Vorrichtung und Verfahren zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile in einem zu reinigenden Trägergas

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile in einem zu reinigenden Trägergas, umfassend einen Gaseinlaß, einen Bren¬ ner mit sich anschließendem Flammrohr, das in einen Boden- und Seitenwandungen umfassenden Hauptbrennraum mündet, einen vorzugsweise an der der Bodenwandung gegenüberliegenden Seite des Hauptbrennraumes gelegenen Brennkammeraustritt, einen Wärmetauscher sowie einen Gasauslaß.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile in einem zu reinigenden Trägergas in einer Vorrichtung umfassend einen vom Flammrohr ausgehenden, durch Boden- und Seitenwandungen begrenzten Haupt¬ brennraum, in dem gereinigtes Gas von der Bodenwandung in Richtung eines koaxial radial oder tangential zum Flammrohr angeordneten Brennkammeraustritts umgelenkt wird.

Eine Vorrichtung der zuvor beschriebenen Art ist z. B. der EP 0 235 277 Bl zu entneh¬ men. Bei dieser Vorrichtung mündet das als Hochgeschwindigkeitsmischraum bezeich¬ nete Flammrohr in dem Hauptbrennraum, dessen Querschnitt größer ist als der freie Strö¬ mungsquerschnitt im Hochgeschwindigkeitsmischraum. Der Hauptbrennraum erstreckt sich außenseitig entlang des Hochgeschwindigkeitsmischraumes, der als Rohr ausgebildet ist, um in einen koaxial zum Hochgeschwindigkeitsmischraum verlaufenden ringförmigen Kanal überzugehen, der seinerseits in einen gleichfalls um den Hochgeschwindigkeits-

mischraum und teilweise um den ringförmigen Kanal herum angeordneten weiteren kanalartigen Ringraum übergeht, in dem ein Wärmetauscher angeordnet ist, dessen Rohre an ihren kälteren Enden nach außen abgebogen sind.

In anderen bekannten Anlagen erstreckt sich der Hauptbrennraum, dessen Strö¬ mungsquerschnitt ebenfalls größer ist als der des Hochgeschwindigkeitsmischraumes, vollständig entlang des Hochgeschwindigkeitsmischraumes und mündet dann vorzugs¬ weise radial in einem Wärmetauscher, der vorzugsweise in einem Ringkanal angeordnet ist.

Anlagen, bei denen der Wärmetauscher in einem separaten Gehäuse untergebracht ist, sind ebenfalls bekannt.

Bei all diesen vorbekannten Verbrennungsanlagen verläßt das Gas den Hochgeschwindig¬ keitsmischraum in Form eines Freistrahles. Dieser Strahl trifft auf die Bodenwandung des Hauptbrennraumes und wird dort entsprechend der Strömungsgeometrie einer Stau¬ plattenströmung rotationssymmetrisch verteilt. Hohe Fliehkräfte bewirken, daß das Gas sowohl entlang der Bodenwandung als auch nach einer weiteren Umlenkung wie ein Ringstrahl axial entlang der Innenfläche der Seitenwandung der Brennkammer strömt. Dabei nimmt die Querschnittsfläche dieses Ringstrahles entlang der Seitenwandung des Hauptbrennraumes bis zum Brennkammeraustritt nur geringfügig zu, so daß sich zwischen dem Ringstrahl und der äußeren Wandung des Hochgeschwindigkeitsmisch- raumes ein stationäres Wirbelgebiet bildet. Dadurch erfolgt eine nicht optimale Ausnutzung des Hauptbrennraumes, weil infolge der Wirbelbildung eine sehr breite Verweilzeitverteilung des Gases gegeben ist, so daß die Mindestverweilzeit des Gases im Hauptbrennraum wesentlich geringer ist als die theoretische Verweilzeit, die berechnet wird als Quotient des Volumens des Hauptbrennraumes und dem Gasdurchfluß darin.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Ver¬ fahren der zuvor beschriebenen Art so weiterzubilden, daß das Volumen des Haupt¬ brennraumes optimal zur Verbrennung der oxidierbaren Bestandteile im Trägergas genutzt wird.

