[0001] 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.
[0002] 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.
[0003] Um einen vollständigen Ausbrand in einem Feuerraum sicherzustellen, wird zusätzlich
sog. Sekundärgas, beispielsweise Luft, Sauerstoff O
2, 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.
[0004] 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.
[0005] In "
Görner, K., Klasen, Th.: Sekundärluftprisma zur Optimierung der Sekundärlufteindüsung,
Umdruck zum VDI-Fortbildungsseminar "BAT- und preisorientierte Dioxin-/Gesamtemissionsminderungstechniken",
München 14.-15. September 2000 "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 Temelli, während eine zweite Variante auf einem strömungsoptimierten feststehenden
Balken, Bauart Kümmel, basiert.
[0006] In
BE-421465-A und
DE 134819-A werden zudem vertikal ausgerichtete Rohr-strukturen bzw. horizontal von oben durchströmte
Siebstrukturen mit Einleitungsöffnungen für Sekundärluft für eine Nachverbrennung
vorgeschlagen. In
JP200124830 wird eine Gitterstruktur zur Einspeisung von Sekundärluft beschrieben.
[0007] Die aufgezeigten Konzepte weisen jedoch prinzipbedingte Nachteile auf.
[0008] 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 Verbrennungsvorgänge. 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] Die Erfindung zeichnet sich durch eine Gitterstruktur aus, welche quer zum Strahlungszug
angeordnet ist und den Querschnitt des Strahlungszug dabei vollständig überspannt.
Die Gitterstruktur umfasst eine netzförmige Gewölbestruktur.
[0013] 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.
[0014] Die Gitterstruktur ist ein hohler Formkörper mit einer inneren Kavität. Der Formkörper
weist 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
an.
[0015] 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.
[0016] Die wesentlichen Abmessungen der Gitterstruktur, wie beispielsweise die Maschenweite
der Gitterstruktur oder die Größe und die Verteilung der Durchbrüche, bestimmen die
Mischungswege der eingedüsten 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] Einzelheiten werden anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Gitterstruktur, die nicht Teil der Erfindung ist, eingesetzt in einen
Feuerraum, sowie
Fig. 2a bis d verschiedene Beispiele der Gitterstruktur.
[0021] In Fig. 1 schematisch dargestellt ist eine 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.
[0022] 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.
[0023] Mögliche Anordnungen der Röhren in der Gitterstruktur sind in den Figuren 2a bis
d dargestellt. Grundsätzlich unterscheiden sich zwei Grundanordnungen der Gitterstrukturen.
Weitere Anordnungen oder auch Kombinationen aus mehreren Anordnungen sind denkbar.
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.
[0024] Die eine Grundanordnung ist in den Figuren 2a 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.
[0025] Die zweite Grundanordnung ähnelt einem Gitter mit jeweils parallel zueinander verlaufenden
Versorgungsröhren 4 und Verteilerröhren 5. Sie ist beispielhaft in Fig. 2d 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.
[0026] 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.
[0027] 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.
[0028] 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
Bezugszeichenliste:
[0030]
- 1
- Gitterstruktur
- 2
- Wand
- 3
- Strömungsrichtung
- 4
- Versorgungsröhren
- 5
- Verteilerröhren
1. Vorrichtung mit Brennkammer und Strahlungszug zur flächenhaften Einmischung von Sekundärgas
in heiße Feuerungsgase in den Strahlungszug der Brennkammer mit einem Strömungsquerschnitt,
umfassend eine Gitterstruktur (1), welche quer zum Strahlungszug angeordnet den Querschnitt
vollständig überspannt, wobei die Gitterstruktur (1) ein hohler Formkörper (4,5)mit
einer inneren Kavität ist, diese Wandungen mit Durchbrüchen aufweist und die Durchbrüche
die Lufteinlässe bilden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gitterstruktur (1) eine netzförmige Gewölbestruktur umfasst, die im Strahlungszug
von unten nach oben durchströmt wird.
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.
1. Device with a combustion chamber and radiative area for extensive mixing of a secondary
gas into hot furnace gases in the radiative area of the combustion chamber with a
flow cross section, comprising a grid structure (1), which is arranged across the
radiative area and completely spans the cross section, whereby the grid structure
(1) has a hollow body (4, 5) with an inner cavity with walls with openings and these
openings form air inlets, characterised in that the grid structure (1) comprising a net-shaped vault structure with the flow from
the bottom to the top in the radiative area.
2. Device according to claim 1, whereby the walls are manufactured from a porous material
with open pores and the openings are formed through the open pores.
3. Device according to claim 1, whereby the walls are manufactured from a gas-tight material
and the openings are local openings in the walls.
4. Device according to claim 2 or 3, whereby the material is high temperature resistant
or fire-resistant ceramic.
5. Device according to claim 2 or 3, whereby the material is a metal.
1. Dispositif comportant une chambre de combustion et une zone radiative pour mélanger
de manière surfacique un gaz secondaire dans des gaz de combustion chauds dans la
zone radiative de la chambre de combustion ayant une section d'écoulement comprenant
une structure en forme de grille (1) dirigée transversalement à la zone radiative
et chevauchant complètement la section,
- la structure de grille (1) étant un corps moulé creux (4, 5) avec une cavité intérieure
et muni de parois avec des passages qui constituent des entrées d'air,
dispositif caractérisé en ce que
la structure de grille (1) comprend une structure d'ossature en forme de réseau traversé
de bas en haut dans la zone radiative.
2. Dispositif selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
les parois sont réalisées en un matériau à porosité ouverte et les passages sont constitués
par la porosité ouverte.
3. Dispositif selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
les parois sont réalisées en un matériau étanche aux gaz et les passages sont des
ouvertures locales dans les parois.
4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3,
caractérisé en ce que
la matière est une céramique très réfractaire ou résistant au feu.
5. Dispositif selon la revendication 2 ou 3,
caractérisé en ce que
la matière est un métal.