DE2710493A1

DE2710493A1 - Kamin zur verbrennung von brennstoffabgasen

Info

Publication number: DE2710493A1
Application number: DE19772710493
Authority: DE
Inventors: Robert D Reed; Robert E Schwartz
Original assignee: John Zink Co
Current assignee: Zinklahoma Inc
Priority date: 1976-03-11
Filing date: 1977-03-10
Publication date: 1977-09-22
Also published as: FR2343971A1; JPS5712052B2; US4039276A; JPS52114135A; GB1556522A; FR2343971B1; NL7702583A; CA1059893A

Description

Licht, Schmidt Hansmann & Herrmann

' LicW. Schmidt. Hwamm. Hwnrarm · Ptmfach 701206-8000 München 70 '

JOHN ZINK COMPANY 4401 South Peoria Tulsa, Oklahoma USA

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Martin Licht Dr. Reinhold Schmidt Dipl.-Wirtsch.-lng. Axel Hansmann Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

Albert-RoBhaupter-Str. 8000 München 70

Telefon: (080)7603091 Telex: 5212284peud

e! Lipetli München

10. März 1977 Ke/Ba

Kamin zur Verbrennung von Brennstoffabgasen

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Deutsche Bank München, Kto.-Nr. 82/08060 (BLZ 70070010) Po*ttcheck München Nr. 163397-802

I -

Die Erfindung betrifft einen Kamin zur rauchlosen und geräuscharmen Verbrennung von Brennstoffabgasen, und bezieht sich insbesondere auf das rauchlose und geräuscharme Abfackeln von Abgasen.

Es ist bekannt, beim rauchlosen Abfackeln oder Verbrennen Rauch erzeugender Gase in die Verbrennungszone abstromseitig der Fackel Dampf einzublasen, um dadurch in an sich bekannter Weise die bei der Verbrennung stattfindende chemische Umsetzung so zu beeinflussen bzw. zu ändern, daß die brennenden Gase keinen Rauch entwickeln. Da der Dampf im allgemeinen an die Verbrennungszone mit einem höheren Druck abgegeben wird, der gewöhnlich ein Relativdruck oder Manometerdruck von 7,03 kp/cm² ist, entsteht beim Einblasen des Dampfes aus mehreren Gründen ein erheblicher Lärm. Den wichtigsten Grund bildet die Tatsache, daß dann, wenn der Dampf unverändert mit einem Relativdruck von 7,03 kp/cm² (8,03 kp/cm² absolut) aus einer einzelnen Öffnung ausströmt oder durch diese Öffnung hindurchströmf, Stoßwellen erzeugt, sobald er an der Mündung der Öffnung in die unter Atmosphärendruck stehende Atmosphäre entweicht. Ein zweiter Grund für die Geräuschentwicklung, die bestimmte Grenzen überschreitet, ist die Tatsache, daß die Öffnungen, aus denen der Dampf ausströmt, im allgemeinen vollständig offen sind und freiliegen, so daß das Geräusch in benachbarte Zonen auf Bodenniveau abgestrahlt wird sowie auf Bereiche, die von dem Kamin entfernt liegen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Kamin zur Verbrennung von Abgasen zu schaffen, bei dem Hochdruckdampf zur Förderung der rauchlosen Verbrennung verwendet wird, und zwar mit einer minimalen Lärmbelästigung. In diesem Zusammenhang soll eine geschützte Verbrennungszone am Austrittsende des Kamins geschaffen werden, die frei von Abkühlung von Wind ist, so daß die stabile Verbrennung und damit eine minimale Rauchentwicklung gefördert werden. Ferner soll in diesem Zusammenhang eine Dampfdüse geschaffen werden, mit der sich der Dampf in die aufsteigende Säule aus brennendem Gas

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einblasen lässt und dabei keinen Lärm erzeugt, obgleich er in der Sammelleitung unter hohem Druck steht. Dabei soll die Dampfeinblasung vorzugsweise durch benachbarte DUsen erfolgen, die in bezug auf die Horizontale verschiedene Winkel aufweisen. Schließlich soll in diesem Zusammenhang die Konstruktion des Kamins auch so geartet sein, daß rund um das obere Ende des Kamins ein Mantel entsteht, der die Umgebung vor durch die Dampfstrahlen erzeugten Geräuschenschützt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kamin gelöst, der einen sein Austrittsende umgebenden Mantel aufweist. Der Mantel besitzt einen größeren Durchmesser als der Kamin und erhebt sich von dessen Spitze aus und trägt an seinem oberen Rand eine Dampfsamme11ei tung. Die Dampfdüsen, die rund um den Umfang mit Abstand verteilt sind, befinden sich auf der inneren Oberfläche der Sammelleitung, so daß die aus den Düsen austretende Dampfstrahlen sich im wesentlichen auf der Innenseite einer Wand befinden, die aus der Sammelleitung und dem Mantel besteht, die verhindern,daß sich der von den Dampfstrahlen erzeugte Lärm in Richtung auf den Erdboden und nach außen zu ausbreitet.

