DE3322119A1 - Verbrennungsanlage mit regenerativem waermeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsanlage und insbesondere auf eine stationäre vertikal angeordnete Verbrennungsanlage mit mehreren regenerativen Warmeaustauscherabschnitten, über denen eine gemeinsame Brennkammer angeordnet ist.

Stationäre Verbrennungsanlagen, die das Prinzip einer V/ärmeregeneration benutzen, sind bekannt. So beschreibt die US-PS 3 895 918 eine Verbrennungsanlage, bei der eine zentrale mit hoher Temperatur arbeitende Brennkammer mit drei oder mehreren ."Wärmeaustauscherabschnitten versehen ist, die mit der Kammer in Verbindung stehen. Jeder Wärmeaustauscherabschnitt weist eine große Zahl von sattelförmigen, beispielsweise aus Keramikmaterial bestehenden Elementen auf, die zwischen zwei im wesentlichen vertikal angeordneten gelochten Wänden angeordnet sind, die aus gelochtem Metallblech hergestellt waren. Jedem Abschnitt waren Einlaß- und Auslaßventile zugeordnet, die so betätigt wurden, daß dann, wenn die Abgase im wesentlichen horizontal durch das Wärmetauscherbett eintreten, das Abgasventil geschlossen war. Dabei war das

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Einlaßventil wenigstens eines weiteren Wärmeaustauschepabschnitts geschlossen und das Auslaßventil, welches mit einem Abgasgebläse verbunden war, wurde geöffnet»

Ein solcher Aufbau hat sich als höchst zufriedenstellend erwiesen und war auch wirtschaftlich erfolgreich, jedoch ergaben sich im Hinblick auf Konstruktionsmerkmale schwerwiegende Anforderungen an Material und Konstruktion. Beispielsweise mußte bei derartigen Verbrennungsanlagen die gelochte metallische Wand für diese Wärmeaustauschereletnente, die den hohen Temperaturen der zentralen Brennkammer ausgesetzt waren, eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen und eine extreme Festigkeit gegenüber den seitlichen Drücken, die von den Tausenden von Keramikelementen ausgeübt wurden, welche innerhalb des Bettes angeordnet waren, das teilweise von der Wand begrenzt war. So war es häufig notwendig, spezielle Stähle zu benutzen, die genügend widerstandsfähig waren, und es mußten Zugstäbe, Haltespangen und Tragelemente vorgesehen werden, damit die geometrische Integrität unter derart hohen Hitze- und Druckbedingungen aufrechterhalten wurde.

Die Eintritts- und Austrittskanäle, die individuell mit jedem Wärmeaustauscherabschnitt bei diesen bekannten Konstruktionen in Verbindung standen, waren an den Seiten der Abschnitte in relativ großer Höhe angeordnet. Hierdurch war es schwieriger, diese zu haltern, als wenn sie näher am Boden angeordnet wären. Um das Absenken der Keramikelemente in jedem Bett infolge der Gasgeschwindigkeit der Expansion und der Kontraktion zu kompensieren, erforderten diese bekannten Verbrennungsanlagen häufig

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die Anwendung spezieller Füllgatter, um das Bett mit zusätzlichen Keramikelementen anzufüllen. Hierdurch waren die "bekannten Aufbauten in der Herstellung und im Betrieb ziemlich teuer.

Als Alternative zu der zentralen Brennkammer mit einer Strömung durch diese hindurch von den Wärmeaustauscherabschnitten aus, die außerhalb hiervon vorgesehen waren, sind vertikale Yerbrennungseinrichtungen geschaffen worden. Innerhalb eines zylindrischen Mantels waren dabei beispielsweise drei oder mehr Wärmeaustauscherabschnitte vorgesehen, die allgemein einen pastetenförmigen Querschnitt besaßen, in denen die Wärmeaustauscherelemente angeordnet waren. Über allen getrennten Wärmeaustauscherabschnitten, die jeweils mit eigenen Einlaß- und Auslaßventilen versehen waren, befand sich eine gemeinsame Brennkammer. Die zu verbrennenden Abgase wurden am Boden einem ersten Wärmeaustauscherabschnitt mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit von beispielsweise 250 m/min zugeführt. Die Gase strömten durch diesen ersten Wärmeaustauscherabschnitt nach oben in die gemeinsame Brennkammer. Da das Einlaßventil wenigstens eines weiteren Brennkammerabschnitts geschlossen und das Auslaßventil, welches an ein Absauggebläse angeschlossen war, geöffnet war, konnten keine Abgase in dieses Bett eintreten, jedoch wurden die eine hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer nach unten in diesen Wärmeaustauscherabschnitt abgesaugt. Eines der Probleme, das mit derartigen vertikalen Verbrennungsanlagen verknüpft ist, war die Tatsache, daß, da die Abgase in die Brennkammer mit relativ geringer Geschwindigkeit eintraten, diese den kürzesten Pfad innerhalb der Kammer

