DE2444444A1

DE2444444A1 - Verbrennungsanlage zur erzielung einer im wesentlichen vollstaendigen verbrennung einer verunreinigten luftstroemung

Info

Publication number: DE2444444A1
Application number: DE19742444444
Authority: DE
Inventors: Lawrence C Griffin
Original assignee: Griffin Research and Development Inc
Current assignee: Griffin Research and Development Inc
Priority date: 1973-09-17
Filing date: 1974-09-17
Publication date: 1975-05-15
Also published as: US3960504A; IT1019290B; FR2244133B3; GB1476944A; JPS5056773A; FR2244133A1; CA1030815A; AU7287474A

Description

Patentanwälte

Dr. Dieter F. Morf
Dr. Hans-Α. Brauns

8 Itoüncnen 86, Pienienauostr. 28.

17. September 397 947

GRIPPIN RESEARCH & DEVELOPMENT, INC.

Porte Plaza Building, Suite 806, 1401 Bricks11 Avenue, Miami, Florida 33131, V.St.A.

Verbrennungsanlage zur Erzielung einer im wesentlichen vollständigen Verbrennung einer verunreinigten Luftströmung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Entfernung von Verunreinigungen aus der Luft durch, direkte Flammenverbrennung und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren, um dies zu erreichen.

Bei Betrieb verschiedener Arten von Verarbeitungsanlagen, bei welchen eine verunreinigte Luftströmung an die Atmosphäre abgegeben wird, besteht ein übliches Verfahren zur Entfernung der Verunreinigungen in einer direkten .Flammenverbrennung. Ein Beispiel einer derartigen verunreinigten Luftströmung ist die aus einem Kafeeröstofen austretende Luft. Die vom Kaffeeröstofen austretende Luft führt Feststoffteilchen und eine Anzahl gasförmiger organischer Stoffe mit sich, wie beispielsweise Ester, Aldehyde, Ketone und Säuren. Bei einer wirksamen direkten Flammenverbrennung

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können diese organischen Verunreinigungen unter Bildung von Kohlendioxid und Vassex oxidiert werden, wonach die Luftströmung als unschädlich an die Atmosphäre abgegeben werden kann.

Bei bekannten Anlagen für eine direkte Flammenverbrennung sind verschiedene Schwierigkeiten aufgetreten. In einigen Fällen war die von der Verbrennungsvorrichtung an den Umgebungsbereich abgebene Wärme so hoch, dass eine Feuergefahr erzeugt wurde. Dies hat häufig ziemlich sperrige Anordnungen aus feuerfestem Material erfordert, wodurch das Gewicht der Anlage erheblich erhöht wurde. Eine weitere Schwierigkeit bei vielen der bekannten Verbrennungsanlagen bestand darin, dass die Anordnung ziemlich komplex aufgebaut war, so dass die Kosten der Montage und der Wartung in unerwünschter Weise angestiegen sind. Schliesslich wiesen einige bekannte Anordnungen einen unnötig hohen Brennstoffverbrauch zur Durchführung der Verbrennung auf; darüberhinaus waren die meisten bekannten Anlagen bezüglich des notwendigen Brennstoffs begrenzt, wobei Naturgas zur Erzielung einer zufriedenstellenden Verbrennung erforderlich war.

Ein bekannter Verbrennungsofen ist aus der US-PS 3 54-9 333 ersichtlich, gemäss welcher der Ofen mit einem Brenner ausgerüstet ist, welcher einen Teil des zu verbrennenden Strömungsmittels verwendet, um dieses mit einem Brennstoff zur Einleitung einer Verbrennung zu vermischen. Am Ausgang des Brenners ist eine zweite Strömung vorhanden, welche mit der Flamme des Brenners vermischt wird. Um eine ausreichende Zeitdauer, Temperatur und Verwirbelung zur Erzielung einer zufriedenstellenden Verbrennung sicherzustellen, verwendet die bekannte Anordnung einen länglichen Verbrennungsbereich, welcher stromabwärts des Endes des Brenners angeordnet ist, so dass im wesentlichen eine vollständige Oxidation der Luftströmung erfolgt.

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Beispiele weiterer bekannter Verbrennungsanlagen sind in den US-iSen 3 090 675, 3 254- 963, 3 276 693, 3 560 165 und 3 368 605 beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine direkte Flammenverbrennung zu schaffen, welche sich zur Verbrennung einer Luftströmung eignet, wie sie beispielsweise von einem Kaffeeröstofen, abgegeben wird - wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist - und wobei ein Gleichgewicht zwischen hohem Wirkungsgrad, im wesentlichen vollständiger Verbrennung der Verunreinigung, baulicher Einfachheit und Gedrängtheit und leichter Bedienung und Wartung erzielt wird.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist ein Gehäuse mit einer Mantelanordnung auf, welche einen äusseren ringförmigen Strömungsmittel-Wärmetauscherkanal bildet sowie einen innerhalb dieses Kanals angeordneten Verbrennungsbereich. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Verbrennungsbereich durch drei im wesentlichen konzentrische Mantelanordnungen oder Zylinder gebildet, die jeweils eine erste, zweite und dritte Verbrennungszone bilden. Eintrittsluft und Brennstoff werden der ersten Zone zugeführt, die durch den inneren Zylinder gebildet wird, um eine erste Verbrennung zu ermöglichen. Ferner sind ein zweiter sowie ein dritter ringförmiger Lufteinlass vorgesehen, wobei die Strömung verunreinigter Luft, welche aus dem Wärmetauscherkanal austritt, die Luftzufuhr für den zweiten wie den dritten Einlass bildet, und zwar jeweils in eine zweite und dritte Verbrennungszone, wobei das Abgas der dritten Verbrennungszone über einen Schornstein oder Auslass als verunreinigungsfreie Strömung abgegeben wird.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der dritte Lufteinlass aus einer ringförmigen, zwischen den beiden äusseren Zylindern gebildeten Öffnung, um einen zusätzlichen

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Wärmeaustausch mit der dritten Strömung zu erzielen. Vorzugsweise wird die dritte Durchtrittsöffnung erhalten, indem eine Überlappung zwischen dem rückwärtigen Teil des äusseren Zylinders mit dem vorderen Teil des mittleren Zylinders hergestellt wird. Ferner sind gemäss der bevorzugten Ausführungsform sowohl für die erste wie auch für die dritte Luftströmung Schaufeln vorgesehen, um der ersten und dritten Luftströmung zur Erzeugung einer erhöhten Verwirbelung zwecks Verbesserung der Verbrennung eine Gegendrehung zu erteilen.

