EP0780633A2 - Vorrichtung zum Verbrennen von in einem Medienstrom enthaltenen Störstoffen - Google Patents

Vorrichtung zum Verbrennen von in einem Medienstrom enthaltenen Störstoffen Download PDF

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EP0780633A2 EP96118667A EP96118667A EP0780633A2 EP 0780633 A2 EP0780633 A2 EP 0780633A2 EP 96118667 A EP96118667 A EP 96118667A EP 96118667 A EP96118667 A EP 96118667A EP 0780633 A2 EP0780633 A2 EP 0780633A2
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    • F23G7/061—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating
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    • F23G7/066—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating using gaseous or liquid fuel preheating the waste gas by the heat of the combustion, e.g. recuperation type incinerator

Definitions

  • the invention relates to a device for burning contaminants contained in a media stream consisting of a housing with an inlet connector and an outlet connector, a heat exchanger and a burner device, which is formed from individual burners arranged distributed over the cross section of the media stream.
  • the housing consists of a cylindrical container, the media stream being passed via an inlet connection through axially aligned heat exchanger tubes arranged in the container, through an annular chamber equipped with a burner device and via a coaxial in the container stored high-speed pipe after the flow around the heat exchanger pipes is fed to the outlet port.
  • the cylindrical container is composed of at least three coaxially successive container sections.
  • the first container section contains the heat exchanger tubes extending over its length
  • the second container section is equipped with the burner device consisting of individual burners.
  • the third container section comprises the coaxially arranged high speed tube. With an end piece, this penetrates the burner device in the second container section and extends to the first container section.
  • the invention has for its object to provide a device of the type described in such a way that when using a commercially available heat exchanger with a rectangular cross-section, the media stream loaded with contaminants is aerodynamically optimal from the heat exchanger into the combustion chamber and the media stream freed from contaminants is also aerodynamically optimal from there can be removed via the heat exchanger.
  • the aligned arrangement of the inlet and outlet cross-section of the inlet or outlet connector creates the prerequisite for arranging a commercially available heat exchanger outside the housing, which, like the heat exchanger, is cuboid-shaped, directly on the connector.
  • the heat exchanger thus represents a structural unit which is compactly connected to the housing and, like the first container section of the known device, can be easily removed and removed for maintenance and repair purposes.
  • the ability to dismantle the housing is also ensured in the same way by dividing it into housing sections.
  • a second housing section, equipped with the outlet connection is connected to a first housing section equipped with the inlet connection piece, which receives the burner device, via which the media stream freed of contaminants is discharged via the heat exchanger.
  • the media flow thus has a rectangular flow cross-section, the individual burners of the burner device being arranged distributed over the cross-section of the first housing section.
  • the flow conditions of the media flow are therefore ideally solved in the device according to the invention using an inexpensive heat exchanger as in the device known from DE 44 14 875 C1, which requires complex ring-shaped heat exchanger tube bundles inside the housing due to a coaxial passage of the media flow.
  • the burner device is followed by a catalyst device extending over its cross section in the flow direction of the media stream.
  • honeycomb-shaped catalyst device is favored by the fact that there is a rectangular flow cross section and the mean flow rate in the burner device can be reduced considerably by the individual burners.
  • the individual burners which are operated in a manner known per se with a swirl superimposition, make it possible to reduce the average speed of the media flow at the treatment temperature to approximately 5 m / s.
  • the length of the section of the first housing section immediately following the burner device depends on the residence time of the media flow, which is necessary to ensure complete combustion of the contaminants. Due to the reduced speed of the media flow in connection with the more intensive effect of the individual burners, the overall length of the housing can also be considerably shortened with an additionally integrated catalytic converter.
  • honeycomb-shaped or bulk catalysts with a uniform temperature distribution across the cross-section can be arranged at a distance of 8 - 150 cm after the individual burners without being damaged by their heat.
  • the housing can be made particularly compact if the first housing section and the second housing section each have a rectangular cross section and a common longitudinal wall.
  • a compensator that compensates for different thermal expansions is arranged between the inlet connector and / or the outlet connector and the first or second housing section.
  • a further embodiment of the invention provides to provide a guide device that compares the media flow in a transition area from the first housing section to the second housing section.
