CH627536A5 - Verfahren zur durchfuehrung einer kontinuierlichen verbrennung eines kohlenstoffhaltigen brennstoffes. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung einer kontinuierlichen Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes. Der Brennstoff kann beispielsweise ein gasförmiger Brennstoff, wie Erdgas, oder ein flüssiger Brennstoff, wie Heizöl, sein.

In der US-PS 3 928 961 ist ein Verfahren beschrieben, das als katalytisch unterstützte thermische Verbrennung bezeichnet ist. Mit diesem Verfahren können kohlenstoffhaltige Brennstoffe mit hohem Wirkungsgrad und mit Reaktionsgeschwindigkeiten verbrannt werden, wie sie für die thermische (homogene) Verbrennung kennzeichnend sind, obwohl die Verbrennung in Gegenwart eines festen Oxydationskatalysators bei Temperaturen unterhalb der Stickstoffoxid-Bildungstemperatur durchgeführt wird. Normalerweise liegt die Betriebstemperatur eines Katalysators bei der katalytisch unterstützten thermischen Verbrennung im Bereich von etwa 925-1750°C, vorzugsweise in der Nähe der Mitte dieses Bereiches. Es ist gefunden worden, dass es für die Verbrennung verschiedener Typen von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen wünschbar ist, die Verbrennung in mehr als einer Stufe durchzuführen, nämlich in mindestens einer einen Katalysator verwendenden Stufe und mindestens einer thermischen Verbrennungsstufe. So ist in der schon genannten US:PS 3 928 961 ein Verfahren beschrieben, in welchem eine katalytisch unterstützte thermische Verbrennung in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt wird und anschliessend ein teilweise verbranntes Abgas aus der Katalysatorstufe thermisch verbrannt wird. Ferner ist in der US-PS 3 846 979 ein Verfahren beschrieben, in welchem ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff in einer thermischen Verbrennungszone teilweise verbrannt wird, worauf das den teilweise verbrannten Brennstoff enthaltende Abgas sofort abgeschreckt wird und dann das abgeschreckte Abgas mit einem Katalysator in Berührung gebracht wird, um den unverbrannten Brennstoff aus der thermischen Verbrennungszone teilweise oder ganz zu oxydieren.

In einem der Beispiele der letztgenannten US-PS 3 846 979 werden Dieseltreibstoff und Druckluft, letztere in einer Menge von 10% über der für die vollständige Verbrennung des Brennstoffes erforderlichen stöchiometrischen Menge, einer thermischen Verbrennungszone zugeführt, um ein Abgas zu erzeugen, in dem der Brennstoff zu etwa 90% ver-brannt-ist. Dieses Abgas wird mit einer genügenden Menge überschüssiger Luft abgeschreckt, um ein Gemisch zu bilden, das eine adiabatische Flammentemperatur von 815°C aufweist. Die in den Beispielen dieser Patentschrift genannten Brennstoffe sind Dieseltreibstoffe oder Strahltriebwerk-

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Treibstoffe der üblicherweise in Gasturbinen von Flugzeugen verwendeten Art. Bei den normalen Betriebsbedingungen solcher Turbinen, die bei einem Druck von 20 at arbeiten, soll das abgeschreckte Abgas eine adiabatische Flammentemperatur von 815°C haben. Die tatsächliche Temperatur des abgeschreckten Abgases liegt, wegen dem kleinen Anteil an unoxydiertem Brennstoff, etwa 55-110°C unter seiner adiabatischen Flammentemperatur, d.h. jedenfalls über etwa 700°C. In dem genannten Beispiel wird genügend zusätzlicher Brennstoff in das Abgas eingespritzt, um die adiabatische Flammentemperatur auf 1425°C zu erhöhen, und das so gebildete Gemisch wird dann der Katalysatorstufe zugeführt und vollständig verbrannt. Die Temperatur am Auslass der thermischen Verbrennungszone, vor dem Abschrecken, soll über 1800°C liegen, und die Katalysatorauslasstemperatur beträgt 1370°C.

Das eben beschriebene Verbrennungsverfahren ist für bestimmte Arten von Brennstoffen und bestimmte Betriebsbedingungen gut geeignet, doch ist die Durchführung des Abschreckens bei den grossen Brennstoffmengen in dem der thermischen Verbrennungszone zugeführten Gemisch schwierig. Es ist eine gründliche Durchmischung der Abschreckluft mit dem teilweise oxydierten Abgas der thermischen Verbrennung erforderlich, um die Oxydation zu stoppen. Diese Durchmischung führt zu einer turbulenten Strömung und damit zu unerwünschten Druckabfällen in der Abschreckzone, und trotzdem kann die Aufrechterhaltung der Abschreckung der Verbrennung im Falle von vorübergehenden Störungen schwierig sein. Zudem kann die zuverlässige Verhinderung einer vorzeitigen Zündung und weiteren Verbrennung nach dem Einspritzen des zusätzlichen Brennstoffes in das abgeschreckte Abgas in der Praxis schwierig sein, wenn das abgeschreckte Abgas nicht noch wesentlich kühler ist als im genannten Beispiel der US-PS 3 846 979 angegeben.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen diese Schwierigkeiten bei der Durchführung einer zweistufigen Verbrennung, die eine thermische Verbrennungsstufe und eine auf diese folgende Verbrennung in Gegenwart eines Katalysators verwendet, überwunden werden.

Eine andere Erfindung, die in der CH-PS 615 262 beschrieben ist, befasst sich mit dem Problem des Anfahrens einer Verbrennungsvorrichtung mit Katalysator. Ein Brenn-stoff-Luft-Gemisch wird beim Anfahren in einer thermischen Verbrennungszone verbrannt, um Wärme zu erzeugen,

welche im wesentlichen ohne unverbrannten Brennstoff dem Katalysator zugeführt wird, um diesen auf eine Temperatur zu bringen, bei der er eine durch Stofftransport begrenzte Verbrennung aufrecht erhalten kann. Die bei diesem Anfahrvorgang erreichte Katalysatortemperatur reicht also aus, um ein Gemisch von kohlenstoffhaltigem Brennstoff und Luft zu zünden, und sie kann sich der Betriebstemperatur für eine katalytisch unterstützte thermische Verbrennung des Gemisches in Gegenwart des Katalysators nähern. Der Zweck der in der genannten CH-PS beschriebenen Erfindung besteht darin, die stark unvollständige Verbrennung zu vermeiden, die im Katalysator auftreten könnte, wenn ein Brennstoff-Luft-Gemisch durch den Katalysator geleitet wird, solange dieser noch kalt ist. Das Abgas einer solchen unvollständigen Verbrennung kann die umgebende Atmosphäre mit unerwünscht hohen Mengen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid verschmutzen. Gemäss der genannten CH-PS lässt man das zum Anfahren verwendete Abgas der thermischen Verbrennungszone nur dann mit dem Katalysator in Berührung treten, wenn es von unverbranntem Brennstoff frei ist, was den Vorteil hat, dass einerseits eine Beschädigung des Katalysators durch Verbrennung von Brennstoff, der auf dem kalten Katalysator absorbiert wurde, vermieden wird und dass anderseits, wenn keine solche Verbrennung auf dem Katalysator stattfindet, der Durchtritt von unverbranntem Brennstoff durch den Katalysator in die Atmosphäre vermieden wird. Sobald der Katalysator eine Temperatur erreicht hat, bei welcher er den Brennstoff in dem ihn durchströmenden Gemisch verbrennen kann, wird praktisch das ganze Brennstoff-Luft-Gemisch für den kontinuierlichen Betrieb direkt dem Katalysator zugeleitet, während die für das Anfahren verwendete Brennstoffzufuhr zur thermischen Verbrennungsstufe abgestellt oder sehr stark reduziert wird. Nachdem die Zündung im Katalysator erreicht ist, hört also die thermische Verbrennung entweder auf, oder sie geht mit einer sehr geringen Brennstoffzufuhr weiter und dient dann einem ganz anderen Zweck und unterstützt lediglich die Verdampfung des Brennstoffes. Es kann eine kurze Zwischenperiode auftreten, in der die thermische Vorverbrennung in gösserem Ausmass weitergeht, bis die regenerative Vorwärmung der zugeführten Luft voll funktioniert; die Länge dieser Periode hängt dann von der Anfangstemperatur und der Masse des Wärmetauschers ab.

