DE69527995T2 - Verfahren und vorrichtung zur energierückgewinnung aus brennbare bestandteile enthaltenden medien auch bei niedrigen konzentrationen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus einem Medium, welches brennbare Stoffe selbst mit niedrigen Konzentrationen enthält, und insbesondere die Energierückgewinnung in Verbindung mit einer Reinigung des Mediums durch Verbrennung der brennbaren Stoffe.
• Es ist bereits bekannt, die z. B. bei Anstrich- und Druckarbeiten freiwerdenden Abgase, welche brennbare Stoffe, wie Lösungsmittel, enthalten, zu reinigen, indem die Gase auf die Verbrennungstemperatur der brennbaren Stoffe erhitzt werden. Dieser Prozeß ist jedoch aufgrund der Notwendigkeit einer Erhitzung des Gesamtstroms des Abgasmediums teuer. Mittels eines "Verbrennungsaustauschers", von welchem eine Ausführungsform beispielsweise in Verbindung mit einem Absorptionsverfahren in der schwedischen Patentschrift 8903556-2 beschrieben ist, ist es möglich, die in Verbindung mit der Erhitzung der Abgase entstehenden Kosten zu verringern. In der genannten Patentschrift ist der Verbrennungsaustauscher als eine Vorrichtung mit einem wärmespeichernden Bett definiert, welches auf die Selbstverbrennungstemperatur der brennbaren Stoffe erhitzt werden kann und in welchem die brennbaren Stoffe durch Umkehrung ihrer Strömungsrichtung auf der Selbstverbrennungstemperatur innerhalb des Bettes gehalten werden. Eine Vorrichtung dieser Art ist ferner z. B. der US-A-4 741 690 entnehmbar. Wenn gewisse Mengen der brennbaren Stoffe in dem Medium enthalten sind, kann eine Erhitzung des Mediums in dem Verbrennungsaustauscher durch die von der Selbstverbrennung der Stoffe innerhalb des Bettes freigesetzte Energie stattfinden. Auf diese Weise ist eine zusätzliche Erhitzung lediglich zum Erhitzen des Bettes auf die Selbstverbrennungstemperatur erforderlich, wenn die Anlage angefahren wird oder wenn die Menge an brennbaren Stoffen sehr klein ist und zum selbständigen Aufrechterhalten der Selbstverbrennungstemperatur innerhalb des Bettes nicht ausreicht.
• Aufgrund des hohen Wirkungsgrades des Verbrennungsaustauschers kommt es jedoch verhältnismäßig selten vor, daß die Menge an brennbaren Stoffen in dem Medium wie in dem oben zuletzt genannten Fall nicht ausreicht. Folglich ist die Menge an brennbaren Stoffen in der Regel größer als die zum Aufrechterhalten der Selbstverbrennungstemperatur innerhalb des Bettes erforderliche Menge. Hieraus resultiert eine Erhöhung der Wärme in dem Bett, was wiederum zu einem erhöhten Bedarf an einer Kühlung des Bettes führt, um eine Beschädigung desselben sowie der angrenzenden Bereiche zu vermeiden. Ferner stellt die Tatsache, daß die bei der Verbrennung erzeugte thermische Energie nicht zurückgewonnen wird, hinsichtlich der hohen Energiekosten und aus Umweltgründen ein Problem dar.
• Die DE 41 02 717 A und WO-A-90/04742 beschreiben eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Medium, welches brennbare Stoffe selbst mit niedrigen Konzentrationen enthält, z. B. eine Verbrennungsvorrichtung mit umgekehrter Strömungsrichtung. Die Verbrennung findet in einer warmen Verbrennungszone statt, wobei die Verbrennungszone im Bereich der Mitte eines Bettes angeordnet ist und die Vorrichtung im Bereich der Mitte des Bettes angeordnete Umleitmittel umfaßt. Hierbei besteht jedoch das Problem, einen Teilstrom aus dem Regenerativ-Brennraum, insbesondere aus der Mitte des Bettes, umzuleiten.
• Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, die es ermöglichen, den Überschuß an thermischer Energie in der Mitte des Bettes zu nutzen, welche durch Verbrennung in einem Regenerativ-Brennraum erzeugt wird, z. B. einer Verbrennungsvorrichtung mit umgekehrter Strömungsrichtung, bei welcher die Verbrennung in einer warmen Zone stattfindet und die vorzugsweise als Verbrennungsaustauscher ausgebildet ist.
• Eine weitere Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, nicht nur für eine Energierückgewinnung zu sorgen, sondern damit zugleich die Temperatur in dem Regenerativ-Brennraum zu steuern.
• Eine weitere Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Elimination toxischer, klimaschädigender und übelriechender Stoffe durch Verbrennung derselben.
• Schließlich besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung in der Rückgewinnung der thermischen Energie aus dem Regenerativ-Brennraum in hinreichendem Umfang, um sie vornehmlich für Hochtemperatur-Anwendungen, beispielsweise zur Stromerzeugung, einsetzen zu können.
• Die genannten sowie weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens und einer Vorrichtung gemäß den kennzeichnenden Abschnitten der beigefügten Ansprüche gelöst.
• Nachstehend ist eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reinigung der Abluft oder der Bewetterungsluft eines Kohlebergwerks und
• Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Verbrennungsaustauschers.
• Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung wird zur Reinigung eines Mediums verwendet, vornehmlich zur Reinigung der Abluft oder der Bewetterungsluft eines Kohlebergwerks. Abluft dieser Art enthält in der Regel brennbare Stoffe, wie brennbares Methangas. Die Abluft wird von einem Bergwerksschacht 1 über ein Gebläse 2 und ein Ventil 3 zu einem Schacht 4 oder - sofern die insgesamt mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnete erfindungsgemäße Vorrichtung nicht verwendet wird - über ein Gebläse 5 zu einem Schacht 7 gefördert.
• Bei der gezeigten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 7 vier Verbrennungsaustauscher auf, wobei die Austauscher insgesamt mit den Bezugszeichen 8, 8I, 8II, 8III, 8IV bezeichnet sind; sie kann selbstverständlich je nach Einsatzzweck auch eine größere oder kleinere Anzahl an Verbrennungsaustauschern umfassen. Über ein allen Verbrennungsaustauschern gemeinsames Gebläse 9 und ein jedem einzelnen Verbrennungsaustauscher zugeordnetes Ventil 10 steht jeder Verbrennungsaustauscher 8 mit einer Mehrzahl von Einlaßkanälen 11 und einer Mehrzahl von Auslaßkanälen 12 in Verbindung. Bei der gezeigten Ausführungsform sind neun Einlaßkanäle und neun Auslaßkanäle vorgesehen, wobei die Anzahl an Einlaß- und Auslaßkanälen veränderbar ist. Jeder Einlaßkanal 11 und jeder Auslaßkanal 12 ist jeweils mit einer insgesamt mit den Bezugszeichen 13, 14 bezeichneten Drosseleinrichtung ausgestattet. Über jeweils ein einem jeden Verbrennungsaustauscher 8 zugeordnetes Ventil 15 führen die Auslaßkanäle 12 zu dem Schacht 6. Das einzelne Gebläse 9 kann auch durch beispielsweise vier Gebläse ersetzt werden, die jeweils einem der Verbrennungsaustauscher zugeordnet sind.
• Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Verbrennungsaustauscher 4. Die Drosseleinrichtungen 13, 14 sind jeweils mit einem Schieber 18, 19 ausgebildet, die vertikal zwischen zwei Dichtstellungen verlagerbar sind, in welchen jeder Schieber jeweils dichtend gegen seine Kanäle 16, 17 anliegt. Die beiden Schieber 18, 19 dichten niemals denselben Kanal ab, wobei in der in Fig. 2 mit durchgezogenen Linien dargestellten Stellung der Schieber 18 den Einlaß 20 des Kanals 17 abdichtet, während der Schieber 19 den Auslaß 21 des Kanals 16 abdichtet. Folglich wird das brennbare Stoffe enthaltende Medium über den Einlaßkanal 11 durch den Einlaß 22 des Kanals 16 in das Bett 23 des Verbrennungsaustauschers eingeleitet, in welchem die Stoffe in an sich bekannter Weise verbrannt werden, woraufhin der Strom über den Kanal 17 und den Auslaß 24 zu dem Auslaßkanal 12 ausgeleitet wird. Dieser Strom ist in Fig. 2 schematisch mit durchgezogenen Pfeilen wiedergegeben. Die Stromrichtung durch das Bett 23 des Verbrennungsaustauschers sollte in an sich bekannter Weise von Zeit zu Zeit umgekehrt werden, um zu vermeiden, daß die Hitzefront des Bettes 23 einem der Kanäle 16, 17 zu nahe kommt. Während einer solchen Umkehr werden die Schieber 18, 19 in die in Fig. 2 mit unterbrochenen Linien dargestellten Stellungen bewegt, wobei der Strom bei einer solchen Stellung der Schieber schematisch durch die strichlinierten Pfeile 26 wiedergegeben ist.
