WO2001014249A1 - Verfahren für einen brenner und eine entsprechende vorrichtung - Google Patents

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PCT/EP2000/006199
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Franz Durst
Jürgen KÜNZEL
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Sgl Acotec Gmbh
Trimis, Dimosthenis
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    • F23L2900/07009—Injection of steam into the combustion chamber

Definitions

  • the invention relates to a method for a burner for the combustion of a fuel / oxidant mixture within a combustion chamber, in which a material is provided which can withstand a maximum temperature which is lower than the combustion temperature of the fuel / oxidant mixture.
  • the invention further relates to a Device with a burner for combusting a fuel / oxidant mixture within a combustion chamber, in which a material is provided which can withstand a maximum temperature, with one or more supply lines for the fuel and for the oxidant in order to introduce them into the combustion chamber
  • the aim is to achieve the most effective combustion possible, among other things, so that the highest possible efficiency can be achieved.
  • the temperature is usually limited by the temperature resistance of the material available for the burner
  • the reaction space is in principle a diffusion flame which is located in an extensive combustion chamber.
  • Burners become relatively simple Devices made of corrosion-resistant materials with an inner and an outer tube are used.Through the inner tube, which often has a specially designed burner head, the chlorine-containing gases are supplied.On the other hand, the hydrogen-containing gases are introduced through an open gap between the tubes, so that the hydrogen contains the chlorine-containing gases Gases practically enclosed The two gases only come into contact with one another immediately after they exit the burner, react with each other and form a long flame that spreads in the combustion chamber
  • the reactants in the flame are mixed mainly by diffusion. Because of the high combustion temperatures, the walls of the burner chamber must be as far away as possible. In addition, these walls are cooled in most cases
  • a common embodiment of a chemical reactor for noxious matter disposal is a hot combustion chamber lined with refractory materials, in which the combustion gases are reacted with conventional burners.
  • the pollutant gases to be disposed of are introduced into a combustion chamber with the aid of a separate feed Combustion chamber is dimensioned so that there is a certain minimum residence time at high temperature for the combustion of reaction gases.
  • Such devices are preferably used for the afterburning of chlorine-containing compounds or exhaust gases.
  • the minimum residence time generally defines the size of such combustion chambers. However, this can be achieved with better mixing and more intensive Warmth can be reduced
  • the object of the invention is to improve a method and a device of the type mentioned at the outset so that the apparatus or burner thus taking up takes up less space. Furthermore, a device for this process is also to be created, with which, for example, the abovementioned exothermic chemical reactions are reduced of the disadvantages described in more detail above can be carried out
  • an additional gas is supplied before combustion, which does not contribute significantly to the combustion, such as an inert gas or water vapor or the exhaust gas from the combustion or afterburning with which the temperature during the Combustion is reduced to a value below the maximum temperature
  • at least one additional supply line is provided in a device, via which an additional gas, in particular a lower calorific value, can be supplied to the combustion chamber, by means of which the temperature during the combustion can be reduced to a value below the maximum temperature
  • the invention is based on the finding that when the temperature is reduced by supplying an additional gas for cooling, not only is the outlay for external cooling greatly reduced, but the flame / wall distance can also be kept considerably smaller
  • the combustion product from the combustion chamber is introduced at least partially via a feed line as an additional gas with which the temperature during the combustion can be reduced
  • the method provides that the fuel / oxidizing agent mixture and the additionally supplied gas are at least partially mixed in a pre-mixing device which is connected upstream of the burner.
  • a corresponding device according to this development is characterized in that it has a pre-mixing chamber for the Has fuel / oxidant mixture from which this fuel / oxidant mixture flows into the combustion chamber
  • premixing chamber is not at all possible in devices according to the prior art, since the fuel gases have to be spaced apart and led out to the outlet from the two pipes, since otherwise there is a risk of backlash There was no contact with a flame due to the high temperatures.
  • the premixing chamber used here according to further training enables a much better mixing and a more effective conversion of the reactants, which, for example, enables a reduction in the amount of hydrogen required in the synthesis of hydrogen chloride
  • the self-ignition of the hydrogen chloride mixture in the premixing chamber would also be a problem.
  • the influence of UV radiation on gas in the premixing chamber can be reduced by designing it accordingly.
  • the UV radiation could otherwise ignite the gas mixture made of chlorine, which is mentioned as an example and hydrogen in the premix chamber
  • the premixing chamber is designed such that the component of the flow velocity of the mixture in the premixing chamber which is related to the combustion chamber is greater than the flame speed in the combustion chamber
  • the premixing chamber is dimensioned in such a way that a flame which may arise in the premixing chamber is blown out in the event of an unintended ignition in the entire operating range, for example when starting up
  • the additional gas with which the combustion temperature can be reduced, can also be supplied to the premixing chamber in order to mix it with the fuel / oxidizing agent.
  • This also effectively mixes the additional gas, resulting in effective cooling and a uniform temperature within the flame is achieved
  • the side surface is chosen so large in relation to the volume of the premixing chamber that the free energy of a deflagration can possibly be absorbed by the side wall
  • a premixing chamber in accordance with the above-mentioned developments represents an advantage of the invention, which was previously impossible in other exothermic chemical reactions due to the restrictions imposed by the technology used there.
  • the gases are blown in at high speed, preferably tangentially
  • the speed of the gas mixture in the axial direction is selected via the flame speed of the mixture.
  • internals can be provided in the premixing chamber, for example commercially available mixing elements, such as are used in static mixers.
  • the inert gas supplied according to the invention i.e.
  • the additional gas for lowering Flame speed and to reduce the adiabatic combustion temperature are preferably added to the main reaction gases upstream of the premixing chamber, thus locally within the premixing chamber at no point can flame speeds that are significantly higher than those in the ideal premixed gas mixture occur
  • a porous material is provided in the combustion chamber with coherent, large cavities suitable for flame development
  • the porosity of the porous material with connected cavities changes in the direction of the flame development towards larger pores, a critical Peclet number resulting at an inner boundary surface for the pore size, above which the flame development takes place and below which it is suppressed
  • Design options for such pore burners, as they are mentioned below, have been described in several articles in the specialist literature, for example in Durst et al Bulletin SEV ⁇ SE, Volume 89, No. 21, pages 11-18, 1998. Further explanations can also be found in the EP 0 657 011 B1, such burners have so far not been able to be used in the combustion of chemically strongly exothermic reactions, since the material cannot withstand the high temperatures
  • Combustion stabilization is achieved by increasing the pore size in the direction of flow, with a critical Peclet number in a zone of the porous material for the pore size above which the flame develops and below which it is suppressed
  • the reaction is carried out within a porous matrix made of temperature-resistant material.
  • the hot reaction products flow from the burner itself without direct flame formation
  • a pore burner of conventional design is not suitable for the hydrogen chloride reaction and other chemical reactions used in the chemical industry without the reduction in flame temperature used according to the invention. Furthermore, compared to the known applications in heating technology, considerably higher combustion chamber temperatures occur and the gases are highly corrosive
  • zone A a region hereinafter referred to as zone A, which is characterized by such a small effective pore diameter that no steady flame spread is possible, i.e. the first porous zone is effectively similar to a flame arrester.
  • zone C The actual combustion region hereinafter referred to as zone C, however, has pore sizes which are large enough to permit stationary combustion
  • a critical Peclet number of Pe> 65 is used in the specialist literature (e.g. Babkin et al in Combustion and Flame Vol 87 S 182-190 1991) stated
  • foam or honeycomb structures can also be used, they are used for the production of the porous combustion chamber Debris from temperature-resistant ceramic balls, saddle bodies and similar bodies, such as those used for example as a disordered packing for thermal separation processes. Debris are preferred because they enable easy cleaning against deposits, for example salt residues that arise from the fuel gases during hydrogen chloride synthesis originate because these may carry salt-laden liquid droplets with them. Also for pore burners, zones of different pores are used to generate hydrogen chloride structure or size arranged according to EP 0 657 01 1 B1. This is done by using full bodies of different sizes for zones A and C.
  • a further grate can be arranged between the porous structures of the two zones with different pore sizes formed with full cores, which grids the discharge of smaller full bodies in zone A into the spaces between the larger full bodies Zone C prevents
  • Another gas-permeable grate that closes the combustion chamber is arranged at the gas outlet from Zone C in burners where the gases do not emerge vertically upwards, which closes the combustion chamber.This makes it possible to place the burner in any position in the combustion chamber despite loose bulk Arrange location
  • the porous reaction space is preferably surrounded by a corrosion-resistant, cooled wall, which consists, for example, of synthetic resin-impregnated graphite.Cooling can take place by means of cooling water, air or the combustion gases themselves.
  • a corrosion-resistant, cooled wall which consists, for example, of synthetic resin-impregnated graphite.Cooling can take place by means of cooling water, air or the combustion gases themselves.
  • an insulating intermediate layer made of high-temperature-resistant, corrosion-resistant and thermal between the cooled wall and the combustion chamber insulating materials, which prevents heat losses and ensures that the desired combustion chamber temperature prevails at every point in the combustion chamber.
  • the adiabatic combustion temperature of several chemical reactions is above 2500 ° C.
  • Common, sufficiently corrosion-resistant ceramic materials for filling the combustion chamber do not withstand these high temperatures.
  • the measure proposed according to the invention solves the problem of the combustion chamber temperature being too high by supply of another gas or steam a further gas stream is added to the fuel gas mixture in the premixing chamber or to each of the fuel gases.
  • This gas stream can, for example, be a partial stream of the reaction product, e.g. hydrogen chloride from another part of the process plant.
  • Water vapor or another gas which is preferably inert with respect to the subsequent reaction can also be used It enables the combustion chamber temperature to be reduced to the desired level.
  • the lowering of the combustion temperature is all the more important than the heat input for pore burners, which are dimensioned for high outputs due to the cooled wall, which plays a subordinate role.
  • the recirculation or foreign gas also increases the flame speed reduced so that the combustion in the entire performance range can only take place in zone C of the pore burner.
  • the return of the reaction product is particularly advantageous since the amount of exhaust gas from the system is not increased as a result ch Water vapor is advantageous in this regard because water vapor can often be condensed in the subsequent facilities for the production of end products such as hydrochloric acid.
  • the main reactants contain hydrogen and chlorine, for example if they come from chemical reactions in process plants such high proportions of foreign gases that the addition of additional extraneous or recycle gases is superfluous or, for control reasons, only so much has to be added that the reaction is stabilized at the desired temperature
  • the premixing chamber is preferably a component and a safety-relevant component a device according to the invention
  • the premixing chamber is preferably made of corrosion-resistant materials, for example synthetic resin-impregnated graphite.
  • the premixed gases preferably enter zone A of the pore burner through a grate made of corrosion-resistant material, for example silicon carbide aluminum oxide or the like.
  • a grate made of corrosion-resistant material, for example silicon carbide aluminum oxide or the like.
  • chemical reactants such as e.g. B Chlorine and hydrogen under the influence of UV radiation for self-ignition.
  • self-ignition in the premixing chamber should be avoided for safety reasons.
