DE2757049A1

DE2757049A1 - Verfahren zur erzielung einer ununterbrochenen verbrennung von kohlenstoffhaltigem brennstoff

Info

Publication number: DE2757049A1
Application number: DE19772757049
Authority: DE
Inventors: Robert Vetrano Carrubba; Paul Flanagan; Ronald Marshall Heck; Eric Roy Norster
Original assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Current assignee: BASF Catalysts LLC
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-12-21
Publication date: 1978-07-06
Also published as: CH627536A5; JPS5378428A; US4118171A; JPS5916164B2; AU3190377A; AR215040A1; GB1575427A; CA1070232A; FR2375543A1; AU513199B2; SE434184B; FR2375543B1; SE7714618L; BE862212A; BR7708551A

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Walter Abitt _Q

Dr. Diele- [. Morf ι . 2 /b /UAd

Dipl.-Phys. ui. L.i ichneder 8 München 86, Pienzenauerstr. 28

21. Dezember 1977 74-58

ENGELHARD MINERALS & CHEMICALS CORPORATION Iselin, New Jersey 08830, V.St.A.

Verfahren zur Erzielung einer ununterbrochenen Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Durchführung der Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, wobei die Verbrennung bei einer vorbestimmten Rate oder Raten von Gesamtbrennstoffbedarf ununterbrochen weitergeführt wird und wobei der Brennstoff zwischen zwei Verbrennungsstufen verteilt wird, so daß die geforderte Gesamtbeschickungsrate erreicht bzw. erhalten wird. So wird ein Teil, normalerweise etwa 20 bis 7096, des gesamten Brennstoffs in eine thermische Verbrennungsstufe geleitet. Gleichzeitig wird ausreichend Luft in die thermische Verbrennungsstufe geleitet, bevorzugt etwa 125 bis 185 der stöchiometrischen Luftmenge, so daß eine im wesentlichen vollständige Verbrennung dieses Teils des Brennstoffs bewirkt wird und ein erhitzter Abstrom erzeugt wird. Eine weitere Menge relativ kühler Luft wird mit diesem Abstrom vermischt und das entstehende, gekühlte Gemisch geht weiter durch die Mischzone, wobei die zusätzliche Luft ausreichend die Vorverbrennung des restlichen Teils des Brennstoffs, der stromabwärts in die Mischzone gegeben wird, inhibiert. Dieses gekühlte Gemisch in der Mischzone hat bei und nach der Zufuhr des zusätzlichen Brennstoffs eine Temperatur, die im Bereich von etwa 260 bis 649°C (500-1200⁰F) liegt. Das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch wird dann in Anwesenheit eines Katalysators verbrannt, wobei durch das Gemisch in der Katalysatorstufe Verbrennungsbedingungen erzeugt werden, bei denen eine hohe Wärmefreigaberate ohne wesentliche Bildung von Stoffen, die die Umwelt verschmutzen, erreicht wird.

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen einschließlich gasförmiger Brennstoffe, wie Naturgas,und flüssiger Brennstoffe, wie Brennöl. Wenn in der vorliegenden Anmeldung von "Brennstoffen" gesprochen wird, sollen darunter ebenfalls Heizmaterialien, Heiz- und Brennstoffe verstanden werden. In der US-PS 3 928 961 der gleichen Anmelderin wird ein Verfahren beschrieben und be-

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anspracht, das als katalytisch unterstützte thermische

Verbrennung bezeichnet wird. Entsprechend diesem Verfahren kann kohlenstoffhaltiger Brennstoff sehr wirksam und bei Reaktionsraten verbrannt werden, die charakteristisch sind für die thermische (homogene) Verbrennung, obgleich die Verbrennung in Anwesenheit eines festen Oxydationskatalysators bei Temperaturen durchgeführt wird, die unter denen liegen, bei denen Stickstoffoxide erzeugt werden. Normalerweise liegt die Arbeitstemperatür eines Katalysator bei der katalytisc-h unterstützte thermische Verbrennung im · :

Bereich von etwa 927 bis 1742⁰C (1700-320O⁰F), z.B. nahe des Mittelteils dieses Temperaturbereichs. Es wurde gefunden, daß es wünschenswert ist, zum Verbrennen verschiedener Arten von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen die Verbrennung in mehr als einer Stufe durchzuführen einschließlich mindestens einer Stufe, bei der ein Katalysator verwendet wird,und mindestens einer thermischen Verbrennungsstufe. In der zuvor beschriebenen Patentschrift wird ein Verfahren, bei dem eine kataly- '■' tisch unterstützte thermische Verbrennung in Anwesenheit eines Katalysators durchgeführt wird, beschrieben und beansprucht. Darauf folgt eine thermische Verbrennung des teilweise verbrannten Abstroms von der Katalysator stufe. In der US-PS 3 846 979 der gleichen Anmelderin wird ein Verfahren beschrieben, bei dem kohlenstoffhaltiger Brennstoff teilweise in einer thermischen Verbrennungszone verbrannt wird und anschließend der Abstrom, der den teilweise verbrannten Brennstoff enthält, abgeschreckt wird und dann der abgeschreckte Abstrom mit einem Katalysator zur Oxydation eines Teils oder des gesamten, nichtverbrannten Brennstoffs von der thermischen Verbrennungszone behandelt wird.

In einem der Beispiele der zuletzt erwähnten US-PS 3 846 979 werden Dieselbrennstoff und komprimierte Luft in einer Menge von 1056 im Überschuß der stöchiometrischen Menge der Luft für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs in eine thermi-

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sehe Verbrennungsanlage eingeleitet, wobei ein Abstrom aus etwa 90Ji oxydiertem Brennstoff erzeugt wird, der mit ausreichend überschüssiger Luft abgeschreckt wird, so daß eine adiabatische Flammentemperatur von etwa 816⁰C (1500⁰F) erhalten wird. Die in den Beispielen der Patentschrift beschriebenen Brennstoffe sind Dieselbrennstoffe oder Jetbrennstoffe der Art, wie sie normalerweise bei Luftfahrzeuggasturbinenmotoren verwendet werden. Bei typischen Bedingungen solcher Motoren, die bei einem Druck von etwa 20 at arbeiten, soll der abgeschreckte Abstrom eine adiabatische Flammentemperatur von 815°C (15OO°F) aufweisen. Die tatsächliche Temperatur des abgeschreckten Abströme liegt etwa 55 bis 112°C (100-20O⁰F) unter seiner adiabatischen Flammentemperatur, d.h. über 700°C (1300⁰F), bedingt durch einen kleinen Anteil an nichtoxydierendem Brennstoff von der thermischen Verbrennungsvorrichtung. Entsprechend diesem Beispiel dieser Patentschrift wird ausreichend weiterer Brennstoff in den Abstrom gesprüht, um die adiabatische Flammentemperatur auf 1425°C (2600°F) zu erhöhen. Das entstehende Gemisch wird dann zu der Katalysatorstufe geleitet und vollständig verbrannt. Die Temperatur am Auslaß der thermischen Verbrennungszone soll vor dem Abschrecken über 1800⁰C (330O⁰F) liegen, und die Auslaßtemperatur von dem Katalysator beträgt 1370°C (2500⁰F).

Obgleich das gerade beschriebene Verbrennungsverfahren für bestimmte Arten von Brennstoffen und Betriebsbedingungen geeignet ist, ist das Abschreckverfahren schwierig mit den Mengen an Brennstoff durchzuführen, die in dem Gemisch, das in die thermische Verbrennungsvorrichtung eintritt, enthalten sind. Es ist so zur Beendigung der Oxydation ein heftiges Mischen der Abschreckluft mit dem teilweise oxydierten, thermischen Verbrennungsabstrom erforderlich. Durch dieses Mischen wird eine Turbulenz mit einem unerwünschten Druckabfall in der Abschreckzone erzeugt. Der Verbrennungs-Abschreck-Vorgang kann schwierig aufrechtzuerhalten sein im Falle von flüchtigen bzw.

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vorübergehenden Störungen. Weiterhin kann das verläßliche Vermeiden einer Vorzündung und einer weiteren Verbrennung, sobald weiterer Brennstoff auf den abgeschreckten Abstrom gesprüht wird, wie es in der genannten Patentschrift beschrieben wird, in der Praxis schwierig sein, wenn nicht der abgeschreckte Abstrom wesentlich kühler ist als es in dem Beispiel der Patentschrift angegeben wird. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche Schwierigkeiten bei der Durchführung eines zweistufigen Verbrennungsverfahrens zu vermeiden, bei dem eine thermische Verbrennungsstufe verwendet wird, auf die eine Verbrennung in Anwesenheit eines Katalysators folgt.

