DE19736217C1 - Spiralstromfeuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spiralstromfeuerung, insbeson­ dere zur Verbrennung vanadiumhaltiger Reststoffe der Erdölverarbeitung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Spiralstrom- oder Rotationsfeuerungen werden zur thermi­ schen Behandlung kohlenstoffhaltiger Rückstände der chemi­ schen Industrie angewendet. Derartige Rückstände fallen z. B. beim Cracken von Erdöl an. Die Rückstände enthalten verwertbare Bestandteile, z. B. Vanadiumverbindungen, wes­ halb eine Aufbereitung der Rückstände bei gleichzeitiger Ausnutzung der brennbaren Bestandteile zur Heißgaserzeu­ gung durchgeführt wird.

Eine Spiralstromfeuerung ist aus der DE 41 14 171 C2 be­ kannt. Kohlenstoffhaltige Materialien mit nicht brennba­ ren Bestandteilen und Schadstoffen werden in einer vorge­ gebenen Korngröße in einem Förderluftstrom tangential einer Brennkammer zugeführt und bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der Schlacke verbrannt. Die Verbrennungs­ luft wird derart tangential eingeblasen, daß ein Direkt­ kontakt und ein Anbacken von Schlackenteilen an einer In­ nenauskleidung der Brennkammer vermieden werden. Eine Küh­ lung bewirkt, daß die Schlacke in fester Form ausgetragen wird.

Es wurde festgestellt, daß bei Verbrennung vanadiumhalti­ gen Rußstaubs in einer Spiralstromfeuerung bei den fahr­ baren Feuerraumtemperaturen spontan flüssige Schlacke ent­ steht. Versuche haben ergeben, daß die Bildung der flüs­ sigen Schlacke reaktionskinetisch bedingt ist und durch eine Änderung der Verfahrensparameter, insbesondere in bezug auf die Brennstoff- und Luftzuführung, nicht ver­ hindert werden kann.

Besonders nachteilig wirken sich die spontanen Schlacken­ anbackungen im unmittelbaren Bereich der Zuführdüsen des Brennstaub-Luft-Gemisches und der Luftdüsen für die Ver­ brennungsluft aus. Bereits nach relativ kurzen Betriebs­ zeiten verschlacken die Düsen und führen zu einer Ein­ schränkung und Störung des Feuerungsbetriebs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spiralstromfeuerung zu schaffen, welche eine nahezu stö­ rungsfreie Verbrennung vanadiumhaltiger Materialien ohne eine Verschlackung der Zuführdüsen gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestal­ tungen sind in den Unteransprüchen und in der Figurenbe­ schreibung enthalten.

Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, die Strömungsmechanik einer Rotationsbrennkammer derart zu modifizieren, daß die anfallende flüssige Schlacke keinen nachteiligen Einfluß auf den Verbrennungsprozeß ausüben kann.

Erfindungsgemäß wird die Rotationsströmung in einer Brenn­ kammer durch wenigstens eine Abweiseinrichtung derart be­ einflußt, daß die Rotationsströmung nicht bis an die Zu­ führungen für das Brennstoff-Luft-Gemisch und die Verbren­ nungsluft heranreicht. Dadurch kann auch die entstehende Schlacke nicht bis in den Austrittsbereich der Düsen gelan­ gen, so daß eine Verbrennungsluftzuführung und Brennstaub­ zuführung ohne Gefahr eines Zusetzens der Austrittsöffnun­ gen gewährleistet ist. Der Begriff Düse wird hier für einen Zuführkanal in der Brennkammer unmittelbar vor der Öffnung verwendet.

Es ist vorteilhaft, in einer ersten Brennkammerebene, wel­ che bevorzugt kurz unterhalb einer Brennkammerdecke ausge­ bildet ist, nur eine Zuführdüse für das Brennstaub-Luft-Ge­ misch und, in Strömungsrichtung gesehen, nach der Brenn­ stoffaufgabe ebenfalls nur einen Zutrittskanal mit Düse für die Verbrennungsluft vorzusehen. Dieses Konzept vereinfacht die Brennkammerkonstruktion und ist mit geringeren Investi­ tions- und Instandhaltungskosten verbunden.

