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Diese
Erfindung betrifft Verfahren zum Verbrennen von gashaltigen Altstoffen
unter Verwendung einer Fackel. Insbesondere betrifft sie Verfahren,
in denen die gashaltigen Altstoffe einen relativ geringen Verbrennungsgrad
aufweisen und mit einem Anreicherungsbrennstoff gemischt werden
müssen,
der im Vergleich einen höheren
Verbrennungsgrad aufweist, um ihre gründliche Vernichtung zu erreichen
und aufrechtzuerhalten.
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Viele
industrielle Herstellungsverfahren produzieren erhebliche Mengen
gashaltiger Altstoffe. Es ist aus Sicherheits-, Gesundheits- und
Umweltgründen
wichtig, dass diese Altstoffe sicher und wirksam entsorgt werden.
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Ein
häufig
verwendetes Verfahren zur Entsorgung solcher Altstoffe ist, sie
in einer Vorrichtung zu verbrennen, die als "Fackel" bekannt ist. Der Begriff "Fackel", wie er hier verwendet
wird, schließt
alle Arten von Fackeln ein, die dem Fachmann bekannt sind, wie Bodenfackeln,
Abfackelrohre u.ä.,
wie sie z.B. in GB-A-12 13 848 offenbart sind.
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Manche
gashaltigen Altstoffe sind in einem solchen Ausmaß brennbar,
dass ihre gründliche
Vernichtung durch ihre reine Verbrennung gewährleistet ist. Wie hier verwendet,
bedeutet der Begriff "gründliche
Vernichtung" die
Umwandlung von mindestens etwa 80% eines gashaltigen Altstoffes
zu Kohlendioxid und Wasserdampf, bevorzugt mindestens etwa 90%,
besonders bevorzugt mindestens 95%, und insbesondere bevorzugt mindestens
etwa 98%.
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Allerdings
sind viele gashaltigen Altstoffe nicht in einem solchen Ausmaß brennbar,
dass ihre gründliche
Vernichtung gewährleistet
ist. Im Folgenden werden solche ungenügend brennbaren gashaltigen
Altstoffe als "verdünnte gashaltige
Altstoffe" bezeichnet
werden. In einem typischen Verfahren, das von der industriellen Produktionsindustrie
verwendet wird, um solche verdünnten
gashaltigen Altstoffe zu vernichten, wird häufig ein hoch brennbarer Kohlenwasserstoffbrennstoff
(z.B. Methan, Propan, oxygenierte Kohlenwasserstoffe wie Methanol
u.ä.) als
Anreicherungsbrennstoff verwendet.
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Es
ist eine wichtige Eigenschaft eines sachgerecht konzipierten Fackelsystems,
dass diese mindestens etwa 80% Vernichtungsleistung jederzeit aufrechterhalten
wird, um die Menge des Kohlenwasserstoffs und anderer Emissionen
zu beschränken,
die aus unzureichend verbrannten Altstoffen stammen. Es ist auch wesentlich,
dass die Verbrennung selbsterhaltend ist, d.h. dass das Brennstoff/Luft/Altstoff-Gemisch
ausreichend Energie enthält,
um zu gewährleisten,
dass die Flamme nicht ausgelöscht
wird, während
der Altstoff der Fackel zugeführt
wird. Um diesen Anforderungen zu entsprechen, verlangen die Vorschriften
der US-Umweltbundesbehörde
(EPA), dass das Gemisch, das einer nicht-unterstützten Flamme zugeführt wird,
einen Mindestnettobrennwert von mindestens 200 britischen Wärmeeinheiten
pro Standard-Kubikfuß (Btu/scf)
Altstoff aufweist.
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Es
gibt viele inhärente
Probleme im Zusammenhang mit herkömmlichen Fackelsystemen, welche
auf der Verwendung einer externen Versorgung mit Kohlenwasserstoffanreicherungsbrennstoff
beruhen, um die gründliche
Vernichtung von verdünnten
gashaltigen Altstoffen zu gewährleisten.
