DE3903055A1 - Verfahren zur beseitigung geringer mengen schaedlicher gase aus einem luft-gasgemisch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beseitigung gerin­ ger Mengen schädlicher Gase aus einem Luft-Gasgemisch gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

In der Technik fällt häufig als Abfallprodukt ein Gasgemisch an, das im wesentlichen aus Luft besteht und zumindest eine Komponente eines umweltschädlichen anderen Gases enthält. Bevor dieses Gasgemisch mit Rücksicht auf die Schonung der Umwelt in die Atmosphäre abgegeben werden darf, ist die schädliche Gaskomponente dem Gemisch weitgehend oder voll­ ständig zu entziehen. Als ein in der Erdölindustrie vorkom­ mendes Beispiel für diese Problematik kann das Füllen eines Tanks genannt werden, wobei der im Tank vorhandene Gasinhalt aus dem Tank verdrängt wird. Es sind Anlagen bekannt, die aus diesem mit Kohlenwasserstoffen stark angereicherten Gas­ gemisch Kohlenwasserstoffe zurückgewinnen. Das von diesen Rückgewinnungsanlagen als Abfallprodukt abgegebene Gasge­ misch enthält aber noch einen für ein Ablassen in die Atmo­ sphäre unzulässig hohen Kohlenwasserstoffanteil. Außerdem weist dieses abgegebene Gasgemisch die durch den Rückgewin­ nungsprozeß bedingte Besonderheit auf, daß der Gehalt an Kohlenwasserstoffen periodisch stark schwankt. Die Schwan­ kungen der Konzentration können sich beispielsweise von 0 bis 30 g/m³ erstrecken, und die Zeitdauer für einen Zyklus dieser Schwankung kann beispielsweise etwa 10 Minuten betra­ gen.

Die Beseitigung dieser Kohlenwasserstoffe könnte durch ka­ talytische Nachverbrennung in einem Katalysator-Reaktor er­ folgen. Für eine effektive Reaktion in einem solchen Katha­ lysator-Reaktor ist es einerseits erforderlich, daß die Ein­ gangstemperatur des Gasgemisches oberhalb eines bestimmten Wertes liegt, der bei Katalysatoren für die Nachverbrennung von Kohlenwasserstoffen beispielsweise bei etwa 350°C liegen kann. Andererseits darf das Katalysatormaterial durch die Verbrennung der schädlichen Gase nicht zu stark aufgeheizt werden, da sie sonst Schaden nehmen würden. So soll bei­ spielsweise die bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen im Katalysator-Reaktor maximal auftretende Temperatur nicht mehr als etwa 800°C betragen. Die sich im Katalysator-Reak­ tor bei der Verbrennung einstellenden Temperaturen hängen stark von der Kohlenwasserstoffkonzentration einerseits und dem Spektrum der vorhandenen Kohlenwasserstoffe andererseits ab.

Um die Eintrittstemperatur des Gasgemisches auf den ge­ wünschten Mindestwert zu bringen, ist es möglich, das dem Katalysator-Reaktor zugeführte Gas über Wärmetauscher mit dem durch die katalytische Verbrennung aufgeheizten Gasge­ misch vorzuwärmen. Wenn allerdings die Konzentration der schädlichen Gase sehr niedrig ist, reicht diese Vorerhitzung nicht zur Erreichung der unteren Grenztemperatur aus. In diesem Falle müßte vor dem Eingang in den Katalysator-Reak­ tor eine Brennkammer vorgesehen werden, in der das Gasge­ misch durch Fremdenergie auf die gewünschte Mindesteintritts­ temperatur gebracht wird. Das bedeutet, daß für die Besei­ tigung der schädlichen Gase zusätzliche Energie aufgewendet werden muß, wobei ein großer Teil dieser Energie durch den begrenzten Wirkungsgrad der Brennkammer bedingt ist. Außer­ dem hat eine solche Brennkammer, wenn sie beispielsweise in Abhängigkeit der Eintrittstemperatur des Gasgemisches in den Katalysator-Reaktor oder in Abhängigkeit der Konzentration an schädlichen Gase gesteuert oder geregelt wird, eine nicht unbeachtliche Zeitkonstante, welche die Schnelligkeit der Temperaturanpassung beeinträchtigt.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß bei zu hoher Konzen­ tration an schädlichen Gasen die Temperatur im Katalysator- Reaktor zu hoch werden kann. Ferner treten durch die zykli­ sche Änderung der Konzentration entsprechende zyklische Tem­ peraturschwankungen im Katalysator-Reaktor auf, durch welche die Lebensdauer des Katalysator-Reaktors herabgesetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln, durch welche bei zyklischer oder nach einer anderen Zeitfunktion erfolgender Variation der Konzentration der schädlichen Gase der Energieaufwand für die bei niedriger Konzentration zusätzliche Reizung gering ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Verfahren so zu entwickeln, daß es auch bei relativ hohen Konzentrationen zu keiner Überhitzung des Katalysator-Reak­ tors kommt. Schließlich wird eine solche Gestaltung des Ver­ fahrens angestrebt, daß der Katalysator-Reaktor zur Verlän­ gerung seiner Lebensdauer unter weitgehend konstanten Bedin­ gungen betrieben werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungs­ gemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sind in den An­ sprüchen 2 bis 8 genannt.

Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruches 9 gekennzeichnet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltungen der Durchführungsanlage ist in dem Anspruch 10 genannt.

Dadurch, daß bei niedriger Konzentration des zu reinigenden Gasgemischs in geringen Mengen ein an brennbaren Gasen hoch­ konzentriertes Gasgemisch zugemischt wird, kann auf eine Brennkammer für die Erwärmung des Gasgemischs bei niedriger Konzentration verzichtet werden. Eine Brennkammer ist dann nur noch kurzzeitig bei der Inbetriebnahme der Anlage erfor­ derlich. Die Beimengung des hochkonzentrierten Gasgemischs kann durch eine Regelung erfolgen, die anspricht, wenn die Konzentration der schädlichen Gase unter einem bestimmten Wert sinkt, der bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen beispielsweise 3 gr/m³ betragen kann.

Ein Überhitzen des Katalysator-Reaktors durch relativ hohe Konzentrationen im Gasgemisch wird durch die Verdünnung mit Außenluft vermieden. Dabei kann die Beimengung der Außenluft in Abhängigkeit der Konzentration an schädlichen Gasen gere­ gelt werden.

Will man zur Schonung des Katalysator-Reaktors diesen mit möglichst gleichbleibenden Temperaturen fahren, dann kann die Steuerung der Luftbeimengung durch eine Regelung auf konstanten Fluß des Gasgemisches am Ausgang des Ventilators erfolgen. In diesem Falle erfolgt die Beimengung von hoch­ konzentriertem Gasgemisch aus der zweiten Quelle in Abhän­ gigkeit einer Regelung auf konstante Konzentration am Aus­ gang des Gebläses.

Dadurch, daß anstelle einer Brennkammer zur Vorwärmung des Gasgemisches ein mit brennbaren Gasen hochkonzentriertes Gasgemisch in geringen Mengen beigemischt wird, erreicht man, daß die zusätzlich zugegebene Energie vollständig aus­ genutzt wird, da die Verbrennung im Katalysator-Reaktor stattfindet und die Wärme vollständig auf das Gasgemisch übergeht. Die Wärmeverluste durch den begrenzten Wirkungs­ grad der Brennkammer werden also vermieden. Außerdem spricht eine solche Wärmezufuhr schneller an als die über eine Brennkammer. Dies verbessert das Regelverhalten der Anlage.

Das Verfahren nach der Erfindung ist besonders wirtschaft­ lich, wenn es zur Nachverbrennung eines Gasgemisches dient, dem in einem Vorprozeß zunächst Kohlenwasserstoffe oder an­ dere brennbare Gase weitgehend entzogen werden. Als das für das vorliegende Verfahren erforderliche zweite Gasgemisch mit hoher Konzentration an katalytisch verbrennbaren Gasen kann dann das dem Vorprozeß zugeführte Gasgemisch in kleinen Mengen verwendet werden.

Anhand des in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels einer nach dem Verfahren gemäß der Erfindung arbeitenden Anlage soll die Erfindung näher erläutert werden.

Das Ausführungsform bezieht sich auf die Beseitigung von Kohlenwasserstoffen, die in geringen Konzentrationen in Luft vorhanden sind, wobei dieses Gasgemisch von einem vorge­ schalteten Rückgewinnungsverfahren angeliefert wird, in wel­ chem einem Gasgemisch mit einer hohen Kohlenwasserstoffkon­ zentration die Kohlenwasserstoffe weitgehend entzogen wer­ den. Dabei wird angenommen, daß der Brennwert der in dem Gasgemisch enthaltenen verschiedenen Kohlenwasserstoffe pro Gewichtseinheit etwa konstant ist.