Beim Betrieb der Anlage wird Brennstoff der ersten Verbrennungskammer zugeführt und zwar zusammen mit einer ersten Luftströmung, die vorzugsweise durch einen Lüfter erzeugt wird, v/obei das Gemisch aus Brennstoff und erster Luftströmung eine einleitende Verbrennung in der ersten Zone liefern. Vorzugsweise ist das Gemisch von Brennstoff mit erster Luft reich an Brennstoff, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der ersten Luftströmung etwa die Hälfte jenes Wertes beträgt," welcher zur Erzielung einer vollständigen Verbrennung des Brennstoffs erforderlich ist. Eine ztveite Strömung, welche durch einen Teil der verunreinigten Luftströmung gebildet wird, gelangt durch die zweite ringförmige Durchtrittsöffnung in die zweite Verbrennungszone, um sich dort mit dem reagierenden Gemisch von Brennstoff und erster Verbrennungsluft, das sich in der zweiten Verbrennungszone weiter bewegt, zu vermischen. Zweckmässig reicht die Strömungsgeschwindigkeit der zweiten Luftströmung aus, um im wesentlichen eine vollständige Verbrennung des noch nichtverbrannten Brennstoffs zu erreichen. Stromabwärts der zweiten Verbrennungszone ist eine dritte Luftströmung vorhanden, welche durch den Eestteil der verunreinigten Luftströmung gebildet wird, der in die dritte Verbrennungszone strömt, um sich mit der Mischung aus Brennstoff und erster und zweiter Luftströmung zu vermischen. In der dritten Verbrennungszone erfolgt im wesentlichen eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs und der in dem Strömungsmittel vorhandenen Verunreinigungen, so dass ein im wesentlichen reines

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Abgas am Abzug der Vorrichtung abgegeben wird. '

Die Erfindung wird anschliessend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Pig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung, welche am Dach einer Verarbeitungsanlage angeordnet ist,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemässe Vorrichtung und

Fig. 3 einen Querschnitt durch die erfindungsgemässe Vorrichtung längs der Linie 3-3 der Fig. 2.

Eine bevorzugte Ausführungsform, der Erfindung wird anschliessend in Verbindung mit der Behandlung der Abgase eines Kaffeeröstofens beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auch in Verbindung mit der Behandlung von anderen Arten von Abgasen verwendet werden kann.

Gemäss Fig'. 1 ist die erfindungsgemässe Verbrennungsanlage 10 am Dach einer Verarbeitungsanlage 12 angeordnet und erhält die Abgase von einem Kaffeeröstofen 14-, Die Abgase des Kaffeeröstofens 14· werden über eine Leitung 16 der Verbrennungsanlage 10 zugeführt, welche sie ihrerseits im wesentlichen rückstandsfrei an die Atmosphäre abgibt.

Gemäss den Fig. 2 und 3 weist die Verbrennungsanlage 10 ein zylindrisches Gehäuse 18 auf, welches aus einem isolierten Zylinder 20 besteht, der durch eine Vorderwand 22 und eine Eückwand 24 abgeschlossen ist, wobei die letztere beweglich ist, um eine Zutrittsöffnung zu gewährleisten. Im rückwärtigen Teil des Gehäuses 18 ist eine isolierte Querwand 26 vorgesehen, Vielehe das Gehäuse 18 in einen vorderen Behandlungsabschnitt 28 und einen rückwärtigen Steuerabschnitt 30 unterteilt. An der Trennwand 26 ist an der Achslinie des

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Gehäuses 18 eine Brennereinheit 32 mittels eines Flansches befestigt, wobei das Auslassende des Brenners nach vorne gegen den Behandlungsabschnitt 28 gerichtet ist. Der Brenner ist mit Überwachungseinrichtungen für die Brennstoffzufuhr ausgestattet, welche im Steuerabschnitt des Gehäuses _t bei 36 angeordnet sind. Ferner ist im Steuerabschnitt ein Lüfter vorgesehen, welcher eine erste Luftströmung dem Brenner 32 zum Verbrennen des Brennstoffs unter Druck zuführt. Eine mit einem Gitter versehene Lufteinlassoffnung 40 ist am Boden des Gehäuses 18 im Steuerbereich 30 vorgesehen. Umgebungsluft fliesst durch die Einlassöffnung 40 und nach.oben durch den Steuerber.eich 30 zum Lüfter 38, um die Temperatur im Steuerbereich 30 auf einem niedrigen Wert zu halten (beispielsweise geringfügig mehr als 38° G) und ferner die erste Verbrennungsluftströmung dem Brenner 32 zuzuführen.