suchten, d. h. nach dem benachbarten Bett, welches im Abgasbetrieb arbeitete, um hierüber auszutreten. Daher blieben die Abgase nicht in der Brennkammer so lange wie dies im Sinne einer vollständigen Verbrennung bei den in Frage kommenden hohen Temperaturen erforderlich war. Infolgedessen waren die Gase, die durch das Bett des benachbarten Brennkammerabschnitts austraten, nicht so weit erhitzt, wie das im Sinne einer ausreichenden Reinigung erforderlich war, und daher wurden die Keramikelemente des zweiten Bettes, wenn die Gase hindupchstrÖraten₉ nicht genügend aufgeheizt, um die Abgase vorzuheizen, wenn diese jenem Bett während des nächsten Zyklus zugeführt wurden.

Der Erfindung liegt daher die folgende Aufgabe zugrunde:

1. Es soll eine stationäre mit vertikaler Strömung arbeitende Verbrennungsanlage mit Wärmeregeneration geschaffen werden, bei der die Abgase so behandelt werden, daß sie in der gemeinsamen Brennkammer so lange verbleiben, wie dies nötig ist, um sie durch Verbrennung zu reinigen.

2. Es soll eine Verbrennungsanlage geschaffen werden, bei der eine Abgasströmung mit relativ geringer Geschwindigkeit in eine Strömung mit relativ hoher Geschwindigkeit am Eintritt in die Brennkammer umgexfandelt wird, um eine Gasturbulenz in jener Kammer zu erzielen und um hierdurch zu gewährleisten, daß die Gase genügend lange in der Brennkammer verbleiben, wobei gleichzeitig eine gleichmäßigere Wärmeverteilung erzielt wird.

3- Es soll eine stationäre mit vertikaler Strömung arbeitende Verbrennungsanlage mit Wärmeregeneration geschaffen werden, die einen vereinfachten Aufbau und eine relativ billige Konstruktion besitzt.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere benachbarte, im wesentlichen vertikal

angeordnete Gasbehandlungsabschnitte vorgesehen sind, von denen jeder Wärmeaustauscher Material in einer vorbestimmten Querschnittsfläche besitzt, wobei jeder Abschnitt eine Abdeckung mit Löchern aufweist, deren Querschnittsfläche beträchtlich kleiner ist als die Querschnittsfläche der Wärmeaustauscher.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Pig. Λ eine teilweise aufgebrochene Grundrißansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Yerbrennungsanlage,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 gemäß Pig. 1,

Pig. 3 eine perspektivische Teilansicht einer abgewandelten Ausführungsform,

Pig. 4- eine Grundrißansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Pig. 5 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht der in Pig. 4 dargestellten Anlage.

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In den Fig. 1 und 2 ist mit dem Bezugszeichen 10 insgesamt eine erfindungsgemäß ausgebildete Verbrennungsanlage bezeichnet, die einen zylindrischen metallischen äußeren Mantel 12 aufweist, der eine feuerfeste Auskleidung 14 besitzt, und durch einen kuppeiförmigen Deckel abgeschlossen ist, der aus einem äußeren Stahlblech 18 und einer inneren feuerfesten Auskleidung 19 besteht.

Die untere Hälfte des inneren Volumens des Mantels 12 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel in fünf allgemein pastetenförmige Wärmeaustauscherabschnitte unterteilt. Diese fünf Wärmeaustauscherabschnitte sind, wie bei 15 dargestellt₉ durch vertikale feuerfeste tJnterteilungswände 19 unterteilt, die radial von dem Mittelpfosten 21 nach außen verlaufen. Der Mantel 12 wird in seiner aufrechten Lage durch Doppel-T-Träger 13 gehalten.

