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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur
katalytischen Verbrennung von Gasen und Dämpfen, insbesondere
organischen Gasen und Dämpfen, die mit Luft oder einem
anderen Sauerstoff enthaltenden Gas vermischt sind, sowie
ein katalytischer Brenner zur Verbrennung von organischen
Verbindungen.
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Der Umweltschutz und die Energiebedürfnisse der modernen
Welt erfordern solche Verbrennungsprozesse, bei denen die
Verbrennungsprodukte die natürliche Umgebung nicht
verunreinigen und bei denen gleichzeitig der Wirkungsgrad des
Verbrennungsprozesses hoch ist.
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Besonders wichtig ist, daß Verbrennungsgase keine
Stickoxide enthalten, die sogenannte saure Regen verursachen,
welche die Natur zerstören.
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Die Steuerung von Verbrennungsprozessen hat sich immer als
schwierig erwiesen. Dies ist bis heute so geblieben.
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Schwierigkeiten bei der Verbrennung von Brennstoffen
ergeben sich aus der Notwendigkeit, das
Luft-Brennstoff-Verhältnis zu steuern. Vollständige Verbrennungsprozesse
stellen sich nur bei einem bestimmten definierten
Verhältnis der beiden vorstehend erwähnten Komponenten ein.
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Bei einer Flammenverbrennung von Brennstoffen enthalten die
Verbrennungsgase immer Stickoxide, welche zerstörend sowohl
auf den Menschen als auch die Natur sowie auf die
Rohstoffkultivierung einwirken.
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Ein wesentlicher Vorteil bei der Entwicklung von
Oxidationsprozessen war der Einsatz der heterogenen Katalyse.
Die Brennstoffoxidationsprozesse verlaufen dabei auf der
Oberfläche von Katalysatoren in einem sehr weiten Bereich
und ergeben keine Stickoxide.
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Prozesse der katalytischen Oxidation von organischen
Verbindungen wurden erfolgreich in Technologien zur Reinigung
von Abgasen von unerwünschten Verunreinigungen eingesetzt.
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Bei einem typischen Prozeß der katalytischen Oxidation von
organischen Verbindungen wird Luft zusammen mit organischen
Stoffen auf die Auslösetemperatur der Verbrennungsreaktion
der organischen Stoffe erhitzt und auf das Bett des
verwendeten Katalysators geführt.
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In dem Katalysatorbett werden die organischen Stoffe
oxygeniert. Dies führt zu einem Temperaturanstieg. Die Luft
verläßt dann zusammen mit den Verbrennungsprodukten das
Katalysatorbett, wobei ihre Temperatur höher als ain Einlaß
ist.
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Technologien der katalytischen Nachverbrennung von Gasen
werden gewöhnlich zur Reinigung von Gasen von nicht
notwendigen Verunreinigungen verwendet, deren Konzentration in
der Luft gewöhnlich niedrig ist. Um die
Prozeßwirtschaftlichkeit zu verbessern, setzt man üblicherweise
Membranwärmeaustauscher ein, die eine Nutzung von etwa 50 % der Wärme
der heißen Verbrennungsgase zur Erhitzung der einem Reaktor
zugeführten Luft ermöglichen.
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Die Basisliteratur und Patentliteratur für Prozesse und
Apparate für die katalytische Gasreinigung nach diesem
Schema sind sehr umfangreich, so daß ins einzelne gehende
Ausführungen hier nicht gemacht werden.
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Ein beträchtlicher Vorteil auf dem Gebiet der katalytischen
Gasreinigung ergibt sich aus Umkehrprozessen in Form einer
zyklischen Richtungsänderung eines Luftstroms, der durch
das Bett fließt, und erforderlichenfalls der Anordnung des
Katalysatorbettes zwischen zwei Schichten eines keramischen
Füllmaterials und in der Zuführung von Wärme zu dem
Mittelteil des Katalysatorbettes. Bei dem Umkehrverfahren wird
Wärme von heißen Abgasen aufgrund von Wärmeregeneratoren
verwendet, die Teil des Katalysatorbettes und der Schichten
des keramischen Füllmaterials sind.