Mit dem Brenner 32 ist ein zylindrischer Mantel 42 verbunden, der sich vom Brenner nach vorne erstreckt und dessen Längsachse fluchtend zur Längsachse des Gehäuses 18 liegt. Am rückwärtigen Teil des Mantels 42 ist die Brennstoffdüse 44 des Brenners 32 angeordnet, Vielehe Brennstoff in einem verteilten Sprühmuster in den Bereich innerhalb des Mantels 42 nach vorne versprüht. Um die Düse 44 ist eine ringförmige Einlassöffnung 46 für die erste Luftströmung angeordnet, in welcher eine Anzahl Schaufeln 48 vorgesehen sind. Die vom Lüfter 38 kommende Luft wird durch die Einlassöffnung nach vorne in den durch den Mantel 42 gebildeten Verbrennungsbereich geleitet. Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind die Schaufeln 48 derart gebogen, dass der an den Schaufeln 48 vorbeiströmenden Luft eine Drehbewegung gegen- · über der Längsachse des Brenners 32 erteilt wird, und zwar gemäss Fig. 3 eine Drehbewegung im Uhrzeigersinn. Die erste Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches, v/elches mittels der Düse 44 und der Einlassöffnung 46 zugeführt wird, erfolgt im Mantel 42, wobei das miteinander reagierende Gemisch von Brennstoff und Luft sich vom Brenner 32 im Behandlungsabschnitt 28 nach vorne bewegt.

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Im Behandlungsabschnitt 28 des Gehäuses 18 sind zwei weitere zylindrische Mantel vorgesehen, nämlich ein Zwischenmantel 50 und ein äusserer Mantel 52. Beide Mantel 50 und 52 sind im Gehäuse 18 angeordnet, wobei die Längsachsen der beiden Mantel 50 und 52 miteinander fluchten und mit der Längsachse des Gehäuses 18 und des innersten Mantels 4-2 zusammenfallen.

Der Zwischenmantel 50 weist ein offenes vorderes und hinteres Ende auf, wobei die rückwärtige Kante 54 des inneren Mantels 50 gegenüber der Trennwand 26 um einen geringen Betrag nach vorne versetzt ist, so dass der Mantel 50 mit der Trennwand 26 eine ringförmige Durchtrittsöffnung 56 bildet, welche den Mantel 42 vollständig umgibt. Wie anschliessend näher erläutert wird, gewährleistet diese ringförmige Durchtrittsöffnung 56 eine richtige Steuerung der Zuführung verunreinigter Luftströmung als zweite Luftströmung für die im Behandlungsabschnitt 28 erfolgende Oxidation. Die vordere ringförmige Kante 58 des inneren Mantels 50 liegt geringfügig hinter der Mitte des Behandlungsabschnitts 28 des Gehäuses 18.

Die rückwärtige ringförmige Kante 60 des äusseren Mantels 52 befindet sich geringfügig hinter dem mittleren Bereich des Zwischenmantels 50, und das vordere Ende 62 des Mantels 52 ist nahe an der vorderen Stirnwand 22 des Gehäuses angeordnet. Das rückwärtige Ende des Mantels 52 ist offen, während das vordere Ende 62 durch eine Wand 64 abgeschlossen wird, welche eine Schicht aus feuerfestem Material 64a aufweist. Der rückwärtige Teil 65 des äusseren Mantels 52 steht über den vorderen Abschnitt des inneren Mantels 50 vor und der vordere Abschnitt 67 des Mantels 52 steht über den vorderen Hand 58 des inneren Mantels 50 vor. Wie anschliessend näher beschrieben wird, bildet der rückwärte Bereich des äusseren Mantels 66 mit dem inneren Mantel 50 eine ringförmige Durchtrittsöffnung 68, welche die Einströmung von Strömungsmittel als dritte Luftströmung zur Aufrechterhaltung der im Be-

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handlungsabschnitt 28 erfolgenden Oxidation gewährleistet. Der äussere Mantel 52 liegt im geringen Abstand innerhalb der Gehäusewand 20, um mit dieser eine äussere ringförmige Durchtrittsöffnung 70 zu bilden, welche als Wärmeaustauschdurchtrittsöffnung dient»

Der rückwärtige Abschnitt 66 des äusseren Mantels 52 und der innere Mantel 50 sind mittels einer Anzahl von in Längsrichtung fluchtend angeordneten Schaufeln 71 miteinander verbunden, welche in der ringförmigen Durchtrittsöffnung angeordnet sind und sich zur Verbindung mit der Trennwand nach hinten erstrecken® Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind diese Schaufeln 71 in einem geringen Winkel angeordnet, so dass dem durch die Durchtrittsöffnung 68 als dritte Luftströmung hindurchtretenden Strömungsmittel eine Drehbewegung erteilt v/ird, und zwar in entgegengesetzter Richtung bezüglich der der ersten Luftströmung durch die Schaufeln 48 erteilten Drehbewegung. Wie sich aus Pig. 3 ergibt, erfolgt die Drehbewegung der dritten Luftströmung im Gegenuhrzeigersinn.

Am unteren vorderen Ende des Gehäuses 18 ist eine Einlassleitung 72 für das Strömungsmittel angeordnet, welche an die genannte Strömungsmitteleinlassleitung 16 angeschlossen ist. Die Einlassleitung 72 bildet einen Strömungsmitteleinlass 74-, durch welchen das Strömungsmittel dem vorderen Ende der ringförmigen Wärmetauscher-Durchtrittsöffnung 70 zugeführt wird. Eine Abzugsleitung 76 ist mit dem vorderen oberen Bereich des äusseren Mantels 52 verbunden und erstreckt sich oben durch den oberen vorderen Teil des Gehäuses 18, um in einer mit einer Abdeckung versehenen Auslassöffnung 78 zu münden, an welcher die im wesentlichen von Verunreinigungen freien Gase an die Atmosphäre abgegeben werden.

