DE2604091A1

DE2604091A1 - Mit niederdruckdampf arbeitende vorrichtung zur rauchunterdrueckung in abgasfackeln

Info

Publication number: DE2604091A1
Application number: DE2604091A
Authority: DE
Inventors: Robert D Reed; John Smith Zink
Original assignee: John Zink Co
Current assignee: Zinklahoma Inc
Priority date: 1975-02-03
Filing date: 1976-02-03
Publication date: 1976-08-05
Also published as: FR2299596B1; CA1051337A; JPS564803B2; US3973899A; FR2299596A1; NL7601071A; JPS51103330A; GB1531102A; IT1053812B

Description

Mit Niederdruckdampf arbeitende Vorrichtung zur
Rauchunterdrückung in Abgasfackeln

Die Erfindung betrifft eine mit Niederdruck arbeitende Vorrichtung zur Rauchunterdrückung in Abgasfackeln.

In allen industriellen Anlagen, in denen Dampf als Energiequelle
Verwendung findet, wird gewöhnlich vermieden, Abdampf in die Atmosphäre abzulassen. Stattdessen wird derartiger Abdampf in einem geschlossenen Rohrleitungssystem gesammelt, das unter einem Druck gehalten wird, der etwas über Atmosphärendruck liegt.

Die Aufgabe eines solchen Systems besteht im wesentlichen darin, den Abdampf durch Kondensation in destiliertes Wasser überzuführen, das eine erhebliche Menge an sensibler Wärme enthält, welche zur Vorwärmung von Boilerzuflußwasser Verwendung findet. Dadurch wird Kesselsteinbelag in dem Boiler oder Dampferzeuger verhindert. Außerdem vermeidet

609832/0346

Telegramm: Lipatli München Bayer. Vereinsbank München, Kto.-Nr. 882 495

Telefon (089) 281202

Postscheck München Nr. 163397-802

dieses Kondensationssystem das Entstehen von Dampfpilzen in der Atmosphäre. Der in dem Samrnelsystem herrschende Druck wird so niedrig wie möglich gehalten, um eine maximale Ausnutzung der Hochdruckdampfenergie sicherzustellen. Er liegt über!icherweise im Bereich von 0,7 und 1,75 atü entsprechend dem Ausgangsdampfdruck vor dem Ablassen des Dampfes. Ein typisches Verhältnis von Hochdruck zu Niederdruck ist etwa 10:1.

Aufgrund der aufgezeigten Betriebsweise ist der Wert von Abdampf pro Gewichtseinheit nicht groß, während Dampf von 7 atü mindestens 1.50$ pro 500 kg kostet oder im wesentlichen zehnmal so viel. Aufgrund der bestehenden Forderung nach Wärmeenergieeinsparung ist man jedoch bestrebt, den Abdampf in stärkerem Maße zu nutzen.

Da die Rauchunterdrückung bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit offener Flamme große Dampfmengen pro Stunde erfordert, ist man ständig auf der Suche nach Abdampf, der sich möglicherweise für die Verwendung zur Rauchunterdrückung in Fackeln eignet. Aufgrund des für Abdampf typischen niedrigen Druckes lässt sich jedoch der Niederdruckdampf kaum zur Unterdrückung der Rauchbildung in Fackeln in herkömmlicher V/eise einsetzen.

Gewöhnlicherweise wird bei der Rauchunterdrückung Dampf in die Kohlenwasserstoffe eingeblasen, nachdem mit der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe begonnen wurde. Aus 'Öffnungen unter hohem Druck austretender Dampf bewegt sich mit kritischer oder Schallgeschwindigkeit, und daher bildet er eine Quelle für kinetische Energie, die zusammen mit dem Dampf an die Umgebungsluft abgegeben wird und Wirbel bildung hervorruft, wenn das Dampf-Luft-Gemisch in die brennenden Kohlenwasserstoffe eintritt. Eingeblasene Luft in Verbindung mit starker Turbulenz verstärkt die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe, wobei jedoch als sehr wesentliches Ergebnis des Einblasens von Dampf in die brennenden Kohlenwasserstoffe in der erhitzten Zone der brennenden Kohlenwasserstoffe die typische chemische Reaktion gemäß der folgenden Gleichung abläuft:

609832/0346 - 3 -

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂

Es wird darauf hingewiesen, daß die dargestellte Reaktion, die allein in einem gewissen Maße die Unterdrückung des Rauches bewirkt, eine Dampfphasenreaktion ist, die erforderlich macht, daß das in der Verbrennungszone vorhandene Wasser in Dampfphase und nicht als Flüssigkeit vorliegt, um die größtmögliche Rauchunterdrückung zu erreichen. Der Rauch wird unterdrückt, weil durch die gezeigte Reaktion Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlenstoffmonoxid reagiert, das sowohl unsichtbar ist als auch rasch verbrennt. Andererseits ergibt sich Rauch aufgrund des vorhandenen freien Kohlenstoffs, sobald dieser aus der Verbrennungszone entweicht.

