DE3605415A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbrennen oxidierbarer bestandteile in einem traegergas - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile wie Lösungsmittel in einem Trägergas wie Abgas (Prozeßgas), das durch eine Nachverbrennungsvorrichtung mit Trägergaszuführung, Wärmetauscher, Brenner, Brennraum und Trägergasauslaß geführt wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Eine Nachverbrennungsvorrichtung zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile wie Kohlenwasserstoffe eines Prozeßgases ist z. B. der EP-B1-00 40 690 zu entnehmen. Hierbei wird das Prozeßgas über Wärmetauscherrohre einem Brenner zugeführt, dessen Leistung auf die stets schwankende Menge der zu oxidierenden Bestandteile einzustellen ist.

Da die Vorwärmetemperatur des Trägergases in etwa konstant ist, und da die Brennkammertemperatur konstant bleiben muß, kann nur eine solche maximale Menge oxidierbarer Bestandteile vom System akzeptiert werden, wie sie in der Minimumstellung des Brenners gerade noch die Brennkammertemperatur auf ihrem Soll-Niveau hält, ohne einen gefährlichen Anstieg.

Größere Mengen oxidierbarer Bestandteile sind nur dann annehmbar, wenn das System mit einem Bypass zur Umfahrung einer Seite des Wärmetauschers, oder mit zwei Bypässen zur etwa gleichmäßigen und gleichzeitigen Umfahrung beider Seiten des Wärmeaustauschers ausgerüstet wird.

Hierdurch wird das Niveau der Vorwärmung des Trägergases entsprechend der übergroßen Menge oxidierbarer Substanz abgesenkt, so daß die Temperatur in der Brennkammer vor dem Anstieg bewahrt werden kann.

Dieses Verfahren der ein- bis beidseitigen teilweisen Umfahrung des Wärmetauschers verlangt zusätzliche Rohrleitungen, extern oder integriert angelegt, teilweise kompliziert und aufwendig in der Führung und Fertigung.

Zusätzliche Steuermechanismen, wie Klappen oder Ventile müssen für hohe Temperatur, exakte Arbeit bei Druckschwankungen, relativ gute Dichtigkeit und wartungsarm ausgelegt sein. Da einseitige Umfahrungen des Wärmetauschers zu steter Veränderung der mittleren Temperatur des Wärmetauschers führen müssen - verbunden mit ständiger Beanspruchung der Bauteile und Werkstoffe des Wärmetauschers - sind häufig nur beidseitige Umfahrungen zu verantworten und solide. Diese aber bedürfen der sorgfältigen Abstimmung beider Umfahrungen in bezug auf Volumenströme und Gleichzeitigkeit.

Der Wartungsaufwand solcher Systeme entspricht dann auch der Komplexität solcher Systeme. Periodische Wartungen sind erforderlich, da von der guten Funktion der Bypässe vieles abhängt. Die Aufwände sind hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß Schwankungen der oxidierbaren Bestandteile im Trägergas auf den Verbrennungsvorgang selbst grundsätzlich ohne Einfluß bleiben und daß die Temperatur innerhalb der Vorrichtung problemlos auf gleichbleibender Höhe gehalten werden kann.

Die Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß dem noch ungereinigten Abgas vor Eintritt in den Wärmetauscher der Verbrennungsanlage gereinigtes Abgas beigemengt wird. Dabei kann das wiederzuführbare gereinigte Abgas gegebenenfalls mit frischer Luft vermengt werden. Das gereinigte Gas selbst kann nach Verlassen der Brennkammer oder nach Verlassen des Wärmetauschers entnommen werden.

Durch die geregelte Beimengung warmer Luft - auch kalte Luft kann im Sonderfall diese Aufgabe lösen, nämlich dann, wenn die Beimengung kalter Luft nicht zur Auskondensierung der Störstoffe führt - wird die Konzentration oxidierbarer Bestandteile im Trägergas stets auf der Höhe gehalten, die den Brenner in seiner Minimumstellung hält, während die Brennkammertemperatur exakt auf Sollwert gefahren wird.

Das Maß für die Zumischung von Luft zur ungereinigten Prozeßluft ist diejenige Menge an oxidierbarer Substanz, die zu jedem beliebigen Moment über der maximalen Kapazität für oxidierbare Bestandteile ohne eine Zumischung von Luft liegt.

Wesentlich für diese Fahrweise wird, daß die Konzentration der brennbaren Bestandteile mit dem Beginnen der Brenner-Grundlast in etwa konstant geregelt wird, und daß die Brennkammertemperatur keiner Schwankung unterworfen wird.

