DE102016005155B4 - Oscillating fire reactor with pulsating flame and process for thermal material treatment or material synthesis - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes in einem schwingenden Heißgasstrom eines Schwingfeuerreaktors für eine Materialbehandlung oder Materialsynthese, mit einem Brenner (1), dem über wenigstens eine Leitung ein Massenstrom (2) zur Bildung wenigstens einer pulsierenden Flamme (12) zugeführt wird, die in eine sich strömungstechnisch an den Diffusor anschließende Brennkammer hineinbrennt und dort den schwingenden Heißgasstrom zur thermischen Behandlung des Rohstoffes erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (1) ein Drallbrenner ist, innerhalb dessen es einen Drallerzeuger (3) gibt, so dass ein aus einem Brenneraustritt (4) ausströmender Massenstrom (5), der Verbrennungsluft (2) enthält, eine Tangentialgeschwindigkeitskomponente aufweist und die Flamme (12) eine drallstabilisierte Flamme mit einer inneren zentralen Rückströmzone (13) ist und dass dem Brenneraustritt (4) des Brenners (1) ein Diffusor (7) nachgeschaltet ist, wobei die Flamme (12) außerhalb des Brenners (1) stromab des Brenneraustritts (4) brennt.Device for the thermal treatment of a raw material in an oscillating hot gas flow of an oscillating fire reactor for material treatment or material synthesis, with a burner (1) to which a mass flow (2) is fed via at least one line to form at least one pulsating flame (12), which burns into a combustion chamber that is fluidically connected to the diffuser and there generates the oscillating hot gas flow for the thermal treatment of the raw material, characterized in that the burner (1) is a swirl burner, within which there is a swirl generator (3), so that a mass flow (5) flowing out of a burner outlet (4), which contains combustion air (2), has a tangential velocity component and the flame (12) is a swirl-stabilized flame with an inner central backflow zone (13) and that a diffuser (7) is connected downstream of the burner outlet (4) of the burner (1), wherein the flame (12) outside the burner (1) downstream of the burner outlet (4) burns.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schwingfeuerung für eine Materialbehandlung oder Materialsynthese (pulse dryer, pulse combustor, Pulsationsreaktor), die mindestens einen Brenner, mindestens eine pulsierende Flamme, eine Brennkammer sowie mindestens eine resonanzfähige Gassäule (z.B. in der Brennkammer oder in einem Resonanzrohr) aufweist, in die ein zu behandelnder Rohstoff einbringbar und aus dieser wieder abscheidbar ist, gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Hauptanspruches sowie eine entsprechendes Verfahren zu deren Betrieb.The invention relates to a vibrating furnace for material treatment or material synthesis (pulse dryer, pulse combustor, pulsation reactor), which has at least one burner, at least one pulsating flame, a combustion chamber and at least one resonant gas column (e.g. in the combustion chamber or in a resonance tube) into which a raw material to be treated can be introduced and from which it can be separated again, according to the preamble of the attached main claim, as well as a corresponding method for operating the same.
Die weitaus größte Zahl aller technischen oder industriellen Feuerungsanlagen und Verbrennungssysteme werden so ausgelegt und auch so betrieben, dass der Verbrennungsprozess bis auf geringe turbulente Schwankungen, derer Größe mindestens eine Größenordnung kleiner ist als die mittleren Größen des Verbrennungsprozesses (wie z.B. mittlere Strömungsgeschwindigkeit, mittlere Temperatur der Flamme oder der Abgasströmung, mittlerer statischer Druck in der Brennkammer, etc.), im Mittel zeitlich-konstant abläuft. Dies bedeutet, dass der Umsatz des eingesetzten Brennstoffes zeitlich kontinuierlich erfolgt und - als Folge hiervon - auch die Wärmefreisetzung aus dem Verbrennungsprozess sowie der Massenstrom an anfallendem Abgas (Verbrennungsprodukte) für eine feste Brennereinstellung zeitlich konstante Werte aufweisen.The vast majority of all technical or industrial combustion plants and combustion systems are designed and operated in such a way that the combustion process is, on average, constant over time, except for small turbulent fluctuations whose size is at least one order of magnitude smaller than the average values of the combustion process (such as average flow velocity, average temperature of the flame or exhaust gas flow, average static pressure in the combustion chamber, etc.). This means that the conversion of the fuel used is continuous over time and - as a result - the heat release from the combustion process and the mass flow of resulting exhaust gases (combustion products) also have constant values over time for a fixed burner setting.
Abweichend hiervon treten mitunter Phänomene bzw. „Abnormitäten“ auf, die in der Literatur als Brennkammerschwingungen, selbsterregte Verbrennungsinstabilitäten oder thermo-akustische Schwingungen bezeichnet werden. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass der zunächst stationäre (d.h. zeitlich-konstante) Verbrennungsprozess beim Erreichen einer Stabilitätsgrenze plötzlich selbsttätig umschlägt in einen zeitlich-periodischen, schwingenden Verbrennungsprozess, der selbsterregt ist und dessen Zeitfunktion in guter Näherung als sinusförmig bezeichnet werden kann. Einhergehend mit dieser Änderung werden auch die Wärmefreisetzungsrate(n) der Flamme(n) und somit die thermische Feuerungsleistung der Verbrennungsanlage sowie die Abgasströmung in und aus der Brennkammer sowie der statische Druck in der Brennkammer selbst periodisch-instationär, d.h. schwingend.Deviating from this, phenomena or "abnormalities" sometimes occur which are referred to in the literature as combustion chamber oscillations, self-excited combustion instabilities or thermo-acoustic oscillations. These are characterized by the fact that the initially stationary (i.e. time-constant) combustion process suddenly changes automatically when a stability limit is reached into a time-periodic, oscillating combustion process which is self-excited and whose time function can be described as sinusoidal to a good approximation. Along with this change, the heat release rate(s) of the flame(s) and thus the thermal combustion performance of the combustion system as well as the exhaust gas flow in and out of the combustion chamber and the static pressure in the combustion chamber itself become periodic-unsteady, i.e. oscillating.
