EP0258348B1 - Method and device for the post combustion of process exhaust gasses - Google Patents

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EP0258348B1
EP0258348B1 EP87901447A EP87901447A EP0258348B1 EP 0258348 B1 EP0258348 B1 EP 0258348B1 EP 87901447 A EP87901447 A EP 87901447A EP 87901447 A EP87901447 A EP 87901447A EP 0258348 B1 EP0258348 B1 EP 0258348B1
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
temperature
purified
process exhaust
heat exchanger
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP87901447A
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EP0258348A1 (en
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Herbert Jörg OBERMÜLLER
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Grace GmbH
Original Assignee
Grace GmbH
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Publication of EP0258348A1 publication Critical patent/EP0258348A1/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/06Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
    • F23G7/061Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating
    • F23G7/065Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating using gaseous or liquid fuel
    • F23G7/066Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating using gaseous or liquid fuel preheating the waste gas by the heat of the combustion, e.g. recuperation type incinerator
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2207/00Control
    • F23G2207/10Arrangement of sensing devices
    • F23G2207/101Arrangement of sensing devices for temperature
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2207/00Control
    • F23G2207/40Supplementary heat supply

Definitions

  • the invention relates to a method for the controlled thermal afterburning of process exhaust gas containing oxidizable constituents and to an apparatus for carrying out the method according to the preambles of claims 1 and 4.
  • US-A-2 905 523 shows a method for treating exhaust gas which is used for the catalytic combustion of soot and combustible dusts together with gaseous constituents.
  • this method uses the recirculation and mixing of part of the burned hot gas into the cold gas as an alternative for the otherwise conventional recuperative heat exchange and for starting the system in a circuit.
  • This feedback ensures the ignition level, ie the maintenance of the minimum bed temperature in the catalytic converter.
  • the method knows the feeding of air into the main and a by-pass stream of the unpurified exhaust gas, for the purpose of oxygen enrichment in the event of its lack, or also for the purpose of dilution when the flammable substance is too high.
  • thermocouples are inserted in protective tubes in a practical design and thus temperature peaks are delayed, reduced or not registered at all. This fact also does not promote the lifespan of post-combustion devices. Smaller volumetric flow fluctuations - as they can occur due to the process - usually also have an adverse effect on the combustion chamber temperature. The effects of these fluctuations can be compared with those resulting from a fluctuating input of flammable substances.
  • the 'total heat quantity' is to be understood as the enthalpy of the process gas to be cleaned, including the heat quantities introduced by the combustible substance and still supplied by the burner in the minimum position.
  • this is determined by a high degree of preheating, but also by the temperature of the exhaust air brought in from the production process. With increasing exhaust air temperature from production, the preheating temperature also rises further, so that the total absorption capacity for combustible substances decreases.
  • the conventional technology therefore uses - in order to reduce the degree of preheating of the exhaust air - the principle of bypassing one or both sides of the mostly recuperative heat exchangers, each with part quantities of exhaust air volume flows, i.e. by-pass technology.
  • Bypass or by-pass techniques in post-combustion devices always have the property that bypassing on one side (hot side or cold side) that the mass of the heat exchanger - due to the regulation of the by-pass - must constantly find a new heat balance; in other words: the mass of the heat exchanger is moved back and forth in its temperature level. If a heat exchanger is partially circumnavigated on the hot gas side, this has the consequence that the change in the preheating temperature can only be achieved by changing the thermal equilibrium of the entire mass of the heat exchanger, i.e. only by means of a very slow process. The latter is therefore not suitable as a spontaneous regulator and is therefore less common.
  • the by-pass systems are also complex in terms of construction, detailed technology, assembly and commissioning. They require an increased amount of service during operation.
  • the object of the present invention is to develop the method of the type described in the introduction such that a continuous adjustment of the heat output of the burner as a result of concentration fluctuations of the oxidizable constituents in the process exhaust gas does not have to take place, so that in particular temperature peaks are avoided, at the same time being ensured It is intended that a rise in the impurity concentration of the process exhaust gas to be fed to the combustion device, which exceeds the usual values, can be coped with without problems, and in particular that material stresses and fatigue caused by high temperature change rates are avoided.
  • the concentration of the oxidizable constituents in the combustion chamber is kept at an adjustable value and that the inlet temperature of the gas mixture to be cleaned consisting of process exhaust gas, purified process exhaust gas and fresh air to be supplied to a gas mixture adjustable value is kept.
  • the amount increases with the amount and in a controlled manner grow the concentration of combustible substance, cleaned process exhaust gas mixed in with fresh air.
  • the admixture is carried out at any time in the amount required to maintain the temperature in the combustion chamber in accordance with its setpoint. The burner itself remains at a minimum during the mixing operation and no longer intervenes in the process.
  • the production of the mixed air temperature is the responsibility of a second control circuit, by means of which it is decided whether more or less warm cleaned exhaust gas or cold fresh air is added.
  • the measure for this control task is the respective deviation of the actual exhaust gas temperature from its target temperature.
  • the inlet temperature of the gas mixture to be supplied to the afterburning device and consisting of process exhaust gas to be cleaned, purified process exhaust gas and fresh air is kept at an adjustable value.
  • the concentration of the oxidizable constituents is always adjusted in a constant manner after the burner minimum has been reached so that the amount of heat released from the combustion of the oxidizable constituents keeps the combustion chamber temperature exactly at the desired level, that is to say it does not drop or rise.
  • the measure of the admixture of air to the unpurified process air is then the excess amount of combustible substance above the maximum possible capacity with a burner base load.
  • Another variable defines the mixture of more or less warm air and cold air in metering mode: the level of the process air temperature. If this temperature is also above the nominal value, fresh air will only flow in first when mixed air is requested and warm air will only flow in after the nominal temperature has been reached.
  • a device is characterized in that there is a connection between the device and the gas supply, via which process exhaust gas cleaned to the desired extent within the device can be circulated in that the regulation of the temperature of the to be cleaned Process exhaust gas to be admixed cleaned process exhaust gas or the fresh air via control elements such as flaps, the controlled variable of which can be determined by the temperature which the gas mixture consisting of exhaust gas to be cleaned and cleaned exhaust gas and / or fresh air has on the pressure side of the blower, and that the heat exchanger tubes are bent outwards at their cold ends and the process exhaust gas can flow around them.
  • the connection preferably runs between the process exhaust gas outlet and the feed. This gives the possibility of using structurally simple means without them running inside the device and z.
  • B. have flap mechanisms, the process exhaust gas to be cleaned to the extent required to supply cleaned process exhaust gas and / or air in order to have the proportion of the oxidizable constituents at a constant value and to correct the temperature of the process gas.
  • combustion devices are designed in such a way that a connection is made between the process exhaust gas outlet and the process exhaust gas supply, which allows exhaust gas which has been cleaned to the desired extent to be circulated or recirculated, always with the same, more or less fresh air mixed.
  • the mixed air thus generated is admixed with the process exhaust gas near the suction side of the process exhaust gas blower.
  • the warm air is recirculated externally and using simple design means.
  • the dosing of the warm air and the cold air each take over an independent control body, i.e. Flaps or valves.
  • the temperature controller which is responsible for the constancy of the combustion chamber temperature, determines the total amount of air to be conveyed.
  • a conventional excess energy control is to be illustrated with the aid of FIG. 1, the essential elements of the afterburning device (10) being shown purely schematically.
  • the process gas to be cleaned is brought to the afterburning device via a blower (12) and the process gas or process exhaust gas or carrier gas supply (14). Then the process gas to be cleaned flows through a heat exchanger (16) in order to reach a combustion chamber (18) in which the oxidizable components are burned, provided that they have not already been burned in the heat exchanger part.
  • the combustion chamber (18) can emanate from a burner (20) via a high-speed pipe (not shown), the fuel supply of which can be adjusted via a control valve (22). From the combustion chamber (18) the Purified exhaust gas passes again through the heat exchanger (16) to preheat in this still to be cleaned process gas recuperator t i v.
  • the cleaned exhaust gas is then discharged via a line (24). If there are major fluctuations in the process gas with regard to the concentration of the constituents to be oxidized - that is, in the line (14) - bypasses (26) and (28) are provided, which counteract the increase in temperature in the combustion chamber (18). that by partially bypassing the heat exchanger (16) they lower the level of the preheating as much as the increase (fluctuation) in the concentration of combustible substance requires.
  • the burner (22) fires in its control minimum as long as the excessive supply of combustible substance continues.
  • the by-pass control (26) is designed as a connection for cold gases and the by-pass control (28) for hot gases.
  • Each by-pass control (26) or (28) has a line (30) or (32) running in / or around the device (10), which has control mechanisms such as valves (34.1) or (36.1) in order to drive the bypass in a modulating manner or to put it out of operation.
  • the by-pass arrangement (26) between the cold process gas flowing in the line (14) and the burner antechamber - in the schematic representation the line opens into the combustion chamber 18).
  • the by-pass arrangement (28) established a connection between the combustion chamber (18) and the exhaust gas outlet (24).
  • the devices downstream of the device (10) for utilizing residual heat in the cleaned exhaust air are shown in FIG. 1 in the form of a hot water / air heat exchanger.
  • the device comprises a heat exchanger (65), the by-pass control element represented by flaps (63.1) and (63.2) to increase or decrease the heat to be changed, the by-pass line (62) and the reunification line (64 ), and from the water circuit (61) with its consumers (67) and its circuit pump (66).
  • the cleaned and cooled in the heat exchanger (16) exhaust air is tapped at the exhaust outlet (24) - illustrated by the connection point (42), from where it flows in the line (44) to the union (47), which can have mixing properties.
  • the amount of cleaned air required or requested is provided by means of a control flap (46.1).
  • the adequate amount of fresh air flows through the control system like the control flap (46.2) to the mixing point (47).
  • Both quantities - now as a mixed air quantity - are drawn in by means of negative pressure in the line (48).
  • the line (48) opens into the process exhaust air line (14), in which this vacuum or suction pressure is kept constant.
  • the mixture of process exhaust air and added air is then conveyed from the blower (38) via line (14.1) to the heat exchanger (16).
  • the preheating does not change, nor does the combustion chamber temperature.
  • the burner burns in the control minimum, because the responsibility for the complete constancy has taken over the control described here immediately when the control minimum of the burner is reached and also keeps this responsibility until the amount of combustible substance in the exhaust gas drops again enough that the metering operation finished and the burner can take over the control task again.
  • the control system corrects itself automatically by raising the exhaust gas temperature by preferably supplying hot air. This also prevents the formation of condensate in the pipeline and in the inlet area of the combustion device. I.e. If the risk of condensate is particularly high, namely at high concentrations of condensable components and at low temperature, the described control reacts to the tendency towards condensation.
  • the first-mentioned case represents an economy mode with a very small warm air volume flow.
  • the warm air temperature corresponds exactly to the nominal process gas temperature.
  • the temperature controller (15.1) produces the mixture temperature exactly.
  • the start-up mode using warm air allows a faster and more economical start-up than with caftar air.
  • the areas between the blower (38) and the heat exchanger (16) are successively brought to higher temperatures until the system is ready for operation at a level at which the risk of condensate in the hazardous areas is switched off when switching to process conditions.
  • FIG. 3 shows a basic illustration of an afterburning device on the basis of which the teaching according to the invention can be implemented.
  • An internal annular space (66) runs concentrically to the high-speed mixing tube (62) and merges into the space (68) in which the heat exchanger tubes (70) are arranged concentrically to the longitudinal axis (58).
  • the heat exchanger tubes (70) themselves open into an outer annular space (72) adjoining the outer wall (52), which passes into the inlet (74).
  • An annular chamber (76) is also provided, which merges into the outlet (78).
  • the ends (80) of the heat exchanger tubes (70) are bent outwards in the area of the outlet (78), that is to say towards the wall (52), so as to open almost perpendicularly into the wall (82) of the outer annular space (72) .
  • the other ends (84) of the heat exchanger tubes (70) open into a tube plate (86) which separates a pre-combustion chamber (88) surrounding the burner (60) from the chamber (68).
  • a connection (100) or the outlet (78) is connected to a mixing device, not shown, which corresponds to the mixing device (46) and (47) shown in FIG. 2.
  • the process gas to be combusted by the device according to the invention is fed via the inlet (74) with the annular space (72) in order to in via the heat exchanger tubes (70), the burner stem (90), the Coanda nozzle (96), the high-speed tube (62) the main combustion chamber (64) to be directed.
  • the cleaned exhaust gas can then be discharged to the outlet (78) via the ring channel (66) and the space (68) in which the heat exchanger tubes (70) run.
  • the connection (100), from which the cleaned exhaust gas for mixing with process gas still to be cleaned is removed, is not within the device (10), the mixing proposed according to the invention is consequently possible without any design effort on the device (10), thus increasing the concentration to keep the oxidizable constituents at the tolerance level.
  • the device (50) according to the invention is easy to maintain and ensures a high degree of functional reliability.
  • the thermal afterburning system considered here is designed for a maximum of 15,000 m 3 o / h and is equipped with a heat exchanger efficiency of 76%.
  • the nominal exhaust gas temperature is 160 ° C in the example, but it effectively deviates from it.
  • the combustion chamber temperature must be kept constant at 760 ° C.
  • the system presented is equipped with a special burner which takes the oxygen it needs for combustion from the exhaust gas (secondary air burner; combustor burner).
  • the minimum output of the burner (- lower end of the control range) is 67.8 KWh / h.
  • the system is fed from various individual sources. Depending on the source and the number of sources, the volume flows are different and the exhaust gas temperature and above all the amount and concentration of combustible substances in the exhaust gas vary.
  • the flammable substances are mineral oils. Three different operating conditions are examined. The results are shown in a table.
  • the concentration of the oxidizable components in the exhaust gas is lower than the capacity of the system with this volume flow would allow. Therefore, the burner regulates the missing amount of energy exactly through its modulating throughput of fuel, without the control according to the invention having to be used.

