DE10140422C1

DE10140422C1 - Thermische Nachverbrennungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10140422C1
Application number: DE10140422A
Authority: DE
Inventors: Katefidis Apostolos
Original assignee: Eisenmann Anlagenbau GmbH and Co KG
Current assignee: EISENMANN ANLAGENBAU GMBH & CO. KG, 71032 BOEBLINGEN, DE
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2021-08-18
Also published as: EP1286115A1; US6780004B2; US20040033459A1

Abstract

Eine thermische Nachverbrennungsvorrichtung zur Reinigung von Abluft umfaßt ein von einem Isoliermantel (2) umgebenes Außengehäuse (1), eine innerhalb des Außengehäuses (1) angeordnete, von einem Brennkammergehäuse (3) begrenzte Brennkammer (4), einen mit einem Brennstoff beschickbaren Brenner (8), der eine Brennerdüse (20) und ein erstes Flammrohr (11) aufweist, welches die Brennerdüse (20) umgibt und den Raum (17) zwischen dem Außengehäuse (1) und dem Brennkammergehäuse (3) mit der Brennkammer (4) verbindet. Der Brenner (8) besitzt mindestens ein weiteres Flammrohr (12), welches vollständig innerhalb der Brennkammer (4) angeordnet ist und das innerhalb der Brennkammer (4) liegende Ende des ersten Flammrohres (11) mit einem größeren Radius derart umgibt, daß zwischen dem ersten Flammrohr (11) und dem weiteren Flammrohr (12) ein Ringspalt (13) gebildet ist. Hierdurch wird innerhalb der Brennkammer (4) eine Zirkulationsströmung der Verbrennungsluft möglich, welche mehrfach über den Ringspalt (13) und die Flamme des Brenners (8) führt. Dies verbessert die Vollständigkeit der Verbrennung und vergleichmäßigt die Temperatur innerhalb der Brennkammer (4), so daß mit einer niedrigeren Flammtemperatur gearbeitet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermische Nachverbrennungs vorrichtung zur Reinigung von Abluft mit

a) einem von einem Isoliermantel umgebenen Außengehäuse;
b) einer innerhalb des Außengehäuses angeordneten, von einem Brennkammergehäuse begrenzten Brennkammer;
c) einem mit einem Brennstoff beschickbaren Brenner, der eine Brennerdüse und ein erstes Flammrohr aufweist, welches die Brennerdüse umgibt und den Raum zwischen dem Außengehäuse und dem Brennkammergehäuse mit der Brennkammer verbindet.

Thermische Nachverbrennungsvorrichtungen dienen ebenso wie regenerative Nachverbrennungsvorrichtungen der Reini gung industrieller Abgase, die verbrennbare Substanzen enthalten. Regenerative Nachverbrennungsvorrichtungen werden vor allem dort eingesetzt, wo die gereinigten Gase mit möglichst geringer Temperatur direkt einem Kamin zugeleitet werden sollen und der energetische Wirkungsgrad möglichst so gut sein soll, daß der Ver brennungsprozeß ohne Zufuhr von Fremdenergie abläuft. Dies geschieht durch einen verhältnismäßig aufwendigen Wärmetausch zwischen zugeführter Abluft und abgeführter, gereinigter Verbrennungsluft.

Thermische Nachverbrennungsvorrichtungen dagegen setzen zur Verbrennung der in der Abluft mitgeführten Verunreini gungen einen sog. "Flächenbrenner" ein, dem externe Energie in Form von Brennstoff zugeführt wird. Diese Flächenbrenner arbeiten ohne Gebläse und entnehmen den zur Verbrennung erforderlichen Sauerstoff aus der zu reinigenden Abluft, die unter Druck zugeführt wird. Auch thermische Nachver brennungseinrichtungen weisen im allgemeinen einen Wärme tauscher auf, in dem den Verbrennungsgasen Wärme entzogen wird, so daß sie mit niedrigerer Temperatur ausströmen; die Wärme wird teilweise der zu reinigenden Abluft zuge führt, so daß diese mit einer Vorerwärmung in den eigent lichen Verbrennungsvorgang eintritt. Im allgemeinen wird einer thermischen Nachverbrennungsvorrichtung Prozeßwärme für einen anderen, in räumlicher Nähe ablaufenden wärme verbrauchenden Vorgang entnommen, z. B. für Heizzwecke.

