NL7920019A - Inrichting voor de verbranding van procesafvalgas en de vervaardiging van hete lucht. - Google Patents

Description

T/tj/lh/1

Inrichting voor de verbranding van procesafvalgas en de vervaardiging van hete lucht.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor de verbranding van procesgassen en de vervaardiging van hete lucht, die direkt bruikbaar is voor een droog-bewerking, met behulp van hulpbrandstof in de vorm van gas, 5 lichte olie of zware olie, waarbij de verbrandingskamer zelf zodanig geconstrueerd is dat deze aangepast kan worden aan een bepaalde hulpbrandstof.

De inrichting volgens de uitvinding Is een plaat-metalen constructie en het gebruik van plaatmetaal in de IQ verbrandingskamer wordt mogelijk gemaakt door de speciale koeltechniek en de mengtechniek in de inrichting. Door het gebruik van een metalen constructie 'wordt een uitzonderlijk goede regelbaarheid en grote energiebesparingen in de inrichting bereikt, daar er geen zware ingemetselde con-15 structies aanwezig zijn met een hoge warmtecapaciteit die afgekoeld of verhit moeten worden wanneer de instellingen worden gewijzigd, en de inrichting kan vrijwel onmiddellijk gestart of stilgezet worden. De constructie volgens de uitvinding weegt slechts een klein gedeelte van wat de over-20 eenkomende dratitionele constructie met keramische bemetse-ling zou wegen.

De constructie volgens de uitvinding is zodanig dat deze gemakkelijk aangepast kan worden aan verschillende hulpbrandstoffen afhankelijk van hetgeen het meest geschikt 25 is voor verschillende installaties eri processen, en de constructie kan ook gebruikt worden voor zware olie, die totnutoe moeilijk in plaatmetalen branders toegepast kon worden.

De reden voor de moeilijkheid van het gebruik van 30 zware olie in plaatmetalen constructies, en voor de beper-te bruikbaarheid van lichtere brandstoffen, is de korte levensduur. Om een volledige en roetvrije verbranding te bereiken, moet de temperatuur hoog worden gehouden. Hier- 7920019 -2- door wordt het materiaal in de verbrandingskamer aan grote spanningen blootgesteld. Totnutoe was het noodzakelijk, om voldoende duurzaam materiaal te verkrijgen, gebruik te maken van keramisch materiaal, bijvoorbeeld vuurvaste 5 stenen. De problemen die optreden in een plaatmetalen constructie wanneer gebruik gemaakt wordt van brandstoffen zoals gas en lichte olie, worden verder versterkt wanneer zware olie wordt gebruikt. De verontreinigingen in zware olie, in het bijzonder de kleine hoeveelheden aan vanadium 10 en natrium, vormen een gemakkelijk smeltende slak die aan de wand van de verbrandingskamer kleeft en corrosie kan veroorzaken zelfs bij 550°C. Totnutoe was niet mogelijk om een volledige verbranding te combineren met eèn lage brand-temper atuur.

15 Door gebruik te maken van speciale- soorten staal, bijvoorbeeld Avesta 253 MA en Inconel Alloy 671 en een speciale ontwerptechnologie bij de constructie, bijvoorbeeld voor delen die blootgesteld zijn aan hoge temperaturen, hebben wij een zeer goede levensduur voor onze inrichtingen 20 bereikt. Als voorbeeld kan worden genoemd dat in een flenskoppeling van een pijp de las niet op de gebruikelijke wijze kan worden gemaakt met een ringvormige flens die aan een pijp wordt gelast. In plaats daarvan moet een flens worden gebruikt met een uitstekende rand en de pijp moet 25 aan deze rand worden gelast om een meer geleidelijke over-gang tussen de flens en de pijp te verkrijgen.

