NO158965B - Anordning til forbrenning av avgasser. - Google Patents

Abstract

Et etterbrennkammer (1, 101) er omgitt. av en varmeovn (4, 104), hvorved en konstant temperatur av størrelsesorden 850°C kan opprett-holdes i etterbrennkammeret (1, 101). Etterbrennkammeret (1, 101) omfatter organer (17, 18,. 117) som delvis hindrer den ved anordningens drift forekommende gasstromning. Tilløp (2,. 102) ferer til etterbrennkammeret (1, 101),. og derfra går der utløp (3, 103) for passasje av gasstrømmen gjennom anordningen. En utenfra kommende rørledning (14, 15, 16, 114, 115) tjener til tilførsel av forvarmet reaksjonsmedium i etterbrennkammerets (1, 101) innerste parti.

Description

Oppfinnelsen angår et etterbrennkammer til etterbrenning

av avgasser fra destruksjonsovner, forbrennings- eller gjenvinningsanlegg og lignende. Kammeret er rørformet og anbragt som et parti av avgasskanalen fra det anlegg hvis avgasser skal etterbrennes for nedbrytning av miljøskadelige forurensninger som ellers ville slippes ut i det fri.

En rekke industrielle prosesser drives på en måte som

anses optimal med hensyn på dete eller de produkter som fremstilles. I de fleste tilfeller dannes der samtidig i prosessen avgasser som inneholder biprodukter av uønsket art. Disse biprodukter eller forurensninger må ikke slippes ut i atmos-

færen, da de kan ha en skadelig virkning på flora eller fauna.

Av denne grunn må man sørge for en eller annen form for rensing eller filtrering av avgassene. Vasking av avgasser eller kjemisk utfelling av visse i disse definerbare stoffer er metoder som lenge har vært kjent. Innen områder hvor organiske produkter fremstilles eller inngår i et destruksjonsforløp, ville bruken av kjemisk utfelling innebære at en rekke prosesstrinn måtte benyttes. Dette ville medføre betydelige investeringskostnader for det berørte anlegg og dermed gi en meget dårligere produk-sjonsøkonomi .

På den ovenfor angitte bakgrunn er det i den senere

tid blitt foreslått at avgasser som inneholder organiske forurensninger i gassform, skal etterbrennes ved høy temperatur, hvorved de nevnte forurensninger nedbrytes til vanndamp og karbondioksid. Et nær beslektet problem foreligger når man utfører en prosess som omfatter varmebehandling, og når orga-

niske forurensninger forekommer som forurensninger som kan kondensere på et senere prosesstrinn og tette igjen produk-sjonsutstyret.

De her beskrevne forhold forekommer f.eks. ved destruksjon

av kvikksølvbatterier. Slike er normalt kapslet i plast. Da kvikksølv er en meget sterk miljøgift, må man ta hånd om dette før restavfallet kan tømmes på søppeldyngen. Gjennom en vel-utviklet teknikk med destillasjon under pulserende trykk er det i dag mulig å ta hånd om mer enn 99,9999% av kvikksølvet i destruksjonsprosesser av den angitte art. Det er også fra

SE-A 8206846-1 kjent en metode og en anordning til å eliminere problemet med de ved begynnelsen av destillasjonen avgitte plastdamper.

Imidlertid har det i praksis vist seg at der i visse temperaturområder fra destillasjonskammeret momentant avgis så store mengder forgassede plaststoffer at disse bryter i-gjennom fronten av destruksjonsflammen i det kjente etterbrennkammer. Dessuten kreves der i dette etterbrennkammer meget høy temperatur som må oppnås gjennom tilførsel av kost-bare forbrenningsgasser.

Etterbrennkammeret har til oppgave å omdanne flyktige organiske stoffer som dannes i et pyrolysekammer eller behand-lingskammer, til karbondioksid og vann med størst mulig virkningsgrad .

Prosessen kalles som kjent for oksidasjon, dvs. en kjemisk reaksjon som utnytter C>2 (i ren form, i luft eller i blandinger av C>2 og luft) som oksidasjonsmiddel.

