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Verfahren und Einrichtung zum Verbrennen heizwertarmer, insbesondere
staubhaltiger Gase Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum
Verbrennen heizwertarmer, insbesondere staubhaltiger Gase, wie sie vornehmlich als
Gichtgase der Schachtöfen der Nichteisenmetallurgie und der Kupolofen der Eisengießereien
in großen Mengen anfallen.
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Die stark staubhaltigen Gichtgase dieser Öfen haben im allgemeinen
Heizwerte, die zwischen 300 kcal/mN³ und ca. 700 keal/mN liegen und werden aus wirtschaftlichen
Gründen meist nur grob gereinigt, wobei Trocken- und -Naßverfahren angewendet werden.
Die Gichtgase der Nichteisenmetallurgie enthalten oftmals noch schwefelhaltige Gas-
und Staubbestandteile.
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Es ist bekannt, daß derartige Gase, sofern überhaupt eine Nutsung
erfolgt, zusammen mit einem heizwertreichen, gesförmigen, flüssigen oder staubförmigen,
festen Brennstoff und vorgewärmter Verbrennungsluft verfeuert werden, wobei das
heizwertarme Gas zwecks leichterer Reinigungsmdglichkeit der Gaszuführungsvege nur
durch einfache Rohre in den Feuerraum geblasen wird.
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Weiterhin ist bekannt, heizwertarme, staubhaltige Gase als Zusatzbrennstoff
über einem mit festen Brennstoffen beßchickten Feuerbett (Rostieuerung) ohne besonders
ausgebildete Brenner mit der Überschußluft oder vorgewärater
Sekundärluft
in reichlich dimensionierten Brennräumen zu verfeuern.
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Ferner sind Versuche bekannt, heizwertarme, staubhaltige Gase mit
bekannten Brennern der verschiedenen Ausführungen und Gemischbildungsverfahren mit
Hilfe entsprechend hoher Vorwärmung der Verbrennungsluft möglichst ohne heiswertreichen
Zusatzbrennstoff zu verbrennen. Es ist üblich, hierfür Gemischbildungsverfahren
mit kurzer Gemischbildungszeit anzuwenden, damit durch die dabei erzielte größere
Verbrennungsgescilwindigkeit eine möglichst kurze Flamme mit hoher Flammentemper
tur entsteht.
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Den zuerst genannten beiden Verfahren zur Verwertung heizwertarmer,
staubhaltiger Gase haftet der Mangel an, daß zur sicheren und vollständigen Verbrennung
ein genügend großes Stützfeder mit einem teueren, heizwertreicheren Brennstoff unterhalten
werden muß, was bei im Überschuß vorhandenen Gasmengen ein wirtschaftlicher Nachteil
ist.
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Die Gas zuführung in den Brennraum ohne besondere Brenner erfordert
lange Mischzeiten mit der im ueberschuß vorhandenen Verbrennungsluft aus der Verbrennung
des heirwertreichen Brennstoffes oder der sekundär zugeführten Verbrennungsluft.
Der zum vollständigen Ausbrand notwendige Brennweg führt zu reichlich dimensionierten
Feuerräumen mit niedrigerer Feuerraum-Wärmebelastung. Die Steuerung des Verbrennungsablaufes
bei wechselnder Wärmeleistung der Feuerung ist erschwert. Bei großen aas Gaszuführungsquerschnitten
besteht die Gefahr des Rückzündens bzw. des Rückbrennens, wenn beispielsweise durch
Störungen im Schachtofenbetrieb oder durch anderweitige Faischlufteinbrüche der
Sauerstoffgehalt im Gichtgas so weit ansteigt, daß die obere Zündgrenze des Gas-Luft-Gemisches
unterschritten wird.
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Die zur selbständigen Verbrennung heizwertarmer Gase bevorzugt in
Erwägung gezogenen Gemischbiidungsverfahren und Brennerausführungen, die als Wirbelstrom-,
Tangentialstrom
- und Kreuzstrombrenner bekannt sind, benötigen
zur Gemischbildung bzw. zu der hierfür erforderlichen Druckerzeugung beträchtliche
Energiemengen. Bei mit nassen Verfahren grobgereinigten Gasen, die mit Wasserdampf
gesättigt sind, ist dies wegen der Bildung schlammigen Kondensates besonders nachteilig,
da die zur Druckgebung benötigten Ventilatoren bei höherer Drucksteigerung noch
stärkerer Verschmutzung ausgesetzt sind und in ihrer Leistung entsprechend höher
ausgelegt werden müssen.
