DE2643797A1 - Verfahren und vorrichtung zum thermischen reinigen von abluft - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum thermischen reinigen von abluftInfo
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- B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
- F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
- F23G7/06—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
- F23G7/061—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating
- F23G7/065—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating using gaseous or liquid fuel
Description
BAYER AKTIENGESELLSCHAFT Leverkusen, 2agSegfel Öi*76
KLEINEWEFERS - Industrie Companie GmbH
KREFELD
Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Reinigen von Abluft
Für Abluft aus chemischen Produktionsbetrieben, die stark wechselnde Mengen an organischen Bestandteilen enthält,
ist in besonders schwierig gelagerten Fällen als einzige wirkungsvolle Reinigungsmaßnahme nur das thermische Zersetzen
der organischen Stoffe möglich. Besteht das Trägergas praktisch aus Luft, d.h. ist die Sauerstoffkonzentration
ungefähr 21 %, so kann dieses Gas als Verbrennungsluft in einen geeigneten Brenner mit nachgeschalteter
Ausbrennkammer eingeleitet werden. Es muß dann ein Hilfsbrennstoff, z.B. Erdgas oder Heizöl, zugespeist werden,
um die Zersetzungstemperatur in der Flamme, z.B. 85O°C, zu erreichen. Es ist dabei bekannt, die Abluft in Drallbrennkammern
zu verbrennen. Ein spezieller Typ einer Drallbrennkammer ist z.B. unter dem Begriff Combustor
bekannt und beispielsweise beschrieben in Brennstoff, Wärme, Kraft Nr. 3, März 1971, Seiten 198-202.
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ORIGINAL INSPECTED
In einigen Fällen besteht das Trägergas jedoch nicht immer aus Luft, sondern aus einem Inertgas-Luft-Gemisch
wechselnder Zusammensetzung mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 0 und 21 %. Außerdem kann
hierbei die Beladung mit brennbaren organischen Stoffen in weiten Grenzen sehr schwanken, so daß auch der Fall
auftritt, daß das Abgas soviel Säuerstoff und zugleich
auch organische Beladung enthält, daß es zündfähig, d.h. explosiv ist. Wird ein solches Gas nun in eine Flamme
geleitet, dann besteht die Gefahr einer Rückzündung in die Brennerzuleitung und weiter bis in den Bereich, aus dem dieses
Abgas abgesaugt wird. Die Gefahr der Rückzündung besteht insbesondere dann, wenn neben den Konzentrationen
auch die Abgasmengen schwanken, so daß im Falle einer Zündfähigkeit auch noch die Zuströmgeschwindigkeit
des Abgases kleiner als die Rückzündgeschwindigkeit werden kann.
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Bisher ist kein Verfahren bekannt, nach dem solche, in Konzentration und Menge stark schwankende, zeitweise
vollkommen unbrennbare und zeitweise explosible Gemische direkt in eine Verbrennungseinrichtung zum Zersetzen der
organischen Stoffe gefahrlos eingeleitet werden können. Eine bekannte Möglichkeit für einen gefahrlosen Betrieb
ist das Zumischen einer so großen, nicht organisch beladenen Luft- oder Gasmenge, daß die Explosionsgrenze
des Abgas-Zusatzgemisches in keinem Fall erreicht werden kann. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß ständig
auch die Zusatzluft- oder Zusatzgasmenge bis auf die Zersetzungstemperatur (z.B. 8500C) erwärmt werden muß.
Sind die Schwankungen der Abgasmenge sehr groß, dann wird die Zusatzmenge immer ungünstiger im Verhältnis
zur Abgasmenge, d.h. der spezifische Hilfsbrennstoffbedarf
je m Abgas wird im zeitlichen Mittel immer
größer. Dieses Verfahren wird bei der zunehmenden
BrennstoffVerknappung daher immer unwirtschaftlicher.
Ferner sind auch Verfahren bekannt, durch Zusatz von sauerstofffreiem
Inertgas oder von gasförmigem Brennstoff zu Abgas ein nicht mehr zündfähiges Gemisch zu erzeugen, wobei
jedoch auch hier insbesondere bei schwankenden Abgasmengen der Brennstoffbedarf sehr hoch ist.
