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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Trockner gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Ein solcher Trockner ist aus der US-A-5,207,008
bekannt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Trocknen
von Material.
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Das
Steuern und/oder das Entfernen von unerwünschten Verunreinigungen und
Nebenprodukten aus verschiedenen Herstellungsvorgängen hat
hinsichtlich der möglichen
Verschmutzungen, die solche Verunreinigungen und Nebenprodukte erzeugen können, eine
beträchtliche
Bedeutung erlangt. Ein herkömmlicher
Lösungsansatz
zum Entfernen oder zumindest Reduzieren dieser Verschmutzungen erfolgt
mit Hilfe thermischer Oxidation. Eine thermische Oxidation findet
dann statt, wenn kontaminierte Luft, die eine ausreichende Menge
an Sauerstoff enthält, auf
eine Temperatur, die hoch genug ist, und für eine ausreichende Zeitdauer
erhitzt wird, um die erwünschten
Bestandteile in harmlose Gase umzuwandeln, wie zum Beispiel Kohlendioxid
und Wasserdampf.
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Die
Steuerung von Bahntrocknungsanlagen, einschließlich Flotationstrockner, die
dazu ausgestaltet sind, um eine sich bewegende Bahn aus Material, wie
zum Beispiel Papier, Folie oder anderes bogenförmige Material, mit Hilfe erhitzter
Luft kontaktlos zu halten und zu trocknen, die aus einer Reihe von
normalerweise gegenüberliegend
angeordneten Luftdüsen
ausströmt,
machen eine Wärmequelle
für die
erhitzte Luft erforderlich. Außerdem,
als eine Folge des Trocknungsprozesses, können sich unerwünschte, flüchtige,
organische Bestandteile (VOCs) aus der sich bewegenden Materialbahn
lösen,
und zwar insbesondere dann, wenn eine Schicht aus Tinte oder ähnlichem
auf der Bahn getrocknet werden soll. Solche VOCs müssen aufgrund
von Gesetzesverordnungen in harmlose Gase umgewandelt werden, bevor
sie in die Umgebung ausgestoßen
werden.
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Flotationstrocknungsanlagen
gemäß Stand der
Technik waren mit verschiedenen Verbrennungsofen- oder Nachbrennervorrichtungen
in einer separaten Weise kombiniert, in der heiße oxidierte Gase aus dem Abgas
der thermischen Oxidationseinrichtung wiedergewonnen und zu der
Trocknungsvorrichtung zurückgeführt wurde.
Diese Systeme werden nicht als vollständig integriert angesehen,
und zwar aufgrund der Trennung von Oxidationseinrichtungs- und Trocknerkomponenten
und dem Erfordernis einer zusätzlichen
Heizvorrichtung in der Trockner-Umschließung. Andere Systeme gemäß Stand der
Technik, bei denen eine thermische Oxidationseinrichtung in der
Trockner-Umschließung
integriert ist, verwenden ebenfalls flüchtige Abgase aus dem Bahnmaterial
als Brennstoff. Diese sogenannten thermischen Verbrennungssysteme
verwendeten keinen Typ von Wärmerückgewinnungsvorrichtung oder
Wärmerückgewinnungsmedien
und erfordern relativ große
Mengen an zusätzlichem
Brennstoff, speziell in Fällen
von geringen Konzentrationen an flüchtigen Gasen. Bei noch einer
anderen Anlage gemäß Stand
der Technik wurde ein Flotationstrockner mit einer thermischen Oxidationseinrichtung
vom sogenannten Rekuperativ-Typ in einer tatsächlich integrierten Weise kombiniert.
Ein Nachteil dieser Systeme ist die Begrenzung des Wärmerückgewinnungswirkungsgrads
wegen des verwendeten Typs von Wärmetauscher,
wodurch die Möglichkeit
eines sehr geringen zusätzlichen
Brennstoffverbrauchs verhindert und oft ein auto-thermischer Betrieb
ausgeschlossen ist. Diese Begrenzung des Wirkungsgrads resultiert
aus der Tatsache, dass ein Wärmetauscher mit
einem hohen Wirkungsgrad die eintretende Luft auf Temperaturen erhitzt,
die hoch genug sind, um eine beschleunigte Oxidation der Wärmetauscherröhren zu
bewirken, was zu Rohrbrüchen,
Leckstellen, Verminderung der Effizienz und Zerstörung der flüchtigen
Stoffe führt.
Allgemein haben thermische Vorrichtungen vom Rekuperativ-Typ eine
verminderte Zuverlässigkeit
bei den Systemkomponenten, wie zum Beispiel der Wärmetauscher
und der Brenner, und zwar infolge der Tatsache, dass das Metall
bei Betrieb einer sehr hohen Temperatur ausgesetzt ist.
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Bei
einem noch weiteren vollständig
integrierten System wird einen katalytischen Verbrenner verwendet,
um Abgase umzuwandeln, und es besteht die Möglichkeit, die gesamte Hitze
zur Verfügung
zu stellen, die für
den Trocknungsprozess erforderlich ist. Dieser Typ von System kann
einen Wärmetauscher
mit einem hohen Wirkungsgrad verwenden, da es das Vorhandensein
eines Katalysators ermöglicht,
dass die Oxidation bei geringen Temperaturen stattfindet. Daher
kann auch ein Wärmetauscher mit
einem hohen Wirkungsgrad die eintretende Luft nicht auf gefährliche
Temperaturen vorheizen. Jedoch ist eine katalytische Oxidationseinrichtung
anfällig
gegenüber
Katalysatorverunreinigungen durch bestimmte Komponenten der Abgase,
wodurch sie bezüglich
der Umwandlung dieser Abgase in harmlose Komponenten unwirksam wird.
Außerdem
verwenden katalytische Systeme normalerweise Wärmetauscher vom Metall-Typ,
und zwar primär
aus Gründen
der Wärmerückgewinnung,
die eine begrenzte Lebensdauer infolge der bei Betrieb hohen Temperatur
haben.
