EP1561073A2 - Vorrichtung zur flächenhaften gaseinmischung in einen strahlungszug - Google Patents

Description

Vorrichtung zur flächenhaf en Gaseinmischung in einen

Strahlungszug

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur flächenhaften Einmischung von Sekundärgas, wie z. B. Luft, Sauerstoff oder andere gasförmige Reaktionsmittel, in heiße Feuerungsgase in^' einen Strahlungszug einer Brennkammer gemäß des ersten Patentanspruchs.

Brennkammern und Strahlungszüge stellen zentrale Bestandteile einer Verbrennungsanlage dar. Sie bilden den Feuerraum, in dem ein Brennstoff kontinuierlich verbrannt wird. Dabei stellt sich ausgehend von der Brennkammer durch den Strahlungszug eine Strömung aus Feuerungsgasen aus dieser Verbrennung im Feuerraum ein, welcher zur Ausnutzung der Verbrennungsenergie üblicherweise durch oder an nachgeschalteten oder im Feuerraum eingebauten Wärmeüberträgern geleitet wird. Einen wesentlichen Einfluss auf die Strömung wie auch auf den Ausbrand und auf die Schadgasbildung nehmen neben den Abmessungen des Feuerraums insbesondere die Prozessbedingungen der Verbrennung.

Um einen vollständigen Ausbrand in einem Feuerraum sicherzustellen, wird zusätzlich sog. Sekundärgas, beispielsweise Luft, Sauerstoff 0₂, rezykliertes Rauchgas oder Wasserdampf, in den Strahlungszug mit hohen lokalen Impulsen und zur Sicherstellung einer guten Durchdringung der Strömung im hohen Überschuss eingedüst. Hierdurch erhält die Verbrennung zusätzlich Sauerstoff, welche die noch nicht verbrannten Anteile des Brennstoffs zur Verbrennung bringen. Üblicherweise erfolgt eine Eindüsung von Sekundärgas über Düsenreihen, vorzugsweise im Bereich des engsten Querschnitts zwischen Brennkammer und Strahlungszug.

Strömungs-, Temperatur-, Sauerstoff- und Schadgasverteilung sind über dem Querschnitt der Strahlungszüge meist sehr ungleichförmig und können auch durch einen Mischungsimpuls, d. h. durch Eindüsung von Sekundärgas oder anderen gasförmigen Medien nicht vollständig beseitigt werden. Häufig treten auch ausgeprägte Strähnen aus Feuerungsgasen auf, in denen Sauerstoffmangel vorliegt. Sie begünstigen Korrosionserscheinungen vorwiegend in den Strahlungszügen, aber auch an den eingebauten Wärmeüberträgern. Infolge der ungleichförmigen Sauerstoffverteilung können organische Schadstoffe sowie CO im Rauchgas meist nicht vollständig verbrannt werden. Eine erforderliche Güte einer Vermischung ist jedoch nur mit einer Eindüsung mit Parametern in einem genau vorgegebenen Bereich erzielbar, wobei dieser bei einer Änderung der Betriebsbedingungen, beispielsweise im Teillastbereich, jeweils anzupassen ist.

In [1] werden unterschiedliche Konzepte und Vorrichtungen zur Eindüsung von Sekundärluft beschrieben. Die Eindüsung erfolgt bei einem ersten Konzept mit Düsen, angeordnet ausschließlich in der Feuerraumwand. Eine möglichst effektive Verwirbelung und damit eine Durchmischung der eingedüsten Sekundärluft mit der Strömung wird durch eine optimierte Anordnung und Ausrichtung der Düsen in der Feuerraumwand angestrebt. Grundsätzlich versucht man also, allein durch Anordnung und Ausrichtung der Düsen bestimmte zwei- oder dreidimensionale Strömungsmuster, wie z.B. Strömungswalzen oder Wirbelströmungen, zu erhalten. In einem zweiten Konzept wird im engsten Querschnitt, d. h. im Übergang von der Brennkammer zum Strahlungszug, zusätzlich ein Balken mit zusätzlichen Düsen eingesetzt. Eine erste Variante dieses Konzeptes verwendet einen rotierenden Balken, Bauart Temel- li, während eine zweite Variante auf einem strömungsopti- mierten feststehenden Balken, Bauart Kümmel, basiert.

Die aufgezeigten Konzepte weisen jedoch prinzipbedingte Nachteile auf.