Vorrichtungsmäßig wird diese Aufgabe im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Hauptbrennraum derart ausgebildet ist und/oder zumindest ein Leitelement derart aufweist, daß das von der Bodenwandung in Richtung des Brennkammeraustritts strömende Gas über den Querschnitt des Hauptbrennraumes betrachtet gleichmäßig verteilt ist.

Dabei kann das Leitelement ein Leitblech, ein Lochblech und/oder ein Leitring oder ähnliche Strömungsverteilende Vorrichtung wie z.B. Reflektorkonen, kegelförmige Prallbleche und Leitschaufeln sein. Vorzugsweise sind zumindest zwei Leitelemente in dem Hauptbrennraum angeordnet.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Leitelement symmetrisch zu einer Ebene ausgebildet ist, in der die Längsachse des Hauptbrennraumes verläuft. Insbesondere kann das Leitelement rotationssymmetrisch zur Längsachse ausgebildet sein.

Auch kann das Leitelement eine Blende wie Widerstandsgitter sein.

Das bzw. die Leitelemente werden vorzugsweise zwischen Austrittsöffnung des Flamm¬ rohrs und der Bodenwandung des Hauptbrennraumes angeordnet. Die Leitelemente können auch koaxial um das Flammrohr angeordnet sein oder es können Leitelemente sowohl zwischen Austrittsöffnung des Flammrohres und Bodenwandung und koaxial zum Flammrohr angeordnet sein.

Durch die erfindungsgemäße Lehre erfolgt eine Verteilxmg der Strömung des Gasgemisches im gesamten Hauptbrennraum. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt sich insbesondere der Vorteil, daß eine deutliche Erniedrigung der Hauptbrenn¬ raumtemperatur bzw. eine Verringerung des Hauptbrennraumvolumens bei gleich¬ bleibender Restkonzentration oxidierbarer Bestandteile im gereinigten Trägergas oder eine verringerte Restkonzentration bei gleichbleibender Hauptbrennraumtemperatur und gleichbleibendem Hauptbrennraumvolumen erreicht werden kann.

Verfahrensmäßig zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, daß das insbesondere von der Bodenwandung in Richtung Brennkammeraustritt umgelenkte, teilweise gereinigte Gas derart geführt wird, daß das Gas über den Querschnitt zumindest eines Abschnittes des Hauptbrennraumes gleichmäßig verteilt strömt. Dabei kann insbesondere das umgelenkte Gas im wesentlichen verwirbelungsfrei und rückströmungsfrei zum Brennkammeraustritt geführt werden. Dies bewirkt die vollständige Ausnutzung der Brennkammer und verhin¬ dert Mischung von stärker gereinigtem Gas mit weniger stark gereinigtem Gas.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und /oder in Kom¬ bination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu ent¬ nehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile in einem zu reinigenden Trägergas und

Fig. 2 eine zweite Ausfuhrungsform einer Vorrichtung.

In den Fig. 1 und 2 sind Vorrichtungen zum Verbrennen oxidierbarer Bestandteile in einem zu reinigenden Trägergas dargestellt, die auch als Nachverbrennungsvorrichtungen bezeichnet werden können. Die Vorrichtungen (10) umfassen je einen zylinderförmigen Außenmantel (12), der durch die Stirnwände (14) und (16) begrenzt ist. Dabei ist in Fig. 1 die eine Stirnwand (16) gleichzeitig Boden (21) eines Hauptbrennraumes (24), während in Fig. 2 die Stirnwand einen Eintrittsringraum (45) begrenzt, dessen gegenüberliegende Wand gleichzeitig Boden (21) eines Hauptbrennraumes (24) ist.

Jeweils im Bereich der Stirnwand (14) ist konzentrisch zur Längsachse der Vorrichtung ein Brenner (19) angeordnet, dem sich ein vorzugsweise als Hochgeschwindigkeits¬ mischraum ausgebildetes Flammrohr (22) und der Hauptbrennraum (24) anschließen. Dabei ist es nicht notwendigerweise erforderlich, daß das Flammrohr (22) in den

Hauptbrennraum (24) hineinragt.