Das vorstehend beschriebene Verfahren gemäss der genannten CH-PS ist für das Anfahren einer Verbrennungsvorrichtung mit Katalysator sehr nützlich. Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht jedoch darin, eine kontinuierliche Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes in einer Verbrennungsvorrichtung durchzuführen, die einen Katalysator enthält, wobei eine thermische Verbrennungszone während der ganzen Betriebsdauer der Verbrennungsvorrichtung oder zumindest während des kontinuierlichen Betriebes unter vorbestimmten Betriebsbedingungen, z.B. im Betrieb mit innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegenden Brennstoffdurchsätzen oder mit vorbestimmten Brennstoff-Luft-Verhältnissen, verwendet wird.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Durchführung einer kontinuierlichen Verbrennung einer vorbestimmten Gesamtdurchsatzmenge eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes in einer Verbrennungsvorrichtung, die eine thermische Verbrennungszone und, in Strömungsrichtung nach derselben, nacheinander eine Mischzone und eine Katalysatorzone aufweist, wobei sowohl in der thermischen Verbrennungszone als auch in der Katalysatorzone je ein Teil der Gesamtdurchsatzmenge des Brennnstoffes verbrannt wird, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Gesamtdurchsatzmenge in zwei Teildurchsatzmengen aufteilt und eine erste dieser Teildurchsatzmengen des Brennstoffes, die 20 bis 70% der Gesamtdurchsatzmenge ausmacht, der thermischen Verbrennungszone zuführt und dabei dieser thermischen Verbrennungszone gleichzeitig Luft zuführt, um darin die praktisch vollständige Verbrennung des dieser Zone zugeführten Brennstoffes unter Bildung eines erhitzten Abgases zu bewirken, dass man zu diesem erhitzten Abgas in einem Einlassbereich der Mischzone zusätzliche Luft hinzufügt, die kälter ist als das Abgas, um ein abgekühltes Gemisch zu bilden, dass man zu dem abgekühlten Gemisch, das durch einen Auslassbereich der Mischzone strömt, die zweite Teildurchsatzmenge des Brennstoffes, die 30 bis 80% der Gesamtdurchsatzmenge ausmacht, hinzufügt, um ein angereichertes Brennstoff-Luft-Gemisch zu bilden, und dass man das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch in Gegenwart des Katalysators verbrennt, um ein zweites erhitztes Abgas zu bilden, wobei die Menge der genannten zusätzlichen Luft so gross gewählt wird, dass das erwähnte abgekühlte Gemisch und das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch in der Mischzone Temperaturen im Bereich von 250 bis 650°C haben, um eine vorzeitige Zündung oder Verbrennung der zweiten Teildurchsatzmenge des Brennstoffes zu vermeiden, und wobei das Brennstoff-Luft-Gemisch eine solche adiabatische Flammentemperatur hat, das nach der Berührung mit dem Kataly5

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sator die Betriebstemperatur des Katalysators 925 bis 1750°C beträgt.

Anhand der Zeichnung werden nachstehend Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer zweistufigen Verbrennungsanlage für die Verbrennung von gasförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweistufigen Verbrennungsanlage für die Verbrennung von flüssigem kohlenstoffhaltigem Brennstoff, z.B. Öl.

In Fig. 1 ist schematisch in der Form eines zentralen Längsschnittes eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Verbrennen eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes dargestellt, der, mit einer stöchiometrischen Menge Luft verbrannt, eine adiabatische Flammentemperatur von mindestens etwa 1800°C aufweist. Der Brennstoff kann in der Vorrichtung nicht nur bei einem Nenndurchsatz, sondern auch bei wesentlich geringeren Durchsätzen, verbrannt werden. Gasförmige Brennstoffe, die in der Vorrichtung gemäss Fig. 1 verbrannt werden können, sind z.B. Kohlenwasserstoffe, wie niedere Alkane, insbesondere Methan in Erdgas, Propan, welches Propylen enthalten kann, oder Butan, sowie Kohlenmonoxid und Kohlengas.

Die Verbrennungsvorrichtung besitzt eine äusseres Gehäuse mit einem Gehäuseabschnitt 11 von allgemein konischer Form, der das Einlassende der Vorrichtung bildet, einem an den Abschnitt 11 anstossenden zylindrischen Gehäuseabschnitt 13, der im wesentlichen die Längsausdehnung einer inneren thermischen Verbrennungszone bestimmt, einem an den Abschnitt 13 anstossenden zylindrischen Gehäuseabschnitt 15 grösseren Durchmessers, dessen linker Endteil einen Einlassbereich oder Abschreckbereich einer Mischzone enthält, während der rechts davon liegende Teil des Gehäuseabschnittes 15 einen Auslassbereich der Mischzone enthält, einem an den Abschnitt 15 anstossenden zylindrischen Gehäuseabschnitt 17, dereine Katalysatorzone enthält, und einem gegen innen verjüngten Gehäuseabschnitt 19, der an das Auslassende des Abschnittes 17 anschliesst und eine Verdünnungszone bildet.

Im Aussengehäuseabschnitt 11 ist ein Einlass 21 angeordnet, durch den der Vorrichtung ein erster Teil des kohlenstoffhaltigen Brennstoffes zugeführt wird. Der Brenn-stoffeinlass 21 ist über eine Leitung 23 mit einem kreisförmigen ersten Brennstoffverteiler 25 verbunden. Um den Brennstoffverteiler 25 herum sind in Abständen voneinander Öffnungen zum Ausstossen des ersten Teils des Brennstoffes in die thermische Verbrennungszone vorgesehen.

Die Verbrennungsvorrichtung besitzt ferner innerhalb des äusseren Gehäuses ein Innengehäuse mit einem Gehäuseabschnitt 27, der an seinem linken oder Einlassende einen allgemein konischen Abschluss 29 aufweist, welcher den ersten Teil des Brennstoffes in der thermischen Verbrennungszone zurückhält. Primärverbrennungsluft tritt in die thermische Verbrennungszone aus dem Raum zwiwschen dem Aussengehäuseabschnitt 13 und dem Innengehäuseabschnitt 27 ein durch eine erste Reihe von grossen Lufteinlassöffnungen 31, die um den Gehäuseabschnitt 27 herum in Abständen voneinander angeordnet sind, und eine zweite Reihe von kleineren Lufteinlassöffnungen 33, die zwischen den Öffnungen 31 um den Gehäuseabschnitt 27 herum angeordnet sind. Zusätzliche Primärluftöffnungen 35 sind in der Nähe des Austrittsendes der thermischen Verbrennungszone in Abständen voneinander um den Gehäuseabschnitt 27 herum angeordnet. Eine Zündeinrichtung 37 erstreckt sich durch die konischen Gehäuseabschnitte 11 und 29 hindurch in das ein-

lasseitige Ende der thermischen Verbrennungszone.

Gewünschtenfalls kann der erste Teil des Brennstoffes vor der Einspritzung in die thermische Verbrennungszone mit der Primärverbrennungsluft oder mit einem Teil derselben vorgemischt werden. Die Vorrichtung gemäss Fig. 1 kann also so abgeändert werden, dass der erste Teil des Brennstoffes und Luft zusammen durch einen gemeinsamen Einlass oder eine gemeinsame Gruppe von Einlässen in die thermische Verbrennungszone eingeführt werden können. In diesem Fall sind natürlich die üblichen Vorsichtsmass-nahmen zu treffen, um Rückzündung aus der Verbrennungszone zu verhindern.

