[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasoxidationsanlage
zur thermischen Behandlung eines mit oxidierbaren Bestandteilen belasteten Rohgasvolumenstroms,
umfassend
- mindestens eine erste und eine zweite Wärmespeichermasse, wobei die Wärmespeichermassen
jeweils an mindestens einen Rohgaskanal und mindestens einen Reingaskanal angeschlossen
sind und
- mindestens eine strömungstechnisch zwischen den Wärmespeichermassen angeordnete Brennkammer,
in der die in dem Rohgasvolumenstrom befindlichen Bestandteile oxidierbar sind und
der Rohgasvolumenstrom so in einen Reingasvolumenstrom umwandelbar ist.
[0002] Die Wärmespeichermassen sind meist in getrennten Behältern oder in einem durch Trennwände
geteilten gemeinsamen Behälter angeordnet und werden abwechselnd von einem Rohgasvolumenstrom
und einem Reingasvolumenstrom durchströmt. Im Sinne dieser vorliegenden Anmeldung
lassen sich die Wärmespeichermassen in einen oberen, der Brennkammer zugewandten Bereich
und einen unteren der Brennkammer abgewandten Bereich unterteilen.
[0003] Weiterhin kann im Sinne der vorliegenden Anmeldung unter den in einem Behälter angeordneten
Wärmespeichermassen auch eine einzelne Wärmespeichermasse verstanden werden, die,
bedarfsweise mittels einer Trennwand, in zwei Abschnitte aufgeteilt ist, wobei jeder
Abschnitt abwechselnd von dem Rohgasvolumenstrom und dem Reingasvolumenstrom durchströmt
wird.
[0004] Es führen jeweils ein Rohgaskanal und ein Reingaskanal zu den einzelnen Wärmespeichermassen,
wobei je nach Prozesszyklus abwechselnd der Rohgasvolumenstrom oder der Reingasvolumenstrom
durch die entsprechende Wärmespeichermasse geleitet wird. Die erste Wärmespeichermasse
wärmt den Rohgasvolumenstrom vor, bevor letzterer in die Brennkammer geleitet und
dort durch die Oxidation der oxidierbaren Bestandteile in den Reingasvolumenstrom
umgewandelt wird. Der Reingasvolumenstrom überträgt seine thermische Energie an die
zweite nachgeschaltete Wärmespeichermasse. Bei einem darauf folgenden Prozesszyklus
wird zunächst die zweite, zuvor von dem Reingasvolumenstrom vorgewärmte Wärmespeichermasse
mit dem Rohgasvolumenstrom durchströmt und heizt letzteren auf. Durch die erste, zuvor
von dem Rohgasvolumenstrom durchströmte Wärmespeichermasse wird nun der Reingasvolumenstrom
geleitet, wobei letzterer nun die erste, jetzt "nachgeschaltete" Wärmespeichermasse
aufheizt.
Stand der Technik
[0005] Es sind bereits zahlreiche Gasoxidationsanlagen und Verfahren zu deren Betrieb in
verschiedenen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt.
[0006] Während des Betriebs der Gasoxidationsanlage wird thermische Energie durch die Oxidation
von oxidierbaren Bestandteilen, beispielsweise kohlenstoffhaltiger Verbindungen freigesetzt
(=exotherme Reaktion). Plötzliche Konzentrationserhöhungen der oxidierbaren Bestandteile
in dem Rohgasvolumenstrom führen zu einem überautothermen Zustand. Infolgedessen tritt
ein Temperaturanstieg innerhalb der Gasoxidationsanlage auf. Ein überautothermer Zustand,
in dem der Gehalt des Rohgases an oxidierbaren Bestandteilen größer ist, als für die
dauerhafte Aufrechterhaltung einer minimalen Oxidationstemperatur in der Anlage auch
ohne weitere externe Energiezufuhr erforderlich wäre, sollte allerdings über langen
Zeitraum vermieden werden, da dies zu einem Ausfall der Gasoxidationsanlage wegen
Überhitzung führen kann. Zur Vermeidung eines Totalausfalls wird in solchen Fällen
bereits zuvor eine Abschaltung der Anlage eingeleitet, um einen unkontrollierten überautothermen
Prozess der Gasoxidationsanlage entgegen zu wirken und dabei einen Verschleiß oder
Beschädigungen der Bauteile zu minimieren.
[0007] Eine derartige Anlage zur thermischen Nachverbrennung von Prozessgasen wird beispielsweise
in der
DE 26 24 874 beschrieben. Sowohl Rohgas als auch Reingas werden durch dieselbe Wärmespeichermasse
geleitet, wobei das Reingas seine Wärme an die Speichermasse abgibt und das Rohgas
mittels dieser Wärme aufgeheizt wird. Bei dieser Anlage kann die Temperatur in der
Wärmespeichermasse lediglich durch Abschaltung erfolgen, weshalb die vorgenannten
Nachteile bei dieser Anlage auftreten können.
[0008] Heutzutage wird häufig ein Bypass, wie dieser beispielsweise in der
DE 10 2010 012 005 A1 beschrieben wird, an die Brennkammer angeschlossen. Mittels des Bypasses wird der
Reingasvolumenstrom direkt aus der Brennkammer abgeleitet und folglich wird der Gasoxidationsanlage
eine gewisse thermische Energie entzogen. Dadurch wird verhindert, dass die nachgeschaltete
Wärmespeichermasse zu stark aufgeheizt wird. Dennoch findet keine unmittelbare Abkühlung
der Wärmespeichermasse statt. Vielmehr erfolgt die Abkühlung der Wärmespeichermasse,
also die Abgabe der ,überschüssigen' thermischen Energie an den Reingasvolumenstrom,
erst bei einem anschließenden Prozesszyklus durch das kalte Rohgas, welches diese
Wärmespeichermasse dann durchströmt, wobei eine ausreichende Abkühlung häufig sogar
erst nach zwei bis drei Prozesszyklen stattfindet. Innerhalb dieses Zeitraumes kann
allerdings schon ein Totalausfall der Gasoxidationsanlage eingetreten sein. Das heißt,
bei dem Bypass handelt es sich um eine lediglich recht Träge wirkende Einflussgröße
auf die Anlagentemperatur.