Abstract

Method and device used for the thermal combustion of oxidizable gas components in process gasses. The gasses are conducted through a post combustion device (10) comprising amongst other elements a combustion chamber (18) and a process gas outlet (24). The cleaned exhaust gasses discharged through the process gas outlet (24) are mixed with gasses used in the process in order to maintain constant their concentration.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontrollierten thermischen Nachverbrennen von oxidierbare Bestandteile enthaltendem Prozeß-Abgas sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 4.The invention relates to a method for the controlled thermal afterburning of process exhaust gas containing oxidizable constituents and to an apparatus for carrying out the method according to the preambles of claims 1 and 4.

Eine Vorrichtung zum thermischen Nachverbrennen brennbarer Substanzen in einem Prozeß-Abgas wie z. B. Kohlenwasserstoffe ist der EP-B1-0 040 690 zu entnehmen. Hier wird das in Wärmetauscherrohren vorgeheizte Prozeß-Abgas einem Brenner zugeführt, dessen Wärmeleistung in jedem Moment auf die schwankende Menge der zu verbrennenden Bestandteile und die unstete Menge des Prozeß-Luftstroms einzustellen ist.A device for thermal post-combustion of combustible substances in a process exhaust gas such. B. Hydrocarbons can be found in EP-B1-0 040 690. Here, the process exhaust gas preheated in heat exchanger tubes is fed to a burner, the heat output of which is to be adjusted at every moment to the fluctuating amount of the components to be burned and the inconsistent amount of the process air flow.

Der US-A-2 905 523 ist ein Verfahren zum Behandeln von Abgas zu entnehmen, das dem katalytischen Verbrennen von Ruß und brennbaren Stäuben zusammen mit gasförmigen Bestandteilen dient. Dieses Verfahren benutzt zum Zweck der Temperatur-Anhebung des zu kalten Prozeßgases die Rückführung und Einmischung eines Teils des verbrannten heißen Gases in das kalte Gas ersatzweise für den sonst üblichen rekuperativen Wärmeaustausch und zum Kreislauf-Anfahren des Systems. Diese Rückführung sichert so das Zündniveau, d.h. die Erhaltung der Mindest-Bettemperatur im Katalysator. Darüberhinaus kennt das Verfahren die Einspeisung von Luft in den Haupt- und einen By-pass-Strom des ungereinigten Abgases, zum Zwecke der Sauerstoff-Anreicherung bei dessen Mangel, oder auch zum Zwecke der Verdünnung bei zu hoher Belastung mit brennbarer Substanz. Das letztere dient dem Schutz des Katalysators, der nicht über 1600°F hinaus erhitzt werden soll. Beide Funktionen, Rückführung heißen Abgases und Zugabe von Luft sind verfahrenstechnisch völlig getrennte Funktionen und erfüllen verschiedene Zwecke. So dient die Rückführung heißer Luft allein der Aufrechterhaltung des Prozesses. Im Falle der rekuperativen Vorheizung des Prozeß-Abgases entfällt die Rückführung. In dem Fall, in dem die Einspeisung von Luft der Verdünnung und nicht der 02-Beimengung dient, erfüllt sie nur den Zweck, den Katalysator vor einer Überhitzung zu schützen. Durch die US-A-2 905 523 wird folglich ein Verfahren beschrieben, bei dem sich der Brennraum mit Katalysator und nachgeschalteten Bauteilen im Temperaturbereich zwischen 5700F und 1600°F (573 K bis 1143 K) bewegen darf, ohne daß hierdurch eine Beeinflussung des Verbrennens erfolgt.US-A-2 905 523 shows a method for treating exhaust gas which is used for the catalytic combustion of soot and combustible dusts together with gaseous constituents. For the purpose of raising the temperature of the process gas which is too cold, this method uses the recirculation and mixing of part of the burned hot gas into the cold gas as an alternative for the otherwise conventional recuperative heat exchange and for starting the system in a circuit. This feedback ensures the ignition level, ie the maintenance of the minimum bed temperature in the catalytic converter. In addition, the method knows the feeding of air into the main and a by-pass stream of the unpurified exhaust gas, for the purpose of oxygen enrichment in the event of its lack, or also for the purpose of dilution when the flammable substance is too high. The latter is used to protect the catalyst, which should not be heated above 1600 ° F. Both functions, the recirculation of hot exhaust gas and the addition of air are procedurally completely separate functions and serve different purposes. The return of hot air is only used to maintain the process. In the case of recuperative preheating of the process exhaust gas, there is no recirculation. In the case in which the feed is air dilution, and not the 0 2 -Beimengung, it satisfies only to protect the catalyst from overheating the purpose. Through the US-A-2,905,523 a method is thus described, in which is allowed to move, the combustion chamber with catalytic converter and downstream components in the temperature range between 570 0 F and 1600 ° F (573 K to 1143 K), without this influencing of burning takes place.

Wünschenswert wäre, wenn die Brennkammer-Temperatur möglichst konstant gehalten würde, da andernfalls eine zu hohe Material-Belastung und Ermüdung durch hohe Temperatur Wechselgeschwindigkeiten erfolgen würde.It would be desirable if the combustion chamber temperature were kept as constant as possible, since otherwise excessive material stress and fatigue due to high temperature would result in changing speeds.

Es ist bekannte Praxis der thermischen Nachverbrennung, die Temperatur des Brennraums bei Betrieb mit Minimum-Brennstoffverbrauch innerhalb eines 'Toleranz-Bereichs' bis hin zu einem Wert schwanken zu lassen, der knapp unterhalb der gesetzten Sicherheitsabschaltgrenze liegt, bis die prozeßbedingten Temperaturspitzen wieder abklingen. Gelegentlich sind die Spitzen jedoch so hoch, daß die Abschalttemperatur erreicht wird und der normale Betrieb unterbrochen werden muß. Man spricht dann von Übertemperatur-Abschaltungen. Beides, die Überschwingungen und diese Unterbrechungen, wirken sich auf die Lebensdauer der höher beanspruchten Teile negativ aus. Letzteres unterbricht bei der heutzutage erforderlichen Vernetzung von Produktion und Abluftreinigung meist automatisch auch den Produktionsprozeß und führt so zu hohen Produktionsverlusten.It is known practice of thermal post-combustion to allow the temperature of the combustion chamber to fluctuate within a 'tolerance range' up to a value which is just below the safety cut-off limit set until the process-related temperature peaks subside again. Occasionally, however, the peaks are so high that the switch-off temperature is reached and normal operation must be interrupted. One then speaks of overtemperature shutdowns. Both the overshoots and these interruptions have a negative impact on the service life of the parts that are subject to greater stress. The latter usually also automatically interrupts the production process in the networking of production and exhaust air purification required today and thus leads to high production losses.

Hinzu kommt noch, daß Temperaturfühler wie Thermoelemente in praxisgerechter Bauweise in Schutzrohren stecken und somit Temperaturspitzen erst verspätet, reduziert oder gar nicht registriert werden. Auch dieser Umstand fördert nicht die Lebensdauer von Nachverbrennungsvorrichtungen. Kleinere Volumenstromschwankungen - wie sie prozeßbedingt auftreten können - haben meist auch eine die Brennraumtemperatur negativ beeinflussende Wirkung. In ihrer Auswirkung sind diese Schwankungen mit denen zu vergleichen, die aus einem schwankenden Eintrag brennbarer Substanz resultieren.Added to this is the fact that temperature sensors such as thermocouples are inserted in protective tubes in a practical design and thus temperature peaks are delayed, reduced or not registered at all. This fact also does not promote the lifespan of post-combustion devices. Smaller volumetric flow fluctuations - as they can occur due to the process - usually also have an adverse effect on the combustion chamber temperature. The effects of these fluctuations can be compared with those resulting from a fluctuating input of flammable substances.

Die bisher besprochenen Temperaturschwingungen sind beim Stand der Technik unvermeidbar, wenn eine Verbrennungsanlage im Grenzbereich ihrer thermischen Kapazität und Störstoffkapazität betrieben wird, und wenn nicht Maßnahmen zur Abfuhr von Überschußenergie getroffen sind.The temperature fluctuations discussed so far are unavoidable in the prior art if an incineration plant is operated in the border area of its thermal capacity and impurity capacity, and if measures to remove excess energy have not been taken.

Nimmt aber der Eintrag an Wärmeenergie deutlich stärker zu als der Brenner der Nachverbrennungsanlage Reserven hat zum Zurückregeln, dann muß unweigerlich die zwangsweise Abschaltung der Anlage erfolgen (durch das Auslösen der Übertemperaturschaltung), wenn diese Anlage nicht mit einem sekundären System zur Minderung der in die Brennkammer eingebrachten gesamten Wärmemenge ausgerüstet ist.However, if the input of thermal energy increases significantly more than the burner of the afterburning system has reserves to readjust, then the system must inevitably be switched off (by triggering the overtemperature switch) if this system does not have a secondary system to reduce the temperature in the combustion chamber total heat input is equipped.

Unter 'gesamter Wärmemenge' ist dabei die Enthalpie des zu reinigenden Prozeßgases zu verstehen, inklusive der durch brennbare Substanz eingebrachten und in Minimumstellung vom Brenner noch gelieferten Wärmemengen.The 'total heat quantity' is to be understood as the enthalpy of the process gas to be cleaned, including the heat quantities introduced by the combustible substance and still supplied by the burner in the minimum position.

Da hohe Energiepreise heute zu hohem Vorheiz-Grad der Prozeßabluft zwingen, wird die Enthalpie der im Wärmetauscher vorgewärmten Luft auch die limitierende Größe.Since high energy prices nowadays force the process exhaust air to have a high degree of preheating, the enthalpy of the air preheated in the heat exchanger also becomes the limiting variable.