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Zum
Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 5,207,008 einen Luft-Flotationstrockner
mit einem eingebauten Nachbrenner. Lösungsmittel enthaltende Luft,
die aus dem Trocknungsvorgang stammt, wird durch einen Brenner geleitet,
wo die flüchtigen, organischen
Bestandteile oxidiert werden. Zumindest ein Teil der resultierenden,
erhitzten und verbrannten Luft wird dann zu den Luftdüsen rezirkuliert,
um die schwebende Bahn zu trocknen.
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Das
US-Patent Nr. 5,210,961 offenbart einen Bahntrockner mit einem Brenner
und einem rekuperativen Wärmetauscher.
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Die
EP-A-0 326 228 offenbart eine kompakte Erhitzungsanlage für einen
Trockner. Die Erhitzungsanlage beinhaltet einen Brenner und eine
Verbrennungskammer, wobei die Verbrennungskammer einen U-förmigen Pfad
definiert. Die Verbrennungskammer steht mit einem rekuperativen
Wärmetauscher
in Verbindung.
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Hinsichtlich
der hohen Kosten für
den Brennstoff, der erforderlich ist, um die erforderliche Hitze für die Oxidation
zu erzeugen, ist es vorteilhaft, so viel wie möglich von dieser Hitze zurückzugewinnen. Diesbezüglich offenbart
das US-Patent Nr. 3,870,474 eine thermische, regenerative Oxidationseinrichtung mit
drei Regeneratoren, von denen zwei zu einem bestimmten Zeitpunkt
in Betrieb sind, während
der dritte eine geringe Menge an gereinigter Luft aufnimmt, um unbehandelte
oder kontaminierte Luft aus diesem herauszudrücken und diese in eine Verbrennungskammer
auszustoßen,
in der die Kontaminierungen oxidiert werden. Bei Beendigung von
einem ersten Zyklus wird die Strömung
der kontaminierten Luft durch den Regenerator umgekehrt, aus dem
die gereinigte Luft zuvor ausgestoßen wurde, um die kontaminierte
Luft während
des Strömens
durch den Regenerator vorzuerhitzen, bevor sie in die Verbrennungskammer
eingeleitet wird. Auf diese Weise wird eine Wärmerückgewinnung erreicht.
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Das
US-Patent Nr. 3,895,918 offenbart ein thermisches Rotations-Regenerationssystem,
bei dem eine Vielzahl von beabstandeten, nicht-parallelen Wärmetauscherbetten
in Richtung auf den Umfang von einer mittleren Hochtemperatur-Verbrennungskammer
angeordnet sind. Jedes Wärmetauscherbett
ist mit wärmetauschenden
Keramikelementen gefüllt.
Auspuffgase von industriellen Prozessen werden zu einem Einlassrohr
geleitet, welches die Gase zu ausgewählten Wärmetauscherabschnitten verteilt,
und zwar abhängig
davon, ob ein Einlassventil zu einem gegebenen Abschnitt geöffnet oder geschlossen
ist.
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Es
ist gewünscht,
von dem Vorteil der Effizienz zu partizipieren, die mit dem regenerativen
Wärmetauschen
in Luft-Flotationstrocknern erreicht wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Probleme des Standes der Technik wurden durch die vorliegende Erfindung überwunden, durch
die ein integrierter Bahntrockner und ein regenerativer Wärmetauscher
sowie ein Verfahren zum Trocknen einer Materialbahn unter Verwendung
selbiger zur Verfügung
gestellt wird. Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden
Erfindung bewirken das Erhitzen von Luft und das Umwandeln von VOCs in
harmlose Gase in einer vollständig
integrierten Weise mittels Einbindung einer regenerativen Verbrennungsvorrichtung
als ein integriertes Element der Trocknungsvorrichtung. In einem
Ausführungsbeispiel
ist der Trockner ein Luft-Flotationstrockner, der mit Luftbalken
versehen ist, mit Hilfe derer die sich bewegende Bahn durch erhitzte
Luft von der Oxidationseinrichtung kontaktlos gehalten wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels von der Vorrichtung
und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht von einem Monolith-Bett gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 ist
eine schematische Darstellung von einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine schematische Darstellung von einem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
eine schematische Darstellung von einem vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
eine schematische Darstellung von einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
eine schematische Darstellung von einer regenerativen Einzelbett-Oxidationsvorrichtung,
die mit einem Trockner integriert ist; und
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8 ist
eine schematische Darstellung von der regenerativen Einzelbett-Oxidationsvorrichtung aus 7.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Fundamental
für die
Realisierung von einem vollständig
integrierten Trockner und einer regenerativen thermischen Oxidationsvorrichtung
ist die Forderung, dass die gesamte Energie, die für den Trocknungsprozess
erforderlich ist, aus der Verbrennung und der Umwandlung der enthaltenen
VOCs mit minimalem Einsatz bzw. ohne Einsatz von zusätzlichem Brennstoff
durchgeführt
wird. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
eine auto-thermische bzw. selbsttragende Prozessbetriebsart zu erreichen. Viele
der VOCs sind in ihrer chemischen Reaktion exotherm und können als
solche in einem integrierten System als Brennstoff betrachtet werden,
durch den der zusätzliche
Brennstoff ersetzt wird, wie zum Beispiel Naturgas. Die resultierende
Vorrichtung stellt einen hohen Wärmerückgewinnungswirkungsgrad
zur Verfügung,
der ausreichend ist, um einen auto-thermischen Zustand zu erreichen,
oder zumindest einen sehr geringen zusätzlichen Einsatz von Brennstoff, und
zwar in einer gesteuerten und sich tragenden Weise mit hoher Zuverlässigkeit
der Komponenten und einer nahezu vollständigen Umwandlung der unerwünschten
flüchtigen
Abgase in harmlose Komponenten.