In der DT-OS 26 59 226.7 entsprechend

der US-Anmeldung mit der Serial Nr. 644 873, eingereicht am 29. Dezember 1975) der gleichen Anmelderin wird ein Verfahren beschrieben, mit dem ein Verbrennungssystem unter Verwendung eines Katalysators in Gang gebracht werden kann. Bin Brennstoff-Luft-Gemisch wird beim Anlassen in einer thermischen Verbrennungszone zur Erzeugung einer Wärmequelle verbrannt, und diese Wärme wird dem Katalysator in wesentlicher Abwesenheit von nichtverbranntem Brennstoff zugeführt, um den Katalysator auf eine Temperatur zu bringen, bei der er einen beschränkten Massenübergangsbetrieb ununterbrochen unterhält.Die während dieses Anlaßvorgangs erreichte Katalysatortemperatur reicht zur Entzündung eines Gemisches aus kohlenstoffhaltigem Brennstoff und Luft aus. Diese Katalysatortemperatur kann die Betriebstemperatur für die Durchführung der thermischen Verbrennung eines solchen Gemisches unter Verwendung eines Katalysators mit Träger in Anwesenheit eines Katalysators erreichen. Das Ziel des zuvor genannten, in der DT-OS 26.59 226.7 (bzw. der US-Serial Nr. 644 873) beschriebenen Verfahrens besteht darin, die unvollständige Verbrennung, die im Katalysator auftreten kann, zu vermeiden, wenn ein Brennstoff-Luft-Gemisch durch den Katalysator geleitet wird, während er kalt

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ist. Der Abstrom aus einer solch unvollständigen Verbrennung kann die umgebende Atmosphäre mit unerwünscht hohen Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid verunreinigen. Der Abstrom von der verwendeten thermischen Verbrennungszone darf während des Anlassens gemäß der DT-OS 26-59 226.7 (bzw. US-Anmeldung SN 644 873) den Katalysator nicht berühren, solange er nicht von unverbranntem Brennstoff frei ist. Dies hat einen zweifachen Vorteil. Einerseits wird eine Beschädigung des Katalysators durch Verbrennen von Brennstoff nach der Absorption am Katalysator, wenn dieser kalt ist, vermieden, und in Abwesenheit einer solchen Verbrennung am Katalysator wird der Durchgang von nichtverbranntem Brennstoff durch den Katalysator in die Atmosphäre vermieden. Sobald der Katalysator auf eine Temperatur erhitzt wurde, bei der er so wirkt, daß der Brennstoff in dem Gemisch, das durch ihn hindurchgeht, verbrennt, kann praktisch das gesamte Brennstoff-Luft-Gemisch direkt in den Katalysator für feinen ununterbrochenen, stationären Betrieb geleitet werden - und die Brennstoffzufuhr zu der thermischen Verbrennungsstufe, die zum Anlassen verwendet wird, wird abgestellt oder drastisch zurückgestellt. Nachdem eine Entzündung im Katalysator erreicht wurde, hört die thermische Verbrennung entweder auf oder sie wird mit niedrigerer Brennstoffzufuhr weitergeführt, wobei die Brennstoffzufuhr eine vollständig andere Funktion hat und lediglich das Verdampfen des Brennstoffs erleichtert. Es kann eine dazwischenliegende, kurze Zeltperiode auftreten, während der die thermische Vorverbrennung mit beachtlichen Werten weiter abläuft, bis ein regeneratives Vorerhitzen der Einlaßluft sichergestellt ist. Diese Zeit hängt von der Anfangstemperatur und der Masse des Wärmeaustauschers ab.

Obgleich das in der obigen DT-OSf 27.59 266.7(US-Anmeldung 644 873) beschriebene Verfahren zum Erreichen des Anlassens in dem Verbrennungssystem unter Verwendung eines Katalysators sehr nützlich sein kann, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine ununterbrochene Verbrennung von kohlen«·

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stoffhaltigem Brennstoff in einem Verbrennungssystem zu schaffen, bei dem ein Katalysator verwendet wird und wobei ein Vorbrenner während des Betriebs des Verbrennungssystems oder während der ununterbrochenen Verbrennung bei bestimmten Betriebsbedingungen verwendet wird, wie bei einem Betrieb innerhalb vorgegebener Brennstoffbedarfsbereiche oder bei einem Betrieb, bei dem vorbestimmte Brennstoff-Luft-Verhältnisse verwendet werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein neues und verbessertes Verfahren zur Durchführung einer ununterbrochenen bzw. dauernden Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs bzw. Heizmaterials bei vorgegebenen Gesamtraten für den Brennstoffbedarf unter Verwendung einer Verbrennungsvorrichtung, die eine thermische Verbrennungszone und stromabwärts davon nacheinander eine Mischzone und eine Katalysatorzone umfaßt. Für mindestens eine der vorgegebenen Gesamtraten für den Brennstoffbedarf werden wesentliche Anteile des Brennstoffs in jeder der thermischen Verbrennungszonen und der Katalysatorzone verbrannt. Während des Betriebs bei einer solchen Brennstoffbedarfsrate wird ein wesentlicher Teil des Brennstoffs in die thermische Verbrennungszone geleitet, während gleichzeitig Luft in die thermische Verbrennungszone eingeleitet wird, damit eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Brennstoffs, der darin eingeleitet wird, unter Bildung eines erhitzten Abstroms erfolgt. Eine zusätzliche Menge an relativ kalter Luft wird zu dem erhitzten Abstrom in dem Auf stromteil der Mischzone zur Erzeugung eines gekühlten Gemisches gegeben, zu dem man, während es den Stromabwärts teil der Mischzone durchquert, einen wesentlichen, zusätzlichen Teil des Brennstoffs zugibt, so daß man die Gesamtmenge erhält, die für die vorherrschende Brennstoffbedarfsrate erforderlich ist. Dabei wird ein angereichertes Brennstoff-Luft-Gemisch bzw. eine Zumischung erzeugt. Dieses Gemisch bzw. diese Zumischung (diese Ausdrücke werden synonym verwendet) wird dann in Anwe-

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senheit des Katalysators unter Bildung eines Abströme mit hoher thermische Energie verbrannt. Die zusätzliche Luftmenge, die zu dem erhitzten, thermischen Verbrennungsabstrom zugegeben wird, reicht aus, um das gekühlte Gemisch und das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch bei einer Temperatur Im Bereich von etwa 250 bis 650°C (500-1200⁰F) in der Mischzone zu halten und eine Vorverbrennung des zuvor erwähnten, zusätzlichen Brennstoffs darin zu inhibieren. Das entstehende Brennstoff-Luft-Gemisch besitzt weiterhin eine solche adiabatische Flammentemperatur, daß beim Kontakt mit dem Katalysator die Betriebstemperatur des Katalysators im wesentlichen über der momentanen Auto-EntzUndungstemperatur des angereicherten Brennstoff-Luft-Gemisches, aber unter der Temperatur, bei der eine wesentliche Bildung von Stickstoffoxiden erfolgt, liegt.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeich -nungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines zweistufigen Verbrennungssystems für das erfindungsgemäße Verfahren und besonders angepaßt für die Verbrennung eines gasförmigen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines zweistufigen Verbrennungssystems für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere, wenn der zu verbrennende Brennstoff ein flüssiger, kohlenstoffhaltiger Brennstoff, wie Brennstofföl, ist.

In Fig. 1 ist schematisch ein zentraler, longitudinaler Querschnitt einer Vorrichtung dargestellt, die zur Durchführung eines Verfahrens geeignet ist, mit dem eine ununterbrochene Verbrennung sichergestellt ist, nicht nur bei einer bestimmten Brennstoffbedarfsrate, sondern ebenfalls bei wesentlich niedrigeren Bedarfsraten an kohlenstoffhaltigem Brennstoff, der, wenn er mit einer stOchlometrischen Menge an Luft verbrannt wird, eine adiabatische Flammentemperatur von minde-

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stens etwa 1800°C (330O⁰F) besitzt. Gasförmige Brennstoffe, die zur Verbrennung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung geeignet sind, umfassen beispielsweise Kohlenwasserstoffe, wie niedrige Alkane, Insbesondere Methan in Naturgas, Propan, das Propylen enthalten kann, oder Butan, Kohlenmonoxid und Kohlegas.

Die Verbrennungsvorrichtung ist mit einem Außengehäuse bzw. äußeren Gehäuse bzw.Gerüst einschließlich eines Aüßengehäuseteils allgemeinen konischer Form ausgerüstet, der das Einlaßende der Vorrichtung bildet. Ein zylindrischer Gehäuseteil schließt an den Teil 11 an und definiert den im allgemeinen longitudinal verlaufenden Teil einer inneren thermischen Verbrennungszone. Ein zylindrischer Gehäuseteil 15 größeren Durchmessers grenzt an den Teil 13 an und definiert an seinem äußersten linken, longitudinalen Teil einen Aufstrom- oder Abschreckteil einer Mischzone, während der Teil des Gehäuseteils 15 rechts davon den restlichen bzw. verbleibenden Stromabwärtsteil der Mischzone definiert bzw. begrenzt. Ein weiterer, zylindrischer Gehäuseteil 17, der an den Teil 15 angrenzt und eine Katalysatorzone definiert und ein nach innen konisch verlaufender Gehäuseteil 19, der an das Stromabwärtsende des Teils 17 angrenzt und eine VerdUnnungazone definiert, sind weiterhin vorhanden.

Ein Einlaß 21 ist am äußeren Gehäuseteil 11 für die Zufuhr eines primären Teils des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in die Verbrennungsvorrichtung vorgesehen. Der Brennstoffeinlaß 21 ist über eine Leitung 23 mit einem kreisförmigen, primären Brennstoffansaugrohr bzw. -verteilerrohr 25 verbunden, das mit öffnungen in Intervallen um das Verteilerrohr herum ausgerüstet ist für die Abgabe des primären Brennstoffe in die thermische Verbrennungszone.

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Die Verbrennungsvorrichtung ist weiterhin mit einem inneren Gehäuse innerhalb des äußeren Gehäuses ausgerüstet, das einen inneren Gehäuseteil 27 mit einem im allgemeinen konischen Verschluß 29 an dem linken oder Stromaufwärtsende enthält, wodurch der primäre Brennstoff innerhalb der thermischen Verbrennungszone zurückgehalten wird. Die primäre Luft tritt in die thermische Verbrennungszone ein aus dem Raum zwischen dem Außengehäuseteil 13 und dem Innengehäuseteil 27 durch eine erste Reihe von großen Lufteinlaßöffnungen 31t die um den Gehäuseteil 27 in Abständen angebracht sind, durch eine zweite Reihe von kleineren Lufteinlaßöffnungen 33 ein, die zwischen den öffnungen 31.um den Gehäuseteil 27 verteilt sind. Zusätzliche, primäre Luftöffnungen 35 sind um den Gehäuseteil 27 herum nahe am Stromabwärtsende der thermischen Verbrennungszone verteilt. Ein Anzünder bzw. eine Zündvorrichtung 37 ist durch die konischen Gehäuseteile 11 und 29 in das Stromabwärtsende der thermischen Verbrennungskammer eingesteckt.

