NL1035584C2 - Gas turbine engine exhaust gases cleaning device, has static vortex mixer mixing exhaust gases with flammable gas and oxygen containing gas mixture such as air, and gas burner igniting and bringing gas mixture to temperature level - Google Patents

Abstract

The device has a heat exchanger for preheating exhaust gases to a temperature level, and a static vortex mixer for mixing the exhaust gases with a flammable gas and oxygen containing gas mixture such as air. A gas burner ignites and brings the gas mixture to another temperature level, and a gas turbine generates power from the completely burnt gas mixture. An independent claim is also included for a method for cleaning exhaust gases.

Description

Inrichting en werkwijze voor het reinigen van rookgassen.Device and method for cleaning flue gases.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het reinigen van rookgassen, S bijvoorbeeld rookgassen afkomstig uit een gasmotor, meer in het bijzonder een warmtekrachtkoppeling (WKK). De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het reinigen van rookgassen, in het bijzonder rookgassen vrijkomend bij de verbranding van aardgas.The invention relates to a device for cleaning flue gasses, for example flue gasses from a gas engine, more in particular a cogeneration (CHP). The invention also relates to a method for cleaning flue gases, in particular flue gases released during the combustion of natural gas.

10 Bij de verbranding van aardgas in een WKK komen rookgassen vrij met een temperatuur van 400°C - 500°C, meer in het bijzonder 450°C. Naast CO2 bevatten de rookgassen onder anderen onverbrande koolwaterstoffen, waaronder methaan, ethaan en etheen en stikstofoxiden (NOx), welke schadelijke effecten kunnen hebben op de omgeving. Wanneer dergelijke rookgassen worden gebruikt als CC^-bron in de 1S glastuinbouw kunnen de onvolledig verbrande koolwaterstoffen gewasschade veroorzaken, door afzettingen op de bladeren en opname van etheen dat kan leiden tot voortijdige rijping van bloemen en vruchten en voortijdig afsterven van planten. Het gevolg is een verminderde opbrengst per m2.During the combustion of natural gas in a CHP, flue gases are released with a temperature of 400 ° C - 500 ° C, more particularly 450 ° C. In addition to CO2, the flue gases include, among other things, unburned hydrocarbons, including methane, ethane and ethylene and nitrogen oxides (NOx), which can have harmful effects on the environment. When such flue gasses are used as a CC 2 source in the 1S greenhouse horticulture, the incompletely burned hydrocarbons can cause crop damage, due to deposits on the leaves and uptake of ethylene that can lead to premature ripening of flowers and fruits and premature death of plants. The result is a reduced yield per m2.

20 Het is bekend rookgassen te reinigen met katalysatoren. De rookgassen worden door een poreus dragermateriaal geleid waarop een katalytisch materiaal is aangebracht, bijvoorbeeld platina, palladium of rhodium. Het nadeel van een dergelijk systeem is dat het daarin gebruikte katalytisch materiaal zeer kostbaar is en bovendien zeer gevoelig is voor zogenaamde vergiftiging door bijvoorbeeld zwavelverbindingen, 25 en daardoor een beperkte levensduur heeft. Bij hoge temperaturen in de katalysator zal het katalytisch materiaal gedeeltelijk verdampen, waardoor de levensduur verder wordt verkort en katalytisch materiaal in de omgeving wordt verspreid.It is known to clean flue gases with catalysts. The flue gases are passed through a porous support material on which a catalytic material is applied, for example platinum, palladium or rhodium. The drawback of such a system is that the catalytic material used therein is very expensive and moreover is very sensitive to so-called poisoning by, for example, sulfur compounds, and therefore has a limited lifespan. At high temperatures in the catalyst, the catalytic material will partially evaporate, further shortening the service life and spreading catalytic material into the environment.