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Ein Beispiel eines katalytischen Umkehrprozesses, bei
welchem Gase durch ein Katalysatorbett in einer sich
zyklisch ändernden Richtung geführt werden, ergibt sich aus
der SU 865 796 (1981). Die Erfindung wird dabei für die
Oxidation von SO&sub2; zu SO&sub3; verwendet.
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Die Zyklen des Gasstroms in eine Richtung dauern von etwa
zwölf Minuten bis mehrere Dutzend Minuten. Der Prozeß ist
insoweit unwirtschaftlich, als er eine viel größere
Katalysatormenge erfordert.
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Ein Beispiel eines Umkehrprozesses der Nachverbrennung von
Gasen aus organischen Verunreinigungen ist in der US-A-
2 946 651 (1960) beschrieben. Gemäß dieser Erfindung wird
ein Katalysatorbett zwischen zwei Schichten eines
keramischen Füllmaterials angeordnet.
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Zu Beginn wird das Katalysatorbett mit Hilfe heißer
Verbrennungsgase erhitzt, und dann wird Luft hindurchströmen
gelassen, die mit Verbindungen verunreinigt ist, die einer
katalytischen Umwandlung unterworfen werden. Der Prozeß
schreitet autothermisch fort, wenn die Konzentration der
Verunreinigungen einen bestimmten niedrigen Pegel
überschreitet. Die Zyklen, während der die Luft in eine
Richtung strömen gelassen wird, dauern mehrere Dutzend
Sekunden
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Ein Beispiel für einen anderen Umkehrprozeß, bei welchem
das Katalysatorbett zwischen zwei Schichten eines
keramischen Füllstoffs angeordnet ist und bei welchem dem
Mittelteil des Katalysatorbettes Wärme zugeführt wird, ist das in
der PL-PS 126 861 beschriebene Verfahren.
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Das Verfahren der Reinigung eines Gases von unerwünschten
Verunreinigungen erfolgt dort bei einer kontinuierlichen
oder periodischen Wärmezuführung zu dem Mittelteil des
Katalysatorbetts.
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Die Temperatur des Katalysatorbettes nach der oben
erwähnten Erfindung wird sowohl von der Änderungsfreguenz der
Richtung des Gasstroms durch einen Reaktor als auch von der
Wärmemenge gesteuert, die dem Mittelteil des
Katalysatorbettes von außerhalb zugeführt wird.
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Umkehrprozesse sind zum Reinigen von Gasen besonders
zweckmäßig, die relativ niedrige Konzentrationen an
Verunreinigungen haben. Sie verlaufen autotherm, wenn die
Konzentration der Verunreinigungen im Bereich von 1 bis
5 g/m³ zu reinigender Luft liegt.
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Bei höheren Konzentrationen besteht die Gefahr einer
Überhitzung des Katalysatorbettes oder von
Vorrichtungsbauteilen. Obwohl auch Verfahren zur Kühlung des
Katalysatorbettes angegeben sind, beispielsweise durch Abführen eines
Teils der heißen Verbrennungsgase aus der Mitte des
Katalysatorbettes, wie dies in der PL-PS 137 515 beschrieben ist,
hat die Praxis gezeigt, daß, wenn die Luft beträchtliche
Konzentrationen an Verunreinigungen enthält und die
Konzentration periodisch auf einen hohen Wert ansteigt, das
Abführen eines Teils der Gase nicht ausreicht und das
Katalysatorbett gefährlich überhitzt wird, sogar auf eine
Temperatur von mehr als 1000º C, wobei außerdem die
abgeführten Gase nicht immer vollständig gereinigt sind. Dies
erniedrigt den Wirkungsgrad des Katalysators.
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Ein Nachteil der Umkehrverfahren besteht darin, daß während
einer Richtungsänderung des durch den Reaktor strömenden
Gases ein Teil des in dem Reaktor vorhandenen Gases nicht
gereinigt wird. Wenn die Konzentration an Verunreinigungen
nicht hoch ist und Anderungen der Gasströmungsrichtung
nicht häufig erfolgen, beeinträchtigt diese Erscheinung den
Grad der Gasreinigung nicht merklich. Für höhere
Konzentrationen jedoch ist dieses Phänomen nachteilig.