Ein Innengehäuseabschnitt 39, der vorzugsweise einen allmählich grösser werdenden Durchmesser aufweist, ist an den Abschnitt 27 angeschlossen und umgibt die Mischzone koaxial in dem Aussengehäuseabschnitt 15. Luft zum Kühlen der Abgase aus der thermischen Verbrennungszone tritt in den Einlassbereich der Mischzone aus dem Raum zwischen dem Aussengehäuseabschnitt 15 und dem Innengehäuseabschnitt 39 durch eine Reihe von grossen Öffnungen 41 ein, die kurz nach der vom Innengehäuseabschnitt 27 gebildeten thermischen Verbrennungszone um den Innengehäuseabschnitt 39 herum verteilt sind. Zusätzliche Luft tritt durch eine Reihe von kleineren Öffnungen 43 ein, die zwischen den Öffnungen 41 um den Gehäuseabschnitt 39 herum angeordnet sind. Weitere Luft durchsetzt den Gehäuseabschnitt 39 durch eine Reihe von zusätzlichen Öffnungen 45, die in Strömungsrichtung nach den Öffnungen 41 und 43 in der Mischzone um den Gehäuseabschnitt 39 herum in Abständen voneinander angeordnet sind. Die durch die Öffnungen 41,43 und 45 im Innengehäuseabschnitt 39 eintretende Kühlluft dient auch als Sekundärverbrennungsluft für die Verbrennung, die in der Katalysatorzone stattfindet, welche der vom Gehäuseabschnitt 39 gebildeten Mischzone nachgeschaltet ist. Ein Teil oder die Gesamtheit der Luft, die durch die in Strömungsrichtung vor der Mischzone angeordneten Öffnungen 35 eintritt, kann auch dazu dienen, die Produkte der thermischen Verbrennung des durch den Verteiler 25 eingeführten Teiles des Brennstoffes abzukühlen oder abzuschrecken. Wenn gasförmige Brennstoffe verbrannt werden, kann die Menge der durch die Öffnungen 31 und 33 eintretenden Luft derart sein, dass in der Nähe des Brennstoffverteilers 25 und in Strömungsrichtung vor demselben eine Verbrennung in einem Gemisch mit Brennstoffüberschuss stattfindet. Unvollständig verbrannter Brennstoff wird dann mit der Luft im wesentlichen vollständig verbrannt, die durch die Öffnungen 35 oder sogar noch durch die Öffnungen 41 und 43 eintritt. Die Abgase werden durch die weitere Mischung mit der durch die Öffnungen 41,43 und 45 zugeführten Luft rasch abgekühlt (abgeschreckt), um eine vorzeitige Zündung des zweiten Teiles des Brennstoffes zu vermeiden, der wie nachstehend beschrieben zugeführt wird.

Ein Einlass 47 für den zweiten Teil des Brennstoffes ist passenderweise am Einlassende der Vorrichtung angeordnet. Der Einlass 47 ist mit einer innerhalb des Aussengehäuseab-schnittes 15 angeordneten Leitung 49 verbunden, die sich in Strömungsrichtung bis zu einem kreisförmigen zweiten Brennstoffverteiler 51 erstreckt, weicherden Innengehäuseabschnitt 39 beim Auslassbereich der Mischzone umgibt. Der zweite Teil des Brennstoffes wird wie folgt in die Mischzone eingeführt: Passend angeordnete Löcher stossen den Brennstoff vonPunkten um den Verteiler 51 herum in gegen die Strömungsrichtung nach innen geneigten Richtungen aus, wie in Fig. 1 mit Pfeilen angegeben. Luft, die zwischen den Gehäuseabschnitten 15 und 39 nach links strömt, nimmt den Brennstoff zu den Öffnungen 41,43 und 45 und in die Mischzone hinein mit, durch die das abgekühlte oder abgeschreckte Abgas aus der thermischen Verbrennungszone strömt. Ein

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Leitblech 52 hindert den grössten Teil der den Brennstoff tragenden Luft daran, zu den Öffnungen 31,33 und 35 zu gelangen. Es ist nicht erforderlich, zwischen dem Einlassoder Abschreckbereich und dem Auslassbereich der Mischzone eine scharfe Trennung aufrechtzuerhalten; es muss lediglich genügend Luft zum Kühlen der Abgase der thermischen Verbrennung zwecks Verhinderung einer vorzeitigen Verbrennung des durch den Verteiler 51 zugeführten Brennstoffes in der Mischzone zugeführt werden.

Ein zylindrischer Innengehäuseabschnitt 53 ist an das Auslassende des Innengehäuseabschnittes 39 angeschlossen und enthält einen Katalysator 55 zylindrischer Form, der durch geeignete Mittel im Innengehäuseabschnitt 53 gehalten ist. Der Katalysator 55 besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren einheitlichen, bienenwabenartigen Katalysatorkörpern mit inneren Gasdurchlasskanälen, die sich in Richtung der Achse des zylindrischen Gehäuseabschnittes 53 erstrecken. In einer Ausführungsform kann der Katalysator einen einstückigen, feuerfesten, für sich selbst nicht katalytisch aktiven Zirkonmullitkörper als Träger aufweisen. Die inneren Durchlasskanäle des Trägerkörpers können mit einer gebrannten Schicht aus Tonerde mit grosser Oberfläche überzogen sein, welche für höhere Betriebstemperaturen durch Einschluss eines anderen oxidischen Materials, wie Ceroxid, stabilisiert sein kann. In oder auf der Tonerdeschicht kann in kleiner Menge ein katalytisch aktives Modell der Platingruppe, z.B. Platin und/oder Palladium, angeordnet sein.

An das Auslassende des Innengehäuseabschnittes 53 ist ein letzter Innengehäuseabschnitt 61 angeschlossen, der sich im Durchmesser gegen das Auslassende des Aussengehäuseab-schnittes 19 hin verjüngt. Ein ringförmiger Endflansch 63 nimmt mit seinem inneren Umfang die Auslassenden des Aussengehäuseabschnittes 19 und des Innengehäuseabschnittes 61 auf.

Verdünnungsluft zur Mischung mit dem Abgas aus dem Katalysator 55 kann in die Verdünnungszone innerhalb des Innengehäuseabschnittes 61 aus dem Raum zwischen diesem Innengehäuseabschnitt und dem Aussengehäuseabschnitt 19 durch eine Reihe von grossen Öffnungen 65 eintreten, die um den Innengehäuseabschnitt 61 herum verteilt angeordnet sind. Zusätzliche Verdünnungsluft kann in die Verdünnungszone durch eine Reihe von kleineren Öffnungen 67 eintreten, die um den Gehäuseabschnitt 61 herum zwischen den Öffnungen 65 angeordnet sind.

Eine Lufteinlassleitung 69 grossen Durchmessers ist passenderweise seitlich neben dem Auslassende der Verbrennungsvorrichtung angeordnet und an eine Seite des Aussengehäuseabschnittes 17 angeschlossen, so dass Primärverbrennungsluft, Kühl- und Sekundärverbrennungsluft und Verdünnungsluft in den Raum zwischen dem Aussengehäuseabschnitt 17 und dem Innengehäuseabschnitt 53 eintreten können. Dieser Zwischenraum steht gegen die Einlasseite hin mit dem Raum zwischen dem Aussengehäuseabschnitt 15 und dem Innengehäuseabschnitt 39 in Verbindung der seinerseits gegen die Einlasseite hin mit dem Raum zwischen dem Aussengehäuseabschnitt 13 und dem Innengehäuseabschnitt 27 in Verbindung steht. In Richtung gegen das Auslassende der Verbrennungs vorrichtung steht der Raum zwischen dem Aussengehäuseabschnitt 17 und dem Innengehäuseabschnitt 53, dem Luft durch die Lufteinlassleitung 69 zugeführt wird, in Verbindung mit dem Raum zwischen dem Aussengehäuseabschnitt 19 und dem Innengehäuseabschnitt 61.