Es bestand somit die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, das die thermische Zersetzung der organischen
Schadstoffe aus den beschriebenen Abgasströmen mit wesentlich geringerem spezifischen Hilfsbrennstoffverbrauch
und trotzdem gefahrlos, d.h. rückzündsicher,
ermöglicht. Diese Aufgabe läßt sich nicht dadurch lösen, daß das erwähnte, zeitweise sauerstofffreie
Abgas der Verbrennungsluft vor dem Brenner vollständig zugemischt wird, da dann eine unwirtschaftlich große
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Frischluftmenge im Verhältnis zur Abgasmenge zugespeist werden müßte. Auch haben Versuche, das Abgas in seiner
Zusammensetzung kontinuierlich zu analysieren, um so Leitgrößen für eine Regelung zu haben, zu keinem Erfolg
geführt- Hierbei war insbesondere die Betriebsbereitschaft der Analysengeräte zu klein und damit das Sicherheitsrisiko
zu groß. Es mußte daher versucht werden, das Abgas wechselnder Zusammensetzung und Menge ohne
Analyse direkt in die Brennkammer einzuleiten und dabei die Verfahrensbedingungen und die Vorrichtung so zu gestalten,
daß eine weitgehend vollständige, sichere und noch wirtschaftlich tragbare Zersetzung der oxidierbaren
Stoffe erreicht wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur thermischen Abluftreinigung schadstoffbeladener
Abgase, die in der Menge und im Sauerstoffgehalt laufend schwanken können und bei denen der Sauerstoffgehalt
zwischen 0 und 21 % liegt, durch Verbrennen in einer mittels Hilfsbrennstoff und Verbrennungsluft erzeugten Flamme,
wobei die Verbrennungsluft mit Drall zugeführt wird und
wobei die Flamme eine zum Erreichen des notwendigen Zersetzungsgrades
der Abgase notwendige Temperatur besitzt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
a) einem Abgas vor dessen Einleitung in die Flamme zunächst eine kleine Frischluftmenge, vorzugsweise zwischen etwa
3 bis zu 20 % der Abgasmenge zugemischt wird, dann
b) dieses resultierende Mischgas mit einem Gehalt an zündfähigen Stoffen, der zeitweise oberhalb der unteren
Explosionsgrenze liegen kann, der Flamme über einen
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Ringraum oder ringförmig angeordnete Einzeldüsen mit gleichsinnigem konzentrischem Drall zugeführt wird,
wobei die Strömungsrichtung des Mischgases gegen die Drallachse geneigt ist, und
c) der Mischgasstrahl, wenn er aus dem Ringraum austritt, so dünn gehalten wird, daß er rasch zu Wirbeln aufgelöst
wird, so daß
d) die Verbrennungsluft zumindest an einzelnen Stellen ohne vorherige Vermischung mit dem Mischgas direkt
mit dem vorzugsweise zentral zugeführten Hilfsbrennstoff in Kontakt kommt und auf diese Weise stabile
Flammenwurzeln bildet.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur thermischen Abluftreinigung schadstoffbeladener
Abgase, die in der Menge und im Sauerstoffgehalt laufend schwanken können, mit Abgas- und Hilfsbrennstoff
zuleitung in einen Verbrennungsraum, wobei
a) die Abgaszuleitung außerhalb des Verbrennungsraumes
in einen Ringraum mündet, der im Falle eines nicht tangentialen Einmündens der Abgaszuleitung Drall—
erzeugende Einbauten enthält und
b) der Ringraum entweder in einen sich kegelförmig fortsetzenden ringförmigen Raum mit kreisförmigem
Austritt in den Verbrennungsraum oder in tangential gegen die Hauptachse des Ringraums in den
Verbrennungsraum führende Einzeldüsen übergeht.
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Erfindungsgemäß wurde somit gefunden, daß man die obengenannte Aufgabe in der Weise lösen kann, daß das Abgas
aus einem speziellen ringförmigen Zuführungsorgan konzentrisch zur Hauptachse einer Drallbrennkammer
in die sich bei der Vermischung 'der getrennt vom Abgas zugeführten Verbrennungsluft mit dem Hi-Ifsbrennstoff
bildende Flamme einspeist. Hierbei darf der Axialimpuls c3es zeitweise nur Inertgas enthaltenden Abgases nicht
so groß sein, daß das zentrale Rückströmgebiet der Drallflamme, und damit die Flammenstabilisierung,
sowie Ausbrand der luftfremden Stoffe beeinträchtigt wird. Die Strömungsrichtung des in den
Brenner über einen Ringspalt oder über einzelne Düsen (Kanäle) eintretenden Abgases muß daher um einen Winkel
öLgegen die Hauptachse der Drallbrennkammer geneigt sein,
wobei cL = 30°C bis = 90°C sein kann. Ferner ist es erforderlich,
daß das Abgas so in die Drallbrennkammer eingeleitet wird, daß auch noch Zonen mit direkter Vermischung von
zentral zugeführtem Hilfsbrennstoff und durch von außen
zuströmender Verbrennungsluft vorhanden sind. Dazu muß das Abgas entweder in mehreren, ringförmig angeordneten
Einzelstrahlen der Brennkammer über Kanäle zugeführt werden und/oder mit so hohem Drall, daß sich der Ringstrahl rasch
auflöst. Ausreichender Drall wird dabei erreicht, wenn der zwischen der Ausströmrichung des Abgases aus dem einzelnen
Kanal und dem Radius sich ergebende Winkel ß zwischen 30 und 90° ist.