Oksidasjonen av et hvilket som helst hydrokarbon kan skrives med reaksjonsformelen:

De reagerende stoffer, reaksjonsbestanddelene, behøver i regelen en viss energi (aktiveringsenergi = E ) for å overvinne energi-barrieren i reaksjonsretningen.

Frigjøres så mye kjemisk potensiell energi (= reaksjons-varme) at de øvrige reaksjonsbestanddeler i systemet på denne måte får tilført tilstrekkelig minimumsenergi (E ), dvs. under-holder reaksjonen seg selv, kalles reaksjonen forbrenning.

For å oppnå en forbrenning med f.eks. LPG, er det nød-vendig at denne blandes med oksygen eller luft i passende forhold, og at blandingen oppvarmes til tenntemperatur. For at forbrenning (= "selvunderholdende" oksidasjon) skal kunne finne sted, angis som vilkår en nedre resp. en øvre grense for volumprosenten av LPG i oksygengass eller luft.

Forbrenningen fører da totalt (resultatet av energi-termene for deltagende delreaksjoner) til en så høy temperatur at gassene begynner å gløde, hvilket øyet oppfatter som en flamme. Flammetemperaturen ligger oftest minst 1000°C over brensel/oksygen- resp. brensel/luft-blandingens tenntemperatur.

Ved behandling av f.eks. kvikksølvbatterier spaltes

det organiske materiale, bl.a tetningsringer av polyeten-plast, papir etc. termisk i vakuum ( <p>tot~0'2 bar).Spaltings-hastigheten og dermed genereringen av brenselet er hovedsakelig en funksjon av satstemperaturen, men påvirkes til en viss

grad av andre parametre, bl.a. av defekter i polymerens struk-tur .

Etterbrennkammeret ("oksidasjonskammeret") må således være konstruert slik at oksidasjonen skjer med nær 100% virkningsgrad, selv når brenselandelen i gassblandingen (brensel + oksidasjonsmiddel) er lavere enn hva som angis som nedre forbrenningsgrense. Under prosessens "oksidasjonstrinn" tilføres en konstant oksidasjonsmiddelstrøm som gir etterbrennkammeret et støkiometrisk 02-overskudd på min. 50 volumprosent beregnet med hensyn på maksimal brenselgenerering.

Som det ses, er betingelsene slik at oksidasjon bare

i en viss del av prosesstiden kan resultere i en forbrenning med "stabilisert flamme", som kan garantere at brenselet omdannes til karbondioksid og vann.

Den for oksidasjonen nødvendige aktiveringsenergi (Eg)

må derfor under hele oksidasjonstrinnet tilføres reaksjonsbestanddelene eksternt slik at hvert molekyl overvinner energi-barrieren i reaksjonsretningen hydrokarbon CC^+f^O.

I en testserie med dels "syntetiske satser" inneholdende glasskrap + polyeten-plast + polystyren-plast + papir, dels satser med ulike typer av batterier (Hg-batterier + alkaliske batterier + brunstensbatterier) er der oppnådd meget gode resultater med praktisk talt 100% oksidasjon av pyrolysegassene. Under testserien er der gjort viktige erfaringer når det gjelder utformingen av etterbrennkammeret.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe

et etterbrennkammer til avbrenning av fremfor alt hydrokarbon-rike avgasser fra destruksjonsovner, forbrennings- eller pro-sessanlegg. For oppnåelse av dette er anordningen ifølge oppfinnelsen utformet som et labyrintkammer omgitt av en varmeovn

og forøvrig med de trekk som fremgår av de etterfølgende patent-krav.

Et etterbrennkammer som er spesielt beregnet for etterbrenning av avgasser fra et gjenvinningsanlegg for kvikksølv, og hvor plastkapslede kvikksølvbatterier destrueres, vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til teg-ningen, der fig. 1 er et aksialsnitt gjennom en utførelses-form for oppfinnelsen, fig. 2 skjematisk viser et gjenvinningsanlegg for kvikksølv, fig. 3 er et aksialsnitt gjennom en annen utførelsesform og fig. 3 a, b, c er grunnriss av for-delingsorganer i etterbrennkammeret.