  • a rust-proof design and a corresponding design of zone A is chosen so that zone A or C has no or only very little little UV radiation reaches the premixing chamber, which could lead to the ignition of the gas mixture of chlorine and hydrogen in the premixing chamber
  • the stability of the combustion in the described pore burner is to be emphasized compared to the hydrogen chloride burners designed according to the prior art, which are very sensitive to pressure and quantity fluctuations of the gases, in which case the flame the combustion reaction in the pore burner, on the other hand, can easily be extinguished by the heat capacity of the full body in zone C, even in the event of a brief failure of the gases Minutes, the burner can then be put back into operation without delay, even after an inert gas purging
  • the burner can be ignited and preheated using a fuel gas (hydrogen, methane or the like) and air.However, a conventional ignition device, which is customary for such chemical reactors, can also be used for this.When Zone C has been completely warmed up, gradually or immediately to reactants such as chlorine and hydrogen
  • the pore burners described below and modified for chemical processes are parts of process plants for the production of hydrochloric acid or for the afterburning of chlorine-containing compounds
  • a system has, for example a modified porous burner, a heat exchanger for cooling the reaction products or the use of the heat content and j e type of plant and an absorber, scrubber, or gas washer of transition pieces between the apparatuses, pumps, pipes, and the usual safety, measuring - and regulating devices due to the reaction management and the good mixing of gases in the pore burner, a voluminous combustion chamber is not required compared to the prior art.
  • the burner can be connected directly to the following devices, e.g.
  • a partial stream of the cooled gas or gas mixture is fed back to the burner as described above.
  • another gas for example water vapor, can also be added be
  • hydrocarbon gases as a hydrogen supplier, for example natural gas, methane, propane, etc., chlorine and air.
  • the combustion is carried out according to the highly simplified reaction equations (1 and 2).
  • Pore burners for the post-combustion of halogen-containing exhaust gases or vaporizable or gaseous halogen-containing organic compounds are, as will be explained more clearly later with the aid of exemplary embodiments, that oxidizing agent and fuel gas are preferably premixed and blown into the premixing chamber. Due to the high reaction enthalpy of oxidizing agent and fuel gas, the C generates a stable support flame The gas or gas mixture to be burned is blown into the premixing chamber, preferably through a grate, from zone A of the pore burner via an inlet pipe and mixed with the fuel / oxidizing agent mixture.
  • an appropriate excess of the oxidizing agent in particular air
  • the temperature in zone C of the pore burner is measured, for example, using an infrared pyrometer and that Signal for the oxidant control further processed
  • the following facilities for post-combustion differ depending on the halogen content of the exhaust gases from the system components described above. In the case of a small halogen content, in which the production of hydrochloric acid is not the main focus, only a quench and a scrubber are generally connected. Other accompanying substances, For example, sulfur compounds or the like can be subjected to damage-free disposal using the described devices. Since the post-combustion plants described with pore burners do not require a combustion chamber in the conventional sense, such plants can be designed to be very compact and inexpensive
  • the combustion chamber has at least two zones with material of different pore sizes between which the pore size gives the critical Peclet number
  • the material with connected cavities at least partially has a bulk of bodies, such as are used for solid body fillings or ordered packings in thermal separation processes, such as balls or saddle bodies,
  • a grid such as a grate, is provided at the interface for zones of different porosity in order to prevent the bodies from being discharged from one zone into the other, the grate in particular the grate also being cooled,
  • the combustion chamber is designed for flame stability at positive and negative pressure
  • the combustion chamber can now also be designed for flame stability at overpressure or underpressure, which in the known prior art had only resulted in insufficient flame stability.
  • a much larger pressure range is available, so that a corresponding design for a large pressure range
  • regulations can largely be dispensed with
  • a combustion chamber insulation is provided for an approximately adiabatic combustion management without wall effects.
  • Adiabatic combustion management is particularly advantageous particularly for increasing the conversion rate. Adversely, such an adiabatic combustion management without wall effects was not possible at all with the burners mentioned above
  • the device has a device for obtaining or separating reaction products from the burned fuel / oxidizing agent.
  • the device is designed for a chlorine-containing compound in the fuel and hydrogen in the oxidizing agent for burning the hydrogen chloride and for this has a procedural device for the extraction of hydrogen chloride or hydrochloric acid behind the combustion chamber.
  • the design mentioned is known to the person skilled in the art, in particular it should be noted that the corresponding safety devices are taken into account and the materials are correspondingly corrosion-resistant to chlorine
  • the invention can be used not only for combustion and for the synthesis of hydrogen chloride, but also as a device for the afterburning of exhaust gases and, in particular, for cleaning.
  • the invention can be used not only for combustion and for the synthesis of hydrogen chloride, but also as a device for the afterburning of exhaust gases and, in particular, for cleaning.
  • proportions of chlorine-containing organic Burn connections easily and thus dispose of them without damage
  • FIG. 1 a shows a section of the pore broiler according to FIG. 1, but with static mixing elements in the premixing chamber
  • FIG. 2 shows a pore burner like FIG. 1 but without a premixing chamber
  • FIG. 2a shows a section through zone A of the burner according to FIG. 2 for the illustration of the mixture
  • FIG. 3 shows a pore burner according to FIG. 1 with jacket cooling by the fuel gas and an ordered packing as combustion chamber filling
  • 5 shows a pore burner for the afterburning of exhaust gases by means of a fuel gas / air mixture
  • 6 shows a process plant for the production of hydrochloric acid with a pore burner, heat exchanger, absorber scrubber and product return
  • Fig. 7 is a process plant for the post-combustion of chlorine-containing or chlorinated hydrocarbon-containing exhaust gases with pore burner, quencher and scrubber
  • a special type of burner was selected in particular, the pore burner 1 already explained in more detail above, which has particular advantages over other types of burner with which the invention can be embodied.
  • the essential feature of the invention is then that the flame is supplied by a additional gas to the fuel / oxidant mixture is cooled, which can be realized with all conceivable types of burners. Therefore, the following description of exemplary embodiments based solely on pore burners 1 should not be seen as a limitation
  • FIG. 1 A general embodiment of a pore burner 1 for chemical processes is shown in FIG. 1.
  • the housing of the pore burner 1 consists of graphite impregnated with synthetic resin and is traversed by cooling channels 2, through which cooling agents, for example cooling water, are passed.
  • cooling channels 2 through which cooling agents, for example cooling water, are passed.
  • zones A and C defined by spherical full bodies
  • Zone C acts as a combustion zone in which the flame develops.
  • flaming is avoided by appropriate dimensioning.
  • zone A is filled with larger spherical full cores 3
  • zone A is filled with smaller spherical full cores 3 '
  • gas inlet channels 6 which open tangentially into the premixing chamber 5, as is also shown in detail in FIG. 3a. Because of the tangential feed, an effective mixing takes place by swirling
  • the premixing chamber 5 there is also a condensate outlet 7, the position of which, depending on the installation position of the burner 1, is fixed pointing downwards so that condensate can run off.
  • the premixing chamber 5 can also contain static mixing elements 10 as required, as shown in detail in FIG 1 can be seen.
  • the lower part 4 is detachably fastened to the housing of the pore burner 1 by means of a fastening device 8
  • the combustion chamber C is thermally shielded from the cooled housing wall of the pore burner 1 by means of a ceramic insulation 9.
  • the combustion chamber C is covered with a grate 12, which prevents full bodies from falling out of the pore burner 1 during an installation that deviates from the vertical.
  • Another grate 13 between zones A and C prevents small full bodies from zone A in the spaces between the full bodies of zone C
  • a through opening 15 for temperature measurement and an opening 16 for igniting the mixture are provided in order to reduce the flame temperature below that To lower the maximum temperature at which the balls 3 will not melt, the premixing chamber will have an additional gas such as
  • FIG. 2 shows a pore burner 1 which works in the same way as that of FIG. 1 In contrast to that of FIG. 1, however, no premixing chamber is provided here.
  • the gases are introduced directly into zone A by means of lines 6 Balls 3 'leads to a very uniform distribution, so that the gases introduced via the feed line 6 mix particularly well in zone A.
  • the feed lines 6 have a large number of holes which are mainly for uniform distribution on the ground of the pore burner 1, and can prevent a flashback in the lines 6 if they are small enough
  • Lines 6 are guided, which are laterally spaced in zone A and inserted from opposite sides, so that no random mixture can occur in the vicinity of the main feed line, for example due to leaks which could lead to an explosion somewhere
  • FIG. 3 Another embodiment is shown in FIG. 3, in which the fuel gases themselves, for example hydrogen, provide cooling and corresponding heat dissipation.
  • the hydrogen is first passed through cooling channels of the combustion chamber wall of the pore breaker 1 before it passes through an inlet channel 6 in the lower part 4 in The premixing chamber enters as indicated by the arrows on the left and right side of FIG. 3.
  • the chlorine enters through another gas inlet channel 6.
  • Foreign gas is introduced into the premixing chamber through further gas inlet channels 6, as can be seen in detail in FIG. 4a 5 blown
  • the design of the insulation should be adapted to the heat absorption capacity of the hydrogen
  • the combustion chamber C is filled with a structured packing 3 ", with which the mixing of the reactants compared to the spherical packing according to FIG. 1 is improved.
  • a structured packing 3" is particularly suitable for those cases in which no solids, such as soot, are present in the Gases are included
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a pore burner 1, which is encased by means of a graphite wall which is surrounded by a water-cooled steel jacket 17.
  • the graphite wall of the pore burner 1 does not require any internal cooling channels in this case, inter alia because of the high thermal conductivity of carbon lb
  • the cooling water enters the jacket space 19 of the steel jacket 17 at the connector 18 and leaves it again through a connector 20.
  • the pore size 1 shown in FIG. 4 is, in order to demonstrate a different design with respect to zone C, with ceramic full bodies 3 '" equipped, which have a cylindrical shape with internal structures. Such structures, above all, increase the surface area compared to the example in FIG. 1
  • Fuel gases and inert gases are preferably supplied in inlet connections 6 arranged one after the other in order to reduce the flame speed of the mixtures, for example hydrogen at 6 'chlorine at 6' and cycle gases at 6 '"condensates can emerge from the premixing chamber in the nozzle 7
  • FIG. 5 shows a pore burner 1 for the afterburning of chlorine-containing gases. It differs from the embodiment described in FIG. 1 by a modified premixing chamber 5 into which a large dimensioned gas inlet channel 21 through which the premixed gases, air as oxidizing agent and fuel flow and enter into the premixing chamber 5 protruding gas tube 22, through which the exhaust gas to be combusted is passed.
  • the gas inlet tube 22 is provided on its jacket surface with holes 23 through which the exhaust gas to be combusted enters the premixing chamber 5 and deals with the fuel gas flow that flows around the tube , mixed
  • the condensate outlet 7 is arranged laterally in contrast to the illustrations in FIGS. 1-3.
  • the premixing chamber 5 extends below zone A to the same cross-section as that of zone C. This extension increases the possible gas load on the burner
  • FIG. 6 shows a simplified diagram of a plant for the production of hydrochloric acid, in which a pore burner 1, for example of the type according to FIG. 3, is integrated.
