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Dokumentenidentifikation DE69307348T2 21.08.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0682765
Titel ANLAGE ZUR KOMBINIERTEN VERBRENNUNG UND ABGASREINIGUNG
Anmelder BAL AB, Malung, SE
Erfinder ALMLÖF, Göran, S-782 00 Malung, SE;
LILLIEHÖÖK, Folke, S-230 10 Skanör, SE
Vertreter Beyer und Kollegen, 60323 Frankfurt
DE-Aktenzeichen 69307348
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, LI
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 13.07.1993
EP-Aktenzeichen 939163648
WO-Anmeldetag 13.07.1993
PCT-Aktenzeichen SE9300626
WO-Veröffentlichungsnummer 9401724
WO-Veröffentlichungsdatum 20.01.1994
EP-Offenlegungsdatum 22.11.1995
EP date of grant 08.01.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.08.1997
IPC-Hauptklasse F23J 15/00
IPC-Nebenklasse B01D 53/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer kombinierten Anlage zur Verbrennung und Abgasreinigung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine solche Anlage ist aus der DE-C-3 037 943 bekannt.

Derartige Anlagen haben in der Tat gut funktioniert. Es kann ein sehr hoher Reinigungsgrad erreicht werden, und Anlagen dieser Art benötigen wenig Raum, was für den Umbau bestehender Anlagen wichtig ist. Alle Schritte zum Erreichen dieses Ziels konzentrierten sich auf den Reinigungsvorgang selbst. Es hat sich jedoch gezeigt, daß das Erzielen weiterer Verbesserungen durch ein besseres Aufeinanderabstimmen der Verbrennungsmittel und der Gasentspannungs- und Reinigungsanlage möglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, weitere Verbesserungen bezüglich der Reinigungswirkung und der Platzansprüche bei einer kombinierten Anlage zur Verbrennung und Abgasreinigung zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Brennkammer in einer kombinierten Anlage zur Verbrennung und Abgasreinigung der eingangs genannten Art mit Mitteln zur Zufuhr von mit bis zu 100 % Sauerstoff angereicherter Verbrennungsluft verbunden ist und daß eine Vakuumpumpe oder dgl. an die Abtrennmittel angeschlossen ist, um die nach der letzten Entspannungsstufe in diesen angesammelten geringen Mengen nicht kondensierter Gase abzupumpen.

Tatsächlich enthält die Verbrennungsluft vier Teile Stickstoff auf einen Teil Sauerstoff sowie geringere Mengen anderer Substanzen. Die Verbrennung hängt vom Vorhandensein einer ausreichenden Menge Sauerstoff ab, wohingegen der Stickstoff einen ausschließlich negativen Einfluß hat. Einerseits erzeugt der Stickstoff während der Verbrennung eine Anzahl gefährlicher Substanzen und andererseits wird die Gasmasse erheblich gesteigert. Bereits ein Anstieg des Sauerstoffs auf zwei Teile Sauerstoff auf drei Teile Stickstoff verringert die erforderliche Verbrennungsluft auf die Hälfte. Reiner Sauerstoff würde zu einer um 80 % geringeren Verdichterleistung führen. Das erheblich verkleinerte Volumen der Verbrennungsluft ermöglicht es, die Größe der Brennkammer wesentlich einzuschränken. Die Temperatur in der Brennkammer steigt an, da die gleiche Energiemenge während der Verbrennung freigesetzt wird. Der Temperaturanstieg kann mittels größerer wärmespeichernder Bereiche und erhöhter Wärmeabstrahlung ausgeglichen werden.

Der bedeutendste Fortschritt findet sich jedoch auf der Seite der Abgasreinigung, durch welche man durch mögliches Reduzieren des Stickstoffgehalts in der Brennkammer ein extrem reines Abgas erreichen kann. Andernfalls werden unter der Anwesenheit von Stickstoff während der Verbrennung verschiedene Arten von Stickoxiden erzeugt, die sehr schwer zu trennen sind. Während einer Verbrennung mit reinem Sauerstoff werden keine Stickoxide erzeugt, unabhängig davon, ob hohe Verbrennungstemperaturen erreicht werden oder nicht. In einer mit Sauerstoff angereicherten Atmosphäre werden in erster Linie wasserlösliche Oxide NO&sub2; und N&sub2;O&sub5; erzeugt, die vergleichsweise leicht abzutrennen sind.