Das Auftreten dieser Verbrennungsinstabilitäten bewirkt oftmals ein gegenüber dem stationären Betrieb der Feuerung verändertes Schadstoff-Emissionsverhalten und verursacht neben einer erhöhten Lärmbelastung der Anlagenumgebung auch eine deutlich erhöhte mechanische und/oder thermische Belastung der Anlagenstruktur (z.B. Brennkammerwände, Brennkammerauskleidung, etc.), die bis zur Zerstörung der Feuerung bzw. einzelner Komponenten führen kann.The occurrence of these combustion instabilities often results in a different pollutant emission behavior compared to stationary operation of the furnace and, in addition to increased noise pollution in the plant environment, also causes a significantly increased mechanical and/or thermal load on the plant structure (e.g. combustion chamber walls, combustion chamber lining, etc.), which can lead to the destruction of the furnace or individual components.
Es ist daher leicht einzusehen, dass das unerwünschte Auftreten der oben beschriebenen Phänomene in Feuerungen, die für einen zeitlich-konstanten Verbrennungsprozess ausgelegt sind, bei dem auch der statische Druck in der Brennkammer oder in vor- bzw. nachgeschalteten Anlagenkomponenten ebenfalls konstante Werte besitzen soll (Gleichdruck-Verbrennung), zwingend vermieden werden muss. Dies wird z.B. diskutiert in der
Ganz anders jedoch stellt sich die Situation bei einer kleinen Anzahl von sehr speziellen feuerungstechnischen Anlagen dar, bei denen das oben dargestellte Phänomen selbsterregter, periodischer Verbrennungsinstabilitäten absichtlich herbeigeführt und dazu genutzt wird, einen periodischen Verbrennungsprozess mit periodischer Wärmefreisetzungs-rate der Flamme und periodischer, schwingender Abgasströmung (pulsierende Heißgasströmung) in der Brennkammer und in nachgeschalteten Anlagenkomponenten (z.B. Wärmetauscher, chemische Reaktoren, etc.) zu erzeugen.However, the situation is quite different in a small number of very special combustion systems in which the phenomenon of self-excited, periodic combustion instabilities described above is deliberately induced and used to generate a periodic combustion process with a periodic heat release rate of the flame and a periodic, oscillating exhaust gas flow (pulsating hot gas flow) in the combustion chamber and in downstream system components (e.g. heat exchangers, chemical reactors, etc.).
Man kann diese Schwingfeueranlagen einteilen in solche, bei denen die Wärme aus dem schwingenden Verbrennungsprozess übertragen wird z.B. zur Erzeugung von Heizwärme oder Brauchwasser oder zur Dampferzeugung (rein wärmetechnische Nutzung), wie er z.B. in der
Bei dem Rohstoff kann es sich auch um ein Rohstoffgemisch handeln. Der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch können sowohl in fester als auch in flüssiger oder in gas- oder dampfförmiger Form vorliegen.The raw material can also be a mixture of raw materials. The raw material or the mixture of raw materials can be in solid, liquid, gaseous or vaporous form.
Der Vorteil dieser Anlagen gegenüber konventionellen, stationär arbeitenden Verbrennungssystemen besteht in der im zeitlichen Mittel periodisch-instationären und turbulenten Abgasströmung in der Brennkammer oder in nachgeschalteten Komponenten (z.B. Wärmetauscher, Reaktionsräume, Resonanzrohr, etc.).The advantage of these systems compared to conventional, stationary combustion systems is the periodic, unsteady and turbulent exhaust gas flow in the combustion chamber or in downstream components (e.g. heat exchangers, reaction chambers, resonance tubes, etc.).
Sowohl gegenüber festen Wänden (Brennkammerwand, Wand eines Wärmetauschers, Dampferzeuger, etc.) als auch gegenüber Material, das zur Behandlung in die Heißgasströmung mit definierter Behandlungstemperatur eingebracht wird, steigt der Wärmeübergang vom Heißgas auf Wände oder Material deutlich um das 2- bis 5-fache gegenüber einer im Mittel stationären, turbulenten Strömung gleicher mittlerer Strömungsgeschwindigkeit und gleicher Temperatur.Both against solid walls (combustion chamber wall, wall of a heat exchanger, steam Both in comparison with materials that are introduced into the hot gas flow at a defined treatment temperature for treatment, the heat transfer from the hot gas to the walls or material increases significantly by 2 to 5 times compared to an averagely stationary, turbulent flow with the same average flow velocity and the same temperature.
Aufgrund der Analogie zwischen konvektivem Wärmeübergang und dem Stoffübergang gilt obige Aussage auch für den Stoffübergang: Im Falle der periodisch-instationären, schwingenden Strömung steigt die Übergangsrate gas-/dampfförmiger Stoffe aus dem Heißgas an das zu behandelnde Material oder vom Material in die Heißgasströmung um ähnliche Werte an aufgrund des nahezu vollständigen Fehlens von Grenzschichten, die bei stationären Strömungen bekannter Weise entstehen und Diffusions- bzw. Übergangswiderstände darstellen.Due to the analogy between convective heat transfer and mass transfer, the above statement also applies to mass transfer: In the case of periodic-unsteady, oscillating flow, the transfer rate of gaseous/vaporous substances from the hot gas to the material to be treated or from the material into the hot gas flow increases by similar values due to the almost complete absence of boundary layers, which are known to form in stationary flows and represent diffusion or transition resistances.
Aufgrund dieser Zusammenhänge erfährt zu behandelndes Material in pulsierenden Heißgasströmungen hohe Aufheizgradienten („Thermoschockbehandlung“).Due to these relationships, the material to be treated experiences high heating gradients in pulsating hot gas flows (“thermal shock treatment”).