Diese wird - wie bereits gesagt - durch einen hohen Vorwärmegrad bestimmt, aber auch schon durch die Temperatur der aus dem Produktionsprozeß herangeförderten Abluft. Mit steigender Ablufttemperatur aus der Produktion steigt auch die Vorwärmtemperatur weiter an, so daß die Aufnahmekapazität für brennbare Substanzen insgesamt sinkt.As already mentioned, this is determined by a high degree of preheating, but also by the temperature of the exhaust air brought in from the production process. With increasing exhaust air temperature from production, the preheating temperature also rises further, so that the total absorption capacity for combustible substances decreases.

Als Anteil der Auslegekapazität kann dieser durch erhöhte Abgastemperatur hervorgerufene Kapazitätsschwund sogar sehr beträchtlich sein, ganz besonders aber dann, wenn nur mit kleineren Teilvolumenströmen betrieben wird, bei weichem dann schon die Minimumleistung des Brenners - sie ist ja eine konstante Größe - schon einen großen Teil der Kapazität für brennbare Substanz aufzehrt.As a proportion of the design capacity, this loss of capacity caused by increased exhaust gas temperature can even be very considerable, but especially if the burner is only operated with smaller partial volume flows, the minimum output of the burner - which is a constant size - is already a large part of the Capacity for combustible substance consumes.

Die herkömmliche Technik benutzt deshalb - um den Grad der Vorheizung der Abluft zu senken - das Prinzip der einseitigen oder beidseitigen Umfahrung der meist rekuperativen Wärmeaustauscher mit jeweils Teilmengen der Abluftvolumenströme, also die By-pass-Technik.The conventional technology therefore uses - in order to reduce the degree of preheating of the exhaust air - the principle of bypassing one or both sides of the mostly recuperative heat exchangers, each with part quantities of exhaust air volume flows, i.e. by-pass technology.

Dieses Teilumfahren des Wärmetauschers benötigt integrierte oder extern liegende Kanäle oder Rohrleitungen, regelungs- und wärmetaugliche Ventil- und Klappentechnik, Kompensationselemente für Wärmedehnungen und geeignete Mischtechniken für die Wiedereinmischung mit den Hauptluftströmen nach Durchfahrung und Umfahrung des Wärmetauschers. Hinzu kommt ein erhöhter Bedarf an Isolierungen.This partial bypassing of the heat exchanger requires integrated or external ducts or pipes, control and heat-compatible valve and flap technology, compensation elements for thermal expansion and suitable mixing techniques for remixing with the main air flows after passing through and bypassing the heat exchanger. There is also an increased need for insulation.

Umfahrungs- oder By-pass-Techniken bei Nachverbrennungsvorrichtungen haben bei einseitiger Umfahrung (heiße Seite oder kalte Seite) stets die Eigenschaft, daß die Masse des Wärmetauschers - bedingt durch das Regeln des By-pass - immerwährend ein neues Wärmegleichgewicht finden muß; mit anderen Worten: die Masse des Wärmetauschers wird in ihrem Temperatur-Niveau hin- und hergefahren. Wird bei einem Wärmetauscher auf der Heißgasseite teilumfahren, hat dies zur Konsequenz, daß die Veränderung der Vorheiztemperatur nur über die Veränderung des Wärmegleichgewichts der gesamten Masse des Wärmetauschers vollzogen werden kann, d.h., nur mittels eines sehr trägen Prozesses. Letzteres ist demnach als Spontan-Regelorgan nicht geeignet und deshalb seltener.Bypass or by-pass techniques in post-combustion devices always have the property that bypassing on one side (hot side or cold side) that the mass of the heat exchanger - due to the regulation of the by-pass - must constantly find a new heat balance; in other words: the mass of the heat exchanger is moved back and forth in its temperature level. If a heat exchanger is partially circumnavigated on the hot gas side, this has the consequence that the change in the preheating temperature can only be achieved by changing the thermal equilibrium of the entire mass of the heat exchanger, i.e. only by means of a very slow process. The latter is therefore not suitable as a spontaneous regulator and is therefore less common.

Wird allein auf der Kaltgasseite teilumfahren, dann ist die Regelgeschwindigkeit zwar spontan zu nennen, aber mit abnehmendem Volumenstrom im Wärmeaustauscher wird die dort noch strömende verringerte Luftmenge höher vorgeheizt, und zwar umso höher, je größer die By-pass-Entnahme ist. Diese Eigenschaft hat mitunter einen extremen Vorabbrand der brennbaren Substanz im Wärmetauscher zur Folge. Sie macht diesen für die Verbrennung der oxidierbaren Substanzen meist nicht geeigneten Wärmetauscher zu einer Brennkammerstufe und dies verbunden mit allen negativen Auswirkungen.If you drive around alone on the cold gas side, the control speed must be mentioned spontaneously, but as the volume flow in the heat exchanger decreases, the reduced amount of air still flowing there is preheated, and the higher the by-pass extraction, the higher. This property sometimes results in extreme burn-up of the combustible substance in the heat exchanger. It turns this heat exchanger, which is usually unsuitable for the combustion of the oxidizable substances, into a combustion chamber stage and this, together with all the negative effects.

Hinzu kommt noch der generelle Anstieg des Temperatur-Niveaus dieses Austauschers, ein Prozeß, der aufgrund seiner meist großen Masse langsam abläuft.In addition, there is the general increase in the temperature level of this exchanger, a process that is slow due to its mostly large mass.

Obwohl als Lösung der einseitigen Umfahrung des Wärmetauschers im Sinne der Praktikabilität nur die Kaltumfahrung in Frage kommt, so hat diese doch weitere wichtige Beschränkungen und negative Folgen: sie zwingt zu einer sehr guten Einmischung des kalten, nicht torgeheizten By-pass-Volumenstroms in und mit der vorgeheizten sehr heißen Luft. Dieser Zwang ist dadurch begründet, daß Temperaturunterschiede in den Brennkammer-Strömungs-Querschnitten von 15 K schon unzureichenden Ausbrand und hohe CO-Werte bedeuten können. Daraus resultiert, der Zwang zum Anheben der Temperatur dieses Brennraumes um ebenso 15 K. Im gehobenen Temperaturbereich moderner Anlagen mit kleiner Brenner-Grundlast und den sehr hohen Endreinheitspflichten bedeuten aber weitere 15 K u.U. schon eine größere technologische Pflicht.Although the solution of the one-sided bypass the heat exchanger within the meaning of Praktikabil i ty only the cold bypass out of the question, but it has nevertheless other important limitations and negative consequences: it forces to a very good mixing of the cold, not gated heated by-pass flow rate in and with the preheated very hot air. This constraint is due to the fact that temperature differences in the combustion chamber flow cross sections of 15 K can mean inadequate burnout and high CO values. The result of this is that the temperature of this combustion chamber has to be raised by as much as 15 K. In the higher temperature range of modern systems with a low burner base load and the very high final cleanliness requirements, another 15 K may mean a greater technological obligation.

Die hohen Anforderungen an den Ausbrand bei Vermeidung höherer Werte für CO und NOx zwingen zu guter Mischtechnik und Brennraumtechnik. Die Forderung nach spontaner Anpassung der Verbrennungstechnik an die immer schneller werdenden und schneller reagierenden Produktionsprozesse, die Sicherheitsanforderungen und der Wunsch nach großer Verfügbarkeit und Lebensdauer lassen bei herkömmlicher Technologie oft nur solche Energieregelungssysteme zu, die aus der beidseitigen Umfahrung des Wärmeaustauschers bestehen. Im Vergleich zur einseitigen (Kalt-)Umfahrung gleichen beidseitige By-pass-Systeme auch ungleich größerer Unterschiede von Konzentrationen oxidierender Substanz aus. Wenn es also um große Kapazitätsschwankungen und höhere Qualitätsanforderungen an die Verfahrenstechnik geht, dann kommen bei solider Technik oft nur beidseitige Umfahrungen in Frage. Dies hat besonders dort Gültigkeit, wo die brennbare Substanz eine niedrige Zündtemperatur hat, z. B. bei den mineralischen Ölen und den Benzinen. Die allein aus einer Kaltumfahrung resultierende zusätzliche Temperaturerhöhung des Wärmeaustauschers könnte unzulässige Folgen für die CO-Generierung im Wärmeaustauscher haben und ebensolche Folgen auch für die Stähle; denn es ist gemeinhin bekannt, daß CO ein Kohlenstofflieferant ist und zur Versprödung der Stähle im höheren Temperaturbereich, aber auch zur rascheren Abzunderung führen kann.The high demands on burnout while avoiding higher values for CO and NOx force good mixing technology and combustion chamber technology. The demand for spontaneous adaptation of the combustion technology to the ever faster and more responsive production processes, the safety requirements and the desire for great availability and durability often only allow energy control systems with conventional technology that consist of the heat exchanger being bypassed on both sides. Compared to the one-sided (cold) bypass, bilateral by-pass systems also compensate for much larger differences in concentrations of oxidizing substance. So when it comes to large capacity fluctuations and higher quality requirements for process engineering, then solid technology often only allows bypasses on both sides. This is particularly true where the combustible substance has a low ignition temperature, e.g. B. mineral oils and petrol. The additional temperature increase of the heat exchanger resulting solely from a cold bypass could have inadmissible consequences for the CO generation in the heat exchanger and also for the steels; because it is generally known that CO is a carbon supplier and can lead to embrittlement of steels in the higher temperature range, but also to faster scaling.

Eine hohe CO-Generierung ist tunlichst zu vermeiden. Hohe CO-Produktion ist aber mit der By-pass-Technik geradezu verknüpft: Je höher die Konzentration der brennbaren Substanz, je länger die Verweildauer im Wärmeaustauscher, desto höher die CO-Generierung. Der By-pass-Betrieb ist dabei weiterer Verstärker dieser Zusammenhänge.High CO generation should be avoided as far as possible. However, high CO production is virtually linked to by-pass technology: the higher the concentration of the combustible substance, the longer the residence time in the heat exchanger, the higher the CO generation. By-pass operation is a further amplifier of these relationships.

By,-pass-Techniken sind in aller Regel technisch aufwendig, teuer und verlangen ein hohes Maß an Regelung und Überwachung. So müssen bei beidseitiger Umfahrung des Wärmeaustauschers die Volumenströme in jedem Regelmoment möglichst gleichgroß sein und die Regelorgane müssen stets parallel fahren.By-pass techniques are usually technically complex, expensive and require a high degree of regulation and monitoring. If the heat exchanger is bypassed on both sides, the volume flows in each control moment must be as large as possible and the control elements must always run in parallel.

