DE202012102611U1

DE202012102611U1 - Mehrfachbrennerheizsystem

Info

Publication number: DE202012102611U1
Application number: DE201220102611
Authority: DE
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2022-07-14

Abstract

Mehrfachbrennerheizsystem zur Minimierung einer Flamme-zu-Flamme-Wechselwirkung oder einer Brenner-zu-Brenner-Wechselwirkung in einem Prozess-Ofen, wobei das Mehrfachbrennerheizsystem umfasst: – eine Brennkammer (10), und – zumindest drei Brenner (1, 21, 22), wobei ein erster Brenner (1) der zumindest drei Brenner (1, 21, 22) mit einem ersten Brennstoff, vorzugsweise mit einem organischen Peroxid (Peroxy-Brennstoff), betreibbar ist und zumindest zwei (21, 22) der mindestens drei Brenner (1, 21, 22) gleichzeitig mit dem ersten Brenner (1) und gesondert vom ersten Brenner (1) mit einem zweiten Brennstoff, vorzugsweise einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff, oder einer Mischung eines organischen Peroxids und eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs betreibbar sind, und zumindest teilweise in einem im Wesentlichen gleichen ersten radialen oder in einem im Wesentlichen gleichen zweiten radialen (100) Abstand so in Umfangsrichtung um den ersten Brenner (1) angeordnet sind, dass ein erster Abstand (220) zu einem Nachbarn in einer ersten Umfangsrichtung im Wesentlichen einem zweiten Abstand (220) zu einem Nachbarn in einer zweiten...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrfachbrennerheizsystem zur Verwendung in der Prozessindustrie, insbesondere in der chemischen Industrie, sowie einen Ofen, in dem ein solches Mehrfachbrennerheizsystem eingesetzt ist.
Die Verbrennung stellt einen der wichtigsten chemischen Prozesse dar, den die Menschheit nutzt. Im Laufe der Zeit sind daher für die verschiedenen Anwendungen von Verbrennungsprozessen jeweils unterschiedliche Brennstoffe gefunden oder entwickelt worden, die in ihren Eigenschaften für die spezifischen Anwendungen optimiert sind.
Allen Verbrennungsprozessen ist gemein, daß die dabei entstehenden Emissionen, insbesondere NO_x, CO und Ruß, unter gesundheitlichen sowie Umweltaspekten bedenklich sind. Es ist daher wünschenswert, Brennstoffe bzw. Verbrennungsprozesse bereitzustellen, bei denen solche Emissionen reduziert sind.
Mehrfachbrennersysteme, bzw. Multi-Brenner Heizungen, die oft auch als Prozess-Heizungen oder Heizanlagen, Heizöfen, Brennöfen, oder Verbrennungsöfen bezeichnet werden, sind in der Prozessindustrie weit verbreitet. Nachfolgend werden diese Vorrichtungen als Mehrfachbrennerheizsysteme bezeichnet.
Typischerweise verarbeitet die Prozessindustrie Stoffe und Materialien in chemischen, physikalischen, biologischen oder anderen technischen Prozessen und Verfahren. Dabei werden Stoffe und Materialien beispielsweise erhitzt, umgesetzt, geformt, vermischt oder entmischt, gegossen, gepresst usw.
Dabei verwendete Verbrennungsprozesse sind häufig Hochtemperaturprozesse, die bei der Herstellung verschiedenster Materialien eingesetzt werden. Typischerweise kann eine Temperaturerhöhung bis um 1143 K (Abgastemperatur) in einem typischen Mehrfachbrennerheizsystem erzielt werden. Die in den genannten Brennern am häufigsten verwendeten Brennstoffe sind Methan, Öl, Wasserstoff und Erdölprodukte.
Mehrfachbrennerheizsysteme werden beispielsweise in der chemischen Industrie in Raffinerien verwendet. Ihr Zweck besteht dabei darin, die bei der Verbrennung eines Brennstoffs freigesetzte Wärme durch Konvektion und Strahlung auf metallische Prozess-Leitungen und -Rohre zu übertragen, die von zu erwärmenden oder thermisch zu prozessierenden Medien durchströmt werden.
Bei der Verwendung von Mehrfachbrennerheizsystemen zur Erwärmung von Medien in Prozessleitungen kommt es zu sogenannten Brenner-Brenner- bzw. Flamme-Flamme-Wechselwirkungen. Diese Wechselwirkungen können einzeln und in Kombination miteinander verschiedene Auswirkungen haben. Typischerweise sind das:

– die Ausbildung einer dichten Feuerwolke,
– ein Ansteigen der Schadstoffemissionen (NO_x),
– eine veränderte Wärmestromverteilung im Verbrennungsofen, und
– eine unerwünschte Beaufschlagung der Prozessleitungen durch längere Flammen (Beflammung).

