DK160647B - Anordning ved apparat til afbraending af spildgas - Google Patents

Description

DK 160647 B

Opfindelsen angår et efterforbrændingskammer for efter-brænding af røggasser fra destruktionsovne, forbrænding eller genvindingsanlæg og lignende. Den består af et rørformet kammer, som er indplaceret som et afsnit i røg-5 kanalen fra det anlæg, hvis røggasser skal efterbrændes for nedbrydning af miljøforstyrrende forbindelser, som ellers kunne slippe ud i det fri.

En mængde industrielle processer funktionerer på en måde, som anses optimal med hensyn til det eller de produkter, 10 som fremstilles. I mange tilfælde opstår der herved røggasser, som indeholder biprodukter, som kommer fra processen, af en ikke ønsket slags. Disse biprodukter eller forureninger må ikke slippes ud i atmosfæren, idet de kan have skadelig indvirkning på flora og fauna. Derfor må der foregå en 15 eller anden form for rensning eller filtrering af røggasserne. Vaskning af afgasserne eller kemisk fældning af nogle i røggasserne definerbare stoffer er nogle i lang tid kendte metoder. Inden for området, hvor organiske produkter fremstilles, eller hvor sådanne indgår i et destruktionsforløb, 20 ville brugen af kemisk fældning indebære, at en mængde procestrin må anvendes. Dette ville medføre betydelige investeringsomkostninger for et sådant anlæg, og på denne måde kraftigt forringe produktionsøkonomien. Set på baggrund af ovennævnte er det i den senere tid blevet foreslået, at 25 røggasser, der indeholder organiske forbindelser i gasform, skulle kunne efterbrændes med høj temperatur, hvorved nævnte forbindelser nedbrydes til vanddamp og kuldioxid. Et tilsvarende problem foreligger, hvor man udnytter en proces, som indbefatter varmebehandling, og hvor organiske forbindelser 30 indgår, som forureninger, der kan kondensere i et senere afsnit af processen og tilstoppe produktionsudrustningen.

De her beskrevne omstændigheder fremkommer eksempelvis ved destruktion af kviksølvbatterier. Sådanne er almindeligvis pla-sticindkapslede. Da kviksølv er en meget stærk miljøgift, må 35 man tage vare på dette, inden restaffald kan deponeres på lossepladsen. Gennem en veludviklet teknik med destillation 2

DK 160647 B

under pulserende tryk er det i dag muligt at genvinde mere end 99,9999% af det behandlede kviksølv i en destillationsproces af den angivne art. Der er også i . SE-A 8206846-1 angivet en fremgangsmåde og et aggregat til at eliminere 5 problemerne med de i begyndelsen af destillationen afgående plastdampe.

Imidlertid har det i praksis vist sig, at der i visse temperaturområder momentant afgår så store mængder fordampet plast fra destillationskammeret, at disse plastdampe bry-10 der igennem forsiden af destruktionsflammen i det kendte ef-terforbrændingskammer. Desuden kræves der en meget høj temperatur i dette efterforbrændingskammer, der bliver opnået gennem tilførsel af dyre forbrændingsgasser.

Efterforbrændingskammeret har til opgave at omdanne flygtige 15 organiske stoffer, som dannes i et pyrolysekammer eller behandlingskammer, med den størst mulige virkningsgrad til kuldioxid og vand.

Processen kaldes som bekendt oxidation, dvs. en kemisk reaktion, som udnytter 02 (i ren form, i luft eller i blandinger af 02 20 og luft) eller en oxidant.

Oxidationen af en hvilken som helst kulbrinte kan skrives med reaktionsformlen

CnH2n+2k+(iP> °2 -> n C02+ (n+k) H2°

De med hinanden reagerende stoffer, reaktanterne, behøver i 25 reglen en vis energi, aktiveringsenergien = E , til at komme cl over energibarrieren i reaktionsretningen.

Frigøres der så meget potentiel kemisk energi (= reaktionsvarmen) , således at de . øvrige i systemet værende reaktanter herigennem bliver tilført den nødvendige minimumsenergi (E ), * cl 30 dvs. at reaktionen kan foregå af sig selv, kaldes reaktionen en forbrænding.

