Vorrichtung zur thermischen λbgasbehandlung, insbesondere von oxidierbaren Schwelgasen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Abgas- behandlung, insbesondere von oxidierbaren Schwelgasen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.
Aus der EP 0 472 605 Bl ist eine Anlage und ein Verfahren zur thermischen Abgasbehandlung bekannt, bei der die Reaktoren als vertikale Türme angeordnet sind. Es werden mindestens zwei
Reaktortürme verwendet. Der Ein- und Austritt der Abgase ist unten an den Reaktortürmen vorgesehen. Die oberen Enden der Reaktortürme sind über ein Umlenkgehäuse verbunden. Dort befin¬ det sich auch eine Brennkammer mit Brennern. Die Reaktortürme sind mit keramischen Körpern gefüllt. Das mit organischen
Schadstoffen beladene Rohgas tritt in den einen Reaktorturm ein und wird beim Durchströmen der heißen Wärmespeicherkörper auf¬ geheizt. In der Heizkammer wird das Rohgas mittels eines Bren¬ ners, z.B. Erdgasbrenner, auf die für die Nachverbrennung der organischen Schadgase notwendige Temperatur aufgeheizt. Das aufgeheizte, gereinigte Abgas wird dem zweiten Reaktorturm zug¬ leitet und gibt die in dem ersten Turm aus dem Speicher aufge¬ nommene und im Umlenkkanal zugesetzte Wärme möglichst vollstän¬ dig im zweiten Turm an den Speicher wieder ab. Das abgekühlte Reingas, das beim Austritt aus dem zweiten Reaktorturm eine nur wenig höhere Temperatur besitzt als das Rohgas beim Eintritt in den ersten Reaktorturm, wird anschließend über den Schornstein abgeleitet.
Die Gasströme werden in regelmäßigen Abständen, z.B. von ca. zwei bis drei Minuten, umgeschaltet. Dabei übernimmt der zweite Reaktorturm nunmehr die Funktion der Anwärmung des Rohgases, während der Speicher im ersten Reaktorturm die Wärme des heißen Reingases aufnimmt.
Die Konstruktion von Reaktortürmen ist aus statischen Gründen aufwendig. Das Einbringen der Speicherbesätze in die Reaktor¬ türme ist umständlich. Zudem ist die Führung der Abgase wie auch das Entfernen von Ablagerungen erschwert.
Aus der EP 0 365 262 AI ist es ferner bei solchen Anlagen be¬ kannt, einen einzigen Reaktorturm zu verwenden, bei dem die beiden hintereinander angeordneten Reaktoren mit zwischenge¬ schalteter Brennkammer eine gestreckte Lage einnehmen. Auch hierbei ist nachteilig, daß aus Gründen der Statik ein aufweni¬ ger Aufbau erforderlich ist. Auch sind die einzelnen Besätze der Reaktoren durch entsprechende Tragroste abzufangen, welche wiederum aus statischen und thermischen Gründen aufwendig auf¬ gebaut sein müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur thermischen Abgasbehandlung zu schaffen, die eine einfachere Konstruktion bei vereinfachter Statik ermöglicht. Zudem soll das Einbringen und Entfernen der Speicher in der Vorrichtung erleichtert werden. Das Entfernen von Ablagerungen und das
Führen der Abgasströme in der Vorrichtung soll verbessert wer¬ den.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merk- malen des Anspruchs 1.
Die gestreckte, liegende Vorrichtung zur thermischen Abgasbe¬ handlung mit Reaktoren mit dazwischenliegender Brennkammer vereinfacht die Statik und damit die Konstruktion der Reakto- ren. Es besteht somit die Möglichkeit, mit vertretbaren techni¬ schem und finanziellem Aufwand auch höhere Speichermassen zuzu¬ lassen. Dies kann sich anbieten, sobald größere Temperatur¬ schwankung der zu reinigenden Abgase oder auch wechselnde Schadstoffkonzentration zu bewältigen sind.
