CH623122A5 - - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur vollständigen und gefahrlosen Reinigung von Abgasen, die mit organischen oder anorganischen brennbaren Stoffen beladen sind, durch thermisches Zersetzen bei Temperaturen zwischen 800 °C und 1000 °C, wobei die Abgasmenge zeitlich in weiten Grenzen schwanken und auch die Konzentration an Sauerstoff und brennbaren Stoffen ebenfalls so schwanken, dass die untere Explosionsgrenze im Abgas zeitweise überschritten wird, dadurch gekennzeichnet,

dass a) dem Abgas eine konstante Frischluftmenge oder eine konstante Menge eines weiteren, keine brennbaren Stoffe enthaltenden Abgases zugemischt wird, wobei diese konstante Menge im Bereich zwischen 3 und 20 Vol.-% der maximalen Abgasmenge liegt,

b) die Strömung dieses Abgasgemisches weitgehend laminarisiert wird und c) dieses weitgehend laminarisiert strömende Abgasge-misch unmittelbar einem Verbrennungsraum (6,9) zugeführt wird, wobei am Ende der Abgaseinführung die Grenzschicht der Strömung des Abgasgemisches zerstört wird.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens, welche sich dadurch auszeichnet, dass sie eine Gaszufuhrleitung aufweist, in der ein Strömungsgleichrichter angebracht ist, dem sich eine in Richtung auf den Verbrennungsraum verengende Düse anschliesst, und dass am Düsenaustritt vor dem Eingang in den Verbrennungsraum Abreisskanten angebracht sind.

Das Verfahren ermöglicht ein rückzündfreies Verbrennen explosionsfähiger Abgase, wobei die Abgase in ihren Mengen im Verhältnis von etwa 1:10, vorzugsweise 1: schwanken können. Im Abgas können beliebige brennbare Schadstoffe, beispielsweise gegebenenfalls substituierte, aromatische und/ oder aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Hexan, Kerosin, Äthylen, Toluol, Benzol, Xylol, Chlorbenzol, Alkohole, wie z. B. Methanol, Äthanol, Äther wie z. B. Diäthyl-äther, Schwefelkohlenstoffverbindungen, wie z. B. CS2, Wasserstoff, Acetylen, Propylenoxid, Äthylenoxid vorliegen. Die Temperatur, mit denen das Abgas in die Verbrennungsvorrichtung eingeführt wird, liegt bei etwa —40° bis 100 °C, vorzugsweise 0 bis 40 °C.

Nachfolgend wird das erfindungsgemässe Verfahren bzw. die erfindungsgemässe Vorrichtung anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen, illustriert in der Zeichnung, näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 einen rein schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel ebenfalls schematisch, einer erfindungsgemässen Vorrichtung, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Verbrennungsablaufes.

Die erste Ausführungsform ermöglicht es, Abgase, deren Mengen zwischen 10 bis 100% der maximalen Menge schwanken, rückzündsicher zu verbrennen.

In der Fig. 1 kommt den Zahlen dabei folgende Bedeutung zu:

1: Düse;

2: Strömungsgleichrichter, vorzugsweise Flammensieb; 3: Düsenaustritt;

4: Abreisskante;

5: Hilfsbrennstoffzufuhr;

6: Verbrennungsraum.

Im einzelnen wird das Schadstoff-beladene Abgas durch den Strömungsgleichrichter 2 in die sich in Strömungsrichtung verengende Düse 1 eingeführt. Bereits im Strömungsgleichrichter 2 erfolgt eine teilweise Laminarisierung der Strömung des Abgases, die im sich verengenden Teil der Düse noch verstärkt wird. Im sich verengenden Teil der Düse erfolgt eine stetige Beschleunigung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases. Das in der Düse bezüglich seiner Strömung weitgehend drall- und wirbelfrei gemachte Abgas wird an einer scharfen Abreisskante 4 (am Düsenaustritt) vorbei in den Verbrennungsraum 6 eingeführt. Der für das Erreichen der Schadstoffzersetzungstemperatur gegebenenfalls erforderliche Zusatzbrennstoff, beispielsweise Erdgas, kann über die Leitung 5 ausserhalb der Düsenaustrittsteile dem Verbrennungsraum zugeführt werden. Aufgabe der Abreisskante 4 ist es, die an der Wandung der Düse entstandene laminare Strömungsgrenzschicht weitgehend zu zerstören, so dass eine Rückzündung in dieser relativ langsam strömenden Grenzschicht aus dem Verbrennungsraum in die Düse 1 vermieden wird. Die Abreisskante 4 steht etwa 0,2 bis 10 mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Abgases in. der Düse.

