DE102011001374A1

DE102011001374A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids

Info

Publication number: DE102011001374A1
Application number: DE201110001374
Authority: DE
Inventors: Axel Widenhorn; Jan Zanger
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: DE102011001374B4

Abstract

Um ein Verfahren zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids, insbesondere von Abluft aus einer Lackieranlage, bereitzustellen, welches eine effiziente Nutzung der bei der Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe frei werdenden Energie ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass das schadstoffhaltige Fluid zumindest teilweise einer als Gasturbine ausgebildeten Verbrennungsvorrichtung mittels einer Oxidatorzuführleitung der Gasturbine zugeführt wird und die in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe mittels der Gasturbine verbrannt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids, insbesondere von Abluft aus einer Lackieranlage.
Schadstoffhaltige Fluide, insbesondere Fluide, welche flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds VOC) enthalten, können beispielsweise dadurch gereinigt werden, dass das schadstoffhaltige Fluid einer Verbrennungsvorrichtung zugeführt wird. Die in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe werden in der Verbrennungsvorrichtung chemisch umgewandelt, insbesondere oxidiert. Im Falle von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) entstehen hierbei insbesondere Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O).
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids bereitzustellen, welches eine effiziente Nutzung der Energie, welche bei der Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe frei wird, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verfahren zur Reinigung des schadstoffhaltigen Fluids umfasst:

– Zuführen von zumindest einem Teil des schadstoffhaltigen Fluids zu einer als Gasturbine ausgebildeten Verbrennungsvorrichtung mittels einer Oxidatorzuführleitung der Gasturbine;
– Verbrennung von in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffen mittels der Gasturbine.

Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das schadstoffhaltige Fluid zumindest teilweise mittels der Oxidatorzuführleitung der Gasturbine zuführbar und in derselben verbrennbar ist, kann die in dem schadstoffhaltigen Fluid vorhandene Energie, welche durch eine, vorzugsweise exotherme, Reaktion der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe bei deren Verbrennung frei wird, für den Betrieb der Gasturbine genutzt werden. Hierdurch ist ein besonders energieeffizienter Betrieb der Gasturbine möglich. Insbesondere kann hierdurch ein hoher Wirkungsgrad für die Gasturbine erhalten werden, da dieser unter anderem von den Temperaturen der Fluide bei deren Zuführung zu einer Brennkammer der Gasturbine abhängt.
Unter einem Fluid ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen eine fließfähige Substanz, insbesondere eine Flüssigkeit oder ein Gas, zu verstehen, wobei die in dem Fluid enthaltenen Schadstoffe flüssig oder gasförmig sein können oder im festen Aggregatzustand vorliegen können.
Unter einer Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen eine zumindest teilweise, vorzugsweise vollständige, Umwandlung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe in im Wesentlichen unschädliche, insbesondere gesundheitsunschädliche, Substanzen zu verstehen. Insbesondere ist hierunter die Umwandlung von flüchtigen organischen Verbindungen (volatile organic compounds VOC) in Kohlenstoffdioxid und Wasser zu verstehen. Eine solche Umwandlung verläuft exotherm, so dass hierbei Energie frei wird, welche mittels der Gasturbine genutzt werden kann.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der bei der Verbrennung entstehenden Wärme mittels mindestens eines Wärmetauschers auf mindestens eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine zur Erzeugung von Strom übertragen wird. Auf diese Weise kann eine Temperatur der der Gasturbine zuzuführenden Fluide erhöht werden, wodurch ein hoher Wirkungsgrad der Gasturbine erhalten werden kann.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fluidzuführleitung für die Gasturbine eine Brennstoffzuführleitung ist, mittels welcher der Gasturbine Brennstoff, beispielsweise Erdgas, zuführbar ist. Mittels des Wärmetauschers kann die bei der Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe frei werdende Wärme besonders einfach auf den Brennstoff übertragen werden, so dass die Eintrittstemperatur des Brennstoffs bei dessen Eintritt in die Brennkammer erhöht wird und dadurch der Wirkungsgrad der Gasturbine gesteigert werden kann.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine eine Oxidatorzuführleitung ist, mittels welcher der Gasturbine ein Oxidator, beispielsweise Luft, zuführbar ist. Hierdurch kann mittels des Wärmetauschers zumindest ein Teil der bei der Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe frei werdenden Energie auf den Oxidator übertragen werden, so dass eine Eintrittstemperatur des Oxidators bei dessen Eintritt in die Brennkammer erhöht ist und somit der Wirkungsgrad der Gasturbine gesteigert werden kann.
Das schadstoffhaltige Fluid wird vorzugsweise direkt der Gasturbine, insbesondere der Brennkammer der Gasturbine, zugeführt, so dass eine besonders einfache Nutzung der bei der Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe frei werdenden Energie möglich ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zuführung von zumindest einem Teil des schadstoffhaltigen Fluids zu der Gasturbine mittels einer Oxidatorzuführleitung der Gasturbine erfolgt. Auf diese Weise kann das schadstoffhaltige Fluid vorzugsweise zusammen mit dem Oxidator der Brennkammer der Gasturbine zugeführt werden.
Ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Zuführung von zumindest einem Teil des schadstoffhaltigen Fluids zu der Gasturbine mittels einer Brennstoffzuführleitung der Gasturbine erfolgt. Das schadstoffhaltige Fluid wird dann vorzugsweise zusammen mit dem Brennstoff der Brennkammer der Gasturbine zugeführt.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner dadurch gelöst, dass das Verfahren zur Reinigung des schadstoffhaltigen Fluids umfasst:

– Zuführen von zumindest einem Teil des schadstoffhaltigen Fluids zu einer als eine separate Oxidationsvorrichtung ausgebildeten Verbrennungsvorrichtung;
– Verbrennung von in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffen mittels der separaten Oxidationsvorrichtung;
– Übertragung von zumindest einem Teil der bei der Verbrennung entstehenden Wärme mittels mindestens eines Wärmetauschers auf mindestens eine Fluidzuführleitung für eine Gasturbine zur Erzeugung von Strom.

Dadurch, dass die bei der Verbrennung des schadstoffhaltigen Fluids in der separaten Oxidationsvorrichtung entstehende Wärme auf mindestens eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine zur Erzeugung von Strom übertragen wird, kann eine Erhöhung der Eintrittstemperaturen der Fluide für die Gasturbine erzielt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad der Gasturbine erhöht.
Die separate Oxidationsvorrichtung ist somit eine von der Gasturbine getrennte Verbrennungsvorrichtung, beispielsweise eine thermische Oxidationsanlage, insbesondere eine regenerative thermische Oxidationsanlage. Dadurch kann die Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe zur Reinigung des schadstoffhaltigen Fluids gezielt beispielsweise an die anfallende Menge an schadstoffhaltigem Fluid angepasst werden, ohne auf die Verbrennungsvorgänge, welche in der Brennkammer der Gasturbine stattfinden, Einfluss nehmen zu müssen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein in der separaten Oxidationsvorrichtung entstehendes Abgas dem mindestens einen Wärmetauscher zugeführt wird, um die in dem Abgas der separaten Oxidationsvorrichtung vorhandene Wärme auf mindestens eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine zu übertragen. Auf diese Weise ist eine Nutzung der in dem Abgas der separaten Oxidationsvorrichtung vorhandenen Wärme, welche insbesondere bei der Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe entsteht, zur Optimierung des Wirkungsgrads der Gasturbine möglich.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass ein in der Gasturbine entstehendes Abgas dem mindestens einen Wärmetauscher zugeführt wird, um die in dem Abgas der Gasturbine vorhandene Wärme auf mindestens eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine zu übertragen. Auf diese Weise kann eine durch die Verbrennung des der Gasturbine zugeführten Brennstoffs erzeugte Wärme des in der Gasturbine entstehenden Abgases zur Steigerung des Wirkungsgrads der Gasturbine verwendet werden.
Günstig ist es, wenn ein in der Oxidationsvorrichtung entstehendes Abgas mit einem in der Gasturbine entstehenden Abgas gemischt wird, bevor es dem mindestens einen Wärmetauscher zugeführt wird. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn ein in der Oxidationsvorrichtung entstehendes Abgas eine besonders hohe Temperatur, beispielsweise ungefähr 900°C, aufweist, welche den Wärmetauscher beschädigen könnte. Durch die Vermischung des in der Oxidationsvorrichtung entstehenden Abgases mit dem in der Gasturbine entstehenden Abgas, welches beispielsweise eine Temperatur von ungefähr 650°C aufweist, kann die Temperatur des dem Wärmetauscher zugeführten Abgases reduziert werden, so dass die Belastung des Wärmetauschers reduziert wird.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei Wärmetauscher vorgesehen sind, welche getrennt einerseits von dem in der Oxidationsvorrichtung entstehenden Abgas und andererseits von dem in der Gasturbine entstehenden Abgas durchströmt werden. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine mit zwei Wärmetauschern versehen ist, wobei ein in einer Fluidrichtung des in der Fluidzuführleitung geführten Fluids erster Wärmetauscher von dem in der Gasturbine entstehenden Abgas durchströmt wird und ein in der Strömungsrichtung stromabwärts angeordneter zweiter Wärmetauscher von dem in der Oxidationsvorrichtung entstehenden Abgas durchströmt wird. Auf diese Weise ist eine besonders starke Aufheizung des in der Fluidzuführleitung der Gasturbine geführten Fluids möglich, so dass die Eintrittstemperatur dieses Fluids beim Eintritt in die Brennkammer der Gasturbine einen besonders hohen Wert erreichen kann. Hierdurch ist ein besonders hoher Wirkungsgrad der Gasturbine realisierbar.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Reinigungsvorrichtung zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids, insbesondere von Abluft aus einer Lackieranlage.
Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, eine Reinigungsvorrichtung zu schaffen, welche eine effiziente Nutzung der bei einer Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe frei werdenden Energie ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Reinigungsvorrichtung zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids umfasst:

– eine als Gasturbine ausgebildete Verbrennungsvorrichtung zur Verbrennung von zumindest einem Teil der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe;
– mindestens eine Schadstoffzuführleitung zur Zuführung von schadstoffhaltigem Fluid zu der Gasturbine; und
– mindestens eine Oxidatorzuführleitung für die Gasturbine, wobei die mindestens eine Schadstoffzuführleitung in die mindestens eine Oxidatorzuführleitung der Gasturbine mündet.

Dadurch, dass die Reinigungsvorrichtung erfindungsgemäß eine Schadstoffzuführleitung zur Zuführung von schadstoffhaltigem Fluid zu der Gasturbine umfasst, welche in die mindestens eine Oxidatorzuführleitung der Gasturbine mündet, kann das schadstoffhaltige Fluid besonders einfach der Gasturbine zugeführt werden. Insbesondere kann das schadstoffhaltige Fluid dabei zusammen mit einem Oxidator der Gasturbine, insbesondere der Brennkammer der Gasturbine, zugeführt werden, um dort verbrannt zu werden. Auf diese Weise ist eine Nutzung der bei der Verbrennung des schadstoffhaltigen Fluids entstehenden Wärme mittels der Gasturbine möglich.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reinigungsvorrichtung mindestens einen Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme, welche bei der Verbrennung von in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffen entsteht, auf die mindestens eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine umfasst. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Nutzung der Energie, welche bei der Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe frei wird, zur Steigerung des Wirkungsgrades der Gasturbine möglich.
Die erfindungsgemäße Reinigungsvorrichtung weist vorzugsweise die vorstehend im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids aufgeführten Merkmale und/oder Vorteile auf.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Reinigungsvorrichtung ist vorgesehen, dass mindestens eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine eine Brennstoffzuführleitung ist. Auf diese Weise kann einem in der Brennstoffzuführleitung geführten Brennstoff die bei der Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe entstehende Wärme besonders einfach zugeführt werden.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine eine Oxidatorzuführleitung ist. Hierdurch ist die bei der Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe entstehende Wärme besonders einfach dem in der Oxidatorzuführleitung geführten Oxidator zuführbar.
Günstig ist es, wenn die Gasturbine eine Brennkammer aufweist, welche so ausgebildet ist, dass eine Aufenthaltszeit der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe in der Brennkammer groß genug ist, um eine zumindest näherungsweise vollständige Verbrennung der Schadstoffe zu gewährleisten. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Umwandlung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe in weniger gefährliche, insbesondere in ungefährliche, Substanzen möglich.
Die Aufenthaltszeit beträgt hierzu vorzugsweise mindestens ungefähr 0,1 s, insbesondere mindestens ungefähr 0,2 s, höchstens jedoch vorzugsweise ungefähr 0,5 s, insbesondere höchstens ungefähr 0,4 s.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens eine Schadstoffzuführleitung in eine Oxidatorzuführleitung der Gasturbine mündet. Auf diese Weise kann das schadstoffhaltige Fluid besonders einfach zusammen mit dem Oxidator der Brennkammer der Gasturbine zugeführt werden. Ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Schadstoffzuführleitung in eine Brennstoffzuführleitung der Gasturbine mündet. Auf diese Weise kann das schadstoffhaltige Fluid teilweise zusammen mit dem Brennstoff der Brennkammer der Gasturbine zugeführt werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, dass die Reinigungsvorrichtung zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids, insbesondere von Abluft aus einer Lackieranlage, umfasst:

– eine als separate Oxidationsvorrichtung ausgebildete Verbrennungsvorrichtung zur Verbrennung von zumindest einem Teil der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe;
– mindestens eine Schadstoffzuführleitung zur Zuführung von schadstoffhaltigem Fluid zu der separaten Oxidationsvorrichtung;
– eine Gasturbine zur Erzeugung von Strom;
– mindestens eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine; und
– mindestens einen Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme, welche bei der Verbrennung von in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffen entsteht, auf die mindestens eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine.