Es wurde ferner gefunden, daß das ringförmige Zuführungsorgan für das Abgas so angeordnet werden muß, daß das
Abgas noch in die heiße und reaktive Flammenzone einge-
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mischt wird, d.h., das als Ringstrahl oder in mehreren Einzelstrahlen aus dem Zufuhrungsorgan austretende Abgas
muß zwischen der Hilfsbrennstoffzufuhr und der äußeren
Begrenzung für die Verbrennungsluftzufuhr eingebracht werden. Zur Beschleunigung der Einmischung und zur Verbesserung der
Flaimtenstabilität und Optimierung des Ausbrandes ist es erforderlich, daß
der dem Abgas in der konzentrischen-ringraumförmigen Zuführungsleitung
erteilte Drall mit dem Drall der Luft-HiIfsbrennstoff-Flamme
in der Drallbrennkammer gleichsinnig ist. Durch die Zufuhr des Abgases über einen Ringraum
bzw. durch ringförmig angeordnete Einzelstrahlen wird die Rückzündgeschwindigkeit des Abgasgemisches,
wenn es durch Zusammentreffen mehrerer Störungen in der vorgeschalteten Produktionsanlage zündfähig sein sollte,
sehr weit herabgesetzt. Damit wird erreicht, daß zwischen der vom zulässigen Druckverlust her bestimmten maximalen
Abgasmenge und der von der Forderung nach Rückzündsicherheit her bestimmten minimalen Abgasmenge ein genügend
großer Abstand liegt. Mit den nachfolgend noch detaillierter beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
ist daher ein risikofreier Mengenregelbereich von mindestens 1:10, auch für den ungünstigsten, d.h.
zündgefährlichsten Fall zu verwirklichen.
Sinkt die Abgasmenge noch unter 10 % der Normlast, so muß auch mit dieser Anordnung mit Rückzündung durch die Abgaszufuhrleitung
gerechnet werden. Eine solche Rückzündung wird dann erfindungsgemäß in einer unmittelbar in
die Leitung zur konzentrischen erfindungsgemäßen Zuführungsleitung
in einem Abstand = 20 d, möglichst = 10 d
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(d = der Durchmesser der Abgasleitung) angebrachten Rückschlagsicherung
aufgefangen, so daß keine Flamme zum das Abgas verursachenden Betrieb zurückschlagen kann. Als
Flammenrückschlagsicherung eignet sich eine bekannte standüberwachte Wassertauchung oder sogenanntes Flammensieb
(beschrieben beispielsweise in D. Dietze, Chem. Ing. Technik, 47 (1975) 6, Seite 257), d.h. eine aus gewählten
Metallbändern gewickelte Scheibe mit durch die Wellung vorgegebenen Spaltweiten, die von dem eventuell zündfähigen
Gas durchströmt wird.
Für den rückzündsicheren Betrieb bei Abgasströmen, die
in der Menge zwischen 0 und 100 % der Maximalmenge, in der Sauerstoffkonzentration zwischen 0 und 21 Vol.-%
und in der Schadstoffkonzentration zwischen 0 und mehr als der unteren Zündgrenze schwanken, ermöglicht das
erfindungsgemäße Verfahren eine Einsparung an Hilfsbrennstoff bei gleichzeitiger Verbesserung der Schadstoffzersetzung.
Dazu wird dem Abgas vor dessen Einleitung in den Verbrennungsraum konstant zwischen 3 und 25 Vol.-%
Frischluft, bezogen auf die mögliche Abgasmenge vor Eintritt in den Brenner, zugemischt. Die Mindestmenge an
zugeführter Frischluft richtet sich nach dem rückzündsicheren Regelbereich des Brenners und der maximal möglichen
Beladung des Abgases mit brennbaren Stoffen. Auf die Ermittlung der Mindestfrischluftmenge, die erfindungsgemäß
dem Abgas vorher zugesetzt werden kann, wird später in Zusammenhang mit der Figur 4 näher eingegangen. Nur
für den Fall, daß das zu reinigende Abgas ständig mindestens etwa 4 Vol.-% 0? enthält und seine Mindestmenge
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nicht unter 10 % der maximal anfallenden Menge absinkt, kann auf das Zuspeisen einer konstanten Frischluftmenge
verzichtet werden.
Für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. für die erfindungsgemäße
Vorrichtung gibt es verschiedene Ausführungsformen, auf die nachfolgend anhand der Figur 1 bis 3
beispielhaft näher eingegangen werden soll. Figuren 1, 2a und 3 stellen dabei schematisch Längsschnitte durch die
erfindungsgemäße Vorrichtung dar, Figur 2b stellt einen Schnitt quer zur Brennerachse dar.
