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Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Anlage zur regenerativen Nachverbrennung von Schadstoffen in Abgasen aus Industrieanlagen.
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Eine regenerative Nachverbrennung (RNV) stellt eine thermische Nachverbrennung (TNV) oder katalytische Nachverbrennung (KNV) von in Abgasen enthaltenen Schadstoffen mit einer integrierten Wärmerückgewinnung dar. Die Abgase werden je nach Art und Zusammensetzung der zu entfernenden Bestandteile auf Temperaturen im Bereich von etwa 700 bis etwa 1000°C erhitzt und in einem integrierten Brennraum verbrannt (oxidiert). Dabei soll der Schadstoffgehalt in den Abgasen so weit herabgesenkt werden, dass er die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte nicht mehr überschreitet. Die so gereinigten Abgase können direkt in die Atmosphäre entlassen werden. In RNV-Anlagen wird die bei der Nachverbrennung der Schadstoffe entstandene Wärme in Regeneratoren gespeichert und zur Erwärmung der zu reinigenden Abgase wiederverwendet.
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Aus der
DE 10 2009 055 942 A1 ist beispielsweise eine RNV-Anlage zur Reinigung von Abgasen, insbesondere aus der Zementklinkerherstellung bekannt, in welcher unter anderem Kohlenwasserstoffe durch Oxidation entfernt werden. Die RNV-Anlage verfügt über mindestens zwei mit Wärmespeicherkörpern gefüllte und durch eine Brennkammer verbundene Regeneratoren. Das zu reinigende Abgas wird in einem ersten aufgeheizten Regenerator erwärmt und anschließend in der Brennkammer einer Nachverbrennung unterzogen, bevor das gereinigte heiße Abgas über einen zweiten Regenerator abgezogen wird, wo ihm ein Teil seines Wärmeinhaltes entzogen wird. Danach erfolgt eine Umkehrung des Abgasflusses durch die RNV-Anlage. Vorzugsweise ist wenigstens ein weiterer Regenerator vorgesehen, der während des Zyklus mit Reingas gespült wird. Mittels des dritten Regenerators soll verhindert werden, dass bei der Umschaltung unbehandeltes Abgas an die Umgebung abgegeben werden kann. Die Regeneratoren sind mit Wärmespeicherkörpern gefüllt, wobei vorzugsweise keramische, prismentförmige Wärrmespeicherkörper mit einer Vielzahl von zur Prismenhauptachse parallelen Kanälen verwendet werden. Nachteilig ist, dass Ablagerungen an den Wärmetauscherkörpern, welche die Wirksamkeit der RNV-Anlage mit der Zeit herabsetzen, nicht ohne Unterbrechung des Betriebs der Anlage beseitigt werden können.
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Durch die Verwendung von keramischen Wärmespeicherkörpern (Sattelkörper, Wabenkörper) in RNV-Anlagen sollen im Vergleich zu TNV-Anlagen ohne Wärmetauscher höhere thermische Wirkungsgrade bis 97% und mehr möglich sein (RNV-Anlage – Regenerative Abluftreinigungsanlage; http://www.igs-anlagentechnik.de/RNV-Anlage.260.html vom 04.08.2011). Nachteilig ist, dass Anlagen mit derartigen Wärmetauscherkörpern nur eingeschränkt verwendbar sind für Schadstoffe, die bei der Oxidation Feststoffe bilden, klebrige Komponenten enthalten sowie für Abgasströme mit hohem Staubgehalt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Anlage zur regenerativen Nachverbrennung vorzuschlagen, die im Dauerbetrieb zur Nachverbrennung von Schadstoffen in Abgasen geeignet ist, welche an den Wärmetauscherkörpern Ablagerungen hervorrufen können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.