Gegebenenfalls und sofern es zweckdienlich ist, kann der primäre Brennstoff mit einem Teil oder der gesamten primären Luft vor der Injektion in die thermische Verbrennungszone vorvermischt werden. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung kann daher so modifiziert werden, daß sie Zufuhr des primären Brennstoffs und der Luft zusammen in die thermische Verbrennungszone durch einen einzigen Einlaß oder eine Gruppe von Einlassen möglich wird. Wird dies getan, dann sollten die üblichen Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden,, um ein Flammendurchschlagen bzw. einen Flammenrückschlag von der Verbrennungszone zu vermeiden.

Ein innerer Gehäuseteil 39» zweckdienlich mit allmählich steigendem Durchmesser, verbindet den Teil 27 und umgibt die Hisohzone konzentrisch innerhalb des äußeren Gehäuseteils 15. Luft zum Kühlen des Abströme von der thermischen Verbren-

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nungszone tritt in den Stromaufwärtsteil der Mischzone aus dem Raum zwischen dem äußeren Gehäuseteil 15 und dem inneren Gehäuseteil 39 durch eine Reihe großer öffnungen 41 ein, die um den inneren Gehäuseteil 39 gerade stromabwärts von der thermischen Verbrennungszone, die durch den inneren Gehäuseteil 27 abgegrenzt wird, verteilt sind. Zusätzliche Luft tritt durch eine Reihe kleinerer öffnungen 43 ein, die zwischen den öffnungen 41 um den Gehäuseteil 39 verteilt sind. Noch weitere Luft wird durch den Gehäuseteil 39 durch eine Reihe von zusätzlichen öffnungen 45 eingeleitet, die um den inneren Gehäuseteil 39 weiter stromabwärts in der Mischzone angebracht sind. Kühlluft, die durch die öffnungen 41, 43, in den inneren Gehäuseteil 39 eintritt, liefert ebenfalls sekundäre Verbrennungsluft für die Verbrennung, die in der Katalysatorzone stromabwärts der Mischzone, die durch den Gehäuseteil 39 begrenzt wird, stattfindet. Ein Teil oder die gesamte Luft, die durch die mehr stromaufwärts liegenden öffnungen 35 durchgeht, kann ebenfalls zum Kühlen und Abschrekken der Produkte der thermischen Verbrennung aus primärem Brennstoff, der durch den Verteiler 25 eingeleitet wird, dienen. Beim Verbrennen gasförmiger Brennstoffe kann die Luftmenge, die tatsächlich durch die öffnungen 31 und 33 hindurchgeht, so sein, daß brennstoffreiche Anteile in Bereichen nahe und stromaufwärts von dem Brennstoffverteiler 25 verbrennen. Darauf wird unvollständig verbrannter, primärer Brennstoff im wesentlichen vollständig unter Verwendung zusätzlicher Luft verbrannt, die durch die öffnungen 35 oder selbst durch die öffnungen 41 und 43 eintritt, gefolgt von einem prompten Abkühlen (Abschrecken), das durch weiteres Mischen mit Luft erreicht wird, die durch die öffnungen 41, 43 und 45 zur Vermeidung einer vorzeitigen Entzündung des sekundären Brennstoffs eingeleitet wird, der, wie beschrieben, zugeführt wird.

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Ein Einlaß 47 für den sekundären Brennstoff ist aus Zweckdienlichkeitsgrtinden am Stromaufwärtsende der Vorrichtung angebracht. Der Einlaß 47 ermöglicht den Zugang zu einer Leitung 49 innerhalb des äußeren Gehäuseteils 15» die in Stromabwärtsrichtung zu einem kreisförmigen, sekundären Brennstoffverteiler bzw. -ansaugsttick 51 führt, das den inneren Gehäuseteil 39 um den Stromabwärtsteil der Mischzone umgibt. Sekundärer Brennstoff wird wie folgt in die Mischzone injiziert bzw. eingespritzt: Geeignet angebrachte Löcher geben den Brennstoff von Stellen um das Verteilerstück 51 in Stromabwärts- und Innenrichtung frei, wie es durch die Pfeile in Flg. 1 angedeutet wird. Luft, die links zwischen den Gehäuseteilen 15 und 39 hindurchgeht, trägt bzw. befördert den Brennstoff in Richtung auf die Löcher 41, 43» 45 und in das Innere der Mischzone, durch die ein gekühlter oder abgeschreckter Abstrom von der thermischen Verbrennungszone hindurchgeht. Ein Ablenkorgan 52 verhindert, daß die Hauptmenge der Luft, die den sekundären Brennstoff befördert, durch die Löcher 31» 33» 35 hindurchgeht. Es ist erkennbar, daß kein großer Trennbedarf besteht zwischen dem Stromaufwärtsmisch- oder -abschreckteil und dem Stromabwärtsteil der Mischzone, ausgenommen, Je nach Bedarf» für die Zufuhr von ausreichend Luft zum Abkühlen des thermischen Verbrennungsabstroms im Verlauf der Zelt, so daß ein Vorverbrennen in der Mischzone des Brennstoffs, der von dem Verteiler 51 zugeführt wird, vermieden wird.

Ein zylindrischer, innerer Gehäuseteil 53 ist mit dem Stromabwärtsende des inneren Gehäuseteils 39 verbunden und enthält einen Katalysator 55 zylindrischer Form, angebracht bzw. befestigt durch geeignete Strukturen innerhalb des inneren Gehäuseteils 53· Der Katalysator 55 let bevorzugt einer oder mehrere monolithische Katalysatoren der Honigwabenart bzw. der Zellenart mit inneren GasstrOmungsdurchgangswegen, die sich in axialer Richtung des zylindrischen Gehäuses 53 erstrecken. In einer Form kann ein solcher Katalysator als

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Träger einen monolithischen oder feuerfesten Zirkon-Mulllt enthalten, der selbst katalytisch nicht aktiv ist. Die inneren Strömungsdurchgänge des Monoliths sind mit einer calcinierten Schicht aus Aluminiumoxid mit hohem Oberflächenbereich beschichtet bzw. überzogen, das für die höheren Betriebstemperaturen durch Einarbeitung eines anderen oxidischen Materials, wie Cerdioxid, stabilisiert sein kann. Eingearbeitet in die Aluminiumoxidschicht oder darauf aufgebracht, ist eine geringe Menge eines katalytisch aktiven Metalls der Platingruppe, wie Platin oder Palladium oder beide.

Verbunden mit dem Stromabwärtsende des inneren Gehäuseteils 53 1st ein innerer Endgehäuseteil 61, der sich in seinem Durchmesser verjüngt, so daß er dem Stromabwärtsende des äußeren Gehäuseteils 19 entspricht. Ein ringförmiges Endelement 63 empfängt bzw. nimmt an seiner inneren Oberfläche die Stromabwärtsenden sowohl des äußeren Gehäuseteils als auch des Inneren Gehäuseteils 61 auf.

Verdünnungsluft zum Mischen mit dem Abstrom aus dem Katalysator 55 kann in die Verdünnungszone innerhalb des inneren Gehäuseteils 61 aus dem Raum zwischen dem Teil und dem äußeren Gehäuseteil 19 durch eine Reihe großer öffnungen 65 eintreten, die um den inneren Gehäuseteil 61 verteilt sind, und zusätzliche Verdünnungsluft kann in die Verdünnungszone durch eine Reihe kleinerer öffnungen 67 eintreten, die zwischen den öffnungen 65 um den Gehäuseteil 61 verteilt sind.

Eine Lufteinlaßkanal ~ 69 mit großem Durchmesser ist zweckdienlich an der Seite des Stromabwärtsendes der Verbrennungsvorrichtung angebracht und verbindet eine Seite des äußeren Gehäuseteils 17 und erlaubt den Zutritt für den Durchgang an primärer Verbrennungsluft, Abschreck- und sekundärer Verbrennungsluft und Verdünnungsluft in den Raum zwischen dem äußeren Gehäuseteil 17 und dem inneren Gehäuseteil 53· Dieser

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Raum steht in Stromaufwärtsaxialrichtung mit dem Raum zwischen dem äußeren Gehäuseteil 15 und dem inneren Gehäuseteil 39 in Verbindung, das seinerseits in Stromaufwärtsrichtung mit dem Raum zwischen dem äußeren Gehäuseteil 13 und dem inneren Gehäuseteil 27 in Verbindung steht. In Stromabwärtsrichtung der Verbrennungsvorrichtung steht der Raum zwischen dem äußeren Gehäuseteil 17 und dem inneren Gehäuseteil 53, versehen mit dem Lufteinlaßkanal . * 69» in Kommunikation mit dem Raum zwischen dem äußeren Gehäuseteil 19 und dem inneren Gehäuseteil 61.

