DE102005055550A1

DE102005055550A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung und Staubentfernung

Info

Publication number: DE102005055550A1
Application number: DE102005055550A
Authority: DE
Inventors: Rupert Merkl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2007-05-24
Also published as: EP1952063A1; WO2007057214A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen unter gleichzeitiger Wäremrückgewinnung, das für alle flüssigen und festen Brennstoffe verwendet werden kann. Das Abgas passiert einen Wärmetauscher (3; 103; 203) und wird anschließend zumindest teilweise über ein Führungselement in eine Kammer (5; 105; 205) mit einer Sprühanlage (7; 107; 207) zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen geführt, wo die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe durch Besprühen mit den feinverteilten Wassertropfen entfernt werden. Bevorzugt ist das Führungselement eine Lochblende (13; 113; 213) bzw. ein Lochblech, und die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe werden zunächst durch Beträufeln und dann durch Besprühen mit den feinverteilten Wassertropfen entfernt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Entfernung der Staubabscheidung verwendet werden, wenn eine zusätzliche, schwenkbar angeordnete Blende (221) zwischen Wärmetauscher (3; 103; 203) und Kammer (5; 105; 205) vorgesehen wird oder das Führungselement bzw. die Lochblende (13; 113; 213) schwenkbar gelagert wird.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung für Heizungsanlagen mit ausgewählten Brennstoffen.

Die zulässigen Werte für die Schadstoffemission von Heizungsanlagen wurden durch den Gesetzgeber in den letzten Jahren immer mehr verschärft, um dadurch einen Beitrag zur Verringerung der Umweltbelastung zu erreichen. Bei den von einer Heizungsanlage emittierten Schadstoffen sind in erster Linie die Schwefeloxide und die Stickoxide zu nennen. Daneben ist auch der CO₂-Austoß zu beachten. Obwohl CO₂ an sich kein Schadstoff ist, durch seine vermehrte Emission aus Heizungsanlagen aber auch die Umwelt zunehmend belastet, wird es im Sinne dieser Erfindung ebenfalls zu den Schadstoffen gezählt.

Zusätzlich zu dem Problem, die gesetzlichen Vorschriften und die darin geregelten zulässigen Grenzwerte für die Schadstoffemission von Heizungsanlagen einzuhalten kommt in zunehmendem Maße, bedingt durch die zunehmende Nutzung von Festbrennstoffen, wie Holz oder nachwachsenden Rohstoffen, ein erhebliches Staubproblem in der Heizungsanlage.

Durch die WO-A-00/09948 ist bereits eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung der Abgase von Heizungskleinanlagen unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung bekannt geworden, bei dem das aus der Heizung kommende Abgas über ein Einlaßrohr und eine mehrteilig ausgebildete Führung in eine Kammer mit einer Sprühanlage zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen geleitet wird. Die mehrteilig ausgebildete Führung des Abgases dient dazu, das Abgas zunächst mehrfach umzulenken und dann über einen ringförmigen Strömungskanal in die Kammer mit der Sprühanlage zu leiten. Dabei passiert das Abgas einen Wärmetauscher und die mehrfache Umleitung dient dazu, den Strömungsweg über den Wärmetauscher zu verlängern. Der Strömungskanal öffnet sich in Richtung auf die Kammer mit der Sprühvorrichtung, wo das inzwischen schon deutlich abgekühlte Abgas über ein weiteres Element des Führungsteils und einen dadurch gebildeten Ringspalt auf den in der Kammer gebildeten Nebel aus feinverteilten Wassertropfen stößt und so die Schadstoffanteile aus dem Abgas wirksam herausgelöst werden. Das so gereinigte Abgas verläßt die Vorrichtung über einen oberhalb der Kammer angeordneten Auslaß, während das Kondensat in Richtung auf den Boden der Kammer geführt und über einen dafür vorgesehenen weiteren Auslaß in ein Wasserbad geleitet wird.

Des weiteren ist durch die DE-A-36 37 973 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung von Abgasen unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung bekannt geworden. Die dort offenbarte Vorrichtung umfaßt eine Kammer mit einer Sprühanlage zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen, die im oberen Bereich der Kammer angeordnet ist, und eine Mehrzahl von Stufenböden, die sich etwa vom Boden der Kammer bis zu der Sprühanlage erstrecken. Eine Wärmetauscheranordnung aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Rippenrohrwenden ist seitlich in der Kammer entlang ihrer Wandung angeordnet. Das über einen Einlaß in die Kammer tretende zu reinigende Abgas wird nun von unten nach oben durch die Wärmetauscheranordnung zu der Sprühanlage zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen geführt und der von dieser erzeugte feine Wassernebel drückt dann das Abgas wieder in Richtung auf den Boden der Kammer, wobei es, durch diesen Wassernebel angefeuchtet, auf die einzelnen Stufenböden in der Kammer gelangt.

Diese dienen zur Trocknung des Abgases, das dann im unteren Bereich der Kammer über einen Auslaß aus der Vorrichtung ausströmt.

