Thermische Oxidation

Was ist das?


Thermische Oxidation (oft auch als „Verbrennung“, „thermische Verbrennung“ oder „oxidative Verbrennung“ bezeichnet) ist der Oxidationsprozess von brennbaren Gasen und Geruchsstoffen in einem Abgasstrom durch Erhitzen eines Schadstoffgemisches mit Luft oder Sauerstoff über seine Selbstentzündung in eine Brennkammer stellen und ausreichend lange auf einer hohen Temperatur halten, um die Verbrennung zu Kohlendioxid und Wasser abzuschließen.

Nach der thermischen Oxidation sind die Hauptbestandteile des behandelten Abgases Wasserdampf, Stickstoff, Kohlendioxid und Sauerstoff. Abhängig vom Schadstoffgehalt des zu verbrennenden Rohabgases und den Betriebsbedingungen der thermischen Nachverbrennung können im behandelten Abgas weitere Schadstoffe wie CO, HCl, HF, HBr, HI, NOX, SO . enthalten sein2, VOCs, PCDDs/PCDFs, PCBs und Schwermetallverbindungen (unter anderem). Je nach Zusammensetzung des Rohabgases kann eine vorgeschaltete Behandlung oder eine zusätzliche nachgeschaltete Behandlung des behandelten Abgases erforderlich sein.

Abhängig von den Verbrennungstemperaturen während der Hauptverbrennungsstufen werden flüchtige Schwermetalle und anorganische Verbindungen (zB Salze) ganz oder teilweise verdampft. Diese Stoffe werden aus dem Inputabfall sowohl in das behandelte Abgas als auch in die darin enthaltene Flugasche überführt. Es entsteht ein mineralischer Rückstand Flugasche (Staub) und schwerere feste Asche (Bodenasche).

Schema eines regenerativen thermischen Oxidationsmittels

Abbildung 1. Schema einer regenerativen thermischen Oxidationsanlage

Schema einer rekuperativen thermischen Oxidationsanlage

Abbildung 2. Schema eines rekuperativen thermischen Oxidationsmittels

Zeit, Temperatur (ca. 200–400 °C über Selbstzündung), Turbulenzen (zum Mischen) und die Verfügbarkeit von Sauerstoff beeinflussen die Geschwindigkeit und Effizienz des Verbrennungsprozesses. Diese Faktoren liefern die grundlegenden Auslegungsparameter für VOC-/Geruchsoxidationssysteme.

Es werden verschiedene Arten von thermischen Oxidationsanlagen betrieben:
  • Das reine thermische Oxidationsmittel, bestehend aus einer Brennkammer und ohne Abgaswärmerückgewinnung.
  • Die regenerative thermische Nachverbrennung(Abbildung 1), mit den folgenden Schritten:
    • Abgasstrom, der durch den gemeinsamen Einlass in die Oxidationsvorrichtung eintritt und durch ein Drosselventil in eine Regenerativkammer gelangt;
    • dann Durchlaufen einer keramischen Wärmetauschermatrix, die die Gastemperatur fast auf die Oxidationstemperatur anhebt;
    • dann Eintritt in die Brennkammer, die von Brennern auf 800–1000°C gehalten wird, wobei die freigesetzte Wärme den Brennstoffverbrauch der Brenner verringert;
    • dann Verlassen der Brennkammer durch eine zweite keramische Wärmetauschermatrix, wobei ihre Wärmeenergie zur Wiederverwendung zum Vorwärmen des nächsten Zyklus übertragen wird;
    • Freigeben des Reingasstroms durch ein Auslassventil zum Ablassen.
    Aufgrund der relativ hohen Brennraumtemperatur, des großen Luftüberschusses und des geringen Einflusses der Flamme werden nur geringe Mengen an Kohlenmonoxid und NOX gebildet.
    Dieses System eignet sich besonders für Abgasströme mit Volumenströmen im Bereich von 5,000–10,000 Nm3/h. In der Regel wird eine Wärmerückgewinnung (Abgasvorwärmung) von 90–97 % erreicht.

