DE7412444U - Vorrichtung zum thermischen Nachverbrennen von staub- und/oder dampfhaltigen Abgasen - Google Patents

Description

Eambuiig, den S. April 1974-JUPG 257 DT

Anmelder;

JURID WEKKE GmbH, Glinde bei Hamburg

Vorrichtung zum thermischen Nachverbrennen von staub- und/oder dampfhaltigen Abgasen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum thermischen Nachverbrennen von staub- und/oder dampfhaltigen Abgasen, insbesondere aus Öfen zur Härtung von duroplastischen Formteilen, mit einer prismatischen, von den Ofenabgasen durchzogenen Brennkammer und einem in die Brennkammer hineinragenden, durch zusätzliche Zufuhr von Brennstoffen betriebenen Geblase-Brenner*

Bei der Herstellung von Kunststoff-Formteilen, Insbesondere solchen die mit wKrmehärtbaren Harzen, sogenannten Duroplasten, z. B. Phenolhar.-.en, Melaminharzen und ähnlichen, gebunden sind,

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wie auch bei der Herstellung von mit Kautschuken gebundenen Formteilen treten an vielen Fabrikationsstufen, aber besonders bei den Härte- und Röstprozessen, übelriechende Abgase auf, die belästigende Immisionen bilden, weswegen die Abgase bsiis Austraten aus den Troekciücüsuncrn oder Eärtscfcn. von des. staub- und/oder dampfförmigen Schadstoffen befreit werden müssen. Soweit diese Substanzen, z.B. Lösungsmittel in wirtschaftlichen Anteilen im Abgas, nicht zurückgewonnen werden können oder als Stäube in Filtern zurückbleiben, bemüht man sich, sie durch katalytische oder thermische Nachverbrennung: aus den Abgasen herauszuholen. Die katalytischen Verfahren haben im Vergleich zu thermischen Verfahren den Vorteil, daß die Heaktionstemporaturen niedriger (450 ⁰C) liegen und der Brennstoffaufwand entsprechend geringer ist, aber den Nachteil, dan die Apparaturen sehr umfangreich sine und die Katalysatoren unwirksam und dadurch verbraucht werden und sehr teuer sind.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, schädliche Abgas-Bestandteile auf billige und wirksame Weise zu beseitigen·

Eine weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zum thermischen Nachverbrennen zu schaffen, die mit einem möglichst guten Wirkungsgrad hinsichtlich des Brennstoffaufwands und der Be seitigung der Schadstoffe im Abgas arbeitet.

Biese Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Brenner an einer Grundflächenwand der

länglichen Brennkammer angebracht und der Austrittskegel der ? lamme von einer mantelförmig zu ihm in der Brennkammerwand angeordneten Öffnung für die Zufuhr der Abgase umgeben ist und sich der der Brennerwand in einem Abstand etwas kleiner als Flammenl&nge gegenüberliegende Wandteil der Brennkammer

* aus einer räumlichen Gitterstruktur von Formteilen aus hoch-

hitzebeständigen Materialien zusammensetzt.

Diese Anordnung weis- vor allem den Vorteil auf, daß zu ihrem

« Betrieb kein zusätzliches Abgasförderungemittel, wie ein

Gebläse, notwendig ist, weil die Brenner-Flamme wie ein Injektor auf die aus der ringmantelförmigen Öffnung strömenden Abgase wirkt, wobei der Querschnitt der ringmantelförmigen Öffnung größer ist als der Abgaseintrittsquerschnitt, sodaß Strömungswiderstände vermieden werden. Die Abgase mi

schen sich beim Eintritt in die Brenxu immer mit der Flamme, wodurch ein erster Nachverbrennungsbereich für die im At'gas enthaltenen brennbaren Bestandteile, z. B. Lösungsmittel,

\ Monomere, Krackprodukte uswo, entsteht.