Durch die US-A-4,686,940 wird eine Vorrichtung zur Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung offenbart, in der ebenfalls über eine Kammer, in der sich feinverteilte Wassertropfen befinden, das gleichfalls in diese Kammer geleitete Abgas gereinigt wird. Der Wassernebel wird aber nicht in dieser Kammer selbst erzeugt, sondern in einer röhrenförmigen Führung, in der Wasser, das sich aus einem unterhalb der Kammer befindlichen Wasserbad speist, nach oben zu einem Ventilator befördert und durch diesen fein versprüht wird. Im Bereich des Ventilators weist diese röhrenförmige Führung eine Vielzahl kleiner Öffnungen auf, durch die die Sprühnebeltröpfchen dann zusammen mit dem Abgas in die Kammer gelangen. Das Abgas wird über einen separaten Einlaß in den Bereich der röhrenförmigen Führung geleitet, in der sich der Ventilator befindet. Ein Wärmetauscher erstreckt sich über das im unteren Bereich der Vorrichtung gesammelte Kondensat bis hoch zu der Kammer. Er ist als röhrenförmiger Wärmetauscher ausgebildet und umgibt die Kammer von außen auf ihrer gesamten Länge.

Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung bereitzustellen, die insbesondere, aber nicht ausschließlich für Großanlagen geeignet sind, wobei sowohl die Vorrichtung als auch das Verfahren möglichst einfach und damit sehr wirtschaftlich ausgestaltet sein und mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten sollen.

Gelöst wird diese Aufgabe zunächst durch ein Verfahren zur Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung, bei dem das Abgas einen Wärmetauscher und anschließend eine Kammer mit einer Sprühanlage zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen passiert, wobei zumindest ein Teil des Abgases über ein bevorzugt einteiliges Führungselement in die Kammer mit der Sprühanlage geführt und dort die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe durch Besprühen mit den durch die Sprühanlage erzeugten feinverteilten Wassertropfen entfernt werden.

Dadurch wird ein gegenüber dem Stand der Technik erheblich vereinfachtes und doch sehr wirksames Verfahren bereitgestellt. Bevorzugt wird das Abgas dabei vollständig mittels des einteiligen Führungselements in die Kammer mit der Sprühanlage geführt. Im Unterschied zu dem Stand der Technik wird erfindungsgemäß, bezogen auf den Abgasstrom, eine quasi linearisierende Einheit zwischen dem Bereich des Wärmetauschers und der Kammer bereitgestellt, d.h. mit einem quasi linearen Übergang des Abgases von dem Wärmetauscher in die Kammer mit der Sprühanlage.

Optimiert wird die erzielte Reinigungswirkung des Abgases noch dadurch, daß das Führungselement als perforiertes Führungselement, z. B. in Form einer Lochblende, die ein Lochblech sein kann, ausgebildet wird, durch das zumindest ein Teil des Abgases strömt, und dadurch die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe zunächst, in einem ersten Schritt, durch Beträufeln und dann, in einem zweiten Schritt, durch Besprühen mit den durch die Sprühanlage erzeugten feinverteilten Wassertropfen entfernt werden.

Es hat sich gezeigt, daß durch die in zwei Schritten erfolgende Reinigung des Abgases ein nochmals deutlich höherer Wirkungsgrad bei der Entfernung der Schadstoffe aus dem Abgas erzielt werden konnte. Dieser erhöhte Wirkungsgrad wird durch einen zweifachen Wärmeübergang bei dem Zusammentreffen des Abgases mit den in der Sprühanlage erzeugten feinverteilten Wassertropfen bewirkt. Zunächst bildet sich an dem perforierten Führungselement, wie der Lochblende, kammerseitig bereits Kondensat aus dem feinen Sprühnebel der Wassertropfen, auf das das Abgas bei seinem Übergang von dem Wärmetauscher zu der Kammer mit der Sprühanlage trifft. Dieses Kondensat löst in dem trotz des Passierens des Wärmetauschers noch ausreichend heißen Abgas an dem perforierten Führungselement bereits einen Teil der in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe heraus. Die weitere Reinigung des Abgases wird bewirkt, wenn das Abgas im Anschluß an das Führungselement in die Kammer mit der Sprühanlage strömt und dort auf den Sprühnebel der feinverteilten Wassertropfen trifft. Auch dann ist das Abgas noch heiß genug, damit das schockartige Zusammentreffen mit den feinverteilten Wassertropfen für ein weiteres wirksames Herauslösen der Schadstoffe aus dem Abgas genutzt werden kann.

Wenn das perforierte Führungselement, durch welche das Abgas von dem Wärmetauscher in die Kammer mit der Sprühanlage strömt, bevorzugt als Lochblende, und besonders bevorzugt als Lochblech ausgebildet wird, ist auf diese Weise eine einfache und wirtschaftliche Herstellung des perforierten Führungselement möglicht.

Als Material kommen für das Führungselement grundsätzlich Edelstahl oder andere korrosionsbeständige und temperaturfeste Materialien in Frage.