3

DK 160647 B

For at opretholde en forbrænding med f.eks. forbrændingsolie kræves det, at denne blandes med oxygen eller luft i et passende blandingsforhold, og at blandingen opvarmes til antændelsestemperatur. For at forbrændingen ("selvoprethol-5 dende" oxidation) skal kunne ske, angives der som vilkår for dette en nedre henholdsvis en øvre grænse for det procentvise forhold af forbrændingsolie i ilten eller luften.

Forbrændingen leder da alt i alt (resultatet af forbrændingsvarmen for de involverede delreaktioner) til en så høj tem-10 peratur, at gasserne begynder at gløde, hvilket øjet vil opfatte som en flamme. Flammetemperaturen ligger ofte mindst 1000°C over brændstof-oxygen- henholdsvis brændstof-luft-blandingens antændelsestemperatur.

Ved behandling af f.eks. kviksølvbatterier sønderdeles disses 15 organiske materialer, bl.a. tætningsringe af PE-plast, papir m.m. termisk i vakuum (P svarende til 0,2 bar). Nedbrydningshastigheden, og det derved fremkomne brændsel, er i hovedsagen en funktion af chargetemperaturen, men påvirkes også til en vis del af andre parametre, bl.a. af defekter i poly-20 merens struktur.

Efterforbrændingskammeret (oxidationskammeret) må være konstrueret således, at oxidationen sker med næsten 100%'s virkningsgrad, selv når brændselsindholdet i gasblandingen (brændsel + oxidant) er lavere end, hvad der angives som den neder-25 ste forbrændingsgrænse. Under processens "oxidationstrin" tilføres et konstant oxidanttilskud, som giver efterforbrændingskammeret et støkiometrisk C^-overskud på mindst 50 volumen-% beregnet på den maksimale brændselsfremkomst.

Som det fremgår er betingelserne sådanne, at oxidationen 30 kun under en vis del af procestiden kan resultere i en forbrænding med en "stabil" flamme, der kan garantere, at brændslet omdannes til kuldioxid og vand.

4

DK 160647 B

Den til oxidationens nødvendige aktiveringsenergi (E ) må cl derfor under hele oxidationstrinnet tilføres reaktanterne udefra, således at hvert molekyle overvinder energibarrieren i reaktionsretningen kulbrinte —^ CC^+I^O.

5 I en testserie med dels "syntetiske ladninger" indeholdende glasaffald + PE-plast + PS-plast + papir, dels ladninger med forskellige typer batterier (Hg-batterier + alkaliske batterier + brunstensbatterier) har man opnået meget gode resultater med praktisk taget 100% oxidation af pyrolysegasserne.

10 Ved hjælp af testserien er vigtige erfaringer indvundet med hensyn til udformning af efterforbrændingskammeret.

Opfindelsen har til formål at anvise et efterforbrændings-kammer for udbrænding af med fremfor alt kulbrinter forurenede afgasningsprodukter fra destruktionsovne, forbræn-15 dings- eller procesanlæg.

Dette formål opnås ifølge opfindelsen ved at udforme efter-forbrændingskammeret som et labyrintisk kammer omgivet af en varmeovn, og i øvrigt med de karakteristika, som fremgår af de efterfølgende patentkrav.

20 Ifølge opfindelsen kan efterforbrændingskammeret være udformet som vist på tegningen, hvor fig. 1 viser et aksialsnit gennem en udførelsesform for opfindelsen, fig. 2 viser skematisk et genindvindingsanlæg for kviksølv, 25 fig. 3 viser et aksialsnit af en anden udførelsesform, og fig. 3a, b, c viser tværsnit af fordelingsorganerne i efter-forbrændingskamrene.

Et efterforbrændingskammer 1 med indløb 2 for de spildgasser, der skal efterforbrændes.og udløb 3 for behandlede spildgasser 30 er i det væsentlige omgivet af en varmeovn 4. Denne har sin varmeforsyning på en eller anden kendt måde, f.eks. ved elektricitet, gas eller andet, da dette ikke er afgørende for op- 5

DK 160647 B

findelsen. Af betydning er dog, at varmeovnen 4 kan holde en valgfri temperatur i området 800 til 1100°C konstant ved hjælp af normalreguleringsteknikken.