  • the guide device preferably consists of lamellae which are arcuate in cross section or a perforated plate, the free perforated area of which is between 20% and 40% of the cross section of the first housing section.
  • the device comprises a cuboid housing 1 and a schematically illustrated, also cuboidal heat exchanger 2, which is designed as a conventional counterflow plate heat exchanger.
  • the housing 1 is divided into a first housing section 3 and a second housing section 4, the two housing sections 3 and 4 having a common longitudinal wall 5 which extends essentially over their length and are connected to one another via perforations of a perforated plate 6, which in the direction of flow of a media stream End of a housing section 3 and the beginning of the housing section 4 defined.
  • an inlet connector 7 and at the end of the housing section 4, an outlet connector 8 is provided.
  • a compensator 10 is interposed between an outlet cross section of the housing section 4 and an inlet cross section of the outlet connector 8 for the purpose of compensating for expansion between the two housing sections 3 and 4 and the inlet and outlet connectors 7 and 8.
  • the cuboidal heat exchanger 2 can be connected compactly to the housing 1.
  • Individual burners 11, which form a burner device, are arranged in the housing section 3 distributed over its cross section.
  • the individual burners 11 are held in a rectangular plate 12 adapted to the cross section of the housing section 3 and, as shown in FIG. 3, comprise connecting pieces 14 equipped with metal blades 13 which sit in the plate 12.
  • the media flow reaches the flame area of the individual burners 11 via the connecting pieces 14 with intensive swirling.
  • gas-permeable - e.g., extending over the cross section of the housing section 3 - honeycomb-shaped catalysts 17 are arranged, so that the device allows a catalytic treatment in addition to a thermal treatment of a media stream loaded with contaminants.

Abstract

Zum Verbrennen von in einem Medienstrom enthaltenen Störstoffen wird ein Gehäuse 1 vorgeschlagen, das in einen ersten Gehäuseabschnitt 3 und einen zweiten Gehäuseabschnitt 4 unterteilt ist. Ein Einlaßquerschnitt eines Eintrittsstutzens 7 des ersten Gehäuseabschnitts 3 und ein Auslaßquerschnitt eines Austrittsstutzens 8 des zweiten Gehäuseabschnitts 4 fluchten, so daß sich am quaderförmigen Gehäuse 1 ein gleichfalls quaderförmiger Wärmetauscher 2 kompakt anschließen läßt. Im ersten Gehäuseabschnitt 3 befinden sich über dem Querschnitt des Medienstromes verteilt Einzelbrenner 11, durch deren Wirkungsweise sich die notwendige Verweilzeit des Medienstromes verkürzen läßt. Infolgedessen kann auch die Vorrichtungslänge verkleinert werden. Selbst die verkleinerte Vorrichtung erlaubt es auf Grund der reduzierten Geschwindigkeit des Medienstromes innerhalb des Gehäuses 1 den Einzelbrennern 11 im geringen Abstand folgend Katalysatoren 17 nachzuschalten. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbrennen von in einem Medienstrom enthaltenen Störstoffen bestehend aus einem Gehäuse mit einem Eintrittsstutzen und einem Austrittsstutzen, einem Wärmetauscher und einer Brennereinrichtung, die aus über den Querschnitt des Medienstromes verteilt angeordneten Einzelbrennern gebildet ist.
  • Bei einer derartigen aus der DE 44 14 875 C1 bekannten Vorrichtung besteht das Gehäuse aus einem zylindrischen Behälter, wobei der Medienstrom über einen Eintrittsstutzen durch ringförmig im Behälter angeordnete axial ausgerichtete Wärmetauscherrohre geleitet, durch eine mit einer Brennereinrichtung ausgestattete Ringkammer geführt und über ein koaxial im Behälter gelagertes Hochgeschwindigkeitsrohr nach Umströmung der Wärmetauscherrohre dem Austrittsstutzen zugeführt wird.
