DE3009860C2 - Einrichtung für Prozeßwärmeerzeugung und Abgasreinigung durch thermische Nachverbrennung - Google Patents

Description

'.' Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur ,Prozeßwärmeerzeugung und Abgasreinigung durch thermische Nachverbrennung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher bezeichneten Art.

Kesselanlagen für Prozeßwärmeerzeugung verwenden in unmittelbarer Hintereinanderschaltung einen ^Brennraum mit Brenner für Fremdbrennstoffe und •feinen Kessel. Der Kessel stellt den Anlagenkomponenten, beispielsweise Autoklaven, Spinndüsen und beheiz-, ten Pressen mittels Dampf, Warmwasser oder Thermalöl die erforderliche Heizwärme zur Verfügung.

In verfahrenstechnischen Anlagen entstehen andererseits oft erhebliche Abgas- oder Abluftmengen, die im Rahmen des Umweltschutzes zu reinigen, das heißt -deren übelriechende oder auch toxische Bestandteile, in erster Linie Kohlenwasserstoffverbindungen, zu oxydieren bzw. zu verbrennen sind, bevor sie in die Umgebung abgeleitet werden können. Hierbei ist es üblich, unter Berücksichtigung der verhältnismäßig hohen Temperaturen die aus der Brennkammer austretenden Reingase vor ihrer Einleitung in den Kamin zu kühlen und hierbei wenigstens einen Teil der Energie der für den Betrieb der Brennkammer eingesetzten Fremdbrennstoffe zurückzugewinnen und zugleich die thermische Belastung der Umwelt herabzusetzen.

Durch die Zeitschrift Brennstoff-Wärme-Kraft 23 (1971), Nr. 3, S. 98 bis 102, ist bereits die Ausnützung der Abwärme einer Abgasreinigungsanlage und deren Unterteilung in drei Abschnitte — Brennkammer, Verbindungsabschnitt mit Abzweigung eines ersten Teilstroms von Reingasen und Wärmetauscher — bekannt. Hierbei wir! der Wärmetauscher von dem restlichen zweiten Teilstrom der Reingase als Hauptstrom der Gase beaufschlagt. Der durch dsn Wärmetauscher geführte zweite Teilstrom wird nach dem Wärmetauscher mit dem im Bypaß zu diesem geführten eraten Teilstrom wieder vereinigt. Die mengenmäßige Aufteilung der beiden Teilströme erfolgt durch je ein Drosselorgan in den Teilkanälcn vor ihrer Vereinigung. Übe!· den Wärmetauscher wird hierbei von dem zweiten ίο Reingasteilstrom Prozeßumluft als Heizmittel für den Konvektionsteil einer Trocknungsanlage erwärmt.

In der DE-PS 10 08 340 ist für einen Industrieofen die Anordnung eines Wärmetauschers in einer Zweigleitung der Rauchgasleitung beschrieben, wobei an der Abzweigstelle eine Regelklappe zur Aufteilung der Rauchgasströme angeordnet ist.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Einrichtung für Prozeßwärmeerzeugung unter Einschluß der thermischen Nachverbrennung von Prozeßabgasen oder -abluft bei niedrigem Bauvolumen und niedrigen Baukosten der Gesamtanlage zur Verfügung izu stellen, insbesondere einen Wärmetauscher für > Prozeßwärmebereitstellung weitgehend unabhängig von dem Betrieb einer Abgas- oder Abluftreinigung durch thermische Nachverbrennung zu betreiben und unzulässige Temperaturbelastungen angeschlossener Anlagenteile, insbesondere Abgasleitungen und Abgaskamin auszuschließen.

Zur Lösung vorgenannter Aufgabe ist die Einrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß wie im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 angegeben beschaffen.

Die erfindungsgemäße Lösung teilt der Brennkammer die Doppelfunktion der Abluftverbrennung und zugleich auch der Prozeßwärmeerzeugung zu. Durch die zwischen Brennkammer und Kessel innerhalb eines Verbindungsabschnitts eingeschaltete Gasregelklappe wird, um sich an zeitliche Änderungen der geforderten Prozeßwärme anzupassen, ein in der Menge veränderlieher Teilstrom der Reingase direkt, das heißt im Bypaß zum Wärmetauscher dem Kamin und der restliche andere Teilstrom dem Wärmetauscher als Abhitzekessel der thermischen Nachverbrennung in der für die Prozeßwärmeerzeugung erforderlichen Weise bis zur vollständigen Unterbrechung eines der Teilströme zugeführt.