Om een bevredigende verassing te bereiken van de organische bestanddelen in de procesgassen, moet de temperatuur gewoonlijk op ongeveer 800°C worden gehouden. Bijzondere 30 hitte bestendige organische bestanddelen vereisen temperaturen zo hoog als 13Ö0-1400°C, maar dit zijn uitzonderlijke gevallen die exceptionele maatregelen vereisen die hier niet ter sprake zullen komen. De temperatuur van de wand van de verbrandingskamer mag niet een' temperatuur van 550°C 35 overschrijden, daar anders ernstige corrosie op zou treden wanneer zware olie wordt gebruikt. Om deze situatie te verduidelijken, zal worden verteld van het verbrandings-proces. 792 oo 19 -3-

De warmte waaraan de wand van de verbrandings-kamer blootgesteld is bestaat uit een convectief gedeelte en een stralingsgedeelte. Terwijl de gasvormige brandstof en de lichtere gedistilleerde olieprodukten in onbetekende 5 mate of slechts weinig bijdragen aan de stralingswarmte, wordt bij zware olie, vanwege het grote gehalte aan deeltjes in de vlam, de wand aan veel meer stralingswarmte blootgesteld.

De stralingswarmte van de vlam volgt de wet van 4 10 Stefan-Bolzmann, d.w.z. deze is gelijk aan λ x T waarin Tv een funktie is van, onder andere, de emissie-coefficient die voor aardgas ongeveer 0,1, voor lichte olie ongeveer 0,25 en voor zware olie ongeveer 0,45 is, d.w.'z. ongeveer 5 maal zo groot als voor het gas.

15 Het binnenkomende procesgas wordt voorverhit door dit langs de buitenzijde van de verbrandingskamer te leiden, waarbij de buitenzijde van de verbrandingskamerwand of de vlampijp een temperatuur heeft die ongeveer halverwege ligt tussen de temperatuur in de verbrandingskamer en die 20 daarbuiten. Een materiaal-temperatuurbalans toont aan dat met een maximum wandtemperatuur van 550°C, met inbegrip van de stralingswarmte, en een verbrandingsteniperatuur van 800°C voor volledige verassing, om fysische redenen het procesgas tot een hoogte ongeveer 300°C voorverhit kan worden.

25 Het warmteverschil, d.w.z. overeenkomende met de temperatuurverschil tussen 800°C en 300°C, moet geleverd worden door de hulpbrandstof en de bijdrage van de organische bestanddelen in het procesgas.

De inrichting volgens de uitvinding zal hierna 30 gedetaileerder worden beschreven aan de hand van de bijgevoegde tekeningen.

Figuur 1 toont een uitvoeringsvorm van de uitvinding die bedoeld is om gebruikt te worden met lichte olie als hulpbrandstof of met een gasvormige hulpbrandstof. 35 Figuur 2 toont een uitvoeringsvorm voor zware olie als hulpbrandstof.

Figuur 3 toont de temperatuurtoestand wanneer zware olie gebruikt wordt als hulpbrandstof.

7920019 -4-

In de figuren hebben overeenkomstig de onderdelen telkens dezelfde verwijzingscijfers.

De in figuur 1 getoonde verbrandingsinrichting bestaat uit een buisvormige verbrandingskamer 1 aan één 5 einde waarvan een brander 2 is aangebracht voor hulpbrand-stof. De brander 2 wordt gebruikt om het binnenkomende procesgas een temperatuur te geven die hoog genoeg is om alle organische bestanddelen daarin volledig te laten verbranden. De brandstof voor de verbrander, in dit geval 10 lichte olie of gas zoals aardgas, stadsgas, propaan enz., wordt vanaf een niet-getoonde bron toegevoerd via de pijp 3, en het procesgas voor de verbranding van de hulpbrandstof wordt toegevoerd via de pijp 4.

De verbrandingskamer 1 zelf bestaat’uit een in-15 wendige vlampijp 5 en een buitenmantel 6. Door de ringvormige ruimte 7 tussen de vlampijp en de Mi tenmantel, wordt procesgas geleid en voorverhit, welk gas niet gebruikt wordt als verbrandingslucht in de brander 2. Het procesgas wordt toegevoerd via een ringvormige mantel 8 om het 20 achtereinde van de vlam 5 en stroomt naar het vooreinde 9 van de verbrandingskamer via de ruimte 7, waardoor het procesgas voorverhit wordt terwijl tegelijkertijd de vlampijp 5 convectief gekoeld wordt volgens het tegenstroom-principe. Deze voorverhitting vergemakkelijkt de volgende 25 oxidatie van de organische verontreinigingen en vermindert de benodigde hoeveelheid hulpbrandstof.