Bei vom Markt her bekannten thermischen Nachverbrennungs vorrichtungen der eingangs genannten Art weist der Brenner nur ein einziges Flammrohr auf, über welches die zu behandelnde Abluft in die Brennkammer eingeführt und in die von der Brennerdüse erzeugte Flamme eingeleitet wird. Da sich heiße und kalte Luft nur sehr schlecht vermischen, ist bei diesen bekannten thermischen Nachver brennungsvorrichtungen die vollständige Verbrennung aller Verunreinigungen trotz des Einsatzes von Luftverwirbelungs einrichtungen erschwert, so daß höhere Flammtemperaturen eingesetzt werden müssen. Dies ist mit einem dreifachen Nachteil verbunden: Zum einen ist der Energieverbrauch hoch. Zum zweiten ist der Einsatz von Materialien in der Vorrichtung erforderlich, die höheren Temperaturen stand halten, und schließlich entstehen durch die hohe Flamm temperatur mehr unerwünschte Stickstoffoxide.

Eine in der Bauweise grundsätzlich ähnliche Nachverbren nungsvorrichtung, die jedoch keinen Isoliermantel auf weist, ist in der DE 30 43 286 C2 beschrieben. Auch diese besitzt nur ein Flammrohr. Eine im vorliegenden Zusammenhang praktisch identische Bauweise besitzt die thermische Nachverbrennungvorrichtung, die Gegenstand der DE 695 15 109 T2 ist.

Bei der in der CH 591 656 A5 beschriebenen Brennkammer dient eine Verjüngung de Brennkammergehäuses selbst als einziges Flammrohr. Zusätzliche Luft kann über Öff nungen im Mantel des Brennkammergehäuses ins Innere der Brennkammer eingebracht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermische Nachverbrennungsvorrichtung derart auszugestalten, daß bereits bei niedrigeren Flammtemperaturen eine vollständige Verbrennung der Verunreinigungen in der Abluft stattfindet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) der Brenner mindestens ein weiteres Flammrohr aufweist, welches vollständig innerhalb der Brennkammer angeord net ist und das innerhalb der Brennkammer liegende Ende des ersten Flammrohrs mit einem größeren Radius derart umgibt, daß zwischen dem ersten Flammrohr und dem weiteren Flammrohr ein Ringspalt gebildet ist.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brenners ermöglicht eine Zirkulationsströmung innerhalb der Brennkammer selbst, die durch den Spalt zwischen erstem Flammrohr und weiterem Flammrohr verläuft und durch den Ansaugeffekt unterstützt wird, den die das innere Flammrohr durchtre tende Gasströmung hervorruft. Die zu behandelnde Abluft durchläuft also die Brennkammer nicht in einem einzigen Durchgang sondern wird ggf. mehrfach durch die Flamme der Brennerdüse geführt, bevor sie schließlich die Brenn kammer in Richtung auf den Wärmetauscher verläßt. Durch die Zirkulationsströmung wird mehreres erreicht: Es findet eine bessere Luftverwirbelung und damit Vermischung kalter und warmer Luftströme statt, was die Verbrennung verbessert. Die gesamte Brennkammer wird in allen Bereichen gleichmäßig erwärmt. Durch den mehrfachen Durchgang der Verbrennungsgase durch die Flamme wird eine vollständige Verbrennung gewährleistet. Insgesamt ist es dadurch möglich, ohne die vollständige Verbrennung zu gefährden, die Flamm temperatur zu reduzieren. Hierdurch ergeben sich erhebliche Energieeinsparungen, bis zu 10%, wie Versuche ergeben haben. Zudem können für die verschiedenen Bauelemente der thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen preiswertere Materialien eingesetzt werden, da sie nicht so hohe Temperaturen ausgesetzt sind.