Die By-pass-Systeme sind auch aufwendig in der Konstruktion, in der Detaiitechnik, in der Montage und Inbetriebnahme. Im Betrieb benötigen sie einen erhöhten Serviceaufwand.The by-pass systems are also complex in terms of construction, detailed technology, assembly and commissioning. They require an increased amount of service during operation.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß eine fortwährende Einstellung der Wärmeleistung des Brenners in Folge von Konzentrationsschwankungen der oxidierbaren Bestandteile im Prozeß-Abgas nicht erfolgen muß, so daß insbesondere Temperaturspitzen vermieden werden, wobei gleichzeitig sichergestellt sein soll, daß ein übliche Werte übersteigender Anstieg der Störstoffkonzentration des der Verbrennungsvorrichtung zuzuleitenden Prozeß-Abgases problemlos bewältigt werden kann, und daß insbesondere Material-Belastungen und Ermüdungen durch hohe Temperaturwechselgeschwindigkeiten unterbleiben.The object of the present invention is to develop the method of the type described in the introduction such that a continuous adjustment of the heat output of the burner as a result of concentration fluctuations of the oxidizable constituents in the process exhaust gas does not have to take place, so that in particular temperature peaks are avoided, at the same time being ensured It is intended that a rise in the impurity concentration of the process exhaust gas to be fed to the combustion device, which exceeds the usual values, can be coped with without problems, and in particular that material stresses and fatigue caused by high temperature change rates are avoided.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß die Konzentration der in der Brennkammer oxidierbaren Bestandteile auf einem einstellbaren Wert gehalten wird und daß die Eintrittstemperatur des der Nachverbrennungsvorrichtung zuzuführenden aus zu reinigendem Prozeß-Abgas, gereinigtem Prozeß- Abgas und Frischluft bestehenden Gasgemischs auf einem einstellbaren Wert gehalten wird. Mit anderen Worten wird bei steigender Konzentration brennbarer Substanz ab jenem Moment, an dem der Brenner in seinem Regelminimum (seiner Grundlast) angelangt ist, in geregeltem Umfang und in der Menge zunehmend mit dem Anwachsen der Konzentration brennbarer Substanz, gereinigtes Prozeßabgas zusammen mit Frischluft zugemischt. Die Zumischung erfolgt jederzeit in eben dieser Menge, wie sie zur Aufrechterhaltung der Temperatur in der Brennkammer gemäß deren Sollwert erforderlich wird. Der Brenner selbst bleibt während des Zumischbetriebs im Regelminimum stehen, und greift nicht länger in das Geschehen ein. Die Herstellung der Mischluft-Temperatur obliegt einen zweiten Regelkreis, durch welchen entschieden wird, ob mehr oder weniger warmes gereinigtes Abgas oder kalte Frischluft beigemischt werden. Das Maß für diese Regelaufgabe ist die jeweilige Abweichung der Abgas-Isttemperatur von ihrer Solltemperatur. D.h. zusätzlich wird die Eintrittstemperatur des der Nachverbrennungsvorrichtung zuzuführenden aus zu reinigendem Prozeß-Abgas, gereinigtem Prozeß-Abgas und Frischluft bestehenden Gasgemischs auf einen einstellbaren Wert gehalten. Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, daß dem an brennbarer Substanz zu reichen Prozeß-Abgas vor Eintritt in die Nachverbrennungsvorrichtung und vor deren Wärmeaustauscher eine angemessene Menge Luftgemisch aus mehr oder weniger bereits gereinigter Abluft und weniger oder mehr Frischluft beigemischt wird, und zwar in gerade derjenigen Menge, die nötig ist, um bei Regelungs-Minimum des Brenner durch einen Verdünnungsbetrieb die Brennraumtemperatur konstant zu halten. D.h., bei konstant im Minimum fahrendem Brenner wird so die Brennkammertemperatur exakt konstant geregelt und gleichzeitig die Konzentration der brennbaren Substanz im Abgas ebenfalls nahezu konstant gefahren.This object is achieved according to the invention in that the concentration of the oxidizable constituents in the combustion chamber is kept at an adjustable value and that the inlet temperature of the gas mixture to be cleaned consisting of process exhaust gas, purified process exhaust gas and fresh air to be supplied to a gas mixture adjustable value is kept. In other words, with increasing concentration of combustible substance from the moment the burner has reached its control minimum (its base load), the amount increases with the amount and in a controlled manner grow the concentration of combustible substance, cleaned process exhaust gas mixed in with fresh air. The admixture is carried out at any time in the amount required to maintain the temperature in the combustion chamber in accordance with its setpoint. The burner itself remains at a minimum during the mixing operation and no longer intervenes in the process. The production of the mixed air temperature is the responsibility of a second control circuit, by means of which it is decided whether more or less warm cleaned exhaust gas or cold fresh air is added. The measure for this control task is the respective deviation of the actual exhaust gas temperature from its target temperature. In other words, the inlet temperature of the gas mixture to be supplied to the afterburning device and consisting of process exhaust gas to be cleaned, purified process exhaust gas and fresh air is kept at an adjustable value. According to the invention, it is therefore proposed that an adequate amount of air mixture of more or less already cleaned exhaust air and less or more fresh air is added to the process exhaust gas, which is to be rich in combustible substance, before entering the afterburning device and before its heat exchanger, and in just that amount, which is necessary to keep the combustion chamber temperature constant at a minimum control of the burner by dilution. In other words, with the burner moving at a constant minimum, the combustion chamber temperature is regulated in a precisely constant manner and, at the same time, the concentration of the combustible substance in the exhaust gas is also almost constant.

Hierdurch ergeben sich u.a. Vorteile, die sich dadurch auszeichnen, daß die Brennraumtemperatur stets auf der Sollhöhe ausgeregelt wird und unter gleichen Bedingungen auch nicht überschwingen kann, daß der Wärmetauscher stets ein gleiches Temperatur-Niveau behält, ungeachtet der Störstoffekonzentration und des Grades der Überflußenergieregelung, daß die Verweildauer des aufzuheizenden Mediums im Wärmetauscher mit zunehmender Energie-Regelung nicht zunimmt sondern abnimmt, daß die CO-Generierung dann nicht zunimmt, sondern eher abnimmt, daß der Wärmeaustauscher nicht in verstärktem Umfang zur Vorverbrennzone wird, sondern eher weniger, daß die Vorwärmtemperatur nicht fluktuiert, sondern konstant bleibt, daß Temperaturgleichgewichte konstant bleiben, daß weitere Vorteile mit dieser Technik verbunden seien, wie ein bei konstant warmer Temperatur ablaufender Stillstands- oder Warmhaltebetrieb, ein verbilligtes Anfahren des gesamten Systems, ein kürzeres Anfahren des gesamten Systems, ein Verlängern der Lebensdauer des Geräts durch Abbau nahezu aller größeren Temperaturspitzen und -oberwellen, ein Abbau der Kohlenstoffdiffusion in die Stähle durch Senken der CO-Pegel und damit der längere Erhalt der Eigenschaften dieser Stähle, das Vermeiden von Umschaftschocks durch Schalten von Prozeßluft und Kaftluft, superschnelles Reagieren auf prozessuale Veränderungen so wie es auch der Brenner kann (oder gar schneller), ein niedrigeres CO-Niveau durch geringere Selbstgenerierung, ein niedrigeres NOx-Niveau durch die Vermeidung einer angehobenen Brennraumtemperatur sowie das Gegensteuern gegen eine zu hohe Ablufttemperatur, wenn die Konzentration an brennbare Substanz ohnehin schon zu hoch ist für den Brennerregelbetrieb.This results in Advantages that are characterized by the fact that the combustion chamber temperature is always adjusted to the desired level and cannot overshoot under the same conditions, that the heat exchanger always maintains the same temperature level, regardless of the concentration of impurities and the degree of excess energy control, that the length of time that is to be heated Medium in the heat exchanger does not increase but increases with increasing energy control, so that the CO generation does not increase, but rather decreases, so that the heat exchanger does not become a pre-combustion zone to an increased extent, but rather less that the preheating temperature does not fluctuate, but remains constant that temperature equilibria remain constant, that there are further advantages associated with this technology, such as a standstill or warm-up operation that takes place at a constantly warm temperature, a cheaper start-up of the entire system, a shorter start-up of the entire system, a lengthening rn the service life of the device by reducing almost all major temperature peaks and harmonics, reducing the carbon diffusion in the steels by lowering the CO level and thus maintaining the properties of these steels for a longer time, avoiding environmental shocks by switching process air and caftar air, superfast React to procedural changes as the burner can (or even faster), a lower CO level due to less self-generation, a lower NOx level by avoiding an increased combustion chamber temperature and countermeasures against an excessively high exhaust air temperature if the concentration increases combustible substance is already too high for burner control.

Erfindungsgemäß wird die Konzentration der oxiderbaren Bestandteile nach Erreichen des Brennerminimums stets gleichbleibend so eingeregelt, daß die aus der Verbrennung der oxidierbaren Bestandteile freiwerdende Wärmemenge die Brennraum-Temperatur exakt auf Soll-Niveau hält, sie also nicht fallen oder steigen läßt.According to the invention, the concentration of the oxidizable constituents is always adjusted in a constant manner after the burner minimum has been reached so that the amount of heat released from the combustion of the oxidizable constituents keeps the combustion chamber temperature exactly at the desired level, that is to say it does not drop or rise.

Auch die folgende Eigenschaft ist mit der erfindungsgemäßen Lösung verbunden: die Konstanz der Austrittstemperatur des gereinigten und wieder abgekühlten Abgases aus der Nachverbrennungsvorrichtung. Während konventionelle By-pass-Anlagen Schwankungen von bis zu 150 K (= 270°F) verursachen, läuft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Regelvorgang bei fast konstanter Temperatur ab. Diese Konstanz hat nicht nur die bereits gemachten positiven Auswirkungen auf die Vorrichtung selbst, sondern auch auf alle nachfolgende Gerätschaft: alle nachfolgende Technik ist allein für das niedrige Standard-Temperatur-Niveau auszulegen und anzufertigen. Dies gilt bis hin zum Kamin.The following property is also associated with the solution according to the invention: the constancy of the outlet temperature of the cleaned and again cooled exhaust gas from the afterburning device. While conventional by-pass systems cause fluctuations of up to 150 K (= 270 ° F), in the method according to the invention the control process takes place at an almost constant temperature. This consistency not only has the positive effects already made on the device itself, but also on all subsequent equipment: all subsequent technology must be designed and manufactured solely for the low standard temperature level. This applies to the fireplace.

Eine zukunftsweisende und wesentliche Eigenschaft des Systems ist seine gefahrlose Eignung für den Einsatz höchstvorheizender Wärmeaustauscher. Wo konventionelle, By-pass ausgestattet Anlagen mit der Vorheizung wegen des CO-Problems schon Schluß machen müssen - genannt und in der Literatur nachweisbar sind max. 550°C (1022°F) - da ist das erfindungsgemäße System lange noch nicht am Ende: die Vorheizung kann bis 650°C (1202°F) betrieben werden, und erwähntermaßen fast schwankungsfrei.A future-oriented and essential property of the system is its safe suitability for the use of highly preheating heat exchangers. Where conventional, by-pass systems have to put an end to preheating due to the CO problem - mentioned and documented in the literature are max. 550 ° C (1022 ° F) - the system according to the invention is far from over: the preheating can be operated up to 650 ° C (1202 ° F) and, as mentioned, almost without fluctuations.

Das Maß für die Zumischung von Luft zur ungereinigten Prozeßluft ist dann die Überschußmenge an brennbarer Substanz oberhalb der bei Brennergrundlast maximal möglichen Kapazität.The measure of the admixture of air to the unpurified process air is then the excess amount of combustible substance above the maximum possible capacity with a burner base load.

Eine weitere Größe definiert im Zudosierbetrieb die Mischung aus mehr oder aus weniger Warmluft und Kaltluft: die Höhe der Prozeßluft-Temperatur. Ist diese Temperatur auch noch oberhalb der nominalen Größe, dann wird bei Anforderung von Mischluft zunächst erst frische Luft und erst nach Erreichen der nominalen Temperatur auch Warmluft hinzufließen.Another variable defines the mixture of more or less warm air and cold air in metering mode: the level of the process air temperature. If this temperature is also above the nominal value, fresh air will only flow in first when mixed air is requested and warm air will only flow in after the nominal temperature has been reached.

Ist jedoch die Temperatur unakzeptabel niedrig, so wird zunächst bei Bedarf auch nur Warmluft fließen. D.h., das System erhält zu jeder Zeit und an jeder Stelle das normale Temperatur-Niveau, a) für das Medium, b) für die Vorrichtung. Dahingegen sind By-pass-Anlagen gewaltigen Schwankungen unterworfen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entfällt folglich ein 'Hin- und Herzerren' der Bauelemente. Alles ist warm und bleibt warm oder ist heiß und bleibt heiß. Der Betrieb nähert sich dem Idealbetrieb und erreicht ihn: den völligen Konstantlauf aller Glieder über Lange Zeit.However, if the temperature is unacceptably low, only warm air will flow if necessary. This means that the system maintains the normal temperature level at all times and at all points, a) for the medium, b) for the device. In contrast, by-pass systems are subject to huge fluctuations. In the method according to the invention, there is therefore no need for the components to be pulled back and forth. Everything is warm and stays warm or is hot and stays hot. The company approaches and achieves the ideal company: the complete constant running of all links for a long time.