Zusätzlich zu dem Zweck der Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen und der Wärmerückgewinnung kann als weiteres vorgesehen sein, die Staubabscheidung an dem Wärmetauscher wirksam zu beseitigen. Grundsätzlich ist das Problem der Staubabscheidung, insbesondere bei der Verwendung von Holz, Holzpellets oder nachwachsenden Rohstoffen, sowie deren Aufbereitungen, von erheblicher Bedeutung. Aber gerade diese Brennstoffe erhalten durch die hohen Kosten für Erdöl und Erdgas einen immer höheren wirtschaftlichen Stellenwert. Heizungsanlagen werden z. B. so konstruiert, daß sie wahlweise für Erdöl und Erdgas und Holz, Holzpellets sowie nachwachsende Rohstoffe zur Befeuerung geeignet sind. Bisher ist kein Konzept für eine Heizungsanlage bekannt geworden, das ein Reinigen des zur optimalen Energienutzung vorhandenen Wärmetauschers von der Staubabscheidung in ausgewählten Intervallen ermöglicht. Dadurch gewinnt die Problematik der Staubabscheidung auf dem Wärmetauscher bzw. der Auswaschung für eine Feststoffbefeuerung, wie bei der Verwendung von Holzpellets, bei der Befeuerung noch mehr an Bedeutung als die Frage der Energieeinsparung in diesen Heizungsanlagen.

Erfindungsgemäß kann die zusätzliche Entfernung der Staubabscheidung an dem Wärmetauscher dadurch erreicht werden, daß benachbart zu dem Wärmetauscher und angrenzend an die Kammer mit der Sprühanlage eine Blende schwenkbar angeordnet wird, die dann, wenn das Führungselement als Lochblende ausgestaltet wird, auch als weitere Blende bezeichnet werden kann, wobei diese Blende dann, wenn das Abgas durch die Vorrichtung fließt, eine Wandung bildet, die den Wärmetauscher gegenüber der Kammer mit der Sprühanlage begrenzt und abschließt, und wobei zur Entfernung der Staubabscheidung die weitere Blende aufgeschwenkt und dadurch die feinverteilten Wassertropfen zur Reinigung über den Wärmetauscher geleitet werden. Wahlweise kann der Abgasfluß während dieser Reinigungszeit unterbrochen werden. Dies ist aber nicht unbedingt erforderlich, da die Reinigungszeit relativ kurz ist, so daß es keine wesentliche Umweltbelastung darstellt, wenn in dieser Zeit das Abgas ungereinigt oder weniger gereinigt aus der Vorrichtung strömt.

Auf diese Weise kann einfach und wirtschaftlich, wahlweise durch ein eventuelles kurzzeitiges Unterbrechen der Befeuerung, eine Reinigung des oder der Wärmetauscher, wenn mehr als ein Wärmetauscher Verwendung findet, erreicht werden und die Anlage kann dennoch kompakt und ohne größeren Platzbedarf installiert werden.

Bevorzugt wird diese gegebenenfalls weitere Blende um etwa 90° aufgeschwenkt, konstruktionsbedingt ist davon ein Aufschwenken von bis zu 95° oder mehr, wie bspw. 100°, mitumfaßt, ohne den erfindungsgemäßen Erfolg in irgendeiner Weise zu beeinträchtigen. Je nach Art des Einbaus der weiteren Blende kann es aber ebenso möglich sein, daß diese um nur weniger als 90° aufgeschwenkt werden muß, oder daß sie sogar mit einem größeren Winkel bis etwa 180° aufgeschwenkt werden kann, um die feinverteilten Wassertropfen in Kontakt mit dem Wärmetauscher zu bringen. Entscheidend ist, daß die feinverteilten Wassertropfen in ausreichenden Kontakt mit dem Wärmetauscher gebracht werden können.

Die sich zusätzlich stellende Aufgabe, die Reinigung der Abgase unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung mit der Entfernung der Staubabscheidung an dem zur Wärmerückgewinnung verwendeten Wärmetauscher zu kombinieren, wird in einer weiteren Ausführungsform auch durch ein Verfahren gelöst, bei dem das Ab gas einen Wärmetauscher und anschließend eine Kammer mit einer Sprühanlage zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen passiert, wobei zumindest ein Teil des Abgases über ein schwenkbar gelagertes Führungselement in die Kammer mit der Sprühanlage geführt und dadurch die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe zunächst durch Beträufeln und dann durch Besprühen mit dem durch die Sprühanlage erzeugten feinverteilten Wassertropfen entfernt werden.

Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher vorgesehen, das Führungselement, das bevorzugt eine Lochblende sein kann, selbst schwenkbar zu gestalten, um entsprechend, wie weiter oben im Hinblick auf die weitere Blende geschildert, bei einer Unterbrechung der Befeuerung, und damit des Abgasflußes, die Reinigung des Wärmetauschers von dem Staub dadurch zu bewirken, daß die feinverteilten Wassertropfen über den Wärmetauscher geleitet werden.

Das perforierte Führungselement kann genauso, wie es weiter oben im Hinblick auf die weitere Blende schon geschildert worden ist, um bis zu 180°, bevorzugt bis etwa 90° oder weniger aufgeschwenkt werden. Das Kriterium hierfür sind die konstruktiven Maßnahmen der Ausgestaltung der Vorrichtung. Entscheidend ist, daß die feinverteilten Wassertropfen in ausreichenden Kontakt mit dem Wärmetauscher gebracht werden können.

Das Führungselement ersetzt bei dieser Ausgestaltung der Erfindung die Blende und wird zum Zwecke der Entfernung der Staubabscheidung aufgeschwenkt, wenn dies erforderlich wird, wie weiter oben bereits am Beispiel der Blende beschrieben.

Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung zur Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung, mit einem Einlaß für das Abgas, einem Wärmetauscher, einer Kammer mit einer Sprühanlage zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen, jeweils einem Auslaß für das zumindest teilweise gereinigte Abgas und das die Schadstoffe aufnehmende Kondensat, und einem beim Übergang des Abgases in die Kammer angeordneten Führungselement.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Führungselement als perforierte Führungselement, bevorzugt als Lochblende ausgebildet.

Durch die Verwendung eines solchen perforierten Führungselements, das z. B. ein Lochblech sein kann und das dort angeordnet ist, wo das Abgas von dem Wärmetauscher in die Kammer mit der Sprühanlage übergeht, wird das Abgas zumindest teilweise gezwungen zunächst das Lochblech zu passieren, und kammerseitig an der Oberfläche der Lochblende bereits abgeschiedenes Kondensat bewirkt ein Beträufeln des die Lochblende passierenden Abgases und damit ein erstes Herauswaschen der Schadstoffe aus dem Abgas. Auf dem weiteren Weg des Abgases in der Kammer kommt das Abgas in Kontakt mit dem Sprühnebel aus den feinverteilten Wassertropfen und wird nun weiter gereinigt. Die Kondensatbildung erfolgt beim Auftreffen des Abgases auf die kühlen Wassertropfen oder den kühlen Wassertropfen-Sprühnebel, weil dadurch die Temperatur schlagartig unter den sogenannten Taupunkt sinkt. Im Prinzip wird damit das gleiche Phänomen ausgenutzt, das in der Atmosphäre für die Verursachung des saueren Regens verantwortlich ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht durch die Möglichkeit, diese zusätzlich auch zur Entfernung der Staubabscheidung auf dem oder den Wärmetauscher(n) einsetzen zu können, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform benachbart zu dem Wärmetauscher und angrenzend an die Kammer mit der Sprühanlage eine Blende angeordnet und schwenkbar gelagert ist. Diese Blende kann aufgeschwenkt und dadurch der feinverteilte Sprühnebel aus den Wassertropfen direkt über den zumindest einen Wärmetauscher geleitet werden. Dadurch wird dort die Reinigung des Wärmetauschers durch Entfernen der Staubabscheidung bewirkt. Dazu muß der Abgasfluß nicht, kann aber unterbrochen werden, wie dies bereits weiter oben im Hinblick auf eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits geschildert worden ist.

Die sich zusätzlich stellende Aufgabe, die Reinigung der Abgase unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung mit der Entfernung der Staubabscheidung an dem zur Wärmerückgewinnung verwendeten Wärmetauscher zu kombinieren, wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung und zur Entfernung der Staubabscheidung an dem Wärmetauscher mit einem Einlaß für das Abgas, einem Wärmetauscher, einer Kammer mit einer Sprühanlage zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen, jeweils einem Auslaß für das zumindest teilweise gereinigte Abgas und das die Schadstoffe aufnehmende Kondensat, und einem beim Übergang des Abgases von dem Wärmetauscher in die Kammer angeordneten, schwenkbar gelagerten Führungselement, das bevorzugt als perforiertes Führungselement und insbesondere als Lochblende ausgebildet sein kann.

Die eingangs genannte wie die sich zusätzlich stellende Aufgabe wird auch gelöst durch die Verwendung des weiter oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens in einer seiner Ausgestaltungen und der ebenfalls zuvor beschriebenen Vorrichtung in einer ihrer Ausgestaltungen für an sich beliebige Brennstoffe, wie Erdöl, Gas, z. B. Erdgas, Holz, Holzpellets, nachwachsende Rohstoffe und Aufbereitungen davon.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von ausgewählten Ausführungsbeispielen und der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigen:

1a: eine geschnittene Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem schwenkbar gelagerten Lochblech,

1b eine Aufsicht auf die Vorrichtung gemäß 1a um 90° gedreht,

2a: eine geschnittene Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit schwenkbarem Lochblech und einer Bypassklappe,

2b: eine Aufsicht auf die Vorrichtung gemäß 2a um 90° gedreht,

3a: eine geschnittene Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Lochblech und weiterer Blende,

3b: eine geschnittene Ansicht nach 3a, integriert in einen Heizkesselbereich,

3c: eine Ansicht gemäß 3a, integriert in eine komplette Heizungsanlage mit Wasserbad.

