DE3420408A1 - EXHAUST GAS BURNERS - Google Patents
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Description
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NUKEM GmbHNUKEM GmbH
6450 Hanau 116450 Hanau 11
Brenner zum Verbrennen von AbgasenBurners for burning exhaust gases
Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Verbrennen von Abgasen mit Hilfe von Oxidationsmitteln, insbesondere von Abgasen aus kerntechnischen Prozessen, bestehend aus einem Hochtemperaturteil mit Mischkammern und einem Nachreaktionsteil. The invention relates to a burner for burning exhaust gases with the aid of oxidizing agents, in particular exhaust gases from nuclear processes, consisting of a high-temperature part with mixing chambers and a post-reaction part.
Das gesteigerte Umweltbewußtsein und die schärferen Abgasgesetze haben die Anwendung der thermischen Nachverbrennung in den letzten Jahren stark vorangetrieben.The increased environmental awareness and the stricter exhaust gas laws have the application of thermal afterburning strongly advanced in recent years.
Üblicherweise bestehen Anlagen zur Verbrennung von schadstoffhaltigen, brennbaren Abgasen aus einem Brenner, einer Brennkammer und einem Wärmetauscher. Die Konzentration der entstehenden brennbaren Abgase ist bei den meisten technischen Prozessen stark schwankend, so daß, um eine ausreichende Verbrennung zu gewährleisten, eine Stützfeuerung vorhanden sein muß. Diese Stützbrenner werden normalerweise mit Propan, Erdgas oder Öl als Brenngas betrieben.Usually there are plants for the incineration of pollutant-containing, combustible exhaust gases from a burner, a combustion chamber and a heat exchanger. The concentration of flammable exhaust gases produced fluctuates greatly in most technical processes, so that in order to ensure sufficient To ensure combustion, support firing must be available. These support burners are usually operated with propane, natural gas or oil as fuel gas.
Für die Abgasverbrennung werden in der Regel sehr weite Betriebsbereiche der Brenner verlangt. Dem steht jedoch entgegen, daß sich die Leistung der meisten Verbrennungsvorrichtungen nicht unter 20 % des Maximalwertes drosseln läßt, da die Brenner dann instabil werden und gegebenenfalls verlöschen. As a rule, very wide operating ranges are required for exhaust gas combustion the burner demands. However, this is countered by the fact that the performance of most combustion devices can not be throttled below 20% of the maximum value, as the burners will then become unstable and possibly go out.
Solche Brenner müssen je nach Betriebsart und Wärmelast über sogenannte Zündeinrichtungen, z.B. Zündbrenner, über Flammenwächter, z.B. UV-Zellen, und über Steuergeräte, z.B. Begrenzer, Schalter, Regler, verfügen. Die Kopplung von Flammenwächter und Steuergerät erfolgt im sogenannten Feuerungsautomat. Im Steuerungsteil des Feuerungsautomaten laufen, je nach Brennerleistung, verschiedene, genau vorgeschriebene Zeitzyklen zum Zünden, Spülen und Wiederzünden der Flamme ab.Depending on the operating mode and heat load, such burners must have so-called ignition devices, e.g. pilot burners Flame monitors, e.g. UV cells, and control devices, e.g. limiters, switches, regulators. The coupling of The flame monitor and control device are installed in what is known as the burner control unit. In the control part of the burner control unit Depending on the burner output, different, precisely prescribed time cycles run for ignition, purging and re-ignition the flame.
Die Verbrennung der Abgase erfolgt zum überwiegenden Teil in der Flamme des Brenners, der sogenannten Hochtemperaturzone, während die Brennkammer als Nachreaktionszone dient.The combustion of the exhaust gases takes place predominantly in the flame of the burner, the so-called high temperature zone, while the combustion chamber serves as a post-reaction zone.