Eine zuverlässige Einmischung von Sekundärgas über Düsen, welche ausschließlich in der Feuerraumwand angeordnet sind, setzt bestimmte einzuhaltende Strömungsmuster für einen homogenisierenden Mischungsprozess voraus. Derartige Konzepte eignen sich daher nur bedingt für instationäre Verbren- nungsvorgänge . Diese Einschränkung tritt mit zunehmenden

Querschnitt der Strömung zunehmend in den Vordergrund, da die zu überbrückenden Wegstrecken der Strömung und dem Sekundärgas bei einer Vermischung mit den Abmessungen steigen.

Auch Balken, ob rotierend oder nicht rotierend, oder auch andere Verdrängungskörper eignen sich nicht für alle Feuerraumgeometrien. Vielmehr ist mit dem Auftreten auch größerer Druckgradienten und den damit verbundenen unerwünschten Effekten, wie beispielsweise Temperaturgradienten mit Entmischungs-, Kondensations- und Kavitationseffekten im Feuerraum zu rechnen, welche der Erzielung eines möglichst vollständigen Ausbrands entgegenwirken. Zudem sind bei Temperaturen oberhalb von 800°C rotierende Luftverteilerbalken mechanisch sehr aufwendig, störanfällig und damit teuer.

Ausgehend davon hat nun die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Vorrichtung zur flächenhaften Einmischung von Sekundärgas, wie z. B. Luft, Sauerstoff oder andere gasförmige Reaktionsmittel, in heiße Feuerungsgase in einen Strahlungszug einer Brennkammer vorzuschlagen, welche eine zuverlässige Einmischung insbesondere auch bei instationären Verbrennungsvorgängen oder im Teillastbereich sicherstellt und dabei ohne beweglichen Teile auskommt.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung die Merkmale gemäß dem Patentanspruch 1 vor. Weitere, vorteilhafte und die Erfindung weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüche angeführt.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere durch eine Gitterstruktur aus, welche quer zum Strahlungszug angeordnet ist und den Querschnitt des Strahlungszug dabei vollständig überspannt. Die Gitterstruktur ähnelt einem Sieb, Netz oder einem Rechen und wird durch Röhren oder andere Hohlkörper gebildet. Diese sind entweder aus einem Material mit offe- ner, d. h. durchgängiger Porosität hergestellt oder weisen

Wandungen mit Durchbrüchen auf, wobei die durchgängige Porosität und die Durchbrüche Lufteinlässe bilden. Die Einleitung des Sekundärgases in die Gitterstruktur erfolgt mit Anschlüssen vorzugsweise an und durch die Wände des Feuerraumes bzw. des Strahlungszuges über die Enden der Gitterstruktur, an denen sich die Gitterstruktur im Feuerraum abstützt.

Ebenso ist die Gitterstruktur auch ohne Röhren als hohler Formkörper mit einer inneren Kavität gestaltbar. Wie die zuvor beschriebenen Röhren weist der Formkörper Durchbrüche zwischen der Kavität und der Umgebung auf, d.h. die Wandung ist entweder aus einem Material mit offener, d. h. durchgängiger Porosität, beispielsweise als Sinterformkörper, hergestellt oder weist diskrete Durchbrüche als Lufteinlässe auf. Mit einer entsprechenden Gestaltung der Durchbrüche als offene Porosität lässt sich durch eine flächigen Eindüsung des Sekundärgases zudem die Gitterstruktur vor thermischer und chemischer Korrosion schützen. Die Gitterstruktur lässt sich zudem je nach Einsatzgebiet aus einer Keramik oder einem Metall herstellen. Soll die Gitterstruktur insbesondere hohen Temperaturen widerstehen und dabei auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen, bieten sich hochtemperaturbeständige oder feuerfeste Keramiken als Material für die Röhren an. Metallische Röhren bieten sich insbesondere bei moderaten Temperaturen dann an, wenn eine höhere mechanische oder thermische Wechselfestigkeit erforderlich ist.