An dem der Brennerwand gegenüberliegenden Wandteil, es ist die der Grundfläche gegenüberliegende Deckfläche des prismatischen Körpers, beginnt der zweite Nachverbrennungsbereichο Dieser Teil der Brennkammer-Wandfläche ist von der Wand, in der der Brenner befestigt ist, soweit entfernt, daß die Flamme gerade noch die räumliche Gitterstruktur berührt und die Formteile der Wand zum Glühen bringt.

Der Wandteil setzt sich, derart aus vorzugsweise keramischen, gegebenenfalls außerdem katalytisch, wirkende Bestandteile enthaltenden Formteilen, z. 3. aus auf Lücke gesetzten Quaderoder Wabensteinen, aus mit an ihrer Wandflache aneinandergesetzten Rohrstücken, aus Kugeln in Kugelpackung, zusammen, daß das räumliche Gitterwerk entsteht, durch dessen Zwischenräume das Abgas hindurchtreten kann. Durch geeignete Auswahl der Formkörper, hinsichtlich ihres Materials, ihrer Form und ihrer Abmessungen, kann man sich einem weiten Anwendungsbereich anpassen, -rfobei Fiammentemperatur und Zusammensetzung der Abgase das Verhältnis von beheizter Fläche zur Zwischen-

/strecke

raumfläche und Dicke der Wand, d. h„ ReaktionsiiäekkE beeinflussen. Beispielsweise kann man durch dei Strömungswiderstand der Gitterwand die Geschwindigkeit der Abgase bestimmen und der Ofenabgasgeschwindigkeit angleichen.

Wenn es auch aus Gründen der leichteren Herstellbarkeit günstig sein kana, die Vorrichtung in Zylinderform zu bauen und dabei handelsübliche gezogene Bohre zu Verwenden, so kann es zur optimalen Ausnutzung gegebener Raumverhältnisse wiederum vorteilhaft sein, die Brennkammer in Form einer Muffel mit viereckigem Querschnitt herzustellen. Es ist daher möglich, sich mit der Vorrichtung auch auf alle örtlichen Gegebenheiten einzustellen.

Da die Vorrichtung hinsichtlich ihrer Raumform und ihres konstruktiven Aufbaus so anpassungsfähig ist, empfiehlt es sich, jeden Ofen auch mit der seinem Betrieb optimal ange-

paßten Vorrichtung zu versehen, die darm mit diesem Ofen zusammen betrieben werden kann. Sollten sich die Betriebsbedingungen des Ofens stark verändern, so läßt sich die Verrich tung durch Austausch des strukturierten Wandteils oder des Brenners dem geänderten Betrieb entsprechend auf einfache Weise abwandeln.

Bei den herkömmlichen Öfen für Duroplasthärtung beträgt die Abgastemperatur max. 300 °C, sodaß es leider meistens nicht lohnt, die Wärme des Abgases auszunutzen. Am Ausgang eines erfindungsgemäßen Nachverbrennen für derartige Öfen beträgt die Abgastemperatur jedoch etwa 65O C. Daher ist es günstig, an den Öfen eine erfindungsgemäße Vorrichtung derart anzubringen, daß die Verlängerung des Auslaßstutzens der Vorrichtung der wärmeabgebende Teil eines Wärmeaustauschers für die Vorwärmung der dem Härteofen zugefiihrtenFrischluft ist, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Betriebes von Ofen und Nachverbrennung sehr verbessert wird.