Um jetzt einen sicheren Anlagenbetrieb von Schwingfeueranlagen oder Pulsationsreaktoren zu gewährleisten, ist es wichtig, die beiden Hauptparameter der Verbrennungsschwingung - Schwingungsfrequenz und Schwingungsamplitude - innerhalb der Möglichkeiten eines großtechnischen Prozesses konstant zu halten. Ändern sich diese deutlich während des Prozesses, so ist damit zu rechnen, dass die Vorteile z.B. bei der Wärmeübertragung oder bei der Materialbehandlung gegenüber dem konventionellen, stationären Prozess verloren gehen und/oder die Homogenität des entstehenden Produktes darunter leidet.In order to ensure safe operation of oscillating combustion systems or pulsation reactors, it is important to keep the two main parameters of the combustion oscillation - oscillation frequency and oscillation amplitude - constant within the possibilities of a large-scale process. If these change significantly during the process, it can be expected that the advantages, e.g. in heat transfer or in material treatment compared to the conventional, stationary process, will be lost and/or the homogeneity of the resulting product will suffer.
Hinsichtlich der Schwingungsfrequenz, die bei der Entstehung selbsterregter Verbrennungs-Instabilitäten durch phasenrichtige Rückkopplungen im Wirkungskreis Brenner - Flamme - Brennkammer - Resonator auftritt, besteht in der Literatur Einigkeit darüber, dass diese im Wesentlichen von der Geometrie akustisch-aktiver bzw. resonanzfähiger Volumina (wie z.B. die Brennkammer, das Resonanzrohr, etc.) sowie von der Gastemperatur abhängen.With regard to the oscillation frequency that occurs when self-excited combustion instabilities arise due to phase-correct feedback in the burner - flame - combustion chamber - resonator circuit, there is agreement in the literature that this essentially depends on the geometry of acoustically active or resonant volumes (such as the combustion chamber, the resonance tube, etc.) as well as on the gas temperature.
Wenn diese beiden Haupt-Einflussgrößen auf die Schwingungsfrequenz also während des Prozesses z.B. der Wärmeübertragung oder der Materialbehandlung bzw. Materialsynthese nicht verändert werden, so bleiben auch die Frequenz der Verbrennungs-/Druck-/Strömungsschwingungen in guter Näherung konstant.If these two main factors influencing the oscillation frequency are not changed during the process, e.g. heat transfer or material treatment or synthesis, the frequency of the combustion/pressure/flow oscillations also remains constant to a good approximation.
Bei der Amplitude der Schwingung sind aber auch andere Einflussgrößen zu berücksichtigen.However, other influencing factors must also be taken into account when determining the amplitude of the vibration.
Dies wird an folgendem Beispiel klar: Wenn in einem pulsierenden Reaktor mit fest vorgegebener Frequenz und sich damit (im Leerlaufbetrieb ohne Materialaufgabe selbsttätig) einstellender Amplitude der Verbrennungsschwingung dem schwingenden Heißgas Rohmaterial in unterschiedlichen Massenströmen (z.B. 50 kg/h und 100 kg/h) zur thermischen Behandlung zugegeben wird, dann bewirken unterschiedliche Aufgaberaten an Rohmaterial eine unterschiedlich starke Dämpfung der Schwingungsamplitude, da sich die Schwingungsenergie, die ursprünglich nur die Gasschwingung des Heißgases bewirken musste, dann auf Heißgas mit unterschiedlich hoher Partikel- oder Tropfenbeladungen aufteilen muss.This becomes clear from the following example: If, in a pulsating reactor with a fixed frequency and thus (automatically adjusting in idle operation without material feed) amplitude of the combustion oscillation, raw material is added to the oscillating hot gas in different mass flows (e.g. 50 kg/h and 100 kg/h) for thermal treatment, then different feed rates of raw material cause a different degree of damping of the oscillation amplitude, since the oscillation energy, which originally only had to cause the gas oscillation of the hot gas, then has to be distributed between hot gas with different levels of particle or droplet loading.
Im Grenzfall ist es durch eine hinreichend große Zugabe pro Zeiteinheit von zu behandelndem Material sogar möglich, die Schwingung im Reaktor so völlig zum Erliegen zu bringen, wodurch die Vorteile des periodisch-instationären Prozesses für die Erzeugung spezifischer Materialeigenschaften (z.B. Partikelgrößen, spezifische Oberflächen, Reaktivität, etc.) im Produkt natürlich verschwinden. Hierbei soll noch einmal in Erinnerung gerufen werden, dass eine Verringerung der Schwingungsamplitude (charakterisiert z.B. als Amplitude der Schwingung des statischen Druckes in der Brennkammer oder der Schwingung der Geschwindigkeit der Heißgasströmung in der Brennkammer oder im Resonanzrohr) zu einem Rückgang des konvektiven Wärme-und Stoffüberganges zwischen Heißgas und Wänden bzw. thermisch zu behandelndem Material führt, so dass damit die Vorteile des instationären Prozesses in Hinblick z.B. auf erreichbare, spezifische Materialeigenschaften verschwinden.In the limiting case, it is even possible to completely stop the oscillation in the reactor by adding a sufficiently large amount of material to be treated per unit of time, whereby the advantages of the periodic-unsteady process for the generation of specific material properties (e.g. particle sizes, specific surfaces, reactivity, etc.) in the product naturally disappear. It should be remembered here again that a reduction in the oscillation amplitude (characterized, for example, as the amplitude of the oscillation of the static pressure in the combustion chamber or the oscillation of the speed of the hot gas flow in the combustion chamber or in the resonance tube) leads to a reduction in the convective heat and mass transfer between the hot gas and the walls or the material to be thermally treated, so that the advantages of the unsteady process with regard to, for example, achievable, specific material properties disappear.
Mit anderen Worten: Jede Änderung sowohl der Massenströme der aufgegebenen Rohmaterialien als auch die spezifischen Materialeigenschaften unterschiedlicher Edukte (Rohstoffdichte, Feuchtegehalt, Partikelgrößenverteilung, Feststoffgehalte bei Suspensionen, etc.) verändern die Amplitude der Schwingung der pulsierenden Heißgasströmung bei Materialaufgabe und damit das Ergebnis der Materialbehandlung.In other words: Any change in the mass flow of the raw materials fed in as well as the specific material properties of different reactants (raw material density, moisture content, particle size distribution, solids content in suspensions, etc.) changes the amplitude of the oscillation of the pulsating hot gas flow when the material is fed in and thus the result of the material treatment.
