DE69520136T2

DE69520136T2 - Rohgasbrenner und Verfahren zum Verbrennen sauerstoffhaltiger Bestandteile in einem Prozessgas

Info

Publication number: DE69520136T2
Application number: DE69520136T
Authority: DE
Inventors: Kim Anderson; Serguei Afanaseevich Charamko; Patrick W. Mcgehee; Andreas Ruehl
Original assignee: Megtec Systems Inc
Current assignee: Durr Megtec LLC
Priority date: 1994-12-15
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2015-12-16
Also published as: CZ293521B6; PL311860A1; DE69520136D1; US5601789A; CZ333195A3; EP0717239A3; HUT74544A; HU9503617D0; ATE199280T1; ZA9510723B; US5676536A; EP0717239B1; EP0717239A2

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für die Verbrennung von oxydierbaren Substanzen in einem Trägergas und ein Verfahren zum Verbrennen von Brennmaterial. In einer bevorzugten Ausführung bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Brenner für eine thermische Nachverbrennungsvorrichtung, die normalerweise in der Druckindustrie verwendet wird, um Ausflüsse, die umweltschädigende Bestandteile enthalten, zu verbrennen und auf ein Verfahren zum Verbrennen von Brennmaterial mit einem solchen Brenner.
Derzeitig schreiben die Umweltbestimmungen vor, das Ausflüsse, die in die Atmosphäre freigesetzt werden, sehr geringe Pegel von gefährlichen Substanzen enthalten müssen. Die nationalen und internationalen NOx-Emissionsvorschriften sind strenger geworden.
NOx-Emissionen entstehen normalerweise in folgender Art und Weise. Treibstoffbezogenes NOx wird durch das Freisetzen von in Treibstoffen chemisch gebundenem Stickstoff während des Verbrennungsprozesses gebildet. Thermisches NOx wird durch Aufrechterhalten eines Prozess-Stromes gebildet, der molekularen Sauerstoff und Stickstoff bei erhöhten Temperaturen in oder hinter der Flamme enthält. Je länger der Zeitraum des Kontaktes oder je höher die Temperatur ist, desto größer ist die NOx-Bildung. Das meiste NOx, das durch einen Prozess gebildet wird, ist thermisches NOx. Unmittelbar wird NOx durch atmosphärischen Sauerstoff und Stickstoff in der Hauptverbrennungszone gebildet, wo der Prozess reich an freien Radikalen ist. Dieser Ausstoß kann je nach der vorhandenen Konzentration der Radikalen bis zu 30% des Gesamtausstoßes betragen.
Um die Anwendungsfähigkeit der thermischen Oxydation als eine Steuerungstechnologie für flüchtige organische Verbindungen (VOC) zu sichern, müssen Brenner mit einer geringeren NOx-Emission entwickelt werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rohgasbrenner zur Verfügung zu stellen, der die NOx-Bildung durch Steuerung der Bedingungen, die für die NOx-Bildung förderlich sind, minimiert. US-Patent 5,183,646 offenbart eine Brenneranordnung, auf welcher der vorkennzeichnende Teil des Patentanspruches 1 basiert.
Die Probleme des Standes der Technik werden durch die vorliegende Erfindung überwunden, die eine Rohgasbrennerkonstruktion zur Verfügung stellt, welche den Treibstoffwirkungsgrad des Brenners maximiert, die Verweilzeit minimiert und den Flammenkontakt mit der Prozessluft oder mit dem Prozessgas reduziert oder eliminiert, um die NOx-Bildung zu minimieren. Der Brenner der vorliegenden Erfindung erfüllt oder übertrifft die weltweit gültigen NOx- und CO-Emissionsstandards für Steuervorrichtungen der thermischen Emission.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Brenneranordnung zum Verbrennen flüchtiger organischer Substanzen in einem Prozessgas zur Verfügung gestellt, die aufweist: Eine Mischkammer mit einer Brennertreibstoffeinlasseinrichtung und einer Prozessgaseinlasseinrichtung zum Einführen von Brennertreibstoff und Prozessgas in die Brenneranordnung, eine Verbrennungskammer, die in Verbindung mit der Mischkammer steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer einen Wirbelgenerator umfasst, der eine Mehrzahl von Flügeln zur wirbelnden Vermischung von Brennertreibstoff und Prozessgas miteinander, wenn sie durch die und aus der Mischkammer und in die Verbrennungskammer fließen, aufweist, dass die Brennertreibstoffeinlaßeinrichtung eine Blaslanze mit einem Brennertreibstoffauslaß, der in Verbindung mit der Mischkammer steht, aufweist, wodurch Brennertreibstoff und Prozessgas, die durch Verwirbelung gemischt sind, innerhalb der Verbrennungskammer verbrennen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Verbrennen brennbarer Substanzen in einem Prozessgas mit einer Hauptverbrennungskammer und einer Prozesszufuhrleitung zur Verfügung gestellt, gekennzeichnet durch ein Flammrohr mit einem Einlass, der in Verbindung mit der Prozesszufuhrleitung steht und einem Auslaß, der in Verbindung mit der Hauptverbrennungskammer steht, durch einen Brenner gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, der in Verbindung mit dem Einlassende des Flammrohrs steht, und durch eine Einrichtung zum Bewirken einer linearen Bewegung des Brenners relativ zu dem Flammrohr.
Weiter wird gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Verbrennen brennbarer Substanzen in einem Prozessgas zur Verfügung gestellt, bei dem;
eine Nachverbrennungseinrichtung mit einer Oxydationskammer; ein Flammrohr mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Auslass in Verbindung mit der Oxydationskammer steht; ein Prozessgaszufuhreinlass, der in Verbindung mit dem Flammrohreinlass steht; und ein Brenner gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bereitgestellt werden;