Beim Betrieb strömt das zu behandelnde Strömungsmittel durch die Leitung 16 und durch die Einlassöffnung 7^ in die Ver-

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brenhungsanlage 10. Wie vorausgehend erläutert wurde, besteht das Strömungsmittel aus Luft mit verschiedenen Gasen und/oder teilchenförmigen Stoffen, welche im Ealle eines Kaffeeröstprozesses durch verschiedene organische Stoffe gebildet wurden, die in der Verbrennungsanlage 10 unter Bildung von im wesentlichen Kohlendioxid und Wasser, welche an die Atmosphäre abgegeben werden, oxidiert werden sollen. Das durch die Einlassöffnung 7^- hindurchtretende Strömungsmittel fliesst im vorderen Teil der Durchtrittsöffnung 70 nach oben und um den äusseren Mantel 52 in der Durchtrittsöffnung 70 nach hinten. Durch die in der Durchtrittsöffnung 70 erfolgende Strömung gelangt das Strömungsmittel in Wärmeaustausch mit dem äusseren Mantel 52, so dass das Strömungsmittel bei seiner Rückwärtsströmung erhitzt wird. Darüberhinaus wird durch die Strömung in der Durchtrittsöffnung 70 eine thermische Sperrschicht erhalten, durch welche eine Überhitzung der Gehäuseseitenwand 20 verhindert wird.

Sobald das Strömungsmittel den rückwärtigen Abschnitt der Einlassöffnung 70 erreicht, gelangt ein Teil des Strömungsmittels durch den ringförmigen Einlass 56 und bildet eine zweite Lufteinströmung. Der übrige Teil des Strömungsmittels fliesst in den ringförmigen Einlass 68 und bildet eine dritte Lufteinströmung. Der Querschnitt des zweiten Einlasses 56 und des dritten Einlasses 68 ist derart bemessen, dass etwa die Hälfte bis ein Viertel des gesamten Strömungsmittels in den zweiten Einlass als sekundäre Luftströmung eintritt, während der Rest des Strömungsmittels durch den dritten Einlass 68 strömt. Das durch den.Einlass 68 fliessende Strömungsmittel steht im Wärmeaustausch mit dem inneren Mantel 50, wobei dessen Temperatur zur Förderung des Verbrennungsvorganges weiter erhöht wird, wobei gleichzeitig der Mantel 50 gekühlt wird. Die Schaufeln 71 bilden eine zusätzliche Wärmeaustauschfläche zur Verbesserung des Wärmeaustausches mit dem Strömungsmittel im Einlass 68, was zusätzlich zu ihrer Aufgabe,

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der dritten Lufteinströmung eine Drehbewegung zu erteilen, erfolgt.

Zur Beschreibung des Oxidationsvorganges, welcher in der Verbrennungsanlage 10 erfolgt, kann der gesamte Verbrennungsbereich im Abschnitt 28 funktionell in drei Verbrennungszonen unterteilt werden. Die erste Verbrennungszone 80a umfasst den Bereich innerhalb des innersten Mantels 42 und einen kleinen Bereich unmittelbar vor dem Mantel 42. In dieser ersten Verbrennungszone 80a reagiert ein Teil des von der Düse 44 abgegebenen Öl-Brennstoffs mit der ersten Verbrennungsluft, welche aus dem ersten Lufteintritt 46 austritt, um ein erstes Brennstoff-Luft-Gemisch zu ergeben, welches von der ersten Zone 80a in einer Richtung nach vorne wandert. Diese erste Luftströmung wird durch eine geeignete Vorrichtung, wie beispielsweise eine Luftklappe 82 gesteuert, so dass die erste Luftströmung etwa die Hälfte der Luftmenge bildet, welche zu einer vollständigen Verbrennung des Brennstoffs erforderlich ist. Damit ist in der ersten Zone das Brennstoff-Luft-Gemisch reich an Brennstoff, wobei nicht verbrannter Brennstoff aus der ersten Verbrennungszone austritt.

Die zweite Verbrennungszone kann als in einem Bereich innerhalb des vorderen Abschnittes des Zwischenmantels 50 liegend angesehen werden und ist mit 80b bezeichnet. In dieser Zone 80b dehnt sich das brennende Brennstoff-Luft-Gemisch der Zone 80a nach aussen aus und vermischt sich mit der sekundären Strömung, welche durch den Einlass 56 eintritt und innerhalb des inneren Mantels 50 nach vorne fliesst. Somit erfolgt in der Zone 80b eine weitere Reaktion des von der Brennerdüse 44 abgegebenen Brennstoffs in Verbindung mit einer Vermischung und Reaktion der Verunreinigungen, die sich in der zweiten Luftströmung befinden. Die Menge der zweiten Luftströmung, welche durch den zweiten Einlass und in die zweite Verbrennungszone fliesst, ist näherungsweise ausreichend, um im wesentlichen eine vollständige Brennstoffverbrennung zu er-

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zielen. Es hat sich gezeigt, dass, falls die Breite der Eintrittsöffnung 56 zu gering bemessen wurde, in den aus dem Schornstein 76 austretenden Gasen eine unvollständige Verbrennung auftrat. Wurde andererseits die Eintrittsöffnung 56 zu gross bemessen, so bestand eine Neigung, dass es infolge von Luftüberschuss zu einem Erlöschen der Flamme kam.

