DE3014269C2

DE3014269C2 - Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung von Störstoffen in Abluft- und Abfallsubstanzen

Info

Publication number: DE3014269C2
Application number: DE3014269A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Betz; Herbert J. 6467 Hasselroth 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: 1982-11-25
Also published as: EP0040690B1; ATE5022T1; EP0040690A1; DE3014269A1; DE3161162D1

Description

a) die aa deren Enden der Rohre sind annähernd rechtwinklig nach innen zu einer den Brennervorbau (14) konzentrisch umgebenden Trommel (6) abgebogen und in diese eingefügt;

b) die Trommel (6) ist an dem den Brennereingang abgewandten Ende mit einem Anströmkonus (7) verbunden, welcher andererseits unter Bildung einer Venturidüse {ta) mit der Mischvorrichtung und dem Hochgeschwindigkeitsrohr (1) veibunden ist

2. Verbr?nnungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (6) an dem den Brennereingang zugewandten Ende mit einer beweglichen Trennwand (8) verbunden ist, die sich bis zur Außenwand der \ erbrennungseinrichtung erstreckt.

3. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (6) zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung von Störstoffen in Abluft und von Abfallsubstanzen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

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 gesetzlichen Bestimmungen dies verlangen.

Eine derartige Verbrennungseinrichtung ist aus US-PS 36 07 118 und aus DE-AS 23 52 204 bzw. der Zettschrift »Öl- und Gasfeuerung«, Heft 4, S. 234 (1977) bekannt. Bei den bekannten Vorrichtungen werden die Gase durch einen rekuperativen Wärmetauscher 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 bzw. der genannten Zeitschrift bekannten Verbrennungseinrichtung ist der Wärmetauscher als ein sich konzentrisch zur Längsachse innerhalb der Verbrennungseinrichtung erstreckendes Rohrbündel aus geraden Rohren ausgebildet, deren Enden jeweils in Lochplatten eingeschweißt sind. Der Brenner feuert in ein vom Wärmetauscher umgebenes Flammrohr, wobei die Anströmbedingungen der Abluft zum Brenner und dem Flammrohr noch verbesserungsbedürftig sind.

Die bekannte konstruktive Gestaltung des Wärmetauschers bei der in der genannten Patentschrift und der Aus'egeschrift beschriebenen Vorrichtung kann sich jedoch a's nachteilhaft erweisen, wenn die Verbrennungseinrichtung nur zeitweilig betrieben #ird. In Aufheiz- und Abkühlphasen und bei schwankenden ίο Betriebszuständen erhalten die einzelnen Rohre des Wärmetauscherbündels unterschiedliche Temperaturen, und es entsteht damit eine unterschiedliche Ausdehung, die zwangsläufig zu Spannungen an den Endplatten führt, so daß es zum Ausreißen einzelner Rohre oder Rißbildung an den Endplatten kommen kann.

In Dubbels »Taschenbuch für den Maschinenbau«, Band 1, Heidelberg 1953, S. 722 ist beschrieben, Längenänderungen von Rohrleitungen durch eingefügte Bogen z. B. in Lyraform auszugleichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile der bekannten Anlagen zu vermeiden und eine Verbrennungseinrichtung zu schaffen, bei der die Anströmbedingungen des Brenners so verändert werden, daß die Mischung der Abluft mit den Brennergasen verbessert wird.

Diese Aufgabe wird gelöst bei einer Verbrennungseinrichtung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die Ausbildung des einen Endes des Wärmetauschers als konzentrisch angeordnete, vorzugsweise zylindrische oder kegelige Trommel entsteht in ihrem Inneren ein Anströmraum für die vom Brenner gebildete eigentliche Flamme.

Es wurde gefunden, daß eine konrollierte Zuführung der Abluft durch die abgebogenen Rohrenden der Rohre des Wärmetauschers und durch die Ausbildung des Anströmraumes, an den sich auf der dem Brenner abgewandten Seite eine Venturidüse anschließt, die Einleitung der Abluft in den Brenner und die Mischung der Abluft mit den Brennergasen verbessert wird. Durch die Biegung der einzelnen Rohre des Wärmetauschers in Richtung auf die Achse der Verbrennungseinrichtung und das Eindringen der Rohrenden in eine konzentrisch um die Längsachse angeordnete, vorzugsweise zylindrische oder kegelige so Lochtrommel, wird dieses Ende des Wärmetauschers nicht mehr direkt von den heißen Rauchgasen angeströmt, sondern diese werden durch eine Verbindungswand so ab- und umgelenkt, daß sie auf ein noch nicht abgebogenes Teiistück des Rohres auftreffen. Dies hat zur Folge, daß die thermische Belastung der Verbindungsstellen zwischen den Rohrenden und der Trommel gleichmäßiger wird. Durch das Abbiegen in Winkeln zwischen 45° und 120°, vorzugsweise annähernd 90° konzentrisch nach innen, werden Kräfte, die durch Wärmeausdehnung auf die Rohre in Längsrichtung wirken, aufgehoben und abgelenkt, so daß sich an beiden Enden der Rohre des Wärmetauschers keine mechanischen Spannungen mehr aufbauen und ein Ausreißen der Rohre aus der Endplatte bzw. der Lochtrommel oder Rißbildiing an der Endplatte sicher und zuverlässig vermieden wird.

