DE2461078C2

DE2461078C2 - Verfahren zur Verringerung des Gehalts an Stickstoffoxiden, Kohlenmonoxid und Kohlenstoff in einem Abgas, sowie Feuerungsanlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2461078C2
Application number: DE2461078A
Authority: DE
Inventors: John W. Cape Elizabeth Me. Bjerklie; Paul G. Lahaye
Original assignee: Aqua Chem Inc
Current assignee: Aqua Chem Inc
Priority date: 1974-01-11
Filing date: 1974-12-23
Publication date: 1983-05-05
Also published as: IT1028056B; CA1042339A; DE2461078A1; JPS58111U; JPS50102933A; NL7415901A; ZA747776B; US3868211A; GB1464169A; CH592846A5; BE823312A; FR2257861B1; FR2257861A1; ES433324A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des Gehalts an Stickstoffoxiden, Kohlenmonoxid und Kohlenstoff in einem Abgas entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Feuerungsanlage zur Durchführung dieses Verfahrens entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-OS 248) wird der ersten Verbrennungszone ein Gemisch aus Brennstoff und Luft mit einem derartigen Mengenverhältnis von Brennstoff zu Luft zugeführt, daß eine weniger als der stöchiometrischen Menge entsprechende Sauerstoffmenge zugeführt wird. In den Feuerraum wird im Bereich der ersten Verbrennungszone durch seitliche Zuführleitungen ein Stickstoffoxide enthaltendes Abgas und ein Kühlmittel zugeführt, um Temperaturen oberhalb etwa 1390⁰C zu verhindern. Bei diesem Verfahren wird als nachteilig angesehen, daß von abgebbarem Sauerstoff freies Kühlmittel zugeführt werden muß, und daß die Temperatur in den beiden Verbrennungszonen nicht ohne weiteres

derart gesteuert werden kann, daß das zum Schlot geleitete Rauchgas sowohl einen möglichst geringen Gehalt an Stickstoffoxiden als auch einen möglichst geringen Gehalt an Kohlenstoff und Kohlenmonoxid aufweist. Außerdem wird bei dem bekannten Verfahren als nachteilig angesehen, daß es verhältnismäßig unwirtschaftlich ist, weil eine zusätzliche Erdgasfeuerung erforderlich ist und die beiden Feuerungen nicht ohne weiteres derart gesteuert werden können, daß bei Verwendung in Kesselanlagen ein optimaler Wirkungsgrad erzielbar ist

Bei Kesselanlagen ist es ferner üblich, dem Brenner eine derartige Mischung ans Brennstoff und Luft zuzuführen, daß eine der stöchiomeirischen Menge entsprechende Sauerstoffmenge zugeführt wird. Um bei der Beaufschlagung der Gasbrenner mit einer möglichst stöchiometrischen Luftmenge die Kessel möglichst rauchlos betreiben zu können, wird bei einem bekannten Verfahren dieser Art (Zeitschrift »Energie«, April 1973, Seite 126) ein Teil der Luft oberhalb der Brenner zugeführt, um dort eine zweite Verbrennungszone zu schaffen. Eei diesem Verfahren kann eine Herabsetzung der Flammtemperatur durch eine Rauchgasrückführung in die Flamme erfolgen, indem das rückgeführte Rauchgas zusammen mit der Verbrennungsluft den Brennern zugeführt wird. Bei diesem Verfahren wird noch als nachteilig angesehen, daß es nicht ohne weiteres möglich ist, eine derartige Beeinflussung der Flammtemperatur zu erzielen, daß nicht nur der Gehalt des Rauchgases an Stickstoffoxiden sondern auch der Gehalt des Rauchgases an Kohlenstoff möglichst weitgehend verringert werden kann.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Feuerungsanlage der eingangs genannten Art unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten dahingehend zu verbessern, daß eine derartige Steuerung der Flammentemperatur durchführbar ist, daß bei möglichst geringem Gehalt des Rauchgases an Stickstoffoxiden eine möglichst vollständige Oxidation von Kohlenstoff zu CO₂ in der zweiten Verbrennungszone erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie eine Feuerungsanlage zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstand der Unf.eransprüche.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer Feuerungsanlage gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 entsprechender Teilschnitt in vergrößerter Darstellung;

Fig. 3 ein im Vergleich zu Fig. 2 abgewandeltes Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine Verbrennungskammer für ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Feuerungsanlage gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine Teilansicht entsprechend der Linie 5-5 in Fig. 2; und

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Verbrennungszeit von der Größe der Kohlenstoff' teilchen.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausfuhrungsbeispiel zeigt eine Dampfkessel-Feuerungsanlage mit einer oberen Trommel 11 und einer unteren Trommel 12, welche durch Wärmeaustauscherrohre 13 miteinander verbunden sind. Die Wärmeaustauscherrohre sind durch Stege 14 miteinander verschweißt. Das Rauchgas wird Ober einen Schlot 15 in die Atmosphäre abgegeben.