Vor diesem Hintergrund wird gemäß Schutzanspruch 1 ein Mehrfachbrennerheizsystem und gemäß Schutzanspruch 8 ein Verbrennungsofen, umfassend ein Mehrfachbrennerheizsystem, jeweils unter Vermeidung der Nachteile bisheriger Systeme in Kombination mit der Verwendung alternativer Brennstoffe, vorgeschlagen. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und anhand der beigefügten Schutzansprüche.
Insgesamt wird damit ein Konzept zur Vermeidung bekannter Nachteile von Mehrfachbrennerheizsystemen vorgeschlagen und durch fluiddynamische Modellierung (CFD) untermauert.
Insbesondere, wird gemäß einer Ausführungsform Mehrfachbrennerheizsystem zur Minimierung einer Flamme-zu-Flamme-Wechselwirkung oder einer Brenner-zu-Brenner-Wechselwirkung in einem Prozess-Ofen vorgeschlagen, wobei das Mehrfachbrennerheizsystem umfasst: eine Brennkammer und zumindest drei Brenner, wobei ein erster Brenner der zumindest drei Brenner mit einem ersten Brennstoff, vorzugsweise mit einem organischen Peroxid (Peroxy-Brennstoff), betreibbar ist und zumindest zwei der mindestens drei Brenner gleichzeitig mit dem ersten Brenner und gesondert vom ersten Brenner mit einem zweiten Brennstoff, vorzugsweise einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff, oder einer Mischung eines organischen Peroxids und eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs betreibbar sind, und zumindest teilweise in einem im Wesentlichen gleichen ersten radialen oder in einem im Wesentlichen gleichen zweiten radialen Abstand so in Umfangsrichtung um den ersten Brenner angeordnet sind, dass ein erster Abstand zu einem Nachbarn in einer ersten Umfangsrichtung im Wesentlichen einem zweiten Abstand zu einem Nachbarn in einer zweiten Umfangsrichtung gleicht, wobei die erste und die zweite Umfangsrichtung entgegengesetzt zueinander verlaufen. Die sich daraus ergebenden Vorteile betreffen die Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile bekannter Mehrfachbrennerheizsysteme.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Mehrfachbrennerheizsystem vorgeschlagen, das weiterhin zumindest ein die Brennkammer durchlaufendes Prozessrohr umfasst, wobei das Prozessrohr eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung umfasst, und wobei sowohl die Einlassöffnung als auch die Auslassöffnung außerhalb der Brennkammer liegen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Mehrfachbrennerheizsystem vorgeschlagen, wobei die Brennkammer zumindest abschnittsweise ein Brennkammervolumen in Form eines Zylinders umfasst. Insbesondere umschließt beispielsweise eine Wandung, die das Mehrfachbrennerheizsystem nach außen abgrenzt, zumindest abschnittsweise in Form eines Zylinders einen Volumenabschnitt des Mehrfachbrennerheizsystems. Die regelmäßige Zylinderform begünstigt die Ausbildung eines für die Prozessanwendung günstigen Temperaturprofils bzw. einer für Prozessanwendungen des Mehrfachbrennerheizsystems günstigen Temperaturverteilung, insbesondere eines regelmäßig konzentrischen Temperaturprofils und unterstützt so die reproduzierbare Erhitzung eines in den Prozessröhren strömenden Fluids.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Mehrfachbrennerheizsystem vorgeschlagen, wobei der erste Brenner im Wesentlichen auf einer zentralen Symmetrieachse eines Abschnitts der Brennkammer liegt, der ein Brennkammervolumen in Form eines Zylinders umfasst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Mehrfachbrennerheizsystem vorgeschlagen, wobei die Nachbarn eines vom ersten Brenner in einem radialen Abstand angeordneten zweiten Brenners jeweils in einer der beiden Umfangsrichtungen ein Brenner ist.