  • the fuel gases hydrogen and chlorine are fed into a pore burner 1 via feed lines 25, 26.
  • the reaction products pass from this for cooling via a line 27 into a heat exchanger 28.
  • the heat exchanger can be cooled, for example, with cooling water. Alternatively, however, heat can also be used by generating hot water or low-pressure steam for further use there
  • a portion of the cooled gases emerging from the heat exchanger is branched off via a line 29 and the fuel / oxidant mixture is fed via a feed line 30 upstream of the burner.
  • the temperature is controlled via a corresponding measuring point 31 and a temperature-controlled valve 32
  • the other part of the gases passes via a line 33, for example, into a falling film absorber 34, in which hydrogen chloride is absorbed in water or dilute hydrochloric acid and removed from the nozzle 35.
  • the washer which is designed here as falling film absorber 34, can be operated in direct current, as shown, or can also be operated in countercurrent
  • the non-absorbable fractions and still minor fractions of hydrogen chloride then pass into a post-scrubber 36, in which the remaining fraction of hydrogen chloride is washed out by means of fresh water supplied via line 37.
  • the wash water enriched with hydrogen chloride is advantageous as Absorption liquid used for the absorber and therefore returned
  • FIG. 7 shows a further schematic representation of a plant which can be used, for example, for post-burning chlorine-containing compounds and exhaust gases with a low chlorine content from other plants or ania parts
  • an exhaust gas supplied via line 40 with, for example, chlorine-containing constituents is subsequently burned in a pore burner 1.
  • the combustion temperature of the pore burner 1 is regulated with the aid of additional air via a valve 41, provided that the cooling effect of the gas to be re-burned supplied via line 40 is insufficient or this has a calorific value to be taken into account
  • inert gases or water vapor can also be supplied for temperature control if the external boundary conditions so require. If the combustion temperature is lower than the predetermined setpoint, the thermal output must be can be increased by supplying natural gas
  • the exhaust gases can be used for waste heat in a heat exchanger (not shown here) or, as is often the case in small systems, directly quenched. After the quenching, the quenched gases enter a scrubber 42 in which the exhaust gases first circulate, then via line 37 Fresh water supplied is rewashed. Part of the wash water is subjected to further treatment. However, this is not shown in the drawing
  • a pore burner 1 in such systems lie in its excellent control of the combustion temperature and in its combustion stability. Sudden changes in the composition of the exhaust gas to be burned have a positive effect on the stabilizing effect of the hot ceramic materials in zone C.
  • the other combustion parameters are the same Natural gas and air requirements to maintain the target temperature in the combustion zone can be adjusted quickly without interrupting the combustion. Combustion temperatures up to 1600 ° C are possible with commercially available oxide ceramic materials Results of testing the described method and the devices used for it
  • Exhaust gas was around 1100 ° C.
  • the content of methyl chloride in the exhaust gas was less than 12 ppm

Abstract

Eine Vorrichtung mit einem Brenner zur Verbrennung eines Brennstoff/Oxidationsmittelgemisches innerhalb eines Brennraums, in dem ein Material (3, 3', 3'', 3''') vorgesehen ist, das einer maximalen Temperatur standhält, mit einer oder mehreren Zuführungsleitungen (25, 26) für den Brennstoff sowie für das Oxidationsmittel, um sie in den Brennraum einzuleiten, ist dadurch gekennzeichnet, dass sie für die Verbrennung mit einer Verbrennungstemperatur des Brennstoff/Oxidationsmittelgemisches oberhalb der maximalen Temperatur dadurch ausgelegt ist, dass mindestens eine weitere Zuleitung (30) vorgesehen ist, über die dem Brennraum ein zusätzliches Gas, insbesondere niederen Brennwertes, zuführbar ist, mit dem die Temperatur bei der Verbrennung auf einen Wert unterhalb der maximalen Temperatur absenkbar ist.

Description

Verfahren für einen Brenner und eine entsprechende Vorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für einen Brenner zur Verbrennung eines Brennstoff/Oxidationsmittelgemisches innerhalb eines Brennraums, in dem ein Material vorgesehen ist, das einer maximalen Temperatur standhalt, die kleiner als die Verbrennungstemperatur des Brennstoff/Oxidationsmittelgemisches ist Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung mit einem Brenner zur Verbrennung eines Brennstoff/Oxi- dationsmittelgemisches innerhalb eines Brennraums, in dem ein Material vorgesehen ist, das einer maximalen Temperatur standhalt, mit einer oder mehreren Zufuhrungsleitungen für den Brennstoff sowie für das Oxidationsmittel um sie in den Brennraum einzuleiten Außerdem betrifft die Erfindung Anwendungen des Verfahrens bzw Verwendungen der Vorrichtung
Bei den meisten Brenneranwendungen ist man bestrebt, eine möglichst effektive Verbrennung zu erzielen, unter anderem, damit ein möglichst hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann Die Hohe der Temperatur ist aber üblicherweise durch die Temperaturfestigkeit des verfugbaren Mateπals für den Brenner begrenzt
Höhere Temperaturen als es verfugbare Materialien erlauben, treten insbesondere bei starken exothermen chemischen Reaktionen, wie bei der Synthese von Zwischen- oder Endprodukten auf Solche chemische Reaktionen werden häufig mit frei brennender Flamme durchgeführt, die weit entfernt vom Brennermateπal brennt
Weiter gibt es bei diesen exothermen chemischen Reaktionen je nach Beschaffenheit der Einsatzstoffe speziell geartete Reaktoren, bestehend aus einer oder mehreren Brennereinheiten und einer Brennkammer Da die Einsatzstoffe sowie die Produkte jedoch häufig stark toxische sowie korrosive Eigenschaften aufweisen, müssen solche chemische Reaktoren unter Beachtung besonders strenger Sicherheitsanforderungen ausgelegt werden, was für die Auswahl von Material insbesondere eine große Beschrankung bedeutet
Im Folgenden wird im wesentlichen auf die Chlorwasserstoffsynthese eingegangen, bei der Chlor und Wasserstoff zur Reaktion gebracht werden Wenn hier häufiger auf die Chlorwasserstoffsynthese eingegangen wird, so ist das jedoch nicht beschrankend, sondern ausschließlich beispielhaft gemeint Die dargestellten Prinzipien können auf alle ähnlichen Reaktionen, insbesondere solche, bei denen hohe Temperaturen entstehen können, übertragen werden
Bei der Chlorwasserstoffsynthese ist der Reaktionsraum im Prinzip eine Diffusionsflamme, die sich in einer ausgedehnten Brennkammer befindet Als Brenner werden relativ einfache, aus korrosionsfesten Werkstoffen hergestellte Vorrichtungen mit einem Innen- und einem Außenrohr verwendet Durch das innere Rohr, welches oft einen besonders ausgebildeten Brennerkopf aufweist, werden die chlorhaltigen Gase zugeführt Durch einen zwischen den Rohren freibleibenden Ringspalt werden dagegen die wasserstoffhaltigen Gase eingeleitet, so daß der Wasserstoff die chlorhaltigen Gase praktisch umschließt Die beiden Gase treten erst unmittelbar nach Austritt aus dem Brenner miteinander in Kontakt, reagieren miteinander und bilden eine lange Flamme die sich in der Brennkammer ausbreitet
Die Durchmischung der Reaktanden in der Flamme erfolgt überwiegend durch Diffusion Wegen der hohen Verbrennungstemperaturen müssen die Wände der Brennerkammer möglichst weit entfernt sein Außerdem werden diese Wände in den meisten Fallen gekühlt
Dadurch ergibt sich bei dieser Art der Verbrennung aber ein großer Nachteil, weil die äußeren Bereiche einer solchen Flamme sich durch Wärmeabgabe an die gekühlten Wände so weit abkühlen, daß die Umsetzung der Reaktanden nur noch langsam verlauft oder zum Stillstand kommt Dadurch befindet sich unter Umstände noch nicht umgesetztes Chlor bei Austritt der heißen Verbrennungsgase aus der Brennkammer im gebildeten Chlorwasserstoff Der Anteil des nicht umgesetzten Chlors wird deshalb dadurch verringert, daß ein Wasserstoffuberschuß zwischen 5 und 10% zugeleitet wird
Insbesondere ist es bei derartigen Anwendungsfallen, insbesondere bei der Chlorwasserstoffsynthese wünschenswert, eine höhere Flammenstabi tat zu erzielen Die üblichen physikalischen Parameter zur Einstellung sind jedoch stark beschrankt Bei Unterdruck nimmt die Stabilität der Flamme beispielsweise ab deren Ausdehnung nimmt deutlich zu Eine Verbrennung bei höheren Drucken ist allerdings bisher nicht üblich Weiter können speziell ausgelegte Vormischbrenner aufgrund der Gefahr eines Flammruckschlages ohne Selbstzundung des Gemisches von Chlor und Wasserstoff nicht eingesetzt werden
Ein weiteres hier anzusprechendes Gebiet ist die Schadgasentsorgung Eine übliche Ausfuhrungsform eines chemischen Reaktors zur Schadstoffentsorgung ist eine mit feuerfesten Materialien ausgekleidete heiße Brennkammer in der die Brenngase mit herkömmlichen Brennern zur Reaktion gebracht werden Die zu entsorgenden Schadgase werden mit Hilfe einer separaten Zufuhrung in eine Brennkammer eingebracht Die Brennkammer ist so bemessen, daß eine gewisse Mindestverweilzeit bei hoher Temperatur für den Ausbrand von Reaktionsgasen vorhanden ist Solche Vorrichtungen werden vorzugsweise für die Nachverbrennung von chlorhaltigen Verbindungen oder Abgasen eingesetzt Die Mindestverweilzeit legt die Große solcher Brennkammern im allgemeinen fest Allerdings kann diese bei besserer Durchmischung und intensiverer Warme reduziert werden