Ausführungsbeispiele
Die im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich insgesamt jeweils auf eine Vorrichtung zur Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen, welche ein perforiertes Führungselement aufweist, das durchgängig als eine Lochblende in Form eines Lochblechs ausgestaltet ist. Sie beziehen sich daher nicht auf die einfachste Form, in der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeübt werden und die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgebildet sein kann, welche lediglich ein nicht perforiertes Führungselement vorsieht. Es ist jedoch für den Fachmann leicht ersichtlich, daß alle folgenden Ausführungen vollständig auch auf die nicht perforierte Form des Führungselements zu beziehen sind, sofern sie nicht das zweifache Lösen der Schadstoffe aus dem Abgas durch einerseits das Beträufeln und andererseits das Lösen in dem Wassertropfen-Sprühnebel betreffen. Für die einfache Ausführungsform des nicht perforierten Führungselements kommt die Abgasreinigung durch das Lösen in dem Wassertropfen-Sprühnebel in Betracht.
In dieser Weise soll bei den nachfolgend geschilderten Ausführungsbeispielen jeweils auch die einfache Ausführungsform dargestellt sein, um so unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
1. Kombination von Abgasreinigung, Wärmerückgewinnung und Reinigung des Wärmetauschers nach VARIANTE 1
In 1a. ist der die Reinigung des Abgases, die Wärmerückgewinnung und Reinigung des Wärmetauschers bewirkende Bereich einer Heizungsanlage als hier erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Das Abgas wird über Einlaß 1 in die Vorrichtung geführt und passiert zunächst einen Wärmetauscher 3, der in diesem und in den folgenden Ausführungsbeispielen als röhrenförmiger Wärmetauscher, mit oder ohne oberflächenvergrößernden Lamellen, aus Edelstahl oder sonstigen gegen aggressive Substanzen und Medien beständigen Materialien ausgebildet ist. Gleichwertig zu dieser Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, das Abgas über mehr als einen Wärmetauscher zu führen. An den Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der den Wärmetauscher 3 aufnimmt, schließt sich eine Kammer 5 an, die eine Sprühanlage 7 zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen aufweist. Diese Sprühanlage 7 kann aus einer Wasserdüse bestehen oder mehrere Düsenstöcke aufweisen, wie dies in 1a der Fall ist und über 1b noch einmal näher veranschaulicht wird. An die Kammer 5 mit der Sprühanlage 7 schließt sich der Auslaß 9 für das gereinigte Abgas an, und mit 11 ist die Druckleitung für das der Sprühanlage 7 zuzuführende Wasser bezeichnet. Zu einem späteren Zeitpunkt wird noch darauf eingegangen, woraus sich dieses Wasser speist. Bei dem Übergang aus dem Bereich, in welchem der Wärmetauscher 3 angeordnet ist, in die Kammer 5, ist eine Lochblende 13 schwenkbar angeordnet. Diese Lochblende 13 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Lochblech ausgebildet und um etwa 90° drehbar gelagert. Je nach Konstruktion kann der Winkel, um welchen die Lochblende 13 drehbar gelagert ist, auch bis zu beispielsweise 95° oder 100° betragen. Es ist grundsätzlich auch eine drehbare Lagerung um 180° möglich, sofern die Konstruktion der Vorrichtung dies ermöglicht.
Das über den Einlaß 1 in die Vorrichtung einströmende Abgas wird auf folgende Weise gereinigt:
Zunächst passiert es den Wärmetauscher 3 mit einer üblichen Anfangstemperatur von ca. 180°C bis 150°C und ist auf etwa 100°C oder sogar wesentlich darunter, nämlich etwa 50-60°C, abgekühlt, wenn es auf die Lochblende 13 trifft. Diese Lochblende 13 ist zunächst in die Vorrichtung hineingeklappt und der größte Anteil des Abgases strömt nun durch die Lochblende hindurch, bzw. wird durch diese hindurchgeführt, wobei es auf bereits kammerseitig an der Lochblende abgeschiedenes Kondensat aus der Sprühanlage 7 zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen trifft und über die Lochblende 13 ein erster Wärmeübergang zwischen dem Kondensat und dem Abgas stattfindet. An der Lochblende 13 wird das Abgas, das diese Lochblende 13 gerade passiert, mit dem nun zu einem Kondensat aus Wassertröpfchen gewordenen feinen Sprühnebel der Sprühanlage 7 quasi beträufelt, was einen ersten Übergang der Schadstoffe in das Wasserkondensat bewirkt.
Nach dem Passieren der Lochblende 13 trifft das Abgas auf den feinen Sprühnebel der Wasserropfen aus der Sprühanlage 7 selbst und wird durch dieses Besprühen weiter gereinigt. Beim Austritt aus der oder den Düsen der Sprühanlage 7 weisen die feinverteilten Wassertropfen etwa eine Temperatur von 20°C bis 40°C, maximal 50°C auf. Der feinverteilte Wassertropfennebel stellt eine sehr große Oberfläche bereit, die es ermöglicht, bei diesem schockartigen Zusammentreffen des trotz des Wärmetauschers 3 und des ersten Kontaktes des Abgases mit dem Wasserkondensat an der Lochblende 13 noch ausreichend heißen Abgases mit dem relativ kalten Wassertropfennebel ein weiteres, sehr wirksames Herauslösen der Schadstoffanteile des Abgases, das genauso als Heiz- oder Rauchgas bezeichnet werden kann, in die Wassertropfen zu bewirken.