Ein solches inhärentes
Problem sind die Kosten für
die Verwendung eines anderweitig verwendbaren, hoch brennbaren Kohlenwasserstoffbrennstoffs
(z.B. Methan, Propan, oxygenierte Kohlenwasserstoffe wie Methanol
u.ä.),
um den Altstoff zu verbrennen. Ein anderes inhärentes Problem solcher Systeme
besteht darin, dass die Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen
selbst unerwünschte
Emissionen von Kohlendioxid und/oder Kohlenstoffruß erzeugt.
Ferner unterstellen Umweltvorschriften, dass die Verbrennung solcher
Brennstoffe unerwünschte Schwefeldioxidemissionen
erzeugt, selbst wenn der Kohlenwasserstoffbrennstoff tatsächlich keinen
Schwefel enthält.
Allerdings verwendet die industrielle Herstellungsindustrie ungeachtet
der Kosten und der inhärenten Nachteile,
die mit ihrem Betrieb verbunden sind, weiterhin Kohlenwasserstoff-angereicherte
Fackeln als Mittel zur gründlichen
Vernichtung von verdünnten
gashaltigen Altstoffen.
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In
Anbetracht der obigen Ausführungen
würde die
industrielle Herstellungsindustrie ein Verfahren sehr begrüßen, mit
Hilfe dessen verdünnte
gashaltige Altstoffe gründlich
vernichtet werden bei gleichzeitiger Minimierung, oder gar gänzlicher
Eliminierung, der Notwendigkeit, den Altstoffstrom mit einem Kohlenwasserstoffbrennstoff
anzureichen. Solch ein Verfahren würde nicht nur die Betriebskosten
erheblich verringern, sondern auch die Bildung von Emissionen durch
die Anlage reduzieren.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen,
durch das die Emissionen aus Fackelsystemen, die zur gründlichen
Vernichtung verdünnter
gashaltiger Altstoffe vorgesehen sind, erheblich reduziert werden.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zur gründlichen
Vernichtung verdünnter
gashaltiger Altstoffe zu liefern, das einen verringerten Anreicherungsgrad
mit einem Kohlenwasserstoffbrennstoff einsetzt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zur gründlichen
Vernichtung verdünnter
gashaltiger Altstoffe bereitzustellen, bei dem im Wesentlichen keine
Anreicherung mit einem Kohlenwasserstoffbrennstoff verwendet wird.
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Diese
und andere Aufgaben werden dadurch gelöst, dass die Menge an Kohlenwasserstoffbrennstoff, der
als Anreicherungsbrennstoff verwendet wird, reduziert und durch
eine Menge an Wasserstoff-enthaltendem Gasstrom als Anreicherungsbrennstoff
ersetzt wird. Spezifisch wird im Verfahren der vorliegenden Erfindung
ein verdünnter
gashaltiger Altstoffstrom mit einem Wasserstoff-enthaltenden Gasstrom
gemischt, um eine Mischung zu bilden, die anschließend einer
Fackel zur Verbrennung zugeführt
wird. Die Menge des Wasserstoffenthaltenden Gasstroms, die in der
Mischung vorliegt, wird so festgelegt, dass der Gesamtwasserstoffgehalt
der Mischung mindestens etwa 3 Mol-Prozent beträgt.
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Diese
und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
einer Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung und durch
Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen:
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1 ein
vereinfachtes Verfahrensflussdiagramm eines Verfahrens zeigt, das
die vorliegende Erfindung nicht verwendet.
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2 ein
vereinfachtes Verfahrensflussdiagramm eines Verfahrens zeigt, das
nach der vorliegenden Erfindung modifiziert wurde.