Im Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist der Hauptbrennraum (24) in einen ersten Abschnitt (23) mit großer Querschnittsfläche und einen zweiten Abschnitt (25) mit kleiner Querschnittsfläche unterteilt. Der erste Abschnitt (23) ist ringförmig zu der Achse (18) der Vorrichtung (10) angeordnet und wird begrenzt durch die Stirnwand (16), durch Abschnitte (17) des Außenmantels (12) und durch eine Zwischenwandung (50). Der zweite Abschnitt (25) des Hauptbrennraumes ist ein Ringraum um das Flammrohr (22), ausgehend von der Zwischenwandung (50) und mündend in einem weiteren Ringraum (28), in dem Wärmetauscherrohre (30) eines Kreuzgegenstromwärmetauschers (32) kon¬ zentrisch zur Achse (18) der Vorrichtung ( 10) und damit auch konzentrisch zum Flamm¬ rohr (22) angeordnet sind. Die Wärmetauscherrohre (30) münden in einem äußeren, an der Außenwandung (12) angrenzenden Ringraum (34), in dem sich eine Einlaßöffnung (36) befindet. Zwischen dem äußeren Ringraum (34) und der den Hauptbrennraum (24) begrenzenden Stirnwand (16) mündet der die Wärmetauscherrohre (30) aufweisende Ringraum (28) in einem Auslaß (38), der die Außenwandung (12) der Vorrichtung (10) durchdringt.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird das Flammrohr (22) vollständig von dem Hauptbrennraum (24) umgeben und mündet direkt radial in einen zur Achse (18) der Vorrichtung (10) konzentrisch angeordneten Ringraum (28), in dem sich Wärmetauscher¬ rohre (30) befinden. Die Wärmetauscherrohre (30) münden an gegenüberliegender Seite in den innerhalb des Außenmantels (12) gelegenem Eintrittsringraum (45), der durch einen Abschnitt des Außenmantels (12), den stirnseitigen Boden (16), den Brenn¬ raumboden (21), Abschnitte von den Hauptbrennraum (24) umgebenden Mantel (20) und einer als Rohrboden ausgebildeten Zwischenwandung (53) begrenzt ist und eine stutzen- förmg ausgebildete Einlaßöffnung (36) für das Trägergas besitzt .

Erfindungsgemäß sind in den Hauptbrennräumen (24) Leitelemente (40),

(42), (44) angeordnet, die bewirken, daß über die gesamten Querschnitte der Hauptbrennräume (24) beziehungsweise über die Querschnitte der einzelnen Abschnitte der Hauptbrennräume eine gleichmäßige, im

wesentlichen gleichgerichtete Strömung vorliegt.

Die Leitelemente können sowohl durch geringe Formwiderstände als auch durch große Formwiderstände die Strömung fuhren. Beispielhaft bilden die Leitelemente (40) und (42) in Form eines Leitringes bzw. Leitbleches einen geringen Formwiderstand, wohingegen Leitelemente (44) in Form von Lochblechen bzw. Widerstandsgitter bzw. in Form von Blenden einen großen Formwiderstand bilden.

Um die erfindungsgemäße Wirkung zu erzielen, müssen die Leitelemente, insbesondere die Leitelemente (40) und (42), in ihrer Form derart ausgebildet sein, daß ein Abscheren von Teilvolumenströmen der rota¬ tionssymmetrischen Strömung auf den Boden (21) des Hauptbrennraumes (24) und ein Umlenken um 90° in Richtung des Brennkammeraustritts (26) bewirkt wird.

Das in den Ausführungsbeispielen jeweils den Endbereich des Flammrohrs (22) umgebende Leitelement (44) in Form eines Lochbleches, Wider¬ standsgitters, einer Blende oder ähnliches stellt einen hohen Strömungs¬ widerstand dar, der aufgrund der hohen Geschwindigkeiten in im Leitelement vorliegenden freien Querschnittsflächen eine Verteilung einer einseitig am Außenmantel des Hauptbrennraumes (24) ausgebildeten Strömung auf die gesamte Querschnittsfläche des Hauptbrennraumes (24) bewirkt.