Auf diese Weise werden die Wassertropfen des Nebels aus den feinverteilten Wassertropfen mit den Schadstoffen des Abgases beladen und über eine Sammelleitung 15 aus der Vorrichtung in ein weiter untern noch näher zu erläuterndes Reservoir geführt. Dabei ist diese Sammelleitung 15 so in der Vorrichtung angeordnet, daß das Wasserkondensat allein durch die Wirkung der Schwerkraft zu der Sammelleitung hingeführt und dort aus der Kammer 5 abgeleitet wird. Daher ist die Sammelleitung 15 im unteren Bereich der Vorrichtung angeordnet. Das so von den Schadstoffen zumindest zu einem großen Teil befreite Abgas wird dann über den Auslaß 9 an die Atmosphäre abgegeben. Ein in der Abbildung nicht näher dargestellter Tropfenabscheider ist hier zusätzlich vorgesehen, um das vollständige Abscheiden der feinverteilten Wassertropfen zu bewirken.
Besonders dann, wenn die Heizungsanlage, mit welcher die erfindungsgemäße Vorrichtung kombiniert werden soll, zur Befeuerung mit festen Brennstoffen, wie Holz, Holzpellets oder nachwachsenden Rohstoffen verwendet wird, ist das Problem der Staubabscheidung bzw. der Auswaschung sehr problematisch und die Reinigung des Wärmetauschers wichtiger als die Energieeinsparung, die durch die Vorrichtung bewirkt werden kann. Die Staubabscheidung bewirkt eine erhebliche Verringerung des Wirkungsgrades der Heizungsanlage, wenn keine effiziente Reinigung vorgenommen werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Reinigung in sehr einfacher Weise bewirkt, indem die Lochblende 13, die schwenkbar gelagert ist, von dem Wärmetauscher weg um etwa 90° oder um eine je nach Konstruktion davon unterschiedliche Gradzahl in Richtung auf die Innenwandung der Kammer 5 geklappt wird. Der Abflußstrom wird dabei unterbrochen und der aus der Sprühanlage 7 austretende Nebel aus den feinverteilten Wassertropfen gelangt nun direkt auf den Wärmetauscher 3, um ihn zu reinigen.
In der in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung sind mehrere Düsenstöcke der Sprühanlage 7 vorgesehen und außerdem werden auch noch unterschiedliche Düsen verwendet, so daß dadurch jeglicher Staub aus dem Bereich des Wärmetauschers 3 ausgewaschen wird.
2. Kombination von Abgasreinigung, Wärmerückgewinnung und Reinigung des Wärmetauschers nach VARIANTE 2
Eine Abwandlung der zuvor geschilderten Vorrichtung ist in den 2a und 2b dargestellt, wobei gleiche Bestandteile der Vorrichtung mit denselben, nur um 100 erweiterten Bezugsziffern bezeichnet sind. Diese gemäß der ersten Ausführungsform abgewandelte Vorrichtung weist zusätzlich einen Bypass 117 auf, der im Anschluß an den Einlaß 101 des Abgases bzw. Heiz- oder Rauchgases angeordnet und über eine schwenkbare Klappe 119 geöffnet oder geschlossen wird. Diese schwenkbare Klappe 119 ist so mit dem in Richtung auf den Einlaß 1 weisenden Teil des Wärmetauschers 102 schwenkbar verbunden, das durch eine 90°-Drehung der Bypass 117 entweder geschlossen oder durch eine 90°-Drehung in entgegengesetzter Richtung der Bypass 117 geöffnet wird. D. h. die schwenkbare Klappe 119 leitet das über Einlaß 101 in die Vorrichtung einströmende Abgas entweder über den Wärmetauscher 103, und führt das Abgas damit einer Reinigung zu, oder über den Bypass 117 direkt zu dem Auslaß 109. Mit dieser Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es überhaupt nicht nötig, den Abgasstrom zu unterbrechen, um den Wärmetauscher 103 zu reinigen. Da die Reinigung des Wärmetauschers 103 in der Regel nur eine kurze Zeit in Anspruch nimmt, kann für diese kurze Zeitspanne das Abgas ohne den Reinigungsschritt zum Auslaß 109 geleitet werden, ohne ein Umweltrisiko darzustellen.
3. Kombination von Abgasreinigung, Wärmerückgewinnung und Reinigung des Wärmetauschers nach VARIANTE 3
Während mit den bisherigen Ausführungsformen eine Vorrichtung zur Reinigung der Abgase mit Wärmerückgewinnung und Entfernung der Staubabscheidung an dem Wärmetauscher dargestellt worden ist, die in bezug auf den Abgasstrom eine quasi linearisierende Einheit zwischen dem Bereich des Wärmetauschers 3, 103 und der Kammer 5, 105 darstellt, ist dieser lineare Übergang des Abgases von dem Wärmetauscher 3, 103 in die Kammer 5, 105 im vorliegenden 3. Ausführungsbeispiel nicht mehr vorgesehen, wodurch eine kompaktere Bauweise möglich wird. Auch hier werden zur Beschreibung des Ausführungsbeispiels die gegenüber den vorherigen Ausführungsbeispielen gleichen Bestandteile mit derselben jedoch um 200 erweiterten Bezugsziffer bezeichnet.
Bei dieser eine kompaktere Bauweise von Wärmetauscher 203 und Kammer 205 bewirkenden Anordnung strömt das Abgas über den Einlaß 201 zunächst in den Wärmetauscher 203, wie auch bisher beschrieben. An den Wärmetauscher 203 schließt sich wieder beim Übergang des Abgases in die Kammer 205 mit der Sprühanlage 207 eine Lochblende 213 an, über welche eine erste Reinigung des Abgases bewirkt wird, wie auch weiter oben schon erläutert. Die Düsenstöcke der Sprühanlage 207 befinden sich bei dieser Ausführungsform jedoch nicht in quasi linearer Anordnung zu dem Wärmetauscher 203, bezogen auf den Abgasstrom, sondern das Abgas wird umgelenkt und die Düsenstöcke der Sprühanlage 207 befinden sich in diesem Ausführungsbeispiel oberhalb des Wärmetauschers 203. Dadurch ist der Wärmetauscher 203 quasi in den Bereich der Kammer 205 mit der Sprühanlage 207 integriert, bildet aber dennoch eine selbständige Einheit. Die Düsenstöcke der Sprühanlage 207 sind oberhalb des Wärmetauschers 203 angeordnet, um ein Fallen des Nebels aus den feinverteilten Wassertropfen aus der Sprühanlage 207 mit der Schwerkraft zu erreichen und auszunutzen. Der Auslaß 209 ist bei dieser Ausführungsform auf derselben Seite wie der Einlaß 201 und benachbart zu diesem angeordnet.