Zur Zufuhi von Verbrennungsluft ist eine Luftkammer 16 vorgesehen. Eine Rauchgaskammer 17 ist an eine mit dem Schlot 15 verbundene Rauchgasrückführleitung 18 angeschlossen, die ein Gebläse 20 und einen Ventilator 19 enthält Das von dem Schlot zurückgeführte Rauchgas hat eine Temperatur zwischen 60 und 400⁰C.

Die Luftkammer 16 enthält einen Ventilator 20, der von einem Motor 21 angetrieben wird, um Luft aus der Atmosphäre durch ein Gitter 22 anzusaugen und einem Brenner 23 zuzuführen. Die Verbrennungskammer 25 wird durch eine hitzefeste Auskleidung gebildet und weist einen zylindrischen Innenraum 26 auf. Die Verbrennungskammer kann jedoch auch eine andere an sich bekannte Konstruktion aufweisen. Die Eintrittsöffnung 27 der Verbrennungskammer wird vorzugsweise sich konisch erweiternd ausgebildet Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, steht der Brenner 23 zur Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft cut der Rauchgasleitung 18 über einen eine Düse 36 umgebenden Zuführkanal 43 für Luft und Rauchgas in Verbindung. Dieser Zuführkanal 43 ist in einem Luftzufuhrkanal 42, 62 zur Ausbildung eines den Flammenkern 28 umgebenden Luftmantels angeordnet. Dieser ersten Verbrennungszone wird deshalb als Bestandteil der Brennstoff-Luft-Mischung ein vom Schlot zurückgeführter Rauchgasanteil zugeführt, und die Temperatur wird durch das anteilige Verhältnis von Brennstoff, Luft und zugeführtem Rauchgasanteil derart gesteuert, daß Kohlenstoff durch Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid oxidiert wird. Der ersten Verbrennungszone wird eine weniger als der stöchiometrischen Menge entsprechende Sauerstoffmenge zugeführt, so daß der Flammenkem 28 in der Nähe des Brenners eine relativ niedrige Temperatur aufweist, wo der Flammenkem noch keiner wesentlichen Turbulenz unterworfen ist, die zu seiner Expansion und Eindiffusion von Luft führt. In der ersten Verbrennungszone erfolgt nur eine geringe Vermischung mit dem Luftmantel 29, wie in Verbindung mit Fig. 2 und 3 später noch näher erläutert werden soll.
Eine Folge der weitgehenden Isolation zwischen Luftmantel 29 und den heißeren gasförmigen Verbrennungsprodukten in dem Flammenkem 28 besteht darin, daß der Sauerstoffanteil der Luft in dem Flammenkem sich bevorzugt mit den Kohlenwasserstoffen des Brennstoffs im Vergleich zu dem Stickstoff in der Luft verbindet, so daß beträchtliche Mengen von Kohlenstoffmonoxid und ein geringer Anteil Kohlenstoffdioxid, aber verhältnismäßig geringe Mengen von Stickstoffoxiden erzeugt werden, hl der ersten Verbrennungszono ist .einer noch ein beträchtlicher Anteil von unverbranntem Kohlenstoff in dem Flammenkem enthalten. Die geringe Erzeugung von Stickstoffoxid beruht darauf, daß die an Brennstoff reiche Mischung im Flammenkem 28 bei einer Temperatur abbrennt, die ausreichend unter 1375 ⁰C liegt, bei wekher praktisch keine Reaktionen zwischen Stickstoff und Sauerstoff auftreten.

In der anschließenden zweiten Verbrennungszone wird eine Vermischung des Luftmanteis 29 mit den Gasen des Flammenkerns unterstützt, nachdem in einem wesentlichen Umfang Wärme aus dem Flammenkern durch Wärmestrahlung und Konvektion abgeführt wurde. In der zweiten Verbrennungszone wird bei verringerter Temperatur Kohlenstoffmonoxid und rest-

iicher KohlenstofT zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Es wird eine vollständigere Ve^rbrennung bei einer erheblich niedrigeren Temperatur hervorgerufen als es der Fall wäre, wenn die gesamte Pur den Verbrennungsvorgang erforderliche Luft mit dem Brennstoff anfang- ί lieh vermischt würde. Eine vollständige Verbrennung erfolgt erst dann, nachdem ein wesentlicher Anteil der Wärme aus dem Flammenkern abgeführt wurde. Die Verbrennung des restlichen Kohlenstoffmonoxids zu Kohlenstoffdioxid, sowie die Verbrennung von restliehen unverbrannten Kohlenwasserstoffen erfolgt also in einem Diffusionsbereich hei niedrigerer Temperatur. Unter bestimmten Betriebsbedingungen ist es jedoch möglich, daß vorhandener Kohlenstoffnicht vollständig oxidiert wird, so daß sieh ein verstärkter Rauchgehalt ¹^ des Rauchgases ergeben würde. Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird jedoch eine vollständige Verbrennung des Kohlenstoffs bei sehr geringer Bi!dün^{a vn}n Stickstoffoxiden durch die beschriebene Verbrennung in zwei aufeinanderfolgenden Verbrennungszonen erreicht.