der Brennertreibstoffeinlasseinrichtung Brennertreibstoff zugeführt wird;
bewirkt wird, dass ein erster Teil des Prozessgases in die Prozessgaseinlasseinrichtung eintritt, mit dem Brennertreibstoff in der Mischkammer gemischt wird und aus der Mischkammer in die Brennerverbrennungskammer fließt;
der Brennertreibstoff, der mit dem ersten Teil des Prozessgases in der Brennerverbrennungskammer gemischt ist, verbrannt wird;
bewirkt wird, dass der verbrannte Treibstoff und der erste Teil des Prozessgases aus der Brennerverbrennungskammer und in das Flammrohr fließen;
bewirkt wird, dass ein zweiter Teil des Prozessgases in das Flammrohr eintritt und mit dem verbrannten Treibstoff und dem ersten Teil des Prozessgases gemischt wird;
der Druck in dem Prozessgaszufuhreinlass abgefühlt wird;
der Druck in dem Flammrohr abgefühlt wird;
der abgefühlte Druck in dem Prozessgaszufuhreinlass mit dem abgefühlten Druck in dem Flammrohr verglichen wird; und
die Menge an Prozessgas, die in die Brennertreibstoffeinlasseinrichtung eintritt, auf Grundlage des Druckvergleichs gesteuert wird.
Der Prozessgasstrom, zum Beispiel von der kalten Seite eines Wärmeaustauschers, der zu einer thermischen Oxidationsvorrichtung oder ähnlichem gehört, wie sie in dem US-Patent Nr. 4,850,857 offenbart ist, wird in den Brenner und rund um den Brenner herum geleitet. Der Teil des Prozessgases, der in den Brenner geleitet wird, stellt den erforderlichen Sauerstoff für die Verbrennung des Treibstoffs zur Verfügung. Der Teil des Prozessgases, der nicht in den Brenner eintritt, bewirkt das Kühlen der äußeren Brennerflächen. Die Menge des Prozessgases, die in den Brenner fließt, wird auf Grundlage des in der Brenneranordnung erzeugten Druckabfalls reguliert. Der Druckabfall wird wiederum durch eine oder mehrere äußere Dämpfungsanordnungen, eine innere Dämpfungsanordnung und durch die Bewegung des Brenners relativ zu der Vorrichtung, in der er montiert ist, reguliert.
Das Prozessgas, das in den Brenner eintritt, wird durch die Verwendung eines Wirbelgenerators in eine Drallbewegung versetzt. Das sichert ein vollständiges Mischen des Treibstoffs und dieses Prozessgases und ergibt weiterhin eine stabile Flamme in der Verbrennungskammer. Der dem Brenner mit einer konstanten Geschwindigkeit zugeführte Treibstoff tritt an der Basis der Brennereinrichtung in das verwirbelte Prozessgas und in die Mitte des verwirbelten Prozessgases ein. Vorzugsweise wird Gastreibstoff verwendet, der im allgemeinen keinen chemisch gebundenen Stickstoff enthält. Der Treibstoff mischt sich mit dem Prozessgas und die Treibstoff/Prozessgasmischung gelangt in den Verbrennungsabschnitt des Brenners, wo bewirkt wird, daß die verwirbelte Strömung rezirkuliert. Diese Rezirkulation sichert die vollständige Verbrennung des Treibstoffes in der Verbrennungskammer. Die Mischung des verbrannten Treibstoffes und Prozessgases überträgt ihre Energie flammenlos auf das Prozessgas, welches außerhalb der Brennerverbrennungskammer zirkuliert und sie ist heiß genug, um dort das Prozessgas zu zünden, welches dann getrennt von der Brennerverbrennungskammer brennt, wie zum Beispiel in dem Hauptverbrennungsgehäuse der thermischen Nachverbrennungsvorrichtung. Die Temperaturschichtung in dem Flammrohr ist wesentlich reduziert, um eine bessere und frühere Oxydation der flüchtigen organischen Bestandteile (VOC's) zu sichern. Im Gegensatz zum Stand der Technik verbrennt der Treibstoff ausschließlich in der Brennerverbrennungskammer, wodurch eine wesentliche Reduzierung des NOx garantiert wird.
Der Anteil des Prozessgases, der durch den Brenner strömt, ist steuer- und einstellbar, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Brennerleistung. In einer bevorzugten Ausführung wird der Anteil des Prozessgases, der in die Wirbelmischkammer des Brenners eintritt, durch das axiale Bewegen der Verbrennungskammer entlang einer in Längsrichtung verlaufenden Achse gesteuert. Dieses Verfahren stellt den Druckabfall des Brenners ein, der wiederum die Menge des Prozessgases steuert, die in die Wirbelmischkammer eintritt.
Vorzugsweise tritt zumindest eine gewisse Menge von dem Prozessgas, das der Wirbelmischkammer zugeführt wird, tangential ein, zumindest zuerst, und sie wird axial in Richtung der Wirbelmischkammer zurückgeleitet. Diese Kombination von axialer und tangentialer Bewegung ergibt eine besonders zuverlässige Verbrennung bei Strömungen mit fluktuierender Zufuhr.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Vorderansicht der Wirbelmischkammer des Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1A ist eine perspektivische Ansicht der Wirbelmischkammer von Fig. 1;