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Dabei kann bei den zur Druckerzeugung und Mengenförderung in Frage
kommenden Kreiselgebläsen leicht der Fall eintreten, daß man mit der einfachen einstufigen
Verdichtung nicht auskommt und auf eine technisch aufwendigere zwei-oder mehrstufige
Verdichtung zurückgreifen muß.
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Der an sich bekannte, mit einfacher oder mehrfacher Teilung des Gas-
und Luftstromes arbeitende Parallelstrombrenner benötigt zwar für die Gemischbildung
weniger Energie, hat aber, besonders bei großer Leistung, den Nachteil der langsamen
Mischung, da diese im wesentlichen auf dem Wege der Diffusion vor sich geht.
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Zweck der Erfindung ist es, die vorgenannten Mängel zu beseitigen
und mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung mit geringstem Energie- und Material
aufwand in dauernd zuverlässiger Weise eine stabile Verbrennung bei vollständigem
Ausbrand zu erreichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit denen heizwertarme, staubhaltige
Gase ohne Stützfeuer und ohne Zusatzbrennstoff mit geringem Energieaufwand 9ür die
Gemischbildung, niedrigem Luftüberschuß, hoher Feuerraum-Wärmebelastung, möglichst
niedrigen Verbrennungsluft- bzw. Gasvorwärmetemperaturen bei ausreichender Flammenstabilität
vollständig verbrannt und Störungen bei der Verbrennung infolge Verschmutzung der
Einrichtung durch in den Gasen mitgefhhrten Staub weitgehendst vermieden
werden
sowie Rückzündungen bei gelegentlicher Lieferung von zündfähigen Gas-Luft-Gemischen
ausgeschlossen sind.
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Erfindungsgemaß wurde die Aufgabe dadurch gelöst, daß die vor der
Verbrennung zu mischenden Gas- und Luftströme in eine Vielzahl paralleler, dicht
beieinander angeordneter Einzelstrahlen aufgeteilt werden wld daß für die Vermischung
dieser Einzel strahlen nach dem bekannten Prinzip der Freistrahlausbreitung ein
dem Querschnitt des StrahlenbUndels entsprechender Mischraum vorgesehen ist, bevor
das Gemisch in den mindestens auf Zündtemperatur des Schwachgas-Luft-Gemisches vorgeheizten
oder während des Anfahrvorganges mit einem Zündfeuer versehenen Verbrennungsraum
eintritt, Ferner lfurde gefunden, daß eine im Verbrennungsraum senkrecht zum Gemischstrom
im Abstand von einem Brennermund angeordnete halbhohe Wand durch die von ihr direkt
auf den Brennermund eingestrahlte Wärme zur Flammenstabilisierung beiträgt, Die
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Einrichtung wird
erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß in dem vorteilhaft mit rundem Querschnitt
ausgeführten Gasbrenner der Gas strom durch eine Vielzahl von Rohren geführt wird,
welche in vorzugsweise hexagonal in einer rückwärtigen Lochplatte angeordneten Bohrungen
befestigt sind, und die Verbrennungsluft in den zwischen den Rohren befindlichen
Raum radial einströmt und axial, also parallel zu den Gasstrahlen, ausströmt. Die
Suinme der lichten Rohrquerschnitte steht mit der Suinme der Luftaustrittsquerschnitte
in einem dem Heizwert des Gases bzw.
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dem Verbrennungsluftbedarf entsprechenden Verhältnis, so daß die für
die schnelle Vermischung paralleler Teilströme bekanntlich geltende Forderung nach
Gleichheit der klneta schen Energien der strömenden Gas und Luftmengen erfüllt wird.
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Bei einem sehr niedrigen Heizwert9 bei dem das Luft-Gas-Verhältnis
wesentlich kleiner als 1 ist, und unter BerAcksichtigung
der die
Strömungsgeschwindigkeit beeinflussenden Vorwärmtemperaturen sind zur Verringerung
des Luftaustrittquerschnittes die Rohre am Luft- bzw. Gasaustritt mit außen auf
den Rohren aufgesetzten Bundringen versehen.