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Zur Beseitung des vorstehend erwähnten Nachteils gelangten
verschiedene Verfahren zuin Einsatz. So ist in der US-A-
3 870 474 (1975) empfohlen, in solchen Fällen unter anderem
mehrere Reaktionsteile einzusetzen, die, wenn sie zu einem
geeigneten Zeitpunkt zur Wirkung gebracht werden,
diejenigen Gasvolumina von Verunreinigungen säubern, die im
Verlauf des Vorgangs des Gasrichtungswechsels nicht gereinigt
worden sind. Dies ist jedoch ein aufwendiges vorbeugendes
Verfahren.
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Die Fachwelt kennt katalytische Reaktoren, die in Prozessen
der katalytischen Gasreinigung eingesetzt werden. Eine neue
Generation von Vorrichtungen dieser Art basiert darauf, daß
das Verfahren der katalytischen Gasreinigung verwendet
wird, das in der PL-PS 126 861 beschrieben ist. Nach diesem
Verfahren wird der Prozeß der katalytischen Gasreinigung
mit Hilfe des Umkehrverfahrens ausgeführt. Der Katalysator
des Oxidationsprozesses wird dabei zwischen zwei Schichten
eines Wärme speichernden Füllmaterials angeordnet, während
die Wärme, die zur Erhitzung des Katalysators und
schließlich zur Stützung des Nachverbrennungsprozesses
erforderlich ist, dem Mittelteil des Katalysatorbettes zugeführt
wird.
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Eine Vorrichtung nach der PL-PS 129 862 besteht aus zwei
identischen zylindrischen Reaktoren, von denen jeder zwei
Kammern hat, von welchen die eine eine katalytische Kammer
ist, die mit zwei konzentrischen zylindrischen perforierten
Sieben versehen ist, die von unten durch einen Boden
verschlossen sind und einen Korb bilden, der das
Katalysatorbett enthält, und von denen die andere, die untere, eine
Rekuperationskammer ist, innerhalb der sich eine Schicht
eines keramischen Füllmaterials befindet.
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Beide Reaktoren sind miteinander von unten mittels einer
Sammelbeschickung für verunreinigtes Gas in zyklischer
Umkehrweise verbunden, einmal mit dem einen Reaktor und
einmal mit dem anderen Reaktor. Zur gleichen Zeit wird von
dem gegenüberliegenden Reaktor gereinigte Luft abgenommen.
Der Gasstrom wird mit Hilfe von Steuerventilen mit
einstellbarer Betriebszeit umgeschaltet.
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Die Reaktoren sind miteinander von oben mittels eines
gemeinsamen Sammlers verbunden, der mit einem Rohrstutzen
zum Zuführen von heißen Verbrennungsgasen versehen ist, die
erforderlich sind, um den Katalysator auf die
Auslösetemperatur der Nachverbrennungsreaktion von Verunreinigungen zu
erhitzen. Anstelle von heißen Verbrennungsgasen kann die
Katalysatorschicht alternativ mittels elektrischer
Heizelemente erhitzt werden, die in den zentralen leeren Raum des
Katalysatorkorbes eingeführt sind, der als Heizkammer
bezeichnet wird.
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Nach der PL-PS 129 863 wird der Prozeß der katalytischen
Gasreinigung in einem Umkehrreaktor in Form eines
zylindrischen Körpers ausgeführt, in welchem drei perforierte
Zylinder mit unterschiedlichen Durchmessern zentrisch
angeordnet sind.
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In dem von zwei äußeren Zylindern gebildeten Raum befindet
sich ein Bett aus einem geeigneten Katalysator. Ein Ring
aus perforiertem Stahlblech, der in der Mitte der
perforierten Zylinder befestigt ist, unterteilt den Reaktor in
zwei Kammern, wobei die Trennwand den inneren perforierten
Ring nicht genau erreicht. Der von dem inneren Zylinder
begrenzte Raum ist eine Heizkammer, in der elektrische
Heizelemente angeordnet sind.