Besonders bevorzugt wird diejenige Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher im Abstand von der Auslaßöffnung des weiteren Flammrohres im radial äußeren Bereich der Brennkammer eine Umlenkeinrichtung vorgesehen ist, welche auf sie treffende Verbrennungsluft wieder entlang der Wandung des Brennkammergehäuses in Richtung auf den Ringspalt zwischen erstem Flammrohr und weiterem Flammrohr lenkt. Die Umlenkeinrichtung unterstützt also die oben erwähnte Zirkulationsströmung, da sie verhindert, daß der Großteil der Luft beim ersten Durchgang durch die Flamme die Brennkammer bereits verläßt.

Zweckmäßig ist ferner, wenn die Brenndüse ein mit Durch trittsöffnungen versehenes Düsengehäuse und einen Brenn stoffkanal aufweist, der in dem der Austrittsöffnung benach barten Bereich eine venturiartige Querschnittsprofilie rung besitzt. Mit dieser venturiartigen Querschnittspro filierung läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffes erhöhen und über die Durchtrittsöffnungen des Düsengehäuses Fremdgase ansaugen, so daß der Energie gehalt des Brennstoffes durch "Verdünnung" verringert wird. Folge ist eine Flamme mit geringerer Temperatur, die weniger Stickoxide erzeugt. Außerdem wird durch die Beschleunigung des Brennstoffes die erzeugte Flamme in radialer Richtung aufgeweitet. Dies erleichtert die Einleitung der durch das erste Flammrohr und gegebenen falls durch in diesem befindliche Luftverwirbelungs einrichtungen strömenden Luft in die Flamme.

Ein Ausführungsbeispiel in der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch den brennernahen Bereich einer thermischen Nachverbrennungsvorrichtung;

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie II-II von Fig. 1;

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab einen Axialschnitt durch die Brenndüse der thermischen Nachver brennungsvorrichtung der Fig. 1.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, umfaßt die dargestellte thermische Nachverbrennungsvorrichtung ein Außengehäuse 1, das von einem nur schematisch angedeuteten Isolier mantel 2 umgeben ist. Innerhalb des Außengehäuses 1 befindet sich eine Brennkammer 4, die von einem Brenn kammergehäuse 3 begrenzt ist. Durch eine Öffnung 5 im Isoliermantel 2, durch eine Öffnung 6 im Außengehäuse 1 und durch eine Öffnung 7 im Brennkammergehäuse 3 ist ein Brenner eingeführt, der insgesamt das Bezugszeichen 8 trägt und dessen Auslaßöffnung 9 in die Brennkammer 4 mündet.

Der Brenner 8 umfaßt ein zylindrisches Brennergehäuse 10 und ein erstes, zylindrisches Flammrohr 11, welches in die Öffnung 7 des Brennkammergehäuses 3 eingesetzt ist, sowie ein zweites, zu dem Brennergehäuse 10 und dem ersten Flammrohr 11 koaxiales zweites Flammrohr 12. Dieses ist gegenüber dem ersten Flammrohr 11 axial in Richtung auf das Innere der Brennkammer 4 versetzt und besitzt einen größeren Durchmesser als das erste Flammrohr 11, so daß in einem Überlappungsbereich der beiden Flammrohre 11, 12 ein sich koaxial zu den Flamm rohren 11, 12 erstreckender Ringspalt 13 entsteht.

In axialem Abstand von der Auslaßöffnung 9 des Brenners 8 ist an der inneren Mantelfläche des Brennkammergehäuses 3 eine Umlenkeinrichtung angebracht, die insgesamt das Bezugszeichen 14 trägt. Diese besteht aus einer Vielzahl von Schaufeln 15, die unter einem schrägen Winkel gegen die Achse des Brennkammergehäuses 3 angestellt sind und gegebenenfalls eine gewisse Torsion aufweisen. Ra dial innerhalb der Umlenkeinrichtung 14 verbleibt ein im wesentlichen frei durchströmbarer Raum 16, wie dies insbesondere der Fig. 2 zu entnehmen ist.