Das erfindungsgemässe Prinzip dieser dynamischen Flammenrückschlagsicherung beruht darauf, dass im engsten Düsenquerschnitt, an jeder Stelle, d. h. auch in Wandungsnähe die Strömungsgeschwindigkeit möglichst grösser sein muss, als die jeweilige Flammenrückzündgeschwindigkeit. Zu diesem Zweck wird die langsame laminare Strömung, die in unmittelbarer Wandnähe verläuft, durch mindestens eine Abreisskante zerstört.

Erfindungsgemäss verwendete Düsen besitzen am Düseneingang einen Durchmesser von etwa 2 bis 30 cm, vorzugsweise 5—8 cm, am Düsenaustritt etwa ein Drittel des Düsenquerschnitts am Düseneingang. Die Düsenweite richtet sich nach dem minimalen und maximalen Mengendurchsatz. Auf jeden Fall muss verhindert werden, dass bei minimalem Durchsatz die Rückzündgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Schadstoffart und Konzentration, die Strömungsgeschwindigkeit in Richtung auf den Verbrennungsraum überschreitet. Die Maximalmenge bestimmt den maximalen Druckverlust. Bei der beschriebenen erfindungsgemässen Ausführungsform mit gleichgerichteter und beschleunigter Strömung liegt z. B. die Rückzündgeschwindigkeit für ein nahezu stöchiometrisches Hexan-Luftgemisch bei ^ 3 m/ sec. Der Strömungsgleichrichter wird vorzugsweise gleichzeitig als Flammensperre ausgebildet, beispielsweise als wärmeableitendes Flammensieb, und sitzt vorzugsweise in einer Entfernung, die 1 bis 10 mal dem Düseneingangsdurchmesser entspricht, vor der Düse. Die Flammensperre dient aus Sicherheitsgründen zur Verhinderung einer Rückzündung in die Abgaszufuhrleitung bei Fehlbedienungen. Die Spaltweite der Flammensperre muss durch Versuche auf die Durchschlagheftigkeit des Gemisches abgestellt werden.

Bei Aufrechterhaltung von Verbrennungstemperaturen von etwa 800 bis 1000 °C im Verbrennungsraum 6 werden die organischen Schadstoffe praktisch vollständig oxydiert.

In der in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist eine erfindungsgemässe Reinigung von zündfähiger Abluft bzw. Abgas möglich, bei dem die anfallenden Schadstoff-be-ladenen Abgase zwischen 0 und 100% der Maximalmenge mit plötzlichen Änderungen schwanken können.

In der Fig. 2 kommt den Zahlen folgende Bedeutung zu:

7. Abgaszufuhrleitung;

8. Düse;

9. Verbrennungsraum;

10. Regelkreis;

11. Frischluftmenge;

12. Hilfsbrennstoffzuführung;

13. Regelkreis;

14. Düseneintritt;

15. Abreisskante.

Im einzelnen wird das erfindungsgemässe Verfahren entsprechend Fig. 2 wie folgt durchgeführt:

Die zündfähige Abluft tritt über die Leitung 7 durch die Düse 8 in den Verbrennungsraum 9 ein. Über einen Regelkreis 10 wird ein konstant gehaltener Frischluftstrom 11 (die Ermittlung des benötigten. Frischluftstromes ist in Abhängigkeit vom speziellen Schadgas in Fig. 3 dargestellt) zugegeben, so dass die ebenfalls in Fig. 3 nachfolgend noch definierte Geschwindigkeit W0 am Düsenaustritt in den Verbrennungsraum auch bei Rückgang des Abluftstromes auf O eingehalten wird. Hierbei ist es dann ohne Abluftanalyse möglich, durch einfache Regelung über 13 des Mengenverhältnisses von Abluft und Frischluft (7 und 11) zu der Hilfs-brennstoffmenge (12) eine Mindesttemperatur von etwa 800 bis 1000 °C in der Brennkammer 9 auch bei beliebiger und plötzlicher Schwankung des Abluftstromes einzuhalten, die zum thermischen Zersetzen aller organischen Schadstoffe im Abgas ausreicht.