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Es
wird nun auf 1 Bezug genommen, in der schematisch
ein Einzonen-Flotationstrockner 10 mit einer integrierten,
regenerativen, thermischen Oxidationseinrichtung 20 gezeigt
ist. Der Flotationstrockner 10 beinhaltet einen Bahn-Einlassschlitz 11 und
einen Bahn-Auslassschlitz 12, der von dem Bahn-Einlassschlitz 11 beabstandet
ist, durch die eine sich bewegende Bahn 13 transportiert
wird. In dem Trockner 10 wird die sich bewegende Bahn durch
eine Vielzahl von Luftbalken 14 schwebend gehalten. Obwohl
vorzugsweise die Luftbalken 14 in einer abgestuft gegenüberliegenden
Beziehung angeordnet sind, wie gezeigt ist, erkennt der Fachmann, dass
andere Anordnungen möglich
sind. Um eine gute Flotation und eine hohe Wärmeübertragung zu erreichen, sind
HI-FLOAT®-Luftbalken
bevorzugt, die von MEGTEC Systems kommerziell erhältlich sind, mit
Hilfe derer die Bahn 13 auf einem sinusförmigen Pfad
durch den Trockner 10 schwebend gehalten wird. Ein verbessertes
Trocknen kann erreicht werden, indem Infrarot-Heizelemente in der
Trocknungszone vorgesehen sind. Die oberen und unteren Sätze von
Luftbalken stehen mit zugehörigen
Verteilern 16, 16' in
Beziehung, von denen jeder eine Quelle erhitzter Luft über ein
Zuführgebläse 17 empfängt und
diese zu den zugehörigen
Luftbalken 14 leitet. Ein Zusatzluft-Schieber 25 steht
mit dem Gebläse 17 in
Beziehung, um dem System zusätzlich
Luft zuzuführen, falls
erforderlich. Für
den Fachmann ist offensichtlich, dass, obwohl ein Flotationstrockner
dargestellt ist, auch Trockner, bei denen eine kontaktlose Abstützung der
Bahn nicht erforderlich ist, ebenfalls in den Schutzbereich der
vorliegenden Erfindung fallen.
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Die
regenerative Oxidationseinrichtung 20, die mit dem Trockner 10 integriert
ist, ist vorzugsweise eine Oxidationseinrichtung mit zwei Säulen, obwohl
auch eine Säule
(7 und 8) mit dem Brenner in der Einlasskammer
oder drei oder mehr Säulen
oder ein Rotationsanlage verwendet werden können. Bei der
regenerativen, thermischen Oxidationstechnologie müssen die
Wärmeübertragungszone
in jeder Säule
periodisch regeneriert werden, um zu ermöglichen, dass sich die Wärmeübertragungsmedien
(allgemein ein Bett aus keramischem Steinzeug oder Sattelfüllkörper) in
der abgereicherten Energiezone wieder regenerieren. Dies wird durch
periodisches Abwechseln der Wärmeübertragungszone erreicht,
durch die die kalten und heißen
Fluide strömen.
Insbesondere dann, wenn das heiße
Fluid durch die Wärmeübertragungsmatrix
strömt,
wird Wärme
von dem Fluid auf die Matrix übertragen,
wodurch das Fluid abgekühlt
und die Matrix erhitzt wird. Umgekehrt, wenn das kalte Fluid durch
die erhitzte Matrix strömt,
dann wird Wärme
von der Matrix auf das Fluid übertragen,
was zu einem Abkühlen
der Matrix und zu einem Erhitzen des Fluids führt.
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Folglich
wirkt die Matrix als ein thermischer Speicher, der abwechselnd Wärme von
dem heißen Fluid
aufnimmt, diese Wärme
speichert und sie dann an das kalte Fluid abgibt.
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Das
Wechseln der Wärmeübertragungszonen
zum Erreichen einer Matrix-Regeneration wird mit Hilfe geeigneter
Schaltventile erreicht. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist ein Schaltventil je Wärmeübertragungszone vorgesehen,
und vorzugsweise sind die Schaltventile pneumatische Tellerventile,
deren Schaltfrequenz oder Zyklus eine Funktion der volumetrischen
Strömungsrate
ist, so dass eine reduzierte Strömung
längere Perioden
zwischen den Umschaltvorgängen
ermöglicht.
Obwohl die Schaltventile 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
des Wirkungsgrads der Zerstörung
flüchtiger
organischer Bestandteile (VOC) bewirkt wird, und in Fällen, die
einen hohen Siedepunkt der VOCs beinhalten, tritt eine mögliche Opazität auf, sofern
kein Verfahren zum Auffangen dieser Umschaltluft verwendet wird.
Vorzugsweise wird dann eine Auffangkammer 90 verwendet,
um den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu erhöhen.
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1 zeigt
allgemein bei 10 eine regenerative thermische Oxidationseinrichtung
mit zwei Säulen.
Das zu verarbeitende Gas wird von der Trockner-Umschließung 10 zu
der Oxidationseinrichtung 20 geleitet, und zwar über das
Auspuff-Gebläse 30 und
ein geeignetes Rohrleitungsnetz, durch ein geeignetes Schaltventil
bzw. -ventile 21 und in (oder aus) eine der regenerativen
Wärmetauschersäulen 15, 15', die mit Wärmetauschermedien
gefüllt
sind. Eine Verbrennungszone 18, die eine zugehörige Heizeinrichtung
aufweist, wie zum Beispiel einen oder mehrere, mit Gas befeuerte
Brenner 22 mit einem zugehörigen Verbrennungsgebläse 23 und
Gasleitungsventilen steht mit jeder regenerativen Wärmetauschersäule 15, 15' in Beziehung
und steht außerdem
mit einem Trocknerzuführgebläse 17 in
Beziehung. Idealerweise ist der Betrieb der Verbrennungszonen-Heizeinrichtung
lediglich beim Starten erforderlich, um die Verbrennungszone 18 und
die Wärmetauschersäulen 15, 15' auf Betriebstemperatur
zu bringen. Wenn die Betriebstemperatur erreicht ist, wird die Heizeinrichtung
vorzugsweise abgeschaltet (oder in eine "Pilot-Betriebsart" gebracht), und ein auto-thermischer
Zustand wird aufrechterhalten. Geeignete Betriebstemperaturen für die Verbrennungszone 18 liegen
allgemein in einem Bereich von 1400-1800 °F. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass,
obwohl der Begriff "Verbrennungszone" normalerweise in
der Industrie verwendet wird, um das Element 18 zu bezeichnen,
der größte Teil
oder sogar der gesamte Teil der Verbrennung in den Wärmetauscherbetten
und nur ein geringer oder kein Teil der Verbrennung tatsächlich in
der Verbrennungszone 18 stattfinden kann. Folglich soll
die Verwendung von diesem Begriff in der Beschreibung und in den
Ansprüchen
nicht so verstanden werden, dass die Verbrennung in dieser Zone
stattfinden muss.