Fig. 2A ist eine Vorderansicht eines inneren Wirbelgenerators gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2B ist eine Vorderansicht eines inneren Wirbelgenerators gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2C ist eine Vorderansicht eines inneren Wirbelgenerators gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2D ist eine Vorderansicht eines inneren Wirbelgenerators gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3A ist eine Vorderansicht einer runden Düse/Ventil-Einrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B ist eine Vorderansicht einer runden Düse/Ventil-Einrichtung gemäß einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4A ist eine Vorderansicht einer rechteckigen Düse/Ventil- Einrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4B ist eine Vorderansicht einer rechteckigen Düse/Ventil- Einrichtung gemäß einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5A ist eine Seitenansicht der Verbrennungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5B ist eine Vorderansicht der Verbrennungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht des in einer Oxydiereinrichtung installierten Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ist eine Seitenansicht einer Blaslanze gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist eine Vorderansicht der Blaslanze von Fig. 7; und
Fig. 9 ist eine schematische Ansicht der Brennereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Sich zuerst der Fig. 6 zuwendend, ist dort eine schematische Ansicht eines Brenners 1 dargestellt, der als Bestandteil einer Vorrichtung 100 für die Nachverbrennung eines Prozessgases angebracht ist. Die Vorrichtung 100 weist eine Außenseite 101 auf, in der eine Öffnung 102 ausgeführt ist, um den Brenner 1 aufzunehmen, sowie Zufuhröffnungen 103, 104 für Prozessgas und Austrittsöffnungen 105, 106 für Verbrennungssubstanzen. Parallel zu der Außenseite 101 verlaufend, führen die Zufuhrleitungen 107, 108 das Prozessgas, das durch die Zufuhröffnungen 103 bzw. 104 eintritt und welches dann durch die oder entlang der Verbrennungskammer 50 in ein Flammrohr 109 strömt, welches in die Vorrichtung 100 integriert ist.
Das Prozessgas strömt von einem Ausgang der kalten Seite eines Wärmetauschers (nicht dargestellt) in die Zufuhrleitungen 107, 108. Ein Teil des Prozessgases, gekennzeichnet durch die Pfeile 110, 111, strömt durch die Öffnungen 12 in die Wirbelmischkammer 10 und versorgt den Brenner 1 mit dem erforderlichen Sauerstoff für die. Verbrennung des Treibstoffes. Der Rest des Prozessgases, der nicht dem Brenner zugeführt wurde, strömt an der äußeren Fläche der Verbrennungskammer 50 entlang. Das bewirkt, dass ein Wärmeaustausch zwischen der Verbrennungskammer 50 und dem Prozessgasüberlauf stattfindet, wodurch eine Kühlung der Verbrennungskammer 50 verursacht wird. Das Äußere der Verbrennungskammer 50 kann eine Vielzahl von Kühlrippen aufweisen, um diesen Wärmeaustausch zu verstärken.
Die Wirbelverbrennungsprodukte strömen ohne Flammenkontakt aus der Brenneröffnung 55 aus und mischen sich mit dem Prozessgas, welches durch die Öffnung 112 in das Flammrohr 109 eintritt. Eine Mischung 113 von Verbrennungsprodukten und Prozessgas strömt in einem Wirbel entlang dem Flammrohr 109. Das verringert den Temperaturgradienten in dem Flammrohr und gestattet eine bessere und schnellere Oxydation der flüchtigen organischen Substanzen, die in dem Prozessgas enthalten sind.
Nachdem die Verbrennungsprodukte das Flammrohr 109 verlassen haben, treten sie in ein Hauptverbrennungsgehäuse 114 der Vorrichtung 100 ein, in dem die Nachverbrennung stattfindet. Die Verbrennungsgase können die Vorrichtung 100 durch die Auslässe 105, 106 verlassen, die in das Hauptverbrennungsgehäuse 114 eingebaut sind.
Der Brenner 1 enthält eine Wirbelmischkammer 10, eine Verbrennungskammer 50, die unmittelbar dahinter angeordnet ist und in Verbindung mit der Wirbelmischkammer 10 steht, und eine Halteeinrichtung 60, auf der die Wirbelmischkammer 10 durch Schrauben 61 oder andere geeignete Mittel befestigt ist. Die Halteeinrichtung 60 enthält auch die Blaslanze 63, die Ultraviolett-Flammenabtastvorrichtung 66 und die Zündvorrichtung 67. Die Brennerbewegung in der Längsachse wird durch den Stellmotor 64 gesteuert.
In dem Brenner, genauer gesagt entlang seiner Längsachse, erstreckt sich die Blaslanze 63, durch die der Wirbelmischkammer 10 Erdgas zugeführt wird. Die Öffnungen 12, durch die ein Teil des Prozessgases in die Wirbelmischkammer 10 strömt, sind über den Umfang in der Wirbelmischkammer 10 angeordnet.
Das Mischen des Prozessgases und des Treibstoffs ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Rohgasbrenners der Erfindung. Um zu sichern, dass der Treibstoff in der Brennerverbrennungskammer wirksam verbrannt wird, um die gewünschten niedrigen NOx- und CO-Emissionen zu erreichen, wird die in Fig. 1 und 1A dargestellte Wirbelmischkammer 10 verwendet, welche Radial- und Tangential-Wirbeltechnologien verwendet, um über einen großen Prozeßflußbereich eine stabile Mischungszone zu erreichen. Die Wirbelbewegung der Mischung erzeugt auch eine stabile Flamme in der Verbrennungskammer 50. Die Wirbelmischkammer 10 weist drei Hauptkomponenten auf. Ein Einlasszylinder 11 (Fig. 1A) definiert die äußere Begrenzung des Brenners. Mehrere Öffnungen 12 in dem Zylinder 11 gestatten es dem Prozessgas, in den Brenner einzutreten. Die Größe und Anzahl der Öffnungen 12 steuert die Prozeßgasverwirbelung. Die Öffnungen 12 weisen vorzugsweise eine rechteckige oder quadratische Form mit einer solchen Gesamtöffnungsfläche auf, dass die Einlassgeschwindigkeit der Prozessluft 20 bis 80 Meter pro Sekunde beträgt. Die Anzahl der Öffnungen 12 ist variabel und beträgt normalerweise 2 bis 10. Dargestellt sind drei Öffnungen, beabstandet in Zwischenräumen von etwa 120º. An der Innenseite des Zylinders 11 und angeordnet an jeder Öffnung 12 ist eine Strömungsleiteinrichtung 13. Jede Leiteinrichtung 13 hat die Form einer gekrümmten Rampe oder eines gekrümmten Keils, ist bündig mit der Basis angebracht und hat dieselbe Höhe wie die Öffnung 12. Jede Leiteinrichtung 13 lenkt die eintretende Strömung, um die Verwirbelung des Prozessgases zu beginnen.
