DD260413A3 - Verbrennungssystem fuer heizwertarme gase - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungssystem zur Verwertung ungenutzter Sekundaerenergietraeger in Form von heizwertarmen, in der Zusammensetzung schnell und stark schwankender staubhaltiger Gase. Erfindungsgemaess soll ein Verbrennungssystem entwickelt werden, welches eine Mischungsintensitaet von Brenngas und Verbrennungsluft bewirkt, um Gase mit geringen Heizwerten 1 200 kJ/Nm3 und Staubgehalten von 0,4 g/Nm3 ohne Zusatzbrennstoff industriell verwerten zu koennen. Erreicht wird dies durch ein aus Brenner 1, Brennermuffel 7 und Brennkammer 8 bestehendes Verbrennungssystem, wobei der Brenner 1 eine als Doppelmantel ausgebildete, zweieinhalb Umlaeufe aufweisende Brennerspirale 2 und ein diese Brennerspirale 2 unterbrechendes zylindrisches Rohr 3 aufweist. Dem Brenner 1 ist eine aus feuerfesten Baustoffen bestehende zylindrische Brennermuffel 7 zugeordnet. Die dem Brenner 1 nachgeordnete Brennkammer 8 besteht aus einem zylindrischen Teil 8.1, einem die Brennkammer 8 auf ein nachgeordnetes Aggregat verjuengenden konischen Teil 8.2 sowie einem zylindrischen Anschlussstueck 9 mit ausziehbarem Keilstueck 9.1. Erfindungswesentlich sind bestimmte geometrische Verhaeltnisse und Stroemungsbedingungen der einzelnen Anlagenteile des Verbrennungssystems. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungssystem zur energetischen Verwertung heizwertarmer, in der Zusammensetzung schnell und stark schwankender staubhaltiger Gase.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Beheizung von Industrieöfen, Kesseln und wärmetechnischen Einrichtungen werden nach bekannten Verbrennungssystemen flüssige und gasförmige Brennstoffe mit einem Heizwert §1 200kJ/m³ eingesetzt, wobei bei den bekannten Systemen die Verwertung heizwertarmer Gase und die Erzielung einer stabilen Zündung nur mit Zusatzbrennstoffen oder sehr hoher Vorwärmung des Brennstoffs und der Verbrennungsluft möglich sind., DD-WP 121372 beinhaltet einen Drall-Parallelstrom-Brenner. Der hier vorgeschlagene Drall-Parallelstrom-Brenner ist aufgabengemäß speziell für eine Kesselanlage konzipiert und soll vor allem Resonanzerscheinungen zwischen Feuerung und Kesselfeuerraum vermeiden. Hierzu sind eine zentrale Öllanze und sechs bis acht verstellbare Gaslanzen angeordnet. Die Verbrennungsluft kann gedrallt oder im Parallelstrom zugeführt werden. Hierdurch sollen die Schwingungen vermieden werden.

Für die Verbrennung von staubhaltigen (O,4g/Nm³), im Heizwert stark und schnell schwankenden Gasen (ä1 200kJ/m³) kann dieser Brenner absolut nicht verwendet werden. Die Gaslanzen sind für den Gasaustritt mit Bohrungen von geringem Durchmesser ausgerüstet. Beim Einsatz von staubhaltigen Gasen werden diese Bohrungen verstopft und der Brenner funktionsunfähig.

Für solche Gase sind Brenner mit Spalten von größeren Querschnitten erforderlich.

Bei dieser bereits bekannten Lösung mündet der Brenner direkt in einen großen Feuerraum. Die Verwendung heizwertarmer Gase ist aber nur möglich, wenn die Flamme in einer geometrisch exakt definierten Brennkammer aus feuerfestem Material brennt, um durch die Strahlung eine kontinuierliche Zündung zu gewährleisten. Dies ist bei der Lösung gemäß DD-WP 121 372 nicht der Fall. ·

