DE8010154U1 - Verbrennungseinrichtung zur verbrennung von stoerstoffen in abgasen - Google Patents

Description

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Die vorliegende Neuerung betrifft eine Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung von Störstoffen in Abluft und von Abfallstoffen, insbesondere Jedoch die konstruktive Gestaltung des Wärmetauschers und seine Anordnung innerhalb der Vorrichtung.

Derartige Verbrennungseinrichtungen gewinnen im Rahmen des Umweltschutzes zunehmend an Bedeutung, insbesondere in den Fällen, in denen oxidierbare Substanzen in geringen Mengen aus großen Abluftmengen entfernt werden müssen, weil die gesetzlichen Bestimmungen dies verlangen.

Eine derartige Verbrennungseinrichtung ist aus US-PS 36 07 118 und aus DE-AS 23 52 204 bekannt. Bei den bekannten Vorrichtungen werden die Gase durch einen rekuperativen 1/ßnneaustauscher einem in Richtung der Längsachse der Verbrennungseinrichtung in ein Flammrohr feuernden Brenner zugeführt und dienen nach Verlassen eines eigentlichen Brennraumes als Heizgase für den Wärmetauscher.

Bei der aus der DE-AS 23 52 204 bekannten Verbrennungseinrichtung ist der Wärmetauscher als ein konzentrisch zur Längsachse innerhalb der Verbrennungseinrichtung erstreckendes Rohrbündel aus geraden Rohren ausgebildet, deren Enden jeweils in Lochplatten eingeschweißt sind.

Diese konstruktive Gestaltung des Wärmetauschers kann jedoch als nachteilhaft erweisen, wenn die Verbrennungseinrichtung nur zeitweilig betrieben wird. In Aufheiz- und Abkühlphasen und bei schwankenden Betriebszuständen erhalten die einzelnen Rohre des Wärmetauscherbündels unterschiedliche Temperaturen,und es entsteht damit eine unterschiedliche Ausdehnung, die zwangsläufig zu Spannungen an den Endplatten führt, so daß es zum Ausreißen einzelner Rohre oder Rißbildung an den Endplatten kommen kann.

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Die Aufgabe der vorliegenden Neuerung war es nun, eine Verbrennungseinrichtung zu schaffen, bei der der Wärmetauscher so ausgebildet ist, daß temperaturbedingte unterschiedliche Ausdehnungen einzelner Rohre keine Wärmespannungen an den Endplatten des Wärmetauschers erzeugen und das eine Ende des Wärmetauschers gleichzeitig so ausgebildet wird, daß die Anströmbedingungen des Brenners verbessert werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Verbrennung von Störstoffen in Abluft und von Abfallsubstanzen gemäß Anspruch 1.

Bevorzugte Ausführungsformen der Neuerung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die Biegung der einzelnen Rohre des Wärmetauschers in Richtung auf die Achse der Verbrennungseinrichtung und das Eindringen der Rohrenden in eine konzentrisch um die Längsachse angeordnete, vorzugsweise zylindrische oder kegelige Lochtrommel, wird dieses Ende des Wärmetauschers nicht mehr direkt von den heißen Rauchgasen angeströmt, sondern diese werden durch eine Verbindungswand so ab- und umgelenkt, daß sie auf ein noch nicht abgebogenes Teilstück des Rohres auftreffen. Dies hat zur Folge, daß die thermische Belastung der Verbindungsstellen zwischen den Rohrenden und I der Trommel gleichmäßiger wird. Durch das Abbiegen in Winkeln zwischen 45^V und 120°, vorzugsweise annähernd 90° konzentrisch nach innen, werden Kräfte, die durch Wärme- I ausdehnung auf die Rohre in Längsrichtung wirken, aufge- f hoben und abgelenkt, so daß sich an beiden Enden der Rohre des Wärmetauschers keine mechanischen Spannungen mehr aufbauen und ein Ausreißen der Rohre aus der Endplatte bzw. der Lochtrommel oder Rißbildung an der Endplatte sicher und zuverlässig vermieden wird. Durch die Ausbildung des einen Endes des Wärmetauschers als konzentrisch angeordnete, vorzugsweise zylindrische oder kegelige Trom-

mel entsteht in ihrem Inneren ein Anströmraum für die vom Brenner gebildete eigentliche Flamme. Es wurde nun gefunden, daß diese konstruktive Gestaltung des Wärmetauscherendes nicht nur Thermospannungen innerhalb des Wärmetauschers zuverlässig vermeidet, sondern daß diese Ausbildung eines Anströmraumes auch eine besonders günstige Vermischung des Abgases mit dem Brennstoff ermöglicht.