Die Abgase bestehen aus N&sub2;, CO&sub2;, H&sub2;O und kleinen Mengen von Stickoxiden ebenso wie aus von dem Treibstoff herrührenden Verunreinigungen. Ein Teil des Wasserdampfes kondensiert in den Mitteln zum Waschen zusammen mit dem Wasser aus, und NO&sub2; und N&sub2;O&sub5; werden darin ebenso gelöst, wie ein Großteil der vorhandenen Verunreinigungen, wie z.B. SO&sub3;, Cl und dgl. Nach den Mitteln zum Waschen treten nur N&sub2;, CO&sub2; und kleinere Mengen nicht wasserlöslicher Substanzen auf, die bei einer unmittelbar nach den Mitteln zum Waschen vorherrschenden Temperatur kondensieren. Je stärker die Verbrennungsluft mit Sauerstoff angereichert ist, desto geringere Mengen an Stickstoff befinden sich in den Abgasen unmittelbar vor der Entspannungsvorrichtung. Selbstverständlich kann die Menge an Stickoxiden und anderen Verunreinigungen als Ergänzung durch Zugabe verschiedener Chemikalien in das Waschwasser reduziert werden.

In den Entspannungsmitteln wird die Temperatur auf ein Niveau abgesenkt, das sich durch die Temperatur des einströmenden Gases und den Druckabfall bestimmt. Falls die Endtemperatur unterhalb -50ºC liegt, kondensieren die Verunreinigungen im Abgas zusammen mit dem Wasserdampf im Gas. Wenn die Temperatur unter -120ºC fällt, kondensiert sogar das Kohlendioxid vollständig. Falls der Druckabfall in den Entspannungsmitteln in einem Schritt erfolgt, enthält der gefrorene Schnee und der Kohlendioxidschnee die Verunreinigungen. Es könnte daher zweckmäßig sein, die Entspannung in zwei Schritten durchzuführen, einen zum Auskondensieren des Schnees und der Verunreinigungen und den anderen zum Auskondensieren des reinen Kohlendioxids.

Mit Hilfe dieser Mittel wurden Wasser, Kohlendioxid und alle Verunreinigungen in den Abgasen irgendmöglich beseitigt. Es verbleiben lediglich möglicherweise vorhandener Stickstoff und Inertgase. Falls ausschließlich Sauerstoff verwendet wird, werden fast alle Gase in Kondensat umgewandelt, und durch kontinuierliches Ausleiten des Kondensats und darüber hinaus durch Geschlossenhalten der Trennkammer zur Außenatmosphäre kann der Enddruck in der Nähe von 0 bar gehalten werden. Dieser niedrige Druck steigert den Druckabfall in den Entspannungsmitteln bzw. in deren letzter Stufe und verbessert ihren Wirkungsgrad äußerst beträchtlich. Der Wirkungsgrad steigt auch bei Sauerstoffgehalten unterhalb 100 %, jedoch nicht in einem solchen Ausmaß. Um den niedrigen Druck aufrechtzuerhalten, wird eine Vakuumpumpe verwendet, die kontinuierlich Restgase aus den Abtrennmitteln absaugt.

Bei niedrigerer Temperatur vor der ersten Entspannungseinheit fällt die Temperatur nach den Entspannungsmitteln niedriger. Durch Rückführung von Kohlendioxidschnee an die Mittel zum Waschen erzielt man einerseits eine bessere Kühlung vor der Entspannung und andererseits erhält man einen erheblich größeren Gasstrom durch die Entspannungsmittel. In exakten thermodynamischen Ausdrücken erfordert ein Gasturbinensystem entsprechend dem ursprünglichen Konzept die Zufuhr mechanischer Energie, wobei die Auslaßtemperatur kleiner als die Einlaßtemperatur ist. Der Prozeß kann jedoch durch Rückführung kondensierten Kohlendioxides in der obenerwähnten Weise verändert werden, und dadurch wird ein Gleichgewicht in dem System erreicht, d.h. die Entspannung kann soviel Energie erzeugen, wie die Verdichtung benötigt. Durch Rückführen von mehr Kohlendioxid produzieren die Entspannungsmittel mehr mechanische Energie als von dem Verdichter benötigt wird. Auf diese Weise kann Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt werden. Die maximale Umwandlung erreicht man, indem man so viel kondensiertes Kohlendioxid zurückführt, daß seine Verdampfungswärme der Energie entspricht, die andernfalls während der Verbrennung bzw. dem System zugeführt wird. Bei einer praktischen Ausführungsform sollte auch beachtet werden, daß die Temperatur der Entspannungsmittel über 0ºC liegt. Es ist auch möglich, thermische Energie extern zuzuführen, z.B. in Form von Wasser mit einer Temperatur oberhalb von 0ºC an die Entspannungsmittel. Dann wird auch diese Energie in mechanische Energie umgewandelt.

In bestimmten Fällen kann der Druck zwischen den Entspannungsstufen mittels eines Verdichters oder durch Erhitzen des Gases mittels eines Wärmetauschers vergrößert werden. Durch Begrenzen der Menge von Stickstoff in den Abgasen kann die Menge des zu verdichtenden Gases begrenzt werden.

