DE2604090A1 - Mit rauchunterdrueckung und unsichtbarer flamme arbeitender brenner an fackelkaminen - Google Patents

Description

Mit Rauchunterdrückung und unsichtbarer Flamme arbeitender Brenner an Fackelkaminen

Die Erfindung betrifft einen mit Rauchunterdrückung und unsichtbarer Flamme arbeitenden Brenner an Fackel kaminen.

Die Luftverschmutzungsvorschriften erfordern, daß "dann, wenn im Notfall abgeblasene Kohlenwasserstoffe verbrannt werden, keine Rauchemission erfolgt, wenn die Kohlenwasserstoffe brennen. Da von den bekannten Kohlenwasserstoffen Methan allein bei offener Luft in Fackeln ohne Rauchbildung verbrennt, ist das Problem der Rauchunterdrückung beim Abfackeln zu lösen, da auch noch andere Kohlenwasserstoffe als Methan in dem durch die Verarbeitungsprozesse erforderlichen Umfang abgeblasen werden müssen.

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Die rauchlose Abfackelung von Kohlenwasserstoffen ist bisher vorzugsweise mit Hilfe einer Kaminkonstruktion geschehen, die das Einblasen von Dampf unter erheblichem Druck an oder in der Nähe der Stelle der anfänglichen Verbrennung vorsieht. Eine Vielfalt von Reaktionen und Reaktionsbedingungen haben zur Folge, daß das Einblasen von Dampf als solches als das wirksamste Verfahren zur Rauchunterdrückung in der Fackel bzw. am Kamin angesehen wird. Da jedoch manchmal Dampf zur Rauchunterdrückung nicht zu Verfügung steht, sind andere Mittel zur Rauchunterdrückung entwickelt worden und gehören nun zum allgemeinen Stand der Technik auf diesem Gebiet.

Eine derartige bekannte Vorrichtung ist eine rohrförmige Konstruktion und weist ein Gebläse oder einen Ventilator auf, der an dem Ende des Rohres angeordnet ist, sowie einen Brenner für die abgeblasenen Kohlenwasserstoffe an dem anderen Rohrende. Durch das Rohr wird mit Hilfe des Gebläses oder Ventilators Luft mit beträchtlicher Geschwindigkeit gefördert und trifft auf die Kohlenwasserstoffgase, die aus dem Brenner austreten, so daß die durch die Geschwindigkeit des Luftstroms erfolgte Turbulenz die Verbrennungsreaktion im Hinblick auf die Rauchunterdrückung sehr stark beschleunigt. Solche Kamine werden gewöhnlich mit einem primären Luftrohr betrieben, das senkrecht angeordnet ist, wobei sich das Gebläse an dem Bodenende des Rohres befindet und der Brenner am oberen Rohrende.

Wenn das senkrecht angeordnete Rohr in der freien Luft steht, erfolgt der Austritt der Verbrennungsgase unmittelbar in die Atmosphäre. Da jedoch die Luftmenge, die von dem Gebläse abgegeben wird, kleiner ist als die für die vollständige Verbrennung der abgeblasenen Kohlenwasserstoffe erforderliche Menge, wird Luft aus der Atmosphäre in die Verbrennungszone eingesaugt, um die Gebläseluft zu ergänzen und dadurch die erforderliche Verbrennungsreaktion zum vollständigen Abschluß zu bringen. Aus diesem Grunde muß sofort bei Beginn der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe Luft aus der Atmosphäre zu Verfügung stehen.