Der zurückgeführte Rauchgasanteil wird primär dem Flammenkern 28 zugeführt, wodurch eine geeignete Steuerung der Temperatur durch das anteilige Verhältnis vun Brennstoff. Luft und zugeführtem Rauchgas- y> anteil erfolgen kann. Die Verringerung der Rauchemission durch den Schlot 15 dürfte auf die Reaktion von Kohlenstoffdioxid in dem zurückgeführten Rauchgasanteil mit den feinen Kohlenstoffteilchen in dem Flammenkem vor und nach der Diffusion zurückzufüh- κι ren sein, so daß Kohlenstoffmonoxid entsteht, das in der zweiten Verbrennungszone zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird. Bekanntlich verbrennt Kohlenstoff in 100% CO_: mit einer Geschwindigkeit, welche der Verbrennungsgeschwindigkeit in Luft entspricht. Wenn der Gehalt an Kohlenstoffdioxid geringer als 100% ist, falls das Kohlenstoffdioxid von dem Rauchgas erhalten wird, reicht dieser Anteil noch aus, kleine Teilchen in der Größenordnung von 1 μΐη in einer Zeitdauer von weniger als 10 msec zu verbrennen, was rasch genug ist. um eine Verbrennung in einer Dampfkessel-Feuerungsanlage zu erzielen. Kohlenstoffteilchen im Rauchgas, die von einer Verbrennung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen herrühren, haben im allgemeinen eine Größe von 0,05 μίτι. Kohlenstoffteilchen, die von einer *5 Verbrennung von flüssigen Kohlenwasserstoffen herrühren, haben im allgemeinen eine Größe zwischen 1 und 10 μτη und einige Teilchen werden in Brennstofftröpfchen ausgebildet. Die Beziehung zwischen Verbrennungszeit in msec und der Größe der Kohlen- so Stoffteilchen bei Anwesenheit von 25, 50 und 100% CO₂ und bei Anwesenheit von Luft für Kohlenstoffteilchen zwischen 0,01 und 10,0 um zeigt die grafische Darstellung in Fig. 6. Die Verbrennungszeiten können mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnet werden:

d¹ = dl - kt

Dabei bedeutet d = Durchmesser der Teilchen zur Zeit t, d₀ = ursprünglicher Durchmesser und t = Brennzeit, it ist eine empirische Konstante für die Verbren nungsrate, die von dem jeweib verwendeten Brennstoff und den Verbrennungsbedingungen abhängt

Bei der Verbrennung von Kohlenstoff in Luft oder CO₂ erhält man eine maximale Verbrennungsrate in einem Temperaturbereich zwischen 1200 und 1400⁰C. Bei 1300⁰C erreicht sie nahezu ihr Maximum. Oberhalb dieser Temperaturen bleibt die Verbrennongsrate im wesentlichen konstant. Es wurde festgestellt, daß bei einer Zufuhr von zurückgeführtem Rauchgas mit einer Temperatur von etwa 60 bis 9O⁰C in die Verbrennungsgase sowohl wenig Rauch als auch wenig Stickstoffoxide erzeugt werden. Im folgenden sollen zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignete Einrichtungen bei Dampfkessel-Feuerungsanlagen entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 erläutert werden. Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Brenners 23 in Fig. I, der zur Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft mit der Rauchgasleitung 18 über einen eine Düse ^6 umgebenden Zuführkunal 43 für Luft und Rauchgas verbunden ist. Dieser Zuführkanal ist in einem Luftzuführkanal 62, -)2 zur Ausbildung eines den Flammenkern 28 umgebenden Luftmantels angeordnet. Durch den Düsenkopf 35 wird eine Mischung aus Brennstoff und Druckluft zugeführt. Der flüssige Brennstoff wird durch eine Leitung 37 und die Πηιι-1ίΙπ(Ι ijhpr fine Iritiinv 38 /iignfiihrt Vnr rlnm Düsenkopf 35 kann eine Hülse 39 angeordnet werden, was beispielsweise zweckmäßig ist. «enn Heizöl Nr. 2 verwendet wird. Hierdurch ändert sich die Farbe der Flamme von blau zu gelb. Die Hülse 39 wird weggelassen, wenn bei Verwendung von Heizöl Nr. 2 die Bildung eines Koksansatzes verhindert werden soll. Luft und CO₃ werden ein/ein otter gemeinsam durch die Hülse 39 zugeführt. Die Verbrennungsuase werden durch f'ne Düsenplatte 40 zugeführt, die eine Öffnung 41 aufweist. Die Düsenplatte 40 erstreckt sich quer zu einem Hohlzylinder 42. der koaxial zu der Hülse 39 angeordnet ist. Das rückwärtige Ende des Hohlzylinders 42 ist derart ausgebildet, d.iß eine gesteuerte Zufuhr von Luft, COi enthaltendem Abgas und Mischungen dieser Gase zu der Öffnung 41 möglich ist. Normalerweise wird die Luftzufuhr derart eingestellt, daß eine Luftmenge, die erheblich geringer als die stöchiometrische Luftmenge ist, dem Flammenkem 28 zugeführt wird. Die Menge des zurückgeführten Rauchgasanteils wird derart eingestellt, daß die Verbrennung des in dem Flammenkem 28 enthaltenen Kohlenstoffs unabhängig von der Verbrennungsluft erfolgt. Hierdurch wird Kohlenstoffmonoxid in Mengen erzeugt, die erheblich größer sind, als dies der Fall wäre, wenn die gesamte für die Verbrennung des Brennstoffs notwendige Luft in üblicher Weise zugeführt würde. Aufgrund eines Venturi-Effekts in der Umgebung der Öffnung 41 an der Mündung 44 der Hülse 39 wird ein Anteil der Kohlenstoffdioxid enthaltenden Verbrennungsgase zurückgeführt, so da3 dieser Anteil in Richtung des Pfeils 54 strömt und wieder durch die Hülse 39 in die Verbrennungskammer gelangt. Dadurch wird in . ,nem gewissen Umfang die Reaktion zwischen Kohlenstoff und Kohlenstoffdioxid begünstigt. Durch diese Gas strömung kann eine beträchtliche Temperaturzufuhr zum Verdampfen des Brennstoffs in der Hülse zur Erzielung eines Gleichgewichtszustands erfolgen.