Het procesgas wordt 180° in richting omgekeerd door het voor einde 9 en wordt in de vlampijp naar binnen geleid door gaten 10 in een inlaattrechter 11, die 30 eindigt bij de brander 2 en waardoor de 'vlam van de brander zich uitstrekt. De gaten 10 zijn langwerpig en 'zodanig gevormd dat de inlaat in de vlam vanaf de brander geschiedt op een weldoordachte wijze en het' risico van een slechte verbranding geminimaliseerd wordt.

35 Op overeenkomstige wijze 'eindigt de buitenmantel 6 nabij de inlaat voor procesgas in een holle kegel 12 die afdicht tegen het einde van de vlampijp. Om de kegelvormige helling is een verzamelkamer 13 voor procesgas aangebracht, 7920019 -5- welk gas daarvandaan door de gaten in de kegel 12 naar de ruimte wordt geleid door de buitenmantel en de vlampijp, om een gelijkmatige stroming te vormen zonder de vorming van strepen. De vlampijp en de buitenmantel worden demon-5 tabel te zamen gehouden met flenzen 14,15 aan de einden en de afstandsbouten 16,17 die uitzetting toelaten.

Aan de vlampijp kunnen dus gemakkelijk verschillende buitenmantels enz. worden bevestigd, om de inrichting I. aan verschillende omstandigheden aan te passen.

10 Een inrichting die gebruik maakt van zware olie als hulpbrandstof wordt in figuur 2 getoond. Dezelfde vlampijp wordt gebruikt voor gas, maar de buitenmantel wordt hiervoor gemodificeerd. De inlaat van het procesgas geschiedt op dezelfde wijze door de ringvormige’mantel 8 en 15 de verzamelkamer 13 via de gaten voorziene plaatmetalen kegel 12 en de buitenmantel 6. De ruimte tussen de buitenmantel 6 en de vlampijp 5 is echter kleiner dan in de gasversie om een snellere gasstroom te verkrijgen en dus een meer doelmatige koeling van de 'vlampijp waardoor dus 20 de stralingshitte van de zware 'olievlam wordt gecompenseerd.

In de zware olieversie is, aan het vooreinde van de verbrandingskamer een ringvormige kamer 19 aangebracht op dezelfde vrij ze als aan een achtereinde, zodat het procesgas gelijkmatig zal stromen zonder neiging om werve-25 lingen te vormen. Om de stroom nog verder' te vereffenen, is een rij schoepen 20 aangebracht tussen de vlampijp 5 en de inlaatkegel 11, daar waar hét gas over 180° keert, en in de verlenging 19 a van de 'ringvormige kamer binnentreedt. Op deze wijze krijgt hét' gas de neiging te roteren, 30 waardoor dus elke eventuele laagvormig wordt vereffend, waarna het gas de branderkamer' binnentreédt door de gaten >. 10 in de inlaatkegel 11.

De inlaatkegel wordt aanzienlijk verhit en wordt blootgesteld aan spanningen door de stralingshitte van de 35 zware olievlam. De zeer turbulente stroming van het procesgas door de rij schoepen verbetert de koeling van de inlaatkegel en bovendien is de diameter van deze nabij de branderopening reeds zo groot gemaakt als in het ontwerp 7920019 -6- mogelijk is.

Om de inlaatkegel 11 extra te koelen daar waar deze speciaal door de hitte van de brander wordt verhit, is een ringvormige sleuf 21 aangebracht tussen de brander 5 en de voorrand van de inlaatkegel. Een gedeelte van het procesgas stroomt door deze sleuf 21 naar binnen en beweegt als een beschermende laag langs de binnenzijde van de inlaatkegel, daar waar de warmtespanningen het grootst zijn. De koeling van de buitenzijde van de kegel wordt dus 10 ook in het bijzonder doeltreffend gemaakt, daar de stromings-richting van het procesgas omgekeerd wordt.

