DE3822631C2 - Verfahren zur Wärmerückgewinnung und Regelung der katalytischen oder thermischen Nachverbrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmerück­ gewinnung und Regelung von Anlagen der katalyti­ schen oder thermischen Nachverbrennung zur Reini­ gung von Abluft mit brennbaren Schadstoffen.

In vielen Anwendungsfällen fällt die schadstoffhaltige Abluft bei niedrigen Temperaturen an. Zur Verbren­ nung muß diese Abluft auf die für den jeweiligen Schad­ stoff und das Verfahren typischen Verbrennungstempe­ raturen erwärmt werden. Diese Temperaturen liegen bei der katalytischen Nachverbrennung typischerweise im Bereich zwischen 250°C und 400°C und bei der ther­ mischen Nachverbrennung zwischen 700°C und 1000°C. Damit ist ein hoher Energieeinsatz erforderlich. Besonders ungünstige Verhältnisse liegen vor, wenn die Abluft nur verhältnismäßig geringe Schadstoffkonzen­ trationen enthält, da nicht nur die Schadstoffe und der zur Verbrennung benötigte Sauerstoff auf die Reak­ tionstemperatur erwärmt werden müssen, sondern auch die überschüssige Luft.

Zur Senkung der Energiekosten wird daher in der Regel die heiße, gereinigte Abluft zur Vorwärmung der zu reinigenden kalten Abluft über einen Wärmetau­ scher eingesetzt. Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme zwischen gasförmigen Medien sind aufwendig. Bei je nach den Betriebsbedingungen stark schwanken­ den Abluftströmen kann ferner nicht für den ganzen Bereich an Abluftströmen eine gute Wärmeübertra­ gung bei gleichzeitig geringem Druckverlust im Wär­ metauscher realisiert werden.

Bei der katalytischen Zersetzung von Stickstoffoxiden sind bereits Verfahren bekannt, bei denen nicht nur das zu reinigende Gas, sondern auch ein weiterer Gasstrom dem Festkörperkatalysator zugeführt werden. Gemäß der Lehre der Offenlegungsschrift DE 35 05 416 A1 werden das zur Zersetzung der Stickstoffoxide verwandte Reduktions­ mittel Ammoniak allein oder mit einem Trägergas vermischt und die zu reinigenden Abgase periodisch alternierend mit dem Festkörperkatalysator in Kontakt gebracht. Eine Vermischung von Ammoniak mit dem Abgas bereits in der Zuführung zum Kata­ lysator wird auf diese Weise vermieden. Gemäß der Lehre der Offenlegungsschrift DE 33 32 663 A1 wird die Temperatur des mit Stickstoffoxiden beladenen Rauchgases im Anfahr-, Abfahr- und Teillastbetrieb durch Zumischung eines wärmeabgebenden Gasstromes auf die für die Katalyse erforderliche Temperatur angehoben. Als wärme­ abgebender Gasstrom dient dabei heißes Rauchgas aus dem eigenen Verbrennungs­ prozeß, oder heißes Gas aus einer fremden Erzeugerquelle, wobei zusätzlich noch durch einen Wärmespeicher Wärme bereit gestellt werden kann. Nach der Lehre der Offenlegungsschrift 35 15 843 A1 wird ebenfalls ein Teilstrom des mit Stickstoffoxiden beladenen Abgases mit einem extern erzeugten Heißgas erwärmt und zur Erwärmung des Abgasstromes genutzt.

Treten ferner unter den verschiedenen Betriebsbe­ dingungen stark schwankende Schadstoffkonzentratio­ nen in der Abluft auf, so müssen aufwendige Regelmaß­ nahmen ergriffen werden, um einerseits eine vollständi­ ge Verbrennung der Schadstoffe unter allen Betriebsbe­ dingungen sicherstellen zu können und um andererseits eine Überhitzung des Katalysators bzw. des Katalysa­ torträgers zu vermeiden. In vielen Fällen kann die Schadstoffkonzentration in der Abluft die untere Explo­ sionsgrenze übersteigen. In diesen Fällen müssen auf­ wendige Sicherheitsmaßnahmen vorgesehen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Wärmerück­ gewinnung und die Regelung von Anlagen zur katalyti­ schen und thermischen Nachverbrennung zu verbessern bzw. zu vereinfachen.