Der Grundgedanke der Erfindung beruht also darauf, daß in einer Vorrichtung zur Nachverbrennung eine Gebläsebrennerflamme und ein ihr gegenüberliegender, gitterförmig strukturierter Wandteil der von den Abgasen durchzogenen länglichen Brennkammer zwei auf einander folgende Bereiche für die Nachverbrennung brennbarer, schädlicher Abgas-Bestandteile bilden. Die Flamme saugt sich durch Injektorwirkung die in sie eintretenden Abgase aus einem sie mantelförmig umgebenden Ringspalt an und erhitzt gleichzeitig den strukturierten, von den Abgasen durchzogenen Wandteil·

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Diese und weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben /j j sich aus den Ansprüchen sowie aas der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen die Erfindung am Beispiel einer Ausführungsform ausführlich erläutert und schematisch dargestellt ist«.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäßß Nachverbrennungs-Vorrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den strukturierten Wandteil und den Abgaseintrittsstutzen von Fig. 1,

Fig. 3 eine Anlage, bestehend aus einem Härteofen, einer erfindungsgemäßen Nachverbrennungsvorrichtung und einem an diese anschließenden Wärmeaustauscher für die dem Ofen zugeführte Frischluft.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Vorrichtung 10 umfaßt ein mit einer Wärmeisolierung 11 belegter Stahlblech-Außenmantel 12. Dieser Außenmantel 12 ist mit seiner Stirnseite an einer Verstärkungs- oder Grundplatte 1*f befestigt, die das tragende Element für die Vorrichtung 10 und für einen Gebläse-Brenner 16 bildet und ebenfalls mit einer Wärmeisolierung 15 versehen ist. Der Brenner 16, der mit von außen zugeführten Brennstoffen betrieben wird, ist so eingebaut, daß seine Flamme entlang der Mittelachse der Vorrichtung 10 in eine Brennkammer 18 ausgestoßen wird. Die Brennkammer 18 besteht aus einem Innenmantel 17 in Stahlblech- oder Stahlrohrausführung und ist

mit einer wärmeisolierenden Stampfmasse 19» ζ« B. einem unter / ⁰^ dem Handelsnamen "FIRECRETE 3X" erhältlichen Produkt, flammteständig und feuerfest ausgekleidet. In den ringmanteiförmigen, isolierten Zwischenraum 20 zwischen dem Außenmantel und dem Innenmantel 17 wird das aus dem Ofen kommende, noch brennbare Anteile enthaltende Abgas tangential über einen Stutßon 22 zugeführt, in Pfeilrichtung durch den Mantelraua 20 geleitet und schließlich durch eine den Austrittskegel der Flamme mantelförmig umgebende Öffnung 2h in die Brennkammer 18 und in die den ersten Nachverbre-anungsbereich bildende Flamme hineingoeaugt. Vorzugsweise wird einander gegenüberliegend auf beiden Seiten des Außenmantels 12 je ein Stutzen 22 angeordnet, wobei der der jeweiligen Anschlußseite gegenüberliegende Stutze-iteil mit einem Explosionsschutzdeckel 23 ausgerüstet ist.

Gemäß der Erfindung besteht ein der Erennerwand 14, 15 gegenüberliegender V/andteil 2b der Brennkammer i8 aus einer räumlichen Gitterstruktur von keramischen. Formteilen 27· lter Wandteil 26 ist von dem Wandteil 15, in dem sich der Brenner Ιό befindet, um etwas weniger als die durchschnittliche Flammenlänge entfernt, d. h. die Brennerflamme ist so einzustellen, daß sie etwas in die Gitterstruktur hineinreicht. Die Auswahl des Materials, der Form urid der Abmessungen der keramischen Formteile 27 hängen ebenso wie die dei· Auskleidung 19 der Brennkammer i8 und wie die Auswahl des Brenners 16 bzw. seiner Brennstoffe von den Verfahrenaeinzelheiten des Ofens ab, an den die Nachverbrennungsvorrichtung 10 angeschlossen ist, also vor allem von der Zusammensetzung und der Menge

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der Abgase. Gut verwendbare Formteile sind z. B. Quadersteine, Wabensteine, Rohrstücke und Kucaln, die derart zusammengesetzt werden, daß sich räumliche Gitteröffnungen 28 ergeben, die den zweiten Nachverbrennunßsbereich bilden. Vorzugsweise ist der Wandteil 26 so ausgebildet, daß sich bei Betriebsänderungen oder Reparaturen ein Wandteil mit der einen Art der Formteile 27 leicht gegen einen Wandteil mit einer anderen Art bzw. Anordnung der Formteile 27 austauschen läßt.