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Während die
Erfindung verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen zugänglich ist,
wurden bestimmte Ausführungsformen
davon als Beispiel in den Zeichnungen gezeigt und sind hier im Detail
beschrieben. Den Fachleuten wird aber bewusst sein, dass diese Abbildungen
nur schematisch sind und dass sie Verfahrensdetails, die nicht besonders
relevant für
die vorliegende Erfindung sind, nicht zeigen. Es sollte sich ferner
verstehen, dass die Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen
die Erfindung nicht auf die speziell offenbarten Ausführungsformen
beschränken
soll, sondern dass im Gegenteil alle Modifikationen, Äquivalente und
Alternativen, die in den Umfang der Erfindung fallen, wie sie in
den angehängten
Ansprüchen
definiert ist, abgedeckt werden sollen.
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Veranschaulichende
Ausführungsformen
der Erfindung sind unten beschrieben. Zum Zwecke der Klarheit sind
nicht alle Eigenschaften einer tatsächlichen Anwendung in dieser
Beschreibung beschrieben. Den Fachleuten wird natürlich bewusst
sein, dass bei der Entwicklung einer jeglichen tatsächlichen
Ausführungsform
zahlreiche anwendungsspezifische Entscheidungen getroffen werden
müssen,
um die spezifischen Ziele des Entwicklers zu erreichen, wie z.B.
das Einhalten von system- bzw. geschäftsbezogenen Beschränkungen, die
von einer Anwendung zur anderen variieren. Darüber hinaus wird man sich bewusst
sein, dass ein solcher Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwendig
sein kann, aber dass es sich nichtsdestoweniger um einen routinemäßigen Vorgang
für diejenigen
Fachleute handelt, die aus dieser Offenbarung Nutzen ziehen.
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Wie
oben erwähnt,
wurden Fackeln, die dazu vorgesehen waren, verdünnte gashaltige Altstoffe gründlich zu
vernichten, typischerweise mit Kohlenwasserstoffbrennstoff angereichert,
um den Nettobrennwert der resultierenden Mischung zu steigern, um
zu gewährleisten,
dass der Altstoff gründlich
vernichtet wird. Verdünnte
gashaltige Altstoffströme
beinhalten typischerweise eine relativ hohe Konzentration von nichtbrennbaren
Materialien wie Luft, Wasserdampf und/oder inerten Materialien (z.B.
Stickstoff). Tatsächlich
sind manche verdünnten
gashaltigen Altstoffe im Wesentlichen vollständig aus nichtbrennbaren Materialien
zusammengesetzt.
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Verdünnte gashaltige
Altstoffströme
können
in einer Vielzahl von verschiedenen industriellen Produktionsindustrien
gefunden werden. Die vorliegende Erfindung kann in jeder dieser
Industrien verwendet werden. Einige spezifische Beispiele von industriellen
Produktionsindustrien, in denen die vorliegende Erfindung verwendet
werden kann, schließen
ohne Beschränkung
ein die chemische Industrie, die Veredelungsindustrie, die Stahlindustrie
u.ä.
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Zum
Beispiel kann es sich in der chemischen Industrie bei den verdünnten gashaltigen
Altstoffströmen,
die relativ hohe Konzentrationen von Luft enthalten, um den Ausfluss
von Saugentlüftungsgassystemen handeln,
wie z.B. von Anlagen für
die Verringerung von Emissionen, die für die Entnahme, den Transport
und die Lagerung von Acryl- und Methacrylsäure und ihren Estern geliefert
werden. Darüber
hinaus können
verdünnte
gashaltige Altstoffströme,
die eine relativ hohe Konzentration von Wasserdampf enthalten, Hochdampfströme aus Abwassertrennsäulen und
andere Ausflussströme
von Abwasseraufreinigungsanlagen einschließen. Auch können verdünnte gashaltige Altstoffströme, die
eine relativ hohe Konzentration von inerten Gasen enthalten, den
Ausfluss aus einem geklärten
Entlüftungsgassammler
für ein
chemisches Verfahren einschließen,
wie beispielsweise einem Entlüftungssammelsystem
für die
Reaktions- und Aufreinigungsanlagen, die in der Produktion von Acetoncyanohydrin
verwendet werden.
