DE2203083A1

DE2203083A1 - Exhaust gas afterburner - which reduces back pressure by dynamic action of injected fuel gas or oil

Info

Publication number: DE2203083A1
Application number: DE19722203083
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Linde Joachim Von; Dipl-Ing Linde Robert Von
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-01-22
Filing date: 1972-01-22
Publication date: 1973-07-26

Abstract

An afterburner for the utilisation of the heat contained in the exhaust gases of i.c. engines and gas turbines introduces a gaseous or liquid fuel so that the dynamic action of the latter assists the inflow of the exhaust gases. The fuel gas contains >=21 vol.% O2 and can be mixed with waste gas from the after combustion chamber. Deterioration in the thermal efficiency of the engines by back pressure in the exhaust gas piping is thus prevented. The dynamic action can also be utilised to recycle waste gas from the combustion chamber.

Description

Nachbrenner für die Abgase von Verbrennungskrafernaschinen Die vorliegende Erfindung betrifft Vorschläge zur besseren Ausnutzung der fuhlbaren Wärme im Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Gasturbinen und Kolbenmaschinen mit SpUlung.Afterburner for the exhaust gases from internal combustion engines The present The invention relates to proposals for better utilization of the sensible heat in the exhaust gas of internal combustion engines, in particular of gas turbines and piston engines with flushing.

Bekanntlich wird bei den Brennkraftmaschinen nur ein Teil - etwa ein Drittel - der im Brennstoff zugefuhrten Energie in mechanische Leistung umgesetzt, während der Rest zum größten Teil als fühlbare Wärme der heißen Abgase verloren geht, wenn er nicht in Abhitzekesseln oder Lufterwärmern nutzbar gemacht wird. FUr Abgase, die mit verhältnismaßig niederen Temperaturen, dafür aber noch mit einem hohen Sauerstoffgehalt anfallen - wie dies z,B. bei Gasturbinen der Fall ist - ist auch schon vorgeschlagen worden, sie einer zweiten Verbrennung zu unterziehen, bei der zusätzlicher Brennstoff mit dem Sauerstoff der Abgase reagiert. So sind z.B. Winderhitzer fUr Hochöfen mit Nachbrennern betrieben worden, in denen Gichtgas in das Abgas seiner Gasturbine eingebrannt wird.It is well known that internal combustion engines only have a part - about one Third - of the energy supplied in the fuel converted into mechanical power, while the rest is lost for the most part as sensible heat from the hot exhaust gases is possible if it is not made usable in waste heat boilers or air heaters. For Exhaust gases with relatively low temperatures, but still with one high oxygen content - such as this, for example. is the case with gas turbines - is it has also been suggested that they should be subjected to a second incineration the additional fuel reacts with the oxygen in the exhaust gases. E.g. Wind heaters for blast furnaces have been operated with afterburners in which furnace gas in the exhaust gas of its gas turbine is burned in.

Die Durchführung einer solchen Zweitverbrennung stößt nun auf erhebliche Schwierigkeiten, wenn ein solcher Brenner in größerem Abstand von der Brennkraftmaschine angeordnet ist, und das Abgas daher größere Leistungswidersttlnde überwinden muß oder wenn der Brenner gegen Drucke arbeiten muß, weil z,B. statische Widerstände wie bei Tauchbrennern oder hohe Austrittsgeschwindigkeiten der Abgase höhere DrUcke im Brennraum des Nachbrenners bedingen. In diesen Fallen müssen die Maschinenabgase unter höherem Druck zur Verfugung stehen. Ein erhöhter Gegendruck am Abgasaustritt der Maschine beeinflußt aber Leistung oder Spulung der Brennkraftmaschine in erheblichem Umfange. Gasturbinen sind im allgemeinen für den Druck der Atmosphäre als Gegendruck ausgelegt und die Erhöhung des Auspuff-Gegendrucks bedingt erhebliche Einbußen an Leistung. So sinkt die Leistung je 100 mm WS Gegendruck um 1 % oder macht Sonderausführungen (z.B. andere Schaufelformen) erforderlich. Oft soll auch nur ein Teil der Abgasmenge der weiteren Nutzung zuganglich gemacht werden und es wäre wirtschaftlich nicht vertretbar, das gesamte Abgas am Maschinenauspuff unter Druck zu setzen.The implementation of such a secondary combustion now encounters considerable Difficulties when such a burner is at a greater distance from the internal combustion engine is arranged, and the exhaust gas must therefore overcome greater power resistance or if the burner has to work against pressure, because z, B. static resistances As with immersion burners or high exit speeds of the exhaust gases, higher pressures in the combustion chamber of the afterburner. In these cases, the engine exhaust are available under higher pressure. An increased back pressure at the exhaust outlet but the machine has a considerable influence on the power or the winding of the internal combustion engine Scope. Gas turbines are generally used for atmospheric pressure as back pressure designed and the increase in the exhaust back pressure causes considerable losses Power. For example, the performance decreases by 1% for every 100 mm water column counterpressure or special designs are made (e.g. other blade shapes) required. Often only part of the exhaust gas should be used can be made available for further use and it would not be economical justifiable, the entire exhaust gas at the engine exhaust under pressure set.

