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Die
Steuerung und/oder Beseitigung von unerwünschten Verunreinigungen und
Nebenprodukten aus verschiedenen Herstellungsvorgängen hat
hinsichtlich der möglichen
Verschmutzung, die durch solche Verunreinigungen und Nebenprodukte
erzeugt werden können,
eine beträchtliche
Bedeutung gewonnen. Ein üblicher
Lösungsansatz
zur Beseitigung oder zumindest Reduzierung dieser Verschmutzungen
ist deren Oxidieren über
Veraschung. Eine Veraschung findet statt, wenn verschmutzte Luft,
die ausreichend Sauerstoff enthält,
auf eine Temperatur erhitzt wird, die hoch genug ist und eine ausreichende
Zeitdauer anhält,
um die unerwünschten
Bestandteile in harmlose Gase umzuwandeln, wie zum Beispiel Kohlendioxid
und Wasserdampf.
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Hinsichtlich
der hohen Kosten für
Brennstoff, der erforderlich ist, um die erforderliche Hitze für die Verbrennung
zu erzeugen, ist es vorteilhaft, so viel Hitze wie möglich zurückzugewinnen.
Diesbezüglich offenbart
das U.S.-Patent Nr. 3,870,474 einen thermisch regenerativen Oxidierer,
der drei Regeneratoren aufweist, von denen zwei zu irgendeiner gegebenen
Zeit in Betrieb sind, während
der dritte eine kleine Menge an gereinigter Luft empfängt, um
unbehandelte oder kontaminierte Luft daraus auszublasen und sie
in eine Verbrennungskammer auszustoßen, wo die Kontaminierungen
oxidiert werden. Bei Beendigung eines ersten Zyklus wird die Strömung an kontaminierter
Luft durch den Regenerator umgekehrt, aus dem zuvor die gereinigte
Luft ausgestoßen wurde,
um die kontaminierte Luft während
des Strömens
durch den Regenerator vorzuheizen, bevor sie in die Verbrennungskammer
geleitet wird. Auf diese Weise wird eine Wärmerückgewinnung erreicht.
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Das
U.S.-Patent Nr. 4,302,426, auf dem der Oberbegriff von Anspruch
1 basiert, offenbart ein thermisches Anti-Verschmutzungs-Regenerations-System,
bei dem übermäßige Temperaturen
in der Hochtemperatur-Veraschungszone oder -Verbrennungszone eingestellt
werden. Dazu wird die Temperatur in der Verbrennungszone gemessen, und
wenn eine vorbestimmte hohe Temperatur darin erreicht ist, werden
die Gase, die normalerweise durch das Wärmetauscherbett geleitet werden,
stattdessen um das Bett herum geleitet, mit anderen Gasen kombiniert,
die bereits abgekühlt
sind, und zwar als Ergebnis ihrer normalen Strömung durch das Wärmetauscherbett,
und dann in die Atmosphäre ausgestoßen.
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Wenn
jedoch der Umgehungsvorgang auf der Temperatur basiert, die in der
Verbrennungszone oder Hochtemperaturzone gemessen wird, dann ist dieser
Vorgang relativ ineffizient und kann zu unerwünschten Hitze-Spitzenwerten
führen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz
von regenerativen thermischen Oxidierern und insbesondere den Umgehungsvorgang
zu verbessern.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Hitze-Spitzenwerte
in einer solchen Vorrichtung zu reduzieren oder zu vermeiden.
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Die
U.S. 5,422,077 offenbart
eine regenerative Bett-Veraschungsanlage
mit einem einzigen Bett, das Wärmetauschermedien
und ein Heizelement enthält.
Ein Temperatursensor befindet sich zentral in dem Bett, um zu überwachen,
ob zusätzliche
Hitze hinzugefügt
werden muss.
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Die
Erfindung ist in den Patentansprüchen definiert.