Durch Einsetzen einer derartigen Gitterstruktur über dem gesamten Querschnitt der Brennkammer bzw. des Strahlungszuges oberhalb des Feuerraumes wird die Voraussetzung geschaffen, den benötigten Sauerstoff in die Feuerungsgase vollständig einzumischen. Es bietet sich an, die Gitterstruktur als selbsttragendes Gewölbe auszuführen, welches sich ringsum an den Wänden des Strahlungszuges abstützt. Die wesentlichen Abmessungen der Gitterstruktur, wie beispielsweise die Maschenweite der Gitterstruktur oder die Größe und die Verteilung der Durchbrüche, bestimmen die Mischungswege der ein- gedüsten Zwischengas mit der Strömung. Sie beeinflussen dadurch signifikant die Geschwindigkeit der Einmischung und damit die Zuverlässigkeit eines hohen Ausbrands. Dadurch reicht die Geschwindigkeitserhöhung, die sich aufgrund der Querschnittsverlegung durch die Rohre der Gitterstruktur ergibt, aus, um das aus den Rohren ausströmenden Zwischengas vollständig in die Feuerungsgase einzumischen. Die NachlaufStrömung stromabwärts der Gitterstruktur unterstützt zusätzlich den Vermischungsvorgang. Der praktische Vorteil liegt vor allem aber darin, dass der hohe Ausbrand weitgehend unabhängig von den Strömungs- und Mischungsverhältnissen erzielbar ist, da mit der Kürze von Mischungswegen die Bedeutung eines bestimmten Strömungszustandes für eine Vermischung zunehmend in den Hintergrund tritt. Auch entfällt praktisch eine Obergrenze des Feuerraumquerschnitts im Strahlungszug, in der eine zuverlässige Einmischung aufgrund der vorherrschenden Strömungsverhältnisse ohne Gitterstruktur gerade noch möglich wäre. Die Erfindung eignet sich daher in besonderem Maße für Großverbrennungsanlagen. Zudem wird nicht nur ein hoher Ausbrand unabhängig vom Betriebszustand erzielt, sondern vor allem auch bei der Verbrennung unterschiedlicher Brennstoffe, ohne dass es einer Umrüstung der Vorrichtung zur flächenhaften Einmischung von Sekundärgas bedarf.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass wegen der hohen Mischgüte und des damit erzielbaren zuverlässig hohen Ausbrands unabhängig von der Verbrennung der Verbrennungsprozess im Feuerraum ohne Rücksicht auf Emissionswerte optimierbar ist, beispielsweise hinsichtlich einer primärseitigen Stickoxidminderung, hinsichtlich reduzierter Rosttemperaturen bei heizwertreichem Brennstoff oder hinsichtlich minimierter Rauchgasmengen. Eventuell auftretende hohe CO-Konzentrationen in der Strömung werden in jedem Fall durch die Sauerstoffeinmischung über die Gitterstruktur zuverlässig reduziert. Es bietet sich auch an, mehrere Gitterstrukturen gemäß der Erfindung in der Strömung hintereinander anzuordnen. Hierdurch wird eine Sauerstoffeinmischung oder eine gezielte Einmischung eines Reaktionsmittels in Stufen möglich. Beispielsweise erfolgt in einer Stufe eine Pyrolyse oder eine Vergasung, während die eigentliche Nachverbrennung erst in einer zweiten Stufe vorgesehen ist, was vor allem eine geringere Rostbelastung bei heizwertreichen Abfällen bewirkt.

Eine sektorielle Hintereinanderschaltung von mehreren Gitterstrukturen ermöglicht zusätzlich die gezielte Vergleichmäßigung der Strömung des gesamten Rauchgasstromes und den Ausgleich extrem ungleichförmiger Strömungen über dem Strahlungszug im Feuerraum. Diese Option ist besonders für Strahlungszüge mit großem Querschnitt oder bei ausgeprägter Schichtströmung interessant.

Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Gitterstruktur, eingesetzt in einen Feuerraum, sowie

Fig. 2 a bis d verschiedene Ausführungsformen der Gitterstruktur .

Wie eingangs beschrieben und in Fig. 1 schematisch dargestellt, besteht die Erfindung im wesentlichen aus einer Gitterstruktur 1, welche sich an den Wänden 2 des Feuerraumes abstützt und den Querschnitt zwischen diesen Wänden des Strahlungszugs vollständig überspannt. Ferner ist in Fig. 1 die Strömungsrichtung 3 der Strömung mit einem Pfeil angedeutet, welche die Gitterstruktur mit seinem gesamten Volumenstrom durchströmt. Die Gitterstruktur im Feuerraum ist für die Erzielung einer effektiven Lufteinmischung strömungstechnisch an die Strömung anzupassen. Dabei ist es grundsätzlich unerheblich, ob die Gitterstruktur einen engsten Querschnitt wie in Fig. 1 oder einen anderen Querschnitt im Feuerraum überspannt.

Die Gitterstruktur ist in Fig. 1 als einfach gebogene Gitterfläche dargestellt. Es sind alternativ Gewölbestrukturen wie auch gewellte, mehrfach gebogene, geknickte oder plane, d. h. praktisch beliebig geformte Gitterflächen einsetzbar.