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In
der vorliegenden Erfindung wird der verdünnte gashaltige Altstoffstrom
mit einem Wasserstoffenthaltenden Gasstrom angereichert, bevor er
verbrannt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kohlenwasserstoff-enthaltenden
Anreicherungsbrennstoffen, die bei ihrer Verbrennung Kohlendioxid
und Ruß erzeugen,
erzeugt Wasserstoff bei der Verbrennung nur Wasserdampf.
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Wasserstoff
hat einen wesentlich geringeren Nettobrennwert als viele der Kohlenwasserstoffbrennstoffe,
die bisher verwendet wurden, um verdünnte gashaltige Altstoffströme, die
Fackeln zugeführt
werden, anzureichern. Zum Beispiel beträgt der Nettobrennwert von Methan,
einem typischen Kohlenwasserstoffanreicherungsbrennstoff etwa 34,6
MJ/m3 (913 Btu/scf). Auf der anderen Seite
beträgt
der Nettobrennwert von Wasserstoff lediglich etwa 10,4 MJ/m3 (275 Btu/scf). In Anbetracht dieser Ungleichheit
würde man
nicht erwarten, dass ein gasförmiges
Gemisch, das eine relativ geringe Konzentration von Wasserstoff enthält, ausreichen würde, um
den verdünnten
gashaltigen Altstoff, mit dem es gemischt wurde, gründlich zu
vernichten.
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Allerdings
war es im Gegenteil überraschend
festzustellen, dass das Mischen eines Wasserstoff-enthaltenden Gasstroms
mit einem verdünnten
gashaltigen Altstoff, so dass die Wasserstoffkonzentration der resultierenden
Mischung mindestens etwa 3 Molprozent beträgt, den verdünnten gashaltigen
Altstoff gründlich vernichten
wird. Der tatsächliche
Molprozentgehalt von Wasserstoff in der resultierenden Mischung
hängt z.T. von
den Emissionsstandards ab, die von der jeweiligen staatlichen Aufsichtsbehörde aufgestellt
werden, wo die Fackel betrieben wird. Typischerweise wird jedoch
die verwendete Menge des Wasserstoff-enthaltenden Anreicherungsbrennstoffs
so sein, dass die resultierende Mischung eine Wasserstoffkonzentration
von mindestens etwa 5 Molprozent, besonders typischerweise von mindestens
etwa 8 Molprozent und insbesondere typischerweise von mindestens
etwa 10 Molprozent umfasst.
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Durch
die Herstellung einer Mischung nach der vorliegenden Erfindung wird
die Mischung einen Brennwert von mindestens etwa 5 Btu/scf aufweisen,
wenn sie verbrannt wird. Wie oben erwähnt, hängt der tatsächliche
Brennwert der resultierenden Mischung bei der Verbrennung z.T. von
den Emissionsstandards ab, die von der jeweiligen staatlichen Aufsichtsbehörde aufgestellt
werden, wo die Fackel betrieben wird. Typischerweise wird der Brennwert
der resultierenden Mischung bei der Verbrennung jedoch mindestens
etwa 10 Btu/scf betragen, besonders typischerweise mindestens etwa
20 Btu/scf und insbesondere typischerweise mindestens etwa 30 Btu/scf.
Zusätzlich
wird die Mischung einen Brennwert von maximal etwa 250 Btu/scf aufweisen,
wenn sie verbrannt wird. Typischerweise wird der Brennwert der resultierenden
Mischung bei der Verbrennung maximal etwa 200 Btu/scf besonders
typischerweise maximal etwa 150 Btu/scf und insbesondere typischerweise
maximal etwa 100 Btu/scf betragen.