Beim Betrieb eines zweistufigen Verbrennungssystems unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung erfolgt eine ununterbrochene Verbrennung der gasförmigen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffe in vorbestimmten Gesamtraten von Brennstoffbedarf, die z.B. eine Anlaß- bzw. Beginn- oder Alarmbereitschaft- bzw. Verstärkungsbrennstoffbedarfsrate und eine normale Bedarfsrate umfassen, möglicherweise mit Betrieb ebenfalls bei Zwischenraten und bei einer noch höheren maximalen Rate. Die Erzielung bzw. Einstellung dieser verschiedenen Raten kann Schwierigkeiten bei der Beibehaltung einer stabilen, dauernden Verbrennung und bei der Vermeidung Übermäßiger Abweichungen der Katalysatortemperatur beinhalten. Beispielsweise kann bei niedrigem Bedarf die Katalysatoreinlaßtemperatur so abfallen, daß sie unter der abhängigen Entzündungstemperatur für die Gemische aus Brennstoff und Luft liegt, die den Katalysator dann oder während eines späteren Betriebs erreichen. Andererseits kann eine Vorentzündung des sekundären Brennstoff bei maximalen Brennstoffbeschickungsraten auftreten. Im allgemeinen wird ein größerer Anteil an gesamter Brennstoffbeschickung in die thermische Verbrennungszone bei den niedrigsten Brennstoffbeschickungsraten eingeleitet, damit der Katalysator bei geeignet erhöhter minimaler Betriebstemperatur gehalten wird. In der Tat kann die Vorrichtung vorteilhafterweiee bei in Ruhe befindlichem

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Zustand bzw. im Ruhezustand so betrieben werden, daß überhaupt kein sekundärer Brennstoff in die Mischzone eingeleitet wird, während maximale Energie vorteilhaft aufrechterhalten bzw. erzeugt werden kann unter Verwendung einiger Brennstoffe ohne Verbrennung des Brennstoffs in der thermischen Verbrennungszone.

Es wurde jedoch gefunden, daß es in den meisten Fällen von Vorteil ist, in die thermische Verbrennungszone zur im wesentlichen vollständigen Verbrennung darin zwischen etwa 20 und etwa 7096 der Gesamtmenge an Brennstoff, die zugeführt wird, einzuleiten. Die thermischen Verbrennungsprodukte in dem entstehenden Abstrom werden dann zur Vermeidung einer Vorentzündung und eines Vorverbrennens des zusätzlichen oder sekundären Brennstoffs abgekühlt, der in die Mischzone zur Ergänzung des Brennstoffs in dem System und somit zur Erzeugung eines Brennstoff-Luft-Gemisches eingeleitet wird, das sekundären Brennstoff enthält (d.h. damit angereichert ist). Wenn dies erfolgte, wird das gekühlte Gemisch aus der thermischen Verbrennungszone und das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch, das mit dem sekundären Brennstoff gebildet wurde, in der Miscl» zone bei Temperaturen im Bereich von etwa 250 bis 65O°C (500-1200⁰F) und bevorzugt im Bereich von etwa 375 bis 550⁰C (700-1000⁰F) gehalten.

Für alle solche Betriebsbedingungen wird eine Verbrennungsvorrichtung verwendet, die eine thermische Verbrennungszone innerhalb des inneren Gehäuseteils 27 und stromabwärts davon nacheinander eine Mischzone, im allgemeinen innerhalb des inneren Gehäuseteils 39, und einen Katalysator innerhalb des inneren Gehäuseteils 53 umfaßt. Insbesondere wenn der Abstrom von der Verbrennungsvorrichtung eine Gasturbine antreiben soll, ist der weitere innere Gehäuseteil 61 zur Erzeugung einer Luftverdünnung oder zum Mischen mit dem Katalysatorabstrom nützlich, wodurch sichergestellt wird, daß Antriebsgase

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die Turbinenschaufeln nicht mit zu hohen Temperaturen erreichen.

Während Brennstoff nicht nur in die Mischzone, sondern ebenfalls in wesentlichen Mengen in die thermische Verbrennungszone zum Verbrennen darin unter Bildung eines erhitzten Abstroms eingeleitet wird, werden bestimmte Betriebsbedingungen, wie im folgenden beschrieben, aufrechterhalten. Während eines solchen Betriebs wird ein Teil des Brennstoffs in den Einlaß 21 geleitet, bevorzugt etwa 20 bis etwa 70% der Gesamtmenge an Brennstoff, der erforderlich ist für die Brennstoffbedarfsrate, bei der die Verbrennung durchgeführt wird. Der Brennstoff kann z.B. technisches bzw. im Handel erhältliches Propan, das Propylen enthält, sein. Der Brennstoff geht von dem Einlaß 21 durch die Leitung 23 und wird in die thermische Verbrennungszone von dem Verteiler 25 eingesprüht. Luft wird gleichzeitig durch die Öffnungen 31t 33 und 35 in die thermische Verbrennungezone geleitet, damit eine Im wesentlichen vollständige Verbrennung darin des Teils des Brennstoffs erfolgt, der in sie eingeleitet wird. Die Brennstoff- und Luftbeschickungsraten werden bevorzugt so eingestellt, daß die zugeführte Luft zwischen etwa 125 und etwa 185% der stuchlometrischen Menge gehalten wird, die für eine vollständige Verbrennung des so zugeführten Brennstoffs erforderlich ist.

Damit eine stabile Verbrennung in der thermischen Verbrennungszone erreicht wird, kann das Brennen tatsächlich während des Mischens des Brennstoffs und Luft in Flächen oder Bereichen auftreten, wo das Luft-Brennstoff-Verhältnis fast das stöchiometrische Verhältnis erreicht, gefolgt unmittelbar innerhalb der Verbrennungszone durch besseres Vermischen der gasförmigen Materialien einschließlich der Verbrennungsprodukte· Die Stabilität der Verbrennung kann für Luft-Brennstoff -Verhältnisse wesentlich magerer oder reicher als das

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stöchiometrische Verhältnis verbessert werden (abhängig von den Brennstoffinjektionsraten, bezogen auf den Luftdruck und die Anordnung der öffnungen,aus dem mit komprimierter Luft aufgefüllten Raum in das Innere der Verbrennungsvorrichtung) , indem man eine Rezirkulierung der Brenngase ermöglicht, so daß die Teile der sich langsamer bewegenden Gase eine Fortschreitung der Oxydationsreaktion bei langsameren Geschwindigkeiten, die für solche Gemische charakteristisch sind, ermöglichen, die kontinuierlich durch die erhitzten Reaktionsprodukte, die die Bereiche verlassen, entzündet werden, die das Verbrennen unterstützen. Dies kann z.B. in dem Bereich geschehen, der benachbart zu dem konischen Gehäuse oder Verschluß 29 ist, wo nur wenig oder kein Brennstoff oder Luft die Verbrennungskammer betritt. Wenn der vollständig verbrannte Abstrom von der thermischen Verbrennungszone in die Abschreckzone eintritt, die benachbart zu dem Stromaufwärts ende des Raums innerhalb des Gehäuseteils 39 ist, geht eine zusätzliche Menge an Luft durch ■ die Offnungen 41,43 und 45 zum Vermischen mit dem erhitzten Abstrom aus der thermischen Verbrennungszone. Das entstehende Gemisch, das durch die zugegebene Luft abgekühlt wird, geht durch die Mischzone zu dem Stromabwärtsende des äußeren Gehäuseteils

Ein zusätzlicher Teil des Brennstoffs, der den Gesamtbedarf ergibt, der für die betreffende Brennstoffbedarfsrate erforderlich ist, wird zu dem gekühlten Gemisch, das durch den Stromabwärtsteil der Mischzone geht, gegeben, wobei ein angereichertes Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird. Dieser sekundäre Brennstoff wird durch den Einlaß 47, die Leitung 49 und den Verteiler 51 eingeleitet und wird mit einem Teil der sekundären Luft, die in die Bereiche, benachbart zu der Außenoberfläche des inneren Gehäuseteils 39, geleitet wird, vermischt. Jedoch reicht die Gesamtmenge an sekundärer Luft, die durch die öffnungen 41, 43 und 45 eingeleitet wird, aus, das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch innerhalb des ge-

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wünschten Temperaturbereichs zu halten,und durch seine Kühloder Abschreckwirkung nach dem Mischen mit dem Abstrom von der thermischen Verbrennungszone reicht die Temperatur aus, um eine Vorverbrennung oder Vorentzündung des zusätzlichen Brennstoffs, der in die Mischzone eingeleitet wird, zu verhindern. Das entstehende, angereicherte, innige Gemisch aus Brennstoff und Luft wird zu dem Katalysator 55 geleitet.

