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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die Steuerung und/oder Entfernung
von unerwünschten
Verunreinigungen und Nebenprodukten aus verschiedenen Herstellungsprozessen
hat eine beträchtliche
Bedeutung hinsichtlich der möglichen Verschmutzung
gewonnen, die durch solche Verunreinigungen oder Nebenprodukte erzeugt
werden können.
Ein herkömmlicher
Lösungsansatz
für die Entfernung
oder zumindest für
die Reduzierung dieser Verschmutzungen beinhaltet deren Oxidation durch
Verbrennung. Eine Verbrennung findet statt, wenn kontaminierte Luft,
die ausreichend Sauerstoff enthält,
auf eine Temperatur, die hoch genug ist, und für eine ausreichende Zeitdauer
erhitzt wird, um die unerwünschten
Bestandteile in harmlose Gase umzuwandeln, wie zum Beispiel Kohlendioxid
und Wasserdampf.
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Hinsichtlich der hohen Kosten von
Brennstoff, der erforderlich ist, um die erforderliche Hitze für die Verbrennung
zu erzeugen, ist es vorteilhaft, soviel wie möglich von dieser Hitze zurückzugewinnen.
Diesbezüglich
offenbart das US-Patent Nr. 3,870,474 eine thermisch regenerative
Oxidationseinrichtung mit drei Wärmetauschern,
von denen zwei zu einem bestimmten Zeitpunkt in Betrieb sind, während der
Dritte eine kleine Menge gereingigter Luft empfängt, um unbehandelte oder kontaminierte Luft
aus diesem herauszudrücken
und um diese in einer Verbrennungskammer auszustossen, in der die Kontaminierungen
oxidiert werden. Bei Beendigung von einem ersten Zyklus wird die
kontaminierte Luftströmung
durch den Wärmetauscher
zurückgeführt, aus
dem die gereinigte Luft zuvor ausgestossen wurde, um die kontaminierte
Luft während
des Durchströmens
durch den Wärmetauscher
vor dessen Einleitung in die Verbrennungskammer vorzuerhitzen. Auf
diese Weise wird eine Rückgewinnung
von Wärme
erreicht.
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Auf ähnliche Weise offenbart das
US-Patent Nr. 3,895,918 ein thermisches Regenerationssystem, bei
dem eine Vielzahl von beabstandeten, nicht-parallelen, Wärmetauscherbetten
in Richtung auf den Umfang von einer zentralen Hochtemperatur-Verbrennungskammer
angeordnet sind. Jedes Wärmetauscherbett
ist mit Wärmetauscher-Keramikelementen
gefüllt.
Abgase von industriellen Prozessen werden einem Einlasskanal zugeführt, durch
den die Gase zu ausgewählten
Wärmetauscher-Abschnitte verteilt,
und zwar abhängig
davon, ob ein Einlassventil zu einem bestimmen Abschnitt offen oder
geschlossen ist.
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Es wäre wünschenswert, einen dieser drei regenerativen
Abschnitte zu vermeiden, ohne dass eine signifikante Minderung an
Wirksamkeit und Effizienz entsteht. Ein wesentlicher Nachteil der
sogenannten regenerativen thermischen Oxidationseinrichtungen mit "zwei Behältern" besteht darin, dass während des
Rückführens unbehandeltes
Gas in die Umgebung austritt. Da das ausgetretene Gas nicht verbrannt
wird, wird durch dieses Austreten die Gesamteffizienz der Vorrichtung
vermindert.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine regenerative thermische Oxidationseinrichtung mit zwei Behältern zur
Verfügung
zu stellen, mit Hilfe derer das Austreten von ungereinigten Emissionen
minimiert oder verhindert wird.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine regenerative thermische Oxidationseinrichtung mit zwei Behältern zur
Verfügung
zu stellen, mit Hilfe derer das Austreten von ungereinigten Emissionen
in einer ökonomisch
effizienten Weise minimiert oder verhindert wird.
