DE3730122A1 - Verfahren zur waermeerzeugung durch schadstoffarme verbrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wärmeenergie, insbesondere durch schadstoffarmes Verbrennen gasförmiger Brennstoffe mit mit Sauerstoff angereicherter Luft hoher Wirtschaftlichkeit.

Es sind die verschiedensten Brenner für die direkte Wärmeübertragung durch Erwärmen von Luft, z. B. in einem Ofen, oder zum Erwärmen von Flüssigkeiten durch indirekten Wärmeübergang in einem Kessel oder dergleichen bekannt. Einige dieser bekannten Verfahren zur Wärmeerzeugung arbeiten mit einer stöchiometrischen Menge an Brennstoffen, einschließlich gasförmigen Brennstoffen, und Luft. Einige Brennersysteme führen zu überhöhten Flammentemperaturen und zu Flammenformen, die eine beträchtliche Schockbeanspruchung der feuerfesten Ausmauerung, insbesondere in der unmittelbaren Umgebung der Flamme hervorrufen, oder mit anderen Worten wird der Brennerblock einer hohen Thermoschockbelastung unterworfen. Darüber hinaus sind einige der bekannten Mechanismen der Brenner relativ unwirksam bei der Verfeuerung gasförmiger Brennstoffe und führen darüber hinaus auch oft zu beträchtlichen Schadstoffmengen in den Verbrennungsgasen einschließlich NO und NO₂ (NO _x ).

Im Hinblick auf die Nachteile und Mängel der bekannten Brenner ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zu bringen, bei dem kein feuerfester Block benötigt wird, sondern an dessen Stelle eine Metallhülse oder ein Metallgehäuse dient, so daß eine Verunreinigung der Flamme und schließlich des zu erwärmenden Materials vermieden wird und die Gefahr eines Bruchs durch unbeabsichtigten Stoß oder Schlag weitestgehend herabgesetzt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit Sauerstoff angereicherter Luft bis hinauf zu reinem Sauerstoff gearbeitet, also mit einem oxidierenden Gas, enthaltend zumindest 35% O₂ bis hinauf zu 100% O₂. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der mit Sauerstoff angereicherte Luftstrom in drehender Bewegung mit solcher Geschwindigkeit mit einem solchen Druck unter einem solchen divergierenden oder konvergierenden Winkel und einem solchen Anstiegswinkel der Schraubenbewegung geführt, daß eine Flammenform erreicht wird, bei der sich eine Zone tieferer Temperatur innerhalb des Blocks ausbildet, die ihrerseits die Schockbeanspruchung des Blocks herabsetzt, jedoch die Wirksamkeit der Verbrennung und der geringe Schadstoffgehalt der Verbrennungsgase beibehalten wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden innerhalb einer Brennerstruktur die gleichen Isothermen (Temperatur der gleichen Größenordnung), wie sie sich mit Luft einstellen, aufrechterhalten, während jedoch der gasförmige Brennstoff oder das Heizgas um etwa 15% verringert und gleichzeitig ein verringerter NO _x -Ausstoß erreicht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von Aluminium, wo als Nebenprodukt der Aluminiumherstellung mit 35% O₂ angereicherte Luft anfällt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere auch dort, wo eine außerordentlich reine Flamme notwendig ist, wie in der Glasherstellung.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt nun eine sehr wirksame und billige Methode der Erzeugung von Wärmeenergie durch direktes Verbrennen von vorzugsweise gasförmigem Brennstoff (Heizgas) mit mit Sauerstoff angereicherter Luft dar. Dazu wird ein Heizgasstrom entlang der Längsachse unter Druck mittig oder zentral eingeführt und eine Vielzahl von Strömen mit Sauerstoff angereicherter Luft (Verbrennungsluft), vorzugsweise in stöchiometrischer Menge im Hinblick auf das Heizgas, wird in einem Kreisring um den Heizgasstrom zugeleitet. Die Gasströmung soll radial in einem Winkel von etwa +20 bis -20° zur Längsachse des Heizgasstroms, also divergierend bzw. konvergierend, gerichtet sein.