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Die erfindungsgemäße Anlage zur regenerativen Nachverbrennung von Schadstoffen in Abgasen weist mindestens zwei durch eine Brennkammer verbundene Regeneratoren auf, wobei jeder Regenerator aus einer Wärmetauscherkammer und einer darunter liegenden Reinigungskammer besteht. Über den Querschnitt der Wärmetauscherkammer ist eine dichte Packung aus keramischen Wärmetauscherkörpern angeordnet, die von senkrecht verlaufenden und an den Enden offenen Kanälen durchzogen sind. Die Reinigungskammer nimmt eine Vielzahl von Druckrohren auf, die in einem konstanten Abstand unter den Wärmetauscherkörpern angeordnet sind. Die Druckrohre sind mit Bohrungen versehenen, welche auf die Wärmetauscherkörper gerichtet sind. Außerhalb der Reinigungskammer sind die Druckrohre über ein Druckstoßventil mit einem Vorratsbehälter für unter Druck stehendes Reinigungsgas verbunden. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bei einer schlagartiger Beaufschlagung der Druckrohre mit einem unter Druck stehendem Reinigungsgas, vorzugsweise Luft, Ablagerungen an den Wärmetauscherkörpern entfernt werden, die in der Brennkammer nahezu vollständig nachverbrannt und vernichtet werden, oder über spezielle Bypass-Leitungen gezielt ausgeschleust werden können. Mit der erfindungsgemäßen Anlage wird ein Dauerbetrieb ohne Unterbrechungen ermöglicht. Die Standzeit erfindungsgemäßer RNV-Anlagen ist um Größenordnungen höher im Vergleich zu RNV-Anlagen ohne die Reinigungsvorrichtung. Ein periodisches Ausbrennen der Wärmetauscherkörper ist nur bei weitestgehend organischen Ablagerungen zielführend, wobei der Reinigungsgrad durch die erfindungsgemäße Reinigungsvorrichtung weiter verbessert wird. Die Erfindung hat sich besonders bewährt bei der regenerativen Nachverbrennung von Schadstoffen aus Abgasen, welche bei der Herstellung keramischer Produkte entstehen, zum Beispiel bei der Herstellung feuerfester Steine in Tunnelöfen. Bei derartigen Verfahren herrschen Temperaturen im Bereich um 1400°C, und es entstehen aus Zuschlagstoffen und Bindemitteln Kohlenstoffverbindungen, insbesondere Kohlenwasserstoffe, aber auch Alkalien haltige Stäube. Letztere neigen bei niedrigeren Temperaturen zu Verbackungen und lagern sich bevorzugt an kälteren Bereichen von Wärmetauscherkörpern in RNV-Anlagen ab. Durch die Erfindung werden derartige Ablagerungen beseitigt. Weiterhin entsteht bei der Verbrennung Silizium organischer Verbindungen (z. B.: Siloxane) Siliziumoxid, das selbst in geringsten Konzentrationen in der Abluft die Wärmetauscherkörper an der Oberseite verstopfen. Derartige Verstopfungen können ebenfalls effektiv mit der erfindungsgemäßen Impuls-Druckstoß-Methode ohne Betriebsunterbrechung verhindert und beseitigt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wände der Wärmetauscherkörper flach ausgebildet und benachbarte Kanäle eines Wärmetauscherkörpers besitzen eine gemeinsame Kanalwand. Besonders bewährt hat sich der Einsatz von Wärmetauscherkörpern bei denen die Kanäle einen quadratischen Querschnitt haben. Derartige Wärmetauscherkörper aus keramischen Materialien sind aus technologischen Gründen nur bis zu einer begrenzten Höhe herstellbar. Zur Heraufsetzung der Wirksamkeit der RNV und der Energieeffizienz der RNV-Anlage sind in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Wärmetauscherkörper in mehreren dicht gepackten Schichten in der Wärmetauscherkammer derart gestapelt, dass durch die Kanäle der Wärmetauscherkörper der unteren und der jeweils darüber gestapelten Schicht durchlaufende Kanäle ausgebildet sind. Damit die Kanäle der Wärmetauscherkörper einer unteren Schicht durch das Wandmaterial der Wärmetauscherkörper einer darüber gestapelten Schicht nicht oder nicht zu stark abgedeckt werden, sollten Wärmetauscherkörper verwendet werden, bei denen das Verhältnis der Querschnittsfläche des Kanals zur Querschnittsfläche der den Kanal bildenden Kanalwände im Bereich von 1:3 bis 1:0,44 liegt. Andernfalls ist eine Entfernung von Ablagerungen, die sich besonders an den Stößen zwischen Wärmetauscherkörpern benachbarter Schichten bilden, mittels Druckstößen an Reinigungsgas erschwert. Bei Wärmetauscherkörpern, die eine Höhe im Bereich von 10 bis 60 cm haben, sollte die Anzahl der Schichten im Bereich von 1 bis 4 liegen, wobei 3 Schichten bevorzugt sind.