Der Mantel ist am Boden geschlossen, so daß zwischen ihm und dem Kamin ein Ringraum entsteht. Außerdem sind mehrere rund um den Umfang mit Abstand getrennte Offnungen am Boden des Mantels für die Einleitung von von Wind getriebener Luft oder eingesaugter Luft vorgesehen, die durch die Durchbrüche hereinströmt und durch den Ringraum auf der Innenseite des Mantels nach oben zu einer Brennzone über dem Kopf des Kamins gelangt, sich jedoch dabei unterhalb des oberen Endes der Dampfsammeileitung befindet. Das Zünden und Verbrennen der aus dem Kamin austretenden Gase kann in diesem windgeschützten Raum auf stabile und ruhige Welse, frei von Störungen und eine Abkühlung bewirkenden Wind, vor sich gehen. Eine speziell gebaute Flammenaufrechterhaltungsgasstromdüse wird vorzugsweise verwendet, 1st jedoch an dem Austragsende des Fackelkamins nicht erforderlich, das gegen Windeinflüsse geschützt ist. Das Gemisch aus Verbrennungsluft und

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brennendem Gas in der Verbrennungszone über dem Kamin steigt in einer Säule auf und ist dabei den nach innen und nach oben gerichteten, eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Dampfstrahlen ausgesetzt. Diese Hochgeschwindigkeitsstrahlen ziehen einen Luftstrom mit sich in die aufsteigende Säule hinein, um dadurch die Luft und den Dampf mit den brennenden Gasen innig zu vermischen, so daß die chemische Wirkung des Dampfes in einer eine hohe Temperatur aufweisenden Umgebung zur vollständigen Verbrennung des Kohlenstoffs gefördert wird.

Die Konstruktion der Dampfdüsen ist neuartig, indem sie eine zylindrische Metallstange aufweist, ferner zwei in Reihe geschaltete Axialöffnungen und eine erste öffnung kleineren Durchmessers, die in eine öffnung größeren Durchmessers führt, von der aus der Dampf in die Atmosphäre abströmt. Die Länge jeder der beiden öffnungen in der Düse ist größer als ihr entsprechender Durchmesser.

Mit dieser eine doppelte öffnung aufweisenden Konstruktion wird bei einem absoluten Dampdruck, der größer ist als das Zweifache des Atmosphärendruckes, am Austritt der Düse eine Dampfgeschwindigkeit erzeugt, die im wesentlichen der Schallgeschwindigkeit entspricht, ohne daß ein starkes Geräusch entwickelt wird, das durch vorhandene Stoßwellen verursacht werden könnte, die bei der herkömmlichen Einzelöffnung entstehen.

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

Fig. 1 eine Querschnittsansicht des Fackelkamins,

Fig. 2 eine senkrechte Seitenansicht des oberen Teils des Kamins und des Mantels,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 2 bzw. Fig. 1,

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Fig. 4 eine geschnittene Detailansicht der Konstruktion des oberen Randes des Kamins und

Fig. 5 und 6 geschnittene Detailansichten der Dampfdüsen.

In Fig. 1 ist mit 10 der obere Teil des Fackelkamins bezeichnet. Eine zylindrische Stahlkonstruktion 12 wird senkrecht abgestützt und transportiert den nach oben gerichteten Strom der Brennstoffabgase, der durch die Pfeile 25 dargestellt wird. Das obere Ende des Kamins wird von einem Mantel 28 umgeben, der einen größeren Durchmesser aufweist als der Kamin 12 und sich über das obere Ende des Kamins 12 hinauserstreckt. Der Mantel trägt an setier oberen Randkante eine kreisrunde Dampfsammelleitung 38, die durch das Rohr 39 mit Dampf beliefert wird. Der Ringraum 30 zwischen dem Kamin 12 und dem Mantel 28 ist durch eine ringförmige Platte 35 geschlossen, die an der Verbindungsstelle 31 in herkömmlicher Weise angeschweißt ist. Der Mantel wird ferner durch .djee4eckförmige Knotenbleche 36 in der gezeigten Weise abgestützt, die in an sich bekannter Weise angeschweißt werden können.

