DE4318172A1 - Gasreinigungs- und Aufbereitungssystem - Google Patents
Gasreinigungs- und AufbereitungssystemInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf den Umweltschutz
bzw. Umweltsteuerung und insbesondere auf Systeme zum
Steuern bzw. Kontrollieren unerwünschter Verunreinigungen
und zum Aufbereiten bzw. Beeinflussen der Temperatur von
sauerstoffhaltigem Gas oder Luft für öffentlichen Ver
brauch.
Der steigende Bedarf, chemische und toxische Abfallde
ponien bzw. Landauffüllungsstätten wieder herzustellen
und die Möglichkeit chemischer und biologischer Krieg
führung brachte einen Bedarf mit sich für ein Luftrei
nigungs- und Dekontaminationssystem, das in Verbindung
mit Deponien- und möglichen chemischen und biologischen
Kriegsführungsvorgängen verwendet wird.
Mit Bezug auf den Aspekt der chemischen und biologischen
Kriegsführung, haben sowohl die Sowjet-Union als auch die
Vereinigten Staaten doppelte und dreifache chemische Waf
fen eingeführt, wobei zwei oder mehr stabile, unschäd
liche Reaktionspartner in getrennten Abteilen der
Munition gehalten werden können. Dies erleichtert die
Produktion, die Lagerung und Einsatzprobleme. Wenn die
Munition eingesetzt wird, würde eine Explosivladung die
Reaktionspartner einander zuführen, um das gewünschte
chemische Mittel (Agens) zu erzeugen. Instabile und ex
trem giftige Mittel können somit auf bewußte Weise ein
gesetzt werden.
In den letzten Jahren wurde realisiert, daß die Umwelt
bzw. Umgebung für zukünftige Kriege wahrscheinlich sehr
unterschiedlich von der der Vergangenheit sein wird. Die
Verstädterung vieler Länder in Europa hat ein Szenarium
geschaffen, in dem, falls eine Landinvasion vom Osten her
durchgeführt würde, ein großer Teil der Kampfhandlungen
unvermeidbar in Städten und städtischen Gebieten statt
finden würde. Es ist allgemein anerkannt, daß bei koven
tionellen Waffen in einem solchen städtischen Krieg die
Verteidiger im Vorteil wären. Die Sowjet-Union und andere
Länder haben die obigen Trends erkannt und es wird ange
nommen, daß die Unvermeidbarkeit eines städtischen Kon
flikts genug Anreiz gäbe, eine chemische und/oder bio
logische Kriegsführung anzufangen. Zusätzlich zum Kampf
in städtischen Gebieten wäre es wünschenswert, viele
Ziele einschließlich Luftbasen bzw. Flughäfen und Kommu
nikationssysteme, wie Steuerzentren, Kampfleitzentren und
Aufklärungsdatenverarbeitungszentren in die Hände zu be
kommen, anstatt zu zerstören. Viele andere Befehls- und
Steuerzentralen wären auch Hauptziele. Das Ziel dabei ist
nicht, diese Ziele körperlich zu zerstören, sondern nur
die Besatzung darin zu zerstören, bis die Gegenpartei sie
besetzen kann und sie selbst in Gebrauch nehmen kann
durch die geeignete Auswahl chemischer Mittel. Zielsper
rungszeitperioden könnten von Stunden bis Wochen reichen.
Für eine solche Zielsperrung bieten chemische Waffen ein
zigartige Vorteile, insbesondere dort, wo die Besetzung
darin keine angemessenen Schutz- und Dekontaminations
möglichkeiten besitzt. Eine solche Kriegsführung würde
eine hohe Truppenvorrückrate gestatten und würde jegliche
Eskalation auf taktische Nuklearniveaus vermeiden. Zu
sätzlich würde die wahrscheinlich das innewohnende Un
gleichgewicht zwischen Angriff und Verteidigung aus
nutzen, das in chemischer und biologischer Kriegsführung
vorhanden ist. Als allgemeine Regel wird ein giftiges
Mittel zuerst entdeckt und möglicherweise verwendet und
dann später ansprechend auf die Verwendung des Mittels
wird eine Verteidigungsmöglichkeit entwickelt.
Die Industrie hat ein berechtigtes Interesse an Gas- oder
Luftreinigung, und zwar in erster Linie wegen ihres En
gagements für künftige Produktion integrierter Leistungs-
und Umweltsteuerungssysteme. Die gegenwärtigen Produk
tionseinheiten können geliefert werden, um einen Bereich
von Kühlkapazitäten zu liefern mit gleichzeitiger elek
trischer Leistungserzeugung. Es ist geplant, diese Kom
binationen zu erweitern und nicht nur elektrische Lei
stung und Kühlung vorzusehen, sondern auch Luftreinigung,
heiße Luft und heißes Wasser oder Dampf zur Dekontamina
tion; das heißt im wesentlichen alle Bedürfnisse eines
größeren Krankenhauses oder eines kollektiven Schutzsys
tems gegen chemische und biologische Kriegsführung. Der
erste Schritt zur Produktion dieser kollektiven Schutz
kombination gegen chemische und biologische Kriegsführung
wurde erkannt als die Entwicklung eines effektiven Luft
reinigungsuntersystems oder eines Zerstörungsuntersystems
für chemische und biologische Mittel.
Ein Beispiel eines solchen Luftreinigungssystems ist of
fenbart im US-Patent 4 789 294 von A. Jonueres et al.,
ausgegeben am 22. November 1988. Das Jonqueres-Patent of
fenbart ein Luftreinigungs- und thermisches Aufberei
tungssystem zur Verwendung mit einer Flugzeugkabine. Das
System umfaßt das Lecken oder Ablaufen von Luft aus dem
Motor und ein Paar von regenerierenden, chemisch impräg
nierten Molekularsieben oder -filtern, um Kohlendioxid
aus der abgelassenen Luft zu entfernen.
Ein weiteres Beispiel eines Luftreinigungssystems ist in
der Technik definiert als Chargen-Verfahren und umfaßt im
allgemeinen herkömmliche Aktivkohle-Absorptionssysteme.
Diese Chargen-Verfahren haben eine begrenzte Lebensdauer,
sind anfällig auf "Bettdurchbruch" ("bed breaking") und
müssen entweder ersetzt oder regeneriert werden, wenn sie
mit chemischen Mitteln gesättigt sind. Eines der Haupt
probleme mit diesen Kohlebetten ist die gegenwärtige Un
fähigkeit zu bestimmen, wann ein "Durchbruch" ("break
through") eines bestimmten Mittels bevorsteht. Andere
Probleme umfassen die Versorgungslogistik und die Schwie
rigkeit, gewisse Mittel während der Regeneration zu
desorbieren bzw. zu entfernen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein
Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungssystem ge
zeigt zum Entfernen einer unerwünschten Verunreinigung,
die im allgemeinen für öffentlichen Gebrauch bzw. Ver
brauch nicht akzeptabel ist, und für die Temperatur
steuerung des gereinigten Gases für die künftige Ver
wendung in einem eingeschränkten Gebiet. Das Gasreini
gungs- und thermische Aufbereitungssystem umfaßt Mittel
zum Komprimieren des teilweise gereinigten Gases und Mit
tel zum mindestens teilweise Filtern einer unerwünschten
Verunreinigung in kondensierter Phase aus dem Gas. Das
System umfaßt ferner Mittel zum Erhöhen der Temperatur
des komprimierten und teilweise gereinigten Gases aus den
Filtermitteln. Das System umfaßt ferner Mittel zum weite
ren Reinigen des Gases einschließlich eines Reaktorsy
stems und Mittel, welche Verunreinigungen aus dem teil
weise gereinigten Gas absorbieren, und Mittel zum Vermin
dern der Temperatur des gereinigten Gases auf ein Niveau,
das für öffentlichen Verbrauch akzeptabel ist.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung
ist ein Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungssy
stem gezeigt zum Entfernen einer unerwünschten Verunrei
nigung, die im allgemeinen nicht akzeptabel ist für öf
fentlichen Verbrauch, und für die Temperatursteuerung des
gereinigten Gases zur künftigen Verwendung in einem ein
geschränkten Gebiet. Das System umfaßt einen Gasturbi
nenmotor mit einem Kompressorabschnitt, einem Verbren
nerabschnitt, der mit dem Kompressorabschnitt verbunden
ist, und einem heißen Abgas, das aus dem Gasturbinenmotor
austritt. Das System umfaßt ferner eine Filter-/Trenn-
Vorrichtung für ein Gas in kondensierter Phase, wobei das
zu reinigende Gas durch die Vorrichtung hindurch geht und
zumindest teilweise gereinigt wird. Der Kompressorab
schnitt besitzt einen Kompressor darin, der in Strö
mungsmittelverbindung mit der Gasfiltervorrichtung ist.