Eine weitere Beeinflussung der Strömungsmechanik wird da­ durch erreicht, daß die Zuführdüse für das Brennstaub-Luft- Gemisch nicht geradlinig, sondern nach unten bzw. in Rich­ tung eines Rauchgasaustritts geneigt bzw. abgewinkelt aus­ gebildet ist.

Der Brennstaub wird bevorzugt mit Geschwindigkeiten im Be­ reich zwischen 10 und 25 m/s auf einer Sekante mit einer Neigung von etwa 10 bis 20 Grad, bevorzugt mit einer Nei­ gung von 15 Grad, eingeblasen. Der Brennstaub bewegt sich dann auf einer nach unten gerichteten Kreisbahn bzw. Spira­ le, wobei durch die Strahlung einer Brennkammerwand und ei­ ner rotierenden Flamme eine Aufheizung auf Zündtemperatur erfolgt. Das Brennstaub-Luft-Gemisch trifft auf die Ver­ brennungsluft, welche auch als Sekundärluft bezeichnet wird und wie das Brennstaub-Luft-Gemisch tangential, bevorzugt jedoch ohne Neigung, zugeführt wird, so daß die gewünschte Verbrennung mit einem angestrebten Ausbrand erreicht wird.

Neben der ersten Brennkammerebene ist zweckmäßigerweise we­ nigstens eine weitere Brennkammerebene vorgesehen, welche vorteilhaft ebenfalls nur eine Düse zur Einleitung von Ver­ brennungsluft aufweist.

Zweckmäßigerweise ist diese zweite Luftdüse mit einem axia­ len Abstand unterhalb der Luftdüse der ersten Brennkammer­ ebene angeordnet. Die Abweiseinrichtung der Luftdüse der oberen Brennkammerebene kann dann vorteilhaft als Verlänge­ rung bis in die zweite Brennkammerebene geführt sein.

Die vorgewärmte Verbrennungsluft wird mit einer hohen Ge­ schwindigkeit in die Rotationsbrennkammer eingeführt, ver­ mischt sich turbulent mit dem Brennstaub und zündet ihn durch. Die hohe Luftgeschwindigkeit gewährleistet dabei ei­ ne definierte Strömungsrichtung im oberen Teil der Brenn­ kammer und gewährleistet die Abweisfunktion der Zusatzein­ reichtungen. Die Zuführdüse für das Brennstaub-Luft-Gemisch und auch die Luftdüse(n) liegen "im Windschatten" der erfin­ dungsgemäßen Abweiseinrichtungen.

Die Abweiseinrichtungen sind bevorzugt mit einem etwa drei­ eckförmigen bzw. keilartigen Querschnitt ausgebildet und stellen in Längsrichtung linienförmige Abweisernasen an der Innenwandung der Brennkammer dar. Die Abweiseinrichtungen sind abgerundet ausgebildet oder auch mit wenigstens einer Abrißkante versehen, welche vorteilhaft die Durchmischung bzw. Verwirbelung des Verbrennungsgemisches und damit einen hohen Ausbrand unterstützt.

In einer besonders bevorzugten Ausbildung sind sie als eine Verdickung oder Materialanhäufung der Brennkammerausklei­ dung ausgebildet, welche die radial dahinter angeordneten Düsenaustrittsbereiche gegen die Rotationsströmung abdec­ ken. In Strömungsrichtung gesehen, liegen die Abweiseinrich­ tungen jeweils vor der Zuführdüse und vor der Luftdüse.

Wenn die Abweiseinrichtungen als Verdickungen achsparallel zu einer Längsachse der Rotationsbrennkammer ausgebildet sind, ist es für eine vorteilhafte Beeinflussung der Rota­ tionsströmung zweckmäßig, die Materialverdickungen durch eine in Richtung der Rotationsströmung stetige Wandstärken­ zunahme zu erreichen. Im Bereich der Zuführdüse bzw. Luft­ düse ist eine stufenförmige Wandstärkenreduzierung für ei­ nen geschützten Austrittsbereich der jeweiligen Düse ausge­ bildet.