Dadurch, dass erfindungsgemäß mindestens ein Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme auf die mindestens eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine vorgesehen ist, ist eine Nutzung der Energie, welche bei der Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe frei wird, zur Steigerung des Wirkungsgrades der Gasturbine möglich.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine eine Brennstoffzuführleitung und/oder eine Oxidatorzuführleitung ist. Auf diese Weise kann ein der Gasturbine zuzuführender Brennstoff und/oder ein der Gasturbine zuzuführender Oxidator erwärmt werden, bevor eine Einleitung in eine Brennkammer der Gasturbine erfolgt. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Gasturbine gesteigert werden.
Das schadstoffhaltige Fluid muss dabei vorzugsweise nicht direkt der Gasturbine zugeführt werden, so dass ein im Wesentlichen unabhängiger Betrieb der Gasturbine möglich ist. Vielmehr erfolgt die Reinigung des schadstoffhaltigen Fluids in der separaten Oxidationsvorrichtung.
Die separate Oxidationsvorrichtung ist beispielsweise eine thermische Oxidationsanlage, insbesondere eine regenerative thermische Oxidationsanlage (RTO).
Günstig ist es, wenn mittels mindestens eines Wärmetauschers eine Abgasleitung der Oxidationsvorrichtung mit mindestens einer Fluidzuführleitung der Gasturbine thermisch gekoppelt ist. Auf diese Weise kann eine bei der Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen, Fluid enthaltenen Schadstoffe entstehende Wärme zur Steigerung des Wirkungsgrads der Gasturbine auf eine Fluidzuführleitung der Gasturbine übertragen werden.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann ebenfalls zur Steigerung des Wirkungsgrads der Gasturbine vorgesehen sein, dass mittels mindestens eines Wärmetauschers eine Abgasleitung der Gasturbine mit mindestens einer Fluidzuführleitung der Gasturbine thermisch gekoppelt ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reinigungsvorrichtung eine Mischungsvorrichtung zum Mischen von Abgas aus der Gasturbine und von Abgas aus der Oxidationsvorrichtung umfasst. Auf diese Weise kann insbesondere ein besonders heißes Abgas aus der Oxidationsvorrichtung mit einem eher relativ kühlen Abgas aus der Gasturbine gemischt werden, um eine thermische Belastung eines mittels des gemischten Abgases beaufschlagten Wärmetauschers zu reduzieren.
Günstig kann es hierbei sein, wenn die Mischungsvorrichtung bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases stromaufwärts von mindestens einem Wärmetauscher angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Gasturbine zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids, insbesondere von Abluft aus einer Lackieranlage.
Die erfindungsgemäßen Verwendungen können vorzugsweise ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtungen aufweisen.
Die erfindungsgemäßen Verfahren, die erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtungen und/oder die erfindungsgemäßen Verwendungen können darüber hinaus die nachfolgend aufgeführten Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
Vorteilhaft kann es sein, wenn das schadstoffhaltige Fluid vor der Zuführung zu der Verbrennungsvorrichtung mittels einer Kompressionsvorrichtung, beispielsweise eines Verdichters, verdichtet wird. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein Fluiddruck des schadstoffhaltigen Fluids auf beispielsweise ungefähr 6 bar bis ungefähr 7 bar erhöht wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das schadstoffhaltige Fluid vor der Zuführung zu der Verbrennungsvorrichtung aufkonzentriert wird, das heißt, dass ein unschädlicher Bestandteil des schadstoffhaltigen Fluids von dem schadstoffhaltigen Fluid abgetrennt wird. Hierdurch wird ein schadstoffhaltiges Fluid mit einem höheren Schadstoffgehalt erhalten, welches somit eine höhere Energiedichte bei dessen Verbrennung bietet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Bypass vorgesehen ist, mittels welchem das schadstoffhaltige Fluid einer Bypassbrennvorrichtung zuführbar ist, um beispielsweise in Notfällen das schadstoffhaltige Fluid nicht ungereinigt an die Umgebung abgeben zu müssen.