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Das Verbrennen von Brennstoffen in offener Luft, für das Luft aus der Atmosphäre zur vollständigen Kohlenwasserstoffverbrennung zu Verfugung steht, hat jedoch zwei wesentliche Nachteile. Sie besteht darin, daß die Flamme sofort beginnt, in unbeschränktem Maße Wärme durch Strahlung zu verlieren. Der zweite ist darin zu sehen, daß in der offenen Luft ständig eine stetige Luftbewegung herrscht, hervorgerufen durch leichte Brisen oder Winde, die zusätzlich die Flammeηtemperatür vermindern, und zwar entsprechend der Geschwindigkeit der Luftbewegung. Größere Geschwindigkeit führt zu größerem Wärmeverlust der Flamme, der unter Umständen ein solches Ausmaß erreichen kann, daß der Brennstoff nicht weiterbrennt. Als Beispiel sei hier ein Zündholz genannt, das durch Blasen ausgelöscht wird. Da Brennstoffe in Abhängigkeit von der Temperatur, der Turbulenz und der Zeit verbrennen und, wie bereits festgestellt, Windbewegungen die bei der Verbrennung ergebende Flamme abkühlen, muß die Verbrennungszone vor Windeinwirkungen geschützt werden, um eine Temperatursenkung in der Flamme zu vermeiden. Maximale Flammentemperaturen führen bekanntlich zu der besten und vollständigsten Verbrennung von Kohlenwasserstoff. Wenn also auf die Flamme keine Winde einwirken, ist mit einem minimalen Wärmeverlust im Bereich der Flamme zu rechnen, wodurch die Verbrennung besser vollständig durchgeführt werden kann.

Eine vollständige Verbrennung erfolgt dann, wenn keine Rauchemission oder Emission anderer Produkte unvollständige Verbrennung, wie beispielsweise CO , das toxisch ist, H„ sowie CH₂O, das ein Reizmittel und auch toxisch ist, stattfindet. Rauchbildung ist bei weitestem die vorherrschendste Art der Verschmutzung und lässt sich leicht erkennen, während gasförmige Verschmutzungsstoffe, die im typischen Fall kein Problem darstellen, nicht gesehen werden können. Es ist daher notwendig, daß der Vermeidung von Rauch bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen größte Beachtung geschenkt wird.

Die Neigung zur Rauchbild!ng, d.h. zum Entweichen von unverbranntem Kohlenstoff bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, hängt von

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dem Gewichtsverhältnis Wasserstoff zu Kohlenstoff (H/C) des Kohlenwasserstoffs ab, wenn keine Rauchunterdrückung erfolgt. Wenn das H/C-Verhältnis 0,33 beträgt, wie dies beispielsweise für Methan der Fall ist, entsteht kein Rauch. Wenn das H/C-Verhältnis 0,25 ist, beginnt die Rauchbildung, und in dem Maße, wie das H/C-Verhältnis sich verkleinert, vergrößtert sich die Rauchbildung, so daß bei einem H/C-Verhältnis von 0,166 (Äthylen) der Rauch sehr dicht ist. All dies gilt für die Fälle, bei denen keine Rauchunterdrückung erfolgt.

Rauch kann durch vergrößerte Turbulenz in der Verbrennungszone, durch Einblasen von Luft in die Verbrennungszone und durch mit hoher Geschwindigkeit erfolgendes Einblasen von Dampf in die Verbrennungszone sowie auch dadurch unterdrückt werden, daß die Maßnahme des Lufteinblasens mit verstärkter Turbulenzbildung durch andere Mittel kombiniert wird, die in diesem Zweig der Technik bekannt sind. Die Effektivität derartiger Rauchverhinderungsmaßnahmen wird jedoch geschwächt, falls die Flammentemperatur durch Windeinflüsse gesenkt wird, wie dem Fachmann bekannt ist.

Im Hinblick auf diese Gesichtspunkte könnte es naheliegend erscheinen, die Verbrennungszone zu umschließen, um Windwirkungen auf die Flamme auszuschalten. Ein bloßes Umschließen oder Abschließen als solches ist jedoch keine Lösung, da, wie oben erwähnt wurde, ein leichter Zugang von Luft aus der Atmosphäre zu der Verbrennungszone vorhanden sein muß. Somit ist das Problem des Abschließens der Verbrennungszone nicht nur an den Zutritt von atmosphärischer Luft zur Verbrennungszone gekoppelt, sondern auch an die Energiezufuhr zur Bewegung atmosphärischer Luft in den Flammenbereich, um eine vollständige Verbrennung sicherzustellen. In diesem Zusammenhang sei daraufhingewiesen, daß dann, wenn Kohlenstoff (schwarzer Rauch) aus der Verbrennungszone entweicht, die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe unvollständig ist.