In der DE-OS 2461 394 wird ein Brenner zur Verbrennung von Gasen vorgeschlagen, die die einen solch niedrigen Heizwert aufweisen, daß sie ohne zusätzliche Wärmezufuhr nicht verbrannt werden können. Durch Zugabe von heizwertreichen flüssigen

oder gasförmigen Brennstoffen wird eine solche Umgebungstemperatur erzielt, die eine vollständige Verbrennung eines Gases mit geringen Heiz- oder Wärmewerten, die allein keine Verbrennung gewährleisten, ermöglichen. Dieser bereits bekannte Brenner ist gekennzeichnet durch ein zylindrisches, mit einer waagerechten Achse und einer hitzebeständigen Auskleidung versehenes Metallgehäuse, das an einem ersten Ende verschlossen und an einem zweiten Ende an einer Ofenwand abringbar ist, wobei die hitzebeständige Auskleidung drei abgestufte Durchmesser aufweist, ferner durch eine Verbrennungslufteintritts-Einrichtung, durch die hindurch in Längsrichtung Verbrennungsluft an einem ersten Durchmesser durch einen ringförmigen Kanal hindurch in das geschlossene Ende des Brenners eintritt, weiterhin eine Brenhstoffgaseintritts-Vorrichtung zur tangentialen Zuführung von Brennstoffgas unter Druck im Bereich eines zweiten, größeren Durchmessers, die in axialer Richtung von derVerbrennungslufteintritts-Vorrichtung mit Abstand getrennt ist, und durch eine Eintrittsvorrichtung für mageres Gas, durch die ein Gas mit niedrigem Heizwert in tangentialer Richtung im Bereich eines dritten, größeren Durchmessers einführbar ist, wobei die letztgenannte Vorrichtung in axialer Richtung von der Brennstoffgaseintritts-Vorrichtung mit Abstand getrennt ist und der dritte Durchmessersich über die übrige Länge des Gehäuses fortsetzt.

Nachteile dieses bereits bekannten Brenners bestehen darin, daß er bei Armgas nicht die volle Wärmeleistung wie beispielsweise bei der Verwendung von hochwertigen Brennstoffen gewährleistet und eine Einsatzmöglichkeit von staubhaltigen Gasen ausschließt.

Im DD-WP. 153218 wird weiterhin ein Zweistoffhochgeschwindigkeitsbrenner großer Leistung für Wärmeöfen vorgeschlagen. Dieser Brenner ist für die Verbrennung von schwerem Heizöl und Gas zur Erreichung hoher Temperaturen und Leistungen entwickelt, die einen starken Verschleiß nach sich ziehen. Hierbei muß davon ausgegangen werden, daß Gas mit gleichbleibendem Heizwert von über 12 000 kJ/Nm³ eingesetzt wird. Für die Verwertung eines staubhaltigen heizwertarmen und in der Zusammensetzung stark schwankenden Gases ist dieser Brenner nicht verwendbar.

Gemäß Fig. 1 ist hinsichtlich der Art der Zufuhr des Gases auf Parallelstromzugabe zu schließen. Die Verbrennungsluft für Gas und Öl strömt gemeinsam durch eine kreisförmige Öffnung in den Verbrennungsraum. Eine intensive Mischung zwischen Gas und Verbrennungsluft wird dabei nicht erreicht, so daß ein Gas mit geringerem Heizwert nicht zündet. Der Brenner bietet auch keine Regelmöglichkeit bei Heizwertschwankungen. Der Hochgeschwindigkeitsbrenner bringt eine sehr heiße Flamme, dadurch hohe Feuerraumbelastung, so daß die Feuerfestauskleidung schnell verschleißt und die Möglichkeit geschaffen wurde, durch Halbschalen einen schnellen Austausch des Feuerfestmauerwerkes zu erzielen. Der vordere Teil der Brennkammer ist außen quadratisch ausgeführt und somit für die Verwendung bei Drehofen nicht geeignet, da die Überführung von Brennkammer zum Ofen kreisförmig erfolgen muß. Darüber hinaus ist der vordere Teil der Brennkammer als Düse ausgebildet. Das Verhältnis zum zylindrischen Teil beträgt annähernd 1:2,5 und ist für Gase mit genannten hohen Staubgehalten nicht geeignet. In der DE-OS 3036624 wird eine Kombination eines Rotationszerstäubers, welcher Teil eines an der Kesseltür angebauten Brenners bildet, mit einem nachgeschalteten, in den Feuerraum vorstehenden Flammenführungseinsatz, welcher mindestens teilweise aus feuerfestem Material besteht, vorgeschlagen.

