DE4406369C2 - Einrichtung zum Verbrennen von oxidierbaren Schadstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verbrennen von in einem Medienstrom enthaltenen oxidierbaren Schadstoffen. Die Einrichtung besteht aus einer Brenn­ kammer sowie in diese mündenden Kanälen für die Zufuhr des vorgeheizten Medienstromes und Leitungen für die Zufuhr des zur Schadstoffverbrennung erforderlichen gas- oder dampfförmigen Brennstoffes
Eine derartige Einrichtung ist aus der EP 0 572 693 A1 bekannt. Der darin einge­ setzte Brenner ist mit mehreren konzentrisch angeordneten Ringkanälen zur Zufüh­ rung des sauerstoffhaltigen schadstoffbelasteten Medienstromes und des gas- oder dampfförmigen Brennstoffes in die Brennkammer ausgestattet. Jeder den mit Schadenstoffen beladenen Medienstrom zuführende Ringkanal ist mit Drallschau­ feln versehen und von einem Brennstoff zuführenden Kanal umgeben. Um den Mischvorgang von schadstoffbeladenem Medium und Brennstoff zu verbessern und dadurch eine vollständigere Verbrennung der Schadstoffe zu erzielen, sind bei dem bekannten Brenner in einer Trennwand, die einen das schadstoffbeladene Medium führenden Ringkanal von dem zugeordneten Brennstoff zuführenden Ringkanal trennt, Öffnungen vorgesehen. Diese sind in Strömungsrichtung hinter den Drallschaufeln des das schadstoffbeladene Medium führenden Ringkanals und hinter einer mit Düsenbohrungen versehenen ringförmigen Abschlußplatte in dem brennstof­ führenden Ringkanal angeordnet. Dabei sind die Drallschaufeln so ausgerichtet, daß sie in benachbarten, das schadstoffbeladene Medium führenden Ringkanälen Strömun­ gen in einander entgegengesetzte Drallrichtungen erzeugen.

Durch die Vielzahl konzentrischer Ringkanäle ist der bekannte Brenner besonders auf­ wendig in der Herstellung und begrenzt dennoch die angestrebte intensive Vermi­ schung des mit dem schadstoffbeladenen Mediums und des Brennstoffes auf Ringzo­ nen.

Aus der US 4,544,350 ist eine Brenneinrichtung zur gleichzeitigen Einäscherung eines flüssigen Medienstromes sowie eines trockenen und feuchten Gasmedienstromes be­ kannt, die vorzugsweise für den Einsatz in Abgasströmen von Chemie- oder ähnlichen Fabriken vorgesehen ist. Bei der bekannten Brennereinrichtung werden der trockene und der feuchte Gasmedienstrom vermischt und derartig erhitzt, daß eine Kondensation ausgeschlossen ist. Der gemischte gasförmige Medienstrom wird dabei lediglich durch ein einziges zentral angeordnetes Rohr dem Brennraum zugeführt. Des weiteren sind die Stutzen der Kanäle zur Zuführung des flüssigen Medienstromes in Form dreier Brennerdüsen gleich verteilt auf einem Kreisbogen um die zentrale Zuführung des gas­ förmigen Medienstromes angeordnet. Bei der bekannten Brennvorrichtung erfolgt die eigentliche Brennstoffzuführung durch eine einzige Brennstoffleitung, die in einen kreisförmig um den Stutzen für den gasförmigen Medienstrom sowie die Stutzen für den flüssigen Medienstrom in der Brennkammerstimseite angeordneten Ringbrenner mün­ det. Der Eintritt des gasförmigen Brennstoffs in die Brennkammer erfolgt dabei durch eine Vielzahl von Bohrungen in dem Ringbrenner, und zwar in rein axiale Richtung der Brennvorrichtung.

Keine dieser Zuführbohrungen befindet sich im Bereich eines Stutzens eines Kanals zur Medienstromzuführung (weder für den flüssigen noch für den gasförmigen Medien­ strom), sondern die Zuführung des Brennstoffs ist durch die Anordnung des Ringbren­ ners außerhalb der Stutzen vollständig von der Medienstromzuführung getrennt. Auf­ grund der vorgenannten Anordnung der Zufuhreinrichtungen für die beiden Medien­ ströme und den Brennstoffstrom stellt sich bei der bekannten Brennvorrichtung ein ko­ axiales Flammenbild mit einer sehr großen Wurfweite ein, weshalb die Schadstoffoxi­ dation ungenügend ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Einrichtung der eingangs be­ schriebenen Art eine Brennkammer vorzuschlagen, die mit einem geringen Aufwand herstellbar ist und auch bei großen Volumenströmen eine besonders intensive Vermi­ schung des mit den Schadstoffen beladenen Mediums und Brennstoffes unmittelbar beim Eintritt in die Brennkammer ermöglicht, so daß sich die Mischzone verkürzen und die Verweilzeit des Mediums bei gleichem Ausbrandverhältnis weiter reduzieren läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einer Vorrichtung der im Oberbegriff des An­ spruchs 1 genannten Art ausgegangen, welche erfindungsgemäß die in seinem kenn­ zeichnenden Teil angegebenen Merkmale aufweist.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach den Gesetzmäßigkeiten eines Freistrahls ist auch die Mischzone einer indu­ zierten Flamme um so größer je größer der Flammenquerschnitt ist. Aufgrund dieser Erkenntnis werden erfindungsgemäß einzelne Brenner durch eine möglichst große Anzahl kleinerer Brenner ersetzt, die achsparallel zueinander über eine Brennkammerstirnseite in gleichmäßiger Verteilung angeordnet sind. Die jeder Brennereinheit zugeordneten Drallschaufeln bewirken eine hochturbulente Ver­ drallung der Strahlen, wodurch die innige Vermischung des Mediums mit der jeweiligen Brennerflamme optimiert und folglich die thermische Oxidation der im Medium enthaltenen Schadstoffe beschleunigt wird. Die intensive Vermischung der einzelnen Flammen mit dem Medienstrom erfolgt also unmittelbar bei dessen Eintritt in die Brennkammer, wobei die Turbulenz der Drallströmung den Misch­ effekt so verstärkt, daß bereits nach wenigen Zentimetern Brennkammerlänge eine homogene Temperaturverteilung über den Strömungsquerschnitt erreicht ist. Die homogene Temperaturverteilung leistet einen wesentlichen Beitrag zur vollständi­ gen Oxidation der im Medienstrom enthaltenen Kohlenwasserstoffverbindungen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht in der hohen Flammenstabilität der Brenner bei variablen Volumenströmen. Die radiale Aus­ strömrichtung des Brennstoffes verkleinert nämlich die Gefahr des Abreißens der Brennerflammen bei größeren Volumenströmen. Die Drallströmung läßt zudem ein vom Volumenstrom nahezu unabhängiges Flammenbild mit einer minimalen Brenn­ kammereindringtiefe entstehen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und nachfol­ gend näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht auf eine Brennkammerstirnseite,

