DE4306417A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile in einem zu reinigenden Trägergas - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile in einem zu reinigenden TrägergasInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile
in einem zu reinigenden Trägergas, umfassend einen Gaseinlaß, einen Brenner mit sich
anschließendem Flammrohr, das in einen Boden- und Seitenwandungen umfassenden
Hauptbrennraum mündet, einen vorzugsweise an der der Bodenwandung gegenüber
liegenden Seite des Hauptbrennraumes gelegenen Brennkammeraustritt, einen Wärmetau
scher sowie einen Gasauslaß.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Verbrennen oxidierbarer
Bestandteile in einem zu reinigenden Trägergas in einer Vorrichtung umfassend einen vom
Flammrohr ausgehenden, durch Boden- und Seitenwandungen begrenzten Hauptbrennraum,
in dem gereinigtes Gas von der Bodenwandung in Richtung eines koaxial radial oder tan
gential zum Flammrohr angeordneten Brennkammeraustritts umgelenkt wird.
Eine Vorrichtung der zuvor beschriebenen Art ist z. B. der EP 0 235 277 B1 zu entnehmen.
Bei dieser Vorrichtung mündet das als Hochgeschwindigkeitsmischraum bezeichnete
Flammrohr in dem Hauptbrennraum, dessen Querschnitt größer ist als der freie Strömungs
querschnitt im Hochgeschwindigkeitsmischraum. Der Hauptbrennraum erstreckt sich
außenseitig entlang des Hochgeschwindigkeitsmischraumes, der als Rohr ausgebildet ist,
um in einen koaxial zum Hochgeschwindigkeitsmischraum verlaufenden ringförmigen Kanal
überzugehen, der seinerseits in einen gleichfalls um den Hochgeschwindigkeitsmischraum
und teilweise um den ringförmigen Kanal herum angeordneten weiteren kanalartigen
Ringraum übergeht, in dem ein Wärmetauscher angeordnet ist, dessen Rohre an ihren
kälteren Enden nach außen abgebogen sind.
In anderen bekannten Anlagen erstreckt sich der Hauptbrennraum, dessen Strömungsquer
schnitt ebenfalls größer ist als der des Hochgeschwindigkeitsmischraumes, vollständig entlang
des Hochgeschwindigkeitsmischraumes und mündet dann vorzugsweise radial in einem Wär
metauscher, der vorzugsweise in einem Ringkanal angeordnet ist.
Anlagen, bei denen der Wärmetauscher in einem separaten Gehäuse untergebracht ist, sind
ebenfalls bekannt.
Bei all diesen vorbekannten Verbrennungsanlagen verläßt das Gas den Hochgeschwindig
keitsmischraum in Form eines Freistrahles. Dieser Strahl trifft auf die Bodenwandung des
Hauptbrennraumes und wird dort entsprechend der Strömungsgeometrie einer Stauplatten
strömung rotationssymmetrisch verteilt. Hohe Fliehkräfte bewirken, daß das Gas sowohl
entlang der Bodenwandung als auch nach einer weiteren Umlenkung wie ein Ringstrahl
axial entlang der Innenfläche der Seitenwandung der Brennkammer strömt. Dabei nimmt
die Querschnittsfläche dieses Ringstrahles entlang der Seitenwandung des Hauptbrenn
raumes bis zum Brennkammeraustritt nur geringfügig zu, so daß sich zwischen dem
Ringstrahl und der äußeren Wandung des Hochgeschwindigkeitsmischraumes ein stationäres
Wirbelgebiet bildet. Dadurch erfolgt eine nicht optimale Ausnutzung des Hauptbrenn
raumes, weil infolge der Wirbelbildung eine sehr breite Verweilzeitverteilung des Gases
gegeben ist, so daß die Mindestverweilzeit des Gases im Hauptbrennraum wesentlich
geringer ist als die theoretische Verweilzeit, die berechnet wird als Quotient des Volumens
des Hauptbrennraumes und dem Gasdurchfluß darin.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Ver
fahren der zuvor beschriebenen Art so weiterzubilden, daß das Volumen des Haupt
brennraumes optimal zur Verbrennung der oxidierbaren Bestandteile im Trägergas genutzt
wird.