Im Hinblick auf einen bei Bedarf möglichst großen möglichen Materialdurchsatz ist man grundsätzlich daran interessiert, eine Anlage mit einer im Leerlauf möglichst großen Schwingungsamplitude zu betreiben.In order to achieve the greatest possible material throughput when required, it is generally desirable to operate a system with the greatest possible vibration amplitude when idling.
Beim Betrieb einer Schwingfeuerung muss dabei einerseits aber auch berücksichtigt werden, dass die im Verbrennungsprozess auftretenden Druck- oder Geschwindigkeitsamplituden nach oben sicher begrenzt werden, um eine mechanische/thermische Überlastung der Anlagenstruktur sicher zu vermeiden.When operating an oscillating combustion system, it must also be taken into account that the pressure or velocity amplitudes occurring in the combustion process are safely limited in order to safely avoid mechanical/thermal overloading of the system structure.
Andererseits müssen aber auch Flammenrückschläge oder ein Abheben bzw. Verlöschen der Flamme sicher vermieden werden, um einen stabilschwingenden Dauerbetrieb zu gewährleisten.On the other hand, flashbacks or the flame lifting or extinguishing must also be safely avoided in order to ensure stable, continuous operation.
Unter dem Begriff des Flammenrückschlages ist dabei Folgendes zu verstehen: In einer Schwingfeuerung, die durch den oben beschriebenen Prozess insbesondere selbsterregter Verbrennungsinstabilitäten (Flammenschwingungen) angetrieben wird, kommt es zu einer zeitlich-periodischen Änderung des aus dem Brenner austretenden Massenstromes an Brenngas/Luft-Gemisch (z.B. im Falle von Vormischverbrennung) und somit auch zu einer zeitlich-periodischen Änderung der Brenneraustrittsgeschwindigkeit (Axialgeschwindigkeits-komponente), wohingegen die Flammengeschwindigkeit (Brenn-geschwindigkeit) des aus dem Brenner ausströmenden Gemisches bei einer konstanter Zusammensetzung (und somit konstanter Luftzahl der Vormischung) einen konstanten Wert besitzt.The term flashback is to be understood as follows: In an oscillating combustion system, which is driven by the process described above, in particular by self-excited combustion instabilities (flame oscillations), there is a temporally periodic change in the mass flow of fuel gas/air mixture exiting the burner (e.g. in the case of premix combustion) and thus also a temporally periodic change in the burner exit velocity (axial velocity component), whereas the flame velocity (burning velocity) of the mixture flowing out of the burner has a constant value with a constant composition (and thus constant air ratio of the premix).
Fällt die Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden Gemisches für einen Zeitraum während der Schwingungsperiode betragsmäßig unter den Wert der Flammengeschwindigkeit, so bewegt sich die Flamme entgegen der Ausströmrichtung stromaufwärts quasi in den Brenner hinein. Die Phase, in der die Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden Gemisches bedarfsmäßig unter dem Wert der Flammengeschwindigkeit liegt, vergrößert sich bei zunehmender Amplitude der Druck-/Verbrennungsschwingungen.If the flow velocity of the outflowing mixture falls below the value of the flame velocity for a period of time during the oscillation period, the flame moves upstream, counter to the outflow direction, into the burner. The phase in which the flow velocity of the outflowing mixture is below the value of the flame velocity increases as the amplitude of the pressure/combustion oscillations increases.
Nun ist es möglich, dass die Flamme in der Phase der Schwingungsperiode, in der die Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden Gemisches wieder bis zu ihrem Maximalwert ansteigt, wieder aus dem Brenner herausgetrieben wird und somit zumindest während eines weiteren Zeitraumes wieder in der gewünschten axialen Position außerhalb des Brenners also stromab des Brenneraustritts brennt.It is now possible that the flame is driven out of the burner again in the phase of the oscillation period in which the flow velocity of the outflowing mixture increases again to its maximum value and thus burns again in the desired axial position outside the burner, i.e. downstream of the burner outlet, at least for a further period of time.
Besonders problematisch ist es jedoch, wenn die Flamme, wenn sie sich in den Brenner hineinbewegt, dann innerhalb des Brenners eine so stabile Verankerungsposition findet, dass sie auch bei den höchsten, innerhalb der Schwingungsperiode der Schwingung der Brenneraustrittsgeschwindigkeit auftretenden Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden Gemisches nicht mehr aus dem Brenner herausgetrieben werden kann und somit dauerhaft innerhalb des Brenners bzw. des Brennergehäuses brennt und dabei den Brenner thermisch schädigt bzw. zerstört.However, it is particularly problematic if the flame, when it moves into the burner, then finds such a stable anchoring position within the burner that it can no longer be driven out of the burner even at the highest flow velocity of the outflowing mixture occurring within the oscillation period of the oscillation of the burner outlet velocity and thus burns permanently within the burner or the burner housing, thermally damaging or destroying the burner.
Zusammengefasst versteht man unter dem Begriff des Flammenrückschlages also ein momentanes oder auch ein dauerhaftes Brennen der Flamme innerhalb des Brenners und nicht wie eigentlich gewünscht in einer angehobenen, stabilen Position axial nach dem Brenneraustritt außerhalb des Brenners.In summary, the term flashback refers to a momentary or permanent burning of the flame inside the burner and not, as actually desired, in a raised, stable position axially after the burner exit outside the burner.
Der Konstrukteur und der Betreiber von Schwingfeueranlagen zur thermischen Materialbehandlung oder Materialsynthese haben nach den obigen Ausführungen das nachfolgende Problem zu lösen:
- Zum einen ist die Stärke also die Amplitude der Schwingung der Heißgasströmung in einer Schwingfeueranlage eine sehr wichtige, sowohl die Eigenschaften des behandelten oder synthetisierten Materials als auch die Homogenität des thermisch behandelten Materials bestimmende Größe. Die Amplitude ist somit ein wesentlicher Einstellparameter bei der thermischen Materialbehandlung/Materialsynthese in Pulsationsreaktoren.