Et etterbrennkammer 1 med innløp 2 for avgasser som

skal etterbrennes, og utløp 3 for behandlede avgasser, er i alt vesentlig omgitt av en varmeovn 4. Denne forsynes med varme på kjent måte, f.eks. ved hjelp av elektrisitet eller gass, eller på annen måte, da dette ikke er avgjørende for oppfinnelsen. Det er dog av betydning at varmeovnen 4 kan holde en valgfri temperatur i området 800-1100°C konstant ved bruk av normal reguleringsteknikk.

Etterbrennkammerets ender ligger utenfor varmeovnen

4. Innløpet 2 for avgasser fra behandlingskammeret i et gjenvinningsanlegg for kvikksølv er rørformet og tilsluttet en første ende 5 av det langstrakte etterbrennkammer. Utløpet 3 for behandlede avgasser er forbundet med en annen ende 6

av etterbrennkammeret 1 på motsatt side av den første ende

5. Den annen ende 6 av etterbrennkammeret 1 er dekket med et lokk 7, som holdes på plass ved hjelp av skrueforbindelser eller på annen kjent, løsbar måte.

Mellom begge ender er etterbrennkammeret 1 rørformig langstrakt, og for oppnåelse av lengst mulig vei for passasjen av de avgasser som skal behandles, er det utført som en laby-rint. Denne dannes ved at rør plasseres konsentrisk i hverandre med vekselvis lukkede ender. Således fører innløpet 2 for avgasser inn i et innerste rør 8, som utgjør det første parti av etterbrennkammeret 1. Dette er gasstett tilsluttet etterbrennkammerets første ende 5 og har sin åpne ende 9 rettet mot etterbrennkammerets andre ende 6. Konsentrisk omkring det innerste rør 8 er der anbragt et mellomrør 10. Dette dekker med sin lukkede ende 11 under levning av en spalte på noen cm det innerste rørs åpne ende 9 og omgir nevnte rør i praktisk talt hele dets lengde med omtrent samme spaltebredde.

Mellomrøret 10 ender på avstand fra etterbrennkammerets

første ende 5, hvorved der fås passasje for avgasser ut i etterbrennkammerets ytterrør 12. Dette avslutter gjennomløpet for avgasser ved etterbrennkammerets annen ende 6, hvor de behandlede avgasser forlater etterbrennkammeret 1 gjennom utløpet 3. Dette fører normalt til kjølere og kondensasjons-anordninger for kvikksølv, men ved andre anvendelser av etterbrennkammeret 1 kan utløpet 3 føres ut i det fri, eller til anlegg for kjemisk utfelling av sublimerbare eller kondenserbare uorganiske forurensninger, hvis slike kan mistenkes for å

følge med avgassene.

For å forbrenne plastdamper i den omtalte type av avgasser

har det ved praktiske forsøk vist seg å være tilstrekkelig å tilføre oksygengass. Nettopp ved at varmeovnen 4 som omgir etterbrennkammeret, holder temperaturen i etterbrennkammerets reaksjonssone på ca. 850°C, kan plastdampenes iboende energi utløse en eksoterm reaksjon ved tilførsel av bare oksygengass.

Oksygengassen doseres ved hjelp av et gassmålerutstyr

som er generelt betegnet med 13, f.eks. et rotameter, inn i etterbrennkammeret 1 ved et trykk som gir en tilstrekkelig oksygengassmengde til fullstendig forbrenning av den forventede mengde organiske gasser. Oksygengassen passerer en rørledning 14 som i det innerste rør 8 i etterbrennkammeret 1 går i en skruelinje. I rørskruevindingene 15 forvarmes oksygengassen til over 300°C, hvoretter den gjennom et keramisk flammerør 16 føres ut i det parti av etterbrennkammerets innerste rør 8 som ligger lengst borte fra innløpsrøret 14, regnet i av-gasstrømmens retning. I dette finnes en mengde keramiske fyllegemer 17 som har meget stor spesifikk overflate og gjennom varmetilførsel fra varmeovnen 4 er bragt til å gløde (850°C).

