DE3603788A1 - Brennkammer-anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer-Anordnung zur Verbrennung von flüssigen gasförmigen oder fluidisierten festen Brennstoffen oder zur Nachverbrennung von schadstoffbelasteten Abgasen.

Mit den üblicherweise verwendeten Verbrennungs-Systemen lassen sich die verschärften gesetzlichen Bestimmungen zur Rein­ haltung der Luft dann nicht mehr erfüllen, wenn die Brennstoffe bestimmte Schadstoffe enthalten. Zu solchen Brennstoffen gehört PCB-haltiges Altöl, Deponiegas und Pyrolysegas, das bei der Hausmüll-Pyrolyse gewonnen wird. Bei der Verbrennung dieser Brennstoffe entstehen hochgiftige Dioxine, die nur beseitigt wer­ den können, wenn im Brennraum ein gleichmäßiges Temperaturfeld von mehr als 1200°C geschaffen wird und eine Verweildauer des Brennstoffs im Brennraum von mindestens 0,3 sec gewährleistet wird. Diese Bedingungen erfüllen die bekannten Verbrennungs- Systeme nicht.

In der Regel wird bei diesen eine Flamme in den Brenn­ raum eines Kessels gerichtet, wobei die den Brennraum begrenzen­ den Wände zugleich für die Wärmeübertragung an ein äußeres Wärme­ abgabe-System mit ausgenutzt werden. Auf diese Weise ist weder ein gleichmäßiges Temperaturfeld im gesamten Brennraum erreich­ bar, weil die Flamme den Brennraum nur teilweise ausfüllt und weil die Wände durch die Wärmeabführung kühler als der Brennraum sind, noch ist die Verweilzeit im Brennraum groß genug. Auch ist mit einem solchen System nicht zu gewährleisten, daß Temperatur­ spitzen von mehr als 1300°C vermieden werden, was aber vorge­ schrieben ist, um die Bildung von Stickoxiden zu verhindern.

Die gleichen Voraussetzungen müssen auch bei der ther­ mischen Nachverbrennung von schadstoffbelasteten Abgasen erfüllt werden, z. B. von Abgasen aus Gasmotoren, die mit Deponiegas be­ trieben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brenn­ kammer-Anordnung zu schaffen, die eine intensive Mischung der Reaktionspartner, ein gleichmäßiges Temperaturfeld von mehr als 1200°C im Brennraum und eine Verweilzeit von mindestens 0,3 sec im Brennraum gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Brennkammer-Anordnung als Zylinder ausgebildet ist, in dessen Mantel an oder nahe seinem einen Ende mehrere Ein­ lässe zur tangentialen Einleitung aller Reaktionsstoffe angeord­ net sind, und an dessem anderen Ende sich der Auslaß befindet.

Die Einlässe können dabei im gleichen Umfangsbereich des Zylinders, jedoch in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sein. Sie können aber auch in Achsrichtung nebeneinan­ der angeordnet sein.

In jedem Fall werden die Stoffe durch die tangentiale Einleitung verdrallt. Ist der im Brennraum erzeugte Drall groß genug, so entsteht neben einer Vorströmung von den Einlässen zum Auslaß, die infolge der Zentrifugalkraft im Bereich der Zylinder- Innenwand verläuft, eine zentrale axiale Rückströmung. Bedingt durch diese Strömungsführung werden die Reaktionsstoffe intensiv gemischt, so daß im Brennraum ein gleichmäßiges Temperaturfeld entsteht. Dies setzt allerdings voraus, daß zur Wärmeübertragung nicht die Wände der Brennkammer-Anordnung herangezogen werden, sondern daß die Wärmeübertragung in einem nachgeschalteten Wär­ meübertrager, in den die Verbrennungsgase eingeleitet werden, erfolgt.

Die erfindungsgemäße Brennkammer-Anordnung kann für sich allein zur Verbrennung üblicher Brennstoffe eingesetzt wer­ den, jedoch ist sie besonders für die Verbrennung von schadstoff­ belasteten Brennstoffen und zur Nachverbrennung von schadstoffbe­ lasteten Rauchgasen geeignet.

