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Bezeichnung: Thermische Nachverbrennungs-Anlage Die Erfindung betrifft
eine Anlage zur thermischen Nachverbrennung von brennbaren gas- oder dampfförmigen
Schadstoffen in einem Gasgemisch.
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Diese Schadstoffe und Verunreinigungen, die bei vielen industriellen
Prozessen (z. B. Trocknungsprozessen) anfallen, bestehen in den meisten Fällen aus
Kohlenwasserstoffen und deren Derivaten.
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Die Wirkungsweise einer thermischen Nachverbrennung beruht auf der
Oxydation der Kohlenwasserstoffverbindungen bei hohen Temperaturen. Die dabei entstehenden
Verbrennungsprodukte Kohlendioxyd und Wasser sind unschädlich und geruchsfrei.
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Um die Reaktion in Gang zu bringen, muß durch Wärmezufuhr das gesamte,
Schadstoffe enthaltende Gas auf eine Ver-0 brennungstemperatur zwischen 600 und
80GO C aufgeheizt werden. Die bei der Verbrennung freigesetzte Reaktionswärme verringert
die zuzuführende Wärmemenge, die zur Aufrechterhaltung der Verbrennungstemperatur
notwendig ist.
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Falls Konzentration und Heizwert der zu verbrennenden Schadstoffe
hoch genug sind, kann die thermische Nachverbrennung auch autotherm, d. h. ohne
Wärmezufuhr von außen, ablaufen.
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Dieses physikalisch-chemische Prinzip wird in den thermischen Nachverbrennungs-Anlagen
folgendermaßen verwirklicht: Das verunreinigte Gas wird in einen Reaktionsraum geleitet
und
dort mit dem schon im Gas enthaltenen Sauerstoff oder unter Hinzuführung von zusätzlichem
Sauerstoff verbrannt.
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Die zur Erreichung der Verbrennungstemperatur notwendige Wärmemenge
liefert eine meist mit flüssigem oder gasförmigen Brennstoff betriebene Heizvorrichtung.
Das heiße Feuergas aus dieser Heizvorrichtung vermischt sich dort mit dem verunreinigten
Gas, sodaß eine Mischtemperatur entsteht, welche über der Mindest-Verbrennungstemperatur
der Schadstoffe im verunreinigten Gas liegen muß. Zur Einsparung von Energiekosten
ist es wirtschaftlich sinnvoll, das verunreinigte Gas durch das nach der Verbrennung
gereinigte und heiße hbgas in einem Wärmetauscher vorzuwärmen und erst dann in den
Reaktionsraum zu leiten. Durch diese Wärmerückgewinnung wird die zur Erreichung
der Verbrennungstemperatur notwendige Brennstoffenergie verringert.
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Eine thermische Nachverbrennungs-Anlage erfüllt den Güteanspruch,
wenn der Anteil unverbrannter Schadstoffe in der Abgas-Emission die zulässigen Konzentrationswerte
nicht überschreitet.
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Die Güte der Nachverbrennung ist von folgenden drei Faktoren abhängig:
- Der Verbrennungstemperatur - Der Durchmischungsgeschwindigkeit von dem verunreinigten
Gas und dem heißen Feuergas.