Dieser Verfahrensdurchführung liegen die in Fig. 3 dargestellten Zusammenhänge zugrunde. In Fig. 3 wird die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Rückzündgeschwindigkeit des Abgases in m/s (Ordinate) in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration (Vol. % an brennbaren Stoffen in der Abluft bzw. in dem Frischluft/Abluftgemisch) (Abszisse) beispielhaft für ein Hexan/Luft-Gemisch (Hexan = Schadstoff) dargestellt.

Die Zündgeschwindigkeit in der Düsenströmung ist zwischen der unteren und oberen Explosionsgrenze ausser von der Konzentration und dem Düsendurchmesser stark von dem laminaren bzw. turbulenten Strömungszustand abhängig. Um möglichst geringe strömungsbedingte Zündge-schwindigkeiten zu erreichen, wird mit der Düse erfindungsgemäss eine gleichgerichtete, beruhigte und beschleunigte Strömung angestrebt. Hierdurch wird die Grenzschicht! an der Düsenwandung minimiert. Durch die scharfe Kante 15 am Düsenmund wird eventuell zusätzlich die Grenzschicht abgerissen d. h. die Grenzschicht wird an der Kante unendlich dünn. Diese Massnahmen haben den Zweck, die Rückzündmöglichkeiten in der Grenzschicht möglichst zu verringern, so dass für die Gesamtdüse eine möglichst geringe Rückzündgeschwindigkeit resultiert.

Um die tatsächlichen Rückzündeigenschaften einer nach Fig. 1 konstruktiv optimierten Düse für einen gegebenen Schadstoff zu ermitteln, muss die Abhängigkeit der Rück-

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zündgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration experimentell ermittelt werden.

Hierzu wird eine Düse gemäss Fig. 1 mit einem herzustellenden Schadstoff-Luft-Gemisch unter Variation des Schadstoff-Luft-Verhältnisses innerhalb der Explosionsgren- 5 zen betrieben. Nach Einstellung eines stabilen, rückzünd-freien Brennzustandes an der Düse wird der Durchsatzstrom reduziert, bis eine Rückzündung bis zum Flammensieb eintritt. Die Rückzündung kann optisch, akustisch oder durch Temperaturfühlen auf der Flammenseite des Flammensiebes io festgestellt werden. Die Strömungsgeschwindigkeiten in der Düse zum Zeitpunkt der Rückzündung werden in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration in ein Diagramm analog Fig. 3 eingetragen und ergeben eine Kurve analog Kurve 16.

Die Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit W in 15 der Düse in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration C (Kurve 17, Fig. 3) ergibt sich aus folgenden Beziehungen:

1) Luft Abluft Gemisch

(o' + n')X + (o' + n' + s')Y = V,,cmisch 2fj o' Volumenteile Sauerstoff •> o Volumenkonzentration Sauerstoff n' Volumenteile Stickstoff ■> n Volumenkonzentration Stickstoff s' Volumenteile Schadstoff -> s Volumenkonzentration Schadstoff

X Frischluft-Volumenstrom

Y Abluft-Volumenstrom

V Gemisch-Volumenstrom 30

2) Für Luft ist o' + n' = 0,79 + 0,21 = 1

3) Für Abluft ist o' + n' + s' = 0,79 + 0,21 + s' = 1 + s'

1+s'

+

1+s'

7 +

1+s'

= 1

4)

" o + n + s s'

s =

1+s'

s' =

1-s

(F = Düsenquerschnitt in m2);

7)

s

— Y 1-s

= Cs (Cs = max. Konzentration des Schadstoffes im Luft-Abluft-Gemisch).

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Durch Einsetzen ergibt sich aus Gleichung 1) :

5) ix + (l+— )Y = Vgemisch

6) Yfen"sch = W Strömungsgeschwindigkeit in der Düse

Duese

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55

Wenn man mit s die maximal zu erwartende Schadstoffkonzentration im Abgas festlegt, kann man unter Variation von X, Y und FDuese eine Kurve 17 für die Strömungsgeschwindigkeit ausrechnen, die einen gewünschten Sicher-heitsabstäjid 18 zur Kurve der Rückzündgeschwindigkeit 16 hat. Zweekmässigerweise geht man hierbei so vor, dass man 60 verschiedene Werte für FDuese (Düsenquerschnitt) und X

(Frischluft-Volumenstrom) annimmt und Y (Abluft-Volumenstrom von 0 —e- 100% variiert.

