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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur flächenhaften
Einmischung von Sekundärgas,
wie z. B. Luft, Sauerstoff oder andere gasförmige Reaktionsmittel, in heiße Feuerungsgase
in einen Strahlungszug einer Brennkammer gemäß des ersten Patentanspruchs.
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Brennkammern und Strahlungszüge stellen zentrale
Bestandteile einer Verbrennungsanlage dar. Sie bilden den Feuerraum,
in dem ein Brennstoff kontinuierlich verbrannt wird. Dabei stellt
sich ausgehend von der Brennkammer durch den Strahlungszug eine Strömung aus
Feuerungsgasen aus dieser Verbrennung im Feuerraum ein, welcher
zur Ausnutzung der Verbrennungsenergie üblicherweise durch oder an nachgeschalteten
oder im Feuerraum eingebauten Wärmeüberträgern geleitet
wird. Einen wesentlichen Einfluss auf die Strömung wie auch auf den Ausbrand und
auf die Schadgasbildung nehmen neben den Abmessungen des Feuerraums
insbesondere die Prozessbedingungen der Verbrennung.
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Um einen vollständigen Ausbrand in einem Feuerraum
sicherzustellen, wird zusätzlich
sog. Sekundärgas,
beispielsweise Luft, Sauerstoff O2, rezykliertes
Rauchgas oder Wasserdampf, in den Strahlungszug mit hohen lokalen
Impulsen und zur Sicherstellung einer guten Durchdringung der Strömung im hohen Überschuss
eingedüst.
Hierdurch erhält
die Verbrennung zusätzlich
Sauerstoff, welche die noch nicht verbrannten Anteile des Brennstoffs
zur Verbrennung bringen. Üblicherweise
erfolgt eine Eindüsung
von Sekundärgas über Düsenreihen,
vorzugsweise im Bereich des engsten Querschnitts zwischen Brennkammer
und Strahlungszug.
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Strömungs-, Temperatur-, Sauerstoff-
und Schadgasverteilung sind über
dem Querschnitt der Strahlungszüge
meist sehr ungleichförmig
und können
auch durch einen Mischungsimpuls, d.h. durch Eindüsung von
Sekundärgas
oder anderen gasförmigen
Medien nicht vollständig
beseitigt werden. Häufig treten
auch ausgeprägte
Strähnen
aus Feuerungsgasen auf, in denen Sauerstoffmangel vor liegt. Sie
begünstigen
Korrosionserscheinungen vorwiegend in den Strahlungszügen, aber
auch an den eingebauten Wärmeüberträgern. Infolge
der ungleichförmigen Sauerstoffverteilung
können
organische Schadstoffe sowie CO im Rauchgas meist nicht vollständig verbrannt
werden. Eine erforderliche Güte
einer Vermischung ist jedoch nur mit einer Eindüsung mit Parametern in einem
genau vorgegebenen Bereich erzielbar, wobei dieser bei einer Änderung
der Betriebsbedingungen, beispielsweise im Teillastbereich, jeweils anzupassen
ist.
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In [1] werden unterschiedliche Konzepte
und Vorrichtungen zur Eindüsung
von Sekundärluft
beschrieben. Die Eindüsung
erfolgt bei einem ersten Konzept mit Düsen, angeordnet ausschließlich in
der Feuerraumwand. Eine möglichst
effektive Verwirbelung und damit eine Durchmischung der eingedüsten Sekundärluft mit
der Strömung
wird durch eine optimierte Anordnung und Ausrichtung der Düsen in der Feuerraumwand
angestrebt. Grundsätzlich
versucht man also, allein durch Anordnung und Ausrichtung der Düsen bestimmte
zwei- oder dreidimensionale Strömungsmuster,
wie z.B. Strömungswalzen
oder Wirbelströmungen,
zu erhalten. In einem zweiten Konzept wird im engsten Querschnitt,
d. h. im Übergang
von der Brennkammer zum Strahlungszug, zusätzlich ein Balken mit zusätzlichen
Düsen eingesetzt.
Eine erste Variante dieses Konzeptes verwendet einen rotierenden
Balken, Bauart Temelli, während
eine zweite Variante auf einem strömungsoptimierten feststehenden
Balken, Bauart Kümmel
(vgl. [2]), basiert.