Die dritte Verbrennungszone 80c besteht aus dem Bereich, welcher im wesentlichen vom vorderen Abschnitt 67 des äusseren Mantels 52 umschlossen ist. Sobald das reagierende Brennstoff-Luft-Gemisch diese dritte Verbrennungszone 80c erreicht hat, ist der grössere Anteil des vom Brenner 32 abgegebenen Brennstoffs bereits verbrannt, was durch die Anwesenheit einer Flammenfront am vorderen Ende der zweiten Verbrennungszone 80b angezeigt wird, wobei die Flammenfront mit 84 eingetragen ist, und zwar in einer näherungsweisen Lage bei Verwendung von Naturgas als Brennstoff. Uird jedoch Öl als Brennstoff eingesetzt, so erstreckt sich die Flammenfront weiter in die dritte Verbrennungszone 80c hinein. In die dritte Verbrenungszone 80c erfolgt die Zuführung einer dritten Luftströmung aus der Durchtrittsöffnung 68. Die mittels der Schaufeln 71 erhaltene Drehbewegung der tertiären Luftströmung ist entgegengesetzt zur Drehbewegung der als Folge der Anordnung der Schaufeln 48 erhaltenen ersten Luftströmung. Dadurch wird eine Verwirbelung der dritten Luftströmung mit dem reagierenden Gemisch aus Brennstoff und .verunreinigter Luft gefördert, das sich von der zweiten Verbrennungszone 80b in die dritte Verbrennungszone 80c bewegt, so dass im wesentlichen eine vollständige Oxidation der Verunreinigungen in der dritten Luftströmung erhalten wird. Die Verbrennungsprodukte der dritten Verbrennungszone 80c gelangen durch den Schornstein 76 nach oben und werden von der Austrittsöffnung 78 cLes Schornsteins im wesentlichen frei von Verunreinigungen an die Atmosphäre abgegeben.

Zum selbsttätigen Betrieb der Verbrennungsanlage 10 sind im unteren Abschnitt des Schornsteins 76 Wärmefühler ange-

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ordnet, die mit einer Rechnersteuerung des Brenners 32 verbunden sind. Dies kann in solcher Weise erfolgen, dass bei einem geringfügigen Temperaturanstieg im Schornstein 76 über einen vorgegebenen Wert die Brennstoffströmung durch die Düse 44 verringert wird« Falls die Temperatur im Schornstein 76 auf einen gefährlichen Wert ansteigt, so veranlasst die Steuerung eine völlige Abschaltung der Brennstoffzufuhr, um den Betrieb der Vorrichtung 10 abzuschalten.

Beispiel 1

Eine Verbrennungsanlage wurde im wesentlichen im Einklang mit der Zeichnung aufgestellt. Die Gesamtlänge der Anlage betrug 278 cm (109 1/4 "), während die Breite 165 cm (64") betrug. Der Steuerabschnitt wies eine Länge von 91?5 cm (36") und der Behandlungsabschnitt eine Länge von 186 cm (73 1/4") auf. Der Innendurchmesser der Einlassleitung für das Strömungsmittel betrug 46 cm (18"); der Innendurchmesser des Schornsteins betrug 61 cm (24"); die Gesamtlänge des Zwischenmantels betrug 122 cm (48"); die Breite der ringförmigen dritten Einlassöffnung betrug 12,7 cm (5") und die Breite der ringförmigen zweiten Einlassöffnung betrug 5,1 cm (2").

Eine derart aufgebaute Anlage wurde gemäss Fig. 1 am Dach einer Kaffeeröstanlage aufgestellt, wobei die Abgase von zwei Kaffeeröstöfen durch die Einlassleitung der Verbrennungsanlage 10 zugeführt wurden. Die Gesamt strömung durch die Einlassleitung betrug 85 m (3000 cubic feet) pro Minute bei einer Temperatur von 39° C(102° F), wobei diese Temperatur an der Stelle A (Fig. 2) gemessen wurde. Die Temperatur des Strömungsmittels an der Stelle B am Anfang der dritten Einlassöffnung bebrug 200° C (392° P). An der Stelle C am Ausgang der dritten Einlassöffnung stieg die Temperatur des Strömungsmittels auf einen Wert von 307° C (586° I¹) an. An der Stelle D in der dritten Verbrennungszone betrug die Temperatur 686° C (1268° F). Zur Messung dieser Temperatur

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wurde der Messfühler quer gegen die Seiten der dritten Verbrennungszone "bewegt, wobei sich zeigte, dass die Temperatur in allen Bereich der Querebene im wesentlichen gleichförmig verlief. An der Stelle E an der Wand 64- betrug die Temperatur 550° C (1021° F). An der Stelle F des Schornsteins etwa 15 cm oberhalb der Gehäuseoberfläche betrug die Temperatur 686⁰C (1268° F), während die Temperatur an der Schornsteinoberfläche bei G 643° C (1188° F) betrug. Im Innern des Schornsteins etwa 153 cm oberhalb der Gehäuseoberkante betrug die Temperatur 565° C (1047° F).

Vor der Verwendung der Verbrennungsanlage 10 wurden durch die Abgase von Kaffeeröstöfen die örtlichen Bestimmungen über die Luftverschmutzung verletzt. Die Abgase bestanden aus einem dunklen Rauch, welcher während gewisser Betriebsperioden . aus dem Schornstein entwich. Eine schwere Geruchswolke lag über der gesamten Umgebung in der Nachbarschaft der Röstanlage. Mach der Montage und Inbetriebnahme der erfindungsgemässen Verbrennungsanlage wurden die Schornsteinabgase der Anlage mit Hilfe eines Vergleichs mittels einer Ringelmann-Rauchtabelle analysiert, bei welcher die Dichte von aus dem Schornstein austretenden Rauchsäulen mit einem Grauton verglichen wird, wobei die Stufen zwischen weiss und schwarz in einer Anzahl von gleichen Schritten variiert werden. Die Abgase der Vorrichtung wiesen eine Ringelmann-Zahl von Null auf, was eine Verringerung der sichtbaren Emissionen von im wesentlichen 100 % entspricht.

