-
-
Vorrichtung zur Erwärmung von Luft, insbe-
-
sondere zum Reinigen von brennbare Schadstoffe enthaltender Abluft
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erwärmen von Luft, insbesondere
zum Reinigen von brennbare Schadstoffe enthaltender Abluft, bestehend aus einem
Brenner mit mehreren, mit Verbrennungsluft und Gas gespeisten Düsen und einem koaxial
um den Brenner herum angeordneten Ringkanal für die zu erwärmende Luft.
-
Aus Gründen des Umweltschutzes wird von den überwachungsbehörden gefordert,
daß in Produktionsprozessen anfallende, Schadstoffe enthaltende Abluft nicht ungereinigt
in die Atmosphäre geleitet werden darf. Diese Forderung wird mit Vorrichtungen zum
thermischen Nachverbrennen mehr oder weniger gut erfüllt. Um die Abluft ausreichend
zu reinigen, ist es erforderlich, daß über den gesamten Strömungsquerschnitt der
Vorrichtung die Reaktionstemperatur der Schadstoffe erreicht wird. Da es erfahrungsgemäß
schwierig ist, im gesamten Querschnitt die gleiche Temperatur zu erhalten, kann
ein Unterschreiten der Reaktionstemperatur an der einen oder anderen Stelle nur
unter Inkaufnahme einer höheren Temperatur an anderen
Stellen vermieden
werden. Das bedeutet eine örtlich höhere Wärmebelastung. Eine weitere Schwierigkeit
bei der Reinigung der Abluft durch Nachverbrennen der Schadstoffe ergibt sich daraus,
daß das Volumen der nachzuverbrennenden Abluft und der Anteil der Schadstoffe in
der Abluft stark schwankt, wodurch ein sehr großer Regelbereich des Brenners nötig
wird. Flächenbrenner, die ohne oder nur mit geringer Vormischung der Verbrennungsluft
arbeiten, erreichen den erforderlichen Regelbereich nicht und es ist nicht möglich,
die Abluft befriedigend zu reinigen, weil die Abluftbeimischung bei kleiner Flamme
und hohem Schadstoffgehalt schlecht ist. Dies gilt selbst im Prinzip dann noch,
wenn durch besondere konstruktive Gestaltungen des Brenners die -Ab luft in Kaskaden
zugeführt wird (DE-OS 2 344 220).
-
Der Trend der Entwicklung geht aus diesen Gründen zu einer Vorrichtung
mit einem zentralen Brenner mit stabiler Flamme im großen Regelbereich und Zuführung
der Abluft über einen Ringkanal. Aber auch bei diesen Vorrichtungen erfolgt die
Beimischung unvollständig, so daß sich trotz eines verhältnismäßig langen Brennraumes
eine unterschiedliche Temperaturverteilung einstellt. Bei all diesen Vorrichtungen
wird für die Verbrennung die Mitte bevorzugt.
-
Prallplatten in der Mitte, mit denen eine Vergleichmäßigung angestrebt
wird, unterliegen einer hohen Temperaturbelastung, wodurch die Standzeit derartiger
Vorrichtungen verhältnismäßig kurz ist.
-
Unter Berücksichtigung dieser Erfahrungen mit Vorrichtungen zum Reinigen
von brennbare Schadstoffe enthaltender Abluft liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung zu schaffen, bei der über den gesamten Querschnitt bei kleiner
axialer Baulänge eine gleichmäßige Temperaturverteilung gewährleistet ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennerdüsen'sternförmig
mit jeweils radialer Flammenrichtung angeordnet sind und in dem Ringkanal zur Abschirmung
der radialen Flammen vor der strömenden Luft radiale Speichen angeordnet sind, die
stromab offene Brennkammern für die radialen Flammen bilden.
-
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt aufgrund der Anordnung
der Brennerdüsen die Zündung im Zentrum, die Verbrennung im übrigen Querschnitt.
Die im Zentrum einen die Stabilität der Flammen begünstigenden Flamxmring bildenden
Flammen lösen sich aus diesem Ring und können sich ungestört von den Abluftströmen
im Strömungsschatten der Brennkammer bildenden Speichen in radialer Richtung voll
entfalten. Diese radiale Flammenführung im Windschatten der Speichen ermöglicht
auf kurzem Weg eine intensive Beimischung der nachzuverbrennenden Abluft. Durch
die an den Rändern der Speichen quer zur Richtung der Flammengase vorbeistreichenden
Abluftströme werden die sich in den Brennkammern entwickelnden Rauchgase mitgerissen.