Im Betrieb der zweistufigen Verbrennungsanlage mit der Vorrichtung gemäss Fig. 1 wird eine kontinuierliche Verbrennung des gasförmigen Brennstoffes mit vorbestimmten Gesamtbrennstoffdurchsätzen aufrechterhalten, z.B. mit einem Anlass- oder Wartebetrieb-Brennstoffdurchsatz,

einem Nenndurchsatz und möglicherweise auch mit zwischen diesen beiden Werten liegenden Durchsätzen und/oder mit einem darüberliegenden Maximaldurchsatz. Mit diesen verschiedenen Durchsätzen können sich Probleme hinsichtlich der Aufrechterhaltung der stabilen Verbrennung und hinsichtlich der Vermeidung übermässiger Ausschläge der Katalysatortemperatur ergeben. Beispielsweise kann bei kleinem Durchsatz die Gefahr bestehen, dass die Katalysatoreinlasstemperatur so tief sinkt, dass eine zuverlässige Zündung des dem Katalysator dabei oder in einer späteren Betriebsphase zugeführten Brennstoff-Luft-Gemisches nicht mehr gewährleistet ist. Anderseits besteht bei maximalen Brennstoffdurch-sätzen die Gefahr einer vorzeitigen Zündung des zweiten Teiles des Brennstoffes. Im allgemeinen wird bei den niedrigsten Brennstoffdurchsätzen ein grösserer Anteil des Brennstoffes der thermischen Verbrennungszone zugeführt, um den Katalysator auf einer geeigneten minimalen Betriebstemperatur zu halten. Die Vorrichtung kann in einem Leerlaufbetrieb sogar vorteilhaft so betrieben werden, dass der Mischzone überhaupt kein Brennstoff als zweiter Teil zugeführt wird, während bei maximaler Leistung, zumindest für gewisse Brennstoffe, ohne jede Verbrennung von Brennstoff in der thermischen Verbrennungszone gearbeitet werden kann.

In den meisten Fällen ist es jedoch vorzuziehen, der thermischen Verbrennungszone für die im wesentlichen vollständige Verbrennung in derselben zwischen etwa 20 und etwa 70% der gesamten Brennstoffmenge zuzuführen. Die Produkte der thermischen Verbrennung im entstehenden Abgas werden dann abgekühlt, um eine vorzeitige Zündung und vorzeitige Verbrennung des zweiten Teiles des Brennstoffes zu vermeiden, der in die Mischzone eingeführt wird, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu bilden, das den zweiten Teil des Brennstoffes enthält (bzw. mit diesem angereichert ist). Dabei werden das abgekühlte Gemisch aus der thermischen Verbrennungszone und das mit dem zweiten Teil des Brennstoffes gebildete Brennstoff-Luft-Gemisch in der Mischzone auf Temperaturen im Bereich von etwa 250 bis 650°C, vorzugsweise im Bereich von etwa 375 bis 550°C, gehalten.

Um alle diese Betriebsbedingungen zu ermöglichen, enthält die Verbrennungsvorrichtung die thermische Verbrennungszone im Innengehäuseabschnitt 27 und, in Strömungsrichtung nach dieser Verbrennungszone und an dieselbe anschliessend, die Mischzone, die im wesentlichen im Innengehäuseabschnitt 39 liegt, und den Katalysator im Innengehäuseabschnitt 53. Besonders dann, wenn das Abgas der Verbrennungsvorrichtung eine Gasturbine treiben soll, ist der letzte Innengehäuseabschnitt 61 nützlich, um eine Verdünnung oder Mischung des Katalysatorabgases mit Luft zu bewirken, so dass das Antriebsgas nicht mit übermässig hohen Temperaturen auf die Turbinenschaufeln trifft.

Während also Brennstoff nicht nur die Mischzone, sondern in beträchtlichen Mengen auch der thermischen Verbrennungszone zur Verbrennung in derselben und Bildung von erwärmtem Abgas zugeführt wird, werden bestimmte Betriebsbedingungen in nachstehend beschriebener Weise aufrechterhalten. Im Betrieb wird ein erster Teil des Brennstoffes dem Einlass 21 zugeführt, nämlich zwischen 20 und 70% der insgesamt benötigten Brennstoffdurchsatzmenge. Der Brennstoff kann beispielsweise handelsübliches Propan sein, das Propylen enthält. Der Brennstoff strömt vom Einlass 21 durch die Leitung 23 und wird vom Verteiler 25 in die thermische Verbrennungszone eingeführt. Luft wird gleichzeitig durch die Öffnungen 31,33 und 35 in die thermische Verbrennungszone eingeführt, um in derselben die im wesentlichen vollständige Verbrennung des eingeführten Teiles des Brennstoffes zu bewirken. Der Brennstoffstrom und der Luftstrom werden vorzugsweise so eingestellt, dass s

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die zugeführte Luft zwischen etwa 125 und etwa 185% der für die vollständige Verbrennung des zugeführten Brennstoffes erforderlichen stöchiometrischen Menge ausmacht.

Zur Erzielung einer stabilen Verbrennung in der thermischen Verbrennungszone kann die eigentliche Verbrennung während des Mischens des Brennstoffes mit der Luft in Bereichen erfolgen, wo das Brennstoff-Luft-Verhältnis näher beim stöchiometrischen Verhältnis liegt, wobei dann unmittelbar anschliessend innerhalb der Verbrennungszone die gasförmigen Materialien, einschliesslich der Verbrennungsprodukte, gründlicher durchmischt werden. Die Stabilität der Verbrennung kann für Brennstoff-Luft-Verhältnisse, die wesentlich kleiner oder wesentlich grösser sind als das stö-chiometrische Verhältnis (je nach der Gröse des Brennstoffstromes bezogen auf den Druck der Luft und die Anordnung der Öffnungen zwischen der Druckluftkammer und dem Inneren der Verbrennungszone), verbessert werden, indem eine Umwälzung der brennenden Gase ermöglicht wird, so dass Bereiche relativ langsam bewegter Gase die Fortpflanzung der Oxydationsreaktion mit den niedrigeren Geschwindigkeiten gestatten, die für solche Gemische charakteristisch sind, welche von den erhitzten Reaktionsprodukten, die die diese Verbrennung tragenden Bereiche verlassen, kontinuierlich gezündet werden. Dies kann beispielsweise in dem dem konischen Abschluss 29 benachbarten Bereich geschehen, wo wenig oder kein Brennstoff und wenig oder keine Luft in die Verbrennungskammer eintritt. Wenn das vollständig verbrannte Abgas aus der thermischen Verbrennungszone in die Abschreckzone beim einlasseitigen Ende des Raumes innerhalb des Gehäuseabschnittes 39 eintritt, wird ein zusätzlicher Luftstrom durch die Öffnungen 41,43 und 45 hinzugefügt und mit dem erhitzten Abgas aus der thermischen Verbrennungszone gemischt. Das entstehende,

durch die hinzugefügte Luft abgekühlte Gemisch strömt weiter durch die Mischzone zum auslasseitigen Ende des Aussengehäuseabschnittes 17.

Ein zweiter Teil des Brennstoffes, der zusammen mit dem ersten Teil die gesamte benötigte Brennstoffdurchsatzmenge ausmacht, wird zu dem abgekühlten Gemisch hinzugefügt, das durch den Auslassbereich der Mischzone strömt.