Langs de inlaatkegel 11 wordt ook laag-koeling toegepast door een extra beschermënde laag van procesgas door ringvormige spleten 22 in de inlaatkegel’te laten 15 stromen.

Om de werking van de inrichting te regelen, is in de uitlaat van de verbrandingskamer een temperatuuropnemer 23, een thermokoppel of dergelijke aangebracht, die via een besturingsinrichting de toevoer van brandstof en proces-20 gas aan de brander regelt. Een thermische eindschakelaar is ook aangebracht als veiligheidsmaatregel, en deze sluit de brander direkt af wanneer de temperatuur van het uitstromende gas een gevaarlijk waarde, bijvoorbeeld 850°C overschrijdt, waardoor ongelukken worden voorkomen.

25 Tenslotte toont figuur 3 de temperatuur van het materiaal tijdens de werking van een inrichting· volgens de uitvinding met'zware olie als hulpbrandstof. De temperatuur van de uitgaande hittelucht' wordt op ongeveer 800°C gehouden met de beschreven besturingsmiddelen.

30 Bij de minimale stroming van procesgas, wordt de met T^,. n aangegeven kromme bereikt, die de hoogste waarde van ongeveer 510°C bereikt aan het einde van de inlaatkegel en dan continu afneemt naar de hranderuitlaat toe.

35 Op dezelfde wijze toont de kromme de wand- temperatuur van de vlampijp bij maximale procesgasstroming door de eenheid, en voor tussenliggende stromingen ligt de wandtemperatuur in het gearseerde gebied tussen de twee 7920019 -7- krommen.

De kromme voor de temperatuur van de buitenmantel T (ongeveer onafhankelijk van Q) is ook in de grafiek getekend en ligt ongeveer 200 C onder de vlampijptempera-5 tuur. De temperatuur is uitgezet als funktie van de afstand tot de opening van de brander.en op de abscis is het bovenste gedeelte van dewerbrandingskamer getekend zodat de temperatuur direkt gerelateerd kan worden aan de plaats in de inrichting. De abscis is op deze wijze aangegeven 10 om zo duidelijk mogelijk de 'onafhankelijkheid van de tempe-ratuurkrommen van de afmeting van de inrichting te tonen.

De temperatuurrelaties zijn hetzelfde in alle/vervaardigde afmetingen, dat zijn op dit moment drie afmetingen, DAG 6, DAG 8 en DAG 12. Gegevens voor deze eenheden staan in de 15 volgende tabel: DAG 6 DAG 8 DAG 12 Max. warmtebelasting, MW 136 3

Max. gasstroora, Nm /h 5000 10000 20000 20 Nominale uitlaattemperatuur °C 800 800 800

Drukval bij 30°C inlaattempera-tuur, 800°C uitlaattemperatuur, en maximale gasstroom, mm Vp 100 100 120

Lengte, mm 3650 4900 5800 25 Diameter, mm 600 800 1200

Gewicht, kg 600 1300. 2400

Zoals eerder werd opgemerkt, is de inrichting volgens de uitvinding bedoeld voor het verassen van proces-30 gassen en voor de vervaardiging van hete lucht die‘direkt bruikbaar is voor verschillende processen, bijvoorbeeld voor een droogproces met hogere zuiverheidSvereisten. De zuiverheid van de hete lucht is, wanneer gebruik gemaakt wordt van de inrichting volgens de uitvinding, resultaat van de 35 beschreven combinatie van verschillende constructieve onderdelen, gebaseerd op een korrekt thermodynamisch ontwerp. Het procesgas kan niet direkt bij de vlam worden gevoegd. Dit zou natuurlijk een zeer goede 'menging veroor- 7920019 -8- zaken, maar het zou ook een gedeeltelijk onvolledige verbranding met een hoog roetgehalte in het gas veroorzaken. Door, volgens de uitvinding, het gas bij het binnenstromen te geleiden, wordt zeer snel een homogeen mengsel verkregen 5 met een vlak temperatuurprofiel.