- On the one hand, the strength, i.e. the amplitude, of the oscillation of the hot gas flow in an oscillating furnace is a very important parameter that determines both the properties of the treated or synthesized material and the homogeneity of the thermally treated material. The amplitude is therefore an essential setting parameter in thermal material treatment/material synthesis in pulsation reactors.
Dabei können zu hohe Werte der Schwingungsamplitude der materialführenden Heißgasschwingung zu einem Flammenrückschlag führen und somit zu einer Schädigung/Zerstörung des Reaktors, der dann umgehend durch Abschalten der Flamme bzw. des Brenners entgegengewirkt werden muss.Excessively high values of the oscillation amplitude of the material-carrying hot gas oscillation can lead to a flashback and thus to damage/destruction of the reactor, which must then be immediately counteracted by switching off the flame or the burner.
Es ist nachzuvollziehen, dass das Abschalten der Anlage aufgrund eines ungewollten Flammenrückschlages auch dazu führt, dass das Material (Produkt), das zuletzt unter undefinierten thermischen Bedingungen thermisch behandelt und/oder synthetisiert wurde, als Ausschuss betrachtet werden muss.It is understandable that shutting down the plant due to an unwanted flashback also means that the material (product) that was last thermally treated and/or synthesized under undefined thermal conditions must be considered as scrap.
Hinzu kommt, dass vor einem erneuten Anfahren des Reaktors und der Wiederaufnahme der thermischen Materialbehandlung oder -synthese ein mehr oder weniger aufwändiger Reinigungsprozess der materialführenden Reaktorabschnitte erforderlich ist, um thermisch undefiniert behandeltes oder synthetisiertes Material sicher aus dem Reaktor zu entfernen.In addition, before restarting the reactor and resuming thermal material treatment or synthesis, a more or less complex cleaning process of the material-carrying reactor sections is required in order to safely remove thermally undefined treated or synthesized material from the reactor.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der im Betrieb eines Pulsationsreaktors die Amplituden der Schwingung der Heißgasströmung in der Brennkammer hohe Werte annehmen können, um somit auch beispielsweise die erzielbaren Produkt-Durchsatzraten und damit den Reaktordurchsatz steigern zu können, und bei der gleichzeitig die Gefahr eines ungewollten Rückschlages der pulsierenden Flamme in den Brenner hinein wirkungsvoll vermieden wird. Außerdem soll ein Verfahren zu deren Betrieb vorgeschlagen werden.The present invention is therefore based on the object of specifying a device with which the amplitudes of the oscillation of the hot gas flow in the combustion chamber can assume high values during operation of a pulsation reactor in order to be able to increase, for example, the achievable product throughput rates and thus the reactor throughput, and at the same time effectively avoid the risk of an unwanted flashback of the pulsating flame into the burner. In addition, a method for operating the device is to be proposed.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Brenner zur Erzeugung einer pulsierenden Flamme zur Erzeugung einer pulsierenden Heißgasströmung die Merkmale gemäß dem beigefügten Hauptanspruch aufweist.This object is achieved according to the invention in that the burner for generating a pulsating flame for generating a pulsating hot gas flow has the features according to the appended main claim.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich somit dadurch aus, dass das der pulsierenden Flamme zuströmende, pulsierende Brennstoff/LuftGemisch durch einen Drallbrenner und einen sich an diesen anschließenden Diffusor geleitet wird, gemäß den Merkmalen des beigefügten Anspruches 5.A method according to the invention is thus characterized in that the pulsating fuel/air mixture flowing to the pulsating flame is guided through a swirl burner and a diffuser connected to it, according to the features of the appended
Bei dem Diffusor handelt es sich insbesondere um einen konisch ausgebildeten, vorzugsweise aus Metall geformten Diffusor, dessen freie Querschnittsfläche in axialer Strömungsrichtung zunimmt.The diffuser is in particular a conical diffuser, preferably made of metal, whose free cross-sectional area increases in the axial flow direction.
Ein Öffnungs-Halbwinkel des als Diffusor bezeichneten, erfindungsgemäßen Elements kann im Bereich zwischen 3 Grad und 45 Grad gewählt werden.An opening half-angle of the element according to the invention, referred to as diffuser, can be selected in the range between 3 degrees and 45 degrees.
Eine axiale Erstreckung des Diffusors (Diffusorlänge) kann je nach Ausführung das 0,5-Fache bis zum 10-Fachen des freien Durchmessers des Brenneraustritts betragen.Depending on the design, the axial extension of the diffuser (diffuser length) can be 0.5 to 10 times the free diameter of the burner outlet.
Der Diffusor kann direkt nach einem Drallerzeuger am Brenner positioniert werden. Es ist aber auch möglich, zunächst am Austritt des Drallerzeugers noch ein zylindrisches Rohrelement vorzusehen, an das sich dann in axialer Strömungsrichtung der Diffusor anschließt.The diffuser can be positioned directly after a swirl generator on the burner. However, it is also possible to initially provide a cylindrical pipe element at the outlet of the swirl generator, to which the diffuser is then connected in the axial flow direction.
Der Erfindung liegt dabei die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass bei der Verwendung einer pulsierenden Vormisch-Drallflamme oder einer pulsierenden, schnellmischenden Diffusions-Drallflamme als „Antrieb“ eines Schwingfeuer- oder Pulsationsreaktors zur Erzeugung des in diesem für die Materialbehandlung oder -synthese erforderlichen, pulsierenden Heißgasstromes ein als Diffusor ausgeführter Brennerauslaß bei richtiger Auswahl von Diffusorlänge und Diffusor-Öffnungswinkel selbsttätig ein Rückschlägen der pulsierenden Flamme in den Brenner hinein also einen Flammenrückschlag zu verhindern ist - und dies selbst bei sehr hohen Amplituden der Verbrennungsschwingung in der Brennkammer.The invention is based on the surprising discovery that when using a pulsating premix swirl flame or a pulsating, rapidly mixing diffusion swirl flame as the "drive" of an oscillating fire or pulsation reactor to generate the pulsating hot gas flow required for material treatment or synthesis, a burner outlet designed as a diffuser can automatically prevent the pulsating flame from flashing back into the burner, i.e. a flame flashback, if the diffuser length and diffuser opening angle are correctly selected - and this even with very high amplitudes of the combustion oscillation in the combustion chamber.