Dabei ist es z. B. zweckmäßig, an der Brennkammer- Anordnung zwei Einlässe vorzusehen, wobei an einem Einlaß ein handelsüblicher Brenner angeschlossen wird, in dem z. B. Deponie­ gas verbrannt wird, so daß dessen Brenngase tangential in die Brennkammer-Anordnung eingeleitet werden, während dem zweiten Einlaß die erforderliche Verbrennungsluft zugeführt wird. Auf diese Weise wird bei einem gleichmäßigen Temperaturfeld die not­ wendige Verweilzeit, die in dem handelsüblichen Brenner nicht er­ reichbar ist, in der nachgeschalteten Brennkammer-Anordnung er­ gänzt, wobei gleichzeitig in der Brennkammer-Anordnung eine sta­ bile Verbrennung mit vollständigem Ausbrand sichergestellt wird. Durch Regelung von Menge und gegebenenfalls zusätzlicher Primär­ energie der in die Brennkammer-Anordnung eingeleiteten Stoffe kann die Durchmischung und die Temperatur im Brennraum einge­ stellt werden.

Vorzugsweise mündet der Auslaß der Brennkammer-Anord­ nung in den Heizraum eines Wärmeübertragers, z. B. eines Dampf­ kessels, wobei kühles Rauchgas, das hinter dem Wärmeübertrager abgezweigt wird, in die Brennkammer-Anordnung eingeleitet wird. Dies kann am Einlaß für die Verbrennungsluft erfolgen, jedoch kann das Rauchgas auch tangential durch einen dritten Einlaß ein­ geleitet werden. Der dritte Einlaß kann dabei im gleichen Um­ fangsbereich angeordnet sein wie die beiden anderen Einlässe.

Durch die Einleitung kalter Rauchgase ist es möglich, Temperaturspitzen über 1300°C und damit die Bildung von Stick­ oxiden zu vermeiden.

Dabei ist es auch möglich, dem einen Einlaß nur einen Teil der Verbrennungsluft zuzuführen und den anderen Teil der Verbrennungsluft an einer Stelle tangential einzuleiten, die sich in der Nähe des Auslasses befindet. Auf diese Weise kann die Verbrennung zweistufig durchgeführt werden, wobei je nach Größe des zugeführten Anteils der Verbrennungsluft in den beiden Zonen die Verbrennung über- oder unterstöchiometrisch ablaufen kann.

Es ist auch möglich, die tangentiale Einleitung der Reaktionsstoffe etwas schräg in die Brennkammer-Anordnung unter einem spitzen Winkel zu deren Achse zu bewirken, um die axiale Vorströmung zu unterstützen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 eine Brennkammer-Anordnung gemäß der Erfin­ dung in Vorderansicht,

Fig. 2 die Anordnung von Fig. 1 in Seitenansicht,

Fig. 3 die Brennkammer-Anordnung in einem System zur Verbrennung von schadstoffhaltigem Brenn­ stoff,

Fig. 4 eine schematische Darstellung für die Reihen­ folge der Einleitung der Reaktionsstoffe bei der Anordnung gemäß Fig. 3 und

Fig. 5 eine schematische Darstellung für die Rei­ henfolge der Einleitung der Reaktionsstoffe bei der thermischen Nachverbrennung von schadstoffbelasteten Abgasen.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Brennkammer-Anordnung besteht aus einem innen mit Stampfmasse ausgefüllten Zylinder 1, dessen eines Stirnende vollständig geschlossen ist, und in dessem anderen Stirnende sich zentral der Auslaß 2 befindet. Am oder nahe an dem dem Auslaß 2 abgekehrten Ende des Zylinders sind zwei Einlässe 3 und 4 bildende Stutzen so angebracht, daß deren Öff­ nungen 5 und 6 tangential in den Brennraum 7 münden. Bei dem dar­ gestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die Einlässe 3 und 4 im gleichen Umfangsbereich des Zylinders, jedoch sind sie in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet, so daß je nach Anwendungszweck die Reaktionspartner in einer vorgegebenen Rei­ henfolge in den Brennraum 7 eingeführt werden. Durch die tangen­ tiale Einführung der Stoffe stellt sich eine Drallströmung ein, die im Bereich der Zylinder-Innenwand von den Einlässen in Rich­ tung zum Auslaß wandert, und zugleich bildet sich infolge des Dralls ein zentraler axialer Rückstrom, so daß sich eine innige Durchmischung der Reaktionsstoffe ergibt, die eine gleichmäßige Verbrennung bei gleichmäßigem Temperaturfeld im gesamten Brenn­ raum zur Folge hat. Im Brennraum 7 halten sich die darin ver­ brannten Stoffe ausreichend lange Zeit, um die vorgeschriebene Verweilzeit von 0,3 sec sicherzustellen.

Fig. 3 zeigt ein System zur Verbrennung von schadstoff­ haltigen Brennstoffen.