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Viele
weithin verwendete industrielle Herstellungsverfahren produzieren
normalerweise Gasströme, die
Wasserstoff enthalten. Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung
können
diese Wasserstoff-enthaltenden Gasströme als direkter Ersatz für teurere
Kohlenwasserstoffenthaltende Anreicherungsbrennstoffe dienen, die
herkömmlicherweise
verwendet werden. Entsprechend verringern sich durch die Anwendung
dieser Erfindung die Kosten für
den Betrieb der Fackel, da ein Wasserstoff-enthaltender Anreicherungsbrennstoff
enthaltend Wasserstoff im Allgemeinen weniger wertvoll ist als das
Volumen eines Kohlenwasserstoffenthaltenden Anreicherungsbrennstoffs,
das benötigt
wird, um den gleichen Mindestbrennwert der resultierenden Mischung
zu erreichen. Daher dient in einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung der Austausch eines Kohlenwasserstoffanreicherungsbrennstoffs
gegen einen minderwertigen Wasserstoff-enthaltenden Anreicherungsbrennstoff
dazu, den Ausstoß eines
assoziierten Reaktorverfahrens zu steigern, in dem gleichzeitig
ein Kohlenwasserstoffanreicherungsbrennstoff wie Methan verwendet
wird.
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Bei
der Anwendung dieser Erfindung hängt
die Menge des Wasserstoff-haltigen Anreicherungsbrennstoffs, die
benötigt
wird, um das verdünnte
gashaltige Altstoffmaterial bei der Verbrennung gründlich zu
vernichten, z.T. von dem Btu/scf-Wert des verdünnten gashaltigen Altstoffmaterials
und vom Wasserstoffgehalt des Wasserstoff-enthaltenden Anreicherungsbrennstoffs
ab. Allerdings wird ein Fachmann nach dem Lesen dieser Beschreibung
in der Lage sein, die geeigneten Konzentrationen zu berechnen, die
verwendet werden müssen.
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Der
wasserstoffhaltige Anreicherungsstrom muss eine ausreichende Menge
Wasserstoff enthalten, so dass, wenn er mit dem verdünnten gashaltigen
Altstoffstrom vermischt wird, das resultierende Gemisch einen ausreichenden
Brennwert aufweist, um das verdünnte
gashaltige Altstoffmaterial bei der Verbrennung gründlich zu
vernichten. Typischerweise enthält
der Wasserstoff-enthaltende Anreicherungsstrom mindestens etwa 4
Molprozent Wasserstoffgas; besonders typischerweise mindestens etwa
8 Molprozent Wasserstoffgas; und insbesondere typischerweise mindestens
etwa 12 Molprozent Wasserstoffgas. Allerdings kann im Rahmen dieser
Erfindung der Wasserstoff-enthaltende Anreicherungsstrom auch aus
zwischen etwa 50 bis etwa 100 Molprozent Wasserstoffgas bestehen,
oder zwischen etwa 70 bis etwa 100 Molprozent oder sogar zwischen etwa
90 bis etwa 100 Molprozent.
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Die
vorliegende Erfindung kann umgesetzt werden, wenn die resultierende
Fackelmischung von etwa 5 bis etwa 99 Gew.-% eines verdünnten gashaltigen
Altstoffmaterials enthält.
Typischerweise enthält
die resultierende Fackelmischung von etwa 10 bis etwa 95 Gew.-%
eines verdünnten
gashaltigen Altstoffmaterials; und besonders typischerweise von
etwa 15 bis etwa 90 Gew.-% eines verdünnten gashaltigen Altstoffmaterials.
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Außerdem enthält das resultierende
Fackelgemisch bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung von etwa
95 bis etwa 1 Gew.-% eines Wasserstoff-enthaltenden Anreicherungsgasstroms.
Typischerweise enthält
das resultierende Fackelgemisch von etwa 90 bis etwa 5 Gew.-% eines
Wasserstoff-enthaltenden Anreicherungsgasstroms; und besonders typischerweise
von etwa 85 bis etwa 10 Gew.-% eines Wasserstoff-enthaltenden Anreicherungsgasstroms.