Zur Durchführung einer katalytisch unterstützten thermischen Verbrennung nach dem Kontakt mit dem Katalysator 55 hat das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch, das in den Katalysator eintritt, eine solche adiabatische Flammentemperatur, daß nach dem Kontakt mit dem Katalysator die Betriebstemperatur des Katalysators im wesentlichen über der momentanen AutoEntzündungstemperatur eines solchen Brennstoff-Luft-Gemisches, aber unter der Temperatur liegt, die eine wesentliche Bildung von Stickstoffoxiden bewirken würde. Die Zusammensetzung und die Temperatur des angereicherten Brennstoff-Luft-Gemisches, die seine adiabatische Flammentemperatur nach dem ersten Kontakt mit dem Katalysator bestimmen, werden ihrerseits durch die Einlaßlufttemperatur und in geringem Umfang durch die Einlaßbrennstofftemperatur, durch die Wärme und Verbrennungsprodukte, die durch das Verbrennen in der thermischen Verbrennungszone als Folge der portionsweisen Zugabe von einem Teil der gesamten Brennstoffbeschickung zu dem primären Brennstoffeinlaß 21 erzeugt werden, bestimmt wie auch durch die Mengen an primärer Verbrennungsluft, die durch die öffnungen 31, 33 und 35 in die thermische Verbrennungszone hindurchgeht, und die Mengen an Abschreck- und sekundärer Verbrennungsluft, die durch die öffnungen 41, 43 und 45 in die Mischzone gehen, und natürlich ebenfalls durch die sekundäre Brennstoffbeschickung zu dem Einlaß 47·

Das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch, das in den Katalysator von dem Stromabwärtsende der Mischzone eintritt, wird

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dann in Anwesenheit des Katalysators 55 verbrannt und wird in die Verdünnungszone innerhalb des inneren Gehäuseteils 61 geleitet, wo zusätzliche Luft durch die öffnungen 65 und 67 eintreten kann unter Erzeugung eines Endabstroms mit der gewünschten Temperatur. Dieser Abstrom ist z.B. zum Antrieb von Gasturbinen zur Erzeugung von Energie oder zum Durchgang durch Wärmeaustauschvorrichtungen geeignet, wodurch die Energie ausgenutzt wird, die durch die ununterbrochene Verbrennung entwickelt wird der Brennstoffbeschickung in die Brennstoffeinlasse 21 und 47. Bei einer geeigneten Anordnung treibt der Abstrom von der Verdünnungszone zuerst ein Turbogebläse bzw. einen Abgasturbulator (nicht dargestellt) an, der auf dem Ringelement 63 befestigt sein kann. Umgebungsluft geht durch den Kompressor, der verbunden ist, um komprimierte Luft in die Lufteinlaßleitung 69 zu leiten. Der Abstrom von der Turbinenseite des Turbogebläses kann dann, wie oben vorgeschlagen, in Vorrichtungen, wie Maschinenturbinen oder Wärmeaustauscher, zur Ausnutzung des heißen Verbrennungsabstroms geleitet werden. Die Größen und die Verteilung der Luftzufuhröffnungen 31» 33, 35, 41, 43, 45, 65 und 67 werden entsprechend der Bauart der Verbrennungsvorrichtung ausgewählt, abhängig von dem Druck bei der Aufnahme der komprimierten Luft bzw. bei der Zufuhr der komprimierten Luft, so daß man die gewünschte Beschikkungsrate und Verteilung der primären Luft, der Abschreck- und sekundären Verbrennungsluft und der Verdünnungsluft erhält.

In der in den Zeichnungen dargestellten Vorrichtung für die Entfernung bzw. Abnahme der Wärme aus der Verbrennungsvorrichtung sind keine Einrichtungen vorgesehen durch Übertragung der Wärme von dem Katalysator oder sonstwie. Dementsprechend wird die ununterbrochene Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs selbst von Hochenergiebrennstoffen, die bei hohen Temperaturen brennen, unter im wesentlichen

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adiabatischen Bedingungen bei Temperaturen durchgeführt, die die adiabatische Flammentemperatur des Gemisches bei der Verbrennung erreichen und im allgemeinen im Bereich von ca. 22 bis 170° bzw. 25 bis 16O°C (5O-3OO°F) einer solchen adiabatischen Flammentemperatur. Insbesondere ist bei Hochenergiebrennstoffen die Einstellung des angereicherten Brennstoff-Luft-Gemisches, das den Katalysator betritt, wichtig, so daß es eine adiabatische Flammentemperatur unter der stickstoffoxidbildenden Temperatur besitzt. Im allgemeinen werden die Arbeitstemperaturen bei dem Katalysator gut unter ca. 1800⁰C (33OO°F) und im Bereich von etwa 925 bis 175O°C (1700-3200⁰F) und bevorzugt etwa 1100 bis 165O°C (2000-3000⁰F) gehalten.

Der Ausdruck "sofortige Auto-Entzündungstemperatur¹¹, wie er in der vorliegenden Anmeldung für ein Brennstoff-Luft-Gemisch verwendet wird, betrifft die Temperatur, bei der die Entzündungslaufzeit bzw. -nacheilung des Brennstoff-Luft-Gemisches, das in den Katalysator eintritt, vernachlässigbar ist, bezogen auf die Verweilzeit in der Katalysatorverbrennungszone des darin verbrannten Gemisches.

Obgleich die vorliegende Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit Luft als Beispiel für die Nichtbrennstoffkomponenten, die in die Verbrennungsvorrichtung eingeleitet werden, beschrieben wurde, ist selbstverständlich Sauerstoff das Element, das für die Unterstützung der Verbrennung erforderlich ist. Gegebenenfalls kann der Sauerstoffgehalt einer Nichtbrennstoffkomponente variiert werden, und der Ausdruck "Luft", wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, bedeutet die Nichtbrennstoffkomponenten und umfaßt irgendwelche Gase oder Gemische aus Gasen, die einige Produkte der vorherigen Verbrennung enthalten können oder nicht und die Sauerstoff enthalten, der für die Verbrennungsreaktionen verfügbar ist. Es soll darauf hingewiesen werden, daß

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die Luft, die als Abschreckungsfluid zugeführt wird, bevorzugt niedrigstmögliche. Temperatur besitzen sollte, normalerweise die Abgabetemperatür des Kompressors oder Gebläses, der bzw. das mit Umgebungsluft beschickt wird, so daß die Einstellung der gewünschten Temperatur in dem gekühlten Gemisch, das durch die Mischzone hindurchgeht, erleichtert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das in einer Vorrichtung, wie sie erläutert und im Zusammenhang mit Fig. 1 der Zeichnungen beschrieben wurde, durchgeführt werden kann, ist besonders zweckdienlich und wirksam, um eine ausreichende Verbrennung verschiedener Arten von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen durch geeignete Unterteilung bei verschiedenen Brennstoffbedarf sbedingungen des primären und sekundären Brennstoffs, der zugeführt wird, in die thermische Verbrennungszone und via der Mischzone in die Katalysatorzone zu erhalten. Für Änderungen in den Betriebsbedingungen kann man kompensieren, indem man die Anteile oder das Verhältnis von primären und sekundären Brennstoffbeschickungsraten ändert. Weiterhin kann man durch Änderung in dem Brennstoff selbst ohne unerwünschte Wirkung auf die Rate oder den Nutzeffekt bei der Energieproduktion oder auf die Bildung von Stickoxiden und anderen Verunreinigungen kompensieren. Beispielsweise kann man durch Änderung in den Verhältnissen von Propylen oder Wasserstoff, die in einem gasförmigen Brennstoff enthalten sein können, kompensieren, indem man für jede Brennstoffzusammensetzung ein optimales, vorbestimmtes Schema für die Portionierung der gesamten Brennstoffbeschickungsrate zwischen primärem und sekundärem Brennstoff, der zugeführt wird, kompensieren.

Bei der Bestimmung der Verhältnisse des Brennstoffs, der in die thermische Verbrennungszone und in die Katalysatorzone eingeleitet wird, ist es im allgemeinen bevorzugt, die Beschickungsrate in die thermische Verbrennungszone so zu begren-

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zen, daß soviel Brennstoff in der Katalysatorzone verbrannt wird, wie er mit dem abhängigen und wirksamen Gesamtverfahren vereinbar ist. Die thermische Verbrennung kann in lokalisierten Bereichen bei Temperaturen stattfinden, die der adiabatischen Flammentemperatur eines stöchiometrischen Gemisches aus Brennstoff und Luft angenähert sind. Mit den angegebenen Brennstoffen überschreiten solche thermischen Verbrennungstemperaturen die Temperatur, über der eine wesentliche Bildung von Stickstoffoxiden durch Bildung des atmosphärischen Stickstoffs in der Verbrennungsluft beginnt. Jedoch kann man durch Beschränkung der Gesamtmengen an Brennstoff, die in der thermischen Verbrennungszone verbrannt werden, und durch Beschränkung der Verweilzeiten in der Zone des primären Brennstoffs und Luft und ihrer thermischen Verbrennungsprodukte vor dem Abkühlen mit zusätzlicher Luft die Bildung von Stickstoffoxiden stromaufwärts von der Katalysatorstufe minimal halten. Außerdem wird durch die Verdünnung des Abstroms von der thermischen Verbrennungszone mit relativ großen Mengen an zusätzlicher sekundärer oder Abschreckluft und mit den Verbrennungsprodukten, die bei der Katalysatorstufe gebildet werden (die praktisch frei von Verunreinigungen sind), ein Endabstrom erzeugt, der niedrige Anteile an Stickstffoxiden enthält und für die Abgabe in die meisten oder alle Umgebungen bzw. Atmosphären annehmbar ist.

In Fig. 2 ist in schematischer Darstellung ein longitudinaler, axialer Querschnitt einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei man mit der Vorrichtung eine ununterbrochene Verbrennung eines flüssigen Brennstoffs erreichen kann. Beispiele geeigneter, flüssiger, kohlenstoffhaltiger Brennstoffe sind Gasolin bzw. Motorenbenzin, aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, Toluol, Äthylbenzol und Xylol; und Naphtha, Dieselbrennstoff, Jetbrennstoff bzw. -öl, andere mittlere Destillatbrennstoffe, hydrobehandelte schwere öle u.a. Weiterhin können Alkohole,

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wie Methanol, Äthanol und Isopropanol, Äther, wie Diäthyläther, und aromatische Äther, wie Äthylphenyläther, verwendet werden.