Das Flammrohr oder Hochgeschwindigkeitsrohr ist im Querschnitt sehr eng ausgebildet, so daß darin Strömungsgeschwindigkeiten von 40 bis 60 m/sec erreicht werden. Das dem Brennervorbau zugewandte Ende des Flammrohres ist konisch als Venturirohr ausgebildet, dessen Innenraum als zusätzliche Mischzone für die Abluft mit den Brennergasen dient. Das andere Ende des Hochgeschwindigkeitsrohres ragt in den Hauptbrennraum hinein.

Durch die neuerungsgemäße Ausbildung des Wärmetauscherendes und des Anströmraumes wird eine so intensive Vormischung des Abgases mit dem Brennstoff erreicht, daß bei den hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Flammrohr schon bei Temperaturen von 720° im Brennraum ein weitgehender oder vollständiger Abbrand der in den Abgasen enthaltenen Störstoffe erfolgt. Die Trennung von Wärmetauscherteil und Brennkammerteil in der Verbrennungseinrichtung hat den besonderen Vorteil, daB am Rohr Länge und Größe der eigentlichen Brennkammer Je nach den Erfordernissen des eigentlichen Verbrennungsprozesses variiert werden können, der Wärmetauscher-

j teil und das Kopfteil der Verbrennungseinrichtung jedoch

nicht verändert werden müssen. Damit ist aber eine kostengünstige Serienfertigung dieser Teile in mehreren Grundgrößen möglich, während Hochgeschwindigkeitsrohr und Brenn-

j raum jeweils den spezifischen Verhältnissen angepaßt werden können.

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Die neuerungsgemäße Ausbildung der Verbrennungseinrichtung gestattet es, Anlagen für einen Abluftdurchsatz von 5000 m , aber auch von 20 000 m in einer besonders kompakten Bauweise auszuführen und mit diesen Anlagen Störstoff gehal te in der Abluft von 100 mg bis zu mehreren Gramm pro m sicher und zuverlässig zu beseitigen und auf diese Weise die gesetzlichen Bestimmungen über die zulässigen Grenzwerte in Abluft einzuhalten.

Der besondere Vorteil der neuerungsgemäßen Verbrennungseinrichtung besteht aber darin, daß sie produktionsbedingte Betriebsunterbrechungen zuläßt, ohne daß sich beim Aufheizen und Abkühlen Wärmespannungen, insbesondere im Bereich des Wärmetauschers, aufbauen können, die zu Schaden in der Einrichtung führen können.

Die Neuerung wird nun anhand einer Zeichnung und einer Beschreibung der Funktionsweise erläutert. Gleiche Bezugsziffern beziehen sich auf die gleichen Teile.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung in Längsschnitt.

Fig. 1a zeigt einen Querschnitt längs der Linie A-B von Fig. 1.

Die in Fig. 1 wiedergegebene Verbrennungseinrichtung besteht aus einem in der Länge variierbaren und in seinem Querschnitt engen Hochgeschwindigkeitsrohr 1, dessen hinteres Ende in den eigentlichen Brennraum 4 ragt. Vorzugsweise reicht das Hochgeschwindigkeitsrohr 1 weit in den Brennraum hinein, so daß zwischen dessen Ende und der Stirnwand der Verbrennungseinrichtung ein Ringraum entsteht, der einen übergang in den eigentlichen Brennraum 4 ergibt. Durch diese Ausbildung wird eine intensive Turbulenz des Gasstromes

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im eigentlichen Brennraum 4 erzeugt, um die Ablagerung von in den Abgasen enthaltenen Feststoffteilchen an den Wänden der Wirbelkammer 4 zu vermeiden und einen nahezu vollständigen Abbrand derartiger Teilchen zu ermöglichen. In der Wirbelkammer 4 können deshalb auch noch in der Abbildung nicht gezeigte Einbauten vorhanden sein, um dem Gasstrom einen zusätzlichen Drall zu geben und die Turbulenz zu erhöhen. Dadurch wird auch die Verweilzeit von Feststoffteilchen in der Wirbelkammer 4 erhöht, so daß sich der Abbrand der Teilchen verbessert.