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[3] offenbart beispielhaft ein Konzept,
bei dem Sekundärluft über eine
Vielzahl von in den Brennraum hineinragenden, mit Durchbrüchen behafteten
Balken eingedüst
wird. Ein vergleichbares Konzept offenbart auch [4]. Bei diesem
wird die Sekundärluft über einen
Verteiler in den Kamin einer Verbrennungsanlage eingeleitet. Der
Verteiler besteht aus einer axial zum Kamin angeordneten Luftverteilerröhre mit
mehreren Abzweigrohren (Balken).
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Die aufgezeigten Konzepte weisen
jedoch prinzipbedingte Nachteile auf.
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Eine zuverlässige Einmischung von Sekundärgas über Düsen, welche
ausschließlich
in der Feuerraumwand angeordnet sind, setzt bestimmte einzuhaltende
Strömungsmuster
für einen
homogenisierenden Mischungsprozess voraus. Derartige Konzepte eignen
sich daher nur bedingt für
instationäre
Verbrennungsvorgänge.
Diese Einschränkung tritt
mit zunehmenden Querschnitt der Strömung zunehmend in den Vordergrund,
da die zu überbrückenden
Wegstrecken der Strömung
und dem Sekundärgas
bei einer Vermischung mit den Abmessungen steigen.
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Auch Balken, ob rotierend oder nicht
rotierend, oder auch andere Verdrängungskörper eignen sich nicht für alle Feuerraumgeometrien.
Vielmehr ist mit dem Auftreten auch größerer Druckgradienten und den
damit verbundenen unerwünschten
Effekten, wie beispielsweise Temperaturgradienten mit Entmischungs-,
Kondensations- und Kavitationseffekten im Feuerraum zu rechnen,
welche der Erzielung eines möglichst
vollständigen
Ausbrands entgegenwirken. Zudem sind bei Temperaturen oberhalb von
800°C rotierende
Luftverteilerbalken mechanisch sehr aufwendig, störanfällig und
damit teuer.
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Ausgehend davon hat nun die vorliegende Erfindung
zur Aufgabe, eine Vorrichtung zur flächenhaften Einmischung von
Sekundärgas,
wie z. B. Luft, Sauerstoff oder andere gasförmige Reaktionsmittel, in heiße Feuerungsgase
in einen Strahlungszug einer Brennkammer vorzuschlagen, welche eine
zuverlässige
Einmischung insbesondere auch bei instationären Verbrennungsvorgängen oder
im Teillastbereich sicherstellt und dabei ohne beweglichen Teile auskommt.
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Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung
die Merkmale gemäß dem Patentanspruch
1 vor. Weitere, vorteilhafte und die Erfindung weiterbildende Merkmale
sind in den Unteransprüche
angeführt.
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Die Erfindung zeichnet sich insbesondere durch
eine Gitterstruktur aus, welche quer zum Strahlungszug angeordnet
ist und den Querschnitt des Strahlungszug dabei vollständig überspannt.
Die Gitterstruktur ähnelt
einem Sieb, Netz oder einem Rechen und wird durch Röhren oder
andere Hohlkörper gebildet.
Diese sind entweder aus einem Material mit offener, d. h. durchgängiger Porosität hergestellt
oder weisen Wandungen mit Durchbrüchen auf, wobei die durchgängige Porosität und die
Durchbrüche
Lufteinlässe
bilden. Die Einleitung des Sekundärgases in die Gitterstruktur
erfolgt mit Anschlüssen
vorzugsweise an und durch die Wände
des Feuerraumes bzw. des Strahlungszuges über die Enden der Gitterstruktur,
an denen sich die Gitterstruktur im Feuerraum abstützt.
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Ebenso ist die Gitterstruktur auch
ohne Röhren
als hohler Formkörper
mit einer inneren Kavität gestaltbar.
Wie die zuvor beschriebenen Röhren weist
der Formkörper
Durchbrüche
zwischen der Kavität
und der Umgebung auf, d.h. die Wandung ist entweder aus einem Material
mit offener, d. h. durchgängiger
Porosität,
beispielsweise als Sinterformkörper,
hergestellt oder weist diskrete Durchbrüche als Lufteinlässe auf.
Mit einer entsprechenden Gestaltung der Durchbrüche als offene Porosität lässt sich durch
eine flächigen
Eindüsung
des Sekundärgases zudem
die Gitterstruktur vor thermischer und chemischer Korrosion schützen. Die
Gitterstruktur lässt sich
zudem je nach Einsatzgebiet aus einer Keramik oder einem Metall
herstellen. Soll die Gitterstruktur insbesondere hohen Temperaturen
widerstehen und dabei auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit
aufweisen, bieten sich hochtemperaturbeständige oder feuerfeste Keramiken
als Material für
die Röhren
an. Metallische Röhren
bieten sich insbesondere bei moderaten Temperaturen dann an, wenn
eine höhere mechanische
oder thermische Wechselfestigkeit erforderlich ist.