In der Figur 1 kommt dabei den Ziffern folgende Bedeutung zu:
1 Abgasaustritt aus kegelförmig sich fortsetzenden Ringraum;
2 Ringraum;
3 Brennstoffzufuhrleitung;
4 Drallschaufeln;
5 Spiraleinlauf (tangential angestellt) der Abgaszuleitung
zur Drallerzeugung;
6 Verbrennungsluftzufuhr;
7 Verbrennungsraum;
8 Brennerhauptachse;
8a Inneres Führungsrohr.
Im einzelnen wird das erfindungsgemäße Verfahren nach dieser Ausführungsform wie folgt durchgeführt:
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Das Abgas tritt aus dem sich kegelförmig fortsetzenden Ringraum mit einem Winkel & =30° bis = 90°, vorzugsweise
zwischen 60 und 90 , gegen die Brennerhauptachse mit Geschwindigkeiten zwischen etwa 1 bis 100 m/sek.,
vorzugsweise 2,8 bis 28 m/sek., aus(1)aus. Der kegelförmige Ringraum ist geometrisch so gestaltet, daß die
Strömungsgeschwindigkeit des durchgeführten Gases konstant bleibt, vorzugsweise beschleunigt wird (ein Austritt des
Abgases unter einem Winkel £ von 90° soll hierbei definitionsgemäß
unter den Begriff "kegelförmig" fallen). Das Abgas (1), das in der Regel 0 bis 21 Vol.-% Sauerstoff-0
bis zeitweise 15 Vol.-% Schadstoff, Rest Stickstoff enthält, erhält durch den Spiraleinlauf (5) und/oder
durch Drallschaufeln (4) in dem Ringraum (2) einen solchen Drall, daß der Drallwinkel ß (Winkel zwischen
Ausströmrichtung des Abgases in den Verbrennungsraum und dem radialen Richtungssektor am Austritt (1) zwischen
etwa 45° und 85°, vorzugsweise zwischen 60° und 85° beträgt. Die Austrittsfläche (1) des Ringspaltes kann
beispielsweise durch Verschieben des inneren Führungsrohres verändert werden. Das Abgas wird in die Brennkammer (7),
die mit hoher Turbulenz und gegebenenfalls mit durch in der Brennkammer umlaufende Wirbel zusätzlich erzeugter Pulsation
arbeitet, eingeleitet. In dieser Brennkammer wird durch Verbrennen des zentral bei .(.3) eingedüsten Hilfsbrennstoffs,
beispielsweise Erdgas oder Heizöl, und/oder brennbare organische Abfallstoffe mit der durch den Dralleinlauf (6) mit
Drall von außen zuströmenden Luft eine etwa 750 bis 1000°C heiße drallstabilisierte Flamme erzeugt, in der das Abgas
praktisch vollständig ausgebrannt wird. Die Brennkammerwände werden vorzugsweise durch die über (6) tangential zugeführte Verbrennungsluft
von außen gekühlt. Wegen der hohen Turbulenz in der Flamme
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erfolgt eine Verbrennung der Schadstoffe in sehr kurzer Zeit, die größenordnungsmäßig bei 0,0 3 bis 0,3 Sekunden liegt.
Enthält das Abgas keinen Sauerstoff, dann wird soviel Hilfsbrennstoff bei (3) zugeführt, daß die Temperatur
am Brennkammeraustritt oberhalb 850 C liegt, um die Konzentration an Kohlenmonoxid unter 100 ppm
einzuhalten. Unter diesen Bedingungen werden dann auch alle luftfremden, oxidierbaren Stoffe im Abgas bis unter
die Nachweisgrenze eines Flammenionisationsdetektors zersetzt.
Enthält das Abgas noch Sauerstoff, vorzugsweise mehr als 3 bis 4 Vol.-% Sauerstoff, dann werden Flammenstabilität
und Ausbrand weiter verbessert, so daß bereits bei Flammentemperaturen unter 85O°C alle oxidierbaren Stoffe im Abgas
zersetzt werden.
Liegt der Sauerstoffgehalt des Abgases bei 21 Vol.-%
und die Schadstoffkonzentration über der unteren Zündgrenze, dann werden Flammenstabilität und Ausbrand
nochmals verbessert. Es muß dann jedoch durch eine Mindestmengenregelung für das Abgas dafür gesorgt werden,
daß die Ausströmgeschwindigkeit am Austritt (1) genügend groß gehalten wird, um einen Flammenrückschlag
bei der größten Zündgeschwindigkeit für das spezielle Abgas zu verhindern. Für ein Hexan-haltiges Abgas soll
die Ausströmgeschwindigkeit am Austritt etwa > 3 —
bei einer festgestellten größten Zündgeschwindigkeit von 2'8^0, betragen.