Zum anderen wird ein Teil der oben spezifizierten Eigenschaften auch dadurch erreicht, daß beim Ausfall des Prozeßluftstromes (prozeßbedingt und störungsbedingt) eine kleine Menge ebenso gemischtes und auf die normale Prozeßluft-Temperatur geregelter Warmluft den Betrieb in sparsamster Weise fortgesetzt, und dadurch die völlige Gleichheit der Größenordnungen aller Temperaturen mit dem normalen Prozeß-Betrieb an einer jeden Stelle der Anlage aufrechterhält und sie für den späteren Weiterbetrieb mit Prozeß-Abgas sicherstellt.On the other hand, some of the properties specified above are also achieved by the fact that in the event of a process air flow failure (process-related and fault-related), a small amount of equally mixed hot air regulated to the normal process air temperature continues to operate in the most economical manner, and thereby the complete equality of the Maintains orders of magnitude of all temperatures with the normal process operation at each point of the system and ensures them for later operation with process exhaust gas.

Eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4 zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen der Vorrichtung und der Gaszuführung eine Verbindung besteht, über die im gewünschten Umfang innerhalb der Vorrichtung gereinigtes Prozeß-Abgas im Kreislauf führbar ist, daß die Regulierung der Temperatur des dem zu reinigenden Prozeß-Abgas zuzumischenden gereinigten Prozeß-Abgases bzw. der Frischluft über Regelorgane wie Klappen erfolgt, deren Regelgröße von der Temperatur bestimmbar ist, die das aus zu reinigendem Abgas und gereinigtem Abgas und/oder Frischluft bestehende Gasgemisch an der Druckseite des Gebläses aufweist, und daß die Wärmetauscherrohre an ihren kalten Enden nach außen abgebogen und von gereinigtem Prozeß-Abgas umströmbar sind. Dabei verläuft die Verbindung vorzugsweise zwischen dem Prozeß-Abgas-Auslaß und der Zuführung. Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, mit konstruktiv einfachen Mitteln, ohne daß diese innerhalb der Vorrichtung verlaufen und dort z. B. Klappenmechanismen aufweisen, dem zu reinigenden Prozeß-Abgas im erforderlichen Umfang gereinigtes Prozeß-Abgas und/oder Luft zuzuführen, um den Anteil der oxidierbaren Bestandteile auf einem konstanten Wert zu hatten und das Prozeßgas in seiner Temperatur zu korrigieren.A device according to the preamble of claim 4 is characterized in that there is a connection between the device and the gas supply, via which process exhaust gas cleaned to the desired extent within the device can be circulated in that the regulation of the temperature of the to be cleaned Process exhaust gas to be admixed cleaned process exhaust gas or the fresh air via control elements such as flaps, the controlled variable of which can be determined by the temperature which the gas mixture consisting of exhaust gas to be cleaned and cleaned exhaust gas and / or fresh air has on the pressure side of the blower, and that the heat exchanger tubes are bent outwards at their cold ends and the process exhaust gas can flow around them. The connection preferably runs between the process exhaust gas outlet and the feed. This gives the possibility of using structurally simple means without them running inside the device and z. B. have flap mechanisms, the process exhaust gas to be cleaned to the extent required to supply cleaned process exhaust gas and / or air in order to have the proportion of the oxidizable constituents at a constant value and to correct the temperature of the process gas.

Demnach werden Verbrennungs-Vorrichtungen so ausgebildet, daß zwischen dem Prozeß-Abgas-Auslaß und der Prozeß-Abgäs-Zuführung eine Verbindung hergestellt wird, die es erlaubt, im gewünschten Umfang gereinigtes Abgas im Kreislauf- oder Rückführbetrieb zu führen, stets mit gleicher, mehr oder auch weniger Frischluft vermengt.Accordingly, combustion devices are designed in such a way that a connection is made between the process exhaust gas outlet and the process exhaust gas supply, which allows exhaust gas which has been cleaned to the desired extent to be circulated or recirculated, always with the same, more or less fresh air mixed.

Die Zumischung der so erzeugten Mischluft mit dem Prozeß-Abgas erfolgt nahe der Saugseite des Prozeß- Abgas-Gebläses.The mixed air thus generated is admixed with the process exhaust gas near the suction side of the process exhaust gas blower.

Die Rückführung von Warmluft geschieht extern und mit konstruktiv einfachen Mitteln. Die Dosierung der Warmluft und der Kaltluft übernehmen je ein selbständiges Regel-Organ, d.h. Klappen oder Ventile.The warm air is recirculated externally and using simple design means. The dosing of the warm air and the cold air each take over an independent control body, i.e. Flaps or valves.

Die Bestimmung der jeweiligen Warm- und Kaftluftmenge übernimmt ein Temperatur-Regler, der die Temperatur der zur Nachverbrennungs-Vorrichtung geförderten Prozeß-Mischluft überwacht.A temperature controller, which monitors the temperature of the mixed process air conveyed to the afterburning device, takes over the determination of the respective hot and caft air quantity.

Die Bestimmung der insgesamt zu fördernden Luftmenge bestimmt der Temperatur-Regler, der für die Konstanz der Brennraumtemperatur verantwortlich ist.The temperature controller, which is responsible for the constancy of the combustion chamber temperature, determines the total amount of air to be conveyed.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:

  • Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Nachverbrennungs-Prozesses von Prozeß-Abgas enthaltend oxidierbare Bestandteile mit 'By-pässen' zum Zwecke der Energieregelung,
  • Fig. 2 einen erfindungsgemäß ablaufenden Prozeß und
  • Fig. 3 eine den erfindungsgemäßen Prozeß realisierende Nachverbrennungs-Vorrichtung.
Further details, advantages and features of the invention result not only from the claims, the features to be extracted from them - individually and / or in combination - but also from the following description of a preferred exemplary embodiment shown in the drawing. Show it:
  • 1 is a schematic diagram of a post-combustion process of process exhaust gas containing oxidizable components with 'by-pass' for the purpose of energy control,
  • Fig. 2 shows a process running according to the invention and
  • 3 shows an afterburning device implementing the process according to the invention.

Anhand der Fig. 1 soll eine konventionelle Energieüberschußregelung verdeutlicht werden wobei die wesentlichen Elemente der Nachverbrennungsvorrichtung (10) rein schematisch dargestellt sind. Das zu reinigende Prozeßgas wird über ein Gebläse (12) und die Prozeßgas- oder Prozeß-Abgas- oder Trägergas-Zuführung (14) zur Nachverbrennungsvorrichtung gebracht. Sodann durchströmt das zu reinigende Prozeßgas einen Wärmetauscher (16), um in einen Brennraum (18) zu gelangen, in dem die oxidierbaren Bestandteile verbrannt werden, soweit sie nicht schon im Wärmetauscherteil verbrannt sind. Der Brennraum (18) kann über ein nicht dargestelltes Hochgeschwindigkeitsrohr von einem Brenner (20) ausgehen, dessen Brennstoffzufuhr über ein Regelventil (22) einstellbar ist. Vom Brennraum (18) gelangt das gereingte Abgas erneut über den Wärmetauscher (16), um in diesem das noch zu reinigende Prozeßgas rekupera- tiv vorzuwärmen.A conventional excess energy control is to be illustrated with the aid of FIG. 1, the essential elements of the afterburning device (10) being shown purely schematically. The process gas to be cleaned is brought to the afterburning device via a blower (12) and the process gas or process exhaust gas or carrier gas supply (14). Then the process gas to be cleaned flows through a heat exchanger (16) in order to reach a combustion chamber (18) in which the oxidizable components are burned, provided that they have not already been burned in the heat exchanger part. The combustion chamber (18) can emanate from a burner (20) via a high-speed pipe (not shown), the fuel supply of which can be adjusted via a control valve (22). From the combustion chamber (18) the Purified exhaust gas passes again through the heat exchanger (16) to preheat in this still to be cleaned process gas recuperator t i v.

Anschließend wird das gereinigte Abgas über eine Leitung (24) abgeführt. Sofern größere Schwankungen im Prozeßgas hinsichtlich der Konzentration der zu oxiderenden Bestandteile - also in der Leitung (14) - auftreten, sind By-pässe (26) und (28) vorgesehen, die dem Anstieg der Temperatur in der Brennkammer (18) so entgegenwirken, daß sie durch teilweises Umfahren des Wärmetauschers (16) das Niveau der Vorheizung soweit absenken, wie die Zunahme (Schwankung) der Konzentration brennbarer Substanz es erfordert. Der Brenner (22) feuert dabei solange in seinem Regelungs-Minimum, als die übergroße Zufuhr brennbarer Substanz anhält.The cleaned exhaust gas is then discharged via a line (24). If there are major fluctuations in the process gas with regard to the concentration of the constituents to be oxidized - that is, in the line (14) - bypasses (26) and (28) are provided, which counteract the increase in temperature in the combustion chamber (18). that by partially bypassing the heat exchanger (16) they lower the level of the preheating as much as the increase (fluctuation) in the concentration of combustible substance requires. The burner (22) fires in its control minimum as long as the excessive supply of combustible substance continues.

In diesem Prozeß ist die By-pass-Regelung (26) als eine Verbindung für Kaltgase und die By-pass-Regelung (28) für Heißgase ausgelegt. Jede By-pass-Regelung (26) bzw. (28) weist eine in/oder um die Vorrichtung (10) verlaufende Leitung (30) bzw. (32) auf, die Regelmechanismen wie Ventile (34.1) bzw. (36.1) haben, um so im gewünschten Umfang den By-pass modulierend zu fahren oder außer Betrieb zu setzen. Dabei stellt die By-pass-Anordnung (26) zwischen dem in der Leitung (14) strömenden kalten Prozeßgas und dem Brennervorraum - in der schematischen Darstellung mündet die Leitung in den Brennraum 18) - her. Die By-pass-Anordnung (28) stellte eine Verbindung zwischen dem Brennraum (18) und dem Abgasauslaß (24) her. Da ein By-pass nur solange seine Fördermenge anheben kann, als die im Wärmetauscher fließende Restmenge größeren Fließwiderstand erfährt als die im By-pass strömende Menge, ist die Regeffähigkeit schnell erschöpft, wenn nicht ein zweites Regelorgan die Hauptseite abdrosselt und so die By-pass-Förderung kontinuierlich steigert. Diese Organe sind mit (34.2) und (36.2) bezeichnet.In this process, the by-pass control (26) is designed as a connection for cold gases and the by-pass control (28) for hot gases. Each by-pass control (26) or (28) has a line (30) or (32) running in / or around the device (10), which has control mechanisms such as valves (34.1) or (36.1) in order to drive the bypass in a modulating manner or to put it out of operation. The by-pass arrangement (26) between the cold process gas flowing in the line (14) and the burner antechamber - in the schematic representation the line opens into the combustion chamber 18). The by-pass arrangement (28) established a connection between the combustion chamber (18) and the exhaust gas outlet (24). Since a by-pass can only increase its flow rate as long as the remaining amount flowing in the heat exchanger experiences greater flow resistance than the amount flowing in the by-pass, the ability to regulate is quickly exhausted unless a second control device throttles the main side and thus the by-pass Funding increases continuously. These organs are labeled (34.2) and (36.2).

Die der Vorrichtung (10) nachgeschalteten Einrichtungen zur Verwertung von Restwärme in der gereinigten Abluft sind in Fig. 1 in Form von einem Warmwasser-/Luft-Wärmetauscher gezeigt. Die Einrichtung umfaßt einen Wärmetauscher (65), das durch Klappen (63.1) und (63.2) dargestellte By-pass-Regelorgan zum Vergrößern oder Verringern der zu wechselnden Wärme, der By-pass-Leitung (62) und der Wiedervereinigungs-Leitung (64), und aus dem Wasser-Kreislauf (61) mit seinen Verbrauchern (67) und seiner Kreislaufpumpe (66).The devices downstream of the device (10) for utilizing residual heat in the cleaned exhaust air are shown in FIG. 1 in the form of a hot water / air heat exchanger. The device comprises a heat exchanger (65), the by-pass control element represented by flaps (63.1) and (63.2) to increase or decrease the heat to be changed, the by-pass line (62) and the reunification line (64 ), and from the water circuit (61) with its consumers (67) and its circuit pump (66).