Trykket i etterbrennkammeret forsøkes holdt så lavt

som mulig under forbrenningsprosessen, slik at denne kan foregå

så nær vakuum som mulig. En i denne hensikt riktig beregnet pumpestørreise, som kan evakuere såvel oksygenmengde som dannede

avgasser, er meget viktig for å eliminere enhver risiko for trykkøkning og eventuell eksplosjon. Et balansert trykk som ikke overstiger 0,25 bar absolutt trykk, oppfyller disse krav til driftssikkerhet.

Når pyrolysegassen fra plastmaterialet passerer over fyllegemene 17, overføres tilstrekkelig tenningsenergi fra disse til gassmolekylene. Fyllegemenes 17 overflatebeskaffen-het frembyr derved et eksepsjonelt stort antall "termiske tennpunkter", og det keramiske materiale gir i seg selv en viss katalytisk effekt.

Ved at fyllegemene 17 ikke pakkes tettere enn at det totale frie tverrsnittsareal mellom dem i etterbrennkammerets innerste rør er lik eller større enn innløpets tverrsnittsflate, beholdes det lave trykk på maks. 0,25 bar absolutt trykk i etterbrennkammeret 1, hvorved der oppnås en virkningsgrad ved omsetningen av plastdamper til vanndamp og karbondioksid på >99%. Det lave trykk og mengden av hulrom mellom fyllegemene 17 eliminerer eksplosjonsrisikoer forårsaket av økning av gassens volum.

Ved fortsatt reaksjon med det tilførte oksygen trenger avgassene videre inn i etterbrennkammerets mellomrør 10. Der må avgassene passere gjennom et foldet nett 18 av høytempera-turfast metalltråd, f.eks. av rustfritt stål eller INCONEL,

en legering med meget høyt nikkelinnhold. I mellomrøret 10

er der plassert et termoelement 19. Dette er koblet til et kontrollinstrument 20, f.eks. av PID-typen, som styrer energi-tilførselen til varmeovnen 4.

Etter at avgassene under fortsatt reaksjon med oksygenet har forlatt mellomrøret 10, vendes de av endeveggen ved etterbrennkammerets første ende 5 og føres ut i ytterrøret 12.

Dette er på samme måte som innerrøret 8 utstyrt med fyllegemer 17. Mellom disse skjer sluttreaksjonene, som omdanner praktisk talt alt organisk materiale til vanndamp og karbondioksid,

som deretter som angitt ovenfor forlater etterbrennkammeret 1 gjennom utløpet 3.

Den under forbrenningsfasen til forbrenningsgassen med C^-tilskuddet frigjorte varmeenergi kan føre til en så stor tilskuddsvarme til ovnen at der kan oppstå fare for overheting av ovnsdelen. For å forhindre dette er et ekstra termoelement 21 innsatt i ovnsdelen og koblet på en slik måte at den elek-triske energi til ovnsdelen utkobles ved en temperaturstigning på 1000-1100°C. Bare forbrenningsenergien fortsetter da å

varme opp ovnen og etterbrennkammeret inntil temperaturen har sunket til 850°C, hvoretter ovnen igjen kan tilføres energi.

På fig. 2 vises skjematisk et anlegg for gjenvinning

av kvikksølv fra avfall som også inneholder plastmateriale. Etterbrennkammeret 1 mottar avgasser fra et opphetbart behand-lingskammer 25 via innløpsledningen 2. Fra etterbrennkammeret føres gassene, som nå er befridd for organiske stoffer, gjennom utløpsledningen 3 til en kuldefelle 26 hvor kvikksølvet ut-skilles. En vakuumpumpe 27 er koblet til kuldefellen 26 for å frembringe et passende undertrykk i anlegget. En kontrollenhet 28 er innrettet til å styre prosessforløpet ved bruk av impulser fra termoelementene 19, 21, gassmåleren 13 og vakuumpumpen 27.