Daraus ergibt sich eine kreisförmige Anordnung von mehreren Brennern um den ersten Brenner herum. Das wiederum bewirkt eine weitestgehend symmetrische und/oder zumindest periodische Verteilung von Temperaturgradienten in Umfangsrichtung und in senkrechter Richtung zu der Ebene, die durch die regelmäßig in Kreisform angeordneten zweiten Brenner definiert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Mehrfachbrennerheizsystem vorgeschlagen, bei dem die Nachbarn Prozessrohre oder Prozessrohrabschnitte sind, bzw. das zueinander benachbarte Prozessrohre oder Prozessrohrabschnitte aufweist. Vorteile ergeben sich aus einer effektiven Nutzung der beim Verbrennungsprozess freigesetzten Wärme und ihrer effektiven Übertragung auf das zu prozessierende Medium in einem mehrfach im Inneren des Brennerraumes gewundenen verlaufenden Prozessrohrs bzw. das in einem Rohrbündel mit geraden Abschnitten, die zumindest teilweise den Brennraum durchlaufen, strömt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Mehrfachbrennerheizsystem, umfassend: – eine Brennkammer, und – zumindest vier Brenner vorgeschlagen, wobei ein erster Brenner der zumindest vier Brenner so in der Brennkammer angeordnet ist, dass zumindest drei der mindestens vier Brenner in einem im Wesentlichen identischen radialen Abstand zum ersten Brenner (angeordnet sind, und der Abstand zwischen benachbarten Brennern, die in einem im Wesentlichen identischen radialen Abstand zum ersten Brenner (1) angeordnet sind, im Wesentlichen identisch ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verbrennungsofen vorgeschlagen, der ein Mehrfachbrennerheizsystem gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen des beschriebenen Mehrfachbrennerheizsystems umfasst.
Vorteilhafterweise ist dieser Ofen für die Ausführung eines Betriebsverfahrens des vorgeschlagenen Mehrfachbrennerheizsystems angepasst. Das Verfahren selbst umfasst die Schritte: – Bereitstellen des ersten Brennstoffs, wobei der erste Brennstoff Sauerstoff in chemisch gebundener Form enthält; – Bereitstellen des zweiten Brennstoffs, wobei der zweite Brennstoff ausgewählt ist unter: Methan, Öl, Wasserstoff und Erdölprodukten; und – Betreiben des Mehrfachbrennerheizsystems.
Besondere Vorteile des vorgeschlagenen Ofens, wie auch des im Ofen installierten Mehrfachbrennerheizsystems ergeben sich daraus, dass der Ofen so angepasst ist, dass sein Brennkammervolumen bei einer im Wesentlichen gleichen Temperaturverteilung in der Brennkammer um 5 bis 25 % kleiner ist, als das eines Ofens mit einem Mehrfachbrennerheizsystem, bei dessen Betrieb der erste Brennstoff durch den zweiten Brennstoff ersetzt ist – mit anderen Worten – im Vergleich zu einem Mehrfachbrennerheizsystem gleicher Bauart, das jedoch ausschließliche mit konventionellen Brennstoffen, nicht aber mit einem organischen Peroxid betrieben wird.
Daraus ergeben sich einerseits Vorteile für die kompakte Bauweise des Ofens selbst und andererseits erschließt dessen kompakte Bauweise neue Anwendungsfelder von Mehrfachbrennerheizsystemen.