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Vorzugsweise
sind die Wärmetauschersäulen 15, 15' in der Vorrichtung
horizontal ausgerichtet (d.h. die Gasströmung durch die Wärmetauschersäulen erfolgt
auf einem horizontalen Pfad), um den Raumbedarf zu optimieren. Um
eine unerwünschte Akkumulation
von Prozessgas zu minimieren und um eine gleichmäßige Verteilung von Prozessgas
durch die Wärmetauschermedien
zu induzieren, wird vorzugsweise eine Kombination von zufällig gepackten Medien,
die Freiräume
beinhalten, die das Durchströmen
von Gas durch die Medienpartikel ermöglichen, und strukturierten
Medien verwendet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Freiräume in den
zufällig
gepackten Medien größer als
die Freiräume,
die in den Zwischenräumen
vorhanden sind, die zwischen den Medienpartikeln gebildet sind.
Wenn die Freiräume
zu klein sind, dann neigt das Gas dazu, in den Zwischenräumen zu
strömen
statt durch die Freiräume
in den Partikeln. Diese Tauscherpartikel werden aus einem einzigen
Material hergestellt und sind durch Erhebungen oder Vanes gekennzeichnet,
die sich von der Mitte der Partikel erstrecken. Die Räume zwischen
den Erhebungen bewirken einen idealen Anteil von Freiräumen für das Durchströmen von
Gasen, wodurch die Druckabfall-Charakteristiken von dem Aggregat-Wärmetauscherbett verbessert
werden. Diese zufällig
gepackten Medien können
außerdem
einen Katalysator beinhalten, der auf der Oberfläche aufgebracht ist.
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Der
Fachmann erkennt, dass andere geeignete Formen für die zufällig gepackten Medien der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können, einschließlich Sättel, vorzugsweise
1/2"-Sättel, usw.
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Ein
zweiter Bereich der Wärmetauschermedien
ist eine monolithische Struktur, die in Kombination mit den oben
genannten, zufällig
gepackten Medien verwendet wird. Die monolithische Struktur hat vorzugsweise
etwa 50 Zellen/Zoll2 und ermöglicht eine
laminare Strömung
und einen geringen Druckabfall. Sie hat eine Reihe von kleinen Kanälen oder Durchgängen, die
darin ausgebildet sind, wodurch ermöglicht wird, dass Gas auf vorbestimmten
Pfaden durch die Struktur strömt.
Geeignete monolithische Strukturen sind Mullit-Keramik-Honigwaben mit 40 Zellen pro
Element (Außendurchmesser
150 mm × 150
mm), die von der Porzellanfabrik Frauenthal GmbH kommerziell verfügbar sind.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung haben die monolithischen Strukturen bevorzugt
Abmessungen von etwa 5,91" × 5,91" × 12,00". Diese Blöcke enthalten eine Vielzahl
von parallel, quadratischen Kanälen
(40–50
Kanäle
pro Quadratzoll), wobei ein einzelner Kanalquerschnitt von etwa
3 mm × 3
mm von einer etwa 0,7 mm dicken Wand umgeben ist. Daher kann ein
freier Querschnitt von ungefähr 60–70 und
ein spezifisches Oberflächengebiet
von etwa 850–1000
m2/m3 bestimmt werden.
Ebenfalls bevorzugt sind monolithische Blöcke mit Abmessungen von 5,91" × 5,91" × 6". In einigen Anwendungen ist
ein Katalysator auf die monolithische Oberfläche aufgebracht.
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Der
zufällig
gepackte Bereich der Medien mit einem relativ hohen Strömungswiderstand
befindet sich vorzugsweise dort, wo das zu behandelnde Prozessgas
in die Wärmetauschersäule eintritt,
wodurch die Verteilung des Gases über den Säulen-Querschnitt wirksam unterstützt wird.
Der monolithische Bereich der Medien mit einem relativ geringen
Strömungswiderstand
befindet sich bevorzugt an dem Auslass der zufällig gepackten Medien, wo die
Gasverteilung bereits stattgefunden hat. In einem regenerativen
Bett, wo die Oxidation stattfindet, hat der Auslassabschnitt von
dem Bett höhere
Fluidtemperaturen als der Einlassabschnitt. Eine höhere Temperatur
bedeutet eine erhöhte
Viskosität
und eine erhöhte tatsächliche
Geschwindigkeit des Fluids, das dann einen erhöhten Druckabfall erzeugt. Daher
ist die Verwendung der strukturierten Medien, die einen inhärent geringeren
Druckabfall haben, in diesem Bereich der Säule vorteilhaft.
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Für den Fachmann
ist offensichtlich, dass ein mehrlagiges Bett aus Wärmetauschermedien
mehr als zwei unterschiedliche Lagen von Medien aufweisen kann.
Beispielsweise können
die zufällig
gepackten Medien an dem Einlass einer Säule eine Kombination aus verschieden
großen
Sätteln
haben, wie zum Beispiel eine erste Lage aus 1/2"-Sätteln, gefolgt
von einer zweiten Lage aus 1"-Sätteln. Die
monolithische Lage folgt dann in Richtung auf den Auslass der Säule. Auf ähnliche
Weise oder zusätzlich kann
die monolithische Lage beispielsweise eine erste Lage aus Monolithen
sein, die Kanalquerschnitte von 3 mm × 3 mm haben, gefolgt von einer
zweiten Lage aus Monolithen, die einen Kanalquerschnitt von 5 mm × 5 mm haben.
In einem System, in dem lediglich eine einzige Wärmetauschersäule verwendet wird,
kann das Bett mit mehrlagigen Medien eine erste Lage aus zufällig gepackten
Medien, eine zweite Lage aus monolithischen Medien und eine dritte
Lage aus zufällig
gepackten Medien beinhalten. Für
den Fachmann ist offensichtlich, dass die bestimmte Konstruktion
von dem mehrlagigen Bett von dem gewünschten Druckabfall, dem thermischen
Wirkungsgrad und den akzeptierbaren Kosten abhängt.
