Brenner zur Verbrennung von Abgasen

Abstract

 Es wird ein Brenner zum Verbrennen von Abgasen, insbesondere aus kerntechnischen Anlagen, mit Hilfe von Oxidationsmitteln beschrieben, der raumsparend, leicht handhabbar und betriebssicher ist und außerdem wenig Sekundärabgas liefert. Dazu sind in einem Hochtemperaturteil Mischkammern (3;5) hintereinander angeordnet, mit tangential angebrachten Zuführungen (2;8) für das Oxidationsmittel. Außerdem wird der Hochtemperaturteil von zwei oder mehreren gesondert gesteuerten Heizwicklungen (6;9) erhitzt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Verbrennen von Abgasen mit Hilfe von Oxidationsmitteln, insbesondere von Abgasen aus kerntechnischen Prozessen, bestehend aus einem Hochtemperaturteil mit Mischkammern und einem Nachreaktionsteil.

[0002] Das gesteigerte Umweltbewußtsein und die schärferen Abgasgesetze haben die Anwendung der thermischen Nachverbrennung in den letzten Jahren stark vorangetrieben.

[0003] Üblicherweise bestehen Anlagen zur Verbrennung von schadstoffhaltigen, brennbaren Abgasen aus einem Brenner, einer Brennkammer und einem Wärmetauscher. Die Konzentration der entstehenden brennbaren Abgase ist bei den meisten technischen Prozessen stark schwankend, so daß, um eine ausreichende Verbrennung zu gewährleisten, eine Stützfeuerung vorhanden sein muß. Diese Stützbrenner werden normalerweise mit Propan, Erdgas oder Öl als Brenngas betrieben.

[0004] Für die Abgasverbrennung werden in der Regel sehr weite Betriebsbereiche der Brenner verlangt. Dem steht jedoch entgegen, daß sich die Leistung der meisten Verbrennungsvorrichtungen nicht unter 20 % des Maximalwertes drosseln läßt, da die Brenner dann instabil werden und gegebenenfalls verlöschen.

[0005] Solche Brenner müssen je nach Betriebsart und Wärmelast über sogenannte Zündeinrichtungen, z.B. Zündbrenner, über Flammenwächter, z.B. UV-Zellen, und über Steuergeräte, z.B. Begrenzer, Schalter, Regler, verfügen. Die Kopplung von Flammenwächter und Steuergerät erfolgt im sogenannten Feuerungsautomat. Im Steuerungsteil des Feuerungsautomaten laufen, je nach Brennerleistung, verschiedene, genau vorgeschriebene Zeitzyklen zum Zünden, Spülen und Wiederzünden der Flamme ab.

[0006] Die Verbrennung der Abgase erfolgt zum überwiegenden Teil in der Flamme des Brenners, der sogenannten Hochtemperaturzone, während die Brennkammer als Nachreaktionszone dient.

[0007] Die bekannten Brenner zur Verbrennung von Abgasen benötigen einen erheblichen regelungstechnischen Aufwand. Hierzu kommen noch Rohrleitungen für den Brennstoff des Stützbrenners, für die Luftzufuhr des Stützbrenners, für den Brennstoff des Zündbrenners und für die Luft des Zündbrenners.

[0008] Die Rohrleitungen müssen normalerweise über je ein Regelventil und über je ein Schnellschlußventil verfügen. Alle diese geforderten technischen Einrichtungen sind aber mögliche Störungsquellen.

[0009] Die Anwendung dieser raumaufwendigen und störanfälligen Technologien zur Verbrennung von Abgasen in kerntechnischen Kontrollbereichen, insbesondere in der Boxentechnik, ist somit sehr problematisch.

[0010] So ist die Handhabung brennbarer Stoffe in geschlossenen Boxen nach Möglichkeit zu minimieren. Boxenraum ist teuer, für die erforderlichen Rohrleitungen wird aber erheblich Platz benötigt, zumal alle Einbauten mit der Manipulatortechnik handhabbar sein müssen. Außerdem produziert ein konventionell gefeuerter Brenner zusätzliches Abgas, was wiederum zur Vergrößerung der notwendigen Absolutfilter führt.

[0011] Unter Umständen wird beim Anfahren des Brenners durch häufige Zündversuche sehr viel Ruß produziert. Dieser verstopft dann die nachfolgenden Filtereinrichtungen und führt zu Betriebsunterbrechungen. Außerdem führt Stromausfall zu einer spontanen Abschaltung der Stützflamme. Dadurch wird durch den Feuerungsautomat die Spülung der Brennkammer mit Luft oder Inertgas eingeleitet. Auch in diesem Fall wird Ruß produziert, da weiterhin Abgas zur Verbrennung ansteht.