Die einzelnen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Die Erfinder heben ausdrücklich hervor, dass gemäß der vorgeschlagenen Vorrichtung und Verfahren mannigfaltige Möglichkeiten hinsichtlich der Anzahl der Brenner und hinsichtlich deren Anordnung zueinander bestehen, ohne dass der wesentliche Inhalt der Erfindung verlorengeht.
Die beiliegenden Figuren veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechend ähnliche Teile.
1 zeigt ein typisches Mehrfachbrennerheizsystem [1].
2 zeigt ein der computergestützten fluiddynamischen Simulation einer Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Mehrfachbrennerheizsystems zu Grunde gelegtes Modell.
3 zeigt die wesentlichen Ergebnisse der mit diesem Modell erzielten fluiddynamischen Simulationen in einer gedachten senkrechten Schnittebene für verschiedene Betriebsweisen.
4 zeigt eine einfache Form von zirkulär um einen Zentralbrenner angeordneten peripheren Brennern.
Insbesondere zeigt 1 auf der linken Seite schematisch ein Schnittbild eines typischen Brennerheizsystem mit einem zentral und mittig angeordneten Brenner 1 und dessen Flamme 11 in der von einer Wandung umgebenen Brennkammer und der peripher erfolgenden Gasrezirkulation. Die zirkulierenden heißen Gase werden genutzt, Medien, die in die Flamme 11 umgebenden Prozessröhren 4 strömen, zu erhitzen. Die von den zu prozessierenden Medien durchströmten Rohre 4 werden durch die von der Flamme 11 übertragene Wärme erhitzt. Abgase können mittels Abgasrückführung zurück zu den Brennern gebracht werden.
Im rechten Teil der 1 ist eine Anordnung von Prozessröhren 4 um vier kreisförmig angeordnete Brenner 2 dargestellt. Der Durchmesser 20 des gedachten Kreises, auf dessen Umfang die Brenner 2 angeordnet sind, ist geringer als der Durchmesser 40 einer konzentrischen Anordnung von Prozessröhren 4 um jenen herum. Der Durchmesser 40 des sich ergebenden Kreises der Prozessröhren ist dementsprechend größer. Der äußere Kreis mit dem größeren Durchmesser 40 weist eine höhere Zahl dicht zueinander beabstandeter Prozessröhren 4 auf, als die Zahl der den inneren Brennerkreis bildenden Brenner 2. Der innere Kreis mit dem geringeren Durchmesser 20 zeigt die hier vorhandenen vier gleichartigen Brenner 2, deren Flammen zueinander einen Abstand 220 aufweisen. Bei der Verwendung von Mehrfachbrennerheizanlagen können erstens Brenner-Brenner Wechselwirkungen (BoB) oder Flamme-Flamme Wechselwirkungen (FoF) auftreten.
Aufgrund der BoB- oder FoF-Wechselwirkung verschmelzen mehrere Flammen unter Bildung einer breiten gelben rußigen Wolke (Flamme) miteinander. Nachfolgend wird diese Flamme auch als „große gelbe Feuerwolke“ bezeichnet. Diese große gelbe Feuerwolke (Flamme) stellt eine Region hoher Temperatur und niedrigen Drucks dar und bietet damit günstige Bedingungen für die Bildung von Stickoxiden (NO_x). Darüber hinaus blockiert eine solche Flamme den Strom der frischen Rauchgase oder des Oxidationsmittels in ihren Kern.
Im Ergebnis des Mangels an Oxidationsmittel erfolgt eine nur unvollständige Verbrennung unter Bildung einer enormen Menge an Ruß.
Daraus ergibt sich das Erfordernis, die die Bildung einer großen gelben Flamme vermeiden und den kritischen Abstand zwischen einzelnen Brennern entsprechend zu regulieren.
Die bezeichneten Wechselwirkungen (Interaktionen) nehmen beispielsweise zu, wenn:

a) der Brennstoffdruck verringert wird;
b) der Durchmesser des Brenner-Kreises verringert wird;
c) die Anzahl der Brenner erhöht wird;
d) die Zufuhr überflüssigen Sauerstoffs erhöht wird.

Bei der Verwendung von Mehrfachbrennerheizanlagen können zweitens unmittelbare Flammeneinwirkung, bzw. eine unmittelbare Beflammung von Prozessröhren auftreten. Dieser (unerwünschten) Beaufschlagung metallischer Prozessrohre kann z.B. durch eine ungleichmäßige Erhitzung zur Beschleunigung von Alterungsprozessen des Röhrenmaterials führen.
Insbesondere kann eine große und breite Flamme zur direkten Beflammung der metallischen Prozessrohre, bzw. zur unmittelbaren Flammenbeaufschlagung von Prozessleitungen führen. Das verursacht unmittelbare Beschädigungen der Röhren oder kann andere schwerwiegende Folgen haben und kann beispielsweise ein chemisches Gefährdungspotential bergen.
Daher ist eine höhere und breitere Flamme dem sicheren Betrieb von Prozess-Heizungen abträglich.
Den sich daraus ergebenden Problemen begegnete man bisher durch zusätzliche Vorrichtungen, die eine erhöhte Rezirkulation der Abgase bewirken. Dies führt aber aufgrund der Verdünnung des Brennstoff-Luft-Gemisches zu verminderten Abbrandraten und folglich zu längeren Flammen und verstärkt damit die zuvor benannten unerwünschten Wechselwirkung der Brenner bzw. der Flammen untereinander.
Zur Veranschaulichung der gemäß der vorgeschlagenen Vorrichtungen bzw. Verfahren erreichbaren technischen Wirkungen wird auf rechnergestützte Simulations-Ergebnisse der Fluiddynamik verwiesen.
Vor diesem Hintergrund wird beispielsweise ein Mehrfachbrennerheizsystem vorgeschlagen, das vier in Umfangsrichtung um einen zentralen Brenner angeordnete Brenner aufweist, wobei alle fünf Brenner mit Peroxy-Brennstoff befeuert werden.
Gemäß einer weiteren typischen Ausführungsform wird ein Mehrfachbrennerheizsystem vorgeschlagen, umfassend vier in Umfangsrichtung um einen zentralen Brenner angeordnete Brenner, wobei die vier in Umfangsrichtung um einen zentralen Brenner angeordneten Brenner mit Methan, der zentrale Brenner hingegen mit Peroxy-Brennstoff befeuert wird.
Gemäß den vorgeschlagenen Lösungen wird unter einem Peroxy-Brennstoff oder Peroxy-Brennstoff ein solcher Brennstoff verstanden, der Peroxide enthält, die aufgrund ihrer chemischen Struktur im Verbrennungsprozess Aktivsauerstoff bereitstellen.
Insbesondere kommen organische Peroxide, wie beispielsweise ein Dialkylperoxid als Peroxybrennstoff in Betracht. Dialkylperoxide sind beispielsweise aus der EP 0 472 819 als Ausgangsstoffe für polymere Peroxide bekannt. Solche polymeren Peroxide können beispielsweise verwendet werden zur Härtung von ungesättigten Polyesterharzen, zur Polymerisation von ethylenisch ungesättigten Monomeren, zur Härtung elastomerer Harze, zur Verminderung des Molekulargewichts und zur Modifizierung der Molekulargewichtsverteilung von Polypropylen/Propylen-Copolymeren, zur Vernetzung von Olefinpolymeren und zur Herstellung von Blockcopolymeren und zur Verträglichmachung von Polymermischungen und -legierungen.
Typische Peroxy-Brennstoffe umfassen insbesondere Di-tert-butylperoxid (Abk.: DTBP), tert-Butyl-peroxybenzoat, (Abk.: TBPB), tert-Butyl-peroxy-2-ethylhexanoat, (Abk.: TBPEH), Diisononanoylperoxid (Abk.: INP) und tert-Butyl-hydroperoxid), (Abk.: TBHP).
Vorteilhafterweise kann bei der Verwendung von Peroxybrennstoffen zum Betreiben der vorstehend beschriebenen Mehrfachbrennerheizsysteme die externe Zufuhr von Oxidationsmitteln im Vergleich zur Befeuerung allein mit herkömmlichen Brennstoffen reduziert werden.
Eine für die Modellierung und Simulation der geschilderten Situation geeignete Programmumgebung stellt beispielsweise das Programmpaket ANSYS ICEM-CFD bereit.
Die Problemumsetzung kann beispielsweise unter Verwendung der ANSYS CFX-13 Software erfolgen. Diese stützt sich auf die Lösung von Navier-Stokes Gleichungen – die Grundgleichungen der Fluiddynamik.
In 2 ist ein entsprechendes der fluiddynamischen Simulation zu Grunde gelegtes Modell (links) und das zugehörige Gittermodell (rechts) gezeigt.
Dabei sind vier Brenner 21, 22, 23, 24 mit einem jeweiligen Durchmesser ihrer Brennstoffdüse von 5 cm konzentrisch um einen zentralen Brenner 1 mit einer Brennstoffdüse eines Durchmessers von 5 cm angeordnet. Um jeden Brenner herum ist eine jeweils konzentrisch zum Brenner ausgerichtete kreisförmige Luft-Einlass-Öffnung eines Durchmessers von 20 cm vorhanden. Die Anordnung ist von einer Wandung umgeben, deren innere Abmessungen einen Durchmesser von 2 m haben und deren Höhe 2 m beträgt.

