DE3707773C2 - Einrichtung zur Prozesswärmeerzeugung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Prozeßwärmeerzeugung, bei der durch Verbrennungsprodukte eines oder mehrerer fossiler Brennstoffe, vorzugsweise Brennöl und/oder Brenngas, ein Prozeßmedium in zwei Stufen auf seine Endtemperatur aufgeheizt wird.

An Prozeßwärmeerzeuger werden zunehmend strengere Anforderungen bezüglich der maximal zulässigen Schadstoffemissionen gestellt. Als besonders umweltschädigend gelten dabei in den Abgasen der Heizeinrichtungen der Wärmeerzeuger entstehende Anteile an Stickoxiden und an Schwefeldioxid. Um die Bildung von ersteren weitgehend zu vermeiden, kommt es darauf an, den Anteil von Stickstoff, ohne Beeinträchtigung der Brennstoffausnutzung, an den am Verbrennungsprozeß beteiligten Stoffen möglichst niedrig und die Phase der Verbrennung mit den besten Voraussetzungen für die NO_x-Bildung zu vermeiden oder wenigstens möglichst kurz zu halten.

Die erste Forderung wäre zu erfüllen bei stöchiometrischen Be­ dingungen, wobei aber hohe Temperaturen auftreten, welche die Stickoxidbildung begünstigen. Es ist dabei auch schwierig, eine vollständige Verbrennung zu erhalten. Da für diese auch genügend Zeit und damit eine entsprechend lange Verweildauer der an der Verbrennung beteiligten Komponenten in der Heizeinrichtung er­ forderlich sind, lassen sich die beiden obenerwähnten Bedingun­ gen nicht vereinbaren.

In der DE 25 34 841 C2 wird eine Feuerungsanlage zur Wärmeer­ zeugung beschrieben, in der ein Brennstoff in drei hintereinan­ der angeordneten Verbrennungsstufen verbrannt wird. Die ersten beiden Stufen werden mit Luftmangel und die letzte Stufe mit zumindest stöchiometrischer Luftmenge betrieben. Jeder Stufe ist eine Vorrichtung zur Wärmeabfuhr nachgeschaltet. Die Ver­ brennungsstufen sind in einem Flammenkanal angeordnet, der zu­ mindest teilweise durch keramische Wände begrenzt wird.

In der DE 33 32 572 C2 wird eine Verbrennungsvorrichtung zur Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Luft-Gemischen mittels kata­ lytischer Umsetzung beschrieben. Die Verbrennungsvorrichtung ist dabei zweistufig. Die Stufen bestehen jeweils in Strömungsrichtung aus einem Eingangswärmetauscher, einem katalytisch nicht beschichteten Keramikkörper, einem katalytisch beschich­ teten Keramikkörper und einem Ausgangswärmetauscher.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Prozeßwärmeerzeugung mit niedriger NO_x-Bildung zu schaffen, wobei in einer ersten Verbrennungsphase dem Brennstoff Luft in einem unterstöchiometrischen Verhältnis zugemischt und dem dabei ent­ standenen, noch brennfähigen Gemisch nach einer ersten Abkühlung in einem Wärmetauscher und nach weiterer Abkühlung durch Ab­ schreckluft (Quenchluft) in einer zweiten Phase die für die vollständige Verbrennung der noch brennbaren Bestandteile erfor­ derliche stöchiometrische Luftmenge zugemischt wird, worauf die weitere Wärmeabgabe an das Prozeßmedium in einem zweiten Wärme­ tauscher erfolgt. Auf diese Weise werden die für eine NO_x-Bil­ dung günstigen Bedingungen im Verbrennungsablauf weitgehend ver­ mieden.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Prozeßwärmeerzeugung ist gekennzeichnet durch eine Brennereinrichtung und eine dieser zu­ geordnete Primärluftleitung, ferner mit einer der Brennerein­ richtung nachgeschalteten Vorbrennkammer, einen in dieser Vor­ brennkammer angeordneten Wärmetauscher für die Endaufheizung des Prozeßmediums, einen danach vorgesehenen Lufteinblasebereich mit einem gegenüber der Vorbrennkammer verengten Durchströmungs­ querschnitt und einem diesen Querschnitt umgebenden Kranz von Düsen, die mit einer Abschreckluftleitung kommunizieren, eine an den Lufteinblasebereich anschließende Nachbrennkammer mit einem darin untergebrachten Wärmetauscher für die Vorwärmung des Prozeßmediums und einem daran anschließenden Abgaskanal, eine Prozeßmediumzuleitung, die nach dem vorerwähnten Wärmetauscher über den Umfang der Nachbrennkammer verteilt in einen Ringkanal einmündet, der von einem äußeren Mantelblech der Nachbrennkam­ mer, des Lufteinblasebereichs und der Vorbrennkammer und einem sich über denselben Bereich erstreckenden inneren Mantelblech begrenzt ist und sich bis zum Austrittsbereich der Brennerein­ richtung erstreckt, welcher Ringkanal mit den beiden Wärmetau­ schern kommuniziert, derart, daß sie vom Prozeßmedium zwangs­ läufig durchströmt werden, und an seinem im Austrittsbereich der Brennereinrichtung befindlichen Ende in eine Prozeßmediumableitung für das auf seine Endtemperatur aufgeheizte Prozeßmedium übergeht.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Prozeßwärmeerzeugers.