Das System umfaßt ferner einen Wärmetauscher, der in
Strömungsmittelverbindung mit dem komprimierten, teil
weise gereinigtem Gas steht, wobei der Wärmetauscher die
Temperatur des komprimierten, teilweise gereinigten Gases
erhöht, und Mittel zur weiteren Reinigung des Gases ein
schließlich eines Reaktorsystems und Mitteln zum Absor
bieren durch Reaktion ungewünschter Zersetzungs- oder De
kompositionsprodukte. Das System umfaßt ferner nach
Wunsch Mittel zur Aufbereitung bzw. zum Polieren des kom
primierten, teilweise gereinigten Gases. Die Mittel zum
Polieren besitzen Feststoffilter und einen alkalischen
Absorbierer. Ein zweiter Wärmetauscher in Strömungsmittel
verbindung mit dem gereinigten Gas vermindert die Tempe
ratur des gereinigten Gases auf ein Niveau, das für öf
fentlichen Verbrauch akzeptabel ist.
Fig. 1 ist eine allgemeine schematische Ansicht der vor
liegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Ansicht in Einzelheiten einer Filtervor
richtung, die mit der vorliegenden Erfindung ver
wendet wird;
Fig. 3 ist eine Ansicht in Einzelheiten einer alterna
tiven Filtervorrichtung, die mit der vorliegenden
Erfindung verwendet wird;
Fig. 4 ist eine genauere schematische Ansicht eines Teils
des Gasreinigungs- und thermischen Aufbereitungs
systems der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht, teilweise im
Schnitt, eines ersten Wärmetauschers oder Reku
perators, der direkt an einem Motor befestigt ist
und mit der vorliegenden Erfindung verwendet
wird; und
Fig. 6 ist eine vergrößerte Ansicht, teilweise im
Schnitt, eines zweiten Wärmetauschers oder Re
kuperators, der mit der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein Luft- oder Gasreinigungs
system in zwei wahlweisen Konfigurationen gezeigt. Die
erste dieser Optionen umfaßt die folgenden Bauteile oder
Komponenten. Mittel 12 zum Komprimieren der Luft oder des
Gases, bezeichnet durch Pfeil 14. Mittel 16 zum teilwei
sen Filtern unerwünschter Verunreinigungen in konden
sierter Phase aus der komprimierten Luft oder Gas 14.
Mittel 18 zum Erhöhen der Temperatur der teilweise ge
filterten, komprimierten Luft oder Gas, und Mittel 20 zum
Reinigen oder weiteren Filtern der Luft oder des Gases
von jeglichen unerwünschten gasförmigen Materialien oder
verbleibenden Materialen in kondensierter Phase. Die Mit
tel 20 umfassen auch Mittel 22 zum Aufbereiten bzw. Po
lieren und Absorptionsmittel 23, die jegliche uner
wünschten Nebenprodukte entfernen, wie beispielsweise Ha
logenwasserstoffsäuregase und Schwefelverbindungen, die
erzeugt werden könnten. Die Mittel 22 und die Mittel 23
reinigen die Luft oder das Gas weiter. Die Mittel 20 er
reichen das Entfernen toxischer bzw. giftiger und uner
wünschter Verbindungen, die in der erhitzten Luft vor
handen sein können, und zwar zuerst durch katalytisches
Zersetzen oder Cracken der Verbindungen. Dieses Crack
verfahren wird durch eine Vielzahl von Materialien ka
talysiert. Typische Crackkatalysatoren umfassen Chrom
oxid, Aluminiumoxid, oft mit Chromoxid gedopt, und Zir
konoxid, wiederum üblicherweise verwendet mit einer Zu
mischung von Chromoxid. Andere Katalysatoren, die ver
wendet werden könnten, umfassen Titanoxid, Siliciumoxid
und Vanadiumoxid. Von diesen Katalysatoren sind Alumi
niumoxid/Chromoxid und Zirkoniumoxid/Chromoxid die be
vorzugten Kandidaten, in erster Linie auf Grund ihrer Ei
genschaften, den Wirkungen der Halogenwasserstoffsäuren
gase zu widerstehen, die gebildet werden, wenn haloge
nierte Bestandteile im Vorhandensein von Wasserdampf
gecrackt werden. Diese katalytischen Materialien werden
auf einem "Waschmantel" ("wash coat" abgelagert oder ab
geschieden, der seinerseits schichtartig auf einem mono
lithischen Träger vorhanden ist. Der Waschmantel kann aus
Gamma-Aluminiumoxid, Siliciumoxid oder Titanoxid be
stehen. Wenn hohe Niveaus von Halogensäuregasen vorher
gesehen werden, können die Siliciumoxid- und Titanoxid-
Waschmäntel bevorzugt werden. Zur allgemeinen Verwendung
jedoch wird üblicherweise der Gamma-Aluminiumoxid-Wasch
mantel empfohlen. Dieser Waschmantel ist deswegen wich
tig, weil die effektive Fläche für den Katalysator sich
mit der Zeit vermindern kann. Während des Betriebs kann
der Waschmantel verglasen und seine Mikroporosität ver
lieren. Diese Verminderung der Mikroporosität vermindert
die Effektivität des Katalysators. Typische monolithische
Substrate, die geeignet sind zum Tragen dieser Crackkata
lysatoren, umfassen einen weiten Bereich keramischer Ma
terialien, wie beispielsweise Cordierit, Mullit, Alu
miniumoxid und Titanoxid. Das bevorzugte Keramiksubstrat
ist Cordierit. Monolithische Substrate aus Metall können
auch verwendet werden. Diese Art von Substrat besteht
üblicherweise aus rostfreiem Stahl, der aluminisiert
worden ist. Durch gesteuerte Hochtemperaturoxidation des
aluminisierten Metalls kann ein kohärenter Aluminium
oxidfilm auf der Oberfläche gebildet werden. Dieser
Aluminiumoxidfilm ist äquivalent zu dem Waschmantel auf
den keramischen Monolithen. Um sicherzustellen, daß die
während der Crackreaktion erzeugten Halogene weiter zu
den entsprechenden Halogenwasserstoffsäuregasen rea
gieren, muß Wasser in ausreichender Menge vorgesehen
sein, um die Reaktionen zu befriedigen (die Reaktionsbe
dingungen zu erfüllen). Wenn die erwärmte Luft trocken
ist, dann muß Wasser zu dem Luftstrom hinzugefügt werden,
bevor er in den Crackreaktor eintritt. Dieses Wasser
tritt in die katalytischen Reaktionen ein und modifiziert
sie, so daß das Halogenwasserstoffsäuregas erzeugt wird.
Im allgemeinen enthält Umgebungsluft in den meisten Tei
len der Welt ausreichend Wasser, um zu gestatten, daß die
Halogenwasserstoffsäuregase gebildet werden.
Nach dem Crackreaktor gehen die erwärmte Luft und die
zersetzten chemischen Sorten bzw. Stoffe in einen Säure
gasabsorbierer. Dieser Absorbierer, der ein Teil der
Luftreinigungsmittel 20 ist, reagiert mit den Halogen
wasserstoffsäuregasen und jeglichen schwefelenthaltenden
Gasen, die während der Crackreaktion erzeugt werden, und
fixiert sie. Dieser Absorbierer ist ein gepacktes Bett
von irgendeiner Form, die eine Kombination aus Zink- und
Calciumsalzen enthält. Ein Bett aus Marmorchips, gemischt
mit Zinkoxidkugeln kann beispielsweise als ein effektives
Absorbiererbett verwendet werden. Ein wünschenswertes
Verfahren ist es, die Doppeloxide von Calcium und Zink zu
verwenden, die mit einem Binder gemischt werden können
und in unterschiedlichen Formen geformt werden können.