  • Die rekuperative thermische Nachverbrennung (Bild 2), bestand aus einer Brennkammer, dem Abgasvorwärmer und ggf. einem Sekundärwärmetauscher, wobei die Wärme kontinuierlich an den Vorwärmer abgegeben wurde. Dieses System ist besonders geeignet für Abgasstromdurchsätze im Bereich von 1000–50000 Nm3/h. Im Allgemeinen wird eine Wärmerückgewinnung von 50–80% erreicht.
  • Gasmotoren und/oder Dampfkessel, mit 57–67 % Energierückgewinnung. Das Abgas wird im Motor verbrannt. Die Konzentration des Einlassgases muss kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass es im Motor effizient verbrannt wird. Bei Bedarf kann Erdgas als Hilfsbrennstoff hinzugefügt werden oder der Abfallstrom muss möglicherweise verdünnt werden. Nachgeschaltete Generatoren erzeugen Strom. Der Motor enthält einen Katalysator, der hauptsächlich das Kohlenmonoxid im Gasstrom oxidiert. Der Motor ist mit einem Dampfkessel gekoppelt, um die Abwärme des Rauchgases zur Dampferzeugung zu nutzen. Das Kesselspeisewasser wird durch das Motorkühlwasser vorgewärmt. Bei niedrigen Verbrennungstemperaturen ist die Bildung von NOX gering. Das den Gasmotor verlassende Rauchgas wird über Oxidationskatalysatoren geleitet, um den Kohlenmonoxidgehalt zu reduzieren.

Design, Wartung und Effizienz

Die Auslegungskriterien für ein thermisches Oxidationssystem hängen hauptsächlich von der Art des Abgasstroms ab (dh chemische und physikalische Eigenschaften wie Partikelgröße, Zusammensetzung, aber auch thermische Eigenschaften wie Heizwert und Feuchtigkeitsgehalt), die die Verbrennungsbedingungen bestimmt.

Thermische Oxidationsmittel sollten regelmäßig inspiziert und bei Bedarf gereinigt werden, um eine gute Leistung und Effizienz zu erhalten. Wenn übermäßige Ablagerungen auftreten, müssen vorbeugende Maßnahmen ergriffen werden, indem das einströmende Gas gereinigt wird, bevor es in das Oxidationsmittel eintritt.

Zu den überwachten Parametern, die bei Überschreiten der eingestellten Werte einen Alarm auslösen sollen, gehören:
  • Verbrennungstemperatur;
  • Konzentration von VOCs;
  • Konzentration von Kohlenmonoxid;
  • Druck;
  • Zufuhr von Flüssiggas;
  • Zufuhr von Druckluft.
Ein weiterer wichtiger zu überwachender Parameter ist der Sauerstoffgehalt des Abgases, der Aufschluss über die Verbrennungsbedingungen gibt. Dies ist entscheidend, wenn Halogenverbindungen thermisch oxidiert werden.

Anwendbarkeit

Tabelle 1 zeigt Anwendungsgrenzen und Einschränkungen im Zusammenhang mit der thermischen Oxidation (nach EIPPCB, 2016, Tabelle 3.204).

Tabelle 1. Anwendungsgrenzen und Einschränkungen im Zusammenhang mit der thermischen Oxidation.
Problem Grenzen/ Einschränkungen
Gasdurchfluss (Nm3/ h) 90-86000 (gerades und regeneratives Oxidationsmittel)
90-86000 (rekuperative thermische Oxidation)
Temperatur (° C) 900-1200
Druck (MPa) atmosphärisch
Druckabfall (mbar) 10 - 50
Partikelgehalt (Nm3/ h) <3
Aufenthaltszeit(en) 0.5-2
Relative Feuchte des Abgases max 70%

Bibliographie

EIPPCB (2016). Referenzdokument zu den besten verfügbaren Techniken (BVT) für gemeinsame Abwasser- und Abgasbehandlungs-/Managementsysteme im Chemiesektor. Bericht der GFS Wissenschaft für Politik.
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