Zur Kompensation der Wärmeausdehnung ist en der Brennkammer 18, zwischen Stahlblechmantel 17 und Stampfmasse 19ι und an der stirnseitigen Brennerwand, zwischen Grundplatte und Wärmeisolierung (Feuerleichtsteine) 13« ein feuerfester Filz 21 angebracht.

An den Wandteil 26 mit den Gitteröffnungen 28 schließt an ein eich trichterförmig verengender Stutzen 30 für ein Auslaßrohr 31 für die gereinigten Abgase. Die Verengung ist so gewählt, daß der Querschnitt des Reingasauslaßrohres 31 dem Querschnitt des Rohgaseintrittsrohres 22 entspricht.

Die gesamte Anlage ist im Baukastenprinzip ausgeführt, d. h_o Außenmantel 11, 12, Brennkammer-Wand 17, 19, Rückwandteil 26, 2y und trichterförmiges Luftaustritteteil 30 sind mit einer gemeinsamen Schraubverbindung 32 miteinander verbunden; somit sind die aufgeführten Teile leicht zugängHeh. zerlegbar und austauschbar.

Die in Fig. 3 dargestellte Anlage besteht aus einem Ofen ^O _{ beispielsweise für die Aushärtung von duroplastischen Formteilen, der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 für die Nachverbrennung und einem Wärmeaustauscher 50» Zwei Brenner für die Beheizung ueä HürtööfeüS kO sind suit *r1 üüu kZ bezeichnet. Die Nachverbrennungsvorriohtung 10 ist vermittele eines Gestells 13 auf dem Ofen ^O abgestützt. Sie erhält die Abgase über.das ZufUhrungerohr 22 aus dem Ofen kO und gibt sie über das Auelaßrohr 31 in den Wärmeaustauscher 50, wobei die Verlängerung des Rohres 31 als wärmeabgebender Teil dee Wärmeaustauschers 50 ausgebildet ist. Ein Auslaßrohr für das Abgas, dessen schädliche, brennbare Bestandteile im Nachveirbrenner 10 entfernt worden sind und das seine Wärme im Wärmeaustauscher 50 abgegeben hat, ist mit 51 bezeichnet. Die dem Ofen kO zuzuführende Frischluft wird über ein Rohr 52 angesaugt, im Wärmeaustauscher 50 vorgewärmt und über ein Rohr 53 in den Härteofen ^O gegeben·

Im Betrieb wird der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 das aus dem Ofen ko kommende, zu verbrennende Schadstoffe enthaltende Abgas durch den Stutzen 22 in den ringförmigen Mantelraum 20 tangential an dem Ende zugeführt, wo sich der gitterförmig strukturierte Wandteil 26 befindet. Die Pfeile der Fig.1 und kennzeichnen die SärmBnagvxfihtung. Durch die tangentiaie Zuführung verteilt sich das Abgas gut im Mantelraum 20, wird im Gegenstrom zur Strömungsrichtung in der Brennkammer 18 beim Durchtritt durch den Mantelraum 20 vorgewärmt und gelangt dadurch bereite beschleunigt in die mantelförmige Öffnung 2k. wo

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es durch die Saugwirkung der Flamme nochmals beschleunigt wird. Die Nachverbrennungs-Vorrichtung 10 übt dadurch auf die aus dem Ofe:a ^O kommenden Abgase eine derartige Saugwirkung aus, daß zusätzliche Gebläse nicht erforderlich sind. Bei unmittel-■ barem Anschluß der Vorrichtung 10 an den Ofen ko benötigt man

nur eine kurze Rohrleitung 22, sodaß keine großen Leitungswiderstände entstehen und ein ausreichender Abzug gegeben ist.

