-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Heiß-/Trocknungsgasen, die mindestens einen Brenner, eine feuerfeste Muffel, eine Misch-Brennkammer, in welche die Muffel vorzugsweise hineinragt, und eine Prozessgaszufuhr aufweist, durch die ein Prozessgas in einen sich um die Muffel erstreckenden Ringraum geleitet wird und von dort aus über Dralleinrichtungen in die Misch-Brennkammer strömt.
-
In der
DE 42 08 951 C2 wird ein Heißgaserzeuger der genannten Art beschrieben.
-
Heißgaserzeuger mit Schwachgasbrennern dienen der Aufheizung von Prozessluft, vor allem für Trocknungsprozesse und sind insbesondere bei der Verhüttung von Eisenerzen im Einsatz. Bei einer solchen Verhüttung von Eisenerzen im Hochofenprozess entstehen gasförmige Produkte mit einem relativ geringen Heizwert, die unter dem Namen ”Gichtgase” bekannt sind und die nur zum Teil aus brennbaren Bestandteilen wie CO und H2, zum überwiegenden Teil jedoch aus inerten gasförmigen Bestandteilen wie CO2 und N2 bestehen. Es sind darüber hinaus auch sogenannte ”Schwachgase” bekannt, die einen Bereich des Heizwertes von weniger als 5 MJ/m3 enthalten.
-
Verfahren zum Verbrennen von Gicht- oder Schwachgasen sind seit mehr als 50 Jahren bekannt.
-
Bei dem in der
DE 42 08 951 C2 beschriebenen Heißgaserzeuger wird bei Einsatz eines Schwachgases als Brenngas ein Brenner als Mehrlanzenbrenner mit Einzelstromaufteilung für Verbrennungsluft in Schwachgas ausgebildet, bei dem Rohre für das eine Medium eine Kammer für das andere Medium durchsetzt und Austrittsdüsen der Rohre am Ende derselben von Düsen für das andere Medium umgeben sind. In den Einzelstromaufteilungen sind Dralleinrichtungen und/oder radial gerichtete Düsenbohrungen vorhanden. Die Brennermuffel ist in axialer Richtung wesentlich kürzer als die Lochmanteleinrichtung ausgebildet. Die Zuführung der Luft aus einem Luftgehäuse erfolgt innerhalb des Brenners über einzelne Rohre als Lanzen, welche die Gaskammer durchsetzen und austrittsseitig die Gasdüsen umgeben. Die Aufteilung der Verbrennungsluft und des zugeführten Gichtgases in Einzelströme, die über Düsen in eine Brennkammer eintreten, soll eine intensive Vermischung und Oberflächenvergrößerung bewirken, so dass in der Brennermuffel eine relativ großflammig optimale Verbrennung des Gichtgases realisiert werden kann. Die Brennermuffel ist mit feuerfestem Material ausgekleidet. Die Brennermuffel wird nach außen hin von einem Spiralgehäuse zur Zuführung der zu erhitzenden Prozessluft umgeben. Von diesem Spiralgehäuse gehen in achsparalleler Richtung ein Schutzmantel und teleskopartig ineinandergreifende Lochmäntel aus, die aus Stahlblech hergestellt sind. Die einzelnen Lochmäntel bilden stufenartige Übergangsbereiche in Form von Ringspalten, durch welche die Prozessluft einströmt. Die einströmende kältere Prozessluft bewirkt einerseits ein Kühlen der Lochmäntel und andererseits durch entsprechende Auslegung eine spiralartige Ummantelung der vor der Flamme entstehenden Rauchgase, so dass eine Führung und gleichzeitige Abkühlung in diesem Bereich erfolgt.
