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Verfahren und Vorrichtung zur Verwertung brennbarer Bestandteile seinem
Trägergas, insbesondere Luft Die Erfindung betrifft in erster Linie ein Verfahren
zur Verwertung brennbarer Bestandteile in einem'Trägergas, insbesondere Luft, durch
Verbrennen mit Hilfe einer Stützflamme, bei welchem das Trägergas unter gleichzeitiger
Verwirbelung zunächst in den Feuerraum geleitet und dort im Bereich einer Stützflamme
gezündet, das bei der Verbrennung des wesentlichen Teils seiner brennbaren Bestandteile
aus dem Trägergas entstehende Rauchgas daraufhin unter mindestens einmaliger Umlenkung
seiner Strömungsrichtung nachverbrannt und das Abgas anschließend, getrennt vom
Trägergas, über ein Abgasrohr abgeführt wird.
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Verfahren dieser Gattung können z.B. allgemein dazu dienen, die bei
der Verbrennung der brennbaren Bestandteile des Trägergases anfallende Wärme zu
Heizungszwecken auszunutzen.
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Die Verwertung der brennbaren Bestandteile des Trägergases kann aber
auch lediglich darin liegen, umweltverschmutzende oder in sonstiger Hinsicht schädliche
Bestandteile von Abluft, soweit sie brennbar sind, durch Verbrennung unschädlich
zu machen, wobei die dabei frei werdende Wärme zwar zu Heizzwecken ausgenutzt werden
kann, aber nicht unbedingt genutzt werden muß.
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In Jedem Falle muß das. die gesfOrmigen und/oder festen brennbaren
Bestandteile enthaltende Trägergas e.ine. ausreichende SauerstoffkonzentratiQn aufweisen,
weshalb sich bevorzugt Luft als "rgf-gaa anbietet.-
In dem vorbeschriebenen
Rahmen umfaßt die Erfindung die Oxydation von oxydationsfähigen gasförmigen oder
festen Stoffen in Trägergasen in Form offener Verbrennung. Da das z.B. Abluft bildende
Träger gas nicht in allen Fällen eine ausreichende Konzentration an brennbaren Bestandteilen
aufweist oder die Konzentration solcher Bestandteile Schwankungen -unterliegen kann,
ist es bei diesen Verfahren notwendig, mit einer während des Betriebes ständig aufrechterhaltenen
Stützflamme zu arbeiten, die der Zündung der brennbaren Bestandteile im Feuerraum
dient und mittels eines üblichen O1- oder Gasbrenners erzeugt wird.
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Um auch bei einer geringen oder schwankenden Konzentration an brennbaren
Bestandteilen eine möglichst vollständige Verbrennung zu gewährleisten und sicherzustellen,
daß die an der Reaktion beteiligten Stoffe innerhalb des Abgases den kleinstmöglichen
Enthalpiewert aufweisen, ist es notwendig, für eine ausreichende Turbulenz nicht
nur im Feuerraum, sondern auch in den anschließenden Zonen etwaiger Nachverbrennung
zu sorgen, die Temperatur an allen Stellen möglicher Reaktionen oberhalb derjenigen
Temperatur zu halten, bei der die Reaktion bzw. Verbrennung beendet wird und schließlich
eine möglichst gleichmäßige Verteilung dieser Temperatur, zumindest im Feuerraum,
sicherzustellen.
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Zur Erfüllung dieser Bedingungen ist es generell bekannt, die brennbaren
Bestandteile zu möglichst kleinen Moleklketten aufzubereiten, mittels Drallkörpern
und Störelementen eine möglichst hohe Turbulenz mindestens im Feuerraum hervorzurufen
und die ausreichend hohe Verbrennungstemperatur an allen Stellen des. Feuerraums,
außer durch Turbulenzens vor allem durch wärmeisolierende Schichten an den Außenwänden
des Feuerraums sicherzustellen.