Die zweistufige Verbrennungsvorrichtung von Fig. 2 umfaßt am Aufnahmeende einen im allgemeinen konischen, äußeren Gehäuseteil 71, der von dem im allgemeinen konischen, inneren Gehäuseteil 73 getrennt ist. An den inneren Enden dieser Teile 71 und 73 wird eine zylindrische Struktur 74 getragen bzw. ist dort vorgesehen, die an ihrem linken Ende geschlossen ist. Sie wird zur Zufuhr primären Brennstoffs verwendet. Dazu wird eine Wirbeleinspritzvorrichtung 75 üblicher Bauart am rechten Ende der Struktur 74 verwendet. Primärer Brennstoff, wie Nr.2 Brennstofföl, kann in das Innere der Struktur 74 und somit zu den Schaufeln der Wirbeleinspritzvorrichtung durch eine Brennstoffzufuhrrohrleitung 77 zur Beschickung einer Düse 78 eingeleitet werden. Der Innenraum der zylindrischen Struktur 74 wird ebenfalls mit primärem Brennstoff und Luft zur Erleichterung der Einspritzung durch Radialöffnungen 79 in der zylindrischen Struktur 74 beschickt. Der Stromaufwärts-Endverschlüß der Verbrennungsvorrichtung kann durchsichtige Fenster (nicht dargestellt) enthalten, die in Abgleichungen in den Wänden der Gehäuseteile 71 und 73 angebracht sind und zum Anschauen des Inneren der Verbrennungsvorrichtung dienen, wie auch nicht gezeigte Einrichtungen zur Entnahme von Proben, mit denen Proben aus den Brennstoff-Luft-Gemischen von dem Stromaufwärtsende des Inneren der Verbrennungsvorrichtung entnommen werden können.

Der äußere Gehäuseteil 71 und der innere Gehäuseteil 73 sind an ihren äußersten oder Stromabwärtsenden mit den entsprechenden äußeren und inneren Gehäuseteilen 81 und 83 zylindrischer Form verbunden, die eine thermische Stromaufwärtsverbrennungszone begrenzen, und axial stromabwärts davon weitergehen, und ebenfalls den Stromaufwärts- oder Abschreckteil der Mischzone

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begrenzen. Die Mischzone wird dann weiter stromabwärts durch den äußeren Gehäuseteil 85 mit größerem Durchmesser als der Teil 81 und einen inneren Gehäuseteil 87 definiert, der eine Fortsetzung in longitudinaler Richtung des inneren Gehäuseteils 83 ist. Einrichtungen zum Einspritzen des sekundären, flüssigen Brennstoffs sind mehrere Einspritzeinrichtungen, die mit Luft betrieben werden und peripher um den Stromabwärtsteil der Mischzone, die durch die Gehäuseteile 85 und 87 begrenzt wird, angebracht sind. Diese Einspritzvorrichtungen bzw. Injektoren, von denen einer schematisch dargestellt ist, besitzen übliche Bauart und umfassen je eine Einspritzdüse 88, die mit einer sekundären Brenstoffzufuhrleitung 89 beschickt wird, wobei sich die Düse 88 durch den äußeren Gehäuseteil erstreckt und wobei das Ende der Düse durch die Wand des inneren Gehäuseteils 87 in Verbindung mit dem Inneren der Mischzone steht. Luft, die das Einspritzen des sekundären Brennstoffs erleichtert, ist von der Leitung 90 für komprimierte Luft verfügbar, und tritt in ein Gehäuse 91, das die Düse 88 umgibt, ein. Die Luft zur Erleichterung des Verspritzens geht in das Innere des Gehäuseteils 87 durch einen kreisförmigen Raum, der das Ende der Düse 88 umgibt, und vermischt sich mit hoher Geschwindigkeit mit den Brennstofftröpfchen, die die Düse verlassen.

Der äußere Gehäuseteil 85 erstreckt sich in Stromabwärtsrichtung in zylindrischer Form und besitzt einen Stromabwärtsendteil 93 mit etwas steigendem Durchmesser. Ein innerer Gehäuseteil 95 mit allmählich steigendem Durchmesser, der eine Ausdehnung der Mischzone abgrenzt bzw. definiert, ergibt einen Übergang zu der Katalysatorzone und ist mit dem Stromabwärtsende des inneren Gehäuseteils 87 verbunden und bildet einen torroidalen (torroidal) Raum mit konstanter Querschnittsfläche mit dem sich erstreckenden Teil 93 des äußeren Gehäuses. Das Stromabwärtsende des inneren Gehäuseteils 95 endet in einer Aufbau- bzw. Halterungsplatte oder Ring 97 mit zen-

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traler Öffnung. Ein Katalysator 99 mit Gasdurchströmungsdurchgängen, die sich in axialer Richtung erstrecken, ist im inneren Teil des Ringes 97 an seiner Stromabwärtsseite befestigt.

Damit eine einheitliche Verteilung der Luft in den Räumen zwischen den äußeren Gehäuseteilen und den inneren Gehäuseteilen erreicht wird, ist ein zusätzlicher, zylindrischer Gehäuseteil 101 größeren Durchmessers als der äußere Gehäuseteil 93 um die Vorrichtung außen von dem inneren Gehäuse 95, das den tibergangsteil der Mischzone abgrenzt, vorgesehen. Der Gehäuseteil 101 ist an dem Stromaufwärtsende mit einer ringförmigen Seitenplatte 103 und an dem Stromabwärtsende mit dem Ring 97 geschlossen. Primäre Luft und sekundäre Abschreckluft treten aus dem Gebläse oder dem Kompressor (nicht dargestellt) durch eine Luftzufuhrleitung 104 ein, der in den Gehäuseteil 101 an seinem einen Ende mündet. Die eintretende Luft verteilt sich selbst peripher innerhalb der Räume zwischen dem äußersten Gehäuseteil 101 und dem Gehäuseteil 93, der mit dem Raum zwischen dem Gehäuseteil 101 und dem inneren Gehäuseteil 95 an der linken Seite des Rings 97 in Verbindung steht, der seinerseits durch den Raum zwischen dem äußeren Gehäuseteil 93 und dem inneren Gehäuseteil 95 mit dem Stromaufwärtsteil der Vorrichtung in Verbindung steht.

Beim Betrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 2 wird primärer, flüssiger Brennstoff, wie Nr. 2 Brennstofföl, durch die Leitung 77 und die Düse 78 geleitet und zu der Wirbelspritzvorrichtung 75 geführt. Luft wird in den Stromabwärtsteil der Vorrichtung, wie beschrieben, eingeleitet und bewegt sich zwischen dem äußeren Gehäuseteil 85 und dem inneren Gehäuseteil 87, das die Mischzone umgibt, und geht weiter zwischen dem äußeren Gehäuseteil 81 und dem inneren Gehäuseteil 83 an dem Stromaufwärtsteil der Mischzone und der primären Verbrennungszone vorbei in den Raum zwischen dem äußeren Gehäuseteil

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74-58 <3B ■ 2757Ü49

71 und dem inneren Gehäuseteil 73 am Stromaufwärtsende der Vorrichtung. Etwas primäre Hilfsluft oder Wirbelluft geht durch die öffnungen 79 und betritt die Wirbelspritzvorrichtung 75 zusammen mit dem primären Brennstoff zur Zerstäubung des Brennstoffs in der thermischen Verbrennungszone. Die Anordnung der zylindrischen Struktur 74 und der Wirbeleinspritzvorrichtung 75 mit dem Einspritzer 78 für flüssigen Brennstoff und die Öffnungen 79 für primäre Hilfsluft können auf verschiedene Arten, die dem Verbrennungsingenieur geläufig sind, modifiziert werden, so daß eine geeignete Injektion der flüssigen Brennstoffe erreicht wird. Man kann so primäre Luft, die das Einspritzen erleichtert, mit höherem Druck durch eine getrennte Leitung, die die Öffnungen 79 ersetzt, einleiten, damit das Einspritzen von feinverteiltem Brennstoffspray durch Hochdruckdüsen (nicht dargestellt) erreicht wird, oder der flüssige Brennstoff kann als Film auf Dispersionsoberflächen eingeleitet werden, die einem Luftstrom mit hoher Geschwindigkeit aus einer getrennten Quelle für komprimierte Luft ausgesetzt sind, so daß ein feiner Sprühregen aus primärem Brennstoff in den Stromaufwärtsteil des Inneren der Verbrennungsvorrichtung eingeleitet wird.

Primäre Luft tritt in die thermische Verbrennungszone durch eine Reihe von öffnungen 105 ein, die um den inneren Gehäuseteil 83 in Abständen angebracht sind. Der Abstrom von der thermischen Verbrennungszone wird dann durch eine zusätzliche Luftmenge abgekühlt oder abgeschreckt, die als Abschreckluft und sekundäre Verbrennungsluft dient und die durch eine erste Reihe von Lufteinlaßöffnungen 107, die um den Gehäuseteil 83 in Abständen angebracht sind, und durch eine zweite, ähnliche Reihe von Lufteinlaßöffnungen 109 eintritt, die zwischen den öffnungen 107, aber etwas stromabwärts davon, verteilt sind. Das entstehende, gekühlte Gemisch geht stromabwärts längs der Mischzone, worin ein zusätzlicher Teil des flüssigen Brennstoffs zu dem gekühlten Gemisch zugegeben wird, so daß

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ein angereichertes Brennstoff-Luft-Gemisch am Stromabwärtsende der Mischzone erhalten wird, die durch den Übergangsteil innerhalb des expandierten Gehäuseteils 95 erzeugt wird. Das Gemisch betritt dann den Katalysator 99 für die Verbrennung in der Katalysatorzone. Der zusätzliche Teil an flüssigem Brennstoff, der die sekundäre Brennstoffbeschickung enthält, tritt in die Mischzone aus den verschiedenen Einlaßleitungen 89 durch Einspritzdüsen 88 ein, wobei etwas Luft zur Erleichterung des Einspritzens von der Leitung 90 für komprimierte Luft durch das Gehäuse 91, das jede Düse 88 umgibt, zugeführt wird.