-
Aus der
EP 0 907 868 B1 ist ein Brenner zur Vermischung und Verbrennung von zumindest zwei Verbrennungsmedien, insbesondere von Verbrennungsluft und einem Schwachgas als Brenngas bekannt, der mehrere Brennerdüsen aufweist, die Rohre zur Zuführung der Verbrennungsmedien zu einem Verbrennungsraum besitzen, wobei eine Brennerdüse zumindest drei zueinander koaxial angeordnete Rohre mit einem Kernrohr, einem Außenrohr und mindestens einem Zwischenrohr aufweist. Die Rohre sind zueinander in radialer Richtung zur Bildung von Ringspaltkanälen beabstandet, durch welche die Verbrennungsmedien in den Verbrennungsraum leitbar sind. Die koaxial zueinander angeordneten Rohre erstrecken sich unterschiedlich weit in eine Vermischungszone.
-
Die
EP 0 834 040 B1 beschreibt einen Feuerraum mit einer Brennereinrichtung für eine NO
x- und CO-arme Verbrennung mit vorwiegend separater Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft zu einem Feuerraum, wobei die gesamte oder der große Teil der Verbrennungsluft an mehreren Raumpunkten kontinuierlich gestuft dem Feuerraum zugeführt wird. Erfindungsgemäß ist ein Koaxialrohr vorgesehen, an dessen einem Ende ein Innenrohr mit mindestens einer Speiseleitung für die Verbrennungsluftzufuhr und ein Außenrohr mit mindestens einer Speiseleitung für die Zufuhr von Brennstoff bzw. Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemischen verbunden ist und an dessen anderen Ende ein Verbrennungsluft-Verteilkörper mit dem Innenrohr dicht verbunden ist und mindestens eine oder mehrere Brennstoffdüsen aufweisende Düsenreihe den Zylinderring zwischen Innen- und Außenrohr dicht verschließt. Der Verbrennungsluft-Verteilkörper besteht aus einem langgestreckten inneren Hohlraum, der von einer dünnen gelochten bzw. porösen Wandung umschlossen wird und einen geschlossenen Kopfteil, einen offen Fußteil und eine Vielzahl von verteilt angeordneten Öffnungen für den Austritt von Verbrennungsluft in die Verbrennungszone aufweist. Der Verbrennungsluft-Verteilkörper wird ferner mit seinem offenen Fußteil mit dem Innenrohr des Koaxialrohrs dicht verbunden. Die Strahlrichtung der Brennstoffdüsen innerhalb derselben Düsenreihe oder benachbarter Düsenreihen sind getrennt einstellbar. Die Brennereinrichtung ist in den Feuerraum so eingebaut, dass sie die ihn umschließende Außenwand durchdringt und mit ihr eine dichte Verbindung aufweist und das Ende des Koaxialrohrs mit den Speiseleitungen für Verbrennungsluft und Brennstoffzufuhr außerhalb des Feuerraums bleibt. Die gesamte Länge des Verbrennungsluft-Verteilkörpers befindet sich im Feuerraum, in den auch die Brennstoffdüsen hineinragen, jedoch den Abstand vom Fußteil des Verbrennungsluft-Verteilkörpers bis zum Beginn der Öffnungen nicht überschreiten. Die Verbrennungszone im Feuerraum ist zur gleichen Zeit die Zone für die komplette Vermischung der Verbrennungsluft aus den Öffnungen mit dem Brennstoff bzw. Brennstoff-Luft-Gemisch aus den Brennstoffdüsen.
-
Die vorbeschriebenen Heißgaserzeuger und sonstigen Vorrichtungen besitzen den Nachteil, zum Teil nur eine unzureichende Vermischung der einzelnen Gase zu gewährleisten. Zum Teil sind die Vorrichtungen auch kompliziert aufgebaut und hinsichtlich der Steuerung der Gaszufuhr und Gaslenkung schwer einstellbar.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und eine verbesserte Gasführung erlaubt.
-
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Dralleinrichtungen Strömungsleitkörper sind, die jeweils Ringräume bilden, deren Querschnitt sich zum Austrittsende in die Misch-Brennkammer vorzugsweise verjüngt.