• Selbstverständlich können die Ventile 10, 15 zum Unterbrechen des Stroms in den und aus dem Verbrennungsaustauscher verwendet werden, z. B. während der Wartung, für Reparaturen und dergleichen. Ferner kann das Ventil 3 selbstverständlich als ein Ventil ausgebildet sein, welches abhängig von dem Strom des Gebläses 9 den Strom zu dem Schacht 4 öffnet oder unterbricht, um sicherzustellen, daß der Schacht 1 unabhängig von dem Strom durch die Vorrichtung 7 stets belüftet wird.
• Im Bereich der Mitte des Bettes 23, d. h. in dem als Verbrennungszone bekannten Bereich, ist eine Heizeinrichtung 27 vorgesehen, welche elektrisch beheizbar sein kann, mittels welcher das Bett auf die Selbstverbrennungstemperatur der brennbaren Stoffe erwärmt werden kann, z. B. wenn der Verbrennungsaustauscher angefahren werden soll.
• Im Bereich der Verbrennungszone ist ferner ein Ableit- oder Umleitmittel 28 vorgesehen, welches zum Umleiten eines Teilstroms des erwärmten Mediums nach der Verbrennung verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform ist das Umleitmittel 28 von einem perforierten Rohr gebildet, welches sich entlang des Bettes 23 der Verbrennungszone erstreckt, aber auch andersartig ausgestaltet sein kann, beispielsweise in Form eines Mittels zum unmittelbaren Absaugen des Mediums durch die Wandung 29 des Bettes 23. Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist das Umleitmittel 28 wiederum mit einem Dampfkessel 30 verbunden, welcher schematisch in Fig. 1 wiedergegeben ist. Das von dem Umleitmittel 28 umgeleitete Medium wird durch den Dampfkessel 30 zu dem Schacht 6 geleitet, was mittels eines Gebläses 31 geschieht, welches den Druckverlust in dem Kessel kompensiert.
• Da bei der beschriebenen Ausführungsform, gemäß welcher der brennbare Stoff vorzugsweise aus Methangas aus einem Kohlebergwerk besteht, die Selbstverbrennungstemperatur in dem Verbrennungsaustauscher etwa 1000ºC beträgt, kann das unmittelbar aus der Verbrennungszone umgeleitete Medium in dem Dampfkessel 30 wirksam zur Stromerzeugung verwendet werden, indem eine Dampfturbine und ein Generator eingesetzt werden. Die derart gewonnene elektrische Energie kann bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform beispielsweise zum Betrieb eines oder mehrerer Gebläse 2, 5, 9, 31 verwendet werden. Da es im Bergbau hinsichtlich der Explosionsgefahr von größter Notwendigkeit ist, die Stollen ständig zu belüften, ist es grundlegend erforderlich, daß sich wenigstens eines der Gebläse 2, 5 fortwährend in Betrieb befindet, d. h. auch im Falle eines Ausfalls der Hauptversorgungsleitung. Andernfalls muß das Bergwerk evakuiert werden, was einen schwierigen, zeitaufwendigen und teuren Vorgang darstellt. Dank der Erfindung können solche Gebläse auf kostengünstige Weise betrieben werden, ohne daß das Bergwerk auf die Stromversorgung aus einem externen Verteilernetz angewiesen ist. Ferner kann die durch den Dampfkessel, die Turbine und den Generator erzeugte Überschußenergie verkauft werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren machen es folglich auf ökonomisch vorteilhafte Weise technisch möglich, durch die Verbrennung im Innern des Bettes 23 die Umwelt zu schützen und zugleich elektrische Energie zu erzeugen.