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- Der Verweilzeit der Gase im Reaktionsraum Die Abhängigkeit besteht
in der Weise, daß mit steigender Verbrennungstemperatur, höherer Durchmischungsgeschwindigkeit
und längerer Verweilzeit, die Güte der Verbrennung zunimmt. Die Einflüsse der Faktoren
können sich teilweise und in bestimmten Grenzen gegenseitig substituieren, ohne
daß dadurch die Güte der Nachverbrennung beeinflußt würde. So ist es z. B. möglich,
durch Maßnahmen, die eine schnellere
Durchmischung des verunreinigten
Gases mit dem heißen Feuergas sicherstellen, eine Verkürzung der notwendigen Verweilzeit
im Reaktionsraum zu erreichen. Eine Verkürzung der Verweilzeit bei unveränderter
Verbrennungsgüte kann außerdem durch eine Erhöhung der Verbrennungstemperatur erhalten
werden. Umgekehrt machen eine geringere Durchmischungsgeschwindigkeit und/oder eine
Verbrennungstemperatur, die nur wenig über der Mindesttemperatur liegt, eine längere
Verweilzeit in der Brennkammer notwendig. Diese Zusammenhänge zwischen den Einflußfaktoren
der Verbrennungsgüte werden häufig nicht klar erkannt und bei der Konstruktion von
thermischen Nachverbrennungs-Anlagen zu wenig beachtet. Insbesondere fällt auf,
daß'bei Anlagen herkömmlicher Bauart die Durchmischungsgeschwindigkeit offenbar
nicht als eine Größe gesehen wird, die durch konstruktive Maßnahmen verändert werden
kann. Meist wird davon ausgegangen, daß nur Verweilzeit und Verbrennungstemperatur
bezüglich einer bestimmten Verbrennungsgüte zur Diskussion stehen. Da einer Erhöhung'der
Verbrennungstemperatur aus technischen und wirtschaftlichen Gründen enge Grenzen
gesetzt sind, läßt sich dann eine Verbesserung der Verbrennungsgüte nur durch Verlängerung
der Verweilzeit erreichen. Die Dauer der Verweilzeit im Reaktionsraum ist nun direkt
proportional zum Volumendes Reaktionsraumes. Eine lange Verweilzeit macht deshalb
den Bau eines großen Reaktionsraumes erforderlich. Die GröBe dieses Raumes ist jedoch
zum einen nicht ohne Einfluß auf die Anschaffungskosten einer thermischen Nachverbrennungs-Anlage
und zum anderen bestimmt sie in ganz wesentlichtem Maße den Platzbedarf einer solchen
Anlage. Da thermische Nachverbrennungs-Anlagen sehr häufig für schon bestehende
Produktionseinrichtungen benötigt werden, ist der PlatzbedarS einer thermischen
Nachverbrennungs-Anlage meist ein entscheidender Faktor.
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Bei Anlagen herkömmlicher Bauart wird nur eine geringe Durchmischungsgeschwindigkeit
des verunreinigten Gases mit dem heißen Feuergas erzielt. Gekennzeichnet sind diese
Anlagen insbesondere dadurch, daß die gesamte Querschnittsfläche für den Eintritt
der beiden Gase in den Reaktionsraum aufgeteilt ist in eine oder wenige, meist relativ
große Zonen, in welchen ausschließlich heißes Feuergas eintritt, und in eine oder
wenige, meist um die Eintrittszonen des Feuergases herum liegende Querschnittszonen,
durch welche ausschließlich verunreinigtes Gas in den Reaktionsraum eingeleitet
wird.
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Die gemeinsame Grenzfläche zwischen den beiden eintretenden Gasen
ist relativ klein. Dadurch sind die Voraussetzungen für eine schnelle Durchmischung
der beiden Gase nicht gegeben.
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Ein System von Prall- und Umlenkblechen soll innerhalb des Reaktionsraumes
die gründliche Durchmischung bewerkstelligen, die nur bei sehr langer Verweilzeit
im Reaktionsraum erreicht werden kann.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt eine thermische Nachverbrennungs-Anlage
zu entwickeln, in welcher eine hohe Durchmischungsgeschwindigkeit des verunreinigten
Gases mit dem heißen Feuergas erzielt wird, als Folge davon das Volumen des Reaktionsraumes
klein gehalten werden kann und die Anlage insgesamt nur sehr wenig Platz beansprucht.
