DE3914198A1 - Nachbrennkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine als Nachbrennkammer bezeich­ nete Vorrichtung, welche unmittelbar im Anschluß an eine Brennkammer angeordnet ist und welche zum Ziel hat, eine Reinigung der von der Brennkammer ausströmenden Abgase sicherzustellen.

Derartige Nachbrennkammern sind grundsätzlich bereits in der FR-PS 15 78 136 beschrieben.

Die Verbrennung von Stoffen ist nicht immer vollständig, insbesondere im Fall von Abfällen, welche Zellulose oder Kunststoffmaterialien enthalten. Aus der Brennkammer treten Gase aus, welche Ruß, giftige Verunreinigungen (Phosphine, Dioxine ...) aufgrund einer unvollständigen Zersetzung und unverbrannte Rückstände enthalten.

Die FR-PS 15 78 136 zeigt, daß solche Gase zum Zweck der Reinigung in einer Nachbrennkammer behandelt werden können, welche unmittelbar im Anschluß an die Brenn­ kammer angeordnet ist. In der Nachbrennkammer herrscht eine Temperatur, die höher ist als die der Brennkammer, und die Gase verbleiben dort länger, derart, daß eine zweite Verbrennungsreaktion stattfindet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 und 2 Nachbrennkammern, wie sie in der Literatur verbreitet beschrieben werden;

Fig. 3 bis 5 beziehen sich ganz besonders auf die Er­ findung.

Gemäß Darstellung in Fig. 1 gelangen die von der Brenn­ kammer 1 abgegebenen Gase, welche mit Ruß, der die Filter 2 verschmutzt, beladen sind, in eine Nachbrennkammer 3, wel­ che mit Granulat aus feuerfesten Materialien 4 in loser Schüttung, welches eine große Strömungsoberfläche bietet, gefüllt ist. Diese Materialien können aus Siliziumcarbid, Korund, und dgl. bestehen.

Die Schicht 3 aus feuerfestem Granulat wird auf einer hohen Temperatur (mehr als 850°C) in oxidierender Atmosphäre gehalten, beispielsweise durch direkte Be­ heizung mit Hilfe eines Brenners 5.

Die Anordnung des Brenners ist derart, daß die mit Ruß beladenen Gase an der Flamme des Brenners vorbeistreichen, bevor sie in die Schicht von feuerfesten Materialien ein­ dringen.

Der Beginn des Lufteintritts in den Brennofen ist derart geregelt, daß die aus der Verbrennung abgegebenen Gase ständig einige Prozent an Sauerstoff enthalten.

Die Gase, die auf eine genügend erhöhte Temperatur ge­ bracht wurden, um die Verbrennung des Rußes zu gewähr­ leisten, strömen durch die Schicht, welche selbst auf Temperatur gehalten wird. Dadurch werden aufeinander­ folgende Stöße und Richtungsänderungen auf die Gase aus­ geübt, was eine Vergrößerung der Aufenthaltszeit der Gase und vor allem der Rußpartikel bewirkt und günstig für die Verbrennung ist.

Die Filtrierschicht verschlammt auf die Dauer, und ihr Austausch ist notwendig. Bisher leerte man dabei die ge­ samte Kammer aus und füllte sie dann mit neuem Material.

Die entnommenen feuerfesten Materialien sind technologische Abfälle, welche gelagert werden müssen. In dem Fall, wo nukleare Abfälle verbrannt werden, muß die verbrauchte Filtrierschicht, welche mit radioaktiven Partikeln be­ laden ist, in Behältern gelagert werden, welche in be­ sonderer Weise eine sichere Lagerung gewährleisten, d.h. ohne ein Risiko der Verbreitung von radioaktiven Partikeln in die Umwelt. Die Vorgänge des Ersatzes und der Lagerung der gesamten feuerfesten Materialien wären auf die Dauer kostspielig.

Der Erfinder hat jedoch festgestellt, daß der obere Teil der Filtrierschicht aufgrund dessen, daß er der Brenner­ flamme ausgesetzt ist, mehr verunreinigt ist als die restliche Schicht.

Die Körner, welche in neuem Zustand vielfache Spitzen aufweisen, sind nunmehr an ihrer Oberfläche beschädigt, abgetragen (die Spitzen sind stumpf), und man beobachtet zugleich eine Sinterung in Höhe der Körneroberflächen.