Die Basis der Wirbelmischkammer 10 ist durch eine flache Basisplatte 14 definiert, welche ein Ende des Zylinders 11 schließt. Die Basisplatte 14 dient zur Montage und Positionierung des inneren Wirbelgenerators 20, der Treibstoffdüse und der Montage des Brenners 1 an dem Isolierungsstopfen. Die Basisplatte weist in ihrer Mitte eine Öffnung 16 für das Aufnehmen der Blaslanze 63 auf.
Der innere Wirbelgenerator 20 enthält mehrere gekrümmte Platten oder Flügel 15 mit einem der bezüglich der Basisplatte 14 des Brenners bündigen Rand, die an der Basisplatte 14 montiert sind. Der Gesamtdurchmesser des Wirbelgenerators 20 beträgt vorzugsweise etwa 1/3 bis etwa 1/4 des Durchmessers des Einlasszylinders 11. Die Anzahl der Flügel 15 ist vorzugsweise der Anzahl der Öffnungen 12 in dem Einlasszylinder 11 angepaßt, obwohl auch mehr oder weniger verwendet werden könnten, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er in den Patentansprüchen definiert ist. Die Anzahl, Form und Neigung der inneren Flügel 15 bestimmen die Intensität des Mittelwirbels. Entsprechende Beispiele sind in den Fig. 2A, 2B, 2C und 2D dargestellt.
In Fig. 2A sind drei Flügel 150 gezeigt, wobei sich jeder von einem zylindrischen Abschnitt des Rohres 151 nach außen erstreckt. Die Flügel 150 sind halbkreisförmig ausgebildet und weisen an dem am weitesten von dem zylindrischen Rohrabschnitt 151 entfernten Ende einen Endflansch 152 auf. Die Flügel 150 sind um einen Winkel von etwa 120º gegeneinander versetzt und wiesen alle dieselbe Höhe auf.
Fig. 2B zeigt eine andere Ausführung, in der sich die Flügel 150' spiralförmig von dem zentralen zylindrischen Rohrabschnitt 151 erstrecken. Die Flügel sind so an dem Rohrabschnitt 151 befestigt, daß eine imaginäre Verbindungslinie von dem äußeren Ende 152' zu dem inneren Ende 153' den Mittelpunkt des Wirbelgenerators 20 schneidet. Die Flügel bilden einen Halbkreisbogen und weisen dieselbe Höhe auf. Der Wirbelgenerator dieser Ausführung weist nur die halbe Länge des Wirbelgenerators von Fig. 2A auf.
Fig. 2C zeigt eine weitere Ausführung, ähnlich der Ausführung von 2B, wobei jedoch die axialen Längen der Flügel 150" so modifiziert sind, daß beim Abwickeln der Flügel auf eine Ebene eine annähernde Trapezform ausgebildet ist.
Fig. 2D zeigt eine noch andere Ausführung, ebenfalls ähnlich der Ausführung von Fig. 2B. Es wird jedoch kein zentrales zylindrisches Rohr verwendet. Die Flügel sind einfach auf der Basisplatte 14 montiert und weisen eine im wesentlichen dreieckige Form auf, wenn sie in eine Ebene abgewickelt sind.
Das Prozessgas tritt an der Basis des Brenners durch die Öffnungen 12 in den Einlasszylinder 11 ein und es folgt den Strömungsleiteinrichtungen 13, um einen Wirbel zu erzeugen. Ein Teil des Prozessgases in diesem Wirbel berührt die Innenwirbelflügel, welche einen strenger radialen Typ einer Verwirbelung in der Wirbelmitte erzeugen.
Die Anordnung der Öffnungen 12, der Strömungsleiteinrichtungen 13, des Wirbelgenerators 15 und der zentralen Öffnung 16 für die Treibstoffblaslanze 63 gestattet ein Mischen eines Teils des Prozessgases mit dem Treibstoff sowie die Erzeugung einer Verwirbelung, die sowohl tangentiale als auch axiale Komponenten aufweist. Diese Konstruktion ergibt eine stabile Mischzone in einem breiten Standardbereich der Prozessregulierung. Der Treibstoff wird dem Brenner in der Mitte 16 der verwirbelten Strömung über die Blaslanze 63 zugeführt. Bevorzugte Treibstoffe sind solche, die keinen chemisch gebundenen Stickstoff enthalten, wie zum Beispiel Erdgas, Butan, Propan usw., wobei Erdgas wegen seiner geringeren kalometrischen Flammentemperatur besonders bevorzugt ist. Die Stärke und die Position des zentralen Prozessluftwirbels bestimmen die erforderliche Treibstoffgeschwindigkeit und die Düsenposition. Der Treibstoff sollte mit einer konstanten Geschwindigkeit der Wirbelmischkammer zugeführt werden, um die NOx-Emissionen des Brenners zu verringern. Geringe Gasströmungsgesghwindigkeiten ergeben eine schlechte Mischung von Treibstoff und Prozessgas und folglich hohe NOx-Pegel. Hohe Gasgeschwindigkeiten führen ebenfalls zu einem schlechten Mischen und hohen NOx-Pegeln. Vorzugsweise liegen die Gasströmungsgeschwindigkeiten in einer Größenordnung zwischen 50 und 150 m/s. Die Menge des in den Brenner eintretenden Treibstoffs wird durch eine Ventilanordnung und durch eine dem Stand der Technik entsprechende Betätigungs- und Temperatursteuerungsvorrichtung bestimmt. Die Treibstoffzufuhr wird nach Erfordernis verringert oder erhöht, um den Temperatursteuerungssollwert einzuhalten.
Treibstoff und Prozessgas beginnen sich zu mischen, wenn sie sich in axialer Richtung in der Mischkammer 10 nach unten weiterbewegen und in den Verbrennungsabschnitt 50 des Brenners eintreten. Wegen der Strömungskennwerte im Inneren der Verbrennungskammer 50 bleibt die Mischung von Treibstoff und Prozessgas stabil, bis sie in der Verbrennungskammer 50 vollständig verbrannt ist, so daß von dem Brenner 1 nur noch Verbrennungsprodukte ausgestoßen werden.