Die der Modellierung zu Grunde gelegten Randbedingungen sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefasst: Tabelle 1

Fall	Randbedingungen
1. Alle Brenner 1, 21, 22, 23, 24 mit Methan befeuert	Einlass (Methan 1m/s und Luft 2 m/s)
2. Alle Brenner 1, 21, 22, 23, 24 mit DTBP befeuert	Einlass (DTBP 0,0318 m/s und Luft 0,318 m/s)
3. Zentralbrenner 1 mit DTBP befeuert; Brenner 21, 22, 23, 24 mit Methan befeuert;	Einlass (DTBP 0, 0318 m/s und Luft 2 m/s) + Einlass (Methan 1 m/s und Luft 2 m/s)

3 zeigt Ergebnisse der computergestützten fluiddynamischen (CFD-)Simulation von Verbrennungsprozessen in Mehrfachbrennerheizsystemen gemäß der drei in der vorstehenden Tabelle angeführten Fälle. Insbesondere sind in der linken Spalte: Fall 1; in der mittleren Spalte: Fall 2; und in der rechten Spalte: Fall 3 aus Tabelle 1 dargestellt.
Die obere Bildzeile zeigt die Temperaturverteilung, wobei die jeweiligen Pfeile die Tendenz des Verschmelzens der Flammen anzeigen. Bei einer Oberflächentemperatur der Flammen von ca. 900 K ergibt sich zwischen den Flammen ein dimensionsloser Abstand D, wenn alle Brenner mit Methan als Brennstoff versorgt werden. Wird DTBP als Brennstoff für alle Brenner verwendet ergibt sich ein Flammenabstand von 13 D. Bei Verwendung von DTBP als Brennstoff für den zentralen Brenner und Methan für die umgebenden Brenner ergibt sich ein Abstand von 10 D. Daraus folgt eine Reduzierung der Flammenwechselwirkung um 92 % (alle Brenner mit DTBP) bzw. 90 % (nur zentraler Brenner mit DTBP) gegenüber dem Fall wo keine Flammenwechselwirkung auftritt.
Die Ausbildung dichter (gelber) Flammen in einem Ofen bzw. einer Brennkammer mit mehreren Brennern beginnt bei Abständen zwischen den Flammen ≤ D (siehe 3). Bei gleichem Wärmestrom erhöht sich bei Verwendung von z. B. DTBP als Brennstoff der Abstand zwischen den Flammen auf 10 D bzw. 13 D, woraus sich eine Reduzierung der Möglichkeit der Ausbildung dichter (gelber) Flammen um den Faktor 10 bis 13 ergibt. Durch die Reduzierung der Möglichkeit der Ausbildung dichter (gelber) Flammen um den Faktor 10 bis 13 verringert sich auch die Möglichkeit der direkten Beflammung der im Ofen befindlichen Prozessrohre um den Faktor 10 bis 13.
In der mittleren Bildzeile ist die Schnelligkeit (Strömungsrate) abgebildet, wobei die jeweiligen Pfeile auch hier die Tendenz des Verschmelzens der Flammen anzeigen.
In den Bildern der unteren Zeile ist die Wärmestrahlung dargestellt, wobei die markierten geschlossenen Linien Gebiete einheitlicher Wärmestrahlung im Ofen (Mehrfachbrennerheizsystem) bezeichnen.

Die den Simulationen zu entnehmenden Informationen sind zur besseren Übersicht in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt. zusammengestellt. Tabelle 2

Fall	Anzahl	Brennstoff	Flussrate [m/s]	Abgas-Temperatur [K]	Wärme-Strahlung [MW]	FoF oder BoB Wechselwirkung
1	5	Methan	1	1050–1150	0,25–0,3	ja
2	5	DTBP	0,0318	1050–1150	0,25–0,3	gering
3	5	Methan und DTBP	1 und 0,0318	1050–1150	0,25–0,3	gering

In Tabelle 3 sind verschiedene Unterscheide zwischen vorbekanntem Stand der Technik und den vorliegenden Ergebnisse aufgeführt. Tabelle 3
4 zeigt eine Brenneranordnung von vier Brennern. Dabei sind drei Brenner 21, 22, 23 gleichmäßig auf einem gedachten Kreis 220 angeordnet. Zwischen zueinander benachbarten Brennern, die auf der resultierenden Kreisbahn liegen ergibt sich bei gleichem radialen Abstand 100 vom zentral und mittig angeordneten ersten Brenner 1 ein im Wesentlichen identischer Abstand in jeder der beiden denkbaren Umfangsrichtungen, bzw. zu beiden Nachbarn in einer der beiden Umfangsrichtungen. Die insgesamt symmetrische Brenneranordnung gewährleistet bei angepasster Flußrate der Brennstoffe eine überaus gleichmäßige Erwärmung der umgebenden Prozessrohrabschnitte bzw. der diese durchströmenden Medien.
Nachfolgend werden erzielbaren Vorteile der Verwendung des vorgeschlagenen Mehrfachbrennerheizsystems bzw. des mit einem entsprechend angepassten Brennerheizsystems bzw. einem Ofen umsetzbaren Betriebsverfahrens benannt.
Zur besseren Übersichtlichkeit sollen zwei Fallgruppen gemäß dem vorgenannten typischen Ausführungsbeispiel unterschieden werden.
Gemäß der ersten Fallgruppe werden alle im Mehrfachbrennerheizsystem angeordneten Brenner mit Peroxy-Brennstoff betrieben. In diesem Fall ergibt sich:

– ein etwa 31-fach verringerter Brennstoffbedarf bei gleicher Temperatur-Verteilung und gleichem Wärmestrom (Engl. – heat flux) gegenüber konventionellem Brennstoff;
– ein um 5 % bis 25 % verringertes Volumen der Brennkammer (Erhitzerbereich);
– die Qualität des Brennstoffs entspricht der eines sauerstoffangereicherten Brennstoffs;
– Reduzierung der Brenner-Brenner oder Flamme-Flamme-Wechselwirkung um bis zu 92 %;
– kein Auftreffen der Flammen auf den Röhren.