Die entstehende flüssige Schlacke kann aufgrund der defi­ nierten außermittigen Rotationsbewegung die Zuführdüse des Brennstoff-Luftgemisches und auch die Luftdüse nicht errei­ chen und gelangt in einen unteren Brennkammerbereich, wird ausgetragen und einer weiteren Aufbereitung zugeführt.

Die Abweiseinrichtungen oder Abweisnasen sind vorteilhaf­ terweise abgerundet ausgebildet und reichen etwa über die halbe Länge der Brennkammer, zumindest über die ausgebilde­ ten Brennkammerebenen. Die Brennkammer ist zweckmässiger­ weise vertikal angeordnet. Grundsätzlich kann die Brennkam­ mer auch schräg oder horizontal angeordnet sein, wenn ein Abfließen der Schlacke bzw. Schlackenaustrag gewährleistet ist.

Die erfindungsgemäße Spiralstromfeuerung mit nur einer Brennstoffzuführung und einer Luftdüse in jeder Brennkam­ merebene ist gegenüber dem Stand der Technik erheblich ver­ einfacht und weist einen geringeren Druckverlust auf. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit eines Dauerbetriebs, da die Schlacke kontinuierlich oder auch diskontinuierlich abgezogen werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung wei­ ter erläutert; in dieser zeigen in einer stark schemati­ sierten Darstellung

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine Brennkammer einer Spiralstromfeuerung;

Fig. 2 einen axialen Längsschnitt durch die Brennkammer­ wand nach Linie A-A gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Brennkammer nach Linie B-B gemäß Fig. 1;

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Brennkammer nach Linie D-D gemäß Fig. 1;

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Brennkammer nach Linie E-E gemäß Fig. 1; und

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Brennkammer nach Linie C-C gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Brennkammer 2 einer Spialstromfeuerung, welche in diesem Ausführungsbeispiel vertikal angeordnet ist. Alternativ kann die Brennkammer auch geneigt oder ho­ rizontal aufgestellt werden. Die Brennkammer 2 weist einen Brennkammerdeckel 3 auf, welcher zur Aufnahme eines Zünd­ brenners (nicht dargestellt) ausgebildet ist.

Unmittelbar unterhalb des Brennkammerdeckels 3 ist eine er­ ste, obere Brennkammerebene 16 ausgebildet, welche eine Zuführdüse 4 zur Zuführung eines Brennstoff-Luft-Gemisches auf einer Sekante sowie eine Luftdüse 5 aufweist. Die Luftdüse 5 zur tangentialen Zuführung von Verbrennungsluft ist in einem Abstand von der Zuführdüse 4 angeordnet, wel­ cher etwa einem Kreissegmentbogen von 45 Grad entspricht (siehe Fig. 3) und ein Vermischen und Zünden der brennbaren Bestandteile sowie eine Ausbildung eines Rotationsstromes gewährleistet. Axial unterhalb der Luftdüse 5 ist in einer zweiten Brennkammerebene 17 eine weitere Luftdüse 15 ange­ ordnet.

Über die Luftdüsen 5, 15 wird vorgewärmte Verbrennungsluft tangential und mit hoher Geschwindigkeit in die Brennkammer 2 eingedüst wird. Die Vorwärmung der Verbrennungs- oder Se­ kundärluft erfolgt in einem Doppelmantel 6, welcher über die gesamte Länge der Brennkammer 2 ausgebildet ist. Nach radial innen weist die Brennkammer 2 eine Ummantelung 7 und eine Brennkammerauskleidung 8 auf.

Die Brennkammerauskleidung 8 kann als ein feuerfestes Mauerwerk oder aus einem korrosionsbeständigen Material, beispielsweise Siliziumkarbid, bestehen.

Um zu vermeiden, daß die spontan gebildete Schlacke mit ei­ nem relativ hohen Vanadiumpentoxidgehalt die Zuführdüse 4 und die Luftdüsen 5, 15 zusetzt und den Verbrennungsprozeß beeinträchtigt oder unterbricht, sind zur Beeinflussung und Ablenkung des Spiralstroms Abweiseinrichtungen 10, 11 vorge­ sehen (siehe auch Fig. 3, 4 und 6).