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Zur Sicherung einer gezielten Abreinigung liegen bei einer Ausführungsform der Erfindung die Bohrungen in den Druckrohren mit gleichen Abständen auf mindestens einer achsparallelen Geraden. In einer werteren bevorzugten Variante der Erfindung liegen die Bohrungen auf 2 achsparallelen Geraden, wobei die Bohrungen auf beiden Geraden einen gleich großen minimalsten Abstand zu der untersten Schicht der Wärmetauscherkörper einnehmen. Für eine zielgerichtete Reinigung hat sich die Einhaltung eines radialen Winkels zwischen den beiden Geraden im Bereich zwischen 20 und 40 Grad bewährt, wobei 36 Grad bevorzugt sind. Bei einer weiteren Ausführungsform liegen die Bohrungen auf 3 achsparallelen Geraden, wobei die Bohrungen auf der mittleren Geraden den minimalsten Abstand zu der untersten Schicht der Wärmetauscherkörper einnehmen. Eine gezielte, gleichmäßige und flächige Entfernung der Ablagerungen wird erreicht, wenn der radiale Winkel zwischen der mittleren Geraden und den dazu benachbarten Geraden im Bereich zwischen 25 und 35 Grad liegt, wobei 30 Grad bevorzugt sind. Die Bohrungen sind in der Regel zylinderartig und haben einen Durchmesser im Bereich von 1,4 bis 4 mm. Bewährt hat es sich, wenn der nach außen gerichtete Teil der Bohrungen kegelstumpfartig erweitert ist, wobei in einer bevorzugten Ausführung die kegelstumpfartige Erweiterung etwa auf halber Höhe bis etwa zwei Drittel der Höhe der Bohrung beginnt. Der den Kegelstupf bildende Öffnungswinkel liegt im Bereich von etwa 45 bis etwa 135 Grad, wobei ein Bereich von etwa 65 bis etwa 115 Grad bevorzugt ist, und besonders bevorzugt ist ein Öffnungswinkel von 90 Grad. Eine Verbesserung in der gezielten, gleichmäßigen und flächigen Entfernung der Ablagerungen wird auch dadurch erreicht, wenn jede Bohrung zu den benachbarten Bohrungen den gleichen Abstand aufweist, so dass der Querschnitt jedes Wärmetauscherkörpers von dem aus den Bohrungen unter Druck austretendem Reinigungsgas gleichmäßig abdeckbar ist.
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Normalerweise sind die Druckrohre an einem Ende geschlossen, was allerdings dazu führt, dass vom Druckstoßventil bis zum geschlossenen Ende des Druckrohres ein Druckabfall auftritt, der sich ungünstig auf eine gleichmäßige Reinigung der Wärmetauscherkörper auswirken würde. Zur Vermeidung des Druckabfalls sind in einer Variante der erfindungsgemäßen Anlage die Druckrohre in Richtung zu dem geschlossenen Ende hin verjüngt ausgebildet. Dabei kann sich ihr Durchmesser gleichmäßig, zum Beispiel konisch oder in Absätzen verjüngen.