Die dem gereinigten Gas ausgesetzten Elemente, wie Wärmetauscher und Nachverbrennungsvorrichtung werden somit bei stets gleichbleibenden Bedingungen gefahren und nicht "gezerrt".

Es entsteht durch das Niedrighalten der Konzentration brennbarer Substanz auch nur moderater Vorabbrand innerhalb der Aufheizphase des Trägergases. Denn bekanntlich steigt der Vorabbrand sehr stark an mit steigender Konzentration brennbarer Bestandteile. Vorabbrand aber ist gleichbedeutend mit Generieren von CO vor Erreichen der eigentlichen Brennkammer.

Schafft man aber erst viel CO, so ist man zur Anhebung der Brennkammertemperatur gezwungen, um das nur schwer zu verbrennende CO auf das Niveau zu bringen, das heute den Verbrennungsanlagen abverlangt werden muß.

Mit anderen Worten wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine voll kontrollierbare Nachverbrennung der in einem Prozeßgas vorhandenen oxidierbaren Bestandteile - wie Lösungsmittel - gewährleistet, ohne daß konstruktiv aufwendige Maßnahmen erforderlich werden, die zu Störanfälligkeit führen könnten bzw. erhöhter Wartung bedürfen.

ln Ausgestaltung der Erfindung wird gereinigtes Abgas entweder direkt aus der Brennkammer entnommen, oder nach Verlassen des Wärmetauschers, wo es erfindungsgemäß Wärme an das ungereinigte Abgas abgegeben hat.

Die Entnahme nach Verlassen des Wärmetauschers ist der bevorzugte oder Regelfall.

Es wird eine solche Volumenstromgröße entnommen, die mit Frischluft vermengt der noch nicht vorgewärmten Prozeß-Abluft zudosiert wird, so daß sich dort bereits die maximal tolerierbare Konzentration an oxidierbarer Substanz einstellt, die eine konstante Brennkammertemperatur bei Brenner-Grundlastbetrieb zuläßt.

Die Zumischung der so erzeugten Warmluft erfolgt vorzugsweise auf der Saugseite des Prozeß-Gebläses.

Eine Vorrichtung zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile in einem Trägergas wie Abgas (Prozeßgas), umfassend eine Trägergaszuführung, einen Brenner mit vorzugsweise sich anschließendem Hochgeschwindigkeitsraum, einen Brennraum, einen Wärmetauscher mit vorzugsweise konzentrisch zu dem Hochgeschwindigkeitsrohr angeordneten Wärmetauscherrohren sowie einen Trägergasauslaß zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen der Vorrichtung und der Trägergaszuführung ein Verbindung hergestellt wird, über die im gewünschten Umfang gereinigtes Abgas im Kreislauf führbar ist, vermengt mit kalter Luft. Dabei verläuft die Verbindung vorzugsweise zwischen dem Trägergasauslaß und der Trägergaszufuhr. Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, mit konstruktiv einfachen Mitteln, ohne daß diese innerhalb der Vorrichtung verlaufen und dort z. B. Klappenmechanismen aufweisen, dem zu reinigenden Prozeßgas im erforderlichen Umfang warme Verdünnungsluft zuzuführen, um den Anteil der oxidierbaren Bestandteile auf einem konstanten Wert zu halten und/oder das Prozeßgas zu erwärmen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die sich stets einstellende konstante Temperatur am Austritt der Anlage, so daß nachfolgendes peripheres Gerät - wie Abhitzewärmetauscher für Warmwasser - nur für diese Temperatur und nicht für eine größere Schwankungsbreite auszulegen sind. Entsprechend niedrig sind auch die Anforderungen an die Materialien.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, sondern auch aus den den Zeichnungen zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Nachverbrennungsprozesses von oxidierbare Bestandteile aufweisendem Prozeßgas, mit sogenannten Bypässen zur Energieregelung,

Fig. 2 einen erfindungsgemäß ablaufenden Prozeß und

Fig. 3 eine den erfindungsgemäßen Prozeß realisierende Nachverbrennungsvorrichtung.