Die vorliegende Erfindung soll diese Nachteile beseitigen und eine besonders anpassungsfahige Form der Abgasnutzung dadurch schaffen, daß der Zustrom der Abgase zu einem Nachbrenner durch die dynamische Wirkung eines der Verbrennung zugefuhrten Gases bewirkt oder unterstützt wird. Dabei kann dieses die Abgase fördernde Gas das Brenngas des Nachbrenners - z.B. Erdgas - sein, dem zwecks Erhöhung der Menge und zur Erhöhung der Treibwirkung Luft bis zu dem Maße zugesetzt wird, daß das Gemisch noch außerhalb der Brenngrenzen bleibt. Die Druckerhöhung im Abgasstrom kann gemaß der Erfindung auch wesentlich erhöht werden, wenn dem Treibgas vor dem Eintritt in die Treibdüse Wärme zugeführt wird. Der Impuls erhöht sich infolge des bei gleicher Masse erhöhten Volumens. Diese Erwärmung erfolgt hinter dem Fördergebläse und vor der TreibdUse und kann durch einen Zweigstrom des heißen Abgases erfolgen. Sofern der einzubrennende Brennstoff flüssig ist, kann ein Luftstrahl verwendet werden, um die Förderwirkung auf das Turbinenobgas auszuüben. Eine Vergrößerung der Treibgasmenge ist auch durch Zumischung von Abgas möglich. Dieses Treibgas ist in der Regel kalt oder mäßig warm, so dai3 es durch übliche Bauelemente leicht auf höhere Drücke gebracht werden kann, während sich die Maschinenabgase wegen ihrer hohen Temperatur (450 - 600 0 C) und geringen Wichte wesentlich schwieriger fördern lassen. Die Erfindung erlaubt es auch, den Brenner gegen höhere Widerstände arbeiten zu lassen, z.B. zur Überwindung von hydraulischen Widerständen, oder in geschlossenen Öfen oder um die Verbrennungsgase des Brenners mit hoher Geschwindigkeit austreten zu lassen.The present invention is intended to overcome these disadvantages and to provide a create a particularly adaptable form of exhaust gas use that the inflow the exhaust gases to an afterburner due to the dynamic action of one of the combustion supplied gas is effected or supported. This can promote the exhaust gases Gas can be the combustion gas of the afterburner - e.g. natural gas - which is used to increase the Amount and to increase the propellant effect air is added to the extent that the mixture still remains outside the burn limits. The pressure increase in the exhaust gas flow can also be increased significantly according to the invention if the propellant before Entry into the propellant nozzle heat is supplied. The momentum increases as a result of the with the same mass of increased volume. This heating takes place behind the conveyor fan and upstream of the propellant nozzle and can take place through a branch flow of the hot exhaust gas. If the fuel to be burned is liquid, an air jet can be used to exert the conveying effect on the turbine exhaust gas. An enlargement the amount of propellant gas is also possible by adding exhaust gas. This propellant is as a rule cold or moderately warm, so that it can easily be caused by the usual structural elements higher pressures can be brought while the engine exhaust because of their conveying high temperature (450-600 ° C.) and low specific gravity is much more difficult permit. The invention also allows the burner to work against higher resistances to leave, e.g. to overcome hydraulic resistance, or in closed Ovens or around the combustion gases of the burner escape at high speed allow.