Der Verbindungsabschnitt enthält eine Gasregelklappe und dessen Gehäuse weist einen zusätzlichen Innenmantel auf. Eintrittsöffnungen für Umgebungsluft am unteren Ende des Außenmantels des Verbindungsabschnitts und obere Austrittsöffnungen zwischen Außen- und Innenmantel desselben führen einen Kühlluftstrom durch den von den Mänteln gebildeten Zwischenraum. Diese Kühlluftströmung hat ihre Ursaehe einerseits in der Wirkung des Auftriebs der Reingase im Kamin und dem damit verbundenen Unterdruck und andererseits in dem zusätzlichen thermischen Auftrieb der sich an dem heißen Innenmantel erhitzenden Umgebungsluft. Diese Kühlung erfolgt selbsttätig und die Wirkung ist unabhängig von der Aufteilung der Reingasteilströme hinter der Brennkammer in ihrer Menge und Richtung. Gerade mit zunehmender Öffnung des Querschnitts für den direkt zum Kamin geführten, höher temperierten Reingasteilstrom durch das Verschwenken der Gasregelklappe wird vermehrt Umgebungsluft als Mischluft gleichfalls durch die unteren Eintrittsöffnungen des Außenmanteis des Verbindungsabschnitts angesaugt und bei ihrer

Mischung mit den höher temperierten, direkt in den Kamin geführten Reingasen deren Temperatur abgesenkt. Eine Injektorwirkung entsteht durch den Impuls des Reingasstrahls im Bereich seines Austritts innerhalb d'r ringartigen Ausirittsöffnung der Umgebungsluft zwischen Innen- und Außenmar.tel, die in den Gasraum führt. Durch Verschieben eines diesem Austritt der Reingase zugeordneten Staukörpers läßt sich der Impuls und damit das Mischungsverhältnis verändern bzw. eine Abstimmung der zugeführten Umgebungsluft mit den dem Kamin zugeführten, höher temperierten Reingasen vornehmen. Auf diese Weise ist der Gehäusemante! kaltgehend, der Innenmantel und die Gasregelklappe dagegen heißgehend, wodurch auch die erforderliche Festigkeit zur Aufnahme der Kaminlast durch den Gehäuseaußenmantel gegeben werden kann.

Die Konvektion im Zwischenraum des Doppelmantels führt zu einer ausreichenden Kühlung für eine isolationsfreie Ausführung des Gehäuses der Gasregelklappe Für die Gasregelklappe ist die Form als ;ZyIindersektor mit Umschaltung durch Drehbewegung !vorgesehen. Hieraus folgen eine vorteilhafte Ausbildung der Abdichtung in der Form von Dichtleisten, geringe Abmessungen der Gasregelklappe und ihr schwingungsfreier Betrieb. Für eine Fprmstabilität der Gasregelklappe und damit Sicherheit gegen Verklem-'fnen sowie Aufrechterhaltung der Zuordnung zu den Gegenflächen und damit auch eine zuverlässige Abdichtwirkung sind des weiteren Kaltluftführungen 'durch ihre Hohlwelle und die Gasregelklappe selbst vorteilhaft, die über Bohrungen in der Klappenrückseite in das Abgassystem hinein ausmünden.

Die Oberfläche der Gasregelklappe kann hierbei durch eine lernte Faserisolation zusätzlich thermisch geschützt werden. Die Festpunktlinie von Gasregelklappe und zugehörigem heimgehendem Innengehäuse sind in die Achse der Gasregelklappe gelegt, wodurch ein spannungsfreies Dehnen von der Festpunktlinie ausgehend erfolgt.

