DE3043286C2

DE3043286C2 - Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung von Störstoffen in Abgasen

Info

Publication number: DE3043286C2
Application number: DE19803043286
Authority: DE
Inventors: Wilhelm 6467 Hasselroth Betz; Herbert J. 6467 Haselroth Obermüller
Original assignee: Katec Katalytische Lufttechnik Betz & Co 6467 Hasselroth De GmbH
Current assignee: Katec Katalytische Lufttechnik Betz & Co 6467 Hasselroth De GmbH
Priority date: 1980-04-14
Filing date: 1980-04-14
Publication date: 1982-06-16
Also published as: DE3043286A1

Description

5C

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung von Störstoffen in Abluft und Abfallsubstanzen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere jedoch die konstruktive Ausbildung des Anströmraumes und des Brennervorbaues, in den axial ein Brenner hineinfeuert.

Derartige Verbrennungseinrichtungen gewinnen im Rahmen des Umweltschutzes zunehmend an Bedeutung, insbesondere in den Fällen, in denen oxidierbare Substanzen in geringen Mengen aus großen Abluftmengen entfernt werden müssen, weil die gesetzliehen Bestimmungen dies verlangen.

Eine derartige Verbrennungseinrichtung ist aus US-PS 36 07 118 aus DE-AS 23 52 204 bekannt. Bei den bekannten Vorrichtungen werden die Gase durch einen rekuperativen Wärmeaustauscher einem in Richtung der Längsachse der Verbrennungseinrichtung in ein Flammrohr feuernden Brenner zugeführt und dienen nach Verlassen eines eigentlichen Brennraumes als Heizgase für den Wärmetauscher.

Bei der aus der DE-AS 23 52 204 bekannten Verbrennungseinrichtung ist der Wärmetauscher als ein konzentrisch zur Längsachse innerhalb der Verbrennungseinrichtung erstreckendes Rohrbündel aus geraden Rohren ausgebildet, deren Enden jeweils in Lochplattsn eingeschweißt sind. Die Einrichtung ist u. a. auch in der Zeitschrift »öl+Gasfeuerung«, Heu 4,1977, S. 234/235 beschrieben.

In DE-OS 2423 799 ist eine thermische Verbrennungsvorrichtung mit Wärmerückgewinnung beschrieben, bei der ein Brenner direkt in eine Brennkammer feuert Um den Brenner und seinen Anströmraum ist eine bewegliche Platteneinrichning vorhanden, die eine Veränderung der Luftströme im Brennerbereich ermöglicht

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Verbrennungseinrichtung zu schaffen, bei der der Brennervorbau konstruktiv so ausgebildet ist daß im Zusammenwirken mit dem Anströmraum verbesserte Anströmbedingungen der Abluft am eigentlichen Brenner erreicht werden und es im Rahmen der veränderten Bedingungen möglich ist konzentriert anfallende eindüsfähige Abfälle mit in die Abluft einzuspeisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Verbrennungseinrichtung der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst daß der Brennervorbau in Richtung der Längsachse der Verbrennungseinrichtung verschiebbar ausgebildet ist und am der Mischeinrichtung zugewandten Ende des Brennervorbaus ein verstellbarer Blendenring angeordnet ist

Eine andere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen einer den Brennervorbau umgebenden Trommel und Brennervorbau gebildete Anströmraum eine solche Abmessung hat daß darin eine ringförmige Eindüsvorrichtung angeordnet werden kann.

Innerhalb des Anströmraumes im Abstand von der Trommel ist ein Brennervorbau vorgesehen, so daß zwischen dem Ende des Brennervorbaus und dem Anströmkonus ein Ringspalt entsteht. Der Brennervorbau ist mit Gasdurchlaßöffnungen einer solchen Größe versehen, so daß deren Gesamtquerschnitt eine Teilung des aus dem Wärmetauscher in den Anströmraum tretenden Gasstromes herbeiführt. Ein Teilgasstrom tritt durch den Ringspalt direkt in das Hochgeschwindigkeitsrohr ein, und der andere Teilstrom gelangt durch die Öffnungen direkt in den Innenraum des Brennervorbaus, in dem die eigentliche Brennstoff-Flamme erzeugt wird. Auf diese Weise wird eine besonders intensive Mischung der Abluft mit dem Brennstoff erreicht und der für das Brennen erforderliche Sauerstoff aus der Abluft entnommen.