Anhand der Fig. 1 soll eine konventionelle Energieüberschußregelung verdeutlicht werden, wobei die wesentlichen Elemente der Nachverbrennungsvorrichtung (10) rein schematisch dargestellt sind. Das zu reinigende Prozeßgas wird über ein Gebläse (12) und die Prozeßgaszuführung (14) zur Nachverbrennungsvorrichtung gebracht. Sodann durchströmt das zu reinigende Prozeßgas einen Wärmetauscher (16), um in einen Brennraum (18) zu gelangen, in dem die oxidierbaren Bestandteile verbrannt werden. Der Brennraum (18) kann über ein nicht dargestelltes Hochgeschwindigkeitsrohr von einem Brenner (20) ausgehen, dessen Brennstoffzufuhr über ein Regelventil (22) einstellbar ist. Vom Brennraum (18) gelangt das gereinigte Abgas erneut über den Wärmetauscher (16), um in diesem das noch zu reinigende Prozeßgas vorzuwärmen. Anschließend wird das gereinigte Abgas über eine Leitung (24) abgeführt. Sofern größere Schwankungen im Prozeßgas hinsichtlich der Konzentration der zu oxidierenden Bestandteile - also in der Leitung (14) - auftreten, sind Bypässe (26) und (28) vorgesehen, die dem Anstieg der Temperatur in der Brennkammer (18) so entgegenwirken, daß sie durch teilweises Umfahren des Wärmetauschers (16) das Niveau der Vorheizung soweit absenken, wie die Zunahme (Schwankung) der Konzentration brennbarer Substanz es erfordert.

Dabei ist die Bypass-Regelung (26) als eine Verbindung für Kaltgase und die Bypass-Regelung (28) für Heißgase ausgelegt. Jede Bypass-Regelung (26) bzw. (28) weist eine in der Vorrichtung (10) verlaufende Leitung (30) bzw. (32) auf, die Regelmechanismen wie Ventile (34) bzw. (36) haben, um so im gewünschten Umfang den Bypass modulierend zu fahren oder außer Betrieb zu setzen. Dabei stellt die Bypass-Anordnung (26) zwischen dem in der Leitung (14) strömenden kalten Prozeßgas und dem Brennervorraum - in der schematischen Darstellung mündet die Leitung in den Brennraum (18) - her. Die Bypass- Anordnung (28) stellte eine Verbindung zwischen dem Brennraum (18) und dem Abgasauslaß (24) her.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachverbrennen von oxidierbare Bestandteile aufweisenden Abgasen ist der Fig. 2 zu entnehmen. Der Aufbau der das Verfahren realisierenden Vorrichtung entspricht grundsätzlich dem der Fig. 1, so daß gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Das zu reinigende Prozeßgas wird demzufolge über eine Zuführleitung (14), in der ein Prozeßabgasgebläse mit Volumenstromregelung (Drehzahl-Regelung oder Drall-Klappe) (38) angeordnet sein kann, dem Wärmetauscher (16) und anschließend dem Brennraum (18) zugeführt. Genaugenommen wird das zu reinigende Prozeßgas zunächst in den unmittelbaren Bereich des Brenners (20) geleitet, um z. B. über ein nicht dargestelltes Hochgeschwindigkeitsrohr in den eigentlichen Hauptbrennraum (18) zu gelangen. Der Brenner (20) wird ebenfalls über ein Regelventil (22) mit der erforderlichen Menge von Brennstoff versorgt. Nach dem Brennraum (18) gelangt das nunmehr gereinigte Abgas über den Wärmetauscher (16) zu dem Auslaß (24). Sollte die Konzentration der zu reinigenden Abgase ansteigen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß durch Beimischung von bereits gereinigtem Abgas, vermengt mit Frischluft, eine Konzentrationskorrektur so vorgenommen wird, um in die Vorrichtung (10) ein Abgas zu leiten, dessen Anteil an oxidierbaren Bestandteilen wie z. B. Lösungsmitteln gleichbleibend hoch ist. Hierdurch ist gewährleistet, daß der Brenner (20) mit gleichbleibender Last in seiner Minimallast (Grundlast) gefahren werden kann. Da der Anteil der zu verbrennenden Substanzen nun gleich ist, ist außerdem eine Temperaturkonstanz innerhalb der Vorrichtung (10) gewährleistet, wodurch die vorhandenen Elemente, insbesondere die Rohre des Wärmetauschers (16) keinen Dehnungsschwankungen unterworfen werden. Hierdurch wird die Lebensdauer des Wärmetauschers (16) erheblich vergrößert.