Das entgegengesetzte Ende 1a des Hochgeschwlndlgkeits- oder Flammrohres (HGR) 1 ist als Venturirohr ausgebildet und dient als Mischvorrichtung oder zusätzliche Mischraum. Der Ringraum 9, der das HGR 1 teilweise umgibt, dient als Nachbrennraum und schließt sich an den Brennraum 4 an. Axial in Verlängerung an das Venturiteil 1a des HGR 1 schließt sich ein Brennervorbau 14 derart an, daß zwischen Anströmkonus 7 und Brennervorbau 14 ein Ringspalt 2 entsteht, durch den ein Teil des Abgases in das HGR 1 eintreten kann.

Unter dem mit Ziffer 13 bezeichneten Brenner wird jegliche Art von konventionellen Industriebrennern verstanden, also auch sogenannte Flächenbrenner, die entweder als Primäroder als Sekundär-Luftbrenner ausgelegt sind. Die wesentlichen Teile des Brenners 13 können außerhalb der Gesamtanlage sowie konzentrisch zur Anlagenachse an der Stirnseite der Verbrennungseinrichtung angebracht sein.

Der Brennervorbau 14 weist Löcher auf, durch die ein Teilstrom das Abgases aus dem Anströmraum 15 zur Flamme 3 gelangen kann.

Konzentrisch im Abstand wird der Brennervorbau 14 von einer zylindrischen ider kegligen durchlöcherten Trommel 6 umgeben. Die eine Stirnseite der Trommel 6 ist durch en Anströmkonus .7. mit dem Ende der Mischvorrichtung la des Hochgeschwindigkeitsrohres 1 verbunden. Die andere Stirnseite der Trommel 6 ist über die Trennwand 8 mit der Außenwand der Verbrennungseinrichtung verbunden und schließt so den Anströmraum 15 gegen den Außenraum 17 ab. Diese Trennwand ist vorzugsweise als bewegliche Membran ausgebildet oder weist Wellkompensatoren auf.

Die Trommel 6 weist eine zylindrische oder keglige Form auf, und die Wandung ist durchlöchert zur Aufnahme der Enden der einzelnen Rohre des Rohrbündels des Wärmetauschers 5. Diese Rohre sind in die Löcher der Trommel eingeschweißt oder eingerollt, um eine gasdichte Verbindung zu erzeugen. In der Figur sind die einzelnen Rohre des Wärmetauscherrohrbündels 5 nicht als solche, sondern nur als Block wiedergegeben. Die einzelnen Rohre sind auf zur Längsachse konzentrischen Kreisringen angeordnet. Der Abstand und die Anordnung werden so gewählt, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Gase an der Oberfläche der Rohre gleich ist. Vorzugsweise beträgt die Strömungsgeschwindigkeit 8-18 m/sek. Dieses Rohrbündel erstreckt sich von der Trommel 6 zunächst in Richtung auf die Außenwand der Verbrennungseinrichtung und biegt dann in eine Richtung parallel zur Längsachse der Verbrennungseinrichtung ab und verläuft durch den Außenraum des Wärmetauschers 17 und endet an der Stirnwand zur Abgaseintrittsringkammer 17. Auch an diesem Ende sind die einzelnen Rohre des Rohrbündels in die Wand eingeschweißt oder eingerollt. Durch diese Ausbildung des Rohrbündels 5 im Außenraum 17 entsteht ein rekuperativer Wärmetauscher, bei dem die kalten Gase in den Rohren strömen und wobei diese Rohre außen im sogenannten Außenraum 17 von den heißen Verbrennungsgasen umspült sind, so daß das der Verbrennungseinrichtung zugeführte Abgas durch die heißen

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Verbrennungsgase vorgewärmt wird. Der Außenraum des Wärmetauschers 17 weist an dem an die Eintrittsringkammer 12 anschließenden Ende einen Verbrennungsaustrittsstutzen auf. Das Rohrbündel 5 wird innerhalb des Außenraumes 17 durch Abstandhalter 5a gehalten, die so angeordnet und ausgebildet sind, daß die Gase einen Drall bekommen und sich spiralförmig durch den Raum 17 mit dem darin angeordneten Rohrbündel 5 bewegen, so daß ein guter Wärmeübergang von den heißen Verbrennungsgasen auf die zunächst kühleren Abgase erfolgt.

