NO174601B - Fremgangsmaate og apparat for kontinuerlig rensing av en oksygenin neholdende gass for brennbare forurensninger - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for en i hovedsaklig kontinuerlige rensing av ert oksygeninneholdende gass inneholdende brennbare forurensninger ved en termisk og/eller katalytisk forbrenningsprosess der minst en del av forbrenningsvarmen gjenvinnes ved en regenerativ varmeveksler i to stasjonære, i hovedsak identiske soner bestående av fast varmevekslemateriale og separert ved et forbrenningskammer, hvorved luften som skal renses strømmer gjennom begge varmevekselsoner og strømningsretningen gjennom sonene reverseres periodisk slik at de to soner er vekselvis varmes og avkjøles i perioder på 0,1 til 60 minutter, fortrinnsvis 0,5 til 60 minutter, og spesielt 1 til 30 minutter.

Oppfinnelsen vedrører også et apparat for utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, forsynt med en i det vesentlige symmetrisk reaktor med et sentralt forbrenningskammer med en varmekilde og en ventilstyrt rørledning for utslipp av den rensede gass til en mottaker, f.eks. en pipe; to identiske varmevekslelag plassert opptil eller nær forbrenningskammeret, én på hver side derav, valgfritt separert derfra med et katalysatorlag; et endekammer plassert opptil hvert varmevekslelag ved siden derav lengst fra forbrenningskammeret; hvert nevnte endekammer koblet til en rørledning utstyrt med ventiler for innførsel av ubehandlet gass fra en felles tilførselsrørledning, og rørledninger utstyrt med ventiler for utslipp av den rensede gass til resipienten.

Således retter fremgangsmåten og apparatet ifølge oppfinnelsen seg mot katalytiske eller termiske oksydasjon av avgasser, spesielt avgasser inneholdende organiske løsnings-midler fra f.eks. offset trykk, lakkering og overflatebehandling, under anvendelse av regenerative varmevekslere. Likeså kan avgasser inneholdende illeluktende eller skadelige substanser fra organisk-kjemisk synteser eller herding av polymere materialer og illeluktende avgasser fra mat- og forbehandlingsindustrier, eller f.eks. vannrens-ningsanlegg, med fordel renses ved foreliggende fremgangsmåte.

Fremgangsmåten og apparatet ifølge oppfinnelsen og deres tekniske bakgrunn er best forklart ved å refere til tegningene. I tegningene viser Fig. la og lb to kjente apparater passende til utførelse av fremgangsmåten som definert heri ovenfor, og Fig. 2 og 3 viser to forskjellige apparater for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Apparatet vist i fig. 2 er tilpasset katalytisk forbrenning, det i fig. 3 for termisk forbrenning. Identiske referansetall i de forskjellige figurer betegner deler som prinsipielt er identiske.

Det er kj ent at avgasser som f.eks. de som er nevnt kan renses ved en katalytisk eller termisk forbrenning hvori avgassene oppvarmes til temperatuter på 200-450°C som er nødvendig for den katalytiske forbrenning og 700-1000°C som er nødvendig for den termiske forbrenning, der oppvarmingen skjer ved en regenerativ varmeveksler der den varme, rensede gass kommer fra forbrenningen. Gassen passerer gjennom porøse lag eller blokker av stener, keramikk eller metall plassert før og etter reaksjonskammeret og strøm-ningsretningen reverseres med intervaller fra 1/2 minutt til 1 time, avhengig bl.a. av forholdet mellom varmekapasiteten til varmeveksellagene og varmekapasiteten til gasstrømmen pr. enhet time. Fig. la viser en kjent utførelse av et apparat som virker i samsvar med dette prinsipp. I en sylindrisk beholder, en reaktor, er det plassert to identiske, porøse varmevekslelag 10 og 11, f.eks fremstilt av keramiske kuler, etterfulgt av to identiske lag 12 og 13 av en forbrenningskatalysator, der de to lagparene er plassert inntil et tomt rom, som virker som et forbrenningskammer 15 i midten av reaktoren.