An der Quelle 1 wird das im Vorprozeß anfallende Gasgemisch aus Luft mit einem periodisch schwankenden Kohlenwasser­ stoffgehalt angeliefert. Über ein Ventil 1 a wird das Gasge­ misch von einem durch den Motor 4 angetriebenen Zentrifugal­ ventilator 3 angesaugt und über eine Brennkammer 6 zu dem Katalysator-Reaktor 7 geleitet. Der Katalysator-Reaktor 7 symbolisiert ein System, das aus mindestens einem Wärmetau­ scher und dem eigentlichen, das Katalysatormaterial enthal­ tenden Gefäß besteht, wobei das durch die katalytische Ver­ brennung aufgeheizte Gasgemisch dazu dient, das Gasgemisch vor seinem Eintritt in den Katalysator-Reaktor 7 vorzuwär­ men. Dieses System kann aus einem Reaktorgefäß und einem räumlich getrennten Wärmetauscher bestehen, oder es kann aus einem Reaktorgefäß bestehen, in welchem die Wärmetauscher integriert sind, wie dies beispielsweise in der Deutschen Patentanmeldung P... (am 31.1.1989 eingereichten Anmeldung der Anmelderin mit dem Titel "Katalysator-Reaktor für exo­ therme chemische Reaktionen zwischen gasförmigen Komponen­ ten") beschrieben ist.

Mit 2 ist eine zweite Gasquelle bezeichnet, die ein Gasge­ misch mit einer hohen Konzentration eines in dem Katalysa­ tor-Reaktor verbrennbaren Gases zur Verfügung stellt. Die Gasquelle 2 ist über ein steuerbares Ventil 21 ebenfalls an den Eingang des Gebläses 3 angeschlossen. Die Steuerung des Ventils 21 erfolgt alternativ in Abhängigkeit der Kohlenwas­ serstoffkonzentration am Ausgang des Lüfters, wo ein Analy­ segerät 22 zur Messung der Konzentration angeschlossen ist. Der Istwert der Konzentration wird in einem Regler 24 mit einem vorgegebenen Konzentrations-Sollwert 23 verglichen und einem Stellglied 25 für das Ventil 21 zugeführt. Alternativ kann das Ventil 21 in Abhängigkeit der im Katalysator-Reak­ tor maximal auftretenden Temperatur des Gasgemisch gesteuert werden, also in Abhängigkeit der Austrittstemperatur des Gasgemisches aus dem Reaktorgefäß bei Verwendung eines von Reaktorgefäß getrennten Wärmetauschers. Diese Temperatur wird durch das Temperaturmeßglied 31 erfaßt und in einem Regler 32 mit einem Temperatursollwert 33 verglichen. Über ein Auswählglied 26 wird das Stellglied 25 jeweils von demjenigen Regler 24 oder 32 beaufschlagt, der zuerst die Notwendigkeit der Durchführung einer Verstellung des Ventils 21 anzeigt.

Ferner ist an dem Eingang des Gebläses 3 im Punkte a eine Leitung 10 über ein Ventil 11 angeschlossen, über die über einen Filter 13 Außenluft angesaugt werden kann. Dieses Ven­ til wird über ein Stellglied 14 entweder in Abhängigkeit der Strömungsmenge oder der Kohlenwasserstoffkonzentration am Ausgang des Gebläses gesteuert. In der Figur ist ein Fluß­ mengenmeßglied 16 dargestellt, dessen Meßwert im Regler 15 mit einem Sollwert 17 für die Strömungsmenge verglichen wird.

Ein Druckmeßglied 41 mißt den Druck an der Gasquelle 1 und schließt über das Stellglied 42 das Ventil 1 a, wenn der Druck unter einen Wert D fällt, der nicht tiefer als der at­ mosphärische Druck liegen darf.

Die in der Figur gezeigte Anlage arbeitet wie folgt: Unab­ hängig von der Konzentration und der Menge des von der Gas­ quelle 1 gelieferten Gasgemisches wird das vom Gebläse 3 an­ gesaugte Volumen durch die Zumischung von Luft über die Lei­ tung 10 durch Steuerung des Ventils 11 auf einen konstanten Wert geregelt. Dieser Wert ist so bemessen, daß bei dem höchsten Wert der sich zyklisch ändernden Kohlenwasserstoff­ konzentration des Gasgemisches die obere Grenztemperatur im Katalysator-Reaktor nicht überschritten wird.