Dies ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen konstruktiven Gestaltung und stellt ebenfalls eine

Beseitigung eines Nachteiles der bekannten Anlagen dar.

Bei der Erfindung ist innerhalb des Anströmmumss im Abstand von der Trommel ein Brennervorbau vorgesehen, so daß 7wischen dem Ende des Brenne: ver biui. 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 Anströnii«air: Seienden 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.

Das Flammrohr oder Hochgeschwindigkeitsrohr ist im Querschnitt sehr eng ausgebildet, so daß darin Strömungsgeschwindigkeiten von 40 bis 60 m/sec erreicht werden. Das dem Brennervorbau zugewandte Ende des Flammrohres ist konisch als Venturidüse 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 Wärmetauscherendes und des Anströmraumes wird eine so intensive Vormischung des Abgases mit dem Brennstoff 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 eigentl'chen 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 m^J, nber auch von 20 000 m³ in einer besonders kompakten Bauweise auszuführen und mit diesen Anhgen Störstoffg^halte 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 der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung besteht aber darin, daß sie produktionsbedingte Betriebsunterbrechungen zuläßt, ohne daß sich beim Aufheizen und Abkühlen Wärmespannungen, insbesondere im Bereich des Wärmetauschers, aufbauen können, die zu Schaden in der Einrichtung führen können.

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

F i g. I zeigt eine Ausführi'r.gsform der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung in Längsschnitt.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt längs der Linie A-B von Fig. 1.

CfO in Fig. 1 wiedergegebene Vei brennungstinndv iursfc, Gesteht aus einem in der Länge variierbaren und in seinem Querschnitt engen Hochgeschwindigkeitsrohr 1, j deii'cii hinterer Ende in den eigentlichen Brennrs.irn 4 ragt Vorzugsweise reicht das Hochgeschwindigkeitsrohr 1 weit in den Brennraum hinein, so daß zwischen dessen Ende und der Stirnwand der Verbrennungseinrichtung ein Ringraum entsteht, der einen Übergang in ίο 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 zusätzlionen Drall zu geben und die Turbulenz zu erhöhen. Dadurch wird auch die Vciweilzeit von Feststoffteilchen in dem Brennraum 4 erhi/nt so daß sich der Abbrand der Teilchen verbessert

Das entgegengesetzte Ende la des Hochgeschw'ndigkeits- oder Flammrohres (HGR) 1 ist als Venturirohr oder -düse ausgebildet und dient als Mischvorrichtung oder zusätzlicher Mischraum. Der Ringraum 9, der das HGR 1 teilweise umgibt, dient als Nachbrennraum und schließt sich an den Brennraum 4 an. Axial in Verlängerung an die Venturidüse la des HGR 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 HGR 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 !5 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 Venturidüse Xa des Hochgeschwindigkeitsrohres 1 verbunden. Die andere Stirnseite der Trommel 6 ist über die Trennwand 8 mit der Außenwand der Verbrennungseinrichtung verbunden und schließt so den Ansträmi juvTi 15 gegen den Außenraum 17 ab. Diese Trennwand ist vorzugsweise als bewegliche Membran ausgebildet oder weist Wellkompensatoren auf.

Die Trommel 6 weist eine zylindrische oder Kegelstumpf-Form auf, und die Wandung ist durchlöchert zur Aufnahme der Er: Jen der einzelnen Rohre des Rohrbündeis des Wärmetauschers 5. Diese Rohre sind in die Löcher der Trommel eingesehweißt oder eingerollt, um eine gasdichte Verbindung zu erzeugen. In der Figur sind die einzelnen Rühre des Wärmetauscherrohrbündels 5 ni- h\ als solcne, sondern nur als Block v/i rdergegeben. D^:« einzelnen Rohre sind au.' ">r 6¹^ Längsachse konzentrischen Ki eisringen angeoidnc! Der Abstand us.J die Anordnung werden so gewählt, daß die Sförrungsgeschwindigkeit der Gase an der Oberfläche der Rohre gleich ist. Vorzugsweise benagt