Der Zufiihrkanal 43 steht mit einer Kammer 45 in Ver bindung, die eine Anzahl von Öffnungen 46 aufweist, die mit Öffnungen 47 in einer drehbar angeordneten Hülse 48 in Verbindung gebracht werden können, um eine gedrosselte Zufuhr von Rauchgas über eine Rauchgaskammer 17 zu ermöglichen, an die die Rauchgasleitung 18 in Fig. 1 angeschlossen ist. Auf diese Weise kann eine Steuerung der Zufuhr von Rauchgas in den Flammenkem 28 erfolgen.

Der Hohlzylinder 42 ist entlang seinem Umfang mit Öffnungen 51 versehen, um mit Hilfe einer drehbaren Hülse 52, die mit Öffnungen 53 versehen ist, eine Dros-

sclung der Luftzufuhr zu ermöglichen.

In der Luftkammei 16 kann ein Dämpfungsregler 55 vorgesehen sein, der zur Drosselung der Luftzufuhr durch das Gebläse 20 dient. Aus der Luftkammer 16 strömt die Luft in einen Hohlraum 56 durch eine Anzahl von Öffnungen 57, über denen eine mit Öffnungen 58 versehene drehbare Hülse 59 angeordnet ist.

An Hem Zylinder 42 ist ein Ringflansch 60 vorgesehen, ur.i einen Ringraum 56 zu begrenzen, der über eine mit Öffnungen 62 versehene Platte 61 mit der Verbrennungskammer in Verbindung steht. Ein großer Anteil der zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffbenötigten Luft wird über die Öffnungen 62 zugeführt, welche an der in Fig. 5 dargestellten Platte 61 ausgebildet sind. Den Öffnungen 62 sind schaufelformige Leitbleche 63 zugeordnet, um eine Ablenkung der eintretenden Luft zur Außenseite des Flammenkerns 28 zu bewirken, so daß der Luftmantel 29 mit einer schraubenlinienförmig verlaufenden Strömungsrichtung gebildet wird. Anstelle der Platte 61 kann auch eine andere Einrichtung vorgesehen werden, um den Flammenkern 28 mit einem derartigen Luftmantel mit verhältnismäßig langsamer Strömungsgeschwindigkeit entlang einem Großteil des Flammenkerns 28 auszubilden, bevoreine Durchmischung entsteht. Der Luftmantel 29 kann auch derartig ausgebildet werden, daß die Strömungsrichtung im wesentlichen der Strömungsrichtung in dem Flammenkern 28 entspricht. Wie bereits erwähnt wurde, vermischt sich zunächst die in dem Luftmantel 29 enthaltene Luft nicht mit dem FlammenkTn innerhalb derersten Verbrennungszone hinter der Platte 61, während eine Vermischung in der zweiten Verbrennungszone erfolgt, nachdem die Temperatur des Flammenkerns durch Wärmeabfuhr verringert wurde.

Ein gewisser Anteil des zurückgeführten Rauchgases kann durch die Öffnungen in der Platte 61 zugeführt werden, wenn der Druck in der Luftkammer 16 und der Rauchgaskammer 17 entsprechend eingestellt wird Wie bereits erwähnt wurde, wird in der ersten Verbrennungszone Kohlenstoff durch Kohlenstoffdioxid zu KohlenstofTmonoxid bei Temperaturen über 1250⁰C oxidiert, welches in der zweiten Verbrennungszone zu CO2 oxidiert wird, bevor die Rauchgase über den Schlot 15 in Fig. 1 in die Atmosphäre gelangen. In der zweiten Verbrennungszone wird eine weitere Abkühlung durch Strahlung und Konvektion verursacht. Deshalb ist es möglich, das KohlenstofTmonoxid bei ralativ niedrigen Temperaturen zu oxidieren, bei welchen Temperaturen nur eine sehr geringe Bildung von Stickstoffoxiden erfolgt.