Formen, die den Druckabfall minimieren, können geformt
werden und in die Betten gepackt werden oder angeordnet
werden, um einen Reaktor mit einzelnen Kanälen zu bilden.
Das letztere Doppeloxid ist das bevorzugte Verfahren, um
Säuregase zu absorbieren. Dieses Bett, das das Entfernen
unerwünschter Säuregase aus der Luft bewirken soll,
schützt auch den stromabwärts von dem Absorbierer ange
ordneten, zweiten katalytischen Reaktor vor den Wirkungen
der verschiedenen Säuregase.
Der zweite katalytische Reaktor ist ein Oxidationsreak
tor, der vorzugsweise einen Nicht-Edelmetall-Katalysator
verwendet, basierend auf Kupfer und Manganoxiden, um die
Tochterfragmente der zersetzten chemischen Sorten oder
Verbindungen zu oxidieren, die den Crackreaktor- und das
Absorbiererbett verlassen. Dieser Reaktor ist das letzte
Stück der Luftreinigungsmittel 20. Ein Mehrkomponenten
katalysator wird bevorzugt, bestehend aus Kupfer(II)-oxid
und Mangandioxid am Eingangsende des Reaktors und Kup
fer(I)-oxid gemischt mit Zinkoxid am Ende des Reaktors.
Edelmetallkatalysatoren, wie beispielsweise Platin und
Palladium, können auch verwendet werden. Die katalyti
schen Materialien werden üblicherweise auf einem Wasch
mantel aus Gamma-Aluminiumoxid abgeschieden oder abgela
gert und werden davon getragen. Andere Waschmäntel ein
schließlich Siliciumoxid und Titanoxid, können auch ver
wendet werden, und diese wurden oben in der Beschreibung
des Crackreaktors beschrieben. Der Waschmantel seiner
seits wird getragen durch einen ähnlichen Monolithen zu
dem in dem Crackreaktor verwendeten. Cordierit und rost
freier Stahl sind zwei bevorzugte Monolith-Substrat-Ma
terialien. Wenn Leichtgewicht erforderlich ist, werden
Metallmonolithe verwendet, und in allen anderen Fällen
wird Cordierit bevorzugt. Andere Monolith-Materialien
können verwendet werden, wie beispielsweise Mullit, Alu
miniumoxid, Siliciumoxid, Titanoxid und Zirconoxid.
Wie am besten in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, umfassen
die Mittel 16 zum zumindest teilweisen Filtern uner
wünschter Verunreinigungen aus dem Gas 14 eine herkömm
liche Filtervorrichtung 30, die in dieser Anwendung ein
Zyklonfilter 31 ist, welcher auf herkömmlicher Weise, wie
beispielsweise durch Leitungen 32, an einem herkömmlichen
Gasturbinenmotor 33 befestigt ist, welcher einen Einlaß
luftstrom, auch durch den Pfeil 14 bezeichnet, und einen
Auslaßstrom, bezeichnet durch die Pfeile 34, besitzt. Der
gewählte Zyklonfilter 31 umfaßt ein allgemein zylindri
sches Gehäuse 36 mit einem Auslaßende 37 und einem Ein
laßende 38, in dem ein Strudel- oder Vortex-Generator 39
positioniert ist. Ein allgemein konusförmiges Aufnahme
rohr 40 ist allgemein innerhalb des Gehäuses 36 zen
triert. Das Rohr 40 besitzt eine Einlaßöffnung 41 mit ei
ner vorbestimmten Flächenöffnung, und die Einlaßöffnung
41 weist zu dem Vortex-Generator 39. Das Rohr 40 umfaßt
ferner eine Auslaßöffnung 42, die nahe dem Auslaßende 37
des Gehäuses 36 positioniert ist. Die Auslaßöffnung 42
besitzt eine größere Flächenöffnung als die Einlaßöffnung
41. Die Auslaßöffnung 42 steht in Strömungsmittelver
bindung mit der Einlaßöffnung 41 und steht in Strömungs
mittelverbindung mit dem Lufteinlaßstrom 14 des Gastur
binenmotors 33. Der Zyklonfilter 31 besitzt die Fähig
keit, Partikel, bezeichnet durch Bezugszeichen 43, mit
einem Durchmesser von größer als 5 Mikron zu entfernen.
Ferner ist ein herkömmliches Spülsystem 46 in den Mitteln
16 umfaßt, zum mindestens teilweisen Filtern einer uner
wünschten Verunreinigung aus dem Gas 14. Das System 46
verwendet einen Teil des Abgasstroms 34 des Gasturbi
nenmotors 33, und zwar äquivalent zu annähernd 10 % des
ursprünglichen Abgasstroms 34. Das System 46 umfaßt einen
vergrößerten Teil 47, der nahe dem Auslaßende 37 des Ge
häuses 36 gebildet ist, in dem eine Kammer 48 gebildet
ist. Ein Ablauf- oder Leckrohr 49 ist in dem vergrößerten
Teil 47 positioniert und bildet einen Durchlaß 50 darin,
und zwar in Strömungsmittelverbindung zwischen der Kammer
48 und dem Abgasstrom 34 des Gasturbinenmotors 35. Die
Verunreinigungen 43 mit einem Durchmesser von mehr als
5 Mikron werden getrennt und in der Kammer 48 abgelagert
bzw. abgeschieden. Die Verunreinigungen 43 werden aus der
Kammer 48 durch den Durchlaß 50 gespült und in die ver
schmutzte oder kontaminierte Atmosphäre verteilt, aus
der sie kamen.
Als eine Alternative und am besten in Fig. 3 gezeigt,
umfaßt die Filtervorrichtung 30 einen einstufigen Bar
rierenfilter 52 mit der Fähigkeit der Selbstreinigung.
Der Einzelstufenbarrierenfilter 52 kann als alleinste
hende Einheit 53 verwendet werden oder als ein integrales
Teil eines mobilen Systems. Die Komponenten und die Funk
tion des alleinstehenden und des mobilen Systems sind
identisch und werden als eine einzige Einheit beschrie
ben. Die alleinstehende Einheit 53 besitzt eine allgemein
rechtwinklige kubische Form. Die Einheit umfaßt ein Ein
laßende 54 mit einer Vielzahl von Öffnungen 56 darin, von
denen nur eine gezeigt ist. Jeder der Vielzahl von Öff
nungen 56 besitzt eine Filterpatrone 58, die daran befe
stigt ist. Die Einheit 52 umfaßt auch ein Auslaßende 59.
Wie am besten in den Fig. 1 und 5 gezeigt ist, umfassen
die Mittel 12 zum Komprimieren des teilweise gefilterten
Gases in dieser Anwendung zumindest einen Teil des her
kömmlichen Gasturbinenmotors 33. Der herkömmliche Gas
turbinenmotor 33, obwohl nur teilweise gezeigt, umfaßt
ein externes Gehäuse 62 und einen Kompressorabschnitt 64,
der innerhalb des Gehäuses 62 positioniert ist. Der Kom
pressorabschnitt 64 besitzt ein Einlaßende 66, verbunden
mit den Mitteln 12 über herkömmliche Leitungen 32. Der
Kompressorabschnitt 64 umfaßt ferner einen Kompressor 68
und ein Auslaßende 70. Von dem Auslaßende 70 wird das
komprimierte Gas durch herkömmliche Leitungen 72, nur
teilweise gezeigt, zu einem Steuerventil 74 geleitet, wo
bei das komprimierte Gas 14 geteilt und auf den Motor 33
und die Mittel 18 verteilt wird zum Erhöhen der Tem
peratur des teilweise gefilterten Gases 14 in einem vor
bestimmten Verhältnis. In dieser Anwendung ist das Ver
hältnis des Gases, das an die Mittel 18 zum Erhöhen der
Temperatur und an den Motor verteilt wird, ungefähr 1 : 5.