Wenn eine kleine Menge überhitzter Dampf oder Wasserdampf der in Kohlenwasserstoffen bei 15,56°C zugeführt wird, kondensiert der Wasserdampf sofort zu flüssigem Wasser, da das Zurückhaltevermögen von Kohlenwasserstoff gasen für Wasser in Dampfphase durch die Kohlenwasserstoff temperatur gesteuert wird. So beträgt beispielsweise bei 15,56°C der Mol Prozentsatz Wasserdampf annähernd 1,75, jedoch sind bei 65,56°C annähernd 26% des Volumens eines Gas-Wasserdampf-Gemisches Wasserdampf. Da die Gasphasenreaktion durch den Partialdruck der Reaktionsteilnehmer gesteuert wird, ist offensichtlich, daß zur Erreichung einer zufriedenstellenden Rauchunterdrückung der Partialdruck (Mol-%) des Wasserdampfes einen erheblichen Anteil des Gesamtdruckes ausmachen muß, und daß eine Temperaturerhöhung erforderlich ist, um diesen großen Mol Prozentsatz Wasserdampf in den Fällen zu erhalten, in denen die Temperatur des Dampf-Kohlenwasserstoff-Gemisches durch den Wärmegehalt des den Kohlenwasserstoffen zugesetzten Dampfes angehoben wird, um zu bewirken, daß die Molprozente Wasserdampf in dem Wasserdampf-Kohlenwasserstoff-Gemisch während der ganzen Gemischbildung aus den beiden Gasen erheblich ist. Auch muß das Gas-Wasserdampf-Gemisch zur Erreichung optimaler Reaktionen und optimaler Rauchunterdrückung homogen sein. Darüberhinaus darf, da der Kohlenwasser-

6 09632/0346 _₄_

stoffquell endruck bei der Abgabe der Kohlenwasserstoffe in die Atmosphäre stark beschränkt ist, das Einblasen von Dampf keinen zusätzlichen wesentlichen Druckabfall beim Entweichen von der Entstehungsquelle in die Atmosphäre mit sich bringen.

Es gibt bestimmte Bedingungen für die optimale Verwendung von Abdampf oder Niederdruckdampf beim Einblasen in Kohlenwasserstoffgase zur Rauchunterdrückung, wenn die Gas abgefackelt werden sowie dort, wo eine Vormischung von Dampf mit Kohlenwasserstoffen stattfindet, wenn letztere sich auf dem Wege zum Schornstein befinden, um verbrannt zu werden. Es sei daraufhingewiesen, daß die bisher in dieser Richtung unternommenen Anstrengungen, Dampf einem solchen Verwendungszweck zuzuführen, einen nur beschränkten Erfolg hatten, und daß der Einsatz von Dampf weitgehend unterlassen wurde, da es nicht gelang, die oben erwähnten Bedingungen einzuhalten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung zum Einblasen von Niederdruckabdampf in den Strom von in die Atmosphäre abgelassenen Kohlenwasserstoffen sowie in Gemischen aus Dampf und Kohlenwasserstoffen zu schaffen, wobei vor der Verbrennung eine Erwärmung stattfinden soll und ein minimaler Druckverlust auftreten soll, und zwar zu dem Zweck, Rauchbildung zu unterdrücken. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verwendung einer Mischkammer oder eines Gehäuses gelöst, das einen ausreichenden Querschnitt aufweist, so daß mit einem Abgaseintritt an dem einen Ende und einem Dampfstrom durch Düsen innerhalb des Gehäuses eine vollständige und gründliche Vermischung des Dampfes mit den Abgasen erreicht wird, wobei ein nur minimaler Druckverlust entsteht, so daß der Strom aus Abgasen und Dampf zu dem Kamin oder Schornstein nicht reduziert werden muß. Der Dampf wird durch eine axiale Leitung innerhalb des Gehäuses und durch mehrere radiale Rohre zugeführt, die alle entlang ihrer Länge in einer Ebene quer zu dem Gehäuse durchbohrt sind, so daß eine im wesentlichen ebene Dampfschicht

6 0 3832/03 46 -5-

dem lotrechten Fluß aus abgeblasenen Kohlenwasserstoffen ausgesetzt wird, wodurch die vollständige Vermischung und Erwärmung der Abgase und ihre Umsetzung mit Wasserdampf in einen erheblichen Mol Prozentsatz gefördert wird.