[0009] Ein weiterer Nachteil des Bypasses besteht darin, dass es schwer einschätzbar ist,
wie viel thermische Energie über den Bypass abgeleitet werden muss. Dabei kann es
durchaus möglich sein, dass ungewollter Weise so viel thermische Energie abgeleitet
wird, dass der Rohgasvolumenstrom nicht ausreichend von der vorgeschalteten Wärmespeichermasse
vorgeheizt wird. Die Wärmequelle schafft es in diesem Fall nicht, den ungenügend vorgewärmten
Rohgasvolumenstrom derart aufzuheizen, dass eine ausreichende Oxidation der oxidierbaren
Bestandteile in dem Rohgasvolumenstrom auftritt. Dies kann zur Folge haben, dass die
geforderten Reingasgrenzwerte nicht mehr eingehalten werden.
[0010] Hinzu kommt, dass mittels des Bypasses thermische Energie aus der Gasoxidationsanlage
entnommen wird und dieser nicht mehr für die Oxidation zur Verfügung steht. Folglich
führt dieses zu einem Energieverlust innerhalb der Gasoxidationsanlage.
[0011] Eine weitere heutzutage angewandte Methode zur Regelung einer Gasoxidationsanlage
besteht darin, dass dem Rohgasvolumenstrom Zuluft beigemischt wird, bevor dieser in
die vorgeschaltete Wärmespeichermasse geleitet wird. Dies führt zu einer Senkung der
Konzentration der oxidierbaren Bestandteile in dem Rohgasvolumenstrom und verringert
beziehungsweise verhindert somit eine überautotherme Reaktion in der von dem Rohgasvolumenstrom
durchströmten Wärmespeichermasse. Da keine zeitlich und/oder räumlich hoch aufgelösten
Betrachtungen der Temperatur- und Reaktionsverläufe in den Wärmespeichermassen möglich
sind, kann die benötigte Menge an Zuluft nur geschätzt beziehungsweise erahnt werden.
Ein Zuviel an Zuluft verursacht einen vermehrten Einsatz des Brenners, und ein Zuwenig
an Zuluft führt schlimmstenfalls zu einem Totalausfall der Gasoxidationsanlage, da
auch in diesem Fall eine Abkühlung der Wärmespeichermassen frühestens nach ein bis
drei Prozesszyklen auftritt. Schließlich offenbart
US 6488076 B1 ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aufgabe
[0012] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren
dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine Abkühlung der Gasoxidationsanlage mit möglichst
geringer Verzögerung möglich ist, um einen Totalausfall der Anlage zu verhindern.
Die in der Gasoxidationsanlage gewonnene Energie sollte dabei möglichst effizient
weiter genutzt werden, ohne dass die Reingasgrenzwerte überschritten werden.
Lösung
[0013] Die zugrunde liegende Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen
Art durch mindestens einen Kanal gelöst, der vorzugsweise unmittelbar an die Brennkammer
angeschlossen ist und mittels dessen ein Fluid in die Brennkammer einleitbar ist,
wobei eine Einleitung des Fluids zu einer Temperaturreduzierung in der Brennkammer
führt.
[0014] Mittels dieser Anordnung kann die Brennkammertemperatur unmittelbar nach Feststellung
eines zu starken Temperaturanstiegs in der Brennkammer gesenkt werden, indem das Fluid
in die Brennkammer eingeleitet und mit dem darin befindlichen Gasgemisch vermengt
wird. Es können sogar plötzlich auftretende Temperaturanstiege innerhalb der Wärmespeichermasse
ausgeglichen werden. Es handelt sich somit um eine sehr rasch auf die Brennkammertemperatur
wirkende Stellgröße. Die Temperaturanstiege sind auf Änderungen im Energiegehalt beziehungsweise
Konzentrationsanstiege der oxidierbaren Bestandteile in dem Rohgasvolumenstrom zurückzuführen,
da diese zu einer verstärkten exothermen Reaktion und somit zu einer vermehrten Freisetzung
an thermischer Energie führen. Es versteht sich, dass das zugeführte Fluid eine möglichst
geringe Temperatur jedenfalls deutlich unterhalb der Brennkammertemperatur aufweist,
wobei meist ein Fluid mit Umgebungs- beziehungsweise Raumtemperatur verwendet werden
wird.
[0015] Durch das Einleiten des Fluids in die Brennkammer kann der Wärmeverlust innerhalb
der Gasoxidationsanlage möglichst gering gehalten werden, da die thermische Energie
im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Betriebsverfahren,
zumindest nicht über einen thermisch ungenutzten Bypassstrom abgeleitet wird, sondern
innerhalb der Gasoxidationsanlage, und der zwar vornehmlich in den Wärmespeichermassen
verbleibt. Dass dennoch ein Totalausfall der Gasoxidationsanlage vermieden werden
kann, lässt sich folgendermaßen erklären:
Zum einen entfaltet die Einleitung eines hinreichend kühlen Fluids in die Brennkammer
eine sehr unmittelbare und zeitnahe Wirkung, d. h. Reduzierung der Brennkammertemperatur
was insbesondere dann eine Anlagenabschaltung wegen Überhitzung vermeidet, wenn die
eine mögliche Abschaltung auslösenden Temperatursensoren sich in der Brennkammer befinden,
was nach dem Stand der Technik üblich ist. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren
unter Aspekten der Energieeffizienz als sehr positiv zu beurteilen, da trotz des Abkühleffekts
keine Energie ungenutzt aus dem System abgegeben wird (wie das bei einem Bypass ohne
Wärmerückgewinnung der Fall ist), sondern die Energie in der jeweils der Brennkammer
nachgeschalteten Wärmespeichermasse (zwischen-) gespeichert wird. Dies ist insbesondere
dann besonders sinnvoll, wenn die Überhitzungsproblematik lediglich für einen kurzen
Zeitraum aufgrund einer temporären Spitze in dem Gehalt des Rohgases an oxidierbaren
Bestandteilen hervorgerufen wird und diese Spitze bald durch Phasen abgelöst würde,
in denen (gerade) ein autothermer Betrieb möglich wäre bzw. sogar wieder ein unterautothermer
Betriebszustand vorliegt.