Vorrichtungsmäßig wird diese Aufgabe im wesentlichen dadurch gelöst, daß der
Hauptbrennraum derart ausgebildet ist und/oder zumindest ein Leitelement derart aufweist,
daß das von der Bodenwandung in Richtung des Brennkammeraustritts strömende Gas über
den Querschnitt des Hauptbrennraumes betrachtet gleichmäßig verteilt ist.
Dabei kann das Leitelement ein Leitblech, ein Lochblech und/oder ein Leitring oder ähnli
che strömungsverteilende Vorrichtung wie z. B. Reflektorkonen, kegelförmige Prallbleche
und Leitschaufeln sein. Vorzugsweise sind zumindest zwei Leitelemente in dem Hauptbrenn
raum angeordnet.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Leitelement symmetrisch zu einer
Ebene ausgebildet ist, in der die Längsachse des Hauptbrennraumes verläuft. Insbesondere
kann das Leitelement rotationssymmetrisch zur Längsachse ausgebildet sein.
Auch kann das Leitelement eine Blende wie Widerstandsgitter sein.
Das bzw. die Leitelemente werden vorzugsweise zwischen Austrittsöffnung des Flammrohrs
und der Bodenwandung des Hauptbrennraumes angeordnet. Die Leitelemente können auch
koaxial um das Flammrohr angeordnet sein oder es können Leitelemente sowohl zwischen
Austrittsöffnung des Flammrohres und Bodenwandung und koaxial zum Flammrohr
angeordnet sein.
Durch die erfindungsgemäße Lehre erfolgt eine Verteilung der Strömung des Gasgemisches
im gesamten Hauptbrennraum. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt sich
insbesondere der Vorteil, daß eine deutliche Erniedrigung der Hauptbrennraumtemperatur
bzw. eine Verringerung des Hauptbrennraumvolumens bei gleichbleibender Restkonzen
tration oxidierbarer Bestandteile im gereinigten Trägergas oder eine verringerte Restkon
zentration bei gleichbleibender Hauptbrennraumtemperatur und gleichbleibendem Haupt
brennraumvolumen erreicht werden kann.
Verfahrensmäßig zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, daß das insbesondere von der
Bodenwandung in Richtung Brennkammeraustritt umgelenkte, teilweise gereinigte Gas
derart geführt wird, daß das Gas über den Querschnitt zumindest eines Abschnittes des
Hauptbrennraumes gleichmäßig verteilt strömt. Dabei kann insbesondere das umgelenkte
Gas im wesentlichen verwirbelungsfrei und rückströmungsfrei zum Brennkammeraustritt
geführt werden. Dies bewirkt die vollständige Ausnutzung der Brennkammer und verhindert
Mischung von stärker gereinigtem Gas mit weniger stark gereinigtem Gas.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den
Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -,
sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden
bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Verbrennen oxidierbarer
Bestandteile in einem zu reinigenden Trägergas und
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung.
In den Fig. 1 und 2 sind Vorrichtungen zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile in einem
zu reinigenden Trägergas dargestellt, die auch als Nachverbrennungsvorrichtungen
bezeichnet werden können. Die Vorrichtungen (10) umfassen je einen zylinderförmigen
Außenmantel (12), der durch die Stirnwände (14) und (16) begrenzt ist. Dabei ist in Fig. 1
die eine Stirnwand (16) gleichzeitig Boden (21) eines Hauptbrennraumes (24), während
in Fig. 2 die Stirnwand einen Eintrittsringraum (45) begrenzt, dessen gegenüberliegende
Wand gleichzeitig Boden (21) eines Hauptbrennraumes (24) ist.