Die oben genannte Diskussion zeigt, daß derartige Anlagen nur bei Einhaltung einer gewissen Mindestgroße gefertigt werden können, also die Anlagen üblicherweise äußerst viel Platz einnehmen So ist beispielsweise in dem Katalog der Firma SGL-TECHNIK GmbH Apparatebau, Werner von Siemens Straße 18 DE-86405 Meitingen auf Seite 3 ein HCL-Syntheseofen gezeigt, der, wie aus den in derselben Figur gezeigten Personen erkennbar ist, etwa eine Große von über 10 Metern Lange hat Diese Lange sollte drastisch reduziert werden können
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die so entstehenden Apparate bzw Brenner weniger Raum einnehmen Weiter soll auch eine Vorrichtung für dieses Verfahren geschaffen werden, mit der beispielsweise die oben genannten exothermen chemischen Reaktionen unter Verminderung der oben naher beschriebenen Nachteile durchfuhrbar sind
Die Aufgabe der Erfindung wird ausgehend von dem einleitend genannten Verfahren dadurch gelost, daß vor Verbrennung ein zusätzliches Gas zugeführt wird, das nicht wesentlich zur Verbrennung beitragt, wie ein Inertgas oder Wasserdampf oder das Abgas aus der Verbrennung oder einer Nachverbrennung mit dem die Temperatur wahrend der Verbrennung auf einen Wert unterhalb der maximalen Temperatur herabgesetzt wird Bei einer Vorrichtung ist diesbezüglich mindestens eine weitere Zuleitung vorgesehen, über die dem Brennraum ein zusätzliches Gas, insbesondere niederen Brennwertes zufuhrbar ist mit dem die Temperatur bei der Verbrennung auf einen Wert unterhalb der maximalen Temperatur absenkbar ist
Dieser einfache Weg zur Losung der Aufgabe, nam ch die Temperatur mit Hilfe eines zusätzlichen Gases abzusenken erscheint zunächst nicht besonders effektiv zu sein Das Gegenteil wurde aber festgestellt insbesondere zeigte sich daß sich eine Anlage aufgrund der Erfindung und ihren entsprechenden Weiterbildungen beispielsweise zur Chlorwasserstoffsynthese unter einem Meter Lange herstellen laßt Dieses Ergebnis die dramatische Reduzierung der Lange von fast 15m auf kleiner als 1 m, wäre bei der Stellung der Aufgabe gar nicht zu erwarten gewesen
Sie wäre auch mit herkömmlichen Maßnahmen des Fachmanns nam ch zur Langenverπngerung mehrere Chlorwasserstoffsynthese-Anlagen niedrigerer Leistung parallel zu schalten, auch gar nicht praktikabel erreichbar gewesen
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis daß bei Verringerung der Temperatur über die Zufuhrung eines zusätzlichen Gases zur Kühlung nicht nur der Aufwand für eine äußere Kühlung stark reduziert ist, sondern auch der Abstand Flamme/Wand wesentlich geringer gehalten werden kann
Außerdem sind auch andere Brennertypen als der vorher genannte Diffusionsbrenner einsetzbar, die ebenfalls eine weitere Verkürzung ermöglichen Es ist zu erwarten, daß bei der Chlorwasserstoffsynthese aufgrund der Erfindung auch mit weniger Wasserstoffuberschuß gearbeitet werden kann, da die gemäß Stand der Technik auftretenden Temperaturgradienten wesentlich geringer sind und die Durchmischung besser ist Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit derartiger Anlagen Ferner ergibt sich auch der Vorteil, daß aufgrund der Einstellbarkeit der Menge des zugefuhrten Inertgases, die Temperatur gesteuert oder geregelt werden kann Diese Möglichkeit laßt sich beispielsweise auch dazu ausnutzen, um die Temperatur bezuglich des Brennstoff/Oxida- tionsmittelgemisches bezüglich geringster Abgasemissionen zu regeln
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, daß das Verbrennungsprodukt aus dem Brennraum zumindest teilweise über eine Zuleitung als zusätzliches Gas, mit dem die Temperatur bei der Verbrennung absenkbar ist, eingeleitet ist
Dann kann nicht nur eine verringerte Temperatur erzielt werden, es erfolgt auch eine Nachverbrennung der Abgase was den Schadstoffgehalt unter Umstanden wesentlich verringert Weiter ist hervorzuheben, daß keine speziellen besonderen Gase in den Brennraum eingeleitet werden müssen, da das Abgas immer vorliegen wird Der Aufwand für eine derartige Vorrichtung wird daher verringert
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist beim Verfahren vorgesehen, daß das Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch und das zusätzlich zugefuhrte Gas zumindest teilweise in einer Vormischeinπchtung gemischt werden, die dem Brenner vorgeschaltet ist Eine entsprechende Vorrichtung gemäß dieser Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vormischkammer für das Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch aufweist aus der dieses Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch in die Brennkammer strömt
Wie vorstehend schon deutlich wurde ist eine Vormischkammer bei Vorrichtungen gemäß Stand der Technik gar nicht möglich da die Brenngase bis zum Auslaß aus den beiden Rohren beabstandet und getrennt gefuhrt werden müssen da sonst Rucklaggefahr besteht Im übrigen halten die verfugbaren Metnalien beispielsweise bei der Chlorwasserstoffsynthese bei Ruckschlag dem Kontakt mit einer Flamme aufgrund der hohen Temperaturen gar nicht stand Die hier nun gemäß Weiterbildung eingesetzte Vormischkammer, ermöglicht eine wesentlich bessere Durchmischung und einen effektiveren Umsatz der Reaktanden, was beispielsweise eine Verringerung des benotigten Wasserstoffanteils bei der Chlorwasserstoffsynthese ermöglicht
Bei Einsatz von herkömmlichen Brennern wäre auch die Selbstentzündung des Chlorwasserstoffgemisches in der Vormischkammer ein Problem Hier kann aber der Einfluß von UV-Strahlung auf Gas in der Vormischkammer durch deren entsprechende Auslegung verringert werden Die UV-Strahlung konnte sonst zur Zündung des beispielhaft genannten Gasgemisches aus Chlor und Wasserstoff in der Vormischkammer fuhren
Insbesondere ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Vormischkammer so ausgelegt ist, daß die in Richtung auf den Brennraum bezogene Komponente der Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches in der Vormischkammer großer als die Flammengeschwindigkeit im Brennraum ist Dadurch wird die Vormischkammer so dimensioniert, daß eine eventuell in der Vormischkammer entstehende Flamme im Fall einer unbeabsichtigten Zündung im gesamten Betriebsbereich, beispielsweise beim Anfahren, ausgeblasen wird
Insbesondere kann der Vormischkammer auch dabei schon das zusätzliche Gas, mit dem die Verbrennungstemperatur herabsetzbar ist, zugeführt werden, um es mit dem Brennstoff/Oxidationsmittel zu vermischen Damit wird auch das zusätzliche Gas wirkungsvoll vermischt, wodurch eine effektive Kühlung und eine gleichmäßige Temperatur innerhalb der Flamme erreicht wird
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Seitenfläche im Verhältnis zum Volumen der Vormischkammer so groß gewählt ist, daß gegebenenfalls die freie Energie einer Verpuffung von der Seitenwand aufπehmbar ist
Auch hier laßt sich mit einfachen Mitteln ein großer Sicherheitsstandard erreichen
Eine weitere diesbezügliche Verbesserung wird bei einer Weiterbildung der Erfindung mittels einer Kühlung der Vormischkammer erreicht
Festzustellen ist daß eine Vormischkammer gemäß den obengenannten Weiterbildungen einen Vorteil der Erfindung darstellt, der bei anderen exothermen chemischen Reaktionen bisher aufgrund der dortigen Beschrankung durch die eingesetzte Technik ausgeschlossen war Zur guten Vermischung der Gase in der Vormischkammer werden die Gase mit hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise tangential eingeblasen Die Geschwindigkeit des Gasgemisches in axialer Richtung wird über die Flammengeschwindigkeit des Gemisches gewählt Zur Verbesserung der Durchmischung können in der Vormischkammer Einbauten vorgesehen sein, beispielsweise handelsübliche Mischelemente, wie sie in statischen Mischern verwendet werden Das erfindungsgemaß zugefuhrte inerte Gas, also das zusätzliche Gas zur Erniedrigung von Flammengeschwindigkeit und zum Herabsetzen der adiabatischen Verbrennungstemperatur werden den Hauptreaktionsgasen dabei vorzugsweise vor der Vormischkammer zugemischt, damit lokal innerhalb der Vormischkammer an keiner Stelle wesentlich höhere Flammen- geschwindigkeiten als im ideal vorgemischten Gasgemisch auftreten können
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen daß in der Brennkammer ein poröses Material mit zusammenhangenden, für eine Flammenentwicklung geeignet großen Hohlräumen vorgesehen ist
Insbesondere ändert sich die Porosität des porösen Materials mit zusammenhangenden Hohlräumen in Richtung der Flammenentwicklung zu größeren Poren, wobei sich an einer inneren Grenzflache für die Porengroße eine kritische Peclet-Zahl ergibt, oberhalb der die Flammenentwicklung erfolgt und unterhalb der sie unterdruckt ist Ausfuhrungsmoglichkeiten für derartige Porenbrenner, wie sie im folgenden genannt sind, sind in mehreren Beitragen in der Fachliteratur beschrieben worden, exemplarisch in Durst et al Bulletin SEVΛ SE, Band 89, Nr 21 , Seiten 11 -18, 1998 Weitere Erläuterungen können auch aus der EP 0 657 011 B1 entnommen werden Derartige Brenner waren bisher bei der Verbrennung chemisch stark exothermer Reaktionen nicht eiπsetzbar, da das Material den hohen Temperaturen nicht standhielt
Die Baugroße solcher Anlagen und Vorrichtungen kann durch den Einsatz von Porenbrennern bei gleichem Durchsatz und Produktqualltat erheblich reduziert werden Weiter wird die mangelhafte Flammenstabilitat bekannter Anlagen und Vorrichtungen, die bei Druckschwankungen, insbesondere bei Unterdruck, auftreten, wesentlich verbessert
Eine Verbrennungsstabi sierung wird durch Zunahme der Poreπgroße in Stromungsrichtung erreicht, wobei sich in einer Zone des porösen Materials für die Porengroße eine kritische Peclet- Zahl ergibt oberhalb der die Flammenentwicklung erfolgt und unterhalb der sie unterdruckt ist
Die Anwendung dieser Technik zur Herstellung von chemischen Produkten, wie beispielsweise Chlorwasserstoff, oder zur Nachverbrennung von Schadgasen, wie beispielsweise chlorhaltigen Gasen, wirkt sich nicht nur auf die Verbrennung selbst vorteilhaft aus, sondern ermöglicht es auch, diejenigen Anlagenteile, in die der Porenbrenner integriert ist vorteilhaft zu gestalten und anzuordnen