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Die
Probleme des Standes der Technik wurden mit Hilfe der vorliegenden
Erfindung gelöst, durch
die ein regenerativer thermischer Oxidierer zur Verfügung gestellt
wird, bei dem ein Gas, wie zum Beispiel kontaminierte Luft, zuerst
durch ein heißes Wärmetauscherbett
und dann in eine kommunizierende Hochtemperatur-Oxidationskammer
(Verbrennungskammer) geleitet und dann durch ein relativ kühles zweites
Wärmetauscherbett
geleitet wird. Die bevorzugte Vorrichtung enthält eine Anzahl von intern isolierten,
mit Keramik gefüllten
Wärmetauschersäulen in
Kommunikation mit einer intern isolierten Verbrennungskammer. Prozessluft
oder Gas wird in den Oxidierer durch einen Einlassverteiler geführt, der
geeignete Ventile enthält,
vorzugsweise pneumatische Tellerventile. Die Luft wird dann in die
Wärmetauschermedien
geleitet, die "gespeicherte" Hitze aus dem vorherigen
Rückgewinnungszyklus
enthält. Als
Ergebnis wird die Prozessluft in den Wärmetauschermedien auf Oxidationstemperaturen
erhitzt, was zu einer Oxidation der kontaminierten Luft bzw. des
Prozessgases führt.
Die Oxidation der kontaminierten Luft in den Wärmetauschermedien wird als "In-Bett-Verbrennung" bezeichnet. Wenn
ein Teil der kontaminierten Luft nicht vollständig in den Wärmetauschermedien
oxidiert ist, dann wird der Oxidationsprozess in der Verbrennungskammer
vervollständigt,
wo Maßnahmen
für eine
fortgesetzte Erhitzung der Strömung
stattfinden. Das Gas wird bei der Betriebstemperatur für eine Zeitdauer
gehalten, die ausreichend ist, um die VOC's vollständig zu zerstören. Hitze,
die während
des Oxidationsprozesses freigegeben wird, wirkt als ein Brennstoff,
um die erforderliche Ausgabe des Brenners zu reduzieren. Wenn die durch Oxidation
des Lösungsmittels
in der kontaminierten Luftströmung
freigegebene Hitze unter der liegt, die für einen selbsterhaltenden Betrieb
erforderlich ist, dann wird zusätzliche
Hitze durch Hitzequellen zur Verfügung gestellt, die sich in
der Verbrennungskammer befinden. Von der Verbrennungskammer strömt die Luft
vertikal nach unten durch eine weitere Säule, die Wärmetauschermedien enthält, wodurch
in den Medien Hitze zur Verwendung in einem nachfolgenden Einlasszyklus
gespeichert wird, wenn die Strömungssteuerventile
umgekehrt werden. Die resultierende saubere Luft wird über ein Auslassventil
und durch einen Auslassverteiler geleitet und mit einer etwas höheren Temperatur
als am Einlass in die Atmosphäre
freigegeben, oder sie wird zurück
in den Einlass des Oxidierers zirkuliert. Die Temperatur wird nicht
nur in der Verbrennungskammer gemessen, sondern auch in den Wärmetauschermedien,
und wenn auf diese Weise eine abnormal hohe Temperatur darin gemessen
wird, dann werden Gase in der Verbrennungskammer um das Wärmetauscherbett
herum geleitet und können
mit Gasen gemischt werden, die bereits als Ergebnis ihrer normalen
Strömung
durch ein Wärmetauscherbett
abgekühlt
worden sind.
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Die
Erfindung wird nun weiter anhand lediglich eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
schematische Ansicht von einer regenerativen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist, die die Verbrennungskammer und Messmittel aufweist; und
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2 ein
Temperaturprofil von einem Oxidierer gemäß der vorliegenden Erfindung
ist.
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Bei
der Zerstörung
von flüchtigen
organischen Bestandteilen (VOC) erfolgt eine Vielzahl von Zwischenreaktionen,
die bei der Oxidation (Aufspaltung) der VOC in Kohlendioxid und
Wasserdampf stattfinden. Der letzte Schritt in der Reaktionskette
ist das Aufspalten von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid, wobei die
Umwandlung von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid ein Drittel der gesamten
VOC-Hitzefreigabe ausmacht. Das Aufspalten von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid
wiederum beginnt bei 732°C
bis 760°C (1350°F bis 1400°F) und benötigt eine
geeignete Zeitdauer für
die vollständige
Durchführung.