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Es ist noch eine weitere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine kompakte, integrierte, regenerative
thermische Oxidationseinrichtung zur Verfügung zu stellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die Probleme des Standes der Technik
wurden durch die vorliegende Erfindung gelöst, die eine regenerative thermische
Oxidationseinrichtung zur Verfügung
stellt, in der ein Gas, wie zum Beispiel kontaminierte Luft zuerst
durch ein heißes
Wärmetauscherbett
und in eine damit in Verbindung stehende Hochtemperatur-Oxidationskammer
(Verbrennungskammer) und dann durch ein relativ kaltes zweites Wärmetauscherbett
geleitet wird. Die Vorrichtung weist eine Anzahl von innen isolierten,
mit Keramik gefüllten
Wärmetauschersäulen auf,
an deren Oberseite eine innen isolierte Verbrennungskammer angeordnet
ist. Prozess-Luft wird in die Oxidationseinrichtung durch einen
Einlassverteiler zugeführt,
der eine Anzahl von hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Strömungs-Steuerungsventilen aufweist
(wie zum Beispiel Tellerventile). Die Luft wird dann in das Wärmetauschermedium
geleitet, das "gespeicherte" Wärme aus
dem vorhergehenden Rückgewinnungszyklus
enthält.
Als eine Folge wird die Prozess-Luft bis nahe zur Oxidationstemperatur erhitzt.
Die Oxidation wird vervollständigt,
wenn die Strömung
durch die Verbrennungskammer strömt,
in der eine oder mehrere Brenner angeordnet sind. Das Gas wird für eine ausreichende
Zeit bei der Betriebstemperatur gehalten, um die Zerstörung der
VOCs zu vervollständigen.
Die Wärme,
die während
des Oxidationsprozesses freigegeben wird, wirkt als ein Kraftstoff,
um die erforderliche Ausgabe der Brenner zu reduzieren. Von der
Verbrennungskammer strömt die
Luft vertikal nach unten durch eine weitere Säule, die ein Wärmetauschermedium
enthält,
wodurch in dem Medium Wärme
zur Verwendung in einem nachfolgenden Einlasszyklus gespeichert
wird, wenn die Strömungs-Steuerungsventile
umgerichtet werden. Die resultierende saubere Luft wird über ein
Auslassventil durch einen Auslassverteiler geleitet und dann mit
einer etwas höheren
Temperatur als am Einlass in die Atmosphäre freigegeben, oder sie wird
in den Einlass der Oxidationseinrichtung zurückgeführt. An der Oberseite der Verbrennungskammer
befindet sich eine VOC-Einschlusskammer, die alle VOCs auffängt, die
während
der Rückführung austreten.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht auf eine regenerative thermische Oxidationseinrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Seitenansicht von der regenerativen thermischen Oxidationseinrichtung
aus 1; und
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3 ist
eine Draufsicht auf eine VOC-Einschlusskammer gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei der Technologie der regenerativen
thermischen Oxidation müssen
die Wärmeübergangszonen
periodisch regeneriert werden, um zu ermöglichen, dass das Wärmeübergangsmedium
(allgemein ein Bett aus keramischen Steinen) in der abgereicherten
Energiezone wieder angereichert wird. Dies wird erreicht, indem
die Wärmeübergangszone
periodisch abgewechselt wird, durch die die kalten und heißen Fluide
passieren. Insbesondere dann, wenn das heiße Fluid durch die Wärmeübergangsmatrix strömt, wird
Wärme von
dem Fluid auf die Matrix übertragen,
wodurch das Fluid abgekühlt
und die Matrix erwärmt
wird. Umgekehrt, wenn das kalte Fluid durch die erhitzte Matrix
strömt,
wird Wärme
von der Matrix auf das Fluid übertragen,
was zu einem Abkühlen
der Matrix und zu einem Erhitzen des Fluids führt. Folglich wirkt die Matrix
als ein thermischer Speicher, der abwechselnd Wärme von dem heissen Fluid aufnimmt,
diese Wärme
speichert und sie dann wieder an das kalte Fluid abgibt.