Um problemlos und konstruktiv einfach eine Beimischung von bereits gereinigtem Abgas mit noch zu reinigendem Prozeßgas zu ermöglichen, erfolgt entweder ein Abgriff unmittelbar vom Brennraum (18) (gestrichelte Linie (40)) oder vorzugsweise vom gereinigten Abgas am Abgasauslaß (24) - verdeutlicht durch den Verbindungspunkt (42) und der von diesem ausgehenden Leitung (44), die auch als Fortsetzung der Leitung (40) gedacht werden kann. Sodann wird das abgegriffene, gereinigte und heiße Abgas über eine Mischvorrichtung (46), die eine Ventilkombination darstellen kann, zwischen erzielter Beimengung frischer Luft über die Leitung (48) zur Leitung (14) geführt und hier dem noch zu reinigenden Prozeßgas beigemengt. Das Gemisch strömt dann - gefördert durch Gebläse (38) - über Leitung (14) dem Wärmetauscher (16) zu.

Da sowohl der Abgriff (42) als auch die Mischvorrichtung (46) außerhalb der Vorrichtung (10) angeordnet sind, die Leitungen (44) oder (40) nur jeweils einfache Rohrleitungen sind, die Zumischung frischer Luft ebenfalls mit Einfachst-Technik zu bewerkstelligen ist, ist demzufolge mit konstruktiv einfachen Mitteln gewährleistet, daß das der Vorrichtung (10) zuzuführende und zu reinigende Prozeßgas hinsichtlich der Konzentration der zu verbrennenden Bestandteile auf einen gewünschten konstanten Wert eingestellt werden kann, wodurch auch die Vorrichtung selbst und nachfolgende Systeme unter konstanten Bedingungen gefahren werden können. Hierdurch sind Wartungsfreundlichkeit, hohe Funktionstüchtigkeit und hohe Lebensdauer gewährleistet.

Der Fig. 3 ist eine Prinzipdarstellung einer Nachverbrennungsvorrichtung (50) zu entnehmen, der zu reinigendes Prozeßgas so zuführbar ist, daß dessen Konzentration an verbrennbaren Bestandteilen gleichbleibend ist.

Die Nachverbrennungsvorrichtung (50), hier liegend dargestellt, umfaßt einen zylinderförmigen Außenmantel (52), der durch Stirnwände (54) und (56) begrenzt ist. lm Bereich der Stirnwand (56) ist konzentrisch zur Achse (58) des Mantels (52) ein Brenner (60) angeordnet, dem sich ein Hochgeschwindigkeitsmischrohr (62) und ein Hauptbrennraum (64), der durch die äußere Stirnwand (54) begrenzt wird, anschließt. Dabei ist es jedoch nicht notwendigerweise erforderlich, daß - wie in der Zeichnung dargestellt - das Hochgeschwindigkeitsmischrohr (62) in den Hauptbrennraum (64) hineinragt.

Konzentrisch zum Hochgeschwindigkeitsmischrohr (62) verläuft ein innenliegender Ringraum (66), der seinerseits in einen Raum (68) übergeht, in dem Wärmetausch-/Vorbrenn-Rohre (70) konzentrisch zur Längsachse (58) angeordnet sind. Die Wärmetausch/Vorbrenn-Rohre (70) selbst münden in einen äußeren an der Außenwandung (52) angrenzenden äußeren Ringraum (72), der in den Einlaß (74) übergeht. Ferner ist eine Ringkammer (76) vorgesehen, die in den Auslaß (78) übergeht.

Die Enden (80) der Wärmetausch-/Vorbrenn-Rohre (70) sind im Bereich zum Auslaß (78) nach außen, also zur Wandung (52) hin umgebogen, um so nahezu senkrecht in die Wandung (82) des äußeren Ringraums (72) überzugehen. Die anderen Enden (84) der Wärmetausch-/Vorbrenn-Rohre (70) münden in eine Rohrplatte (86), die einen den Brenner (60) umgebenden Vorbrennraum (88) von dem Raum (68) abschirmt.

Der Brenner (60) ist mittels eines sich in Richtung des Hochgeschwindigkeitsrohres (62) meist kegelförmig erweiternden Brennervorbaus (90) fortgesetzt, der auf der Umfangsfläche Aussparungen wie Löcher (92) aufweist. Das Hochgeschwindigkeitsrohr (62) ist in dem dem Brenner (60) zugewandten Ende als Coanda-Düse (94) ausgebildet, wobei sich zwischen dem Brennervorbau (90) und dem äußeren als Anströmkonus zu bezeichnenden Endabschnitt (96) des Hochgeschwindigkeitsrohres (62) ein Ringkanal (98) bildet.