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Während die
Ausübung
der vorliegenden Erfindung darauf zielt, die Menge des Kohlenwasserstoffenthaltenden
Anreicherungsbrennstoffs, die benötigt wird, um einen verdünnten gashaltigen
Altstoffstrom bei der Verbrennung gründlich zu vernichten, zu reduzieren,
kann die resultierende Fackelmischung ggf. einen Kohlenwasserstoff-enthaltenden
Anreicherungsbrennstoff enthalten. Andererseits kann die resultierende
Fackelmischung im Rahmen der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen
keine Kohlenwasserstoffe enthalten. Wie hier verwendet, bedeutet
der Begriff "im
Wesentlichen keine Kohlenwasserstoffe", dass die resultierende Fackelmischung
weniger als 20 Gew.-% Kohlenwasserstoffe enthält, typischerweise weniger
als etwa 15 Gew.-% Kohlenwasserstoffe; besonders typischerweise
weniger als etwa 10 Gew.-% Kohlenwasserstoffe, und insbesondere
typischerweise weniger als etwa 5 Gew.-% Kohlenwasserstoffe.
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Wenn
die resultierende Fackelmischung aber Kohlenwasserstoffe enthält, liegen
sie typischerweise in einer Menge von etwa 20 bis etwa 70 Gew.-%
vor; besonders typischerweise von etwa 25 bis etwa 60 Gew.-%; und
insbesondere typischerweise von etwa 30 bis etwa 50 Gew.-%.
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Ein
typisches chemisches Herstellungsverfahren, das stark von der vorliegenden
Erfindung profitieren würde,
ist in 1 gezeigt. Das Verfahren schließt ein einen
Reaktor, ein Abfackelrohr und einen Brenner. Zufitterungsstrom 1 wird
dem Reaktor 2 zugeführt,
wo eine chemische Reaktion einen Produktstrom 3 produziert,
der stromabwärts
des Reaktors in einen veredelten Produktstrom 4, einen
Wasserstoff-enthaltenden Ausflussstrom 5 und einen Altstoffstrom 6 aufgetrennt
werden kann. Ausflussstrom 5 wird dem Brenner 7 zugeführt, wo
er als Brennstoff dient; Altstoffstrom 6 wird im Abfackelrohr 8 verbrannt.
Um die nötige Verbrennungswirksamkeit
zu liefern, wird der Zustrom zu Abfackelrohr 8 mit einem
Brennstoffstrom 9 angereichert, der einen hohen Nettobrennwert
aufweist.
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In
manchen industriellen Herstellungsanlagen wird minderwertiger Brennstoff,
der eine ausreichend hohe Konzentration an Wasserstoff enthält, häufig als
ein minderwertiger Brennerbrennstoff verwendet, und hochwertiger
Kohlenwasserstoffbrennstoff wie Methan wird als Anreicherungsquelle
von Fackeln verwendet, die dafür
vorgesehen sind, verdünnte
gashaltige Altstoffströme
gründlich
zu vernichten. Aber bei der Umsetzung dieser Erfindung wird der
minderwertige Wasserstoff-enthaltende Gasstrom als Anreicherungsquelle
verwendet. Dadurch wird der Kohlenwasserstoffbrennstoff verfügbar für die Verwendung
in einem System wie einem Brennerbrennstoff. Da der Kohlenwasserstoffbrennstoff
einen wesentlich höheren
Btu/scf-Wert aufweist als Brennstoff, der eine ausreichend hohe
Konzentration von Wasserstoff enthält, wird wesentlich weniger
Kohlenwasserstoffbrennstoff benötigt,
um die gewünschte
Brennertemperatur aufrechtzuerhalten. Folglich bietet die Ausübung der
vorliegenden Erfindung eine bisher nicht realisierte effiziente
Verwendung von Ressourcen.
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2 zeigt
schematisch das Umlenken der Verfahrensströme, um dieses Ergebnis zu erzielen.