Fig., 1a, ein Schnitt längs der Linie A-B der Fig. 1, zeigt die nach innen in Richtung auf die Längsachse der Verbrennungseinrichtung abgebogenen Enden der Rohre des Wärmetauscherrohrbündels 5, die in die Trommel 6 eingefügt sind. Der zwischen dem Brennervorbau 14 und der Trommel 6 im Innern entstehende Raum ist der Anströmraum 15.

Zum besseren Verständnis der neuerungsgemäßen Vorrichtung wird im nachfolgenden Beispiel aufgezeigt, wie diese Vorrichtung arbeitet.

20 000 Nm^ Abgas aus einem Prozeß, in welchem verschiedenartige Lösungsmittel Verwendung finden, strömen durch den Abgaseintrittsstutzen 10 in die Abgaseintrittsringkammer 12 vor dem Wärmetauscher 5 der Verbrennungseinrichtung mittig von oben bzw. tangential von oben mit beispielsweise 100⁰C ein. Das Abgas verteilt sich gleichmäßig in der gesamten Anzahl der Einzelrohre des Wärmetauschers 5, durchströmt diese und wird dabei auf 550⁰C aufgeheizt.

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Das vorgeheizte Abgas verläßt den Wärmetauscher 5 durch die Öffnungen in der Trommel 6 und gelangt in den Anströmraum 15. Von dort aus gelangt es teilweise durch die öffnungen in dem Erennervorbau 14 zur eigentlichen Flamme 3, während ein anderer Teilstrom durch den Ringspalt 2 direkt in den Venturiteil 1a (Mischvorrichtung) des Flammrohres 1 eintritt. Der Teilstrom, der durch Brennervorbau 14 zur Flamme 3 gelangt, führt der Flamme den benötigten Sauerstoff zu und mischt sich durch die Anströmung intensiv mit dem Brennstoff. Der durch den Ringspalt 2 eintretende Abgasstrom wird in der Mischvorrichtung 1a dem bereits mit Abgas vermischten Brennstoff zugemischt. Durch diese Führung des vorgeheizten Abgasstromes im Anströmraum 15 wird von Anfang an eine besonders intensive Mischung des Abgasstromes mit dem Brennstoff erreicht.

Der Brenner 13 feuert in Richtung des Hochgeschwindigkeitsrohres 1 längs der Achse der Verbrennungseinrichtung. In Nachbarschaft des Brenners 13 befindet sich das vom Nachbrsnnraum 9 umgebene Hochgeschwindigkeitsrohr 1, das den kleineren Teil des Gesamtbrennvolumens darstellt. In diesem in seinem Durchmesser kleinen und in seiner Länge mindestens über die Länge des Wärmetauschers hinausragenden Flammrohr 1 findet eine weitere Durchmischung der Abgase und der Flammrauchgase sowie eine Erwärmung derselben um etwa 80⁰C auf etwa 63O°C statt. Am Ende des Flammrohres 1 werden die durchmischten Abgase gegebenenfalls durch zusätzliche Dralleinrichtungen verwirbelt und umgelenkt, gelangen dabei in die eigentliche Brenn- oder Wirbelkammer 4, wo sie sich um weitere 12O⁰C auf etwa 750⁰C aufheizen (Eigenwärme aufgrund exothermer Reaktion). An der Stirnseite der Verbrennungseinrichtung, d.h. der eigentlichen Brennkammer, werden die Abgase wiederum um 180⁰C umgelenkt und dadurch durch den Brennraum 4 in Richtung Nachbrennkammer 9 bewegt, wobei eine zusätzliche Verwirbelung der Abgase bewirkt wird. Am Ende des Nachbrennraumes 9 werden die Gase an der Ver-

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bindungswand zwischen Flammrohr und zylindrischer Trommel ab- und umgelenkt in den Außenraum 17 des Wärmetauschers. In einer bis mehreren Umlenkungen durchströmt das oxidierte heiße Rauchgas das Ringbündel (Röhren- oder Taschenbündel) des Wärmetauschers 5, wobei das Rauchgas das Rohrbündel von innen nach außen oder von außen nach innen umströmt. Dadurch werden die heißen Rauchgase auf etwa 315°C abgekühlt und verlassen durch den Austrittsstutzen 11 die Verbrennungseinrichtung.

Fällt aus technischen Gründen des vorgeschalteten Prozesses die Konzentration der Störstoffe im Abgas ab, so wird der Brenner 13 automatisch auf höhere Leistung geregelt, so daß eine nahezu konstante Temperatur von 720 bis 750⁰C in der Brennkammer ermöglicht wird.