Der Motor 33 umfaßt ferner einen Verbrennerabschnitt 76
mit einem Einlaßteil 78 verbunden mit der herkömmlichen
Leitung 72, durch die das Gas 14, das durch das Ventil 74
geleitet wird, in den Verbrennerabschnitt 76 eintritt.
Ein verbrennbarer Brennstoff, nicht gezeigt, wird an den
Verbrennerabschnitt 76 geliefert und mit dem Gas 14 ver
mischt, das durch das Ventil 74 zu dem Motor 33 geleitet
wird, und zwar von dem Auslaßende 70 des Kompressorab
schnitts 64. Innerhalb des Verbrennerabschnitts 76 werden
der Brennstoff und das Gas 14 gemischt und verbrannt, und
ergeben das Ausstoß- oder Abgas 34. Das sich ausdehnende
Abgas 34 von dem Verbrennerabschnitt 76 tritt am Auslaß
teil 82 auf herkömmliche Weise aus. Das verbrannte Gas
34, das aus dem Auslaßteil 82 des Verbrennerabschnitts 76
austritt, geht durch weitere herkömmliche Leitungen 84,
nur teilweise gezeigt, innerhalb des Motors 33 und wird
zu einem Leistungsturbinenabschnitt 86 geleitet. Die Tur
bine 88 des Leitungsturbinenabschnitts 86 wird durch die
verbrannten, sich ausdehnenden Gase 34 gedreht. Die Tur
bine 88 ist antriebsmäßig mit dem Kompressorabschnitt 64
verbunden und treibt den Kompressor 68 des Kompressorab
schnitts 64 auf herkömmliche Weise an, nicht gezeigt.
Nachdem das verbrannte Gas 34 durch die Turbine 88 hin
durchgegangen ist, tritt das verbrannte Gas 34 durch ein
Auspuff- oder Ausstoßsystem 90 aus. Die Turbine 88 ist
auch antriebsmäßig mit einem herkömmlichen elektrischen
Generator 92 verbunden zum Liefern elektrischer Energie.
Wie weiter in Fig. 1 gezeigt ist, wird ein Teil des Gases
14 von dem Kompressorabschnitt 64 durch herkömmliche Lei
tungen 100, nur teilweise gezeigt, zu den Mitteln ge
leitet zum mindestens teilweise Filtern unerwünschter
Verunreinigungen aus dem Gas 14, und wird weiter durch
herkömmliche Leitungen 100 zu den Mitteln 18 geleitet zum
Erhöhen der Temperatur des komprimierten, teilweise ge
filterten Gases. In dieser Anwendung und am besten in
Fig. 5 gezeigt, umfassen die Mittel 18 zum Erhöhen der
Temperatur des teilweise gefilterten Gases, das aus dem
Kompressorabschnitt 64 austritt, einen herkömmlichen Pri
märoberflächenwärmetauscher oder Rekuperator 102. Der
Wärmetauscher 102 umfaßt ein Gehäuse 104, in dem ein Kern
106 positioniert ist. Das Gehäuse 104 umfaßt einen Ein
laßteil 108 und einen Auslaßteil 110. Der Kern 106 umfaßt
eine Vielzahl von Primäroberflächenplatten 112, die in
beabstandeter Seite-an-Seite-Beziehung zueinander gesta
pelt sind. Der Außenumfang aufeinanderfolgender Paare der
Platten 112 sind in der üblichen Weise miteinander ver
bunden, um abwechselnde bzw. alternierende Stromdurchlässe
114 für das Gas 14 und Stromdurchlässe 116 für das Abgas
34 zu bilden. Der Einlaß 108 steht in Strömungsmittel-
Verbindung mit dem Gas 14, das von dem Steuerventil 74
her strömt. Ein zweiter Einlaß 120, nur teilweise ge
zeigt, steht in Strömungsmittelverbindung mit dem Strom
des Abgases 34, der in den Wärmetauscher 102 eintritt.
Herkömmliche Leitungen 122, nur teilweise gezeigt, ver
binden das Auspuff- oder Auslaßsystem 90 mit dem Wärme
tauscher 102. In dieser Anwendung tritt ein Teil des kom
primierten Gases 14, das teilweise von unerwünschten Ver
unreinigungen gefiltert wurde, in den Wärmetauscher 102
ein, wird auf eine Temperatur zwischen 800 und 1000°F
(426 bis 537°C) erhitzt und tritt aus dem Wärmetauscher
102 aus.
Von dem Wärmetauscher 102 tritt das komprimierte Gas 14,
das teilweise gefiltert und erwärmt wurde, in die Mittel
20 zur weiteren Reinigung des Gases ein über herkömmliche
Leitungen 150, nur teilweise gezeigt. Wie am besten in
den Fig. 1 und 4 gezeigt ist, umfassen die Mittel 20 zur
weiteren Reinigung des Gases ein Hochtemperatursystem mit
einem zweistufigen Reaktionsprozeß 151. Der Prozeß 151
umfaßt ein Paar von Reaktorbetten einschließlich eines
thermischen Crackreaktors oder Zersetzers (Dekomposer)
152 und einem katalytischen Oxidationsreaktor 154. Der
thermische Crackreaktor 152 besteht aus einem zylindri
schen Reaktorbett 155 mit Innenwänden 156, die mit einem
monolithischem Wabenmuster aus Cordierit überzogen sind
und mit x-Alumiumoxid gepackt ist, welches mit Chromoxid
dotiert oder gedopt ist. Als Alternative könnte eine
Vielzahl von Chromoxid geförderten Aluminiumoxid-Raschig-
Ringen 157 zum Packen des zylindrischen Reaktorbetts 155
verwendet werden. Wenn die Raschig-Ringe 157 verwendet
werden, sind die Ringe 157 ungefähr 5 mm im Durchmesser.
Der Monolith in dieser Anwendung besitzt Zellen mit ent
weder quadratischem oder abgerundetem dreieckigem Quer
schnitt. Die Anzahl von Zellen pro Quadratzoll Quer
schnittsfläche variiert von 400 Zellen pro Zoll bis
1000 Zellen pro Zoll abhängig von der Anwendung.
Monolithkonstruktionsmaterialien umfassen Cordierit, Mil
lisit, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Liti
umaluminiumsilikate und Metall oder Metallegierungen, die
einen haftenden Aluminiumoxidüberzug bilden.
Der thermische Crackreaktor 152 besteht aus einem mono
lithischen Substrat, konstruiert aus einem der oben auf
gelisteten Materialien. Die Innenwände 156 sind mit x-
Gamma-Aluminiumoxid überzogen, und zwar gedopt mit Chrom
oxid mit einer Konzentration von ungefähr 3 %. Am hinte
ren Ende des thermischen Reaktors 152 ist das Gas 14, das
Tochterfragmente der Originalschmutzstoffe enthält, da
rauf beschränkt, durch einen weiteren Monolithen hin
durchzugehen, der stark beschichtet bzw. überzogen ist
mit einer Mischung 159 aus kristallinem Calciumcarbonat
70 Gew.%, Magnesiumoxid (10 Gew.% und Zinkoxid 20 Gew.%).
Jegliche Wasserstoffsäureansammlung oder andere Säure
ansammlung, die in dem Strom von Gas 14 vorhanden ist,
wird mit diesen Materialien reagieren und wird somit fi
xiert und innerhalb dieses mittleren oder Zwischen
monoliths zurückgehalten. Als eine Alternative könnte der
thermische Crackreaktor 152 eine Packung gemischten, kri
stallinen Calciumcarbonats, Magnesiumoxids und Zinkoxids
umfassen. Nach der Reaktion bzw. Behandlung in dem ther
mischen Crackreaktor 152 treten das Gas 14 und die teil
weise nicht absorbierten Fragmente, die irgendwelche un
erwünschten Verunreinigungen umfassen, in den kataly
tischen Reaktor 154 ein, welcher im wesentlichen einen
Nachbrenner 160 umfaßt, welcher mit einem Oxidations
katalysator gepackt ist. Der Oxidationskatalysator ist in
dieser Anwendung eine Mischung 161 aus geförderter bzw.
homogenisierter Kupferoxide, und zwar sowohl Kupfer(I)
als auch Kupfer(II)-oxide. Die Förderung bzw. Homoge
nisierung bzw. Aktivierung bzw. Promotion des Kupfer(II)
oxids 161 kann durch Mangan, Chrom oder Zink erfolgen.