Entweder von dem Hauptbrennraum (64) aus mit Anschluß (100) oder von dem Auslaß (78) mit Anschluß (102) wird zu einer hier nicht dargestellten Mischvorrichtung verbunden, die der in Fig. 2 gezeigten Mischvorrichtung (46) entspricht. Demzufolge ist der Auslaß (100) mit der Leitung (40) und der Auslaß (102) mit der Leitung (44) in der Fig. 2 fortgesetzt bis zur Mischvorrichtung (46). Beide Anschlüsse und zugehörige Leitungen sind Entweder-/Oder-Installationen, d. h., beide zusammen gibt es nicht.

Das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung nachzuverbrennende Prozeßgas wird über den Einlaß (74) dem Ringraum (72) zugeleitet, um über die Wärmetauscherrohre (70), den Brennervorbau (90), die Coanda-Düse (96), das Hochgeschwindigkeitsrohr (62) in den Hauptbrennraum (64) geleitet zu werden. Sodann kann das gereinigte Abgas über den Ringkanal (66) und den Raum (68), in dem die Wärmetauscherrohre (70) verlaufen, an den Auslaß (78) abgegeben werden.

Damit der Brenner (60) in Minimumlast (Grundlast) arbeiten kann, obwohl die Menge brennbarer Substanz ansteigt, wird vorzugsweise über Anschluß (102) gereinigtes Abgas an die in Fig. 2 mit (46) benannte Mischvorrichtung geführt, in welcher zum Zweck der Erreichung einer gewünschten Mischtemperatur frische Luft beigemengt wird. Das so entstehende Gemisch warmer Luft gelangt nach Fig. 2 über Leitung (48) zu Leitung (14), wo es mit dem ungereinigten Prozeßabgas steigender oder gestiegener Störstoff-Konzentration zusammentrifft und mit diesem vermischt wird. Mischluft wird in diesem Maße beigemischt, als es zur Konstanthaltung der Konzentration brennbarer Sunbstanz und zur Konstanthaltung der Brennkammertemperatur erforderlich ist.

Da nun die Konzentration gleichbleibend ist, erfolgen in den einzelnen Bereichen der Anlage, insbesondere im Bereich der Wärmetauscherrohre (70) Temperaturschwankungen grundsätzlich nicht mehr oder nur sehr gering, so daß die gelegentlich zu Beschädigungen führenden Dehnungsschwankungen ausgeschlossen sind.

Auch alle negativen Einflüsse von großem Vorabbrand werden vermieden. Da die Anschlüsse (102) bzw. (100), denen gereinigtes Abgas zum Vermischen mit noch zu reinigendem Prozeßgas entnommen wird, nicht innerhalb der Vorrichtung (10) liegen, ist demzufolge ohne konstruktiven Aufwand an der Vorrichtung (10) die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vermischung möglich, um die Konzentration der oxidierbaren Bestandteile auf Toleranz-Niveau zu halten. lnfolgedessen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung (50) wartungsfreundlich und sichert eine hohe Funktionstüchtigkeit zu.

Claims (7)

1. Verfahren zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile wie Lösungsmittel in einem Trägergas wie Abgas (Prozeßgas), das durch eine Nachverbrennungsvorrichtung zum Trägergaseinlaß, Wärmetauscher, Brennraum und Trägergasauslaß geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem der Nachverbrennungsvorrichtung zuzuführenden Prozeßgas im gewünschten Umfang zumindest teilweise innerhalb der Nachverbrennungsvorrichtung gereinigtes Abgas beigemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Prozeßgas Frischluft beigemischt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das beizumischende gereinigte Abgas nach dessen Umströmen des Wärmetauschers abgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das beizumischende gereinigte Abgas unmittelbar aus dem Brennraum abgeführt wird.

5. Vorrichtung zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile in einem Trägergas wie Abgas (Prozeßgas), umfassend eine Trägergaszuführung, einen Brenner mit vorzugsweise sich anschließendem Hochgeschwindigkeitsmischrohr, einen Brennraum, einen Wärmetauscher mit vorzugsweise konzentrisch zu dem Hochgeschwindigkeitsrohr angeordneten Wärmetauscher-Rohren sowie einen Trägergasauslaß, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Vorrichtung (10, 50) und der Trägergaszuführung (14, 48, 74) eine Verbindung (102 mit 44 oder 100 mit 40) besteht, über die im gewünschten Umfang innerhalb der Vorrichtung (54) gereinigtes Abgas im Kreislauf führbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (102 mit 44) zwischen dem Trägergasauslaß (24, 78) und der Trägergaszuführung (48, 14, 74) besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (100 mit 40) zwischen dem Brennraum (18, 64) und der Trägergaszuführung (48, 14, 74) besteht.