Eine andere Feststellung der Beseitigung von Vermrreinigungen erfolgt in einfacher Weise durch Ermittlung der Verunreinigung durch den Geruchssinn. Der Mensch hat die Fähigkeit, auf tausende von genau bestimmten Geruchsreizen anzusprechen und Luftverunreinigungen zu entdecken, welche von verhältnismässig weit entfernten Quellen stammen können. Derartige Geruchsstoffe können in Gasen in einer Konzentration ermittelt werden, die so gering wie ein Teil Verunreinigung auf eine

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Milliarde Luftteile sein kann. Daher wurde das menschliche Geruchsorgan häufig als eines der besten bekannten Prüforgane für eine Gasanalyse bezeichnet. Nach der Inbetriebnahme der vorausgehend beschriebenen Verbrennungsanlage wurde im unmittelbaren Bereich neben der Anlage kein feststellbarer Geruch ermittelt. Sogar oberhalb des Schornsteines, wo die Abgase austraten, zeigte sich kein feststellbarer Geruch. Damit wurden durch die Vorrichtung im wesentlichen 100 % der zu einer Geruchsbelästigung führenden organischen Stoffe beseitigt, die beim Kaffeerösten anfielen.

In einer weiteren Prüfung der Wirksamkeit der erfindungsgemässen Vorrichtung wurden Proben der in die Vorrichtung einströmenden Gase gesammelt und desgleichen Proben der aus der Vorrichtung austretenden Abgase. Das zur Entnahme der Proben verwendete Gerät ist in dem Source Sampling Manual von M. F. Rivera, Metropolitan Dade County, Miami, Florida, 1968, beschrieben. Die Proben wurden aus jenem Quadranten des Schornsteins entnommen, welcher die höchste Gasgeschwindigkeit aufwies, was durch eine vor der Entnahme erfolgte Messung ermittelt wurde. Die Proben wurden von einem Sammler aufgenommen, welcher in zerstossenem Trockeneis eingepackt wurde. Alle flüchtigen Stoffe wurden aus den Abgasen auf diese Weise entnommen und gesammelt.

Ein grosser Teil der auf diese Weise vor und nach dem Verbrennungsvorgang entnommenen Proben bestand aus Wasser, welches hauptsächlich von einem Abschreckvorgang in den Röstofen herrührt.

Der erste Schritt bei der Analyse der entnommenen Abgase bestand in der Trennung des V/assers von den organischen Bestandteilen. Dies erfolgte durch Anschluss des Auffanggefässes, welches die Proben enthielt, an eine Vakuuxileitung. Nach Anschluss an die Vakuumleitung wurde gewartet, bis die Probe auf Raumtemperatur abgekühlt war. Alle Gase, die aus

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der ersten Frohe stammten, wurden zunächst durch ein mit Calciumchlorid gefülltes 30 cm-Eohr geleitet, um alles Wasser aus der Prohe zu entfernen. In einem nächsten Schritt wurden die Gase durch ein Glasrohr geleitet, welches sich in einem Troekeneis-Acetonbad befand. Damit wurden alle in der Probe enthaltenen flüchtigen Komponenten mit Ausnahme des bereits vorher entfernten Wassers in dem Glasrohr gesammelt, welches sich auf der Temperatur des Trockeneis-Acetonbades befand.

Das Glasrohr mit den im Trockeneis-Acetonbad gesammelten Bestandteilen vmrde versiegelt und gewogen. Nach Abzug des bekannten Glasrohrgewichtes konnte das Gewicht der auf diese Weise gesammelten Bestandteile ermittelt werden. Unter den flüchtigen Komponenten sind organische Stoffe, wie etwa Aldehyde, Ketone, Ester, und Säuren, die bereits an früherer Stelle erwähnt wurden. Aus den vorausgehend angeführten Daten wurde berechnet, dass die beschriebene Anordnung 81,9 % aller in den Schornsteinabgasen enthaltenen flüchtiger Bestandteile entfernte, wenn die Anlage bei einer Temperatur von 650° C (1200° i¹) betrieben wurde, was etwa 28 bis 56° C unterhalb der optimalen Temperatur für die genannte Anlage liegt. Da 6^0 C die Mindesttemperatur für eine vollständige Oxidation aller organischen Bestandteile ist, kann angenommen werden, dass der Wirkungsgrad der Teilchenentfernung auf im wesentlichen 100 % erhöht werden kann, wenn die Temperatur auf 700° C (13OO⁰ E) gesteigert wird.

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Claims

P-atentans ρ r ü c h e

1. Verbrennungsanlage zur Erzielung einer im wesentlichen vollständigen Verbrennung eines Strömungsmittels, wie verunreinigter Luft, gekennzeichnet durch:

(a) ein Gehäuse mit einer vorderen und hinteren Stirnwand und einer seitlichen Wandung, dessen Längsachse sich von der vorderen zur hinteren Stirnwand erstreckt,

(b) einen in Längsrichtung fluchtend innerhalb des Gehäuses angeordneten Mantel, welcher im radialen Abstand zum Gehäuse liegt und einen Verbrennungsbereich zum Verbrennen des Ströinungsmittels bildet, wobei

(c) der Mantel mit dem Gehäuse eine im wesentlichen ringförmige Wärmetauscher-Durchtrittsöffnung für das Strömungsmittel bildet, wobei sich das Strömungsmittel in der Durchtrittsöffnung im Wärmeaustausch mit dem Mantel befindet und durch diesen erhitzt wird, während es gleichzeitig denselben kühlt,

(d) durch einen Strömungseinlass, um das Strömungsmittel in das vordere Ende der Wärmetauscher—Durchtrittsöffnung eihzufuhren, damit dieses nach hinten durch die Wärmetauscher-Durchtrittsöffnung strömt,

(e) eine Einrichtung, die im hinteren Bereich des Mantels eine Öffnung bildet, um den Durchtritt des ßtrömungsmittels von der Värmetauscher-Durchtrittsöffnung in den rückwärtigen Abschnitt des Verbrennimgsbereichs zu gestatten,

(f) eine Brennstoffzuführvorrichtung im hinteren Bereich des Gehäuses, durch welche Brennstoff nach vorne in den Verbrennungsbereich zur Reaktion mit dem Strömungsmittel eingeführt wird, und

(g) eine Einrichtung, die einen Auslass des Verbrennungsbereichs bildet, um Verbrennungsprodukte aus dem Verbrennungsbereich, abzugeben.