Bei einem Porenbrenner wird die Reaktion innerhalb einer porösen Matrix aus temperaturbeständigem Material durchgeführt Abweichend von konventionellen Brennervorrichtungen ist es nicht erforderlich den Brenner in einer voluminösen Brennkammer anzuordnen oder eine solche nachzuschalten Aus dem Brenner selbst strömen die heißen Reaktionsprodukte ohne direkte Flammenbildung
Für die Chlorwasserstoffreaktion sowie weiteren in der chemischen Industrie genutzten chemischen Reaktionen ist ein Porenbrenner herkömmlicher Bauart nicht ohne die erfindungsgemaß eingesetzte Erniedrigung der Flammentemperatur geeignet Ferner treten im Vergleich zu den bekannten Anwendungen in der Heizungstechnik erheblich höhere Brennraumtemperaturen auf und die Gase sind hochkorrosiv
Die Dimensionieruπg von Porenbrennern für chemische Industrieanlagen erfolgt jedoch zunächst nach ähnlichen Regeln, wie sie in der Patentschrift EP 0 657 011 B1 beschrieben wurden, wobei die Peclet-Zahl Pe als Kriterium zur Dimensionierung der geschichteten Porengroßen herangezogen wird gemäß
Pc = S Ld„ ppG λG Dabei ist
S, die laminare Verbrennungsgeschwindigkeit der gegebenenfalls vorgemischten Gase
dm der effektive Porendurchmesser
Λ-y die Warmeleitung des Gasgemisches
Pf die Dichte des Gasgemisches und
c die spezifische Wärmekapazität des Gasgemisches
Das brennbare Gasgemisch durchströmt zunächst eine Region im folgenden mit Zone A bezeichnet die durch derart kleine effektive Porendurchmesser gekennzeichnet ist daß keine stationäre Flammenausbreitung möglich ist d h die erste poröse Zone ist einer Flammenruckschlagsperre wirkungsmaßig ähnlich Die nachfolgende eigentliche Verbrennungsregion im folgenden als Zone C bezeichnet weist jedoch Porengroßen auf die groß genug sind um eine stationäre Verbrennung zuzulassen Als Kriterium für die Flammenausbreitung im Inneren einer porösen Matrix wird in der Fachliteratur (beispielsweise Babkin et al in Combustion and Flame Vol 87 S 182-190 1991 ) eine kritische Peclet-Zahl von Pe > 65 angegeben
In der EP 0 657 011 B1 wird vorgeschlagen für die erste Zone eine deutlich niedrigere und für die Verbrennungszone eine deutlich höhere als die kritische Peclet-Zahl von Pe=65 zu verwenden
Wird der Porenbrenner gezündet so stabilisiert sich die Verbrennung an der Schnittstelle zwischen den zwei Zonen Durch die kleinen Porenabmessungen in der ersten Zone kommt es in dieser Region im stationären Zustand nicht zu einer Verbrennung sondern lediglich zu einer Vorwarmung des Gasgemisches Diese Eigenschaft erfüllt auch die strengen Sicherheitsanforderungen bezüglich einer Ruckzundungsgefahr bei chemischen Anlagen
Aufgrund der exzellenten Wärmeübertragung zwischen Gas- und Festkorperphase innerhalb der porösen Matrix stehen diese annähernd in thermischem Gleichgewicht Das annähernd thermische Gleichgewicht zwischen Gas- und Festkorperphase und die intensive Vermischung innerhalb des Porenkorpers bewirkt wesentlich das Verschwinden von freien Flammen in der mit größeren Poren ausgestatteten Brennzone Der Verbrennungsprozeß vollzieht sich nun in einem ausgedehnten Reaktionsgebiet, das eher als Verbrennungsreaktor denn als Brennraum mit freien Flammen charakterisiert werden kann Als poröse Brennraumfullung von Porenbrennern für chemische Industrieanlagen können Materialien wie z B Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid, Graphit, Kohlenstoff u a verwendet werden, die neben hoher Temperaturbeständigkeit auch eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweisen Vorzugsweise, obwohl auch Schaum- oder Wabenstrukturen einsetzbar sind, verwendet man zur Herstellung des porösen Brennraumes Schuttungen aus temperaturbeständigen keramischen Kugeln, Sattelkorpern und ähnlichen Korpern, wie sie beispielsweise als ungeordnete Packung für thermische Trennverfahren verwendet werden Schuttungen werden deshalb bevorzugt, weil sie eine einfache Reinigung gegen Ablagerungen, beispielsweise bei der Chlorwasserstoffsynthese entstehende Salzruckstande ermöglichen, die aus den Brenngasen stammen, weil diese unter Umstanden salzbeiadene Flussigkeitstropfchen mit sich fuhren können Auch für Porenbrenner werden zur Erzeugung von Chlorwasserstoff Zonen unterschiedlicher Porenstruktur bzw -große gemäß EP 0 657 01 1 B1 angeordnet Dies geschieht durch die Verwendung unterschiedlich großer Fullkorper fur die Zonen A und C
Abweichend von der in der EP 0 657 01 1 B1 beschriebenen Ausfuhrung kann jedoch zwischen den mit Fullkorpern ausgebildeten porösen Strukturen der zwei Zonen mit unterschiedlicher Porengroße vorzugsweise ein weiterer Rost angeordnet werden, welcher den Austrag kleinerer Fullkorper der Zone A in die Zwischenräume der größeren Fullkorper der Zone C verhindert Auch am Gasaustritt aus der Zone C wird bei Brennern bei denen die Gase nicht senkrecht nach oben austreten, ein weiterer, gasdurchlässiger Rost angeordnet werden welcher den Brennraum abschließt Dadurch wird es möglich, den Brenner trotz loser Schuttung der Fullkorper im Brennraum in beliebiger Lage anzuordnen
Der poröse Reaktionsraum ist bevorzugt von einer korrosionsfesten gekühlten Wand umgeben, die beispielsweise aus kunstharzimpragniertem Graphit besteht Die Kühlung kann durch Kuhlwasser, Luft oder die Brenngase selbst erfolgen Zwischen der gekühlten Wand und dem Brennraum befindet sich dann vorzugsweise eine isolierende Zwischenschicht aus hochtemperaturbestandigen, korrosionsbeständigen und thermisch isolierenden Werkstoffen, welche Warmeverluste verhindert und sicherstellt, daß im Brennraum an jeder Stelle die gewünschte Brennraumtemperatur herrscht Abweichend von der EP 0 657 011 B1 wird durch diese starke Isolierung eine nahezu adiabate Prozeßfuhrung ermöglicht, bei der kein Temperatureinfluß durch die gekühlte Wand auf den Verbrennungsprozeß erfolgt Die adiabate Prozeßfuhrung erlaubt beispielsweise ein einfaches Scale-up solcher chemischen Reaktoren, da die Warmetransporteigenschaften zu den gekühlten Wanden irrelevant sind und der gesamte Prozeß in Stromungsrichtung nahezu eindimensional betrachtet werden kann
Die adiabatische Verbrennungstemperatur von mehreren chemischen Reaktionen, wie bei Wasserstoff- und Chlorreaktionen, liegt über 2500°C Übliche, hinreichend korrosionsbeständige keramische Materialien für die Füllung des Brennraums halten diesen hohen Temperaturen nicht stand Die erfindungsgemaß vorgeschlagene Maßnahme lost das Problem der zu hohen Brennraumtemperatur durch Zufuhrung eines weiteren Gases bzw Dampfes Demgemäß wird zu dem Brenngasgemisch in der Vormischkammer oder zu jedem der Brenngase ein weiterer Gasstrom zugemischt Dieser Gasstrom kann beispielsweise ein Teilstrom des Reaktionsproduktes z B Chlorwasserstoff aus einem anderen Teil der verfahrenstechnischen Anlage sein Es kann auch Wasserdampf oder ein anderes vorzugsweise bezüglich der nachfolgenden Reaktion inertes Gas verwendet werden welches es ermöglicht, die Brennraumtemperatur auf das gewünschte Niveau zu senken Die Absenkung der Verbrennungstemperatur ist um so wichtiger als die Wärmezufuhr bei Porenbrennern, die für hohe Leistungen dimensioniert werden aufgrund der gekühlten Wand eine untergeordnete Rolle spielt Durch das Ruckfuhr- bzw Fremdgas wird die Flammengeschwindigkeit darüber hinaus herabgesetzt, so daß die Verbrennung im gesamten Leistungsbereich nur in der Zone C des Porenbrenners stattfinden kann Besonders vorteilhaft ist die Rückführung des Reaktionsprodukts, da die Abgasmenge der Anlage dadurch nicht erhöht wird Auch Wasserdampf ist in dieser Hinsicht vorteilhaft weil Wasserdampf in den nachfolgenden Einrichtungen zur Erzeugung von Endprodukten wie beispielsweise Salzsaure des öfteren kondensiert werden kann Oft enthalten die Hauptreaktanden wie Wasserstoff und Chlor wenn sie beispielsweise aus chemischen Umsetzungen in verfahrenstechnischen Anlagen stammen so hohe Anteile von Fremdgasen daß sich ein Zusatz von weiteren Fremd- oder Ruckfuhrgasen erübrigt bzw aus regeltechnischen Gründen nur so viel zugeführt werden muß daß die Reaktion bei der gewünschten Temperatur stabilisiert wird
Abweichend von üblichen Brennerausfuhrungen für chemische Anlagen wie bei Chlorwasserstoffsynthesen bei denen die Vermischung der Brenngase außerhalb des Brenners und innerhalb der Brennkammer erfolgt werden die Brenngase bei der hier beschriebenen Vorrichtung vorgemischt Abweichend von der EP 0 651 01 1 B1 ist die Vormischkammer vorzugsweiser Bestandteil und sicherheitsrelevaπte Komponente einer erfindungsgemaßen Vorrichtung
Die Vormischkammer ist vorzugsweise aus korrosionsfesten Werkstoffen, z B aus kunstharzimpragniertem Graphit hergestellt Aus der Vormischkammer treten die vorgemischten Gase bevorzugt durch einen Rost aus korrosionsbeständigem Material beispielsweise Siliziumkarbid Aluminiumoxid o a in die Zone A des Porenbrenners ein Wie vorher schon angesprochen wurde neigen mehrere chemische Reaktanden wie z B Chlor und Wasserstoff unter dem Einfluß von UV-Strahlung zur Selbstentzündung Die Selbstentzündung in der Vormischkammer sollte aber aus Sicherheitsgründen vermieden werden Ein Rost geeigneter Gestaltung und eine entsprechende Auslegung der Zone A wird so gewählt, daß von der Zone A bzw C keine oder nur sehr wenig UV-Strahlung in die Vormischkammer gelangt, die zur Zündung des Gasgemisches aus Chlor und Wasserstoff in die Vormischkammer fuhren konnte
Besonders ist die Stabilität der Verbrennung bei dem beschriebenen Porenbrenner hervorzuheben Gegenüber den nach dem Stand der Technik ausgeführten Chlorwasserstoffbrennern, die sehr empfindlich auf Druck- und Mengeπschwankungen der Gase reagieren bei denen also die Flamme leicht erloschen kann wird die Verbrennungsreaktion im Porenbrenner dagegen durch die Wärmekapazität der Fullkorper in Zone C sogar bei kurzzeitigem Ausfall der Gase sofort wieder gezündet Aus Sicherheitsgründen ist es jedoch zweckmäßig, bei Ausfall eines der Gase auch das andere Gas abzustellen und eine Inertgasspulung anzuschließen Selbst nach mehreren Minuten kann der Brenner dann ohne erneute Anfahrprozedur auch nach einer Inertgasspulung verzogerungsfrei wieder in Betrieb genommen werden