Man muß also dazu kommen, den oberen Teil der Schicht zu entfernen.

Um die Menge an feuerfesten Materialien für den Gebrauch und für die Lagerung zu vermindern, schlägt die Anmel­ derin eine Nachbrennkammer mit einem Unterteil in Form eines Y vor, wobei die zwei Arme des Y in unterschied­ lichen Höhen mit feuerfesten Materialien gefüllt sind.

Eine derartige Anordnung war Gegenstand einer Mitteilung durch den Erfinder auf der internationalen Konferenz von Honkong vom 29. November bis zum 5. Dezember 1987 (ASME International Waste Management Conference).

Fig. 2 zeigt mehr im Detail eine solche Ausführungsform, bei welcher die von der Brennkammer 6 abgegebenen Gase mit einem Brenner 7 beheizt werden, bevor sie in die Nachbrennkammer 8 strömen.

Ebenso wie bei dem Stand der Technik nach der zitierten Patentschrift weist die Nachbrennkammer 8 einen konischen Boden 9 auf. Dieser Boden wird durch einen Rohrstutzen 10 in der Weise verlängert, daß er der Kammer die geo­ metrische Form eines Y unter Bildung eines Siphons gibt.

Die Filtrierschicht 11 wird so mit Hilfe der Schwerkraft abgelassen, durch Öffnen eines Drosselschiebers 13 und durch Gleiten der Körner auf dem konischen Boden in einen Stutzen 12.

Die Nachbrennkammer 8 ist durch eine senkrechte Wand 14 in zwei Räume 15 und 16 unterteilt, welche eine Filtrier­ schicht der gleichen Art wie die nach dem Stand der Technik des vorher zitierten Patents enthält.

Die zwei Arme des Siphons sind ungleich in der Höhe ge­ füllt. Die Höhe der Schicht ist in dem Raum, der dem Eintritt der Gase entspricht (Raum 15 in Fig. 2), niedriger.

Dieser Höhenunterschied der Filtrierschicht ermöglicht einerseits eine Ausdehnung der in den Raum 15 eintreten­ den Gase vor ihrem Kontakt mit der Schicht, was die Durchlaufgeschwindigkeit der Gase in dieser Schicht ver­ mindert, und andererseits, daß die Verbrennungsreaktion und die Filtrierung vorzugsweise in dem Raum 16 statt­ finden.

Lediglich der obere Teil der in dem Raum 15 gelegenen Filtrierschicht wird den Brennerflammen und den höchsten Temperaturen ausgesetzt. Man hat somit die Menge der aus­ gesetzten Körner, deren Oberfläche geschädigt ist, ver­ mindert.

Wenn eine Verschlammung vorliegt, erlaubt das Entleeren durch den Siphon die Körner des Raumes 15 vollständig und die des Raumes 16 teilweise abzulassen.

Auf diese Weise wird eine Ersparnis an feuerfesten Ma­ terialien verwirklicht.

Die Schicht wird mit ihren zwei Höhen durch Einschüttung der Körner von feuerfesten Materialien von einer Öffnung 17, welche oberhalb des Raumes 16 angeordnet ist, wieder hergestellt.

Da die zwei Räume in Verbindung stehen, steigt die Füll­ höhe zugleich in dem Raum 15.

Die Anmelderin hat beobachtet, daß die Entleerung und die Wiederauffüllung gemäß Beschreibung nicht immer leicht sind: Die mehr oder weniger verunreinigten und mehr oder weniger zusammengeklumpten Körner können Vorsprünge auf dem konischen Boden bilden und das Abfließen durch den Siphon behindern. Außerdem fließen die Körner nicht immer gut von dem Raum 16 zum Raum 15, derart, daß man in dem Raum 15 einer Füllhöhe nicht sicher sein kann.

Ebenso wurde ein weiterer Nachteil für die Realisierung der genannten Nachbrennkammer festgestellt. Die senk­ rechte Wand 14 zur Trennung der genannten Kammer in zwei Räume muß nämlich den seitlichen Drücken der Materialmengen und der Körner einerseits standhalten und andererseits die thermischen Ausdehnungen im Betrieb kompensieren können.