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Am
meisten bevorzugt ist eine 100 % monolithische Struktur, wie in 2 gezeigt.
In der gezeigten horizontalen Anordnung sind die Blöcke gestapelt,
um das gewünschte
Querschnittsströmungsgebiet
und die gewünschte
Strömungslänge aufzubauen.
Um einen integrierten Trockner mit einer regenerativen Oxidationseinrichtung
zu konstruieren, einschließlich
einer Auffangkammer, die in vorhandene Prozess-Linien passt, wie
beispielsweise eine Graphikkunstdruck-Linie, ist ein kompaktes Wärmetauscherbett
erforderlich, was am besten mit dem monolithischen Bett erreicht
werden kann. Eine alternative Konstruktion von einem monolithischen
Bett beinhaltet einen Katalysator, der auf die Monolith-Oberfläche aufgebracht
ist. Für
eine 100 % monolithische Struktur ist die Gleichförmigkeit
der Luftströmung
in den Monolithen kritisch für
die Leistungsfähigkeit
des Wärmetauschers.
In 1 werden Strömungsstreu- oder
-verteilungsvorrichtungen 95, wie zum Beispiel perforierte
Platten, an dem Einlass und an dem Auslass von jeder Säule verwendet,
um die Luftströmung durch
das Wärmetauscherbett
gleichmäßig zu verteilen.
Solche Strömungsverteiler
werden dort optional, wo zufällig
gepackte Medien verwendet werden, da die zufällig gepackten Medien eine
Verteilung der Luftströmung
unterstützen.
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Geeignete
Ventileinrichtungen 40 sind vorgesehen, um Gase in die
Atmosphäre
zu leiten oder um sie für
einen optimalen Zerstörungswirkungsgrad in
die Umschließung
der Vorrichtung (oder Auffangkammer 90) zu drücken.
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Geeignete
Druck- und/oder Temperatur-Abschwächungseinrichtungen 92 können vorgesehen sein,
wie gezeigt, um die Auswirkungen des Ventilumschaltens während der
Zyklen des regenerativen Wärmetauschers
zu dämpfen.
Durch dieses Ventilumschalten können
Druckimpulse und/oder Temperaturspitzen erzeugt werden, die sich
nachteilig auf den Betrieb des Trockners auswirken können. Die Druckimpulse
können
durch die Heißluftzuführleitung in
den Trockner eintreten und den leicht negativen Druck (relativ zur
Atmosphäre)
der Trockner-Umschließung
stören.
Dies würde
bewirken, dass Lösungsmittel
enthaltende Luft aus den Bahnschlitzen des Trockners ausgeblasen
würde.
Temperatur-Fluktuationen, die während
des Schaltprozesses auftreten können,
machen es schwieriger, die Lufttemperatur des Trockners auf dem
gewünschten
Sollwert zu halten. Die Abschwächungseinrichtungen 92 können die
Druckimpulse reduzieren, indem ein Strömungswiderstand in die Leitung
integriert wird, durch die die Trockner-Umschließung gespeist wird. Die Temperatur-Fluktuationen werden
durch Einbindung einer Vorrichtung mit einem hohen Oberflächengebiet
und einer hohen thermischen Kapazität in die Strömungsleitung
zur Trockner-Umschließung
vermindert.
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Die
Oxidationseinrichtung ist mit dem Trockner in Prozessrichtung integriert;
das heißt,
die Vorrichtung hat eine kompakte Anordnung, wodurch der Trockner
von der Oxidationseinrichtung abhängig ist, und zwar bezüglich des
Erhitzens und des Reinigens von VOCs. Dies kann durch Umschließen der
Oxidationseinrichtung und des Trockners in einer einzigen Umschließung erreicht
werden, oder durch Kopplung der Oxidationseinrichtung mit dem Trockner,
oder durch deren Anordnung in direkter Nähe zu dem Trockner. Die Oxidationseinrichtung
kann außerdem von
dem Trockner wärmeisoliert
sein. Vorzugsweise gibt es eine gemeinsame Wand zwischen dem Trockner
und dem (den) Wärmetauscherbett(en)
der Oxidationseinrichtung.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann kühlende Luft durch die Oxidationseinrichtung
gesaugt und dem Inneren des Trockners als zusätzliche Luft zugeführt werden.
Durch diese Prozedur wird die Oxidationseinrichtung abgekühlt und
die zusätzliche
Luft vorerhitzt, wodurch der Wirkungsgrad des Systems verbessert
wird.
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3 zeigt
einen Flotationstrockner mit einer integrierten, regenerativen,
thermischen Oxidationseinrichtung, wie in 1, mit der
Ausnahme, dass der Trockner ein Zweizonen-Trockner mit einer Heißluft-Rückführung ist. Jede Zone beinhaltet
Rezirkulationseinrichtungen 17, 17', wie beispielsweise ein Gebläse, um die
Luftbalken 14 mit erhitzter Auftreffluft zum Trocknen über ein
geeignetes Rohrleitungsnetzwerk zu speisen, das mit den Verteilern 16, 16' in Verbindung
steht. Der größte Teil
der Zufuhr von heißer
Luft zu der ersten Zone erfolgt von der regenerativen, thermischen
Oxidationseinrichtung, wobei die Zufuhr durch das Heißluftzuführventil 41 geregelt
wird. Die zweite Zone empfängt
ihre Heißluftzufuhr
aus der Rezirkulation.
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4 zeigt
einen Flotationstrockner mit einer integrierten, regenerativen,
thermischen Oxidationseinrichtung, wie in 1, mit der
Ausnahme, dass der Trockner ein Mehrzonentrockner (es sind drei
Zonen gezeigt) mit einer Heißluft-Rückführung ist.
Jede Zone enthält
Rezirkulationseinrichtungen 17, 17', wie beispielsweise ein Gebläse, um die
Luftbalken 14 mit erhitzter Auftreffluft zum Trocknen über ein
geeignetes Rohrleitungsnetzwerk zu versorgen, das mit den Verteilern 16, 16' in Verbindung
steht. Alle Zonen, bis auf die letzte Zone, empfangen den größten Teil
der Zufuhr von heißer
Luft aus der regenerativen, thermischen Oxidationseinrichtung, wobei die
Zufuhr durch das Heißluftzufuhrventil 41 gesteuert
wird. Die letzte Zone enthält
ihre Zufuhr aus heißer
Luft von der Rezirkulation.