I en variant av oppfinnelsen er de konsentriske rør utelatt. Denne andre utførelsesformen for oppfinnelsen er utstyrt med en kjølekappe 112 mellom etterbrennkammeret 101

og varmeovnen, slik det fremgår av fig. 3. Etterbrennkammeret er i dette tilfelle utstyrt med et innløp 102, som avgasser fra et pyrolysekammer (ikke vist) tilføres det indre av etterbrennkammeret 101 gjennom. En eller annen form for oksygengass-blanding tilføres på den ovenfor beskrevne måte gjennom en rørledning 114 som rager inn gjennom etterbrennkammerets første ende 105. I etterbrennkammeret utvides ledningen 114 til et rør 115 som er lukket i den ende som er rettet mot etterbrennkammerets andre ende 106. Røret 115 er i hele sin lengde utformet med rundt dette plaserte hull 116, som har en diameter som er liten i forhold til rørets diameter. Røret 115 går gjennom fyllegemene 117 som helt fyller det indre av etterbrennkammeret 101. Ved etterbrennkammerets andre ende 106 finnes et utløp 103.

For på en jevn måte å fordele avgassene som skal behandles i etterbrennkammeret, over hele dettes tverrsnittsflate er en perforert skive 108 plassert umiddelbart etter innløpet 102. Denne skive sammen med en tilsvarende skive 110 ved etterbrennkammerets andre ende tjener også til å holde fyllegemene 117 på plass. Gjennom fyllegemene 117 strekker der seg et termoelement 119 som i likhet med hva som er beskrevet for den første utførelsesform for oppfinnelsen, gir impulser til et kontrollinstrument.

Kjølekappen 112 som omgir etterbrennkammeret 101, er utstyrt med et innløp 122 som ligger nær etterbrennkammerets andre ende 106. Gjennom dette kan kjølemedium føres etter motstrømsprinsipper langs etterbrennkammerets ytterside. For kjølemediet finnes en avløpskanal 123 som ligger nær etterbrennkammerets første ende 105. For oppnåelse av jevn fordeling av kjølemediet, som enklest består av trykkluft, finnes en hullet fordelingsring 124 nær innløpet 122.

Den eksterne kjøling med trykkluft beskytter følsomme deler av etterbrennkammeret mot overheting. Kjølingen skjer i spalten mellom etterbrennkammeret 101 og kapperøret 112.

Den derved oppnådde kjølemulighet er av betydning, bl.a. ved behandling av avfall inneholdende polyetenplast, som har meget høy varmeverdi ved forbrenning. Den eksterne kjøling tillater en høyere brenselstrøm til etterbrennkammeret (= høyere oksi-das jonskapasitet ) uten risiko for overheting.

Den eksterne kjøling har ytterligere en viktig funksjon for hele prosessforløpet. Når temperaturen i etterbrennkammeret under oksidasjonstrinnet har nådd 925°C, opphører den styrte stigning av temperaturen i pyrolysekammeret, en temperaturstigning som normalt holdes på 0,5°C pr. min. Ettersom etterbrennkammeret er omsluttet av en ovn, er muligheten for selvkjøling minimal. Skulle temperaturen i etterbrennkammeret på grunn av en kortvarig kjemisk energitopp øke til 940°C, senkes temperaturen hurtig til f.eks. 910°C ved trykkluftskjøling i kappen. Deretter fortsetter stigningen av temperaturen i pyrolysekamrene normalt, og prosessen kan forløpe som tidligere. Denne frem-gangsmåte effektiviserer oksidasjonstrinnet og forkorter prosesstiden betraktelig.

Om temperaturen i etterbrennkammeret etter kjølingen

skulle øke for hurtig (> 10°C pr. min), f.eks. fra 910°C til 925°C på under ett min, skjer der ingen styrt stigning av temperaturen i pyrolysekammeret. En temperaturøkning på >10°C

pr. min. indikerer en høy brenselgenerering. Når temperaturen i etterbrennkammeret igjen når 930°C, trer luftkjølingen påny automatisk i funksjon og kjøler etterbrennkammeret til 910°C, hvoretter prosessen fortsetter som tidligere.