Als Folge können auch längere Umschaltzyklen zwischen Gasauf¬ heizung und Kühlung gewählt werden, ohne daß der Nachverbren¬ nungsprozeß negativ beeinflußt wird. Daraus ergeben sich wie¬ derum geringere ungereinigte Gasmengen, welche aus dem Totraum¬ volumen während des Umschaltvorgangs resultieren. Es wird somit lediglich nur ein kleiner Anteil ungereinigten Abgases emit¬ tiert. Als Nebeneffekt tritt eine geringere mechanische Bela¬ stung, z. B. Verschleiß der bewegbaren Teile der Umschaltklap¬ pen ein.
Die mögliche höhere Speichermasse bedingt zudem einen höheren freien Durchströmungsquerschnitt. Damit wird eine geringere Querschnittsbelastung der Vorrichtung erreicht. Vor allem bei höherer Staub- und Rußbeladung des zu reinigenden Abgases wird die Gefahr des Zuwachsens der freien Querschnitte in der Vor¬ richtung praktisch ausgeschlossen. Einhergehend damit ist ein geringerer Gesamtdruckverlust der Vorrichtung. Dies bedeutet einen geringeren Aufwand an elektrischer Energie zum Betrieb des Abgasventilators.
Schließlich ist auch eine nachträglich durchzuführende Erweite¬ rung der Vorrichtung leicht möglich. Hierfür kann die Vorrich¬ tung in Modulbauweise aufgebaut sein. Bei Verlängerung der Vor¬ richtung können dann ein oder mehrere Module zugefügt werden.
Die gestreckte, liegende Anordnung verbessert auch die Führung des Abgases. So wird der Druckverlust durch Wegfall eines Um¬ lenkkanals verringert.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Reaktoren mit Heizkammer am Boden aufliegend ausgebildet.
Bei fehlendem Raum ist es allerdings auch möglich, eine solche Vorrichtung überhalb anderen Gesa tanlagenteilen, anzubringen.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist jeder Wärme¬ speicher aus feuerfesten Steinen mit Setzschlitzen zwischen in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Steinereihen aufgebaut. Durch die Setzschlitze verbessert sich die Durchmischung der Abgase. In die Setzschlitze sind Hilfsbrenner und/oder Umwälz¬ ventilatoren einsetzbar.
Vorzugsweise finden für jeden Wärmespeicher Schamotte-Vielloch- Steine Verwendung.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Steine jedes Wärmespeichers zu seiner Längsrichtung mit den Lochkanä¬ len schräg verlaufend angeordnet, wobei die schrägen Kanäle in der unteren Hälfte entgegen den Kanälen in der oberen Hälfte verlaufen. Hierdurch wird in den anschließenden Freiräumen, z.B. Brennkammer oder haubenartigen Enden, eine verbesserte Durchmischung der Abgase erreicht.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können als Steine Vollsteine für querverlaufende Bänder in den Wärmespei¬ chern verwendet werden.
Vorzugsweise sind die Steine als Doppelstöße angeordnet, die aufeinanderfolgend Abstände zur Bildung der Setzschlitze auf- weisen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in der Decke und/oder den Seitenwänden der Heizkammer gegenüberliegen¬ de, höhenmäßig versetzt angeordnete Brenner vorgesehen. Hier- durch wird eine Umwälzung der Abgase in der Heizkammer er¬ reicht.
Um die Heizkammer leicht begehen zu können, um z.B. Ablagerun¬ gen zu entfernen, ist eine Seitenwand der Heizkammer mit einer Türe versehen, über der ein Brenner angeordnet ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Außen¬ mantel der Anlage von einem Gehäuse gebildet, das an jedem Ende eine Sammelhaube mit Anschlüssen für zu- bzw. abgehende An¬ schlüsse für das Abgas besitzt und Stutzen mit Steuerklappen für die Wechselleitungen aufweist.