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Durch Einsetzen einer derartigen
Gitterstruktur über
dem gesamten Querschnitt der Brennkammer bzw. des Strahlungszuges
oberhalb des Feuerraumes wird die Voraussetzung geschaffen, den
benötigten
Sauerstoff in die Feuerungsgase vollständig einzumischen. Es bietet
sich an, die Gitterstruktur als selbsttragendes Gewölbe auszuführen, welches
sich ringsum an den Wänden
des Strahlungszuges abstützt.
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Die wesentlichen Abmessungen der
Gitterstruktur, wie beispielsweise die Maschenweite der Gitterstruktur
oder die Größe und die
Verteilung der Durchbrüche,
bestimmen die Mischungswege der eingedüsten Zwischengas mit der Strömung. Sie
beeinflussen dadurch signifikant die Geschwindigkeit der Einmischung
und damit die Zuverlässigkeit
eines hohen Ausbrands. Dadurch reicht die Geschwindigkeitserhöhung, die
sich aufgrund der Querschnittsverlegung durch die Rohre der Gitterstruktur
ergibt, aus, um das aus den Rohren ausströmenden Zwischengas vollständig in
die Feuerungsgase einzumischen. Die Nachlaufströmung stromabwärts der
Gitterstruktur unterstützt
zusätzlich
den Vermischungsvorgang. Der praktische Vorteil liegt vor allem
aber darin, dass der hohe Ausbrand weitgehend unabhängig von
den Strömungs-
und Mischungsverhältnissen erzielbar
ist, da mit der Kürze
von Mischungswegen die Bedeutung eines bestimmten Strömungszustandes
für eine
Vermischung zunehmend in den Hintergrund tritt. Auch entfällt praktisch
eine Obergrenze des Feuerraumquerschnitts im Strahlungszug, in der eine
zuverlässige
Einmischung aufgrund der vorherrschenden Strömungsverhältnisse ohne Gitterstruktur gerade
noch möglich
wäre. Die
Erfindung eignet sich daher in besonderem Maße für Großverbrennungsanlagen. Zudem
wird nicht nur ein hoher Ausbrand unabhängig vom Betriebszustand erzielt,
sondern vor allem auch bei der Verbrennung unterschiedlicher Brennstoffe,
ohne dass es einer Umrüstung
der Vorrichtung zur flächenhaften
Einmischung von Sekundärgas
bedarf.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin,
dass wegen der hohen Mischgüte
und des damit erzielbaren zuverlässig
hohen Ausbrands unabhängig
von der Verbrennung der Verbrennungsprozess im Feuerraum ohne Rücksicht
auf Emissionswerte optimierbar ist, beispielsweise hinsichtlich
einer primärseitigen
Stickoxidminderung, hinsichtlich reduzierter Rosttemperaturen bei
heizwertreichem Brennstoff oder hinsichtlich minimierter Rauchgasmengen.
Eventuell auftretende hohe CO-Konzentrationen in der Strömung werden
in jedem Fall durch die Sauerstoffeinmischung über die Gitterstruktur zuverlässig reduziert.
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Es bietet sich auch an, mehrere Gitterstrukturen
gemäß der Erfindung
in der Strömung
hintereinander anzuordnen. Hierdurch wird eine Sauerstoffeinmischung
oder eine gezielte Einmischung eines Reaktionsmittels in Stufen
möglich.
Beispielsweise erfolgt in einer Stufe eine Pyrolyse oder eine Vergasung,
während
die eigentliche Nachverbrennung erst in einer zweiten Stufe vorgesehen
ist, was vor allem eine geringere Rostbelastung bei heizwertreichen Abfällen bewirkt.
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Eine sektorielle Hintereinanderschaltung
von mehreren Gitterstrukturen ermöglicht zusätzlich die gezielte Vergleichmäßigung der
Strömung
des gesamten Rauchgasstromes und den Ausgleich extrem ungleichförmiger Strömungen über dem
Strahlungszug im Feuerraum. Diese Option ist besonders für Strahlungszüge mit großem Querschnitt
oder bei ausgeprägter
Schichtströmung
interessant.
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Einzelheiten der Erfindung werden
anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Gitterstruktur, eingesetzt in einen Feuerraum, sowie
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2a bis 2d verschiedene Ausführungsformen
der Gitterstruktur.