[0016] Ferner bietet die erfindungsgemäße Fluideinleitung in die Brennkammer aber auch eine
sehr elegante Möglichkeit zur Regelung des Temperaturniveaus der Wärmespeichermassen.
Auch ohne einen konkreten Anlass für eine Temperatursenkung in der Brennkammer kann
eine Fluideinleitung dort sinnvoll sein, wenn nämlich durch eine länger andauernde
Nutzung eines heißen Bypasses die Temperatur innerhalb der Wärmespeichermassen so
weit absinkt, dass eine zu geringe Vorwärmung des Rohgasvolumenstroms zu einer Überschreitung
der Reingasgrenzwerte führt. Hier wird durch die gezielte Fluideinleitung in die Brennkammer
ein höherer Volumenstrom durch die zweite aufzuwärmende Wärmespeichermasse geleitet,
so dass die Temperatur innerhalb dieser Masse und durch die zyklische Umschaltung
der Strömungsrichtung durch die Temperatur der gesamten Wärmespeichermasse angehoben
wird.
[0017] Die Abkühlung der Gasoxidationsanlage und vor allem der Wärmespeichermassen findet
noch im gleichen Prozesszyklus statt, ohne dass dabei thermische Energie verloren
geht. Vielmehr ist es so, dass die gesamte thermische Energie der Gasoxidationsanlage
weiterhin zur Verfügung steht und zum Aufheizen des Rohgasvolumenstroms nach einem
Zykluswechsel eingesetzt werden kann.
[0018] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Fluid von Außenluft gebildet wird. Ein gasförmiger
Zustand des Fluides ermöglicht eine besonders gute Durchmischung des Fluides mit dem
Gasgemisch in der Brennkammer. Wird das Fluid von der Außenluft gebildet, muss kein
zusätzliches beispielsweise in Behältern angeordnetes Fluid bereitgehalten werden.
Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass das Fluid von einer Flüssigkeit, insbesondere
Wasser oder einer wasserhaltigen Flüssigkeit gebildet ist. In diesem Fall wird der
Abkühleffekt durch die Verdampfungsenthalpie des Wassers noch verstärkt. Diese Ausführungsform
ist aber nicht Teil der Erfindung.
[0019] Um eine möglichst gute Verteilung des Fluids innerhalb der Brennkammer zu ermöglichen,
sieht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der mindestens
eine Kanal in mindestens einer, vorzugsweise zwei Einspeisestellen mündet, wobei sich
die Einspeisestellen vorzugsweise in einem oberen Bereich der Brennkammer befinden.
Die Vermischung des Fluides und des Gasgemisches findet durch die Mehrzahl an Einspeisestellen
an verschiedenen Orten statt, wodurch eine möglichst schnelle und gleichmäßige Durchmischung
erreicht wird. Die Anordnung der Einspeisestellen in dem oberen Teil der Brennkammer,
also dem Bereich der Brennkammer, der sich nicht unmittelbar an der mindestens einen
Wärmespeichermasse befindet, begünstigt eine gute Durchmischung des Fluids mit dem
Gasgemisch, dadurch, dass das Fluid das warme, in der Brennkammer nach oben gestiegene
Gasgemisch unmittelbar kühlt. Das "kühlere" Gasgemisch befindet sich in dem Bereich
der Brennkammer, der an die Wärmespeichermassen grenzt. Das führt dazu, dass das eine
geringere Temperatur aufweisende Gasgemisch mit der Wärmespeichermasse in Kontakt
kommt und diese aufheizt. Da die Temperatur des Gasgemisches sich innerhalb eines
tolerierbaren Bereichs befindet, wird die Wärmespeichermasse wegen der Abhängigkeit
weniger stark aufgeheizt.
[0020] In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Fluid zumindest teilweise von dem Reingasvolumenstrom gebildet wird. Der bereits
zur Verfügung stehende Reingasvolumenstrom braucht lediglich mittels des Kanals direkt
oder indirekt in die Brennkammer geleitet werden. Infolgedessen braucht kein weiteres
Fluid bereitgehalten werden. Weiterhin werden mögliche noch vorhandene oxidierbare
Bestandteile in dem Reingasvolumenstrom ein weiteres Mal erhitzt und durch Oxidation
gereinigt. Dadurch ist eine Verbesserung der Reingaswerte in Hinblick auf den Rest-Schadstoffgehalt
möglich. Diese Ausführungsform ist aber nicht Teil der Erfindung.
[0021] In konstruktiver Hinsicht ist es von Vorteil, wenn der mindestens eine Kanal unmittelbar
mit dem Reingaskanal verbunden ist. Vorzugsweise führt der Kanal zu der mindestens
einen Einspeisestelle in der Brennkammer. Ein Umbau von bereits bestehenden Gasoxidationsanlagen
ist ohne Weiteres möglich.
[0022] Alternativ ist vorgesehen, dass in der Brennkammer ein Brenner angeordnet ist, wobei
vorzugsweise ein Verbrennungsluftkanal des Brenners den mindestens einen Kanal bildet.
Die Art der Anordnung erfordert keine zusätzlichen Umbaumaßnahmen, da der Verbrennungsluftkanal,
welcher Luft für die Verbrennung in die Brennkammer leitet, bereits vorhanden ist.
Neben dem Verbrennungsluftkanal weist der Brenner noch einen Brennstoffkanal auf zur
Einleitung eines Brennstoffes in die Brennkammer.