Sich Fig. 7 und 8 zuwendend, ist dort eine bevorzugte Ausführung der Blaslanze 63 dargestellt. Die Blaslanze 63 weist ein äußeres Rohr 70 auf, in dem ein Rohr 71, das Treibstoff, wie zum Beispiel Naturgas, zuführt, eine Austrittsdüsenanordnung 72, ein Flammendetektor 73 und eine Kontrollflamme 74 angeordnet sind. An einem Ende außerhalb des äußeren Rohres 70 hat das Treibstoffzufuhrrohr 71 einen flanschförmigen Einlass 75, durch den der Treibstoff dem Rohr 71 zugeführt wird. Um die Blaslanze 63 zu befestigen, zum Beispiel an der Halteeinrichtung 60 des Brenners 1, weist das äußere Rohr 70 einen scheibenförmigen Flansch 76 auf. Der Flammendetektor 73, vorzugsweise ein Ultraviolett- Sensor, gestattet die Beobachtung sowohl der Kontrollflamme als auch der Betriebsflamme.
Die Steuerung der Treibstoffgeschwindigkeit in die Brennereinrichtung ist für die NOx-Wirksamkeit und das Herunterfahren der Brenners (das Verhältnis von hoher Flamme zur niedrigen Flamme, wobei die niedrige Flamme gleich 1 ist) wichtig und erfolgt mit einer einstellbaren Düseneinrichtung. Mit dem Brenner der vorliegenden Erfindung können Herunterfahrverhältnisse von 60 : 1 erreicht werden. Eine geringe Treibstoffgeschwindigkeit ergibt eine schlechte Luft/Treibstoff-Mischung und/oder ein Erlöschen der Flamme. Eine hohe Treibstoffgeschwindigkeit treibt den Treibstoff über den Mischpunkt hinaus, wodurch höhere NOx-Emissionen und ein Ausblasen der Flamme entstehen. Die Fig. 3A und 3B zeigen runde Gasdüsenausführungen, die konstruiert sind, um die Treibstoffgeschwindigkeit zu steuern und die Fig. 4A und 4B zeigen rechteckige Ausführungen. Eine Reihe von hintereinander in Folge angeordneten Düsenöffnungen sichert in den Konstruktionen der Fig. 3A und 4A eine dichte Annäherung an eine konstante Geschwindigkeit. Diese Düsen können alle dieselbe Größe oder dasselbe Progressionsverhältnis aufweisen. Sie können in einem linearen oder in einem halbkreisförmigen Muster angeordnet sein, wobei das letztere wegen der Brennerkonfiguration und dem Wirbelmuster des Prozessgases vorgezogen wird. Es können aber auch Schlitze anstelle der Düsenöffnungen verwendet werden, wie es in Fig. 3B und 4B dargestellt ist. Ein Schieberventil 33, 33' und 43, 43' ist ein auf Passung bearbeitetes Bauteil, welches, wenn es sich sequentiell bewegt, die Treibstoffdüsen öffnet oder die Schlitzöffnung vergrößert. Das progressive Öffnen des Ventils erzeugt eine konstante Treibstoffgeschwindigkeit. Dieses progressive Merkmal des Ventils gewährleistet das Konstantgeschwindigkeitsmerkmal des Brenners. Für die halbkreisförmige Konstruktion wird ein drehnockenförmiges Bauteil 33 oder 33' verwendet (Fig. 3A, 3B). Für die lineare Konstruktion wird die Wirkung durch Verschieben des Ventils 43, 43' über die hintere Stirnfläche der Düsen/des Schlitzes (Fig. 4A, 4B) erzielt. Ein vollständiges Schließen des Ventils ist möglich. Die Bewegung des Ventils wird durch eine dem Stand der Technik entsprechende Steuerorgan/Betätigungsorgan-Technik gesteuert, die Fachleuten gut bekannt ist.
Die Position der Düsen/Ventil-Anordnung ist für das Verhalten des Brenners wesentlich. Die Kombination Ventil/Düsen-Anordnung ist am Ende der Treibstoffblaslanze 63 in der Mischkammer 10 des Brenners 1 angeordnet. Das sichert eine sofortige Reaktion auf Steuersignale und eliminiert im Grunde genommen Regelungsschwankungen des Brenners.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, ist die Brennerverbrennungskammer 50 am Ausgang der Wirbelmischkammer 10 angeordnet und bildet einen geschlossenen Raum für die Verbrennung des Treibstoffs. Die Verbrennung des Treibstoffs in einer geschlossenen Kammer ermöglicht die Steuerung der Reaktion. Das Begrenzen der Menge von Sauerstoff und Stickstoff in der Verbrennungskammer des Brenners verringert die NOx-Emissionen. Weiterhin eliminiert eine vollständige Verbrennung innerhalb der Kammer den Flammenkontakt mit dem Prozessgas, wodurch ebenfalls die NOx-Bildung minimiert wird. Die Kammer wirkt auch als ein Wärmetauschermedium und ermöglicht eine gewisse Wärmeübertragung zu dem Prozess. Sich nun den Fig. 5A und 5B zuwendend, weist die Verbrennungskammer 50 zwei Lochplatten 51, 52 und einen Zylinder 53 auf. Die Austrittslochplatte 52 hat die Form eines flachen Ringes, dessen Außendurchmesser dem Durchmesser des Zylinders 53 entspricht. Durch die Austrittslochplatte 52 verläuft eine Öffnung 54, die kleiner als der Durchmesser des Zylinders 53 ist und durch welche die Verbrennungsgase aus der Verbrennungskammer 50 entweichen können. Durch das Vorsehen einer begrenzten Öffnung 54 am Ende der Verbrennungskammer 50 wird eine zusätzliche Flammenstabilität erreicht. Die Einlasslochplatte 51 hat ebenfalls die Form eines flachen Ringes und weist eine zentral angeordnete Öffnung 55 auf, deren Durchmesser dem Durchmesser der Öffnung 54 in der Austrittslochplatte 52 entspricht. Vorzugsweise entspricht der Durchmesser der Öffnungen 54 und 55 dem Durchmesser des Zylinders 11 der Mischkammer 10. Der Außendurchmesser der Einlasslochplatte 51 ist größer als der Durchmesser des zylindrischen Gehäuses der Wirbelmischkammer. Die Einlasslochplatte 51 und die Austrittslochplatte 52 liefern eine große Scherbeanspruchung für die eintretenden und austretenden verwirbelten Gase. Diese Scherbeanspruchungen erzeugen das dynamische Gleichgewicht, welches die Flamme innerhalb der Kammer unter Kontrolle bringt. Die verwirbelte Strömung innerhalb der Kammer 50 und die Rezirkulationszonen, die durch die Öffnungen erzeugt werden, sichern eine vollständige Verbrennung des Treibstoffs und aus der Kammer 50 treten nur Verbrennungsprodukte aus. Eine abrupte Veränderung des Durchmessers ist zwischen der Wirbelkammer und der Brennerverbrennungskammer 50 ausgebildet und bewirkt, daß die heißen Verbrennungsgase rezirkulieren, wodurch Flammenstabilität erreicht wird. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Brennerverbrennungskammer 50 etwa doppelt so groß, wie die Ringöffnung zwischen der Wirbelkammer und der Verbrennungskammer. Keilförmige Verstärkungsstege 56 verstärken die Konstruktion des Zylinders 50 und verbessern den Wärmeaustausch zwischen der Verbrennungskammer und dem Prozessgas, das diese Stege umströmt. Äußere Kühlrippen (nicht dargestellt) können ebenfalls außen an der Verbrennungskammer 50 angeordnet sein, um den Wärmeaustausch zu verstärken.
Der Druckabfall über die Brennereinrichtung steuert die Menge des in den Brenner eintretenden Prozessgases und bestimmt die Intensität der verwirbelten Strömung innerhalb des Brenners. Das bevorzugte Verfahren für die Drucksteuerung ist das lineare Bewegen der Misch- und Verbrennungskammern des Brenners. Durch die Position des Brenners in der Nachverbrennungsvorrichtung (Fig. 6) verändert die Bewegung in das und aus dem Gehäuse 60 heraus die Öffnungsgröße am Einlass des Flammrohres 109, wodurch der Druckabfall erzeugt wird, der für einen ordnungsgemäßen Brennerbetrieb erforderlich ist. Die Bewegung des Brenners kann gesteuert werden, um einen konstanten Druckabfall in dem Brenner aufrechtzuerhalten oder sie kann programmiert werden, um eine spezifische Brennerposition entsprechend den Prozessgas- und Treibstoffgeschwindigkeiten zu gewährleisten.
Die Bewegung des Brenners ist vorzugsweise eine lineare Bewegung. Fig. 9 zeigt eine bevorzugte Einrichtung. Die Verbrennungskammer 50 und die Wirbelmischkammer 10 sind mittels eines Montageflansches 62 an einer Blaslanzeneinrichtung 63 befestigt. Diese Einrichtung bewegt sich auf der Längsachse 22 des Brenners durch die Mitte des getrennten Montagegenäuses 60. Die Lagereinrichtung auf der heißen Seite 64 und die Lagereinrichtung auf der kalten Seite 65 stützen die sich bewegenden Abschnitte (d. h. die Blaslanze 63, die Mischkammer 10 und die Verbrennungskammer 50) des Brenners. Die bezüglich des Gehäuses 60 hineinführende und herausführende Linearbewegung des Brenners wird durch die lineare Betätigungseinrichtung 61 gesteuert, die mit der Blaslanze 63 gekoppelt ist. Ein Ultraviolett-Flammendetektor 66 und eine Funkenzündungseinrichtung 67 sind ebenfalls dargestellt.
Die lineare Position des Brenners wird durch Überwachen des Treibstoffverbrauchs und des Kammerdifferenzdrucks gesteuert. Der Differenzdruck vor und hinter dem Brenner wird durch Abfühlen des Drucks in der Nachverbrennungsvorrichtung 100 (Fig. 6) sowohl vor dem Brenner in der Zufuhrleitung 108 als auch hinter dem Brenner in dem Flammrohr 109 gemessen. Der Brenner wird dann in Abhängigkeit von der gemessenen Differenz linear bewegt. Da der Durchmesser der Verbrennungskammer 50 geringfügig kleiner ist, vorzugsweise 5-20 mm und am bevorzugtesten 10 mm kleiner, als der Durchmesser des Drosselpunktes 115 des Flammrohres 109, verändert ein Einwärts- und Auswärtsbewegen des Brenners die Größe der Öffnung zwischen der Verbrennungskammer 50 und dem Flammrohr 109. Das steuert den Druckabfall des Prozessgases, das hinter dem Brenner strömt und steuert somit die Menge des in den Brenner eintretenden Prozessgases. Wenn zum Beispiel der Brenner in Richtung zu dem Ende des Flammrohres 109 hin bewegt wird, wird die Öffnung zwischen der Verbrennungskammer 50 und dem Flammrohr 109 kleiner und der Druckabfall des Prozessgases nimmt zu. Die optimalen Brennerpositionen für die verschiedenen Luftströmungen und Zündraten variieren mit der Brenneranwendung. Nachdem die optimale Brennerposition bestimmt ist, kann die Computerprogrammierung verwendet werden, um geeignete Signale für die Steuerung der Brennerbewegung an die Positionierungs- Betätigungsvorrichtung zu liefern.
Obwohl eine geradlinige Betätigung des Brenners bevorzugt ist, können auch andere Mittel verwendet werden, um die Größe der Öffnung zwischen der Verbrennungskammer 50 und dem Flammrohr 109 zu verändern, um dadurch den Prozessgasstrom zu steuern, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den Patentansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Brenneranordnung (1) zum Verbrennen flüchtiger organischer Substanzen in einem Prozessgas, die aufweist: Eine Mischkammer (10) mit einer Brennertreibstoffeinlasseinrichtung (63) und einer Prozessgaseinlasseinrichtung (12) zum Einführen von Brennertreibstoff und Prozessgas in die Brenneranordnung, eine Verbrennungskammer (50), die in Verbindung mit der Mischkammer (10) steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (10) einen Wirbelgenerator (20) umfasst, der eine Mehrzahl von Flügeln zur wirbelnden Vermischung von Brennertreibstoff und Prozessgas miteinander, wenn sie durch und aus der Mischkammer (10) und in die Verbrennungskammer (50) fließen, aufweist, dass die Brennertreibstoffeinlasseinrichtung (63) eine Blaslanze mit einem Brennertreibstoffauslass, der in Verbindung mit der Mischkammer steht, aufweist, wodurch Brennertreibstoff und Prozessgas, die durch Verwirbelung gemischt sind, innerhalb der Verbrennungskammer (50) verbrennen.