-
Wie im Prinzip nach dem Stand der Technik bekannt, stellt der Brenner zusammen mit der horizontal bzw. vertikal positionierten Misch-Brennkammer den Heißgaserzeuger dar. Die Muffel ist mit einer feuerfesten Auskleidung versehen, wohingegen die Misch-Brennkammer aus Stahl besteht. Der Durchmesser des Brennermundes und der Muffel sind entsprechend der Brennerleistung aufeinander abgestimmt. Die dünnwandige feuerfeste Muffel umgibt den Flammenraum, in den flüssiger, fester oder gasförmiger Brennstoff sowie ein Oxidator, im einfachsten Fall Luft, eingeleitet werden. Rings um die Brennkammer, nämlich im Zwischenraum zu der Misch-Brennkammer aus Stahl wird der zur erwärmende bzw. zu trocknende Stoffstrom bzw. das Prozessgas eingeleitet. Aus diesem Ringraum strömt ein durch die Dralleinrichtungen bestimmter erster Teil durch Strömungsleitkörper zielgerichtet und direkt in die heiße Zone des Brenners, wo eine Vermischung mit den Verbrennungsabgaben stattfindet. Diese Vermischung ist mit einer schnellen und intensiven Energieaufnahme verbunden. Der Restanteil des Prozessgases strömt aus dem Ringraum entlang der Innenwand der Brennmischkammer und vermischt sich schrittweise mit dem heißen Gasgemisch der ersten Mischungsphase.
-
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
So sind die Strömungsleitkörper vorzugsweise verstellbare Schaufeln. Durch diese Verstellung lässt sich sowohl die Richtung des Gasstroms bzw. der Gasströme als auch die Strömungsleistung variieren.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Strömungsleitkörper abgewinkelte oder turbinenschaufelartig gekrümmte Bleche. Durch diese Konstruktion werden bereichsweise Querschnittsverengungen in Strömungsrichtung geschaffen, die nach Art eines Venturi-Rohres wirken.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind am oder kurz vor dem Austrittsende der Misch-Brennkammer zusätzliche Dralleinrichtungen vorgesehen, welche zusätzlich zu einer Homogenisierung des Stoffstroms führen. Vorzugsweise bestehen diese Dralleinrichtungen aus einem zentralen Kegel mit einer in die Misch-Brennkammer gerichteten Spitze und aus im Randbereich, vorzugsweise rings um den Kegel, angeordneten Schaufelblechen, die dem Gasstrom einen radial einwärts gerichteten Drall verleihen. Nach einer weiteren Ausgestaltung sind diese Schaufelbleche ebenfalls verstellbar.
-
Die genannte Konstruktion ermöglicht es, einerseits die Innenwand der Misch-Brennkammer thermisch unbelastet zu lassen und andererseits ein nahezu homogenes Heißgasgemisch mit der gewünschten Temperatur am Austritt des Heißgaserzeugers zu schaffen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird wie folgt bestrieben: Zunächst wird ein Brenner aktiviert, durch dessen Flamme eine heiße Abgasströmung erzeugt wird. Anschließend wird ein Stoffstrom bzw. Prozessgasstrom zu der Abgasströmung des Brenners eingeleitet, wobei der Stoffstrom bzw. das Prozessgas zumindest teilweise in Strömungsrichtung mit einem Drall versehen und in die Abgasströmung eingeführt wird. Zusätzlich wird das Gasgemisch mittels eines weiteren Dralleinsatzes kurz vor dem Austritt aus dem Heißgaserzeuger verdrallt, wodurch ein thermisch homogenes Heißgas für Erwärmungs- bzw. Trocknungsprozesse entsteht.
-
Weitere Details der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 eine schematische Querschnittsansicht eines Heißgaserzeugers und
-
2 eine Draufsicht auf eine Dralleinrichtung, die am oder kurz vor dem Austrittsende der Misch-Brennkammer angeordnet ist.