Jeweils im Bereich der Stirnwand (14) ist konzentrisch zur Längsachse der Vorrichtung ein
Brenner (19) angeordnet, dem sich ein vorzugsweise als Hochgeschwindigkeitsmischraum
ausgebildetes Flammrohr (22) und der Hauptbrennraum (24) anschließen. Dabei ist es nicht
notwendigerweise erforderlich, daß das Flammrohr (22) in den Hauptbrennraum (24)
hineinragt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist der Hauptbrennraum (24) in einen ersten Abschnitt
(23) mit großer Querschnittsfläche und einen zweiten Abschnitt (25) mit kleiner
Querschnittsfläche unterteilt. Der erste Abschnitt (23) ist ringförmig zu der Achse (18) der
Vorrichtung (10) angeordnet und wird begrenzt durch die Stirnwand (16), durch Abschnitte
(17) des Außenmantels (12) und durch eine Zwischenwandung (50). Der zweite Abschnitt
(25) des Hauptbrennraumes ist ein Ringraum um das Flammrohr (22), ausgehend von der
Zwischenwandung (50) und mündend in einem weiteren Ringraum (28), in dem
Wärmetauscherrohre (30) eines Kreuzgegenstromwärmetauschers (32) konzentrisch zur
Achse (18) der Vorrichtung (10) und damit auch konzentrisch zum Flammrohr (22) an
geordnet sind. Die Wärmetauscherrohre (30) münden in einem äußeren, an der Außen
wandung (12) angrenzenden Ringraum (34), in dem sich eine Einlaßöffnung (36) befindet.
Zwischen dem äußeren Ringraum (34) und der den Hauptbrennraum (24) begrenzenden
Stirnwand (16) mündet der die Wärmetauscherrohre (30) aufweisende Ringraum (28) in
einem Auslaß (38), der die Außenwandung (12) der Vorrichtung (10) durchdringt.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird das Flammrohr (22) vollständig von dem
Hauptbrennraum (24) umgeben und mündet direkt radial in einen zur Achse (18) der
Vorrichtung (10) konzentrisch angeordneten Ringraum (28), in dem sich Wärmetauscher
rohre (30) befinden. Die Wärmetauscherrohre (30) münden an gegenüberliegender Seite
in den innerhalb des Außenmantels (12) gelegenem Eintrittsringraum (45), der durch einen
Abschnitt des Außenmantels (12), den stirnseitigen Boden (16), den Brennraumboden (21),
Abschnitte von den Hauptbrennraum (24) umgebenden Mantel (20) und einer als
Rohrboden ausgebildeten Zwischenwandung (53) begrenzt ist und eine stutzenförmig
ausgebildete Einlaßöffnung (36) für das Trägergas besitzt.
Erfindungsgemäß sind in den Hauptbrennräumen (24) Leitelemente (40), (42), (44) angeord
net, die bewirken, daß über die gesamten Querschnitte der Hauptbrennräume (24)
beziehungsweise über die Querschnitte der einzelnen Abschnitte der Hauptbrennräume eine
gleichmäßige, im wesentlichen gleichgerichtete Strömung vorliegt.
Die Leitelemente können sowohl durch geringe Formwiderstände als auch durch große
Formwiderstände die Strömung führen. Beispielhaft bilden die Leitelemente (40) und (42)
in Form eines Leitringes bzw. Leitbleches einen geringen Formwiderstand, wohingegen
Leitelemente (44) in Form von Lochblechen bzw. Widerstandsgitter bzw. in Form von
Blenden einen großen Formwiderstand bilden.
Um die erfindungsgemäße Wirkung zu erzielen, müssen die Leitelemente, insbesondere die
Leitelemente (40) und (42), in ihrer Form derart ausgebildet sein, daß ein Abscheren von
Teilvolumenströmen der rotationssymmetrischen Strömung auf den Boden (21) des Haupt
brennraumes (24) und ein Umlenken um 90° in Richtung des Brennkammeraustritts (26)
bewirkt wird.