Als Beispiel für die Verbrennung von Schadstoffen in einem Trägergas mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung (10) wird nachfolgend der Prozeß in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 beschrieben.

Schadstoffbeladenes Rohgas, also oxidierbare Bestandteile enthaltendes Trägergas, tritt durch den als Eintrittsstutzen ausgebildeten Gaseinlaß (36) in die Vorrichtung (10) ein, wird durch die konzentrisch zum Flamm¬ rohr (22) angeordneten Wärmetauscherrohre (30) gefuhrt, verläßt in einer

koaxial zum Brenner (19) angeordneten und von der Stirnwand (14) begrenzten Kammer (46) den Wärmetauscher (32) und wird zumindest teilweise am Brenner (19) vorbeigefuhrt. Während des Durchströmens des Wärmetauschers (32) erfolgt eine Vorheizung durch Wärmeaufnahme über die Wärmetauscherrohre (30) aus dem aus dem Hauptbrennraum (24) aus¬ getretenen und die Wärmetauscherrohre (30) umströmenden Gas.

Ein Teil des vorgeheizten schadstoffbeladenen Rohgases gelangt mit der Flamme des Brenners (19) in Berührung und dient als Verbrennungsgas. Der andere Teil strömt am Brenner (19) bzw. an der Flamme vorbei.

Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten v mit v > 60 m/s im Vollastbetrieb im Flammrohr (22) werden die Gase aus der heißen Kernzone des Brenners (19) mit der kälteren sogenannten Ringspaltströmung des Gases, die über einen Spalt (48), der brennerseitig die Kammer (46) begrenzt, am Brenner vorbeigeführt wird, bis zum Ende des Flammrohres (22) vermischt. Dadurch wird im gesamten Rohgas die Verbrennung der Schadstoffe initiiert. Das Rohgas mit den bereits reagierenden Schad¬ stoffen tritt in dem ersten Abschnitt (23) des Hauptbrennraumes (24) ein und wird dort durch die als strömungsführende Einbauten wirkenden Leit¬ elemente (40) und/oder (42) und/oder (44) auf den gesamten Strömungsquer¬ schnitt der Hauptbrennkammer (24) verteilt, so daß eine gleichgerichtete Strömung entsteht und die Verbrennung über den Querschnitt des Haupt¬ brennraumes gleichmäßig erfolgt.

Da nahezu die gesamte Länge des Flammrohres (22) erforderlich ist, um die über den Spalt (48) strömende und am Brenner (19) vorbeigeleitete kältere Ringströmung im Flammrohr mit der heißeren Kernströmung, die durch den Brenner (19) geleitet wird, zu vermischen, und daher zwischen Flammrohr¬ wandinnenseite und Flammrohrwandaußenseite eine Temperaturdifferenz besteht, erfolgt ein Wärmetausch zwischen dem heißen Trägergas in dem zweiten Abschnitt (25) der Hauptbrennkammer (24) und dem kälteren unge-

reinigten Trägergas im Flammrohr (22). Folglich dient das Flammrohr (22) als zusätzliche Wärmetauscherfläche. Der Wärmetausch bewirkt eine Tem¬ peraturdifferenz von 20 °C bis 60 °C bei stationärem Betrieb zwischen dem Eintritt in den zweiten Abschnitt (25) des Hauptbrennraumes (24) und dem Austritt (26) aus dem Hauptbrennraum, also dem Eintritt in den Ringraum (28), in dem der Wärmetauscher (32) angeordnet ist.

Das gereinigte Trägergas wird sodann um die Wärmetauscherrohre (30) des Rohrbündelwärmetauschers (32) geführt, gibt Wärme an das zu reinigende Trägergas ab und wird zum gleichfalls als Stutzen ausgebildeten Gasauslaß (38) geleitet.