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Es hat sich bewährt, die Druckrohre mit einem Abstand zu den Wärmetauscherkörpern im Bereich von 5 bis 40 cm anzubringen, wobei 10 bis 20 cm bevorzugt sind. Zur Reduzierung der Anzahl an Druckstoßventilen sind bei einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung mehrere Druckrohre vor dem Druckstoßventil zu Rohrbündeln zusammen gefaßt. Dabei hat sich die Zusammenfassung einer Anzahl von 2 bis 5 Druckrohren zu einem Rohrbündel bewährt. Die Druckrohre der Rohrbündel sollten zumindest in den mit den Bohrungen versehenen Bereichen parallel verlaufen, wobei jedes Druckrohr vorzugsweise zur Reinigung einer Zeile hintereinander in Form von Wabenkörpern liegender Wärmetauscherkörper angeordnet wird. Für eine effektive Reinigung hat es sich als ausreichend gezeigt, die Druckrohre durch die Druckstoßventile mit einem Reinigungsgas eines Druckes im Bereich von 4 bis 10 bar impulsartig zu beaufschlagen. Die Impulsdauer soll im Bereich von 0,1 bis 1 Sekunde liegen, bevorzugt bei 0,3 Sekunden. Das Reinigungsgas kann zusätzlich bis zur Temperatur des Hauptgasstroms (Hauptluftstroms) erwärmt werden, so dass thermische Schwankungen in der Anlage und dadurch größere Materialbelastungen während der Reinigungsimpulse weitgehend vermieden werden. Die Druckstoßventile sind in vorbestimmter Anzahl, Reihenfolge und/oder Zeit betätigbar. Bewährt hat sich die gleichzeitige Betätigung von 2 bis 3 Druckstoßventilen. Dadurch können gezielt Zonen gereinigt werden, in denen die Wärmetauscherkörper höhere Verschmutzungsgrade aufweisen. Die vorbestimmte Anzahl, Reihenfolge und/oder Zeit zur Betätigung der Druckstoßventile wird ermittelt auf der Basis von Erfahrungen beim Betreiben der erfindungsgemäßen RNV-Anlage, von Inaugenscheinnahme der Verschmutzung über Schaugläser und/oder von Sensordaten. Auf Basis dieser Informationen können die Anlage und die Druckstoßventile computergesteuert ausgerüstet sein. Die vorbestimmte Zeit der Aktivierung der Druckstoßventile liegt zwischen einigen Sekunden und mehreren Stunden in Abhängigkeit vom Charakter des zu reinigenden Abgases und der Auslegung der RNV-Anlage. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Druckstoßventile während des laufenden Betriebs der Anlage betätigbar sind ohne Beeinträchtigung der RNV.
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Die Erfindung soll nun anhand der Figuren näher beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße RNV-Anlage,
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2 eine perspektivische Darstellung eines Abschnitts einer Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung,
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3 einen Schnitt durch ein Druckrohr in zwei Ausführungsformen A und B und
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4 einen Schnitt durch eine Bohrung mit kegelstumpfartiger Erweiterung.
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Nach 1 weist die erfindungsgemäße RNV-Anlage 1 zur Nachverbrennung von Schadstoffen in Abgasen drei durch eine Brennkammer 2 verbundene Regeneratoren 3, 4, 5 auf, wobei jeder Regenerator aus einer Wärmetauscherkammer 6 und einer darunter liegenden Reinigungskammer 7 besteht. Über den Querschnitt der Wärmetauscherkammer sind drei Schichten einer dichten Packung aus keramischen Wärmetauscherkörpern 8 angeordnet, die von senkrecht verlaufenden und an den Enden offenen Kanälen durchzogen sind. Derartige Wärmetauscherkörper sind als Wabenkörper aus Cordieritkeramik von der Porzellanfabrik Hermsdorf GmbH zum Beispiel in den Abmessungen 15 × 15 × 30 cm, beziehungsweise bis zu 60 cm (Länge × Breite × Höhe) erhältlich. Die Schichten sind derart gestapelt, dass die Kanäle der Wärmetauscherkörper der unteren und der jeweiligen darüber gestapelten Schicht durchlaufende Kanäle ausbilden.