Das in den Ausführungsbeispielen jeweils den Endbereich des Flammrohrs (22) umgebende
Leitelement (44) in Form eines Lochbleches, Widerstandsgitters, einer Blende oder ähn
liches stellt einen hohen Strömungswiderstand dar, der aufgrund der hohen Geschwindigkei
ten in dem Leitelement vorliegenden freien Querschnittsflächen eine Verteilung einer
einseitig am Außenmantel des Hauptbrennraumes (24) ausgebildeten Strömung auf die
gesamte Querschnittsfläche des Hauptbrennraumes (24) bewirkt.
Als Beispiel für die Verbrennung von Schadstoffen in einem Trägergas mit der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung (10) wird nachfolgend der Prozeß in der Vorrichtung gemäß
Fig. 1 beschrieben.
Schadstoffbeladenes Rohgas, also oxidierbare Bestandteile enthaltendes Trägergas, tritt
durch den als Eintrittsstutzen ausgebildeten Gaseinlaß (36) in die Vorrichtung (10) ein, wird
durch die konzentrisch zum Flammrohr (22) angeordneten Wärmetauscherrohre (30)
geführt, verläßt in einer koaxial zum Brenner (19) angeordneten und von der Stirnwand (14)
begrenzten Kammer (46) den Wärmetauscher (32) und wird zumindest teilweise am Brenner
(19) vorbeigeführt. Während des Durchströmens des Wärmetauschers (32) erfolgt eine
Vorheizung durch Wärmeaufnahme über die Wärmetauscherrohre (30) aus dem aus dem
Hauptbrennraum (24) ausgetretenen und die Wärmetauscherrohre (30) umströmenden Gas.
Ein Teil des vorgeheizten schadstoffbeladenen Rohgases gelangt mit der Flamme des
Brenners (19) in Berührung und dient als Verbrennungsgas. Der andere Teil strömt am
Brenner (19) bzw. an der Flamme vorbei.
Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit v mit v < 60 m/s im Vollastbetrieb im
Flammrohr (22) werden die Gase aus der heißen Kernzone des Brenners (19) mit der kälte
ren sogenannten Ringspaltströmung des Gases, die über einen Spalt (48), der brennerseitig
die Kammer (46) begrenzt, am Brenner vorbeigeführt wird, bis zum Ende des Flammrohres
(22) vermischt. Dadurch wird im gesamten Rohgas die Verbrennung der Schadstoffe
initiiert. Das Rohgas mit den bereits reagierenden Schadstoffen tritt in dem ersten Abschnitt
(23) des Hauptbrennraumes (24) ein und wird dort durch die als strömungsführende
Einbauten wirkenden Leitelemente (40) und/oder (42) und/oder (44) auf den gesamten
Strömungsquerschnitt der Hauptbrennkammer (24) verteilt, so daß eine gleichgerichtete
Strömung entsteht und die Verbrennung über den Querschnitt des Hauptbrennraumes
gleichmäßig erfolgt.
Da nahezu die gesamte Länge des Flammrohres (22) erforderlich ist, um die über den Spalt
(48) strömende und am Brenner (19) vorbeigeleitete kältere Ringströmung im Flammrohr
mit der heißeren Kernströmung, die durch den Brenner (19) geleitet wird, zu vermischen,
und daher zwischen Flammrohrwandinnenseite und Flammrohrwandaußenseite eine Tempe
raturdifferenz besteht, erfolgt ein Wärmetausch zwischen dem heißen Trägergas in dem
zweiten Abschnitt (25) der Hauptbrennkammer (24) und dem kälteren ungereinigten
Trägergas im Flammrohr (22). Folglich dient das Flammrohr (22) als zusätzliche Wärmetau
scherfläche. Der Wärmetausch bewirkt eine Temperaturdifferenz von 20°C bis 60°C bei
stationärem Betrieb zwischen dem Eintritt in den zweiten Abschnitt (25) des Hauptbrenn
raumes (24) und dem Austritt (26) aus dem Hauptbrennraum, also dem Eintritt in den Ring
raum (28), in dem der Wärmetauscher (32) angeordnet ist.