Dadurch wird ein angereichertes Brennstoff-Luft-Gemisch gebildet. Der zweite Teil des Brennstoffes wird durch den Einlass 47, die Leitung 49 und den Verteiler 51 zugeführt und mit einem Teil der Sekundärverbrennungsluft gemischt, die in den der äusseren Oberfläche des Innengehäuseabschnittes 39 benachbarten Bereichen zugeführt wird. Die Gesamtmenge der durch die Öffnung 41,43 und 45 hinzugefügten Sekundärluft ist jedoch gross genug, um das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch im gewünschten Temperaturbereich zu halten und um durch ihre Kühl- oder Abschreckwirkung beim Mischen mit dem Abgas aus der thermischen Verbrennungszone eine vorzeitige Zündung des in der Mischzone hinzugefügten zweiten Teiles des Brennstoffes zu verhindern. Das so gebildete angereicherte innige Gemisch von Brennstoff und Luft strömt in den Katalysator 55.

Um eine katalytisch unterstützte thermische Verbrennung bei der Berührung mit dem Katalysator 55 zu bewirken, hat das in den Katalysator eintretende, angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch eine solche adiabatische Flammentemperatur, dass bei der Berührung mit dem Katalysator die Betriebstemperatur des Katalysators 925 bis 1750°C beträgt und damit wesentlich über der augenblicklichen Selbstentzündungstemperatur des Brennstoff-Luft-Gemisches aber unter einer Temperatur liegt, die zu einer merklichen Bildung von Stickstoffoxiden führen würde. Natürlich werden die Zusammensetzung und Temperatur des angereicherten Brennstoff-Luft-Gemisches, die dessen adiabatische Flammentemperatur bei der anfänglichen Berührung mit dem Katalysator bestimmen, ihrerseits bestimmt durch die Temperaturen der zugeführten Luft und, in geringerem Masse, des zugeführten Brennstoffes, durch die Wärme und die Verbrennungsprodukte, die durch die Verbrennung des ersten Teiles des Brennstoffes in der thermischen Verbrennungszone gebildet werden, und durch die Luftmengen, die durch die Öffnungen 31,33 und 35 als Primärverbrennungsluft in die thermische Verbrennungszone und durch die Öffnungen 41,43 und 45 als Abschreck- und Sekundärverbrennungsluft in die Mischzone eingeführt werden, sowie natürlich auch durch die Grösse des zweiten Teiles des Brennstoffes, der dem Einlass 47 zugeführt wird.

Das aus dem auslasseitigen Ende der Mischzone in den Katalysator 55 eintretende, angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch wird dann in Gegenwart des Katalysators verbrannt und strömt weiter in die Verdünnungszone im Innengehäuseabschnitt 61, wo zusätzliche Luft durch die Öffnungen 65 und 67 hindurch dazugefügt wird, um ein Endabgas mit einer gewünschten Temperatur zu bilden. Dieses Abgas eignet sich beispielsweise zum Antreiben einer Gasturbine für die Erzeu- ■ gung von mechanischer Energie; es kann aber auch einem Wärmetauscher zugeführt werden, in dem dann die Energie ausgenutzt wird, die durch die kontinuierliche Verbrennung des den Einlässen 21 und 47 zugeführten Brennstoffes erzeugt wird. In einer geeigneten Anordnung treibt das Abgas aus der Verdünnungszone zuerst einen Turboauflader-Luft-Kom-pressor (nicht dargestellt), der am Ringflansch 63 montiert sein kann. Umgebungsluft tritt in den Kompressor ein, der komprimierte Luft an die Lufteinlassleitung 69 abgibt. Das Abgas aus der Turbinenseite des Turboaufladers kann dann, wie schon erwähnt, beispielsweise einer Energieerzeugungsturbine oder einem Wärmetauscher für die Ausnutzung der Wärmeenergie zugeführt werden. Die Grössen und Verteilungen der Luftzufuhröffnungen 31,33,35,41,43,45,65 und 67 werden antürlich, in Abhängigkeit vom Druck der zugeführten komprimierten Luft, so bemessen, dass gewünschte Grössen und Verteilungen der Ströme von Primärverbrennungsluft, Abschreck- und Sekundärverbrennungsluft sowie Verdünnungsluft erhalten werden.

In der dargestellten Vorrichtung sind keine Mittel vorgesehen zum Abführen von Wärme aus der Vorrichtung, etwa durch Ableitung von Wärme aus dem Katalysator. Daher findet die kontinuierliche Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffes, auch wenn dieser einen hohen Energieinhalt und damit eine Tendenz zum Verbrennen bei hoher Temperatur aufweist, unter im wesentlichen adiabatischen Bedingungen bei Temperaturen statt, die sich an die adiabatische Flammentemperatur des brennenden Gemisches annähern, beispielsweise nur etwa 30 bis 170°C unter dieser adiabatischen Flammentemperatur liegen. Besonders bei Brennstoffen mit hohem Energieinhalt ist es wichtig, dass das in den Katalysator eintretende angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch so eingestellt wird, dass seine adiabatische Flammentemperatur unter den Temperaturen liegt, bei denen sich Stickstoffoxide bilden. Dazu muss die Temperatur des Katalysators im Bereich von 925 bis 1750°C und vorzugsweise im Bereich von 1100 bis 1650°C gehalten werden.

Der Ausdruck «augenblickliche Selbstentzündungstemperatur» eines Brennstoff-Luft-Gemisches bedeutet die Temperatur, bei der die Zündverzögerung des in den Katalysator eintretenden Brennstoff-Luft-Gemisches vernachlässigbar ist gegenüber der Verweilzeit des brennenden Gemisches in der Katalysator-Verbrennungzone.

Obwohl in der vorstehenden Beschreibung der Nichtbrennstoffanteil des in der Verbrennungsvorrichtung verbrannten Gemisches mit «Luft» bezeichnet ist, ist es klar,

dass es für die Verbrennung nur auf den Sauerstoff ankommt. Gewünschtenfalls kann der Sauerstoffgehalt des Nichtbrenn6

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stoff-Anteils variiert werden, und die Bezeichnung «Luft» für den Nichtbrennstoff-Anteil bedeutet dann irgendein Gas oder Gasgemisch, mit oder ohne Produkte einer vorangegangenen Verbrennung, das Sauerstoff für die Unterhaltung von Verbrennungsreaktionen enthält. Die als Abschreckmedium zugeführte Luft hat jedoch vorzugsweise eine möglichst niedrige Temperatur, um die Erreichung der gewünschten Temperatur des durch die Mischzone strömenden gekühlten Gemisches zu erleichtern, und dies ist in der Regel die Auslasstemperatur eines Kompressors oder Gebläses, dem Umgebungsluft zugeführt wird.

Das beschriebene Verbrennungsverfahren, das vorteilhaft in der Vorrichtung gemäss Fig. 1 durchgeführt werden kann, eignet sich besonders für die Verbrennung verschiedener kohlenstoffhaltiger Brennstoffe durch geeignete Bemessung des ersten und des zweiten Brennstoffteilstromes, die der thermischen Verbrennungszone bzw. der Katalysatorzone (über die Mischzone) zugeführt werden, bei unterschiedlichen Brennstoffdurchsätzen. Änderungen der Betriebsbedingungen können durch Änderung des Verhältnisses zwischen dem ersten und dem zweiten Brennstoffteilstrom kompensiert werden. Zudem können auch Änderungen in den Eigenschaften des Brennstoffes selbst ohne unerwünschte Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der Energieerzeugung oder auf die Vermeidung der Bildung von Stickstoffoxiden und anderen Schadstoffen kompensiert werden. Beispielsweise können Änderungen des Propylengehaltes oder des Wasserstoffgehaltes in einem gasförmigen Brennstoff kompensiert werden, indem für jede Brennstoffzusammensetzung ein vorbestimmtes optimales Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Brennstoffteilstrom festgelegt wird.