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Eine weitere Lösung sieht das Aufsetzen einer Lochplatte auf das Rohrbündel
am Gas- bzw. Luftaustritt, in der die Rohre lose geführt werden und die zwischen
den Bohrungen für die Rohre weitere Bohrungen für den Austritt der Verbrennungsluft
enthält, vor. Die Rohre werden nur bis auf etwa 5 mm von der hinteren Plattenfläche
entfernt in die Bohrungen eingeführt und an den Rohrenden verschweißt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß für sehr große
Gasmengen und für Gase mit extrem niedrigem Heizwert eine Zündbrennerlanze für hochwertigen
Brennstoff, z. B. Koksofengas, zentral und verschiebbar im Kern des Rohrbündels
angeordnet ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Einrichtung wird erreicht,
daß heizwertarme, staubhaltige Gase ohne Stützfeder und Zusatzbrennstoff mit guter
Flammenstabilität und geringem Aufwand für Druckgebung zur Gemischbildung mit niedrigen
Vorwärmtemperaturen ohne Störungen der Verbrennung infolge Verschmutzung der Brenner
verteuert werden können. Da die Vermischung von Gas und Luft im wesentlichen in
dem an das Rohrbündel anschließenden Mischraum stattfindet, erhält man eine kurze,
heiße Flamme, wie sie sonst nur bei Gemischbildungsverfahren mit hohem Energieaufwand
erzielt wird. Für die Verbrennung ist nur ein verhältnismäßig kleiner Feuerraum
erforderlich, der sich neben dem Vorteil des geringeren Materialaufwandes günstig
auf die bei der Verbrennung heizwertarmer Gase anzustrebende, möglichst hohe Brennraumtemperatur
auswirkt.
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Die Verbrennung kann bei vollständigem Auabrand mit dem für heizwertarne
Gase sehr niedrigen Luftüberschuß von 1 bis 3 % geftihrt werden, was sich bei der
Verbrennung von Gasen mit schwefelhaltigen Stäuben günstig ftlr die Verringering
biv. Vermeidung der SO3-BUdung während des Verbrennungsorg u drt und damit auf den
Rauchgastaupunkt auswirkt.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin,
daß durch die Sperrwirkung der langen Gaszuführungsrohre mit ihrem geringen Durchmesser
Rückzündungen bei gelegentlicher Lieferung von im Zündbereich liegenden Gas-Luft-Gemischen
ausgeschlossen sind, wie es die Praxis bewiesen hat. Die bei Brennern für sehr große
Gasmengen und extrem niedrigen Heizwert verwendete Zündbrennerlanze kann sowohl
zum Aufheizen als auch in besonderen Fällen als Stützbrenner verwendet werden. Die
im Verbrennungsraum angeordnete halbhohe Wand trägt durch die von ihr direkt auf
den Brennermund eingestrahlte Wärme erheblich zur Flammenstabilisierung bei. Die
nur bis auf etwa 5 mm von der hinteren Plattenfläche ent lernt in die Bohrungen
der rückwärtigen Lochplatte eingeführten und mit ihren Enden verschweißten Rohre
ermöglichen günstige Rinlaufbedingungen für den Gasstrom und verhindern Verschmutzungen
durch mitgeführte Flugstäube. Von ökonomischem Vorteil ist auch, daß alle Brennerbauteile
aus gewöhnlichen Baustählen gefertigt werden können; der thermisch beanspruchte
Brennermund (Mischraumende) läßt sich wie die Brennerrauminnenwand aus feuerfesten
Steinen herstellen.
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Die Erfindung soll nachstehend an einigen AusfUhrungsbeispielen näher
erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1: einen Gasbrenner
im Längsschnitt, Fig. 2: eine Vorderansicht nach Fig. 1, Fig. 3: eine hexagonale
Anordnung der gasführenden Rohre mit Bundringen am Gas- bzw. Luftaustritt, Fig.
4: die Anordnung des Bundringes, Fig. 5: die Befestigung der gasführenden Rohre
in der rückwärtigen Lochplatte (Gaseintritt), Fig. 6: einen Längsschnitt des Verbrennungsraumes,
Fig. 7: die Rohranordnung mit Lochplatte am Gas- bzw.
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Luftaustritt und zentral angeordneten Zündbrenner.
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Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Gasbrenner besteht aus einem äußeren
Rohr 1, dem Luftverteilungsgehäuse 2 mit Lufteintrittsstutzen 3, dem Gasverteilungsgehäuse
4 mit Gaseintrittsstutzen 5 und der rUckwärtigen Lochplatte 6, in der eine größere
Anzahl gasführender Rohre 7 befestigt ist. Feuerseitig schließt sich an das Ende
des Rohrbündels der Mischraum 8 an. Das in das Gasverteilungsgehäuse 4 eintretende
Gas wird zur Vermeidung von Druckverlusten durch ein schaufelartiges Leitblech 9,
das mit dem abnehmbaren Deckel 10 durch Stützen 11 fest verbunden ist, in Richtung
der Lochplatte 6 und damit durch die Rohre 7 geführt. Die in das ringförmige Luftverteilungsgehäuse
2 eintretende Verbrennungsluft strömt zwischen den vorzugsweise nach Fig. 3 hexagonal
angeordneten und nur in der rückwärtigen Lochplatte 6 befestigten, gasführenden
Rohren 7, die an ihren Enden nach Fig. 4 mit Bundringen 12 versehen sein können,
wodurch die evtl. notwendige Verringerung des Luftaustrittsquerschnittes erreicht
wird.