Nach Verlassen des Wärmeaustauschers (65) oder teilweisen bis vollständigem Umfahren desselben strömt die weiter abgekühlte Abluftmenge dem Raum (68) zu.After leaving the heat exchanger (65) or partially or completely bypassing it, the further cooled amount of exhaust air flows to the room (68).

Alle Elemente der Vorrichtung (10) müssen wie auch die Abgas-Leitung (33) für die maximale Temperatur ausgelegt sein, die erzeugt werden kann.All elements of the device (10) and the exhaust gas line (33) must be designed for the maximum temperature that can be generated.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum kontrollierten Nachverbrennen von oxidierbaren Bestandteilen im Prozeß-Abgas (Abluft, Trägergas) ist der Fig. 2 zu entnehmen. Dabei sind Elemente, die denen der Fig. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.The method according to the invention for the controlled afterburning of oxidizable constituents in the process exhaust gas (exhaust air, carrier gas) can be seen in FIG. 2. Elements which correspond to those in FIG. 1 are provided with the same reference symbols.

Das zu reinigende Prozeßgas wird über eine Zuführleitung (14), in der ein Prozeßabgasgebläse (38) mit Volumenstromregelung (hier als Drehzahl-Veränderung gezeigt) angeordnet ist, dem Wärmetauscher (16) und anschließend dem Brennraum (18) zugeführt. Es wird das zu reinigende Prozeßgas nach dessen Vorwärmung im Wärmetauscher (16) in den unmittelbaren Bereich des Brenners (20) geleitet, um von dort über ein hier nicht dargestelltes Hochgeschwindigkeitsrohr in den eigentlichen Hauptbrennraum (18) zu gelangen. Der Brenner (20) wird mittels eines Regelventils (22) mit der in jedem Augenblick erforderlichen Menge Brennstoffs versorgt. Nach dem Brennraum (18) gelangt das jetzt gereinigte Abgas über die Heißgas-Seite des Wärmetauschers (16) zum Auslaß (24). Sollte die Konzentration der zu reinigenden Abgase über das Regelvermögen des Brenners hinaus ansteigen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß durch Beimischung von bereits gereinigtem Abgas, vermengt mit Frischluft, eine Korrektur der Konzentration so vorgenommen wird, daß in die Vorrichtung (10) nur ein solches Abgas geführt wird, dessen Anteil an oxidierbarer Substanz (wie z. B. Lösungsmitteln) gleichbleibend hoch ist. Hierdurch ist gewährleistet, daß der Brenner (20) mit stets gleichbleibendem Regelungs-Minimum (-Grundlast) gefahren werden kann. Da der spezifische Anteil der zu verbrennenden Substanz nun gleich bleibt, ist die Konstanz der Temperaturen innerhalb der Vorrichtung (10) gewährleistet, wodurch deren Bau-Elemente, insbesondere auch die Rohre des Wärmetauschers (16) keinen Dehnungsschwankungen und Spannungsschwankungen unterworfen werden. Hierdurch wird die Lebensdauer des Wärmetauschers verlängert.The process gas to be cleaned is fed to the heat exchanger (16) and then to the combustion chamber (18) via a feed line (14) in which a process exhaust gas blower (38) with volume flow control (shown here as a speed change) is arranged. After it has been preheated in the heat exchanger (16), the process gas to be cleaned is passed into the immediate area of the burner (20) in order to get from there to the actual main combustion chamber (18) via a high-speed pipe (not shown). The burner (20) is supplied with the amount of fuel required at any moment by means of a control valve (22). After the combustion chamber (18), the now cleaned exhaust gas reaches the outlet (24) via the hot gas side of the heat exchanger (16). If the concentration of the exhaust gases to be cleaned increases beyond the control capacity of the burner, it is proposed according to the invention that by adding already cleaned exhaust gas, mixed with fresh air, the concentration is corrected so that only such an exhaust gas is added to the device (10) is carried out, the proportion of oxidizable substance (such as solvents) is consistently high. This ensures that the burner (20) can always be operated with the same minimum regulation (basic load). Since the specific proportion of the substance to be burned remains the same, the constancy of the temperatures inside the device (10) is ensured, so that its structural elements, in particular also the tubes of the heat exchanger (16), are not subjected to expansion fluctuations and voltage fluctuations. This extends the life of the heat exchanger.

Die Regelung erfolgt dabei erwähntermaßen in Abhängigkeit der über ein Thermoelement (49) im Brennraum ermittelten Temperatur (Ist-Temperatur), die in einem Temperaturregler (49.1) mit einer Solltemperatur verglichen wird. In Abhängigkeit von der Abweichung zwischen Ist- und Solltemperatur wird zunächst über das Ventil (22) die Brennstoffzufuhr so geregelt, daß der Brenner (20) auf Minimum-Last fährt. Dies wird durch einen Minimum-Schalter (22.1) angezeigt. Anschließend erfolgt eine Beeinflussung von Stellorganen (46.1) und (46.2) für das Beimischen von Frischluft und/oder gereinigtem Prozeß-Abgas zu dem zu reinigenden in der Leitung (14) geführten Prozeß-Abgas, um die Temperatur im Brennraum (18) auf dem Sollwert zu haften.As mentioned, the regulation takes place as a function of the temperature (actual temperature) determined in the combustion chamber via a thermocouple (49), which is compared in a temperature controller (49.1) with a target temperature. Depending on the deviation between the actual and the target temperature, the fuel supply is first regulated via the valve (22) in such a way that the burner (20) runs at minimum load. This is indicated by a minimum switch (22.1). Subsequently, actuators (46.1) and (46.2) for the admixture of fresh air and / or cleaned process exhaust gas are influenced to the process exhaust gas to be cleaned, which is guided in line (14), by the temperature in the combustion chamber (18) on the Setpoint to stick.

Der Abgriff der gereinigten und im Wärmeaustauscher (16) abgekühlten Abluft erfolgt am Abgasauslaß (24) -verdeutlicht durch den Verbindungspunkt (42), von wo aus sie in der Leitung (44) zur Vereinigungsstelle (47) fließt, welche Mischeigenschaften haben kann. Die jeweils benötigte oder angeforderte Menge gereinigte Luft wird mittels einer Regelklappe (46.1) bereitgestellt. Die adäquate Frischluftmenge fließt über das Regelorgang wie Regelklappe (46.2) an die Mischstelle (47). Die Ansaugung beider Mengen - jetzt als Mischluftmenge - geschieht durch Unterdruck in der Leitung (48). Die Leitung (48) mündet in die Prozeß-Abluft-Leitung (14), in welcher dieser Unterdruck oder Saugdruck konstant erhalten wird.The cleaned and cooled in the heat exchanger (16) exhaust air is tapped at the exhaust outlet (24) - illustrated by the connection point (42), from where it flows in the line (44) to the union (47), which can have mixing properties. The amount of cleaned air required or requested is provided by means of a control flap (46.1). The adequate amount of fresh air flows through the control system like the control flap (46.2) to the mixing point (47). Both quantities - now as a mixed air quantity - are drawn in by means of negative pressure in the line (48). The line (48) opens into the process exhaust air line (14), in which this vacuum or suction pressure is kept constant.

Das Gemisch aus Prozeßabluft und beigemengter Luft wird dann vom Gebläse (38) über die Leitung (14.1) dem Wärmetauscher (16) zugefördert.The mixture of process exhaust air and added air is then conveyed from the blower (38) via line (14.1) to the heat exchanger (16).

Die Vorheizung verändert sich nicht, auch nicht die Brennraumtemperatur. Der Brenner brennt im Regelungs-Minimum, denn die Verantwortung für die völlige Konstanz hat sofort mit Erreichen des Regelungs-Minimum des Brenners die hier beschriebene Regelung übernommen und behält auch diese Verantwortung, bis die Menge brennbarer Substanz im Abgas wieder soweit abfällt, daß der Zudosierbetrieb beendet und der Brenner die Regelungs-Aufgabe wieder übernehmen kann.The preheating does not change, nor does the combustion chamber temperature. The burner burns in the control minimum, because the responsibility for the complete constancy has taken over the control described here immediately when the control minimum of the burner is reached and also keeps this responsibility until the amount of combustible substance in the exhaust gas drops again enough that the metering operation finished and the burner can take over the control task again.

Es ist nun ausreichend dargestellt worden, daß - und wie - überhöhte Konzentrationen an brennbarer Substanz auf eine niedrigere spezifische Größe gedrückt werden, und wie sie dort gehalten werden. Und es wurde erklärt, warum der Brenner dann mit Minimum-Flamme brennt. Im folgenden soll noch erklärt werden, welche Rolle die Temperaturregelung erfindungsgemäß spielt:

  • Die Praxis zeigt, daß meist gleichzeitig mit dem Eintreten höherer Konzentrationen brennbarer Substanz auch die Temperatur der Prozeß-Abluft ansteigt. Oft ist die höhere Prozeß-Temperatur die Voraussetzung für das Freiwerden der Substanzen, wie z. B. von Lösemitteln aus Farben und Lacken.
It has now been adequately demonstrated that - and how - excessive levels of combustible substance are depressed to a lower specific size and how they are maintained there. And it was explained why the burner burns with a minimum flame. The role of temperature control according to the invention is to be explained below:
  • Practice shows that the temperature of the process exhaust air usually rises with the occurrence of higher concentrations of combustible substance. The higher process temperature is often the prerequisite for the release of the substances, such as. B. of solvents from paints and varnishes.

Nun ist die Wirkung höherer Temperatur des Prozeß-Abgases auch die Anhebung der Vorheiztemperatur. D. h., durch die höhere Vorheizung der Luft wird die Temperatur-Differenz zwischen konstant hoher VerbrennungsTemperatur im Brennraum und der Vorheiztemperatur der Luft kleiner. Da aber der Brenner - selbst wenn er sich auf sein Regelungs-Minimum zurückzieht - davon einen bestimmten Anteil für sich beansprucht, bleibt für den thermischen Umsatz der oxidierbaren Substanz der Prozeß-Abluft immer weniger übrig. Je höher also die ProzeBluft-Temperatur ansteigt, umso höher wird die Vorheizung im Wärmeaustauscher, und umso geringer wird die akzeptierbare Konzentration an oxidierbarer Substanz der Ablauft (diese verhält sich wie eine zweite Brennstoffquelle, und ist auch eine solche).Now the effect of higher temperature of the process exhaust gas is also the raising of the preheating temperature. This means that the higher preheating of the air reduces the temperature difference between the constant high combustion temperature in the combustion chamber and the preheating temperature of the air. However, since the burner - even if it withdraws to its minimum control - claims a certain proportion of it, less and less is left for the thermal conversion of the oxidizable substance in the process exhaust air. The higher the process air temperature, the higher the preheating in the heat exchanger, and the lower the acceptable concentration of oxidizable substance in the waste air (this behaves like a second fuel source, and is also one).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wirkt mit ihrer Temperaturregelung diesem Verhalten entgegen:

  • Erreicht eine Anlage ihre "erste Kapazitätsgrenze" durch die Brenner-Minimum-Stellung, dann entscheidet die Regelung anhand der nach Gebläse (38) mittels Thermoelement (15) gemessenen und mit einem Sollwert am Temperaturregler (15.1) verglichenen Wert, ob zuerst mehr oder weniger kalte Luft zugegeben werden muß und ab wann Warmluft gleichlaufend mit hinzugezogen wird. Auf diese Weise wird auch die Temperatur der Vorheizung auf die Normalhöhe zurückgeführt und die Verarbeitungskapazität für die brennbare Substanz wird erhöht. Die Gesamtanlage kehrt so auch in den Bereich ihrer spezifischen Parameter zurück.
The temperature control of the device according to the invention counteracts this behavior:
  • If a system reaches its "first capacity limit" due to the minimum burner position, the control system decides whether more or less first, based on the value measured by the blower (38) using a thermocouple (15) and compared with a setpoint on the temperature controller (15.1) cold air must be added and when warm air is drawn in at the same time. In this way, the temperature of the preheating is brought back to the normal level and the processing capacity for the combustible substance is increased. The entire system thus returns to the area of its specific parameters.