In der zweiten Verbrennungszone erfolgt eine starke Durchmischung mit Hilfe von entsprechend ausgebildeten Einbauten oder durch Zufuhr von Sekundärluft. Eine gute Durchmischung kann beispielsweise mit Hilfe eines Gitters 71 am Ende der Verbrennungskammer 25 (Fig. 4) erzielt werden. Die Gitteröffnungen 72 verursachen eine Geschwindigkeitszunahme der hindurchströmenden Gase, wodurch die Turbulenz hinter der Verbrennungskammer erhöht wird, um eine möglichst vollständige Oxidation des Kohlenmonoxids und der sonstigen Verbrennungsprodukte zu verursachen. Durch dieses Gitter kann ein Druckabfall von ungefähr 0,3 % verursacht werden, entsprechend einer Druckänderung von etwa 5 cm Wassersäule bei Feuerungsanlagen, die im wesentlichen unter Aimospnärendruck betrieben werden.

Bei dem Ausfuhrungsbeispiel in Fig. 2 ist eine

Anordnung von Luftzuführrohren 64 vorgesehen, die quer zur Strömungsrichtung verlaufen und einen derartigen Abstand voneinander aufweisen, daß sich ein Druckabfall in der obenerwähnten Größenordnung ergibt. Bei einem großen Volumen der Verbrennungskammer wird zur Verbesserung der Durchmischung durch die Luftzuführrohre 64 Sekundärluft zugeführt, die über einen Verteiler 65 eintritt, der mit einer Anschlußleitung 66 mit der Luftkammer 16 verbunden

in ist. Die Luftzufuhrrohre 64 sind mit in Strömungsrichtung weisenden kleinen Öffnungen 67 versehen. Gegebenenfalls kann auch ein zweiler Satz von Luftzufiihrrohren 68 vorgesehen sein, die über einen Verteiler 69 miteinander verbunden sind, um über eine Einlaßleii lung 70 Sekundärluft zuzuführen. Durch diesen zweiten Satz von Luftzuführrohren 68 wird vorzugsweise eine geringere Menge von Sekundärluft zugeführt als durch den ersten Satz von Luftzuführrohren 64.

Die Zufuhr von Sekundärluft zum Zwecke der Durch-

.'Ii mischung kann auch über Durchtrittsöffnungen 73 in der Wand der Verbrennungskammer 25 (Fig. 4) erfolgen, welche Öffnungen 73 an einen Verteiler 74 angeschlossen sind, dem Luft aus der Luftkammer 16 zugeführt wird.

Das beschriebene Verfahren ist mit Hilfe unterschiedlicher Konstruktionen von Brennern für flüssigen Brennstoff durchrührbar. Der in Fig. 2 beschriebene Brenner ist gut zum Verbrennen von leicht flüchtigen Brennstoffen wie Heizöl Nr. 2 geeignet, wobei es zweckin mäßig ist. die Platte 61 sowie die gitterformige Anordnung von Luftzufuhrrohren 64 und 68 vorzusehen, obwohl es in gewissen Fällen ausreicht, die erforderliche Turbulenz durch ein Gitter (Fig. 4) zu verursachen.

In Verbindung mit Fig. 3 soll eine Feuerungsanlage beschrieben werden, die zur Durchführung des Verfahrens beim Verbrennen von weniger flüchtigem Heizöl Nr. 6 vorgezogen wird.
Der Brenner 80 enthält eine Düse 97, der flüssiger Brennstoff über eine Einlaßleitung 98 zugeführt wird. Über eine Leitung 99 wird Luft zugeführt. In gewissen Fällen ist es jedoch nicht unbedingt erforderlich. Luft oder ein sonstiges Gas zum Zerstäuben des Brennstoffs zuzuführen, wenn eine ausreichende Zerstäubung durch die Düse 97 erfolgen kann. Der Brenner enthält einen inneren Hohlzylinder 81, durch den Verbrennungsluft und über die Rauchgasleitung 18 zurück geführtes Rauchgas zugeführt wird. Der Hohlzylinder 81 ist von einer Ringplatte 84 umgeben, die Öffnungen

so 85 aufweist, durch die Luft zur Ausbildung eines den Flammenkern 86 umgebenden Luftmantels 105 zugefühn wird. Auf der Außenseite des Hohlzylinders 81 ist ein Ringraum vorgesehen, der durch ein mit Öffnungen 95 versehenes äußeres Rohr begrenzt ist, das von einer mit Öffnungen 94 versehenen Hülse 93 umgeben ist, um eine gedrosselte Luftzufuhr aus der Luftkammer 92 zu ermöglichen. Eine weitere mit Öffnungen 102 versehene drehbare Hülse 101 dient zur gedrosselten Zufuhr von Rauchgas durch relativ zu den Öff-

nungen 102 ausrichtbaren Öffnungen 103. Der Hohlzylinder 81 ist ferner durch eine drehbare Hülse 90 mit Öffnungen S9 umgeben, so daß durch Öffnungen 91 in dem Hohlzylinder 81 eine gedrosselte Luftzufuhr in den Innenraum des Hohlzylinders Sl erfolgen kann.