Bei der Festlegung des Verhältnisses zwischen den Brenn-stoffteilströmen, die der thermischen Verbrennungszone und der Katalysatorzone zugeführt werden, ist es in der Regel wünschbar, den der thermischen Verbrennungszone zugeführten Brennstoffteilstrom klein zu halten und so viel Brennstoff in der Katalysatorzone zu verbrennen, wie es unter Aufrechterhaltung eines zuverlässigen und wirksamen Gesamtbetriebes möglich ist. Die thermische Verbrennung kann in lokalisierten Bereichen bei Temperaturen stattfinden, die sich an die adiabatische Flammentemperatur eines stöchiometrischen Gemisches des Brennstoffes mit Luft annähern. Bei den angegebenen Brennstoffen ist diese thermische Verbrennungstemperatur höher als die Temperatur, bei der eine merkliche Bildung von Stickstoffoxiden durch Fixierung des atmosphärischen Stickstoffs in der Verbrennungsluft beginnt. Durch Beschränkung der Gesamtmenge des in der thermischen Verbrennungszone verbrannten Brennstoffes sowie der Verweilzeit des Brennstoffes, der Luft und der Verbrennungsprodukte in der thermischen Verbrennungszone, bis zur Abkühlung durch die zusätzliche Luft, kann jedoch die Bildung von Stickstoffoxiden vor der Katalysatorzone auf einem Minimum gehalten werden. Zudem führt die Verdünnung des Abgases aus der thermischen Verbrennungszone mit relativ grossen Mengen von zusätzlicher Sekundärverbrennungs- oder Abschreckluft und mit dem in der Katalysatorzone gebildeten Verbrennungsprodukten, die von Schadstoffen praktisch frei sein können, zu einem End-Abgas, dessen Stickstoffoxidgehalt so gering ist, dass es in den meisten Fällen ohne weiteres in die Umgebung ausge-stossen werden kann.

In Fig. 2 ist schematisch in der Form eines axialen Längsschnittes eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Verbrennen eines flüssigen Brennstoffes dargestellt. Geeignete flüssige kohlenstoffhaltige Brennstoffe sind beispielsweise Benzin, aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, Toluol, Äthylbenzol und Xylol, sowie Petroleum, Dieseltreibstoff, Strahltriebwerktreibstoff, andere Mitteldestillat-Brennstoffe, wasserstoffbehandelte schwerere Brennstoffe und dergleichen. Ferner brauchbar sind auch Alkohol, wie Methanol, Äthynol und Isopropanol, Äther, wie Diätyhläther, und aromatische Äther, wie Äthylphenyläther.

Die zweistufige Verbrennungsvorrichtung gemäss Fig. 2 besitzt am Einlassende einen allgemein konischen Aussengehäuseabschnitt 71 in einem Abstand von einem allgemein konischen Innengehäuseabschnitt 73. An den inneren Enden dieser Abschnitte 71 und 73 ist ein zylindrisches Element 74 gehalten, das an seinem linken Ende geschlossen ist, der Zufuhr eines ersten Brennstoffteilstromes dient und hierzu an seinem rechten Ende eine Wirbel-Einspritzrichtung 75 konventioneller Konstruktion aufweist. Der Brennstoff, z. B. Heizöl No. 2, kann durch eine Brennstoffzufuhrleitung 77, die eine Düse 78 speist, in das Innere des Elementes 74 und von da zu den Schaufeln der Wirbel-Einspritzeinrichtung geleitet werden. Dem Inneren des zylindrischen Elementes 74 wird durch radiale Öffnungen 79 in dem Element auch Luft zugeführt, die die Brennstoffeinspritzung unterstützt. Der einlasseitige Endabschluss der Verbrennungsvorrichtung kann durchsichtige Fenster aufweisen (nicht dargetellt), die aufeinander ausgerichtet in den Wänden der Gehäuseabschnitte 71 und 73 ausgebildet sind und durch die hindurch das Innere der Verbrennungsvorrichtung beobachtet werden kann, sowie eine Probeentnahme-Einrichtung (ebenfalls nicht dargestellt) für die Entnahme von Proben des Brenn-stoff-Luft-Gemisches aus dem einlasseitigen Ende des Innenraumes der Verbrennungs vorrichtung.

Der Aussengehäuseabschnitt 71 und der Innengehäuseabschnitt 73 sind an ihren äusseren oder auslasseitigen Enden mit einem Aussengehäuseabschnitt 81 bzw. mit einem Innengehäuseabschnitt 83 von jeweils zylindrischer Form verbunden, die einlasseitig eine thermische Verbrennungszone und in Strömungsrichtung nach derselben den Einlass- oder Abschreckbereich einer Mischzone enthalten. Der auslassei-tige Teil der Mischzone ist in einem Aussengehäuseabschnitt 85 und einem Innengehäuseabschnitt 87 enthalten. Der Aussengehäuseabschnitt 85 hat einen grösseren Durchmesser als der Abschnitt 81, während der Innengehäuseabschnitt 87 eine Fortsetzung des Innengehäuseabschnittes 83 in Längsrichtung bildet. Ein zweiter Teil des flüssigen Brennstoffes wird durch mehrere mit Luftunterstützung arbeitende Einspritzeinrichtungen eingeführt, die um den Umfang des in den Gehäuseabschnitten 85 und 87 enthaltenen Auslassbereiches der Mischzone herum verteilt angeordnet sind. Diese Einspritzeinrichtungen, von denen eine schematisch dargestellt ist, sind von konventioneller Bauart und besitzen je eine Einspritzdüse 8, die von einer Brennstoffzufuhrleitung 89 gespeist ist, wobei sich die Düse 88 durch den Aussengehäuseabschnitt 85 hindurch erstreckt und das Ende der Düse durch die Wand des Innengehäuseabschnittes 87 hindurch mit dem Inneren der Mischzone in Verbindung steht. Die die Einspritzung des zweiten Teiles des Brennstoffes unterstützende Luft wird durch eine Druckluftleitung 90 zugeführt, die in ein die Düse 88 umgebendes Gehäuse 91 mündet, und sie strömt durch einen das Ende der Düse 88 umgebenden ringförmigen Zwischenraum in das Innere des Gehäuseabschnittes 87 und mischt sich dabei bei hoher Geschwindigkeit mit den die Düse verlassenden Brennstofftröpfchen.

Der Aussengehäuseabschnitt 85 erstreckt sich zylinderförmig in Strömungsrichtung und besitzt einen auslasseitigen Endabschnitt 93 von leicht zunehmendem Durchmesser. Ein Innengehäuseabschnitt 95 mit allmählich zunehmendem Durchmesser, der eine Verlängerung der Mischzone und einen Übergang zur Katalysatorzone bildet, ist an das Auslassende des Innengehäuseabschnittes 87 angeschlossen, um in dem sich erweiternden Endabschnitt 93 des Aussenge-häuses einen ringförmigen Raum mit konstanter Querschnitt5

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fläche zu bilden. Das Auslassende des Innengehäuseabschnittes 95 ist mit einem Montagering 97 verbunden, der eine zentrale Öffnung aufweist. Ein Katalysator 99 mit Gasdurchlasskanälen, die in axialer Richtung verlaufen, ist am inneren Teil des Ringes 97 auf dessen Auslasseite befestigt.