Zwischen der oberen Randkante 13 des Kamins 12 und der Oberseite 45 der Sammelleitung 38 ist ein Abstand 44 gewählter Größe. Dadurch wird eine gewählte Verbrennungszone geschaffen, die gegen Querwinde geschützt ist, die sonst auf die Flamme und Verbrennung der Gase eine Kühlwirkung aufüben wurden.

Das obere Ende des Kamins 12 weist, wie in der in Fig. 4 dargestellten Detailansicht verdeutlicht ist, einen Innenflansch 14, 16 in Form einer doppelten Umkehrbiegung auf. Es sind mehrere öffnungen 18, 22 und 21 vorhanden, durch die aufsteigendes Gas 26 gemäß den Pfeilen 20, 22, 23 hindurchströmen und in die Verbrennungszone oberhalb der Randkante 13 des Kamins 12 gelangen kann.

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Das beispielsweise durch die öffnungen 18 gemäß dem Pfeil 20 strömende Gas erzeugt äußere Gasstrahlen, die sich mit dem aufsteigenden, das obereEnde des Kamins umgebenden Luftstrom, der durch den Ringraum 30 zwischen dem Kamin 12 und dem Mantel 28 strömt, vermischen. Dieser aufsteigende Luftstrom 34 entsteht durch mehrere öffnungen 32, die in der Nähe des Bodens des Mantels angeordnet sind. Die von dem Wind durch die öffnungen 32 getriebene Luft kann durch den Ringraum 30 gemäß den Pfeilen und 34 aufsteigen. Wenn kein Wind vorhanden ist, dann übt die durch die öffnungen 30 eintretende Luft eine Saugwirkung auf, und zwar aufgrund des Ansaugeffektes der Dampfdüsen 40 und 41, wodurch auf der Innenseite der Sammelleitung und unterhalb der Oberseite 45 ein geringerer Druck erzeugt wird. Die Verbrennungsluft 34, die sich mit dem Gas 26 in der ruhigen Atmosphäre der Zone 8 unterhalb der Oberseite 45, die vor Querwinde geschützt ist, vermischt, schafft ein stabiles Zünd- und Verbrennungsvolumen, so daß das Gas mit der Luft vollständig vermischt wird, und zwar bei einer Verbrennungstemperatur, die für ein vollständiges Zünden des Gases ausreicht, und eine stabile Flamme erzeugt wird.

Wenn die brennende Gassäule über das Niveau 45 hochsteigt, führen die Dampfstrahlen 42 und 43 aus den Düsen 40 und 41 einen zusützlichen Luftstrom 54 zusammen mit dem Dampf in die aufsteigende brennende Gassäule hinein, wie dies durch die Pfeile 56 angedeutet ist. Die eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Dampfstrahlen bewirken eine innige Vermischung der Verbrennungsluft 54, des Dampfes 42, und des brennenden Gases 56.

Fig. 2 zeigt eine Außenansicht des oberen Teils des Kamins, zu der der Kamin 12,der von der Platte 35 getragene Mantel 28 und die Knotenbleche 36 gehören sowie die DampfSammelleitung 38, die oben auf dem Mantel angebracht ist.

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Figur 3 zeigt eine Ansicht der Anordnung von Fig. 2 längs der Linie 3-3, aus der wieder der Kamin 12, der Innenflansch 16, die Platte 35, die Knotenbleche 36 und die Dampfsammei leitung 38 ersichtlich sind.

In Fig. 2 sind nur die Spitzen 40 und 41 der Dampfdüsen dargestellt, die über das Niveau der oberen Randkante 45 der Dampfsammei leitung hinausragen, so daß jegliches Geräusch, das an den Düsen entsteht, von der Dampfsammelleitung 38 und dem Mantel 28 daran gehindert wird, abwärts und nach außen in Richtung auf die Erdoberfläche in der Nähe des Kamins abzustrahlen.