Den eksterne kjøling utnyttes altså bare for å lede

bort den ved oksidasjonen avgitte varmeenergi. Styres temperaturen i etterbrennkammeret og temperaturen i pyrolysekammeret som ovenfor, utgjør dette en utmerket måte til å kontrollere dannelsen av de gasser som skal omdannes til vanndamp og karbondioksid i etterbrennkammeret. Derved kan etterbrennkammerets kapasitet optimeres.

På fig. 3 er der vist bare ett rør 115 koblet til rørled-ningen 114 for oksygengasstilførsel. Naturligvis kan rørled-ningen 114 forgrenes til flere rør for at der skal fås en enda bedre fordeling av oksygengassen i etterbrennkammeret 101 .

Claims (13)

1. Anordning.til etterbrenning av avgasser som i første rekke inneholder hydrokarboner, og som stammer fra destruksjons-anlegg eller lignende, omfattende et rørformet etterbrennkammer (1, 101) montert i en fra destruksjonsanlegget kommende av-gasskanal og utstyrt med innløp (2, 102) for avgasser og utløp (3, 103) for behandlede avgasser samt tilførselsorganer (13,

14, 15, 114, 115) for forbrenningsfremmende medier, karakterisert ved at etterbrennkammerets (1, 101) gjennomløp er labyrintformet ved hjelp av obstruksjonsdannende organer (17, 18, 117), og at etterbrennkammeret (1) er omgitt av en varmeovn (4, 104) samt koblet til en vakuum-pumpeinnretning (27) for å frembringe undertrykk i kammeret ( 1 , 101 ) .

2. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at etterbrennkammerets (1) gjennomløp er forlenget ved hjelp av i hverandre konsentrisk plasserte, ved sine ender vekselvis lukkede rør (8, 10, 12).

3. Anordning i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at de obstruksjonsdannende organer omfatter høytemperaturfaste keramiske fyllegemer (17, 117) med stor spesifikk overflate.

4. Anordning i henhold til krav 2 eller 3, karakterisert ved at de obstruksjonsdannende organer omfatter nett (18) av høytemperaturfast metalltråd.

5. Anordning i henhold til et av de foregående krav, karakt,er i sert ved at varmeovnen (4, 104) som omgir etterbrennkammeret (1, 101), er innrettet til å arbeide ved en temperatur på 800-1100°C, fortrinnsvis 850-900°C.

6. Anordning i henhold til krav 5, karakterisert ved at dets varmetilførsel styres av impulser fra et i etterbrennkammeret (1, 101) plassert første termoelement (19, 119).

7. Anordning i henhold til krav 5 eller 6, karakterisert ved at et annet termoelement (21) er innsatt i varmeovnen (4) for styring av temperaturen i denne.

8. Anordning i henhold til et av kravene 2-7, karakterisert ved at tilførselsorganet for forbrenningsfremmende medier utgjøres av rørskruevindinger (15) som befinner seg i det første parti av det innerste (8) av de i forhold til hverandre konsentrisk anbragte rør (8, 10, 12).

9. Anordning i henhold til krav 8, karakterisert ved at rørskruevindingene (15) avsluttes med et høytemperaturfast flammerør (16).

10. Anordning i henhold til kravene 1-7, karakterisert ved at tilførselsorganet for forbrenningsfremmende medier består av et rør (115) som er lukket ved sin indre ende og strekker seg sentralt i etterbrennkammeret (1, 101), og som i hele sin lengde rundt mantelen har hull (116) med liten diameter i forhold til rørets (115) diameter.

11. Anordning i henhold til krav 10, karakterisert ved at etterbrennkammeret (101) omfatter per-forerte skiver (108, 110) som er plassert vinkelrett på kam-merets lengdeakse og dekker hele dets tverrsnitt, og som ligger umiddelbart bak innløpet (102) resp. umiddelbart foran utløpet ( 103).

12. Anordning i henhold til krav 10, karakterisert ved at etterbrennkammeret (1, 101) omgis av et mantelrør (112) som ved sine ender er avtettet mot etterbrennkammeret, og som er utstyrt med tilløp (122) og avløp (123) for kjølemedium.

13. Anordning i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at det totale frie tverrsnittsareal mellom fyllegemene (17, 117) er lik eller større enn innløpets (2, 102) tverrsnittsareal.