Das Ausmaß,
in dem die Oxidation von einem VOC in einem Steinzeugbett in einem
regenerativen thermischen Oxidierer stattfindet, ist eine Funktion
des VOC-Typs, der VOC-Reaktionsrate, der Bett-Temperatur und der
Retentionszeit sowie der Vermischung in dem Bett. Bei einem Oxidationstemperatur-Einstellpunkt von
816°C (1500°F) hat der
Bereich des heißen
Endes von dem Steinzeugbett, wo die Oxidation beginnen kann, keine
ausreichend hohe Temperatur für
eine ausreichend lange Zeit, um eine vollständige Oxidation stattfinden
zu lassen. Folglich findet der größte Teil der Oxidationsreaktion
und die zugehörigen
Energie (d.h. Hitze), die als Folge der Reaktion freigegeben wird,
in der Verbrennungskammer statt. Das Ergebnis dieser Hitzefreigabe
kann als ein Anstieg der Temperatur in der Verbrennungskammer und
als eine Verminderung in der Kraftstoffzufuhr für den Brenner der Verbrennungskammer
gesehen werden.
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Bei
einer herkömmlichen
Verbrennungskammer-Temperatur von 816°C (1500°F) findet der größte Teil
der VOC-Oxidationsreaktion
in der Kammer statt, und durch die Hitze, die von dieser Oxidation freigesetzt
wird, wird die Luftströmung
in der Kammer erhitzt. Bei einem VOC-Pegel oberhalb dessen, der für eine selbsterhaltende
Oxidation erforderlich ist, übersteigt
die Lufttemperatur in der Kammer den 1500°F Einstellpunkt, und der Brenner
moduliert geschlossen und schaltet ab. Die Temperatur steigt wieder über den
1500°F Einstellpunkt
an, und folglich ist eine heißseitige
Umgehung erforderlich, wodurch die Temperatur von 816°C (1500°F) beibehalten
wird, indem die thermische Effizienz des Oxidierers gedrosselt wird,
indem ein Teil der oxidierten Strömung von dem Steinzeug weggeleitet
wird.
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Folglich
verwendet die vorliegende Erfindung höhere Verbrennungskammer-Temperaturen von
871°C bis
927°C (1600°F–1700°F) und fordert, dass
der größte Teil
der VOC-Oxidationsreaktion, wenn nicht die gesamte Reaktion, in
dem Steinzeug stattfindet. Durch die Hitze, die durch die exotherme Reaktion
des VOC freigegeben wird, wird die kühlere Masse erhitzt, die sich
damit in Kontakt befindet, welche nicht mehr die Luftströmungsmasse
in der Verbrennungskammer ist, sondern stattdessen die sehr viel
größere und
sehr viel kühlere
Masse des Steinzeugs, das eine sehr viel größere Wärmekapazität als Luft hat. Folglich bleibt
die Verbrennungskammer-Temperatur relativ konstant, wobei die Masse des
Steinzeugs die Hitze absorbieren und deren Temperaturprofil verbreitern.
Durch Verbreiterung des Steinzeug-Temperaturprofils wird die thermische Effizienz
des Oxidierers gedrosselt, und daher regelt der Oxidierer selbst
seine thermische Effizienz, wenn VOC-Pegel über den selbsterhaltenden Pegel
ansteigen. Es gibt einen realistischen begrenzenden Faktor bezüglich des
Pegels von VOC oberhalb der Selbsterhaltung, der auf diese Weise
aufgenommen werden kann, und dieser wird durch eine Anzahl von Variablen
bestimmt, die umfassen: thermische Effizienz des Wärmetauschers,
Auslasstemperatur, Materialien der Konstruktion, Schaltzeit, Druckabfall,
etc. Für eine
thermische Effizienz des Wärmetauschers
von 95% wird beispielsweise eine optimale Lösungsmittelgrenze von 8,0%
unter Explosionsgrenze (LEL) gewählt.