Innerhalb eines jeden Abschnitts 15 befindet sich ein Stapel 15b aus keramischen, allgemein sattelförmigen Elementen 17» beispielsweise solchen, wie sie von der Firma "Norton Chemical Company" unter der Bezeichnung "Interlox" hergestellt werden. Diese Stapel werden von perforierten oder gestreckten metallischen Platten 15a getragen (oder von Platten aus geeignetem anderem starrem Material), die ihrerseits am Mittelpfosten 21 und an der inneren Oberfläche der feuerfesten Wand 14 befestigt sind. Ein Brenner 22 steht durch die Seitenwände 12, 14 in die Brennkammer 20 ein und wird mit Erdgas oder anderem Brennstoff gespeist. Dessen Funktion besteht darin, innerhalb der Brennkammer 20 eine sehr hohe Temperatur von etwa 815 °C oder mehr zu erzeugen. Unter den Betten, in die die Abgase eines industriellen Prozesses über

einen Eintrittskanal 11 eingeführt werden, wenn das zugeordnete Einlaßventil offen ist, sind Bäume 15c angeordnet. Der Eintrittskanal 11 steht mit einem torusförmigen Verteilerkanal 24- in Verbindung, der seinerseits mit jedem Wärmeaustauscherabschnitt 15 über radiale Zuführungskanäle 25 und entsprechende Ventile 27 in Verbindung steht. Außerdem ist an jeden Abschnitt 15 ein radial verlaufender Auslaßkanal 31 angeschlossen, der über Ventile 29 mit dem torusförmigen Abgaskanal 26 in Verbindung steht, der seinerseits über einen Auslaßkanal 28 mit einem Zentrifugalgebläse 30 i*i Verbindung steht, das durch einen Motor 32 angetrieben wird. Die Einlaßzuführungsvorrichtung 25 und die Austrittskanäle 31 sind mit Einlaß- und Auslaßventilen 27 bzw. 29 ausgestattet. Der Ausgang des Zentrifugalgebläses 30 wird einem Schornstein zugeführt oder in die TJmgebungsatmosphäre ausgeblasen.

Gemäß der Erfindung sind die oberen Oberflächen der Stapel keramischer Elemente 17 in einem beträchtlichen Abstand von den Abdeckungen 23 eines jeden Abschnitts angeordnet. Die Abdeckungen 23 selbst haben öffnungen 23a, die beträchtlich kleiner sind als die jeweiligen Querschnitte der Betten 15b. Wenn die Abdeckungen 23 nicht benutzt werden und statt dessen die gesamte obere Oberfläche der Betten der Brennkammer 20 ausgesetzt wäre, dann wurden die Abgase am Eingang 11 in die Kammer durch ein Bett mit einer Geschwindigkeit von etwa 225 m/min einströmen. Dann wurden die Abgase, nachdem sie nach dem Deckel des Bettes gelangt sind, den kürzesten und untersten Pfad nach dem nächsten Abschnitt 15 wählen, der im Abgasbetrieb arbeitet, d. h. dessen Einlaßventil 27 geschlossen ist und dessen Auslaßventil 29 offen ist. Auf

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diese Weise wurden die zu verbrennenden Gase über die terteilungswände zwischen den Abschnitten strömen und nicht genügend lang in der Kammer 20 verbleiben, um auf die höchste darin herrschende Temperatur gebracht zu werden, und die Gase wurden nicht genügend oxidiert werden können, um genügend gereinigte Abgase zu erzeugen.

Gemäß der Erfindung bilden die Abdeckungen 23 bzw. die Deckel 23 mit ihren im Querschnitt begrenzten öffnungen 23a eine relativ langsam sich bewegende Eingangsströmung, die in eine sehr viel höhere Geschwindigkeit mit beispielsweise 600 m/rain bis 900 m/min umgesetzt wird, und mit dieser Geschwindigkeit strömt das Gas durch die öffnung 23a. Dies hat zwei wichtige Wirkungen! (1) Der scharf aufsteigende Strom sucht eine Turbulenz in die Gase innerhalb der Brennkammer 20 einzuführen«, wodurch eine gute Gasvermischung bewirkt und eine gleichmäßige Wärmeverteilung gewährleistet wird; (2) Es wird ein Kurzschluß und ein unterer Strom der Abgase vom Kopf des Stapels 15b eines Wärmeaustauscherabschnitts _s der im Einlaßbetrieb arbeitet, nach dem Kopf des Stapels 15*> eines benachbarten Wärmeaustauscherabschnitts verhindert, der im Abgasbetrieb arbeitet.