Diese Lösung ist ausschließlich zur Verbrennung von Heizölen einsetzbar und für heizwertarme Gase keineswegs geeignet, da Brennerund Brennkammerden gleichen Durchmesser aufweisen. Das feuerfeste Mauerwerk wird durch Wassergekühlt. Das ist infolge der Verwendung von Öl, welches eine heiße Flamme besitzt, notwendig. Bei der Verwendung heizwertarmer Gase ist als Voraussetzung für eine kontinuierliche Verbrennung ansteile einer Kühlung ein Wärmestau zu bewirken. Alle bereits bekannten technischen Lösungen müssen bei Einsatz von heizwertarmen Gasen mit Zusatzbrennstoffen arbeiten, um diese stabil verbrennen zu können. Die Zusatzbrennstoffe werden notwendigerweise durch Bohrungen oder durch enge, spaltförmige Querschnitte eingebracht, die für den Einsatz von staubhaltigen Gasen (O,4g/Nm³) nicht geeignet sind. Alle bereits bekannten Verbrennungssysteme weisen keine konstruktiven Merkmale hinsichtlich einer definierten Brennkammer sowie einer Verbindung von Brenner und Brennkammer als wesentliche Voraussetzung zur Verbrennung heizwertarmer, staubhaltiger Gase im Drehrohrofen auf.

i Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Verbrennungssystem, mittels welchem ungenutzte, ökonomisch nicht bewertete Anfallenergie in Form heizwertarmer, staubhaltiger Gase ohne zusätzliche anlagentechnische Einrichtungen einer industriellen Nutzung zugeführt wird und durch eine Verringerung der Schadstoffemission verbesserte Umweltbedingungen geschaffen werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungssystem zu entwickeln, mittels welchem eine Mischungsintensität von Brenngas und Verbrennungsluft erreicht wird, die es ermöglicht, Gase mit geringen Heizwerten =1 200kJ/Nm³ und Staubgehalten von =gO,4g/Nm³ ohne Zusatzbrennstoff bei niedrigen Vorwärmtemperaturen des Gas-Luftgemisches bis 150⁰C und bei Gewährleistung einer Flammenausbildung, die die Innenwandtemperatur der Brennkammer 100K über der Zündtemperatur des Gases hält, einzusetzen.

Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verbrennungssystem erreicht, welches aus einem einen intensiven Mischeffekt bewirkenden Brenner mit als Doppelmantel ausgebildeter Brennerspirale und innerhalb dieser Brennerspirale angeordnetem zylindrischem Rohr, einer zur Gewährleistung einer günstigen Ausbildung der Flammenwurzel dienende, dem Brenner nachgeordnete zylindrische Brennermuffel und aus einer aus einem zylindrischen und konischen Teil sowie zylindrischem Anschlußstück bestehenden, mit Feuerfestmaterialien ausgekleideten Brennkammer gebildet wird.

Die Brennerspirale weist zur Erreichung einer optimalen Mischung mindestens zweieinhalb bis drei Umläufe aus und ist zentrisch durch das zylindrische Rohr so unterbrochen, daß im Kernbereich der Flamme ein Temperaturprotential durch Rückströmung erzielt wird, wodurch die Flamme bei geringen Flammengeschwindigkeiten am Brennermund gehalten werden kann. Das Verhältnis des Durchmessers D_z des zylindrischen Rohres zum Durchmesser D_s des Brenners beträgt 1:4. Zur störungsfreien Arbeit mit staubhaltigen Gasen ist das Spaltenflächenverhältnis zwischen Gas und Verbrennungsluft 1:0,42 bei einer Mindestspaltweite bei Gas von 80mm

Die zur Erreichung der erforderlichen Flammenstabilität und eines optimalen Regelbereichs des Brenners dienende zylindrische

Brennermuffel besteht aus feuerfesten Baustoffen mit einer Druckfeuerbeständigkeit von 1470K. Das Verhältnis von Länge L_M der Brennermuffel zum Brennermuffeldurchmesser D_M ist 0,5.

