DE602004009898T2

DE602004009898T2 - Verfahren und vorrichtung zur reduktion von abgasemissionen

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Publication number: DE602004009898T2
Application number: DE602004009898T
Authority: DE
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Current assignee: Nonox Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: EP1606554B1; EP1606554A2; CY1107185T1; ES2298737T3; PT1606554E; ATE377735T1; DE602004009898D1; WO2004085032A2; PL1606554T3; WO2004085032A3; US20060011112A1

Description

Die offenbarte Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine entsprechende konstruierte Anlage zum Reduzieren und/oder Eliminieren von Schadstoffkomponenten in der Abluft von Emissionen durch thermische Verbrennungsgeneratoren, das mindestens eine Verbrennungskammer und mindestens einen feststehenden Abluftkamin besitzt, wobei der Kamin dazu verwendet wird, die Abluft von innerhalb der Verbrennungskammer nach außen zu leiten, und das Verfahren aus den folgenden Schritten besteht:
Einstellen des Abluftdruckes innerhalb eines vorgegebenen Bereichs in mindestens einem Abschnitt des feststehenden Abluftkamins;
Abscheiden von gasförmigen Schadstoffen in mindestens einem Abschnitt des feststehenden Abluftkamins.
Eines der großen Probleme in den stark bevölkerten Städten ist heutzutage die Luftverschmutzung.
Die Luftverschmutzung ist sowohl auf Substanzen zurückzuführen, die sich mit der Luft vermischen, als auch auf Substanzen, welche die natürlichen Luftbestandteile verändern. All diese Substanzen werden im allgemeinen als Schadstoffe bezeichnet. Somit haben wir zwei Schadstofffamilien: direkte Schadstoffe und indirekte Schadstoffe.
Die direkten Schadstoffe werden meistens in gasförmige Schadstoffe und feste Schadstoffe unterteilt. Direkte Schadstoffe sind beispielsweise jene Schadstoffe, die den Luftsauerstoff verändern können, indem sie ihn von einem biatomaren Molekularzustand in einen modifizierten triatomaren Zustand (Ozon genannt) verwandeln. Dieses Verhalten wurde durch Abgasemissionen erzeugt.
Um die Schadstoffemission und ihre damit verbundenen Schäden zu reduzieren, haben die Erfinder Schadstoffquellen identifiziert, und somit erfolgte die richtige technologische Intervention im Hinblick auf jede dieser Quellen. Bei den Schadstoffquellen handelt es sich um all jene Quellen, die gasförmige und feste Partikel an die Luft abgeben, wie Kraftfahrzeuge, Gebäude und Industrieanlagen.
Die Lösungen, die verwendet wurden, um die an die Luft abgegebenen Schadstoffe zu reduzieren, sowie ihre Auswirkungen auf die Gesundheit, sind je nach Art der Verschmutzungsquelle, Schadstoffart und des statistischen Zeitraumes unterschiedlich.
Am Anfang lag die Aufmerksamkeit auf der Reduzierung einiger Schadstoffe von Industrieanlagen. Siehe dazu beispielsweise Patent US 5,879,645 , das einen Katalysator und ein damit verbundenes Verfahren zur Reduzierung von Stickstoffoxiden aus industriellen Emissionen offenbart. Mit Emissionen sind hauptsächlich Verbrennungsabgase gemeint.
Folglich wurden ähnliche Lösungen auch auf andere Gebiete wie Kraftfahrzeuge, insbesondere PKWs, LKWs etc., angewendet.
In US-Patent 5,879,645 werden ein Katalysator und das damit verbundene Verfahren nach der gleichen Methode auf Kraftfahrzeugabgase effektiv angewendet. Durch den Einbau von Katalysatoren konnten die Schadstoffe von Kraftfahrzeugen drastisch reduziert werden.
Dennoch wurde beobachtet, dass alle diese Lösungen zur Reduzierung von Schadstoffen und Emissionen von Industrieanlagen und Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren nicht ausreichten, um die Schadstoffemission bzw.
Verschmutzung, insbesondere in Großstädten, zu reduzieren.
Wie zu Beginn erwähnt wurde, müssen auch die Schadstoffe von Gebäuden reduziert werden. Die Bevölkerungsdichte trägt vor allem wegen der Heizanlagen und den Heißwassererzeugungsanlagen, die in Wohngebäuden und Bürogebäuden installiert sind, zur Luftverschmutzung bei.
Die Reduzierung von Emissionen bezieht sich somit hauptsächlich auf die Reduzierung von Schadstoffen direkt an der Quelle durch die Einführung spezieller Vorrichtungen. Um einen klaren Vorteil zu erzielen, müssen diese schadstoffemissionsreduzierenden Systeme in den meisten Kraftfahrzeugen und Wohngebäuden installiert werden. Heutzutage verfügen die meisten Industrieländer über Bestimmungen, denen zufolge die Automobilhersteller nur Fahrzeuge mit schadstoffemissionsreduzierenden Vorrichtungen verkaufen dürfen, um spezifische Grenzwerte zu erfüllen. Aufgrund der durchschnittlichen Lebensdauer eines Kraftfahrzeuges war es möglich, die meisten PKWs, in die diese Vorrichtungen nicht eingebaut wurden, durch neue mit geringeren Emissionen zu ersetzen. Bei Wohngebäuden verhält sich dies leider anders. Verglichen mit Kraftfahrzeugen ist die durchschnittliche Lebensdauer eines Wohngebäudes so lange, dass selbst im Falle von Bestimmungen ähnlich derer, wie sie auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge existieren, ein rascher Ersatz der vorhandenen Einrichtungen durch neue mit Niedrigemissionsprofil nicht vorstellbar ist. In diesen Fällen sollte die Lösung für Wohngebäude folgendermaßen ausfallen : in vorhandene Anlagen leicht zu installieren, niedriges Kostenprofil, um für die Gebäudeeigentümer nicht allzu große wirtschaftliche Auswirkungen zu haben, eine Lebensdauer für einen Zeitraum, der dem durchschnittlichen Instandhaltungszeitraum und der Zeitvorgabe für die Gebäude entspricht. Die durchschnittliche, prognostizierte Lebensdauer für überholte Komponenten ist ein wichtiger Parameter. Diese Zeit ist im Bereich von Wohngebäuden weitaus länger als im Kraftfahrzeugbereich und ökonomische Lösungen und Modernisierungslösungen im Vergleich zu Neubauten sind tatsächlich interessanter.