Die NO_x-Konzentration in einem typischen mit Methan befeuerten Prozessofen beträgt 0,89·10^–7 kg/kJ [4] und bildet sich im Wesentlichen aus dem Stickstoffanteil in der zur Verbrennung benötigten Luft. Für einen vergleichbaren, allerdings mit DTPB befeuerten Ofen, dagegen nur 0,029·10^–7 kg/kJ. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass im Falle der Verwendung von DTBP 31-mal weniger Brennstoff und Luft für die Erzeugung desselben Wärmestroms benötigt werden, wodurch sich auch die NO_x-Emission entsprechend verringert. Gleiches gilt für die CO₂-Reduktion.
Gemäß der zweiten Fallgruppe wird nur der zentral mittig angeordnete – gemäß dem Schutzanspruchswortlaut als erster Brenner bezeichnete – Brenner mit einem organischen Peroxid (Peroxy-Brennstoff) betrieben. Daraus ergibt sich, dass bei Aufrechterhaltung des Wärmestroms und der Temperaturverteilung:

– die Zentralflamme kürzer ist, d.h. die Länge der Flamme aus dem zentralen Brenner reduziert wird;
– die auf Grund der chemischen Struktur des verwendeten Brennstoffs (z.B. des DTBP) „mit Sauerstoff angereicherte“ Flamme auf Grund der höheren Massenabbrandrate des Brennstoffs schneller als z.B. Methan verbrennt. Zudem erfolgt eine schneller Wärmeübertragung an die umgebenden Flammen (z.B. Methan-Flammen);
– die Herausbildung eines Unterdruckbereiches unterbleibt;
– die Bildung langer und gelber Flammenwolken verhindert wird;
– die Produktion von NO_x und von CO_x wesentlich reduziert ist;
– durch die schmalere Flamme eine Beflammung der Rohre, bzw. eine unmittelbare Beaufschlagung der Prozessrohre und -leitungen vermieden wird.

Die Erfinder heben ausdrücklich hervor, dass gemäß der vorgeschlagenen Vorrichtungen Mehrfachbrennerheizsystem und Ofen mannigfaltige Möglichkeiten hinsichtlich der Anzahl der Brenner und hinsichtlich deren Anordnung zueinander bestehen, ohne dass der wesentliche Inhalt der Erfindung verlorengeht.
Das vorgeschlagene Mehrfachbrennerheizsystem und der vorgeschlagene Ofen sind besonders angepasst zur Verwendung von Brennstoffen, umfassend organische Peroxide, insbesondere DTBP, TBPB, TBPEH, INP und TBHP, können aber auch mit anderen Brennstoffen, insbesondere anderen flüssigen Brennstoffen, im Gemisch betrieben werden. Insbesondere kann das Dialkylperoxid als Brennstoffzusatz mit einem Anteil von 0,1 Gew.-% bis 80 Gew.-% vom Gesamtgewicht des Brennstoffs bereitgestellt werden. Gemäß einer Weiterbildung können das Dialkylperoxid mit einem Anteil von 0,1 Gew.-% bis 20 Gew.-% vom Gesamtgewicht des Brennstoffs bereitgestellt werden. Der genaue Anteil im Brennstoff hängt von der spezifischen Verwendung ab, solange eine Verbrennung des Zusatzes sicher erfolgen kann. So kann in einigen Fällen ein geringer Anteil ausreichend sein, um das gewünschte Verbrennungsverhalten im Gesamtsystem zu initiieren, während in anderen Fällen ein hoher Anteil erforderlich ist. Insbesondere kann der Brennstoff vollständig aus einem organischen Peroxid, insbesondere aus DTBP, TBPB, TBPEH, INP oder TBHP, bestehen. Das Mehrfachbrennerheizsystem sowie der damit ausgestattete Ofen sind insbesondere durch die spezifische Anordnung der einzelnen Brenner zueinander, insbesondere durch ihre Beabstandung zueinander an derlei Brennstoffe charakteristisch hoher Massenabbrandrate bzw. Brennstoffgemische mit derartigen Brennstoffen angepasst. Eine weitere Anpassung des vorgeschlagenen Mehrfachbrennerheizsystems und des vorgeschlagenen Ofens umfasst beispielsweise gesonderte Brennstoffzuleitungen und deren Freischaltbarkeit, sodass ein zentral und mittig angeordneter Brenner wahlweise gesondert mit Peroxy-Brennstoff betrieben werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Schutzansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.
Referenzliste:

[1] www.johnzink.comlwp-contentluploads/process-burner-spacing.pdf
[2] C.E. Baukal, Industrial burner's handbook, CRC Press, Florida, USA, 2006, ISBN 0-8943-1386-4.
[3] http://www.wipo.intlpatentscope/search/de/W02011091872
[4] http://www.epa.gov//ttn/catc/dir1/procheat.pdf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0472819 [0043]