2. Brenner nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch eine Einrichtung (32, 33) zum Bewirken, dass der Brennertreibstoff mit konstanter Geschwindigkeit in die Mischkammer eintritt.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Bewirken, dass der Brennertreibstoff mit konstanter Geschwindigkeit in die Mischkammer eintritt, eine Düse (72) mit einstellbaren Öffnungen zum Austritt des Treibstoffs daraus aufweist.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Regulieren der Menge von Prozessgas, die durch die Prozessgaseinlasseinrichtung in die Mischkammer eintritt.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessgaseinlasseinrichtung eine Einrichtung (103, 104) zum Bewirken, dass das Prozessgas tangential in die Mischkammer (10) eintritt, aufweist.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blaslanze eine einstellbare Auslassdüse hat.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer und die Verbrennungskammer so dimensioniert sind, dass dazwischen eine abrupte Durchmesseränderung vorhanden ist.

8. Vorrichtung (100) zum Verbrennen brennbarer Substanzen in einem Prozessgas mit einer Hauptverbrennungskammer (114) und einer Prozessgaszufuhrleitung, gekennzeichnet durch ein Flammrohr (109) mit einem Einlass, der in Verbindung mit der Prozessgaszufuhrleitung steht, und einem Auslass, der in Verbindung mit der Hauptverbrennungskammer steht, durch einen Brenner (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, der in Verbindung mit dem Einlassende des Flammrohrs (109) steht, und durch eine Einrichtung (64) zum Bewirken einer linearen Bewegung des Brenners (1) relativ zu dem Flammrohr (109).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerverbrennungskammer (50) einen Außendurchmesser hat, der geringer ist als der Innendurchmesser des Flammrohreinlasses, wodurch zwischen der Brennerverbrennungskammer und dem Flammrohreinlass eine ringförmige Öffnung definiert wird, deren Abmessungen variierbar sind, indem eine relative Bewegung zwischen der Brennerverbrennungskammer und dem Flammrohr bewirkt wird.