In dem Diagramm stellt das Verhältnis der Ordinatenhö-hen zur Kurve 17, Punkt 19 und Kurve 16, Punkt 20 bei einer bestimmten Schadstoffkonzentration im Frischluft-Abluft-Gemisch des Verhältnis von Strömungsgeschwindigkeit zu Rückzündgeschwindigkeit dar. Es wird erfindungsgemäss ein Verhältnis von 1,5 oder höher angestrebt.

Die so ermittelte Kurve 17 schneidet die Ordinate bei W0, woraus sich durch Multiplikation mit der Düsenfläche FDuese (Gleichung 6) der benötigte Frischluftstrom ergibt. Dieser liegt in der Regel weit unter dem Frischluftstrom, welcher für sich in der Düse eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als Rückzündgeschwindigkeit bewirken würde. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Betriebskostenersparnis.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist es möglich, bei relativ geringem Druckverlust von bis etwa 20 m bar im Verbrennungsraum Schadstoffe in explosiven Abgasen vollständig und sicher mit einem zulässigen Mengenschwankungsbereich für die Abluft von 0 -r- 100% zu verbrennen.

Nachfolgend wird das erfindungsgemässe Verfahren beispielhaft erläutert:

Es wurde eine Anordnung gemäss Fig. 1 verwendet, in der das Flammensieb (2) einen Durchmesser von 150 mm mit 0,7 mm Siebkanal-Weite und der Düsenaustritt 4 einen Durchmesser von 67 mm hatten.

Als explosionsfähige Abluft wurde ein Hexan-Luft-Gemisch eingesetzt. Zunächst wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren die Kurve 16, Fig. 3 für die Rückzündgeschwindigkeit dieser Düse ermittelt. Es zeigte sich, dass die grösste Rückzündgeschwindigkeit in Höhe von 3,3 m/s bei einer Hexan-Konzentration von etwa 2,7 Vol.-% auftrat. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von mehr als 3,3 m/s konnte bei beliebiger Konzentration keine Rückzündung festgestellt werden. Wurde die Strömungsgeschwindigkeit gesenkt, sodass die Werte auf oder unter den Werten der Kurve 1 lagen, erfolgten Rückzündungen und die Flamme brannte am Flammensieb. Durch eine Brenndauer von etwa 3 Minuten am Flammensieb wurde das Sieb nicht beschädigt.

Die Kurve 17, Fig. 3 wurde sodann unter Variation der Werte X, Y und FDuese und unter Festlegung des maximalen Schadstoffgehaltes im Abgas mit s = 2,3% ermittelt. Es er-

m3

gab sich, dass mit X = 0,1 Frischluftzusatz und ei-

s nem Düsenquerschnitt von 0,1 m2 ein Abluftstrom Y zwirn3

sehen 0 und 3 rückzündsicher durch diese Düse s

geführt werden kann. Durch den konstanten Frischluft-m3

ström 0,1 wird ohne Abluft an der Düse eine Ge-

s m schwindigkeit von W0 == 1 — erreicht. Die Kurven 16

und 17 haben in den Punkten 19 und 20 ihren kleinsten Abstand bzw. das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkwit (19 bis 21) zur Rückzündgeschwindigkeit (20 bis 21) liegt bei 3,1 zu 1,75 gleich 1,77. Die für diesen Abluftstrom «ich ergebende Strömungsgeschwindigkeit von 3,1 m/s liegt damit unter der maximalen Zündgeschwindigkeit von 3,3 m/s; trotzdem ist ein rückzündsicherer Betrieb gewährleistet, da die zu diesem Abluftstrom sich ergebende Rückzündgeschwindigkeit mit 1,75 m/s mit Sicherheitsabstand kleiner ist.

M 1 Blatt ZekbNHBfMt

Claims (4)

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1. Verfahren zur vollständigen und gefahrlosen Reinigung von Abgasen, die mit organischen oder anorganischen brennbaren Stoffen beladen sind, durch thermisches Zersetzen bei Temperaturen zwischen 800 °C und 1000 °C, wo- 5 bei die Abgasmengen zeitlich in weiten Grenzen schwanken und auch die Konzentration an Sauerstoff und brennbaren Stoffen ebenfalls so schwanken, dass die untere Explosionsgrenze im Abgas zeitweise überschritten wird, dadurch gekennzeichnet, dass 10

a) dem Abgas eine konstante Frischluftmenge oder eine konstante Menge eines weiteren, keine brennbaren Stoffe enthaltenden Abgases zugemischt wird, wobei diese konstante Menge im Bereich zwischen 3 und 20 Vol.-0/# der maximalen Abgasmenge liegt, 15