Die Abweiseinrichtung 10 schützt die Zuführdüse 4 vor einem Verschlacken, während die Abweiseinrichtung 11, welche in ihrer Anordnung und Ausbildung analog zur Abweiseinrichtung 10 ausgebildet ist, die axial beabstandeten Luftdüsen 5, 15 vor Schlackenanbackungen schützt.

Die Brennkammer 2 ist nach unten weitgehend offen ausgebil­ det, so daß die erzeugten Heiß- bzw. Rauchgase über einen Rauchgasaustritt 13 austreten und beispielsweise in eine nachgeschaltete Abkühlkammer (nicht dargestellt) überführt werden können. Die gebildete Schlacke kann über einen nicht dargestellten Schlackenabzug abgeführt werden.

Fig. 2 zeigt die Ausbildung der Zuführdüse 4 für das Brennstoff-Luft-Gemisch am Eintritt in die Brennkammer 2. Wesentlich für eine modifizierte Strömungsmechanik in der Brennkammer 2 ist ein abgewinkelter Austrittsbereich der Düse 4. Der Neigungswinkel α beträgt etwa 15 Grad. Die Geschwindigkeit des Brennstaub-Luft-Gemisches liegt zwi­ schen 10 und 25 m/s. Gleiche Merkmale der Fig. 2 weisen identische Bezugszeichen auf. Dies gilt auch für die weite­ ren Figuren.

Aus Fig. 3 gehen die Abweiseinrichtungen 10, 11 hervor. Die Abweiseinrichtungen 10, 11 sind als Materialverdickungen der Brennkammerauskleidung 8 ausgebildet. Die Wandstärke der Brennkammerauskleidung 8 nimmt dabei stetig nach radial innen und in Richtung Längsachse 15 der Brennkammer 2 zu. Unmittelbar vor der Zuführdüse 4 für das Brennstaub-LuftGe­ misch verringert sich die Wandstärke stufenartig, so daß die Zuführdüse 4 "im Windschatten" der Abweiseinrichtung 10 liegt und nicht verschlacken kann. Nach der Zuführdüse 4 weist die Brennkammerauskleidung 8 eine nahezu gleichblei­ bende Wandstärke auf und verringert sich vor der Luftdüse 5 dann wieder stufenförmig auf die Wandstärke, welche die Brennkammer 2 in einem unteren Bereich ohne Luft- und Zu­ fuhrdüsen aufweist.

Fig. 3 verdeutlicht insbesondere die in Richtung der Rota­ tionsströmung (siehe Pfeil) anwachsende Materialschicht 8. Deren normale Stärke ist mit strichlierten Linien angege­ ben. Aus Fig. 3 gehen außerdem der Abstand zwischen der Zuführdüse 4 und der Luftdüse 5, welcher einem Kreisseg­ mentbogen eines Winkels von etwa 45 Grad entspricht, sowie die außermittig ausgebildete Rotationsströmung gemäß Pfeil hervor.

Fig. 4 zeigt einen Brennkammer-Querschnitt im Bereich der zweiten Brennkammerebene 17, in welcher nur eine Luftdüse 15 ausgebildet ist. Indem die Abweiseinrichtung 10 für die Zuführdüse 4 ebenfalls in dieser Brennkammerebene 17 ausgebildet ist, wird die Rotationsströmung in der notwen­ digen axialen Erstreckung und im erforderlichen Maß abge­ lenkt, so daß die Luftdüse 5' frei von Schlackenabsetzungen bleibt.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt der Brennkammer 2 unterhalb der zweiten Brennkammerebene 17. In diesem unteren Bereich sind keine Düsen angeordnet. Die Brennkammerauskleidung 8 weist über den gesamten Umfang eine einheitliche Wandstärke auf und die Rotationsströmung zirkuliert mittig, d. h. um die Längsachse 14 der Brennkammer 2. Dagegen zirkuliert die Rotationsströmung gemäß Pfeil in den Fig. 3, 4, 6 außermit­ tig um eine Strömungsachse, welche parallel zur Längsachse 15 der Brennkammer 2 verläuft.