Hier ist die Brennkammer-Anordnung 1 zwischen einem handelsüblichen Brenner 8 und einem Kessel 9 eingefügt. Vom Bren­ ner 8 werden die Brenngase über den Einlaß 3 tangential in die Brennkammer-Anordnung 1 eingeleitet, und die notwendige Verbren­ nungsluft wird über den in Umfangsrichtung folgenden Einlaß 4 ebenfalls tangential zugeführt, wobei durch die Verbrennung in der Brennkammer-Anordnung 1 die notwendige Verweilzeit bei gleichmäßiger Temperatur im Brennraum erreicht wird, die im Bren­ ner 8 allein nicht erzielt werden kann. Da in der Brennkammer- Anordnung 1 keine Wärmeabführung erfolgt, d. h. die Brennkammer­ wände heiß sind, läßt sich im Brennraum 7 ohne Schwierigkeiten ein einheitliches Temperaturfeld aufrecht erhalten, und in den Kessel 9 treten nur Brenngase ein, denen dann dort Nutzwärme ent­ zogen werden kann. Um Temperaturspitzen zu vermeiden, die zur un­ erwünschten Entstehung von Stickoxiden führen können, wird dabei von dem aus dem Kessel 9 über den Auslaß 10 austretenden Rauchgas ein Anteil abgezweigt, der in den Brennraum 7 der Brennkammer- Anordnung 1 zurückgeführt wird. Diese Rückführung kann über den Einlaß 4 unter Vermischung mit der Verbrennungsluft erfolgen, jedoch kann die Einleitung auch über einen gesonderten Einlaß 11 erfolgen, der im Umfangsbereich der Einlässe 3 und 4 oder aber in Achsrichtung versetzt im Mantel des Zylinders 1 angeordnet ist. Die Rauchgase können aber zum Teil auch mit der Verbrennungsluft des Brenners 8 gemischt werden, um Temperaturspitzen schon in diesem Brenner zu vermeiden.

Fig. 4 zeigt für das in Fig. 3 dargestellte Verbren­ nungs-System die Reihenfolge der Einleitung der Reaktionspartner bei Anordnung der Einlässe im gleichen Umfangsbereich des Zylin­ ders 1. Pfeil 12 stellt den Einlaß der Verbrennungsgase aus dem Brenner 8 dar, Pfeil 13 den Einlaß für die Einleitung der Ver­ brennungsluft und Pfeil 14 den Einlaß für die Einleitung von kaltem Rauchgas.

Fig. 5 zeigt die Einleitung der Reaktionspartner bei der thermischen Nachverbrennung von schadstoffbelasteten Abgasen, wobei der Pfeil 15 den Einlaß der erforderlichen Verbrennungsluft darstellt, während der Pfeil 16 den Einlaß des schadstoffbelade­ nen Abgases darstellt, und der Pfeil 17 deutet einen Brenner an, mit dem Brennstoff und Verbrennungsluft in den Brennraum 7 einge­ leitet wird, um die thermische Nachverbrennung der Abgase zu be­ wirken.

Claims (5)

1. Brennkammer-Anordnung zur Verbrennung flüssiger, gas­ förmiger oder fluidisierter fester Brennstoffe oder zur Nachver­ brennung von schadstoffbelasteten Rauchgasen, dadurch gekennzeich­ net, daß die Brennkammer-Anordnung (1) als Zylinder ausgebildet ist, in dessen Mantel an oder nahe seinem einen Ende mehrere Ein­ lässe (3, 4) zur tangentialen Einleitung aller Reaktionsstoffe angeordnet sind, und an deren anderem Ende sich der Auslaß (2) befindet.

2. Brennkammer-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einlässe (3, 4) im gleichen Umfangsbereich des Zylinders (1) aber in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind.

3. Brennkammer-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einlässe (3, 4) in Achsrichtung nebeneinander angeordnet sind.

4. Brennkammer-Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Einlässe (3, 4) vorgesehen sind, von denen einer zur Zuführung der heißen Brenngase eines handelsüb­ lichen Brenners (8) und einer zur Zuführung von Verbrennungsluft dient.

5. Brennkammer-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Auslaß (2) in den Heizraum eines Wärmeübertra­ gers (9), z. B. eines Kessels mündet, und daß kühles Rauchgas, das hinter dem Wärmeübertrager abgezweigt wird, dem Einlaß für die Verbrennungsluft und/oder einem dritten Einlaß zuführbar ist.