En brenner eller elektrisk element 16 anvendes til å starte reaktoren og å tilføre varme til prosessen dersom forbrenningsvarmen fra de brennbare komponenter av gassen ikke er tilstrekkelig for å holde katalysatoren ved den nødvendige minimumstemperatur. Strømningsretningen gjennom reaktoren reverseres ved å holde ventil 1 og 4 åpne og ventil 2 og 3 lukket i en periode, og deretter i en etterfølgende periode å holde ventil 1 og 4 lukket og ventil 2 og 3 åpne. Referansetallet 5 representerer en ventil for direkte gassutslipp fra kammer 15 (forbrenningskammeret) til en pipe eller andre resipienter.

Det er velkjent, som også vist i fig. la, å kontrollere temperaturen i forbrenningssonen av katalystorlaget eller i forbrenningskammer 15 ved en termisk forbrenning gjennom utslipp av en del-strøm av gassen direkte fra denne sone bort fra apparatet. Derved minker temperaturen i forbrenningssonen på grunn av at varmeinnholdet i denne delstrøm ikke brukes til oppvarming av den innkommende gass. Dersom f.eks. den termiske virkningsgrad er 90% vil innholdet av brennbare komponenter i gassen gi en adiabatisk temperatur-økning på 40°C ved fullstendig forbrenning og gassen må varmes fra en innløpstemperatur på 100°C, deretter vil temperaturen i forbrenningssonen bli 500°C dersom varm gass ikke slippes ut fra forbrenningssonen, forutsatt at tap av varme til omgivelsene ikke er tatt i betraktning. Dersom, på den annen side, f.eks. 10% av den varme gass fra forbrenningssonen ledes bort gennom ventil 5, vil temperaturen i katalysatorlagene minke til ca. 350°C.

Anvendelse av denne apparatutforming har den ulempe at hver gang strømningsretningen reverseres, f.eks. fra en nedad-gående til en oppadgående strømningsretning, vil den ikke rensede gass tilstede i det øvre varmeveksellag og i kammeret ovenfor ledes til utslippsgassen i en ikke-renset tilstand. Dette vil redusere den midlere grad av rensing som tilsvarer volumet av denne mengde av gass relativt til mengden av gass som strømmer gjennom apparatet under perioden inntil den neste reversering av ventilene.

I prinsipp kan denne ulempe elimineres ved den likeså kjente metode der rensingen utføres ved hjelp av et apparat bestående av flere varmeveksellag koblet parallelt, hvor lag for termisk forbrenning kan ha et vanlig forbrenningskammer hvori de brennbare komponenter av gassen brennes. For å unngå at uforbrent gass returneres til den rensede utslipps-gass når strømningsretningen gjennom varmevekslelagene reverseres, etableres en mellomperiode hvor laget renses med luft eller renset gass. Den sistnevnte resirkuleres til fødestrømmen av ikke-renset gass før laget ved ventilrever-sering forandres til perioden der varm, ikke-renset gass strømmer fra forbrenningssonen til det rensede gassutslipp fra apparatet. I denne fremgangsmåte er det nødvendig, for å utføre rensingen uten å avbryte gassstrømmen gjennom apparatet, at det inneholder minst tre varmevekslelag som vist i fig. lb, der ett av disse renses og således ikke tar del i varmevekslingen mellom innkommende og utgående gass. For å minimalisere det ekstra forbruk av varmevekslelag forårsaket herav, brukes fem varmevekslelag der ett av disse vil være i rensefasen og fire tar del i varmevekslingen, der to av disse oppvarmes ved varm, renset gass og de to andre avkjøles ved innkommende, urenset gass. På den annen side vil et øket antall varmevekslelag føre til den ulempe at et stort antall ventiler er nødvendig og at apparatet blir mer komplisert, dyrt og plasskrevende.