Um eine gleichförmige Verteilung der Luft in den Zwischenräumen zwischen den Aussengehäuseabschnitten und den Innengehäuseabschnitten zu erreichen, ist ein zusätzlicher zylindrischer Gehäuseabschnitt 101 mit grösserem Durchmesser als der Aussengehäuseabschnitt 93 ausserhalb des Innengehäuseabschnittes 95, der den Übergangsteil der Mischzone bildet, um die Vorrichtung herum angeordnet. Der Gehäuseabschnitt 101 ist an seinem einlasseitigen Ende durch eine ringförmige Seitenplatte 103 und am auslasseitigen Ende durch den Ring 97 abgeschlossen. Primärverbrennungsluft und Abschreck- bzw. Sekundärverbrennungsluft werden von einem Gebläse oder Kompressor (nicht dargestellt) über eine Lufteinlassleitung 104 zugeführt, die an einer Seite des Gehäuseabschnittes 101 in diesen mündet. Die zugeführte Luft verteilt sich in Umfangsrichtung im Raum zwischen dem äussersten Gehäuseabschnitt 101 und dem Gehäuseabschnitt 93, welcher Raum mit dem Zwischenraum zwischen dem Gehäuseabschnitt 101 und dem Innengehäuseab-schnit 95 links vom Ring 97 in Verbindung steht. Dieser letztere Zwischenraum steht seinerseits über den Zwischenraum zwischen dem Aussengehäuseabschnitt 93 und dem Innengehäuseabschnitt 95 in Verbindung mit dem einlasseitigen Teil der Vorrichtung.

Im Betrieb der Vorrichtung gemäss Fig. 2 wird ein erster Teil des Brennstoffes, z. B. Heizöl Nr. 2, durch die Leitung 77 und die Düse 78 zugeführt und tritt in die Wirbel-Einspritzeinrichtung 75 ein. Luft, die wie eben beschrieben in den auslasseitigen Teil der Vorrichtung eingeführt wird, strömt zwischen dem Aussengehäuseabschnitt 85 und dem Innengehäu-seabschnit 87 hindurch, die die Mischzone umgeben, und weiterzwischen dem Aussengehäuseabschnitt 81 und dem Innengehäuseabschnitt 83 am Einlassbereich der Mischzone und an der thermischen Verbrennungszone vorbei in den Raum zwischen dem Aussengehäuseabschnitt 71 und dem Innengehäuseabschnitt 73 am einlasseitigen Ende der Vorrichtung. Etwas von dieser Luft tritt als Hilfsluft oder Wirbelluft durch die Öffnungen 79 hindurch in die Wirbel-Einspritzrichtung 75 ein, um den zugeführten ersten Teil des Brennstoffes in der thermischen Verbrennungszone zu verteilen. Die Anordnung des zylindrischen Elementes 74 mit der Wirbel-Einspritzeinrichtung 75, der Brennstoffdüse 78 und den Hilfsluftöffnungen 79 könnte natürlich in verschiedenen Hinsichten in dem Verbrennungs-Fachmann bekannter Weise abgeändert werden, um eine passende Einspritzung flüssiger Brennstoffe zu erreichen. Beispielsweise könnte Einspritz-Hilfsluft mit erhöhtem Druck durch eine gesonderte, die Öffnungen 79 ersetzende Leitung zugeführt werden, um fein versprühten Brennstoff durch Hochdruckdüsen (nicht dargestellt) einzuspritzen. Stattdessen könnte der flüssige Brennstoff als Film auf eine Verteilfläche geführt und einem Luftstrahl hoher Geschwindigkeit aus einer gesonderten Druckluftquelle ausgesetzt werden, um den Brennstoff fein versprüht in den Einlassteil des Innenraumes der Verbrennungsvorrichtung einzuführen.

Primärverbrennungsluft tritt in die thermische Verbrennungszone durch eine Reihe von Öffnungen 105 ein, die um den Innengehäuseabschnit 83 herum in Abständen voneinander angeordnet sind. Das Abgas aus der thermischen Verbrennungszone wird dann durch zusätzliche Luft abgekühlt oder abgeschreckt, die als Abschreckluft und als Sekundärverbrennungsluft dient und die durch eine erste Reihe von Lufteinlassöffnungen 107 und eine zweite, ähnliche Reihe von Lufteinlassöffnungen 109 eintritt. Die Lufteinlassöffnungen 107 sind in Abständen voneinander um den Gehäuseabschnitt 83 herum angeordnet, und die Öffnungen 109 sind jeweils zwischen den Öffnungen 107 und in Strömungsrichtung nach denselben angeordnet. Das so gebildete abgekühlte Gemisch strömt dann weiter durch die Mischzone, wobei ein zweiter Teil des flüssigen Brennstoffes zu dem Gemisch hinzugefügt wird, um bis zum Auslassende der Mischzone, d. h. bis zum Übergangsteil der Mischzone in dem sich erweiternden Gehäuseabschnitt 95, ein angereichertes Brennstoff-Luft-Gemisch zu bilden. Dieses Gemisch tritt dann in den Katalysator 99 ein und wird in der Katalysatorzone verbrannt. Der zweite Teil des flüssigen Brennstoffs tritt in die Mischzone aus den Zufuhrleitungen 89 durch die Einspritzdüsen 88 ein, wobei Einspritz-Hilfsluft aus der Druckluftleitung 90 durch das Gehäuse 91, das jede Düse 88 umgibt, hinzugefügt wird.

Der Betrieb der zweistufigen Verbrennungsvorrichtung gemäss Fig. 2 entspricht im wesentlichen dem der Vorrichtung gemäss Fig. 1. Die Verbrennungsluft kann mit relativ niedrigem Druck zugeführt werden, wenn die Vorrichtung beispielsweise dazu dient, Heissgas für Heizzwecke zu liefern. In solchen Fällen kann ein Kompressor entbehrlich sein und kann die Luft von einem Gebläse (nicht dargestellt) mit niedrigem Druck zugeführt werden. Das Endabgas aus dem Katalysator 99 kann dann Wärmetauschern zugeleitet werden oder kann direkt auf zu erhitzende Körper oder Medien auftreffen bzw. mit diesen gemischt werden.

Der zweite Teil des Brennstoffes sollte vorzugsweise in der Form eines sehr feinen, gut verteilten Nebels aus den Leitungen 89, die um den Gehäuseabschnitt 87 herum angeordnet sind, in diesen eingespritzt werden, wozu die konventionellen, mit Luftunterstützung arbeitenden Brennstoff-Einspritzeinrichtungen entsprechend zu konstruieren und einzustellen sind. So ist dann nach dem Durchströmen der langgestreckten Mischzone und des Übergangsabschnittes in den Gehäuseabschnitten 87 und 95 der Brennstoff vollständig verteilt, verdampft und mit den erhitzten gasförmigen Materialien aus der thermischen Verbrennungszone sowie der zusätzlich zugeführten Luft gemischt, so dass das aus der Mischzone austretende angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch beim Eintritt in den Katalysator die Form eines innigen Gemisches von Brennstoff und Nichtbrenn-stoff-Komponenten hat. Verdünnungsluft kann gewünsch-tenfalls ähnlich wie in Fig. 1 zum Endabgas hinzugefügt werden, obwohl in Fig. 2 keine Mittel für das Hinzufügen von Verdünnungsluft dargestellt worden sind.