[0023] Der mindestens eine Kanal kann optional auch zwischen dem Reingaskanal und dem Verbrennungsluftkanal
angeordnet sein. Eventuelle Komplikationen durch die Doppelnutzung eines Abschnittes
des Verbrennungskanals sind nicht gegeben, da das Fluid nur in die Brennkammer geleitet
wird, wenn die Temperatur zu hoch ist. Wenn der Brenner zum Einsatz kommt, ist hingegen
gerade nicht genügend thermische Energie in der Brennkammer durch die exotherme Reaktion
vorhanden. Folglich braucht auch kein Fluid in die Brennkammer eingeleitet zu werden,
um das Gasgemisch abzukühlen.
[0024] Obgleich in der Mehrzahl der Fälle ein Brenner in der Gasoxidationsanlage vorhanden
ist, kann es im Sinne der vorliegenden Anmeldung durchaus möglich sein, dass anstatt
des Brenners eine andere Wärmequelle verwendet wird.
[0025] Für den Fall, dass ein Kanal beispielsweise wegen eines Defektes ausfällt oder ein
Kanal die Brennkammer nicht mit genügend Fluid versorgen kann, um die Temperatur in
der Brennkammer zu senken, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung mindestens
einen weiteren Kanal vor, der unmittelbar an die Brennkammer angeschlossen ist, wobei
mittels dieses Kanals das Fluid, vorzugsweise Außenluft, in die Brennkammer einleitbar
ist. Beim Betrieb zweier Kanäle kann eine größere Menge des Fluides in die Brennkammer
eingeleitet werden und somit eine schnellere Abkühlung der Gasoxidationsanlage bewirken.
[0026] Der Anteil des in die Brennkammer eingeführten Volumenstroms des Fluids den Rohgasvolumenstrom
sollte zwischen 1 % und 25 %, vorzugsweise zwischen 5 % und 15 % betragen.
[0027] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens
eine weitere Kanal unmittelbar mit dem Reingaskanal verbindbar ist oder von dem Verbrennungsluftkanal
gebildet wird. Diese konstruktiven Umbauarbeiten lassen sich ohne Probleme bewältigen.
Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass der erste Kanal mit dem Reingaskanal verbunden
ist und der weitere Kanal von dem Verbrennungsluftkanal gebildet wird. Eine umgekehrte
Anordnung ist durchaus auch denkbar.
[0028] In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
ein Bypasskanal strömungstechnisch an die Brennkammer, vorzugsweise unmittelbar, angeschlossen
ist, wobei der Bypasskanal vorzugsweise eine Wärmetauschereinrichtung aufweist. Mittels
des Bypasses kann thermische Energie aus der Gasoxidationsanlage entnommen werden,
um diese für andere Zwecke, z. B. zur Erzeugung von Dampf, Thermalöl, Heißwasser oder
Heißluft zu nutzen. Durch den Bypass findet eine zusätzliche Abkühlung der Gasoxidationsanlage
beziehungsweise der Wärmespeichermassen statt.
[0029] Es besteht auch die Möglichkeit, bereits bestehende Gasoxidationsanlagen, welche
einen Bypass aufweisen können, mittels des mindestens einen Kanals nachzurüsten. Der
Bypass führt die überschüssige thermische Energie aus der Brennkammer heraus und setzt
diese für weitere Zwecke ein. Eine direkte Abkühlung wird mittels des Fluids erreicht.
Dadurch kann ein Totalausfall der Gasoxidationsanlage verhindert werden.
[0030] In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein weiterer
Kanal, derart an die Gasoxidationsanlage angeschlossen ist, dass das mittels des weiteren
Kanals in die Gasoxidationsanlage eingeleitete Fluid, mit dem Rohgasvolumenstrom vermischbar
ist, bevor ein von dem Rohgasvolumenstrom und dem Fluid gebildeter Mischvolumenstrom
in eine der Wärmespeichermassen eintritt. Eine Vermischung des Fluids mit dem Rohgasvolumenstroms,
bevor letzteres in die vorgeschaltete Wärmespeichermasse eingeleitet wird, senkt die
Konzentration an oxidierbaren Bestandteilen in dem Rohgasvolumenstrom. Dadurch kann
verhindert werden, dass eine überautotherme Reaktion auftritt und die Temperatur in
der Brennkammer und den Wärmespeichermassen unkontrolliert ansteigt. Falls es dennoch
zu einem Temperaturanstieg kommen sollte, lässt sich dieser mittels der Kanäle, welche
Fluid in die Brennkammer einleiten, wieder ausgleichen.
[0031] Um zu ermöglichen, dass das Fluid mit dem Rohgasvolumenstrom gemischt wird, bevor
beides in die vorgeschaltete Wärmespeichermasse eingeleitet wird, ist vorgesehen,
dass der weitere Kanal unmittelbar mit dem mindestens einen Rohgaskanal verbunden
ist.
[0032] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasoxidationsanlage zur thermischen
Behandlung eines mit oxidierbaren Bestandteilen belasteten Rohgasvolumenstroms, umfassend
die folgenden Verfahrensschritte:
- Der Rohgasvolumenstrom wird ausgehend von einem Rohgaskanal in einen ersten Behälter
der Rohgasreinigungsanlage eingeleitet, der mindestes eine Wärmespeichermasse aufweist.
- Der Rohgasvolumenstrom wird durch die mindestens eine erste Wärmespeichermasse in
eine Brennkammer geleitet, wobei in der Wärmespeichermasse gespeicherte thermische
Energie auf den Rohgasvolumenstrom übergeht und diesen erwärmt.
- In der Brennkammer werden die Bestandteile des Rohgasvolumenstroms oxidiert und der
Rohgasvolumenstrom so in einen Reingasvolumenstrom umgewandelt.
- Ausgehend von der Brennkammer wird der Reingasvolumenstrom zumindest teilweise und/oder
zeitweise in mindestens eine zweite Wärmespeichermasse geleitet, wobei in dem Reingasvolumenstrom
enthaltene Wärmeenergie auf die zweite Wärmespeichermasse übergeht und diese erwärmt.