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Mit Hilfe von gesteuerten Umkehrventilen werden
verunreinigte Gase entweder zum oberen Teil der Vorrichtung, wo sie
dann durch die obere Kammer mit einem keramischen
Füllmaterial, die obere Katalysatorkammer, die Heizkammer, die
untere Katalysatorkammer und die untere Kammer mit einem
keramischen Füllmaterial gehen und den Reaktor an seinem
unteren Teil verlassen, oder zu dem unteren Teil der
Vorrichtung gerichtet, wo sie durch deren spezielle Bauteile
in die Richtung hindurchgehen, die zu der vorstehend
beschriebenen entgegengesetzt ist.
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Eine andere einfachere Konstruktion ist in der PL-PS
143 752 beschrieben. In diesem Fall ist eine Vorrichtung
für die katalytische Reinigung von Abgasen in Form eines
kompakten Reaktors mit einem zylindrischen Gehäuse
ausgeführt, der jedoch wie zwei Reaktoren wirkt.
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Der Innenraum der Vorrichtung ist vom Boden aus mit Hilfe
einer vertikalen Trennwand, die dicht an die Innenwände des
Reaktors angrenzt, jedoch die obere Abdeckung des Reaktors
nicht erreicht, in zwei identische Abteile unterteilt, die
in ihrem oberen Teil durch eine gemeinsame Heizkammer
verbunden sind.
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Die beiden Abteile sind durch eine Reihe von symmetrischen,
horizontal angeordneten, perforierten Blechen in spezielle
Kammern unterteilt. Zwischen zwei unteren perforierten
Trennwänden befindet sich eine keramische Füllstoffschicht.
Darüber liegt eine Katalysatorschicht, die von oben durch
eine darauffolgendes perforiertes Blech begrenzt ist.
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Der obere Teil des Zylinders ist von einer Abdeckung
geschlossen, die mit einem Rohrstutzen versehen ist, um heiße
Gase abzuführen. Im unteren Teil des Reaktors befinden sich
unter dem Pegel der untersten perforierten Trennwand
Einlaß-Auslaß-Rohrstutzen, in jedem einer, auf jeder Seite der
vertikalen Trennwand, um unter zwangsweiser Führung mittels
eines Gebläses verunreinigte Gase durch ein Steuerventil zu
transportieren. Durch einen der Rohrstutzen treten Gase in
den unteren Teil der entsprechenden Hälfte des Reaktors
ein, strömen durch die untere perforierte Trennwand, die
keramische Füllmaterialschicht, die mittlere perforierte
Trennwand, die Katalysatorschicht, die obere perforierte
Trennwand, die Heizkammer und treten übereinander in die
symmetrische Hälfte des Reaktors ein, strömen durch die
jeweiligen Schichten in umgekehrter Richtung und, wenn sie
gereinigt sind, verlassen den Reaktor durch den anderen
Rohrstutzen.
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Nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums, dessen Dauer
unter anderem von der Konzentration der Verunreinigungen
abhängt, schaltet das Umkehrventil die Richtung der durch
den Reaktor strömenden Luft um.
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Ein solches Verfahren zur Durchführung des Prozesses zur
Reinigung von Abgasen von verbrennbaren Verunreinigungen,
das charakteristisch für die Umkehrmethoden ist, ist
energiesparend und ermöglicht eine wirksame Nachverbrennung von
Verunreinigungen in einem weiten Bereich von
Konzentrationen, gewöhnlich 0,1 - 3 g Verunreinigungen pro 1 m³ Luft.
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In dem Bereich niedriger Konzentrationen von
Verunreinigungen kann die Temperatur des Reaktors auf einem konstanten
Pegel gehalten werden. Ein periodischer Temperaturanstieg,
der durch eine plötzliche Zunahme der Konzentration an
verbrennbaren Komponenten von kurzer Dauer verursacht wird,
kann leicht gesteuert werden (beispielsweise durch
Anwendung des Abzugs heißer Gase, wie in der PL-PS 137 515).
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Wenn jedoch die Konzentration der organischen Komponenten
in den Abgasen den Grenzwert beträchtlich überschreitet,
beispielsweise den Wert von 10 g/m³, arbeiten die
katalytischen Umkehrreaktoren instabil und sind sehr schwierig zu
steuern. Die Gefahr der Überhitzung steigt, was die
Desaktivierung des Katalysators oder auch die Zerstörung von
inneren Bauteilen des Reaktors nach sich ziehen kann.