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Das gemeinsam mit der rückwärtigen Lochplatte v aus dem äußeren Rohr
1 herausziehbare Rohrbündel ist am mischraumseitigen Ende mit sechs segmentförmigen
Blechabdeckungen 13 versehen, die den Luftaustritt zwischen dem im Querschnitt sechskantförmigen
Rohrbündel und dem kreisförmigen äußeren Rohr 1 verhindern. Zur Verbesserung der
Gaseinströmung in die Rohre 7 und zur Vermeidung von Verschmutzungen an der Gaseinströmstelle
werden diese wie in der Fig. 5 dargestellt durch eine kehlförmige Schweißnaht 14
mit der rückwärtigen Lochplatte 6 verbunden. Das aus dem Mischraum 8 austretende
Schwachgas-Luft-Gemisch verbrennt in dem auf Zündtemperatur vorgeheizten oder während
des Anfahrvorganges mit einem Zündfeuer versehenen Verbrennungsraum 15 (Fig. 6).
Zum Vorheizen bzw. zum Zünden dient der seitlich am Verbrennungsraum angebrachte,
mit einem heizwertreichen Brennstoff betriebene Hilfsbrenner 16, der nach Abschluß
des Anfahrvorganges außer Betrieb gesetzt wird.
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Während des alleinigen Betriebes der Schwachgasfeuerung trägt die
in Fig. 6 dargestellte, aus hochfeuerfesten Steinen bestehende, halbhohe Wand 17,
insbesondere bei kurzzeitigen, stärkeren Heizwertschwankungen, intensiv zur Flammenstabilisierung
bei.
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Die in Fig. 3 und 4 gezeigte Anordnung der gasführenden Rohre 7 kann
durch die in Fig. 7 dargestellte Ausführung ersetzt werden, wobei die Verwirklichung
des Prinzips der Gleichheit der kinetischen Energien der strömenden Gas-und Luftmengen
bei extrem niedrigen Schwachgasheizwerten besser erfüllbar ist. Die gasführenden
Rohre 7, die in der rückwärtigen Lochplatte 6 nach Fig. 5 durch die Schweißnaht
14 befestigt sind, sind mit ihren dem Mischraum 8 zugekehrten Ende lose in eine
zweite Lochplatte 18 gesteckt, so daß sie nur wenige Millimeter über diese hinausragen.
Zur Befestigung sind lediglich einige der äußeren gasführenden Rohre 7 des Rohrbündels
mit der Lochplatte 18, deren äußerer Durchmesser wegen des Herausziehens des Rohrbündels
etwas kleiner als der des äußeren Rohres 1 zu halten ist, verschweißt. Entsprechend
der Fig. 7 erhält die Lochplatte 18 kleinere Bohrungen 19 für den Verbrennungsluftaustritt,
deren Durchmesser nach der benötigten Verbrennungsluftmenge und Luftgeschwindigkeit
festzulegen ist.
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Außerdem ist bei der in Fig. 7 dargestellten Anordnung im Kern des
Rohrbündels eine Zündbrennerlanze 20 für Starkgas mit eigener Verbrennungsluftzuführung
angebracht. Die Zündbrennerlanze 20 ist in dem Mantelrohr 21, das die rückwärtige
Lochplatte 6 mit der Lochplatte 18 verbindet, verschiebbar gelagert.
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Aufstellung über die verwendeten Bezugszeichen 1 = äußeres Rohr 2
= Luftverteilungsgehäuse 3 = Lufteintrittsstutzen 4 = Gasverteilungsgehäuse 5 =
Gaseintrittsstutzen 6 = rückwärtige Lochplatte 7 = gasführende Rohre 8 = Mischraum
9 = schaufelartiges Leitblech 10 = abnehmbarer Deckel 11 = Stützen 12 = Bundring
13 - segmentförmige Blechabdeckungen 14 = kehlförmige Schweißnaht 15 = Verbrennungsraum
16 = Hilfsbrenner 17 = halbhohe Wand 18 = Lochplatte 19 = Bohrungen für den Verbrennungsluftaustritt
20 = Zündbrennerlanze für Starkgas mit eigener Ve rbrennungluftzuführung 21 = Mantelrohr