In den Fig. 5 und 6 sind zwei Ansichten der Dampfdüsen dargestellt, von denen die eine in Fig. 5 unter einem Anstellwinkel von 45° in bezug auf die Horizontale angeordnet ist, während die andere in Fig. 6 eine Winkeleinstellung von 30° über der Horizontalen aufweist. Die Vielzahl der Düsen auf der inneren Oberfläche der Sammelleitung 38 weisen einen gleichen Abstand auf, und von beiden in den Figuren 5 und 6 gezeigten Düsentypen ist die gleiche Anzahl vorgesehen. Die abwechselnd aufeinanderfolgenden Düsen sind unter einem Winkel von 30° angeordnet, und die mittleren Düsen unter einem Winkel von 45°, so daß eine bessere Vermischung des Dampfes und der in die aufsteigende brennende Gassäule eingeführten Luft erfolgt.

Jede Düse besitzt einen Stahlzylinder 40, 41, der bei 46 in die Wand der Dampfsammelleitung 38 eingeschweißt ist. Außerdem ist eine Eintrittsöffnung 48 gewählten Durchmessers vorgesehen, deren Länge größer ist als ihr Durchmesser. Diese Eintrittsöffnung öffnet sich in eine zweite öffnung 50 größeren Durchmessers hinein, deren Länge ebenfalls größer ist als ihr Durchmesser. Im allgemeinen herrscht im Raum 44 innerhalb der Sammelleitung ein relativer Dampfdruck von 7,03 kp/cm², der um ein Vielfaches den Atmosphärendruck am Aus-

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trittsende der Düse übersteigt. Es ist bekannt, daß dann, wenn ein Gas aus einer Zone hohen Druckes durch eine einzelne öffnung in eine Zone niedrigen Druckes austritt, in der der absolute Druck größer ist als das Doppelte des absoluten Wertes des Austrittsdruckes, dieser Drucküberschuß zu einer Komression des Gases führt, und daß an dem Austritt der einzelnen öffnungen eine rasche Expansion des Gases erfolgt und eine Stoßwelle entsteht, die einen erheblichen Lärm verursacht. Durch Verwendung von zwei oder mehr öffnungen, die in Reihe hintereinander geschaltet sind und ausgewählte Durchmesser und Längen aufweisen, wird dann, wenn der Druck in der Sammelleitung größer ist als das Zweifache des Austrittsdruckes erreicht, daß der Durchgang durch die erste öffnung keine Stoßwellen verursacht, da das Gas von der zweiten öffnung umschlossen wird. Auch ist der Druck in der zweiten öffnung größer als der Atmosphärendruck.

Die in Reihe geschalteten beiden öffnungen sind so gebaut, daß der Druck in der zweiten öffnung, absolut gemessen, im wesentlichen das Zweifache des Druckes am Austritt der Düse beträgt. Demzufolge ergibt der Ausgang der zweiten öffnung eine Dampfgeschwindigkeit, die geringfügig geringer ist als Schallgeschwindigkeit, ohne daß Stoßwellenlärm erzeugt wird.

Erfindungsgemäß wird also ein verbesserter Kamin zur Verbrennung von Abgasen geschaffen, bei dem eine stabile Flamme hoher Temperatur durch einen zusätzlichen Mantel geschaffen wird, der sich über das obere Ende des Kamins hinauserstreckt. Es sind Mittel vorhanden, mit denen Luft in den Ringraum zwischen den Mantel und den Kamin eingeleitet wird, so daß in der Verbrennunqszone zwischen der oberen Randkante des Kamins und der oberen Randkante des Mantels eine Zündung und ruhige Verbrennung stattfinden kann.

Wenn Dampf in die brennenden Gase eingespeist werden soll, um dadurch

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die vollständige Verbrennung des Kohlenstoffs zu fördern, so geschieht dies mit Hilfe einer Dampfsammelleitung, die sich über dem Mantel befindet und der ruhigen Verbrennungszone eine zusätzliche Tiefe gibt, so daß die Verbrennungszone vor der von Querwiriden ausgehenden Kühlwirkung geschützt ist. Somit wird eine Flammentemperatur geschaffen, die hoch genug ist, um zur Verbesserung '■> der bei der Verbrennung erfolgenden chemischen Umsetzung mit Dampfeinstrahlung arbeiten zu können.

Mehrere Dampfstrahlen werden von mehreren Düsen erzeugt, die auf der inneren Oberfläche der Dampfs amme!leitung angeordnet sind, so daß die Dampfstrahlen mit Hilfe der Sammelleitung und dem Mantel vom Erdboden aus im wesentlichen verdeckt liegen, wodurch auch jeglicher erzeugter Lärm nur aufwärts abstrahlen kann und nicht zum Erdboden gelangt, und zwar sowohl nicht in unmittelbarer Nähe des Kamins als auch nicht in einiger Entfernung desselben.