Das gereinigte Trägergas wird sodann um die Wärmetauscherrohre (30) des Rohrbündelwär
metauschers (32) geführt, gibt Wärme an das zu reinigende Trägergas ab und wird zum
gleichfalls als Stutzen ausgebildeten Gasauslaß (38) geleitet.
Claims (11)
1. Vorrichtung zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile in einem zu reinigendem
Trägergas, umfassend einen Gaseinlaß (36), einen Brenner (19) mit sich an
schließendem Flammrohr (22), das in einem Boden- und Seitenwandungen (21,
20) umfassenden gegebenenfalls in Abschnitte (23) und (25) unterteilten Haupt
brennraum (24) mündet, einen an der Bodenwandung (21) vorzugsweise gegen
überliegender Seite des Hauptbrennraumes gelegenen Brennkammeraustritt (26),
einen Wärmetauscher (32) sowie einen Gasauslaß (38),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hauptbrennraum (24) derart ausgebildet ist und/oder zumindest ein
Leitelement (40, 42, 44) dergestalt aufweist, daß das von der Bodenwandung (21)
in Richtung des Brennkammeraustritts (26) strömendes Gas über den Quer
schnitt des Hauptbrennraumes betrachtet gleichmäßig oder weitgehend gleichmä
ßig verteilt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Leitelement (40, 42, 44) ein Leitblech, ein Lochblech und/oder ein Leit
ring und/oder ein Reflektorkonus und/oder ein statischer Mischer ist und/oder
aus Leitschaufeln zusammengesetzt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest zwei Leitelemente (40, 42, 44) in verschiedenen Ebenen des
Hauptbrennraumes (24) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Leitelement (40, 42, 44) symmetrisch zu einer Ebene ausgebildet ist, in
der die Längsachse (18) des Hauptbrennraumes (24) verläuft.
5. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Leitelement (40, 42, 44) rotationssymmetrisch zur Längsachse (18)
ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Leitelement (44) eine Blende oder ein Widerstandsgitter oder ein Loch
blech oder ein statischer Mischer ist.
7. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest zwei unterschiedliche Formwiderstände bildende Leitelemente
(40, 42, 44) in dem Hauptbrennraum (24) angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Leitelement (40, 42) zwischen Austrittsöffnung des Flammrohres (22) und
Bodenwandung (21) des Hauptbrennraumes (24) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest ein Leitelement (44) zwischen Flammrohr (22) und der Seiten
wandung (20) des Hauptbrennraumes (24) angeordnet ist.
10. Verfahren zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile in einem zu reinigendem
Trägergas in einer Vorrichtung (10) umfassend einen von einem Flammrohr (22)
ausgehenden, durch Boden- und Seitenwandungen (20) begrenzten Hauptbrenn
raum (24), in dem gereinigtes Gas von der Bodenwandung (21) in Richtung eines
vorzugsweise koaxial zum Flammrohr angeordneten Brennkammeraustritts (26)
umgelenkt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das von der Bodenwandung (21) in Richtung des Brennraumaustrittes (26)
umgelenkte Gas über den Querschnitt des Ringraumes derart geführt wird, daß
das Gas über den Querschnitt des Hauptbrennraumes (24) im wesentlichen
gleichmäßig verteilt strömt.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß das umgelenkte Gas unter Vermeidung von Rückströmungen im Haupt
brennraum (24) im wesentlichen verwirbelungsfrei zum Brennraumaustritt (26)
geführt wird.
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