DE2450205A1

DE2450205A1 - Verfahren zum geraeuscharmen und russfreien verbrennen kohlenwasserstoffhaltiger abgase

Info

Publication number: DE2450205A1
Application number: DE19742450205
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Dr Becker; Gerd Ing Grad Hemmer; Klaus Dr Hess; Klaus Ing Grad Liebhaber
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1974-10-23
Filing date: 1974-10-23
Publication date: 1976-05-06
Also published as: US4019852A; FR2288941B1; FR2288941A1; DE2450205B2; NL7511021A; BE834782A; GB1525107A; JPS5165435A; JPS5830486B2; NL176099C; NL176099B

Description

Unser Zeichen; O.Z. 30 91²J- Spr/MW

6700 Ludwigshafen, 21.10.

Verfahren zum geräuscharmen und rußfreien Verbrennen kohlenwasserstoffhaltiger Abgase

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum geräuscharmen und rußfreien Verbrennen von Prozeßgasen, vorzugsweise kohlenwasserstoffhaltiger Abgase, durch Zugabe von Luft vor der Verbrennung.

In Raffinerien und petrochemischen Anlagen fallen beim Anfahren und Abstellen der Anlagen, insbesondere bei Notabstellungen Abgase an, die wegen ihrer Zusammensetzung nicht weiter verarbeitet werden können. Diese Abgase werden in den meisten Fällen in Fackeln verbrannt.

Fast alle kohlenwasserstoffhaltigen Abgase verbrennen aber in der Atmosphäre unter Rußbildung. Die Ursache hierfür sind die im Flammenkern unter Sauerstoffmangel und bei hohen Temperaturen stattfindenden Crack- und Polymerisationsreaktionen. Durch Zumischen von Luftsauerstoff vor der Reaktion kann die Rußbildung unterbunden werden, da die Reaktionsgeschwindigkeit der Oxydation wesentlich größer als die der rußbildenden Zwischenreaktionen ist.

Es ist bekannt, daß der benötigte Luftsauerstoff entweder vor der Verbrennung durch das Abgas selbst angesaugt werden kann oder durch Injektoren, meistens mit Dampf als Treibmedium, dem Abgas zugeführt werden muß.

Der zuerst genannte Fackeltyp, bei dem sich die Abgase die Verbrennungsluft vor der Verbrennung selbst ansaugen, kann nur bei Gasen mit genügend hohem Vordruck angewandt werden.

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Hierbei kann einem Gaszuführungsrohr, aus dem das Gas mit genügend hohem Austrittsimpuls ausströmt, ein Venturimisehrohr nachgeschaltet werden, in dem das Gas und die angesaugte Luft gemischt werden und dessen Austritt als Brenner mit Flammenhalterost ausgebildet ist, vgl. Chem. Techn. 18 (1966), S. 266 - 272.

Eine ähnliche Konstruktion, die anstelle des zentralen Gasaustritts eine Ringspaltdüse benutzt, ist in der DT-AS 2 143 520 beschrieben. Sie besitzt ein zylindrisches Mischrohr mit einer Flammenrückschlagsicherung am Mischrohraustritt.

Bei einer anderen Bauweise wird auf das Mischrohr verzichtet, da die Flamme bei zu geringer Beaufschlagung in dieses zurückschlagen kann. Das Gas tritt durch einen Ringspalt, dessen Fläche druckgesteuert ist, in horizontaler Richtung aus und umläuft als Wandstrahl einen konvexen Körper bis die Strömung in die vertikale Richtung umgelenkt ist. Der Wandstrahl saugt längs des Weges Verbrennungsluft an. In der Hälfte des Körpers stabilisiert sich die Flamme, vgl. Petroleum and Petro chemical International 13 (1973), S. 86 - 90.

Um lange Flammen zu vermeiden, kann eine Vielzahl kleiner selbstansaugender Fackeln in einer Ebene angeordnet werden. Eine 6-eckige Brennfläche mit 270 Einzelbrennern,',die als Ringspaltejektoren arbeiten, ist in der DT-OS 2 327 017 dargestellt.

Der andere Fackeltyp, bei dem durch Injektoren mit einem Treibmedium die Verbrennungsluft in das Abgas eingebracht wird, muß bei Abgasen mit geringem Überdruck und daher mit geringem Austrittsimpuls angewandt werden. Die Verbrennungsluft kann hierbei entweder durch Impulserhöhung durch Dampfdüsen im Gasstrahl oder durch Injektoren mit Dampf oder Druckluft als Treibmittel am Fackelrohraustritt eingebracht werden.