Jedes Land erlässt Sicherheits- und Gesundheitsbestimmungen im Zusammenhang mit Anlagen- und Betriebssicherheit, insbesondere bei Brand oder Explosionen. In einer Industrieanlage erfordert eine katalytische Vorrichtung ein Wärmesystem mit hohen Temperaturen. Die hohe Temperatur wird durch Verbrennen von Gas, Benzin, Diesel etc. erreicht. In einem Wohngebäude sind die erforderlichen Modifikationen für diese Vorrichtung oft inkompatibel mit der Typologie vorhandener Räume oder sie erfordern Modifikationen der Umgebung, um die Brand- und Sicherheitsbestimmungen, insbesondere die Bestimmungen über Explosionsschutz im Falle von Gas, zu erfüllen.
Vorrichtungen zur Verbesserung der Luftqualität sind für geschlossene Umgebungen bekannt: diese Vorrichtungen saugen Luft von außen an, verändern ihre Eigenschaften chemisch und mechanisch und werden in die Gebäude oder Kraftfahrzeuge gepumpt.
In DE 196 27 028 A (DEUTZ AG) werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schadstoffreduzierung in Abgasen offenbart, die durch Verbrennung in einer Heizanlage eines Wohngebäudes erzeugt werden. Die Anlage besitzt eine Brennkammer, einen feststehenden Abluftkamin, Einrichtungen zur Druckregelung der Abgase, die durch den Kamin führen, Einrichtungen zum Abzug der gasförmigen Schadstoffe und Einrichtungen zur Abscheidung von Schadstoffpartikeln in Form eines porösen Keramikfilters, der durch ein elektrisches Heizelement erwärmt werden kann, um zurückbehaltene Rußpartikel zu entzünden und dadurch den Filter zu regenerieren.
Es ist die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine damit verbundene Vorrichtung zur Reduzierung und/oder Eliminierung von Schadstoffen aus Abgasen bereitzustellen, die von thermischen Verbrennungsgeneratoren erzeugt worden sind, und die in vorhandene Gebäude leicht zu installieren sein sollte, kostengünstig und leicht konfigurierbar und/oder anwendungsspezifisch zu erstellen sein sollte.
Die Zielsetzung der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine damit verbundene Vorrichtung zur Reduzierung und/oder Eliminierung von Schadstoffen und eine entsprechend konstruierte Anlage bereitzustellen, um Schadstoffkomponenten in der Abluft aus Emissionen thermischer Verbrennungsgeneratoren zu reduzieren und/oder zu eliminieren, die mindestens eine Verbrennungskammer und mindestens einen feststehenden Abluftkamin besitzt, wobei der Kamin dazu verwendet wird, die Abluft vom Inneren der Verbrennungskammer nach außen zu leiten, und die die folgenden Schritte aufweist :Einstellen des Abluftdruckes innerhalb eines vorgegebenen Bereichs in mindestens einem Abschnitt des feststehenden Kamins; Abscheiden der gasförmigen Schadstoffe in mindestens einem Abschnitt des feststehenden Kamins.
Die Zielsetzung der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine damit verbundene Vorrichtung zur Reduzierung und/oder Eliminierung von Schadstoffen und eine entsprechend konstruierte Anlage bereitzustellen, um Schadstoffkomponenten in der Abluft aus Emissionen thermischer Verbrennungsgeneratoren zu reduzieren und/oder zu eliminieren, die mindestens eine Verbrennungskammer und mindestens einen feststehenden Abluftkamin besitzt, wobei der Kamin dazu verwendet wird, die Abluft vom Inneren der Verbrennungskammer nach außen zu leiten, und die erste Einrichtungen zur Einstellung des Druckes innerhalb eines vorgegebenen Bereichs besitzt, zweite Einrichtungen zur Abscheidung der gasförmigen Schadstoffe in mindestens einem Abschnitt des feststehenden Kamins und dritte Einrichtungen zur Abscheidung fester Schadstoffe in mindestens einem Abschnitt des feststehenden Kamins besitzt.
Das offengelegte Verfahren und die offengelegte Anlage zur sogar vollständigen Reduzierung sämtlicher Schadstoffarten aus Abgasen von thermischen Verbrennungsgeneratoren ist auf jede Art von Verbrennungssystem anwendbar, das verschiedene Flüssigbrennstoffe verwendet, wie beispielsweise Kerosin, Schweröl, Diesel oder Heizgas wie Methan, GPL etc.