Dokument WO-A1-86/00389 beskriver en fremgangsmåte ved en i det vesentlige kontinuerlig rensing av en oksygeninneholdende gass bestående av brennbare forurensninger ved termisk og/eller katalytisk forbrenningsprosess hvori i det minste en del av forbrenningsvarmen gjenvinnes ved en regenerativ varmeveksling i to stasjonaære, i hovedsak identiske soner bestående av fast varmevekselmateriale og separert ved et forbrenningskammer, i hvilken fremgangsmåte luften som skal renses strømmer gjennom begge varmevekslesoner og strømningsretningen gjennom nevnte soner reverseres periodisk således at de to soner vekselvis oppvarmes og avkjøles.

Dokument WO-A1-86/00389 beskriver ytterligere et apparat for utførelse av fremgangsmåten som definert ovenfor, forsynt med en i det vesentlige symmetrisk reaktor med et sentralt forbrenningskammer med en varmekilde, en rørledning forsynt med en ventil for utslipp av den rensede gass til resipienten, to identiske varmevekslelag plassert i nærheten av forbrenningskammeret, én på hver side derav, et endekammer plassert i tilstøtning til hvert varmeveksellag på hver side derav lengst fra forbrenningskammeret der nevnte endekammere hver er forbundet med en rørledning fosynt med en ventil for innslipp av ubehandlet gass fra en felles tilførselsrør-ledning og en rørledning forsynt med en ventil for utslipp av den rensede gass til resipienten.

Innholdet av dokument WO-A1-86/00389 er kort beskrevet i de første deler av kravene 1 og 7 presentert i slutten av foreliggende beskrivelse.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse skiller seg fra beskrivelsen til dokument WO-A1-86/00389 ved at den rensede gasstrøm i den første 1% til 50% av hver periode deles i to del-strømmer der én strømmes direkte fra forbrenningskammeret til en resipient og den andre strømmes gjennom varmevekslesonen som oppvarmes og derfra resirkuleres og sammenføres med den ubehandlede gasstrøm som ledes til varmevekslesonen og avkjøles.

Apparatet i henhold til foreliggende oppfinnelse skiller seg fra det som er definert i dokument WO-A1-86/00389 ved at en resirkulasjonsrørledning forsynt med en ventil leder fra hvert av endekammerene til en felles tilførselsrørledning. Forskjellen mellom foreliggende søknads apparat samt fremgangsmåte og tidligere teknikk fremskaffer en betydlig reduksjon i mengden uforbrent materiale i den rensede avgass.

Ulempene ved de kjente metoder for rensing av varmeveksellaget og kammeret ved dets kalde side unngås i apparat-utformingen vist i fig. 2, hvorved i hovedsak den samme enkelthet, kompakthet og full utnyttelse av varmeveksel-lagenes fulle kapasitet oppnås som i apparatet vist i fig. la; og samtidig at graden av rensing blir høyere og rensingen av gasstrømmen er kontinuerlig og kan ledes uten avbrudd.

I apparatet ifølge oppfinnelsen vist i fig. 3 er forbrenningen termisk og foregår i kammer 15 overfor gassutslippet til ventil 5 i stedet for i de ovenfor nevnte to lag av forbrenningskatalysatorer; varmeveksellaget og kammeret ved den kalde side derav kan renses på samme måte mens de samme fordeler opppnås.

Foruten de referansetall som allerede er identifisert i forbindelse med beskrivelsen av fig. la, har de ytterligere referansetall de følgende betydninger: Forurenset luft eller gass føres til apparatet gjennom en vanlig tilførselsrørledning 23 via en pumpe hvoretter rørledning 23 deles i to rørledninger 17 og 18 forsynt med ventilene 1 og 2, som gjør det mulig for forurenset fødegass å føres vekselsvis til et øvre eller en nedre endekammer 14. De øvre og nedre endekammere er forbundet henholdsvis med utslippsrørledningene 20 og 21, utstyrt med ventilene 3 og 4. Nedenfor er det beskrevet hvordan ventilene 1, 2, 3 og 4 opererer.