Die bekannten Brenner zur Verbrennung von Abgasen benötigen einen erheblichen regelungstechnischen Aufwand. Hierzu kommen noch Rohrleitungen für den Brennstoff des Stützbrenners, für die Luftzufuhr des Stützbrenners, für den Brennstoff des Zündbrenners und für die Luft des Zündbrenners.The known burners for the combustion of exhaust gases require considerable control engineering effort. Come to this pipelines for the fuel of the auxiliary burner, for the air supply of the auxiliary burner, for the fuel of the pilot burner and for the air of the pilot burner.
Die Rohrleitungen müssen normalerweise über je ein Regelventil und über je ein Schnellschlußventil verfügen. Alle **Q diese geforderten technischen Einrichtungen sind aber mögliche Störungsquellen.The pipelines must normally each have a control valve and a quick-closing valve. However, all ** Q of these required technical facilities are possible sources of interference.
Die Anwendung dieser raumaufwendigen und störanfälligen Technologien zur Verbrennung von Abgasen in kerntechnischen Kontrollbereichen, insbesondere in der Boxentechnik, ist somit sehr problematisch.The application of this space-consuming and failure-prone Technologies for the combustion of exhaust gases in nuclear control areas, especially in box technology therefore very problematic.
So ist die Handhabung brennbarer Stoffe in geschlossenen Boxen nach Möglichkeit zu minimieren. Boxenraum ist teuer, für die erforderlichen Rohrleitungen wird aber erheblich Platz benötigt, zumal alle Einbauten mit der Manipulatortechnik handhabbar sein müssen. Außerdem produziert ein konventionell gefeuerter Brenner zusätzliches Abgas, was wiederum zur Vergrößerung der notwendigen Absolutfilter führt.So the handling of flammable substances is in closed Minimize boxes as much as possible. Box space is expensive, but the necessary piping will be considerable Requires space, especially since all built-in components must be manageable with the manipulator technology. Also produces a Conventionally fired burners generate additional exhaust gas, which in turn increases the size of the absolute filter required leads.
Unter Umständen wird beim Anfahren des Brenners durch häufige Zündversuche sehr viel Ruß produziert. Dieser verstopft dann die nachfolgenden Filtereinrichtungen und führt zu Betriebsunterbrechungen. Außerdem führt Stromausfall zu einer spontanen Abschaltung der Stützflamme. Dadurch wird durch den Feuerungsautomat die Spülung der Brennkammer mit Luft oder Inertgas eingeleitet. Auch in diesem Fall wird Ruß produziert, da weiterhin Abgas zur Verbrennung ansteht.When the burner is started up, frequent ignition attempts may produce a great deal of soot. This clogs then the subsequent filter devices and leads to operational interruptions. It also leads to power failure a spontaneous shutdown of the supporting flame. This means that the combustion chamber is flushed with the burner control Air or inert gas introduced. In this case too, soot is produced because exhaust gas is still available for combustion.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner zum Verbrennen von Abgasen mit Hilfe von Oxidationsmitteln, insbesondere von Abgasen aus kerntechnischen Prozessen zu entwickeln, bestehend aus einem Hochtemperaturteil mit Mischkammern und einem Nachreaktionsteil, der raumsparend und betriebssicher ist, wenig Sekundärabgas liefert, leicht handhabbar ist und kritikalitätssicher ausgeführt werden kann.It was therefore the object of the present invention to provide a burner for burning exhaust gases with the aid of oxidizing agents, in particular to develop exhaust gases from nuclear processes, consisting of a high-temperature part with mixing chambers and a post-reaction part that is space-saving and reliable, little secondary exhaust gas delivers, is easy to handle and can be implemented in a criticality-safe manner.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Hochtemperaturteil zwei oder mehrere von voneinander unabhängigen Heizkreisen gesteuerte Heizwicklungen angeordnet sind und daß in der ersten der hintereinander angeordneten Mischkammern tangential vier Zuführungen für das Oxidationsmittel und in den weiteren Mischkammern tangential jeweilsThis object was achieved in that in the High temperature part arranged two or more heating coils controlled by independent heating circuits are and that in the first of the mixing chambers arranged one behind the other four tangential feeds for the oxidizing agent and in each of the further mixing chambers tangentially
zv/ei Zuführungen für das Oxidationsmittel angebracht sind. 35zv / ei feeds for the oxidizing agent are attached. 35
Vorzugsweise ist die erste Mischkammer zur Hochtemperaturzone hin konisch erweitert. Weiterhin ist es vorteilhaft, das Verhältnis Mischkammerausgangsdurchmesser D zu Mischkammereingangsdurchmesser d der ersten Mischkammer so zu wählen, daß der Wert zwischen 1,2 und 1,5 liegt. Als günstig hat es sich auch herausgestellt, durch Rohreinsätze den freien Durchmesser des Hochtemperaturteils variabel gestalten zu können.The first mixing chamber is preferably widened conically towards the high-temperature zone. It is also advantageous the ratio of the mixing chamber outlet diameter D to the mixing chamber inlet diameter d of the first mixing chamber should be selected so that the value is between 1.2 and 1.5. As cheap It has also been found that the free diameter of the high-temperature part can be made variable by means of tube inserts to be able to.