Zwecks Gewährleistung der Eigenverbrennung und der erforderlichen Flammenstabilität und Flammengeometrie erfordert der zylindrische Teil der Brennerkammer eine spezielle Ausbildung und eine spezielle Zweischichten-Feuerfestauskleidung, die außenseitig durch einen Stahlmantel umschlossen ist.

Der zylindrische Teil der Brennkammer hat einen Innendurchmesser D_Bk des 2,4fachen vom Brennermuffeldurchmesser D_m, während das Verhältnis Innendurchmesser Dbk zu seiner Länge L_BK1:1,5 beträgt. Bei nichtzylindrischen Querschnitten ist für den Brennkammerdurchmesser D_BK der hydraulische Durchmesser einzusetzen.

Zur Sicherung der Brennkammer-Innenwandtemperatur in allen Leistungsstufen von mindestens 100K über der Zündtemperatur des zu verwertenden heizwertarmen Gases zwecks dessen stabiler Zündung besteht die Feuerfestauskleidung des zylindrischen Teils der Brennkammer aus einer Innenschicht, Stärke 0,11 des Brennkammerdurchmessers Dbk, Temperaturbeständigkeit von 1400 K und einer Wärmeleitfähigkeit λ = 4,18 bis 4,60kJ/mhK sowie aus einer Außenschicht,

Stärke 0,06 des Brennkammerdurchmessers D_BK mit einer Wärmeleitfähigkeit λ= 1,25 kJ/mhk.

Gleichfalls zur Gewährleistung der Flammengeometrie ist dem zylindrischen Teil ein konischer Teil nachgeordnet. Dieser hat vergleichsweise zum zylindrischen Teil der Brennkammer ein Verjüngungsverhältnis von 1,3:1. Die Länge des konischen Teils beträgt 0,5 des Durchmessers des ihm zur Gewährleistung eines vollständigen Ausbrandes nachgeordneten zylindrischen Anschlußstückes. Zur Minimierung von Speicherwärmeverlusten der Brennkammer bei kurzfristig notwendigen Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten am Verbrennungssystem ist im zylindrischen Anschlußstück ein ausziehbares Keilstück mit einer größten Längsausdehnung von 0,45 des Durchmessers des zylindrischen Anschlußstückes und mit einer brennerseitigen Neigung von 10° vorgesehen,

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel naher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Schnittdarstellung von Brenner, Brennermuffel und zylindrischem Teil der Brennkammer; Fig. 2: Schnitt A-A gemäß Fig. 1;

Fig. 3: Schnittdarstellung des Verbrennungssystems.