Oberhalb dieses 8,0% LEL-Lösungsmittelpegels
verwendet der Oxidierer eine heißseitige Umgehung, um die Temperatur
zu steuern. Die Kenntnis des Verhaltens des Temperaturprofils in
den Steinzeugmedien kann verwendet werden, um die Lösungsmittelpegel
zu überwachen,
und bei Pegeln größer als
8,0% LEL, um den Betrieb der heißseitigen Umgehung zu steuern.
Dieses Temperaturprofil wird von den Temperaturmessmitteln erhalten,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung in dem Steinzeug angeordnet sind.
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Es
wird zuerst auf 1 Bezug genommen, in der schematisch
ein regenerativer thermischer Oxidierer 10 gezeigt ist,
der zwei Wärmetauscherbetten 2A, 2B;
eine Verbrennungskammer 3 mit zumindest einem Brenner 4;
Einlasskammern zu jedem Bett 7A, 7B; und Öffnungslöcher 6A, 6B zu
jeder Kammer aufweist. Jedes Bett 2A, 2B hat Gaseinlassmittel 11,
Gasauslassmittel 12 und Ventilmittel 13, die damit
in Beziehung stehen. Temperaturmessmittel 5, wie zum Beispiel
Thermoelemente befinden sich in dem Steinzeugbett. Die bestimmte
Position der Thermoelemente ist nicht absolut kritisch; sie können beispielsweise
15 cm (6 Zoll), 30 cm (12 Zoll), 46 cm (18 Zoll), 61 cm (24 Zoll)
unter der Oberseite der Medien liegen.
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Vorzugsweise
befinden sich die Thermoelemente von etwa 31 bis 46 cm (12 bis 18
Zoll) unter der Oberseite der Medien, wie dies gezeigt ist. Jedes Temperaturmessmittel 5 ist
elektrisch mit einem Steuermittel 8 gekoppelt. Ein Rohr/Dämpfer 9 der heißen Umgehung
empfängt
ein Signal von dem Steuermittel 8, durch das der Dämpfer moduliert
wird, um eine Temperatur, wie durch die Temperaturmessmittel 5 gemessen
wird, bei einem vorbestimmten Einstellpunkt zu halten. Für den Fachmann
ist offensichtlich, dass der aktuelle verwendete Einstellpunkt teilweise
von der aktuellen Tiefe der Temperaturmessmittel in dem Steinzeug
sowie von dem Verbrennungskammer-Einstellpunkt abhängt. Ein
geeigneter Einstellpunkt liegt in dem Bereich von etwa 871°C bis etwa
899°C (1600°F bis etwa
1650°F).
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2 zeigt
das Temperaturprofil von einem typischen Oxidierer mit zwei Säulen gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Temperatur in dem Steinzeug von jedem Oxidierer-Bett
wird mit Thermoelementen TE1 und TE2 überwacht. Bei einem Wärmetauscher
mit einem thermischen Wirkungsgrad von 95% wird beispielsweise ein
selbsterhaltendes Profil bei einem Lösungsmittelpegel von 3,5% LEL
erreicht.
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Vorzugsweise
weist das thermische regenerative Oxidierer-System der vorliegenden
Erfindung zwei regenerative Säulen
auf. Wenn größere Einheiten
erforderlich sind, um größere Zuführstromvolumina
zu verarbeiten, kann die Anzahl an Säulen erhöht werden. In dem Fall, dass
das Zuführstromvolumen für ein System
mit zwei Säulen
zu groß ist,
kann ein zusätzliches
System (mit einer Verbrennungskammer) hinzugefügt und zusammen mit dem ersten System
verwendet werden, um die Erfordernisse zu erfüllen. Die regenerative Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung kann nahezu alle Größenanforderungen handhaben,
von etwa 146 m3/Min (5000 Standard-Kubikfuß pro Minute
("SC FM")) bis etwa 1700 m3/Min (60000 SCFM), indem zwei Säulen verwendet
werden. Anwendungen, die es erforderlich machen, dass mehr als 1700
m3/Min (60000 SCFM) verarbeitet werden,
können
mehrere Einheiten umfassen.