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Dieses optimale Ziel wird jedoch bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen
für diesen Zweck trotz verhältnismäßig aufwendiger Mittel nur unvollkommen erreicht,
so daß sie zumal in den Fällen nicht befriedigen, in denen das Trägergas nur eine
unzureichende oder stark schwankende Konzentration an brennbaren Bestandteilen aufweist,
wie es häufig gerade bei umweltverschmutzender oder gesundheitsschädlicher Industrieabluft
der Fall ist.
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Bei einem bekannten Verfahren dieser Gattung wird die mit den oxydationsfähigen
bzw. brennbaren Bestandteilen beladene Luft axial in Richtung der Stütz flamme in
die Brennkammer eingeblasen, so daß sie um die Stützflamme herum in den Feuerraum
gelangt. Der Feuerraum ist dabei durch einen innerhalb der Brennkammer koaxial angeordneten
Zylinder, vorzugsweise aus Feuerfestmaterial, gebildet. Auf diese Weise sollen die
Rauchgase am Ende des zylindrischen Feuerraums durch Injektionswirkung teilweise
umgelenkt und in dem Ringraum zwischen dem zylindrischen Feuerraum und der Brennkammerwand
wieder zum Brenner zurückgeführt und dabei teilweise nachverbrannt werden. Bei dieser
Anordnung läßt es sich jedoch nicht vermeiden, daß die Rauchgase in Richtung der
Brennkammerwand einen Temperaturgradienten aufweisen und die in dem äußeren Luftstrom
enthaltenen oxydationsfähigen bzw. brennbaren Bestandteile eine erhöhte Reaktionszeit
benötigen. Diese wird jedoch nur bei einem Teilstrom infolge der Rezirkulation wieder
ausgeglichen, während die reaktionsfähigen Stoffe in demjenigen Teilstrom, insbesondere
des äußeren Bereichs, der nicht an der Rezirkulation teilnimmt, nur unvollständig
reagieren und am Ende der Brennkammer axial mit den Abgasen austreten.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren wird die mit den oxydationsfähigen
bzw. brennbaren Bestandteilen beladene Luft über einen seitlich radial in die Brennkammer
einmündenden und dann in Achsrichtung der Brennkammer abgewinkelten Einlaßkanal
entgegen
der Richtung der Stützflamme zu dieser hin in den Feuerraum eingeblasen, wobei die
Luft beim Austritt aus dem Einlaßkanal ebenfalls mittels Drallelementen und einem
Konus verwirbelt wird. Nach dem Austritt aus dem Konus wird die Luft im Zuge der
Verbrennung des wesentlichen -Teils ihrer brennbaren Bestandteile in Richtung der
Stützflamme umgelenkt, so daß das Rauch gas gleichfalls axial an dem dem Brenner
abgekehrten Ende der Brennkammer über ein Abgasrohr austritt. Ein in Richtung auf
die Brennkammerwände stark abnehmender Temperaturgradient soll dabei dadurch vermieden
werden, daß die Brennkammerwand innenseitig mit wärmeisolierenden Schichten aus
Feuerfestmaterial bekleidet ist. Infolge der hohen Turbulenzen im Feuerraum werden
die Brennkammerwände jedoch zu erheblichen Schwingungen angeregt, die eine vorzeitige
Zerstörung dieser wärmeisolierenden Auskleidung bzw. Ausmauerung hervorrufen. Abgesehen
davon, daß diese wärmeisolierende Auskleidung teuer und ihre häufige Erneuerung
aufwendig ist, hat auch dieses bekannte Verfahren den Nachteil, daß die in den Rauchgasen
noch enthaltenen brennbaren Bestandteile in dem Ringraum zwischen dem verhältnismäßig
kalten Einlaßkanal und der ausgekleideten Brennkammerwand nur unzureichend oder
gar nicht nachverbrannt werden und mithin über das Abgas rohr ins Freie gelangen.