Der Betrieb der zweistufigen Verbrennungsvorrichtung der Fig.2 ist im allgemeinen wie der in Fig. 1. Die aufgenommene Luft kann mit relativ niedrigem Druck zugeführt werden, wenn z.B. die Verbrennungsvorrichtung verwendet wird, um Luft zuzuführen, die als Heizmaterial bei dem Verfahren verwendet wird. Bei solchen Anwendungen kann ein Kompressor nicht erforderlich sein, und die Luftzufuhr kann mit einem Gebläse (nicht dargestellt) bei niedrigen Drucken erfolgen. Der Endabstrom von dem Katalysator 99 kann dann zu Wärmeaustauschern geleitet werden, oder er kann direkt auf die zu behandelnden Feststoffe oder fluiden Materialien auftreffen oder direkt damit vermischt werden.

Es ist besonders wünschenswert sicherzustellen, daß der sekundäre Brennstoff als sehr feiner, gutverteilter Nebel von den Leitungen 89 eingespritzt wird, die um den Gehäuseteil 87 angebracht sind, durch geeigneten Bau und Einstellung der an sich bekannten Einspritzvorrichtungen bzw. Injektoren für den sekundären Brennstoff, die durch Luft betrieben werden. Nach dem Durchgang längs der verlängerten Mischzone und des Übergangsteils innerhalb der Gehäuseteile 87 und 95 ist der Brennstoff im wesentlichen vollständig dispergiert, verdampft und mit den erhitzten, gasförmigen Materialien aus der thermi-

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sehen Verbrennungszone und der zum Mischen zugeführten Luft vermischt, wobei das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch aus der Mischzone in Form eines innigen Gemisches aus Brennstoff und Nichtbrennstoffkomponenten nach dem Kontakt mit dem Katalysator vorliegt. Verdünnungsluft kann gegebenenfalls zu dem Endabstrom, wie bei der Anordnung von Fig. 1, zugegeben werden. In Fig. 2 ist keine Einrichtung für die Zufuhr der Verdünnungsluft dargestellt.

Beispiele für den Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung sind für einen großen Bereich von Luftdrucken und Brennstoffbedürfnissen in Tabelle I dargestellt. Die zugeführte Luft wird auf die angegebenen Temperaturen und bei den angegebenen Drucken zwischen 1,35 und 2,1 at erhitzt. Bei einem typischen Fall, wie bei Versuch 3 oder 4, wird ein Luftabfall beobachtet zwischen dem Luftraum, der das innere Gehäuse umgibt,und dem Äußerender Verbrennungsvorrichtung stromaufwärts von dem Katalysator von etwa 0,07 atü (1 psig). Der verwendete Brennstoff ist im Handel erhältliches Propan, das etwa 10% Propylen enthält. Bei diesen Versuchen werden keine Routinemessungen der relativen Verhältnisse der Strömung an primärer Luft in die thermische Verbrennungszone, von sekundärer Luft in die Abschreck- und Mischzone oder von Verdünnungsluft zu dem Katalysatorabstrom durchgeführt. Jedoch betragen die relativen Raten für die Strömung in einem typischen Fall grob 1596 primäre Luft, 35% sekundäre Luft und 50% Verdünnungsluft. Dies entspricht grob einem zweidrittel Überschuß an Verbrennungsluft gegenüber den stöchiometrisehen Anteilen in der thermischen Verbrennungszone, oder grob 167% der stöchiometrischen Menge an primärer Luft. Das gekühlte Gemisch, das sekundären Brennstoff enthält und durch die Mischzone zu dem Katalysator geht, hat eine Temperatur im Bereich von etwa 454 bis etwa 621⁰C (850-1150⁰F). Die Temperatur am Katalysatorausgang wird durch ein Thermoelement gerade stromabwärts vom Katalysator angezeigt. Jedoch können hohe Bestrahlungsverluste

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aus diesem Thermoelement die Ursache dafür sein, daß die Anzeige irreführend niedrig ist. Man schätzt, daß die tatsächliche Katalysatorbetriebstemperatiir etwa 112 bis 225°C (200-400⁰F) höher ist als die Temperatur, die nahe am Katalysatorausgang gemessen wird, und so im Bereich von etwa 982 bis etwa 1260°C (18OO-23OO°F) liegt. Bei den Versuchen 3 bis 6 verlassen die Gase die Verbrennungsvorrichtung, nachdem sie durch Verbrennung von sekundärem Brennstoff in Anwesenheit eines Katalysators erhitzt wurden und dann durch Zugabe von Verdünnungsluft zu dem Abstrom von dem Katalysator abgekühlt wurden, mit einer Temperatur im Bereich von etwa 427 bis 649°C (800-1200⁰F). Die Abgase aus diesen Versuchen enthalten unerwünschte Verunreinigungen in bemerkenswert niedrigen Anteilen, was aus Tabelle I hervorgeht. Es ist erkennbar, daß beim Versuch Nr. 1 die gesamte Verbrennung in der thermischen Verbrennungszone, bei Versuch Nr. 7 die gesamte Verbrennung in der Katalysatorzone erfolgt, während bei den anderen dargestellten Versuchen eine Verbrennung zwischen etwa 30% und etwa 70% des Brennstoffs in der thermischen Verbrennungszone stattfindet.

In Tabelle II ist der Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung innerhalb eines großen Bereichs an Brennstoffbedarf entsprechend Bewertungen von 83 160 bis über 252 100 kcal (330 000-1 000 000 Btu)/h dargestellt. Die Versuche 10, 11 und 13, die bei etwa konstantem Brennstoffbedarf durchgeführt wurden, erläutern die Wirkungen der Variationen in den Anteilen an primärem und sekundärem Brennstoff, wobei variiert wird, indem man etwa 20 bis 30% des Brennstoffs in die thermische Verbrennungszone leitet. Mit dieser Art von Vorrichtung scheint zu folgen, daß primäre Brennstoffanteile die Bildung von N0„ recht kritisch beeinflussen, was insbesondere aus den Versuchen 10, 11 und 13 hervorgeht. Der Versuch Nr. 12 ist vergleichbar mit dem Versuch Nr. 11 bei der gleichen primären Brennstoffströmung. Diese Versuche legen es nahe, einen mini-

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malen Anteil an sekundärem Brennstoff zu verwenden, abhängig von dem gesamten Brennstoffbedarf, damit CO im Abstrom begrenzt wird, da der Verbrennungsnutzeffekt stark fallen kann bei niedrigeren Katalysatorbetriebstemperaturen. Der Anteil an Kohlenwasserstoffen in den Abströmen dieser Versuche war so niedrig und lag unter der Genauigkeit bei der Messung.

Wie aus Tabelle II hervorgeht, wurden die Temperatur bei der thermischen Verbrennung in der primären Zonen und die des gekühlten und angereicherten Gemisches, das von der Hischzone in den Katalysator fließt, berechnet wie auch die adiabatischen Flammentemperaturen (A.F.Temp.) des letzteren Gemisches, das den Katalysator betritt. Die Temperatur des gekühlten oder abgeschreckten Gemisches, die zwischen 421 und 554°C (790-1030°F) variiert, wird für Einführung des sekundären Brennstoffs bestimmt. Die Mischung, die tatsächlich den Katalysator erreicht, ist wesentlich kühler, bedingt durch die Zugabe von Luft, die das Einspritzen des sekundären Brennstoffs erleichtert. Die Luft wird für die Versuche der Tabelle II aus einem Gebläse zugeführt, das ausreichend über atmosphärischem Druck betrieben wird, so daß die gewünschte Strömung erzeugt wird. Ein wirksamer Betrieb wird durch Druckabfälle von etwa 1 bis 4# zwischen dem Gebläsedruck und dem Druck im Inneren der Verbrennungsvorrichtung angezeigt. Die Katalysatorbetriebstemperaturen sind etwas niedriger als die berechneten adiabatischen Flammentemperaturen, bedingt durch unvermeidbare Wärmeverluste, aber wieder wesentlich über den Temperaturen, die nahe am Katalysatorausgang abgelesen werden, und man nimmt an, daß sie in den Bereich von etwa 1066 bis 1232°C (195O-225O°F) gefallen sind. Bei der Bestimmung der Werte für die aufgeführten Beispiele zeigen visuelle Beobachtungen des Katalysators während des Betriebs eine Farbänderung im Bereich von Rot-Orange bis Gelb-Weiß, was die Schätzungen stützt, daß die Betriebstemperaturen im allgemeinen in den Grenzen von 982 bis 1260⁰C (18OO-23OO°F) liegen.

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Wie gerade bei dem beschriebenen Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung angegeben, werden die primäre Luft, die in die thermische Verbrennungszone geleitet wird, wie auch die Luft, die als Kühl- und sekundäre Luft in den erhitzten, primären Verbrennungsabstrom im Stromaufwärtsteil der Mischzone gegeben wird, bei etwa Umgebungsdruck zugeführt. Diese Luft hat ebenfalls etwa Umgebungstemperatur. Bei der Reihe von Versuchen, die in Tabelle II aufgeführt sind, bedecken die vorbestimmten, gesamten Raten des Brennstoffbedarfs, bei denen eine ununterbrochene Verbrennung erzielt wurde, einen Betriebsbereich von Gesamtbrennstoffbeschickungsmaterialien zwischen 7,4 und 21,87 kg (16,34-48,18 pounds)/h, und dies ergibt die entsprechenden Bereiche von Energiewerten, ausgedrückt als kcal(Btu)/h, und entspricht einem Brennstoff-Zurückdreharbeitsverhältnis von etwa 3. Ein solcher Betrieb dieser Verbrennungsvorrichtung wird vorteilhafterweise durchgeführt, indem man als primären Brennstoff in die thermische Verbrennungszone zwischen etwa 20 und etwa 30% der Gesamtmenge an Brennstoff einleitet, die für jede der vorbestimmten Gesamtraten erforderlich ist, bei denen die ununterbrochene Verbrennung durchgeführt wird.