Die Zündung und Vorwarmung des Brenners kann mit einem Brenngas (Wasserstoff, Methan o a ) und Luft erfolgen Allerdings kann hierfür auch eine konventionelle Zündvorrichtung, die für solche chemischen Reaktoren üblich ist, genutzt werden Nach völliger Durchwarmung der Zone C kann nach und nach oder auch sofort auf die Reaktanden, wie beispielsweise Chlor und Wasserstoff, umgestellt werden
Für den Fall der Chlorwasserstoffsynthese und einer Vorwarmung mit einer Wasserstoff/Luftflamme erfolgt eine vorteilhafte Regelung in der Art, daß der Anteil der Luft langsam vermindert und der Chloranteil in gleichem Maße erhöht wird bis die Luft ganz durch Chlor ersetzt ist
Plötzliche Lastschwankungen zwischen 50 und 120% der Nennlast, die in solchen Anlagen auftreten können, sind mit den beschriebenen Porenbrennern ohne Schwierigkeiten zu beherrschen
Die hervorragende Stabilität der Verbrennungsreaktion im Porenbrenner ermöglicht den Einsatz des Brenners unter Druck oder unter Unterdruck was nach dem Stand der Technik mit hinreichender Verfahrenssicherheit aufgrund der instabilen Flammen, insbesondere bei der Synthese von Chlorwasserstoff bisher nicht durchgeführt wurde Für höhere Leistungen können Porenbrenner mit entsprechend größerer Querschnittsflache ausgerüstet oder in beliebiger Zahl parallel geschaltet werden Eine solche Anordnung von vielen kleinen Brennern erhöht den Leistungsbereich einer Chlorwasserstoffsyntheseanlage erheblich, da dabei je nach Leistungsanforderung Brenner zu- oder abgeschaltet werden können Auf diese Weise laßt sich die Gesamtanordnung stets im optimalen Leistungsbereich betreiben Ebenso ist es abweichend von den hier dargestellten Beispielen möglich, Brenner als Linieπbrenner oder Ringbrenner auszufuhren Innerhalb der Brennraume erhalt man dann nahezu gleichbleibende Bedingungen
Das Scale-up für technische Anlagen wird aufgrund der technischen Lehre für die Dimensionierung von Porenbrennern, insbesondere bei der im vorherigen beschriebenen adiabaten Prozeßfuhrung, nach der unabhängig von der Baugroße definierte Stromungsbedingungen in den Zonen A und C eingehalten werden müssen, überraschend einfach
Die nachfolgend beschriebenen und für chemischen Prozesse modifizierten Porenbrenner sind Teile verfahrenstechnischer Anlagen zur Erzeugung von Salzsaure oder zur Nachverbrennung chlorhaltiger Verbindungen Eine solche Anlage weist beispielsweise einen modifizierten Porenbrenner, einen Wärmetauscher für die Kühlung der Reaktionsprodukte bzw zur Nutzung von deren Warmeinhalt und je nach Anlagetyp auch einen Absorber, Scrubber oder Abgaswascher an Übergangsstücken zwischen den Apparaten, Pumpen, Rohrleitungen und die üblichen Sicherheits-, Meß- und Regeleinrichtungen auf Aufgrund der Reaktionsfuhrung und der guten Durchmischung von Gasen im Porenbrenner ist im Vergleich zum Stand der Technik eine voluminöse Brennkammer nicht erforderlich Der Brenner kann direkt an die nachfolgenden Apparate, z B einen Wärmetauscher, eine Quenche mit Absorber oder andere Apparate angeschlossen werden Nach Abkühlung der aus dem Brenner stromenden Reaktionsprodukte in einem Wärmetauscher oder nach einer Quenche wird ein Teilstrom des gekühlten Gases bzw Gasgemisches wie oben beschrieben, wieder dem Brenner zugeführt Alternativ dazu kann wie beschrieben, auch ein anderes Gas, z B Wasserdampf zugesetzt werden
Je nach Anforderungen an das Produkt können auch nur Teile der verfahrenstechnischen Anlage benotigt werden, z B Brenner und Gaskuhler oder Brenner und Quenche je nachdem ob das Produkt gasformig oder in Wasser gelost als Salzsaure benötigt wird
Eine weitere Ausfuhrungsform einer Anlage zur Erzeugung von Chlorwasserstoff benutzt als Wasserstofflieferant Kohlenwassertoffgase z B Erdgas Methan Propan usw , Chlor und Luft Die Verbrennung erfolgt nach den stark vereinfacht dargestellten Reaktionsgleichungen (1 und 2)
(1) CH4 + 02 + C - - > CO + 2HCl + H10
(2) CO + 1 / 2O2 C02
Diese Verbrennung ist in Anlagen gemäß Stand der Technik schwierig zu fuhren, da bei ungunstigen Randbedingungen Ruß entstehen kann, der die Anlage und die Saure verschmutzt Die beschriebenen besonderen Eigenschaften des Poreπbrenners ermöglichen unerwarteterweise auch für diese kritische Anwendung eine stabile, rußfreie Verbrennung
Porenbrenner für die Nachverbreπnung von halogenhaltigen Abgasen oder verdampfbaren oder gasformigen halogenhaltigen organischen Verbindungen werden, wie spater anhand von Ausfuhrungsbeispielen noch deutlicher wird so ausgeführt, daß Oxidationsmittel und Brenngas vorzugsweise vorgemischt in die Vormischkammer eingeblasen werden Durch die hohe Reaktionsenthalpie von Oxidationsmittel und Brenngas wird in der Brennzone C eine stabile Stutzflamme erzeugt Das nachzuverbrennende Gas oder Gasgemisch wird über ein Einleitrohr in die Vormischkammer vorzugsweise über einen Rost von der Zone A des Porenbrenners eingeblasen und mit dem Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch gemischt Zur Temperaturregelung des Nachverbrennungsprozesses verwendet man vorzugsweise einen entsprechenden Überschuß des Oxidationsmittels, insbesondere Luft Zur Regelung der Temperatur in der Zone C des Porenbrenners wird die Temperatur beispielsweise mittels Infrarotpyrometer gemessen und das Signal für die Oxidationsmittelregelung weiterverarbeitet Die nachfolgenden Einrichtungen bei Nachverbrennungen unterscheiden sich abhangig vom Halogengehalt der Abgase von den oben beschriebenen Anlageteilen Bei kleinem Halogengehalt, bei dem die Gewinnung von Salzsaure nicht im Vordergrund steht, wird im allgemeinen nur eine Quenche und ein Wascher πachgeschaltet Andere Begleitstoffe, z B Schwefelverbindungen o a , können mit den beschriebenen Einrichtungen ebenso einer schadlosen Beseitigung unterzogen werden Da die beschriebenen Nachverbrennungsanlagen mit Porenbrenner keine Brennkammer im herkömmlichen Sinn benotigen, können solche Anlagen sehr kompakt und kostengünstig ausgeführt werden
Aufgrund der vorstehenden detaillierten Ausfuhrungen ergeben sich insbesondere folgende bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung
- der Brennraum weist mindestens zwei Zonen mit Material unterschiedlicher Porengroße auf zwischen denen die Porengroße die kritische Peclet-Zahl ergibt
- das Material mit zusammenhangenden Hohlräumen weist zumindest teilweise eine Schuttung von Korpern auf, wie sie für Festkorperschuttungen oder geordnete Packungen bei thermischen Trennverfahren eingesetzt werden, wie Kugeln oder Sattelkorper,
- an der Grenzflache für Zonen unterschiedlicher Porosität ist ein Gitter wie ein Rost, vorgesehen, um einen Austrag der Korper aus einer Zone in die andere zu vermeiden, wobei das Gitter insbesondere der Rost auch gekühlt sein kann,
- die Brennkammer ist für Flammenstabilitat bei Über- und Unterdruck ausgelegt
Die Brennkammer kann nun auch für Flammenstabilitat bei Über- oder Unterdruck ausgelegt werden was im vorbekannten Stand der Technik nur zur ungenügender Flammenstabilitat gefuhrt hatte Aufgrund der Erfindung und ihrer Weiterbildungen steht aber ein wesentlich größerer Druckbereich zur Verfugung, so daß eine entsprechende Auslegung für einen großen Druckbereich in einer dem Fachmann gelaufigen Weise insbesondere auch für Über- oder Unterdruck, zu einer wesentlichen Erhöhung der Flammenstabilitat fuhren kann Regelungen können dabei weitgehend entfallen
Insbesondere ist bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine Brennkammeπsolierung für eine annähernd adiabatische Verbrennungsfuhrung ohne Wandeffekte vorgesehen Eine adiabatische Verbrennungsfuhrung ist insbesondere für die Erhöhung der Umsatzrate besonders vorteilhaft Eine derartige adiabatische Verbrennungsfuhrung ohne Wandeffekte war nachteiligerweise bei den vorangehend genannten Brennern überhaupt nicht möglich
Neben der Verbrennung ist es auch möglich, Reaktionsprodukte zu gewinnen, beispielsweise bei der Chlorwasserstoffgasverbrennung zur Chlorwasserstoffsynthese Dazu ist bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen daß die Vorrichtung eine Einrichtung zur Gewinnung oder Trennung von Reaktionsprodukten aus dem verbrannten Breπnstoff/Oxidationsmittel aufweist Insbesondere für die Chlorwasserstoffsynthese ist vorgesehen, daß die Vorrichtung für eine chlorhaltige Verbindung im Brennstoff sowie Wasserstoff im Oxidationsmittel zum Verbrennen des Chlorwasserstoffs ausgelegt ist und dafür eine verfahrenstechnische Einrichtung zur Gewinnung von Chlorwasserstoff oder Salzsaure hinter dem Brennraum aufweist Die genannte Auslegung ist dem Fachmann bekannt insbesondere ist dabei anzumerken, daß die entsprechenden Sicherheitseinrichtungen berücksichtigt werden und die Materialien entsprechend korrosionsbeständig gegen Chlor sind
Wie vorstehend schon ausgeführt wurde ist die Erfindung nicht nur zum Verbrennen und zur Chlorwasserstoffsynthese einsetzbar, sondern auch als Einrichtung zum Nachverbrennen von Abgasen und dabei insbesondere zum Reinigen So ist es beispielsweise bei einigen in den in der nachfolgenden Beschreibung dargestellten Ausfuhrungsbeispielen möglich, Anteile an chlorhaltigen organischen Verbindungen problemlos nachzuverbrennen und somit schadlos zu entsorgen
Weitere Maßnahmen und Besonderheiten bei der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefugte Zeichnung Es zeigen
Fig 1 einen Poreπbrenner aus kunstharzimpragniertem Graphit mit Bohrungen für eine Wasserkühlung des Graphitmantels
Fig 1 a einen Ausschnitt des Porenbreπners nach Fig 1 jedoch mit statischen Mischelementen in der Vormischkammer
Fig 2 einen Porenbrenner wie Fig 1 jedoch ohne Vormischkammer,
Fig 2a einen Ausschnitt durch die Zone A des Brenners gemäß Fig 2 zur Veranschau chung der Mischung,
Fig 3 einen Porenbrenner nach Fig 1 mit Mantelkühlung durch das Brenngas und einer geordneten Packung als Brennraumfullung,