Een doel van de uitvinding is een werkwijze en inrichting te verschaffen waarbij rookgassen uit een gasmotor worden gereinigd zonder gebruik te maken van 30 katalytisch materiaal. In een uitvoeringsvorm is het tevens een doel het rendement van de WKK installatie die de rookgassen voortbrengt te verbeteren, in het bijzonder de opwekking van kracht door een dergelijke WKK installatie. In een verdere uitvoeringsvorm is het doel het verschaffen van een inrichting en werkwijze waarbij de 1035584 2 rookgassen kunnen worden aangewend als CQz-bron zonder daarbij gewasschade aan te richten.It is an object of the invention to provide a method and device in which flue gases from a gas engine are cleaned without using catalytic material. In one embodiment, it is also an aim to improve the efficiency of the CHP installation that produces the flue gases, in particular the generation of force by such a CHP installation. In a further embodiment, the aim is to provide a device and method in which the 1035584 2 flue gases can be used as a CQz source without causing crop damage.

De uitvinding beoogt ten minste één van deze doelen te bereiken. Volgens een aspect van de uitvinding wordt een inrichting verschaft voor het reinigen van rookgassen 5 omvattende een warmtewisselaar, voor het verwarmen van de rookgassen tot een eerste temperatuumiveau, een mengeenheid voor het mengen van rookgassen met een brandbaar gas en een zuurstof bevattend gasmengsel zoals omgevingslucht, een brander voor het tot ontbranding brengen en tot een tweede temperatuumiveau verwarmen van het gevormde gasmengsel, een branderbed voor het volledig verbanden en tot een derde 10 temperatuumiveau verwarmen van het gasmengsel, en een conversiecyclus voor het opwekken van kracht uit de het volledig verbrande gasmengsel, waarbij het branderbed keramische elementen omvat, en waarbij de keramische elementen een temperatuurbuffer vormen.It is an object of the invention to achieve at least one of these objects. According to an aspect of the invention, a device is provided for cleaning flue gases, comprising a heat exchanger, for heating the flue gases to a first temperature level, a mixing unit for mixing flue gases with a combustible gas and an oxygen-containing gas mixture such as ambient air, a burner for igniting and heating the formed gas mixture to a second temperature level, a burner bed for fully dressing and heating the gas mixture to a third temperature level, and a conversion cycle for generating force from the completely burned gas mixture, wherein the burner bed comprises ceramic elements, and wherein the ceramic elements form a temperature buffer.

De inrichting wordt geschakeld tussen een installatie die rookgassen 15 voortbrengt, bijvoorbeeld een gasmotor voorzien van een warmtekrachtkoppeling (WKK) en een rookgaskoeler.The device is switched between an installation that produces flue gases, for example a gas engine provided with a combined heat and power (CHP) and a flue gas cooler.

De warmtewisselaar is bij voorkeur een gas/gas wisselaar waarin rookgassen uit de WKK in contact worden gebracht met gassen uit een conversiecyclus, en daardoor worden verwarmd tot een eerste temperatuumiveau. In de mengeenheid 20 worden de verwarmde rookgassen gemengd met een brandbaar gas, bijvoorbeeld aardgas en een zuurstof bevattend gasmengsel zoals omgevingslucht. De mengeenheid. is bij voorkeur een venturi gekoppeld met een statische vortex menger. Een dergelijke mengeenheid is de vakman bekend en behoeft geen nadere toelichting.The heat exchanger is preferably a gas / gas exchanger in which flue gases from the CHP are brought into contact with gases from a conversion cycle, and are thereby heated to a first temperature level. In the mixing unit 20 the heated flue gases are mixed with a combustible gas, for example natural gas and an oxygen-containing gas mixture such as ambient air. The mixing unit. is preferably a venturi coupled to a static vortex mixer. Such a mixing unit is known to the person skilled in the art and requires no further explanation.

De brander kan een eenvoudige gasbrander zijn, die het gevormde gasmengsel 25 tot ontbranding brengt en tenminste tot een temperatuumiveau van 537°C verwarmt.The burner can be a simple gas burner which ignites the gas mixture 25 formed and at least heats to a temperature level of 537 ° C.