Als ein alternativer Promotor kann ein Kupferoxidgemisch
auf den inneren Durchlaßoberflächen eines Monoliths ab
gelagert oder angebracht werden. Diese Oberflächen werden
mit x-Aluminiumoxid überzogen als einem "Waschmantel"
("wash coat") oder "Bindemantel" ("bond coat") und zwar
bevor sie mit den Kupferoxiden überzogen werden. Das ge
förderte (durch Promoter behandelte) Kupferoxidgemisch
wird am vorderen Teil eines Einlaßabschnitts des Mono
lithen abgelagert. Kupfer(I)-oxide werden auf die Ober
flächen im hinteren Teil dieses katalytischen Reaktors
aufgebracht bzw. überzogen, um eine zusätzliche Schutz
maßnahme vorzusehen gegen ein Durchdringen von Wasser
stoffcyanid durch beide Reaktoren. Die Kupfer(I)-oxide
sind ein sehr spezieller Katalysator für die Oxidation
von Wasserstoffcyanid und werden als Perlen in dem kata
lytischen Reaktor 154 verwendet und werden auf die Ra
schig-Ringe 157 aufgebracht, wenn diese verwendet werden.
Wenn die Raschig-Ringe 157 damit überzogen werden, wird
eine Konzentration von ungefähr 10 % verwendet. Die Ver
bleibdauer, die für das Gas 14 innerhalb der Reaktoren
151 erforderlich ist, basiert auf der Diffusionsrate der
spezifischen Verunreinigung in dem Gas 14 in die verfüg
bare Katalysatoroberfläche. Diese Rate hängt in erster
Linie von dem Molekulargewicht der vorhandenen spezifi
schen Verunreinigung ab, und im geringeren Maße von der
Temperatur der Reaktoren 151. Typische Dimensionen für
einen katalytischen Reaktor 154 mit einem Strom des Gases
14 von 50 scfm (Standard cubic feet per minuts; 1 scfm =
0,02832 m3/Minute), wobei der Reaktor bei 850°F (454°C)
und Umgebungsdruck arbeitet, wären 117 mm im Durchmesser
und 127 mm in der Länge. Der thermische Crackreaktor 152
wäre länger, typischerweise 229 mm lang, für den gleichen
Gesamtdurchmesser. Die Größe des Calciumcarbonat-Reak
torabsorptionsabschnitts hängt ab von den Lebensdauer
erfordernissen einer bestimmten Aufgabe. Nachdem es wei
ter gereinigt wurde, verläßt das Gas 14 den katalytischen
Reaktor 154 durch eine herkömmliche Leitung 162.
Die Leitung 162 kann mit einem Einlaßende 170 der Mittel
22 zum "Polieren" ("polishing") bzw. Feinreinigen ver
bunden sein. Die Verwendung der Mittel 22 sehen einen
wahlweisen Schritt vor, der einen weiteren Schutz gegen
jeglichen Säurerrest vorsieht, der durch die zwei Reak
toren 151 durchbricht. Die Mittel 22 zum Polieren umfas
sen einen herkömmlichen Polierer (polisher) 172. Der Po
lierer 172 umfaßt einen Feststoffilter und einen alkali
schen Absorbierer. In dem Polierer 172 werden uner
wünschte Verunreinigungen entfernt, die im wesentlichen
in Form von Säuregasmaterialien vorhanden sind, die aus
Schwefel, Chlor oder Fluor erzeugt wurden, die in dem Gas
14 vorhanden sind. Der Polierer 172 umfaßt im wesentli
chen Natriumcarbonatmonohydrat, das darin gepackt ist,
und besitzt ein Auslaßende 174, aus dem das weitere
gereinigte Gas 14 in eine herkömmliche Leitung 176 gelei
tet wird. Um das System 10 weiter zu verbessern, können
die Poliermittel 22 in Verbindung mit einem Säuregassen
sor verwendet werden, um eine Anzeige vorzusehen, daß der
Reaktionsmittel-Absorptionsmittel-Abschnitt ordnungsgemäß
oder fehlerhaft funktioniert. Der Sensor wäre in der Lei
tung zwischen dem Oxidationsreaktor und dem alkalischen
Polierer angebracht. Jeglicher Säurerest, der durch den
Sensor dringt auf Grund von Versagen oder Sättigung des
Reaktionsmittelmaterials, das in den Crack- oder Oxidati
onsreaktoren angeordnet ist, wird bewirken, daß ein Alarm
ertönt. Dieser Alarm zeigt an, daß das Polierbett nun das
Hauptreaktionsmittelabsorptionsmedium ist und daß das
Zwischenreaktionsmittelmaterial ersetzt werden muß. Das
Zeitintervall, das für das Ersetzen des Zwischenreakti
onsmittels verfügbar ist, wird von der Größe des Polier
betts abhängen.
Wie am besten in Fig. 6 gezeigt ist, wird ein zweiter
Primäroberflächenwärmetauscher oder Rekuperator 190 ähn
lich zu dem Primäroberflächewärmetauscher 102 verwendet.
Der Wärmetauscher 190 umfaßt ein Gehäuse 194, in dem ein
Kern 196 positioniert ist. Das Gehäuse 194 umfaßt einen
Einlaß 198 und einen Auslaß 200. Der Kern 196 umfaßt eine
Vielzahl von Primäroberflächenplatten 202, die in einer
beabstandeten Seite-an-Seite-Beziehung zueinander gesta
pelt ist. Der Außenumfang aufeinanderfolgender Paare der
Platten 202 ist in der üblichen Weise miteinander verbun
den, um abwechselnde bzw. alternierende Dissipations
durchlässe 204 für das heiße Gas 14 und Kühlgasaufnahme
durchlässe 206 zu bilden. Der Einlaß 198 steht in Strö
mungsmittelverbindung mit dem gereinigten Gas 14, das von
dem alkalischen Absorbierer 180 durch herkömmliche Lei
tungen 182 strömt und durch den zweiten Wärmetauscher 190
und die Dissipationsdurchlässe 204 für das heiße Gas 14
strömt. Ein zweiter Einlaß 220, nur teilweise gezeigt,
steht in Strömungsmittelverbindung mit einem Kühlmedium,
durch den Pfeil 222 bezeichnet, das in dieser Anwendung
Umgebungsluft ist und durch den zweiten Wärmetauscher 190
und die Kühlgasaufnahmedurchlässe 206 hindurchgeht. Als
Alternative könnte, abhängig von der geographischen Lage
des Systems 10, der zweite Wärmetauscher 190 ein herkömm
licher Flüssigkeits-Luft- oder Luft-Luft-Wärmetauscher
sein, wobei das Gas 14 durch eine Flüssigkeit, wie bei
spielsweise Wasser, von verbrauchter Luft oder verbrauch
ter Luft aus einem anderen Prozeß gekühlt werden könnte.
Ein Beispiel eines solchen Wärmetauschers wäre ein Rohr-
und-Mantel- oder ein Lamellenrohr-Wärmetauscher.
Ein Ventilator oder Gebläse 240 wird verwendet, um das
gereinigte Gas 14 durch den Wärmetauscher 190 und in das
Abteil zu leiten, in dem das gereinigte Gas verwendet
werden soll. In vielen Anwendungen wird ein Luftzyklus-
Umweltsteuerungssystem verwendet, um die Luft nach dem
Vorkühlen durch den obigen Wärmetauscher zu kühlen. Als
eine Alternative kann der Druckabfall des Gases 14 von
Hochdruck zu Umgebungsdruck verwendet werden, um den
Strom von Gas 14 durch den zweiten Wärmetauscher 190 zu
leiten.