Efterforbrændingskammeret l's ender ligger uden for varmeov-5 nen 4. Indløbet 2 for spildgasserne fra behandlingskammeret i et genindvindingsanlæg for kviksølv er rørformet og tilsluttet til den første ende 5 af det langsstrakte efterforbrændings-kammer. Udløbet 3 for de behandlede spildgasser er koblet til den anden ende 6 af efterforbrændingskammeret, beligaen-10 de i modsat ende af varmeovnen 4. Den anden ende 6 af efterforbrændingskammeret 1 er dækket af et låg 7, der holdes på plads ved hjælp af en skrueforbindelse eller på anden kendt demonterbar måde.

Imellem sine to ender er efterforbrændingskammeret 1 rørformet 15 langstrakt, og for at opnå længst mulig vej for passage af de spildgasser, som skal behandles, er den udformet som en labyrint. Dette opnås ved, at rørene er placeret koncentrisk inde i hinanden med vekselvis lukkede ender. Således leder indløbet 2 for spildgassen ind i et inderste rør 8, som udgør den 20 første del af efterforbrændingskammeret 1. Dette er lufttæt tilsluttet til efterforbrændingskammeret l's første ende 5 og har sin åbne ende 9 rettet mod efterforbrændingskammeret l's anden ende 6. Koncentrisk omkring det inderste rør 8 er et mellemrør 10 anbragt. Dette dækker med sin lukkede ende 25 11 og med nogle centimeters mellemrum det inderste rør 8's åbne ende 9 og omgiver med nogenlunde samme spaltebredde nævnte rør i praktisk taget hele dets længde.

Mellemrøret 10 slutter et stykke fra efterforbrændingskammeret l's første ende 5, hvorved der gives passage for spildgasserne 30 ud i efterforbrændingskammeret l's yderrør 12. Dette afslutter gennemløbet for spildgasserne ved efterforbrændingskammerets anden ende 6, hvor de behandlede spildgasser forlader efterforbrændingskammeret 1 gennem udløbet 3. Dette leder normalt til kølere og kondensationsanordninger for kviksølv, men ved 35 andre anvendelser af efterforbrændingskammeret 1, kan udløbet 6

DK 160647 B

3 ledes til det fri, eller hvis sublimerbare eller kondenserba-re organiske forbindelser kan mistænkes at følge med spildgasserne, til et anlæg for kemisk fældning af disse forbindelser.

5 For at kunne forbrænde plastdampe i den omtalte type af spildgasser, har det ved praktiske forsøg vist sig at være tilstrækkeligt at tilføre oxygen. Ved at den varmeovn 4, der omgiver efterforbrændingskammeret 1, holder temperaturen i efterfor-brændingskammeret l's reaktionszone ved ca. 850°C, kan den 10 energi, der indeholdes i plastdampene udløse en exoterm reaktion udelukkende ved tilførelse af oxygen.

Oxygenet doseres ved hjælp af en eller anden form for gasmåleudstyr, generelt markeret 13, f.eks. et rotameter, ind i efterforbrændingskammeret 1 med et tryk, som giver en tilstræk-15 kelig oxygenmængde til en fuldstændig forbrænding af den forventede mængde organiske gasser. Ilten passerer en rørledning 14, der i det inderste rør 8 i efterforbrændingskammeret 1 er spiralformet. I spiralrøret 15 forvarmes ilten til over 300°C, hvorefter den gennem et keramisk flammerør 16 kommer 20 ud i den sidste del, regnet i spildgassens bevægelsesretning, af efterforbrændingskammeret l's inderste rør 8. I dette findes en mængde små keramiske legemer 17, med meget stor specifik overflade, som ved varmetilførselen fra varmeovnen 4 er i glødende tilstand (850VC).

25 Trykket i efterforbrændingskammeret skal holdes så lavt som muligt under forbrændingsprocessen, som altså skal ske så nær vakuum som muligt. En beregnet pumpestørrelse hertil, som kan udsuge såvel oxygen, som dannede spildgasser er meget vigtig, for at fjerne enhver risiko for trykforøgelse og eventuelt 30 eksplosion. Et balanceret tryk, der ikke overstiger 0,.25 bar absolut tryk, opfylder disse fordringer på driftssikkerheden.

