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Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen von sauerstoffhaltigen Abgasen
zur Erzeugung von Prozeßgasen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen
von sauerstoffhaltigen Abgasen, unter Zugabe von Brennstoff.
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Das Grundprinzip bei den bekannten Verfahren kann so beschrieben werden,
daß die Flammenentwicklung durch Primärluft, beispielsweise Xrägerluft, und Brennstoff
hervorgerufen wird und die übrigen Abgase über Sekundärluftschlitze in die Flamme
geführt oder in den entstandenen Rauohgasstrom nach der Flamme zugemischt werden.
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Bei diesem Verfahren ist ein schlechter Ausbrand des Brennstoffes
sowie der in den Abgasen enthaltenen unverbrannten Anteile, die in fester Form vorliegen
können aufgrund von unzureichender Durchmischung
(Strähnenbildung)
in Kauf zu nehmen. In diesem Zusammenhang sind auch Brennkammern bekanntgeworden,
in denen Brennstoff mit Frischluft bei einer Luftüberschußzahl von ca. 2 verbrannt
wird. Hierbei ist mit Temperaturen um 14000 C zu rechnen. Am Ende der Brennkammer
werden in einer zusätzlich vorzusehenden Mischkammer beispielsweise Abgase von 150
-2000C, bei denen es sich insbesondere um Kesselabgase handeln kann, eingedüst,
um die Temperatur für den Prozeß auf beispielsweise 10000C oder weniger herabzuregeln.
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Günstig wäre es, wenn man einmal auf den hohen apparativen Aufwand,
der vor allen Dingen in der zusätzlichen Mischkammer, den Eindüsungseinrichtungen
und den zusätzlichen Mischereinrichtungen besteht, verzichten könnte und wenn man
auf den bisher auftretenden, insbesondere für Trocknungsprozesse ungünstigen hohen
radialen Temperaturgradienten über die Brennkammer und die zusätzlichen Mischstreckeneinbauten
verzichten könnte. Günstig wäre es auch, wenn die thermische Belastung der Brennkammerwände
und des Mauerwerks gesenkt werden könnte, da dann qualitativ nicht so hochwertige
Ausmauerungen, die somit wirtschaftlicher wären, zur Anwendung gebracht werden könnten.
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Die vorstehend geschilderte Aufgabe wird überraschend einfach bei
einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die mit unverbrannten
Anteilen z. B. Feststoffen beladenen Abgase, gegebenenfalls nach vorheriger Vermischung
mit Frischluft, zunächst völlig mit dem Brennstoff vermischt und dann erst restlos
verbrannt
werden.
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Vorzugsweise wird ein Abgas-Luft-Gemisch, im folgenden Verbrennungsfluid
genannt, bis zu einer O2-Konzentration von 12 - 15 %, insbesondere 12 - 13 ffi eingesezt,
wogegen bisher mit O2-Konzentrationen von 16 % gearbeitet werden mußte.
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Zweckmäßig werden sowohl der Brennstoff wie das Verbrennungsfluid
auf ca. 10500 vorgewärmt. Bei dem aus dem Abgas-Luft-Gemisch bestehenden Verbrennungsfluid
entsteht die Vorwärmung des Sauerstoffträgers ( z. B. der Frischluft ) durch Vermischen
beispielsweise mit Kesselraucbgasen von cy. 2000C oder mehr.
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Als Quelle für das Abgas kommen neben den Kesselabgasen, beispielaweise
aus Wärmekraftanlagen, auch Rauchgase aus Schwel- oder Abbrennkammern, die einen
hohen Rußanteil aufweisen, aber auch Prozeßabgase in Frage.
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Zweckmäßig führt man die Verbrennung, und dies ist ein großer Vorteil
der erfindungsgemäßen Maßnahme, bei Ä = 1 ruß- und CO-frei durch Brennstoffaufbereitung
mit dem vorgewärmten Gemisch bei Temperaturen bis 100000 durch.
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Vorzugsweise wählt man zur Iurchführung des Verfahrens als Brenner
einen Drehzerstäuber, bei dem die Luftvorlage als Verbrennungsfluidvorlage und der
Ö1-zerstäuberbecher im wesentlichen senkrecht zum Strom aus Rauchgasen und Frischluft
austrägt.