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Die Energieanforderungen verlangen oft die Verbrennung von
gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen in einem
Luftstrom, jedoch bei Temperaturen, die niedriger als in
Flammenbrennern sind, um die Erzeugung von Stickoxiden zu
vermeiden und um Wärmeverluste zu verringern.
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Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin,
ein Verfahren zur katalytischen Verbrennung von
Verbindungen und einen katalytischen Brenner zu schaffen, die es
ermöglichen, eine katalytische Verbrennung von organischen
Verbindungen in einem Luftstrom in einem weiten Bereich der
Stromintensität einer Mischung von durch einen Reaktor
strömenden Gasen innerhalb eines weiten Bereichs von
Konzentrationen organischer Verbindungen und Temperaturen des
Reaktionsgemisches mit einer Möglichkeit durchzuführen,
gasförmige oder flüssige Brennstoffe chargenförmig einem
Strom von Gasen zuzuführen.
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Dieses Problem wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 und
dem katalytischen Brenner nach Anspruch 5 gelöst.
Bevorzugte Verfahren ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4,
während eine bevorzugte Ausführungsform des katalytischen
Brenners im Anspruch 6 enthalten ist.
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Mit dem Verfahren und dem katalytischen Brenner der
Erfindung können Verbrennungsgase mit einer geforderten
Temperatur für ihren möglichen energetischen Einsatz erhalten
werden, ohne daß Stickoxide als Ergebnis einer direkten
Reaktion von Sauerstoff mit atmosphärischem Stickstoff
erzeugt werden.
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Die Konstruktion eines katalytischen Umkehrreaktors nach
der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine stabile
Verbrennung von organischen Verbindungen in Luft bei einer
hohen und sogar sehr hohen Konzentration der Verbindungen.
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Ein Verfahren zur katalytischen Verbrennung von organischen
Verbindungen, bei welchem Luft, die verbrennbare
Verbindungen enthält, zwischen zwei Schichten eines Katalysators und
zwei Schichten eines keramischen Füllstoffs zirkuliert, die
als Wärmeregeneratoren wirken, und bei welchem die Richtung
der zirkulierenden Gase Periodisch auf die Umkehrrichtung
umgeschaltet wird, besteht gemäß der Erfindung darin, daß
ein Gasstrom von der Mitte dieses Systems durch die dritte
Schicht des Katalysators zur Außenseite abgezogen wird.
Dies bietet die Möglichkeit einer stabilen Oxidation des
Brennstoffs, auch bei einer hohen Konzentration von
Brennstoff in der Nähe seiner unteren Explosionsgrenze in einem
weiten Bereich der Luftintensität.
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Dadurch, daß die Quelle für die Wärme zur Einleitung des
Verbrennungsprozesses sich in dem Raum zwischen drei
Schichten des Katalysators befindet, kann die
Verbrennungsreaktion schnell eingeleitet oder aufrechterhalten werden,
wenn die Konzentration der organischen Verbindungen
periodisch abnimmt.
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Dieses Verfahren ermöglicht sowohl die Reinigung von
Abgasen mit hoher oder periodisch hoher Konzentration an
verbrennbaren Verbindungen sowie das Erreichen einer
stabilen Zusammensetzung des gasförmigen Brennstoffs, der in
Luft zu Energiegewinnungszwecken eingeführt wird.
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Ein katalytischer Brenner nach der Erfindung zeichnet sich
dadurch aus, daß er die Form eines Metallzylinders hat, in
welchem sich zwei regenerative Katalysatorkammern befinden
und in dessen oberem Teil an seiner Abdeckung ein Zylinder
angebracht ist, in welchem ein drittes Bett des
Katalysators angeordnet ist, der bei Prozessen der katalytischen
Gasreinigung verwendet wird.