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Wird nach einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens gearbeitet, bei der dem Abgas vor der Zuführung in die Brennkammer Frischluft zugeführt wird, so wird mit
einem Abgas-Frischluftmengenverhältnis von etwa 1:2 noch
bei Voll-Last eine stabile Verbrennung erreicht, wenn das Abgas sauerstofffrei ist, d.h. im ungünstigsten Fall für
die Flammenstabilität.
In Figuren 2a und 2b ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, einmal im Schnitt und einmal
als Schnitt längs der Linie 2b bis 2d, dargestellt. In diesen Figuren kommt den Ziffern folgende Bedeutung zu:
9 Abgasaustritt in Brennkammern über Einzeldüsen;
10 Ringraum;
11 Hilfsbrennstoffzuführleitung;
12 Drallschaufeln;
13 Spiraleinlauf (tangential angestellt) der Abgaszuleitung;
14 Verbrennungsluftzufuhr;
15 Brennkammer;
16 Abgasdüsen (Abgaskanäle);
17 abgerundete Kante;
18 Formteile;
19 Drehpunkt zur Schwenkung der Formteile 18;
20 Ringraum unmittelbar vor Kante 17;
21 Brennerhauptachse.
Gegenüber der Ausführungsform gemäß Figur 1 wird bei
der vorliegenden Ausfuhrungsform das Abgas in ringförmig
um die Hauptachse liegenden Einzelstrahlen
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/ffe
mit dem Neigungswinkel ^(Winkel zwischen Austrxttsrichtung
des Einzelstrahls gegenüber der Hauptachse des Brenners) von (JL= 60 bis 0^= 90°, vorzugsweise jjL= 75° bis ^= 90° und
einem einstellbaren Drallwinkel ß (Winkel zwischen der Hauptachse der Abgaskanäle und dem Radius senkrecht zur
Hauptachse) zugeführt. Vorzugsweise liegt dieser Drallwinkel ß bei Werten zwischen 30° bis 85°. Das Abgas (13)
strömt axial durch den Ringraum (10) zu, wobei ihm durch einen Spiraleinlauf (13) und/oder Drallbleche (12) ein so
großer Drall aufgeprägt wird, daß es in die Kanäle (16) in radialer Richtung umgelenkt wird.
Um die Ablösungen zu vermeiden, hat die Kante
>
(17) einen Krümmungsradius = 1,5 mm. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist der Ringraum (20) in Richtung gegen die Brennkammer (15) längs der Hauptachse (21) offen. Das Abgas tritt dann trotz des in Richtung der Hauptachse des Brenners offenen Ringraumes (20) strahlenförmig bei (9) aus und wird in Form von Einzelstrahlen mit dem Neigungswinkel J^= 90° (in der vorliegenden Figur) und im Drallwinkel ß in die sich bei (15) durch Vermischen des Zusatzbrennstoffes (11) (beispielsweise Erdgas) mit der unter Drall zugeführten Verbrennungsluft (14) ausbildenden Flamme eingemischt. In einer Variante (zeichnerisch nicht dargestellt) kann der Ringraum (20) in Richtung der Hauptachse des Brenners gegen die Brennkammer auch geschlossen sein.
(17) einen Krümmungsradius = 1,5 mm. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist der Ringraum (20) in Richtung gegen die Brennkammer (15) längs der Hauptachse (21) offen. Das Abgas tritt dann trotz des in Richtung der Hauptachse des Brenners offenen Ringraumes (20) strahlenförmig bei (9) aus und wird in Form von Einzelstrahlen mit dem Neigungswinkel J^= 90° (in der vorliegenden Figur) und im Drallwinkel ß in die sich bei (15) durch Vermischen des Zusatzbrennstoffes (11) (beispielsweise Erdgas) mit der unter Drall zugeführten Verbrennungsluft (14) ausbildenden Flamme eingemischt. In einer Variante (zeichnerisch nicht dargestellt) kann der Ringraum (20) in Richtung der Hauptachse des Brenners gegen die Brennkammer auch geschlossen sein.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der in Figur 2
dargestellten Vorrichtung sind die Formteile (18), die das Kanalprofil (16) ergeben, um einen Drehpunkt (19) „
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schwenkbar. Damit lassen sich der Winkel ß und die Kanalweite
(16) auf einfache Weise ändern und den unterschiedlichen Betriebsbedingungen, wie z.B. maximale Abgasmenge,
Art der·Abgasinhaltsstoffe, Art des Hilfsbrennstoffes,
anpassen.
Um die Rückzündsicherheit zu gewährleisten, wird für das Abgasgemisch
die axiale Strömungsgeschwindigkeit im Ringkanal (20) auf Werte zwischen 1 bis loom/sek, vorzugsweise
2,8 bis 28 m/sek eingestellt.