Um den Querschnitt des Ringspaltes zwischen dem Rand des Brennervorbaus und dem Anströmkonus den betrieblichen Erfordernissen anpassen zu können, ist bei der Erfindung der Brennervorbau in Richtung der Längsachse verschiebbar ausgebildet, und/oder das im Mischräum zugewandte Ende des Brennervorbaus weist einen verstellbaren, aufgesetzten Blendenring auf. Dieser Blendenring hat Einrichtungen, die ein Verstellen von außen ohne Betriebsunterbrechungen ermöglichen. Durch das Verändern des Ringspaltquerschnittes ändert sich die Größe dieser Austrittsfläche im Vergleich zur Fläche der öffnungen an der Fläche des Brennervorbaus und damit das Mengenverhältnis der der Flamme

direkt zugeführten Abluftmenge zu der erst im Mischraum hinzutretenden Abluftmenge, die erst dort zur Teilnahme an der Verbrennung eingemischt wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Brennervorbau und Trommel in ihren Durchmessern so dimensioniert, daß der dazwischen entstehende Anströmraum ausreichend groß genug ausgebildet ist, um eine ringförmige Eindüsvorrichtung für weitere Stoffe aufnehmen zu können. Wenn bei dieser Ausführungsform der Erfindung im Anströmraum eine ι ο Eindüsvorrichtung vorhanden ist, besteht die Möglichkeit einer weiteren Optimierung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung durch Einbringen von flüssigen oder gasförmigen Substanzen, wie Wasser, Abfallflüssigkeiten u. dgl. Die Verdampfung der eingedüsten flüssigen Produkte erfolgt aufgrund der vorhandenen Strahlungsenergie des Brenners.

Das Flammrohr oder Hochgeschwindigkeitsrohr ist im Querschnitt sehr eng ausgebildet, so daß darin Strömungsgeschwindigkeiten von 40 bis 60m/sec erreicht werden. Das dem Brennervorbau zugewandte Ende des Flammrohres ist konisch als Venturirohr ausgebildet, dessen Innenraum als zusätzliche Mischzone für die Abluft mit den Brennergasen dient Das andere Ende des Hochgeschwindigkeitsrohres ragt in den Hauptbrennraum hinein.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Anströmraumes wird eine so intensive Vormischung des Abgases mit dem Brennstoff und gegebenenfalls eingedüsten Abfallstoffen erreicht, daß bei den hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Flammrohr schon bei Temperaturen von 720° im Brennraum ein weitgehender oder vollständiger Abbrand der in den Abgasen enthaltenen Störstoffe erfolgt Die Trennung von Wärmetauscherteil und Brennkammerteil in der Verbrennungseinrichtung hat den besonderen Vorteil, daß am Rohr Länge und Größe der eigentlichen Brennkammer je nach den Erfordernissen des eigentlichen Verbrennungsprozesses variiert werden können, der Wärmetauscherteil und das Kopfteil der Verbrennungseinrichtung jedoch nicht verändert werden müssen. Damit ist aber eine kostengünstige Serienfertigung dieser Teile in mehreren Grundgrößen möglich, während Hochgeschwindigkeitsrohr und Brennraum jeweils den spezifischen Verhältnissen angepaßt werden können.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Verbrennungseinrichtung gestattet es, Anlagen für einen Abluftdurchsatz von 5000 m³, aber auch von 20 000 m³ in einer besonders kompakten Bauweise auszuführen und mit diesen Anlagen Störstoffgehalte in der Abluft von 100 mg bis zu mehreren Gramm pro m³ sicher und zuverlässig zu beseitigen und auf diese Weise die gesetzlichen Bestimmungen über die zulässigen Grenzwerte in Abluft einzuhalten.

Der besondere Vorteil einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung besteht darin, daß es möglich ist, auch konzentriert anfallende Abfälle mitzubeseiti{;en.

Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung und einer Verfahrensbeschreibung näher erläutert Gleiche Bezugsziffern beziehen sich auf die gleichen Teile.

F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung in Längsschnitt;

Fig.2 zeigi eine Ausführungsform, bei der im Ausströmraum eine ringförmige Eindüsvorrichtung angeordnet ist.