Fig. 2 eine Ansicht auf einen einzelnen Brenner und

Fig. 3 einen abgebrochen dargestellten einzelnen Brenner in einem Querschnitt.

Gemäß Fig. 1 ist eine Brennkammerstirnseite 1 mit 19 Einzelbrennereinheiten 2 bestückt. Diese sind achsparallel dicht nebeneinander angeordnet und erstrecken sich im wesentlichen über die gesamte Fläche der Brennkammerstirnseite 1.

Wie besonders deutlich aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, umfaßt jede Einzelbren­ nereinheit 2 einen Stutzen 3, in dem ein Kranz von Drallschaufeln 4 angeordnet ist. Konzentrisch ist im Stutzen 3 eine Nabe 5 vorgesehen, die eine axiale Bohrung 6 aufweist, von der durch radiale Bohrungen gebildete Abzweigleitungen 7 ausge­ hen. Von diesen mündet jeweils eine auf der Unterdruckseite einer Drallschaufel 4. Über eine an der Bohrung 6 angeschlossene Leitung 8 wird die Einzelbrennerein­ heit 2 mit Brennstoff versorgt.

Ein mit oxidierbaren Schadstoffen beladener Medienstrom wird über nicht darge­ stellte Wärmetauscher vorgeheizt und durch den Stutzen 3 geleitet. Die Drall­ schaufeln 4 erteilen dem Medienstrom einen intensiven Drall. Dadurch entsteht ein hochturbulentes Strömungsfeld mit außerordentlich kurzer Mischzone.

Durch Versuche konnte nachgewiesen werden, daß sich mit der erfindungsgemä­ ßen Einrichtung die Dauer des Oxidationsprozesses bis auf 0,2 sec gegenüber 0,7 bis 1 sec bei normalen atmosphärischen Brennern verkürzen läßt. Bei einer Dimen­ sionierung der Einzelbrennereinheiten 2 für einen bestimmten Nennvolumenstrom ließ sich beobachten, daß Schwankungen des Strömungs­ widerstandes zwischen 600 und 1200 Pa das Strömungsbild in der Brennkammer nahezu unverändert lassen und Volumenstromänderungen im Verhältnis < 1 : 5 ohne zusätzliche Regel- oder Steuermaßnahmen möglich sind.

Infolge des hohen Mischeffektes kann die erfindungsgemäße Einrichtung mit relativ niedrigen Flammentemperaturen betrieben werden, wodurch die NO_x-Bildung im Medienstrom reduziert wird.

Claims (6)

1. Einrichtung zum Verbrennen von in einem Medienstrom enthaltenen oxidier­ baren Schadstoffen, bestehend aus einer Brennkammer sowie in diese mündenden Kanälen für die Zufuhr des vorgeheizten Medienstromes und Leitungen für die Zufuhr des zur Schadstoffverbrennung erforderlichen gas- oder dampfförmigen Brennstoffes, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Kanäle für die Medienstromzuführung aus achsparallel zuein­ ander über eine Brennkammerstirnseite (1) in gleichmäßiger Vertei­ lung angeordneten Stutzen (3) bestehen, welche die Brennkammer mit einer Vorkammer verbinden, wobei die Stutzen (3) in der Ebene der Brennkammerstirnseite (1) münden,
• - daß in jedem Stutzen (3) konzentrisch eine Leitung (8) für die Brenn­ stoffzuführung angeordnet ist, von der radiale Abzweigleitungen (7) ausgehen,
• - und daß in dem jeweils durch einen Stutzen (3) und eine Nabe (5) definierten Ringraum Drallschaufeln (4) angeordnet sind, auf deren Unterdruckseite die radialen Abzweigleitungen (7) münden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Stutzen (3) und eine Anzahl von an ihren Mündungen mit Brennerdüsen versehene Abzweigleitungen (7) eine Einzelbrennereinheit (2) bilden und sämtliche Einzelbrennereinheiten (2) die gleichen Abmessungen aufweisen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (8) die Brennstoffzuführung über Abzweigleitungen an eine zentrale Brennstoffversorgungsleitung angeschlossen sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stutzen (3) einen Strömungswiderstand zwischen 400 und 1500, vorzugsweise zwischen 600 und 1200 Pa aufweisen.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelbrennereinheiten (2) insgesamt für die Behandlung eines Volumenstromes zwischen 100 und 5000 Nm³/h ausgelegt sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der jeweils mit einem Medienstrom und Brennstoff beauf­ schlagten Einzelbrennereinheiten (2) veränderbar ist.