Um ein selbsttätiges Ansaugen der Umgebungsluft durch den Raum zwischen Außen- und Innenmantel des Verbindungsabschnitts weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, das Gehäuse dr r^^;ndungsabschnius mit einer oberen, injektorartig ,. gebildeten, gleichfalls mit Innen- und Außenmantel versehenen Verlängerung auszustatten,die zugleich den Strömungsquerschnitt der oberen Austrittsöffnung des Verbindungsabschnitts in denjenigen des Kamins überführt. Durch Mischung der Reingase mit der ihnen zugeführten Umgebungsluft wird die Temperatur der Mischgase so weit abgesenkt, daß Normalstahl als Werkstoff für den an die obere Austrittsöffnung für Reingase angeschlossenen Kamin eingesetzt werden kann und eine Isolierung desselben gleichfalls entbehrlich wird.

Zweckmäßig wird das untere Ende des Kamins in Ergänzung der injektorartigen oberen Austrittsöffnung des Verbindungsabschnitts gleichfalls mit einem Abschnitt eines Innenmantels versehen, der die heißen Reingase gegen die Kaminwandung abschirmt. Dieser unteren Einführung des dem Kamin im Bypaß zum Wärmetauscher unmittelbar zugeführten ersten Reingasteilstroms ist eine obere Einführung des den Wä-metauscher durchströmenden zweiten Reingasteilstroms nachgeschaltet, so daß auch bei geschlossener Stellung der Gasregelkhppe für den ersten Reingasteilstrom und damit fehlender Injektoransaugwirkung der zweite Reingasteilstrom durch seinen thermischen Auftrieb einen ausreichenden Unterdruck im Kamin

erzeugt, um weiterhin Frischluft zur Kühlung des Gehäuses und ggf. der Gasregelklappe sowie des Kaminfußes anzusaugen.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in schematischer Darstellung eine Einrichtung für P^rozeßwärmeerzeugung mit Abgasreinigung durch thermische Nachverbrennung.

Die Brennkammer 1 weist einen Brenner 3 auf, dessen Flamme in einer Vorbrennkammer 5 zential im Innern der Brennkammer ausgebildet wird. Durch den Gehäuseslutzen 7 der Brennkammer wird das Abgas oder die Abluft der verfahrenstechnischen Anlage zunächst dem Raum 9 zwischen dem inneren und äußeren Mantel der Brennkammer zugeführt, durchströmt diesen im Gegenstrom zu den zentral im Inneren strömenden Mischgasen aus Brennergasen und Abgas oder Abluft der verfahrenstechnischen Anlage zu ihrer thermischen Nachverbrennung. Diese Abgase oder die Abluft werden aus dem Mantelraum der Brennkammer im Bereich 9' des Brenners um 180° umgelenkt und unmittelbar hinter der Vorbrennkammer den Flammengasen zugemischt. Die die Brennkammer verlassenden Reingase treten zunächst in den Verbindungsabschnitt 10 ein, in dem auf einer horizontal verlaufenden Drehwelle Ί2 die Gasregelklappe 14 zwischen einer den unmittelbaren Zutritt zum Kamin 33 und einer den Zutritt zum Wärmetauscher 21 verschließenden Stellung stufenlos gedreht werden kann.

Die Reingase lassen sich somit in zwei Teilströme in einem beliebigen Mengenverhältnis in Anpassung an den Wärmebedarf des verfahrenstechnischen Prozesses aufteilen. Der in den Wärmetauscher 21 eintretende Teilstrom überträgt hierbei seine Wärme an den zur Beheizung der Anlagenkomponenten vorgesehenen Wärmeträger, der über de Stutzen 23 ein- und durch den Stutzen 25 austritt. Der dem Wärmetauscher zugeteilte Teilstrom der Reingase durchströmt nach Verlassen des Wärmetauschers nacheinander einen 135°-Gaskrümmer 27, einen Rohrleitungsabschnitt 29 und einen weiteren Gaskrümmer, der, als Kaminstutzen 31 ausgeführt, die Gase unmittelbar in den Kamin 33 einführt.

Der je nach Stellung der Gasregelklappe größere oder kleinere, dem Kamin 33 direkt zugeleitete Ringasteilstrom wird über den als Injektor ausgebildeten Abgang 16 des Verbindungsabschnitts zentral in das Kamininnere eingeleitet. Beide Reingasteilströme saugen — der durch den injektorartigen Abgang geführte, höher temperierte und damit gefährdendere verstärkt — durch die öffnungen 18 am unteren Ende des Gehäuses 10 Luft aus der Umgebung an. Diese kühlt beim Durchströmen des Raumes zwischen innerem und äußerem Mantel des Verbindungsabschnitts dessen Wandungsteile.