Die in F i g. 1 wiedergegebene Verbrennungseinrichtung besteht aus einem in der Länge variierbaren und in seinem Querschnitt engen Hochgeschwindigkeitsrohr 1, dessen hinteres Ende in den eigentlichen Brennraum 4 ragt Vorzugsweise reicht das Hochgeschwindigkeitsrohr 1 weit in den Brennraum hinein, so daß zwischen dessen Ende und der Stirnwand der Verbrennungseinrichtung ein Ringraum entstht, der einen Übergang in den eigentlichen Brennraum 4 ergibt Durch diese Ausbildung wird eine intensive Turbulenz des Gasstromes im eigentlichen Brennraum 4 erzeugt, um die Ablagerung von in den Abgasen enthaltenen Feststoffteilchen an den Wänden des Brennraums 4 zu vermeiden und einen nahezu vollständigen Abbrand derartiger Teilchen zu ermöglichen. In dem Brennraum 4 können deshalb auch noch in der Abbildung nicht gezeigte Einbauten vorhanden sein, um dem Gasstrom einen zusätzlichen Drall zu geben und die Turbulenz zu erhöhen. Dadurch wird auch die Verweilzeit von Feststoffteilchen in dem Brennraum 4 erhöht so daß sich der Abbrand der Teilchen verbessert

Das entgegengesetzte Ende de* Hochgeschwindigkeitsrohres 1 ist als Mischeinrichtung ausgebildet und dient als Mischvorrichtung oder zusätzlicher Mischraum. Der Ringraum 9, der das Hochgeschwindigkeitsrohr 1 teilweise umgibt dient als Nachbrennraum und schlieti sich an den Brennraum 4, an. Axial in Verlängerung an die Mischeinrichtung la des Rohres 1 schließt sich ein Brennervorbau 14 derart an, daß zwischen Anströmkonus 7 und Brennervorbau 14 ein Ringspalt 2 entsteht, durch den ein Teil des Abgases in das Rohr 1 eintreten kann.

Unter dem mit Ziffer 13 bezeichneten Brenner wird jegliche Art von konventionellen Industriebrennern verstanden, also auch sogenannte Flächenbrenner, die entweder als Primär- oder als Sekundär-Luftbrenner ausgelegt sind. Die wesentlichen Teile des Brenners 13 können außerhalb der Gesamtanlage sowie konzentrisch zur Anlagenachse an der Stirnseite der Verbrennungseinrichtung angebracht sein.

Der Brennervorbau 14 weist Löcher auf, durch die ein Teilstrom des Abgases aus dem Anströmraum 15 zur Flamme 3 gelangen kann.

Konzentrisch im Abstand wird der Brennervorbau 14 von einer zylindrischen oder kegligen durchlöcherten Trommel 6 umgeben. Die eine Stirnseite der Trommel 6 ist durch den Anströmkonus 7 mit dem Ende der Mischeinrichtung la des Hochgeschwindigkeitsrohres 1 verbunden. Die andere Stirnseile der Trommel 6 ist über die Trennwand 8 mit der Außenwand der Verbrennungseinrichtung verbunden und schließt so den Anströmraum 15 gegen den Außenraum 17 ab. Diese Trennwand ist als bewegliche Membran ausgebildet oder weist Wellkompensatoren auf.

Die Trommel 6 weist eine zylindrische oder keglige Form auf, und die Wandung ist durchlöchert zur Aufnahme der Enden der einzelnen Rohre des Rohrbündels des Wärmetauschers 5. Diese Rohre sind in die Löcher der Trommel eingeschweißt oder eingerollt, um ein«-, gasdichte Verbindung zu erzeugen. In der Figur sind die einzelnen Rohre des Wärmetauscherröhrbündels S nicht als solche, sondern nur als Block wiedergegeben.

Dieses Rohrbündel erstreckt sich von der Trommel 6 zunächst in Richtung auf die Außenwand der Verbrennungseinrichtung rind biegt dann in eine Richtung parallel zur Längsachse der Verbrennungseinrichtung ab und verläuft durch den Außenraum des Wärmetauschers und endet an der Stirnwand zur Abgaseintritts-

ringkammer 17. Auch an diesem Ende sind die einzelnen Rohre des Rohrbündels in die Wand eingeschweißt oder eingerollt. Durch diese Ausbildung des Rohrbündels 5 im Außenraum 17 entsteht ein rekuperativer Wärmetauscher, bei dem die kalten Gase in den Rohren ^r> strömen und wobei diese Rohre außen im sogenannten Außenraum 17 von den heißen Verbrennungsgasen umspült sind, so daß das der Verbrennungseinrichtung zugeführte Abgas durch die heißen Verbrennungsgase vorgewärmt wird. Der Außenraum 17 des Wärmetauschers weist an dem an die Eintrittsringkammer 12 anschließenden Ende einen Verbrennungsaustrittsstutzen 11 auf. Das Rohrbündel 5 wird innerhalb des Außenraumes 17 durch Abstandhalter 5a gehalten, die so angeordnet und ausgebildet sind, daß die Gase einen ¹^ Drall bekommen und sich spiralförmig durch den Raum 17 mit dem darin angeordneten Rohrbündel 5 bewegen, so daß ein guter Wärmeübergang von den heißen Verbrennungsgasen auf die zunächst kühleren Abgase