An der höchsten Stelle des Prozeßwärmeerzeugers befindet sich eine Brennereinrichtung 1 beliebiger bekannter Bauart für flüs­ sigen oder/und gasformigen Brennstoff als Heizmittel. Insbeson­ dere eignet sich dafür ein Vormischbrenner, namentlich in der Bauart als Doppelkegelbrenner, wie er in der EP-Patentanmeldung 86 109 039.7 der Anmelderin beschrieben ist. Die in der Figur dargestellte Brennereinrichtung 1 stellt schematisch einen sol­ chen Doppelkegelbrenner dar. Er ist als Dualbrenner für den Be­ trieb mit einem Brennöl und Gas ausgelegt. Ein solcher Brenner hat die vorteilhafte Eigenschaft, daß infolge der in ihm statt­ findenden guten Vermischung des Brennstoff/Luft-Gemisches im nachfolgenden Vorbrennkammerraum sich keine Zonen oder Nester mit für die NO_x-Bildung günstigerem Mischungsverhältnis als im übrigen Bereich ausbilden können.

Bei einem solchen Doppelkegelbrenner wird das Brennöl durch eine mittige Brennölleitung 2 einer Anzahl von Brennöldüsen 3 zuge­ führt, die das obere Ende eines Doppelkegels 4 in ringförmiger Anordnung umgeben. Dieser Doppelkegel 4 wirkt als Leit- und Dralleinrichtung, in die das Brennöl 5 eingespritzt und verne­ belt wird und sich mit der über eine Primärluftleitung 6 einge­ blasenen Primärluft zu einem zündfähigen Gemisch vereinigt. Nä­ heres dazu wird unten ausgesagt. Das Brenngas 8 gelangt über eine Brenngasleitung 9 in zwei Brenngasverteilleitungen 10, aus denen es durch Brenngasdüsen 11 in den vom Doppelkegel 4 be­ grenzten Raum austritt und sich an der Verbrennung des Brenn­ öl/Luft-Gemisches in einer nach dem Brenner 1 angeordneten Vor­ brennkammer 12 beteiligt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt diese unterstöchiometrisch, und zwar vorzugsweise mit einer Luftzahl λ = 0,7, wobei diese Größe als ungefähr optima­ ler Wert eines praktisch geeigneten Bereiches von λ = 0,6 ÷ 0,8 anzusehen ist.

