Thermal Oxidizers and Heat Recovery Strategies

Zusammenfassung
4.11.2009/ Steiner Michael
Thermal Oxidizers and Heat Recovery Strategies
Beseitigung von Schadstoffen in Industrieabgasen
In vielen Industrieprozessen entstehen Abgase mit einem hohen Gehalt an „Volatile
Organic Compounds“, abgekürzt VOC. Die thermische Behandlung dieser Abgase
entspricht der besten Beseitigungsmöglichkeit dieser Stoffe.
Die VOC liegen bei den Prozesstemperaturen in der Gasphase vor und können so
direkt verbrannt werden. Weitere zu behandelnde Stoffe sind vor allem Stickoxide
(NOx) und Kohlenstoffmonoxid (CO).
Es werden hier zwei verschiedene, sogenannte „Thermal Oxidizers“ vorgestellt,
welche effiziente und ressourcenschonende Verbrennungsmöglichkeiten bieten, um
die problematischen Inhaltsstoffe zu beseitigen. Die Schadstoffe müssen behandelt
werden, da sie sonst schädliche Auswirkungen auf Mensch und Umwelt haben.
Thermal Oxidizers (TO)
Thermal Oxidizers stellen moderne Verbrennungsanlagen dar, welche der
Abgasreinigung dienen. Die zwei am meisten angewendeten Installationen
entsprechen dem regenerative und dem recuperative Thermal Oxidiser. Beide haben
die gleichen Grundprinzipien, nämlich die Verbrennung der Schadstoffe,
Wiedergewinnung der Verbrennungswärme und entsprechend dem Airflow und der
VOC Konzentration den externen Kraftstoffverbrauch so niedrig wie möglich zu
halten, d.h. Energie- und Schadstofftechnisch maximale Effizienzen zu erreichen.
1. „Recuperative Thermal Oxidiser“
Das Grundprinzip der Wiedergewinnung der Verbrennungswärme wird beim
Recuperative TO durch einen Wärmetauscher erreicht. D.h. wird die frisch in den TO
kommende Prozessluft per Wärmetauscher durch die schon thermisch behandelte
Reinabgasluft vorgewärmt. Die max. thermische Effizienz beläuft sich auf ca. 70%,
d.h. dass 70% der für die vollständig thermische Behandlung (Verbrennung der
Schadstoffe) des Prozessabgases benötigten Energie durch den Wärmetauscher
gegeben
ist.
30%
müssen
noch
durch
den
in
der
Hochtemperaturverbrennungskammer vorhandenen Brenner eingetragen werden,
was zusätzlichen Kraftstoffverbrauch (Erdgas, Diesel usw.) bedeutet. Dafür muss
eine Mindestkonzentration an VOC von 6 g/Nm 3 vorhanden sein. Recuperative TO’s
sind ausgelegt für niedrige Airflows (bis zu 40000Nm 3/h) und sehr hohe
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Konzentrationen an VOC. Die erreichbaren Emissionswerte entsprechen: Gesamt C
< 20mg/m3; Stickstoffoxide < 50 mg/m3; Kohlenstoffmonoxid < 100mg/m 3.
Abb. 1: „ Schematische Darstellung eines Recuperative Thermal Oxidisers“
2. „Regenerative Thermal Oxidiser“
Beim regenerative Thermal Oxidiser werden Keramikplatten als Wärmespeicher
eingesetzt und der ganze Luftzirkulationsprozess rückläufig betrieben.
Abb. 2: „ Regenerative TO Prozessweg 1“
Abb. 3: „Regenerative TO Prozessweg 2“
In Abb. 2 ist erkennbar, dass zuerst die Prozessabgase von links nach rechts durch
die Verbrennungskammer strömen, thermisch behandelt werden (Verbrennung) und
somit die Temperatur enorm erhöht wird (rot = heiss/ blau = kalt). Die warmen
behandelten Reinabgase geben nun einen grossteil der Wärme an den zweiten
Wärmespeicher (Keramikplatten) ab, welcher diese speichert. Nach Abb. 3 wird nun
die Prozessrichtung gedreht, wodurch die neuen Prozessabgase über die geheizte
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Keramikplatte geleitet und erwärmt werden. Dadurch sind thermische Effizienten
erreichbar von bis zu 96%. Daher kann der regenerative Thermal Oxidiser autotherm
betrieben werden, d.h. das nur noch ein geringer zusätzlicher Kraftstoffverbrauch für
den Brenner benötigt wird (4%), da eine optimale Verbrennungstemperatur schon
gegeben ist. Der autotherme Betriebszustand wird bei einer VOC Konzentration von
1-2 g/Nm3 erreicht. Regenerative TO’s werden angewendet bei niedrigen
Konzentrationen und grossen Airflows. Die Schadstoffbeseitigung entspricht der des
Recuperative TO`s.
Oxidiser Stack Heat Recovery Strategies
Oben wurden die Mindestkonzentrationen für die jeweiligen TO Systeme erwähnt um
die maximale thermische Effizienz zu erreichen. Werden nun diese Konzentrationen
überschritten haben die behandelten Reinabgase höhere Temperaturen, da die
maximalen Energierückgewinnungsraten im TO selbst erreicht sind. Aufgrund dieser
Tatsache wurden viele technische Lösungen entwickelt um die Wärmeenergie beim
Reinabgasschacht (Endkomponente eines
jeden Thermal Oxidisers)
wiedergewinnen zu können. Bei dieser Energierückgewinnung gibt es 3
hauptsächliche Herausforderungen zu bewältigen (CDE der Heat Recovery
Strategies):
C → Capturing the Energy: Ist Energierückgewinnung überhaupt möglich?
D → Delivering the Energy Back into the Plant Facility Cost
Effectively: Ergibt eine Kosten/ Nutzenanalyse positive Resultate?
E → Employing the Recovered Energy Effectively inside the Plant
Facility: Kann die Energie effizient in der Anlage wieder verwendet werden?
Können diese 3 Punkte erfüllt werden steht der Umsetzung eines Projekts nichts
mehr im Weg. Die meisten Projekte scheitern an der Herausforderung D, daher
spricht eine ausgeführte Kosten/ Nutzenanalyse gegen eine Installation von
Wärmerückgewinnungsequipment.
Verschiedene Umsetzungsstrategien verfolgen das Ziel der optimalen
Energierückgewinnung, um z.B. Prozessluft, Prozesswasser oder Dampf herzustelle.
Diese sind:
- Luft/ Luft Wärmetauscher, wo z.B Prozessluft generiert werden kann
- Luft/ Fluid Wärmetauscher, wo z.B. Prozesswasser generiert werden kann
- Luft/ Dampf Wärmerückgewinnung, wo Prozessdampf hergestellt werden kann
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Quellenverzeichnis:
Der Vortrag und die Zusammenfassung basieren auf Artikeln des Umweltmagazins
„Pollution Solutions“ vom Juni 2009:
Mike Scholz, Senior Applications Engineer. In: Pollution Solution, “Oxidiser Heat
Recovery Strategies”, 2009
Andy Garlick, Product Manager Thermal Oxidizers. In: Pollution Solution, “Spreading
the Range for Thermal Oxidation”, 2009
Weitere Quellen:
http://www.sagemis.it/en/postcomb_rigen.php
http://www.process-combustion.co.uk/oxidiser/recup.html
http://www.thermaloxidation.co.uk/products.asp
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