Die dynamische Wirkung des Gasstrahls kann auch neben der Förderung der heißen Maschinenabgase zur Abgasruckfuhrung aus dem Brennraum des Brenners herangezogen werden. Insbesondere dann, wenn anstelle von Brenngas Heizöl bei der Nachverbrennung benützt wird, kann die Abgasrückfuhrung die Brennstoffaufbereitung fördern und die Verwendung von Hochleistungsbrennern überhaupt erst ermöglichen.The dynamic effect of the gas jet can also be used in addition to the promotion of the hot engine exhaust gases are used to recirculate the exhaust gas from the combustion chamber of the burner will. In particular if fuel oil is used instead of fuel gas in the afterburning process is used, the exhaust gas recirculation can promote the fuel preparation and the Enable the use of high-performance burners in the first place.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 - 3 im folgenden näher beschrieben.The invention is described in more detail below with reference to FIGS. 1-3.

In Fig. 1 stellt 1 die Zuleitung der heißen Abgase einer Brennkraftmaschine mit einer isolierten Leitung dar, die das Abgas dem Brennraum 2 zuführt. Diese Abgase enthalten bei Gasturbinen oder Zweitaktmotoren ca. 15 - 18 Vol % so daß eine weitere Verbrennung von Brennstoff möglich ist und haben eine Tem-0 peratur von 450 - 600 ° C. Ein Gebläse 3 bringt das Brenngas aus einer Leitung 12 auf einen höheren Druck und bläst das Gas mit hoher Geschwindigkeit aus einer Treibdüse 4 in das Mischrohr 5, in dem sich das Brenngas mit dem heissen Abgas mischt. Das Gemisch brennt hinter der Schulter 6 des Mischrohres, das ausgebrannte Verbrennungsgas verläßt die Brennkammer 2 mit hoher Geschwindigkeit bei 7. Die Saugwirkung im Mischrohr fördert auch heißes Verbrennungsgas aus dem Brennraum durch Öffnung 8 in das Mischrohr, wo die heißen Verbrennungsgase zum Aufbereiten des Brennstoffs beitragen. Heißes oder kaltes Druckgas aus Verbrennung in der Brennkammer 2 oder auch Maschinenabgas läßt sich auch schon am Ansaug 11 des Gebläses 3 ansaugen und dem Treibgas beimischen Fig. 2 stellt eine andere AusfUhrung der Treib- und Mischeinrichtung vor der Brennkammer 2'dar. Ein Teilstrom 9 der heißen, noch °2 - haltigen Abgase wird hier dazu verwendet, das Treibgas nach seinem Austritt aus dem Verdichter 3'vorzuwärmen, ehe es aus der Düse 4' im Mischrohr 5'mit dem Abgas der Brennkraftmaschine gemischt wird. Auch diese Mischdüse ist so ausgebildet, daß der Gasstrahl das Abgas aus 1 ansaugt, bzw. dessen Strömungsenergie erhöht.In Fig. 1, 1 represents the feed line for the hot exhaust gases of an internal combustion engine with an insulated line that feeds the exhaust gas to the combustion chamber 2. These exhaust gases contain approx. 15 - 18 vol% in gas turbines or two-stroke engines so that another Combustion of fuel is possible and have a tem-0 temperature of 450 - 600 ° C. A fan 3 brings the fuel gas from a line 12 to a higher pressure and blows the gas at high speed from a propellant nozzle 4 into the mixing tube 5, in which the fuel gas mixes with the hot exhaust gas. The mixture burns behind the shoulder 6 of the mixing tube, the burned-out combustion gas leaves the combustion chamber 2 at high speed at 7. The suction in the mixing tube also conveys hot Combustion gas from the combustion chamber through opening 8 into the mixing tube, where the hot Combustion gases contribute to the preparation of the fuel. Hot or cold compressed gas from combustion in the combustion chamber 2 or machine exhaust gas can also already suck in at the intake 11 of the fan 3 and add the propellant gas different execution of the propulsion and mixing device in front of the combustion chamber 2'dar. A Partial flow 9 of the hot exhaust gases that still contain ° 2 is used here for the Propellant gas to be preheated after its exit from the compressor 3 'before it leaves the nozzle 4 'is mixed in the mixing pipe 5' with the exhaust gas of the internal combustion engine. These too Mixing nozzle is designed so that the gas jet sucks in the exhaust gas from 1 or its Flow energy increased.