In dieser speziellen Anwendung wurde das Gas 14 aus dem
Auslaßende 70 des Kompressorabschnitts 64 des Gasturbi
nenmotors 33 abgelasen und steht unter hohem Druck, ty
pischerweise 8 bis 30 Atmosphären. Bei diesen Drücken,
die beträchtlich höher sind als diejenigen, die norma
lerweise mit Luftzyklus-Umweltsteuerungs-Einheiten (ECU)
assoziiert werden, muß eine modifizierte Expansions- oder
Ausdehnungsturbine verwendet werden. Für diese Anwen
dungen wird eine Ultraschallgasturbine verwendet. Diese
Turbine könnte entweder eine einstufige oder eine mehr
stufige Turbine sein, abhängig von dem Druckverhältnis.
Bei niedrigen Druckverhältnissen (weniger als 12 Atmo
sphären) würde eine einzige Stufe verwendet, wogegen bei
höheren Verhältnissen mehrfache Stufen (bis zu drei) ver
wendet würden. Die mittleren Stufen könnten supersonisch
(Überschall), transsonisch (schallnah) oder subsonisch
(Unterschall) sein, je nach Bedarf. Die supersonische
Turbine ist direkt mit einem Hochgeschwindigkeits-Wech
selstromgenerator verbunden mit einer Festkörper
gleichrichtung auf 570 Volt Gleichspannung. Dieser Wech
selstromgenerator absorbiert im wesentlichen Leistung von
dem sich ausdehnenden Gas 14, das durch die Turbine hin
durchgeht und kühlt somit das Gas 14 wesentlich. Die Ver
wendung der supersonischen Turbine und eines hohen Be
triebsdrucks des Gases 14 gestattet, daß die Größe und
das Gewicht des Gesamtsystems 10 wesentlich vermindert
werden, verglichen mit herkömmlichen Luftzyklus-Umwelt
steuerungseinheiten. Zusätzlich zur Verwendung eines di
rekt angetriebenen Hochgeschwindigkeitswechselstrom
generators zur Absorption der Leistung eliminiert der
Wechselstromgenerator den Bedarf für einen Kompressor
und ist wesentlich kleiner. Die erzeugte elektrische Lei
stung kann verwendet werden, um andere Komponenten oder
Bauteile innerhalb des Fahrzeugs oder der Kabine zu be
treiben, wo die Leistung benötigt wird. Im allgemeinen
wären die Umweltsteuerungseinheiten nicht ein einziges
Paket, sondern ein Satz von Komponenten oder Bauteilen,
die verteilt wären und in den Fahrzeuguntersystemen inte
griert wären, wo dies geeignet ist. Diese verteilte An
ordnung gestattet eine bessere Verwendung der Komponen
tenfunktion, beispielsweise die Wärmetauscheranordnung
bzw. -plazierung, die Infrarotausstrahlung- oder -sig
natur vermindern. Der Kühlungswärmetauscher könnte bei
spielsweise Luft verwenden, die vorher zum Kühlen von
Elektronik verwendet wurde, um die Temperatur der gerei
nigten Luft zu vermindern. Dies würde den Bedarf für ein
zusätzliches Gebläse eliminieren.
Das Reinigungssystem 10 für das Gas 14, wie es durch den
Anmelder angewendet wird, ist praktisch ein kontinuier
licher Prozeß. Das System 10 kann über ausgedehnte Zeit
perioden in Betrieb sein unter der Voraussetzung, daß
Brennstoff für den Gasturbinenmotor 33 verfügbar ist,
welcher verwendet wird zum Liefern des Druckgases 14 und
zum Vorsehen der Leistungsquelle. Das System 10 umfaßt
ferner die Fähigkeit, zur Versorgung von heißer Luft und
heißem Wasser oder Dampf zur späteren Verwendung geeignet
zu sein. Heiße Luft würde beispielsweise verwendet werden
bei der Dekontamination "aktiver" Schutzkleidung, die
eine Aktivkohlenschicht oder -lage verwendet als Abwehr
gegen chemische Mittel. Solche Bekleidung kann leicht de
kontaminiert werden durch Umwenden oder Schleudern
("tumbling") in einem Hochtemperaturluftstrom. In ähn
licher Weise könnte heißes Wasser oder Dampf benötigt
werden für die Dekontamination von Ausrüstung und passi
ver oder undurchlässiger Schutzkleidung. Vorkehrungen zur
Lieferung sowohl von heißem Wasser als auch von erhöhten
Heißluftniveaus könnten von dem System 10, wie es hier
definiert ist, vorgesehen werden. Die Verfügbarkeit sol
cher Lieferungen gestattet Eintreten und Austreten aus
dem Schutzraum, der Kabine oder dem eingeschränkten Ge
biet als praktischer Vorschlag. Ohne diese Fähigkeit,
Heißwasser- und vermehrte Heißluftdekontamination vor
zusehen, die in den Schutzraum integriert ist, würde
einen Verlust von Schutzausrüstung zur Folge haben, wel
cher zu einem Verlust an Mobilität und einem Verlust an
Verteidigungsfähigkeit führen würde.
In dieser Anwendung ist das Basispaket, das zu Bezugs
zwecken angenommen wurde, ein elektrisches Versorgungs
system mit 60 kW und mit 600 000 Btu Kühlkapazität mit
einer Strömungsrate von ungefähr 38 Kubikmetern pro Mi
nute. Diese Einheit wiegt ungefähr 344 kg und besitzt ein
Volumen von ungefähr
6 Kubikmetern. Die Leistungsbasis oder das Ziel ist ver
gleichbar mit der Aufrechterhaltung einer Kabinen- oder
Schutzraumtemperatur von weniger als 75°F (23,9°C) und
einer relativen Feuchtigkeit von weniger als 60 %. Diese
letzteren Werte werden als notwendig angesehen für das
Überleben von sowohl Personal als auch elektronischer
Ausrüstung, wenn die Kabine oder der Schutzraum für lange
Zeitperioden benutzt werden soll. Dieses System ist eine
alleinstehende Einheit, die keine weitere Energiezufuhr
braucht außer Brennstoff.