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Ein katalytischer Brenner nach der Erfindung wird als
Beispiel für eine Ausführungsform in einer Zeichnung
dargestellt, in der Fig. 1 den Brenner mit einem
Horizontalsystem von regenerativen Katalysatorkammern und Fig. 2 den
Brenner mit einem Vertikalsystem von regenerativen
Katalysatorkammern zeigt.
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In Fig. 1 wird Luft zusammen mit verbrennbaren Gasen oder
Dampf über eine Leitung 1 durch ein Steuerventil 12
zugeführt und zwangsweise durch ein Gebläse 2 zu einem
Umkehrventil 3 transportiert. Das Ventil richtet die Mischung
von Luft mit organischen Verbindungen zyklisch in
abwechselnden Richtungen zu einem Metallzylinder 21. Die Mischung
wird durch eine Schicht eines keramischen Füllstoffs 4,
durch ein Katalysatorbett 5, wo die Reaktion erfolgt, und
eine Kammer 18 geführt.
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In der Kammer 18 wird der Gasstrom aufgeteilt. Ein Teil der
Mischung kehrt über ein Katalysatorbett 6, eine Schicht aus
keramischem Füllmaterial 7 und durch das Umkehrventil 3 und
ein Steuerventil 13 zu dem Gebläse 2 zurück und schließt
sich dem Strom von frischer Luft an. Der andere Teil des
Gasstroms aus der Kammer 18 wird durch ein Katalysatorbett
8, ein Steuerventil 19 und eine Leitung 9 zur Außenseite
des Systems geführt, wo er in herkömmlichen
Wärmeaustauschern genutzt werden kann.
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Wenn das Umkehrventil 3 seine Position umschaltet, geht das
Gemisch von Gasen durch den Reaktor in der umgekehrten
Richtung, d.h. durch die Schicht des Füllmaterials 7, das
Katalysatorbett 6, die Kammer 18, von wo aus ein Teil des
Gases zurück durch das Katalysatorbett 5 und das keramische
Füllmaterial 4 geführt wird, während der andere Teil des
Gases aus der Kammer 18 zur Außenseite über die Schicht des
Katalysators 8 und das Steuerventil 19 für Heizzwecke
mittels herkömmlicher Methoden geführt wird.
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Die Kammer 18 ist mit einer Wärmequelle versehen, die
erforderlich ist, um das Katalysatorbett während des
Anlaufs oder für das Halten auf einer geeigneten Temperatur
zu erhitzen, wenn der Heizwert des zu reinigenden Gases zu
niedrig ist, um die Reaktion in dem autothermen Bereich zu
halten. Eine bevorzugte Wärmequelle sind elektrische
Heizeinrichtungen 22.
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Das vorstehend erwähnte Verbrennungsschema kann zur
Anwendung gelangen, wenn die gasförmige Mischung verbrennbare
Verbindungen mit hoher Temperatur enthält.
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Dieses Schema kann auch zur Verbrennung eines Brennstoffs
eingesetzt werden, der in Chargenform dem Luftstrom
zugesetzt wird, um heiße Verbrennungsgase für verschiedene
Energie aufnehmende Einrichtungen zu erhalten.
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In einem solchen Fall wird einem Strom eines Gases ein
verbrennbares Gas als Charge zugesetzt, beispielweise aus
einem Zylinder 17, dessen Mengenstrom von einem Ventil 16
gesteuert wird, wobei das Gas in den Luftstrom vor dem
Reaktor und/oder über ein Ventil 23 in die Kammer 18 vor
dem Katalysatorbett 8 eingeführt wird.
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Als Brennstoff kann auch flüssiger Brennstoff zugesetzt
werden, der in das System über eine Dosierpumpe 15 durch
ein Ventil 14 und/oder ein Ventil 20 gepumpt wird. In
beiden Fällen kann die Temperatur der herausströmenden
Verbrennungsgase leicht durch die Menge des zugeführten
Brennstoffs bis zu etwa 1500º C gesteuert werden, ohne daß
irgendeine Besorgnis besteht, daß Stickoxide erzeugt werden
könnten
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Wenn die Temperatur des Bettes abnimmt, kann sie, wie
bereits erläutert wurde, mit Hilfe der Heizeinrichtung 22
oder durch die Menge des chargenmäßig zugeführten
Brennstoffs gesteuert werden. Sie kann auch dadurch gesteuert
werden, daß ein Teil oder alle Gase durch die Leitung 10
ausgelassen werden und die Stärke dieses Stroms über das
Ventil 11 gesteuert wird. Dabei ist das Ventil 19 teilweise
oder ganz geschlossen. Dies ist besonders zweckmäßig, wenn
der Strom von Gasen variable Konzentrationen von
verbrennbaren Verbindungen enthält und die Stärke des Luftstroms
ebenfalls variabel ist.