Jede Sammelhaube, die rohrförmig mit rechteckigem oder rundem Querschnitt ausgebildet ist, kann eine ebene Stirnseite besit¬ zen, die als Hubtor ausgebildet ist. Über dieses Hubtor können der Speicherbesatz jedes Reaktors, z. B. durch einen Gabelstap¬ ler ein- und ausgefahren werden. Die Speicherbesätze können hinsichtlich ihrem Aufbau, ihrer Größe und ihrer Zusammenset¬ zung an geänderte Bedingungen, z. B. geänderte Abgaswerte vor¬ geschriebene Grenzwerte und dergleichen, angepaßt sein.
Das Außengehäuse ist vorzugsweise innen und/oder außen wärme¬ isoliert.
Um auch in den Wärmespeichern Ablagerungen zu entfernen, sind in den Setzschlitzen in der Mitte nahe dem Boden nach außen ge¬ führte, verschließbare Rohrstutzen vorhanden. Diese ermöglichen die Einführung eines Absaugschlauches für das Absaugen der Ablagerungen.
Zur verbesserten Aufheizung der Wärmespeicher können an den
Enden statt Steinen Rohrstapel aus gut wärmeleitendem Material, z.B. Kupfer, angeordnet sein.
Die Setzschlitze der Wärmespeicher können mit wärmespeichern- dem, rieselfähigem Material ausgefüllt sein. Hierdurch wird der Wärmespeicherwert vergrößert.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Draufsicht auf die Vorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine Teil-Stirnansicht eines Wärmespeichers,
Fig. 4 eine Teil-Draufsicht des Wärmespeichers, und
Fig. 5 und Fig. 6 Ansichten wie in Fig. 1 und 2 einer geän- derten Ausfürungsform
Das nachzuverbrennende Rohgas wird über eine Rohgasleitung 1 der Vorrichtung zur thermischen Abgasbehandlung 2 zugeleitet. Die Vorrichtung 2 besitzt ein Außengehäuse 3 aus innen- und/- oder außengedämmtem Metall.
Das Außengehäuse 3 kann in Längsrichtung aus abgeteilten Modu¬ len in nicht dargestellter Weise zusammengesetzt sein.
Das Außengehäuse besitzt vorzugsweise zur Dämmung eine feuerfe¬ ste Innenauskleidung, z. B. aus Schamotte, keramischen Fasern oder dergleichen. Auch die Stahlaußenseite des Gehäuses kann auf ähnliche Weise gedämmt sein. Dabei ist zu beachten, daß die auftretende Temperatur nicht den Taupunkt unterschreitet.
Im Gehäuse 3 sind Reaktoren 4, 5 in liegender Lage mit zwi¬ schengeschalteter Heizkammer 6, vorzugsweise einzügig, angeord¬ net. Die Vorrichtung 2 ruht vorzugsweise auf dem Boden 10 auf. Durch die liegende Anordnung ist die Statik und die Konstruk- tion erheblich vereinfacht.
Die Enden 11, 12 des Außengehäuses 3 der Vorrichtung 2 sind haubenförmig ausgebildet. Sie besitzen Anschlußstutzen 13, 14, 15, 16. In diesen sind steuerbare Klappen 20, 21, 22, 23 an¬ geordnet.
Die einander gegenüberliegenden Stutzen 14, 16 sind über eine außenliegende Rohrleitung 25 verbunden. Desgleichen sind die Anschlußstutzen 13 und 15 über eine auβenliegende Rohrleitung 26 miteinander verbunden.
Die Rohrleitungen 25, 26 werden je nach der Stellung der Klap¬ pen 20-23 im einen oder anderen Sinne von dem Abgas durchflös¬ sen.
Die Hauben 27, 28 an den Enden 11, 12 besitzen befahrbare Türen 30, 31. Über sie können die von den Hauben 27, 28 begrenzten Räume der Enden 11, 12 von Abgasrückständen gereinigt werden. Außerdem können die Bestandteile des Wärmespeicher 35 in das Außengehäuse 3 eingebracht werden.