Da diese Vermischung über den gesamten Radius in gleicher Weise erfolgt, ist eine
gleichmäßige Temperaturverteilung bei der Nachverbrennung gewährleistet.
-
Mit weiteren Maßnahmen kann die intensive Beimischung der Abluft auf
kurzem Weg noch verbessert werden. So ist nach einer ersten Ausgestaltung vorgesehen,
daß in den zwischen den Brennkammern liegenden Kanälen für die Luft in radialer
Richtung sich erstreckende Strömungsteiler angeordnet sind, mit denen die Luftströme
seitlich in die vor den benachbarten Brennkammern liegenden Bereiche abgelenkt werden.
Die sich stromab vor einer Brennkammer treffenden Luftströme bewirken einen Rückstau,
der die Rauchgase seitlich ablenkt und zwingt, die Abluftströme zu kreuzen.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können am Ausgang
eines jeden Kanals im Weg der Luftströme mehrere, zu den radialen Strömungsteilern
querverlaufende Strömungsteiler sprossenartig angeordnet sein, die die seitlich
abgelenkten Luftströme in flache Luftstrahlen auffächern. Besonders günstig wirkt
sich diese Auffächerung aus, wenn die Strömungsteiler aus V- oder U-förmigen Profilen
bestehen, deren offene Seiten stromab liegen.
-
Diese Strömungsteiler bilden in Strömungsrichtung der Rauchgase sich
erstreckende Strömungsschatten, die das Eindringen der Rauchgase zwischen diesen
aufgefächerten flachen Luftstrahlen erleichtern.
-
Zur Bildung eines die Flammenstabilität begünstigenden zentralen Flammenringes
können die Brennerdüsen in einem innerhalb des Ringkanals für die Luft konzentrisch
angeordneten, stromauf erschlossenen, stromab und zu den Brennkammern aber offenen
Ringkanal liegen.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert.
-
Im einzelnen zeigen Fig. 1 eine Vorrichtung zum Nachverbrennen von
Abluft in Strömungsrichtung gesehen, im oberen Bereich in Ansicht und im unteren
Bereich im Schnitt nach der Linie I - K der Fig. 4, Fig. 2 die Vorrichtung gemäß
Fig. 1 in einem abgewickelten Zylinderschnitt nach der Linie A , B und C der Fig.
1,
Fig. 3 einen Ausschnitt der Vorrichtung im Schnitt nach der Linie
D - E der Fig. 2 in vergrößerter Darstellung und Fig. 4 die Vorrichtung gemäß Fig.
1 im Axialschnitt nach der Linie G - H der Fig. 1.
-
Die Vorrichtung zum Nachverbrennen sitzt in einem kreisförmigen Ausschnitt
1 mit einem Wulst 9 einer feuerfesten Ausmauerung.
-
Das Brenngas wird über ein zentrales Gas rohr 2 und davon abzweigenden
Gasdüsenrohren 11 Brennertöpfen 10 zugeführt.
-
Die Brennertöpfe 10 mit den Gasdüsenrohren 11 sind in zwei hintereinander
angeordnete Sätze aufgeteilt und sternförmig angeordnet. Konzentrisch zum Gasrohr
2 verläuft ein im Querschnitt sechseckiges Luftzuführungsrohr 3, in dem die Brennertöpfe
10 sitzen. Das Gasrohr 2 und das Luftzuführungsrohr 3 sind stirnseitig abgeschlossen.
Die Brennertöpfe sind derart ausgebildet, daß über sie die Luft aus dem Luftzuführungsrohr
3 zugeführt und mit dem über die Gasdüsenrohre zugeführten Gas vermischt wird.
-
Die einen Doppelkranz bildenden Brennertöpfe 10 lassen nach Zündung
die Flamme von einem Brennertopf zum anderen Brennertopf überspringen, so daß sich
ein Flammenkranz bildet. Aus diesem Flarrrtanzlösen sich den einzelnen Gasdüsen
zugeordnete, in radialer Richtung brennende Flammen. Zur Abschirmung des Flammenkranzes
liegt die Mündung der Brennertöpfe 10 in einem stromauf verschlossenen Ringraum,
der von einem konzentrisch das Luftzuführungsrohr 3 umgebenden Ring 4 und der Wandung
des Luftzuführungsrohres 3 gebildet wird. Stromauf ist der Ringraum offen. Ebenso
ist in radialer Richtung vor den Brennertöpfen 10 der Ring durchbrochen, damit die
Flammen sich in radialer Richtung ausbreiten können.
-
Die soweit beschriebenen Brennerteile sind konzentrisch von den der
Beimischung der Abluft dienenden Teilen umgeben. Ein in der kreisförmigen Ausnehmung
1 und dem Wulst 9 sitzender Mantel bildet mit dem Ring 4 einen Ringkanal, dem die
zu reinigende Abluft zugeführt wird.
-
In diesem Ringkanal zwischen den Ring 4 und dem äußeren Mantel 6 sind
radiale Speichen 5 eingesetzt, die von einem Hohlprofil gebildet werden, das mit
seiner stromauf gelegenen, dachförmigen Rückwand und Seitenwänden für jeweils ein
Paar Brennertöpfe 10 eine Brennkammer bildet, in der sich die Flammen, abgeschirmt
von den Abluftströmen, ungestört in radialer Richtung ausbreiten können. Die Abluftkanäle,
die sich zwischen den einzelnen Speichen 5 befinden, weisen am Ausgang Strömungsteiler
auf. Ein erster, sich radial erstreckender Strömungsteiler 14 mit V-förmigem Querschnitt
teilt den Abluftstrom 12 durch jeden Kanal in zwei Teilströme 15 auf. Die Teilströme
15 von benachbarten Kanälen werden somit aufeinander zu gelenkt und führen zu einem
Stau vor der offenen Brennkammer. Dieser Stau bewirkt, daß die Rauchgasströme 16
nach außen abgelenkt werden und die Abluftströme 15 kreuzen. Die Kreuzung dieser
Ströme als Freistrahlen bewirkt bereits.eine intensive Mischung der Rauchgase und
der Abluft über die gesamte radiale Breite. Zur weiteren Verbesserung der Vermischung
sind zwischen den Rändern der Brennkammern 5 und den Strömungsteilern 14 sprossenartig
angeordnete Strömungsteiler 13 in Form von U-Profilen angeordnet, die eine fächerartige
Aufteilung der Abluftströme 15 bewirken und zur Bildung von Strömungsschatten führen,
in die die Rauchgasströme 16 leicht eindringen können. In Fig. 3 ist schematisch
dargestellt, wie sich im Bereich der stromab offene Hohlkehlen aufweisende, sprossenartig
angeordneten Strömungsteiler 13 die Strömungsschatten mit den Kernstrahlen der Abluft
15 abwechseln. In den
schraffierten Bereichen findet die Vermischung
der Kernstrahlen der Abluftströme 15 mit den quer dazu in die Räume der Strömungsschatten
einströmenden Rauchgasströme statt.
-
Die Bildung von Strömungsschatten für die Ausbreitung der Flammen
in radialer Richtung, die Bildung von Strömungsschatten für die Abluft und die kreuzweise
Führung der einzelnen Ströme führt zu einer sehr intensiven Mischung auf kurzem
Weg, so daß die Baulänge der Vorrichtung entsprechend kurz gehalten werdenkannDie
Mischung der Abluft mit den Rauchgasen ist derart intensiv, daß die Ausbrandzeit
auf einen bisher nicht erreichten Wert gesenkt werden kann. Wegen der intensiven
Vermischung und der besonderen Art der Strömungsrichtung der Flammen und der Rauchgase
ist die Temperatur über den gesamten Querschnitt vergleichmäßigt, so daß es zu keiner
örtlich, unerwünscht hohen Wärmebelastung kommt. Die Wärmebelastung der einzelnen
Teile wird auch dadurch klein gehalten, daß wärmebelastete Bauteile mindestens einseitig
von der kühleren Abluft überstrichen oder umspült werden. Da das äußere Mantelrohr
6 nicht von diesen kühlenden Luftströmen umspült oder überstrichen wird, ist zur
Vermeidung einer Wärmeüberbelastung vorgesehen, das Mantelrohr 6 im Bereich der
Brennkammer auszusparen, so daß die radialen Flammen allenfalls die feuerfeste Ausmauerung
beaufschlagen, die gegen Wärmeüberbelastung unempfindlicher als andere Teile des
Brenners ist.
-
Um die Montage und die Inspektion zu erleichtern, kann die Vorrichtung
in zwei Baueinheiten derart aufgeteilt sein, daß der zentrale Brennerteil mit dem
Luftzuführungsrohr 3 lose im Ring 4 geführt wird. Das Luftzuführungsrohr 3 hat einen
Kragen mit der Spitze 18, damit die Zündung im Ringkanal und Flammenhalter zwischen
Luftzuführungsrohr 3 und Ring 4 frei von störenden Strömungen stattfinden kann.