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Das Abwechseln der Wärmeübergangszonen
zum Erreichen einer Regeneration der Matrix wird über Umschaltventile
der regenerativen thermischen Oxidationseinrichtung erreicht. In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gibt es ein Umschaltventil pro Wärmeübergangszone,
und vorzugsweise sind die Umschaltventile pneumatische Tellerventile,
deren Umschalt frequenz oder Umschaltzyklus eine Funktion der Volumenströmungsrate
ist. Obwohl die Umschaltventile die Einrichtungen für die Matrix-Regeneration
bilden, führt
der Vorgang der Regeneration selbst zu einer kurzzeitigen Emission
von unbehandeltem Fluid direkt in die Atmosphäre, wodurch eine Verminderung der
Effizienz bei der Zerstörung
von flüchtigen
organischen Verbindungen (VOC) bewirkt wird und, in Fällen, die
VOCs mit hohem Siedepunkt beinhalten, eine mögliche Opazität entsteht.
Um die Effizienz der Zerstörung
der VOCs zu verbessern und das Enstehen einer Opazität zu vermeiden,
die aus der Matrix-Regeneration resultiert, kann das unbehandelte Fluid
weg von dem Stapel der Oxidationseinrichtung verteilt und in einen "Auffang-Behälter" oder eine VOC-Einschlusskammer
geleitet werden. Die Funktion der Einschlusskammer besteht darin,
eine Menge von unbehandeltem Fluid, das während des Prozesses der Matrix-Regeneration
entsteht, ausreichend lange aufzunehmen, so dass der überwiegende
Teil davon langsam (d. h. mit einer sehr geringen Strömungsrate)
zu dem Einlass der Oxidationseinrichtung zur Behandlung zurückgeführt werden
kann. Das unbehandelte Fluid in der Einschlusskammer muss vollständig evakuiert
und zu dem Einlass der Oxidationseinrichtung zurückgeleitet werden, und zwar
in einem Zeitbereich, der zwischen den Matrix-Regenerationszyklen
liegt, da sich der Prozess bei allen folgenden Matrix-Regenerationen
selbst wiederholen muss.
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Es wird zuerst auf 1 Bezug genommen, in der allgemein bei 10 eine
regenerative thermische Oxidationseinrichtungen mit zwei Behältern gezeigt ist.
Ein direkt angetriebenes Druckgebläse 12 leitet das zu
verarbeitende Gas in ein geeignetes Kanalsystem, durch pneumatische
Tellerventile 14, 14' und in (oder aus) mit keramischen
Steinen gefüllte
regenerative Wärmetauschersäulen 15, 15'. Eine Verbrennungskammer 16 (2) mit zugehörigen Heizeinrichtungen,
wie zum Beispiel ein oder mehrere mit Gas befeuerte Brenner, steht
mit jeder regenerativen Wärmetauschersäule 15, 15' in Verbindung
und ist darüber
angeordnet, und steht außerdem
mit einem Abgas-Stapel 17 in Beziehung, durch den verbrannte Gase
in die Atmosphäre
ausgestossen werden.
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Direkt integriert an der Oberseite
der Verbrennungskammer 16 befindet sich eine Einschlusskammer 18.
Das Dach von der Verbrennungskammer 16 dient außerdem als
Boden für
die Einschlusskammer, 18, was zu einer kompakten integrierten Konstruktion
führt.
Vorzugsweise folgt die Form der Einschlusskammer 18 der
gleichen Gestalt wie die Verbrennungskammer 16 und hat
daher die gleiche Länge
und Breite. Die Höhe
der Einschlusskammer 18 ist größer als die der Verbrennungskammer,
da sie von verschiedenen Kriterien abhängig ist. Insbesondere ist
die Höhe
der Verbrennungskammer eine Funktion der Fluidgeschwindigkeit, wohingegen
die Höhe
der Einschlusskammer eine Funktion des Volumens von unbehandeltem
Fluid, des Druckabfalls, der Temperatur des unbehandelten Fluids
und der Verweilzeit ist. Beispielsweise kann die Höhe der Einschlusskammer
1,83 m (72 Zoll) bei einer Temperatur des unbehandelten Fluids von
37,8°C (100°F) und 2,4
m (96 Zoll) bei einer Temperatur des unbehandelten Fluids von 350°F betragen.
Das Volumen des unbehandelten Fluids steht wiederum direkt mit der Größe der Wärmetauscher-Matrix
der Oxidationseinrichtung, dem Matrix-Leervolumen, der Umschaltventil-Umschaltzeitdauer
und der Größe des Umschaltventils
zu dem Verbindungskanalsystem der Wärmetauscherzone in Beziehung.