Nach den erfindungsgemäßen Verfahren wird diese Aufgabe durch das im Kennzeichen des in Anspruch 1 aufgeführten Merkmals gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Durch die Zumischung eines Teilstroms der heißen, gereinigten Abluft zu der zu reinigenden Abluft stellt sich vor dem Reaktor die dem Mischungsverhältnis ent­ sprechende Mischtemperatur ein. Viele brennbare Schadstoffe haben einen so hohen Brennwert, daß die Temperaturerhöhung durch die Verbrennung im Reak­ tor ausreicht, um durch Zumischung eines Teilstroms eine Mischtemperatur zu erreichen, die im Fall der kata­ lytischen Nachverbrennung gemäß Anspruch 4 ober­ halb der Anspringtemperatur liegt. Bei der thermischen Nachverbrennung wird die Mischtemperatur gemäß Anspruch 5 auf einen Wert unterhalb der Zündtempera­ tur beschränkt, um eine Verbrennung des Schadstoffs vor Eintritt in den Reaktor zu vermeiden.

Bei einer konstanten Schadstoffkonzentration ergibt sich im Reaktor aufgrund des Verbrennungsprozesses eine konstante Temperaturerhöhung. Unabhängig von der Menge des Abluftstroms kann daher zur Einstellung einer vorgegebenen Mischtemperatur gemäß Anspruch 6 ein konstanter prozentualer Anteil der gereinigten Abluft der zu reinigenden Abluft zugemischt werden. Damit sind günstige Voraussetzungen für eine einfache Regelung des Verbrennungsvorgangs gegeben. Gemäß Anspruch 7 wird der der zu reinigenden Abluft zuge­ mischte Anteil der gereinigten Abluft nach der Misch­ temperatur vor dem Eintritt in den Reaktor geregelt.

Je höher die Schadstoffkonzentration ist, desto höher ist die Temperaturerhöhung im Reaktor. Die Größe der Temperaturerhöhung im Reaktor wird daher entspre­ chend Anspruch 8 zur Regelung des Gesamtluftstroms benutzt, durch den die Schadstoffkonzentration in der Abluft auf einen vorgegebenen Wert herabgesetzt wird.

In Anspruch 9 ist eine vorteilhafte Verfahrensführung zum Anfahren des Reaktors und zur Bereithaltung auf Betriebstemperatur angegeben, wenn vorübergehend keine schadstoffhaltige Abluft anfällt.

Nach Anspruch 10 werden die gereinigte Abluft und der rückgeführte Teilstrom der gereinigten Abluft ent­ lang des Außenmantels der Reinigungsanlage geführt. Dadurch kann Wärme auf die zu reinigende Abluft übertragen werden. Zur Verminderung der Wärmever­ luste über die Oberfläche der Anlage sind die heißen Teile der Anlagenoberfläche mit einer wärmeisolieren­ den Schicht 7 versehen.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ stehen daher darin, daß der Verbrennungsvorgang bei wechselnden Abluftströmen und unterschiedlichen Schadstoffkonzentrationen durch die Erfassung der Temperatur vor und nach dem Reaktor allein ohne Messung der Schadstoffkonzentration geregelt werden kann. Es wird kein aufwendiger Wärmetauscher zur Wärmerückgewinnung benötigt. Das Verfahren ist fer­ ner besser für stark schwankende Abluftströme geeig­ net als Verfahren mit einer Wärmerückgewinnung über einen Wärmetauscher. In sicherheitstechnischer Hin­ sicht ergeben sich Vorteile aufgrund der Herabsetzung der Explosionsgefahr und der Gefahr eines Rückschlags der Verbrennung aus dem Reaktor in die Zuleitung.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel der in Fig. 1 dargestellten speziellen Ver­ fahrensvariante näher erläutert. Die schadstoffhaltige Abluft wird über die Zuleitung 1 der Reinigungsanlage zugeführt. Über die Zuleitung 2 wird die schadstoffhalti­ ge Abluft mit unbelasteter Frischluft vermischt. Dabei wird die Schadstoffkonzentration auf einen vorgegebe­ nen Wert unterhalb der unteren Explosionsgrenze her­ abgesetzt. Dazu wird die Drehzahl des Gebläses 10 über das Regelgerät 4 entsprechend der Differenz der Tem­ peraturen am Ausgang 8 und Eingang 9 des Reaktors 5 geregelt. Die mit Frischluft vermischte Abluft gelangt über das Filter 3 und das regelbare Gebläse 10 in den Reaktor 5. Vor dem Eintritt in das Gebläse 10 wird der Abluft ein Teilstrom der heißen, gereinigten Abluft zu­ gemischt, so daß die Mischtemperatur nach der Vermi­ schung einen vorgegebenen Wert erreicht, der im Fall der katalytischen Nachverbrennung oberhalb der An­ springtemperatur des Katalysators für den betreffenden Schadstoff bzw. bei Schadstoffgemischen oberhalb der Anspringtemperatur für die Komponente mit der höch­ sten Anspringtemperatur liegt. Die Einstellung des Mi­ schungsverhältnisses zwischen dem Teilstrom der hei­ ßen, gereinigten Abluft und der schadstoffhaltigen Ab­ luft erfolgt über die Mischklappe 11, die vom Regelgerät 4 nach der Temperatur 9 am Reaktoreingang angesteu­ ert wird.