10. Verfahren zum Verbrennen brennbarer Substanzen in einem Prozessgas, bei dem

eine Nachverbrennungseinrichtung mit einer Oxidationskammer (114), ein Flammrohr (109) mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Auslass in Verbindung mit der Oxidationskammer steht, ein Prozessgaszufuhreinlass (103, 104), der in Verbindung mit dem Flammrohreinlass steht, und ein Brenner gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 bereitgestellt werden,

der Brennertreibstoffeinlasseinrichtung (63) Brennertreibstoff zugeführt wird,

bewirkt wird, dass ein erster Teil des Prozessgases in die Prozessgaseinlasseinrichtung (12) eintritt, mit dem Brennertreibstoff in der Mischkammer (10) gemischt wird, und aus der Mischkammer und in die Brennerverbrennungskammer (50) fließt,

der Brennertreibstoff, der mit dem ersten Teil des Prozessgases in der Brennerverbrennungskammer gemischt ist, verbrannt wird,

bewirkt wird, dass der verbrannte Treibstoff und der erste Teil des Prozessgases aus der Brennerverbrennungskammer und in das Flammrohr fließen,

bewirken, dass ein zweiter Teil des Prozessgases in das Flammrohr eintritt und mit dem verbrannten Treibstoff und dem ersten Teil des Prozessgases gemischt wird,

der Druck in dem Prozessgaszufuhreinlass abgefühlt wird,

der Druck in dem Flammrohr abgefüllt wird,

der abgefühlte Druck in dem Prozessgaszufuhreinlass mit dem abgefühlten Druck in dem Flammrohr verglichen wird, und

die Menge an Prozessgas, die in die Brennertreibstoffeinlasseinrichtung eintritt, auf Grundlage des Druckvergleichs gesteuert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge von Prozessgas, die in die Brennertreibstoffeinlasseinrichtung eintritt, gesteuert wird, indem die Druckdifferenz zwischen dem Prozessgaszfuhreinlass (103, 104) und dem Flammrohr (109) gesteuert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz gesteuert wird, indem die Brennerverbrennungskammer (50) und die Mischkammer (10) geradlinig in Bezug auf das Flammrohr (109) bewegt werden.