrennung" bezeichnete Art der Abgasreinigung hat sich insbesondere in den genann­ ten Fällen bei der Emissionsminderung bewährt. Dabei wird das zu reinigende Abgas - wie später noch erläutert, direkt in die Brennzone des Brenners geleitet, so daß sich eine relativ große Flamme ausbildet, in welcher das Abgas verbrannt wird. Allerdings bilden sich dabei als Treibhausgase unerwünschte Stickoxide in teilweise erheblichen Mengen.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche eine oxidative Abluftreinigung mit minimalem Stickoxidauswurf ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 bzw. einer Vorrichtung mit den Merk­ malen des Anspruchs 3.

Das Verfahren kann vorteilhaft so durchgeführt werden, daß die Temperatur der aus der Brennkammer austretenden Gase gemessen und die dem Abgas vor dessen Eintritt in die Brennkammer zuzumischenden Teilmenge des Brenngases in Abhängigkeit von dem gemessenen Temperaturwert gesteuert wird.

Bei der in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildeten Vor­ richtung kann die Steuerung automatisch erfolgen, wenn eine Temperatur-Meßvorrichtung zur Messung der Temperatur der aus der Brennkammer austretenden Gase und eine Steuer­ einrichtung vorgesehen ist, welche über entsprechende Ven­ tilmittel die Verteilung des insgesamt der Brennkammer zu­ geführten Brenngases auf den Brenner und den Vormischraum steuert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur oxi­ dativen Abgasreinigung zeigt, bei wel­ cher die Vormischung von Brenngas und Abgas in einem unmittelbar vor dem Brenner angeordneten Vormischraum er­ folgt;

Fig. 2 den Anfahrbetrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erläutert, wobei noch kein Abgas der Brennkammer bzw. dem Vormischraum zugeführt wird;

Fig. 3 den Reinigungsbetrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 1 schematisch illustriert, wobei die dem Abgas in dem Vormisch­ raum zugemischte Menge Brenngas über die Austrittstemperatur der Gase aus der Brennkammer gesteuert wird;

Fig. 4 eine Prinzipskizze ist, die das Grund­ prinzip der Stickoxidminimierung durch Reduzierung der Flammengröße erklärt;

Fig. 5 schematisch ein herkömmliches Verfah­ ren zur thermischen Nachverbrennung zeigt;

Fig. 6 schematisch ein abgewandeltes Durch­ führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, wobei das zu reinigende Abgas mit einem Teil des Brenngases vor dem Eintritt in den Brennervorraum erfolgt und

Fig. 7 einen Brenner und eine Leitungsanord­ nung zum Einspeisen eines Teils des Brenngases in den Vormischraum zeigt.

In den Fig. 1 bis 3 ist schematisch eine in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur oxidativen Reinigung eines über eine Leitung 12 der Vorrichtung 10 zu­ geführten Abgases in verschiedenen Betriebszuständen, näm­ lich im Ruhezustand (Fig. 1), im Anfahrbetrieb (Fig. 2) und im Reinigungsbetrieb (Fig. 3) gezeigt. Die Vorrichtung besteht dabei aus der im wesentlichen thermisch isolierten und mit einer Leitung 14 zum Ausleiten von Gasen versehenen Brennkammer 16 und dem Brennkammer-Vorraum 18, die über Durchtrittsöffnungen 20, von denen aus Gründen der Über­ sichtlichkeit nur einige mit Bezugszeichen versehen wurden, in dem Korb 22 des hier als Korbbrenner ausgebildeten Bren­ ners 24 miteinander verbunden sind.