Bei der Ausführungsform gemäß ]?ig. 1 und 2 bestehen die vertikalen Unterteilungswände 19 der Abschnitte aus feuerfestem Material. Infolge des thermischen Schocks und möglicherweise auch infolge der destruktiven Wirkung der Gase, die durch die Betten strömen, und aus anderen Gründen können diese feuerfesten Wände Tendenz zur Rissebildung zeigen. Dies würde zur Folge haben, daß die Gase im Kurzschluß nach der Brennkammer gelangen, indem die

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Gase direkt aus einer im Einlaßbetrieb arbeitenden Eammer nach einer im Auslaßbetrieb arbeitenden Kammer gelangen könnten, wodurch eine Oxidation nicht zustande kommen könnte.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Wärmeaustauscherabschnitte sind aus mehreren pastetenförmig gestalteten metallischen Behältern 33 zusammengesetzt, die mittels Flanschen 33 d am Boden befestigt sind. Jeder Behälter weist einen Deckel 33a mit einer Mittelöffnung 33c auf und ist von einem benachbarten Behälter in einem Abstand von beispielsweise 20 bis 30 cm angeordnet. So werden die Seitenwände jeweils voneinander getrennt und werden kühler gehalten als die feuerfesten Wände 19 nach dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2. Am Kopf der geraden Wände der pastetenförmig gestalteten Abschnitte 33 sind L-förmige Flansche 33*> befestigt, die so dimensioniert sind, daß die Bänder der Flansche etwas voneinander getrennt sind. An der Oberseite dieser Flanschabschnitte sind rechteckige Platten 35 durch Verschweißen, Verbolzen oder andere metallische Befestigungsmittel verbunden. Falls erforderlich, kann der Raum 34- zwischen benachbarten pastetenförmigen Abschnitten mit Luft oder gereinigten Abgasen angefüllt sein. Dies hätte den Vorteil einer Vorerhitzung der vertikalen geraden Wände, wodurch eine Wärmespeicherung unterstützt würde. Da jene Wände auf einer niedrigeren Temperatur stehen wurden und aus Metall hergestellt sind, ist die Gefahr von Leckstellen infolge von Rissen in den vertikalen benachbarten Wänden gegenüber der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 beträchtlich vermindert.

Die Pig. 4 und 6 veranschaulichen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei hat die Anlage im Grundriß betrachtet eine L-förmige Gestalt. Die allgemein mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnete Anlage umfaßt drei ineinander übergehende vertikale Aufbauten 40a, 40b und 40c, die jeweils einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweisen, wie dies aus der Zeichnung ersichtlich ist. In jedem dieser Abschnitte 40a bis 40c befindet sich ein Stapel von Wärmetauscherelementen aus Keramik oder "Steinen" 41, die von unten her durch eine gelochte oder gestreckte Metallträgerplatte 42 getragen werden, die ihrerseits auf einer Schulter 43 ruht, die in der inneren Seitenwand 44 ausgebildet ist. Eine Füllkammer 45 ist zwischen der oberen Oberfläche eines jeden Stapels 41 und jedem Deckelabschnitt 46 aus feuerfestem Material vorgesehen, der eine zentrale öffnung 46a aufweist, die einen Strahlausfluß, wie oben beschrieben, bewirkt.

Die Abgase aus einem industriellen Prozeß werden dem Einlaß 47 zugeführt und strömen durch den L-förmigen Einlaßverteilerkanal 48, der mit Zuführungskanälen 50 mit den Bäumen 49 unter dem Trägeraufbau 43 verbunden ist. Wenn die Abgase dem Bett des Abschnitts 40a zugeführt werden sollen, dann wird das Einlaßventil 52 dieses Abschnitts geöffnet und das Austrittsventil geschlossen. Die den Zuführungskanälen 50 zugeführten Abgase haben eine relativ geringe Geschwindigkeit und wenn sie nach oben durch das betreffende Bett 41 in dem Abschnitt 40a gelangen, dann werden sie auf eine sehr viel höhere Geschwindigkeit durch die Strahlwirkung beschleunigt, die beim Durchtritt durch die öffnung 46 eingeführt wird, und dadurch wird

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eine bessere Wärmeverteilung und Gasvermischung in der Brennkammer 51 gewährleistet. Außerdem erfolgt beim Aufsteigen eine Aufheizung.

Nachdem die Gase durch die hohe Temperatur innerhalb der Brennkammer 51 oxidiert sind, werden sie aus der Anlage 40 nach unten durch die öffnung im Deckel eines benachbarten Abschnitts 40a bis 40c abgesaugt. In Jenem benachbarten Abschnitt ist das zugeordnete Auslaßventil 53 offen und das Einlaßventil geschlossen und dadurch wird der L-förmige Auslaßkanal 55 ^m^ dem Raum 49 unter dem Bett in Verbindung gebracht. Die Leitung 55 ist ihrerseits mit dem Absauggebläse 60 verbunden, das durch den Motor 65 angetrieben wird. Die Erzeugung des Hochdruckstromes verhindert einen Kurzschluß der Abgase in einem unteren Pfad vom Kopf des einen Bettes nach dem Deckel und durch ein benachbartes Bett nach unten, während der Abgasbetrieb stattfindet.