Die Ströme des Heizgases und der Verbrennungsluft mischen sich, es kommt zur Zündung und zur Ausbildung einer Flamme. Innerhalb eines die Flamme abschirmenden Blocks bildet sich um diese herum eine Zone relativ geringer Temperatur aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von Brennern bzw. Brennerblöcken, wie sie beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt sind, weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Brenners für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; ein Teil vom Gehäuse ist weggebrochen, um innere Details zu zeigen. Ein solcher Brenner besitzt eine Düsenplatte mit beispielsweise einem Winkel A divergierend von der Längsachse des Heizgasstroms, eine Düse, eine Zündkerzenabschirmung, eine Rückplatte mit einer Abdichtung zur Trennung der Rückplatte vom Düsenkörper und schließlich eine Zündkerze an der Rückplatte. Das ganze steht in Verbindung mit einem abgeschrägten Block innerhalb eines Rahmens an der Vorderseite des Düsenkörpers.

Fig. 2 zeigt von vorne eine Ausführungsform einer Düsenplatte aus Fig. 1, aus der ein Winkel B für drehende Verbrennungsluft-Strömung aus den Düsen zu entnehmen ist, welche sich radial im Abstand in einem Kreisring um die mittige oder zentrale Heizgasleitung befinden. Eine solche Ausführungsform ist für eine Verbrennung mit der erforderlichen Menge an Luft, enthaltend 20,8% Sauerstoff, geeignet.

Fig. 3 zeigt von vorne eine andere Ausführungsform einer Düsenplatte, aus der man entnimmt, daß die geneigten und divergierenden Düsen den halben Durchmesser von denen der Fig. 2 haben. Eine solche Ausführungsform eignet sich für mit Sauerstoff angereicherter Luft, enthaltend 22,8% Sauerstoff.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Düsenplatte für das erfindungsgemäße Verfahren, deren Düsen ¼ des Durchmessers der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform haben und die sich für mit Sauerstoff angereicherter Luft, enthaltend etwa 35% Sauerstoff, eignet.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt die Verbrennung von Heizgas mit mit Sauerstoff angereicherter Luft, deren Sauerstoffgehalt von etwa 20,8% O₂ bis 35% O₂ schwanken kann bzw. an Stelle mit Sauerstoff angereicherter Luft 100%iger Sauerstoff verwendet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Heizgas mittig oder zentral in Längsachse mit ausreichendem Druck eingeführt. Diesen Heizgasstrom umgibt eine Anzahl von Strömen von Verbrennungsluft vorzugsweise in einem Kreisring, wobei die Ströme in Radialrichtung zur Längsachse des Heizgasstroms um +20 bis -20° geneigt sind, also divergieren bzw. konvergieren. Dadurch erreicht man, daß die Verbrennungsluft in vielen Strompfaden den mittigen Heizgasstrom umgibt. Dabei mischt sich Heizgas und Verbrennungsluft. Die Verbrennungsprodukte unterhalten die Flamme, die von einer Zone tieferer Temperatur umgeben ist. Es kommt also bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer wirksamen Verbrennung mit relativ geringem Schadstoffausstoß, insbesondere von NO _x .

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Verbrennungsluft mit bis etwa 35% Sauerstoff angereicherte Luft. Man kann aber auch reinen Sauerstoff verwenden, wobei jedoch die Düsenöffnungen dann etwa ¹/₅ des Durchmessers der Düsenöffnungen für Luft betragen müssen.

Das Heizgas wird wie üblich mit dem erforderlichen Druck herangebracht, das gleiche gilt für die Verbrennungsluft.