Die Erfindung wird am Beispiel der Erztrocknung in einem metallurgischen Betrieb dargelegt, wobei das Verbrennungssystem an einem Drehrohrofen angeordnet ist. Zur Verfügung steht ein im Schachtofenprozeß anfallendes Gichtgas mit einem Durchschnittsheizwert von §1 200kJ/Nm³ mit schwankendem CO-Gehalt und Staubgehalten von ^0,4g/Nm³. Wie aus Fig. 1 bis 3 ersichtlich, besteht das Verbrennungssystem aus einem Brenner 1 mit nachfolgend angeordneter zylindrischer Brennermuffel 7 sowieeiner dieser Brennermuffel 7 nachgeschalteten, mit Feuerfestmaterialien ausgekleideten Brennkammer 8. Der Brenner 1 besteht aus einer als Doppelmantel ausgebildeten Brennerspirale 2 mit zweieinhalb Umläufen, einem diese Brennerspirale 2 zentrisch unterbrechenden zylindrischen Rohr 3 und weist darüber hinaus eine Gaszufuhr 4 sowie Verbrennungslufzufuhr 5 auf, wobei von letzterer eine Kühlluftzufuhr 6 in die Brennkammer 8 abgezweigt ist. Eine Kühlung ist deshalb notwendig, da die Gase nach dem zylindrischen Anschlußstück 9 und Eingang in den Drehrohrofen 14 1000K nicht überschreiten dürfen, da sonst verschiedene Bestandteile des zu trocknenden Gutes verflüchtigen würden. Im Doppel mantel der Brennerspirale 2 wird das Gas und zwischen dem Doppel mantel die notwendige Verbrennungsluft geführt. Das Spaltenflächenverhältnis zwischen Gas und Verbrennungsluft beträgt 1:0,42 bei einer Spaltweite bei Gas von 80mm. Das Verhältnis Durchmesser D₂ des zylindrischen Rohres 3 zum Durchmesser D₆ des Brenners 1 ist 1:4. Zur Gewährleistung einer günstigen Ausbildung der Flammenwurzel ist dem Brenner 1 eine aus feuerfesten Baustoffen mit einer Druckfeuerbeständigkeit von 1470K bestehende zylindrische Brennermuffel 7 zugeordnet. Die Länge Lm der Brennermuffel 7 ist 0,5 des Brennermuffeldurchmessers D_M. Die zur Gewährleistung der Eigenverbrennung und der erforderlichen Flammenstabilität dienende, dem Brenner 1 und der Brennermuffel 7 nachgeordnete Brennkammer 8 besteht aus einem zylindrischen Teil 8.1, einem die Brennkammer 8 auf den Durchmesser des nachfolgenden Drehrohrofens verjüngenden konischen Teil 8.2 mit einem Verjüngungsverhältnis von 1,3:1 und einem zylindrischen Anschlußstück 9 zum Drehrohrofen mit ausziehbarem Keilstück 9.1. Die Keilneigung beträgt brennerseitig 10°. Das Keilstück 9.1 besitzt eine sattelförmige Lagerung zwischen Ober-und Unterteil mit seitenversetzter Abdichtung durch wechselseitige Überlappung. Durch zweiseitig angeordnete Druckschrauben ist ein Lösen des Keilstückes 9.1 ohne Verschiebung des Gesamtsystems möglich. Hierdurch können Reparatur- und Wartungsarbeiten poblemlos durchgeführt und Ausfallzeiten gesenkt werden.

Der zylindrische Zeil 8.1 der Brennkammer 8 ist durch folgende erfindungswesentliche geometrische Verhältnisse gekennzeichnet:

DrarinermuffGlclurchneoc3r D.. I

Der Forderung, zur fortlaufenden Zündung des zu verbrennenden Gas-Luftgemisches die Brennkammerinnenwandtemperaturen im vorgegebenen Regelbereich des Brenners von 3000 bis 15000Nm³ Gas/h mindestens 100 K über der Zündtemperatur des zu verfeuernden heizwertarmen Gases zu halten, wird durch die im zylindrischen Teil 8.1 der Brennkammer 8 vorgesehene Feuerfestauskleidung 10, bestehend aus einer Innenschicht 10.1 mit einer Stärke von 0,11 des Brennkammerdurchmessers D_Bi<und einer Temperaturbeständigkeit des Feuerfestmaterials von 1400 K bei einer

Wärmefeitfähigkeit X = 4,18kJ/mhK sowie einer Außenschicht 10.2 mit einer Schichtstärke von 0,06 des

Brennkammerdurchmcssers Dbk und einer Wärmeleitfähigkeit X = 1,25kJ/mhK, entsprochen. Außenseitig ist die Brennkammer 8 mit einem Stahlmantel 11 umschlossen.

Die Brennkammer 8 weist zur Kontrolle des Verbrennungsvorgangs und zur Gewährleistung der erforderlichen Sicherheit eine Flammenüberwachung 12 sowie eine Explosionsklappe 13 auf. Beim Anfahren des Verbrennungssystems wird die

Brennkammer 8 zunächst durch Ölfeuerung auf eine Innenwandtemperatur von 800 K gebracht und danach das Gas-Luftgemisch über den Brenner 1 zugegeben.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verbrennungssystems besteht darin, daß die Erztrocknung in einem

Drehrohrofen, die bisher ausschließlich durch Ölfeuerung durchgeführt wurde, durch heizwertarme, staubhaltige Gase realisiert werden kann. Das bedeutet Verwertung bisher ungenutzter Sekundärenergieträger und somit Substitution von hochwertigen Heizölen und Reichgasen durch eigene Brennstoffe bei gleichzeitiger Verringerung der Umweltbelastung durch industrielle

Abgase.