Die Zielsetzung der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine damit verbundene Vorrichtung zur Reduzierung und/oder Eliminierung von Schadstoffen und eine entsprechend konstruierte Anlage bereitzustellen, um Schadstoffkomponenten in der Abluft aus Emissionen thermischer Verbrennungsgeneratoren zu reduzieren und/oder zu eliminieren, die mindestens eine Verbrennungskammer und mindestens einen feststehenden Abluftkamin besitzt, wobei der Kamin dazu verwendet wird, die Abluft vom Inneren der Verbrennungskammer nach außen zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite und dritte Vorrichtung nach einem Satz Parameter konfigurierbar ist, um Schadstoffe aus den Abgasen zu reduzieren und/oder zu eliminieren.
Dieser Satz an Parametern beinhaltet beispielsweise die Rahmenbedingungen wie Außentemperatur, Feuchtigkeit, Position der Vorrichtungskomponenten gemäß der vorliegenden Erfindung etc., die Brennstofftypologie oder die verbrannten Brennstoffe im Falle eines einzigen feststehenden Abluftkamins für zwei verschiedene Verbrennungskammern, in der unterschiedliche Brennstoffe verbrannt werden, sowie deren prozentuale Verwendung. Diese Situation kann beispielsweise eintreten, wenn in einem Haus die Heizanlage zusammen mit einer Feuerstätte (einem offenen Kamin) betrieben wird.
Die vorliegende Erfindung könnte vorteilhafterweise auf Heizgeräte und Heizanlagen der neuen Generation angewendet werden, insbesondere jene mit Umluft und keiner freien Luftansaugung.
In einer weiteren Ausführungsart der vorliegenden Erfindung wird eine Anlage und das damit verbundene Verfahren zur Reduzierung und/oder Eliminierung von Schadstoffen und eine entsprechend konstruierte Anlage offenbart, um Schadstoffkomponenten in der Abluft aus Emissionen thermischer Verbrennungsgeneratoren zu reduzieren und/oder zu eliminieren, die mindestens eine Verbrennungskammer und mindestens einen feststehenden Abluftkamin besitzt, wobei der Kamin dazu verwendet wird, die Abluft vom Inneren der Verbrennungskammer nach außen zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite und dritte Vorrichtung modular ausgestaltet sind, um die Kosten zu reduzieren, die Anlage leicht kundenspezifisch zu gestalten und die Wartung zu erleichtern. Außerdem sind die erste, zweite und dritte Vorrichtung in dem ersten feststehenden Abluftkamin enthalten.
1 zeigt ein Schema für eine Heizanlage eines Wohngebäudes gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Abluftkamin gemäß einer Konfiguration der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt einen Abluftkamin gemäß einer Konfiguration der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt einen Abluftkamin gemäß einer Konfiguration der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein Beispiel für das System, das in einer Heizanlage eines Wohngebäudes eingesetzt ist, einschließlich eines thermischen Verbrennungsgenerators 1 der bekannten Art, der sich meistens in dem Gebäude selbst befindet, und an eine Anlage 6 zur Brennstoffversorgung 7 und einen Abluftkamin 2 angeschlossen ist, der die Abluft von dem thermischen Verbrennungsgenerator 1 über eine Anlage 12 zur Reduzierung und/oder Eliminierung der Schadstoffe aus den Abgasen, die durch den thermischen Verbrennungsgenerator 1 erzeugt werden, aus dem Gebäude führt, und die einen Eintritt 16 und einen Austritt 17 besitzt.
Der thermische Verbrennungsgenerator 1 besitzt eine Verbrennungskammer 5, in der der Brennstoff 7 zur Wärmeerzeugung verbrannt werden kann, sowie ein Verbindungssystem 8, um den feststehenden Abluftkamin 2 mit der Verbrennungskammer 5 zu verbinden. Der Brennstoff 7 wird der Verbrennungskammer über eine Anlage 6 zugeführt.
Der feststehende Abluftkamin 2 endet meistens mit einem weiteren Kamin 3, der eine Vorrichtung 4 besitzt, welche die Emission und Abschwächung der Abluft in die Atmosphäre erleichtert.
Der feststehende Abluftkamin 2 besitzt einen ersten Teil 9 mit einem ersten Ende 10 und einem zweiten Ende 11 und einen zweiten Teil 13 mit einem ersten Ende 14 und einem zweiten Ende 15. Der erste Abschnitt 9 des feststehenden Abluftkamins 2 ist mit dem ersten Ende 10 des Verbindungssystems 8 verbunden und ist an das zweite Ende 11 des Eintrittes 16 der Anlage 12 angeschlossen. Der zweite Abschnitt 13 des feststehenden Abluftkamins 2 ist mit dem ersten Ende 14 des Austrittes 17 der Anlage 12 und mit dem zweiten Ende 15 des vertikalen Kamins 3 verbunden, der schließlich die Vorrichtung 4 enthält.
In einer bevorzugten Ausführungsart befindet sich der erste Teil 9 vollständig innerhalb des Gebäudes, während sich der zweite Teil 13 außerhalb des Gebäudes an dem Dach befindet.
Die Anlage 12 gemäß der vorliegenden Konfiguration kann sich außerhalb des Gebäudes befinden oder unter dem Dach, doch es sind auch viele andere Konfigurationen möglich, mittels derer sich der Eintritt 16 innerhalb des Gebäudes und der Austritt 17 außerhalb des Gebäudes auf dem Dach oder sogar im Gehäuse der Heizanlage befindet.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer möglichen Konfiguration der Anlage 12 einschließlich des Eintritts 16 für die Abluft aus der Verbrennungskammer durch den Abschnitt 9 des feststehenden Abluftkamins und des Austritts 17 zum Führen der Abluft in den zweiten Teil 13 des feststehenden Abluftkamins 2 selbst. An dem Eintritt 16 beginnen zwei Kamine: der erste Kamin 18 und der zweite Kamin 19. Der erste Kamin 18 verbindet den Eintritt 16 direkt mit dem Austritt 17. Der zweite Kamin 19 weist folgendes auf: einen Durchflussregler 24, einen Filter 20 zum Filtern fester Schadstoffe, eine Vorrichtung 21, die mit dem Durchflussregler 21 verbunden ist, um den Abluftdruck in einem Kaminabschnitt 19 innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zu halten, eine Vorrichtung 22 für die automatische Regelung der Ablufttemperatur und einen Filter 23 für die Zersetzung der gasförmigen Schadstoffe. Der zweite Kamin 19 verbindet den Eintritt 16 mit dem Austritt 17 parallel zu dem ersten Kamin 18.
Außerdem besitzt die Anlage 12 ein elektronisches Steuerungssystem 25 mit einer Zentraleinheit zur Regelung des Betriebes aller Systemkomponenten für die Heizanlage eines Gebäudes gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Durchflussregler 24 kann beispielsweise als Absperrventil oder als Drosselventil konstruiert sein und er ermöglicht die Steuerung der Abluftmenge, die in den Kamin 19 eintritt, sowie die Steuerung des Abluftdruckes in dem Kamin 19 durch Vorrichtung 21. Der Durchflussregler 24 wird durch die Druckdifferenz zwischen dem Kamin 18 und dem Kamin 19. aktiviert.
Der Filter 20 zum Filtern fester Schadstoffe besteht aus zwei verschiedenen Blöcken oder, wenn möglich, aus einem einzigen, integrierten Block. Es kann sich dabei um jeden beliebigen Filter handeln, mit dem feste Schadstoffe wie beispielsweise Partikel, Rauchgase und Luft im allgemeinen, abgeschieden werden können. Ein großer Vorteil ergibt sich aus der Verwendung eines Partikelfilters, der die durch die Partikelbewegung erzeugten Trägheitskräfte einsetzt, um die Partikel von dem Luftstrom, der die Partikel selbst mit sich führt, wegzubewegen, wie beispielsweise ein Zyklon oder ein ähnliches System. Siehe dazu beispielsweise US-Patent 4,895,707 , Kuhn, Michael, 23. Januar 1990, "Rußfilter für Dieselmotoren", Daimler-Benz Aktiengesellschaft. Wenn die Zielsetzung darin besteht, Partikel abzuscheiden, die aus festen Schadstoffen bestehen, wobei ihre Art und ihre Abmessungen berücksichtigt werden, könnte ein Schwerkraftfilter verwendet werden; siehe dazu US-Patent 5,294,002 , Moses, Darcy, 15. März 1994, "Luftabscheider mit spiralförmigen Wandplatten", Crown Iron Works Company. In einer weiteren Ausführungsart kann auch ein Coanda-Effekt-Filter eingesetzt werden; siehe beispielsweise Patent S.U. A.C. 939079 , Borodulya, 5. Juli 1982, "Verfahren zur Kontamination von Partikeln in Gasdüsen", Minsk Motor Works und Institute of Heat and Mass Transfer, Lynkov.
Wenn es nützlich ist, feinere Partikel auszufiltern, wenn beispielsweise ein gasförmiger Brennstoff 7 wie Methan verwendet wird, könnte es hilfreich sein, einen akustischen Filter 20 zu verwenden; siehe als Beispiel U.S. Patent 5,085,783 , Feke et al., 4. Februar 1992, "Akustisch angetriebene Partikelabscheidung – Verfahren und Anlage", Case Western Reserve University.
Bei einem alten Verbrennungssytem ist es auf jeden Fall erforderlich, den Abgasfluss zu beschleunigen, um zur Abscheidung der mitgeführten Partikel eine ausreichende Beschleunigung zu erzeugen.
Bei der Vorrichtung 21 handelt es sich um eine Druckerzeugungseinrichtung zur Regelung des Druckes in dem Kamin 19 im Zusammenwirken mit dem Durchflussregler 24. Bei der Druckerzeugungseinrichtung könnte es sich sogar um eine Kolbenvorrichtung mit geringer Umdrehungsgeschwindigkeit handeln. Alternativ sind noch bessere Systeme erhältlich, wie beispielsweise Zentrifugalpumpen (Kreiselpumpen) oder Systeme mit Vibrationen oder Stößen (d. h. Ultraschall) zur Erhöhung des Schlupfes in Katalysatorhohlräumen, wie weiter unten beschrieben wird. Mit diesen Vorrichtungen könnten in dem Kamin 19 Abschnitte geschaffen werden, in denen der Abluftdruck geringer ist als in Kamin 18.
Der Filter 23 zum Filtern gasförmiger Schadstoffe enthält einen Katalysator der bekannten Art zur Rauchgasreinigung.
Die folgende Formel beschreibt die katalytische Reaktionsgeschwindigkeit (v):
wobei

v: – die katalytische Reaktionsgeschwindigkeit, mol·m^–3·s^–1
A: – die katalytische Fläche, m²
k₀: – der Präexponentialfaktor, m·mol^–1·s^–1
E_a: – die Aktivierungsenergie der katalytischen Reaktion, J/mol (Joule pro Mol)
R: – die universale Gaskonstante = 8,314 J/(mol·K)
T: – die Temperatur K
c₁: – die Konzentration von Reagens 1, mol·m^–3
c₂: – die Konzentration von Reagens 2, mol·m^–3 ist.