In der Fig. 1 ist ein Reaktor zur katalytischen Nach­ verbrennung eingezeichnet. Der Reaktor 5 enthält eine katalytische Schicht 6 und zur Herabsetzung der Wär­ meverluste eine Isolierschicht 7. Beim Auftreten zu ho­ her Temperaturen wird die Anlage über die Übertem­ peraturbegrenzer 12 und 13 abgeschaltet. Die schad­ stoffhaltige Abluft kann in diesem Fall über die Frisch­ luftzuführung abgeleitet werden. Die Schadstoffkon­ zentration der gereinigten Abluft wird vom Meßgerät 14 erfaßt. Ist die Konzentration zu hoch, wird die Anla­ ge über das Regelgerät abgeschaltet.

Die gereinigte Abluft wird durch den Mantel des dop­ pelwandigen Anlagegehäuses zurückgeführt. Dabei wird Wärme an die zum Reaktor 5 strömende Luft ab­ gegeben. Die gereinigte Abluft verläßt die Anlage über den Austritt 19. Ein Teilstrom der gereinigten Abluft, dessen Größe durch die Stellung der Mischklappe 11 festgelegt ist, wird vom Gebläse 10 angesaugt und über die Mischklappe 11 der zu reinigenden Abluft zuge­ mischt. Die Isolierschicht 7 dient zur Herabsetzung der Wärmeverluste.

Fällt vorübergehend keine Abluft an, so wird über die Mischklappe 11 die Abluftzufuhr von der Abluft produ­ zierenden Anlage geschlossen und die Zufuhr der gerei­ nigten Abluft voll geöffnet. Das Gebläse läuft mit mini­ maler Drehzahl und über das Heizregister 15 wird die zum Reaktor strömende Luft aufgeheizt, sobald die Temperatur unter einen am Temperaturbegrenzer 16 eingestellten Wert absinkt. Die gleiche Schaltung wird während der Aufheizphase vor Inbetriebnahme benutzt.