Der Wärmespeicher 35 ist in zwei Gruppen A, B geteilt. Jede der Gruppen A, B ist von einem Besatzkörper 38 gebildet. Dieser besteht vorzugsweise aus Schamotte-Vielloch-Steinen 39.
Der Besatzkörper 38 ist vorzugsweise von zueinander schrägver¬ laufenden Stein-Reihen 45 gebildet. Die in der oberen Hälfte angeordneten Schamotte-Vielloch-Steine 39 sind zu den in der unteren Hälfte angeordneten Steinen 39 entgegengesetzt verlau¬ fend angebracht. Hierdurch wird eine bessere Drallwirkung (Durchmischung) erreicht.
Vorzugsweise ist höhenmäßig in der Mitte ein Band 47 aus Scha¬ motte-Vielloch-Steinen vorgesehen. Der genauere Besatz mit den Schamotte-Vielloch-Steinen 39 ist aus Fig. 3 und Fig. 4 ersicht- lieh. Alle Steine 39 sind gleich ausgebildet. Sie besitzen quer zu ihrer Längsrichtung eine Vielzahl von Lochungen 48.
Die obere Schicht 49 und die untere Schicht 50 ist durch Steine 39 gebildet, die ohne großen Abstand voneinander seitlich und stirnseitig aneinander anschließen. Die Längsachsen der Stein¬ reihen sind zueinander entgegengesetzt und schräg zur Strömungs- richtung 55.
Die Steine 39 der mittleren Schicht 56 sind senkrecht zur Strö¬ mungsrichtung 55 des Abgases angeordnet. Stirnseitig sind die Steine 39 aneinanderstoßend angeordnet. In Strömungsrichtung 55 des Abgases weisen sie Abstände voneinander auf.
Der Besatzkörper 38, der durch die Schamotte-Vielloch-Steine 39 gebildet wird, besitzt quer zur Durchströmungsrichtung 55 ver¬ laufende Setzschlitze 36. Hierdurch entstehen querverlaufende Besatzkörperscheiben 37. Diese sind vorzugsweise aus den Scha¬ motte-Vielloch-Steinen 37aufgebaut. Es können auch eine Anzahl von Vollsteinen in diesen Besatzkörperscheiben 37 verteilt un¬ tergebracht sein. Hierdurch entsteht eine zusätzliche Umlenkung und dadurch eine bessere Durchmischung des Abgases.
Die Besatzkörperscheiben 37 werden im allgemeinen als Doppel¬ stöße errichtet, die zueinander einen Abstand haben, um die Setzschlitze 36 zu bilden. Durch die Setzschlitze 36 erreicht man eine gewisse Beruhigung der Abgasdurchströmung und eine Temperaturvergleichmäßigung.
In den Setzschlitzen 36 können zusätzliche Hilfsbrenner als Decken- und/oder Seitenbrenner angeordnet sein. Hierdurch wird die Umwälzung der Abgase in den Setzschlitzen 36 verbessert. Zudem wird eine Temperaturvergleichmäßigung im Reaktor 4 bzw. 5 erreicht. Auch werden Temperaturschwankungen geglättet.
Zwischen den beiden Wärmespeichergruppen A, B ist in Reihe und in gestreckter Lage die Heizkammer 6 angeordnet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besitzt das Außengehäuse 3 vorzugsweise einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt, vorzugsweise quadra-
tischen Querschnitt. In dieser Heizkammer 6 sind vorzugsweise zwei Brenner 40, 41 als Hauptbrenner angeordnet. Es können auch Seitenbrenner Verwendung finden. Diese sind zur Umwälzung der Abgase in der Heizkammer 6 höhenmäßig versetzt angeordnet. So ist z.B. der Brenner 40 nahe der Oberseite der Kammer 6 angeord¬ net, während der Brenner 41 auf der gegenüberliegenden Seiten¬ wand des Außengehäuses 3 nahe dem Boden 10 angeordnet ist.