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Indem
die Menge an Wärmetauschermedien variiert
wird, die in den Säulen
enthalten sind, können thermische
Wirkungsgrade (TE) von 85%, 90% oder 95% erreicht werden. Beispielsweise
hat eine Einheit mit 85% TE eine Tiefe des Wärmetauscher-Medienbetts von
etwa 1,37 m (4,5 Fuß);
eine Einheit mit 90% TE hat eine Bett-Tiefe von 1,95 m (6,5 Fuß); und
eine Einheit mit 95% TE hat eine Bett-Tiefe von 2,59 m (8,5 Fuß). Die
Standard-Betriebstemperaturen von 871°C–927°C (1600°F–1700°F) sind bevorzugt, obwohl Temperaturen
von 982°C–1093°C (1800°F–2000°F) oder höher verwendet
werden können.
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Bei
hohen Lösungsmittel-Belastungen,
wenn der Brenner nachweißlich
ausgeschaltet ist, kann die Verbrennungskammer-Temperatur auf einen
Wert oberhalb des vorbestimmten Temperatur-Einstellpunkts ansteigen
und wird lediglich überwacht.
Wenn eine Verbrennung innerhalb des Betts stattfindet, dann überwachen
die Thermoelemente, die in dem Steinzeug-Bett angeordnet sind, den
Lösungsmittel-Pegel über die
resultierende Veränderung
des Temperaturprofils. Wenn die Lösungsmittel-Belastung ausreichend
hoch ist (d.h. größer als
8% LEL), dann wird die Heißgas-Umgehung gesteuert
(moduliert), und zwar basierend auf der Temperatur, die in den Steinzeugkeramik-Betten
gemessen wird, nicht basierend auf der Verbrennungskammer- Temperatur wie beim
Stand der Technik, um das erforderliche Ausmaß an Wärmetauscher-Drosselung zu erreichen.
Durch das Überwachen
der Bett-Temperatur statt der Verbrennungskammer-Temperatur wird
gewährleistet,
dass die Bett-Temperatur ausreichend hoch gehalten wird, um eine
vollständige
Lösungsmittel-Oxidation
in dem Bett zu erreichen (die alleinige Verwendung der Verbrennungskammer-Temperatur
als der Steuerpunkt kann bewirken, dass die Bett-Temperatur für hohe Ausmaße an heißer Umgehung
zu kalt ist, wodurch der erforderliche Pegel an Lösungsmittel-Zerstörung in
dem Bett vermindert wird). Außerdem,
das Ermöglichen,
dass eine Verbrennung in dem Bett stattfindet, bedeutet, dass das Ausmaß an erforderlicher
Heißgas-Umgehung
(falls erforderlich) geringer ist als bei der üblichen Technologie, wodurch
ermöglicht
wird, dass die Oxidationseinheit sogar noch höhere LELs aufnehmen kann. Daher
sind sowohl die Steuerung als auch die maximale Menge an heißer Umgehung
eine Funktion der minimal erlaubten Steinzeugbett-Temperatur, die
an einer genauen Position in dem heißen Ende des Bettes gemessen
wird.
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Wenn
die maximal erlaubte Menge an Heißgas-Umgehung pro erlaubtem
Steuerungs-Einstellpunkt der Steinzeugbett-Temperatur erreicht wird, und wenn der
Lösungsmittel-Gehalt immer noch
ausreichend hoch ist, dann wird Umgebungsverdünnungsluft als der letzte Steuermechanismus
eingeleitet, um einen akzeptierbaren Oxidiererbetrieb zu unterstützen. Eine
maximal erlaubte Steinzeugbett-Temperatur
am heißen
Ende steuert die Menge an eingeleiteter Verdünnungsluft.
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Eine
Hochtemperatur-Sicherheitsabschaltung bei 1093°C (2000°F), die durch die Bulk-Verbrennungskammer-Temperatur
gemessen wird, führt zu
einem Abschalten des Oxidierers, um ihn gegen Übertemperatur zu schützen.