Durch die Öffnung 83 kann zurückgeführtes Abgas nun einem Hohlraum 188 so zugeführt werden, daß es den zerstäubten Brennstoff umgibt Der Hohlraum 100 steht, wie in Fig. 3 dargestellt, in Verbindung mit

einer Abgaskammer 17'. Die Strömung des Abgases von der Kammer 17' zu dem Hohlraum 100 und von dort durch die Gas- und BrennstofTaustrittsöfTnung 83 wird abermals von einem schematisch dargestellten Drehbahnring 101 geregelt, der eine Mehrzahl von Öffnungen 102 aufweist, die mehr oder weniger zum Fluchten mit Öffnungen 103 in einer stationären Hülse 104 gebracht we"den. Die Abgase werden unter Druck zu der Abgaskammer 17' von einem Rohr 18' zugeführt, das in Verbindung mit dem Schornstein 15, wie in Fig. 1 dargestellt, steht.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung wird die Verbrennung stufenweise, wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, durchgeführt, hs tritt eine relativ niedrige Verbrennungstemperatur in dem i¹* brennstoffreichen Flammenkern 86 auf, insbesondere benachbart zum Ausgang des Brenners. Ein Teil der für den Verbrennungsvorgang dienenden Luft wird der Verbrennungskammer 25' so zugeführt, daß er den Kern 86 umgibt. Dies geschieht mittels der Öffnungen 85 in der Platte 84. Diese Luft bewegt sich in einer Spirale mit großer Ganghöhe in Längsrichtung durch die Verbrennungskammer 25'. Es ist jedoch auch möglich, daß sie sich lediglich in Längsrichtung oder in axialer Richtung bewegt, um unmittelbar darauf eine Vermischung mit den Gasen im Kern 86 durchzuführen. Die Verbrennung verläuft in dem Kern 86 unvollständig und es entsteht eine erhebliche Menge von Rauchteilchen und CO. Da ein Teil der Wärme von dem Kern 86 über Strahlung und Konvektion abgeführt wird, erfolgt die Restverbrennung in der von dem Brenner entfernten Mischungszone mit Temperaturen, die niedrig genug sind, um zu verhindern, daß merkenswerte Anteile an Stickstoffoxiden entstehen. Das aus dem in den Flammenkern 86 injizierten Abgasen zur Verfugung stehende Kohlendioxid reagiert mit den Kohlenstoffteilchen im Kern längs des Weges sowie nahe an der Endvermischungszone, so daß ein hoher Gehalt an Kohlenmonoxid und einige Kohlenstoffteilchen in der ersten Stufe der Verbrennungskammer entstehen. Wenn später die Turbulenz und Durchmischung vollständiger wird, erfolgt eine Einführung von Sauerstoff aus der umgebenden Luftschicht oder aus einer von einer anderen Einrichtung zugeführten Luft, wobei dieser Sauerstoff mit dem Kohlenmonoxid reagiert und dieses in Kohlendioxid umwandelt, bevor die gasförmigen Verbrennungsprodukte zu dem Schornstein entweichen. Die verbleibenden Kohlenstoffteilchen werden an diesem Punkt ebenfalls verbraucht. Diese Reaktion findet abermals bei derart niedrigen Temperaturen so statt, daß nur geringe Mengen an Stickstoffoxiden gebildet werden.

Es war bereits früher daraufhingewiesen worden, daß in denjenigen Fällen, bei denen die Gestalt der Verbrennungskammer oder deren Größe eine ausreichende Durchmischung für die Bildung einer vollständigen Verbrennung nicht ermöglichen, diese Durchmischung durch ein geeignetes Gitter gefordert werden kann. Eine derartige Einrichtung ist in Fig. 3 allgemein mit dem Bezugszeichen 106 dargestellt. In diesem Falle enthält das Gitter eine Mehrzahl von Rohren 107, die nebeneinander in einem ausreichenden Abstand angeordnet sind, so daß ein Druckabfall an dem Gitter entsteht. Ein Druckabfall von ungefähr 0,3 % des Feuerungsdruckes reicht im allgemeinen aus. Der Druckabfall kann jedoch auch etwas geringer oder etwas größer sein und bis zu 10% des Feuerungsdruckss betragen. Dieser relativ kleine Druckabfall erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und erzeugt selbstverständlich eine Turbulenz, die zu einer vollständigeren Reaktion zwischen dem Luftmantel und dem Kohlenmonoxid zur Erzeugung von ungefährlichem Kohlendioxid und zwischen Kohlenstoff und LuftsauerstolT unter weiterer Kohlendioxidbildung führt, wobei wegen der bei dieser Stufe des Verbrennungsvorgangs herrschenden Temperatur nur ein geringer Anteil an Stickstoffoxiden entsteht.

Das Gitter 106 kann desweiteren Rohre 107 enthalten, die mit einer Mehrzahl von Perforationen versehen sind. Die Perforationen sind stromab oder quer zum Strom gerichtet und dienen dazu. Luft für den Verbrennungsvorgang zu injizieren, so daß die restlichen unverbrannten Produkte vollständig oxidiert werden. Die Rohre 107 können mit einem quer verlaufenden Rohrverteiler 108 verbunden sein, welchem ein sauerstoffhaltiges Gas über ein Rohr 109 zugeführt wird, das mit der Luftkammer 92 oder einer anderen geeigneten, nicht dargestellten Quelle für ein den Verbrennungsvorgang unterhaltendes Gas verbunden sein kann.