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Die Reinigungskammer 7 nimmt eine Vielzahl von mit Bohrungen versehenen Druckrohren 9 auf, die in einem konstanten Abstand unter den Wärmetauscherkörpern 8 angeordnet sind. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind in der 1 jeweils drei Druckrohre 9 pro Reinigungskammer 7 dargestellt. Unterhalb der Reinigungskammer 7 verfügen die Regeneratoren 3, 4, 5 über durch Absperrorgane 10, 11, 12 absperrbare Anschlüsse für nachzuverbrennendes Abgas 13, Spülgas 14 und nachverbranntes Abgas (Reingas) 15. (Die Absperrorgane 10, 11, 12 und die Anschlüsse 13, 14, 15 sind für alle Reinigungskammern 7 an den Regeneratoren 3, 4, 5 identisch, aber zur größeren Übersichtlichkeit nur ein Mal dargestellt.) Über den Anschluß 13 wird nachzuverbrennendes Abgas durch das geöffnete Absperrorgan 10 in den Regenerator 5 eingeführt, dessen Wärmetauscherkörper 8 in einem vorausgegangenen Schaltzyklus bis auf 850°C aufgeheizt wurden. Das nachzuverbrennende Abgas durchströmt in Richtung der dicken Pfeile die Kanäle in den Schichten der Wärmetauscherkörper 8, anschließend zur Nachverbrennung der Schadstoffe die Brennkammer 2, in der notfalls bei zu geringem Gehalt an nachverbrennbaren Schadstoffen die Temperatur von 850°C durch einen Zusatzbrenner 16 aufrechterhalten werden muß, um weiter durch die Kanäle der Schichten der abgekühlten Wärmetauscherkörper 8 in der Wärmetauscherkammer 6 des Regenerators 3 über den Anschluß 15 für nachverbranntes Abgas bei geöffnetem Absperrorgan 12 als Reingas abgezogen zu werden. Beim Durchströmen der Kanäle der Wärmetauscherkörper 8 der Wärmetauscherkammer 6 des Regenerators 3 werden die Wärmetauscherkörper 8 unter Abkühlung des Reingases auf eine Temperatur bis zu 850°C aufgeheizt. Im nächsten Zyklus wird das nachzuverbrennende Abgas über den Regenerator 3 in die RNV-Anlage 1 eingeführt und über den Regenerator 4 ausgetragen. Zur Vermeidung, dass noch nicht nachverbrannte Schadstoffe aus dem Regenerator 5 in die Atmosphäre gelangen, wird dieser über das Absperrorgan 11 und den Anschluß 14 mit Spülgas, das in der Regel aus Luft oder aus einem Teilstrom Reingas aus der Brennkammer 2 besteht, gespült.
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Der in 2 dargestellte Abschnitt einer Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung zeigt eine parallele Anordnung der Druckrohre 9, von denen drei beziehungsweise vier jeweils zu Rohrbündeln 17 zusammengefaßt sind. Jedes Rohrbündel 17 ist über ein separat ansteuerbares Druckstoßventil 18 an einen Vorratsbehälter angeflanscht, in dem sich ein größeres Volumen an Reinigungsgas unter einem Druck von zum Beispiel 6 bar befindet. Zur Wahrung der Übersichtlichkeit der Figur ist der angeflanschte Druckbehälter nicht dargestellt. Zur Vermeidung eines zu starken Druckabfalls sind in der Regel die Druckrohre in Richtung zu dem geschlossenen Ende hin absatzweise 19 verjüngt ausgebildet.
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Die Druckrohre 9 sind gemäß der 2 bis 4 mit Bohrungen 20 versehenen, deren nach außen liegende Öffnungen gezielt auf die Wärmetauscherkörper gerichtet sind und zwar so, dass der sie passierende Strahl an Reinigungsgas die gesamte oder eine gewünschte Fläche der Wärmetauscherkörper trifft. Bei der in 3A gezeigten Ausführungsform liegen zur Sicherung einer gezielten Abreinigung die Bohrungen 20 in dem Druckrohr 9 auf 3 achsparallelen Geraden mit einem radialen Winkel 21 von 29 Grad. In einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung liegen die Bohrungen auf 2 achsparallelen Geraden (3B), die einen radialen Winkel 22 von 36 Grad einschließen. Die von innen nach außen zunächst zylinderartig verlaufenden Bohrungen 9 sind, wie in der 4 angedeutet, im nach außen gerichtete Teil der Bohrung 9 kegelstumpfartig erweitert mit einem Öffnungswinkel 23 von 90 Grad.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anlage zur regenerativen Nachverbrennung (RNV-Anlage)
- 2
- Breunkammer
- 3, 4, 5
- Regenerator
- 6
- Wärmetauscherkammer
- 7
- Reinigungskammer
- 8
- Wärmetauscherkörper
- 9
- Druckrohr
- 10, 11, 12
- Absperrorgan
- 13, 14, 15
- Anschlüsse für nachzuverbrennendes Abgas, Spülgas und nachverbranntes Abgas (Reingas).
- 16
- Zusatzbrenner
- 17
- Rohrbündel
- 18
- Druckstoßventil
- 19
- Absatz zur Verjüngung
- 20
- Bohrung
- 21
- radialer Winkel
- 22
- radialer Winkel
- 23
- Öffnungswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009055942 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.igs-anlagentechnik.de/RNV-Anlage.260.html vom 04.08.2011 [0004]