  • Diese bekannte Vorrichtung ist so ausgebildet, daß sie sich einfach in Baugruppen zerlegen läßt, deren Einzelteile dadurch leicht zugänglich werden und im Bedarfsfall durch neue Einzelteile schnell ersetzbar sind. Deshalb ist der zylindrische Behälter aus mindestens drei koaxial aufeinander folgenden Behälterabschnitten zusammengesetzt. Der erste Behälterabschnitt enthält die sich über dessen Länge erstreckenden Wärmetauscherrohre, der zweite Behälterabschnitt ist mit der aus Einzelbrennern bestehenden Brennereinrichtung ausgestattet. Der dritte Behälterabschnitt umfaßt das koaxial angeordnete Hochgeschwindigkeitsrohr. Dieses durchdringt mit einem Endstück die Brennereinrichtung im zweiten Behälterabschnitt und erstreckt sich bis zum ersten Behälterabschnitt.
  • Bei der bekannten Vorrichtung ist die Strömung des mit Störstoffen beladenen Medienstromes durch die Wärmetauscherrohre und durch die ringförmige Brennkammer sowie die Rückführung des von Störstoffen befreiten Medienstromes durch das Hochgeschwindigkeitsrohr und schließlich durch die Wärmetauscherrohre in geradezu idealer Weise gelöst. Sollen jedoch anstelle von individuell anzupassenden ringförmig anzuordnenden Wärmetauscherrohren handelsübliche Wärmetauscher, wie. z.B. Plattenwärmetauscher oder Kreuzgegenstromwärmetauscher, eingesetzt werden, die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, ist der konstruktive und aerodynamische Anschluß derartiger preisgünstiger Warmetauscher an die im Querschnitt ringförmige Brennkammer und auch die axiale Rückführung des Medienstromes sehr umständlich und aufwendig.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß beim Einsatz eines handelsüblichen Wärmetauschers mit rechteckförmigem Querschnitt der mit Störstoffen beladene Medienstrom aerodynamisch optimal vom Wärmetauscher aus in die Brennkammer und der von Störstoffen befreite Medienstrom von dort aus ebenso aerodynamisch optimal über den Wärmetauscher wieder abgeführt werden kann.
  • Ausgehend von einer Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Durch die fluchtende Anordnung des Ein- und Auslaßquerschnittes des Eintritts- bzw. Austrittsstutzens wird die Voraussetzung dafür geschaffen, unmittelbar an die Stutzen einen handelsüblichen Wärmetauscher außerhalb des Gehäuses anzuordnen, das ebenso wie der Wärmetauscher quaderförmig ausgebildet ist. Der Wärmetauscher stellt somit eine kompakt mit dem Gehäuse verbundene Baueinheit dar, die ebenso wie der erste Behälterabschnitt der bekannten Vorrichtung zu Wartungs- und Reparaturzwecken leicht de- und remontierbar ist. Auch die Zerlegbarkeit des Gehäuses ist durch dessen Unterteilung in Gehäuseabschnitte in gleicher Weise gewährleistet. An einem ersten mit dem Eintrittsstutzen ausgestatteten Gehäuseabschnitt, der die Brennereinrichtung aufnimmt, ist ein mit dem Austrittsstutzen ausgestatteter zweiter Gehäuseabschnitt angeschlossen, über den der von Störstoffen befreite Medienstrom über den Wärmetauscher abgeführt wird. Vom Einlaßquerschnitt des Eintrittsstutzens bis zum Auslaßquerschnitt des Austrittsstutzens steht somit dem Medienstrom ein rechteckförmiger Strömungsquerschnitt zur Verfügung, wobei die Einzelbrenner der Brennereinrichtung verteilt über den Querschnitt des ersten Gehäuseabschnittes angeordnet sind. Die Strömungsverhältnisse des Medienstromes sind daher bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Einsatz eines kostengünstigen Wärmetauschers ebenso ideal gelöst wie bei der aus der DE 44 14 875 C1 bekannten Vorrichtung, die infolge einer koaxialen Durchführung des Medienstromes aufwendige ringförmig angeordnete Wärmetauscherrohrbündel innerhalb des Gehäuses erfordert.
  • Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Brennereinrichtung in Strömungsrichtung des Medienstromes eine sich über dessen Querschnitt erstreckende Katalysatoreinrichtung nachgeschaltet.
  • Die Integration einer beispielsweise wabenförmigen Katalysatoreinrichtung ist dadurch begünstigt, daß ein rechteckförmiger Strömungsquerschnitt vorliegt und durch die Einzelbrenner die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Brennereinrichtung erheblich reduzierbar ist. Die Einzelbrenner, welche in an sich bekannter Weise mit einer Drallüberlagerung betrieben werden, erlauben es, die mittlere Geschwindigkeit des Medienstromes bei Behandlungstemperatur auf ca. 5 m/s zu reduzieren.