Dabei ist zu berücksichtigen, daß das Trägergas bzw. die mit den brennbaren Bestandteilen
beladene Luft im allgemeinen mit einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur bis
zu etwa 400°C zugeführt wird, während die Abgase die Brennkammer gewöhnlich mit
einer Temperatur in einer Größenordnung zwischen 600 und 8000C verlassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl ein verbessertes
Verfahren als auch eine verbesserte Vorrichtung zu schaffen, die die vorbeschriebenen
Mängel der bekannten Einrichtungen vermeiden und mit baulich verhältnismäßig einfachen
und vor allem weitgehend wartungsfreien Mitteln eine einwandfreie und vollständige
Verbrennung sowie Nachverbrennung im Sinne der
eingangs aufgestellten
Optimalbedingungen ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht das erTindunggemäß'e Verfahren von
dem zuvor als erstem behandaiten be'kannten Vé-rfaB-ren aus und kennzeichnet sich
diesem gegenüber dadurch, daß das Rauchgas beim Austritt aus dem Feuerraum unter
Umkehr seiner Strömungsrichtung zwangsweise längs der unisolierten, heißen Außenwände
des Feuerraums geführt und dabei nach außen, gegenüber der Brennkammerwand, durch
das zur Stützflamme strömende Trågergas isoliert wird. Gemäß einer bevorzugten Aus-fü-hrungsform
werden dabei das zum Abgasrohr strömende Rauchgas und das dieses außen umgebende,
zur Stützflamme strömende Trägergas etwa über die ganze Länge des Feuerraums- koaxial
und im Gegenstrom zueinander geführt.
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Dadurch, daß die Wärmeisolation der Brennkammer nach außen durch
das zwar warme, aber gegenüber dem Rauchgas stets kühlere Trägergas bewirkt wird,
kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf jede ohnehin teuere und in ihrer Festigkeit
durch die hohen Turbulenzen in jedem Falle stark gefährdete wärmeisolierende Auskleidung
verzichtet und sowohl für den Feuerraum selbst als auch für die übrigen Teile der
Brennkammer gewöhnlicher hitzebeständiger Stahl verwendet werden. Abgesehen von
dem dadurch bedingten, geringeren Bauaufwand liegt der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens aber vor allem darin, daß die aus dem Feuerraum austretenden Rauch gase
nunmehr zwangläufig entlang der heißen, d.h. meist glühenden, Außenwand des Feuerraums
zum Abgasrohr geführt werden und dadurch eine vollständige Nachverbrennung aller
darin etwa noch vorhandener,-brennbarer Bestandteile gewährleistet werden kann.
Da der Feuerraum durch den an seinen Außenwände entlanggeführten Rauchgas strom
s-te-ts gleichmäßig auf Temperatur gehalten wird, ist nicht nur eine vollständige
Restverbrennung aller in den R-auchgaen
etwa noch enthaltener: brennbarer
bzw. oxydationsfähIger Stoffe gewährleistet, sondern gleÏc-hzeitig sichergestellt
> daß auch innerhalb des Feuerraums die Temperaturen überall weitgehend gleich
hoch sind. Der Temperaturgradient ist mithin nicht nur im Feuerraum, sondern auch
an anderen Stellen der Brennkammer wesentLich kleiner als bei den vorbeschriebenen
bekannten Verfahren.
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Schließlich liegt ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung
darin, daß das Einblasen der Trägerluft im Gegenstrom zum Rauch gas eine wesentlich
wirksamere Vorwärmung des Trägergases durch den Rauchgasstrom ermöglicht und daher
auch aus diesem Gesichtspunkt bessere Verbrennungsbedingungen im Feuerraum geschaffen
werden.
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Gemäß einer weiteren wesentlichen Weiterbildung der Erfindung erfolgt
die Verbrennung der brennbaren Bestandteile des Trägergases in einem an einem Ende
geschlossenen zylindrischen Feuerraum, in den das Trägergas in Richtung der Stützflamme
unter gleichzeitiger Verwirbelung eingeblasen wird, wobei das aus dem Feuerraum
gleichfalls auf der Seite der Stützflamme, um diese herum, austretende Rauchgas
erneut umgelenkt und an der zylindrischen Außenwand des Feuerraums entlang zum Abgasrohr
geführt wird, während das das Rauch gas außenseitig wärmeisolierend umgebende Trägergas
gleichzeitig entgegen dem Rauchgasstrom zur Stützflamme hin geleitet wird.