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5 zeigt
einen Flotationstrockner mit einer integrierten, regenerativen,
thermischen Oxidationseinrichtung, wie in 1, mit der
Ausnahme, dass der Trockner ein Mehrzonentrockner (es sind drei
Zonen gezeigt) mit einer Heißluft-Rückführung ist,
wobei die letzte Zone eine Konditionierungszone ist. Jede Zone enthält Rezirkulationseinrichtungen 17, 17', wie beispielsweise
ein Gebläse,
um die Luftbalken 14 mit erhitzter Auftreffluft zum Trocknen über ein
geeignetes Rohrleitungsnetzwerk zu versorgen, das mit den Verteilern 16, 16' in Verbindung
steht. Die integrierte Konditionierungszone ist so, wie in dem US-Patent
Nr. 5,579,590 beschrieben, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme
eingeführt
wird. Die Konditionierungszone enthält konditionierte Luft, die im
wesentlichen frei von Kontaminierungen ist und eine Temperatur hat,
die niedrig genug ist, um Hitze von der Bahn zu absorbieren, wodurch
die Lösungsmittel-Verdampfungsrate
wirksam vermindert und eine Kondensation reduziert wird. Eine Drucksteuereinrichtung 45 ist
vorgesehen, so dass Lösungsmitteldämpfe nicht
aus der Trockner-Umschließung
entweichen und dass die zusätzliche
Umgebungsluft so geregelt werden kann, wie von der Steuereinrichtung 46 gefordert.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel ähnlich 5,
mit der Ausnahme, dass der Ausstoß von der Oxidationseinrichtung
zu der Trockner-Auffangkammer (und das zugehörige Ventil) weggelassen sind. Es
ist ein optionaler katalytischer Stapelreiniger 50 für eine weitere
Zerstörung
von VOCs gezeigt, die in die Atmosphäre ausgestoßen werden, um den Gesamtwirkungsgrad
der Vorrichtung zu erhöhen.
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Es
wird nun auf 7 Bezug genommen, in der eine
Einzelbett-Oxidationseinrichtung gezeigt ist, die mit einem Zweizonen-Luft-Flotationstrockner
integriert ist. Ein Auspuffgebläse 30 saugt
Lösungsmittel
enthaltende Luft aus dem Inneren der Trockner-Umschließung und
leitet diese zwecks Behandlung zu der regenerativen Oxidationseinrichtung.
Das (die) Schaltventil (e) 21 leitet die Luft zu der Einlassseite
von dem Medienbett 15 des Wärmetauschers. (Die Einlassseite
von dem Mediumbett 15 wechselt von einer Seite von dem
Bett zu der anderen gemäß einer
vorbestimmten Umschaltzeit.) Das Wärmetauscher-Medienbett 15 ist
eine separate Akkumulation von Material ohne Einschließung einer
Verbrennungskammer. Eine Verbrennungszone existiert in dem Bett,
wo ausreichend hohe Temperaturen auftreten, um VOCs in Endprodukte
von Kohlendioxid und Wasserdampf umzuwandeln. Die Anordnung und
die Größe der Verbrennungszone
können
sich innerhalb des Medienbettes 15 gemäß der bestimmten Kombination
von Lösungsmittel/Brennstoffrate, Massenluftströmungsrate
und Umschaltzeit verschieben. Die Wärmetauschermedien können vollständig aus
irgendwelchen verschiedenen Typen von zufällig gepackten Materialien
oder eine Kombination von strukturierten oder zufällig gepackten
Materialien sein. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist eine Kombination
von Medien-Typen, wobei sich die strukturierten Medien an den sogenannten
kalten Flächen
von dem Bett und die zufällig
gepackten Materialien in dem mittleren Abschnitt von dem Bett befinden.
Daher enthält
die Einzelbett-Wärmetauscher-Akkumulation vorzugsweise,
in planarer Weise, senkrecht zur Richtung der Luftströmung, zuerst eine
Schicht aus strukturierten Medien, gefolgt von einem Abschnitt aus
zufällig
gepackten Medien und wiederum unmittelbar gefolgt von einem zweiten
Abschnitt aus strukturierten Medien mit der gleichen Tiefe wie die
erste Schicht. Die Ausrichtung von dem Bett kann so sein, dass die
Strömung
vertikal oder horizontal erfolgt, aber die Strömung muss senkrecht zu den
Ebenen der verschiedenen Medienabschnitte verlaufen.
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Eine
geeignete Wärmequelle,
wie zum Beispiel eine Brennstoffgasrohrleitung oder vorzugsweise
ein elektrisches Heizelement, befindet sich in dem mittleren, zufällig gepackten
Medienabschnitt, um das Wärmetauscherbett
anfänglich
zu erwärmen.
Es ist beabsichtigt, dass das elektrische Element zu dem Zeitpunkt
abgeschaltet wird, in dem sich Lösungsmittel
und/oder Brennstoff in dem Bett befindet. Vorzugsweise wird ein
brennbarer Brennstoff, wie zum Beispiel Naturgas, in das zu behandelnde
Gas eingeleitet, bevor dieses in das Wärmetauscherbett eintritt, um
die Temperaturen von dem Bett beizubehalten, wenn keine ausreichenden
Mengen von Prozess-Lösungsmittel
verfügbar
sind, um die erforderlichen Verbrennungstemperaturen aufrechtzuerhalten.
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Ein
Teil der Verbrennungsgase wird aus der Mitte von dem Wärmetauscherbett
abgesaugt, um mit der Zuführluft
vermischt zu werden und um diese zu erhitzen, die auf die Materialbahn 13 gerichtet wird.
Das heiße
Gas wird aus dem mittleren Abschnitt der zufällig gepackten Materialien über eine
Heißluftsammelkammer 75 abgesaugt,
die in Längsrichtung entlang
des mittleren, zufällig
gepackten Medienabschnitts verläuft.