Fig 4 einen Porenbrenner mit einem Kuhlmantel aus Stahl,
Fig 4a einen Schnitt durch die Vormischkammer mit tangentialen Eintrittsstutzen für die Gase,
Fig 5 einen Porenbrenner zur Nachverbrennung von Abgasen mittels eines Breπngas/Luft-Gemisches, Fig 6 eine verfahrenstechnische Anlage zur Erzeugung von Salzsaure mit Porenbrenner, Wärmetauscher, Absorber Scrubber und Produktruckfuhrung,
Fig 7 eine verfahrenstechnische Anlage zur Nachverbrennung von chlorhaltigen oder chlorkohlenwasserstoffhaltigen Abgasen mit Porenbrenner, Quenche und Wascher
Für die folgenden Ausfuhrungsbeispiele wurde insbesondere eine spezielle Brennerart ausgewählt, der vorstehend schon naher erläuterte Porenbrenner 1 , der gegenüber anderen Breπnertypen, mit dem die Erfindung ausgebildet werden kann, besondere Vorteile aufweist Das wesentliche Merkmal bei der Erfindung besteht dann, daß die Flamme durch Zufuhr eines zusätzlichen Gases zu dem Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch gekühlt wird, was bei allen denkbaren Brennertypen verwirklicht werden kann Deshalb ist die nachfolgende Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen allein auf Basis von Porenbrennern 1 nicht als Beschrankung zu sehen
Eine allgemeine Ausfuhrungsform eines Porenbrenners 1 für chemische Prozesse ist in Fig 1 dargestellt Das Gehäuse des Poreπbrenπers 1 besteht aus kunstharzimpragniertem Graphit und ist von Kuhlkanalen 2 durchzogen, über die Kuhlmittel, beispielsweise Kuhlwasser, geleitet wird Weiter sind zwei durch kugelförmigen Fullkorper definierte Zonen A und C gezeigt Die Zone C wirkt dabei als Verbrennungszone, in der sich die Flamme entwickelt In der Zone A wird durch entsprechende Dimensionierung ein Entflammen vermieden Die Verbrennungszone C ist zu diesem Zweck mit größeren kugelförmigen Fullkorpern 3 die Zone A dagegen mit kleineren kugelförmigen Fullkorpern 3' gefüllt
In einem Unterteil 4 befinden sich Gaseintπttskanale 6, die tangential in die Vormischkammer 5 munden, wie es auch in Fig 3a im einzelnen gezeigt ist Aufgrund der tangentialen Zufuhrung erfolgt eine effektive Mischung durch Verwirbelung
An der Vormischkammer ist ferner ein Kondensatauslaß 7 vorgesehen, dessen Position je nach Einbaulage des Brenners 1 nach unten weisend festgelegt wird, damit Kondensat ablaufen kann Die Vormischkammer 5 kann außerdem nach Bedarf statische Mischelemente 10 enthalten, wie sie im Detail in Fig 1 a als Ausschnitt der Fig 1 zu sehen sind Um die Reinigung zu vereinfachen, ist der Unterteil 4 mittels einer Befestigungseinrichtung 8 losbar am Gehäuse des Porenbrenners 1 befestigt
Um eine im wesentlichen adiabatische Verbrennung zu erreichen, ist der Brennraum C thermisch gegen die gekühlte Gehausewand des Porenbrenners 1 mittels einer keramischen Isolierung 9 abgeschirmt. Am Gasaustritt 11 ist der Brennraum C mit einem Rost 12 abgedeckt, der verhindert, daß Fullkorper aus dem Porenbrenner 1 bei einem von der Senkrechten abweichenden Einbau herausfallen können Ein weiterer Rost 13 zwischen den Zonen A und C verhindert, daß kleine Fullkorper der Zone A in die Zwischenräume der Fullkorper der Zone C geblasen werden Der ebenfalls in Fig 1 zu sehende Rost 14 trennt die Vormischkammer 5 von der Zone A In der Brennkammerwand des Porenbrenners 1 und der Isolierung 9 ist eine durchgehende Öffnung 15 zur Temperaturmessung und eine Öffnung 16 zur Zündung des Gemisches vorgesehen Um die Flammentemperatur unter die maximale Temperatur zu senken, bei der die Kugeln 3 nicht schmelzen wird der Vormischkammer ein zusätzliches Gas, wie
Wasserdampf, Abgas aus der Verbrennung oder ein anderes Gas, zugeführt
In Fig 2 ist ein Porenbrenner 1 gezeigt, der in gleicher Weise wie der von Fig 1 arbeitet Im Unterschied zu demjenigen von Fig 1 ist hier jedoch keine Vormischkammer vorgesehen Die Gase werden mittels Leitungen 6 direkt in die Zone A eingeführt Das Durchströmen der Zwischenräume zwischen den Kugeln 3' fuhrt zu einer sehr gleichmäßigen Verteilung, so daß sich die über die Zuleitung 6 eingeführten Gase in der Zone A besonders gut mischen Wie aus Fig 2a zu erkennen ist weisen die Zuleitungen 6 eine Vielzahl von Lochern auf die hauptsachlich für eine Gleichverteilung am Boden des Porenbrenners 1 sorgen, und einen Flammruckschlag in die Leitungen 6 verhindern können wenn sie klein genug dimensionniert sind
Außerdem werden zwei der Verbrennungsgase, beispielsweise Cl 2 und H , in getrennten
Leitungen 6 gefuhrt, die in der Zone A lateral beabstander und von entgegengesetzten Seiten eingeführt sind, so daß sich in der Nahe der Hauptzufuhrung auch keine zufällige Mischung, beispielsweise aufgrund von Lecks ergeben kann, die irgendwo zu einer Explosion fuhren konnten
In Fig 3 ist eine andere Ausfuhrungform gezeigt, bei der die Brenngase selbst, z B Wasserstoff, für eine Kühlung und dementsprechende Warmeabfuhr sorgen Der Wasserstoff wird dazu zunächst durch Kuhlkanale der Brennkammerwand des Porenbreπners 1 geleitet, bevor er durch einen Eintrittskanal 6 im Unterteil 4 in die Vormischkammer eintritt wie es durch die Pfeile auf der linken und rechten Seite von Fig 3 angedeutet ist Das Chlor tritt durch einen anderen Gaseintrittskanal 6 ein Ein Fremdgas wird durch weitere Gaseintπttskanale 6, wie es im Detail in Fig 4a zu sehen ist, in die Vormischkammer 5 geblasen In dieser Ausfuhrungsform sollte die Auslegung der Isolierung der Warmeaufnahmefahigkeit des Wasserstoffs angepaßt werden
Der Brennraum C ist in diesem Beispiel mit einer strukturierten Packung 3" ausgefüllt, mit der die Durchmischung der Reaktionspartner gegenüber der Kugelpackung gemäß Fig 1 verbessert wird Solche Packungen 3" eignen sich besonders, für solche Falle in denen keine Feststoffe, wie Ruß, in den Gasen enthalten sind
In Fig 4 ist ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines Porenbrenners 1 gezeigt, der mittels einer Graphitwand, die von einem wassergekühlten Stahlmantel 17 umgeben ist, ummantelt ist Die Graphitwand des Poreπbrenners 1 benotigt unter anderem wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoff in diesem Fall keine inneren Kuhlkanale lb
Das Kuhlwasser tritt am Stutzen 18 in den Mantelraum 19 des Stahlmantels 17 ein und verlaßt diesen wieder durch einen Stutzen 20 Der in Fig 4 dargestellte Porenbreπner 1 ist, um auch hier bezüglich der Zone C eine andere Ausbildung zu demonstrieren, mit keramischen Fullkorperπngen 3'" ausgerüstet, die eine zylindrische Form mit inneren Strukturen aufweisen Durch derartige Strukturen wird vor allen Dingen die Oberflache gegenüber dem Beispiel von Fig 1 erhöht
Fig 4a zeigt hier beispielhaft die Anordnung der Eintrittsstutzen 6 für die Vormischkammer 5 Vorzugsweise werden Brenngase und Inertgase in umfangsmaßig hintereinanderliegenden Eintrittstutzen 6 zugeführt, um die Flammgeschwindigkeit der Gemische herabzusetzen, z B Wasserstoff bei 6' Chlor bei 6 ' und Kreislaufgase bei 6'" Kondensate können bei dem Stutzen 7 aus der Vormischkammer austreten
In Fig 5 ist ein Porenbrenner 1 zur Nachverbrennung von chlorhaltigen Gasen gezeigt Er unterscheidet sich von der in Fig 1 beschriebenen Ausfuhrungform durch eine modifizierte Vormischkammer 5 in die ein großer dimensionierter Gaseintrittskanal 21 , durch den die vorgemischten Gase, Luft als Oxidationsmittel und Brennstoff strömen und ein in die Vormischkammer 5 ragendes Gaseιnleιtrohr 22, mundet, durch welches das nachzuverbrennende Abgas gefuhrt wird Das Gaseinleitrohr 22 ist an seiner Mantelflache mit Bohrungen 23 versehen, durch die das nachzuverbrennende Abgas in die Vormischkammer 5 eintritt und sich mit dem Brenngasstrom, der um das Rohr strömt, vermischt Der Kondensatauslaß 7 ist hier im Gegensatz zu den Darstellungen der Figuren 1-3 seitlich angeordnet Die Vormischkammer 5 erweitert sich unterhalb der Zone A auf den gleichen Querschnitt wie denjenigen von Zone C Diese Erweiterung sorgt für eine Erhöhung der möglichen Gasbelastung des Brenners
In Fig 6 ist ein vereinfachtes Schema einer Anlage zur Erzeugung von Salzsaure, in der ein Porenbrenner 1 beispielsweise vom Typ gemäß Fig 3 integriert ist, gezeigt Die Brenngase Wasserstoff und Chlor werden dabei über Zuleitungen 25, 26 in einen Porenbrenner 1 eingespeist Die Reaktionsprodukte gelangen von diesem zur Kühlung über eine Leitung 27 in einen Wärmetauscher 28 Der Wärmetauscher kann beipielsweise mit Kuhlwasser gekühlt werden Alternativ ist aber auch eine Warmenutzung möglich, indem dort Heißwasser oder Niederdruckdampf zur weiteren Verwendung erzeugt wird
Von den aus dem Wärmetauscher austretenden abgekühlten Gasen wird ein Teil über eine Leitung 29 abgezweigt und den Breπnstoff/Oxidationsmittelgemisch über eine Zufuhrungsleitung 30 vor dem Brenner zugeführt Die Temperaturregelung erfolgt über eine entsprechende Meßstelle 31 und ein temperaturgeregeltes Ventil 32
Der andere Teil der Gase gelangt über eine Leitung 33 z B in einen Fallfilmabsorber 34, in dem Chlorwasserstoff in Wasser bzw verdünnter Salzsaure absorbiert und aus dem Stutzen 35 entnommen wird Der hier als Fallfilmabsorber 34 ausgebildete Wascher kann im Gleichstrom, wie dargestellt, oder auch im Gegenstrom betrieben werden Die nicht absorbierbaren Anteile und noch geringfügige Anteile an Chlorwasserstoff gelangen dann in einen Nachwascher 36, in dem der restliche Anteil von Chlorwasserstoff mittels über die Leitung 37 zugefuhrtem Frischwasser ausgewaschen wird Das mit Chlorwasserstoff angereicherte Waschwasser wird vorteilhaft als Absorptionsflussigkeit für den Absorber verwendet und deswegen zurückgeführt
Fig 7 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Anlage die beispielsweise zur Nachverbreπnung von chlorhaltigen Verbindungen und Abgasen mit geringem Chlorgehalt aus anderen Anlagen oder Aniageteilen einsetzbar ist