Hierdurch wird auch die Anbringung einer Türe 42 erleichtert. Über diese ist ein Räumen von etwaigen Ablagerungen in der
Heizkammer 6 möglich. Außerdem kann auch das Einbringen des Besatzes für die Wärmespeichergruppen A, B ermöglicht werden.
Die Brennkammer 6 wie auch die Setzschlitze 36 können kurz über dem Boden 10 mit nach außen führenden, verschließbaren Rohrstut¬ zen versehen werden, die auch während des Betriebes die Einfüh¬ rung eines Absaugeschlauches und die Entfernung von eventuellen Ablagerungen ermöglichen.
Es können bei extremen Anforderungen, wie großen Schwankungen von Rohgasmengen und Schadstoffkonzentrationen, Umwälzventila- toren eingesetzt werden, die sowohl in einem wie in mehreren Setzschlitzen 36 angeordnet sind und in eine Richtung umlaufen oder auch in Gegenrichtung geschaltet werden können.
In besonderen Fällen, z.B. bei Platzmangel, ist es möglich, an den beiden Enden 11, 12 unter den Hauben 27, 28 statt Schamotte- Vielloch-Steinen 34 kurze Metallrohre, vorzugsweise Kupferrohre einzusetzen, wodurch ein wesentlich schnellerer Wärmeübergang erreichbar und die Ausmaße der beiden Wärmespeichergruppen A und B verkürzt werden.
Es ist auch möglich, die Metallteile, vorzugsweise Kupferrohre durch hängende Metallketten zu ersetzen. Die dicht an dicht hängenden Ketten ermöglichen eine leichte Reinigung von Ablage-
rungen, die sich an ihnen niedergeschlagen haben. Durch einfa¬ ches Schütteln der Ketten, z.B. manuell oder durch eine automa¬ tische Vorrichtung, können die an den Kettenteilen sich anla¬ gernden Rückstände, z.B. Staub oder Ruß, beseitigt werden. Vor- zugsweise werden diese Ketten im Bereich der Enden 11, 12 unter den Hauben 27, 28 angeordnet.
Der Betrieb der Vorrichtung 2 wird in Verbindung mit Fig. 2 erläutert. Die steuerbaren Klappen 20, 21, 22 und 23 befinden sich in den gezeichneten Stellungen. Dann strömt das nachzuver¬ brennende, kühle Rohgas über die Leitungen 1 und 26 dem An- schluβstutzen zu, wird dem Reaktor 5 zugeleitet und nimmt Wärme aus dem Besatzkörper 38 auf. Das Abgas wird anschließend in der Heizkammer 6 weiter aufgeheizt. Das weiterströmende Abgas heizt dann den vorher in der vorausgehenden Betriebsphase abgekühlten Besatzkörper 38 des Regenerators 4 wieder auf die optimale Tem¬ peratur (z.B. 800° - 900° C) auf. Das Abgas strömt dann über den freien Anschlußstutzen, die Rohrleitung 25, die Rohrleitung 60, das Gebläse 61, über den Kamin 62 nach außen ab.
Bei der sich nach einiger Zeit - z. B. mehrere Minuten - anschließenden Betriebsphase wird das Abgas über die Leitung 1 bei umgesteuerter Klappe 20 dem Reaktor 4 zugeführt. Da sich die weiteren Klappen 21, 22 und 23 in ihrer umgekehrten Klappenstel- lung befinden, strömt das Abgas über die Heizkammer 6 zum Reak¬ tor 5 und weiter über den Anschlußstutzen 16 zum Gebläse 61, so¬ wie Kamin 62. Die Betriebsphasen wiederholen sich anschließend.
Durch den gewählten Aufbau und Anordnung der Speicher besitzt die Vorrichtung 2 ferner optimale Misch- und Reaktionszonen. Das zu reinigende Abgas wird stets erneut vermischt, bevor es in den nächsten Besatz eintritt.