Der Zweck dieser Kammer besteht darin, eine gleichmäßige Menge
von Gas über
den Querschnitt von dem Wärmetauscher-Medienbett abzusaugen,
um Veränderungen
der Temperatur in dem Bett zu verhindern, die durch eine ungleichmäßige Strömung bewirkt
werden.
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Die
endgültige
Temperatur der Zuführluft,
die auf die Materialbahn 13 auftrifft, wird durch die Menge
von heißen
Gasen bestimmt, die mit der Rezirkulationsluft vor dem Zuführgebläse 17 vermischt
werden. Die Menge an heißen
Gasen wird durch das Heißluftzuführventil 4' geregelt, das
mit der Heißluftsammelkammer 75 in
Verbindung steht, das mit dem Wärmetauscherbett
verbunden ist.
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Die
beschriebene regenerative Wärmequelle ist
in der Lage, eine ausreichende Hitze zu dem Trockner zu liefern,
der ein oder mehrere (es sind zwei gezeigt) separate Steuerzonen
aufweist, die durch die einzelnen Zuführgebläse abgegrenzt sind. Hitze von
dem Oxidationseinrichtungsabschnitt kann durch Steuerung des Prozesses
zu einer oder zu mehreren der einzelnen Zonen geleitet werden, wie erforderlich.
Die Konstruktion des Trockners kann ein oder mehrere Kühlzonen
beinhalten, die zusammen mit der Heizzonensteuerung betrieben werden
und mit dieser integriert sind. Die Atmosphäre innerhalb des Trockners
wird aktiv durch einen Schieber 25 für zusätzliche Luft gesteuert.
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8 zeigt
das bevorzugte Ausführungsbeispiel
von einem Wärmetauscherbett,
das eine separate Akkumulation von Wärmetauschermaterial ohne vergrößerte Einschließung einer
Verbrennungskammer beinhaltet. Eine gewünschte Verbrennungszone befindet
sich in dem Bett, und zwar um die Mitte von dem Bett herum in Richtung
der Strömung.
Die Größe und die
Anordnung der Verbrennungskammer wird durch einen signifikanten
und ausreichenden Anstieg des Temperaturgradienten in dem Bett bestimmt,
so dass die Verbrennung und Umwandlung der flüchtigen Gase stattfinden kann.
Eine Einlass/Auslass-Luftverteilungskammer 76 bewirkt gleichmäßige Geschwindigkeitsprofile
zu den kalten Flächen
von dem Wärmetauscherbett 15.
Eine perforierte Verteilungsplatte 77 kann kurz vor den
kalten Flächen
in der Richtung der Luftströmung
vorgesehen sein, um das Geschwindigkeitsprofil vor dem Eintreten
in das Wärmetauscherbett
noch gleichmäßiger zu
machen. Das Wärmetauscherbett
enthält vorzugsweise
strukturierte Medien 15A, die eine sehr gute Effizienz
bezüglich
des Druckverlustes haben, und zufällig gepackte Medien 15B,
die das Einbetten von Heizspulen darin erleichtern und das Entfernen von
heißem
Gas zum Erhitzen der Zuführluft
zu dem Trocknungsabschnitt ermöglichen.
Eine Heizeinrichtung 60, bevorzugt ein elektrisches Widerstandsheizelement,
wird durch eine Leistungssteuerung 61 gesteuert und heizt
das Bett beim Starten auf. Ein Brennstoffgaseinspritzventil 9 reguliert
die Menge an Brennstoff, der in das Effluent eingeleitet wird, um eine
minimale brennbare Atmosphäre
in der Verbrennungszone aufrechtzuerhalten, um so die Umwandlung
von Lösungsmittel
und Brennstoff in Kohlendioxid und Wasserdampf zu unterstützen.
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Bei
jedem der gezeigten Ausführungsbeispiele,
um die Effizienz der Zerstörung
von VOCs zu verbessern und das Auftreten einer Opazität zu verhindern,
die aus der Matrix- Regeneration
resultiert, kann das unbehandelte Fluid weg von dem Oxidationseinrichtungsstapel
verteilt und in einen "Haltekessel" bzw. eine VOC-Auffangkammer 90 geleitet
werden. Die Funktion der Auffangkammer 90 besteht darin,
den Abfall an unbehandeltem Fluid aufzunehmen, der während des
Matrix-Regenerationsprozesses
anfällt,
und zwar lange genug, so dass der größte Teil davon langsam (d.h.
mit einer sehr geringen Strömungsrate)
zwecks Behandlung zum Einlass der Oxidationseinrichtung zurückgeführt werden
kann oder als Verbrennungsluft zu dem Verbrennungsgebläse 23 geleitet
werden kann oder über
den Auspuffstapel langsam mit der Atmosphäre vermischt wird. Das unbehandelte
Fluid in der Auffangkammer 90 muss innerhalb eines Zeitrahmens
vollständig
evakuiert werden, der sich zwischen den Matrix-Regenerationszyklen befindet, da der
Prozess selbst für
alle nachfolgenden Matrix-Regenerationen wiederholt werden muss.
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Die
Konstruktion der Auffangkammer 90 ist zusätzlich zu
ihrer Volumenkapazität
auch kritisch bezüglich
ihrer Fähigkeit,
unbehandeltes Fluid aufzunehmen und für eine Behandlung zum Einlass
der Oxidationseinrichtung zurückzuleiten,
und zwar innerhalb der Zeit, die sich zwischen den Wärmetauscher-Matrix-Regenerationszyklen
befindet. Unbehandeltes Volumen, das in diesem Zyklus nicht korrekt
zurückgeführt wird,
entweicht über
den Auspuffstapel in die Atmosphäre,
wodurch der Wirkungsgrad der Auffangvorrichtung vermindert und der
Gesamtwirkungsgrad der Oxidationseinrichtung vermindert wird.