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2. Verbrennungsanlage nach. Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Auslass vom Mantel durch das Gehäuse in einen vorderen Bereich des letzteren geführt ist, um nicht im Wärmeaustausch mit Strömungsmittel zu stehen, welches in der Wärmetauscher-Durchtrittsöffnung nach hinten fliesst.

3. Verbrennungsanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

(a) eine Einrichtung, welche einen ersten Lufteinlass im Bereich der Brennstoffzuführung bildet, um eine erste Luftströmung zu erzeugen, welche mit dem Brennstoff in einer ersten Verbrennungszone im rückwärtigen Teil des Verbrennungsbereiches reagiert, wobei

(b) der Mantel einen äusseren Mantel bildet, welcher eine abschliessende Verbrennungszone im vorderen Teil des Verbrennungsbereichs bildet, und

(c) der Mantel einen weiteren Mantel enthält, welcher im Innern und im hinteren Teil des äusseren Mantels angeordnet ist und zwischen dem ersten und abschliessenden Verbrennungsbereich einen mittleren Verbrennungsbereich bildet,

(d) eine Einrichtung, welche einen zweiten Einlass bildet, der mit der Wärmetauscher-Durchtrittsoffnuiig in Verbindung steht, um eine zweite Einströmung· in den mittleren Verbrennungsbereich zu bilden, und durch

(e) eine Einrichtung, welche einen dritten Einlass bildet, v:elcher mit der Wärmetauschor-Durchtrittsöffnung in Verbindung steht, um eine dritte Strömung in den abschliessenden Verbrennungsbereich zu gestatten.

4. Verbrennungsanlage nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Lüfter, welcher den ersten Verbrennungsbereich eine erste Verbrennungsluft unter Druck zuführt.

5. Verbrennungsanlage nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch

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eine erste Schaufelanordnung, um der ersten Strömung eine Drehbewegung in einem ersten Drehsinn zu erteilen, und durch eine weitere Schaufelanordnung, um den von der Wärmetauscher-Durchtrittsöffnung kommenden Strömungsmittel eine Drehbewegung in einer Richtung zu erteilen, die im wesentlichen entgegengesetzt zur erstgenannten Bichtung ist.

6. Verbrennungsanlage nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, dass die v/eitere Schaufelanordnung derart ausgebildet ist, dass die Drehbewegung in entgegengesetzter Drehrichtung der dritten Strömung erteilt wird.

7· Verbrennungsaiilage nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaufelanordnung der ersten Luftströmung eine Drehbewegung in einer ersten Drehrichtung mitteilt und dass die weitere Schaufelanordnung der von der Wärmetauscher-Durchtrittsöffnung in den Verbrennungsbereich fliessenden Strömung eine entgegengesetzt gerichtete Drehbewegung erteilt.

8. Verbreniiungsanlage nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Hantel über den inneren Mantel übergreift, um zwischen diesen eine Wärmetauscher-Durchtrittsöffnung au bilden., welche einen Einlass aufweist, welcher mit de3? erstgenannten Wärmetauscher-Durchtrittsöffnung, verbunden ist, sov.de einen Auslass , welcher mit dem dritten Verbrennungsbereich in Verbindung steht, so dass Strömungsmittel aus eier erstgenannten Wärmetauacher-Durchtrittsöffnung durch die zweite Wärmetauscher-Durchtrittsöffnung strömt, um dabei im Wärmeaustausch mit dem inneren Hantel zu stehen.

9. Verbrennujigsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der zweiten Wärmetauscher-Durchtrittsöffnung eine Schaufelanordnung befindet, um dem durch die

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zweite Wäraetauscher-Durchtrittsöffnung fliessenden Strömungsmittel eine Drehbewegung zu erteilen.

10. Verbrennungsanlage nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen weiteren ersten Mantel, welcher radial innerhalb des inneren Mantels liegt und einen ersten Verbrennungsbereich bildet.

11. Verbrennungsanlage zur Verbrennung eines Strömungsmittels-, vxie verunreinigte Luft, gekennzeichnet durch

(a) ein Gehäuse, welches eine Längsachse aufweist,

Cb) einen ersten inneren Mantel, welcher im wesentlichen in Längsrichtung des Gehäuses ausgerichtet ist und einen ersten Verbrennungsbereich bildet,

Cc) eine Brennstoffzuführeinrichtung, um dem ersten Verbrennungsbereich Brennstoff zuzuführen,

Cd) einen ersten Einlass, um dem ersten Verbrennungsbereich eine erste Luftströmung zur Reaktion mit dem Brennstoff zuzuführen,

Ce) einen zweiten Mantel, v/elcher radial ausserhalb des ersten Mantels angeordnet ist und sich von demselben nach vorne erstreckt, um einen zweiten Verbrennungsbereich zu bilden, viel eher vor dem ersten Verbrennung sbereich liegt,

Cf) einen zweiten Einlass, welcher eine zweite Einströmung in den zweiten Verbrennungsbereich ermöglicht,

Cg) einen dritten Mantel, welcher radial ausserhalb des zweiten Mantels angeordnet ist und sich von dieses nach vorne erstreckt, um einen dritten Verbrennungsbereich zu bilden,

Ch) einen dritten Einlass, welcher eine dritte Einströmung in den dritten Verbrennungsbereich bildet und

Ci) einen Strömungsmitteleinlass, welcher mit dem zweiten und dem dritten Einlass in Verbindung steht, um eine Einströmung von Strömungsmittel in den zweiten und dritten Verbrennungsbereich zu ermöglichen.