Um sicherzustellen, dass die Größe der Einschlusskammer
ausreichend ist, ist die Kammer vorzugsweise so bemessen, um ein
Volumen aufzunehmen, dass etwa 1,5 mal größer ist das Volumen des unbehandelten
Fluids ist. Durch ein Rückspül-Tellerventil 30 und
ein damit in Beziehung stehendes Rückspül-Kanalsystem 31 wird
das Fluid in der Einschlusskammer 18 zurück zu dem
Einlass der Oxidationseinrichtung geleitet.
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Zusätzlich zu ihrer Volumenkapazität ist die Konstruktion
des Innenraums der Einschlusskammer 18 bezüglich ihrer
Fähigkeit
kritisch, das unbehandelte Fluid aufzunehmen und zur Behandlung
zurück
zu dem Einlass der Oxidationseinrichtung zu leiten, und zwar innerhalb
der Zeitdauer, die zwischen den Wärmetauscher-Matrix-Regenerationszyklen liegt. Jedes unbehandelte
Volumen, das innerhalb dieses Zyklus nicht korrekt zurückgeführt wird,
entweicht über
den Abgas-Stapel 17 in die Atmosphäre, wodurch die Effektivität der Einschlussvorrichtung
reduziert und somit die Gesamteffizienz der Oxidationseinheit vermindert
wird.
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Es wird nun auf 3 Bezug genommen, in der eine schematische
Draufsicht auf die Einschlusskammer 18 gezeigt ist. Eine
Vielzahl von Splitter-Platten 20a–20n, die von oben
nach unten verlaufen, sind in der Kammer 18 angeordnet
und unterteilen die Einschlusskammer 18 in ein kurvenreiches oder
mäanderförmiges Fluidströmungsmuster.
Vorzugsweise wird eine gerade Anzahl von mäanderförmigen Strömungspfaden durch die Splitter-Platten erzeugt,
so dass die Einlass- und Auslassverbindungen der Einschlusskammer
an der gleichen Seite der Oxidationseinheit angeordnet sind, wodurch
der Auslass der Einschlusskammer 18 an der gleichen Seite der
Oxidationseinheit angeordnet ist wie der Abgas-Stapel 17,
mit dem er verbunden ist (da er sich unter dem atmosphärischen
Druck befinden muss, um ein Entleeren des enthaltenen Fluids zu
ermöglichen),
wodurch eine sehr kompakte Konstruktion möglich ist. Die Anzahl der mäanderförmigen Strömungspfade
ist lediglich durch die physikalische Größe der Kammer 18 begrenzt,
aber auch durch den resultierenden Fluiddruckabfall, wobei ein minimaler Fluiddruckabfall
gewünscht
ist. Daher sind die Anzahl und der Querschnittsbereich der Pfade
in den mäanderförmigen Strömungspfaden
vorzugsweise für
einen maximalen Fluiddruckabfall von 498 Pa (2.0" w. c.) und für eine Strömungsgeschwindigkei von etwa
11,9 m/s (39 afps) bei 37,5°C
(100°F)
bis 177°C
(350°F)
mit einer entsprechenden minimalen Verweilzeit von 3,0 Sekunden
ausgestaltet. Vorzugsweise sind sechs mäanderförmige Strömungspfade vorgesehen. Durch
die mäanderförmigen Strömungspfade
wird die Kammer wirksam verlängert, um
so eine Kontraktion mit behinderter Strömung durch Erhöhung der
Verweilzeit von dem Fluid in der Kammer 18 zu erzeugen.
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Da die Verbrennungskammer und die
zugehörige
Wärmetauscher-Matrix von jede der
beiden Energierückgewinnungssäulen bei
Betrieb auf die erforderliche Temperatur erhitzt wird, wie zum Beispiel durch
einen mit Gas befeuerten Brenner in der Verbrennungskammer (der
mit der Brennerleitung 35 in Beziehung steht, wie in 2 gezeigt ist), wird das unbehandelte
Prozess-Abgas zur Behandlung in die Oxidationseinrichtung geleitet.