Als Beispiel für die Zahlenwerte, die in der obigen Gleichung zu verwenden sind, siehe Bremer, H. und K. Wendland, Heterogene Katalyse, Berlin: Academie-Verlag, 1981 oder alternativ U.S. Patent 5,591,414 , Jacob, Eberhard et al., 7. Januar 1997, "Sorptiver Katalysator for die sorptive und oxidative Reinigung von Abgasen aus Dieselmotoren", MAN Nutzfahrzeuge Aktiengesellschaft. Gemäß der Gleichung ist das Hauptproblem die richtige Kontrolle der Temperatur und des Kontaktbereichs zwischen Gas und Feststoffkatalysator. Man kann auch das System eines ökonomischen Katalysators oder einen Katalysator aus Edelmetall verwenden, bei dem spezifische Übergangsmetalle zum Einsatz kommen; siehe beispielsweise U.S. Patent 5,591,414 , Jacob, Eberhard et al., 7. Januar 1997, "Sorptiver Katalysator for die sorptive und oxidative Reinigung von Abgasen aus Dieselmotoren", MAN Nutzfahrzeuge Aktiengesellschaft.
Diese Katalysatortypologien aus Edelmetallen ermöglichen niedrigere Abgastemperaturen und ermöglichen somit einen geringeren Energieverbrauch und niedrigere Herstellungskosten für die Komponenten, aus denen Anlage 12 besteht. Eine Vielzahl verschiedener Lösungen ist für die Herstellung von Katalysatoren mit verschiedenen Materialien und Herstellungsverfahren bekannt, um die Umwandlungseffizienz zu erhöhen; in jedem Fall ist eine exakte Kontrolle der Betriebstemperatur erforderlich, da sie bei niedrigen Temperaturen nicht alle gasförmigen Schadstoffe eliminieren und/oder reduzieren, und manchmal deaktivieren sie das Substrat. Im Falle von Abluft bei niedriger Temperatur, wie in Wohngebäuden, ist die Kontrolle von Temperatur und Druck unerlässlich. Die Temperatur wird in Bezug auf das obige Verhalten kontrolliert und der Druck wird kontrolliert, um Druckverluste wieder auszugleichen und die Verbrennung zu erhalten. Diese Druckverluste sind auf den Katalysator und die Filter zurückzuführen.
Vorrichtung 22 für die automatische Regelung der Ablufttemperatur weist mindestens ein Metallelement in dem Kamin 19 auf, wobei es sich um eine Induktionsspule handelt, die an eine Stromversorgung angeschlossen ist. Das Merkmal dieser Metallelemente besteht in einem vorgegebenen Curiepunkt, der gemäß dem optimalen Betriebspunkt des katalytischen Filters 23 vorgegeben ist. Die Induktionsspule ist derart ausgeführt, dass sie Wechselstrom leitet, bis die Metallelemente über diese Temperatur ihren Curiepunkt erreichen; das System induziert keinen Strom, da die Magneteigenschaften verlorengehen. Wenn die Abluft eine höhere Temperatur hat als die von dem Katalysator geforderte, ist das System selbstverständlich inaktiv und nimmt keinen Strom auf.
Eine erste Darstellung der Anlage 12 ist in 2 gezeigt der zweite Kamin 19 weist in der Reihenfolge von dem Eintritt 16 zu dem Austritt 17 den Durchflussregler 24, den Festpartikelfilter 20, die Vorrichtung 21, die mit dem Durchflussregler 24 betriebsbereit verbunden ist, um den Abluftdruck in dem Kamin 19 innerhalb der vorgegebenen Betriebsbedingungen zu erhalten, die Ablufttemperatur-Steuerungsvorrichtung 22, und einen katalytischen Filter 23 für gasförmige Schadstoffe auf.
Eine zweite Darstellung der Anlage 12 ist in 3 gezeigt: der zweite Kamin 19 weist in der Reihenfolge von dem Eintritt 16 zu dem Austritt 17 den Durchflussregler 24, die Ablufttemperatur-Steuerungsvorrichtung 22, den Festpartikelfilter 20, die Vorrichtung 21, die mit dem Durchflussregler 24 betriebsbereit verbunden ist, um den Abluftdruck in dem Kamin 19 innerhalb der vorgegebenen Betriebsbedingungen zu erhalten, und einen katalytischen Filter 23 für gasförmige Schadstoffe auf.
Eine dritte Darstellung der Anlage 12 ist in 4 gezeigt: der zweite Kamin 19 weist in der Reihenfolge von dem Eintritt 16 zu dem Austritt 17 den Durchflussregler 24, die Ablufttemperatur-Steuerungsvorrichtung 22, den Festpartikelfilter 20, einen katalytischen Filter 23 für gasförmige Schadstoffe, die Vorrichtung 21, die mit dem Durchflussregler 24 betriebsbereit verbunden ist, um den Abluftdruck in dem Kamin 19 innerhalb der vorgegebenen Betriebsbedingungen zu erhalten, auf.
In einer weiteren, nicht gezeigten Darstellung könnte die automatische Temperaturkontrollvorrichtung in Vorrichtung 21 integriert werden.