• In Kohlebergwerken beträgt die Konzentration an Methangas in der Abluft in der Regel bis zu maximal 20% L.E.L. (untere Explosionsgrenze). Es hat sich gezeigt, daß der Verbrennungsaustauscher in einer Weise ausgebildet werden kann, um es zu ermöglichen, daß ein thermischer Wirkungsgrad von 98% erreicht wird. Dies bedeutet, daß ein Verbrennungsaustauscher hinsichtlich der Aufrechterhaltung der Selbstverbrennungstemperatur im Innern der Verbrennungszone autark ist, wenn die Methangaskonzentration durchschnittlich 0,1% (2% L. E. L.) übersteigt. Die Anwendung der Erfindung macht es somit gleichfalls möglich, elektrische Energie auch aus Medien zurückzugewinnen, welche brennbare Stoffe mit niedrigen Konzentrationen enthalten, was bislang praktisch unmöglich war. Ferner kann die Menge des durch das Umleitmittel 28 umgeleiteten Mediums zur Steuerung der Temperatur im Innern des Bettes 23 verwendet werden, um zu vermeiden, daß die Verbrennungszone zu groß wird und beispielsweise mit dem das Bett umgebenden Gehäuse in Kontakt tritt, was an sich die Gefahr von Bränden und unnötigen Energieverlusten verursachen kann. Des weiteren ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine einfache Steuerung der umgeleiteten Energie durch Variation des umgeleiteten Stroms möglich, um jegliche Veränderungen der Menge an brennbaren Stoffen in dem durch das Bett 23 geleiteten Medium zu kompensieren. Ferner ist der Verbrennungsprozeß sehr sauber, da kein Prompt-NOx und/oder thermisches NOx in der Flamme während der Verbrennung gebildet wird.
• Selbstverständlich sind Abänderungen der beschriebenen Ausführungsform möglich. So kann beispielsweise die Anzahl an Verbrennungsaustauschern 8 wie auch die Anzahl an Umleitmitteln 28 in jedem Bett 23 variiert werden. Die Drosseleinrichtungen 13, 14 können selbstverständlich im Detail andersartig als die wiedergegebenen ausgestaltet sein, so lange sie eine Umkehr der Strömungsrichtung im Innern des Bettes 23 ermöglichen. Ferner können die Kanäle 16, 17 verschiedenartig ausgebildet sein und z. B. aus im Innern des Bettes 23 angeordneten perforierten Rohren bestehen, wobei zwischen ihnen eine Verbrennungszone vorgesehen ist, wie es beispielsweise aus der Schwedischen Patentschrift 9103634-3 bekannt ist. Selbstverständlich kann anstelle eines Verbrennungsaustauschers auch ein beliebiger Regenerativ-Brennraum vorgesehen sein.