Claims

Mehrfachbrennerheizsystem zur Minimierung einer Flamme-zu-Flamme-Wechselwirkung oder einer Brenner-zu-Brenner-Wechselwirkung in einem Prozess-Ofen, wobei das Mehrfachbrennerheizsystem umfasst: – eine Brennkammer (10), und – zumindest drei Brenner (1, 21, 22), wobei ein erster Brenner (1) der zumindest drei Brenner (1, 21, 22) mit einem ersten Brennstoff, vorzugsweise mit einem organischen Peroxid (Peroxy-Brennstoff), betreibbar ist und zumindest zwei (21, 22) der mindestens drei Brenner (1, 21, 22) gleichzeitig mit dem ersten Brenner (1) und gesondert vom ersten Brenner (1) mit einem zweiten Brennstoff, vorzugsweise einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff, oder einer Mischung eines organischen Peroxids und eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs betreibbar sind, und zumindest teilweise in einem im Wesentlichen gleichen ersten radialen oder in einem im Wesentlichen gleichen zweiten radialen (100) Abstand so in Umfangsrichtung um den ersten Brenner (1) angeordnet sind, dass ein erster Abstand (220) zu einem Nachbarn in einer ersten Umfangsrichtung im Wesentlichen einem zweiten Abstand (220) zu einem Nachbarn in einer zweiten Umfangsrichtung gleicht, wobei die erste und die zweite Umfangsrichtung entgegengesetzt zueinander verlaufen.
Mehrfachbrennerheizsystem nach Schutzanspruch 1, weiterhin umfassend – zumindest ein die Brennkammer (10) durchlaufendes Prozessrohr (4), wobei das Prozessrohr (4) eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung umfasst, und wobei sowohl die Einlassöffnung als auch die Auslassöffnung außerhalb der Brennkammer (10) liegt.
Mehrfachbrennerheizsystem nach einem der vorstehenden Schutzansprüche, wobei die Brennkammer (10) zumindest abschnittsweise ein Brennkammervolumen in Form eines Zylinders umfasst.
Mehrfachbrennerheizsystem nach einem der vorstehenden Schutzansprüche, wobei der erste Brenner (1) im Wesentlichen auf einer zentralen Symmetrieachse eines Abschnitts der Brennkammer (10) liegt, der ein Brennkammervolumen in Form eines Zylinders umfasst.
Mehrfachbrennerheizsystem nach einem der vorstehenden Schutzansprüche, wobei die Nachbarn Brenner (2, 21, 22, 23, 24) sind.
Mehrfachbrennerheizsystem nach einem der vorstehenden Schutzansprüche, wobei die Nachbarn Prozessrohre (4) oder Prozessrohrabschnitte sind.
Mehrfachbrennerheizsystem, umfassend – eine Brennkammer (10), und – zumindest vier Brenner (1, 21, 22, 23), wobei ein erster Brenner (1) der zumindest vier Brenner (1, 21, 22, 23) so in der Brennkammer (10) angeordnet ist, dass zumindest drei der mindestens vier Brenner (1, 21, 22, 23) in einem im Wesentlichen identischen radialen Abstand (100) zum ersten Brenner (1) angeordnet sind, und der Abstand (200) zwischen benachbarten Brennern (21, 23; bzw. 22, 23), die in einem im Wesentlichen identischen radialen Abstand (100) zum ersten Brenner (1) angeordnet sind, im Wesentlichen identisch ist.
Verbrennungsofen, umfassend ein Mehrfachbrennerheizsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Mehrfachbrenner-Ofen gemäß der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flamme-zu-Flamme-Wechselwirkung und eine Brenner-zu-Brenner-Wechselwirkung im Betrieb des Mehrfachbrenner-Ofens um bis zu 92 % reduziert ist bei Verwendung eines organischen Peroxids als Brennstoff.
Mehrfachbrenner-Ofen gemäß der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abgas des Mehrfachbrenner-Ofens eine Konzentration von NO_x auf Werte unterhalb von 0,89·10^–7 kg/kJ, vorzugsweise auf Werte von unter 0,029·10^–7 kg/kJ vermindert ist, und eine Konzentration von CO_x auf Werte unterhalb von 72 kg/t, vorzugsweise auf Werte von unter 2,32 kg/t vermindert ist.
Mehrfachbrenner-Ofen gemäß der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausbildung einer dichten (gelben) Flammwolke in einer Brennkammer des Mehrfachbrenner-Ofens um den Faktor 10 bis 13 geringer ist bei Verwendung organischer Peroxide als Brennstoff.
Mehrfachbrenner-Ofen gemäß der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein benötigtes Brennkammervolumen um 10 % bis 25 % verringert bei Verwendung von organischen Peroxiden als Brennstoff, insbesondere von DTBP als Brennstoff.
Mehrfachbrenner-Ofen gemäß der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beflammung der Prozessrohre um einen Faktor von 10 bis 13 verringert wird.