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Tabelle I

Versuch Nr.

α» ο co

Luftdruck,atü(psig) Lufttemp.,⁰C(⁰F) prim.Brennstoff, kg(lb)/h s ek.Brennstoff, kg(lb)/h prim.Brennstoff,% 1OO Gesamtluft, kg(lb)/min Mischung zum Katalysator, OC(⁰F) Katalysatorauslaßtemp., ⁰C(⁰F) ^S Abstrom:

CO₂, HC, ppm CO, ppm N0„, ppm

0,35(5,1) 93(200)

(5^f,35) 0

5,18 (11,4)

373 (705)

706 (1308)

1,24 3

35 8,6

0,56(8,0) 96(205)

2,49 (5,1)

1,5 (3,4)

6,5 (14,3)

452 (846)

841 (1547)

1,65 20 298 4,4

0,68(9,7) 112,8(225)

2.18 (4,9)

Wo

49

6,99 (15,4)

509 (948)

962 (1765)

1,82 4 88 6,2

0,88(12,6) 110(230)

2.3
(4,7)

fet»

38,5

8,2 (18,0)

558 (1036)

1050 (1922)

2,02

1,09(15,5) 208(408)

1,75 _N (3,85)

3,8 (8,45)

31,3

8,72 (19,2)

614 (1138)

1038 (1900)

2,12
0,4
42
7,2

1,09(15,6) 1,1(16,2) 208(408) 315(600)

(8,3)

1,7 (3,85)

68,3

8,8 (19,3)

614 (1138)

1015 (1859)

2,04 4,0 9,5 21,2

0 (0,0)

0,0

315 (600)

1087 (1990)

2,05

9,0

cn -j

CD

-Ρα:

	Versuch Nr.	8	9	10	465 (870)	Tabelle II	11	12	13	14	15 f
	Bedarf, kcal/h (kBtu/h)	83,2 (330)	139 (550)	173 (688)	357 (674)	175 (695)	148 (589)	174 (693)	231 (920)	262 o° (1040)
	prim.Brennstoff, kg(lb)/h	1,87 (4,12)	3,09 (6,81)	3,56 (7,18)	1306 (2383)	3,96 (8,74)	3,96 (8,74)	4,5 (10,09)	5,3 (11,74)	6,4 (14,07)
	sek.Brennstoff, kg(lb)/h	5,54 (12,22)	8,7 (19,20)	I²'³ χ (27,0)	1021 (1870)	11,6 (25,58)	9,3 (20,54)	10,8 (23,95)	14,1 (30,97)	15,5 _v (34,11)
	prim.Brennstoff,%	25,2	26,2	21,0	3,2	25,5	29,8	29,6	27,5	29,2
	prim.Luft kg(lb)/min	0,76 (1,68)	(2*,86)	1,59 (3,52)	6,8	1,6 (3,52)	1,6 (3,52)	1,6 (3,52)	2,1 (4,71)	2,4 (5,31)
co	prim.Luft,%stöch.	170	175	203		167	167	145	167	156
O	prim.Temp.,⁰C(⁰F)	1399 (2550)	1365 (2490)	1182 (2160)	1399 (2590)	1399 (2590)	1638 (2980)	1427 (2600)	1515 (2760)
OO ro	sek.Luft, tvj kg(lb)/min	2,6 (5,80)	4,4 (9,67)	5,5 (12,13)	5,5 (12,13)	5,5 (12,13)	5,5 (12,13)	7,4 (16,23)	8,3 ^⁰ (18,31) ^
α	> Gesamtluft, kg(lb)/min	(7*,48)		(12,53) (15*,65)	7,1 (15,65)	7,1 (15,65)	7,1 (15,65)	9,5 _v (20,94)	10,7 (23,62)
co O	abgeschrecktes Gemisch,⁰C(OF)	421 (790)	471 (880)	476 (890)	488 (910)	554 (1030)	349 (660)	410 (770)
	Gemisch zum Kata lysator, ⁰C(⁰F)	-	-	414 (778)	418 (784)	467 (874)	-	-
	Kat.A.F.Temp.,⁰C (⁰F)	1254 (2290)	1193 (2180)	/¹²⁹⁹X (2371)	1151 (2105)	1292 (2358)	1182 (2160)	1165 (2130)
	Kat.Auslaßtemp.. ⁰C(⁰F)	928 (1700)	982 (1800)	/ ⁹⁹⁹X (1830)	910 (1670)	1010 (1850)	932 (1710)	990 „. (1815)!^
	Abstrom: CO₁ ppm	2,9	6,4	3,8	> 175,0	<50	18,3	cn 24,0^
	NO_x, ppm	2,9	5,0	11,0	9,0	13,5	2,8	4,3 4^ f f~>
		Ende der Beschreibung.						LLJ

Le e rs e i te

Claims

Engelhard Minerals & Chemicals Corporation 74-58

Patentansprüche

Verfahren zur Durchführung einer ununterbrochenen Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs bei vor-, bestimmten Gesamtraten für Brennstoffbedarf unter Verwendung einer Vorrichtung, die enthält: eine thermische Verbrennungszone und stromabwärts davon nacheinander eine Mischzone und eine Katalysatorzone, wobei für mindestens eine der Gesamtraten für den Brennstoffbedarf wesentliche Teile des Brennstoffs sowohl in der thermischen Verbrennungszone als auch in der Katalysatorzone verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß man

während des Betriebs bei der einen Brennstoffbedarfsrate einen wesentlichen Teil des Brennstoffs in die thermische Verbrennungszone einleitet, während man gleichzeitig Luft in die thermische Verbrennungszone einleitet, so daß eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des in die Verbrennungszone eingeführten Brennstoffs unter Bildung eines erhitzten Abstroms erfolgt;

man zu dem erhitzten Abstrom in einem Stromaufwärtsteil der Mischzone eine zusätzliche Menge relativ kühler Luft unter Erzeugung eines gekühlten Gemisches gibt;

man zu dem gekühlten Gemisch, das durch den Stromabwärtsteil der Mischzone geht, einen wesentlichen, zusätzlichen Teil des Brennstoffs zugibt, so daß die Gesamtsumme, die für die eine Brennstoffbedarfsrate erforderlich ist, vorhanden ist, unter Erzeugung eines angereicherten Brennstoff-Luft-Gemisches ;

man das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch in Anwesenheit eines Katalysator unter Bildung eines Abstroms mit hoher thermischer Energie verbrennt;

wobei die zusätzliche Luftmenge ausreicht, das gekühlte Gemisch und das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch bei Temperaturen im Bereich von etwa 260 bis 649 bzw. 65O°C

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(500-120O⁰F) in der Mischzone zu halten und eine Vorverbrennung darin von zusätzlichem Brennstoff zu inhibieren, und

wobei das entstehende Brennstoff-Luft-Gemisch eine solche adiabatische Flammentemperatur besitzt, daß nach dem Kontakt mit dem Katalysator die Betriebs- bzw. Arbeitstemperatur des Katalysators wesentlich über der momentanen Auto-Entzündungstemperatur des Brennstoff-Luft-Gemisches, aber unter der Temperatur liegt, bei der irgendwelche wesentlichen Mengen an Stickstoffoxiden gebildet würden,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kohlenstoffhaltige Brennstoff, der mit einer stöchiometrischen Menge an Luft verbrannt wird, eine adiabatische Flammentemperatur von mindestens etwa 1815°C(3300°F) besitzt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ununterbrochene Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs unter im wesentlichen adiabatischen Bedingungen durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitstemperatür des Katalysator etwa 926 bis 1760°C (1700-3200⁰F) beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitstemperatur des Katalysators etwa 1093 bis 1649 bzw. 165O°C (2000-3000⁰F) beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Luft, die in die thermische Verbrennungszone zur im wesentlichen vollständigen Verbrennung des Brennstoffs, der darin eingeleitet wird, eingeführt wird, zwischen etwa 12596 und etwa 18556 der stöchiometrischen Menge gehalten wird, die für die vollständige Verbrennung des zugeführten Brennstoffs erforderlich ist.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitstemperatur des Katalysators etwa 926 bis 1760⁰C (1700-3200⁰F) beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kohlenstoffhaltige Brennstoff, der in die thermische Verbrennungszone geleitet und in die Mischzone gegeben wird, ein flüssiger Brennstoff ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das angereicherte Brenstoff-Luft-Gemisch aus der Mischzone in Form eines innigen Gemisches nach dem Kontakt mit

dem Katalysator vorliegt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 20 bis etwa 70% der Gesamtmenge an Brennstoff, die für die Brennstoffbedarfsrate, bei der die Verbrennung durchgeführt wird, erforderlich ist, in die thermische Verbrennungszone geleitet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Menge an Luft, die zu der Mischzone zugegeben wird, ausreicht, das gekühlte Gemisch und das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch bei einer Temperatur von etwa 371 bis 538°C (700-1000°F) zu halten.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft, die in die thermische Verbrennungszone geleitet wird,und die Luft, die zu dem erhitzten Abstrom in dem Stromaufwärtsteil der Mischzone geleitet wird, bei etwa Umgebungstemperatur und -druck zugegeben werden, und daß für jede der vorbestimmten Gesamtraten an Brennstoffbedarf, bei denen die ununterbrochene Verbrennung durchgeführt wird, zwischen etwa 20 und etwa 30% der Gesamtmenge an Brennstoff, die erforderlich ist, in die thermische Verbrennungszone geleitet werden.

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