In Fig. 3 ist gezeigt, wie von einem Gebläse in Leitung 10 kommende Luft als Treibstrahl dient. Sie tritt bei 4 H in das Mischrohr des Injektors 5 " aus, in den sie das heiße Maschinenabgas 1 " "hineinsaugt. In diesem Fall wird bei 15 Heizöl in die Treibluft bzw. die Injektordüse eingesprüht, das mit dem Sauerstoff der Maschinenabgase in der Brennkammer 2 "verbrennt.In Fig. 3 it is shown how coming from a fan in line 10 Air serves as a propulsion jet. At 4 H it enters the mixing tube of the 5 "injector from, in which it sucks the hot engine exhaust 1 "". In this case, 15 Fuel oil is sprayed into the propellant air or the injector nozzle, the one with the oxygen the engine exhaust gas burns in the combustion chamber 2 ″.

Die Menge des eingebrannten Brennstoffes kann ein Mehrfaches der Brennstoffmenge - z.B. bei Methan das 3 - 4 - fache - sein, die zur Erzeugung des Maschinenabgases benötigt wurde. Dabei ergeben sich die heißesten Flammen bei stöchiometrischer Verbrennung. Insbesondere fUr Öfen zur Warmebehandlung von Mehilen kann auch eine reduzierende Fahrweise, bei der noch brennbare Bestandteile wie CO und H2 im Abgas der Nachbrenner enthalten sind, zweckmäßig sein. Gemaß dem Erfindungsvorschlag ist diese Fahrweise besonders leicht möglich, da die Treibgasmenge im Verhaltnis zur Menge der Maschinenabgase hier besonders hoch ist.The amount of burned-in fuel can be a multiple of the amount of fuel - e.g. in the case of methane, 3 - 4 times that required to generate the engine exhaust needed became. The hottest flames result from stoichiometric combustion. In particular for furnaces for the heat treatment of flour, a reducing Driving style in which still flammable components such as CO and H2 in the exhaust gas of the afterburner are included, be appropriate. According to the proposal of the invention, this mode of operation is particularly easy, as the amount of propellant gas in relation to the amount of engine exhaust gases is particularly high here.

- Patenhnsprüche - - Sponsorship sayings -

Claims

Claims 1. Device for utilizing the one in the exhaust gas Internal combustion engine, in particular a gas turbine contained heat by burning of fuel in the exhaust gas in a downstream burner, characterized in that that the flow of exhaust gases to this burner by the dynamic action of a also the combustion of the gas supplied is supported or effected.

2. Device according to claim 1, characterized in that the promotional Gas is or contains the fuel gas of the afterburning.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that air is added to the fuel gas.

4. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the conveying gas contains 21 vol% or more oxygen.

5. Device according to one of claims 1 - 4, characterized in that that exhaust gas from the afterburner is mixed with the conveying gas.

6. Device according to one of claims 1 - 5, characterized in that that the conveying gas is supplied with heat before it enters the injector.

7. Device according to one of claims 1 - 6, characterized in that that the heating of the conveying gas by heat emission from one to the second combustion non-participating stream of engine exhaust occurs.

8. Device according to one of claims 1 - 7, characterized in that that the injector effect of the conveying gas also for recirculation of the combustion gases of the afterburner is used in the burner.

- 2 FR patent claims -9. Device according to one of claims 1 - 8, characterized in that more fuel is fed to the afterburner than is required for stoichiometric conversion with the oxygen present.