Die Wand wird üblicherweise aus feuerfesten Steinen ge­ bildet, und sie wird entlastet durch äußere Aufnahme von Stößen über Profileisen. Man verwendet generell zur Sicherung der Anordnung federnde Klammern bzw. Druckvor­ richtungen.

Diese Art der Sicherung ist unhandlich und sehr schwierig anzubringen, wenn die Kammer einen doppelten Dichtungs­ mantel besitzt, beispielsweise zur Luftzirkulation, wie man ihn braucht, wenn die Gefahr einer Kontamination be­ steht (beispielsweise im Fall der Verbrennung von nuklearen Abfällen). Der doppelte Mantel, der keine Widerstandskraft besitzt, ermöglicht nämlich nur schwer die Anbringung einer festen Verankerung für Kräftekompensatoren.

Um diese Nachteile zu beheben, wird erfindungsgemäß eine Nachbrennkammer vorgeschlagen, welche einen konischen, mit einem Stutzen verlängerten Boden aufweist, außerdem eine vertikale Wand, welche die Kammer in zwei eine Filtrierschicht aufweisende Räume unterteilt, wobei die Filtrierschicht in dem Raum, über den die Gase eintreten, eine geringere Höhe besitzt und wobei diese Kammer zu­ gleich eine Öffnung zur Ausbringung der Gase, wenn sie durch die Filtrierschicht geströmt sind, sowie in dem oberen Teil desjenigen Raumes, durch den die Gase aus­ treten, eine Öffnung zum Einbringen des Materials der Filtrierschicht aufweist, wobei in der Kammer die senk­ rechte Wand an ihrer Unterseite durch einen Bogen aus feuerfesten Steinen begrenzt wird, welcher sich an gegen­ überliegenden Oberflächen des konischen Bodens der Nach­ brennkammer abstützt.

Die genaue Form des "konischen Bodens" der Nachbrenn­ kammer kann beliebig sein; sie kann durch einen oder mehrere in geeigneter Weise verbundene Kegelabschnitte gebildet sein, sie kann jedoch in gleicher Weise ebene Flächen enthalten, welche gegenüber der Senkrechten ge­ neigt sind, und sie kann sogar nur aus ebenen Oberflächen bestehen, welche einen Tetraeder-Stumpf bilden.

In den Fig. 3 bis 5 sieht man im einzelnen die Konstruk­ tionselemente der Nachbrennkammer, welche in Fig. 3 in einer Ansicht in einer zur Darstellung von Fig. 2 senk­ rechten Ebene gezeigt ist.

Diese Kammer besitzt Wände 18 aus feuerfesten Steinen mit einer geeigneten Dicke entsprechend der gewünschten thermischen Isolation; sie weist senkrechte Wände 19 und geneigte Wände 20 auf, welche den konischen Boden 21 bil­ den.

Die Kammer ist an ihrer Unterseite durch einen Boden 22 und an ihrer Oberseite durch eine Decke 23 geschlossen, welche jeweils aus feuerfesten Steinen bestehen.

Die Öffnungen, die notwendig sind zum Durchtritt der Gase, zum Einfüllen und zum Ausbringen der Filtrierschicht usw., sind in den genannten Wänden und der Decke vorgesehen.

In Fig. 3 ist insbesondere eine Nachbrennkammer mit einem doppelten Mantel 24 zur Luftzirkulation und mit Klammern und Trägern 25 bzw. 26 zur Befestigung in der Konstruk­ tion gezeigt.

Die Wand 27 nach der Erfindung ist aus feuerfesten Steinen gebildet, vorzugsweise mit Nuten und Federn (Stegen), wie die Fig. 4A bis 4C zeigen, und um eine monolitsche An­ ordnung zu erhalten, wird sie mit einem Spezialzement ge­ sichert.

Sie ist an ihrer Unterseite mit einem Bogen 28 aus feuer­ festen Steinen begrenzt, welcher sich auf den Wänden der Nachbrennkammer abstützt. Vorteilhafterweise ist der Bogen aus Steinen in Trapezform (Fig. 5) gebildet, deren Abmessungen entsprechend ihrer Anordnung in dem Bogen unterschiedlich sein können. Man kann ebenso auch Steine in Parallelogrammform verwenden, welche mit Vorsprung und Aussparung derart versehen sind, daß sie ohne Beifügung von Zement ineinander passen.