Det essensielle trekk ved apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse er to resirkulasjonsrørledninger 24 og 25, utstyrt med henholdsvis ventil 6 og 7, som er i motsetning til apparatet vist i fig. la. Gjennom disse resirkulasjons-rørledninger kan urenset gass resirkuleres fra endekammerene 14 ovenfor og nedenfor hver av de to varmeveksellag til tilførselsrørledningen (føderørledningen) 23. Samtidig er apparatet ifølge oppfinnelsen i funksjon på den måte at mengden av varm, renset gass som slippes ut via ventil 5 (for å opprettholde en nødvendig minimumstemperatur mellom de to katalysatorlag, f.eks. 350°C) ikke føres bort ved utslippet av en konstant proporsjon (f.eks. 10%) til gasstrømmen gjennom apparatet. I stedet blir den totale gasstrøm som skal renses ført til utløpsrørledning 20 eller 21 under en del av f.eks. 5% av lengden av hver periode; og samtidig er varmeveksellag 10 eller 11 bevirket til å skifte fra en periode med innkommende urenset fødegass til en periode hvor utgående renset gass renses med en tilleggs-strøm av luft bestående f.eks av 10% av gasstrømmen som skal renses. Denne tilleggsluftstrøm resirkuleres gjennom apparatet og slippes ut fra endekammer 14 ovenfor (eller under) det varmevekselag 10 (eller 11) via resirkulasjons-rørledning 24 (eller 25). I praksis finner reverseringen av ventilene sted i de følgende tidssekvenser (hvor O står for åpen og C for lukket):

EKSEMPEL

Fremgangsmåten ble forsøkt i et pilotapparat for rensing av 100 Nm<3>/g avgass inneholdende 0,5-5 g aceton pr. Nm<3> med en temperatur på 50'C før den går inn i apparatet. Apparatet er konstruert som vist i ifg. 2. Reaktoren har en indre diameter på 310 mm og er isolert med 200 mm mineralull. Reaktoren inneholder 56 kg varmevekselmateriale i form av keramiske kuler med diameter på 3-5 mm, og 22 kg forbrenningskatalysator i form av kuler med en diameter på 2-5 mm. Både varmeveksellaget og katalysatoren er blitt delt i to lag med samme størrelse, symmetrisk plassert inntil kammer 15 og utslippsrørledningen til ventil 5 som vist i fig. 2.

Når forsøket utføres uten rensing, dvs. i samsvar med den kjente metode uten bruk av ventilene 6 og 7 og kun bruk av fasene 1 og 3 som vist i diagrammet ovenfor, er henholdsvis ventilene 4 og 3 åpne. Videre er det et kontinuerlig utslipp av så mye gass (betegnet G5 Nm<3>/time i tabell 1 nedenfor) gjennom ventil 5 at temperaturen i katalysatorlaget kunne holdes konstant ved 350-400°C. Dette er en temperatur tilstrekkelig høy til å sikre en konsentrasjon under 1-2 mg C/Nm<3> i gassen utsluppet via ventil 5.

C betegner her organisk bundet karbon i gassen og måles ved flammeioniseringsanalyser. Kolonnen ti viser forløpt tid mellom ventilomstillingen som reverserer strømningsretningen gjennom apparatet. XI er acetoninnholdet i fødegassen, uttrykt i g/Nm<3> og X2 er det midlere innhold av organisk bundet karbon i den totale mengde strøm av renset gass som forlater apparatet. Resultatene er vist i tabell 1.