Der wasserstoffreiche Ausflussstrom 5 heizt nun das Abfackelrohr,
und der Brennstoffgasstrom 9 teilt sich auf, um Strom 11,
der den Brenner heizt, und Strom 12, der für eine sonstige
Verwendung verfügbar
ist, zu bilden. Natürlich
wäre es
auch möglich,
die Vorteile dieser Erfindung umzusetzen durch vollständige Eliminierung
des Stroms 12 und die Verringerung der Flussrate von Strom 9,
so dass kein überschüssiger Brennstoff
geliefert wird. Der verringerte Brennstoffverbrauch setzt sich direkt
in verminderte Verfahrensbetriebskosten um.
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Die
Umgestalung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung liefert
den zusätzlichen
Vorteil, dass der Fackelemissionsstrom 10 wesentlich weniger
Kohlenstoff, sowohl in Form von Ruß als auch als Kohlendioxide,
enthält,
da das Brennstoffgas weniger Kohlenstoff enthält. Darüber hinaus werden auch andere
unerwünschte
Emissionen vermindert, auch wenn dies nicht unmittelbar offensichtlich
sein mag.
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Eine
schädliche
Wirkung des Fackelbetriebs ist die Bildung von Stickoxiden aus Luft
an der Fackelspitze, wo die Temperatur extrem hoch ist. Da die Verbrennung
von Wasserstoff verglichen mit der Btu/scf-Produktion bei der Verbrennung
eines Kohlenwasserstoffs wie Methan signifikant weniger Btu/scf
produziert, erfolgt die Reaktion von Stickstoff und Sauerstoff an
der Spitze der Wasserstofffackel langsamer. Dies fuhrt zu einer
Reduktion der NOx-Emissionen. In manchen
Fällen,
in denen das ursprüngliche
Fackelbrennstoffgas Erdgas oder ein anderer Brennstoff ist, der
geringe Mengen von Schwefelverbindungen enthält, kann der Austausch des
gesamten oder eines Teils des Erdgases gegen einen Wasserstoffenthaltenden
Anreicherungsstrom eine Reduktion der SO2-Emissionen
der Fackel bewirken.
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Ein
wesentliches Merkmal für
den Betrieb des hier beschriebenen Verfahrens ist das Vorhandensein einer
Versorgung mit Wasserstoff oder eines Anreicherungsgasstroms, der
eine ausreichende Konzentration von Wasserstoff enthält, um die
Verbrennung aufrechtzuerhalten, wenn er mit einem Strom von verdünnten gashaltigen
Altstoffen gemischt wird. Wie oben erwähnt, produzieren viele industrielle
Herstellungsverfahren naturgemäß Wasserstoff-enthaltende
Verfahrensströme,
die bei der Anwendung dieser Erfindung verwendet werden können. Zum
Beispiel kann der Reaktorausfluss aus einem Ammoniakabbauprozess
bis zu 18 Gew.-% Wasserstoff enthalten.
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Die
vorliegende Erfindung ist anwendbar auf die meisten Verfahren, die
Wasserstoffenthaltende Ströme
erzeugen und nicht nur auf das oben beschriebene beispielhafte Verfahren.
Insbesondere ist die Erfindung vollständig anwendbar, wenn der Wasserstoffenthaltende
Strom reinen Wasserstoff oder Wasserstoff gemischt mit erheblichen
Mengen weiterer brennbarer oder nichtbrennbarer Materialien enthält. Beispiele
anderer typischer Prozessströme,
die im Allgemeinen ausreichend Wasserstoff enthalten, um die Verbrennung
aufrechtzuerhalten, und die somit in der vorliegenden Erfindung
verwendet werden können,
können
die Folgenden einschließen:
nicht-umgesetztes Synthesegas (das typischerweise CO und Wasserstoff
enthält),
das durch die teilweise Oxidation von Kohlenwasserstoffen entsteht;
Wasserstoff/Stickstoff-Gemische, die durch die Dissoziation von
Ammoniak an einem Eisenkatalysator entstehen; Abgas aus der Herstellung
von Acetylen, und ähnliches.