Der die Brennkammer 18 nach der Ar.slaßseite begrenzende Wandtail 26 wirkt in mehrfacher Weise auf die zu reinigenden Abgases

Die Verringerung des Strömungsquerschnitts durch die Gitterstruktur der Wand 26 und den trichterförmigen Auslaßstutzen bewirkt einerseits den Rückstau der Abgasmasse. Andererseits wird das Abgas durch die Injektorwirkung -.»x· Flamme in die Brennkammer 18 hineingesaugt. Es ergibt sich also eine Kompression, d. h. die Verweilzeit des zu reinigenden Abgases in der Brennkammer 18 wird in günstiger Weise verlängert und der Füllungegrad verbessert, dadurch daß der Zufluß beschleunigt i.ca der Abfluß verzögert wird. Dieser Kompressionsvorgang ist mit einer Konzentrierung der auszubrennenden Schadstoffe verbunden, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert wird.

Weiter wird durch die räumliche Strukturierung des Wandteils eine bedeutende Vergrößerung der wirksamen Oberfläche des zweiten Nachverbrennungsbereichs erreicht, die sich dadurch weiter vergrößern läßt, daß man für die Herstellung der die Wand 26 zusammensetzenden Formteile 27 stark poröse Materialien

verwendet, die gegebenenfalls auch noch katalytisch wirkende Bestandteile enthalten. An dieser ausgedehnten, heißen Oberfläche streichen die Abgase vorbei, bevor sie die Brennkammer 18 verlassen, wobei der restliche Anteil an brennbaren Substanzen verbrennen kann.

Bei der Ausgestaltung des V/andteils 26 kommt es daher einerseits auf dessen Strömungswiderstand bzw. Durchlässigkeit bzw. Verhältnis von Wandfläche zur Fläche der Durchlässe bzw» Porosität an; andererseits spielen die Größe der äußeren und inneren Oberfläche, also ebenfalls die Porosität, und die Dicke der Wand, eine Bolle sowohl für den Gasdurchtritt als auch für die Verbrennungsreaktionen· Dies hat zur Folge, daß bei Verkleinerung der Apparatedimensionen sich die Form und Größe der keramischen Formteile 27 ebenfalls verändern« Bei kleinen Apparaturen wird daher der Wandteil 26 nicht mehr aus gleich großen, vorgeformten Formteilen zusammengesetzt, sondern aus verhältnismäßig kleinen, ungleichen, vorgeformten Teilen, wie sie sich ergeben durch Füllung von Filterpatronen mit Schlackenwolle oder-kügelchen, durch Herstellung von filterähnlichen Wandteilen 26 mit Hilfe von bekannten pulvermetallurgischen oder fasermetallurgischen Verfahren.

Zur Prüfung der Wirksamkeit der Nachverbrennung wurden Messungen an einer Versuchsapparatur nach zwei verschiedenen Meßverfahren durchgeführt·

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Nach dem erster. Keßverfahren wurden Proben des von einem Duroplasthärteofen könnenden Abgases vor und hinter der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, also aus Stutzen 22 (Rohgasseite) bzw. Stutzen 31 (Reingasseite) entnommen, über Wasser- und Natronlaugevorlagen geführt und kolorimetrisch auf den Phenolgehalt untersucht« Die Auswertung ergab, daß die Abgase aus Stutzen 31 frei von schädlichen Ausscheidungen und Geruchsstoffen waren.

Nach dem zweiten Meßverfahren wurde der Gesamtkohlenwasser stoffgehalt der Abgase am Zuführungsstutzen 22 bzw. Auslaß stutzen 31 mit einem Fl&mmen-Ionisationsdetektor gemessen. Es ergab sich, daß bei voller Brennerleistung 98 - 99»5 % der Kohlenwasserstoffe und bei gedrosseltem Brenner, d. h. der Hälfte des Brennstoffverbrauchs, 90 - 9β % der Kohlenwasserstoffe entfernt wurden*

Die gute Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigte sich auch daran, daß bei einer Brennkammertemperatur von ζ. Β. 75Ο ⁰C nach Zufuhr eines noch stark kohlenstoffhaltigen, nachzuverbrennenden Abgases die B temperatur um ca« 100 ⁰C anstieg.