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Bei der typischen Brennstoffverbrennung mit natürlichem Zug in öfen wird die Energie für die Luftbewegung zum Brennstoff zwecks Verbrennung als Kaminzug oder Schornsteinzug zugeführt, wobei die Kamine oder Schornsteine, die mit heißen Gasen gefüllt sind, am Boden des Schornsteins einen JSaugzug entstehen lassen, der von der Gastemperatur und der Schornsteinhöhe abhängt. So weist beispielsweise ein 30m hoher Schornstein, der mit 649°C heißen Gasen gefüllt ist, an seinem Boden einen statischen Zug von annähernd 25,4 mm WS auf. Brenner werden nach der Zugenergie bemessen, die in dem Schornstein auftritt, um sicherzustellen, daß ausreichend Luft für die Brennstoffverbrennung zu Verfügung steht. Die Zug- oder Saugenergie, die von Schornsteinen oder Kaminen erzeugt wird, ist, wie erwähnt, nicht groß, und es müssen daher Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um eine Unterbrechung der Luftzufuhr durch den Saugzug zu vermeiden, wenn zusätzlich Luft durch Gebläse oder Ventilatoren unter denselben Bedingungen der Brennstoffverbrennung abgegeben wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Brenner und Fackelkamin für eine vollständige Verbrennung von abgeblasenen Kohlenwasserstoffen bei Rauchunterdrückung und unsichtbarer Flamme zu schaffen. In diesem Zusammenhang soll die vollständige Verbrennung und die Rauchunterdrückung unter Verwendung von Hochdruckdampf erfolgen können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verwendung eines senkrechten Fackelkamins gelöst, der mit Keramikmaterial ausgekleidet ist und in dem Boden eine große Axialöffnung aufweist. Der Kamin ist über dem Bodenniveau angehoben angeordnet und wird auf Beinen getragen. Er besitzt einen zylindrischen Windschutz, der den freiliegenden Teil unter dem Boden des Kamins umgibt, wobei dieser zylindrische Windschutz sich von dem Boden des Kamins aus nur über einen Teil der freiliegenden Länge nach unten erstreckt.

Primärluft wird unter Druck in einer Axialleitung von unten herangeführt,

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und diese Leitung endet an ihrem oberen Ende an der Schornsteinsohle. Ein Brenner am Kopf der Primärluftleitung dient zum Einblasen der abgelassenen Kohlenwasserstoffe. Sekundärluft wird durch eine zwischen der Primärluftleitung und der Wand einer in der Kaminsohle befindlichen 'Öffnung vorhandene Ringöffnung herangeführt. Eine keramische Auskleidung ist für den Kamin vorgesehen, um rund um die Verbrennungszone eine hohe Umgebungstemperatur zu erzeugen und dadurch eine Abkühlung der Flamme durch Strahlung zu verhindern. Die Turbulenz wird dadurch erzeugt, daß unter Druck stehende Primärluft mit den an dem Brenner austretenden Gasen vermischt wird. Eine ausreichende Zeit für eine vollständige Verbrennung wird dadurch geschaffen, daß der Kamin eine beträchtliche Höhe erhält, so daß die Verbrennung in den von dem Brenner aus zur Kaminspitze, nach oben strömenden Verbrennungsgasen fortgesetzt werden kann, also während der ganzen Aufwärtsbewegung der Verbrennungsgase, so daß die Verbrennung vollständig abgeschlossen ist, bevor die Produkte die Kaminspitze erreichen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine teilweise längsgeschnittene Ansicht eines Teils eines Fackelkamins. Der Fackelkamin 10 weist eine kreisrunde, zylindrische Stahlwand 16 auf, die auf ihrer Innenseite auf der Sohle 50 des Kamins mit Keramikmaterial 18 bekleidet ist. In der Kaminsohle befindet sich eine runde öffnung 28.

Der Kamin ist angehoben, so daß sein Boden 24 eine erhebliche Höhe vom Erdboden 30 aufweist, und er wird von Stahl beinen 22 getragen, die beispielsweise durch Verschweißen mit der zylindrischen Stahlwand des Kamins verbunden sind. Ein zylindrischer, stählerner Windschirm umschließt den Hauptteil des Raumes unterhalb des Kamins und verhindert