Am rechten, in der Zeichnung nicht mehr dargestellten Ende der Brennkammer 4 schließt sich in bekannter Weise ein Wärmetauscher an, der von dem in der Brennkammer 4 erzeugten Verbrennungsgas auf dem Wege zum Auslaß durchströmt wird. Ebenfalls nicht dargestellt ist der Einlaß für die zu behandelnde Abluft, der über den er wähnten Wärmetauscher mit dem Raum 17 kommuniziert, der zwischen dem Außengehäuse 1 und dem Brennkammerge häuse 3 liegt.

Das Brennergehäuse 10 trägt auf seiner Außenmantelfläche am inneren Ende zwei koaxiale Reihen von Luftverwirbe lungsschaufeln 18, 19, die über den gesamten Umfang hinweg in gleichmäßigen Winkelabständen unter einem Winkel zur Brennerachse angeordnet und zusätzlich tor diert sind, wie dies an und für sich bekannt ist.

Durch das Brennergehäuse 10 erstreckt sich koaxial eine Brennerdüse 20, die teilweise im Axialschnitt und in vergrößertem Maßstab in Fig. 3 herausgezeichnet ist. Das zylindrische und am innenliegenden Ende verschlossene Düsengehäuse 21 ist von einer Vielzahl von Durchtrittsöff nungen 22 durchsetzt, die sowohl in der Mantelfläche als auch in der Stirnfläche des Düsengehäuses 21 vorgesehen sind. Im Inneren des Düsengehäuses 21 ist ein Düseneinsatz 23 untergebracht und befestigt, der einen sich venturiartig in Richtung auf die Stirnfläche des Brennergehäuses 20 verjüngenden Brennstoffkanal 24 besitzt. Der Brennstoff kanal 24 kommuniziert mit einem Brennstoffeinlaß 25, der sich außerhalb des Isoliermantels 2 befindet.

Die oben beschriebene thermische Nachverbrennung arbeitet wie folgt:
Die zu behandelnde Abluft wird, wie oben schon angedeutet, über den in der Zeichnung nicht dargestellten Einlaß in den ebenfalls nicht dargestellten Wärmetauscher einge führt, wo sie sich erwärmt. Sie strömt sodann über den Raum 17 zwischen Außengehäuse 1 und Brennkammergehäuse 3 zu der ringförmigen Einlaßöffnung des ersten Flammrohres 11, die an ihrem radial innenliegenden Rand von dem Brennergehäuse 10 begrenzt wird. Von hier aus strömt die Luft axial durch das erste Flammrohr 11 hindurch und wird dabei von den Luftverwirbelungsschaufeln 18 und 19 in einen Drall versetzt. Bei ihrer weiteren, axialen Durchströmung des zweiten Flammrohres 12 gerät die Luft in den Bereich der von der Brenndüse 20 erzeug ten Flamme. Dabei werden die in der Abluft enthaltenen Verunreinigungen verbrannt und auf diese Weise unschäd lich gemacht.

Der von den Luftverwirbelungsschaufeln 18, 19 erzeugte Luftwirbel öffnet sich konisch mit zunehmender Entfernung von der Austrittsöffnung 9 und trifft mit seinem Hauptvo lumen auf die Umlenkeinrichtung 14 auf; nur ein bestimmter Teil der Verbrennungsluft durchströmt den freien Raum 16 und gelangt von dort über den Wärmetauscher, wo ihr Wärme entzogen wird, zum Auslaß der thermischen Nachverbrennungs vorrichtung.