-
Die in 1 dargestellte Vorrichtung besitzt einen Brenner 1 sowie einen Startbrenner 12, dessen Zündung elektrisch über einen Gasfeuerautomaten erfolgt. Die Flamme wird mittels Ionisation fehlersicher überwacht. Der Brenner 1 wird mit flüssigem, gasförmigem oder festem Brennstoff 13 und einem Oxidator 14, beispielsweise Luft, versorgt und kann nur dann gestartet werden, wenn der Startbrenner 12 in Betrieb ist. Die Flammenüberwachung erfolgt mittels hochempfindlicher UV-Zellen. Die Einstellung der Brennerleistung erfolgt über eine speicherprogrammierbare Steuerung. Hierzu wird die Temperatur über ein Thermoelement gemessen, das bauseitig am Ausgang einer Mühle positioniert ist und dessen elektrisches Signal der Steuerung zugeführt wird. Diese Steuerung regelt die Prozesstemperatur.
-
Das Verhältnis der zugeführten Gase (Brennstoff) 13 und (Oxidator) 14 sowie des Prozessgases 5 wird über eine elektronische Regelung mit Messblenden und elektro-pneumatischen Regelklappen bzw. Regelventilen eingestellt. Der Brenner 1 kann beispielsweise mit Gichtgas betrieben werden. Der zentral eingebaute Startbrenner wird mit Erd- bzw. Koksgas betrieben und dient beispielsweise als Zündbrenner für das Gichtgas.
-
Die Vorrichtung besitzt ferner eine aus feuerfestem Material bestehende Muffel 3, die in einen Innenraum 4 einer Stahl-Misch-Brennkammer 2 hineinragt. Um die zylinderförmig ausgebildete Muffel ist ein Ringraum 6 angeordnet, der sich bis zur Innenwand der Misch-Brennkammer 2 erstreckt. In diesen Ringraum 6 wird über eine radiale Zuführung Prozessgas 5 eingeleitet. Das Prozessgas wird mittels Drallkörpern 7 in zwei Stoffströme 10 und 11 geteilt. Ein Teil des Prozessgases wird als Stoffstrom 10 über den Ringraum 6, der zwischen den Drallkörpern 7 und der Muffel gebildet wird, in den Innenraum 4 der Misch-Brennkammer 2 geführt. Die Drallkörper 7 besitzen eine abgewinkelte V-förmige Kontur, wodurch bewirkt wird, dass sich der Ringraum, durch den der Prozessstrom 10 geleitet wird, zum Austrittsende hin vorzugsweise verjüngt. Hierdurch erfährt das Prozessgas eine Beschleunigung und ferner eine Förderrichtung, die zu einer Vermengung des Abgases aus der Brennerflamme führt.
-
Der zweite Stoffstrom 11 führt entlang der Innenwand der Misch-Brennkammer 2, wobei die Drallkörper 7 aufgrund der im Querschnitt gebildeten V-Form in Fließrichtung eine Querschnittsverengung bilden.
-
Am Austrittsende der Misch-Brennkammer 2 sind weitere Misch-/Dralleinrichtungen 8, 9 vorgesehen, die sich über den gesamten Austrittsquerschnitt der zylinderförmigen Brennkammer erstrecken. Diese Einrichtungen bestehen zum Einen aus einem Hohlkegel 8, dessen Spitze sich in den Innenraum 4 der Misch-Brennkammer 2 erstreckt. Rings um den Hohlkegel 8 sind mehrere verstellbare Drallschaufeln 9 angeordnet, die hinsichtlich ihrer Anordnung und Geometrie aus 2 erkennbar sind. Im vorliegenden Fall sind zwölf Drallschaufeln vorgesehen. Auch diese Drallschaufeln 9 bestehen aus abgewinkelten über turbinenschaufelartig gekrümmten Blechkörpern, die in Verbindung mit einem sich endseitig verjüngenden Querschnitt der Gasführung dazu führen, dass sich sämtliche Gase ausgangsseitig zu einem homogenen Gemisch vermengen.