Bei der dargestellten Vorrichtung wurde eine einzige runde öffnung 23a, 46a für jeden Wärmeaustauscherabschnitt benutzt, jedoch können diese öffnungen irgendeine Form haben und sie können sogar in Form mehrerer kleinerer öffnungen ausgebildet sein, die batterieartig zusammengefaßt sind. Unabhängig davon, ob Einzelöffnungen oder Gruppen von öffnungen vorgesehen werden, muß die Gesamtquerschnitt sflache für jeden Abschnitt etwa ein Viertel der Querschnittsfläche im Einlaufteil aufweisen, jedoch hängt dies noch von einer Anzahl anderer Faktoren ab, d. h. von der Höhe und Geometrie der gemeinsamen Brennkammer, von der Gasströmungsgeschwindigkeit, die vom Gebläse bestimmt wird, und von anderen Faktoren mehr.

Claims (10)

1. Patentanwälte „■_.-■ ■,·-.;·♦ D-'rpt.-:!ng. Curt Wallach Europäische Patentvertreter:. ^:„.. " ÜO ^jfi^riQ. Günther Koch European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

   Dip!-Ing. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

   Datum: 20.Juni 1983

   Unser Zeichen: 17 716

   Pat ent a η s ρ r ü c h e

   [ Λ J Yerbrennungsanlage mit regenerativem Värme» austauscher, gekennzeichnet d u r c h die folgenden Merkmale:

   (a) es sind mehrere benachbarte, im wesentlichen vertikale Gasbehandlungsabschnitte vorgesehen, von denen jeder folgende Teile umfaßt:

   (1) Wärmeaustauscher mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche und

   (2) einen Deckel für jeden Abschnitt, in dem öffnungen angeordnet sind₃ deren Querschnittsfläche beträchtlich kleiner ist als die vorbestimmte Querschnittsfläches und

   (b) eine Hochtemperaturbrennkammer, die über den Abschnitten angeordnet ist und in Gasströmungsverbindung mit diesen Abschnitten über die öffnungen steht.
2. 2. Verbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens drei Gasbehandlungsabschnitte vorgesehen sind.

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3. 3- Verbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Behandlungsabschnitt eine Füllkammer aufweist, die über dem Wärmeaustauscher und unter dem Deckel angeordnet ist und durch die die nach oben strömenden Gase, die aus dem Wärmeaustauscher austreten, hindurchströmen, die dann durch die öffnungen in die Brennkammer eintreten.
4. 4. Verbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Deckel im wesentlichen kuppeiförmig gestaltet sind und daß die öffnungen im wesentlichen zentral im Deckel angeordnet sind.
5. 5· Verbrennungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschnitte eine Querschnittsform in Gestalt von Kreissektoren aufweisen und daß die Sektoren radial um die vertikale Achse der Anlage herum angeordnet sind.
6. 6. Verbrennungsanlage nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Abschnitte geraeinsame vertikale Trennwände aus feuerfestem Material aufweisen.
7. 7· Verbrennungsanlage nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Abschnitte vertikale Seitenwände aufweist, die durch entsprechende Bäume von den vertikalen Seitenwänden

   O O Z. Δ I I CJ

   der Abschnitte benachbart hierzu getrennt sind? und daß die vertikalen Seitenwände aus einem wärmeleitenden Material bestehen»
8. 8. Verbrennungsanlage nach Anspruch 1₉ dadurch gekennzeichnet ₉ daß konzentrische kreisförmige Einlaß- und Auslaßkanäle vorgesehen sind, die die Gasbehandlungsabschnitte umgeben«
9. 9· Verbrennungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet ₉ daß mehrere allgemein horizontale Zuführungskanäle jeweils aait dem Hingkanal an jedem Behandlungsabschnitt verbunden sind und daß diese außerdem am Ringkanal unter dem Wärmeaustauscher verbunden sind und daß die Zuführungskanäle mit Ventilen dort ausgestattet sind, wo sie mit dem Eingkanal in Verbindung stehen«,
10. 10. Verbrennungsaniage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß allgemein L-förmige Verteilerkänäle parallel zueinander und zu zwei benachbarten Seiten der Behandlungsstationen vorgesehen sind und daß jeder Abschnitt mit Leitungen versehen ist, mit denen ein Punkt darin unter dem Wärmeaustauscher mit beiden L»förmigen Kanälen über Ventile verbunden ist«