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dadurch, daß der Wind den Luftstrom zu dem Brenner stört und beschränkt auch die Auswirkung des Gebläseunterdrucks auf die Luftstromverteilung auf ein Mindestmaß. Das obere Ende des Windschirms ist wenigstens so hoch wie der Boden des Kamins. Ein Luftstrom 58A findet zu den mit 36-37 bezeichneten Bereichen statt, in denen die verhältnismäßig große Energie des Gebläses, die zu einer starken Unterdruckbildung führt, die Abgabe von Luft 54 stark beeinträchtigen könnte, falls die Öffnung 61 für den raschen Zutritt von Luft unter Atmosphärendruck in die Bereiche 36-37 nicht vorgesehen wäre. Der Abstand 61 des unteren Randes des Windschirms 56 vom Boden 30 bildet einen Luftströmungsbereich, der einen Luftzutritt von nicht weniger als 10% der gesamten für die Brennstoffverbrennung erforderlichen Luftmenge ermöglicht, wenn der Druckabfall über dem Bereich 61 0,15 mm WS beträgt. Der Durchmesser des Windschirms ist erheblich größer als der Durchmesser des Kamins, wodurch eine angemessene Luftzufuhr entsprechend dem Pfeil 58 erfolgen kann, die für die vollständige Verbrennung der abgeblasenen Gase benötigt wird.

Primärluft wird durch eine Axialleitung 12 zugeführt, die mit Hilfe eines Gebläses oder eines Ventilators üblicher Bauart, der durch die gestrichelten Linien 36 und 37 angedeutet ist, geliefert wird. Bei einer bevorzugten Konstruktion wird eine Kaminöffnung 34 am bodensei ti gen Ende der Leitung 12 benutzt. Primärluft, die durch die Pfeile 38 angedeutet ist, strömt von dem Gebläse aus in die Leitung und dieser nach oben gemäß den Pfeilen 39, 40 innerhalb der Stahlwand 32 der Leitung, die in an sich bekannter Weise bei 21 abgestützt wird.

Ein Brenner 42 für die abgeblasenen Gase ist im Inneren der Primärluftleitung angeordnet und befindet sich dort am oberen Ende der Leitung. Das obereEnde der Leitung liegt auf der Sohle 50 des Kamins. Eine Leitung 44 dient für die Verbrennungsgase, die in Richtung des Pfeils 46 strömen. Eine Pilotflammeneinrichtung , wie sie beispielsweise bei 48 angedeutet ist, dient zur Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen

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Flamme an dem Brenner, so daß bei einem plötzlichen Einsetzen der Strömung 46 die Gase an dem Brenner durch die Flamme der Pilötvorrichtung 48 gezündet werden.

Da die Primär!uftströmunq, die durch die Pfeile 38 , 39 und 40 angedeutet ist, unter beträchtlicher Geschwindigkeit stattfindet, entsteht zwischen der Luft und dem Gas, bei dessem Austreten aus dem Brenner eine Turbulenz. Diese Turbulenz führt zu einer rascheren und vollständigeren Verbrennung.

Die 'Öffnung 28 in der Sohle des Kamins ist groß genug, so daß der Ringraum zwishen der Primärluftleitung und der Wand 28 der Öffnung für die Sekundärluftzufuhr ausreicht, wobei diese Sekundärluft entsprechend den Pfeilen 54 und 60 durch den Ringraum hindurch und in die Flammenzone oberhalb des Brenners einströmt, so daß ausreichend Luft für eine vollständige Verbrennung der Kohlenwasserstoffe zu Verfügung steht. Falls gewünscht, kann eine Haube 52 vorgesehen werden, die die Wirksamkeit des Luftstroms 54 noch steigert, und daher zu einer stärkeren Luftzufuhr in die Flamme bei einem gegebenen Saugzug führt. Die Strömung der Sekundärluft in die Verbrennungszone hinein wird aufgrund der infolge der Kaminhöhe und der Temperatur in dem Kamin befindlichen Gase entstehenden Zugwirkung in an sich bekannter Weise veranlasst.

Im Betriebszustand strömt Primärluft mit hoher Geschwindigkeit in die Leitung 12 und vermischt sich turbulent mit den abgebalsenen Gasen, die von dem Brenner 42 abgegeben werden. Das Gas-Luft-Gemisch wird mit Hilfe der Pilotflamme 48 gezündet, und die Verbrennung findet im Bereich oberhalb des Brenners in der Nähe der Kaminsohle statt.