Günstig kann es hierbei sein, wenn die Bypassbrennvorrichtung als ein Rohrbrenner ausgebildet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Reinigungsvorrichtung, bei welcher ein schadstoffhaltiges Fluid zusammen mit einem Oxidator einer Brennkammer einer Gasturbine der Reinigungsvorrichtung zugeführt wird
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Reinigungsvorrichtung, bei welcher ein schadstoffhaltiges Fluid mittels einer separaten Oxidationsvorrichtung gereinigt wird, wobei ein Abgas der Oxidationsvorrichtung zusammen mit einem Abgas einer Gasturbine der Reinigungsvorrichtung einem Wärmetauscher zugeführt wird; und
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Reinigungsvorrichtung, bei welcher ein schadstoffhaltiges Fluid mittels einer separaten Oxidationsvorrichtung gereinigt wird, wobei ein Abgas einer Gasturbine der Reinigungsvorrichtung einem ersten Wärmetauscher zugeführt wird und ein Abgas der Oxidationsvorrichtung einem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in 1 dargestellte erste Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Reinigungsvorrichtung dient der Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids, welches von einer Schadstoffquelle 102, beispielsweise einer Lackieranlage, emittiert wird.
Die Reinigungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst eine Gasturbine 104, welcher das aus der Schadstoffquelle 102 stammende schadstoffhaltige Fluid zuführbar ist.
Die Gasturbine 104 umfasst eine Brennkammer 106, welcher mittels einer Brennstoffzuführleitung 108 ein Brennstoff, beispielsweise Erdgas, und mittels einer Oxidatorzuführleitung 110 ein Oxidator, beispielsweise Luft, zuführbar sind.
Die Brennstoffzuführleitung 108 und die Oxidatorzuführleitung 110 bilden Fluidzuführleitungen 112 der Gasturbine 104.
Die Gasturbine 104 dient der Erzeugung von Strom und umfasst hierzu einen Generator 114, welcher zusammen mit einem Verdichter 116 und einer Turbine 118 auf einer gemeinsamen Welle 120 angeordnet ist. Die Turbine 118 dient dabei der Umwandlung der bei der Verbrennung des Brennstoffs mit dem Oxidator in der Brennkammer 106 frei werdenden Energie in eine Rotationsbewegung, welche mittels der Welle 120 auf den Verdichter 116 und den Generator 114 übertragen wird.
Mittels des Verdichters 116 wird der in der Oxidatorzuführleitung 110 geführte Oxidator vor dessen Zufuhr zu der Brennkammer 106 verdichtet. Das Antreiben des Generators 114 mittels der rotierenden Welle 120 dient der Erzeugung von Strom.
Die Schadstoffquelle 102 steht mit der Gasturbine 104 mittels einer Schadstoffzuführleitung 122 in Fluidverbindung. Die Schadstoffzuführleitung 122 mündet dabei bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 in die Oxidatorzuführleitung 110, so dass bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 das schadstoffhaltige Fluid aus der Schadstoffquelle 102 zusammen mit dem Oxidator zunächst mittels des Verdichters 116 verdichtet wird und dann der Brennkammer 106 zugeführt wird.
In der Strömungsrichtung des Oxidators stromabwärts des Verdichters 116 ist in der Oxidatorzuführleitung 110 der Gasturbine 104 ein Wärmetauscher 124 vorgesehen, mittels welchem der in der Oxidatorzuführleitung 110 geführte Oxidator zusammen mit dem schadstoffhaltigen Fluid erwärmt werden kann. Die hierzu notwendige Energie stammt aus einer Abgasleitung 126 der Gasturbine 104, welche thermisch an den Wärmetauscher 124 gekoppelt ist.
Zur zusätzlichen Nutzung der Wärme des Abgases in der Abgasleitung 126 der Gasturbine 104 umfasst die Reinigungsvorrichtung 100 einen weiteren Wärmetauscher 124, welcher beispielsweise als ein Wasserwärmetauscher 128 ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine Restwärme des in der Abgasleitung 126 der Gasturbine 104 geführten Abgases zusätzlich, beispielsweise für Heizzwecke, genutzt werden.
Die Reinigungsvorrichtung 104 umfasst mehrere Ventile 130, mittels welchen die Zuführung des schadstoffhaltigen Fluids zu der Gasturbine 104 und die Abführung des Abgases aus der Gasturbine 104 gezielt beeinflusst, insbesondere gesteuert, werden können.