[0012] Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner zum Verbrennen von Abgasen mit Hilfe von Oxidationsmitteln, insbesondere von Abgasen aus kerntechnischen Prozessen zu entwickeln, bestehend aus einem Hochtemperaturteil mit Mischkammern und einem Nachreaktionsteil, der raumsparend und betriebssicher ist, wenig Sekundärabgas liefert, leicht handhabbar ist und kritikalitätssicher ausgeführt werden kann.

[0013] Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Hochtemperaturteil zwei oder mehrere von voneinander unabhängigen Heizkreisen gesteuerte Heizwicklungen angeordnet sind und daß in der ersten der hintereinander angeordneten Mischkammern tangential vier Zuführungen für das Oxidationsmittel und in den weiteren Mischkammern tangential jeweils zwei Zuführungen für das Oxidationsmittel angebracht sind. Vorzugsweise ist die erste Mischkammer zur Hochtemperaturzone hin konisch erweitert. Weiterhin ist es vorteilhaft, das Verhältnis Mischkammerausgangsdurchmesser D zu Mischkammereingangsdurchmesser d der ersten Mischkammer so zu wählen, daß der Wert zwischen 1,2 und 1,5 liegt. Als günstig hat es sich auch herausgestellt, durch Rohreinsätze den freien Durchmesser des Hochtemperaturteils variabel gestalten zu können.

[0014] Bei der Verwendung des Brenners in abgeschlossenen Boxen ist es vorteilhaft, den Hochtemperaturteil aus Einzelteilen zusammenzusetzen, die einzeln durch eine Deckelöffnung aus dem Gehäuse des Hochtemperaturteils entfernt werden können.

[0015] Ein solcher Brenner ist leicht handhabbar und betriebssicher, raumsparend und liefert keine zusätzlichen Sekundärabgase, wie sie bei einer Stützfeuerung zwangsläufig entstehen.

[0016] Die Aufteilung der Verbrennung der schadstoffhaltigen, brennbaren Abgase in mehrere Abschnitte mit gesonderten Mischkammern und gesondert gesteuerten Heizwicklungen erbringt im Zusammenwirken mit der tangentialen Zuführung des Oxidationsmittels, im Normalfall Luft, eine optimale, praktisch quantitative Umsetzung der Schadstoffe. Auf eine Stützfeuerung kann völlig verzichtet werden, so daß keine zusätzlichen Abgase entstehen.

[0017] Die Abbildungen I und II zeigen schematisch eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners, wobei Abbildung I einen Längsschnitt und Abbildung II einen Querschnitt entsprechend der Linie A-B wiedergibt.

[0018] Die Abgase strömen dem Brenner im Hochtemperaturteil (18) durch den Anschluß (1) an der ersten Mischkammer (3) mittig zu. In der konischen Mischkammer (3) befinden sich an vier Stellen über den Umfang verteilt tangential angeordnete Zuführungen (2) für das Oxidationsmittel. Die Konizität begünstigt die Durchmischung des Abgases mit dem Oxidationsmittel. Hierfür wird vorzugsweise Luft oder z.B. ein Luft-Sauerstoffgemisch verwendet. Es hat sich als günstig herausgestellt, wenn das Öffnungsverhältnis der ersten Mischkammer (3), Austrittsdurchmesser (D) zu Eintrittsdurchmesser (d), im Bereich von 1,2 bis 1,5 liegt. Das Abgas-Luftgemisch strömt nach der ersten Mischkammer (3) in die erste Hochtemperaturzone (19) und zündet an der Heizwendel (6) des ersten elektrischen Heizkreises. In dieser ersten Hochtemperaturzone (19) findet eine leicht unterstöchiometrische Verbrennung statt.

[0019] In der nächsten Mischkammer (5) wird über zwei Zuführungen (8) ebenfalls tangential Oxidationsmittel (Luft, Sauerstoff oder Luft-Sauerstoffgemisch) überstöchiometrisch eingeblasen und in der zweiten Hochtemperaturzone (20) mit Hilfe der zweiten Heizwendel (9) das Gemisch weiterverbrannt. Die Art, mehrere Mischkammern (3,5) und Hochtemperaturzonen (19,20) hintereinander anzuordnen, verhindert die Überhitzung an einer Stelle des Brenners. Ebenso wird die Bildung von Stickoxiden stark eingeschränkt. Nach der Reaktion in der letzten Hochtemperaturzone (20) strömt das Gas durch den Endring (10) und die Flanschverbindung (11) in den Nachreaktionsteil (17) des Brenners. Der Endring (10) dient vornehmlich der Wärmeabfuhr und ist vorzugsweise aus Aluminiumoxid angefertigt.