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Zweckmäßig ist eine Einrichtung vor dem Brennergebläse zum Mischen
der insbesondere etwa 2000C warmen Rauchgase mit Frischluft vorgesehen.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Brenner in der Decke einer
stehenden Brennkammer angeordnet ist und als Verbrennungsfluid lediglich die Rauchgas-Luft-Gemischeindüsung
aufweist.
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Unter dem hier verwendeten Ausdruck "Verbrennungsfluid" ist das Fluid
zu sehen, das anstatt der üblichen Primärluft und Sekundärluft als einziges den
Brenner beaufschlagt und welches sich im Brennerbereich mit dem Brennstoff vermischt.
Dieses Yerbrennungsfluid enthält im allgemeinen Feststoff'anteile,wie insbesondere
Ruß bis zu einem Anteil von 1 - 2 Grammjm3; in Sonderfällen, insbesondere bei feuchter
Luft von 3-4 Gramm/m3.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist zur Durchführung des Verfahrens
als Brenner ein Druckzerstäuber vorgesehen, bei dem ebenfalls die Luftvorlage als
Verbrennungsfluidvorlage ausgebildet ist und die Zerstäuberdüsen Öffnungen im wesentlichen
senkrecht zum Verbrennungsfluidstrom gerichtet sind.
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Eine erfindungsfunktionell ausgebildete Brennkammer zeichnet sich
aus durch eine vorzugsweise stehende Ausbildung, wobei weinigstens ein lediglich
mit dem Rauchgas-Luft-Gemisch und dem Brennstoff beaufschlagter Brenner in deren
Decke vorgesehen ist.
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Durch die erfindungsgemäße Konstruktion wird auch die Regelung des
Brenners erheblich vereinfacht: so kann man den Brenner im Anfahrvorgang mit dem
Verbrennungsfluid bis zu einer Prozeßtemperatur von 8000 C mit einem bekannten Verbundregler,
das ist ein Regler, bei dem eine Brennstoffmenge einem ganz bestinmiten Luftanteil
(
festes Verhältnis ) zugeordnet ist, regeln und eine Flammenüberwachung mit einer
UV-Fotozelle vornehmen.
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Anschließend wird der Verbundregler getrennt. Es beginnt die Eindüsung
der Rauchgase. Der Flammenwächter kann jetzt abgeschaltet werden, die Flammenüberwachung
wird von einem Sicherheitsthermostat übernommen. Hierbei wird die Mindestbrennstoffmengenaufgabe
über einen im Brennerraum befindlichen Thermostaten geregelt. In gewissen Fällen
kann es vorteilhaft sein, auch über 8000C die Verbundregelung beizubehalten.
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Es ergibt sich eine Prozeßgaserzeugung mit niedrigen Kerntemperaturen.
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Die Vermischung der im allgemeinen mit Feststoffen beladenen Rauchgase
mit der Frischluft kann bereits im Ventilator erfolgen.
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Der gegenüber den bekannten Konstruktionen erhöhte Volumenstrom sorgt
für eine bessere Durchmischung.
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Da der zugeführte Volumenstrom bereits eine relativ hohe Temperatur,
beispielsweise 10500, aufweist, wird nicht nur die Verbrennung sondern auch der
Prozeßwirkungsgrad verbessert.
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Es stellt sich eine Annäherung an stöchiometrische Verbrennung aufgrund
der besseren Durchmischung des erhöhten Volumenstroms ein, wodurch die Wirtschaftlichkeit
erhöht wird.
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Die erfindungsgemäße Maßnahme schafft eine umweltfreundliche Verbrennung
durch Verbesserung der rdrmeausnutzung, Senkung des Brennstofiverbrauchs und insbesondere
durch
eine dem theoretisch höchstmöglichen Ausbrand angenäherte
Ruß- und Schadgasverbrennung.
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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen die Erfindung
anhand von zwei verschiedenen Brennertypen erläutert wird, wobei Fig. 1 einen Drehzerstäuber,
Fig. 2 einen Druckzerstäuber zeigt.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Drehzerstäuber ist die an sich übliche
Luftvorlage 10 des Brenners als Verbrennungafluidvorlage ausgebildet ( die Darstellung
ist nur schematisch, der Fachmann wird die spezielle Ausführung aufgrund der Zusammensetzung
des Verbrennungsfluids treffen, d. h., je nachdem, wie hoch der Feststoffanteil
hierin ist). Das in die Verbrennungsfluidvorlage 10 eintretende Fluid ist bereits
voll durchmischt.