Wegen dieses Luftmangels und dementsprechend geringen und über das ganze Volumen der Vorbrennkammer 12 gleichen Stickstoffan­ teils in dieser Vorverbrennungsphase fallen keine solchen Stick­ oxide als Zwischenprodukte der Verbrennung an, die bei der nachfolgenden Abkühlung der Brenngase zum Teil "eingefroren", d. h., als solche erhalten bleiben konnten. Denn es treten in dieser Vorverbrennungsphase ausschließlich sehr heiße, sau­ erstoffarme Brenngase auf, in denen der brennstoffgebundene Stickstoff aufgrund der hohen Temperaturen von 1800 ÷ 1900°C und des Sauerstoffmangels größtenteils reduziert, d. h., aus einer eventuellen Bindung an den Sauerstoff gelöst wird, da letzterer für die Verbrennung gebraucht wird.

Nach dieser unterstöchiometrischen Vorverbrennung durchströmen die teilverbrannten Gase einen Wärmetauscher 13 beliebiger Bau­ art, in dem ihnen das aufzuheizende Prozeßmedium 14 so viel Wärme entzieht, daß sie auf eine Temperatur von 700 ÷ 900°C ab­ kühlen und infolgedessen bei der anschließenden stöchiometrischen Nachverbrennung sich eine Abgastemperatur von nur 900 ÷ 1300°C ergibt, bei der sich noch kaum Stickoxide bilden können.

Für diese Nachverbrennung wird den teilverbrannten Gasen in ei­ nem Lufteinblasebereich 15 mit einem gegenüber der Vorbrennkam­ mer verengten Querschnitt aus einem ringförmigen Kranz von Dralldüsen 16 gerade so viel Luft zugemischt, daß mit den noch brennbaren Gasanteilen das stöchiometrische Verhältnis, λ=1, erhalten wird. Dieses Zumischen von Luft, die Abschreck­ luft, auch Quenchluft, genannt wird und über eine Abschreckluft­ leitung 17 zu den Dralldüsen 16 gelangt, hat rasch zu erfolgen, um ein Oxidieren des Luftstickstoffs zu unterdrücken. Dieses nun wieder brennbar gewordene Gemisch verbrennt in der Nachbrennkam­ mer 18 und heizt das Gemisch auf die erwähnten 900 ÷ 1300°C auf. Trotzdem nach der Lufteinblasung kein Sauerstoffmangel mehr be­ steht, entstehen bei dieser stöchiometrischen Nachverbrennung infolge der niedrigen Abgastemperatur kaum irgendwelche Stick­ oxide. Bei schwefelhaltigen Brennstoffen fallen überdies die Schwefeloxide im genannten Temperaturbereich kaum als SO₃, son­ dern fast nur als SO₂ an, wodurch der Taupunkt der Abgase nied­ rig bleibt. Das Schwefeldioxid SO₂ läßt sich durch eine Ent­ schwefelungsanlage leicht entfernen.

Am Ende der Nachverbrennung durchströmen die Abgase einen zwei­ ten Wärmetauscher 19 und werden anschließend nach der Wärmeab­ gabe an das Prozeßmedium 14 durch einen Abgaskanal 20 abgelei­ tet.

Das kalte Prozeßmedium 14, das über eine Prozeßmediumzuleitung 21, die in einer den Abgaskanal 20 umgebenden Ringleitung endet, in den Wärmetauscher 19 gelangt, durchströmt diesen, je nach seiner Bauart, im Kreuz- oder Parallelstrom und wird am Ausgang des Wärmetauschers in einem Ringkanal 22 gesammelt, der von ei­ nem inneren Mantelblech 23 und einem dazu koaxialen äußeren Mantelblech 24 begrenzt ist, wobei das letztere die äußere Be­ grenzung des Prozeßwärmeerzeugers bildet. Das vorgewärmte Prozeßmedium wird im Wärmetauscher 13 der Vorbrennkammer 12 auf seine Endtemperatur aufgeheizt und am oberen Ende des Ringkanals 22 im Austrittsbereich der Brennereinrichtung 1 über eine Pro­ zeßmediumableitung 25 der Verwendungsstelle zugeführt.