Mögliche Anordnungen der Röhren in der Gitterstruktur sind in den Figuren 2 a bis d dargestellt. Grundsätzlich unterscheiden sich zwei Grundanordnungen der Gitterstrukturen. Weitere Anordnungen oder auch Kombinationen aus mehreren Anordnungen sind denkbar und sind durch die Erfindung mit abgedeckt. Ferner sind auch Gitterstrukturen dieser Art denkbar, welche nicht nur aus Röhren, sondern auch aus anderen Hohlkörpern, beispielsweise separaten Hohlblöcken mit integrierten Verteilerkanälen oder Drosseln oder Abzweigungsmuffen, bestehen.

Die eine Grundanordnung ist in den Figuren 2 a bis c dargestellt und ähnelt in ihrem Grundaufbau einem Spinnennetz. Sie besteht aus sternförmig von einem Gittermittelpunkt auslaufenden Versorgungsröhren 4 welche untereinander mit Verteilerröhren 5 verbunden sind. Die Zuleitung des Sekundärgases erfolgt durch die Wand des Feuerraums in die Enden der Versorgungsröhren und von diesen in die Verteilerröhren .

Die zweite Grundanordnung ähnelt einem Gitter mit jeweils parallel zueinander verlaufenden Versorgungsröhren 4 und Verteilerröhren 5. Sie ist beispielhaft in Fig. 2 d dargestellt. Bei einer weiteren Variante dieser Grundanordnung sind die Verteilerröhren ebenfalls als Versorgungsleitungen mit je einem endseitigem Anschluss für die Zuleitung von Sekundärgas an der Wand des Feuerraumes ausgestattet. Die Verteilerröhren sowie optional auch die Versorgungsröhren weisen die eingangs genannten Durchbrüche auf. Je nach Auslegung ist die Gitterstruktur auch ohne Verteilerröhren einsetzbar, wobei naturgemäß die Versorgungsleitungen zwingend mit Durchbrüchen zu versehen sind.

Vor dem Hintergrund der vorherrschenden hohen Temperaturen im Feuerraum im Bereich der Gitterstruktur bietet es sich an, diese aus einer hochtemperaturfesten oder feuerfesten Keramik herzustellen. Kommt es mehr auf eine mechanische Festigkeit bei einem eher moderaten Einsatztemperaturniveau an, bietet sich die pulvermetallurgische Herstellung mit einem Sintermetall an.

Die Herstellung erfolgt durch einen Sinterprozess vorzugsweise drucklos, wobei die Sinterparameter so eingestellt werden, dass die Wandung der Röhren eine offene Porosität als Durchbrüche aufweisen. Gitterstrukturen mit Versorgungsröhren ohne und Verteilungsröhren mit Durchbrüchen in den Wandungen werden vorzugsweise in einem mehrstufigen Herstellungsprozess gefertigt, wobei die Versorgungsröhren als fertig- und dichtgesinterte Bauteile in einem zweiten Fertigungsschritt verarbeitet werden.

Literatur

[1] Görner, K., Klasen, Th.: Sekundärluftprisma zur Optimierung der Sekundärlufteindüsung, Umdruck zum VDI-Fortbil- dungsseminar „BAT- und preisorientierte Dioxin-/Gesamte- missionsminderungstechniken" , München 14.-15. September 2000

Bezugs zeichenliste :_

1 Gitterstruktur

2 Wand

3 Strömungsrichtung

4 Versorgungsröhren

5 Verteilerröhren

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur flächenhaften Einmischung von Sekundärgas in heiße Feuerungsgase in einen Strahlungszug einer Brennkammer mit einem Strömungsquerschnitt, umfassend eine Gitterstruktur, welche quer zum Strahlungszug angeordnet den Querschnitt vollständig überspannt, wobei die Gitterstruktur durch Röhren oder durch andere Hohlkörper gebildet ist, diese Wandungen mit Durchbrüchen aufweisen und die Durchbrüche die Lufteinlässe bilden.

2. Vorrichtung, nach Anspruch 1, wobei die Wandungen aus einem Material mit offener Porosität hergestellt sind und die Durchbrüche durch die offene Porosität gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wandungen aus einem gasdichten Material hergestellt sind und die Durchbrüche lokale Öffnungen in den Wandungen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Material eine hochtemperaturbeständige oder feuerfeste Keramik ist .

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Material ein Metall ist.