Der Bogen 28 stützt sich auf den geneigten Wänden 20 des konischen Bodens 21 der Kammer ab, derart, daß eine Wand erhalten wird, welche genügend tief in der Kammer hinab­ reicht, um die Menge an feuerfesten Materialien zum Ent­ leeren zu verringern.

Der Ersatz der Unterseite der senkrechten Wand durch einen Bogen ermöglicht eine Verbesserung des Entleerens und des Wiederfüllens der Filtrierschicht. Der Bogen gibt nämlich einen Raum frei, welcher es erlaubt, den geneigten Wänden, die den konischen Boden bilden, jeweils eine Neigung von mindestens 45° zu geben, was so das Ausbringen der feuer­ festen Materialien sehr leicht macht. Vorzugsweise wählt man für die geneigte Wand des Raumes 15, durch welchen die Gase eintreten, eine größere Neigung gegenüber der des anderen Raumes, derart, daß das Ausbringen der feuer­ festen Materialien vom Raum 15 sehr gegenüber denen vom Raum 16 bevorzugt wird.

Dieser durch den Bogen freigesparte Raum ermöglicht zu­ gleich einen verbesserten Durchlauf der feuerfesten Ma­ terialien bei dem Wiederauffüllen. Die Körner verfügen über ausreichenden Freiraum, um von dem einen Raum zu dem anderen zu gelangen, und die niedrigere Höhe wird schneller, leichter und sicherer erreicht.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise für die Verbrennung von Haushaltsabfällen verwendbar. Sie wird aber mit Erfolg auch für die Verbrennung von nuklearen Abfällen angewendet. Das sind Abfälle auf der Basis von Zellulose (Papier, Pappe, Lumpen) und von Kunststoffen (Polyethylen, Polyvinylchlorid). Ihr Wärmewert beträgt mindestens 30000 kJ/kg.

Die Brennkammer wird durch einen Pyrolyseofen gebildet. In der Nachbrennkammer herrscht eine Temperatur von mehr als 1200°C, während sie in dem Ofen 1000°C beträgt.

Der konische Boden weist eine Neigung von 45° in dem Raum 16 und eine Neigung von 55° in dem Raum 15 auf. Der Bogen besitzt eine Pfeilhöhe von 250 mm für eine Tragweite von 1 m. Er stützt sich praktisch jeweils in der Mitte der Wände des konischen Bodens ab (welcher zwei Abschnitte besitzt).

Auf diese Weise braucht man lediglich ein Drittel der Filtrierschicht zu wechseln. Die Resultate der Radio­ aktivitätsmessungen zeigen, daß ein großer Teil der radio­ aktiven Substanzen, welche in die Nachbrennkammer ein­ treten, in der Filtrierschicht aus Siliziumcarbid festge­ halten wird. Man mißt z.B.

• - in dem in die Kammer eintretenden Gas 4000 Ausschläge/s;
• - in dem aus der Kammer austretenden Gas 100 Ausschläge/s.

Die Meßergebnisse zeigen zugleich, daß die Kombination der Brennkammer und der Nachbrennkammer es ermöglicht, 95% der Asche und der Flugasche zurückzuhalten.

Claims (1)

1. Nachbrennkammer zur Behandlung von aus einer Brennkammer abgegebenen Gasen,
   mit einem konischen Boden (9), der durch einen Rohr­ stutzen (10) verlängert ist,
   einer vertikalen Wand (14), welche die Kammer in zwei eine Filtrierschicht enthaltende Räume unterteilt, wobei die Filtrierschicht sich in dem Raum, durch den die Gase eintreten, auf einer niedrigeren Höhe befindet und wobei die Kammer zugleich eine Öffnung zum Ausbringen der Gase nach Durchströmen der Filtrierschicht und eine Öffnung im oberen Teil des Raumes, durch welchen die Gase aus­ treten, zum Einbringen des Materials der Filtrierschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Wand (14, 27) an ihrer Unterseite durch einen Bogen (28) aus feuerfesten Steinen begrenzt ist, welcher sich auf entgegengesetzten Oberflächen des konischen Bodens der Nachbrennkammer abstützt.