So ist beispielsweise in der Schadstoffzuführleitung 122 ein Ventil 130 vorgesehen, um die Menge an schadstoffhaltigem Fluid, welches der Oxidatorzuführleitung 110 zugeführt wird, gezielt beeinflussen zu können.
Für den Fall, dass nicht das gesamte aus der Schadstoffquelle 102 emittierte schadstoffhaltige Fluid der Oxidatorzuführleitung 110 zugeführt werden kann/soll, ist bei der Reinigungsvorrichtung 100 eine Bypassbrennvorrichtung 132 vorgesehen, welche beispielsweise als ein Rohrbrenner ausgebildet ist, und welcher nach einer entsprechenden Stellung eines in der Schadstoffzuführleitung 122 angeordneten Bypassventils 134 das überschüssige schadstoffhaltige Fluid zur Reinigung zuführbar ist.
Ein weiteres Bypassventil 134 ist in der Abgasleitung 126 der Gasturbine 104 vorgesehen, um das aus der Gasturbine 104 stammende Abgas an dem Wasserwärmetauscher 128 vorbeileiten zu können, falls eine Wärmeübertragung auf den Wasserwärmetauscher 128 nicht erwünscht ist.
Die vorstehend beschriebene Reinigungsvorrichtung 100 funktioniert wie folgt:
Die Schadstoffquelle 102 emittiert ein schadstoffhaltiges Fluid, beispielsweise Luft, welche mit flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) verunreinigt ist.
Das schadstoffhaltige Fluid wird zur Beseitigung der Schadstoffe mittels der Schadstoffzuführleitung 122 der Oxidatorzuführleitung 110 der Gasturbine 104 zugeführt. Zusammen mit dem in der Oxidatorzuführleitung 110 geführten Oxidator, beispielsweise Luft, wird das schadstoffhaltige Fluid mittels des Verdichters 116 verdichtet, mittels des Wärmetauschers 124 erwärmt und der Brennkammer 106 zugeführt.
Mittels der Brennstoffzuführleitung 108 wird der Brennkammer 106 ferner ein Brennstoff, beispielsweise Erdgas, zugeführt, so dass ein brennbares Gemisch in der Brennkammer 106 entsteht und eine Flamme in der Brennkammer 106 gezündet werden kann. Durch die in der Brennkammer 106 erfolgende Verbrennung werden die in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe in unschädliche Substanzen umgewandelt. Im Falle von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) entsteht hierbei insbesondere Kohlenstoffdioxid und Wasser.
Das in der Brennkammer 106 entstehende Abgas wird mittels der Abgasleitung 126 der Gasturbine 104 der Turbine 118 der Gasturbine 104 zugeführt und dort zum Antreiben des Verdichters 116 und des Generators 114 mittels der Welle 120 verwendet.
Stromabwärts der Turbine 118 ist die Abgasleitung 126 der Gasturbine 104 thermisch mit dem Wärmetauscher 124 gekoppelt, so dass die in dem Abgas enthaltene Wärme auf den in der Oxidatorzuführleitung 110 geführten Oxidator und das ebenfalls darin enthaltene schadstoffhaltige Fluid übertragen werden kann.
Eine Restwärme, welche nach Durchlaufen des Wärmetauschers 124 noch immer in dem in der Abgasleitung 126 der Gasturbine 104 geführten Abgas enthalten ist, wird mittels des Wasserwärmetauschers 128 zur Erwärmung von Wasser genutzt. Das erwärmte Wasser kann beispielsweise der Heizung eines Gebäudes dienen.
Bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 erfolgt eine Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe mittels der Gasturbine 104. Die Gasturbine 104 dient somit bei der ersten Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 als eine Verbrennungsvorrichtung 136 zur Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe.
Eine in 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe nicht in der Gasturbine 104, sondern in einer separaten Oxidationsvorrichtung 140 erfolgt. Die Oxidationsvorrichtung 140 ist beispielsweise eine regenerative thermische Oxidationsanlage, welcher mittels der Schadstoffzuführleitung 122 ein von der Schadstoffquelle 102 emittiertes schadstoffhaltiges Fluid zuführbar ist.
Die Oxidationsvorrichtung 140 bildet bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 die Verbrennungsvorrichtung 136 zur Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe.
Die Oxidationsvorrichtung 140 ist hierbei mittels einer Abgasleitung 142 der Oxidationsvorrichtung 140 thermisch mit der Gasturbine 104 der Reinigungsvorrichtung 100 gekoppelt.