Zwischen der ersten bzw. oberen Brennkammerebene 16 und der unteren, zweiten Brennkammerebene 17 weist die Brennkammer 2 einen Querschnitt gemäß Fig. 6 auf. In diesem Bereich mündet weder eine Zuführdüse 4 noch eine Luftdüse 5 in die Brennkammer 2. Die axial durchgehend ausgebildeten Abweis­ einrichtungen 10, 11 verhindern, daß Schlackenanteile an der Innenwandung im Bereich zwischen der oberen und unteren Brennkammerebene 16, 17 nach unten laufen und in den Be­ reich der Luftdüse 15 gelangen und zu störenden Anbackungen führen können.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen, daß der Querschnitt der Luft­ düsen 5, 15 wesentlich größer ist als der Querschnitt der Zuführdüse 4.

Die Ausbildung der Abweiseinrichtungen 10, 11 ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. So können die Abweis­ einrichtungen auch als Einbauelemente ausgebildet sein, welche z. B. modulartig aufgebaut sind und in Längsrichtung auch unterschiedliche Querschnitte aufweisen können.

Claims (11)

1. Spiralstromfeuerung, insbesondere zur Verbrennung vanadiumhaltiger Brennstoffe der Erdölverarbeitung, mit einer Brennkammer (2), welche einen Anfahrbren­ ner, einen Rauchgasaustritt (13) und einen Schlacken­ abzug sowie wenigstens eine Zuführdüse (4) zur Zufüh­ rung eines Brennstoff-Luft-Gemisches und wenigstens eine Luftdüse (5, 15) zur tangentialen Zuführung von Verbrennungsluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer (2) Abweiseinrichtungen (10, 11) vorgesehen sind, welche einen Spiralstrom aus dem Brennstoff-Luft-Gemisch und der Verbrennungsluft sowie die entstehende Schlacke von der Zuführdüse (4) und den Luftdüsen (5, 15) fernhalten.

2. Spiralstromfeuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführdüse (4) zur Zuführung des Brennstoff- Luft-Gemisches auf einer Sekante und im Austrittsbe­ reich in Richtung Rauchgasaustritt (13) geneigt oder abgewinkelt ausgebildet ist.

3. Spiralstromfeuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführdüse (4) für das Brennstaub-Luft-Gemisch einen Neigungswinkel im Bereich von 10 bis 20 Grad auf­ weist.

4. Spiralstromfeuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweiseinrichtungen (10, 11) als Verdickungen einer Brennkammerauskleidung (8) ausgebildet sind.

5. Spiralstromfeuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweiseinrichtungen (10, 11) achsparallel zu einer Längsachse (14) der Brennkanner (2) ausgebildet sind und von einer ersten, oberen Brennkammerebene (16), in welcher eine Zuführdüse (4) und eine Luft­ düse (5) angeordnet sind, bis in wenigstens eine wei­ tere, untere Brennkammerebene (17) reichen, in welcher eine Luftdüse (15) angeordnet ist.

6. Spiralstromfeuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführdüse (4) für das Brennstaub-Luft-Gemisch in Richtung des Spiralstroms vor der Luftdüse (5) an­ geordnet ist, und daß der Abstand zwischen der Zuführ­ düse (4) und der Luftdüse (5) bzw. zwischen den zugehö­ rigen Abweiseinrichtungen (10, 11) einem Kreisbogen­ segment mit einem Winkel von etwa 45 Grad entspricht.

7. Spiralstromfeuerung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweiseinrichtungen (10, 11) durch eine in Richtung der Rotationsströmung stetige Wandstärkenzu­ nahme und eine stufenartige Wandstärkenverringerung im Bereich der Zuführdüse (4) und der Luftdüse (5, 15) gebildet sind.

8. Spiralstromfeuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweiseinrichtungen (10, 11) als keilartige Abweisernasen und abgerundet oder mit wenigstens einer Abrißkante ausgebildet sind.

9. Spiralstromfeuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweiseinrichtungen (10, 11) wenigstens über die Brennkammerebenen (16, 17) und etwa über die halbe Länge der Brennkammer (2) reichen.

10. Spiralstromfeuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (2) vertikal angeordnet ist.

11. Spiralstromfeuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff-Luft-Gemisch mit einer Geschwin­ digkeit im Bereich von 10 bis 25 m/s zuführbar ist.