- ANSPRÜCHE -- 13 -

Claims (1)

1. ANSPRÜCHE

   1, Vorrichtung zum thermischen Nachverbrennen von staub- und/oder dampfhaltigen Abgasen, insbesondere aus Öfen zur Härtung von duroplastischen Formteilen, mit einer prismatischen, von den Abgasen durchzogenen Brennkammer und einem in die Brennkammer hineinragenden, durch zusätzliche Zufuhr von Brennstoffen betriebenen Gebläse-Brenner, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (16) an einer Grundflächenwand (1*0 der länglichen Brennkammer (18) angebracht und der Austrittskegel .der Flamme von einer mantelförmig zu ihm in der Brennkammerwand (17, V9) angeordneten Öffnung (2*0 für die Zufuhr der Abgai:o timgeben ist und sich der der Brennerwand (14 in einem Abstand etwas kleiner als Flammenlänge gegenüberliegende Wandteil (26) der Brennkammer (18) aus einer räumlichen Gitterstruktur (28) von Formteilen (27) aus hochhitzebeständigen Materialien zusammensetzte

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandteil (26) mit der räumlichen Gitterstruktur (28) aus keramischen Formteilen (27) besteht und ein austauschbares Bauelement bildet.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Formteile (27) katalytisch wirkende Substanzen enthalten.

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   k. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß der V/anuteil (1M, in dem der Brenner (16) angebracht ist, als tragendes Bauteil für die Vorrichtung (10) dient.

   5. Vorrichtung nach einem oder allen vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (18) aus einem mit einer feuerfesten Stampfmasse (19) ausgekleideten Stahlrohr (17) besteht«

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, da3 zwischen der Brennkamaerwand (17) und ihrer Wärmeisolation (19) sowie zwischen der Grundflächenwand (1^) und ihrer Isolation (15) ein feuerfestes, zusammendrückbares, filzartiges Material (21) zum Ausgleich der Wärmedehnung angebracht ist.

   7. Vorrichtung nach einem oder allen vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (18) von einem nach außen wärmeisolierten (11) Mantelraum (20) zur Vorwärmung der zu reinigenden Abgase umgeben ist, der mit der Brennkammer (18) über die ringförmige Öffnung (2*0 zur Zufuhr der zu reinigenden Abgase verbunden .ist.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelraum (20) in dem Bereich der Brennkammer (18) mit dem gitterförmig strukturierten Wandteil (26) einen tangential einlaufenden Anschlußstutzen (22) für die Zufuhr der aue dem Ofen (40) kommenden Abgase aufweist.

   - 1.5 -

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   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der tangentiale Anschlußstutzen (22) beidseitig ungeordnet ist, wobei der der jeweiligen Anschlußseite gegenüberliegende Stutzentuil mit einem Explosionsschutz-Deckel (23) ausgerüstet ist*

   10. Vorrichtung nach einem oder allen vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (18) anschließend an den Bereich mit dem gitterförmig strukturierten Wandteil (26) einen sich trichterförmig verengenden Stutzen (30) für den Auslaß (31) der nachverbrannten Abgase aufweist.

   11. Vorrichtung nach Anspruch lö, dadurch gekennzeichnet, daß Außenmbntel (11, 12), Brennkammerwand (17, 19), strukturiertes Wandteil (26, 27) und trichterförmiger Stutzen (30) mit einer gemeinsamen Schraubenverbindung (32) miteinander verbunden sind.

   12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung des Auslaßstutzens (30, 31) als wärmeabgebender Teil eines Wärmeaustauschers (30) für die Vorwärmung der dem Härteofen (40) zugeführten Frisch-

   ■ luft ausgebildet ist·