Die Fördermenge des Gebläses ist proportional der Schadstoffmenge. Für einen großen Bereich der Schad­ stoffmassenströme kann man allein durch Verstellung der Gebläsedrehzahl die konstante Betriebstemperatur aufrechthalten. Dabei bleibt das Mischungsverhältnis zwischen dem Teilstrom der heißen gereinigten Abluft und der schadstoffhaltigen Abluft konstant, d. h. die Mischklappe muß in diesem Betriebsbereich kaum ver­ stellt werden. Im unteren Teillastbereich läuft das Ge­ bläse mit der Minimal-Drehzahl. Bedingt durch die ab­ nehmende Reaktionswärme bleibt die Reaktoraustritts­ temperatur nicht konstant, sondern sinkt ab. Um die Reaktoreintrittstemperatur 9 konstant zu halten, muß das Mischungsverhältnis zwischen dem Teilstrom der heißen gereinigten Abluft und der schadstoffhaltigen Zuluft größer werden. Dazu wird die Stellung des Mischventils 11 vom Regelgerät 4 nach der Reaktorein­ trittstemperatur 9 kontinuierlich geregelt. Kann auf die­ se Weise die vorgegebene Reaktoreintrittstemperatur nicht erreicht werden, da die Schadstoffkonzentration in der Abluft der Abluft produzierenden Anlage zu gering ist, wird mit dem Heizregister 15 nachgeheizt, bis die vorgegebene Reaktoreintrittstemperatur erreicht ist. Der Strömungsgleichrichter 18 sorgt für eine gleichmä­ ßige Durchströmung des Heizregisters 15 und des Re­ aktors 5 über den gesamten Querschnitt. Das Flamm­ schutzfilter 17 dient als Sicherheitselement gegen ein Zurückschlagen vom Flammen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Wärmerückgewinnung und Rege­ lung der katalytischen und/ oder thermischen Nachverbrennung zur Reinigung schadstoffhalti­ ger Abluft, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil­ strom der gereinigten Abluft der schadstoffhaltigen Abluft vor dem Eintritt in den Reaktor zur katalyti­ schen oder thermischen Nachverbrennung zuge­ mischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schadstoffkonzentration in der Abluft durch Zumischen unbelasteter Frischluft auf eine vorgegebene Konzentration herabgesetzt wird, bevor diesem mit Frischluft vermischten Ab­ luftstrom ein Teilstrom von der gereinigten Abluft zugemischt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schadstoffkonzentration in der Abluft durch Zumischen unbelasteter Frischluft auf einen vorgegebenen Wert unterhalb der unteren Explosionsgrenze herabgesetzt wird.

4. Verfahren der katalytischen Nachverbrennung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil­ strom der gereinigten Abluft, der der zu reinigen­ den Abluft zugemischt wird, so festgelegt wird, daß die Temperatur vor dem Eintritt in den Reaktor zur katalytischen Nachverbrennung auf einen Wert oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators angehoben wird.

5. Verfahren der thermischen Nachverbrennung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil­ strom der gereinigten Abluft, der der zu reinigen­ den Abluft zugemischt wird, so festgelegt wird, daß die Temperatur vor Eintritt in den Reaktor zur thermischen Nachverbrennung auf einen Wert un­ terhalb der Zündtemperatur dieses Gemisches an­ gehoben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß unabhängig von der Schadstoff­ konzentration in der Abluft vor der Zumischung der Frischluft der prozentuale Anteil der gerei­ nigten Abluft, der der verdünnten, schadstoffhalti­ gen Abluft vor dem Eintritt in den Reaktor zur katalytischen oder thermischen Nachverbrennung zugemischt wird, einen festen Wert aufweist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Anteils der gereinigten Ab­ luft, die dem schadstoffhaltigen Abluftstrom zuge­ mischt wird, die Temperatur am Reaktoreingang benutzt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Gebläses 10 und damit der angesaugte Volumenstrom so verändert wird, daß sich eine vorgegebene Temperaturdifferenz der Abluft am Reaktoraustritt und Reaktoreintritt ein­ stellt.

9. Verfahren zum Anfahren des Reaktors oder um den Reaktor auf Betriebstemperatur zu halten, wenn vorübergehend keine schadstoffhaltige Ab­ luft anfällt, für einen nach einem Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprü­ che betriebenen Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluftzufuhr über die Mischklappe 11 ge­ schlossen, die Zufuhr der gereinigten Abluft über dieselbe Mischklappe 11 voll geöffnet, das Gebläse 10 mit minimaler Drehzahl betrieben und die Luft über das Heizregister 15 aufgeheizt wird, sobald die Lufttemperatur unter einen an dem Tempera­ turbegrenzer 16 einstellbaren Wert absinkt.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Austritt 19 strömende gereinigte Ab­ luft bis zu diesem Austritt und der über die Misch­ klappe 11 zurückgeführte Teilstrom der gerei­ nigten Abluft bis zur Mischklappe 11 am Außen­ mantel der Reinigungsanlage entlanggeführt wer­ den, und daß diese Leitungen und diejenigen An­ lagenteile, die von erwärmten Gasen durchströmt werden nach außen mit einer wärmeisolierenden Schicht 7 versehen sind.