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Die Aufgabe wird wie folgt gelöst: Das bei der Verbrennung von flüssigem
oder gasförmigen Brennstoff in einer Brennkammer entstehende heiße Feuergas wird
in einen Gasmischer geleitet. Die zur Verbrennung notwendige Verbrennungsluft wird
mit Vorteil der Menge des verunreinigten Gases entnommen, falls die Sauerstoffkonzentration
dieses Abgases ausreicht. Am Brenukammer-Ende findet die Beimischung des verunreinigten,
in einem Wärmetauscher vorgewärmten Gases zu dem Feuergas statt. Der hierzu notwendige
Gasmischer besteht
erfindungsgemäß aus einem Rohr mit einem, dem
Brennkammerende entsprechenden Profilquerschnitt und einer Vielzahl von Beimischelementen
für das verunreinigte Gas. Diese Beimischelemente entsprechen in Anzahl, sowie in
Form und größe des Strömungsquerschnittes den Leitungselementen für das verunreinigte
Gas im ärmetauscher und schließen direkt an die Austrittsöffnungen dieser Leitungselemente
an. Sie stellen die Verlängerung der Leitungselemente für das verunreinigte Gas
vom Wärmetauscher in den Gasmischer dar. Die Beimischelemente durchdringen eine
Rohrwand des Gasmischers und werden durch den Gasmischer senkrecht zur Strömungsrichtung
des Feuergases bis vor die gegenüberliegende Rohrwand geführt, so daß sie gleichmäßig
über den gesamten Querschnitt des Gasmischers verteilt sind. In bevorzugter Ausführung
der Brfindung wird zur Vorwärmung des verunreinigten Gases ein Taschen- oder Plattenwärmetauscher
verwendet. Demzufolge sind die Beimischelemente für das verunreinigte Gas im Gasmischer
ebenfalls taschen- oder plattenförmig. Dabei verläuft die Plattenbreite parallel
zur Strömungsrichtung des Feuergases. Es ist jedoch auch denkbar, daß bei Verwendung
eines Röhrenwärmetauschers die Beimischelemente röhrenförmig sind.
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Die vorzugsweise aus zunderbeständigem Werkstoff hergestellten Beimischelemente
weisen spaltförmige oder runde Oeffnungen auf, durch welche das vorgewärmte, verunreinigte
Gas austritt, um dem Feuergas beigemischt zu werden. Ein Teil der vorgewärmten,
verunreinigten Gasmenge tritt durch die dem Brenner zugewandten Öffnungen in entgegengesetzter
Richtung zur Strömungsrichtung des heißen Brennerabgases aus, während für den anderen
Teil der verunreinigten Gasmenge, welcher aus den dem Brenner abgewandten Öffnungen
austritt, die Austrittsrichtung mit der Strömungsrichtung des Feuergases übereinstimmt
oder einen spitzen Winkel bildet. Derjenige Teil der vorgewärmten, verunreinigten
Gasmenge, welcher in entgegengeletzter
Richtung zur Strömungsrichtung
des Feuergases aus den Beimischelementen austritt, trifft auf die konkave Seite
von Umlenkkörpern aus zunderfestem Material mit rinnenförmigem Profilquerschnitt,
die brennerseitig vor jedem Beimischelement angebracht sind und die Umlenkung des
vorgewärmten, verunreinigten Gasstromes in Richtung Reaktionsraum bewirken.
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In einer strömungstechnisch bevorzugten Ausbildung der Umlenkkörper
sind die den Beimischelementen zugewandten Seiten derUmlenkkörper als nebeneinanderliegende
Doppelrinnen gleicher Breite ausgebildet.
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Die Anordnung und Gestaltung des Gasmischers hat zur Folge, daß der
freie Strömungsquerschnitt des Feuergases am Brennkammerende zwangsläufig aufgeteilt
wird auf die Räume zwischen den Umlenkkörpern. Es gibt also keine große zusammenhängende
Querschnittszone, durch welche ausschließlich Feuergas in den Reaktionsraum eintritt.