Bei der Verwendung des Brenners in abgeschlossenen Boxen ist es vorteilhaft, den Hochtemperaturteil aus Einzelteilen zusammenzusetzen, die einzeln durch eine Deckelöffnung aus dem Gehäuse des Hochtemperaturteils entfernt werden können.When using the burner in closed boxes, it is advantageous to make the high-temperature part from individual parts assemble that individually through a lid opening the housing of the high-temperature part can be removed.
Ein solcher Brenner ist leicht handhabbar und betriebssicher, raumsparend und liefert keine zusätzlichen Sekundärabgase, wie sie bei einer Stützfeuerung zwangsläufig entstehen.Such a burner is easy to handle and reliable, saves space and does not provide any additional secondary exhaust gases, as they inevitably arise with auxiliary firing.
Die Aufteilung der Verbrennung der schadstoffhaltigen, brennbaren Abgase in mehrere Abschnitte mit gesonderten Mischkammern und gesondert gesteuerten Heizwicklungen erbringt im Zusammenwirken mit der tangentialen Zuführung des Oxidationsmittels, im Normalfall Luft, eine optimale, praktisch quantitative Umsetzung der Schadstoffe. Auf eine Stützfeuerung kann völlig verzichtet werden, so daß keine zusätzlichen Abgase entstehen.The division of the incineration of the pollutant, provides combustible exhaust gases in several sections with separate mixing chambers and separately controlled heating coils in cooperation with the tangential supply of the oxidizing agent, normally air, an optimal, practically quantitative conversion of the pollutants. Support firing can be completely dispensed with, so that none additional exhaust gases arise.
Die Abbildungen I und II zeigen schematisch eine beispiel-Figures I and II show schematically an example
hafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners, wobei Abbildung I einen Längsschnitt und Abbildung II einen Querschnitt entsprechend der Linie A-B wiedergibt.adhesive embodiment of the burner according to the invention, wherein Figure I shows a longitudinal section and Figure II shows a cross section along the line A-B.
Die Abgase strömen dem Brenner im Hochtemperatürteil (18) durch den Anschluß (1) an der ersten Mischkammer (3) mittig zu. In der konischen Mischkammer (3) befinden sich an vier Stellen über den Umfang verteilt tangential angeordnete Zuführungen (2) für das Oxidationsmittel. Die Konizität begünstigt die Durchmischung des Abgases mit dem Oxidationsmittel. Hierfür wird vorzugsweise Luft oder z.B. ein Luft-Sauerstoff gemisch verwendet. Es hat sich als günstig herausgestellt, wenn das Öffnungsverhältnis der ersten Mischkammer (3), Austrittsdurchmesser (D) zu Eintrittsdurchmesser (d), im Bereich von 1,2 bis 1,5 liegt. Das Abgas-Luftgemisch strömt nach der ersten Mischkammer (3) in die erste Hochtemperaturzone (19) und zündet an der Heizwendel (6) des ersten elektrischen Heizkreises. In dieser ersten Hoch-The exhaust gases flow into the burner in the high-temperature door part (18) through the connection (1) on the first mixing chamber (3) in the middle. There are four in the conical mixing chamber (3) Places tangentially arranged feeds (2) for the oxidizing agent distributed over the circumference. The conicity favors the mixing of the exhaust gas with the oxidizing agent. Air or, for example, air-oxygen is preferably used for this mixed used. It has been found to be beneficial if the opening ratio of the first mixing chamber (3), outlet diameter (D) to inlet diameter (d), is in the range from 1.2 to 1.5. The exhaust-air mixture flows after the first mixing chamber (3) into the first high temperature zone (19) and ignites at the heating coil (6) of the first electrical heating circuit. In this first high-
IS temperaturzone (19) findet eine leicht unterstöchiometrische Verbrennung statt.IS temperature zone (19) finds a slightly substoichiometric one Incineration takes place.