Ein mögliches Erklärungsmodell der Wirkung der Erfindung als autoadaptive Flammenrückschlag-Sicherung basiert darauf, dass bei dem Stromaufwärts-Wandern der pulsierenden Flamme in den Momenten der Schwingungsperiode mit niedriger Brennerausströmgeschwindigkeit die Flamme selbst einen Teil der freien Strömungs-Querschnittsfläche des Diffusors blockiert bzw. versperrt. Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Drallbrenner die von der Flamme bzw. der inneren Rückströmzone der Drallströmung, welche der Flamme unterliegt, eingenommene Fläche (senkrecht zur Axialrichtung) dabei im Wesentlichen unabhängig von der in Axialrichtung des Brenners vorhandenen Ausströmgeschwindigkeit des Brenngas/Luft-Gemisches ist.One possible model for explaining the effect of the invention as an auto-adaptive flashback arrester is based on the fact that when the pulsating flame moves upstream in the moments of the oscillation period with a low burner outflow velocity, the flame itself blocks or obstructs part of the free flow cross-sectional area of the diffuser. This is based on the knowledge that in a swirl burner, the area occupied by the flame or the inner backflow zone of the swirl flow, which is subject to the flame (perpendicular to the axial direction) is essentially independent of the outflow velocity of the fuel gas/air mixture in the axial direction of the burner.
Damit ist dann ein Ausströmen des Frischgemisches aus dem Brenner nur durch den zwischen Flamme bzw. innerer Rückströmzone der Drallströmung, welche die Flamme bildet, und Diffusorwand verbleibenden freien Ringspalt möglich. Da die Fläche dieses Ringspaltes senkrecht zur Brennerachse innerhalb des Diffusors aufgrund dessen konischer Geometrie bei gleichbleibender von der Flamme eingenommener Fläche stromaufwärts abnimmt, also immer kleiner wird, steigt aus Kontinuitätsgründen der Wert der axialen Strömungsgeschwindigkeit der aus dem Brenner ausströmenden Frischgemischströmung monoton an, bis ein Wert erreicht ist, bei dem die Flamme aufgrund ihrer begrenzten Flammengeschwindigkeit nicht mehr weiter stromaufwärts wandern kann, sondern in ihrer Bewegung zum Stehen kommt und verharrt.This means that the fresh mixture can only flow out of the burner through the free annular gap remaining between the flame or the inner backflow zone of the swirl flow that forms the flame and the diffuser wall. Since the area of this annular gap perpendicular to the burner axis within the diffuser decreases upstream due to its conical geometry while the area occupied by the flame remains the same, i.e. it becomes smaller and smaller, the value of the axial flow velocity of the fresh mixture flow flowing out of the burner increases monotonically for continuity reasons until a value is reached at which the flame can no longer move further upstream due to its limited flame speed, but comes to a standstill and remains in motion.
Umgekehrt verhindert derselbe Mechanismus auch ein zu starkes Abheben (mit anschließendem Verlöschen) einer pulsierenden Flamme vom Brenneraustritt zu jenen Zeitpunkten der Schwingungsperiode, in denen besonders hohe, momentane Axialgeschwindigkeiten der pulsierenden Frischgemischströmung vorliegen:
- Zunächst wird die Flamme in der Phase der Schwingungsperiode, in der die Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden Gemisches bis zu ihrem Maximalwert aufsteigt, zwar aufgrund der ansteigenden Strömungsgeschwindigkeiten der Frischgemischströmung innerhalb des Diffusors stromabwärts verschoben. Dadurch erhöht sich aber gleichzeitig die Größe der freien Ringspaltfläche, die zwischen der zentralen Flamme, die bei einem Drallbrenner ihre Fläche unabhängig von ihrer axialen Position beibeibehält, und der Diffusorwand liegt. Hierdurch sinkt aus Kontinuitätsgründen der Wert der axialen Strömungsgeschwindigkeit wieder ab und dadurch wird letztlich auch einem zu starken Abheben der Flamme vom Brenneraustritt (mit der Konsequenz, dass die Flamme dann sogar ganz erlöschen kann) wirksam entgegengewirkt.
- Firstly, in the phase of the oscillation period in which the flow velocity of the outflowing mixture rises to its maximum value, the flame is displaced downstream due to the increasing flow velocities of the fresh mixture flow within the diffuser. However, this simultaneously increases the size of the free annular gap area between the central flame, which in a swirl burner maintains its area regardless of its axial position, and the diffuser wall. As a result, the value of the axial flow velocity drops again for continuity reasons and this ultimately effectively counteracts the flame lifting too far away from the burner outlet (with the consequence that the flame can then even go out completely).
Es wird an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Brennen der pulsierenden Flamme innerhalb des Diffusors nicht als unzulässiger Flammenrückschlag angesehen wird.It is expressly pointed out at this point that the burning of the pulsating flame within the diffuser is not considered an impermissible flashback.
Insbesondere ist es durch eine hochtemperaturbeständige Auslegung des Diffusors zum Beispiel mittels einer keramische Innenauskleidung oder durch Zwangskühlung mittels einer doppelschaligen Ausführung des Diffusors mit Luft oder Wasser als Kühlmedium einem Fachmann leicht möglich, einen dauerhaft sicheren Betrieb der pulsierenden Flamme am/im Diffusor zu gewährleisten.In particular, it is easy for a specialist to ensure permanently safe operation of the pulsating flame on/in the diffuser by means of a high-temperature-resistant design of the diffuser, for example by means of a ceramic inner lining or by forced cooling by means of a double-shell design of the diffuser with air or water as the cooling medium.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass das Problem des ungewollten Flammenrückschlages durch die pulsierende Strömung in einem Schwingfeuer- oder Pulsationsreaktor nur dann von Bedeutung ist, wenn die Flamme voll-vorgemischt ist (Brennstoff und Verbrennungsluft werden räumlich vor dem Brenner miteinander molekular vermischt) oder wenn sie als schnellmischende Diffusionsflamme brennt. In letzterem Fall liegt z.B. eine Düsenmischflamme vor, bei der Brennstoff und Verbrennungsluft erst innerhalb des Brenners - bevorzugt am Brenneraustritt - zusammengeführt werden.It should also be noted that the problem of unwanted flashback caused by the pulsating flow in an oscillating fire or pulsation reactor is only significant if the flame is fully premixed (fuel and combustion air are molecularly mixed together spatially in front of the burner) or if it burns as a fast-mixing diffusion flame. In the latter case, for example, there is a nozzle mixed flame in which fuel and combustion air are only brought together inside the burner - preferably at the burner outlet.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:
-
1 Prinzipskizze eines Drallbrenners mit Diffusor; -
2 die Prinzipskizze eines Diffusors gemäß1 mit einer pulsierenden Flamme an zwei unterschiedlichen Positionen.