Enthält das Abgas neben Stickstoff noch Spuren von luftfremden Stoffen (das ist der für die thermische Zersetzung ungünstigste Fall)., dann wird bei einem Abgas-Verbrennungsluft verhältnis (Vol.-Verhältnis der bei 13 bzw.
14 eingeführten Gasmengen) von etwa 1 : 2 bei einer
Rauchgastemperatur von 800 bis 9000C eine praktisch vollständige Oxidation aller organischen Stoffe erreicht.
Figur 3 zeigt im Schnitt eine besonders bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Dabei kommt den Ziffern folgende Bedeutung zu:
22 Hilfsbrennstoffzuführleitung;
23 Abgaszufuhr;
24 Verbrennungsluftzufuhr;
25 Brennkammer;
26 Kanäle (entsprechend Figur 2b)für Abgaszufuhr in Brennkammer;
27 Ringraum für Abgaszuführung;
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28 Flammensperre;
29 Temperaturmessung;
30 konstante Frischluftzufuhr zum Abgas;
31 Regelung der Menge der Frischluftzufuhr.
In Figur 3 sind nur die für die Beschreibung dieser
speziellen Ausführungsform notwendigen Elemente zeichnerisch im Detail dargestellt.
speziellen Ausführungsform notwendigen Elemente zeichnerisch im Detail dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform ist eine zusätzliche Rückzündsicherung durch eine Flammensperre (28) im maximalen
Abstand 20 χ Durchmesser der Abgasleitung vom Ringkanal (27) , vorteilhafter noch Abstand 1CIO χ Durchmesser der
Abgasleitung vom Ringkanal,vorgesehen. Die Temperatur in Strömungsrichtung unmittelbar hinter der Flammensperre
wird überwacht (Temperaturüberwachungselement (29)). Brennt bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten eine
zurückgeschlagene Flamme auf der Flammensperre, beispielsweise einem Metallflammenfilter definierter Spaltweite oder einer Tauchung so wirkt diese Temperaturüberwachung
auf die Sicherheitsschaltung ein.
Zur Verbesserung des Ausbrandes und zur Erhöhung der Betriebssicherheit wird dem zwischen 0 und 100 % der
maximalen Menge schwankenden, und zwischen
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O und 21 Vol.-% Sauerstoff und bis zu 25 Vol.-% Schadstoff
enthaltendem Abgasstrom ein konstanter Frischluftstrom (30), der mit dem Regelventil (31) auf etwa
10 % der Maximalmenge des Abgasstromes (23) gehalten wird, zugemischt.
Enthält das Abgas zeitweise sauerstoffangereicherte Luft,
so erweitern sich zwar die Zündgrenzen, die erfindungsgemäßen Maßnahmen, um Rückzündsicherheit über einen großen
Mengenregelbereich zu bewirken, werden hiervon jedoch kaum beeinflußt.
Wegen der konstanten Frischluftzufuhr über (30) zum
Abgas (23) kann auch mit einem im Vergleich zu dem im Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen Verfahren noch
günstigerem Verhältnis Frischluftmenge (eingeführt über 24) zu Abgasmenge (eingeführt über 23) vollständiger
Ausbrand bei stabiler Flamme erreicht werden.
Es werden bei der Anordnung gemäß Figur 3 bei einem Verhältnis der Mengenströme:Abgas (23) schwach beladen
und mit einem Sauerstoffgehalt 0:Verbrennungsluft (6)
in Form reiner Luft von 1:2 und einer Flammentemperatur
im Verbrennungsraum von etwa 800 bis 9003C eine
praktisch vollständige Ausbrennung des organischen Kohlenstoffgehaltes zu CO- erreicht.
In der in Figur 3 dargestellten Ausfuhrungsform ist
eine Reinigung von zündfähiger Abluft bzw. Abgas möglich, bei dem die anfallenden Schadstoff-beladenen
Abgase zwischen 0 und 100 % der Maximalmenge mit plötzlichen Änderungen schwanken können. Über einen
Regelkreis wird, wie beschrieben, der konstant gehaltene Frischluftstrom zugegeben. Die Ermittlung
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des benötigten Frischluftstromes ist in Abhängigkeit vom speziellen Schadgas in Figur 4 dargestellt. In Figur 4
wird die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Rückzündgeschwindigkeit des Abgases in m/sek (Ordinate) in Abhängigkeit
von der Schadstoffkonzentration (Vol.-% an brennbaren Stoffen in der Abluft bzw. in dem Frischluft-Abluft-Gemisch)
(Abszisse) beispielhaft für ein Hexan-Luft-Gemisch (Hexan = Schadstoff) dargestellt.
Um die tatsächlichen Rückzündeigenschaften für einen
gegebenen Schadstoff zu ermitteln, muß die Abhängigkeit der Rückzündgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der
Schadstoff-Konzentration experimentell ermittelt werden. Hierzu wird ein Abluftzuführungsorgan (z.B. gemäß.