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Der katalytische Brenner, der in Fig. 2 dargestellt ist,
besteht aus einem Metallzylinder 24, der innenseitig durch
eine vertikale Trennwand 25 in zwei symmetrische Teile
unterteilt ist. Die Trennwand grenzt zwei identische
regenerative Katalysatorkammern 30 und 31 ab, in denen sich
keramische Füllmaterialschichten 26 und 27 in Form von
Kugeln, Ringen, Gittern oder dergleichen sowie Schichten 28
und 29 eines Katalysators befinden, der in
Nachverbrennungsprozessen der Gase verwendet wird. In dem unteren Teil
der Kammern 30 und 31 befinden sich Rohrstutzen 32 und 33,
welche die entsprechenden Kammern mit einem Umkehrventil 34
verbinden, das den Strom von Gasen, der zwangsweise von
einem Gebläse 35 geführt wird, zyklisch zu den
regenerativen Katalysatorkammern 30 oder 31 führt.
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An der Abdeckung eines Reaktors 36 sind elektrische
Heizeinrichtungen 37 und ein Zylinder 38 mit einem Durchmesser
vorgesehen, der kleiner als der des Zylinders 24 ist. In
dem kleineren Zylinder 38 befindet sich das Bett eines
Katalysators 39, der bei Gasreinigungsprozessen verwendet
wird, auf einer perforierten Platte.
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Den von außen zugeführten Luftstrom steuert ein Ventil 40,
während ein Ventil 41 den Strom der Gase steuert, die durch
die regenerativen Katalysatorkammern strömen. Die
Strömungsstärke des Stroms von Gasen, die durch das
Katalysatorbett 39 gehen, steuern Ventile 42 und 43.
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Ein Rohrstutzen 44 ermöglicht das Richten des Luftstroms
mit einer sehr hohen Konzentration an verbrennbaren
Komponenten oder auch von reinem Brennstoff unter das
Katalysatorbett 39 in dem Fall, wenn seine Temperatur ausreicht,
daß die katalytische Verbrennung stattfindet.
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Das aufgezeigte Verfahren der Verbrennung von organischen
Verbindungen, die in Gasen enthalten sind, unabhängig von
der Tatsache, ob die organischen Verbindungen
Verunreinigungen sind und vor der Emission in die Atmosphäre entfernt
werden sollten oder ob die Verbindungen je nach Verwendung
als Brennstoff dem Luftstrom für energetische Zwecke
zugesetzt werden, ist ein großer Vorteil in Beziehung auf die
bekannten Verbrennungsverfahren. Bezogen auf das
Flammoder thermische Verfahren ermöglicht das erfindungsgemäße
Verfahren ein Verbrennen ohne Erzeugung von
Stickstoffverbindungen in Form von Oxiden.
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Bezogen auf die bekannten Verfahren der katalytischen
Nachverbrennung von Gasen erlaubt das erfindungsgemäße
Verfahren ein stabiles Verbrennen von organischen
Verbindungen in einem weiten Bereich von Konzentrationen -
nämlich bis zu Konzentrationen in der Nähe der unteren
Explosionsgrenze - ohne die Notwendigkeit, aufwendige
Membranwärmeaustauscher verwenden zu müssen.
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Bezogen auf die Umkehrverfahren der katalytischen
Nachverbrennung von Gasen ermöglicht das erfindungsgemäße
Verfahren die Durchführung von Nachverbrennungsprozessen ohne
die Gefahr einer unkontrollierten Überhitzung des
Katalysatorbetts und schließt die Freigabe von ungereinigtem Gas
während der zyklischen Wechsel der Gasströmungsrichtung
aus.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Praxis in
mehreren Prototypinstallierungen getestet worden, die für die
Nachverbrennung von Abgasen ausgelegt wurden, welche
relativ hohe Konzentrationen an Substanzen haben, die der
Verbrennung unterworfen werden.