Når pyrolysegassen fra plastmaterialet passerer hen over de keramiske legemer 17, overføres fra disse nødvendig tændingsenergi til gasmolekylerne. De keramiske legemer 17's over-35 flader indeholder et ekceptionelt stort antal "termiske tænd- 7

DK 160647 B

punkter", og det keramiske materiale i sig selv giver en vis katalytisk effekt.

Idet de keramiske legemer 17 ikke er pakket tættere end, at det totale frie tværsnitsareal imellem dem i efterforbrændings-5 kammeret l's inderste rør 8 er lig med eller større end indløbsåbningen 2, opretholdes det lave tryk max. 0,25 bar absolut tryk i efterforbrændingskammeret 1, hvorved en omsætnings-' virkningsgrad plastdampe til vanddampe og kuldioxid på større end 99% opnås. Det lave tryk og mængden af hulrum mellem de 10 keramiske legemer 17 eliminerer eksplosionsrisikoen forårsaget af en forøgelse af gassens volumen.

Under fortsat reaktion med det tilførte oxygen trænger spildgasserne videre ind i efterforbrændingskammeret l's mellemrør 10. Her må spildgasserne passere gennem et foldet net 15 18 bestående af højtemperaturbestandig metaltråd, f.eks. af rustfrit stål eller Inconel, en legering med meget højt nikkelindhold. I mellemrøret 10 er der placeret et termoelement 19. Dette er koblet til et reguleringsinstrument 20, f.eks. af deriverende - integrerende - proportionerende type (PID-20 regulator), som styrer energitilførselen til varmeovnen 4.

Når spildgasserne under fortsat reaktion med oxygenet forlader mellemrøret 10, sendes de tilbage ved hjælp af gavlen ved efterforbrændingskammeret l's første ende 5 og ledes ud i yderrøret 12. Dette er lige som inderrøret 8 forsynet med 25 keramiske legemer 17. Imellem disse sker slutreaktionerne, hvorved praktisk taget alt organisk materiale omdannes til vanddampe og kuldioxid, for som på ovenfor angivne måde at forlade efterforbrændingskammeret 1 gennem udløbet 3.

Den under forbrændingsfasen af forbrændingsgasserne med C^-30 tilskud frigjorte varmemængde kan lede til en så stor tilskudsvarme til ovnen, at der kan opstå fare for overhedning af ovndelene. Til at forhindre dette findes et ekstra termoelement 21 indsat i ovndelene således koblet, at ved en temperaturstigning, der når op til 1000°C af 1100°C, udkobles den elek- 8

DK 160647 B

triske energi til ovndelen. Det er da kun forbrændingsenergien, der fortsætter at opvarme ovnen og efterforbrændingskammeret, til temperaturen er .sunket til 850°C, hvorefter ovnen atter kan tilføres energi.

5 I fig. 2 vises skematisk et anlæg til genvinding af kviksølv fra affald, som også indeholder plastmateriale. Efterforbræn-dingskammeret 1 modtager spildgasserne fra et behandlingskammer 25, der kan opvarmes, via indløbsledningen 2. Fra efter-forbrændingskammeret ledes gasserne, som nu er befriet for 10 organiske stoffer gennem udløbsledningen 3 til en nedkølingsfælde 26, hvor kviksølvet udskilles. En vakuumpumpe 27 er tilsluttet til nedkølingsfælden 26 for at frembringe et passende undertryk i anlægget. En styreenhed 28 er anbragt for at styre processen under indtryk af impulserne fra termoelementer-15 ne 19,21, gasmåleren 13 og vakuumpumpen 27.