De lengte van de vervaardigde inrichtingen wordt zodanig gekozen dat een volledige verbranding van de verschillende hulpbrandstoffen en procesgassen wordt bereikt en zodanig dat een voldoende roetvrij en zuiver rookgas 10 wordt verkregen om direkt in verschillende processen -te kunnen gebruiken zonder warmtewisseling nodig te maken.

• * 7920019

Claims (3)

1. Inrichting voor de verbranding van niet-explo-sieVe procesgassen met kleine hoeveelheden van organische bestanddelen en de vervaardiging van hete lucht die direkt bruikbaar is voor droge en verhitte, in een verbran-5 dingskamer van metaal, met een brander voor hulpbrandstof-fen een einde daarvan, waarbij de inrichting verschillende soorten hulpbrandstof zoals gas, lichte olie, zware olie kan gebruiken, gekenmerkt door een vlampijp (5) met een inlaatkegel (11) voor de vlam van de brander (2), een 10 verwisselbare buismantel (6) op een afstand van en concentrisch met de vlampijp (5) om het procesgas in de ruimte (7) tussen de vlampijp en de buitenmantel te geleiden tijdens de convectieve koeling van de wand van de vlampijp, een inlaat voor het procesgas naar de ruimte (7) nabij de 15 uitlaat van de vlampijp (5) met een ringvormige kamer (13) voor een gelijkmatige verdeling van het procesgas, een tweede ringvormige kamer (19) aan het vooreinde van de vlampijp om het procesgas in een verlenging (19a) van de ringvormige kamer te leiden tussen het voorste gedeelte · 20 van de vlampijp en de inlaatkegel cm de buitenzijde 'van de inlaatkegel te koelen, een inlaatsleuf (21) voor procesgas van de ringvormige kamer(19) aan het vooreinde van de vlampijp voor het laag-koelen van de binnenzijde van de inlaatkegel, uitlaatgaten (10) voor het' procesgas aan 25 het achtereinde van de inlaatkegel voor het in de vlam mengen en verbranden van de verontreinigingen, en een temperatuurvoeIer (23) aan de uitlaat van de vlampijp voor het regelen van de hoeveelheid hulpbrandstof eri procesgas voor de brander (2).

2. Inrichting volgens conclusie 1, gekenmerkt door een ringvormige sleuf (22) in de inlaatkegel (11) voor het geleiden van procesgas van de verlenging (19a) van de, ringvormige kamer, om het voorste gedeelte van de inlaatkegel (11) door middel van een laag-koeling te 35 koelen.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, gekenmerkt door schoepen (20) die aangebracht zijn tussen 7920019 -10- de ringvormige kamer (19) en het verlengde (19a) daarvan om het procesgas een roterende beweging te geven die laag-vormen vereffend. - * 7920019 f 7920019 ; 2 8 APR 1980 UITTREKSEL VAN DE BESCHRIJVING Inrichting voor het verbranden van niet-explosieve gassen met kleine hoeveelheden organische verontreinigingen en voor de vervaardiging van direct bruikbare hete lucht, welke inrichting aangepast kan worden 5 aan verschillende soorten hulpbrandstof. De verbrandingskamer (1) bestaat uit een binnen een buitenmantel (6) aangebrachte vlampijp (5). Door de ruimte (7) tussen deze in, wordt binnenkomend procesgas geleid dat als koelmiddel werkt. Aan het vooreinde (9) heeft de verbrandingskamër een brander ' 10 (2) voor hulpbrandstof en een mengzone voor procesgas. Het procesgas mengt zich snel met de hete verbrandingsgassen in de vlam, waarbij het gas direct de reactietemperatuur bereikt. Een sterke werveling in de mengzone, laagkoeling, convectieve koeling en een gelijkmatige stroming geven een zeer doel-15 matige en zuivere verbranding, terwijl de vlampijptemperatuur laag genoeg gehouden wordt om corrosie te voorkomen. 7920019