Eines der Ziele des vorliegenden Reinigungssystems 10 für
Gas 14 ist es, das Gas 14 radiologisch durch Filtration
zu schützen, das zum öffentlichen Verbrauch verwendet
werden soll. Der Gasturbinenmotor 33 wird verwendet, um
kontaminiertes oder verseuchtes Gas 14 durch einen Stan
dard-Wirbel- oder Vortex-Trenner 31 zu blasen mit der Fä
higkeit, Partikel 43 mit Durchmessern größer als 5 Mikron
zu entfernen. Die Partikel 43 mit einem Durchmesser von
mehr als 5 Mikron werden durch den Vortex-Trenner 31 ent
fernt, gesammelt und durch das Spülsystem 46 entfernt. Der
Rest des Gases 14 wird durch den Wärmetauscher 102 hin
durchgeleitet. Das Gas 14, das in den Motor 33 eintritt,
wird durch den Kompressor 68 komprimiert, und Wärme wird
dem Gas 14 während des Komprimierprozesses zugefügt. Das
Gas 14 tritt am Auslaßende 70 des Kompressorabschnitts 64
in die herkömmliche Leitung 72 aus und wird durch das
Steuerventil 74 entweder an den Verbrennerabschnitt 76
des Motors 33 oder an das Partikelentfernungssystem, das
den Vortex-Trenner 31 verwendet, und dann zu dem Wärme
tauscher 102 geleitet. Der Teil des Gases 14, der zu dem
Verbrennerabschnitt 76 des Motors 33 geleitet wird, wird
mit Brennstoff gemischt, verbrannt und das sich ausdeh
nende Abgas oder ausgestoßene Gas 34 wird verwendet, um
den Motor 33 auf herkömmliche Weise zu betreiben. Der Mo
tor 33 wird verwendet, um einen Generator 92 anzutreiben
und es können Vorkehrungen getroffen werden, daß das Sy
stem zusätzliches heißes Gas und heißes Wasser liefert,
falls gewünscht. Der Teil des Gases 14, der zu dem Wärme
tauscher 102 geleitet wird, geht durch herkömmliche Lei
tungen 100 und tritt in den Einlaß 108 des Wärmetauschers 102
ein. Das Gas 14 geht durch Strömungsdurchlässe 114
und absorbiert Wärme von dem Abgas 34, das durch Durch
lässe 116 hindurchgeht. Nachdem es auf eine Temperatur
oberhalb von ungefähr 800°F (426°C) erhitzt wurde, ver
läßt das Gas 14 den Auslaß 110 und tritt in die herkömm
liche Leitung 150 ein. In dieser Anwendung wird das Abgas
34 zur Atmosphäre hin freigegeben, nachdem es verwendet
wurde zum Erhitzen des Gases 14. Das weiter zu reinigende
Gas 14 tritt aus der herkömmlichen Leitung 150 aus und
tritt in den Crack- oder thermischen Reaktor 152 ein, wo
bei der x-Alumiumoxid-Überzug auf der Vielzahl von Wänden
158 und das kristalline Calciumcarbonat 159 mit dem Gas
14 reagieren, um das Gas 14 weiter zu reinigen. Bei
spielsweise wirkt das mit Chromoxid gedopte x-Aluminiumo
xid katalytisch, um eine Vielzahl von chemischen Mitteln
oder Agentien und viele andere Verschmutzungsarten zu
dealkylieren, dehydrieren und dehalogenisieren. Das Cal
ciumcarbonat 159 absorbiert und reagiert mit jeglichen
erzeugten Halogensäuregasen, Magnesiumoxid- und Zinkoxid
gemischen. Diese Prozesse kombiniert mit teilweiser Oxi
dation zerlegen die meisten Mittel oder Agentien in ge
mischte Kohlenwasserstoffe mit niedrigem Molekularge
wicht. Von dem thermischen Reaktor 152 tritt das Gas 14
in den katalytischen Oxidationsreaktor 154 ein. In dem
katalytischen Oxidationsreaktor 154 werden diejenigen
stabilen Materialien, wie beispielsweise Phosgen und die
teilweise zersetzten Mittel (Agentien) eliminiert. Der
katalytische Oxidationsreaktor 154 kann so angesehen wer
den, daß er den Nachbrenner 160 umfaßt, verwendet einen
gemischten, auf Kupferoxid basierenden Oxidationskataly
satsor, um alle restlichen erzeugten Kohlenwasserstoff
fragmente und Kohlenmonoxid zu oxidieren. Diese Art von
Katalysator ist besonders beständig gegen Vergiftung.
Zusätzlich zu der katalytischen Oxidationstätigkeit des
Kupfer(II)-oxidmaterials bezüglich Kohlenwasserstoffen,
wirkt es auch als ein wirksamer Zersetzer und Oxidierer
von Phosgen (Chlorkohlenoxid). Das Entfernen von Wasser
stoffcyanid (Cyanwasserstoffblausäure) wird teilweise
gewährleistet durch das Kupfer(I)-oxid-Material, das Teil
des katalytischen Reaktors ist. Dieses Material reagiert
bei 800 bis 1000°F (426 bis 537 °C) mit dem Wasser
stoffcyanid, unter Erzeugung von Wasser und Stickstoff
zusammen mit der Produktion von Kupfer(II)-oxid. Das
Kupfer(II)-oxid wirkt als ein Oxidationskatalysator bei
diesen Temperaturen, und zwar insbesondere für chlorierte
Materialien.
Nachdem es in dem katalytischen Reaktor 154 behandelt
wurde, tritt das Gas 14 aus dem katalytischen Reaktor 154
über herkömmliche Leitungen 162 aus und tritt in das Ein
laßende 170 eines wahlweisen Polieres (polisher) 172 ein.
In dem Polierschritt werden jegliche Säuregasmaterialien
entfernt, die aus Schwefel, Chlor oder Fluor erzeugt wur
den, die in dem chemischen Mitteln vorhanden sind, das
den Reaktor 151 durchdringt. In dem Gas 14 ist ausrei
chend Wasserdampf vorhanden, um die Bildung von Chlorwas
serstoffsäure (Salzsäure) zu gewährleisten anstatt von
freiem Chlor(-gas). Das Calciumcarbonatbett sieht ein
sehr wirksames Absorptions-/Reaktionssystem bei 800 bis
1000°F (426 bis 537°C) vor. Das Bett 172 wirkt auch als
ein Filter für feste Produkte der Mittel- oder Agentien
zersetzung, die in dem Strom von Gas 14 zurückgeblieben
sind.
Von dem Reaktorauslaßende 174 wird das Gas durch her
kömmliche Leitungen 176 zu dem herkömmlichen alkalischen
Absorbierer 180 geleitet, um den Endschritt der Reinigung
des Gases 14 zu vervollständigen. Die Temperatur des ge
reinigten Gases 14 ist jedoch ziemlich hoch, ungefähr 800°F
(426°C), und muß gesenkt werden, um einen öffent
lichen Gebrauch zu gewährleisten. Das Senken der Tempe
ratur des Gases 14 wird erreicht in dem zweiten Primär
oberflächenwärmetauscher 190. Das Gas 14 wird von dem Ab
sorber 180 in den Einlaß 198 des Wärmetauschers 190 durch
herkömmliche Leitungen 182 geleitet. Das Gas 14 wird
durch die Dissipationsdurchlässe 204 für das heiße Gas 14
geleitet, wobei Wärme von dem heißen Gas 14 auf das Kühl
gas 222 innerhalb der Kühlgasaufnahmedurchlässe 206 über
tragen wird. Die Expansionsturbine 240 extrahiert das
gereinigte und gekühlte Gas 14 aus dem Wärmetauscher 190
und leitet das Gas 14 in das Abteil, in die Kabine oder
das Gebiet, in dem das saubere Gas für den beabsichtigten
Zweck verwendet werden soll. Die atmosphärische Luft 222
wird durch das Gebläse oder den Ventilator 242 durch den
zweiten Einlaß 220 und die Aufnahmedurchlässe 206 des
Wärmetauschers 190 für das Kühlgas 222 gezogen. Nachdem
es zum Kühlen des Gases 14 verwendet wurde, wird die Luft
222 zur Atmosphäre zurückgeführt.
Der primäre Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber
bestehenden Luftreinigungssystemen besteht in der völligen
Kombination des gesamten Systems. Beispielsweise erhöht
die Verwendung des Zyklonfilters 31 zur Entfernung von
Partikeln 43 mit einem Durchmesser von mehr als 5 Mikron
aus dem Gas 14 und die Verwendung des Spülsystems 46 in
großem Maße die Effizienz des Systems und vermindert die
Komplexizität des Systems. Das Erwärmen des Gases 14
durch den Wärmetauscher 102 auf ein hohes Temperatur
niveau, zwischen ungefähr 800 und 1000°F (426 und 537°C)
erhöht im großen Maße die Effizienz und Wirksamkeit
des Zweistufenreaktorprozesses, des thermischen Crack
reaktors 152 und des katalytischen Reaktors 154. Bei
spielsweise eliminiert die hohe Temperatur und das als
Katalysator verwendete Kupferoxid den Bedarf eines Ab
sorbiererbettes zwischen dem thermischen Reaktor 152 und
dem katalytischen Reaktor 154. Somit ist das oben ge
zeigte System 10 weniger anfällig auf Vergiften. Um die
Effizienz des Systems 10 weiter zu gewährleisten, wird
der Feststoffilter 172 und der alkalische Absorbierer 180
verwendet. Nach dem Reinigungsprozeß wird das Hochtempe
raturgas 14 durch die Ausdehnung innerhalb der Überschall
turbine auf ein Niveau vermindert, das für öffentlichen
Gebrauch verwendbar ist und das gekühlte gereinigte Gas
14 wird in die Kabine oder den Schutzraum geleitet.
Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile werden beim Lesen der
Beschreibung, der Zeichnungen und der beigefügten An
sprüche deutlich.
Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Gas
reinigungssysteme verwenden gegenwärtig einen Luftablaß
von einem Motor und entfernen ferner Kohlendioxid daraus.