I en anden udgave af opfindelsen er de koncentriske rør udeladt. Denne anden udførelsesform for opfindelsen er blevet forsynet med en kølekappe 112 mellem efterforbrændingskammeret 101 og varmeovnen, således som det fremgår af fig. 3. Efter-20 forbrændingskammeret er i dette tilfælde forsynet med et indløb 102, gennem hvilket spildgasserne fra et pyrolysekammer (ikke vist) tilføres efterforbrændingskammeret l's indre. En eller anden form af oxygenblanding tilføres på allerede beskrevet måde gennem en rørledning 114, som stikker ind igennem 25 forbrændingskammeret 101's forreste ende 105. I efterforbræn-dingskammeret udvider ledningen 14 sig til et rør 115, som er lukket i den ende, der peger imod efterforbrændingskammerets anden ende 106. Røret 115 er rundt om og langs hele længden forsynet med huller 116, som har en diameter, der i relation 30 til røret 115's diameter er lille. Røret 115 løber igennem keramiske elementer 117, som helt udfylder det indre rumfang af efterforbrændingskammeret 101. Ved efterforbrændingskamme-rets anden ende 106 findes et udløb 103.

For jævnt at kunne fordele de spildgasser, der skal behandles 9

DK 160647 B

i efterforbrændingskammeret over hele dets tværsnit, er en perforeret skive 108 anbragt umiddelbart efter indløbet 102.

Denne skive sammen med en modsvarende skive 110 ved efterforbrændingskammerets anden ende tjener også til at holde de 5 keramiske legemer 117 på plads. Igennem de keramiske legemer 117 løber et termoelement 119, som i lighed med, hvad der er beskrevet ved den første udførelsesform af opfindelsen, giver impulser til et reguleringsinstrument.

Kølekappen 112, som er placeret omkring efterforbrændings-10 kammeret 101, er forsynet med et indløb 122, liggende nærmest ved efterforbrændingskammerets anden ende 106. Gennem dette kan kølemedium ledes i overensstemmelse med modstrømsprincippet langs efterforbrændingskammerets yderside. Til kølemidlet findes en afløbskanal 123 liggende nær ved efterfor-15 brændingskammeret 101's første ende 105. For jævnt at kunne fordele kølemateriale, som enklest består af trykluft, findes en fordelingsring 124 forsynet med huller nær indløbet 122.

Denne eksterne køling med trykluft beskytter følsomme dele af efterforbrændingskammeret mod overopvarmning. Kølingen sker 20 i spalten mellem efterforbrændingskammeret 101 og kappen 112.

Den herved opnåede kølingsmulighed er af betydning, bl.a. ved behandling af affald indeholdende polyethenplast, som har en meget høj varmeværdi. Den eksterne køling tillader en højere brændselstilførsel til efterforbrændingskammeret (= højere 25 oxidationskapacitet) uden risiko for overhedning.

Den eksterne køling har yderligere en vigtig funktion for hele procesforløbet. Under oxidationsprocessen, når temperaturen i efterforbrændingskammeret har nået 925°C, ophører den styrede stigning af temperaturen i pyrolysekammeret, hvilken tempe-30 raturstigning normalt holdes ved 0,5°C pr. minut. Da efterforbrændingskammeret er indesluttet af en ovn, er muligheden for selvafkøling minimal. Skulle temperaturen i efterforbrændingskammeret på grund af en kortvarig kemisk energi-o top øges til 940 C, sænkes temperaturen hurtigt gennem en 35 trykluftskylning i kappen ned til f.eks. 910°C. Derefter fort-

DK 160647 B

10 sætter stigningen af temperaturen i pyrolysekammeret normalt, og processen kan fortsætte som tidligere. Denne fremgangsmåde effektiviserer oxidationstrinnet og forkorter procestiden væsentligt.

5 Hvis temperaturen i efterforbrændingskammeret efter køling skulle øge for hurtigt (> 10°C pr. minut), f.eks. 910 til 925°C på under 1 minut, sker der ingen styret stigning af temperaturen i pyrolysekammeret. En temperaturforøgelse på > 10°C pr. minut indikerer en høj brændstofudvikling. Når 10 temperaturen i efterforbrændingskammeret atter når 930°C, træder luftkølingen på ny automatisk i funktion og køler efterforbrændingskammeret til 910°C, hvorefter processen fortsætter som tidligere.

Den eksterne køling udnyttes altså kun for at bortføre den 15 ved oxidationen afgivne varmeenergi. Styres temperaturen i efterforbrændingskammeret og temperaturen i pyrolysekammeret i overensstemmelse med, hvad der ovenfor er nævnt, udgør dette en udmærket måde at kontrollere afgivelsen af de gasarter, som skal omdannes til vanddamp og kuldioxid i efter-20 forbrændingskammeret. Derved kan efterforbrændingskammerets kapacitet optimeres.