  • Die der Brennereinrichtung unmittelbar folgende Strecke des ersten Gehäuseabschnittes richtet sich hinsichtlich ihrer Länge nach der Verweilzeit des Medienstromes, die erforderlich ist, um eine restlose Verbrennung der Störstoffe sicherzustellen. Durch die reduzierte Geschwindigkeit des Medienstromes in Verbindung mit der intensiveren Wirkung der Einzelbrenner läßt sich die Baulänge des Gehäuses auch mit zusätzlich integrierter Katalysatoreinrichtung erheblich verkürzen.
  • Durch Versuche konnte nachgewiesen werden, daß sich wabenförmige Katalysatoren oder Schüttgutkatalysatoren bei gleichmäßiger Temperaturverteilung über den Querschnitt in einem Abstand von 8 - 150 cm nach den Einzelbrennern anordnen lassen, ohne durch deren Hitzeentwicklung beschädigt zu werden.
  • Das Gehäuse läßt sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besonders kompakt ausbilden, wenn der erste Gehäuseabschnitt und der zweite Gehäuseabschnitt jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt und eine gemeinsame Längswand aufweisen.
  • Dimensions- und temperaturbedingt können die beiden Gehäuseabschnitte unterschiedlich großen Wärmeausdehnungen ausgesetzt sein. Um diese auszugleichen ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zwischen dem Eintrittsstutzen und/oder dem Austrittsstutzen und dem ersten bzw. dem zweiten Gehäuseabschnitt ein unterschiedlicher Wärmeausdehnungen ausgleichender Kompensator angeordnet.
  • Um mit dem Medienstrom den Gesamtquerschnitt beider Gehäuseabschnitte gleichmäßig zu beaufschlagen, sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, in einem Übergangsbereich vom ersten Gehäuseabschnitt zum zweiten Gehäuseabschnitt eine den Medienstrom vergleichmäßigende Leiteinrichtung vorzusehen.
  • Die Leiteinrichtung besteht vorzugsweise aus im Querschnitt bogenförmigen Lamellen oder einem Lochblech, dessen freie Lochfläche zwischen 20 % und 40 % des Querschnittes des ersten Gehäuseabschnittes beträgt.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
  • Es zeigt:
    • Figur 1
    einen Längsschnitt durch die Vorrichtung in Verbindung mit einem angeflanschten Wärmetauscher
    Figur 2
    einen Querschnitt nach der Linie II-II durch die Vorrichtung gemäß Figur 1 und
    Figur 3
    einen Einzelbrenner der Brennereinrichtung im Schnitt.
  • Die Vorrichtung umfaßt ein quaderförmiges Gehäuse 1 und einen nur schematisch dargestellten, gleichfalls quaderförmigen Wärmetauscher 2, der als konventioneller Gegenstromplattenwärmetauscher ausgebildet ist.
  • Das Gehäuse 1 ist in einen ersten Gehäuseabschnitt 3 und einen zweiten Gehäuseabschnitt 4 unterteilt, wobei die beiden Gehäuseabschnitte 3 und 4 eine im wesentlichen über ihre Länge reichende gemeinsame Längswand 5 aufweisen und über Perforationen eines Lochbleches 6 miteinander verbunden sind, welches in Strömungsrichtung eines Medienstromes das Ende eines Gehäuseabschnittes 3 und den Anfang des Gehäuseabschnittes 4 definiert.
  • Am Anfang des Gehäuseabschnittes 3 ist ein Eintrittsstutzen 7 und am Ende des Gehäuseabschnittes 4 ein Austrittsstutzen 8 vorgesehen. Im Eintrittsstutzen 7 erstreckt sich zur Strömungsvergleichmäßigung über seinen Auslaßquerschnitt ein Lochblech 9, das dazu entsprechend der Geometrie des Eintrittsstutzens 7 dimensioniert ist, im vorliegenden Beispiel mit einer freien Lochfläche von 30 %. Zwischen einem Auslaßquerschnitt des Gehäuseabschnittes 4 und einem Einlaßquerschnitt des Austrittsstutzens 8 ist zwecks Dehnungsausgleich zwischen den beiden Gehäuseabschnitten 3 und 4 sowie den Ein- und Austrittsstutzen 7 und 8 ein Kompensator 10 zwischengeschaltet.