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Durch Schlitze bzw. einen Ringkranz 12 zwischen der Brennermuffel
14 und dem Formsteinring 16 wird das Verbrennungafluid gemäß der Richtung 18 eingeblasen.
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Der Formsteinring 16 ist verschiebbar ausgebildet. Die Verschiebung
des Formsteinrings kann im Verbund mit der Dralldrosselverstellung erfolgen.
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toter die Hohlwelle 20 wird der Brennstoff, im vorliegenden a1le Öl,
dem Zerstäuberbecher 22 zugeführt und infolge
der Drehung in Richtung
24 im wesentlichen senkrecht zum Verbrennungsfluid abgeschleudert. Entsprechend
der Darstellung entwickelt sich die Flamme unmittelbar nach der vollständigen Vermischung.
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In Fig. 2 ist ein Druckzerstäuber dargestellt. Auch hier ist die Konstruktion
30 als Verbrennungsfluidvorlage ausgebildet; das beispielsweise im Ventilator homogen
vermischte aus Rauchgas, Feststoffen und Frischluft bestehende Fluid wird über den
Schlitz 32, zwischen Brennermuffel 34 und Formsteinring 96 in Richtung der Pfeile
38 eingeblasen. Der Formsteinring 36 kann wie mit Bezug au9 Figur 2 beschrieben
verschieblich ausgebildet sein. Es ist ein Ringschlitz 32 dargestellt.
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Eine Ausbildung mit Einzelschlitzen bzw. Löchern ist je nach Bedarf
möglich.
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Die Ölzufuhr erfolgt über eine Düsenzuführung 40. Die zwischen Veriiegel
42 und Nsenmantel 44 ausgebildeten Düsenöffnungen 46 dienen dazu, das bei diesem
Ausführungsbeispiel vorgesehene Öl im wesentlichen senkrecht in Richtung 48 zum
Verbrennungsfluid 58 auszutragen und mit diesem zu vermischen.
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Das folgende Anwendungsbeispiel erläutert die Erfindung ohne sie zu
begrenzen.
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Es wurden 600 kilogramm Brennstoff bestehend aus Heizöl X, die auf
10000 erwärmt waren, zugeführt. Die Rauchgas-Luftmenge betrug 20 000 m3 bei einer
O2-Konzentration von ca. 13,2 . Infolge der Vermischung von Frischluft mit dem Rauchgas
ergab sich eine Temperatur für dieses VerbrennungQ-fluid
von 105°C.
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Nach der Vermischung hatte das Verbrennungsfluid die folgende Zusammensetzung:
40 - 50 ß Rauchgase 13,2 % 02 5,5 %CO2 und den Rest N2 sowie Wasserdampf.
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Die Rußzahl lag bei 1 - 2.
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Die Verbrennung erfolgte in einem Brenner und einer Brennkammer der
vorbeschriebenen Art.
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Austritt Brennkammer ergab sich die folgende Zusammensetzung: C02
: 13% 02 : 2,5 Vo Rest Stickstoff und Verbrennungswasser Rußzahl = 1 Die Schadstoffe
waren völlig ausgebrannt.
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Die Austrittstemperatur lag bei 12000C. Das entstandene Prozeßgas
war fUr die Zuckerrübenschnitzeltrocknung bestimmt.
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Die Verbrennung erfolgte bei stabiler Flamme trotz der hohen Feststoffanteile
und der geringen Sauerstoffanteil.
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Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß nicht eine
doppelte
Belastung der Umwelt auftritt, d. h. , durch Benützung von Kesselabgasen wird nur
ein geringer zusätzlicher Frischluftanteil notwendig bzw. dann, wenn auf Schwelgase
zurückgegriffen wird, wird lediglich die indie Schwelkammer eindringende Luftmenge
zur Verbrennung herangezogen, und dies bei einem Schadstoffanteil ( Reststoffe )
bis zu 3 - 4 /.
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Ansprüche