Ebenfalls gibt es durch die Vielzahl von Beimischelementen keine große zusammenhängende
Querschnittszone, durch welche vorgewärmtes, verunreinigtes Gas hinzuströmt. Vielmehr
erfolgt abwechselnd über den gesamten Querschnitt des Gasmischers auf jeweils eine
Zone, durch welche Feuergas einströmt, eine Zone, in welcher vorgewärmtes, verunreinigtes
Gas hinzugeleitet wird. Durch diese Aufteilung der Gasströme ist sichergestellt,
daß eine schnelle Durchmischung der beiden Gase stattfinden kann, da sich die beiden
Gasströme über große gemeinsame Grenzflächen berühren.
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Der besondere Vorteil in der Gestaltung des Gasmischers liegt auch
darin, daß die Aufteilung der Gasströme im Prinzip einfach dadurch zustande kommt,
daß die zur Aufheizung im Wärmetauscher notwendige Aufteilung des verunreinigten
Gasstromes auf eine Vielzahl von Leitungselementen nach der Erwärmung beibehalten
wird, denn diese Aufteilung ist auch in idealer
Weise dazu geeignet,
eine im hohen M¢aße homogene Beimischung zum heißen Feuergas zu erzielen.
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Eine Erhöhung der Durchmischungsgeschwindigkeit im Reaktionsraum wird
überdies durch den Inåektor-Effekt erreicht.
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Der Injektor-Effekt entsteht, wenn die beiden Gase beim Eintritt in
den Gasmischer eine unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit aufweisen. Bezüglich
des heißen Feuergasstromes stellen die Umlenkkörper eine Vielzahl von Düsen ar,
deren Strömungsquerschnitt sich so wählen läßt, daß die Strömungsgeschwindigkeit
des Feuergases wesentlich von der Strömungsgeschwindigkeit des aus den Beimischelementen
austretenden vorgewärmten, verunreinigten Gases unterscheidet. An den Berührungsflächen
der beiden Gase entsteht durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit des einen Gases
eine Wirbelbildung; Moleküle des schneller strömenden gases werden an der Grenzfläche
vom langsamer strömenden Gas abgebremst und in den Gasstrom geringerer Geschwindigkeit
hineingerissen. Nach kurzer Strömungsstrecke ist eine intensive Durchmischung der
beiden Gase erreicht, da auf Grund der beschriebenen Aufteilung des Eintrittsquerschnittes
der quer zur Strömungsrichtung zurückliegende Weg für jedes Molekül nur sehr kurz
ist, um bis in die Mitte des benachbarten Gasstromes zu gelangen. Wie schon dargelegt
wurde, ist die schnelle Durchmischung eine der Hauptvoraussetzungen dafür, daß das
Volumen und damit die Baugröße des Reaktionsraumes klein gehalten werden kann.
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Nach erfolgter Beimischung des vorgewärmten, verunreinigten Gases
in das heiße Feuergas bildet sich im Reaktionsraum eine Mischtemperatur, die über
der für die thermische Nach verbrennung des verunreinigten Gases notwendigen Mindesttemperatur
liegen muß, damit die thermische Nachverbrennung stattfinden kann.
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Im Reaktionsraum mit angenähert U-förmigem Profilquerschnitt erfolgt
eine Umlenkung der Strömungsrichtung des Abgas gemisches um 1800. Durch diese Umlenkung
ergibt sich einmal der Vorteil, daß die Baulänge der gesamten Anlage geringer gehalten
werden kann. Zum anderen ist diese Gestaltung des Reaktionsraumes sinnvoll*, um
das am Ende des Reaktionsraumes heiße, von Schadstoffen freie Abgasgemisch zur Vorwärmung
des verunreinigten Gases nach dem bekanntermaßen leistungsfähigen Prinzip des reinen
Gegenstromes oder des Kreuzstromes in dem schon erwähnten Wärmetauscher zu verwenden.
Die nach Durchströmung des Wärmetauschers im gereinigten Abgas noch enthaltene Restwärme
wird sinnvollerweise entweder für den Prozess, bei welchem das verunreinigte Gas
anfiel, oder für einen anderen Prozeß verwendet.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen in zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen
dargestellt.