In der nächsten Mischkammer (5) wird über zwei Zuführungen (8) ebenfalls tangential Oxidationsmittel (Luft, Sauerstoff öder Luft-Sauerstoffgemisch) überstöchiometrisch eingeblasen und in der zweiten Hochtemperaturzone (20) mit Hilfe der zweiten Heizwendel (9) das Gemisch weiterverbrannt. Die Art, mehrere Mischkammern (3,5) und Hochtemperaturzonen (19,20) hintereinander anzuordnen, verhindert die Überhitzung an einer Stelle des Brenners. Ebenso wird die Bildung von Stickoxiden stark eingeschränkt. Nach der Reaktion in der letzten Hochtamperaturzone (20) strömt das Gas durch den Endring (10) und die Planschverbindung (11) in den Nachreaktionsteil (17) des Brenners. Der Endring (10) dientIn the next mixing chamber (5), oxidizing agent (air, oxygen) is also tangentially supplied via two inlets (8) or air-oxygen mixture) blown in excessively stoichiometrically and in the second high temperature zone (20) with the aid the second heating coil (9) continues to burn the mixture. The type, multiple mixing chambers (3.5) and high temperature zones Arranging (19, 20) one behind the other prevents overheating at one point on the burner. So is education severely restricted by nitrogen oxides. After the reaction in the last high temperature zone (20), the gas flows through the end ring (10) and the splash connection (11) in the post-reaction part (17) of the burner. The end ring (10) is used
^O vornehmlich der Wärmeabfuhr und ist vorzugsweise aus Aluminiumoxid angefertigt.^ O mainly the heat dissipation and is preferably made of aluminum oxide prepared.
Der Nachreaktionsteil (17) besteht aus einem außen beheizten Rohr (14) mit innenliegendem Verdrängkörper (13). DerThe post-reaction part (17) consists of an externally heated tube (14) with an internal displacement body (13). Of the
so entstehende Ringraum mit beispielsweise maximal 100 mm Ringspaltweite, je nach Spaltstoffkonzentration in einemthe resulting annular space with, for example, a maximum of 100 mm annular gap width, depending on the concentration of fissile material in one
-δ-aus kerntechnischen Anlagen stammenden Abgas, wird zur Nachreaktion bei Temperaturen um 800 0C verwendet. Zum Schutz des Verdrängkörpers (13) ist an dessen Vorderseite zum Hochtemperaturteil (18) hin eine keramische Spitze (12) angebracht. An der gegenüberliegenden Seite des Verdrängkörpers (13) befinden sich Kühlanschlüsse (16).-δ-derived from nuclear facilities exhaust gas is used for the subsequent reaction at temperatures of about 800 0 C. To protect the displacement body (13), a ceramic tip (12) is attached to its front side facing the high-temperature part (18). There are cooling connections (16) on the opposite side of the displacement body (13).
Die Rauchgase entweichen durch den Stutzen (22), der radial am Ende des Nachreaktionsteils (17) angebracht ist.The flue gases escape through the nozzle (22) which is attached radially at the end of the post-reaction part (17).