die Strömungsgeschwindigkeit 8— I8m/sek. Dieses Rohrbündel erstreckt sich von der Trommel 6 zunächst in Richtung auf die Außenwand der Verbrennungseinrichtung und biegt dann in eine Richtung parallel zur Längsachse der Verbrennungseinrichtung ab und > verläuft durch den Außenraum 17 des Wärmetauschers 5 und endet an der Stirnwand zur Abgaseintrittsringkammer 12. Auch an diesem Ende sind die einzelnen Rohre des Rohrbündels in die Wand eingeschweißt oder eingerollt. Durch diese Ausbildung, des Rohrbündel 5 ι» im Außenraum 17 entsteht ein rekuperativer Wärmetauscher, bei dem die kalten Gase in den Rohren strömen und wobei diese Rohre außen im sogenannten Außenraum 17 von den heißen Verbrennungsgasen umspült sind, so daß das der Verbrennungseinrichtung ιϊ zugeführte Abgas durch die heißen Verbrennungsgase vorgewärmt wird. Der Außenraum des Wärmetauschers 17 weist an dem an die Eintrittsringkammer 12 anschließenden Ende einen Verbrennungsaustrittsstutzen 11 auf. Das Rohrbündel 5 wird innerhalb des Außenraumes 17 durch Abstandshalter 5a gehalten, die so angeordnet und ausgebildet sind, daß die Gase einen Drall bekommen und sich spiralförmig durch den Raum 17 mit dem darin angeordneten Rohrbündel 5 bewegen, so daß ein guter Wärmeübergang von den heißen >-5 Verbrennungsgasen auf die zunächst kühleren Abgase erfolgt.

Fig. 2. ein Schnitt längs der Linie A-B der Fig. 1. zeigt die nach innen in Richtung auf die Längsachse der Verbrennungseinrichtung abgebogenen Enden der jo Rohre des Wärmetauscherrohrbündels 5, die in die Trommel 6 eingefügt sind. Der zwischen dem Brenner- " vorbau 14 und der Trommel 6 im Innern entstehende Raum ist der Anströmraum 15.

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

20 000 Nm³ Abgas aus einem Prozeß, in weichem verschiedenartige Lösungsmittel Verwendung finden, strömen durch den Abgaseintrittsstutzen 10 in die Abgaseintrittsringkammer 12 vor dem Wärmetauscher der Verbrennungseinrichtung mittig von oben bzw. tangential von oben mit beispielsweise 100^CC ein. Das Abgas verteilt sich gleichmäßig in der gesamten Anzahl 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 so eigentlichen Flamme 3. während ein anderer Teilstrom durch den Ringspalt 2 direkt in den Venturidüse la (Mischvorrichtung) des Rammrohres 1 eintritt Der Teiistrom, der durch Brennervorbau 14 zur Flamme 3 gelangt, führt der Flamme den benötigten Sauerstoff zu und mischt sich durch die Anströmung intensiv mit dem Brennstoff. Der durch den Ringspalt 2 eintretende Abgasstrom wird in der Venturidüse 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 I, 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 8O⁰C auf etwa 630°C statt. Am Ende des Flammrohres 1 werden die durchgemischten Abgase gegebenenfalls durch zusätzliche Dralleinrichtungen verwirbelt und umgelenkt, gelangen dabei in die pigpntlirhp Rrpnn- odpr Wirhplkammpr 4. wo sip. sirh um weitere 120⁰C auf etwa 75O°C aufheizen (Eigenwärme aufgrund exothermer Reaktion). An der Stirnseite der Verbrennungseinrichtung, d. h. der eigentlichen 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 des Nachbrennraumes 9 werden die Gase an der Verbind« />gswand zwischen Flammrohr und zylindrischer Trommel ab- und umgelenkt in den Außenraum 17 des Wärmetauschers. In einer bis mehreren Umlenkungcn durchströmt das oxidierte heiße Rauchgas das RingbündCi (Röhren- oder TaschcTibündel) des Wärmetauschers 5, wobei das Rauchgas das Rohrbündel von innen nach außen oder von außen nach innen umströmt. Dadurch werden die heißen Rauchgase ai'^f <»rwa 315⁰C abgekühlt und verlassen duiui oen Austrittsstutzen Il 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 3:orstoffe im Abgas kann unverbranntes Abgas über einen den Eintrittsringraum 12 und das Flammrohr verbindenden, in der Abbildung nicht gezeigten Durchhang, der dann geöffnet wird, direkt in das Flammrohr eingedost werden, ohne daß dieser Teil des Abgases vorher im Wärmetauscher aufgeheizt 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 Temperaturmeßeinrichtungen angeordnet sein.

Hierzu 1 Blatt Zcichnuncen

Claims

Patentansprüche:

1. Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung von Störsteffen in Abluft und von Alifallsubstanzen 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, bei dem die einzelnen Rohre des sicli parallel zur Längsachse erstreckenden Rohrbündels an einem Ende in die Stirnwand des Ablufteintrittsringraumes eingefügt sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: