DE2450205B2

DE2450205B2 - Vorrichtung zum geraeuscharmen und russfreien verbrennen von prozessgasen

Info

Publication number: DE2450205B2
Application number: DE19742450205
Authority: DE
Inventors: Gerd 6700 Ludwigshafen; Hess Klaus Dr. 6702 Bad Duerkheim; Becker Rolf Dipl.-Ing. Dr. 6946 Luetzelsachsen; Liebhaber Klaus 6710 Frankenthal Hemmer
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1974-10-23
Filing date: 1974-10-23
Publication date: 1976-12-09
Also published as: NL176099C; BE834782A; FR2288941B1; JPS5165435A; US4019852A; DE2450205A1; JPS5830486B2; NL7511021A; GB1525107A; NL176099B; FR2288941A1

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbrennung von Prozeßgasen, insbesondere kohlenwasserstoffhaltigen Abgasen, bestehend aus einem Gaszuführungsrohr und am Ende des Gaszuführungsrohres angeordneter Ringleitung zur Speisung von auf dem Umfang verteilter Injektoren, die ein Treibmittel zur Lufteinbringung in das Abgas nach Austritt aus dem Gaszuführungsrohr ausstoßen.

In Raffinerien und petrochemischen Anlagen fallen beim Anfahren und Abstellen der Anlagen, insbesondere bei Notabstellungen Abgase an, die wegen ihrer Zusammensetzungen nicht weiter verarbeitei werden können. Diese Abgase werden in den meisten Fällen in Fackeln verbrannt.

Fast alle kohlenwasserstoffhaltigen Abgase verbren- ho nen aber in der Atmosphäre unter Rußbildung. Die Ursache hierfür sind die im Flammenkern unter Sauerstoffmangel und bei hohen Temperaturen stattfindenden Crack- und Polymerisationsreaktionen. Durch Zumischen von Luftsauerstoff vor der Reaktion kann <>s die Rußbildung unterbunden werden, da die Reaktionsgeschwindigkeit der Oxydation wesentlich größer als die der rußbildenden Zwischenreaktion ist.

Es ist bereits bekannt, daß der benötigte Luftsauerstoff entweder vor der Verbrennung durch das Abgas selbst angesaugt werden kann oder durch Injektoren, meistens mit Dampf als Treibmittel, dem Abgas zugeführt werden muß. Die bei den bekannten Vorrichtungen verwendeten Injektoren sind entweder Injektoren mit zentrischem Treibmittelstrahl oder Ringspaltinjektoren mit radialem oder axialem Treibmittelaustritt.

Der zuerst genannte Fackeltyp, bei dem sich die Abgase die Verbrennungsluft vor der Verbrennung selbst ansaugen, kann nur bei Gasen mit genügend hohem Vordruck angewandt werden.

Hierbei kann einem Gaszuführungsrohr, aus dem das Gas mit genügend hohem Austrittsimpuls ausströmt, ein Venturimischrohr nachgeschaltet werden, in dem das Gas und die angesaugte Luft gemischt werden und dessen Austritt als Brenner mit Flammenhalterost ausgebildet ist, vgl. Chem. Techn., 18 (1966), S. 266-272.

Eine ähnliche Konsiruktion, die anstelle des zentralen Gasaustritts eine Ringspaltdüse benutzt, ist in der DT-AS 2! 43 520 beschrieben. Sie besitzt ein zylindrisches Mischrohr mit einer Flammenrückschlagsicherung am Mischrohraustritt.

Bei einer anderen Bauweise wird auf das Mischrohr verzichtet, da die Flamme bei zu geringer Beaufschlagung in dieses zurückschlagen kann. Das Gas tritt durch einen Ringspalt, dessen Fläche druckgesteuert ist, in horizontaler Richtung aus und umläuft als Wandstrahl einen konvexen Körper bis die Strömung in die vertikale Richtung umgelenkt ist. Der Wandstrahl saugt längs des Weges Verbrennungsluft an. In der Hälfte des K pers stabilisiert sich die Flamme, vgl. Petroleum and Petrochemical International, 13 (1973), S. 86 - 90.

Um lange Flammen zu vermeiden, kann eine Vielzahl kleiner selbstansaugender Fackeln in einer Ebene angeordnet werden. Eine 6eckige Brennfläche mit 270 Einzelbrennerr, die als Ringspaltejektoren arbeiten, ist in der DT-OS 23 27 017 dargestellt.

Der andere Fackeltyp, bei dem durch Injektoren mit einem Treibmedium die Verbrennungsluft in das Abgas eingebracht wird, muß bei Abgasen mit geringem Überdruck und daher mit geringem Austrittsimpuls angewandt werden. Die Verbrennungsluft kann hierbei entweder durch Impulserhöhung durch Dampfdüsen im Gasstrahl oder durch Injektoren mit Dampf oder Druckluft als Treibmittel am Fackelrohraustritt eingebracht werden.

Eine kombinierte Anordnung, in der mischrohrlose Injektoren ringförmig, schräg nach oben gerichtet um das Fackelrohr angeordnet sind und auf der Fackelachse sich zusätzlich ein Dampfinjektor mit Luftzuführungsrohr befindet, wird in der DT-AS 11 44 869 beschrieben.

Eine ähnliche Anordnung mit mischrohrlosen Injektoren ringförmig um das Fackelrohr, aber mit mehreren Injektoren mit Mischrohr innerhalb des Fackelrohres zeigt die Veröffentlichung Chem. Techn., 18 (1966), S. 266-272.

Eine sog. Bunsen-Fackel mit Dampf als Treibmittel wird in der DT-OS 17 51 134 beschrieben. Hierbei wird nicht nur Luft von dem Dampf in einem Mischrohr angesaugt, sondern auch gleichzeitig das Fackelgas mit vermischt. Durch die homogene Vermischung neigt dieser Fackeltyp weniger zum Rußen. Die Flamme kann aber in das Mischrohr zurückschlagen.

Eine Anordnung, bei der eine Vielzahl von Mischrohrinjektoren in einem konisch erweiterten Fackelkopf eingebaut sind, wird in der Zeitschrift »Chemiral

Engineering Progress, 69 (1973), S. 60-64«, beschrieben. Die verwendeten Injektoren sind Ringspaltinjektoren, die durch ihr günstiges Verhältnis Umfang der Austrittsfläche zu Austrittsfläche in der Geräuschentwicklung niedrig liegen.

Mit den beiden erwähnten Fackeltypen können Abgase unterschiedlicher Zusammensetzung ohne Rußbildung verbrannt werden. Bei dem Fackeltyp mit Dampfinjektoren werden je nach Injektorkrnstruktion und Luftbedarf der Gase 0,5 bis 1,5 kg Dampf pro kg Abgas benötigt, um die Verbrennungsluft zur Entrußung dem Abgas zuzumischen.

Aus den unterschiedlichen Dampfmengen, die zur rußfreien Verbrennung benötigt werden, zeigt es sich, daß die Injektoren und deren Anordnung zum Lufteintrag noch nicht optimal ausgelegt sind. Der Betrieb der bekannten Fackeln ist daher mit erheblichen laufenden Kosten verbunden. Zusätzlich führt der hohe Dampfverbrauch zu zwei Lärmquellen:

1. Die überkritische Entspannung des Dampfes an den Injektoren.

2. Die instabile Flammenbasis, die durch die Dampfund Luftzufuhr und die damit anwachsende Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch die scharfe Trennung zwischen Luftansaugung und Verbrennung sowie durch die Injektorkonstruktion, die Luftansaugung zu verbessern und damit den hohen Dampfverbrauch der bekannten Fackeln zu vermindern, durch eine stabile Verbrennung und durch geringe Austrittsquerschnitte der Injektoren die Geräuschentwicklung zu vermindern sowie durch eine gute Vermischung die Lichtemission herabzusetzen.

Weiterhin soll durch eine kombinierte Misch- und Brennkammer, die von den Injektorstäben gebildet wird, im Gegensatz zu den üblichen vorgemischt betriebenen Fackeln das Zurückschlagen der Flamme in das Mischrohr vermieden und damit der Arbeitsbereich und die Lebensdauer der Fackeln (thermische Belastung) vergrößert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung von Injektorstäben, bei denen das Treibmittel durch Öffnungen auf der der von den Injektoren gebildeten Mischkammer abgewandten Seite austritt, wobei das Treibmittel durch vor den Öffnungen angeordnete Flacheisen, die mittels Distanzstücken zusammen mit den Injektorstabwänden Austrittsschlitze bilden, um 90° <} umgelenkt wird und in zwei Teilströme aufgeteilt wird, und die beiden Teilströme bei Anlegen an die Injektorstabwände eine weitere Umlenkung um 90° <t erfahren.

Als Treibmedium für die Luftansaugung werden Dampf, Luft oder andere gasförmige Medien benutzt.

Weiter empfiehlt es sich, daß die kreisförmig angeordneten Injektorstäbe in einem Winkel zwischen 10° 4 und 20° < bezogen auf die Fackelachse nach außen geneigt sind und daß die Strahlvektoren der Injektorstäbe im gleichen Drehsinn einen Kreis um die Fackelachse tangieren oder sich auf der Fackelachse treffen. (>o

Die von den Injektorstäben gebildete Mischkammer sowie das Fackelrohr ist vorteilhaft von einein konzentrischen Rohr umgeben, so daß mit Klappen die angesaugte Luftmenge geregelt werden kann.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind: (><,

1. Stabile und somit geräuscharme Verbrennung, da der Austrittsquerschnitt der Mischkammer den Stabilitätsbedingungen angepaßt werden kann.

2. Rußfreie bis entleuchtete Verbrennung, da durch die scharfe Trennung de·· Injektorstäbe zwischen Luftansaugung und Vermischen mit dem Abgas auch bei starkem Windeinfluß die Luftansaugung nicht durch die Verbrennungsgase beeinträchtigt wird.

3. Geringes überkritisches Entspannungsgeräusch der Treibstrahlen, da das Verhältnis Umfang der Austrittsfläche zu Austrittsfläche der Treibstrahlen groß ist

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Fackelbrenner,

Fig. 2 den Grundriß eines 90°<t Segmentes des Fackelbrenners mit der Anordnung der Injektorstäbe und

Fig.3 den Aufbau und die Wirkungsweise eines Injektorstabes,

F i g. 4 zeigt eine Zusatzvorrichtung zur Luffegelung.

Der erfindungsgemäße Brenner besteht aus einem Fackelrohr 1, das in einen kombinierten Misch- und Brennraum 2 mündet. Der Misch- und Brennraum 2 wird durch Injektorstäbe 3 gebildet, die den Austritt des Fackelrohrs 1 kreisförmig, nach oben konisch erweitert, umgeben. Die Injektorstäbe 3 sind auf einem Ringrohr 4 montiert, welches über eine Leitung 5 mit Dampf versorgt wird. Jeweils zwei Injektorstäbe bilden dabei einen linearen Injektor, wobei diese Linearinjektoren bei Austritt von Brenngasen auch als Brenner oder Brennelemente betrieben werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft wie folgt ab: Der Dampf oder ein anderes Treibmedium strömt an den Injektorstäben 3 durch Schlitze 6 und wird durch ein Flacheisen 7, das mittels Distanzstücken 9 zusammen mit dem Injektorstab 3 die Austrittsschlitze 8 bildet, 90° <t umgelenkt und in zwei Teilströme aufgeteilt (F i g. 3). Die beiden Teilströme treten durch die Auslrittsschlitze 8 aus. Die sich bildenden Dampfstrahlen legen sich an die Injektorstabwände 10 an (Wandstrahl) und werden hierdurch wiederum 90° <t umgelenkt. Gleichzeitig saugen die Strahlen längs des Weges im ersten Quadranten Verbrennungsluft an. Im zweiten Quadranten, der dem Misch- und Brennraum 2 zugewandt ist, wird der Impuls des Dampf-Luft-Strahls dazu benutzt, das Brenngas aus dem Fackelrohr 1 mit dem Dampf und der Luft zu vermischen. Die Strahlrichtung der einzelnen Injektorstäbe kann seitlich neben der Achse der Misch- und Brennkammer 2 vorbeigehen, so daß eine Drallströmung entsteht, wodurch nach dem Austritt der Abgase aus der Fackel eine bessere Vermischung dieser Abgase mit der angesaugten Umgebungsluft erzielt wird. Andererseits können sich die Strahlvektoren der Injektorstäbe auch auf der Fackelachse treffen, so daß durch den sich bildenden aerodynamischen Verdrängungskörper auf der Fackelachse das Abgas zum Fackelrand geleitet wird, wodurch eine bessere Stabilisierung der Flamme erreicht wird.

Die von den Injektorstäben 3 gebildete Mischkammer 2 sowie das Fackelrohr 1 ist von einem konzentrischen Rohr 11 umgeben, mit dessen Hilfe über Klappen 12 die angesaugte Luftmenge geregelt werden kann.

Die Verbrennung setzt je nach Lastbereich in der Rückströmzone hinter den Injektorstäben ein, da hier niedrige Axialgeschwindigkeiten vorliegen oder erst am Mischkammeraustritt. Gezündet werden diese Stabilisierungszonen durch beliebige bekannte Zündquellen.

5 ^J 6

Abmessungen und Betriebsdaten des erfindungsgemäßen Brenners sind anhand zweier Beispiele in di Tabelle zusammengefaßt.

Beispiel

1 2

Gasmenge 1000 mVh 15 00OmVh

Gasart Propylen, Butan Spaltgas

Durchmesser des Fackelrohres (1) NW 150 NW 700

Durchmesser des Ringrohres (4) 108x4 mm 168 χ 4,5 mm

Ringrohrdurchmesser (4) 277 mm 880 mm

Teilkreis für I-Stäbe unten 323 mm 880 mm

Teilkreis für I-Stäbe oben 460 mm 1150 mm

Rohrdurchmesser I-Stäbe (3) 52 χ 7 mm 108 χ 4 mm

Länge der I-Stäbe (3) 270 mm 520 mm

Anzahl der Schlitze/1-Stab (6) 3 6

Breite der Schlitze (6) 6 mm 6 mm

Länge der Schlitze (6) 60 mm 60 mm

Breite der Austrittsschlitze (8) 0,26 0,35-0,40

Austrittsfläche 1030 mm² 3224 mm²

Teilung der I-Stäbe unten 92,5 mm 173 mm

Teilung der I-Stäbe oben ' 131,5 mm 226 mm

Lichte Durchtrittsbreite unten 40,5 mm 66 mm

Lichte Durchtrittsbreite oben 79,5 mm 119 mm

Druckbereich 0,2—3 bar 0,2—3,5 bar

Betriebsdruck bei Nennlast 1,5 bar 3,0 bar

Dampf menge bei Nennlast 1 —1,3 t/h 8 t/h

Luftsnsaugung 8—10 kg/kg 8—10 kg/kg

Dampf Dampf Lärmpegel bei Nennlast in 10 m Entfernung

1. ohne Flamme 81 dBA 97 dBA

2. mit Flamme 86 dBA —

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

f569

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verbrennung von Prozeßgasen, insbesondere kohlenwasserstoffhaltigen Abgasen, bestehend aus einem Gaszuführungsrohr und am Ende des Gaszuführungsrohres angeordneter Ringleitung zur Speisung von auf dem Umfang verteilter Injektoren, die ein Treibmittel zur Lufteinbringung in das Abgas nach Austritt aus dem Gaszuführungsrohr ausstoßen, gekennzeichnet durch die Anordnung von Injektorstäben (3), bei denen das Treibmittel durch Öffnungen (6) auf der der von den Injektoren gebildeten Mischkammer abgewandten Seite austritt, wobei das Treibmittel durch vor den öffnungen (6) angeordnete Flacheisen (7), die mittels Distanzstücken (9) zusammen mit den Injektorstabwänden (10) Austritlsschlilze (8) bilden, um 90° -4 umgelenkt wird und in zwei Teilströme aufgeteilt wird, und die beiden Teilströme bei Anlegen an die fnjektorstabwände (10) eine weitere Umlenkung um 90^ο<ί erfahren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmedium für die Luftansaugung Dampf, Luft oder andere gasförmige Medien 1$ benutzt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmig angeordneten Injektorstäbe in einem Winkel zwischen 10° <t und 20° <f bezogen auf die Fackelachse nach außen geneigt sind und daß die Strahlvektoren der Injektorstäbe im gleichen Drehsinn einen Kreis um die Fackelachse tangieren oder sich auf der Fackelachse treffen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Injektorstäben (3) gebildete Mischkammer (2) sowie das Fackelrohr (1) von einem konzentrischen Rohr (11) umgeben ist, so daß mit Klappen (12) die angesaugte Luftmenge geregelt werden kann.