Die Möglichkeit, den freien Durchmesser des Hochtemperaturteils (18) durch Rohreinsätze (7) zur Anpassung an verschiedene Spaltstoffgehalte zu variieren, macht den Brenner vor allem auch für kerntechnische Einsätze brauchbar. Außerdem dienen die Rohreinsätze (7) zum Schutz der Heizwendel (6,9) vor Korrosion und Übertemperatur.The possibility of adjusting the free diameter of the high-temperature part (18) through tube inserts (7) to various Varying the content of fissile material makes the burner particularly useful for nuclear applications. aside from that the pipe inserts (7) serve to protect the heating coil (6,9) from corrosion and excess temperature.
Für den kerntechnischen Boxenbetrieb stellt sich als besonders günstig dar, daß die Einzelteile (5,6,7,8,9,10) des Hochtemperaturteils (18) nach Entfernen des Deckels (4) herausnehmbar sind.For the nuclear pit operation it turns out to be particularly favorable that the individual parts (5,6,7,8,9,10) of the High-temperature part (18) can be removed after removing the cover (4).
Die Einfachheit der Regelung, es werden nur elektrische Heizungen mit Hilfe von Thermoelementen geregelt, sowie das 2^ Fehlen der Anschlußleitungen herkömmlicher Brenner, machen den Brenner sehr betriebssicher und raumsparend. Hervorzuheben sind vor allem die absolute Zündsicherheit und der gute Ausbrand in weiten Bereichen des Abgas-Luftverhältnisses. Wichtige Meßstellen, vor allem zur Regelung der Heizungen werden doppelt überwacht. Am Ende des Hochtemperaturteils (18) befindet sich die vorgeschriebene Meßstelle (21) für die Brennkammeraustrittstemperatur. Der Brenner kann auch mit den vorgeschriebenen EinspeiseverriegelungenThe simplicity of the scheme, only electric heaters using thermocouples are regulated, as well as the 2 ^ lack of connecting lines of conventional burners, make the burner very reliable and space-saving. Particularly noteworthy are the absolute ignition reliability and the good burn-out in large areas of the exhaust-air ratio. Important measuring points, especially for regulating the heating, are monitored twice. The prescribed measuring point (21) for the combustion chamber outlet temperature is located at the end of the high-temperature part (18). The burner can also be equipped with the prescribed feed locks
ausgerüstet werden.
35be equipped.
35
1 Bei Stromausfall wird für eine gewisse Zeit das noch zugeführte Abgas am heißen Brennerstein gezündet und sicher verbrannt. Die Anlage kann dann ohne Rußbildung bzw. Freisetzung unverbrannter Schadgase langsam abgefahren werden.1 In the event of a power failure, the exhaust gas that is still supplied is ignited safely on the hot burner quarl for a certain period of time burned. The system can then be shut down slowly without soot formation or the release of unburned harmful gases.
PAT/Dr. Br-AD 23.05.1984PAT / Dr. Br-AD 05/23/1984
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Claims (1)
Brenner zum Verbrennen von Abgasen mit Hilfe von Oxidationsmitteln, insbesondere von Abgasen aus kerntechnischen Prozessen, bestehend aus einem Hochtemperatürteil mit Mischkammern und einem Nachreaktionsteil, dadurch gekennzeichnet, daß im Hochtemperatürteil (18) zwei oder mehrere von voneinander unabhängigen Heizkreisen gesteuerte Heizwicklungen (6,9) angeordnet sind, und daß in der ersten der hintereinander angeordneten Mischkammern (3) tangential vier Zuführungen (2) für das Oxidationsmittel und in den weiteren Mischkammern (5) tangential jeweils zwei Zuführungen (8) für das Oxidationsmittel angebracht sind. Claims
Burner for burning exhaust gases with the aid of oxidizing agents, in particular exhaust gases from nuclear processes, consisting of a high-temperature door part with mixing chambers and a post-reaction part, characterized in that in the high-temperature door part (18) two or more heating coils (6,9) controlled by independent heating circuits are arranged, and that in the first of the mixing chambers (3) arranged tangentially four feeds (2) for the oxidizing agent and in the further mixing chambers (5) tangentially two feeds (8) for the oxidizing agent.
35is flared.
35
23.05.1984PAT / Dr.Br-AD
05/23/1984
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