Eine Reinigung des Wärmetauschers wird bei dieser Anordnung dadurch erreicht, daß eine weitere Blende 221 vorgesehen ist, die an die Kammer 205 mit der Sprühanlage 207 angrenzt und gegenüber der Kammer 205 eine Wandung bildet, die den Wärmetauscher gegenüber der Kammer 205 begrenzt und abschließt. Diese weitere Blende 221 ist über das Gelenk 223 ebenfalls schwenkbar gelagert und wird in diesem Ausführungsbeispiel im Reinigungsbetrieb um etwa 90° – oder je nach Konstruktion wieder um einen davon unterschiedlichen Winkel – nach oben geklappt. Die Reinigung des Wärmetauschers 203 kann dann automatisch über den Nebel aus den feinverteilten Wassertropfen der Sprühanlage 207 oder auch wahlweise von Hand erfolgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer hier beispielhaft mit drei Ausführungsbeispielen dargestellten Ausgestaltung kann aufgrund ihrer kompakten Bauweise sowohl in bestehende alte Heizungsanlagen nachträglich eingebaut werden, als selbstverständlich auch für jeden beliebigen Typ neu entwickelter Heizungsanlagen verwendet werden. In 3b ist beispielhaft und schematisch in Blockdarstellung gezeigt, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung in einen Kesselbereich einer Heizungsanlage integriert werden kann. Dabei ist mit A der Brenner für die Verwendung von Erdöl oder (Erd-) Gas, bzw. der Feuerungsraum bei Verwendung fester Brennstoffe dargestellt, wobei auch eine Kombination von beidem möglich ist, und mit einem Pfeil der Übergang in den Bereich B mit internen Wärmetauscherflächen veranschaulicht.
Von dem Bereich B wird das Abgas weiter zu dem Einlaß 201 für das Abgas in die erfindungsgemäße Vorrichtung geführt. In der 3b ist dabei die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der VARIANTE 3 dargestellt, weil sich hier die kompakte Bauweise gemäß dieser Variante gut für den Einbau eignet. In der gleichen Weise können aber auch die Vorrichtungen gemäß den Ausführungsbeispielen 1 und 2, d.h. den VARIANTEN 1 und 2, verwendet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung selbst ist aufgebaut, wie dies im Hinblick auf VARIANTE 3 erläutert worden ist.
In 3c wird schematisch eine komplette Heizungsanlage dargestellt, anhand der nun auch die weitere Verwendung des die aus dem Abgas herausgelösten Schadstoffe enthaltenen Wasserkondensats beschrieben wird. In 3c bezeichnet A wieder den Brenner bzw. Feuerungsraum, B die internen Wärmetauscherflächen, von denen das Abgas in die erfindungsgemäße Vorrichtung, beispielhaft wieder anhand der VARIANTE 3 dargestellt, geleitet wird.
Die mit den Schadstoffen beladenen Wassertropfen des Nebels aus den feinverteilten Wassertropfen werden gemäß den Ausführungsformen nach den VARIANTEN 1 und 2 so gesammelt, daß sie der Schwerkraft folgend im unteren Bereich der Kammer zusammenfließen, und auch gemäß der Ausführungsform nach VARIANTE 3 ist es vorgesehen, daß das Wasserkondensat sich im unteren Bereich der Kammer 205 sammelt und über den Abfluß 225 zu einem Reservoir in Form eines Wasserbades 227 geleitet wird. Um den gegebenenfalls mehr oder weniger sauren Niederschlag des Wasserkondensats aus dem Wassertropfennebel aus der Kammer 205 neutralisieren zu können, wird dem Wasserbad 227 ein je nach Brennstoff- bzw. Befeuerungsart ausgewähltes, d.h. auf den Brennstoff abgestimmtes Neutralisationsmittel, wie z. B. MgO im Fall von Erdöl als Brennstoff, in einem Behälter 229 zugesetzt, den das Wasserkondensat passiert, bevor es in das Wasserbad 227 gelangt. Das Wasserkondensat aus dem Wassertropfennebel der Kammer 205, der durch das heiße Abgas erwärmt worden ist, weist nun noch eine Temperatur von etwa 30-50°C auf. Ein in dem Wasserbad angeordneter zusätzlicher Wärmetauscher 231 dient der Abkühlung des Wasserbades 227, damit eine Temperatur erreicht wird, die es für ein erneutes Verwenden zur Speisung der Sprühanlage 207 und damit ein erneutes Verwenden als feinverteilter Wassertropfennebel in der Kammer 205 geeignet macht.
Der Wärmetauscher 231 dient dazu, das Kaltwasser der Boilereinspeisung bei der Brauchwassererwärmung zuzuführen. Dies ist in der 3c über die Leitung 233 dargestellt, die in den Boiler 235 für das Brauchwasser mündet.
Die Temperatur des Wasserbades 227 beträgt in etwa zwischen 15-25°C. Untersuchungen haben gezeigt, daß das Wasserkondensat aus der Kammer 205, das über den Abfluß 225 und nach dem Passieren des Behälters 229 mit MgO sowie des Wasserbades 227 erneut für die Wassereinspeisung in die Sprühanlage 207 verwendet wird, einen pH-Wert von ca. 7,0 aufweist.