  • Da der Einlaßquerschnitt des Eintrittsstutzens 7 und der Auslaßquerschnitt des Austrittstutzens 8 in einer Ebene fluchtend angeordnet sind, läßt sich der quaderförmige Wärmetauscher 2 kompakt mit dem Gehäuse 1 verbinden.
  • Im Gehäuseabschnitt 3 sind über dessen Querschnitt verteilt Einzelbrenner 11 angeordnet, die eine Brennereinrichtung bilden.
  • Die Einzelbrenner 11 sind in einer dem Querschnitt des Gehäuseabschnittes 3 angepaßten rechteckigen Platte 12 gehalten und umfassen, wie Figur 3 zeigt, mit Metallschaufeln 13 ausgestattete Stutzen 14, die in der Platte 12 sitzen. Der Medienstrom gelangt über die Stutzen 14 unter intensiver Verdrallung in den Flammbereich der Einzelbrenner 11.
  • Über eine Brennstoffhauptleitung 15, von der aus Brennstoffabzweigleitungen 16 zu den Einzelbrennern 11 führen, werden diese mit Brennstoff versorgt.
  • In einem kurzen Abstand hinter den Einzelbrennern 11 können, sich gleichfalls über den Querschnitt des Gehäuseabschnittes 3 erstreckende, gasdurchlässige - z.B. wabenförmige - Katalysatoren 17 angeordnet werden, so daß die Vorrichtung zusätzlich zu einer thermischen Behandlung eines mit Störstoffen beladenen Medienstromes auch eine katalytische Behandlung erlaubt.

Claims (7)

  1. Vorrichtung zum Verbrennen von in einem Medienstrom enthaltenen Störstoffen, bestehend aus einem Gehäuse mit einem Eintrittsstutzen und einem Austrittsstutzen, einem Wärmetauscher und einer Brennereinrichtung, die aus über dem Querschnitt des Medienstromes verteilt angeordneten Einzelbrennern gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß:
    - ein Einlaßquerschnitt des Eintrittsstutzens (7) mit einem Auslaßquerschnitt des Austrittsstutzen (8) fluchtet,
    - der am Eintrittsstutzen (7) und am Austrittsstutzen (8) angeschlossene Wärmetauscher (2) außerhalb des quaderförmigen Gehäuses (1) angeordnet ist,
    - das Gehäuse (1) in einen mit dem Eintrittsstutzen (7) ausgestatteten, die Einzelbrenner (11) aufnehmenden ersten Gehäuseabschnitt (3) und in einen mit dem Austrittsstutzen (8) ausgestatteten, am ersten Gehäuseabschnitt (3) angeschlossenen zweiten Gehäuseabschnitt (4) unterteilt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Einzelbrennern (11) in Strömungsrichtung des Medienstromes sich über dessen Strömungsquerschnitt erstreckende Katalysatoren (17) nachgeschaltet sind.
  3. Vorichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem Abstand von 8 - 150 cm nach den Einzelbrennern (11) angeordneten Katalysatoren (17) aus gasdurchlässigen, wabenförmigen Katalysatoren oder Schüttgutkatalysatoren bestehen.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gehäuseabschnitt (3) und der zweite Gehäuseabschnitt (4) jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt und eine gemeinsame Längswand (5) aufweisen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eintrittsstutzen (7) und/oder dem Austrittsstutzen (8) und dem ersten bzw. dem zweiten Gehäuseabschnitt (3 bzw. 4) ein unterschiedliche Wärmeausdehnungen ausgleichender Kompensator (10) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, daduch gekennzeichnet, daß in einem Übergangsbereich vom ersten Gehäuseabschnitt (3) zum zweiten Gehäuseabschnitt 4 eine den Medienstrom vergleichmäßigende Leiteinrichtung vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung aus im Querschnitt bogenförmigen Lamellen oder einem Lochblech (6) besteht, dessen freie Lochfläche zwischen 20 und 40 % des Querschnittes des ersten Gehäuseabschnittes (3) beträgt.
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