Erfindungsgemäß wird also die Verwendung von Niederdruckabdampf zur Rauchunterdrückung in der Fackel ermöglicht, wodurch entweder eine vollständige Rauchunterdrückung erfolgt oder eine starke Verringerung des Bedarfes an Hochdruckdampf, und zwar gemäß der jeweiligen Art der abzufackelnden Kohlenwasserstoffe. Ferner wird ein Vorgemisch aus Dampf und Kohlenwasserstoffen vor der Verbrennung geschaffen, und zwar so, daß das Vorhandensein von Wasser in Dampfform sichergestellt ist, wobei dann der Wasserdampf homogen mit dampfförmigen Kohlenwasserstoffen vermischt wird, bevor die Verbrennung stattfindet, und wobei ein erheblicher Mol Prozentsatz des Gemisches von dem Wasserdampf gebildet wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 und 2 alternative Verfahren zur Verwendung einer Abgas-Dampf-Mischkammer, so daß dem Fackelschornstein ein Gemisch aus Abgasen und Wasserdampf zugeleitet wird, in dem ein beträchtlicher Mol Prozentsatz Wasserdampf ist,

Fig. 3 eine Außenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 eine senkrechte Querschnittansicht der Mischkammer,

Fig. 5 eine Querschnittansicht der Mischkammer längs der Linie 5-5 in Fig. 4,

- 6 609832/0346

Fig. 6 eine Querschnittansicht eines der Radialarme längs der Linie 6-6 in Fig. 4 und

Fig. 7 eine Querschnittansicht eines der Arme längs der Linie 7-7 in Fig. 4.

In den Figuren 1 und 2 sind zwei Systeme schematisch dargestellt_} in denen Kohlenwasserstoffgas durch ein Rohr 10 entweicht und entsprechend den Pfeilen 26 in eine Mischkammer 20 strömt, wobei Dampf, der durch die Leitung 12 gemäß dem Bezugszeichen 28 zugeführt wird, durch ein Steuerventil 14 strömt und in der Mischkammer 20 mit dem Gas 26 vermischt wird, so daß ein Strom aus Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf entsteht, der gemäß den Pfeilen 30 zu dem Fackel schornstein 22 strömt, um an der Schornsteinspitze die Fackel 24 zu bilden. Der Hauptunterschied zwischen den beiden gezeigten Systemen besteht darin, daß in Fig. 2 das Fackel gas durch eine Wasserdichtung 32 geschickt wird, so daß ein Rückfluß sauerstoffhai tiger Gase in die Gasleitung 10 verhindert wird. Außerdem ist bei dem System in Fig. 2 der Mischer horizontal angeordnet, während er beim System von Fig. 1 vertikal liegt. Es lässt sich irgendeine Steuerung oder Kontrolle, die ganz allgemein mit 16 bezeichnet ist, zu dem genannten Zweck ver- · wenden, und das spezielle Steuersystem ist nicht erfindungswesentlich. Die Erfindung ist grundsätzlich in der Konstruktion der Mischkammer 20 zu sehen.

In Fig. 3 ist eine Außenansicht der Mischkammer 20 dargestellt. Wie durch den Pfeil 26 angedeutet, strömen die Abgase oder Kohlenwasserstoffe durch die Leitung 36 in die Kammer 20 hinein, deren äußeres Gehäuse mit 34 bezeichnet ist, und strömen dann aus dem zweiten Ende durch eine Leitung 38 zu dem Fackel schornstein, wie dies durch den Pfeil 30 angedeutet ist. Dampf tritt in die Mischkammer 20 durch ein Rohr 40 ein, das sich durch die Seitenwand der Kammer hidnruch ins Innere hineinerstreckt, wie durch den Pfeil 28 angedeutet ist.