Die Abgasleitung 142 ist dabei so angeordnet, dass sie einen Wärmetauscher 124 durchströmt, welcher thermisch mit einer Fluidzuführleitung 112 der Gasturbine 104, nämlich der Oxidatorzuführleitung 110 der Gasturbine 104, gekoppelt ist.
Mittels des Wärmetauschers 124 ist somit bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 die Wärme des in der Abgasleitung 142 der Oxidationsvorrichtung 140 geführten Abgases, das heißt die bei der Verbrennung der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe frei werdende Energie, auf den in der Oxidatorzuführleitung 110 geführten Oxidator übertragbar. Hierdurch erhöht sich die Eintrittstemperatur des Oxidators beim Eintritt in die Brennkammer 106 der Gasturbine 104 und somit der Wirkungsgrad der Gasturbine 104.
Bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 ist ferner eine Mischungsvorrichtung 144 vorgesehen, welche stromaufwärts des Wärmetauschers 124 angeordnet ist und in welche die Abgasleitung 142 der Oxidationsvorrichtung 140 und die Abgasleitung 126 der Gasturbine 104 münden.
In der Mischungsvorrichtung 144 wird somit das Abgas aus der Oxidationsvorrichtung 140 mit dem Abgas aus der Gasturbine 104 gemischt.
Bei einer (nicht dargestellten) Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Mischungsvorrichtung 144 keine separate Vorrichtung, sondern lediglich eine gemeinsame Leitung ist, in welcher das Abgas aus der Oxidationsvorrichtung 140 und das Abgas aus der Gasturbine 104 zusammen geführt werden.
Stromabwärts der Mischungsvorrichtung 144 ist der Wärmetauscher 124 angeordnet. Somit wird bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 dem Wärmetauscher 124 eine Mischung aus dem Abgas aus der Oxidationsvorrichtung 140 und aus dem Abgas aus der Gasturbine 104 zugeführt. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn das Abgas aus der Oxidationsvorrichtung 140 mit beispielsweise ungefähr 900°C einen sehr hohen Temperaturwert aufweist. Würde man dieses Abgas unvermischt dem Wärmetauscher 124 zuführen, so könnte dieser hierdurch Schaden nehmen.
Das aus der Gasturbine 104 stammende Abgas hat üblicherweise eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 650°C. Mischt man nun das sehr heiße Abgas aus der Oxidationsvorrichtung 140 mit dem relativ kühlen Abgas aus der Gasturbine 104, so erhält man eine Abgastemperatur, welche für den Wärmetauscher 124 weniger schädlich ist.
Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass diesbezüglich auf deren vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird.
Eine in 3 dargestellte dritte Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass keine Mischungsvorrichtung 144 vorgesehen ist, sondern dass eine Erwärmung des in der Oxidatorzuführleitung 110 geführten Oxidators mittels zwei Wärmetauschern 124 erfolgt, welche seriell an der Oxidatorzuführleitung 110 angeordnet sind.
Ein erster Wärmetauscher 124 wird dabei von dem Abgas aus der Gasturbine 104 durchströmt. Der erste Wärmetauscher 124 ist somit an die Abgasleitung 126 der Gasturbine 104 gekoppelt.
Der zweite Wärmetauscher 124 ist an die Abgasleitung 142 der Oxidationsvorrichtung 140 gekoppelt und wird somit von dem Abgas aus der Oxidationsvorrichtung 140 durchströmt.
Die beiden Wärmetauscher 124 sind dabei so an der Oxidatorzuführleitung 110 angeordnet, dass der Oxidator zunächst durch das Abgas aus der Gasturbine 104 und dann durch das Abgas aus der Oxidationsvorrichtung 140 erwärmt wird.
Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform der Reinigungsvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass diesbezüglich auf deren vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird.
Dadurch, dass die Reinigungsvorrichtung 100 eine Verbrennungsvorrichtung. 136 aufweist, mittels welcher die in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe verbrannt werden können, wobei die hierdurch frei werdende Energie einer Fluidzuführleitung 112 der Gasturbine 104 zugeführt werden kann, ist ein besonders energieeffizienter Betrieb der Gasturbine 104 mit hohem Wirkungsgrad möglich.
Bezugszeichenliste