Das kühlere
unbehandelte Prozess-Abgas strömt
zunächst
durch eine der Wärmetauschersäulen, die
dabei über
Konvektionswärmeübertagung
mit dem heißeren
Matrixwärmetauscher
vorgewärmt
wird. Es ist diese Vorerwärmung
bzw. die Energieübertragung,
wodurch ein hohes Ausmaß an
thermischer Effizienz erreicht wird, die mit der regenerativen thermischen
Rückgewinnung
in Beziehung steht. Beim Austreten aus der Matrix, wo ein wesentlicher
Anteil der Oxidation bereits eingeleitet ist, wird das Prozess-Fluid
in die durch Brenner befeuerte Verbrennungskammer 16 geleitet, wo
die Oxidation des unbehandelten Fluids beendet wird. Beim Verlassen
der Verbrennungskammer 16 strömt das behandelte Fluid nun
durch die zweite Wärmetauschersäule, wo
das heißere
Fluid nun die Wärme
zurück
an die kältere
Matrix überträgt.
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Das unbehandelte Prozess-Abgas muss
periodisch abwechselnd die Wärmetauschersäulen erhitzen,
um die thermische Effizienz bei der Regeneration der jeweiligen
Wärmetauschermatrix
beizubehalten. Während
der Regeneration der Wärmetauschermatrix
verweilt unbehandeltes Fluid (1) in dem Leervolumen der
Matrix, das sich von der eingehenden Matrix zum Vorerwärmen von
dem Prozess-Gas hin zur ausgehenden Matrix verändert hat, die nun eine Regeneration
erfährt;
(2) verbleibt in dem Tellerventil zu dem Matrix-Verbindungskanal
der sich in Regeneration befindlichen ausgehenden Matrix; (3) verbleibt
in dem Tellerventil des Einlassverteilers der Oxidationseinrichtung;
(4) strömt
während
des Ventil-Umschaltzyklus durch die Tellerventile und wird in die
Einschlusskammer 18 geleitet, um dessen Entweichen in die
Atmosphäre
zu minimieren. Um in der Lage zu sein, die unbehandelte Strömung aus
der Einschlusskammer 18 auszustossen, um zu der Oxidationseinrichtung
zurückgeführt zu werden,
muss sich die Einschlusskammer 18 unter atmosphärischem
Druck befinden, und steht so in Verbindung mit dem Abgas-Stapel 17.
Die Ansaugseite des Druckgebläses 12 erzeugt
einen Saugdruck von 747,3 Pa (3.0" w. c.) an seinem Einlass, wodurch nicht
nur der Transport der unbehandelten Prozess-Strömung von ihrer Quelle zu der
Oxidationseinrichtung unterstützt
wird, der aber auch verwendet wird, um die Strömung des Abgas-Stapels zu überwinden
und die unbehandelte Strömung
aus der Einschlusskammer 18 zu entfernen und um sie zu dem
Gebläseeinlass
der Oxidationseinrichtung zurückzuleiten.
Durch das mäanderförmige Strömungsmuster
wird die Kammer 18 wirksam verlängert, wodurch die Verweildauer
von unbehandeltem Fluid in der Kammer 18 erhöht wird.
Je größer die
Volumenkapazität
der Kammer ist, und je länger
die Verweilzeit ist, desto besser ist das Verhältnis zwischen Rückführung und
Entweichen des unbehandelten Fluids. Die Zeit, die verfügbar ist,
um die Einschlusskammer 18 vollständig zu entleeren, ist begrenzt
und wird durch die Zeitdauer zwischen den Umschaltvorgängen der
Ventile für
die Regeneration der Matrix vorgegeben, die allgemein etwa 240 Sekunden
beträgt.
Unbehandeltes Fluid in der Einschlusskammer 18, das nicht
zurückgeführt wurde,
entweicht durch den Abgas-Stapel 17 über natürliche Strömung des Stapels in die Atmosphäre: Die
unbehandelte Strömung
in der Einschlusskammer 18 muss mit einer kleinen Volumen-Strömungsrate
(d. h. eine Rate von 2,0% der gesamten Prozess-Abgas-Strömungsrate, die
in die Oxidationseinrichtung eintritt) zurückgeführt werden, so dass die Größe und der
elektrische Verbrauch der Oxidationseinrichtung nicht nachteilig
beeinflusst werden.