Figur 1 bzw. entsprechend Figur 2) mit einem herzustellenden Schadstoff-Luft-Gemisctr unter Variation
des Schadstoff-Luft-Verhältnisses innerhalb der Explosionsgrenzen
betrieben. Nach Einstellung eines stabilen, rückzündfreien Brennzustandes am Abgaszuführungssystem
wird der Durchsatzstrom reduziert, bis eine Rückzündung bis zu einem in der Abgaszuführleitung vorgesehenen
Flammensieb eintritt. Die Rückzündung kann optisch, akustisch oder durch Temperaturfühler auf der Flammenseite
des Flammensiebes festgestellt werden. Die Strömungsgeschwindigkeiten am Austritt des Abgases in die
Brennkammer zum Zeitpunkt der Rückzündungen werden in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration in ein
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Diagramm analog Figur 4 eingetragen und ergeben eine Kurve analog Kurve 1.
Die Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit W in der
Düse in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration C (Kurve 2, Figur 4) ergibt sich aus folgenden Beziehungen
1) Luft Abluft Gemisch
o1 Vblumenteile Sauerstoff—* ο Volumenkonzentration Sauerstoff
n1 Vblumenteile Sauerstoff—» η Volumenkonzentration Stickstoff
s1 Volumenteile Schadstoff—» s Volumenkonzentration Schadstoff
X Frischluft-Volumenstrom
Y Abluft-Volumenstrom
V Gemisch-Volumenstrom
2) Für Luft ist o1 + n1 = 0,79 + 0,21 = 1
3) Für Abluft ist o1 + n1 + s1 = 0,79 + 0,21 + s1 = 1 + s1
n'
1+s1 1+s1 1+s1
ο + η + s =1
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4) s =
s·
1+s· 1-s
Durch Einsetzen ergibt sich aus Gleichung 1):
6) V emisch
—° = w Strömungsgeschwindigkeit im Ringspalt
F
D bzw. den Kanälen
D bzw. den Kanälen
(F = Querschnitt in m des Ringspaltes bzw. der Kanäle
1 — s
= C (C = max. Konzentration des Schadstoffes
s s
V em im Luft-Abluft-Gemisch).
Wenn man mit s die maximal zu erwartende Schadstoffkonzentration im Abgas festlegt, kann man unter Variation
von X, Y und Fn eine Kurve 2 für die Strömungsgeschwindigkeit
ausrechnen, die einen gewünschten Sicherheitsabstand (3) zur Kurve der Rückzündgeschwindigkeit (1)
hat. Zweckmäßigerweise geht man hierbei so vor, daß man verschiedene Werte für F und X (Frischluft-Volumenstrom
annimmt und Y (Abluft-Volumenstrom) von 0 τ 1OO %
variiert.
In dem Diagramm stellt das Verhältnis der Ordinatenhöhen zur Kurve 2, Punkt 4 und Kurve 1, Punkt 5 bei einer bestimmten
Schadstoffkonzentration im Frischluft-Abluft-
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Gemisch das Verhältnis von Strömungsgeschwindigkeit zu Rückzündgeschwindigkeit dar. Es wird erfindungsgemäß
ein Verhältnis von 1,5 oder höher angestrebt.
Die so ermittelte Kurve 2 schneidet die Ordinate bei W , woraus sich durch Multiplikation mit F (Gleichung 6)
der benötigte Frischluftstrom ergibt. Dieser liegt in
der Regel weit unter dem Frischluftstrom, welcher für sich im Ringspalt bzw. den Kanälen eine höhere Strömungsgeschwindigkeit
als Rückzündgeschwindigkeit bewirken würde. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Betriebskostenersparnis.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, bei
realtiv geringem Druckverlust von bis etwa 20 m bar im
Verbrennungsraum Schadstoffe in explosiven Abgasen vollständig und sicher mit einem zulässigen Mengenschwankungsbereich
für die Abluft von 0 τ 100 % zu verbrennen.
Kachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft
erläutert:
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Die Vorrichtung entspricht der in Figur 1 ratifizierten Form. Das aus dem mit einem Winkel C^ = 30° gegen die
Brennerhauptachse kegelförmig mit Geschwindigkeiten zwischen 2,8 und 28 m/sek austretende Abgas mit 0 bis
21 Vol.-% Sauerstoff und 0 bis 7 Vol.-% Hexan, Rest Stickstoff, erhielt durch den Spiraleinlauf oder durch
Drallschaufeln in dem Zuführungsmantelrohr einen solchen Drall, daß der Drallwinkel ß am Austritt in die
Brennkammer ungefähr 45° betrug. Das Abgas wurde in eine Flamme eingeleitet, die durch Verbrennen des zentral
eingedüsten Hilfsbrennstoffes in die durch den Dralleinlauf mit Drall von außen zuströmende Verbrennungsluft
entstand. Mit einem Abgas-Frischluftmengenverhältnis (Frischluftzufuhr zum Abgas vor der
Verbrennung) von 1 : 2 wurde so noch bei Voll-Last eine stabile Verbrennung erreicht, wenn das Abgas
sauerstofffrei war, d.h. im ungünstigsten Fall für
die Flammenstabilität.