prfolcTt^ ?n

Um den Mischvorgang den spezieilen Bedürfnissen im Einzelfall noch besonders anpassen zu können, ist vorgesehen, eine Verstellung des Querschnittes des Ringspaltes 2 zu ermöglichen. Das kann entweder durch einen auf das Ende des Brennervorbaues 14 aufgesetz- ^ ten verstellbaren Blendenring 19 oder durch die in Richtung der Längsachse der Verbrennungseinrichtung verschiebbar ausgebildeten Brennervorbau geschehen. Durch die Veränderung des Querschnittes des Ringspaltes 2 kann dessen Fläche im Verhältnis zur offenen ^!0 Fläche des Brennervorbaues 14 variiert und damit die Teilung des Gasstromes gesteuert werden.

F i g. 2 zeigt die Ausführungsform, bei der im Anströmraum 15 zusätzlich eine Eindüsvorrichtung 18 angeordnet ist. um weitere Stoffe in die Verbrennungs- ^ einrichtung einführen zu können. Um eine gleichmäßige Verteilung zu ermöglichen, ist eine ringförmige Eindüsvorrichtung bevorzugt, dies ist aber nicht zwingend. Es sind auch andere Formen möglich und geeignet ⁴ⁿ

Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung wird im nachfolgenden Beispiel aufgezeigt, wie diese Einrichtung arbeitet.

20 000 Nm³ Abgas aus einem Prozeß, in welchem verschiedenartige Lösungsmittel Verwendung finden, ^4S strömen durch den Abgaseintrittsstutzen 10 in die Abgaseintrittsringkammer 12 vor dem Wärmetauscher 5 der Verbrennungseinrichtung mittig von oben bzw. tangential von oben mit beispielsweise 100°C ein. Das Abgas verteilt sich gleichmäßig in der gesamten Anzahl ν der Einzelrohre des Wärmetauschers 5, durchströmt diese und wird dabei auf 550° C aufgeheizt.

Das vorgeheizte Abgas verläßt den Wärmetauscher 5 durch die öffnungen in der Trommel 6 und gelangt in den Anströmraum 15. Von dort aus gelangt es teilweise durch die öffnungen in dem Brennervorbau 14 zur eigentlichen Flamme 3. während ein anderer Teilstrom durch den Ringspalt 2 direkt in den Venturiteil la (Mischvorrichtung) des Flammrohres 1 eintritt. Der Teilstrom, der durch Brennervorbau 14 zur Flamme 3 w gelangt, führt der Ramme den benötigten Sauerstoff zu und mischt sich durch die Anströmung intensiv mit dem Brennstoff. Der durch den Ringspalt 2 eintretende Abgasstrom wird in der Mischvorrichtung la dem bereits mit Abgas vermischten Brennstoff zugemischt. Durch diese Führung des vorgeheizten Abgasstromes im Anströmraum 15 wird von Anfang an eine besonders intensive Mischung des Abgasstromes mit dem Brennstoff erreicht.

Der Brenner 13 feuert in Richtung des Hochgeschwindigkeitsrohres 1 längs der Achse der Verbrennungseinrichtung. In Nachbarschaft des Brenners 13 befindet sich das vom Nachbrennraum 9 umgebene Hochgeschwindigkeitsrohr 1, das den kleineren Teil des Gesamtbrennvolumens darstellt. In diesem in seinem Durchmesser kleinen und in seiner Länge mindestens über die Länge des Wärmetauschers hinausragenden Flammrohr 1 findet eine weitere Durchmischung der Abgase und der Flammrauchgase sowie eine Erwärmung derselben um etwa 80⁰C auf etwa 630°C statt Am Ende des Flammrohres 1 werden die durchmischten Abgase gegebenenfalls durch zusätzliche Dralleinrichtungen verwirbelt und umgelenkt, gelangen dabei in die piupntlirhp Rrpnn- nrlpr Wirbelkammer ά u/n «i? «irh lim weitere 120⁰C auf etwa 750⁰C aufheizen (Eigenwärme aufgrund exothermer Reaktion). An der Stirnseite der Verbrennungseinrichtung, d. h. der eignetlichen Brennkammer, werden die Abgase wiederum um 180° C umgelenkt und dadurch durch den Brennraum 4 in Richtung Nachbrennkammer 9 bewegt, wobei eine zusätzliche Verwirbelung der Abgase bewirkt wird. Am Ende dei Nachbrennraumes 9 werden die Gase an der Verbindu'lgswand zwischen Flammrohr und zylindrischer Trommel ab- und umgelenkt in den Außenraum 17 des Wärmetauschers. In einer bis mehreren Umlenkungen durchströmt das oxidierte heiße Rauchgas das Ringbündel (Röhren- oder Taschecbündel) des Wärmetauschers 5, wobei das Rauchgas das Rohrbündel von innen nach außen oder von außen nach innen umströmt. Dadurch werden die heißen Rauchgase auf etwa 315⁰C abgekühlt und verlassen durch den Austrittsstutzen 11 die Verbrennungseinrichtung.