In einer in den Figuren nicht gezeigten, möglichen Variante der oben genannten Konfigurationen ist entlang dem Kamin 19 vor dem Austritt 17 und nach dem Filter 20 und nach dem Filter 21 ein weiterer Durchflussregler 26 eingeschoben. Der Durchflussregler 26 kann ein Kurzschließen der Abluft und/oder einen Rückfluss durch den Kamin 18 stoppen.
Die Anlage 12 könnte in verschiedenen Konfigurationen und in anderer Reihenfolge der Bauteile als hier beschrieben montiert werden, wobei die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung dennoch erhalten bleibt.
Die Anlage 12 könnte vorteilhafterweise derart an das äußerste Ende des feststehenden Abluftkamins angeschlossen werden, dass die Installation für bereits vorhandene Heizanlagen auf das Äußerste vereinfacht wird.
Im Einsatz werden in Bezug auf die erste Konfiguration, die in 2 gezeigt ist, die Abgase, die durch die Verbrennung 7 von Brennstoff in der Verbrennungskammer 5 erzeugt werden, entlang Kamin 2 zu der Anlage 12 geführt. Wenn die Anlage 12 in Betrieb ist, werden die Abgase durch den Durchflussregler 24 in Kamin 19 und zu dem Filter 20 geführt, wo das Filtern von festen Schadstoffen stattfindet. In dem Filter 20 findet die Partikelabscheidung statt und somit ein Verlust an Masse in dem Strom erzeugt, der einen Druckverlust hervorruft. Außerdem kann es sich angesichts der Strömungsablenkung durch den Katalysator bei dem Filter 23 in bestimmten Konfigurationen um einen Katalysatoreinsatz handeln, der Druckverluste hervorruft, die für Verbrennungssysteme in Gebäuden nicht akzeptabel sind. Es muss ein Element integriert werden, so dass der Druck derart wiederhergestellt wird, dass die Abluft in die Atmosphäre abgegeben werden kann. Um den Druck in dem Kamin 19 auf einem konstanten Wert zu halten, ist eine Vorrichtung 21 betriebsbereit mit dem Durchflussregler 24 verbunden. Der Durchflussregler 24 ermöglicht es, dass die Abluft entsprechend der von der Verbrennungskammer 5 erzeugten Menge durch die Vorrichtung 12 verlaufen kann, wobei der Abluftdruck von Kamin 19 von dem Abluftdruck des ersten Teils 10 des vertikalen Kamins 2 getrennt ist. In der Konfiguration mit dem Durchflussregler 26 findet diese Trennung sogar zwischen dem Kaminteil 19 und dem zweiten Teil 11 statt. Die Vorrichtung 21 wird so hergestellt, dass der Druck innerhalb eines vorgegebenen Betriebsbereichs erzeugt wird, der den optimalen Bereichen des Filters 23 entspricht.
Bei einer der vorgeschlagenen Lösungen für das vorliegende Verfahren wird ein Kolbenkompressor mit niedriger Drehzahl verwendet, der zwei Vorteile besitzt: er besitzt einen Abluftdruck, der ausreicht, um durch den Katalysator zu führen, und besitzt in dem Eintritt oder Austritt genügend Energie, um eine Partikelabscheidung nach dem obigen Verfahren zu erzeugen und die Temperatur aufgrund mechanischer Arbeit zu erhöhen. Normalerweise ist die Temperaturerhöhung infolge Gasverdichtung ein Nachteil. Bei dieser speziellen Anwendung ist es ein innovativer Vorteil der vorliegenden Lösung.
Dennoch verwendet die übernommene Lösung einen Kreiselkompressor mit einer spezifischen Konstruktionslösung für das Interface und eine mechanische Anschlussvorrichtung, um den Elektromotor thermisch von dem Kompressorrad abzutrennen. Dieser Aspekt ist ungewöhnlich, da die auf dem Markt zum Pumpen von Heißgasen (d. h. 200 bis 300 und auch 400 °C) erhältlichen Produkte axialer Art oder nicht direkt verbunden und somit teurer sind und Ausfälle häufiger vorkommen.
Der Filter 23 arbeitet meistens mit optimalem Druck und optimaler Temperatur, so dass die Abluft für die automatische Temperatureinstellung durch Vorrichtung 22 aufgewärmt oder abgekühlt wird. Die Vorrichtung 22 könnte an jeder Stelle entlang Kamin 19 angeordnet werden, wobei sie die optimale Betriebstemperatur sowohl für den Filter 23 als auch für den Filter 20 einstellen kann. Diese Betriebstemperatur liegt meistens zwischen 100 und 600°C. Bei einer optimalen Lösung liegt diese Betriebstemperatur zwischen 100 und 300°C. Insbesondere unter den folgenden Bedingungen liegt die Temperatur zwischen 160 und 210°C (und beträgt vorzugsweise gleich 200°C):

– wenn dem Katalysatormaterial Rhodium zugefügt ist, so erhöht sich die Reduzierung von Schadstoffen insbesondere in Bezug auf Stickstoffoxide selbst bei niedrigen Temperaturen in der Nähe des Katalysators,
– die Druckdifferenz unter den Katalysatoren liegt zwischen 70 und 120 mmH₂O
– die durchschnittliche Abluftgeschwindigkeit liegt zwischen 1,2 und 1,6 m/s.

Diese Bedingungen erlauben den Verzicht auf Vorrichtung 22.
In einer alternativen Konfiguration von Vorrichtung 12, in der der Katalysator als Filter 23 enthalten ist, könnte eine katalytische Reaktion in dem Filter 23 stattfinden, und die Zusammensetzung der Abluft variiert, wie oben beschrieben, mit einer geringen Massereduzierung. Die Abluft wird an dieser Stelle durch Austritt 17 in die zweite Hälfte von Kamin 11 geführt und in die Atmosphäre abgegeben.