Der Brenner 24 kann über eine Leitung 26 mit Brenngas, z. B. Erdgas, versorgt werden, wobei zur Steuerung der dem Bren­ ner zugeleiteten Brenngasmenge des Ventil 28 in die Leitung 26 eingeschaltet ist. Von der Brenngasleitung 26 zweigt vor dem Ventil 28 eine Leitung 30 ab, die sich nach einem Ven­ til 32 auf eine Anzahl von in dem Brennkammer-Vorraum 18 mündenden Zumischleitungen 34 verzweigt. Bei geöffnetem Ventil 32 kann damit dem Brennkammer-Vorraum 18 Brenngas zugeführt werden, welches sich mit einem über die ebenfalls in dem Brennkammer-Vorraum 18 mündenden Leitung 12 zuge­ führten Abgas vermischen kann, so daß der Brennkammer-Vor­ raum 18 hier als Vormischraum dient.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt: Im Anfahr­ betrieb (Fig. 2) ist das Ventil 32 geschlossen, und über die Leitung 12 wird noch kein Abgas in den Brennkammer-Vor­ raum 18 eingeleitet, sondern ein anderes sauerstoffhaltiges Gas, z. B. Umgebungsluft. Das Ventil 28 ist weit geöffnet und es bildet sich in dem Brennerkorb 22 eine bis weit in die Brennkammer 16 reichende Flamme aus, wodurch sich in der Brennkammer 16 und in dem die Brennkammer 16 über die Leitung 14 verlassenden Gas schnell ein gewünschter hoher Temperaturwert (in der Regel im Bereich zwischen 750 und 900°C) einstellt, der von einer die Austrittstemperatur des Gases in der Leitung 14 messenden Temperatur-Meßvor­ richtung 36 ermittelt und über eine hier nicht weiter gezeigte, an sich bekannte Steuereinrichtung zur Steuerung der Ventile 28 und 32 verwendet wird. Dabei wird während des Anfahrbetriebes, während dessen die Brennkammer aufge­ heizt und noch kein Abgas gereinigt wird, lediglich das Ventil 28 mehr oder weniger weit geöffnet, während das Ven­ til 32 während des gesamten Anfahrbetriebes geschlossen bleibt. Die gestrichelte Verbindungslinie zwischen Tempera­ tur-Meßvorrichtung 15 und Ventil 28 symbolisiert deren regelungstechnische Kopplung.

Wenn schließlich ein bestimmter vorgegebener Temperaturwert erreicht ist (Fig. 3), wird anstelle des sonstigen sauer­ stoffhaltigen Gases über die Leitung 12 das zu reinigende, sauerstoffhaltige Abgas dem Brennkammer-Vorraum 18, der jetzt als Vormischraum dient, zugeführt und das Ventil 32 geöffnet, so daß sich Abgas und die über die Leitung 30 bzw. die Zuleitungen 34 zugeführte Teilmenge des Brenngases in dem in der Fig. 3 zur Verdeutlichung schraffierten Vor­ mischraum 18 vermischen können, bevor sie durch die Öffnun­ gen in dem Brennerkorb 22 in die Brennkammer 16 übertreten. Zur Aufrechterhaltung der Temperaturen in dem Brennraum wird jetzt nur noch eine relativ kleine Stützflamme benö­ tigt, so daß nur etwa 5 bis 10% des gesamten Brenngas- Mengenstromes über das Ventil 28 dem Brenner 24 zugeführt werden. Die exotherm verlaufende Oxidationsreaktion findet vorwiegend in der vorzugsweise aus thermisch isolierenden Wänden aufgebauten Brennkammer 16 statt, wobei die Auf­ rechterhaltung einer möglichst konstanten Abgastemperatur über die Steuerung der dem Abgas in dem Vormischraum 18 zu­ gemischten Brenngasmenge erfolgt. Dementsprechend wird das Ventil 32 in Abhängigkeit von den von der Temperatur-Meß­ vorrichtung 36 gemessenen Werten mehr oder weniger weit geöffnet, wobei die gestrichelte Linie die Kopplung dieser beiden Funktionseinheiten veranschaulichen soll. Da die Oxidationsreaktion vorwiegend in der Brennkammer 16 und nicht in der nur kleinen Flamme im Brennerkorb 22 abläuft, wird die sogenannte "Prompt"-NO_x-Bildung, die in der Flam­ menfront stattfindet, weitgehend unterdrückt. Da zudem bei den in einer solchen thermischen Nachverbrennungsvorrich­ tung üblichen, obengenannten Temperaturen zwischen 750 und 900°C die sogenannte "thermische" NO_x-Bildung vernachläs­ sigbar ist, lassen sich mit einer solchen Vorrichtung extrem niedrige Stickoxid-Konzentrationen im aus der Brenn­ kammer 16 über die Leitung 14 ausgeleiteten Gas, dem soge­ nannten Reingas, erzielen.