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Es ist zweckmäßig, wenn das Rauchgas beim Austritt aus dem Feuerraum
im Zuge seiner Umlenkung um 180 mittels mindestens einer Abreißkante erneut verwirbelt
wird, um die Ausbildung einer laminaren Strömung zu verhindern und damit optimale
Bedingungen für die Mach- bzw. Restverbrennung der Rauchgase an den Außenwänden
des Feuerraums auf dem Wege zum Abgasrohr zu schaffen.
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Die Erfindung richtet sich weiterhin auch auf eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens. In diesem Rahmen geht die Erfindung von einer bekannten
Vorrichtung zur Verwertung brennbarer Bestandteile in einem Trägergas, insbesondere
Luft, durch Verbrennung aus, welche aus einer Brennkammer mit an einem Ende einmündendem
Öl- oder Gasbrenner für die Aufrechterhaltung einer Stützflamme, ferner aus einem,
dem Brenner gegenüberliegend angeordneten, an die Brennkammer angeschlossenen Abgasrohr
sowie aus einem Einlaßkanal für die Zuleitung des Trägergases besteht, wobei die
Zufuhr des Trägergases in den Feuerraum im Bereich der Stütz flamme über den Brenner
ringförmig umgebende Drallelemente und einen diese umschließenden, in den Feuerraum
der Brennkammer hineinragenden, sich zum freien Ende hin erweiternden Konus erfolgt.
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Hiervon ausgehend, kennzeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
iS wesentlichen dadurch, daß der Feuerraum durch einen bodenseitig gegenüber dem
Abgasrohr geschlossenen zylindrischen Topf gebildet ist, der mit seinem dem Boden
gegenüberliegenden, den Konus aufnehmenden offenen Ende über einen ihn außen umgebenden
Ringkanal an das Abgasrohr angeschlossen ist. Dabei ist die Vorrichtung bevorzugt
so ausgebildet, daß der der Ableitung der Rauchgase dienende Ringkanal von einem
weiteren, der Zuführung des Trägergases dienenden Ringkanal umgeben ist, der am
brennerseitigen Stirnende der Brennkammer über die Drallelemente und den Konus an
den Feuerraum angeschlossen ist und am gegenüberliegenden Stirnende der Brennkammer
axial in eine das Abgasrohr umgebende Ringkammer mündet, die den Anschlußstutzen
für das unter Druck eintretende Trägergas aufweist.
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Gegenüber der eingangs an zweiter Stelle behandelten bekannten Vorrichtung
hat die Vorrichtung gemäß der Erfindung nicht
nur den Vorzug einer
baulich einfacheren und vor allem weitgehend wartungsfreien Ausbildung, sondern
vor allem den Vorteil, daß infolge der Einblasung des Trägergases im Gegenstrom
zum Rauchgas eine Rohrdurchführung durch heiße Wände vermieden wird, die im Falle
der bekannten Vorrichtung, zumal in Verbindung mit den turbulenzbedingten Schwingungen,
störanfällig ist.
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Gemäß einer ebenso einfachen wie wirksamen und daher bevorzugten
Ausführungsform weist die Brennkammer innenseitig einen den Feuerraum bildenden
zylindrischen Topf auf, der von zwei gleichfalls zylindrischen Mänteln mit radialem
und axialem Abstand koaxial umgeben ist, von denen der das Gehäuse der Brennkammer
bildende Außenmantel an seiner einen Stirnwand den Anschlußflansch für den Öl- oder
Gasbrenner trägt und an seiner gegenüberliegenden Stirnwand eine Ringkammer mit
einem radialen Einlaßstutzen für das Trägergas bildet, während der den topfförmagen
Feuerraum umgebende Innenmantel an seiner brennerseitigen Stirnwand die Drallelemente
sowie den Konus und an seiner gegenüberliegenden, dem Boden des topfförmigen Feuerraums
zugekehrten Ende das die Ringkammer durchsetzende Abgasrohr trägt.