In Notfällen oder während der Wartung der Anlage 12 kann der Durchflussregler 24 aktiviert werden, um die Abluft vollständig durch den Kamin 18 zu leiten; somit kann der Thermoregler selbst bei Ausfall der Anlage 12 arbeiten und der Austausch von Komponenten oder die Reinigung von Filter 20 und/oder Filter 23 ist möglich.
Es ist wichtig, eine einfache und zuverlässige Vorrichtung zu verwenden, damit die Strömung nicht unabsichtlich unterbrochen wird; sie muss in die Strömung eingeschoben werden, damit es bei einer Durchflussunterbrechung im Kamin nicht zu einer Störung kommt; siehe U.S. Patent 4,080,981 , Stewart, 28. März 1978, "Antisiphon-Absperrventil".
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie für die Umrüstung alter Abluftkamine sehr gut geeignet ist, da diese meistens in geradlinigen, langen Kaminsegmenten montiert sind, um einen feststehenden Abluftkamin zu bilden, der die Abluft nach außen führt, insbesondere in dem Teil nahe der Emission und in dem Teil der Abschwächung in die Atmosphäre.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Anlage und das Verfahren eine Vorrichtung enthalten, mit der der Druckverlust auf einfache Art und Weise wieder ausgeglichen werden kann. Durch die Verwendung eines zentrifugalsystems ist eine größere Druckerhöhung durch das Gebläse möglich und es ist sowohl eine orthogonale als auch eine axiale Montage möglich, was die Flexibilität für das System stark erhöht.
Ein weitere Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Anpassungsfähigkeit an jede beliebige Montageposition entlang dem Abluftkamin. So ist es beispielsweise möglich, das System innerhalb der Heizanlage zu realisieren, indem das katalytische System und der Feinzellfilter oder der konische Abscheider direkt an dem Eintritt oder in den Abluftrohren der Heizanlage installiert werden, was einige oder alle Vorrichtungen zur Verbesserung des Wärmeaustausches ersetzt (oft auch Wirbelerzeuger genannt).
Die in der vorliegenden Erfindung beschriebene Vorrichtung könnte vorteilhafterweise eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige von Wartungsbedarf oder zur Anzeige einer Fehlfunktion des Systems verwenden. Dieser Aspekt könnte durch den Anschluss der Anzeigevorrichtung am Ende des Kamins 4 oder nahe dem Ende 15 realisiert werden.
Nach den Merkmalen der vorliegenden Erfindung wurde eine experimentelle Modularanlage hergestellt, die folgendes aufweist:

– eine Katalysatorvorrichtung, die nach dem Abluftkamin der Heizanlage installiert werden kann,
– einen mechanischen Filter zum Auffangen und Verbrennen von Partikeln mit einer Zellgröße von 0,8 bis 1,2 mm,
– eine Vorwärmeinheit außerhalb und vor dem Katalysatoreintritt zur Katalysatorvorwärmung,
– einen Gebläsekompressor zum Ausgleich von Druckverlusten,
– einen Schaltschrank zur Druck- und Temperaturmessung und – kontrolle an bestimmten Kaminabschnitten des Abluftkamins.

Die Anlage wurde nach den Normen UNI EN 304: 1994 hergestellt : "Caldaie per riscaldamento: regola di prova per caldaie con bruciatori di olio combustibile a polverizzazione". Die Abgasproben und Tests wurden nach folgenden Verfahren und Beschreibungen durchgeführt: UNICHIM 467, UNICHIM 542, UNICHIM 494, UNICHIM 543, D. M. 25/08/2000.
Die Heizanlage besaß eine Nennleistung von 35 kW und einen Brenner mit einem Brennstoffdurchsatz von maximal 3 kg/h. Die Wasseraustrittstemperatur betrug 80°C mit einer Druckdifferenz von 12°C zwischen Eintritt und Austritt.
Die Umgebungslufttemperatur betrug ungefähr 30°C und die Verbrennungslufttemperatur betrug ungefähr 29°C bei einem Brennstoffverbrauch von 2,265 kg/h.