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Eine kombinierte Anordnung, in der mischrohrlose Injektoren ringförmig,schräg nach oben gerichtet um das Packelrohr angeordnet sind und auf der Fackelachse sich zusätzlich ein Dampfinjektor mit Luftzuführungsrohr befindet, wird in der DT-AS 1 144 869 beschrieben.

Eine ähnliche Anordnung mit mischrohrlosen Injektoren ringförmig um das Fackelrohr, aber mit mehreren Injektoren mit Mischrohr innerhalb des Fackelrohres zeigt die Veröffentlichung Chem. Techn. l8 (1966), S. 266 - 272.

Eine sog. Bunsen-Fackel mit Dampf als Treibmittel wird in der DT-OS 1 751 134 beschrieben. Hierbei wird nicht nur Luft von dem Dampf in einem Mischrohr angesaugt, sondern auch gleichzeitig das Fackelgas mit vermischt. Durch die homogene Vermischung neigt dieser Fackeltyp weniger zum Rußen. Die Flamme kann aber in das Mischrohr zurückschlagen.

Eine Anordnung bei der eine Vielzahl von Misehrohrinjektoren in einem konisch erweiterten Fackelkopf eingebaut sind, wird in der Zeitschrift "Chemical Engineering Progress 69 (1973), S. 60 - 64" beschrieben. Die verwendeten Injektoren sind Ringspaltinjektoren, die durch ihr günstiges Verhältnis Umfang der Austrittsfläche zu Austrittsfläche in der Geräuschentwicklung niedrig liegen.

Mit den beiden erwähnten Fackeltypen können Abgase unterschiedlicher Zusammensetzung ohne Rußbildung verbrannt werden. Bei dem Fackeltyp mit Dampfinjektoren werden je nach Injektorkonstruktion und Luftbedarf der Gase 0,5 bis 1,5 kg Dampf pro kg Abgas benötigt,um die Verbrennungsluft zur Entrußung dem Abgas zuzumischen.

Aus den unterschiedlichen Dampfmengen, die zur rußfreien Verbrennung benötigt werden, zeigt es sich, daß die Injektoren und deren Anordnung zum Lufteintrag noch nicht optimal ausgelegt sind. Der Betrieb der bekannten Fackeln ist daher mit er-

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heblichen laufenden Kosten verbunden. Zusätzlich führt der hohe Dampfverbrauch zu zwei Lärmquellen:

1. Die überkritische Entspannung des Dampfes an den Injektoren.

2. Die instabile Flammenbasis, die durch die Dampfund Luftzufuhr und der damit anwachsenden Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch die scharfe Trennung zwischen Luftansaugung und Verbrennung sowie durch die Injektorkonstruktion, die Luftansaugung zu verbessern und damit den hohen Dampfverbrauch der bekannten Packeln zu vermindern, durch eine stabile Verbrennung und durch geringe Austrittsquerschnitte der Injektoren die Geräuschentwicklung zu vermindern sowie durch eine gute Vermischung die Lichtemission herabzusetzen.

Weiterhin soll durch eine kombinierte Misch- und Brennkammer, die von den Injektorstäben gebildet wird, im Gegensatz zu den üblichen vorgemischt betriebenen Packeln das Zurückschlagen der Flamme in das Mischrohr vermieden und damit der Arbeitsbereich und die Lebensdauer der Packeln (thermische Belastung) vergrößert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abgasstrom an kreisförmig um ein Fackelrohr angeordneten Injektorstäben entlang geführt wird, die auf ihrer gesamten Länge senkrecht zur Abgasströmung durch ein Treibmedium angesaugte Luft in den Abgasstrom eintragen, und die zugleich eine scharfe Trennung zwischen der Luftansaugung durch das Treibmedium und dem Vermischen des Luft/Treibmediumgemisches mit dem Abgas bewirken.

Als Treibmedium für die Luftansaugung werden Dampf, Luft oder andere gasförmige Medien benutzt.

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Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren empfiehlt es sich, daß die kreisförmig angeordneten Injektorstäbe in einem Winkel zwischen 10° 5f und 20° ^f bezogen auf die Packelachse nach außen geneigt sind und daß die Strahlvektoren der Injektorstäbe im gleichen Drehsinn einen Kreis um die Fackelachse tangieren oder sich auf de^r Fackelachse treffen«

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung bei der die kreisförmig um das Fackelrohr angeordneten Injektorstäbe auf ihrer nach außen gerichteten Seite Luft ansaugen, die in der von den Injektorstäben gebildeten Mischkammer mit dem Abgas vermischt wird.

Die von den Injektorstäben gebildete Mischkammer sowie das Fackelrohr ist vorteilhaft von einem konzentrischen Rohr umgeben, so daß mit Klappen die angesaugte Luftmenge geregelt werden kann. ·

Erfindungsgemäß strömt das Treibmedium in den Injektorstäben durch Schlitze und wird durch ein Flacheisen, das mittels Distanzstücken zusammen mit dem Injektorstab Austrittsschlitze bildet, um 9O⁰^t umgelenkt und in zwei Teilströme aufgeteilt. Die beiden Teilströme legen sich an die Injektorstabwände an (Wandstrahl) und werden hierdurch wiederum um 90°*C umgelenkt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind:

1. Stabile und somit geräuscharme Verbrennung, da der Austrittsquerschnitt der Mischkammer den Stabilitätsbedingungen angepaßt werden kann.

2. Rußfreie bis entleuchtete Verbrennung, da durch die scharfe Trennung der Injektorstäbe zwischen Luftansaugung und Vermischen mit dem Abgas auch bei starkem Windelnfluß die Luftansaugung nicht durch die Verbrennungsgase beeinträchtigt wird.

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3. Geringes überkritisches Entspannungsgeräusch der Treibstrahlen, da das Verhältnis Umfang der Austrittsfläche zu Austrittsfläche der Treibstrahlen groß ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es' zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Fackelbrenner,

Fig. 2 den Grundriß eines 90° j( Segmentes des Fackelbrenners mit der Anordnung der Inje^corstäbe und

Fig. 3 den Aufbau und die Wirkungsweise eines Injektorstabs O

Fig. 4 zeigt eine Zusatzvorrichtung zur Luftregelung.

Der erfindungsgemäße Brenner besteht aus einem Fackelrohr 1, das in einen kombinierten Misch- und Brennraum 2 mündet* Der Misch- und Brennraum 2 wird durch Injektorstäbe 3 gebildet, die den Austritt des Fackelrohrs 1 kreisförmig, nach oben konisch erweitert, umgeben. Die Injektorstäbe 3 sind auf einem Ringrohr 4 montiert, welches über eine Leitung 5 mit Dampf versorgt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft wie folgt ab: Der Dampf oder ein anderes Treibmedium strömt an den Injektorstäben 3 durch Schlitze 6 und wird durch ein Flacheisen 7> das mittels Distanzstücken 9 zusammen mit dem Injektorstab 3 die Austrittsschlitze 8 bildet, 90°?t umgelenkt und in zwei Teilströme aufgeteilt (Fig. 3). Die beiden Teilströme treten durch die Austrittsschlitze 8 aus. Die sich bildenden Dampfstrahlen legen sich an die Injektorstabwände 10 an (Wandstrahl) und werden hierdurch wiederum 90°-^C umgelenkt. Gleichzeitig saugen die Strahlen längs des Weges im ersten Quadranten Verbrennungsluft an. Im zweiten Quadranten, der dem Misch- und Brennraum 2 zugewand ist, wird der Impuls des Dampf-LuftStrahls dazu benutzt, das Brenngas aus dem Fackelrohr 1 mit dem Dampf

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und der Luft zu vermischen. Die Strahlrichtung der einzelnen Injektorstäbe kann seitlich neben der Achse der Misch- und Brennkammer 2 vorbei gehen, so daß eine Drallströmung entsteht, wodurch nach dem Austritt der Abgase aus der Fackel eine bessere Vermischung dieser Abgase mit der angesaugten Umgebungsluft erzielt wird. Andererseits können sich die Strahlvektoren der Injektorstäbe auch auf der Fackelachse treffen,so daß durch den sich bildenden aerodynamischen Verdrängungskörper auf der Fackelachse das Abgas zum Fackelrand geleitet wird, wodurch eine bessere Stabilisierung der Flamme erreicht wird.

Die von den Injektorstäben 3 gebildete Mischkammer 2 sowie das Fackelrohr 1 ist von einem konzentrischen Rohr 11 umgeben, mit dessen Hilfe über Klappen 12 die angesaugte Luftmenge geregelt werden kann.

Die Verbrennung setzt je nach Lastbereich in der Rückströmzone hinter den Injektorstäben ein, da hier niedrige Achsialgeschwindigkelten vorliegen oder erst am Mischkammeraustritt. Gezündet werden diese Stabilisierungszonen durch beliebige bekannte Zündquellen.

Abmessungen und Betriebsdaten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind anhand zweier Beispiele in der Tabelle 1 zusammengefaßt.

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Tabelle 1

Beispiel	1	2
Gasmenge	1000 m³/h	15000 rrP/h
Gasart	Propylen,Butan	Spaltgas
Durchmesser des Packelrohres (1)	NW 150	NW 700
Durchmesser des Ringrohrs (4)	108 χ 4 mm	168 χ 4,5 mm
Ringrohrdurchmesser (4)	277 mm	880 mm
Teilkreis für I-Stäbe unten	323 mm	880 mm
Teilkreis für I-Stäbe oben	460 mm	II50 mm
Rohrdurchmesser I-Stäbe (3)	52 χ 7 mm	108 χ 4 mm
Länge der I-Stäbe (3)	270 mm	520 mm
Anzahl der Schlitze/I-Stab (6)	3	6
Breite der Schlitze (6)	6 mm	6 mm
Länge der Schlitze (6)	60 mm	60 mm
Breite der Austrittsschlitze (8)	0,26	0,35-0,40
Austrittsfläche	1030 mm²	3224 mm²
Teilung der I-Stäbe unten	92,5 mm	173 mm
Teilung der I-Stäbe oben	131,5 mm	226 mm
Lichte Durchtrittsbreite unten	40,5 mm	66 mm
Lichte Durchtrittsbreite oben	79,5 mm	119 mm
Druckbereich	0,2-3 bar	0,2-3,5 bar
Betriebsdruck bei Nennlast	1,5 bar	3,0 bar
Dampfmenge bei Nennlast	1 - 1,3 t/h	8 t/h
Luftansaugung	8-10 kg/kg	8-10 kg/kg
	Dampf	Dampf
Lärmpegel bei Nennlast in 10 m Entf.
1. ohne Flamme	8l dBA	97 dBA
2. mit Flamme	86 dBA	-

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Claims

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1. Verfahren zum geräuscharmen und rußfreien Verbrennen von Prozeßgasen, vorzugsweise kohlenwasserstoffhaltiger Abgase, durch Zugabe von Luft vor der Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom an kreisförmig um ein Packelrohr angeordneten Injektorstäben entlang geführt wird, die auf ihrer gesamten Länge senkrecht zur Abgasströmung durch ein Treibmedium angesaugte Luft in den Abgasstrom eintragen, und die zugleich eine scharfe Trennung zwischen der Luftansaugung durch das Treibmedium und dem Vermischen des Luft/Treibmedium-Gemisches mit dem Abgas bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmedium für die Luftansaugung Dampf, Luft oder andere gasförmige Medien benutzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmig angeordneten Injektorstäbe in einem Winkel zwischen 10° "£ und 20°-£ bezogen auf die Packelachse nach außen geneigt sind und daß die Strahlvektoren der Injektorstäbe im gleichen Drehsinn einen Kreis um die Faekelachse tangieren oder sich auf der Packelachse treffen»

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmig um das Fackelrohr (l) angeordneten Injektorstäbe (3) auf ihrer nach außen gerichteten Seite Luft ansaugen, die in der von den Injektorstäben (3) gebildeten Mischkammer (2) mit dem Abgas vermischt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Injektorstäben (3) gebildeten Mischkammer (2) sowie das Packelrohr (l) von einem konzentrischen Rohr (11) umgeben ist, so daß mit Klappen (12) die angesaugte Luftmenge geregelt werden kann.

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β. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5* dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmedium in den Injektorstäben (3) durch Schlitze (6) strömt und durch ein Flacheisen (J)₃ das mittels Distanzstücken (9) zusammen mit dem Injektorstab die Austrittsschlitze (8) bildet, um 90^ο<ί umgelenkt und in zwei Teilströme aufgeteilt wird und daß die beiden Teilströme sich an die Injektorstabwände (10) anlegen (Wandstrahl) und hierdurch wiederum um 90 ^C umgelenkt werden.

Zeictoo . BASF Aktiengesellschaft

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