Das vorliegende Gasreinigungs- und thermische Aufberei
tungssystem verwendet auch ablaufendes Gas von dem Motor;
jedoch wird das Gas weiter teilweise gefiltert, um Fest
stoffe zu entfernen. Das Gas wird erhitzt auf ein vorbe
stimmtes Niveau mit einer Temperatur von ungefähr 800 bis
1000°F (426 bis 537 °C) unter Verwendung eines ersten
Wärmetauschers oder Rekuperators. Das System reinigt das
Gas weiter unter Verwendung eines Reaktorsystems ein
schließlich eines thermischen Reaktors und eines kataly
tischen Reaktors. Das System reinigt das Gas weiter unter
Verwendung eines Polierers und eines Absorbierers. Nach
dem das Gas gereinigt wurde, wird das Gas thermisch auf
bereitet durch eine Überschallturbine, so daß die Gastem
peratur für den beabsichtigten Zweck verwendbar ist.
Claims (15)
1. Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungs- oder
Konditioniersystem zum Entfernen einer unerwünschten
Verunreinigung, die allgemein nicht akzeptabel oder
annehmbar ist für öffentlichen Gebrauch, und zur
Temperatursteuerung des gereinigten Gases zur wei
teren Verwendung in einem eingeschränkten Gebiet,
wobei das Gasreinigungs- und thermische Aufberei
tungssystem folgendes aufweist:
einen Gasturbinenmotor, der folgendes besitzt: einen Kompressorabschnitt, in dem ein Gas komprimiert wird, einen Verbrennerabschnitt, der mit dem Kom pressorabschnitt verbunden ist, wobei in dem Ver brennerabschnitt ein Brennstoff mit einem Teil des komprimierten Gases gemischt wird und darin ver brannt wird und ein heißes Abgas aus dem Verbren nerabschnitt des Gasturbinenmotors austritt,
eine Filter/Trennvorrichtung für Gas in kondensier ter Phase, durch die das zu komprimierende Gas hin durchgeht und zumindest teilweise gereinigt wird, wobei die Gasfiltervorrichtung in Strömungsmittel verbindung mit dem Kompressorabschnitt steht;
einen ersten Wärmetauscher, der in Strömungsmit telverbindung mit einem Teil des komprimierten, teilweise gereinigten Gases steht, das aus dem Kom pressorabschnitt austritt, wobei der erste Wärmetau scher ferner in Strömungsmittelverbindung mit dem heißen Abgas steht, das aus dem Verbrennerabschnitt austritt, und die Temperatur des komprimierten, teilweise gereinigten Gases erhöht;
Mittel zum weiteren Reinigen des komprimierten Gases, wobei die Mittel in Strömungsmittelverbindung mit dem komprimierten, teilweise gefilterten Gas stehen, das aus dem ersten Wärmetauscher austritt, ein schließlich eines Reaktorsystems, das durch Reaktion unerwünschte Zerfall- oder Zersetzungsprodukte ab sorbiert;
Mittel zum Polieren bzw. Endreinigen, und zwar in Strömungsmittelverbindung mit dem komprimierten, teilweise gereinigten Gas, das aus dem ersten Wär metauscher austritt, wobei die Mittel zum Polieren einen Feststoffilter und einen alkalischen Absorber darin aufweisend und ein Gas bilden, das davon aus tritt und ein gereinigtes Gas ist; und
einen zweiten Wärmetauscher in Strömungsmittelver bindung mit dem gereinigten Gas, das aus den Mitteln zum weiteren Reinigen und den Mitteln zum Polieren austritt.
einen Gasturbinenmotor, der folgendes besitzt: einen Kompressorabschnitt, in dem ein Gas komprimiert wird, einen Verbrennerabschnitt, der mit dem Kom pressorabschnitt verbunden ist, wobei in dem Ver brennerabschnitt ein Brennstoff mit einem Teil des komprimierten Gases gemischt wird und darin ver brannt wird und ein heißes Abgas aus dem Verbren nerabschnitt des Gasturbinenmotors austritt,
eine Filter/Trennvorrichtung für Gas in kondensier ter Phase, durch die das zu komprimierende Gas hin durchgeht und zumindest teilweise gereinigt wird, wobei die Gasfiltervorrichtung in Strömungsmittel verbindung mit dem Kompressorabschnitt steht;
einen ersten Wärmetauscher, der in Strömungsmit telverbindung mit einem Teil des komprimierten, teilweise gereinigten Gases steht, das aus dem Kom pressorabschnitt austritt, wobei der erste Wärmetau scher ferner in Strömungsmittelverbindung mit dem heißen Abgas steht, das aus dem Verbrennerabschnitt austritt, und die Temperatur des komprimierten, teilweise gereinigten Gases erhöht;
Mittel zum weiteren Reinigen des komprimierten Gases, wobei die Mittel in Strömungsmittelverbindung mit dem komprimierten, teilweise gefilterten Gas stehen, das aus dem ersten Wärmetauscher austritt, ein schließlich eines Reaktorsystems, das durch Reaktion unerwünschte Zerfall- oder Zersetzungsprodukte ab sorbiert;
Mittel zum Polieren bzw. Endreinigen, und zwar in Strömungsmittelverbindung mit dem komprimierten, teilweise gereinigten Gas, das aus dem ersten Wär metauscher austritt, wobei die Mittel zum Polieren einen Feststoffilter und einen alkalischen Absorber darin aufweisend und ein Gas bilden, das davon aus tritt und ein gereinigtes Gas ist; und
einen zweiten Wärmetauscher in Strömungsmittelver bindung mit dem gereinigten Gas, das aus den Mitteln zum weiteren Reinigen und den Mitteln zum Polieren austritt.
2. Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungssytem
gemäß Anspruch 1, wobei die Gasfiltervorrichtung die
Fähigkeit besitzt, Partikel mit einem Durchmesser
von mehr als 5 Mikron aus dem dahindurchgehenden
Gas herauszufiltern.
3. Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungssystem
gemäß Anspruch 1, wobei die Filtervorrichtung einen
Zyklonfilter und ein Spülsystem umfaßt.
4. Gaseinigungs- und thermisches Aufbereitungssystem ge
mäß Anspruch 1, wobei die Filtervorrichtung einen
einstufigen Barrierenfilter umfaßt.
5. Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungsystem
gemäß Anspruch 4, wobei der einstufige Barrieren
filter eine alleinstehende Einheit umfaßt mit der
Fähigkeit der Selbstreinigung.
6. Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungssystem
gemäß Anspruch 1, wobei der erste Wärmetauscher ein
Primäroberflächenwärmetauscher ist.
7. Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungssystem
gemäß Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher die Tem
peratur des teilweise gereinigten Gases erhöht, und
zwar auf einen Bereich zwischen 800 und 1000°F (426
und 537°C).
8. Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungssystem
gemäß Anspruch 1, wobei der erste Wärmetauscher die
Temperatur des teilweise gereinigten Gases auf un
gefähr 1000°F (537°C) erhöht.
9. Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungssystem
gemäß Anspruch 1, wobei das Reaktorsystem ein Paar
von Reaktorbetten umfaßt.
10. Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungssystem
gemäß Anspruch 9, wobei das Paar von Reaktorbetten
einen thermischen Reaktor umfaßt einschließlich ei
nes Mischabschnitts mit einer Vielzahl von internen
Wänden, die mit Aluminiumoxid überzogen sind.
11. Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungssystem
gemäß Anspruch 10, wobei der Mischabschnitt ferner
eine Vielzahl von Aluminiumoxid-Raschig-Ringen darin
umfaßt.
12. Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungssystem
gemäß Anspruch 9, wobei das Paar von Reaktorbetten
einen katalytischen Reaktor umfaßt einschließlich
eines Nachbrenners, wobei der Nachbrenner mit einem
Oxidationskatalysator gepackt ist.
13. Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungssystem
gemäß Anspruch 12, wobei der Oxidationskatalysator
ein Kupferoxid ist.
14. Gasreinigungs- und thermisches Konditionierungssystem
gemäß Anspruch 1, wobei die Mittel zum Polieren
einen Polierer umfassen, der mit einem Bett von Cal
ciumcarbonat gepackt ist.
15. Gasreinigungs- und thermisches Aufbereitungssystem
gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Wärmetauscher ein
Primäroberflächenwärmetauscher ist.
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