Durch Kühlen des Gases zwischen den Entspannungsstufen, gewöhnlich mittels des nach der Entspannung erzeugten kalten Gases, wird eine niedrigere Endtemperatur oder - alternativ - eine gegebene Endtemperatur mit einem niedrigeren ursprünglichen Druck und daher einer geringeren Verdichtungsleistung erreicht.

Der einfachste Weg zur Begrenzung der Stickstoffmenge in der einströmenden Verbrennungsluft besteht darin, den notwendigen Sauerstoff aus einer Sauerstoffflasche zuzuführen. In größeren Anlagen zieht eine verbesserte Wirtschaftlichkeit die Verwendung z.B. einer gastrennenden Membran nach sich. Dabei wird der erzeugte Sauerstoff in der Verbrennungsanlage verwendet, während der unter Druck gesetzte Stickstoff einen Generator antreiben oder unter Druck stehend zur weiteren Verwendung gelagert werden kann. Die Membrantechnologie und andere Trennverfahren unterliegen einer schnellen Entwicklung, und daher können die Verfahren zur Erlangung mehr oder weniger reinen Sauerstoffs, wie z.B. die Herstellung von Sauerstoff aus Wasser, von Interesse sein.

Die Abgase der vorstehend beschriebenen Anlage können während der Anlaufphase mittels eines Verdichters in die Brennkammer zurückgeführt werden. Die Abgase sind frei von allen umweltschädlichen Substanzen und sind wahrscheinlich sauberer als die einströmende Verbrennungsluft.

Die zur Herstellung von Sauerstoff und für die benötigten Verdichter bzw. Pumpen erforderliche elektrische Energie kann in Anlagen gewonnen werden, die mit einer Ausrüstung wie oben beschrieben versehen sind. Die niedrige Temperatur, mit welcher die Anlage betrieben wird, kann für andere Verfahren, die niedrigere Temperaturen erfordern, verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Anlage kann auf verschiedene Weise modifiziert werden, um in Verbindung mit thermischen oder elektrischen Kraftwerken Verwendung zu finden, und Verbrennungskraftmaschinen mit hohem Wirkungsgrad können möglicherweise auf diese Weise entwickelt werden, die völlig reine Abgase abgeben, die sogar von Kohlendioxid gereinigt sind.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, die als Beispiel schematisch eine erfindungsgemäße, kombinierte Anlage zur Verbrennung und Abgasreinigung zeigt.

Die Zeichnung zeigt einen Verdichter 2, der durch einen Motor 1 angetrieben wird und an eine Membran 3 zur Trennung von Sauerstoff und Stickstoff angeschlossen ist, deren Sauerstoffseite über einen evtl. vorhandenen weiteren Verdichter 4 an eine Brennkammer 5 angeschlossen ist. Eine Kraftstoffzufuhrleitung 6 mit einem Brenner 7 für z.B. Öl führt in die Kammer. Weiterhin kann umweltgefährdende Substanzen enthaltendes Material auf geeignete, hier nicht dargestellte Weise zum Zwecke der Verbrennung in der Brennkammer 5 zugeführt werden. Unter Umständen kann auch eine Sauerstoff enthaltende Flasche 8 an die Kammer 5 angeschlossen sein, um, falls erforderlich, den Sauerstoffgehalt zu erhöhen.

Die Abgase verlassen die Kammer 5 über eine Leitung 9, die an einen Kessel/Kühler 10 angeschlossen ist, welcher die Temperatur des Abgases etwas reduziert, bevor es einer Gaswaschkammer 12 zum Waschen und weiteren Abkühlen unter Druck zugeführt wird. Ein Teil des Wasserdampfes in den Abgasen kondensiert hier aus. Das Kondensat wird zusammen mit dem Waschwasser in der Gaswaschkammer dazu verwendet, bestimmte Verunreinigungen in Partikelform und in wasserlöslicher Form aufzunehmen, die anschließend in bekannter Weise aus der unter Druck stehenden Gaswaschkammer ausgeleitet werden. Die die verbleibenden Verunreinigungen enthaltenden Abgase werden aus der Gaswaschkammer über eine Leitung 13 zu einer ersten Entspannungsmaschine 14, z.B. eine Rotationsschraubenentspanner zugeführt, der einen elektrischen Generator 15 antreibt. Durch den Entspanner erreicht man eine schnelle Druckreduzierung und einen Temperaturabfall der Abgase auf ungefähr -50ºC, die den Entspanner passieren und anschließend einer ersten Trennkammer 16 beispielsweise in Form gefrorenen Kondensats zugeführt werden, das eine Vielzahl von Verunreinigungen enthält, die über Auslaßmittel 17 abgeführt werden können. Die verbleibenden Abgase werden über eine Leitung 18 einem zweiten, einen elektrischen Generator 19 antreibenden Entspanner 20 zugeführt, in welchem die Abgase einer weiteren schnellen Druckreduzierung und einem begleitenden Temperaturabfall auf ca. -120ºC in solcher Weise ausgesetzt werden, daß die verbleibenden Abgase, die hauptsächlich aus Kohlendioxid bestehen, auskondensieren, wobei das Kondensat dann unter Umständen aus einer mit einer Auslaßleitung 23 versehenen Trennkammer 22 abgeführt wird, die über eine Leitung 21 mit dem Entspanner 20 verbunden ist. Eine zweite Auslaßleitung 24 mit einer Pumpe 25 dient der Rückführung des Kohlendioxidkondensats an die Gaswaschkammer 12, um das Kohlendioxid zu verdampfen und erneut zu entspannen. Die möglicherweise verbleibenden, zu einem hohen Grad gereinigten Abgase verlassen die Trennkammer 22 über eine Auslaßleitung 26, die mit einer Vakuumpumpe 27 ausgestattet ist, die ein bestimmtes Vakuum in der Kammer 22 aufrecht erhält.