• Das Heizmedium kann selbstverständlich auch zur Erzeugung anderer Energieformen als elektrische Energie verwendet werden und das Umleitmittel 28 kann in diesem Fall auch mit anderen Arten von Energieerzeugungsanlagen als einem Dampfkessel 30 verbunden sein. So kann das erwärmte Medium beispielsweise zum Erwärmen eines anderen Mediums, wie Wasser, verwendet werden, wobei in diesem Fall die thermische Energie des anderen Mediums stattdessen z. B. in einem Fernheizsystem verwendet werden kann. Zusätzlich kann die thermische Energie des erwärmten Mediums in diesem Fall durch ein Umleitmittel in Form wenigstens eines Rohres zurückgewonnen werden, welches einen korrespondierenden Strom des anderen Mediums ermöglicht und welches im Innern der Verbrennungszone eines Regenerativ-Brennraumes, vorzugsweise des Bettes 23 eines Verbrennungsaustauschers, angeordnet ist.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind nicht auf den Einsatz im Bergbauwesen beschränkt, sondern können beispielsweise auch für Belüftungsanlagen in der Farbproduktion, im Druckereiwesen, bei Beschichtungs- und Laminierungsprozessen, bei der Herstellung chemischer und pharmazeutischer Erzeugnisse, für tierische Brutanlagen, Faulanlagen, Mülldeponien und bei der Herstellung von Kunststoffen und Reifen, mit anderen Worten in Verbindung mit solchen Anlagen und Prozessen verwendet werden, bei welchen einige Vertreter von Kohlenwasserstoffen, wie Lösungsmittel, Styrol, Kunststoffdämpfe, Abgase aus Benzintanks, Abgase aus der fischverarbeitenden Industrie, Ruß aus Dieselkraftstoffen oder Erdgas, oder auch brennbare anorganische Stoffe, wie Kohlenmonoxid, z. B. aus Elektroöfen bei der Herstellung von Stahl, oder Wasserstoff, z. B. aus der chemischen Industrie, in dem Medium vorhanden sind, welches durch den vorzugsweise als Verbrennungsaustauscher ausgebildeten Regenerativ-Brennraum durchgeleitet werden soll. Sämtliche Arten brennbarer Stoffe, d. h. auch übelriechende oder toxische Abgase aus unterschiedlichen Prozessen oder aus Entgasungen oder Gasauslässen, können unter Erzeugung von Energie wirksam aus dem Medium entfernt werden. Selbstverständlich muß die Erfindung auch nicht notwendigerweise in Verbindung mit den in Fig. 1 dargestellten Schächten 4,6, den Gebläsen 2, 5 oder dem Ventil 3 verwendet werden, sondern kann stattdessen in beliebigen Anlagen eingesetzt werden, bei welchen das Medium den oben genannten Anforderungen genügt.

Claims (11)

1. Vorrichtung (8) zur Energierückgewinnung aus einem Medium, welches brennbare Stoffe selbst mit niedrigen Konzentrationen enthält, wobei es sich um eine Verbrennungsvorrichtung (8) mit umgekehrter Strömungsrichtung handelt, wobei die Verbrennung in einer warmen Verbrennungszone stattfindet und diese im Bereich der Mitte eines Bettes (23) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung (8) im Bereich der Mitte des Bettes (23) angeordnete Umleitmittel (28) umfaßt und mit einer Energieerzeugungsanlage verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Umleitmittel wenigstens ein perforiertes Rohr (28) umfaßt, welches innerhalb des Bettes (23) in der Verbrennungszone angeordnet ist.

2. Vorrichtung (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieerzeugungsanlage ein Dampfkessel (30) ist, an welchen sich eine Turbine und ein Generator anschließen.

3. Verfahren zur Energierückgewinnung aus einem Medium, welches brennbare Stoffe selbst bei niedrigen Konzentrationen enthält, unter Verwendung einer Vorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es die folgenden Schritte umfaßt:

- Erhöhen der Temperatur des Mediums in der Vorrichtung (8) in der warmen Verbrennungszone auf die Verbrennungstemperatur, bei welcher im wesentlichen die gesamte chemische Energie der brennbaren Stoffe in thermische Energie umgewandelt wird,

- Umleiten wenigstens eines Teils des erwärmten Mediums unmittelbar von der Verbrennungszone mittels des Umleitmittels (28) nach der Verbrennung der brennbaren Stoffe zur Erzeugung einer gewünschten Energieform.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das umgeleitete Medium in einem Dampfkessel (30) verwendet wird, den den sich eine Turbine und ein Generator anschließen, um elektrische Energie zu erzeugen.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium ein Gas ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium ein Grubengas aus dem Bergbau ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium ein Faulgas aus einer Faulanlage ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium ein Abgas aus einer Fertigungsanlage ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium ein Abgas aus einer Tierproduktionsanlage, z. B. einer Brutanlage, ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium ein Gemisch aus einem brennbaren Stoff in Luft aus einer beliebigen Art von Gasausströmungen, -austritten oder -entlüftungen, z. B. Erdgasentlüftungen aus dem Erdreich, ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium ein Gemisch aus einem brennbaren Stoff in Luft aus einer beliebigen Art von Ausströmungen oder Entlüftungen aus einem Industrieprozeß, z. B. Verdampfungsverluste aus der Verarbeitung oder Lagerung oder Verteilung von brennbaren Stoffen, ist.