Beispiel I
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In der Anlage wurde Hexan, das in Luft in einer Menge von
10 g/m³ enthalten ist, nachverbrannt. Die TemPeratur des
gasförmigen Gemisches war 150º C. Der Prototypreaktor war
in Form eines Zylinders mit einem Durchmesser von 50 cm
ausgeführt, an dessen Mittelteil ein zweiter Zylinder
ebenfalls mit einem Durchmesser von 50 cm in einem geraden
Winkel angeschweißt war. In den Zylindern wurden Schichten
von Katalysator und Füllmaterial entsprechend der
Darstellung in Fig. 1 angeordnet.
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Der verwendete Katalysator war ein industrieller
Platinkatalysator, wie er in Prozessen der katalytischen
Nachverbrennung von Gasen verwendet wird. Der Katalysator hatte
eine Kugelform und einen Durchmesser von 5 mm.
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Alle drei Schichten, die in der Zeichnung mit 5, 6 und 8
bezeichnet sind, hatten eine Höhe von 12 cm. Der keramische
Füllstoff, der in der Zeichnung mit 4 und 7 bezeichnet ist,
waren keramische Ringe mit einem Durchmesser von 15 mm.
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Durch den Reaktor wurden 300 m³/h des gasförmigen Gemisches
durchgehen gelassen. Der Start der Anlage wurde durch 4
kWelektrische Heizeinrichtungen 22 ermöglicht.
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Die Temperatur des gasförmigen Gemisches, das aus dem
Reaktor über die Leitung 9 kam, betrug 430 bis 460º C, der
umwandlungsgrad des Hexans über 99 %.
Beispiel II
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Der Prototyp in der obigen Konstruktion verbrannte Methanol
nach, das in Luft bei einem Mengenstrom von 40 m³/h
enthalten war. Die Pumpe 15 führte Methanol in einer Menge von
800 ml/h durch das Ventil 14 und von 1500 ml/h durch das
Ventil 20 zu.
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Der Verbrennungsprozeß des Methanols verlief bei 99,9 %.
Die Temperatur der Verbrennungsgase am Auslaß 9 betrug
675º C.
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In den Verbrennungsgasen wurden keine Stickoxide gefunden.
Beispiel III
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Der katalytische Brenner nach der Erfindung wurde in der
Praxis für die Verbrennung von organischem
Lösungsmitteldampf getestet, der in Luft enthalten war. Der
Luftmengenstrom betrug 200 m³/h.
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Die Konzentration an organischen Lösungsmitteln,
hauptsächlich Methanol und Azeton, änderte sich im Bereich von 5 bis
25 g/m³. Die Vorrichtung ermöglichte eine Verbrennung von
organischem Dampf mit einem Wirkungsgrad von mehr als 99 %.
In den Verbrennungsprodukten waren keine Stickoxide
vorhanden.
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Der katalytische Brenner gemäß der Erfindung ermöglicht die
Durchführung der Oxidationsreaktion von chemischen
Verbindungen, die in Luft enthalten sind, bei einer relativ
hohen Konzentration von mehreren g/m³ Luft bis zu einigen
Dutzend g/m³ Luft. Der Verbrennungsprozeß in dem Brenner
nach der Erfindung ist stabil und erfolgt ohne abrupte
Überhitzungen oder abrupte Abfälle der
Reaktionsgeschwindigkeit.
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Der katalytische Brenner kann für eine Reinigung von
Abgasen verwendet werden, die eine hohe Konzentration an
Verunreinigungen haben, die der katalytischen Umwandlung
unterworfen werden. Er kann auch für die Verbrennung von
verschiedenen organischen Verbindungen eingesetzt werden,
die chargenweise nach Bedarf dem der Vorrichtung
zugeführten Luftstrom zugesetzt werden, wobei die Vorrichtung dann
als katalytischer Brenner wirkt, der heiße Verbrennungsgase
erzeugt.