Der Heizgasstrom ist bevorzugt im Querschnitt im allgemeinen kreisförmig, während die Ströme der Verbrennungsluft um diesen in dessen Längsachse schraubenförmig geführt werden. Dazu wird die Verbrennungsluft in einer Neigung von 0 bis 40° zur Längsachse des Heizgasstroms eingeführt. Es kommt dadurch zu einer Anzahl von schraubenförmigen Strömen der Verbrennungsluft um den mittigen Heizgasstrom, wobei im Querschnitt die Durchmesser des Heizgasstroms und der Ströme der Verbrennungsluft so gewählt werden, daß im wesentlichen für die Verbrennungsreaktion Stöchiometrie vorliegt, wie dies allgemein üblich ist.

Die Drucke und Durchmesser von Heizgasstrom und Verbrennungsluftströmen werden bei der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens so gewählt, daß im wesentlichen konstante Isothermen (oder analoges Temperaturprofil) erreicht werden, wenn mit Sauerstoff angereicherte Luft verwendet wird, im Vergleich zu Brennern, in denen nur Luft verwendet wird.

Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in einer radialen Begrenzung der Flamme. Dies geschieht bevorzugt nicht mit feuerfesten Werkstoffen, um eine Verunreinigung der Flamme oder des zu erwärmenden Materials zu verhindern. Eine solche radiale Begrenzung soll daher eine Metallhülse oder ein Metallgehäuse sein. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die radiale Begrenzung aus feuerfestem Material, wenn die Erwärmung des Gutes indirekt ist und/oder andere Möglichkeiten zur Verhinderung einer Verunreinigung vorgesehen werden können.

Bei einigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Temperatur der entstehenden Flamme gegenüber einer Flamme unter Verwendung von nur Luft herabgesetzt werden.

Betrachtet man nun Fig. 1, so entnimmt man dieser eine Brennereinheit (10) mit einer Düsenplatte (12) am Vorderteil (14) des Brennermunds (16). Der Brennermund (16) befindet sich in einem Gehäuse (18) zur Zuführung für Verbrennungsgas (20) von außen und vorzugsweise über einen (nicht gezeigten) einstellbaren Hahn.

Die Düsenplatte (12) nach Fig. 2 zeigt Düsen (22) zum Durchtritt von Verbrennungsluft, so daß nach Fig. 1 ein in einem Winkel A divergierend austretender Strahl in den Flammenraum (24) eines feuerfesten Blocks (26) eintreten kann. Das Gehäuse wird über einen Rahmen (28) an seinem Flansch (39) mit dem feuerfesten Block (26) verbunden. Das Gehäuse (18) umfaßt weiters einen Zuführungsflansch (31), der über Bolzen (32) an dem Gehäuse befestigt und über eine Dichtung (34) abgedichtet ist. In ähnlicher Weise ist eine Rückplatte (36) über eine Dichtung (38) mit Hilfe vom Bolzen (40) mit dem Gehäuse (18) verbunden. An der Rückplatte (36) befindet sich eine Zündanlage (42), gegebenenfalls ein Sichtglas (44) und gegebenenfalls ein Stopfen (46), bei dessen Entfernung ein Zugang in das Brennergehäuse (18) möglich wird.

Eine für Luft geeignete Düsenplatte (12) ist in Fig. 2 gezeigt. Der Winkel B gibt die Neigung der Düsen für die schraubenförmige Strömung an. Die Düsen (22) befinden sich radial im Abstand um eine mittige Heizgaszuführung (48). Die Stirnfläche (50) der Düsenplatte (12) ist bevorzugt eben, obwohl auch andere Ausführungsformen möglich erscheinen.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform der Düsenplatte (112) gezeigt, bei welcher die Düsen (122) etwa die Hälfte des Durchmessers der Düsen der Düsenplatte aus Fig. 2 aufweisen. Diese Düsenplatte eignet sich für mit 2% O₂ angereicherte Luft. Die Heizgaszuführung (148) ist zentral und die Stirnfläche (150) ebenfalls eben. Die Düsen (122) können auch entsprechend dem Winkel A divergieren und den Verbrennungsluftströmen einen Drallwinkel B erteilen.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Düsenplatte (212) für auf etwa 35% O₂ angereicherte Luft gezeigt, bei der um den Heizgaseintritt (248) Düsen (222) divergierend und geneigt angeordnet sind und die einen Durchmesser von etwa ¼ von denen, wie sie für die in Fig. 2 gezeigte Düsenplatte gelten.