-
Die Regulierung des Startbrenners 12 erfolgt über eine elektronische Verhältnisregelung. Der Vordruck des Erd-/Koksgases, mit dem der Startbrenner 12 versorgt wird, wird über ein Gasdruckregelgerät gesteuert und zunächst auf das benötigte Ausgangsdruckniveau heruntergeregelt. Die Fließdruck des zugeführten Gichtgases (Brennstoff 13) ist weitestgehend konstant, so dass auf einen Druckregler nach dem Übergabepunkt verzichtet werden kann. Die Regelung des Brenners erfolgt über eine Steuerung des Verhältnisses des Brennstoffes 13 zur Oxidatormenge 14 (Verbrennungsluft), wobei das Verhältnis über eine Messung des Heizwertes mittels einer elektronischen Verhältnisregelung gesteuert werden kann.
-
Es bestehen zwei Regelstrecken für den Hauptbrenner (Brennstoff Prozessgas 5) und für den Startbrenner (Brennstoff Erd- bzw. Koksgas 12). Die Regelstrecken beinhalten je einen kontinuierlich arbeitenden Durchflussmengenregler mit Proportional-Diffential-Algorithmus, der aus dem Vergleich zwischen dem Durchfluss-Sollwert und dem gemessenen Durchfluss ein Stellsignal für das Durchflussmengen-Regelventil berechnet. Wird eine Regelarmatur ohne eigenen Stellungsregler eingesetzt, z. B. ein Motorventil mit einer Auf/Zu-Steuerung, ist dem kontinuierlich arbeitenden Mengenregler ein 3-Punkt-Schritt-Regler nachzuschalten, der aus dem Stellsignal des Mengenreglers die Stellgrößen generiert. Hierzu muss die Regelarmatur mit einer analogen Stellungsrückmeldung ausgestaltet sein. Für den Fall einer kontinuierlichen Durchflussregelung mit nachgeschaltetem 3-Punkt-Schritt-Regler zur Positionierung muss bei Ausfall der Rückmeldung der Ist- und der Soll-Wert für den Durchfluss auf den 3-Punkt-Schritt-Regler umgeleitet und ein separater Parametersatz eingespielt werden. Das Regelventil verfügt über eine Stellungsrückmeldung.
-
Die Regelstrecken Gas- und Luftregelung sind nach dem Double-Cross-Prinzip miteinander verknüpft. Hierbei wird der Sollwert eines Mediums in Abhängigkeit vom gemessenen Durchfluss des anderen Mediums zwischen den Sollwertgrenzen limitiert. Zur Berechnung der Sollwertgrenzen werden als Parameter positive und negative zulässige Abweichungen der Durchflussmenge jeweils für Gas und Luft herangezogen. Die Werte dieser Parameter können in einer durch Passwort geschützten Eingabemaske verändert werden. Das Ziel der Double-Cross-Regelung ist es, ein Auseinanderlaufen der Verhältnisregelung zwischen zugeführter Luft und dem Prozessgas außerhalb des zulässigen Bereiches zu unterbinden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brenner
- 2
- Innenraum der Misch-Brennkammer
- 3
- Muffel
- 4
- Misch-Brennkammerraum
- 5
- Prozessgas
- 6
- Raum zwischen Muffel und Brennkammerinnenwand
- 7
- Drallkörper
- 8
- Hohlkegel
- 9
- Drallschaufeln
- 10, 11
- Fließrichtung Prozessgas
- 12
- Startbrenner
- 13
- flüssiger, fester oder gasförmiger Brennstoff
- 14
- Oxidator
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 4208951 C2 [0002, 0005]
- EP 0907868 B1 [0006]
- EP 0834040 B1 [0007]