- Der Reingasvolumenstrom wird in einen Reingaskanal eingeleitet.- Im Betrieb der Gasoxidationsanlage
wird bei einem Anteil oxidierbarer Bestandteile in dem Rohgasvolumenstrom, durch welchen
Anteil infolge einer exothermen Reaktion mehr thermische Energie freigesetzt würde,
als im stationären Betrieb der Gasoxidationsanlage für die Einhaltung bestimmter Maximaltemperaturen
akzeptabel wäre, mittels eines Kanals Außenluft direkt in die Brennkammer eingeleitet,
wodurch die Brennkammertemperatur gesenkt und eine Anlagenabschaltung wegen Übertemperatur
verhindert wird.
[0033] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Betrieb der Gasoxidationsanlage mittels mindestens
eines Kanals ein Fluid direkt in die Brennkammer eingeleitet wird. In der Brennkammer
vermischt sich das Fluid mit dem Gasgemisch, welches zu einem Anteil aus dem Rohgasvolumenstrom
und zu einem anderen Anteil aus dem Reingasvolumenstrom besteht. Das Verfahren zeichnet
daher gleichermaßen durch die oben beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Gasoxidationsanlage
aus.
[0034] In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Außenluft
als Fluid an mindestens zwei Einspeisestellen in die Brennkammer eingeleitet wird.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass bei Ausfall einer der Einspeisestellen eine andere
Einspeisestelle noch zur Verfügung steht. Befinden sich mindestens zwei Einspeisetellen
an der Brennkammer führt dieses zu einer besonders guten Durchmischung des Gasgemisches
und des Fluides.
[0035] Besonders vorteilhaft ergibt sich vorgenannte Ausgestaltung, wenn das Fluid ausgehend
von dem Reingaskanal in die Brennkammer eingeleitet wird und/oder das Fluid durch
einen Verbrennungsluftkanal eines Brenners in die Brennkammer geleitet wird. Konstruktiv
lässt sich diese Anordnung einfach erreichen, da der Verbrennungsluftkanal und eine
dazugehörige Einspeisestelle bereits vorhanden sind und lediglich das Fluid durch
den Kanal geleitet werden muss. Wird das Fluid, vorzugsweise zusätzlich, von dem Reingas
gebildet, führt der Kanal von dem Reingaskanal zu der Einspeisestelle.
[0036] In einer erfindungsgemäßen Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest
ein Teil des Reingasvolumenstroms über einen Bypass abgeführt wird. Die thermische
Energie, welche in der Gasoxidationsanlage entsteht, kann über den Bypass abgeleitet
werden und beispielsweise mittels eines Wärmetauschers zur Nutzung an anderer Stelle
(Heizung, Prozesswärme, o. ä.) ausgekoppelt werden.
[0037] Schließlich ist noch vorgesehen, dass der Rohgasvolumenstrom mit dem Fluid gemischt
wird, sodass ein Mischvolumenstrom gebildet wird, bevor der Mischvolumenstrom in eine
der
[0038] Wärmespeichermassen geleitet wird. Auf diese Weise kann die Konzentration an oxidierbaren
Bestandteilen in dem Rohgasvolumenstrom verringert werden, bevor dieser durch die
vorgeschaltete Wärmespeichermasse geleitet wird, wodurch weniger thermische Energie
in dem System freigesetzt wird.
Ausführungsbeispiele
[0039] Die Anlage sowie das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand vier Ausführungsbeispiele,
die in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert.
[0040] Es zeigt:
- Fig. 1:
- ein Schaltbild einer Gasoxidationsanlage in einer ersten Ausführungsform,
- Fig. 2:
- ein Schaltbild einer Gasoxidationsanlage in einer zweiten Ausführungsform,
- Fig. 3:
- ein Schaltbild einer Gasoxidationsanlage in einer dritten Ausführungsform,
- Fig. 4:
- ein Schaltbild einer Gasoxidationsanlage in einer vierten Ausführungsform.
[0041] Die Figur 1 zeigt ein Schaltbild einer Gasoxidationsanlage
101 mit einer ersten Wärmespeichermasse
2 und einer zweiten Wärmespeichermasse
3. Die Wärmespeichermassen
2,
3 sind jeweils in einem Behälter
4,
5 angeordnet, wobei Wärmespeichermassen
2,
3 jeweils mit einem Rohgaskanal
6 und mit einem Reingaskanal
7 verbunden sind. Dabei ist vorgesehen, dass mittels Ventilen
8,
9,
10,
11 sowohl der Rohgaskanal
6 als auch der Reingaskanal
7 strömungstechnisch von den Behältern
4,
5 getrennt werden kann. Weiterhin sind die beiden Wärmespeichermassen
2,
3 über eine Brennkammer
12 miteinander verbunden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich
in der Brennkammer
12 ein Brenner
13 als externe Wärmequelle. Auch wenn es durchaus üblich ist, einen Brenner
13 in Gasoxidationsanlagen
101 einzusetzen, sind in bestimmten Konstellationen auch Gasoxidationsanlagen ohne Brenner
13 denkbar.
[0042] In einem ersten Prozesszyklus wird das erste Ventil
8 geöffnet und das zweite Ventil
9 geschlossen, damit ein Rohgasvolumenstrom über den Rohgaskanal
6 in einen unteren Bereich
14 der ersten Wärmespeichermasse
2 eingeleitet werden kann. Der untere Bereich
14 der Wärmespeichermassen
2,
3 ist ein Teil der Wärmespeichermassen
2,
3, der von der Brennkammer
12 abgewandt ist und somit als erstes mit dem Rohgasvolumenstrom in Kontakt kommt. Ein
oberer Bereich
15 der Wärmespeichermassen
2,
3 ist der Brennkammer
12 zugewandt. Das in diesem Prozesszyklus geschlossene zweite Ventil
9 verhindert, dass der Rohgasvolumenstrom in den Reingaskanal
7 gelangt. Das heißt für diesen Prozesszyklus, dass die erste Wärmespeichermasse
2 vor die Brennkammer
12 geschaltet ist.