Die Einrichtung bietet mehrere Möglichkeiten zur Regelung und, falls erforderlich, zur Steuerung der Prozeßtemperatur. Zu­ nächst durch Änderung der Brennstoffzufuhr und/oder der Luft­ zahl λ in der Vorbrennkammer 12 im erwähnten Bereich von 0,6 bis 0,7, wobei auch noch darüber hinaus bis unter 0,8 gegangen werden kann, aber nicht höher, da bei λ < 0,8 Rauchen auftritt. Auf diese Weise läßt sich die Temperatur der Brenngase am Ein­ tritt in den Wärmetauscher 13 variieren. Eine weitere Möglichkeit für die Beeinflussung der Prozeßtemperatur bietet die Lufteinblasung. Für die vollständige Verbrennung in der Nach­ brennkammer 18 muß bezüglich der unverbrannten Gasanteile λ = 1 sein. Durch leichten Luftüberschuß, λ < 1, läßt sich auch dort die Temperatur ändern, wenn auch der Spielraum dafür enger ist als in der Vorbrennkammer.

Die Stelle der Lufteinblasung eignet sich sehr gut für die In­ stallation eines Katalysators, für dessen Wirksamkeit dort gün­ stige Bedingungen, insbesondere eine im wesentlichen konstante Temperatur, herrschen. Speziell Wabenkatalysatoren sind dafür vorteilhaft zu verwenden. Mit einem Katalysator in der Übergangszone werden zusätzlich zu den erwähnten Schadstoffen wei­ tere, in den Abgasen unerwünschte chemische Verunreinigungen in unschädliche Verbindungen umgewandelt.

Claims (2)

1. Einrichtung zur Prozeßwärmeerzeugung, bei der durch Verbrennungsprodukte eines oder mehrerer fossiler Brenn­ stoffe, vorzugsweise Brennöl und/oder Brenngas, ein Prozeßmedium in zwei Stufen auf seine Endtemperatur aufgeheizt wird, gekennzeichnet durch eine Brenner­ einrichtung (1) und eine dieser zugeordnete Primärluftlei­ tung (6), ferner mit einer der Brennereinrichtung (1) nach­ geschalteten Vorbrennkammer (12), einem in dieser Vorbrenn­ kammer (12) angeordneten Wärmetauscher (13) für die Endauf­ heizung des Prozeßmediums (14), einem danach vorgesehenen Luft­ einblasebereich (15) mit einem gegenüber der Vorbrennkammer (12) verengten Durchströmungsquerschnitt und einem diesen Querschnitt umgebenden Kranz von Düsen (16), die mit einer Abschreckluftleitung (17) kommunizieren, einer an den Luft­ einblasebereich (15) anschließenden Nachbrennkammer (18) mit einem darin untergebrachten Wärmetauscher (19) für die Vorwärmung des Prozeßmediums und einem daran anschließenden Abgaskanal, einer Prozeßmediumzuleitung (21), die nach dem vorerwähnten Wärmetauscher (19) über den Umfang der Nachbrennkammer (18) verteilt in einen Ringkanal (22) ein­ mündet, der von einem äußeren Mantelblech (24) der Nach­ brennkammer (18), des Lufteinblasebereichs (15) und der Vorbrennkammer (12) und einem sich über denselben Bereich erstreckenden inneren Mantelblech (23) begrenzt ist und sich bis zum Austrittsbereich der Brennereinrichtung (1) erstreckt, welcher Ringkanal (22) mit den beiden Wärmetau­ schern (19, 13) kommuniziert, derart, daß sie vom Prozeßmedium zwangsläufig durchströmt werden, und an seinem im Aus­ trittsbereich der Brennereinrichtung (1) befindlichen Ende in eine Prozeßmediumableitung für das auf seine Endtempe­ ratur aufgeheizte Prozeßmedium übergeht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennereinrichtung ein Dual-Vormischbrenner für flüssi­ gen und gasförmigen Brennstoff ist.