-
1 Schematic diagram of a swirl burner with diffuser; -
2 the schematic diagram of a diffuser according to1 with a pulsating flame in two different positions.
In der
Unter Brennstoff versteht man z.B. Brenngase wie Erdgas, Methan, Wasserstoff oder Flüssigbrennstoffe wie Alkohol, etc. Unter Verbrennungsluft wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Oxidationsmittel verstanden, das den für die Verbrennung benötigten Sauerstoff bereitstellt. Außer Luft gehören hierzu beispielsweise auch reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft etc.Fuel is understood to mean, for example, combustible gases such as natural gas, methane, hydrogen or liquid fuels such as alcohol, etc. In the context of the present invention, combustion air is generally understood to mean an oxidizing agent that provides the oxygen required for combustion. In addition to air, this also includes, for example, pure oxygen or air enriched with oxygen, etc.
Dieser Verbrennungsluftstrom oder dieses Brennstoff/Luft-Gemisch wird über einen Drallerzeuger 3 innerhalb des Drallbrenners 1 geleitet, so dass der aus dem Brenneraustritt 4 ausströmende Massenstrom 5 außer einer Bewegung in Axialrichtung eine Rotationsbewegung 6 in Umfangsrichtung (Tangentialgeschwindigkeitskomponente oder „Drall“) aufweist.This combustion air flow or this fuel/air mixture is passed through a
Mit dieser Rotationsbewegung 6 strömt der Massenstrom 5 in einen Diffusor 7. Die Wände des Diffusors haben einen im Wesentlichen konischen Verlauf mit einem Öffnungshalbwinkel 8. Dieser Öffnungshalbwinkel 8 liegt dabei in einem Bereich zwischen 3° und 45° und wird gegenüber der Axialrichtung gemessen.With this
Der Brenneraustritt 4 hat einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und kann eine axiale Erstreckung 9 haben, die vorzugsweise in etwa in dem Bereich zwischen 0 und 0,5 m liegt.The burner outlet 4 has a substantially circular cross-section and can have an
Die axiale Länge 10 des konischen bzw. kegelstumpfförmigen Diffusors 7 kann etwa einen Betrag von 0,1 bis 1 m haben. Er liegt damit bezogen auf die Abmessungen des Brenneraustritts 4 zwischen etwa dem 0,5-fachen und dem 10-Fachen des freien Durchmessers des Brenneraustritts.The
Zu dem Ende 11 des Diffusors 7 hin bildet sich in dem Massenstrom 5 aus dem ausströmenden Brennstoff/Luft-Gemisch eine Drallflamme 12.Towards the
Diese Drallflamme 12 zeichnet sich insbesondere auch durch ein zentrales Rückströmgebiet 13 aus, das ein wichtiges Charakteristikum einer drallstabilisierten Flamme darstellt.This
Die Flamme 12 brennt in einer pulsierenden Weise in eine hier nicht näher dargestellte, sich strömungstechnisch an den Diffusor 7 anschließende Brennkammer hinein und erzeugt dort eine schwingende Heißgasströmung. Dieser Heißgasströmung ist bedarfsweise eine Menge an Material zur Materialbehandlung oder Materialsynthese aufzugeben. Dieses Material wird, nachdem es in der Heißgasströmung behandelt oder synthetisiert wurde, abschließend beispielsweise in einem Zyklon oder einem Heißgasfilter wieder abgesondert, die ebenfalls nicht dargestellt sind.The
Die Pulsation der Flamme 12 ist selbsterregt und wirkt dabei im Verbund Brenner - Flamme - Brennkammer - Reaktionsraum - Abscheidevorrichtung auf den zuströmenden Massenstrom 5 zurück.The pulsation of the
Aufgrund der erwähnten Pulsation bzw. Schwingung der Heißgasströmung schwingt also auch die Flamme 12 und dadurch auch der in sie hineinströmende rotierende Massenstrom 5, was wiederum die Pulsation aufrecht erhält, u.s.w. d.h. der aus dem Brenner austretende Massenstrom hat einen zeitabhängigen - zumeist näherungsweise sinusförmigen - zeitlichen Verlauf).Due to the mentioned pulsation or oscillation of the hot gas flow, the
Aufgrund des schwingenden Massenstromes 5 ändert sich die in Axialrichtung liegende Geschwindigkeit der Brennerausgangsströmung (Axialgeschwindigkeitskomponente der Brennerausströmung), während gleichzeitig die Flammengeschwindigkeit 14 der sich bildenden Flamme 12 konstant bleibt. Die Flammengeschwindigkeit ist dabei die Geschwindigkeit, mit der sich die Flamme 12 entgegen der Ausströmrichtung des ihr zuströmenden Brennstoff/Luft-Gemisches in diesem ausbreitet.Due to the
Damit verlagert sich die axiale Position der sich bildenden Flamme: Bei absinkender Ausströmgeschwindigkeit des Massenstromes 5 wandert die Flamme 12 in den Diffusor 7 hinein, beispielsweise bis in die in der
Jetzt ist aber die Flamme 12 in ihren geometrischen Ausdehnungen quer zur Ausströmrichtung unabhängig von ihrer axialen Position im Wesentlichen konstant. Dies hängt zusammen mit den speziellen Eigenschaften einer drallstabilisierten Flamme, wie sie oben bereits angesprochen wurden.Now, however, the
Da in den axialen Positionen 1 bzw. 2 die dort für die Strömung zur Verfügung stehenden Querschnittsflächen A1 bzw. A2 aufgrund der konischen Ausgestaltung des Diffusors 7 unterschiedlich groß sind, ergibt sich so, dass sich zwischen den Positionen 1 und 2 die Ringflächen 15 bzw. 17 in ihren Größen entsprechend ändern, die sich an diesen Positionen zwischen der (in ihrer geometrischen Ausdehnung konstant bleibenden) Flamme 12 und der Wandung 16 des Diffusors bilden:
- Da sich der Querschnitt des Diffusors in Flammenausbreitungsrichtung von der Fläche A1 zu der Fläche A2 konisch erweitert, vergrößert sich die freie Ringfläche des Ringspaltes entsprechend, der die
Flamme 12 umgibt und der zwischen derFlamme 12 und der Wandung 16 des Diffusors 7 liegt. Dabei wirkt die drallstabilisierte Flamme 12 u.a. wegen der in ihr vorhandenen zentralen inneren Rückströmzone 13 wie ein fester Körper, dervon dem Massenstrom 5 von ausströmendem Brennstoff/Luft-Gemisch nicht durchströmt werden kann.