Volgens een bijzonder voordelige uitvoeringsvorm van de uitvinding omvat het poreuze branderbed keramische elementen, die een groot contactoppervlak voorzien. Dergelijke keramische elementen kunnen bijvoorbeeld zijn voorzien door Raschig ringen, Raschig zadels, minerale wol of mineraal doek. Hierdoor wordt een 30 inrichting verkregen waarbij de drukval over het poreuze branderbed kan worden beperkt tot bijvoorbeeld 10 mbar. De keramische elementen worden door de brander verwarmd tot een temperatuur van tenminste 537°C. Zodra deze temperatuur is bereikt kan de brander worden uitgeschakeld. De keramisch elementen fungeren vervolgens 3 als temperatuurbuffer, die het gasmengsel dat het branderbed binnentreedt in korte tijd verwarmt, waarna het gasmengsel verbrandt en de daarbij vrijkomende verbrandingswarmte de temperatuurbuffer op temperatuur houdt.According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the porous burner bed comprises ceramic elements which provide a large contact surface. Such ceramic elements can for example be provided by Raschig rings, Raschig saddles, mineral wool or mineral cloth. A device is hereby obtained in which the pressure drop over the porous burner bed can be limited to, for example, 10 mbar. The ceramic elements are heated by the burner to a temperature of at least 537 ° C. Once this temperature has been reached, the burner can be switched off. The ceramic elements then function as a temperature buffer, which heats the gas mixture entering the burner bed in a short time, after which the gas mixture burns and the combustion heat released thereby maintains the temperature buffer.

5 Bij voorkeur omvat de inrichting volgens de uitvinding middelen om bovenstrooms van de mengeenheid een vloeistof of gas te injecteren, bijvoorbeeld een ureumoplossing of ammoniak. Hierdoor zal in de gasfase een hoeveelheid ammoniak beschikbaar zijn die in de inrichting volgens de uitvinding zal reageren met de in de gasmotor gevormde stikstofoxiden (NOx), waardoor de uitstoot van stikstofoxiden 10 wordt beperkt.The device according to the invention preferably comprises means for injecting a liquid or gas upstream of the mixing unit, for example a urea solution or ammonia. As a result, an amount of ammonia will be available in the gas phase which will react in the device according to the invention with the nitrogen oxides (NOx) formed in the gas engine, whereby the emission of nitrogen oxides is limited.

De inrichting volgens de uitvinding wordt bij voorkeur zodanig gedimensioneerd, dat de verblijftijd van het gasmengsel in het poreuze bed tenminste 1 seconde bedraagt, en bij voorkeur 2-4 seconden. Bij deze temperatuur en verblijftijd 15 vindt volledige verbranding plaats van alle koolwaterstoffen en roet zonder dat daarvoor katalytisch materiaal nodig is. Tevens wordt de inrichting van thermische isolatie voorzien, waardoor warmteverliezen naar de omgeving worden beperkt. Het volledig verbrandde en daardoor gereinigde gasmengsel wordt vervolgens in een Conversiecyclus geleid, die een gasturbine kan omvatten, voor het daaruit opwekken 20 van kracht. Daarnaast kan de thermische energie via een Organische Rankine Cyclus of een soortgelijk proces nuttig worden aangewend. Door de hogere temperatuur die in de inrichting volgens de uitvinding wordt bereikt, zal het rendement van de opwekking van kracht door de WKK installatie hoger zijn.The device according to the invention is preferably dimensioned such that the residence time of the gas mixture in the porous bed is at least 1 second, and preferably 2-4 seconds. At this temperature and residence time, complete combustion of all hydrocarbons and carbon black takes place without the need for catalytic material. The device is also provided with thermal insulation, which limits heat losses to the environment. The completely burned and thereby cleaned gas mixture is then passed into a Conversion cycle, which may comprise a gas turbine, for generating power therefrom. In addition, the thermal energy can be usefully applied through an Organic Rankine Cycle or a similar process. Due to the higher temperature achieved in the device according to the invention, the efficiency of the generation of power by the CHP installation will be higher.