Da die Stickoxide hauptsächlich in der Zone der Flammenver­ brennung gebildet werden, ist es also erfindungswesentlich, die aus dem Brenner austretende Flamme möglichst klein zu halten. Im Reinigungsbetrieb erfolgt dies unter Bezugnahme auf Fig. 4 wie folgt: Das dem Brenner 24 über die Leitung 26 zugeführte Brenngas, also z. B. Erdgas, wird unter "fetten" Bedingungen derart oxidiert, daß sauerstoffhalti­ ges Abgas stufenweise (entsprechend der Lage der Öffnungen 20 im Brennerkorb 22) zugeführt wird. Das über die Zumischleitungen 34 in den Vormischraum 18 eingeleitete Brenngas vermischt sich dort mit dem über die Leitungen 12 zugeführten Abgas vor dem Eintritt in den Brennraum 16 und wird dadurch so weit verdünnt, daß es als "zündunwilliges" Gemisch (Gemisch außerhalb der Zündgrenze) anzusehen ist und deshalb nicht als Flamme, sondern lediglich im Brenn­ raum in der Gasphase oxidiert (flammenlose Oxidation). Es bilden sich also innerhalb der Brennkammer 16 zwei Zonen A und B aus, wobei A die Zone des zündwilligen, B die Zone des zündunwilligen Gemischs darstellt. Das Abgas muß im übrigen nicht mit einem bestimmten Druck in den Brennraum eingeblasen werden, lediglich der Druckverlust des Brennerkorbes (in der Größenordnung von 10 bis 15 mbar) ist zu überwinden.

In den Fig. 5 und 6 sind schematisch ein herkömmliches Brennerverfahren zur thermischen Nachverbrennung und ein weiteres Durchführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens einander gegenübergestellt. Während bei dem her­ kömmlichen Verfahren (Fig. 5) das zu reinigende Abgas über die Leitungen 52 einer Vorkammer 54 zugeführt und durch Öffnungen 56 in den Brennerkorb 58 eines über eine Leitung 60 mit Brenngas versorgten Brenners 62 gedrückt und dort zur Oxidation gebracht wird, wodurch eine relativ großvolu­ mige Flamme entsteht, wird bei dem in Fig. 6 gezeigten neuen Verfahren nur noch ein sehr geringer Teil des Brenn­ gases über die Leitung 60 dem Brenner 62 zugeführt und dort gezündet, so daß sich im Vergleich zum herkömmlichen Ver­ fahren nur eine sehr kleine Flamme ausbildet. Das Gros der zur Oxidation des Abgases notwendigen Brenngasmenge wird hierbei über die Leitungen 64 dem Abgas schon vor dessen Eintritt in die Vorkammer 54 zugemischt, wozu an der Stelle der Einmündungen der Leitungen 64 in die Abgasleitungen 52 ein entsprechender Vormischraum 66 zur Mischung der beiden Gasströme in an sich bekannter Weise ausgebildet ist. Das mit Brenngas vermischte Abgas kann dann vor dem Eintreten in die Vorkammer und dem von dort über die Öffnungen 56 er­ folgenden Übertreten in die Brennkammer 68 in an sich bekannter Weise mittels sogenannter Abgasvorwärmer erwärmt werden.

Beiden Verfahren ist gemein, daß die Temperatur des die Brennkammer 68 verlassenden Reingases möglichst auf einem vorgegebenen Sollwert konstant gehalten werden soll. Dazu wird die Temperatur des die Brennkammer 68 über die Leitung 70 verlassenden Reingasstromes mittels einer entsprechenden Temperatur-Meßvorrichtung 72 gemessen. Während bei dem her­ kömmlichen Verfahren nun in Abhängigkeit von dem gemessenen Temperaturwert die dem Brenner 62 zugeführte Brenngasmenge über das Ventil 74 geregelt wird, ist bei dem neuen Verfah­ ren gemäß Fig. 6 die dem Brenner im Abluftbetrieb zur Auf­ rechterhaltung der relativ kleinen Stützflamme zugeführte Brenngasmenge konstant. In Abhängigkeit von den von der Temperatur-Meßvorrichtung 72 gemessenen Werten wird hierbei vielmehr der dem Abgas über die Leitungen 64 zugeführte Brenngas-Mengenstrom geregelt, wozu das Ventil 76 dient. Diese unterschiedliche Regelung wird durch die strichpunk­ tierte Verbindungslinie zwischen der Temperatur-Meßvorrich­ tung 72 und dem Ventil 74 (Fig. 5) bzw. dem Ventil 76 (Fig. 6) angedeutet.