Geschieht aber der seltenere Fall, daß die Konzentration oxidierbarer Substanz zusammen mit einer niedrigeren als der gewünschten Ablufttemperatur verbunden ist, dann korrigiert das die Regelung selbsttätig durch die Anhebung der Abgastemperatur mittels vorzugsweisen Zuführens von heißer Luft. Hierdurch wird auch Kondensatbildung in der Rohrleitung und im Eintrittsbereich der Verbrennungsvorrichtung vermieden. D.h. dann, wenn die Kondensatgefahr besonders hoch ist, nämlich bei hohen Konzentrationen kondensierfähiger Anteile und bei niedriger Temperatur, reagiert die beschriebene Regelung gegen die Tendenz der Kondensation.If, however, the rarer case occurs that the concentration of oxidizable substance is combined with a lower than the desired exhaust air temperature, then the control system corrects itself automatically by raising the exhaust gas temperature by preferably supplying hot air. This also prevents the formation of condensate in the pipeline and in the inlet area of the combustion device. I.e. If the risk of condensate is particularly high, namely at high concentrations of condensable components and at low temperature, the described control reacts to the tendency towards condensation.

Alle Betriebsfälle, die üblicherweise mit kalter Luft ablaufen, laufen erfindungsgemäß im Warm-Betrieb ab. Gemeint sind das Warmhaften im Unterbrechungsfalle und das An- oder Warmfahren der noch kalten Anlage.According to the invention, all operating cases which usually run with cold air run in warm operation. What is meant is warming in the event of an interruption and starting or warming up the still cold system.

Der zuerst genannte Fall stellt einen Sparbetrieb mit einem sehr kleinen Warmluft-Volumenstrom dar. Die Warmlufttemperatur entspricht exakt der nominalen Prozeßgastemperatur. Der Temperaturregler (15.1) stellt die Gemischtemperatur exakt her.The first-mentioned case represents an economy mode with a very small warm air volume flow. The warm air temperature corresponds exactly to the nominal process gas temperature. The temperature controller (15.1) produces the mixture temperature exactly.

Infolge des warmen Unterbrechungsbetriebs halten alle Teile der Nachverbrennungsvorrichtung ihr gewohntes Temperaturniveau. Der Anfahrbetrieb mittels warmer Luft erlaubt ein schnelleres und sparsameres Anfahren als mit Kaftluft. Es werden außerdem die Bereiche zwischen dem Gebläse (38) bis hin zum Wärmeaustauscher (16) sukzessiv auf höhere Temperaturen gebracht, bis die Betriebsbereitschaft der Anlage auf einem Niveau erreicht ist, bei dem bei Umschaltung auf Prozeßbedingungen die Kondensatgefahr in den gefährdeten Bereichen ausgeschaltet ist.As a result of the warm interruption operation, all parts of the afterburning device keep their usual temperature level. The start-up mode using warm air allows a faster and more economical start-up than with caftar air. In addition, the areas between the blower (38) and the heat exchanger (16) are successively brought to higher temperatures until the system is ready for operation at a level at which the risk of condensate in the hazardous areas is switched off when switching to process conditions.

Die großtechnische Erprobung des Verfahrens hat eine Reihe von weiteren Eigenschaften gezeigt, die nicht vorhersehbar waren und deshalb besonders positiv überraschen. Im einzelnen sind das:

  • a) Durch den warmen Unterbrechungsbetrieb herrschen auch bei kleinsten Volumenströmen noch deutlich bessere thermodynamische Verhältnisse in der gesamten Nachverbrennungsvorrichtung, so daß der zum Unterbrechungsbetrieb erforderliche Mindestluftstrom um bis zu 35 % gesenkt werden konnte. Entsprechend konnten die Kosten für den Unterbrechungsbetrieb gesenkt werden. Hinzu kommen die Kostensenkungen durch Warmluftbetrieb generell, die dieser Betriebsweise innewohnen.
  • b) Das Verfahren regelt in Sekundenschnelle und ist somit der Brennerregelung mindestens ebenbürtig, aber übertrifft die By-pass-Systeme bei weitem. Es gestattet jetzt auch den Einsatz superschneller Thermoelemente.
  • c) Im Unterbrechungs- bzw. Warmhaftebetrieb bleibt jetzt die Temperatur auch am Austritt der Nachverbrennungsvorrichtung konstant. Das hat nicht nur die bekannten positiven Folgen für die nachfolgende Peripherie (wie für Warmwasser-Wärmetauscher), sondern weitere: solche mit sog. 'kalten Flächen' fahrende Wärmeaustauscher werden bei Kaltluft-Betrieb der Verbrennungsvorrichtung stark abgekühlt und gelangen so in die Kondensationszone. Um dies zu vermeiden, darf die Wärmerückgewinnung nicht zu weit getrieben werden. Erfindungsgemäß wird dies vermieden. Die Wärmerückgewinnung kann deutlich und ohne Gefahr gesteigert werden. Der Gesamtprozeß wird wirtschaftlicher.
  • d) Druckschwankungen, hervorgerufen durch das Arbeiten von nachgeschalteter Verfahrenstechnik wirken sich nicht auf die Menge der Warmluftrückführung aus, da die Temperaturregelung Priorität hat.
  • e) Durch die Ausschaltung jeglicher Kondensatgefahr im Bereich des Eintritts der Nachverbrennungsvorrichtung wird eine Brandgefahr grundsätzlich ausgeschaltet.
  • f) Neueste Produktionstechniken beinhalten heute auch schon Schnellreinigungs-Systeme, wie z.B. der Rotations-Offsetdruck. In Sekundenschnelle und für kurze Zeit nur werden hier große Mengen von Lösemitteln in den Abgasstrom eingebracht. Die Konzentration brennbarer Substanz steigt dann plötzlich und stark an. Das erfindungsgemä-Be Verfahren reagiert auf diese Spitzen sofort und schützt die Nachverbrennungs-Anlage vor Übertemperatur.
The large-scale testing of the process has shown a number of other properties that were unpredictable and therefore particularly surprising. In detail these are:
  • a) Because of the warm interruption operation, even with the smallest volume flows, there are still significantly better thermodynamic conditions in the entire afterburning device, so that the minimum air flow required for interruption operation could be reduced by up to 35%. The costs for interruption operations were reduced accordingly. Added to this are the general cost reductions due to warm air operation, which are inherent in this mode of operation.
  • b) The process regulates in seconds and is therefore at least on a par with the burner control, but far exceeds the by-pass systems. It now also allows the use of super-fast thermocouples.
  • c) In the interruption or warm operation, the temperature at the outlet of the afterburning device now remains constant. This not only has the known positive consequences for the downstream periphery (such as for hot water heat exchangers), but also more: heat exchangers with so-called 'cold surfaces' are strongly cooled when the combustion device is operated with cold air and thus reach the condensation zone. To avoid this, the heat recovery must not be pushed too far. This is avoided according to the invention. The heat recovery can be increased significantly and without danger. The overall process is becoming more economical.
  • d) Pressure fluctuations caused by the work of downstream process technology do not affect the amount of warm air recirculation, since the temperature control has priority.
  • e) By switching off any risk of condensate in the area of the entry of the afterburning device, a fire risk is basically eliminated.
  • f) The latest production techniques already include rapid cleaning systems, such as rotary offset printing. In a matter of seconds and only for a short time, large amounts of solvents are introduced into the exhaust gas flow. The concentration of flammable substance then suddenly and sharply increases. The method according to the invention reacts immediately to these peaks and protects the afterburning system from excess temperature.

Die Fig. 3 zeigt in Prinzipdarstellung eine Nachverbrennungsvorrichtung, anhand der die erfindungsgemäße Lehre realisierbar ist.3 shows a basic illustration of an afterburning device on the basis of which the teaching according to the invention can be implemented.

Die Nachverbrennungsvorrichtung (50), hier liegend dargestellt, umfaßt einen zylinderförmigen Außenmantel

  • (52), der durch Stirnwände (54) und (56) begrenzt ist. Im Bereich der Stirnwand (56) ist konzentrisch zur Achse
  • (58) des Mantels (52) ein Brenner (60) angeordnet, der in ein Hochgeschwindigkeitsmischrohr (62) mündet, weiches wiederum zum Hauptbrennraum (64), der durch die äußere Stirnwand (54) begrenzt wird, verbindet. Dabei ist es jedoch nicht notwendigerweise erforderlich, daß - wie in der Zeichnung dargestellt - das Hochgeschwindigkeitsmischrohr (62) in den Hauptbrennraum (64) hineinragt.
The afterburning device (50), shown lying here, comprises a cylindrical outer jacket
  • (52), which is bounded by end walls (54) and (56). In the area of the end wall (56) is concentric with the axis
  • (58) of the jacket (52) a burner (60) is arranged, which opens into a high-speed mixing tube (62), which in turn connects to the main combustion chamber (64), which is delimited by the outer end wall (54). However, it is not necessarily necessary for the high-speed mixing tube (62) to protrude into the main combustion chamber (64), as shown in the drawing.

Konzentrisch zum Hochgeschwindigkeitsmischrohr (62) verläuft ein innenliegender Ringraum (66), der in den Raum (68) übergeht, in welchen die Wärmetauscherrohre (70) konzentrisch zur Längsachse (58) angeordnet sind. Die Wärmetauscherrohre (70) selbst münden in einen äußeren an der Außenwandung (52) angrenzenden äußeren Ringraum (72), der in den Einlaß (74) übergeht. Ferner ist eine Ringkammer (76) vorgesehen, die in den Auslaß (78) übergeht.An internal annular space (66) runs concentrically to the high-speed mixing tube (62) and merges into the space (68) in which the heat exchanger tubes (70) are arranged concentrically to the longitudinal axis (58). The heat exchanger tubes (70) themselves open into an outer annular space (72) adjoining the outer wall (52), which passes into the inlet (74). An annular chamber (76) is also provided, which merges into the outlet (78).

Die Enden (80) der Wärmetauscher-Rohre (70) sind im Bereich zum Auslaß (78) nach außen, also zur Wandung (52) hin umgebogen, um so nahezu senkrecht in die Wandung (82) des äußeren Ringraums (72) zu münden. Die anderen Enden (84) der Wärmetauscherrohre (70) münden in eine Rohrplatte (86), die einen den Brenner (60) umgebenden Vorbrennraum (88) von dem Raum (68) trennt.The ends (80) of the heat exchanger tubes (70) are bent outwards in the area of the outlet (78), that is to say towards the wall (52), so as to open almost perpendicularly into the wall (82) of the outer annular space (72) . The other ends (84) of the heat exchanger tubes (70) open into a tube plate (86) which separates a pre-combustion chamber (88) surrounding the burner (60) from the chamber (68).

Der Brenner (60) ist mittels eines sich in Richtung des Hochgeschwindigkeitsrohres (62) meist kegelförmig erweiternden Brennervorbaus (90) fortgesetzt, der auf der Umfangsfläche Aussparungen wie Löcher (92) aufweist. Das Hochgeschwindigkeitsrohr (62) bildet an seinem Anströmkonus (96) zusammen mit dem Brennervorbau (90) eine Coanda-Düse (im Bereich (98) bis (94)). Diese bildet einen konzentrischen Ring um den Brenner herum aus, wobei sie Teilarbeit bei der Ver- und Entsorgung des Brenners mit Luft leistet.The burner (60) is continued by means of a burner stem (90), which usually widens conically in the direction of the high-speed tube (62) and has recesses such as holes (92) on the peripheral surface. The high-speed pipe (62) forms a Coanda nozzle (in the area (98) to (94)) at its inflow cone (96) together with the burner stem (90). This forms a concentric ring around the burner , doing part of the work of supplying and disposing of the burner with air

Ein Anschluß (100) oder der Auslaß (78) wird mit einer nicht dargestellten Mischvorrichtung verbunden, die der in Fig. 2 gezeigten Mischvorrichtung (46) und (47) entspricht.A connection (100) or the outlet (78) is connected to a mixing device, not shown, which corresponds to the mixing device (46) and (47) shown in FIG. 2.