Der als Treibdüse ausgebildeten Mündung des Abgangs 16 des Gehäuses der Gasregelklappe ist ein Staukörper 17 mit einstellbarem Abstand zugeordnet. wodurch sich das Mischungsverhältnis von Rtingasen und aus der Umgebung durch den Mantelzwischenraum des Verbindungsabschnitts 10 angesaugter Umgebungsluft verändern läßt.

Während aar Außenmantel des Verbindungsab-Schnitts kaltgehend ist, sind Innenmantel und Gasregelklappe heißgehend, wodurch die Festigkeit zur Aufnahme der Kaminlast durch den Außenmantel des Gehäuses gegeben wird.

Zur Kühlung der Gasregeiklappe und der Klappenwelle mittels eingeführter Umgebungsluft ist eine Hohlwelle vorgesehen, deren Hohlraum mit dem der Gasregeiklappe und über Bohrungen in deren Rückseite mit dem umgebenden Gasinnenraum in Verbindung steht

Im Inneren des Kamins ist im Bereich des unteren Endes zur Erzeugung einer wandnahen, abschirmenden Luftströmung ein Innenmantelabschnitt 35 angeordnet. In der Ebene dieses Bereichs zwischen Innenmantelabschnitt und Kaminwandung ist ein Stutzen 37 vorgesehen, durch den die Möglichkeit gegeben ist, weitere Umgebungslüft dem Kamin zur Herabsetzung der Temperatur der Mischgase zuzuführen-

Der Darstellung ist nur ein dem Verbindungsabschnitt mit der Gasregeiklappe nachgeschalteter Wärmelauscher zu entnehmen. Im Rahmen der Erfindung liegt ein diesem Wärmetauscher bzw. dem Verbindungsabschnitt wahlweise rauchgasseitig nachgeschalteter weiterer

5 oder auch weitere Wärmetauscher als zusätzliche Stufen für die Absenkung der Gastemperatur und zugleich Restwärmenutzung. Vorzugsweise wird dieser bzw. werden weitere Wärmetauscher an einen vertikal nach oben verlängerten Abgang des Verbindungsab-Schnitts angeschlossen. Für wahlweises Beaufschlagen auch dieser bzw. weiterer Stufen werden zweckmäßig weitere Gasregelklappen im verlängerten Abgang des Verbindungsabschnitts der ersten riachgeschaltet vorgesehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung für Prozeßwärmeerzeugung und Abgasreinigung durch thermische Nachverbrennung mit einer Brennkammer und einem Wärmetauscher, die in Richtung des Abgasstroms in Reihe hintereinander geschaltet sind, unter Herausführung eines Gasteilstroms aus einem Brennkammer und Wärmetauscher miteinander verbindenden Abschnitt, d a durch gekennzeichnet, daß innerhalb des Verbindungsabschiiitts (10) zwischen Brennkammer (1) und Wärmetauscher (21) eine Gasregelklappe (14) angeordnet ist, die wahlweise zwischen einer den Strömungsweg zum Wärmetauscher (21) und einer den Strömungsweg zum Kamin (33) öffnenden bzw. verschließenden Endstellung zu verschwenken ist, ferner dadurch, daß der Mantel dieses Verbindungsabschnitts (10) untere Öffnungen (18) gegenüber der Atmosphäre und ein weiterer innerer Mantel obere öffnungen zum umschlossenen Gasraum aufweist, um Umgebungsluft selbsttätig anzusaugen und durch den Mantelzwischenraum in den Gasraum zu führen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dem zum Kamin (33) führenden Reingasaustritt (16) des Verbindungsabschnitts (10) zentrisch zugeordneten, in der Höhe einstellbaren Staukörper(17) zur Veränderung des Mischungsverhältnisses von Reingasen und aus der Umgebung selbsttätig angesaugter, durch den Mantelzwischenraum in den Gasinnenraum eingeführter Umgebungsluft.