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Bei
einigen Betriebsbedingungen ist die Menge an flüchtigen Lösungsmitteln in der Trockner-Auspuffströmung kleiner
als die, die für
den auto-thermischen Betrieb erforderlich ist. Um die Verwendung
eines Verbrennungsbrenners zu vermeiden, um zusätzliche Energie zur Verfügung zu
stellen, kann zusätzlicher
Brennstoff in das System eingeleitet werden, wie zum Beispiel in
die Auspuffströmung,
um die erforderliche Energie zur Verfügung zu stellen. Ein bevorzugter
Brennstoff ist Naturgas oder andere herkömmliche Brennstoffgase oder
Flüssigkeiten.
Das Vermeiden des Brennerbetriebs ist vorteilhaft, da durch die
Verbrennungsluft, die für
den Brennerbetrieb erforderlich ist, der Wirkungsgrad der Oxidationseinrichtung
vermindert wird und die Entstehung von NOx bewirkt
werden kann. Das Einleiten von Brennstoffgas kann durch Erfassen
der Temperatur an einigen Stellen erreicht werden, wie zum Beispiel
in den Wärmetauschersäulen. Beispielsweise können sich
Temperatursensoren in jedem der Wärmetauscherbetten befinden,
etwa 18 Zoll unter der Oberfläche
der Wärmetauschermedien
in jedem Bett. Wenn der normale Betrieb in der Vorrichtung beginnt,
wird brennbares Brennstoffgas zu dem Prozessgas zugeführt, und
zwar mit Hilfe einer T-Verbindung, bevor das Prozessgas in die Wärmetauschersäule eintritt,
und zwar basierend auf dem Durchschnitt der Temperaturen, die durch
die Sensoren in jedem Wärmetauscherbett
erfasst werden. Wenn der Durchschnitt der erfassten Temperaturen
unter einen vorbestimmten Sollwert fällt, wird zusätzliches Brennstoffgas
zu dem kontaminerten Effluent zugeführt, das in die Oxidationseinrichtung
eintritt. Auf ähnliche
Weise wird, wenn der Durchschnitt der erfassten Temperaturen über einen
vorbestimmten Sollwert ansteigt, die Zufuhr von Brennstoffgas gestoppt.
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Alternativ
kann die Verbrennungszonentemperatur indirekt durch Messung und
Steuerung des Energiegehalts der Auspuffluft gesteuert werden, die in
die Oxidationseinrichtung eintritt. Ein geeigneter "Lower Explosive Limit"-Sensor (LEL), wie
er von Control Instruments Corporation verfügbar ist, kann verwendet werden,
um den gesamten Gehalt an Lösungsmittel
plus Brennstoff in der Auspuffluft an einem geeigneten Punkt zu
messen, der auf die Stelle der zusätzlichen Brennstoffeinspritzung
folgt. Diese Messung wird dann verwendet, um durch geeignete Steuereinrichtungen
die Einspritzrate von Brennstoff zu modulieren, um einen konstanten,
vorbestimmten Pegel an Gesamtbrennstoffgehalt beizubehalten, normalerweise
im Bereich von 5 bis 35 % LEL, vorzugsweise im Bereich von 10 bis
20 % LEL. Wenn das LEL, das durch den Sensor gemessen wird, unter
dem gewünschten
Sollwert liegt, wird die Menge an zusätzlichem Brennstoff erhöht, der
eingespritzt wird, wie zum Beispiel durch Öffnen des Steuerventils 9.
Wenn das gemessene LEL über
dem Sollwert liegt, wird die Rate der zusätzlichen Brennstoffeinspritzung
reduziert, wie zum Beispiel durch Schließen des Strömungsventils 9. In
dem Fall, dass der Lösungsmittelgehalt
von dem Trocknungsprozess höher
ist als der gewünschte
LEL-Sollwert, auch ohne jegliche Brennstoffeinspritzung, kann die
Auspuffrate des Trocknungsprozesses erhöht werden, um das LEL zu vermindern,
wie zum Beispiel durch Einstellung der Strömung durch das Auspuffgebläse 30.
Diese Einstellung der Auspuffströmung
ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird vorzugsweise durch eine
variable Antriebsgeschwindigkeit des Gebläses 30 erreicht oder
durch einen Strömungssteuerungsschieber.
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Wenn
die Konzentration von brennbaren Komponenten in dem zu behandelnden
Gas zu hoch wird, dann treten in der Vorrichtung übermäßige Temperaturen
auf, die zu Beschädigungen
führen
können.
Um diese übermäßigen Temperaturen
in der Hochtemperatur-Veraschungszone oder -Verbrennungszone zu
vermindern, kann die Temperatur gemessen werden, wie zum Beispiel
mit einem Thermopaar, das geeignet in der Verbrennungszone und/oder
in einer oder in mehreren der Wärmetauschersäulen angeordnet
ist, und wenn eine vorbestimmte hohe Temperatur erreicht ist, dann
können die
Gase, die normalerweise durch die kühlende Wärmetauschersäule strömen, statt,
dessen um diese Säule
herumgeführt
werden. Wenn die Temperatursensoren in den Wärmetauschersäulen angeordnet
sind, dann ist deren spezielle Position absolut nicht kritisch;
sie können
6 Zoll, 12 Zoll, 18 Zoll, 24 Zoll unter der Oberfläche der
Medien angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Sensoren zwischen
etwa 12 und 18 Zoll unter der Oberfläche der Medien angeordnet.
Jeder Sensor ist elektrisch mit einer Steuereinrichtung gekoppelt.
Ein heißer
Bypass-Kanal/Schieber
empfängt
von der Steuereinrichtung ein Signal, durch das der Schieber moduliert
wird, um eine Temperatur aufrechtzuerhalten, wie sie durch den Sensor
gemessen wird, bei einem bestimmten Sollwert zu halten. Für den Fachmann
ist offensichtlich, dass die tatsächliche verwendete Sollwert
teilweise von der tatsächlichen
Tiefe des Temperatursensors in dem Steinzeug sowie von der Verbrennungskammer-Sollwert
abhängt.
Ein geeigneter Sollwert liegt im Bereich von etwa 1600 °F bis etwa
1650 °F.
Die umgeleiteten Gase können
zusammen mit anderen Gasen, die als Ergebnis ihres normalen Durchströmens durch
die kühlende
Wärmetauschersäule bereits
abgekühlt
sind, in die Atmosphäre
ausgestoßen
oder für
andere Zwecke verwendet werden.