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Wie eingangs beschrieben und in 1 schematisch dargestellt,
besteht die Erfindung im wesentlichen aus einer Gitterstruktur 1,
welche sich an den Wänden 2 des
Feuerraumes abstützt
und den Querschnitt zwischen diesen Wänden des Strahlungszugs vollständig überspannt.
Ferner ist in 1 die
Strömungsrichtung 3 der
Strömung
mit einem Pfeil angedeutet, welche die Gitterstruktur mit seinem
gesamten Volumenstrom durchströmt.
Die Gitterstruktur im Feuerraum ist für die Erzielung einer effektiven
Lufteinmischung strömungstechnisch
an die Strömung
anzupassen. Dabei ist es grundsätzlich unerheblich,
ob die Gitterstruktur einen engsten Querschnitt wie in 1 oder einen anderen Querschnitt
im Feuerraum überspannt.
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Die Gitterstruktur ist in 1 als einfach gebogene Gitterfläche dargestellt.
Es sind alternativ Gewölbestrukturen
wie auch gewellte, mehrfach gebogene, geknickte oder plane, d. h.
praktisch beliebig geformte Gitterflächen einsetzbar.
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Mögliche
Anordnungen der Röhren
in der Gitterstruktur sind in den 2a bis 2d dargestellt. Grundsätzlich unterscheiden
sich zwei Grundanordnungen der Gitterstrukturen. Weitere Anordnungen oder
auch Kombinationen aus mehreren Anordnungen sind denkbar und sind
durch die Erfindung mit abgedeckt. Ferner sind auch Gitterstrukturen
dieser Art denkbar, welche nicht nur aus Röhren, sondern auch aus anderen
Hohlkörpern,
beispielsweise separaten Hohlblöcken
mit integrierten Verteilerkanälen oder
Drosseln oder Abzweigungsmuffen, bestehen.
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Die eine Grundanordnung ist in den 2a bis 2c dargestellt und ähnelt in ihrem Grundaufbau
einem Spinnennetz. Sie besteht aus sternförmig von einem Gittermittelpunkt
auslaufenden Versorgungsröhren 4 welche
untereinander mit Verteilerröhren 5 verbunden
sind. Die Zuleitung des Sekundärgases erfolgt
durch die Wand des Feuerraums in die Enden der Versorgungsröhren und
von diesen in die Verteilerröhren.
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Die zweite Grundanordnung ähnelt einem Gitter
mit jeweils parallel zueinander verlaufenden Versorgungsröhren 4 und
Verteilerröhren 5.
Sie ist beispielhaft in 2d dargestellt.
Bei einer weiteren Variante dieser Grundanordnung sind die Verteilerröhren ebenfalls
als Versorgungsleitungen mit je einem endseitigem Anschluss für die Zuleitung
von Sekundärgas
an der Wand des Feuerraumes ausgestattet.
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Die Verteilerröhren sowie optional auch die Versorgungsröhren weisen
die eingangs genannten Durchbrüche
auf. Je nach Auslegung ist die Gitterstruktur auch ohne Verteilerröhren einsetzbar,
wobei naturgemäß die Versorgungsleitungen
zwingend mit Durchbrüchen
zu versehen sind.
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Vor dem Hintergrund der vorherrschenden hohen
Temperaturen im Feuerraum im Bereich der Gitterstruktur bietet es
sich an, diese aus einer hochtemperaturfesten oder feuerfesten Keramik
herzustellen. Kommt es mehr auf eine mechanische Festigkeit bei
einem eher moderaten Einsatztemperaturniveau an, bietet sich die
pulvermetallurgische Herstellung mit einem Sintermetall an.
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Die Herstellung erfolgt durch einen
Sinterprozess vorzugsweise drucklos, wobei die Sinterparameter so
eingestellt werden, dass die Wandung der Röhren eine offene Porosität als Durchbrüche aufweisen.
Gitterstrukturen mit Versorgungsröhren ohne und Verteilungsröhren mit
Durchbrüchen
in den Wandungen werden vorzugsweise in einem mehrstufigen Herstellungsprozess
gefertigt, wobei die Versorgungsröhren als fertig- und dichtgesinterte
Bauteile in einem zweiten Fertigungsschritt verarbeitet werden.
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- 1
- Gitterstruktur
- 2
- Wand
- 3
- Strömungsrichtung
- 4
- Versorgungsröhren
- 5
- Verteilerröhren