b) die Strömung dieses Abgasgemisches weitgehend la-minarisiert wird und c) dieses weitgehend laminarisiert strömende Abgasge-misch unmittelbar einem Verbrennungsraum (6,9) zugeführt wird, wobei am Ende der Abgaseinführung die Grenzschicht 20 der Strömung des Abgasgemisches zerstört wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass für den Fall, dass der Sauerstoffgehalt des Abgases zeitweise kleiner als 10% ist, die konstant zugespeiste Menge Frischluft etwa 21% Sauerstoff enthält. 25

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Gaszufuhrleitung aufweist, in der ein Strömungsgleichrichter (2) angebracht ist, dem sich eine in Richtung auf einen Verbrennungsraum (6,9) verengende Düse (1,8) anschliesst, und dass am30 Düsenaustritt vor dem Eingang in den Verbrennungsraum Abreisskanten (4,15) angebracht sind.

4. Vorrichtung gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abreisskanten 0,2 bis 10 mm breit sind und senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Abgases ange- 35 ordnet sind.

Bei verschiedenen Industriebetrieben können Abgase 40 anfallen, die zeitweise über die untere Explosionsgrenze hinaus mit Schadstoffen, beispielsweise Lösungsmitteldämpfen, wie z. B. Hexan, Toluol, Benzol, Xylol, Kerosin, Äther, Alkohol und/oder brennbaren Gasen, wie z. B. Wasserstoff, Acetylen, Methan, Schwefelkohlenstoff beladen sind. Diese# Abgase müssen einer Abgasreinigung zugeführt werden.

Bekannt sind Verfahren, bei denen die Abgase über Adsorption, Kondensation oder Oxydation behandelt werden. Von diesen bekannten Verfahren stellen nur die Oxydationsverfahren eine wirkliche Schadstoffvernichtung dar, da 50 alle anderen Verfahren die Abluftprobleme lediglich auf Folgeprobleme verlagern. Wegen der Störanfälligkeit einer katalytischen Abgasoxidation geht man mehr und mehr zur Oxydation in thermischen Abluftreinigungen über, bei der das Schadstoff-beladene Abgas in einem Brenner mit Zusatz- 55 brennstoff verbrannt wird bzw. die Schadstoffe oxydiert werden.

Gegenwärtig ist jedoch kein betriebssicherer Brenner bekannt, der zündfähige Brennstoff-Luft-Gemische verbrennen kann, ohne dass bei den im praktischen Betrieb 60 unvermeidlichen Schwankungen eine Rückzündung in die zuführende Leitung bis zu einer Flammensperre oder bis zum Entstehungsort des Abgases möglich ist. Nach dem Stand der Technik müssen daher zündfähige Abgase mit Verdünnungsluft-Zufuhr so behandelt werden, dass sie mit 65 Sicherheit nicht mehr zündfähig sind, wenn sie in den Brenner gelangen; andernfalls bestünde die Gefahr einer Explosion oder Detonation in zuführenden Rohrleitungen oder

Reaktionsbehältern. Eine Flammensperre, wie z. B. ein Flammensieb oder eine Tauchsicherung sind zudem nur geeignet, eine kurzzeitige Rückzündung aufzuhalten, sie ermöglichen keinen kontinuierlichen Betrieb eines Brenners mit zündfähigen. Abgasen.

Die Nachteile der bekannten Verbrennungsverfahren für Abgase liegen insbesondere in deren hohen Investitions- und Betriebskosten, die bedingt sind durch die aufwendigen Sicherheitsmassnahmen.

Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung, zündfähige Abgase direkt in einem rückzündsicheren Brenner ohne Zusatz von Verdünnungsluft zu verbrennen. Nach der vorliegenden Erfindung soll es möglich sein, den praktischen Erfordernissen des Abgasanfalls entsprechend Abgas in zeitlich stark schwankenden Mengen durch rückzündsichere Verbrennung unschädlich machen zu können. Schliesslich soll nach der vorliegenden Erfindung zur Verbrennung zündfähiger Abgase im Zusammenwirken eines rückzündsicheren Brenners, der notwendigen Steuertechnik und Sicherheitsausrüstung ein höheres Mass an Sicherheit gegen Explosionen gegeben sein, als es nach dem Stand der Technik durch die bereits geschilderten Massnahmen möglich ist.