Lag der Sauerstoffgehalt des Abgases bei 21 Vol.-% und die Hexankonzentration über der unteren Zündgrenze von
ungefähr 1,2 Vol.-% , dann wurden Flammenstabilität und Ausbrand weiter verbessert bzw. die Verbrennungstemperatur
kann weiter gesenkt werden. Es mußte dann jedoch durch eine Mindestmengenregelung für das Abgas dafür gesorgt werden,
daß die Ausströmgeschwindigkeit im Ringspalt von =2,8 m/sek gehalten wurde, um einen Flammenrückschlag
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Claims (10)
1. Verfahren zur thermischen Abluftreinigung schadstoffbeladener
Abgase, die in der Menge und im Sauerstoffgehalt laufend schwanken können und bei denen der Sauerstoffgehalt
zwischen 0 und 21 % liegt, durch Verbrennen in einer mittels Hilfsbrennstoff und Verbrennungsluft
erzeugten Flamme, wobei die Verbrennungsluft mit Drall zugeführt wird und wobei die Flamme eine zum Erreichen
des notwendigen Zersetzungsgrades der Abgase notwendige Temperatur besitzt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
a) einem Abgas vor dessen Einleitung in die Flamme zunächst eine kleine Frischluftmenge, vorzugsweise
zwischen etwa 3 bis zu 25 % der Abgasmenge zugemischt wird, dann
b) dieses resultierende Mischgas mit einem Gehalt an zündfähigen Stoffen, der zeitweise oberhalb der
unteren Explosionsgrenze liegen kann, der Flamme über einen Ringraum oder ringförmig angeordnete
Einzeldüsen mit gleichsinnigem konzentrischen Drall zugeführt wird, wobei die Strömungsrichtung des
Mischgases gegen die Drallachse geneigt ist,und
c) der Mischgasstrahl, wenn er aus dem Ringraum austritt, so dünn gehalten wird, daß er rasch zu
Wirbeln aufgelöst wird, so daß
d) die Verbrennungsluft zumindest an einzelnen Stellen ohne vorherige Vermischung mit dem Mischgas direkt
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mit dem vorzugsweise zentral zugeführten Hilfsbrennstoff in Kontakt kommt und auf diese Weise stabile
Flammenwurzeln bildet.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel <£. zwischen der Drallachse und der Ausströmrichtung
des Mischgases zwischen 30 und 90°C ist, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des durchströmenden Gases
konstant gehalten oder vorzugsweise beschleunigt wird.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Winkel/3 zwischen der Ausströmrichtung des Abgases und dem Radius des Ringraums zwischen
30 und 90° liegt.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Abgas, das mindestens ständig etwa 4 Vol.-% Sauerstoff enthält, und dessen Mindestmengen
nicht unter 10 % der maximal anfallenden Menge absinkt, auf die Zuführung einer konstanten Frischluftmenge
verzichtet wird.
5. Vorrichtung zur thermischen Abluftreinigung schadstoffbeladener
Abgase, die in der Menge und im Sauerstoffgehalt laufend schwanken können, mit Abgas- und Hilfsbrennstoff
zuleitung in einen Verbrennungsraum, wobei
a) die Abgaszuleitung außerhalb des Verbrennungsraums
in einem Ringraum mündet, der im Falle eines nichttangentialen Einmündens der Abgas zuleitung Dra-11-erzeugende
Einbauten enthält und
b) der Ringraum entweder in einen sich kegelförmig fortsetzenden ringförmigen Raum mit kreisförmigem
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Austritt in den Verbrennungraum oder in tangential gegen die Hauptachse des Ringraums in den Verbrennungsraum
führende Einzeldüsen übergeht.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Querschnitt des sich kegelförmig fortsetzenden Ringraumes konstant bleibt oder sich verkleinert.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des sich kegelförmig fortsetzenden Rinaraumes
durch Verschieben eines Führungsrohres einstellbar ist.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einzeldüsen gegenüber der Hauptachse des Verbrennungsraumes
um einen Winkel tC von 90° geneigt sind.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 und 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ringraum um Kanten mit einem Krümmungsradius der Größenordnung von etwa = 1,5 mm in
die Einzeldüsen übergeht.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Düsenquerschnitte der _ Einzeldüsen durch schwenkbare Anordnung um einen Drehpunkt
variierbar sind.
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