De temperatuur van het volledig verbrande gasmengsel zal na de 25 Conversiecyclus hoger zijn dan de temperatuur van de rookgassen uit de WKK. Het volledig verbrande gasmengsel kan worden gekoeld door dit via de warmtewisselaar in contact te brengen met de rookgassen uit de WKK. Hierdoor worden warmteverliezen verder beperkt.After the Conversion Cycle, the temperature of the completely burned gas mixture will be higher than the temperature of the flue gases from the CHP. The completely burned gas mixture can be cooled by bringing it into contact with the flue gases from the CHP via the heat exchanger. This further limits heat losses.

Daarnaast omvat de inrichting meetpunten voor het meten van de 30 samenstelling van de rookgassen. Bij voorkeur bevinden deze meetpunten zich bovenstrooms en benedenstrooms ten opzichte van de warmtewisselaar, en bovenstrooms en benedenstrooms ten opzichte van de conversiecyclus. De meetpunten omvatten een opening voor het nemen van een gasmonster en een gasmeetapparaat, 4 bijvoorbeeld een gaschromatograaf met een detector, zoals een vlam ionisatie detector (FID) of een foto ionisatie detector (PID). Daarnaast kan een accumulator zijn voorzien om componenten die in zeer lage concentraties aanwezig zijn te concentreren.In addition, the device comprises measuring points for measuring the composition of the flue gases. These measurement points are preferably located upstream and downstream with respect to the heat exchanger, and upstream and downstream with respect to the conversion cycle. The measuring points comprise an opening for taking a gas sample and a gas measuring device, for example a gas chromatograph with a detector, such as a flame ionization detector (FID) or a photo ionization detector (PID). In addition, an accumulator can be provided to concentrate components that are present in very low concentrations.

Bij voorkeur zijn de concentraties aan onverbrande koolwaterstoffen 5 benedenstrooms van de inrichting volgens de uitvinding kleiner dan 400 ppb (microliter per m3), meer in het bijzonder kleiner dan 40 ppb.Preferably, the concentrations of unburned hydrocarbons downstream of the device according to the invention are less than 400 ppb (microliters per m3), more in particular less than 40 ppb.

Het zal echter duidelijk zijn dat de uitvinding niet beperkt is tot de hierboven beschreven uitvoeringsvormen. Elk van de genoemde voordelen kunnen basis vormen 10 voor een uitvinding voor deze aanvrage of een afsplitsing daarvan.It will be understood, however, that the invention is not limited to the embodiments described above. Any of the mentioned advantages can form the basis for an invention for this application or a division thereof.

Het zal de vakman duidelijk zijn dat de inrichting volgens de uitvinding voorziet in een effectieve rookgasreiniging zonder gebruik van katalytisch materiaal.It will be clear to those skilled in the art that the device according to the invention provides for effective flue gas cleaning without the use of catalytic material.

De schone rookgassen kunnen na afkoeling als CC>2-bron worden gebruikt in de glastuinbouw zonder risico op gewasschade.After cooling, the clean flue gasses can be used as a CC> 2 source in greenhouse horticulture without the risk of crop damage.

10355841035584

Claims (11)