Das in Fig. 3 dargestellte Gitter 106 sowie die entsprechenden Teile von Fig. 2 können in einfacher Weise aus Wasser- oder Heizkanalgasrohren bestehen, welche einen Teil des Kessels oder anderer Wärmetauscherkomponenten bilden, solange die Rohre nahe am Ausgang der Verbrennungskammer 25 bzw. 25' angeordnet sind und einen ausreichenden Abstand aufweisen, um einen gewissen Druckabfall und damit eine Turbulenz zu erzeugen, welche zu der Durchmischung der Gase führt.

Bei einigen nicht dargestellten Konstruktionen von Verbrennungskammern kann die rückwärtige Wandung der Verbrennungskammer stromab so heiß werden, daß sie die Zündung der gasförmigen Mischung aufrechterhalten kann, was zu einer Oxidation von irgendwelchen Restkohlenstoffen oder von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid führt, vorausgesetzt, daß ausreichend Luft zur Verfügung steht. Die Erfahrung zeigte, daß ein vollständiges Verbrennen der gasförmigen und teilchenförmigen Verbrennungsprodukte dann erhalten wird, wenn die Temperatur der rückwärtigen Wandung über 982°C liegt und wenn der Druckabfall von der Verbrennungskammer in dem Rohrkesselbereich ausreicht, um eine vollständige Durchmischung sicherzustellen.

Die Verhältnisse zwischen dem Luftmantel und dem zurückgeführten Abgas unterscheiden sich in Abhängigkeit von unterschiedlichen Brennerkonstruktionen und unterschiedlichen Brennstoffen, wie dies bereits erwähnt war. Im allgemeinen kann man sagen, daß die relative, dem Kern zugeführte Luftmenge und die zu den Öffnungen der Platten 61 oder 85 zugeführten Luftmengen zwischen Einstellungen variieren können, bei denen nahezu die gesamte Luft durch die Platten hindurchtritt, bis zu Einstellungen, bei denen mehr als die Hälfte direkt in den Kern mit dem zerstäubten Brennstoffgeht. In einem Falle werden lediglich 40% der für eine stöchiometrische Verbrennung notwendigen Luft durch die Öffnungen der Platte und zu dem Kern eingeführt, wobei der Rest von den Gittern 106 ausgeht Der Strom des im Kreislauf zurückgeführten Abgases war gleich dem Kern zusätzlich der Luftströmung durch die Öffnungen der Platte. Eine starke Rückführung von Kohlendioxid enthaltenden Abgasen in dem Flammenkem, bei dem die Massenströmungen der zurückgeführten Gase nicht über 50 % der dem Kern und den Öffnungen der Platte zugeführten Luftströmung betrug, führte

bei einei sehr geringen Luftmenge im Kern zu einer geringen Rauchbildung und zu sehr geringen Anteilen von Stickstoffoxiden in den Abgasen.

Zusammenlassend laßt sich feststellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Abgase in den brennstoffreichen Kern gemeinsam mit einer kleinen Luftmenge und dem Gesamtbrennstoff eingebricht werden, eine wirksame Maßnahme zur gleichzeitigen Steuerung der Stickstoffoxide und des Rauches darstellen. Eine gewisse zusätzliche Überwachung bzw. eine Steuerung der erzeugten Stickstoffoxide ergibt sich für höher flüchtige Brennstoffe, indem man die Sekundärluft geeignet entsprechend Fig. 2 auf das erste Gitter 64 oder auf das zweite Gitter 68 verteilt. Mit Brennstoffen von geringer Flüchtigkeit, wie sie beispielsweise für eine Verwendung in dem Brenner von Fig. 3 vorgesehen sind, ist es möglich, auf das zweite Gitter zu verzichten, so daß man im Normalfall lediglich ein erstes Gitter 106 für die Zuführung der Sekundärverbrennungsluft benötigt, typische Verhältnisse für die verschiedenen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verwendung kommenden Gase ergeben sich aus der folgenden Tabelle I, in der die Mengen unter der mit Fig. 2 bezeichneten Kolonne typisch für hoch flüchtige Brennstoffe sind, wie sie bei einem Brenner der in Fig. 2 gezeigten Konstruktion zur Verwendung kommen. Die mit Fig. 3 überschriebene Spalte gibt typische Beispiele für gering flüchtige Brennstolfe wieder, die vorzugsweise in einem Brenner der in Fig. 3 dargestellten Bauart verwendet werden. Es verstellt sich für den Fachmann, daß die Luftmengen und

die Mengen des zurückgeführten Abgases für den jeweils verwendeten Brennstoff so eingestellt werden müssen, daß man einen minimalen Gehalt an Stickstoffo,.icier und Kohlenri uioxui sov.ic an unverbrannten Kohlenwasserstoffen in dem Abgas erhält. In Tabelle I bezieht sich die Angabe »%« auf den "esamten Massenstrom der von dem Verbrennnngssystem zur Atmosphäre abgegebenen Abgase, ei. h. nach Abzug der zurückgeführten Abgase.

Tabelle I

Fig. 2

Fig.