Schließlich sind die Dampfdüsen mit mehreren in Reihe angeordneten Öffnungen versehen, und zwar ausgehend von einer Öffnung mit einem kleinen Durchmesser am Eintrittsende der Düse, und sich zu wenigstens einer zweiten Öffnung größeren Durchmessers als die erste Öffnung erweiternd, so daß der Druckabfall zwischen dem Dampf in der Sammelleitung und der Atmosphäre außerhalb der Düse in wenigstens einer Stufe auf einen mittleren Wert in der zweiten Öffnung erfolgt, der im wesentlichen dem doppelten absoluten Wert des Atmosphärendruckes entspricht und demzufolge in der Düse eine Dampfgeschwindigkeit erzeugt, die nahezu Schallgeschwindigkeit ist, wobei ein Minimum an durch Stoßw?len verursachten Lärm entsteht.

Die in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Linie 60 bedeutet eine herkömmliche Zündflamme, die kontinuierlich aufrechterhalten bleibt und dazu dient, das Gas 26, sobald es den oberen Teil des Kamins er-

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reicht und sich mit der primären Verbrennungsluft 34 vermischt, zu zUnden.

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Λ3.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

\\j/ Kamin zur rauchlosen und geräuscharmen Verbrennung von Brennstoff abgasen , mit einer Fackelkaminvorrichtung und einem das Austragsende des Kamins umgebenden Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (28) über eine gewählte Strecke (44) über das Austragsende (13) des Kamins (12) hinausragt, daß eine ringförmige Platte (35) den Ringraum (30) zwischen dem Kamin (12) und dem Mantel (28) am Boden des Mantels abschließt, daß mehrere Offnungen (32) in der Wand des Mantels (28) in der Nähe seines Bodens (35) vorgesehen sind, die zum Eintritt von primärer Verbrennungsluft (33) dienen, und daß eine Einrichtung zur Zündung des Abgases bei seinem Austreten aus dem Kamin (12) vorgesehen ist, wobei sich unmittelbar jenseits des Austragsendes (13) des Kamins (12) eine windgeschützte Verbrennungszone befindet, die zur Vermischung der primären Verbrennungsluft mit dem Abgas und zur Zündung sowie Verbrennung des Gemisches dient und eine Dampfsammeileitung (38) aufweist, die am Austragsende des Mantels (28) angeordnet ist, sowie mehrere Dampfdüsen (40, 41), die in_dia innere Oberfläche der Sammelleitung (38) abgedichtet eingesetzt sind und rund um den Umfang mit Abstand getrennt sind, wobei sie sich auf einer Ebene befinden, die unmittelbar in der Ebene des Austragsendes (45) der Sammelleitung (38) oder unterhalb dieser Ebene liegt.
2. Kamin nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (40, 41) alle unter dem gleichen Winkel zur Horizontalen angeordnet sina.
3. Kamin nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (40, 41) auf wenistens zwei unterschiedliche Winkel zur Horizontalen eingestellt angeordnet sind, wobei benachbarte Düsen verschiedene Winkel aufweisen.

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4. Kamin nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daB zwei Gruppen Düsen (40, 41) vorgesehen sind, und daß die Winkel 30° bzw. 45° betragen.
5. Kamin nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Düse (40, 41) einen Metallzylinder aufweist, der mit dem Inneren der Sammelleitung (38) in dichter Verbindung steht, sowie eine erste axiale öffnung (48) eines gewählten ersten Durchmessers und einer gewählten ersten Länge, die größer ist als der erste Durchmesser, und eine zweite öffnung (50), die koaxial zur ersten öffnung (48) angeordnet ist und ihr benachbart ist, wobei die zweite öffnung (50) einen zweiten gewählten Durchmesser und eine gewählte Länge aufweist, die größer ist als der zweite Durchmesser, und wobei der zweite Durchmesser größer ist als der erste Durchmesser.
6. Kamin nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (13) des Kamins (12) zylindrisch ist.
7. Kamin nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Gasaustragsvorrichtung am Ende des Kamins (12).
8. Kamin nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustragsvorrichtung einen umgebogenen Flansch (14, 16) aufweist, der sich nach innen erstreckt und in den mehrere öffnungen (18, 21, 22) eingebohrt sind, die wenigstens auf einem Kreis liegen.
9. Kamin nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen auf wenigstens diesem einen Kreis in Richtung nach außen unter einem Winkel von 1° bis 60° zur Senkrechten angeordnet sind.

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