100: Reinigungsvorrichtung
102: Schadstoffquelle
104: Gasturbine
106: Brennkammer
108: Brennstoffzuführleitung
110: Oxidatorzuführleitung
112: Fluidzuführleitung
114: Generator
116: Verdichter
118: Turbine
120: Welle
122: Schadstoffzuführleitung
124: Wärmetauscher
126: Abgasleitung der 104
128: Wasserwärmetauscher
130: Ventil
132: Bypassbrennvorrichtung
134: Bypassventil
136: Verbrennungsvorrichtung
140: Oxidationsvorrichtung
142: Abgasleitung der 140
144: Mischungsvorrichtung

Claims

Verfahren zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids, insbesondere von Abluft aus einer Lackieranlage, umfassend: – Zuführen von zumindest einem Teil des schadstoffhaltigen Fluids zu einer als Gasturbine (104) ausgebildeten Verbrennungsvorrichtung (136) mittels einer Oxidatorzuführleitung (110) der Gasturbine (104); – Verbrennung von in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffen mittels der Gasturbine (104).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der bei der Verbrennung entstehenden Wärme mittels mindestens eines Wärmetauschers (124) auf mindestens eine Fluidzuführleitung (112) für die Gasturbine (104) zur Erzeugung von Strom übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fluidzuführleitung (112) für die Gasturbine (104) eine Brennstoffzuführleitung (108) und/oder eine Oxidatorzuführleitung (110) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von zumindest einem Teil des schadstoffhaltigen Fluids zu der Gasturbine (104) mittels einer Brennstoffzuführleitung (108) der Gasturbine (104) erfolgt.
Verfahren zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids, insbesondere von Abluft aus einer Lackieranlage, umfassend: – Zuführen von zumindest einem Teil des schadstoffhaltigen Fluids zu einer als eine separate Oxidationsvorrichtung (140) ausgebildeten Verbrennungsvorrichtung (136); – Verbrennung von in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffen mittels der separaten Oxidationsvorrichtung (140); – Übertragung von zumindest einem Teil der bei der Verbrennung entstehenden Wärme mittels mindestens eines Wärmetauschers (124) auf mindestens eine Fluidzuführleitung (112) für eine Gasturbine (104) zur Erzeugung von Strom.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fluidzuführleitung (112) für die Gasturbine (104) eine Brennstoffzuführleitung (108) und/oder eine Oxidatorzuführleitung (110) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der separaten Oxidationsvorrichtung (140) entstehendes Abgas dem mindestens einen Wärmetauscher (124) zugeführt wird, um die in dem Abgas der separaten Oxidationsvorrichtung (140) vorhandene Wärme auf mindestens eine Fluidzuführleitung (112) für die Gasturbine (104) zu übertragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Gasturbine (104) entstehendes Abgas dem mindestens einen Wärmetauscher (124) zugeführt wird, um die in dem Abgas der Gasturbine (104) vorhandene Wärme auf mindestens eine Fluidzuführleitung (112) für die Gasturbine (104) zu übertragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Oxidationsvorrichtung (140) entstehendes Abgas mit einem in der Gasturbine (104) entstehenden Abgas gemischt wird, bevor es dem mindestens einen Wärmetauscher (124) zugeführt wird.
Reinigungsvorrichtung zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids, insbesondere von Abluft aus einer Lackieranlage, umfassend – eine als Gasturbine (104) ausgebildete Verbrennungsvorrichtung (136) zur Verbrennung von zumindest einem Teil der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe, – mindestens eine Schadstoffzuführleitung (122) zur Zuführung von schadstoffhaltigem Fluid zu der Gasturbine (104) und – mindestens eine Oxidatorzuführleitung (110) für die Gasturbine (104), wobei die mindestens eine Schadstoffzuführleitung (122) in die mindestens eine Oxidatorzuführleitung (110) der Gasturbine (104) mündet.
Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsvorrichtung (100) mindestens einen Wärmetauscher (124) zur Übertragung von Wärme, welche bei der Verbrennung von in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffen entsteht, auf die mindestens eine Fluidzuführleitung (112) für die Gasturbine (104) umfasst.
Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fluidzuführleitung (112) für die Gasturbine (104) eine Brennstoffzuführleitung (108) und/oder eine Oxidatorzuführleitung (110) ist.
Reinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (104) eine Brennkammer (106) aufweist, welche so ausgebildet ist, dass eine Aufenthaltszeit der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe in der Brennkammer (106) groß genug ist, um eine im Wesentlichen vollständige Verbrennung der Schadstoffe zu gewährleisten.
Reinigungsvorrichtung zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids, insbesondere von Abluft aus einer Lackieranlage, umfassend – eine als separate Oxidationsvorrichtung (140) ausgebildete Verbrennungsvorrichtung (136) zur Verbrennung von zumindest einem Teil der in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffe, – mindestens eine Schadstoffzuführleitung (122) zur Zuführung von schadstoffhaltigem Fluid zu der separaten Oxidationsvorrichtung (140), – eine Gasturbine (104) zur Erzeugung von Strom, – mindestens eine Fluidzuführleitung (112) für die Gasturbine (104), und – mindestens einen Wärmetauscher (124) zur Übertragung von Wärme, welche bei der Verbrennung von in dem schadstoffhaltigen Fluid enthaltenen Schadstoffen entsteht, auf die mindestens eine Fluidzuführleitung für die Gasturbine.
Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fluidzuführleitung (112) für die Gasturbine (104) eine Brennstoffzuführleitung (108) und/oder eine Oxidatorzuführleitung (110) ist.
Reinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines Wärmetauschers (124) eine Abgasleitung (142) der Oxidationsvorrichtung (140) mit mindestens einer Fluidzuführleitung (112) der Gasturbine (104) thermisch gekoppelt ist.
Reinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines Wärmetauschers (124) eine Abgasleitung (126) der Gasturbine (104) mit mindestens einer Fluidzuführleitung (112) der Gasturbine (104) thermisch gekoppelt ist.
Reinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch. gekennzeichnet, dass die Reinigungsvorrichtung (100) eine Mischungsvorrichtung (144) zum Mischen von Abgas aus der Gasturbine (104) und von Abgas aus der Oxidationsvorrichtung (140) umfasst.
Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischungsvorrichtung (144) bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases stromaufwärts von mindestens einem Wärmetauscher (124) angeordnet ist.
Verwendung einer Reinigungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 19 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verwendung einer Gasturbine (104) zur Reinigung eines schadstoffhaltigen Fluids, insbesondere von Abluft aus einer Lackieranlage.