Sekundärluft strömt in den Ringraum zwischen den Windschirm 56 und der Wand 16 des Kamins gemäß dem Pfeil 58. Die Sekundärluft strömt gemäß den Pfeilen 60 in die Flamme, wo sie sich turbulent mit den heißen

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Gasen vermischt, um eine vollständige Verbrennung zu erreichen.

Aufgrund der durch die Flamme erzeugten Wärme erhitzt sich die Keramikauskleidung 18 und 26 des Kamins rasch auf eine hohe Temperatur, die derjenigen der Verbrennungsgase entspricht. Infolgedessen gibt die Flamme keine Strahlungswärme ab, und die Verbrennungsgase kühlen sich nicht ab. Aufgrund der hohen Flammentemperatur kann die Verbrennung auch rasch durchgeführt werden. Wenn sich die brennenden Gase im Kamin aufwärts bewegen, setzt sich die Verbrennung innerhalb der erhitzten Keramikauskleidung fort , so daß die Verbrennung vollständig abgeschlossen wird, bevor die Produkte die Spitze des Kamins erreichen.

Wesentliche Merkmale der hier beschriebenen Konstruktion sind eine Primärluftzufuhr unter hoher Geschwindigkeit zur turbulenten Vermischung der Luft mit dem Brennstoff, ferner eine angemessene Sekundärluft an der Stelle der Flammenentzündung und Verbrennung, desweiteren eine Keramikauskleidung für den Kamin, so daß die Flamme in einer Umgebung hoher Temperatur brennt, und schließlich eine angemessene Kaminhöhe, um für die Sekundärluft den erforderlichen Saugzug zu erzeugen und eine vollständige Verbrennung zu erreichen, bevor die Verbrennungsprodukte an der Kaminspitze ankommen.

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Claims (8)

- ίο - PATENTANSPRÜCHE

1.) Mit Rauchunterdrückung und unsichtbarer Flamme arbeitender Brenner an Fackelkaminen, gekennzeichnet durch einen Fackel kamin (10) mit einer zylindrischen Stahlwand (16) beträchtlicher Höhe, die eine Keramikauskfeidung (18) aufweist, wobei der Kamin auf Beinen (22) über dem Erdboden getragen wird, ferner durch einen zylindrischen Windschirm (56) zur Abschirmung des Raumes unterhalb des Kamins gegen Windwirkung, wobei der Schirmdurchmesser größer ist als der Durchmessendes Kamins (10) und der Schirm mit seinem unteren Rand mit Abstand über dem Boden (30) angeordnet ist und mit seinem oberen Rand wenigstens so hoch liegt, wie die Sohle (50) des Kamins, ferner durch eine Primärluftleitung (12) unterhalb und koaxial zu dem Kamin (M)), deren oberes Ende sich durch die in der Sohle (50) des Kamins vorhandene öffnung (28) hindurch bis zur Ebene der Kaminsohle erstreckt, ferner durch eine Brennereinrichtung (42) innerhalb der Primärluftleitung (12), die am oberen Ende der Primärluftleitung angeordnet ist , eine Gebläsevorrichtung (36, 37) zur Erzeugung eines sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Primärluftstroms in der Primärluftleitung (12), und durch eine Vorrichtung (52 , 58) zur Zufuhr von Sekundärluft durch den Ringraum zwischen der Primärluftleitung (12) und der Wand der in der Kaminsohle befindlichen 'öffnung (28).

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Kamins so bemessen ist, daß ein ausreichender Zug für die Sekundärluftzufuhr zur vollständigen Verbrennung der abgeblasenen Kohlenwasserstoffe entsteht.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Kamins (10) zwischen 15 und 50 m beträgt.

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4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Kamins wenigstens 33m beträgt.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufterzeugungsvorrichtung ein Gebläse ist.

6. Brenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Haube (52) zur Verbesserung der Sekundärluftzufuhr durch den Ringraum zwischen der primären Luftleitung (12) und der Wand der öffnung (28).

7. Brenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Pilotflammeneinrichtung (48).

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Windschirm (56) mit seiner Unterkante von dem Boden (30) in einem Abstand getrennt ist, der wenigstens 10% der für die Brennstoff verbrennung erforderlichen gesamten Luftmenge durch den zwischen dem Windschirm und dem Boden befindlichen Raum bei einem Druckverlust von nicht über 1,27 mm WS strömen lässt.

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