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Der im Verhältnis zum Nutzeffekt vergleichsweise einfache Bauaufwand
ergibt sich vor allem daraus, daß sowohl der den Feuerraum bildende zylindrische
Topf als auch die diesen mit allseitigem Abstand umgebenden, inneren und äußeren
Gehäusemäntel aus gewöhnlichem hitzebeständigem Stahlblech bestehen können, d.h.
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keiner-wärmeisolierenden Auskleidung, insbesondere feuerfesten Ausmauerung,
bedürfen.
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Dabei ergeben sich weitere bauliche Vereinfachungen dadurch, daß
die Ringkammer in axialer Richtung einerseits durch die Stirnwand des das Abgasrohr
tragenden Innenmantels und andererseits
durch die das Abgasrohr
umschließende Stirnwand des äußeren Gehäusemantels begrenzt ist. Die Ringkammer
ist innenseitig, d.h. zum Abgasrohr hin, zweckmäßig durch ein das Abgasrohr mit
radialem Abstand umschließendes Ringblech gasdicht abgeschlossen, wobei die Stirnwand
des äußeren Gehäusemantels das Abgasrohr unter Verzicht auf eine feste Verbindung
lediglich lose, d.h. mit geringem radialem Spiel, umgibt. Statt dessen ist es auch
möglich, auf das Ringblech zu verzichten und eine gasdichte Verbindung mit dem Abgasrohr
unter Verwendung einer Stopfbuchsdichtung od. dgl. vorzusehen. Die Außenwand der
Ringkammer ist gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform durch eine einfache
axiale Verlängerung des äußeren Gehäusemantels selbst gebildet.
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Um eine einwandfreie Nach- bzw. Restverbrennung der in den Rauchgasen
etwa noch enthaltenen brennbaren Bestandteile an der glühenden Außenwand des zylindrischen
Topfes zu gewährleisten, ist es gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung schließlich
zweckmäßig, das dem Brenner zugekehrte offene Ende des den Feuerraum bildenden zylindrischen
Topfes stirnseitig mit einem radial nach innen gerichteten Ringflansch zu versehen,
der als Abreißkante für die aus dem Feuerraum abströmenden Rauchgase dient und dessen
Innendurchmesser vorzugsweise kleiner als der am freien Rand gemessene Außendurchmesser
des in den Feuerraum mit etwa der Hälfte seiner Länge axial hineinragenden Konus
bemessen ist. Auf diese Weise wird im Zuge der Umlenkung der Rauchgase um 1800 am
Austritt aus dem Feuerraum die Ausbildung einer laminaren Strömung verhindert und
eine ausreichende Turbulenz auch innerhalb des inneren Ringkanals sichergestellt.
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Obschon das mit den brennbaren Bestandteilen beladene Trägergas,
d.h. im allgemeinen die Abluft, bevorzugt mittels eines Ventilators bzw. eines Gebläses
in den Einlaßstutzen der Ringkammer eingeblasen wird, ist es selbstverständlich
statt dessen auch mdglich5 das Trägergas über die Absaugung des Abgases
in
die Brennkammer einzuleiten.
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In der Zeichnung sind die Brennkammer mit 1, der Feuerraum mit 2,
der Öl- oder Gasbrenner mit 3, das Abgasrohr mit 4 und der Einlaßstutzen für das
Trägergas mit 5 bezeichnet.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, besteht die Brennkammer 1
aus einem äußeren Gehäusemantel 6, dessen eine Stirnwand den Anschlußflansch 6a
für den Brenner 3 trägt und dessen andere, axial über den Feuerraum 2 hinaus vorgezogene
Stirnwand 6b das Abgasrohr 4 unter Verzicht auf eine festes insbesondere gasdichte,
Verbindung lediglich umschließt.