[0043] Der Rohgasvolumenstrom wird von der ersten vorgeschalteten Wärmespeichermasse
2 aufgeheizt, bevor dieser weiter in die Brennkammer
12 geleitet wird. Anschließend wird der Rohgasvolumenstrom innerhalb der Brennkammer
12 von dem Brenner
13 weiter aufgeheizt, wodurch die in dem Rohgasvolumenstrom vorhandenen oxidierbaren
Bestandteile oxidieren und thermische Energie freigesetzt wird. Durch diesen Prozess
wird der Rohgasvolumenstrom in ein Reingasvolumenstrom umgewandelt. Für die Einleitung
und gegebenenfalls auch Aufrechterhaltung der Oxidation wird thermische Energie benötigt
(endotherm), es wird allerdings durch die Oxidation auch thermische Energie freigesetzt
(exotherm).
[0044] Die Oxidation der oxidierbaren Bestandteile findet sowohl in der Brennkammer
12 als auch in der zweiten Wärmespeichermasse
3, welche der Brennkammer
12 nachgeschaltet ist, statt. In der Brennkammer
12 befindet sich ein Gasgemisch, welches anteilig aus dem Rohgasvolumenstrom und anteilig
aus dem Reingasvolumen besteht. Die während der Oxidation entstandene thermische Energie
wird an die zweite Wärmespeichermasse
3 abgegeben. Der Reingasvolumenstrom verlässt die zweite Wärmespeichermasse
3 über den Reingaskanal
7. Das dritte in diesem Prozesszyklus verschlossene Ventil
10 verhindert, dass der Rohgasvolumenstrom durch die zweite nachgeschaltete Wärmespeichermasse
3 strömt. Das vierte Ventil
11 ist geöffnet und verbindet die zweite nachgeschaltete Wärmespeichermasse
3 mit dem Reingaskanal
7.
[0045] In einem zweiten Prozesszyklus wird das vierte Ventil
11 geschlossen und das dritte Ventil
10 geöffnet. Dies ermöglicht, dass der Rohgasvolumenstrom in die zweite Wärmespeichermasse
3, welche in diesem Prozesszyklus die vorgeschaltete Wärmespeichermasse bildet, geleitet
wird. Mit der in der zweiten Wärmespeichermasse
3 gespeicherten thermischen Energie wird der Rohgasvolumenstrom aufgeheizt, bevor dieser
in die Brennkammer
12 geleitet wird. Dort wird der Rohgasvolumenstrom weiter aufgeheizt, damit die Oxidation
stattfinden kann. Der dabei entstehende Reingasvolumenstrom wird in die erste Wärmespeichermasse
2 geleitet und gibt dort seine thermische Energie ab.
[0046] Befindet sich ein hoher Anteil oxidierbarer Bestandteile in dem Gasgemisch, wird
durch die exotherme Reaktion mehr thermische Energie freigesetzt als im stationären
Zustand für eine Einhaltung bestimmter Maximaltemperaturen akzeptabel wäre. Infolgedessen
steigt die Temperatur innerhalb der Brennkammer
12 und auch in der jeweils nachgeschalteten Wärmespeichermasse
2,
3 stark an. Um diesem Temperaturanstieg entgegen zu wirken, wird das Gasgemisch mit
einem Fluid durchmischt. Das Fluid wird über einen Kanal
16 eingeleitet, welcher an einer Einspeisestelle mit der Brennkammer
12 verbunden ist. Die Zufuhr des Fluids wird über ein fünftes Ventil
17 geregelt. Vorzugsweise befindet sich die Einspeisestelle in einem oberen der Wärmespeichermassen
2,
3 abgewandten Teil der Brennkammer
12. Gemäß der Erfindung wird das Fluid von Außenluft gebildet. Eine eventuell in dem
Kanal
16 erforderliche Luftfördereinrichtung ist der Einfachkeit halber in der Zeichnung nicht
dargestellt.
[0047] Eine weitere mögliche Ausführungsform ist gestrichelt in der Figur 1 dargestellt.
Diese zeigt, dass auch mehrere Einspeisestellen an der Brennkammer
12 vorhanden sein können, wobei es denkbar ist, dass weitere Kanäle
18 zu den jeweiligen Einspeisestellen hinführen oder der Kanal
16 Abzweigungen zu den verschiedenen Einspeisestellen aufweist.
[0048] Die Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasoxidationsanlage
201. Der Kanal
16 ist zwischen dem Reingaskanal
7 und der Einspeisestelle in der Brennkammer
12 angeordnet. Das führt dazu, dass das Fluid von dem Reingasvolumenstrom gebildet wird.
[0049] In der Figur 3 wird ein weitere erfindungsgemäße Gasoxidationsanlage
301 dargestellt, wobei sich die Gasoxidationsanlage
301 in der Hinsicht von der Gasoxidationsanlage
101 in Figur 1 unterscheidet, dass der Kanal
16 nicht zwischen dem Reingaskanal
7 und der Brennkammer
12 angeordnet ist, sondern von einem Verbrennungsluftkanal
19 des Brenners
13 gebildet wird. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann der Kanal
16 den Reingaskanal
7 mit dem Verbrennungsluftkanal
19 des Brenners
13 verbinden und somit den Reingasvolumenstrom als Fluid in die Brennkammer
12 einleiten.
[0050] In weiteren hier nicht dargstellten Ausführungsbeispielen sind auch Kombinationen
der oben genannten Ausführungsbeispiele möglich.
[0051] Die Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel wie Figur 1, wobei ergänzend noch ein Bypasskanal
20 und/ oder ein weiterer Kanal
21 an die Gasoxidationsanlage
401 angeschlossen sind. Der Bypasskanal
20 führt bedarfsweise einen Teil des Reingasvolumenstroms unmittelbar aus der Brennkammer
12 heraus. Die thermische Energie wird über eine Wärmetauschereinrichtung
22, die der Bypasskanal
20 aufweist, ausgekoppelt und anderweitig verwendet. Der weitere Kanal
21 leitet das Fluid in den Rohgaskanal
6 ein, um den Rohgasvolumenstrom mit dem Fluid zu mischen, bevor dieser dadurch gebildete
Mischvolumenstrom in die vorgeschaltete Wärmespeichermasse geleitet wird.
Bezugszeichenliste
[0052]
- 101, 201, 301, 401
- Gasoxidationsanlage
- 2
- Wärmespeichermasse
- 3
- Wärmespeichermasse
- 4
- Behälter
- 5
- Behälter
- 6
- Rohgaskanal
- 7
- Reingaskanal
- 8
- Ventil
- 9
- Ventil
- 10
- Ventil
- 11
- Ventil
- 12
- Brennkammer
- 13
- Brenner
- 14
- unterer Bereich
- 15
- oberer Bereich
- 16
- Kanal
- 17
- Ventil
- 18
- weiterer Kanal
- 19
- Verbrennungsluftkanal
1. Verfahren zur Reduzierung der Brennkammertemperatur beim Betrieb einer Gasoxidationsanlage
(101, 201, 301, 401) zur thermischen Behandlung eines mit oxidierbaren Bestandteilen
belasteten Rohgasvolumenstroms, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
a) Der Rohgasvolumenstrom wird durch mindestens eine vorgeschaltete Wärmespeichermasse
(2, 3) in eine Brennkammer (12) geleitet, wobei in dieser Wärmespeichermasse (2, 3)
gespeicherte thermische Energie auf den Rohgasvolumenstrom übergeht und diesen erwärmt.
b) In der Brennkammer (12) werden die Bestandteile des Rohgasvolumenstroms oxidiert
und der Rohgasvolumenstrom so in einen Reingasvolumenstrom umgewandelt.
c) Ausgehend von der Brennkammer (12) wird der Reingasvolumenstrom zumindest teilweise
und/oder zeitweise in mindestens eine nachgeschaltete Wärmespeichermasse (2, 3) geleitet,
wobei in dem Reingasvolumenstrom enthaltene Wärmeenergie auf diese nachgeschaltete
Wärmespeichermasse (2, 3) übergeht und diese erwärmt.
d) Der Reingasvolumenstrom wird in einen Reingaskanal (7) eingeleitet,
gekennzeichnet durch den folgenden Verfahrensschritt:
e) Im Betrieb der Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) wird bei einem Anteil oxidierbarer
Bestandteile in dem Rohgasvolumenstrom, durch welchen Anteil infolge einer exothermen
Reaktion mehr thermische Energie freigesetzt würde, als im stationären Betrieb der
Gasoxidationsanlage für die Einhaltung bestimmter Maximaltemperaturen akzeptabel wäre,
mittels eines Kanals (16) Außenluft direkt in die Brennkammer (12) eingeleitet, wodurch
die Brennkammertemperatur gesenkt und eine Anlagenabschaltung wegen Übertemperatur
verhindert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenluft, an mindestens zwei sich vorzugsweise in einem oberen Teil der Brennkammer
befindenden Einspeisestellen in die Brennkammer (12) eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenluft durch einen Verbrennungsluftkanal (19) eines Brenners (13) in die Brennkammer
(12) geleitet wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Reingasvolumenstroms über einen Bypasskanal (20) abgeführt
wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohgasvolumenstrom mit Außenluft gemischt wird, sodass ein Mischvolumenstrom
gebildet wird, bevor der Mischvolumenstrom in eine der Wärmespeichermassen (2, 3)
geleitet wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch, mindestens einen weiteren Kanal (18), der unmittelbar an die Brennkammer (12) angeschlossen
ist, wobei mittels dieses Kanals Außenluft, in die Brennkammer (12) einleitbar ist.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 gekennzeichnet durch, einen Bypasskanal (20) der strömungstechnisch an die Brennkammer (12), vorzugsweise
unmittelbar, angeschlossen ist, wobei der Bypasskanal (20) vorzugsweise eine Wärmetauschereinrichtung
(22) aufweist.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 , gekennzeichnet durch, mindestens einen weiteren Kanal (21), der derart an die Gasoxidationsanlage (101,
201, 301, 401) angeschlossen ist, dass die mittels des weiteren Kanals (21) in die
Gasoxidationsanlage (101, 201, 301, 401) eingeleitete Außenluft mit dem Rohgasvolumenstrom
vermischbar ist, bevor ein von dem Rohgasvolumenstrom und dem Fluid gebildeter Mischvolumenstrom
in eine der Wärmespeichermassen (2,3) eintritt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kanal (21) unmittelbar mit dem mindestens einen Rohgaskanal (6) verbunden
ist.
1. A method for reducing the combustion chamber temperature during the operation of a
gas oxidation system (101, 201, 301, 401) for the thermal treatment of a raw gas volumetric
flow charged with oxidizable components, comprising the following steps of the method
:
a) conducting the raw gas volumetric flow through at least one upstream heat storage
mass (2, 3) into a combustion chamber (12), wherein thermal energy stored in this
heat storage mass (2, 3) is transferred to the raw gas volumetric flow and heats it
up,
b) oxidizing the components of the raw gas volumetric flow in the combustion chamber
(12) and thereby transforming the raw gas volumetric flow into a volumetric flow of
pure gas,
c) starting from the combustion chamber (12), conducting at least a portion of the
pure gas volumetric flow or conducting it for at least part of the time into at least
one downstream heat storage mass (2, 3), wherein thermal energy contained in the pure
gas volumetric flow is transferred to this downstream heat storage mass (2, 3) and
heats it up,
d) introducing the pure gas volumetric flow into a pure gas channel (7),
characterized by the following step of the method :
e) during the operation of the gas oxidation system (101, 201, 301, 401), for a fraction
of the oxidizable components in the raw gas volumetric flow for which, as a result
of an exothermic reaction, more thermal energy is released than would be acceptable
during the stationary operation of the gas oxidation system in order to maintain a
specific maximum temperature, introducing outside air directly into the combustion
chamber (12) by means of a channel (16), whereupon the combustion chamber temperature
falls and a shut-down of the system because of excessive temperature is prevented.