Der Druck in Bezug auf die Umgebung am Abluftaustritt der Heizanlage wurde durch das Gebläse bei 20,1 [Pa] geregelt, wobei die Abluftaustrittstemperatur ungefähr 140°C und die Ablufteintrittstemperatur ungefähr 296°C betrug. Der Durchlauf betrug ungefähr 3 Stunden. Die Anlage ergab die folgenden Vorteile. Sie wurde durch Modularität und Funktionsregelungen auf maximale Kohlenoxidreduzierung eingestellt:

Parameter	Maßeinheit	Eintritt Vorrichtung	Austritt Vorrichtung	Prozentuale Abweichung
Partikel	mg/Nm³	6,2	3,0	–51,6
Partikel < 10 Mikron PM10	mg/Nm³	3,1	1,2	–61,3
Kohlenoxid	mg/Nm³	85,0	1,3	–98,5
organische	mg/Nm³	19,8	6,4	–67,7
Substanzen (Kohlenäquivalenz)
Schwefeloxide (SO-Äquivalenz)	mg/Nm³	20,2	9,7	–52,0
Stickstoffoxide(NO-Äquivalenz)	mg/Nm³	100,6	58,5	–41,8

Claims

Verfahren zum Reduzieren und/oder Abscheiden von Schadstoffen aus der durch thermische Verbrennungsgeneratoren in Wohngebäuden erzeugten Abluft, mit mindestens einer Verbrennungskammer (5) und mindestens einem feststehenden Abluftkamin (2), der die Abluft von der inseitigen Verbrennungskammer nach außen leitet, umfassend die Schritte – Einstellen des Abluftdruckes innerhalb eines vorgegebenen Bereichs; – Abscheiden von gasförmigen Schadstoffen aus der Abluft; – Abscheiden von Schadstoffpartikeln durch ein metallisches Netzwerkfilter, Drähte, Drahtsträngen, Spulen oder eine poröse mechanische Einrichtung zum Anhalten der Partikel; – Einstellen der Temperatur eines metallischen Elements auf einen Wert zum Zünden der Verbrennung oder zum Zersetzen der Partikel oder der Schadstoffe in Basiselemente, dadurch gekennzeichnet, dass in weiteren Schritten – ein erster und ein zweiter Kamin (18, 19) parallel an den feststehenden Abluftkamin angeschlossen sind, – die Abluft wahlweise durch den ersten Kamin (18) oder den zweiten Kamin (19) geleitet wird; und die Verfahrensmaßnahmen des Einstellens von Druck und Temperatur und zum Abscheiden der gasförmigen und der Partikelschadstoffe nur im zweiten Kamin (19) vorgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der gasförmigen Schadstoffe inseitig zumindest in einem Abschnitt des feststehenden Abluftkamins mittels eines 3-Wegekatalysators erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der gasförmigen Schadstoffe inseitig zumindest in einem Abschnitt des feststehenden Abluftkamins durch einen herkömmlichen Kraftfahrzeugkatalysator vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Druckeinstellung innerhalb eines Bereichs von vorgegebenen Werten in zumindest einem Abschnitt des feststehenden Abluftkamins ein ansteigender Druck der Abluft realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckerzeugungseinrichtung für die Druckeinstellung in zumindest einem Abschnitt des feststehenden Abluftkamins innerhalb eines Bereichs von vorgegebenen Werten vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der gasförmigen Schadstoffe inseitig in zumindest einem Abschnitt des feststehenden Abluftkamins in einem Wasservolumen erfolgt, in welchem Gase durch chemische Zersetzung oder Elektrolyse in zumindest einem Abschnitt des feststehenden Abluftkamins erzeugt werden, indem zumindest ein chemischer Reaktant oder ein Elektrolyt in das Wasservolumen eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt in dem Wasservolumen Wasserstoff erzeugt wird, indem geeigneter elektrischer Strom an das Wasservolumen angelegt wird, und dass Schadstoffe abgetrennt werden, wenn die Abluft mit dem Wasserstoff an einem Katalysator reagiert.
Anlage zum Reduzieren und/oder Abscheiden von Schadstoffen aus der durch thermische Verbrennungsgeneratoren (1) in Wohngebäuden erzeugte Abluft, mit mindestens einer Verbrennungskammer (5) und mindestens einem feststehenden Abluftkamin (2), der die Abluft von der inseitigen Verbrennungskammer (5) nach außen leitet, mit ersten Mitteln (21, 24) zum Einstellen des Abluftdruckes innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, einem zweiten Mittel (23) zum Abscheiden gasförmiger Schadstoffe und einem dritten Mittel (20) zum Abscheiden von Schadstoffpartikeln, wobei das dritte Mittel (20) aus einem metallischen Netzwerkfilter, Drähten, Drahtsträngen, Spulen oder einer porösen mechanischen Einrichtung zum Anhalten der Partikel besteht, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und zweiter Kamin (18, 19) parallel an den feststehenden Abluftkamin (2) angeschlossen sind, dass die ersten Mittel einen Durchflussregler (24) umfassen, der die Abluft wahlweise durch den ersten Kamin (18) oder den zweiten Kamin (19) leitet und dass das zweite Mittel (23) und das dritte Mittel (20) in dem zweiten Kamin (19) angeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel (23) einen 3-Wegekatalysator umfasst.
Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel (23) ein Wasservolumen umfasst, das geeignet ist Gase durch chemische Zersetzung oder Elektrolyse zu erzeugen, indem zumindest ein chemischer Reaktant oder ein Elektrolyt in das Wasservolumen eingeleitet wird, das sich zumindest in einem Abschnitt des feststehenden Abluftkamins befindet.
Anlage nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Mittel (20) einen Druckanstieg der Abluft hervorruft.
Anlage nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Katalysator um einen herkömmlichen Kraftfahrzeugkatalysator handelt.
Anlage nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (21, 24) eine Druckerzeugungseinrichtung (21) umfassen.
Anlage nach den Ansprüchen 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (21, 24), das zweite Mittel (23) und das dritte Mittel (20) in jeder Position entlang dem feststehenden Abluftkamin unabhängig festlegbar sind.
Anlage nach den Ansprüchen 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (21, 24), das zweite Mittel (23) und das dritte Mittel (20) modular ausgestaltet sind.
Anlage nach den Ansprüchen 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (21, 24), das zweite Mittel (23) und das dritte Mittel (20) voneinander funktionell unabhängig sind.
Anlage nach den Ansprüchen 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Steuergerät (25) für die ersten Mittel (21, 24), das zweite Mittel (23) und das dritte Mittel (20) vorhanden ist.
Anlage nach den Ansprüchen 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeigeeinrichtung für die Anzeige von Ausfällen der ersten Mittel (21, 24), des zweiten Mittels (23) und des dritten Mittels (20) vorhanden ist.