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Der innerhalb der Brennkammer 1 angeordnete Feuerraum 2 ist durch
einen koaxial zur Gehäusewand 6 angeordneten zylindrischen Topf 7 gebildet, der
an seinem dem Abgasrohr 4 zugekehrten Ende einen geschlossenen Boden 7a aufweist.
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An dem dem Boden 7a gegenüberliegenden Ende weist der zylindrische
Topf 7 einen radial nach innen gerichteten Flansch 7b auf, dessen Innenrand als
Abreißkante dient und dazu bestimmt ist, die Ausbildung einer laminaren Strömung
bei dem aus dem Feuerraum 2 austretenden Rauchgas zu verhindern.
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Zwischen dem äußeren Gehäusemantel 6 und dem zylindrischen Topf 7
ist ein weiterer, innerer Gehäusemantel 8 vorgesehen, der an seinem einen Ende das
Abgasrohr 4 und an seinem diesem gegenüberliegenden Ende die als Drallelemente dienenden
Leitbleche 9 sowie den diese umschließenden und axial in den Feuerraum 2 hineinragenden
Konus 10 trägt.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich i'st, ragt der Konus 10 um etwa
die Hälfte seiner Länge in den zylindrischen Topf 7 hinein, wobei sein am freien
Rand gemessener Außendurchmesser
größer als der Innendurchmesser
des als Abreißkante dienenden inneren Ringflansches 7b bemessen ist.
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Wie aus der Zeichnung weiter ersichtlich ist, bildet die axiale Verlängerung
des äußeren Gehäusemantels 6 einschlieR-lich ihrer zum Abgasrohr 4 hin eingezogenen
Stirnwand zusammen mit der Stirnwand des inneren Mantels 8 eine Ringkammer 11, die
den radialen Einlaßstutzen 5 trägt und innenseitig, d.h. zum Abgasrohr 4 hin, durch
ein Ringblech 12 abgeschlossen ist.
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Die mit den brennbaren Bestandteilen beladene Luft, d.h. das Trägergas,
wird mittels eines Ventilators 13 in Richtung des Pfeils x in den Einlaßstutzen
5 eingeblasen, wobei sie sich innerhalb der Ringkammer 11 verteilt und über den
äußeren Ringkanal 14 zwischen der äußeren Gehäusewand 6 und der inneren Gehäusewand
8 zu den Leitflächen der Drallelemente 9 gelangte mittels welcher sie unter entsprechender
Verwirbelung in den Feuerraum 2 geleitet wird.
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Um auch bei einer unzureichenden und/oder stark schwankenden Konzentration
an brennbaren Bestandteilen im Träger gas eine gleichmäßige Verbrennung zu gewährleisten,
wird innerhalb des Feuerraums 2 mittels des Ö1- oder Gasbrenners 3 ständig eine
Stütz flamme aufrechterhalten, mittels welcher die über die Drallelemente in den
Konus eintretenden brennbaren Bestandteile des Trägergases gezündet und daraufhin
verbrannt werden. Zu diesem Zweck wird dem Brenner 3 außer dem Öl oder Gas auch
die dazu erforderliche Menge Frischluft bzw. sonstiger Sauerstoffträger zuabgeführt.
Die während des Betriebes ständig aufrechterhaltene Stütz flamme ist in der Zeichnung
schematisch mit 15 bezeichnet.
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Das im Feuerraum 2 entstehende Rauchgas gelangt aus dem offenen Ende
des zylindrischen Topfes 7 unter entsprechender
Verwirbelung an
der Abreißkante 7b heraus und tritt unter Umlenkung seiner Strömungsrichtung um
1800 in den inneren Ringkanal 16 zwischen der glühenden Außenwand des zylindrischen
Topfes 7 und dem inneren Gehäusemantel 8 ein. Dabei wird es über die ganze Länge
des Feuerraums 2 an dessen Außenwänden entlanggeführt, so daß alle etwa noch vorhandenen
brennbaren Bestandteile restlos verbrennen und das Rauchgas als Abgas in das Abgasrohr
4 gelangt, über das es in Richtung des Pfeiles y, z.B. zu Heizzwecken, abgeleitet
wird.