In der Fig. 7 sind ein Brenner 80 und die in einem Vor­ mischraum 82 mündenden Zumischleitungen 84 einer erfin­ dungsgemäßen, hier ansonsten nur durch die gestrichelten Linien angedeuteten Vorrichtung zur thermischen Nachver­ brennung gezeigt. Brenngas wird dabei über die Leitung 86 und die von dieser Leitung abzweigende Leitung 88 dem Bren­ ner 80 bzw. den Zumischleitungen 84 zugeführt, wobei zur Steuerung der jeweiligen Brenngas-Mengenströme die oben beschriebenen (vgl. z. B. Fig. 1) und deshalb hier nicht weiter gezeigten Ventile in den jeweiligen Leitungen ange­ ordnet sind. Die Leitung 88 mündet in dem Brenngasverteiler 90, welcher im hier gezeigten Ausführungsbeispiel als kreisförmige Ringleitung ausgebildet ist. Von diesem Brenn­ gasverteiler 90 zweigen jeweils in gleichem Winkelabstand zueinander mehrere Zumischleitungen 84 ab, die in dem Vor­ mischraum 82 münden, in welchen das durch sie zugeführte Brenngas mit dem über die Leitungen 92 dem Vormischraum 82 zugeführten Abgas vermischt wird.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwand­ lungen und Weiterbildungen möglich, die sich z. B. auf den Brenner beziehen. So ist es z. B. möglich, anstelle der gezeigten Korbbrenner auch sogenannte Punktbrenner zu ver­ wenden. Erfindungswesentlich ist jedenfalls, daß dem zu reinigenden Abgas ein Teil des Brenngases bereits vor Eintritt in die Brennkammer beigemischt wird, so daß sich nur eine relativ kleine Flamme ausbildet und die Oxidations­ reaktion von Brenngas und den in dem Abgas befindlichen organischen Verbindungen vornehmlich als Gasphasenoxidation erfolgt.

Claims (6)

1. Verfahren zur thermischen Reinigung eines sauerstoff­ haltigen Abgases, wobei das Abgas einer mittels eines Bren­ ners direkt beheizten Brennkammer zugeführt und wobei der Brenner mit einem Brenngas, vorzugsweise Erdgas, betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas vor der Einleitung in die Brennkammer mit einer Teilmenge der Menge des insgesamt eingeleiteten Brenngases vermischt und der Brennkammer zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der aus der Brennkammer austretenden Gase gemessen wird und daß die dem Abgas vor dessen Eintritt in die Brennkammer zuzumischenden Teilmenge des Brenngases in Abhängigkeit von dem gemessenen Temperaturwert gesteuert wird.

3. Vorrichtung (10) zur thermischen Reinigung eines sau­ erstoffhaltigen Abgases mit einem in einer Brennkammer (16) mündenden, mittels eines Brenngases betreibbaren Gasbrenner (24) und Mitteln (12, 20) zum Einleiten des zu reinigenden Abgases in die Brennkammer (16), dadurch gekennzeichnet, daß ein Vormischraum (18) vorgesehen ist, in welchem eine Zuleitung (34) für einen Teil des insgesamt der Brenn­ kammer (16) zuführbaren Brenngases und eine Zuleitung (12) für das Abgas münden und welcher über wenigstens einen Aus­ laß (20) für die eingeleiteten Gase zur Brennkammer (16) verfügt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (16) einen Auslaß (14) für die einge­ leiteten Gase aufweist und daß eine Temperatur-Meßvorrich­ tung (36) zur Messung der Temperatur der aus der Brenn­ kammer (16) austretenden Gase vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Temperatur-Meßvorrichtung (36) gekoppelte Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche über entsprechende Ventilmittel (28, 32) die Verteilung des insgesamt der Brennkammer (16) zuführbaren Brenngases auf den Brenner (24) und den Vormischraum (18) steuert.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Abgasvorwärmung vorgesehen ist, mittels welcher das mit einem Teil des Brenngas-Mengenstromes vermischte Abgas vorwärmbar ist.