Durch die geringe Baugröße und die Gestaltung der Brennkammer sind ein Einbau in vorhandene Anlagen bei begrenztem Raum sowie technologisch notwendige Reparaturen an nachgeordneten Aggregaten bei heißer Brennkammer möglich. Das bedeutet Energieeinsparung für die Aufheizung und Erhöhung der Zugriffszeit dieser Aggregate.

Weitere Vorteile bestehen in einer leichten Auswechselbärkeit des Brenners sowie in der Erzielung der vollen ausgelegten

Wärmeleistung sowohl mit Armgas als auch mit Zusatzbrennstoff bei Ausfall des Armgases und auch im kombinierten Betrieb Armgas-Zusatzbrennstoff in allen Variationsmöglichkeiten.

Claims (4)

1. Verbrennungssystem für die heizwertarme, in der Zusammensetzung schnell und stark schwankende, staubhaltige Gase, bestehend aus einem Brenner mit Spirale für Gas- und Verbrennungsluftzufuhr sowie einer aus einem zylindrischen und konischen Teil mit nachfolgend angeordnetem zylindrischem Anschlußstück mit ausziehbarem Keilstück bestehenden Brennkammer, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erreichung eines optimalen Mischeffektes der Brenner (1) eine als Doppelmantel mit zweieinhalb bis drei Umläufen ausgebildete Brennerspirale (2) und ein diese Brennerspirale (2) unterbrechendes zylindrisches Rohr (3) aufweist, wobei das Verhältnis des Durchmessers D₂ des zylindrischen Rohres (3) zum Durchmesser D₆ des Brenners (1) 1:4 und das Spaltenflächenverhältnis von Gas und Verbrennungsluft 1:0,42 bei einer Mindestspaltweite bei Gas von 80mm beträgt, daß zur Gewährleistung einer erforderlichen Flammenstabilität eine aus feuerfesten Baustoffen mit einer Druckfeuerbeständigkeit von 1470 K bestehende zylindrische Brennermuffel (7) mit einem Verhältnis von Länge L_M: Durchmesser D_M der Brennermuffel (7) von 0,5 dient, daß fernerhin der Durchmesser D_Bk des zylindrischen Teils (9) der Brennkammer (8) das 2,4fache des Brennermuffeldurchmessers D_M und das Verhältnis Durchmesser D_BK zur Länge L_BK des zylindrischen Teils (8.1) der Brennkammer (8) 1:1,5 beträgt und daß zur Sicherung der zur stabilen Zündung notwendigen Brennerkammer-Innenwandtemperatur in allen Leistungsstufen eine Feuerfestauskleidung (10), bestehend aus einer Innenschicht (10.1) mit einer Stärke von 0,11 des Brennkammerdurchmessers D_Bk, einer Temperaturbeständigkeit von 1400 K und einer Wärmeleitfähigkeit λ = 4,18 bis 4,60 kJ/mhK und einer Außenschicht (10.2) mit einer Stärke von 0,06 des Brennkammerdurchmessers D_BK und einer Wärmeleitfähigkeit λ = 1,25 kJ mhK, vorgesehen ist.

2. Verbrennungssystem gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Teil (8.2) zum zylindrischen Teil (8.1) der Brennkammer (8) ein Verjüngungsverhältnis von 1,3:1 besitzt.

3. Verbrennungssystem gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Anschlußstück (9) ein ausziehbares Keilstück (9.1) mit einer größten Längsausdehnung von 0,45 des Durchmessers des zylindrischen Anschlußstückes (9) mit einer brennerseitigen Neigung von 10° aufweist.

4. Verbrennungssystem gemäß Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Brennkammer (8) eine Flammenüberwachung (12), Explosionsklappe (13) sowie eine an der Verbrennungsluftzufuhr (5) angeschlossene Kühl luftzufuhr (6) angeordnet sind.