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Abb. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Gesamtanlage,
teilweise im Schnittbild.
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Abb. 2 und Abb. 3 zeigen die beiden bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Anlagen-Hauptteile in perspektivischer und teilweise schnittbildlicher Darstellungsweise.
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Abb. 4 zeigt im Detail den Frofilquerschnitt der Beimischelemente
und der Umlenkkörper.
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Durch den Ventilator (l) wird das mit brennbaren Verunreinigungen
und Schadstoffen angereicherte Gas über die Leitung (2) und über den Einlaßstutzen
(4) dem Wärmetauscher (3) zugeführt. Dieser Wärmetauscher (3) besteht bei diesen
Ausführungsbeispielen aus einer Vielzahl von nebeneinander liegenden plattenförmigen
Taschen (6 und 15), von denen die Taschen (6) als Leitungselemente für das verunreinigte
Gas und die Taschen (15) als Leitungselemente für das heiße, schadstoffreie Abgasgemisch
dienen.
Zur Zuführung des verunreinigten Gases in die Taschen (6) sind an diesen im vom
Einlaßstutzen (4) überdeckten Bereich längs der Taschen-Schmalseite tSfnungen (5)
angebracht. Das die Taschen (6) durchströmende--verunreinigte Gas wird durch das
in entgegengesetzter Richtung in den Nebentaschen (15) strömende, heiße, schadstoffreie
Abgasgemisch aufgeheizt.
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Nach Durchströmen der Taschen (6) tritt das nun vorgewärmte, verunreinigte
Gas in die Beimischelemente (8) des Gasmischers (7) ein und strömt durch die spaltförmigen
oder runden PCffnungen (9 und 10) aus den Beimischelementen in den Gasmischer (7).
Vor jedem Beimischelement (8) sind auf der Seite zur Brennerkammer (19) hin Umlenkkörper
(11) angebracht, welche die Auslenkung des verunreinigten Abgasstromes in Richtung
Reaktionsraum (12) bewirken.
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Durch die Zwischenräume (20) zwischen den Umlenkkörpern (11) stromt
das von dem Brenner (18) in der Brennkammer (19) erzeugte Feuergas mit einer emperatur
von ca 13000 C in den Gasmischer (7). Dem Brenner (18) wird die zur Verbrennung
notwendige Verbrennungsluft aus der verunreinigten Abgas menge vom Ventilator (1)
über die Zuleitung (17) zugeführt.
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Im Gasmischer (7) und zu Beginn des Reaktionsraumes (12) erfolgt die
Vermischung von vorgewärmten, verunreinigten Gas und Feuergas zu einem homogenen
Gasgemisch, dessen Mischungstemperatur so gesteuert wird, daß sie über der für die
Oxydation der Kohlenwasserstoffverbindungen notwendigen Reaktionstemperatur liegt.
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Im Reaktionsraum (12) erfolgt die eigentliche thermische Nachverbrennung
der Schadstoffe. Nach einer Umlenkung der Strömungsrichtung des Abgasgemisches um
1800 tritt das nun schadstoffreie Abgasgemisch durch die Uffnungen (14) in die Taschen
(15) des Wärmetauschers (3) ein. Beim Durchströmen
der Taschen
(15) kühlt sich das Abgasgemisch ab, während das in den benachbarten Taschen (6)
in entgegengesetzter Richtung strömende verunreinigte Gas in schon beschriebener
Weise aufgeheizt wird.
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Durch die ffnungen (16) der Taschen (15) verläßt das schadstoffreie
Abgasgemisch den Wärmetauscher (3). Die Restwärme, die noch im Abgasgemisch enthalten
ist, kann noch für einen anderen, hier nicht gezeigten Prozeß genutzt werden, bevor
das unschädliche und geruchsfreie Abgas emittiert wird.