2. The method as claimed in claim 1, characterized in that the outside air is introduced into the combustion chamber (12) via at least two injection
points which are preferably located in an upper portion of the combustion chamber.
3. The method as claimed in claim 1 or claim 2, characterized in that the outside air is conducted into the combustion chamber (12) through a combustion
air channel (19) of a burner (13).
4. The method as claimed in at least one of claims 1 to 3, characterized in that at least a portion of the pure gas volumetric flow is discharged via a bypass channel
(20) .
5. The method as claimed in at least one of claims 1 to 4, characterized in that the raw gas volumetric flow is mixed with outside air so that a mixed volumetric
flow is formed before the mixed volumetric flow is conducted into one of the heat
storage masses (2, 3).
6. The method as claimed in at least one of claims 1 to 5, directly characterized by at least one further channel (18) which is connected to the combustion chamber (12),
wherein outside air can be introduced into the combustion chamber (12) by means of
this channel.
7. The method as claimed in at least one of claims 1 to 3, characterized by a bypass channel (20) which is in fluidic communication with the combustion chamber
(12), preferably in direct fluidic communication, wherein the bypass channel (20)
preferably has a heat exchange device (22).
8. The method as claimed in at least one of claims 1 to 7, characterized by at least one further channel (21) which is connected to the gas oxidation system
(101, 201, 301, 401) in a manner such that the outside air which is introduced into
the gas oxidation system (101, 201, 301, 401) by means of the further channel (21)
can be mixed with the raw gas volumetric flow before a mixed volumetric flow formed
by the raw gas volumetric flow and the fluid enters into one of the heat storage masses
(2, 3).
9. The method as claimed in claim 8, characterized in that the further channel (21) is connected directly to the at least one raw gas channel
(6).
1. Procédé de réduction de la température de chambre de combustion lors du fonctionnement
d'une installation d'oxydation gazeuse (101, 201, 301, 401) pour le traitement thermique
d'un débit volumique de gaz brut chargé de composants oxydables, comprenant les étapes
opératoires suivantes :
a) Le débit volumique de gaz brut est conduit à travers au moins une masse d'accumulation
thermique installée en amont (2, 3) vers une chambre de combustion (12), de l'énergie
thermique accumulée dans cette masse d'accumulation thermique (2, 3) étant transférée
dans le débit volumique de gaz brut et le réchauffant.
b) Dans la chambre de combustion (12), les composants du débit volumique de gaz brut
sont oxydés et le débit volumique de gaz brut est ainsi transformé en un débit volumique
de gaz pur.
c) En partant de la chambre de combustion (12), le débit volumique de gaz pur est
conduit au moins partiellement et/ou temporairement dans au moins une masse d'accumulation
thermique installée en aval (2, 3), de l'énergie thermique contenue dans le débit
volumique de gaz pur étant transférée dans cette masse d'accumulation thermique installée
en aval (2, 3) et la réchauffant.
d) Le débit volumique de gaz pur est conduit dans un canal à gaz pur (7),
caractérisé par l'étape opératoire suivante :
e) en cours de fonctionnement de l'installation d'oxydation gazeuse (101, 201, 301,
401), pour une partie de composants oxydables dans le débit volumique de gaz brut,
par laquelle partie, suite à une réaction exothermique, plus d'énergie thermique a
été dégagée qu'il ne serait acceptable en fonctionnement stationnaire de l'installation
d'oxydation gazeuse pour le maintien de certaines températures maximales, de l'air
extérieur est conduit au moyen d'un canal (16) directement dans la chambre de combustion
(12), ce qui fait baisser la température de la chambre de combustion et empêche une
coupure de l'installation en raison d'une température excessive.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air extérieur est conduit vers au moins deux points d'alimentation, se trouvant
de préférence dans une partie supérieure de la chambre de combustion, dans la chambre
de combustion (12).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'air extérieur est conduit à travers un canal d'air de combustion (19) d'un brûleur
(13) dans la chambre de combustion (12).
4. Procédé selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins une partie du débit volumique de gaz pur est évacuée par un canal de contournement
(20).
5. Procédé selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le débit volumique de gaz brut est mélangé avec de l'air extérieur, de sorte qu'il
est constitué un débit volumique mixte avant que le débit volumique mixte soit conduit
dans une masse d'accumulation thermique (2, 3).
6. Procédé selon une des revendications 1 à 5, caractérisé par au moins un autre canal (18) qui est raccordé directement à la chambre de combustion
(12), de l'air extérieur pouvant être conduit dans la chambre de combustion (12) au
moyen de ce canal.
7. Procédé selon une des revendications 1 à 3, caractérisé par un canal de contournement (20) qui est raccordé au niveau de la technique d'écoulement
à la chambre de combustion (12), de préférence directement, le canal de contournement
(20) présentant de préférence un dispositif échangeur de chaleur (22).
8. Procédé selon une des revendications 1 à 7, caractérisé par au moins un autre canal (21) qui est raccordé à l'installation d'oxydation gazeuse
(101, 201, 301, 401) de manière à ce que l'air extérieur conduit au moyen de l'autre
canal (21) dans l'installation d'oxydation gazeuse (101, 201, 301, 401) puisse être
mélangé avant qu'un débit volumique mixte constitué du débit volumique de gaz brut
et du fluide entre dans une des masses d'accumulation thermique (2, 3).
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'autre canal (21) est connecté directement à l'au moins un canal à gaz brut (6).