[0020] Der Nachreaktionsteil (17) besteht aus einem außen beheizten Rohr (14) mit innenliegendem Verdrängkörper (13). Der so entstehende Ringraum mit beispielsweise maximal 100 mm Ringspaltweite, je nach Spaltstoffkonzentration in einem aus kerntechnischen Anlagen stammenden Abgas, wird zur Nachreaktion bei Temperaturen um 800 °C verwendet. Zum Schutz des Verdrängkörpers (13) ist an dessen Vorderseite zum Hochtemperaturteil (18) hin eine keramische Spitze (12) angebracht. An der gegenüberliegenden Seite des Verdrängkörpers (13) befinden sich Kühlanschlüsse (16).

[0021] Die Rauchgase entweichen durch den Stutzen (22), der radial am Ende des Nachreaktionsteils (17) angebracht ist.

[0022] Die Möglichkeit, den freien Durchmesser des Hochtemperaturteils (18) durch Rohreinsätze (7) zur Anpassung an verschiedene Spaltstoffgehalte zu variieren, macht den Brenner vor allem auch für kerntechnische Einsätze brauchbar. Außerdem dienen die Rohreinsätze (7) zum Schutz der Heizwendel (6,9) vor Korrosion und Übertemperatur.

[0023] Für den kerntechnischen Boxenbetrieb stellt sich als besonders günstig dar, daß die Einzelteile (5,6,7,8,9,10) des Hochtemperaturteils (18) nach Entfernen des Deckels (4) herausnehmbar sind.

[0024] Die Einfachheit der Regelung, es werden nur elektrische Heizungen mit Hilfe von Thermoelementen geregelt, sowie das Fehlen der Anschlußleitungen herkömmlicher Brenner, machen den Brenner sehr betriebssicher und raumsparend. Hervorzuheben sind vor allem die absolute Zündsicherheit und der gute Ausbrand in weiten Bereichen des Abgas-Luftverhältnisses. Wichtige Meßstellen, vor allem zur Regelung der Heizungen werden doppelt überwacht. Am Ende des Hochtemperaturteils (18) befindet sich die vorgeschriebene Meßstelle (21) für die Brennkammeraustrittstemperatur. Der Brenner kann auch mit den vorgeschriebenen Einspeiseverriegelungen ausgerüstet werden.

[0025] Bei Stromausfall wird für eine gewisse Zeit das noch zugeführte Abgas am heißen Brennerstein gezündet und sicher verbrannt. Die Anlage kann dann ohne Rußbildung bzw. Freisetzung unverbrannter Schadgase langsam abgefahren werden.

Ansprüche

1. Brenner zum Verbrennen von Abgasen mit Hilfe von Oxidationsmitteln, insbesondere von Abgasen aus kerntechnischen Prozessen, bestehend aus einem Hochtemperaturteil mit Mischkammern und einem Nachreaktionsteil, dadurch qekennzeichnet, daß im Hochtemperaturteil (18) zwei oder mehrere von voneinander unabhängigen Heizkreisen gesteuerte Heizwicklungen (6,9) angeordnet sind, und daß in der ersten der hintereinander angeordneten Mischkammern (3) tangential vier Zuführungen (2) für das Oxidationsmittel und in den weiteren Mischkammern (5) tangential jeweils zwei Zuführungen (8) für das Oxidationsmittel angebracht sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Mischkammer (3) zur Hochtemperaturzone (19) hin konisch erweitert ist.

3. Brenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Mischkammerausgangsdurchmesser D zu Mischkammereingangsdurchmesser d der ersten Mischkammer (3) zwischen 1,2 und 1,5 liegt.

4. Brenner nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Durchmesser des Hochtemperaturteils (18) durch Rohreinsätze (7) variabel ist.

5. Brenner nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperaturteil (18) aus Einzelbausteinen (5,6,7,8,9,10) besteht, die durch einen Deckel (4) axial aus dem Gehäuse des Hochtemperaturteils (18) entfernt werden können.

Zeichnung