I fig. 3 er der kun vist et eneste rør 115 tilsluttet rørledningen 114 for oxygentilførsel. Givetvis kan rørledningen 114 forgrene sig til flere rør 115 for at få en endnu 25 bedre fordeling af oxygenet i efterforbrændingskammeret 101.

Claims (13)

1. Aggregat til efterforbrænding af med fremfor alt kulbrinte forurenede spildgasser fra destruktionsanlæg eller lignende, omfattende et rørformet etterforbrændingskammer (1,101) indsat 5. en fra destruktionsanlægget kommende afgasningskanal og forsynet med indløb (2,102) for spildgasser og udløb (3,103) for behandlede spildgasser samt tilførselsorgan (13,14,15,114,115) for forbrændingsbefordrende medier, kendetegnet ved, at efterforbrændingskammerets (1,101) gennemløb er labyrint-10 formet ved hjælp af obstruktionsskabende organer (17,18,117), og at efterforbrændingskammeret (1) er omgivet af en varmeovn (4,104) samt tilsluttet til en vakuumpumpe (27) for at skabe et undertryk i kammeret (1,101).

2. Aggregat ifølge krav 1, kendetegnet ved, 15 at efterforbrændingskammerets (1) gennemløb forlænges ved hjælp af i hinanden koncentrisk placerede og ved deres ender vekselvis lukkede rør (8,10,12).

3. Aggregat ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at de obstruktionsskabende organer omfatter højtemperatur- 20 bestandige keramiske fyldeelementer (17,117) med stor specifik overflade.

4. Aggregat ifølge krav 2 eller 3,kendetegnet ved, at de obstruktionsskabende organer omfatter et net (18) af højtemperaturbestandig metaltråd.

5. Aggregat ifølge et af de foregående krav, ken detegnet ved, at den efterforbrændingskammeret (1,101) omgivende varmeovn (4,104) er indrettet til at arbejde med ! en temperatur på 800-1100°C, fortrinsvis 850-900°C.

6. Aggregat ifølge krav 5, kendetegnet ved, 30 at dets varmetilførsel styres af signaler fra et i efterforbrændingskammeret (1,101) placeret første termoelement (19, 119) . DK 160647B

7. Aggregat ifølge krav 5 eller 6, kendetegnet ved, at et andet termoelement (21) er indsat i varmeovnen (4) for styring af temperaturen i denne.

8. Aggregat ifølge et af kravene 2-7, kendeteg-5 ne t ved, at tilførselsorganet for forbréandingsfremmende medier udgøres af en rørspiral (15) beliggende i første del af det inderste (8) af de i forhold til hinanden koncentrisk orienterede rør (8,10,12).

9. Aggregat ifølge krav 8, kendetegnet ved, 10 at rørspiralen (15) afsluttes med et højtemperaturbestandigt flammerør (16).

10. Aggregat ifølge krav 1-7, kendetegnet ved, at tilførselsorganet for forbrændingsfremmende medier består af et rør (115), som er lukket ved sin indre ende og strækker 15 sig central i efterforbrændingskammeret (1,101), og som langs hele sin længde og på hele sin overflade har huller (116) med en lille diameter i forhold til rørets (115) diameter.

11. Aggregat ifølge krav 10, kendetegnet ved, at efterforbrændingskammeret (101) emfatter perforerede skiver 20 (108,110), som er placeret vinkelret på dets længdeakse og dækker hele kammerets tværsnit, hvorved skiverne (108,110) er anbragt umiddelbart efter indløbet (102) respektivt middelbart før udløbet (103) .

12. Aggregat ifølge krav 10, kendetegnet ved, 25 at efterforbrændingskammeret (1,101) omgives af et kapperør (112), som ved sine ender er lukket mod efterforbrændingskammeret, og som er forsynet med tilløb (122) og afløb (123) for kølemedium.

13. Aggregat ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at det totale frie tværsnitsareal mellem udfyldningslegemerne (17,117) er lig med eller større end indlø-bete (2,102) tværsnitsareal.