Gestaltung eines regenerativen thermischen Oxidators: Wie viele Oxidationskammern?

Es ist immer sehr sinnvoll, sich mit den Vor- und Nachteilen der verschiedenen Luftaufbereitungstechnologien  zu befassen. Aber selbst innerhalb derselben Technologie gibt es deutliche Unterschiede in Bezug auf Planung und Konstruktion. In diesem Artikel beschreiben wir einige wesentliche Unterschiede in Bezug auf die Funktionsweise und den Wirkungsgrad, die bei regenerativen thermischen Verbrennungsanlagen bestehen.

Funktionsweise und Typen von RTO/RNV-Anlagen

Regenerative thermische Oxidatoren sind Maschinen, die mit regenerativen Wärmetauschern mit keramischen Massen ausgestattet sind, die aufgrund ihrer Kapazität, rasch Wärme zu speichern und abzugeben, einen hohen thermischen Nutzungsgrad erzielen.  Dies erfolgt durch einen Reinigungsprozess (Oxidation der flüchtigen organischen Verbindungen zu CO2 und H20 in einer auf 750-800°C erhitzten Brennkammer) und ein System zur Energierückgewinnung auf Basis der Wärmerückgewinnung (Speicherung und zyklische Nutzung in speziellen „Tanks“, die wir „Kammern“ nennen).

Basierend auf der Anzahl der Kammern können 2 Haupttypen von regenerativen thermischen Anlagen unterschieden werden, die wir in absteigender Reihenfolge der Emissionsminderungseffizienz auflisten:

• Anlage mit 3 Kammern
• Anlage mit 2 Kammern

In diesem Artikel präsentieren wir eine eingehende Studie mit einigen wesentlichen Informationen, die dem Nutzer bei der Entscheidung hinsichtlich der Anzahl der für sein RTO/RNV-Reduzierungssystem zu installierenden Kammern nützlich sein könnte. Wir werden uns insbesondere auf den Vergleich zwischen Anlagen konzentrieren, die nach denselben Planungsprinzipien, jedoch mit unterschiedlicher Anzahl von Kammern realisiert wurden.

Kritikpunkte beim zyklischen Reinigungsprozess innerhalb des regenerativen thermischen Oxidators

Es wird darauf hingewiesen, dass der Wirkungsgrad der Oxidation, d. h. der Reduzierung der flüchtigen organischen Verbindungen in der Brennkammer nicht durch die Anzahl der Kammern beeinflusst wird. Die Faktoren, welche die Effizienz des Systems beeinflussen, hängen mit der eigentlichen Oxidationsreaktion und insbesondere mit der zyklischen Funktionsweise des Reinigungsprozesses zusammen.

Denn immer dann, wenn es innerhalb der VOC-Reinigungsanlage zu einer Strömungsumkehr kommt (d. h. der zu reinigende Luftstrom kehrt die Richtung um), ist es möglich, dass eine nicht perfekt gereinigte Luftmenge in den Schornstein eingespeist wird. Die Gründe können folgende sein:

1. Zum Zeitpunkt „t1″ wird angenommen, dass die Luft in die Kammer 1 eintritt und die Kammer 2 verlässt. Wenn wir die Strömungsrichtung umkehren, um die in den Kammern gespeicherte Wärmeenergie bestmöglich zu nutzen, dann schalten wir die Ventile so um, dass zum Zeitpunkt „t2“ Luft aus der Kammer 2 eintritt und aus der Kammer 1 austritt. Während dieser Übergangsphase gibt es – da der Luftstrom aus der Produktion nicht unterbrochen werden kann – einen bestimmten Zeitraum (im Allgemeinen einige Sekunden), in der sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile in jedem Turm geöffnet (oder teilweise geöffnet) bleiben.  Die Luft, die gerade in eine Kammer eingetreten ist, bevorzugt es, den Ausgangsweg zu nehmen (der keine Hindernisse oder Druckabfälle aufweist), statt alle Füllkörper zu durchqueren, um in die Verbrennungskammer zu gelangen, wo der Reinigungsprozess stattfindet. Folglich findet man im Schornstein eine verhältnismäßig hohe Konzentration an VOC-Schadstoffen;
2. Sobald die korrekte Position der Ventile wiederhergestellt ist, fließt der Luftstrom wieder durch die Anlage und wird somit in der Verbrennungskammer gereinigt. Eine bestimmte Luftmenge, die sich zum Zeitpunkt „t1″ beim Aufsteigen in Richtung Brennkammer erwärmt hat, deren Temperatur aber noch zu niedrig ist, um gereinigt zu werden, ändert zum Zeitpunkt „t2″ die Richtung und wird zusammen mit der von oben (Brennkammer) kommenden, bereits gereinigten Luft in Richtung Schornstein gedrückt, wodurch sich die Reinigungseffizienz verschlechtert.