609832/0346 -7-

260A091

Figur 4 zeigt in einem Querschnitt den inneren Aufbau der Mischkammer. Es ist das zylindrische Gehäuse 24 erkennbar, das sich, wie in Fig. und 2 angedeutet, in einer waagerechten oder in einer senkrechten Lage befinden kann. Der Gasstrom erfolgt von links nach rechts gemäß den Pfeilen 44. Der Dampfstrom 28 erfolgt durch die Leitung 40, die durch die Seitenwand 34 eintritt und in einen Abschnitt 42 abgebogen ist, der koaxial zu dem Gehäuse 34 liegt und zustromsei tig des Gasstroms sein Kopfstück hat. Das zustromsei ti ge Ende 46 der Leitung 42 ist geschlossen, und Dampf tritt durch mehrere Radi al arme oder Rohre 48, 50 aus, die in wenigstens einer Ebene 48 oder in mehreren Ebenen angeordnet sind. Falls mehr als eine Reihe Arme vorhanden ist, dann würden diese Armreihen in eine Scheitelkreislage verschoben, so daß ein gewundener Pfad für den Gasstrom entsteht, der eine stärkere Vermischung des Abgases und des aus den Rohren austretenden Dampfes sicherstellt. Diese Radiallage der Seitenarme oder Rohre 48 und 50 ist in Fig. 5 dargestellt.

Fig. 6 zeigt in Querschnittansicht einen dieser Arme 48, der sich in radialer Richtung von dem Rohr 42 nach außen erstreckt. Da der Durchgangsbereich für das Abgas an dem äußeren Radius der Arme größer ist, können die Dampflöcher in mehrere Größen unterteilt werden, wie dies bei 54, 56, 58, etc. zu sehen ist. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, befinden sich die Dampflöcher 58 beispielsweise in einer Ebene, die lotrecht zu dem Abgasstrom verläuft, so daß ein maximaler Kontakt beim Vermischen des Dampfes mit dem Abgas stattfindet. Mit anderen Worten, es ist im wesentlichen eine Ebene des aus allen Belüftungslöchern in den radialen Armen austretenden Dampfes vorhanden, und diese Ebene muß unterbrochen werden durch die Querströmung der Abgase, wenn diese entlang dem Gehäuse 34 von links nach rechts strömen.

Es versteht sich, daß die Größe und die Querschnittsfläche des Gehäuses größer sind als diejenige des Rohres 38, das die Abgase in das Gehäuse fördert. Der Grund für diese Tatsache ist darin zu sehen, daß der Gasströmung und der Dampfströmung nur ein Minimum an Hindernissen entgegentreten darf,d-a-beide im wesentlichen unter niedrigem Druck stehen,

609832/0346

und daß sie auf ihrem Weg zu dem Fackelschornstein in einem möglichst geringen Maße behindert werden dürfen. Der größere Durchmesser gleicht diese Behinderung aufgrund des in dem Rohr 42 und den Armen 48 und 50 herrschenden Druckes aus. Ferner muß die Strömung der Gase und des überhitzten Dampfes oder der Gase und des Wasserdampfes so stromlinienförmig wie möglich verlaufen, um den Druckabfall beim Strömen durch die Mischkammer auf ein Mindestmaß zu beschränken. Darüberhinaus muß eine ausreichende Vermischung des Dampfes mit den Abgasen stattfinden, so daß die Abgase auf eine Temperatur erwärmt werden können, die hoch genug ist, beispielsweise im Bereich von 65,56°C liegt, so daß die Gase in der Lage sind, einen erheblichen Mol Prozentsatz Wasserdampf mit sich zu führen, um dadurch eine möglichst wirksame Rauchunterdrückung zu erreichen. Außerdem ist eine Steuervorrichtung 16 herkömmlicher Konstruktion vorgesehen, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes mit der abzublasenden Kohlenwasserstoffmenge koordiniert werden kann, wodurch sich für die Rauchunterdrückung selbst bei Kohlenwasserstoffen, deren Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Gewichtsverhältnis klein ist, eine angemessene Wasserdampfmenge bereitstellen lässt.