1. Inrichting voor het reinigen van rookgassen omvattende een warmtewisselaar, voor het verwarmen van de rookgassen tot een eerste temperatuumiveau, een mengeenheid 5 voor het mengen van rookgassen met een brandbaar gas en een zuurstof bevattend gasmengsel zoals omgevingslucht, een brander voor het tot ontbranding brengen en tot een tweede temperatuumiveau verwarmen van het gevormde gasmengsel, een branderbed voor het volledig verbanden en tot een derde temperatuumiveau verwannen van het gasmengsel, en een conversiecyclus voor het opwekken van kracht uit de het 10 volledig verbrande gasmengsel, waarbij het branderbed keramische elementen omvat, en waarbij de keramische elementen een temperatuurbuffer vormen.A device for cleaning flue gases comprising a heat exchanger, for heating the flue gases to a first temperature level, a mixing unit for mixing flue gases with a combustible gas and an oxygen-containing gas mixture such as ambient air, a burner for igniting and heating the formed gas mixture to a second temperature level, a burner bed for complete dressing and heating the gas mixture to a third temperature level, and a conversion cycle for generating power from the completely burned gas mixture, the burner bed comprising ceramic elements, and wherein the ceramic elements form a temperature buffer. 2. Inrichting volgens conclusie 1 waarbij de keramische elementen zijn voorzien door Raschig ringen, Raschig zadels, minerale wol of mineraal doek. 15Device as claimed in claim 1, wherein the ceramic elements are provided by Raschig rings, Raschig saddles, mineral wool or mineral cloth. 15 3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, waarbij de rookgassen afkomstig zijn uit een gasmotor welke een warmtekrachtkoppeling omvat.Device as claimed in claim 1 or 2, wherein the flue gasses come from a gas engine which comprises a combined heat and power coupling. 4. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de mengeenheid een 20 venturi en een statische vortex menger omvat.4. Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the mixing unit comprises a venturi and a static vortex mixer. 5. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de conversiecyclus een gasturbine omvat.Device according to any of the preceding claims, wherein the conversion cycle comprises a gas turbine. 6. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij bovenstrooms van het branderbed middelen voor injectie van een vloeistof of gas zijn voorzien.Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein upstream of the burner bed means are provided for injection of a liquid or gas. 7. Inrichting volgens conclusie 6, waarbij de vloeistof ureum bevat.The device of claim 6, wherein the liquid contains urea. 8. Inrichting volgens conclusie 6, waarbij het gas ammoniak bevat.The device of claim 6, wherein the gas contains ammonia. 9. Werkwijze voor het reinigen van rookgassen omvattende het verwarmen van rookgassen tot een eerste temperatuumiveau door deze via een warmtewisselaar in 1035584 contact te brengen met gassen uit een conversiecyclus, het in een mengeenheid mengen van de tot een eerste temperatuurniveau verwarmde rookgassen met een brandbaar gas en een zuurstof bevattend gasmengsel zoals omgevingslucht, het met een brander tot ontbranding brengen en tenminste tot een tweede temperatuurniveau verwarmen van 5 het gevormde gasmengsel, het in een branderbed volledig verbanden en tot een derde temperatuurniveau verwannen van het gasmengsel, het opwekken van kracht uit de het tot een derde temperatuurniveau verwarmde gasmengsel, en het koelen van het volledig verbrandde gasmengsel tot een vierde temperatuurniveau door dit via een warmtewisselaar in contact te brengen met de rookgassen. 109. Method for cleaning flue gases comprising heating flue gases to a first temperature level by contacting them via a heat exchanger in 1035584 with gases from a conversion cycle, mixing the flue gases heated to a first temperature level with a combustible gas and an oxygen-containing gas mixture such as ambient air, igniting a burner with a burner and heating at least to a second temperature level of the formed gas mixture, completely burning the gas mixture in a burner bed and heating the gas mixture to a third temperature level, generating power from the gas mixture. the gas mixture heated to a third temperature level, and cooling the completely burned gas mixture to a fourth temperature level by bringing it into contact with the flue gases via a heat exchanger. 10 10. Werkwijze volgens conclusie 9, waarbij in het branderbed keramische elementen zijn voorzien die fungeren als temperatuurbuffer.Method according to claim 9, wherein ceramic elements are provided in the burner bed that function as a temperature buffer. 11. Werkwijze volgens conclusie 9 of 10, waarbij nadat het tweede temperatuurniveau 15 is bereikt de brander wordt uitgeschakeld. 103558411. Method as claimed in claim 9 or 10, wherein after the second temperature level 15 has been reached the burner is switched off. 1035584