Wie lässt sich die Reinigungseffizienz in einer RTO/RNV-Anlage optimieren?

Die Reinigungseffizienz einer Anlage zur regenerativen thermischen Oxidation (RTO/RNV) hängt von mehreren Faktoren ab, wie beispielsweise:

• die Abdichtung der Ventile
• die Ansprechzeit
• die korrekte Mischung
• eine ordnungsgemäße Wartung der Anlage

Wie bereits erwähnt, werden wir uns in diesem Abschnitt insbesondere auf den Vergleich RTO/RNV-Anlagen konzentrieren, die nach denselben Planungsprinzipien, jedoch mit einer unterschiedlichen Anzahl von Kammern realisiert wurden.

Unterschiede bei der Energie- und Investmenteffizienz zwischen RTO/RNV-Anlage mit 2 und 3 Kammern

RTO/RNV-Anlage mit 2 Kammern

Bei RTO/RNV-Anlagen mit 2 Kammern können die oben beschriebenen Kritikpunkte auftreten. Die Konzentration am Schornstein weist daher ein Spitzenwertmuster auf: Bei jeder Strömungsumkehr gibt es eine Spitze, die unmittelbar proportional zur Eintrittskonzentration steht.

Die Mindestkonzentration an Schadstoffen, die im Schornstein garantiert werden kann, ist somit eng mit der Eintrittskonzentration verbunden.

Um einen weiteren Anhaltspunkt zu geben, könnte man eine Schornsteinemission (natürlich als Durchschnitt über einen Zeitraum von ½ Stunde) < 50 mg/nm3 nur bei einer Eintrittskonzentration von höchstens 300-400 mg/nm3 garantieren.

Obwohl die Kosten für eine solche Anlage niedriger sind als die von 3-Kammer-RTOs/RNVs, ist zu beachten, dass die oben analysierten Kritikpunkte (falls sie vernachlässigt werden) oftmals zu höheren Betriebskosten führen.

RTO/RNV-Anlage mit 3 Kammern

Es handelt sich hierbei um eine Lösung mit der besten Reinigungsleistung, die absolut empfehlenswert ist für  VOC-Konzentrationen über 3,5 – 4 g/nm3.

Bei diesem Prozess wird während der Phase der Strömungsumkehr die Kammer 1, die zum Zeitpunkt „t1“ Einlass war, aus dem Kreislauf herausgenommen, indem der Fluss direkt in die Kammer 3 geleitet wird. Dieser hat dann genügend Zeit zur Verfügung, um das Luftvolumen in den unteren Bereichen der Kammer 1 zu entleeren,  bevor diese dann wieder in den Kreislauf eingespeist wird. Mit 3 Eingängen und 3 Ausgängen kann auch die Abfolge der Ventile so realisiert werden, dass Bypass-Momente vermieden werden.

Die RTO/RNV-Anlage mit 3 Kammern kann selbst bei Eingangskonzentrationen in der Größenordnung von 5-8 g/nm3 eine Leistung von 20 mg/nm3 gewährleisten.

Solche Effizienzgrade führen logischerweise zu einer höheren Investition, die sich jedoch angesichts der geringeren Betriebskosten der Anlage amortisieren kann.

Wie entscheidet man sich zwischen einem regenerativen thermischen Brenner mit 3 und mit 2 Kammern?

Die Auswahl einer Anlage zur Behandlung von Schadstoffen in zum Teil komplexen industriellen Kreisläufen ist keine leichte Aufgabe, denn sie erfordert ein hohes Maß an technologischem Fachwissen, ein strukturiertes anwendungstechnisches Know-how sowie konkrete, im Laufe der Zeit gesammelte Erfahrungen.

Es ist stets ratsam, eine Machbarkeitsanalyse durchzuführen, eine strategische Aktivität, die darauf abzielt, die Nachhaltigkeit der Investition unter Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus des Produkts zu definieren.

Bei der Auswahl eines regenerativen thermischen Brenners, der den eigenen Produktionsanforderungen entspricht, ist es daher unerlässlich, sich auf die Fachleute des Sektors zu verlassen und die technische Erfahrung und die Erfolgsbilanz der potenziellen Lieferanten in Bezug auf die spezifischen technischen Bereiche des Projekts sorgfältig zu prüfen.