Wenn umgekehrt die Konzentration des Gasgemischs der Quelle 1 so niedrig ist, daß die Mindesteintrittstemperatur am Ka­ talysator-Reaktor nicht mehr erreicht werden kann, wird über das Stellglied 25 das Ventil 21 geöffnet, so daß in geringen Mengen Gas aus der Quelle 2 zugemischt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Beseitigung geringer Mengen schädlicher Gase aus einem Luft-Gasgemisch, bei dem der Gehalt der schädlichen Gase sich als Funktion der Zeit stark ändert, wobei das Gasgemisch durch einen Katalysator-Reaktor gelei­ tet wird, in welchem die schädlichen Gase durch katalyti­ sche Verbrennung beseitigt werden, dadurch ge­ kennzeichnet,

• - daß dem Gasgemisch in Abhängigkeit der Konzentration der schädlichen Gase ein zweites Gas, das eine hohe Konzen­ tration an katalytisch verbrennbaren Gasen aufweist, in solchem Maße beigemengt wird, daß die Konzentration der verbrennbaren Gase in dem in den Katalysator-Reaktor ein­ geleiteten Gasgemisch einen unteren Grenzwert überschrei­ tet, der von der Art des verwendeten Katalysators abhän­ gig ist, und
• - daß das dem Katalysator-Reaktor zugeführte Gasgemisch mittels Wärmetauscher durch das im Katalysator-Reaktor durch die Verbrennung der verbrennbaren Gase erhitzte Gasgemisch vorgewärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Gasgemisch Luft beigemischt wird und daß diese Beimischung so gesteuert oder geregelt wird,
daß die Konzentration der verbrennbaren Gase im Gasgemisch eine bestimmte Höchstgrenze nicht überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Gasgemisch Luft beigemischt wird und daß diese Beimischung so gesteuert oder geregelt wird,
daß die dem Katalysator-Reaktor pro Zeiteinheit zugeführte Gasgemischsmenge etwa konstant ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zufuhr des zweiten Gases so gesteu­ ert wird, daß die Konzentration der im Katalysator-Reaktor verbrennbaren Gase des Gasgemisches bei Einleitung in den Katalysator-Reaktor konstant ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasge­ misch aus Luft und Kohlenwasserstoffen besteht.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwen­ dung des Verfahrens auf ein Gasgemisch, das von einem Vor­ prozeß geliefert wird, in welchem einem Gasgemisch, das eine sehr hohe Konzentration der schädlichen Gase enthält, die schädlichen Gase weitgehend entzogen werden, als zweites Gas das dem Vorprozeß zugeführte Gasgemisch verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Varia­ tion des Gehalts an schädlichen Gasen zyklisch erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzen­ tration an schädlichen Gasen zwischen Null und einem Maxi­ malwert erfolgt.

9. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gasgemisch dem Katalysator-Reaktor (7) über ein Gebläse (3) zuführbar ist, an dessen Eingang über ein steuerbares Ventil (21) eine zweite Gasquelle (2) mit einer hohen Konzentration von im Katalysator-Reaktor verbrennbaren Gasen angeschlossen ist, welches Ventil (21) steuerbar oder regelbar ist in Abhängigkeit der Konzentra­ tion des Gasgemischs am Ausgang des Gebläses oder in Abhän­ gigkeit der Temperatur des Gasgemisches nach der Verbrennung der schädlichen Gase im Katalysator-Reaktor, daß an den Ein­ gang des Gebläses über ein zweites steuerbares Ventil (11) eine Leitung (10) zum Ansaugen von Außenluft angeschlossen ist, wobei das zweite Ventil (11) in Abhängigkeit der Fluß­ menge oder der Konzentration an im Katalysator-Reaktor ver­ brennbaren Gasen am Ausgang der Gebläses über einen Regler (15) steuerbar ist.

10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zu dem Katalysator-Reaktor mindestens ein Wärmetauscher gehört, dessen eine Seite von dem zu rei­ nigenden Gasgemisch durchströmt wird und dessen andere Seite von dem Gasgemisch nach erfolgter Verbrennung der schädli­ chen Gase durchströmt wird, wobei die Menge des den Wärme­ tauscher auf der einen oder anderen Seite durchströmenden Gasgemisches steuerbar ist.