In den Fällen, in denen es die Art der Kohlenwasserstoffe zulässt, so also beispielsweise bei solchen Kohlenwasserstoffen, bei denen das Gewichtsverhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff groß ist, sind nicht dargestellte Mittel an sich bekannter Art vorgesehen, durch die der Hochdruckdampf an der Fackel zum Zwecke der Rauchunterdrückung reduziert oder abgeschaltet werden kann. Umgekehrt müssen in den Fällen, in denen die Kohlenwasserstoffe ein niedriges Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Gewichtsverhältnis aufweisen und eine starke Neigung zur Rauchbildung bei der Verbrennung vorhanden ist, Mittel vorgesehen werden, durch die Hochdruckdampf an der Flamme in der Fackel zur Rauchunterdrückung verwendet werden kann, um dadurch die Rauchunterdrückungswirkung des in den Kohlenwasserstoffgasstrom eingeblasenen Niederdruck-

609832/0346 " ⁹ "

dampfes zu unterstützen. Beispielsweise kann eine vollständige Unterdrückung des Rauches durch ein Dampf-Kohlenwasserstoff-Vorgemisch mit Äthan (H/C = 0,25) erreicht werden, und wenn Dampf und Äthylen (H/C = 0,166) vorgemischt werden, ergibt sich eine Restrauchbildung. Im letzteren Fall sollte ohne Vorgemisch aus Dampf mit Kohlenwasserstoffen der Bedarf an Hochdruckdampf 0,36 kp Dampf pro kp Kohlenwasserstoff betragen, wobei der Hochdruckdampfbedarf in den Fällen auf 0,22 kp bis 0,27 kp pro kp Kohlenwasserstoff fällt, in denen das Vorgemisch unter niedrigem Druck steht und billigerer Abdampf zur Verfügung steht.

Ferner stehen Mittel zur verstärkten Energieeinsparung durch die Verwendung als Rauchunterdrücker zu Verfügung, die sonst verloren gehen oder Abdampf bilden.

Obgleich die Seitenarme für das Einblasen des Dampfes in die Mischkammer in der einen oder in mehreren Ebenen symmetrisch angeordnet sind und lotrecht zu dem Dampfrohr verlaufen, könnten sie natürlich auch in anderer gewünschter Weise angeordnet werden, die zu einer adequaten Mischung führt. Ferner könnten die in die Radialarme eingebauten Löcher, die, wie oben beschrieben in einer Querebene liegen, nach oben oder nach unten oder schräg verlaufend ausgerichtet werden. Desweiteren lässt sich der Dampf, obgleich dies hier nicht dargestellt wurde, aus Ringleitungen längs der inneren Oberfläche des Gehäuses ausblasen, wobei der Dampfstrom dann in einer Querebene oder nach oben unter einem einzigen oder unter mehreren Winkeln gelenkt würde.

6 0 9 8 3 2/0346

Claims

- ίο -

PATENTANSPRÜCHE

VL^ Mit Niederdruck arbeitende Vorrichtung zur Rauchunterdrückung in Fackeln für abgeblasene Kohlenwasserstoffe, gekennzeichnet durch ein zylindrisches Gehäuse (34) mit einer Rohrleitung (10) für den Zustrom von abgeblasenen Kohlenwasserstoffen an einem ersten Ende und den Abstrom von abgeblasenen Kohlenwasserstoffen plus Wasserdampf zu dem Fackel schornstein (32) zwecks Verbrennung, ferner durch eine Einrichtung (40) zur Einleitung von Niederdruckdampf in das Gehäuse (34) durch mehrere Düsen (48, 50) in einer Richtung im wesentlichen quer zu dem Kohlenwasserstoffgasstrom, zur Erzeugung einer turbulenten Strömung und Mischung mit dem Kohlenwasserstoffgasstrom, und durch eine Steuervorrichtung (16) zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des Niederdruckdampfes in ein gewähltes Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit der Kohlenwasserstoffe.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Axialleitung (40, 42) innerhalb des Gehäuses (34) und mehrere Radialrohre (48, 50), die sich durch die Leitung hindurch in den Ringraum zwischen der Leitung und dem Gehäuse erstrecken, wobei sich mehrere öffnungen (54, 56, 58) in der Wandung jedes Rohres befinden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (48, 50) in wenigstens einer Querebene angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich in den Rohren (48, 50) in einer Ebene quer zur Achse des Gehäuses (34) mehrere 'Öffnungen (54, 56, 58) befinden.

- 11 0 9 8 3 2/0346
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Gehäuses (34) größer ist als der Durchmesser des Rohres für den KohlenwasserstoffzufIuB.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch wenigstens eine Umfangsleitung innerhalb des Gehäuses (34), in der sich mehrere Öffnungen befinden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der öffnungen (54, 56, 58) mit dem Radius entlang der Rohre variabel ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (16), durch die die Strömungsgeschwindigkeit des Niederdruckdampfes in Abhängigkeit von dem Typ des abzublasenden Kohlenwasserstoffs steuerbar ist.

6098 3 2/0346