Für die Tabelle 1 wurden 6 Temperaturstellen T₁ und T₆ herangezogen.

T₁an der oberen Außenfläche des Blocks (26) in unmittelbarer Nähe des Austritts, entgegengesetzt zu dem Flansch (30); T₂nahe T₁, an der oberen Seitenstelle der Außenfläche des Blocks (26), etwa 45° von der Vertikalen; T₃an der Außenfläche des Blocks (26) in der Nähe von T₂, etwa 90° von der Vertikalen; T₄etwa 6,35 mm versenkt in den oberen mittleren Teil der Stirnfläche des Blocks (26); T₅wie T₄, jedoch in den unteren mittleren Teil der Stirnfläche; T₆an der Innenwand des Blocks (26) in unmittelbarer Nähe des Ausgangs, entgegengesetzt zum Flansch (30).

Die Ergebnisse verschiedener Versuche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind in den folgenden Tabellen 1 und 2 zusammengefaßt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen kann der Brenner (10) eine Weite von 38 mm, 51 mm, 76 mm, 102 mm oder 152 mm besitzen (1,5, 2, 3, 4 oder 6 Zoll). Das feuerfeste Material des Blocks (26) ist bevorzugt ein geschmolzenes Keramikmaterial hoher Temperaturwiderstandsfähigkeit. Bei einem Keramikblock (26) beträgt der Innendurchmesser des Flammenraums (24) 82,5 mm bis 140 mm für 1,5- bis 4″-Brenner. Die Länge eines feuerfesten Blocks (26) soll zumindest 234 bis 330 mm betragen. Diese Dimensionen sind jedoch nicht kritisch und können sich ändern.

Für die Versuche, deren Ergebnisse in Tabelle 1 zusammengestellt sind, wurde ein 2″-TELEMAX®-Brenner für Flammenprüfungen eingesetzt und als Heizgas, Erdgas verwendet. Bei den Untersuchungen zu Tabelle 2 wurde ein 6″-KINEMAX®-Brenner, Serie G, und Luft (linker Teil) bzw. mit 2% Sauerstoff angereicherte Luft (rechter Teil) verwendet.

Claims (8)

1. Verfahren zur Verbrennung eines Heizgasstroms mit mit Sauerstoff angereicherter Luft oder Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß man Heizgas als längsgerichteten Strom einführt und ihn mit einer Vielzahl von Strömen aus Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft umgibt, wobei der Querschnitt des Heizgasstroms kreisförmig ist, die Ströme von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft dazu in einem Abstand davon und voneinander in einem konzentrischen Kreisring und gegen die Längsachse des Heizgasstroms radial in einem Winkel von +20 bis -20° einleitet, so daß sich bei Mischung und Zündung des Gemisches eine mit einer Zone geringerer Temperatur umgebene Flamme bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mit bis zu 35% Sauerstoff angereicherte Luft verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Strömen von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft eine schraubenförmige Strömungsrichtung um die Längsachse des Heizgasstroms mit einem Drallwinkel von 0 bis 40° verleiht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Querschnitt der Durchmesser des Heizgasstroms und die Durchmesser der Ströme von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft im Hinblick auf eine im wesentlichen stöchiometrische Verbrennung bemessen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man Druck und Durchmesser des Heizgasstroms sowie der Ströme von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft im Hinblick auf im wesentlichen konstante Isothermen, im Vergleich zu einer Verbrennung mit nur Luft, wählt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Flamme radial begrenzt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Flamme radial durch ein Gehäuse aus Metall oder feuerfestem Material begrenzt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Flammentemperatur, gegenüber der aus einer Verbrennung mit Luft, niederer hält.