Claims

Verfahren zur Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung, bei dem das Abgas einen Wärmetauscher (3; 103; 203) und anschließend eine Kammer (5; 105; 205) mit einer Sprühanlage (7; 107; 207) zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen passiert, wobei zumindest ein Teil des Abgases über ein Führungselement in die Kammer (5; 105; 205) mit der Sprühanlage (7; 107; 207) geführt und dort die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe durch Besprühen mit den durch die Sprühanlage (7; 107; 207) erzeugten feinverteilten Wassertropfen entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnete, daß das Führungselement als perforiertes Führungselement, bevorzugt als Lochblende (13; 113; 213) ausgebildet wird, durch das zumindest ein Teil des Abgases strömt, und dadurch die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe zunächst durch Beträufeln und dann durch Besprühen mit den durch die Sprühanlage (7; 107; 207) erzeugten feinverteilten Wassertropfen entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnete, daß die Lochblende (13; 113; 213) als Lochblech ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die zusätzliche Entfernung der Staubabscheidung an dem Wärmetauscher (3; 103; 203), wobei benachbart zu dem Wärmetauscher (3; 103; 203) und angrenzend an die Kammer (5; 105; 205) mit der Sprühanlage (7; 107; 207) eine Blende (221) schwenkbar angeordnet wird und diese Blende (221) bei Durchfließen des Abgases eine Wandung bildet, die den Wärmetauscher (3; 103; 203) gegenüber der Kammer (5; 105; 205) mit der Sprühanlage (7; 107; 207) begrenzt und abschließt, und wobei zur Entfernung der Staubabscheidung die Blende (221) aufgeschwenkt und dadurch die feinverteilten Wassertropfen zur Reinigung über den Wärmetauscher (3; 103; 203) geleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (221) um bis zu 180°, bevorzugt bis etwa 90° oder weniger aufgeschwenkt wird.
Verfahren zur Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung und Entfernung der Staubabscheidung an dem Wärmetauscher (3; 103; 203), bei dem das Abgas einen Wärmetauscher (3; 103; 203) und anschließend eine Kammer (5; 105; 205) mit einer Sprühanlage (7; 107; 207) zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen passiert, wobei zumindest ein Teil des Abgases über ein schwenkbar gelagertes Führungselement in die Kammer (5; 105; 205) mit der Sprühanlage (7; 107; 207) geführt und dort die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe durch Besprühen mit dem durch die Sprühanlage (7; 107; 207) erzeugten feinverteilten Wassertropfen entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnete, daß das Führungselement als perforiertes Führungselement, bevorzugt als Lochblende (13; 113; 213) ausgebildet wird, durch das zumindest ein Teil des Abgases strömt, und dadurch die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe zunächst durch Beträufeln und dann durch Besprühen mit den durch die Sprühanlage (7; 107; 207) erzeugten feinverteilten Wassertropfen entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement um bis zu 180°, bevorzugt bis etwa 90° oder weniger aufgeschwenkt wird.
Vorrichtung zur Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung, mit einem Einlaß (1; 101; 201) für das Abgas, einem Wärmetauscher (3; 103; 203), einer Kammer (5; 105; 205) mit einer Sprühanlage (7; 107; 207) zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen, jeweils einem Auslaß (9; 109; 209) für das zumindest teilweise gereinigte Abgas und das die Schadstoffe aufnehmende Kondensat, und einem beim Übergang des Abgases von dem Wärmetauscher (3; 103; 203) in die Kammer (5; 105; 205) angeordneten Führungselement.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement als perforiertes Führungselement, bevorzugt als Lochblende (13; 113; 213) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart zu dem Wärmetauscher (3; 103; 203) und angrenzend an die Kammer (5; 105; 205) mit der Sprühanlage (7; 107; 207) eine Blende (221) angeordnet und schwenkbar gelagert ist.
Vorrichtung zur Reinigung der Abgase in Heizungsanlagen unter gleichzeitiger Wärmerückgewinnung und zur Entfernung der Staubabscheidung, mit einem Einlaß (1; 101; 201) für das Abgas, einem Wärmetauscher (3; 103; 203), einer Kammer (5; 105; 205) mit einer Sprühanlage (7; 107; 207) zur Erzeugung feinverteilter Wassertropfen, jeweils einem Auslaß (9; 109; 209) für das zumindest teilweise gereinigte Abgas und das die Schadstoffe aufnehmende Kondensat, und einem beim Übergang des Abgases von dem Wärmetauscher (3; 103; 203) in die Kammer (5; 105; 205) angeordneten, schwenkbar gelagerten Führungselement.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement als perforiertes Führungselement, bevorzugt als Lochblende (13; 113; 213) ausgebildet ist.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 für Heizungsanlagen deren Brennstoffe ausgewählt sind aus Erdöl, Gas, Holz, Holzpellets und nachwachsenden Rohstoffen sowie Aufbereitungen davon.