Das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung nachzuverbrennende Prozeßgas wird über den Einlaß (74) mit dem Ringraum (72) zugeleitet, um über die Wärmetauscherrohre (70), den Brennervorbau (90), die Coanda-Düse (96), das Hochgeschwindigkeitsrohr (62) in den Hauptbrennraum (64) geleitet zu werden. Sodann kann das gereinigte Abgas über den Ringkanal (66) und den Raum (68), in dem die Wärmetauscherrohre (70) verlaufen, an den Auslaß (78) abgegeben werden.The process gas to be combusted by the device according to the invention is fed via the inlet (74) with the annular space (72) in order to in via the heat exchanger tubes (70), the burner stem (90), the Coanda nozzle (96), the high-speed tube (62) the main combustion chamber (64) to be directed. The cleaned exhaust gas can then be discharged to the outlet (78) via the ring channel (66) and the space (68) in which the heat exchanger tubes (70) run.

Damit der Brenner (60) im Regelungs-Minimum (Grundlast) arbeiten kann, obwohl die Menge brennbarer Substanz ansteigt, wird über einen Anschluß (100) gereinigtes Abgas an die in Fig. 2 mit (46) und (47) benannte Mischvorrichtung geführt, in welcher zum Zweck der Erreichung einer gewünschten Mischtemperatur mehr oder weniger frische Luft beigemengt wird. Das so entstehende Gemisch warmer Luft gelangt nach Fig. 2 über die Leitung (48) zur Leitung (14), wo es mit dem ungereinigten Prozeßabgas steigender oder gestiegener Störstoff-Konzentration zusammentrifft und mit diesem vermischt wird. Mischluft wird in solchem Maße beigemischt, als es zur Konstanthaltung der Konzentration brennbarer Substanz und zur Konstanthaltung der Brennkammer- temperatur erforderlich ist, sowie auch zur Erreichung der erforderlichen oder gewünschten Temperatur vor der Verbrennungsanlage.So that the burner (60) can work in the minimum regulation (base load), even though the amount of combustible substance increases, cleaned exhaust gas is led via a connection (100) to the mixing device designated in (2) with (46) and (47), in which more or less fresh air is added for the purpose of achieving a desired mixing temperature. The resulting mixture of warm air reaches, according to FIG. 2, via line (48) to line (14), where it meets and is mixed with the unpurified process exhaust gas with increasing or increased impurity concentration. Mixed air is mixed in to such an extent that it is necessary to keep the concentration of combustible substance constant and to keep the combustion chamber temperature constant, as well as to achieve the required or desired temperature in front of the incineration plant.

Da nun die Konzentration gleichbleibend ist, erfolgen in den einzelnen Bereichen der Anlage, insbesondere im Bereich der Wärmetauscherrohre (70) Temperaturschwankungen grundsätzlich nicht mehr oder nur sehr gering, so daß auch größere kritische Dehnungsschwankungen ausgeschlossen sind.Since the concentration is now constant, temperature fluctuations in the individual areas of the system, in particular in the area of the heat exchanger tubes (70), are fundamentally no longer or only very slightly, so that even larger critical expansion fluctuations are excluded.

Auch alle negativen Einflüsse resultierend aus hohem Vorabbrand werden vermieden. Da der Anschluß (100), dem gereinigtes Abgas zum Vermischen mit noch zu reinigendem Prozeßgas entnommen wird, nicht innerhalb der Vorrichtung (10) liegt, ist demzufolge die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vermischung ohne konstruktiven Aufwand an der Vorrichtung (10) möglich, um so die Konzentration der oxidierbaren Bestandteile auf Toleranzniveau zu halten. Infolgedessen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung (50) wartungsfreundlich und sichert eine hohe Funktionszuvenässigkeit zu.All negative influences resulting from high pre-burning are avoided. Since the connection (100), from which the cleaned exhaust gas for mixing with process gas still to be cleaned is removed, is not within the device (10), the mixing proposed according to the invention is consequently possible without any design effort on the device (10), thus increasing the concentration to keep the oxidizable constituents at the tolerance level. As a result, the device (50) according to the invention is easy to maintain and ensures a high degree of functional reliability.

Anhand der nachstehenden Tabellen 1 bis 3 soll noch einmal verdeutlicht werden, daß eine nach den erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Nachverbrennungsvorrichtung selbstregulierend optimale Bedingungen für die thermische Verbrennung und damit für die Vorrichtung selbst schafft.The following tables 1 to 3 are intended to illustrate once again that a post-combustion device operated according to the method according to the invention creates optimal conditions for the thermal combustion and thus for the device itself in a self-regulating manner.

Die hier betrachtete thermische Nachverbrennungsanlage ist für maximal 15.000 m3 o/h ausgelegt und mit einem Wärmetauscherwirkungsgrad von 76 % ausgestattet. Die nominale Abgastemperatur sei im Beispiel 160°C, effektiv weicht sie aber davon ab. Die Brennraumtemperatur ist bei 760°C konstant zu fahren. Die vorgestellte Anlage ist mit einem Spezialbrenner ausgerüstet, welcher seinen zur Verbrennung benötigten Sauerstoff aus dem Abgas entnimmt (Sekundärluft-Brenner; Combustor-Brenner). Die Minimal-Leistung des Brenners (- unteres Ende des Regelbereichs) beträgt 67,8 KWh/h.The thermal afterburning system considered here is designed for a maximum of 15,000 m 3 o / h and is equipped with a heat exchanger efficiency of 76%. The nominal exhaust gas temperature is 160 ° C in the example, but it effectively deviates from it. The combustion chamber temperature must be kept constant at 760 ° C. The system presented is equipped with a special burner which takes the oxygen it needs for combustion from the exhaust gas (secondary air burner; combustor burner). The minimum output of the burner (- lower end of the control range) is 67.8 KWh / h.

Die Anlage wird aus verschiedenen Einzelquellen gespeist. Je nach Quelle und nach Zahl der Quellen sind die Volumenströme unterschiedlich groß und es variieren die Abgas-Temperatur und vor allem die Menge und Konzentration der brennbaren Substanzen im Abgas. Die brennbaren Substanzen seien mineralische Öle. Drei verschiedene Betriebsbedingungen werden untersucht. Die Ergebnisse sind tabellarisch dargestellt.The system is fed from various individual sources. Depending on the source and the number of sources, the volume flows are different and the exhaust gas temperature and above all the amount and concentration of combustible substances in the exhaust gas vary. The flammable substances are mineral oils. Three different operating conditions are examined. The results are shown in a table.

Abbildung 1:

  • Aufgabenstellung und Leistungsvermögen der Nachverbrennungs-Vorrichtung ohne Energieüberschuß-Regelung.
    Figure imgb0001
    Kommentar: Bei den Betriebsfällen 1 und 2 besteht ein beträchtlicher Überschuß von Wärme aus oxidierbarer Substanz, bezogen auf die obige Abgasmenge V. Das heißt, in diesen beiden Fällen greift die erfindungsgemäße Regelung ein, nachdem der Brenner am unteren Ende seines Regelbereichs (8O Regelungs-Minimum = Grundlast) angekommen ist, und zwar bei dem Versuch, für die angewachsene Menge oxidierbarer Substanz Platz zu machen. In beiden Fällen ist auch die nominale Abgastemperatur (hier 160°C) deutlich überfahren, so daß das System korrigierend eingreift.
Illustration 1:
  • Task and performance of the afterburning device without excess energy control.
    Figure imgb0001
    Comment: In operating cases 1 and 2, there is a considerable excess of heat from oxidizable substance, based on the above exhaust gas quantity V. That is, in these two cases the control according to the invention intervenes after the burner has reached the lower end of its control range (8O control minimum = base load), trying to make room for the increased amount of oxidizable substance. In both cases, the nominal exhaust gas temperature (here 160 ° C) is clearly exceeded, so that the system intervenes to correct it.

Beim Betriebsfall 3 ist die Konzentration der oxidierbaren Bestandteile im Abgas geringer als es die Kapazität der Anlage mit diesem Volumenstrom zuließe. Deshalb regelt der Brenner durch seinen modulierenden Durchsatz von Brennstoff die fehlende Energiemenge exakt ein, ohne daß die erfindungsgemäße Regelung zum Einsatz kommen muß.In operating case 3, the concentration of the oxidizable components in the exhaust gas is lower than the capacity of the system with this volume flow would allow. Therefore, the burner regulates the missing amount of energy exactly through its modulating throughput of fuel, without the control according to the invention having to be used.

Abbildung 2:

  • Bewältigung der Aufgabe durch das erfindungsgemäße System für die Betriebsfälle 1, 2 und 3 nach Abbildung 1.
    Figure imgb0002
    Würde die thermische Nachverbrennung mit einer aus dem Stand der Technik bekannten By-pass-Anlage durchgeführt werden, so würden die Austrittstemperaturen für die Betriebsfälle 1, 2 und 3 442°C bzw. 399°C bzw. 310°C betragen.
Figure 2:
  • Coping with the task by the system according to the invention for operating cases 1, 2 and 3 according to Figure 1.
    Figure imgb0002
    If the thermal afterburning were carried out with a by-pass system known from the prior art, the outlet temperatures for operating cases 1, 2 and 3 would be 442 ° C or 399 ° C or 310 ° C.

Claims (6)

1. Process for the controllable thermal afterburning of process exhaust gas containing oxidizable constituents, which is led through an afterburning apparatus in which it is fed via a gas inlet, heat exchanger, burner and combustion space and from there via the heat exchanger, purified, to a gas outlet, and process exhaust gas purified to the desired extent, together with fresh air, is mixed with the process exhaust gas to be fed to the afterburning apparatus, characterized by the process measures:
(a) the concentration of the constituents oxidizable in the combustion space is maintained at an adjustable value and
(b) the inlet temperature of the gas mixture to be fed to the afterburning apparatus, consisting of process exhaust gas to be purified, purified process exhaust gas and fresh air, is maintained at an adjustable value.
2. Process according to Claim 1, characterized in that the burner is run at the control minimum (base load).
3. Process according to Claim 1, characterized in that purified process exhaust gas is mixed with the process exhaust gas to be purified after the former has flowed round the heat exchanger.
4. Apparatus for the controlled thermal afterburning of process exhaust gas containing oxidizable constituents, comprising a gas inlet, a burner with following high-velocity mixing tube, a combustion space, a heat exchanger with heat exchanger tubes arranged concentrically with the high-velocity mixing tube and bent at one end as well as a gas outlet, for carrying out the process according to Claim 1, characterized in that between the apparatus (10, 50) and the gas feed line (14,48, 74) there is a connection (44) via which process exhaust gas purified to the desired extent within the apparatus (10, 50) can be recycled; the temperature of the purified process exhaust gas to be mixed with the process exhaust gas to be purified and that of the fresh air are controlled via control devices such as butterfly valves (46.1; 46.2) whose controlled condition can be determined by the temperature shown on the pressure side of a blower (38) by the gas mixture of the exhaust gas to be purified and purified exhaust gas and/or fresh air; and the heat exchanger tubes (70) are bent outwards at their cold ends (80) and purified process exhaust gas can flow round them.
5. Apparatus according to Claim 4, characterized in that on the suction side of the blower (38) a reduced pressure can be generated through which process exhaust gas purified to the desired extent and fresh air can be fed to the process exhaust gas to be purified.
6. Process according to Claim 4, characterized in that the control of the concentration in the combustion space (18, 64, 94) of the oxidizable constituents of the process exhaust gas which are to be thermally burnt is carried out as a function of the temperature in the combustion space with burner (60) run at the control minimum.
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