Im umgekehrten Fall, also beim Ansteigen der Konzentration der Störstoffe im Abgas kann unverbranntes Abgas über einen den Eintrittsringraum 12 und das Flammrohr verbindenden, in der Abbildung nicht gezeigten Durchgang, der dann geöffnet wird, direkt in das Flammrohr eingedüst werden, ohne daß dieser Teil des Abgases vorher im Wärmetauscher aufgeheizt worden ist.

Die in Ganzstahl oder Mauerwerk oder in Kombinationen ausgeführte Verbrennungseinrichtung besitzt zusätzlich ein konzentrisch zur Achse der Gesamtanlage angeordnetes, in der Abbildung nicht gezeigtes Mannloch an der Stirnseite, welches die Begehung des Flammrohres 1 gestattet. An dieser an den eigentlichen Brennraum 4 anschließenden Stirnseite können weiterhin Beobachtungsklappen für die direkte Beobachtung der Flamme sowie Temperaturmeßeinrichtungen angeordnet sein.

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	Bezugszeichenliste
1	Hochgeschwindigkeitsrohr (HGR), Flammrohr
1a	Mischvorrichtung, Mischzone	I
2	Ringspalt
3	Flamme
k	Hauptbrennraum, Brennkammer, Umlenkkammer, Wirbelkammer	I
VJl	Wärmetauscher, Rohrbündel	I
5a	Abstandhalter für Rohrbündel	I
6	Trommel, zylindrische oder keglige Trommel
7	Anströmkonus
8	Trennwand	I
9	konzentrisch um HGR angeordnet Ringraum, Nachbrennkammer	1 !
10	Abgaseintrittsstutzen	I
11	Verbrennungsgas-, Rauchgasaustritts- stutzen
12	Abgaseintrittsringkammer, Verteilerraum
13	Brenner	I
14	Brennervorbau	I
15	Anströmraum
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17	Außenraum des Wärmetauschers, Außenseite des Rohrbündels	I
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Claims (5)

Deutsche Gebrauchsmusteranmeldung"G BO 1CT W. 8 " " Anmelder: KATEC Katalytisch^ Lufttechnik Betz GmbH & Co. 6. November 1980 (1298) St/Pr Neue Schutzansprüche:

1. Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung von Störstoffen in Abluft- und Abfallsubstanzen mit einem Brenner und einer Mischvorrichtung, einem daran anschließenden Hochgeschvindigkeitsrohr, einer an dessen freiem Ende gelegenen, als Brennraum ausgeführten Wirbelkammer, wobei das Hochgeschwindigkeitsrohr konzentrisch in die Wirbelkammer hineinragt, sowie einem mit der Wirbelkammer über einen Nachbrennraum in Verbindung stehenden, diesen konzentrisch umgebenden Wärmetauscher, bei dem die einzelnen Rohre des sich parallel zur Längsachse erstreckenden Rohrbündels an einem Ende in die Stirnwand des Ablufteintrittsringraumes eingefügt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rohre an ihren anderen Enden nach innen auf die Längsachse der Verbrennungseinrichtung abgebogen sind, wobei die abgebogenen Enden in einer konzentrisch den Brennervorbau (14) umgebenden Trommel (6) eingefügt sind und die einzelnen Rohre des Wärmetauschers (5) auf zur Längsachse konzentrischen Kreisringen angeordnet sind.

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2. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dia Trommel (6) zylindrisch oder kegelig ausgebildet ist und an derem einen Ende durch einen Anströmkonus (7) mit der Mischvorrichtung (1a) und dem daran anschließenden Hochgeschvindigkeitsrohr (1) verbunden ist und von derem anderen Ende sich eine bewegliche Trennwand (8) bis zur Außenwand der Verbrennungseinrichtung erstreckt.

3. Verbrennungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre des Wärmetauschers (5) auf den konzentrischen Kreisringen so angeordnet sind, daß dieselben mit annähernd gleicher Luftgeschwindigkeit umströmt werden.

4. Verbrennungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 » dadurch gekennzeichnet,

■ daß die einzelnen Rohre des Wärmetauscherrohrbündels (5) annähernd rechtwinkelig nach innen zur Längsachse der Verbrennungseinrichtung hin abgebogen sind,

5. Verbrennungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis h_r dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rohre des Wärmetauscherrohrbündels (5) annähernd rechtwinkelig nach innen auf die kegelige Trommel (6) hin abgebogen sind.