Modellierung und Analyse des Betriebsverhaltens von thermischen Nachverbrennungsanlagen mit regenerativer Abluftvorwärmung

Thermische Nachverbrennungsanlagen mit regenerativer Abluftvorwärmung (kurz: RNVAnlagen) werden zur Reinigung von Abgas- bzw. Abluftströmen eingesetzt, die brennbare Bestandteile enthalten. Dazu werden die Verunreinigungen, oft flüchtige organische Verbindungen wie Lösemittel u. Ä., bei hohen Temperaturen oxidiert und nahezu vollständig in Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt. Um den Prozess möglichst wirtschaftlich zu gestalten, wird der Enthalpiestrom des heißen Reingases in Regeneratoren zwischengespeichert und zur Vorwärmung der Abluft genutzt. Obwohl RNV-Anlagen seit Beginn der 1980er Jahre in der Industrie weite Verbreitung gefunden haben, basiert die Auslegung der Anlagen in der Praxis meist auf einfachen Abschätzungsrechnungen und vorhandenen Erfahrungen. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass es sich – auch unter stationären Randbedingungen – um einen zeitlich dauerhaft instationären Prozess handelt, dessen Modellgleichungen zwar grundsätzlich bekannt sind, aber sehr hohe Anforderungen an Berechnungsprogramme stellen. Der erforderliche Entwicklungsaufwand ist von den kleinen und mittleren Unternehmen des Anlagenbaus kaum zu erbringen. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit ein vereinfachtes Prozessmodell entwickelt, dass überwiegend auf ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen beruht und somit leicht nachvollzogen und implementiert werden kann. Dazu wird gezeigt, dass der instationäre Strömungsumkehrreaktor im zyklisch-stationären Betrieb mit Hilfe der Regeneratortheorie von Hausen als stationärer Wärmeübertragerreaktor aufgefasst werden kann. Für diesen werden die Modellgleichungen formuliert und die Berechnungsmethoden der benötigten Koeffizienten dargestellt. Anhand umfangreicher experimenteller Arbeiten an einer RNV-Anlage im Technikumsmaßstab wird das Modell validiert und verdeutlicht, dass, außer den Parametern der chemischen Kinetik, keine weiteren Anpassungsfaktoren erforderlich sind, um den Prozess im Rahmen der Messfehler adäquat zu beschreiben. In weiteren Simulationen wird die Auswirkung verschiedenster Betriebs- und Anlagenparameter auf die wesentlichen Auslegungsgrößen (Brennstoffbedarf, Reingastemperatur und Druckverlust) untersucht. Herleitungen von Abschätzungsgleichungen für idealisierte Fälle, z. B. für die Maximal- und Brennraumtemperaturen im überautothermen Betrieb oder den Verbrennungswärmebedarf im autothermen Betrieb, sowie ein ausführlicher Anhang runden die Arbeit ab.Thermal post-combustion plants with regenerative air-preheating, also known as Regenerative Thermal Oxidation plants (abbr. RTO-plants), are used for the purification of exhaust gas or exhaust air streams containing combustible components. To acomplish this, the impurities – mostly volatile organic compounds such as solvents and similar – are oxidized at high temperatures and converted to carbondioxide and water almost entirely. To achive a highly efficient process, the enthalpy flow of the hot clean-gas leaving the plants is temporarilly stored in regenerators and used for heating-up of the cold incoming exhaust air. Although RTO-plants found widespread application in industry since the early 1980s, the dimensioning of the facilities is still based on estimate calculations and existing experiences quite often. This is due to the fact, that the process – even under constant boundary conditions – is inherently unsteady in time. The model-equations are principally known but place enormous demands on the computational solution. Especially small and middle-sized manufacturers are hardly able to expend effort on the development. Against this background a simplified model of the process is developed in this work, that is preponderantly based on engineering fundamentals, hence beeing easy to comprehend and to implement. For this purpose it is shown, that, by means of the regenerator theory of Hausen, the tansient reverse-flow reactor in cyclic steady state can be regarded as a stationary heat-exchanger reactor. The model-equations for this system are formulated and methods for the computation of the coefficients therein are described. The model is validated on the basis of extensive experimental work using a RTO-plant in technical scale. Furthermore it is shown, that – besides the parameters of chemical reaction rates – no additional fitting-factors are required to describe the process within the limits of measurement errors. In additional simulations the effects of many different operating and dimensioning variables on the essential design values (massflow of fuel, clean-gas temperature and pressure-drop) are investigated. Derivations of estimate formulae for special cases, e. g. the maximum and combustion chamber temperatures in superadiabatic operation or the fuel consumption in autothermal mode, as well as a circumstantial appendix round off the work