Mittels einer Stutzflamme aus über Leitungen 38 und 39 zugefuhrtem Erdgas und Luft wird ein über eine Leitung 40 zugefuhrtes Abgas mit beispielsweise chlorhaltigen Bestandteilen in einem Porenbrenner 1 nachverbrannt Die Verbrennungstemperatur des Porenbrenners 1 wird in diesem Beispiel mit Hilfe von Zusatzluft über ein Ventile 41 geregelt, sofern die Kuhlwirkung des über die Leitung 40 zugefuhrten nachzuverbreπnenden Gases nicht ausreicht oder dieses einen zu berücksichtigenden Heizwert besitzt Selbstverständlich können zur Temperaturregelung auch andere beispielsweise inerte Gase oder Wasserdampf zugeführt werden, wenn die äußeren Randbedingungen dies erfordern Ist die Verbrennungstemperatur niedriger als der vorgegebene Sollwert muß die Wärmeleistung durch Zufuhr von Erdgas erhöht werden
Die Abgase können einer Abwarmenutzung in einem hier nicht dargestellten Wärmetauscher zugeführt werden oder wie es bei kleinen Anlagen häufig üblich ist direkt gequencht werden Nach der Quenche gelangen die abgeschreckten Gase in einen Wascher 42 in dem die Abgase zunächst mit Umlaufflussigkeit, dann mit über die Leitung 37 zugefuhrten Frischwasser πachgewaschen werden Ein Teil des Waschwassers wird einer weiteren Aufbereitung unterzogen Dies ist jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt
Gereinigtes Abgas entweicht aus einer Leitung 43 wahrend verdünnte Salzsaure über eine Leitung 44 entnommen werden kann
Die besonderen Vorteile eines Poreπbrenners 1 in solchen Anlagen liegen in seiner hervorragenden Regelmoglichkeit der Verbrennungstemperatur und in seiner Verbrennungs- stabilitat Auf plötzliche Änderungen in der Zusammensetzung des nachzuverbrennendes Abgases wirkt sich die stabilisierende Wirkung der heißen keramischen Materialien in der Zone C positiv aus Die anderen Verbrennungsparameter wie Erdgas und Luftbedarf zur Aufrechterhaltung der Solltemperatur in der Verbrennungszone können schnell angepaßt werden, ohne daß die Verbrennung unterbrochen wird Verbrennungstemperaturen bis 1600°C sind mit handelsüblichen Oxidkeramikmassen möglich Ergebnisse der Erprobung des beschriebenen Verfahrens und der dazu benutzten Vorrichtungen
Beispiel 1
Mit einem Porenbrenner 1 nach Fig 1 in einer verfahrenstechnischen Pilotanlage gemäß Fig 5 wurde aus Wasserstoff (1 , 12 m J /h) und Chlor (1 ,09 m 3 /h) Chlorwasserstoff erzeugt Als Inertgasstrom, also als zusätzliches Gas zum Erniedrigen der Flammtemperatur, wurde in die Vormischkammer zusätzlich ca 0,73 kg/h Wasserdampf eingeblasen Bei einem stochiometπschen Wasserstoffuberschuß von 3% wurde in der durch Verbrennen erzeugten Salzsaure von 30 Gew % HCI ein Gehalt an freiem Chlor von weniger als 3 ppm festgestellt
Beispiel 2
Ein Methylchlond enthaltendes Abgas wurde in einem Porenbrenner 1 nach Fig 5 in einer
Anlage nach Fig 7 in einer Stutzflamme aus 0,17 m J /h Erdgas und 1 ,54 m 3 /h Luft nachverbrannt Als Abgas wurde mit 0,35 m J /h ein Nachverbrennungsgas mit ca 0, 1 % Methylchlond in Luft eingeleitet Die Temperatur des aus dem Porenbrenner entweichenden
Abgases lag bei ca 1100°C Der Gehalt an Methylchlond im Abgas war kleiner als 12 ppm
Beispiel 3
Ein Versuch mit einer Anlage nach Fig 6 und einem Porenbrenner 1 gemäß Fig 1 ergab für die Verbrennung von 0 12 m ' /h Chlor mit 0 2 m 3 /h Erdgas (Methan) und 2 8 m 3 /h Luft folgende Ergebnisse Es wurde rußfreie 30%ιge Salzsaure erzeugt Der Kohlenmonoxidgehalt im Abgas war dabei kleiner als 0,5% Nebenprodukte wie polychloπerte Dioxine und Furane konnten weder in der Saure noch im Abgas nachgewiesen werden Der Chlorgehalt in der Saure war geringer als 50 ppm
Unter ungunstigen Randbedingungen konnte das Abgas mit einer Vorrichtung nach Fig 5 mit hohem Luftuberschuß nochmals nachverbrannt werden
Beispiel 4
Weiter wurden Versuche mit stark abgesenkter Brennraumtemperatur in einem Brenner gemäß Fig 1 durchgeführt Mit 1 ,06 m 3 /h Wasserstoff, 1 ,04 m 3 /h Chlor und 1 ,02 kg/h Wasserdampf ergab sich selbst bei einer geringen Brennraumtemperatur von ~600°C nur ein kleiner Chlorgehalt in der gewonnenen Saure von kleiner als 3 ppm
Wie die Beispiele zeigen, ermöglichen es die oben genannten Brennertypen in einfacher Weise stark exotherme chemische Reaktionen sowohl auf kleinen Volumen als auch im Wesentlichen adiabatisch zu fuhren Sicherheitsvorschriften können auf einfache Weise eingehalten werden Damit erweist sich der hier beschriebene Brenπertyp in allen Anforderungen den herkömmlichen Brennern für stark exotherme chemische Reaktionen überlegen

Claims

Ansprüche
Verfahren für einen Brenner zur Verbrennung eines Brennstoff/Oxidationsmittelgemisches (1 ) innerhalb eines Brennraumes, in dem ein Material (3, 3', 3", 3'") vorgesehen ist, das einer maximalen Temperatur standhalt, die kleiner als die Verbrennungtemperatur des Brennstoff/Oxidationsmittelgemisches ist, dadurch gekennzeichnet, daß vor Verbrennung ein zusazliches Gas zugeführt wird, das nicht wesentlich zur Verbrennung beitragt, wie ein Inertgas oder Wasserdampf oder das Abgas aus der Verbrennung oder einer Nachverbrennung, mit dem die Temperatur wahrend der Verbrennung auf einen Wert unterhalb der maximalen Temperatur herabgesetzt wird
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff/Oxidations- mittelgemisch und das zusätzlich zugefuhrte Gas zumindest teilweise in einer Vormischeinπchtung (5) gemischt werden, die dem Brenner (1 ) vorgeschaltet ist
Vorrichtung mit einem Brenner zur Verbrennung eines Breπnstoff/Oxidations- mittelgemisches innerhalb eines Brennraums, in dem ein Material (3, 3', 3", 3'") vorgesehen ist, das einer maximalen Temperatur standhalt, mit einer oder mehreren Zufuhrungsleitungen (25 26) für den Brennstoff sowie für das Oxidationsmittel, um sie in den Brenπraum einzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung für die Verbrennung mit einer Verbrennungstemperatur des Brennstoff/Oxidationsmittelgemisches oberhalb der maximalen Temperatur dadurch ausgelegt ist, daß mindestens eine weitere Zuleitung (30) vorgesehen ist, über die dem Brennraum ein zusaztliches Gas, insbesondere niederen Brennwertes, zufuhrbar ist, mit dem die Temperatur bei der Verbrennung auf einen Wert unterhalb der maximalen Temperatur abseπkbar ist
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsprodukt aus dem Breπnraum zumindest teilweise über eine Zuleitung (30) als zusätzliches Gas, mit dem die Temperatur bei der Verbrennung absenkbar ist, eingeleitet ist Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vormischkammer
(5) für das Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch vorgesehen ist, in welcher der Brennstoff und das Oxidationsmittelgemisch vor der Verbrennung mischbar sind
Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischkammer (5) so ausgelegt ist, daß die in Richtung auf den Brennraum bezogene Komponente der Stromungsgeschwindigkeit des Gemisches in der Vormischkammer (5) großer als die Flammengeschwindigkeit im Brennraum ist
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormischkammer
(5) auch das zusätzliche Gas, mit dem die Verbrennungstemperatur herabsetzbar ist, zugeführt ist, um es mit dem Brennstoff/Oxidationsmittel zu vermischen vorzugsweise durch Mischen mit dem Brennstoff oder dem Oxidationsmittel vor der Vormischkammer (5)
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Seitenflache im Verhältnis zum Volumen der Vormischkammer (5) so groß gewählt ist, daß gegebenenfalls die freie Energie einer Verpuffung von der Seitenwand aufnehmbar ist
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch eine Kühlung der Vormischkammer (5)
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer ein poröses Material (3, 3' 3", 3'") mit zusammenhangenden, für eine Flammenentwicklung geeignet großen Hohlräumen vorgesehen ist
Vorπchtung nach Anspruch 10 gekennzeichnet durch ein poröses Material (3, 3', 3", 3'") mit zusammenhangenden Hohlräumen, dessen Porosität sich in Richtung der
Flammenentwicklung zu größeren Poren ändert, wobei sich an einer inneren Grenzflache für die Porengröße eine kritische Peclet-Zahl ergibt, oberhalb der die Flammenentwicklung erfolgt und unterhalb der sie unterdruckt ist. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum mindestens zwei Zonen (A, C) mit Material (3, 3', 3", 3'") unterschiedlicher Porengroße aufweist, zwischen denen die Porengroße die kritische Peclet-Zahl ergibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (3, 3' 3", 3'") mit zusammenhangenden Hohlräumen zumindest teilweise eine Schuttung von Korpern aufweist, wie sie für Fullkorperschuttungen oder geordnete Packungen bei thermischen Trennverfahren eingesetzt werden, wie Kugeln oder Sattelkorper
Vorrichtung nach Anspruch 13 mit einer Grenzflache für Zonen unterschiedlicher Porosität nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzflache ein Gitter, wie ein Rost (13), vorgesehen ist, um einen Austrag der Korper aus einer Zone in die andere zu verhindern
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter, insbesondere der Rost (13), gekühlt ist
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer für Flammenstabilitat bei Über- und/oder Unterdrück ausgelegt ist
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennkammeπsolierung (9) für eine annähernd adiabatische Verbrennungsfuhrung ohne thermische Wandeffekte vorgesehen ist
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Gewinnung oder Trennung von Reaktioπsprodukten aus dem verbrannten Brennstoff/Oxidationsmittei Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie für Chlor oder eine chlorhaltige Verbindung sowie Wasserstoff oder eine wasserstoffhaltige Verbindung im Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch zum Gewinnen von Chlorwasserstoff durch Verbrennung ausgelegt ist und daß sie eine verfahrenstechnische Einrichtung zur Gewinnung von Chlorwasserstoff oder Salzsaure hinter dem Brennraum aufweist
Verwendung einer der Vorrichtungen nach Anspruch 3 bis 19 und/oder Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zur Reinigung von Abgasen
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