Når forsøket utføres med det samme apparat og i henhold til oppfinnelsen, ble resultatene vist i tabell 2 opnådd. Her er ti tiden (minutter) i hver av fasene 1 og 3 mellom ventilomstillingene og t2 er tiden (minutter) i hver av fasene 2 og 4 mellom ventilomstillingene:

Det er vist i tabell 2 at rensefremgangsmåten i henhold til opfinnelsen forårsaker en sterk reduksjon av innholdet av gjenværende uforbrente komponenter i den rensede avgass, spesielt i tilfelle ved høye konsentrasjoner i fødegassen. Skjønt i forsøk nr. 22 var det nødvendig å tilføre tilleggs-varme til kammer 15 ved hjelp av en brenner for å opprettholde en temperatur på 350°C i katalysatoren.

Tiden det tar å omjustere de fire ventilene til å reversere strømningsretningen i det ovenfor nevnte apparat er under 1 sekund og forårsaker ingen merkbare gjennomløp av uforbrent aceton. I apparater for større mengder gass er det nødvendig med ventiler som har en større diameter og lenger tid for omjusteringen, hvorved bruken av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vil være enda mer fordelaktig.

Det er ventet at fremgangsmåten og apparatet ifølge oppfinnelsen vil være nyttig i fabrikker som produserer store mengder avgasser forurenset med organiske forbindel-ser, spesielt organiske oppløsningsmidler fra f.eks. overflatebehandling, trykking og lakkering; og i rensing av illeluktende og/eller farlige gassformige substanser, f.eks.

oT fL rL n u i;:: i: ynteser- *-"—«. ™™ silg og nat.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte ved i det vesentlige kontinuerlige rensing av en oksygeninneholdende gass inneholdende brennbare forurensninger ved termisk og/eller katalytisk forbrenning der minst en del av forbrenningsvarmen gjenvinnes ved en regenerativ varmeveksler i to stasjonære, i hovedsak identiske soner omfattende fast varmevekslemateriale og separert ved et forbrenningskammer, idet luften som skal renses strømmer gjennom begge varmevekslesoner og strøm-ningsretningen gjennom sonene reverseres periodisk slik at de to soner vekselvis varmes og avkjølesi perioder på 0,1 til 60 minutter, karakterisert ved at den rensede gasstrøm i den første 1% til 50% av hver periode deles i to delstrømmer der én føres direkte fra forbrenningskammeret til en resipient og den andre føres gjennom varmevekslesonen som oppvarmes og derfra resirkuleres og føres sammen med den ubehandlede gasstrøm som ledes til den avkjølte varmevekslesonen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved å lede gassen som passerer varmevekselsonene gjennom to i hovedsak identiske lag av en forbrenningskatalysator, der ett slikt lag plasseres i forbindelse med hver av varmevekselsonene.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den forurensede gass fortynnes med luft hvis den inneholder mer enn 15 g brennbare substanser pr. Nm<3>.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at delstrømmen som føres fra forbrenningskammeret er større enn den resirkulerte delstrøm.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at lengden av periodene er 0,1-60 minutter.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at lengden av periodene er 1-30 minutter.

7. Apparat for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1 forsynt med en i det vesentlige symmetrisk reaktor med et forbrenningskammer (15) i midten med en varmekilde (16) og en rørledning (19) utstyrt med en ventil (5) for utslipp av den rensede gass til en resipient (22), to identiske varmeveksellag (10, 11) som er plasser nært inntil forbrenningskammeret (15), én på hver side derav, et endekammer (14) som er plassert opptil hvert varmeveksellag (10, 11) ved siden derav lengst fra forbrenningskammeret (15) , der hvert av nevnte endekammer er koblet til rørledninger (17, 18) utstyrt med ventiler (1, 2) for innslipp av ubehandlet gass fra en tilførselsrørledning (23), og rørledningene (20, 21) utstyrt med ventiler (3, 4) for utslipp av den rensede gass til resipienten (22), karakterisert ved at en resirkulasjonsrør-ledning (24, 25) forsynt med en ventil (6, 7) fører fra hvert endekammer (14) til tilførselsrørledningen.

8. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at et katalysatorlag (12, 13) er anordnet i forlengelse av hvert varmeveksellag (10, 11), ved siden derav opptil forbrenningskammeret (15).