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Tabelle
1 unten zeigt die signifikante Reduktion des Brennstoffbedarfs der
Fackel und die vorteilhafte Wirkung auf die Emissionen, die durch
die Anwendung der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann. In
jedem der Fallbeispiele in der Tabelle wird der Hochdampfstrom aus
einer Trennsäule
(ein typischer Altstoffstrom aus einem chemischen Verfahren enthaltend
86 Gew.-% Wasserdampf, 7 Gew.-% Stickstoff, 4 Gew.-% NH3, und
3 Gew.-% HCN) mit einer Geschwindigkeit von etwa 125 Tausend Standardkubikfuß pro Stunde
(MSCFH) einem Abfackelrohr zugeführt.
Der Altstoffstrom wird verbrannt unter Verwendung eines herkömmlichen Brennstoffs
und einer Anzahl von alternativen Wasserstoff-enthaltenden Brennstoffströmen, die
im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen. Wie die Tabelle zeigt,
gewährleistet
das Ersetzen des herkömmlichen
Kohlenwasserstoffenthaltenden Fackelbrennsstoffs durch Wasserstoff-enthaltende
Ströme
eine beträchtliche
Verringerung der CO-Emissionen sowie einen verringerten Brennstoffverbrauch
bei gleichzeitiger gründlicher
Vernichtung von verdünnten
gasförmigen
Altstoffströmen.
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Reduktion
von Emissionen durch Verwendung verschiedener Wasserstoffquellen
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Ein
besonders bevorzugtes Beispiel der vorliegenden Erfindung, das signifikant
verringerte Emissionen und verringerte Kosten gewährleisten
kann, stellt die Verwendung von Synthesegas als Ersatz für Methan als
Fackelanreicherungsbrennstoff dar. Synthesegas wird hergestellt
durch die teilweise Oxidation von Methan in Luft: 2CH4 + O2 → 2CO + 4H2
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Die
Zusammensetzung des Synthesegases von Fallbeispiel 4 in der obigen
Tabelle kann auf jede beliebige Art und Weise, die dem Fachmann
bekannt ist, hergestellt werden. Siehe z.B. "Effect of Pressure on Three Catalytic
Partial Oxidation Reactions at Millisecond Contact Times", in Catalysis Letters,
Band 33 (1995), Seiten 15–29,
verfasst von A. G. Dietz III und L. D. Schmidt (nachfolgend als
das "Dietz-Verfahren" bezeichnet). Ein
anderes Beispiel für
ein allgemein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Synthesegas
ist durch Kohlevergasung.
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Deutlich
weniger Methan wird benötigt,
um eine Menge des Synthesegases zu bilden, die ausreicht, um die
Verbrennung aufrechtzuerhalten und eine Vernichtungswirksamkeit
von 98% zu erreichen als benötigt werden
würde,
um die Fackel direkt zu befeuern. Zum Beispiel können die 47,6 MSCFH des Synthesegases, die
benötigt
werden, um die Fackel in Fallbeispiel 4 oben zu befeuern, durch
das Dietz-Verfahren aus nur 10,1 MSCFH Ergas gebildet werden.
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Wie
die Tabelle zeigt, erlaubt der Austausch von Methan gegen Synthesegas
als Fackelanreicherungsbrennstoff auch Verringerungen in den Kohlenmonoxid-
und NOx-Emissionen sowie im Brennstoffverbrauch.
Für die
meisten industriellen Herstellungsanlagen ist dies ein sehr erwünschtes
Ergebnis.
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Es
wird für
den Fachmann offensichtlich sein, dass an der Erfindung viele Änderungen
oder Modifikationen durchgeführt
werden können,
ohne vom Umfang der angehängten
Ansprüche
abzuweichen.