Je nach Schadstoffart und -konzentration beginnt bereits im mittleren Teil des einen Reaktors eine parzielle Oxidation an den umströmten heißen Kontaktoberflächen. Diese Reaktionen
pflanzen sich unter stetig steigenden Oxidationsraten innerhalb des Speicherbesatzes fort.
Am Ende des jeweiligen Reaktors ist dann bei den erforderlichen Verbrennungstemperaturen um 800 °C die SchadstoffVerbrennung bereits abgeschlossen. Das gereinigte Abgas, das eine große Kontaktfläche durchströmen mußte, wird dann in der jeweiligen jeweils folgenden Zone zwecks Energieabgabe an die Besatzelemen¬ te geschickt.
Die Temperaturbeständigkeit des Thermreaktors, bei dem sich keine metallischen Werkstoffe im Hochtemperaturbereich befinden, liegt in der Standardausführung bei ca. bis 900°C und kann für Sonderfälle durchaus noch gesteigert werden. Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung liegt in seiner Fähigkeit, den primären thermischen Wirkungsgrad durch Variation der Besatzspeicher zu verändern.
Durch die Modulbauweise ist es möglich, sich geänderten Produk- tionsbedingungen, z. B. Schadstoffverminderung oder -erhöhung, den nötigen Primärenergiebedarf sofort wieder anzupassen.
Die Vorrichtung kann auch auf katalytischer Basis betrieben werden.
Nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 und 6 ist es auch mög¬ lich, die Heizkammer 6 durch einen oder mehrere Besatzkörper 38 mit Setzschlitzen 36 zu ersetzen. In diesem Fall kann die gesam¬ te Anordnung als aus einem einzigen Reaktorkörper bestehend aufgefaßt werden, der vorzugsweise Setzschlitze 36 aufweist. In den Setzschlitzen 36 sind über eine Heizzone vorzugsweise von mehreren Besatzkörpern 38, Brenner, vorzugsweise ein oder meh¬ rere rohrförmige Hochgeschwindigkeitsbrenner 70 vorzusehen. Hierbei könnten die Brenner auch nur teilweise betrieben werden, wenn brennbare Bestandteile im Abgas vorhanden sind. Die ge-
wünschte Verbrennungstemperatur wird durch Ein- und Ausschalten oder Steuerung der Brennerleistung geregelt. Falls der Schad¬ stoffgehalt im Rohgas die für einen autothermen Betrieb erfor¬ derliche Menge überschreitet, wird ein Teilvolumenstrom des heißen Abgases direkt aus der Heizkammer bzw. Heizzone ausgekop¬ pelt.
Es ergibt sich dann eine Vorrichtung 2 mit durchgehenden, vor¬ zugsweise gleichen Besatzkörpern 38. Die Länge der Heizzone kann durch zu- oder abschalten der Brenner 70 entsprechend verändert werden. Es ergibt sich zudem der Vorteil der schnelleren Auf- heizung der Heizzone. Der gesamte Besatzkörper kann einheitlich ausgebildet werden. Die verwendeten Hochgeschwindigkeitsbrenner 70 sind preiswerter und wirksamer.
Schließlich kann jedes Ende 11, 12 statt in Form von Hauben auch mit einem rohrformigen Längsteil und einem ebenen Stirnteil ausgebildet sein. Der rohrförmige Endteil besitzt dann die An¬ schlußstutzen. Der ebene Stirnteil kann dann als Hubtor ausge- bildet sein. Über ein solches Hubtor kann der erneuerbare Wärme¬ speicherbesatz, z. B. durch einen Gabelstapler, aus- bzw. einge¬ fahren werden. Der einzufahrende Speicherbesatz kann außerhalb der Vorrichtung 2 vorbereitet, hinsichtlich seiner Länger, sei¬ nes Querschnittes und seiner Zusammensetzung angepaßt an sich ändernde Verhältnisse, wie z.B. Abgaszusammensetzung, Grenzwerte u.s.w. vorbereitet sein.
Bei schwereren Besatz mit größerer Wärmespeicherfähigkeit können die Umschaltperioden verlängert werden.