Der größere Teil der Verbrennungsluft dagegen wird von der Umlenkeinrichtung 14 entlang der Wand des Brennkammergehäuses 3 in Fig. 1 nach links umgeleitet und gelangt in den Ringspalt 13 zwischen dem ersten Flammrohr 11 und dem zweiten Flammrohr 12. Sie wird durch diesen Ringspalt 13 hindurchgesaugt und gelangt auf diese Weise erneut in den Bereich der von der Brennerdüse 20 erzeugten Flamme, so daß eine erneute Verbrennung eventuell noch vorhandener, brennbarer Verunreinigungen stattfindet. Auf diese Weise entsteht innerhalb der Brennkammer 4 eine Zirkulationsströmung, die unter Umständen mehrfach über die Umlenkeinrichtung 14 und den Ringspalt 13 zwischen dem ersten Flammrohr 11 und dem zweiten Flammrohr 12 führt. Das Resultat ist insgesamt eine erheblich bessere Abluftreinigung, die zudem bei niedrigeren Temperaturen stattfinden kann, was mit erheblichen Energieeinsparun gen und zudem mit einer geringeren Erzeugung von Stick oxiden verbunden ist. Innerhalb der Brennkammer 4 ist die Temperaturverteilung weitestgehend homogen; insbe sondere werden auch die dem Brennkammergehäuse 3 benach barten Bereiche der Brennkammer 4 stärker erwärmt als dies bei bekannten thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen der Fall war.

Die über den Brennstoffkanal 24 der Brennerdüse 20 zu geführten Brennstoffe werden auf Grund der venturiarti gen Verjüngung des Brennstoffkanales 24 innerhalb der Brennerdüse 20 beschleunigt. Dies hat zur Folge, daß insbesondere an den Durchtrittsöffnungen 22 des Düsen gehäuses 21, welche der Austrittsöffnung des Brennstoff kanales 24 benachbart sind, Luft eingesaugt wird. Diese zusätzliche Luft führt zu einer Reduzierung der Energie dichte des Brennstoffes, so daß die Verbrennung mit niedrigerer Temperatur erfolgt. Die Beschleunigung des Brennstoffs mit Hilfe der venturiartigen Verjüngung im Brennstoffkanal 24 führt außerdem zu einer radialen Aufweitung der erzeugten Flamme. Auf diese Weise gelingt es besser, die die Luftverwirbelungsschaufeln 18, 19 durchsetzende Abluft in die Flamme zur Nachverbren nung der Verunreinigugen einzuleiten.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel einer thermischen Nachverbrennungsvorrichtung wurde als Brenn stoff Gas eingesetzt. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Gas-Brennerdüse 20 durch eine Ölzerstäuber düse zu ersetzen.

Claims

1. Thermische Nachverbrennungsvorrichtung zur Reinigung von Abluft mit

a) einem von einem Isoliermantel umgebenen Außengehäuse;
b) einer innerhalb des Außengehäuses angeordneten, von einem Brennkammergehäuse begrenzten Brennkammer;
c) einem mit einem Brennstoff beschickbaren Brenner, der eine Brennerdüse und ein erstes Flammrohr aufweist, welches die Brennerdüse umgibt und den Raum zwischen dem Außengehäuse und dem Brennkammergehäuse mit der Brennkammer verbindet,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Brenner (8) mindestens ein weiteres Flammrohr (12) aufweist, welches vollständig innerhalb der Brennkammer (4) angeordnet ist und das innerhalb der Brennkammer (4) liegende Ende des ersten Flammrohres (11) mit einem größeren Radius derart umgibt, daß zwischen dem ersten Flammrohr (11) und dem zweiten Flammrohr (12) ein Ringspalt (13) gebildet ist.

2. Thermische Nachverbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abstand von der Auslaßöffnung (9) des weiteren Flammrohres (12) im radial äußeren Bereich der Brennkammer (4) eine Umlenkeinrichtung (14) vorgesehen ist, welche auf sie treffende Verbrennungs luft wieder entlang der Wandung des Brennkammergehäuses (3) in Richtung auf den Spalt (13) zwischen erstem Flamm rohr (11) und weiteren Flammrohr (12) leitet.

3. Thermische Nachverbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerdüse (20) ein mit Durchtrittsöffnungen (22) versehenes Düsen gehäuse (21) und einen Brennstoffkanal (24) aufweist, der im der Austrittsöffnung benachbarten Bereich eine venturiartige Querschnittsprofilierung besitzt.