Zurückgeführtes Abgas im 20-30 25

Kern

-- ■ . r. · .. \7 C 1ζ Λ—111

-'" LUIl UM PwCiII -' ι -■ <-' ·"

Im Inneren der Verbren- 5-10 0

nungszone zurückgeführtes

Gas
,.. Durch die Öffnungen der 30-50 40-50

Platte hindurchtretende

Luft

Durch das erste Gitter 30-50 ungefähr 50

abgegebene Luft
J" Durch das zweite Gitter 50-0 0-10

abgegebene Luft

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verringerung des Gehalts an Stickstoffoxiden, Kohlenmonoxid and Kohlenstoff in einem Abgas, bei dem in einer ersten Verbrennungszone ein aus Kohlenwasserstoffen bestehender Brennstoff mit einem derartigen Mengenverhältnis von Brennstoff zu Luft gesteuert verbrannt wird, daß eine weniger als der stöchiometrischen Menge entsprechende Sauerstoffmenge zugeführt wird, so daß das entstehende Rauchgas nicht-oxidierte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid enthält, und bei dem das Rauchgas einer zweiten Verbrennungszone mit einer Luftzufuhreinrichtung zugeführt wird, um die nicht-oxidierten Verbrennungsprodukte bei einer Temperatur zu oxidieren, bei der möglichst wenig Stickstoffoxide erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in an -sich bekannter Weise der ersten Verbrennungszone als Bestandteil der Brennstoff-Luft-Mischung ein vom Schlot zurückgeführter Rauchgasanteil zugeführt wird und daß die Temperatur in der ersten und der zweiten Verbrennungszone durch das anteilige Verhältnis von Brennstoff, Luft und zurückgeführtem Rauchgasanteil derart gesteuert wird, daß in der ersten Verbrennungszone Kohlenstoff durch Kohlenstoffdioxid zu Kohlenmonoxid oxidiert und in der zweiten Verbrennungszone bei verringerter Temperatur Kohlenstoffmonoxid und restlicher Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid oxidiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zusätzliche Luftzufuhr ein den Flammenkern in dei ersten Verbrennungszone umgebender Luftmantel ausget idet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zurückgeführte Rauchgasanteil 10-30% der dem Schlot zugefühlten Rauchgasmenge beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammen mit dem Brennstoff dem Flammenkern zugefuhrte Luftmenge 5-15% der dem Schlot zugeführten Rauchgasmenge entspricht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Luftzufuhr 30-50% der dem Schlot zugeführten Rauchgasmenge beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verbrennen von flüssigen Brennstoffen mit hohem spezifischen Gewicht der zurückgeführte Rauchgasanteil etwa 25 % der dem Schlot zugefuhrten Rauchgasmenge beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Luftzufuhr 40-50% der dem Schlot zugefuhrten Rauchgasmenge beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammen mit dem Brennstoff und dem Rauchgasanteil dem Flammenkern zugefuhrte Luftmenge Ö-10% der dem Schlot zugefuhrten Rauchgasmenge entspricht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Luftzufuhr.

in die zweite Verbrennungszone eine Durchmischung und Verwirbelung verursacht wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Schlot zugefuhrte Rauchgasanteil mit einer Temperatur zwischen 60 und 400⁰C zugeführt wird.

11. Feuerungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Einrichtung zur Verringerung des Gehalts an Stickstoffoxiden, Kohlenmonoxid und Kohlenstoff in einem Abgas, in der in einer ersten Verbrennungszone ein aus Kohlenwasserstoffen bestehender Brennstoff mit einem derartigen Mengenverhältnis von Brennstoff zu Luft gesteuert verbrannt wird, daß eine weniger als der stöchiometrischen Menge entsprechende Sauerstoffmenge zugeführt wird, so daß das entstehende Rauchgas nicht oxidierte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid enthält, in der das Rauchgas einer eine Luftzufuhreinrichtung enthaltenden zweiten Verbrennungszone zugeführt wird, um die nicht oxidierten Verbrennungsprodukte bei einer Temperatur zu oxidieren, bei der möglichst wenig Stickstoffoxide erzeugt werden, und in der eine eine Düse enthaltende Einrichtung zu Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft zu der Verbrennungskammer und eine damit verbundene Rauchgasrückführleitung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (23; 80) zur Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft mit der Rauchgasleitung (18) über einen die Düse (36; 9?) umgebenden Zuführkanal (43; 100) Tür Luft und Rauchgas verbunden ist, und daß dieser Zuführkanal in einem Luftzuführkanal (62, 42; 85; 88) zur Ausbildung eines den Flammenkern (28; 86) umgebenden Luftmantel angeordnet ist.

12. Feuerungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem die Düse (36; 97) umgebenden Zuführkanal (43; 100) eine mit einer zentralen Öffnung (41; 83) versehene quer verlaufende Düsenplatte (40; 82) angeordnet ist.

13. Feuerungsanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand des Zuführkanals (43; 100) und de«- diesen umgebenden Luftzuführungskanals drosselbare Eintrittsöffnungen (46; 57, 51) für das Rauchgas beziehungsweise die Luft vorgesehen sind.