- Since the cross-section of the diffuser widens conically in the direction of flame propagation from the area A 1 to the area A 2 , the free annular area of the annular gap that surrounds the
flame 12 and lies between theflame 12 and thewall 16 of the diffuser 7 increases accordingly. The swirl-stabilizedflame 12 acts like a solid body, which cannot be flowed through by themass flow 5 of the escaping fuel/air mixture, due to the centralinner backflow zone 13 present in it.
In Position 2 stellt sich aufgrund der freien Ringfläche 15 eine axiale Geschwindigkeit U2 mit einem Axialimpulsstrom İ2 ein. Wandert die pulsierende Flamme 12 nun wie beschrieben innerhalb der Pulsations- bzw. Schwingungsperiode aufgrund des sich mit der Zeit ändernden, zunächst abnehmenden Brenneraustrittsmassenstromes Mzu(t) und somit abnehmender Austrittsgeschwindigkeit U stromaufwärts Richtung Brenner 1, erreicht sie die in
In der Position 1 ist die freie Ringfläche 17 wie erläutert aufgrund der Form des Diffusors 7 kleiner als die freie Ringfläche 15 in der Position 2. Somit steigt bei gleicher, von der durch die zentrale Rückströmzone gekennzeichneten drallstabilisierten Flamme 12 eingenommenen, nicht durchströmbaren Fläche in der Position 1 die axiale Strömungsgeschwindigkeit U1 an und damit steigt dort auch der Axialimpulsstrom İ1. Der Axialimpulsstrom İ1 ist somit größer als der Axialimpulsstrom İ2.In
Aufgrund der wie erläutert ansteigenden axialen Strömungsgeschwindigkeit U1 wird die Flamme 12 so an einem weiteren Stromauf-Wandern in den Diffusor 7 und damit in den Brenner 4 hinein gehindert. Vielmehr hält die Flamme 12 in etwa diese Position 1, bis der innerhalb der Pulsations- bzw. Schwingungsperiode wieder ansteigende Brenneraustrittsmassenstrom 5 mit demgemäß auch wieder ansteigender Brenneraustrittsgeschwindigkeit die Flamme 12 wieder stromab in die ursprüngliche, als sicher anzusehende Position 2 hinausdrängt.Due to the axial flow velocity U 1 increasing as explained, the
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Flamme 12 nicht bis zum Brenner 1 bzw. bis zum Drallerzeuger 3 wandern und sich in diesem bei einem Feuerrückschlag festsetzen kann.In this way, it is ensured that the
Es sei hier noch erwähnt, dass die Wandung 16 des Diffusors 7 und die Wandung 18 des Brenneraustritts 4 entweder ungekühlt oder aber wie in der
Weiterhin ist es möglich, die Wandung 16 und 18 mit einer keramischen Auskleidung zu schützen.Furthermore, it is possible to protect the
Die hier beschriebene Vorrichtung und deren Betrieb ermöglichen es, die Schwingungsamplitude eines Schwingfeuerreaktors insbesondere auch im Leerlauf der Anlage (d.h. ohne Materialaufgabe) auf hohe Werte einzustellen, ohne dadurch das Risiko eines Flammenrückschlages in den Brenner tragen zu müssen, da ein derartiger Flammenrückschlag durch den erfindungsgemäß an dem verwendeten Drallbrenner vorgesehenen Diffusor sicher verhindert wird.The device described here and its operation make it possible to set the oscillation amplitude of an oscillating fire reactor to high values, in particular when the plant is idling (i.e. without material being fed in), without having to bear the risk of a flame flashback into the burner, since such a flame flashback is reliably prevented by the diffuser provided according to the invention on the swirl burner used.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- DrallbrennerSwirl burner
- 22
- Verbrennungsluft- oder Brennstoff/Luft-Gemisch-MassenstromCombustion air or fuel/air mixture mass flow
- 33
- DrallerzeugerSwirl generator
- 44
- BrenneraustrittBurner outlet
- 55
- MassenstromMass flow
- 66
- Rotationrotation
- 77
- DiffusorDiffuser
- 88th
- ÖffnungshalbwinkelOpening half angle
- 99
- axiale Erstreckung des Brenneraustrittsaxial extension of the burner outlet
- 1010
- axiale Erstreckung des Diffusorsaxial extension of the diffuser
- 1111
- Ende des DiffusorsEnd of the diffuser
- 1212
- DrallflammeSwirl flame
- 1313
- RückströmbereichReturn flow area
- 1414
- FlammengeschwindigkeitFlame speed
- 1515
- RingflächeRing area
- 1616
- WandungWall
- 1717
- RingflächeRing area
- 1818
- WandungWall
- 1919
- Kühlungcooling
- 2020
- Luft- oder WasserstromAir or water flow
Claims (5)
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