DE2450205C3 - Vorrichtung zum geräuscharmen und rußfreien Verbrennen von Prozessgasen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbrennung von Prozeßgasen, insbesondere kohlenwasserstoffhaltigen Abgasen, bestehend aus einem Gaszuführungsrohr und am Ende des Gaszuführungsrohres angeordneter Ringleitunj; zur Speisung von auf dem Umfang verteilter Injektoren, die ein Treibmittel zur Lufteinbringung in das Abgas nach Austritt aus dem Gaszuführungsrohr a usstoßen.

In Raffinerien und petrochemischen Anlagen fallen beim Anfahren und Abstellen der Anlagen, insbesondere bei Notabstellungen Abgase an, die wegen ihrer Zusammensetzungen nicht weiter vorarbeitet 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 Polymerisationsieaktionen. Durch Zumischen von Luftsauerstoff vor der Reaktion kann die Rußbildung unterbunden werden, da die Reaktionsgeschwindigkeit der Oxydation wesentlich größer als die der rußbildenden Zwischenreaktion ist.

Es ist bereits bekannt, daß der benötigte Luftsauerstoff entweder vor der Verbrennung durch das Abgas selbst angesaugt werden kann oder durch Injektoren, meistens mit Dampf als Treibmittel, dem Abgas zugeführt werden muß. Die bei den bekannten Vorrichtungen verwendeten !Injektoren sind entweder Injektoren mit zentrischem Treibmittelstrahl oder Ringspaltinjektoren mit radialem oder axialem Treibmittelaustritt. „,,UJ -I..,-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.

Hierbei kann einem Gaszuführungsrohr, aus dem das Gas mit genügend hohem Austrittsimpuls ausströmt, ein Venturimischrohr 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 21 43 520 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 Petrochemical International, 13(1973),S.86-90.

Um lange Flammen zu vermeiden, kann eine Vielzahl kleiner selbstansaugender Fackeln in einer Ebene angeordnet werden. Eine 6eckige Brennfläche mit 270 Einzelbrennern, die als Ringspaltejektoren arbeiten, ist in der DT-OS 23 27 017 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.

Eine kombinierte Anordnung, in der mischrohrlose Injektoren ringförmig, schräg nach oben gerichtet um das Fackelrohr angeordnet sind und auf der Fackelachse sich zusätzlich ein Dampfinjektor mit Luftzuführungsrohr befindet wird in der DT-AS 11 44 869 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., 18 (1966), S. 266-272.

Eine sog. Bunsen-Fackel mit Dampf als Treibmittel wird in der DT-OS 17 51 134 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 Mischrohrinjektoren 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 Aufiirittsfläche 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 ,₀ 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 erheblichen 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 die damit anwachsende 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 Fackeln 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 Fackeln das Zurückschlagen der Flamme in das Mischrohr vermieden und damit der Arbeitsbereich und die Lebensdauer der Fackeln (thermische Belastung) vergrößert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung von Injektorstäben, bei denen das Treibmittel durch öffnungen auf der der von den Injektoren gebildeten Mischkammer abgewandten Seite austritt, wobei das Treibmittel durch vor den öffnungen angeordnete Flacheisen, die mittels Distanzstücken zusammen mit den Injektorstabwänden Austrittsschlitze bilden, um 90° 4 umgelenkt wird und in zwei Teilströme aufgeteilt wird, und die beiden Teilströme bei Anlegen an die Injektorstabwände eine weitere Umlenkung um 90° <t erfahren.

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

Weiter empfiehlt es sich, daß die kreisförmig angeordneten Injektorstäbe in einem Winkel zwischen 10°-4 und 20°-4 bezogen auf die Fackelachse nach außen geneigt sind und daß die Strahlvektoren der Injektorstäbe im gleichen Drehsinn einen Kreis um die Fackelachse tangieren oder sich auf der Fackelachse treffen.

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.

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 Windeinfluß die Luftansaugung nicht durch die Verbrennungsgase beeinträchtigt wird.

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 zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Fackelbrenner,

Fig.2 den Grundriß eines 90° 4 Segmentes des Fackelbrenners mit der Anordnung der Injektorstäbe und

Fig.3 den Aufbau und die Wirkungsweise eines Injektorstabes,

F i g. 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. Jeweils zwei Injektorstäbe bilden dabei einen linearen Injektor, wobei diese Linearinjektoren bei Austritt von Brenngasen auch als Brenner oder Brennelemente betrieben werden können.

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° 4 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° <t umgelenkt. Gleichzeitig saugen die Strahlen längs des Weges im ersten Quadranten Verbrennungsluft an. Im zweiten Quadranten, der dem Misch- und Brennraum 2 zugewandt ist, wird der Impuls des Dampf-Luft-Strahls dazu benutzt, das Brenngas aus dem Fackelrohr 1 mit dem Dampf und der Luft zu vermischen. Die Strahlrichtung der einzelnen Injektorstäbe kann seitlich neben der Achse der Misch- und Brennkammer 2 vorbeigehen, 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 Flagme 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 Axialgeschwindigkeiten vorliegen oder erst am Mischkammeraustritt. Gezündet werden diese Stabilisierungszonen durch beliebige bekannte Zündquellen.

Abmessungen und Bciriebsdatcn des erfindiingsgcmäßcn Brenners sind anhand zweier Beispiele Tabelle zusammengefaßt.

Beispiel

Gasmenge

Gasart

Durchmesser des Fackclrohres (1) Durchmesser des Ringrohres (4) Ringrohrdurehmcsscr (4) Teilkreis für I-Stäbe unten Teilkreis für I-Siäbc oben Rohrdurchmesser 1-Stäbe (3) Länge der I-Släbe (3) Anzahl der Schlitze/I-Slab (6) Breite der Schlitze (6) Länge der Schlitze (6) Breite der Austrittsschlitze (8) Ausi rittsflächc

Teilung der I-Slübc unten Teilung der I-Stäbc oben Lichte Durchtrittsbreite unten Lichte Durchtrittsbreite oben Druckbcrcich

Betriebsdruck bei Nennlast Dampfmenge bei Nennlast Luftansaugung

Lärmpegel bei Nennlast in 10 in Kntierniing

1. ohne Flamme

2. mit Flamme

m Vh Propylen, Butan NW 150 108x4 mm mm mm mm χ 7 mm mm

b mm mm 0,26

mm-' 92,5 mm 131,5mm 40,5 mm 79,5 mm 0,2-3 bar 1,5 bar -1,3 t/h 8-10 kg/kg Dampf

dBA dBA

15 00OmVh Spaltgas NW 168x4,5 mm 880 mm 880 mm 1150mm 108x4 mm 520 mm 6

6 mm 60 mm 0,35-0,40 3224 mm-' 173 mm 226 mm 66 mm 119 mm 0,2-3,5 bar 3,0 bar 8 t/h

8-10 kg/kg Dampf

97 dBA

Hiei7.il 2 UIaII Zeichnungen

Claims (4)

. Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verbrennung von Prozeßgasen, insbesondere' kahlenwasserstoffhialtigen Abgasen, bestehend aus einem Gaszuführungsrohr und am Ende des Gaszufiährungsrohres angeordneter Ringleitung zur Speisung von auf dem Umfang verteilter Injektoren, die ein Treibmittel zur Lufteinbringung in das Abgas nach Austritt aus dem Gaszuführungsrohr ausstoßen, gekennzeichnet durch die Anordnung von Injektorstäben (3), bei denen das Treibmittel durch öffnungen (6) auf d«r der von den Injektoren gebildeten Mischkammer abgewandten Seite austritt, wobei das Treibmittel durch vor den öffnungen (6) angeordnete Flacheäsen (7), die mittels Distanzstücken (9) zusammen mit den Injektorstabwändcn (JO) Austrittsschlitze (8) bilden, um 90° 4 umgelenkt wird und in zwei Teiiiströme aufgeteilt wird, und die beiden Teüsiröme bei Anlegen an die Injektorstabwände (10) eine weitere Umlenkung um 90° <i erfahren.

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

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmig angeordneten Injektorstäbe in einem Winkel zwischen 10°-4 und 20° <£ bezogen auf die Fackelachse nach außen geneigt sind und daß die Strahlvektoren der Injektorstäbe im gleichen Drehsinn einen Kreis um die Fackelachse tangieren oder sich auf der Fackelachse treffen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Injektorstäben (3) gebildete Mischkammer (2) sowie das Fackelrohr (1) von einem konzentrischen Rohr (11) umgeben ist, so daß mit Klappen (12) die angesaugte Luftmenge geregelt werden kann.