Fällt aus technischen Gründen des vorgeschalteten Prozesses die Konzentration der Störstoffe im Abgas ab, so wird der Brenner 13 automatisch auf höhere Leistung geregelt, so daß eine nahezu konstante Temperatur von 720 bis 750"C in der Brennkammer ermöglicht wird.

Im umgekehrten Fall, also beim Ansteigen der Konzentration der Störstoffe im Abgas oder bei Eindüsen von weiteren Abfallstoffen kann unverbranntes Abgas über einen den Eintrittsringraum 12 und das Flammrohr verbindenden, in der Abbildung nicht gezeigten Durchgang, der dann geöffnet wird, direkt in das Flammrohr eingedüst werden, ohne daß dieser Teil des Abgases vorher im Wärmetauscher aufgeh.izt worden ist.

Die in Ganzstahl oder Mauerwerk oder in Kombinationen ausgeführte Verbrennungseinrichtung besitzt zusätzlich ein konzentrisch zur Achse der Gesamtanlage angeordnetes, in der Abbildung nicht gezeigtes Mannloch an der Stirnseite, welches die Begehung des Flammrohres 1 gestattet An dieser an den eigentlichen Brennraum 4 anschließenden Stirnseite können weiterhin Beobachtungsklappen für die direkte Beobachtung der Flamme sowie Temperatunneßeinrichtungen angeordnet sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung von Störstoffen in Abluft- und Abfallsubstanzen mit einem Brenner und einer Mischvorrichtung, einem daran anschließenden Hochgeschwindigkeitsrohr, einer an dessen freiem Ende gelegenen, als Brennraum ausgeführten Wirbelkammer, wobei das Hochgeschwindigkeitsrohr konzentrisch in die Wirbelkammer hineinragt, sowie einem mit der Wirbelkammer über einen Nachbrennraum in Verbindung stehenden, diesen konzentrisch umgebenden Wärmetauscher, wobei ein um die Längsachse der Verbrennungseinrichtung angeordneter Brennervorbau einen solchen Durchmesser aufweist, daß zwischen dem Rand des Brennervorbaus und dem Anströmkonus ein Ringspalt entsteht,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennervorbau (14) in Richtung der Längsachse der Verbrennungseinrichtung verschiebbar ausgebildet ist und
am der Mischeinrichtung (lajzugewandten Ende des Brennervorbaus (14) ein verstellbarer Blendenring (19) angeordnet ist
2. Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung von Störstoffen in Abluft- und «bfallsubstanzen mit einem Brenner und einer Mischvorrichtung, einem daran anschließenden Hochgeschwindigkeitsrohr, einer an dessen freiem Ende gelegenen, als Brennraum ausgeführten Wirbelkammer, wobei das Hochgeschwiiidigkeitsrohr konzentrisch in die Wirbelkammer hineinragt, sowie ejiem mit der Wirbelkammer über einen Nachtbrennraum in Verbindung stehenden, diesen konzentrisch umgebenden Warmetauscher, wobei ein um die Längsachse der Verbrennungseinrichtung angeordneter Brennervorbau einen solchen Durchmesser aufweist, daß zwischen dem Rand des Brennervorbaus und dem Anströmkonus ein Ringspalt entsteht, dadurch gekennzeichnet,

daß der zwischen einer den Brennervorbau (14) umgebenden Trommel (6) und Brennervorbau (14/ gebildete Anströmraum (15) eine solche Abmessung hat, daß darin eine ringförmige Eindüsvorrichtung (18) angeordnet werden kann.