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12. Verbrennungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite und der dritte Einlass jeweils durch einen ringförmigen Einlass gebildet werden, um eine ringförmige Einströmung des Strömungsmittels in den zweiten und dritten Verbrennungsbereich zu ermöglichen.

13. Verbrennungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite und der dritte Mantel überlappen, um eine zweite Värmetauscher-Durchtrittsöffnung für die dritte Einströmung in den dritten Verbrennungsbereich zu bilden.

14. Verbrennungsanlage nach Anspruch 1J₁ gekennzeichnet durch eine Schaufelanordnung, um der dritten Strömung eine Drehbewegung in einer ersten Richtung zu erteilen.

15· Verbrennungsanlage nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine erste Schaufelanordnung, um der ersten Strömung eine Drehbewegung zu erteilen, die entgegengesetzt zu der der dritten Strömung erteilten Drehbewegung ist.

16. Verbrennungsanlage nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine im rückwärtigen Teil des Gehäuses angeordnete Querwand, welche mit dem zweiten Mantel einen Ringspalt bildet, durch Vielehe die zweite Strömung in den zweiten Verbrennungsbereich eintritt.

17. Verbrennungsanlage nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Querwand, welche das Gehäuse in einen vorderen Verbrennungsbereich und einen rückwärtigen Steuerbereich trennt, wobei ein Brenner mit einer Brennersteuerung im Steuerbereich angeordnet ist, mit einem ersten Lüfter, um eine erste Luftströmung durch den ersten Einlass in den ersten Verbrennungsbereich zu fördern, und durch einen Lufteinlass, um die Zuströmung

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von Umgebungsluft in den Steuerbereich zu ermöglichen, damit dem Lüfter Luft zugeführt und der Steuerbereich gekühlt wird.

18. Verbrennungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Hantel radial innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und dass der dritte Mantel und das Gehäuse eine Värmetauscher-Durchtrittsöffnung für Strömungsmittel bilden, welches durch den zweiten und dritten Einlass strömt, so dass sich das Strömungsmittel im Wärmeaustausch mit dem dritten Mantel befindet, um durch diesen erhitzt zu v/erden, während der dritte Mantel abgekühlt wird«

19· Verbrennungsaiilage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite und der dritte Mantel überlappen, um eine zweite Wärmetauscher-Durchtrittsöffnung für eine durch diese fliessende Strömung zu bilden, um ein weiteres Erhitzen des Strömungsmittels und ein Abkühlen des zweiten Mantels zu erzielen.

20. Verbrennungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einlass eine Öffnung mit einem Querschnittsbereich aufweist, v/elcher näherungsweise

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■j- bis -- des Querschnittsbereichs des dritten Einlassen bildet, so dass die zweite Strömung näherungsweise

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-JJ- bis -p der Gesamt strömung beträgt.

21. Verfahren zum Verbrennen eines Strömungsmittels, wie verunreinigter Luft, gekennzeichnet durch

(a) Einleiten von Brennstoff und erster Luft als miteinander reagierendes Brennstoff-Luft-Gemisch in stromabwärtiger Richtung durch einen umschlossenen Verbrennungsbereich, viel eher einen ersten Verbrennungsbereich, einen zweiten mittleren Verbrennungsbereich und einen dritten abschliessenden Verbrennungsbereich umfasst,

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(b) Einführen eines zweiten Strömungsmittels an einer zwe'iten Stelle in einem ringförmigen Strömungsmuster in das Brennstoff-Luft-Gemisch im zweiten Verbrennungsbereich,

(c) Einleiten einer dritten zusätzlichen Strömung an einer dritten Stelle in einem ringförmigen Strömungsmuster in den dritten Verbrennungsbereich und

(d) Abziehen der Verbrennungsprodukte aus dem dritten Verbrennungsbereich.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsmittel zunächst in einem im wesentlichen ringförmigen Muster um den Verbrennungsbereich zugeführt wird, so dass das Strömungsmittel sich im Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsbereich befindet, damit das Strömungsmittel vor der Verbrennung erhitzt wird, wonach es in den zweiten und dritten Verbrennungsbereich eingeleitet wird.

23» Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsmittel durch eine zweite im wesentlichen ringförmige Värmetauscher-Durchtrittsöffnung geleitet wird, welche den zweiten Verbrennuiigsbereich umgibt, damit das in den dritten Verbrennungsbereich fliessende Strömungsmittel sich im Wärmeaustausch mit dem 'zweiten Verbrennimg Gb er eich befindet.

24-. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff und die erste Luftströmung in den ersten Verbrennungsbereich in solcher Menge eingeführt werden, dass mehr Brennstoff vorhanden ist, als zu einer vollständigen Reaktion mit der ersten Luftströmung notwendig ist, und dass die Zuführung des zweiten Strömungsmittels in ausreichender Menge erfolgt, damit eine Reaktion mit dem grössten Teil des verblei-

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benden vom ersten Verbrennungsbereich kommenden Brennstoffs erfolgt.

25· Verfahren nach. Anspruch 24-, dadurch gekennzeichnet, dass etwa ητ bis -^ des verbrannten Strömungsmittels als zweite Strömung in den zweiten Verbrennungsbereich geleitet wird und dass -k bis ^ des verbleibenden 8trdmungsmittels als dritte Strömung in den dritten Verbrennungsbereich beleitet wird.

26. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Luftströmung eine Drehbewegung in einer ersten Richtung aufweist und dass das iliessen des Strömungsmittels mit einer Drehbewegung in entgegengesetzter Richtung erfolgt.

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