Unter Umständen kann die niedrige Temperatur des Kohlendioxids in der Leitung 24 auch zur weiteren Kühlung am Einlaß in den zweiten oder in die weiteren, möglicherweise vorgesehenen Rotationsschraubenentspanner verwendet werden. Desgleichen kann unter Umständen ein Verdichter eingesetzt werden, um den Eingangsdruck des zweiten Entspanners und möglicherweise vorhandener weiterer Entspanner zu erhöhen.

Letztlich kann die Kälte dazu verwendet werden, die Verdichtung in den Verdichtern 2 und 4 abzukühlen, um auf diese Weise die erforderliche Verdichtungsleistung zu reduzieren.

Das Verfahren kann auch aus einer Vielzahl von Gründen entsprechend bekannter Lösungsprinzipien modifiziert werden, z.B. durch Erhitzen, Abkühlen oder Verdichten des Gases zwischen den verschiedenen Entspannungsstufen, um eine niedrigere Endtemperatur, eine größere Ausgangsleistung und weitere Ziele zu erreichen.

Das Kohlendioxid wird in Zukunft, insbesondere in reiner Form, unter einer Anpassung der Erfindung wahrscheinlich ein wichtiges Rohmaterial in der chemischen Industrie werden.


Anspruch[de]

1. Kombinierte Anlage zur Verbrennung und Abgasreinigung mit einer Kammer (5) zur Verbrennung unter Druck von brennbaren Stoffen aller Art und Mitteln (10, 12) zur Kühlung und zum Waschen der erzeugten Abgase unter Druck mit Wasser, sowie zum Abtrennen der umweltgefährdenden Stoffe und anderer in dem Brennstoff enthaltener oder bei der Verbrennung entstandener Verunreinigungen, die Mittel zum Ableiten des Waschwassers und der darin aufgenommenen, gelösten oder kondensierten Stoffe aufweisen ebenso wie Mittel (14, 20) zur Entspannung der restlichen Abgase in einer oder mehreren Stufen in der Weise, daß an ihrem Auslaß eine ausreichend niedrige Temperatur erreicht ist, um wenigstens den größten Teil der restlichen Verunreinigungen in fester oder flüssiger Form zu kondensieren und sie in Abtrennmitteln (16, 22) zu sammeln, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsteil (5) mit Mitteln (3, 8) zur Zufuhr von mit bis zu 100 % Sauerstoff angereicherter Verbrennungsluft verbunden ist und daß eine Vakuumpumpe (27) o. dgl. an die Abtrennmittel (22) angeschlossen ist, um die nach der letzten Entspannungsstufe (20) in diesen angesammelten geringen Mengen nicht kondensierter Gase abzupumpen.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zufuhr von mit Sauerstoff angereicherter Verbrennungsluft eine unter Druck stehende Flasche (8) mit flüssigem Sauerstoff aufweisen.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zufuhr von mit Sauerstoff angereicherter Verbrennungsluft eine Sauerstoff abtrennende Membran oder ein anderes Sauerstoff abtrennendes Mittel (3) aufweisen, dessen Sauerstoffseite in Verbindung mit der Verbrennungskammer (5) steht.

4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vakuumpumpe (27) o. dgl. an die Abtrennmittel (22) angeschlossen ist, um darin einen Unterdruck aufrecht zu erhalten.

5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Trennmitteln vorhandene Kondensat ganz oder teilweise zurückleitbar ist zu den Mitteln (10, 12) zur Kühlung und zum Waschen der Abgase, um verdampft und als verdampftes Kondensat nachfolgend zusammen mit der übrigen Gasmischung entspannt zu werden.







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