Betriebsbeispiele der Vorrichtung gemäss Fig. 1 für verschiedene Luftdrücke und Brennstoffdurchsätze sind in der Tabelle 1 zusammengestellt. Die Luft wurde, auf die angegebenen Temperaturen vorgewärmt, mit den angegebenen Drücken zwischen 1,35 und 2,1 ata zugeführt. In einem typischen Fall, z. B. Lauf Nr. 3 oder 4, ergab sich zwischen dem das Innengehäuse umgebenden Raum und dem Innenraum der Verbrennungsvorrichtung nach dem Katalysator ein Luftdruckabfall von etwa 0,07 kg/cm2. Der verwendete Brennstoff war handelsübliches Propan, das etwa 10% Pro-pylen enthielt. Bei diesen Versuchen wurden keine regelmässigen Messungen durchgeführt über die relativen Grössen des Primärluftstromes in die thermische Verbrennungszone, des Sekundärluftstromes in die Abschreck- und Mischzone und des Verdünnungsluftstromes zum Katalysatorabgas. Typischerweise betrug der Primärluftstrom etwa 15%, der Sekundärluftstrom etwa 35% und der Verdünnungsluftstrom etwa 50%. Dies entspricht etwa einem Verbrennungsluftüberschuss in der thermischen Verbrennungszone von 2A über der stöchiometrischen Menge, d. h. einem Primärluftstrom von etwa 167% der stöchiometrischen Menge. Das abgekühlte, den zweiten Teil des Brennstoffes enthaltende, durch die Misch-

8

s

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15

20

25

30

35

40

45

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60

65

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627536

zone zum Katalysator strömende Gemisch hatte eine Tempe- mischen Verbrennung in der ersten Verbrennungszone und ratur zwischen 450 und etwa 620 °C. Die Temperatur am des abgekühlten, angereicherten, aus der Mischzone in den Katalysatorausgang wurde mit einem unmittelbar nach dem Katalysator strömenden Gemisches sind berechnet, gleich Katalysator angeordneten Thermoelement gemessen; wegen wie die adiabatische Flammentemperatur des letzteren Gemi-hoher Strahlungsverluste von diesem Thermoelement waren s sches beim Eintritt in den Katalysator. Die Temperatur des diese Mess werte jedoch zu tief. Die tatsächliche Betriebstem- abgekühlten oder abgeschreckten Gemisches, die zwischen peratur des Katalysators war schätzungsweise etwa 100 bis 420 und 555 °C lag, wurde vor der Einführung des zweiten 200 °C höher als die beim Katalysatorausgang gemessene Teils des Brennstoffes gemessen, und die Temperatur des den Temperatur, sie lag also zwischen etwa 1000 und etwa Katalysator erreichenden Gemisches war, vor allem wegen 1250 °C. In den Läufen Nr. 3 bis Nr. 6 verliessen die Gase die io der Beimischung der für das Einspritzen des zweiten Brenn-Verbrennungsvorrichtung, nach der Erhitzung durch die Ver- stoffteilstromes verwendeten Hilfsluft, wesentlich tiefer. Für brennung des zweiten Teils des Brennstoffes in Gegenwart die Läufe gemäss Tabelle 2 wurde die Luft von einem Gebläse des Katalysators und Abkühlung durch das Hinzufügen der mit einem ausreichenden Druck zur Erreichung der Verdünnungsluft zum Abgas aus dem Katalysator, mit einer gewünschten Ströme geliefert. Zwischen dem Gebläse und Temperatur im Bereich von etwa 425 bis 650 °C. In diesen is dem Innenraum der Verbrennungsvorrichtung ergaben sich Läufen enthielten die Endabgase unerwünschte Schadstoffe Druckabfälle von etwa 1 bis 4%. Die Katalysator-Betriebs-nur in sehr kleinen Mengen, wie aus der Tabelle 1 ersichtlich temperaturen waren etwas tiefer als die berechneten adiabati-ist. Im Lauf Nr. 1 wurde die gesamte Brennstoffmenge in der sehen Flammentemperaturen, was auf gewisse unvermeid-thermischen Verbrennungszone verbrannt, und im Lauf Nr. 7 liehe Wärmeverluste zurückzuführen ist, sie waren aber wiewurde aller Brennstoff in der Katalysatorzone verbrannt, 20 derum wesentlich höher als die beim Katalysatorausgang während in den anderen Läufen zwischen etwa 30 und etwa gemessenen Temperaturen und lagen vermutlich im Bereich 70% des Brennstoffes in der thermischen Verbrennungszone von etwa 1060-1240 °C. Bei der Durchführung der Versuche verbrannt wurden. wurde durch visuelle Beobachtung festgestellt, dass der Kata-

In der Tabelle 2 sind Betriebsbeispiele der Vorrichtung lysator im Betrieb eine Farbe zwischen rot-orange und gelb-

gemäss Fig. 2 für verschiedene Brennstoffdurchsätze entspre- 25 weiss zeigte, was ebenfalls auf Betriebstemperaturen im chend 83 000 bis etwas über 250 000 kcal pro Stunde darge- Bereich von etwa 1000 bis 1300 °C schliessen lässt.

stellt. Die Läufe Nrn. 10,11 und 13, bei etwa konstantem Wie schon angegeben, wurde für den beschriebenen Brennstoffdurchsatz durchgeführt, illustrieren die Auswir- Betrieb der Vorrichtung gemäss Fig. 2 die in die thermische kungen von Variationen des Verhältnisses zwischen dem Verbrennungszone eingeführte Primärverbrennungsluft ersten und dem zweiten Brennstoffteilstrom. Dabei wurden 30 sowie die als Kühl-und Sekundärverbrennungsluft in das etwa 20 bis 30% des Brennstoffes der thermischen Verbren- erhitzte Abgas der thermischen Verbrennung im Einlassbe-nungszone zugeführt. Es scheint, dass in dieser Art Vorrich- reich der Mischzone eingeführte Luft mit einem wenig über tung die relative Grösse des ersten Brennstoffteilstromes die den Atmosphären- oder Umgebungsdruck liegenden Druck Bildung von NOx recht stark beeinflusst, wie besonders aus zugeführt, und auch die Temperatur dieser Luft war etwa den Läufen Nrn. 10,11 und 13 zu ersehen ist. Der Lauf Nr. 12 35 gleich der Umgebungstemperatur. In den in der Tabelle 2 war ähnlich wie der Lauf Nr. 11, bei gleicher relativer Grösse wiedergegebenen Versuchsläufen lagen die vorbestimmten des ersten Brennstoffteilstromes; es ergibt sich aus diesen Gesamtbrennstoffdurchsätze, mit denen die kontinuierliche beiden Läufen, dass eine gewisse Mindestgrösse des zweiten Verbrennung durchgeführt wurde, in einem Betriebsbereich Brennstoffteilstromes, je nach dem Gesamtbrennstoffdurch- von 7,41 bis 21,85 kg pro Stunde, mit einer entsprechenden satz, vorteilhaft ist, um den CO-Gehalt im Abgas zu 40 Energieerzeugung, was einem Regelbereich von etwa 1:3 entbeschränken, da der Verbrennungswirkungsgrad bei niedri- spricht. Dieser Betrieb der Verbrennungsvorrichtung wurde geren Katalysator-Betriebstemperaturen kräftig abfallen in vorteilhafter Weise durchgeführt, indem der thermischen kann. Der Kohlenwasserstoffgehalt in den Abgasen dieser Verbrennungszone als erster Teil des Brennstoffes zwischen Läufe war so gering, dass er innerhalb der Fehlergrenzen der etwa 20 und etwa 30% des gesamten Brennstoffdurchsatzes Messung lag. 45 zugeführt wurden.

Die in der Tabelle 2 angegebenen Temperaturen der ther-

Tabelle 1

Lauf Nr. 12 3 4 5 6 7

Luftdruck, kg/cm2

3,6

5,6

6,7

8,8

10,8

10,9

11,3

Lufttemp., °C

93

96

108

110

209

209

315

1. Brennstoff, kg/h

2,42

2,31

2,22

2,13

1,74

3,76

0,0

2. Brennstoff, kg/h

0,0

1,54

2,31

3,40

3,83

1,74

4,30

1. Brennstoff, %

100

60

49

38,5

31,3

68,3

0,0

Gesamtluft, kg/min

5,17

6,5

7,0

8,35

8,7

8,75

7,5

Gemischtemp. am

Katalysatoreingang, °C

374

453

509

557

615

615

316

Temp. Katalysatorausgang,°C

709

841

908

1050

1040

1015

1085

Abgas:

C02,%

1,24

1,65

1,82

2,02

2,12

2,04

2,05

HC, ppm

3

20

4

-

0,4

4,0

9,0

CO, ppm

35

298

88

39

42

9,5

9,0

NOx, ppm

8,6

4,4

6,2

6,4

7,2

21,2

—

627536

10 Tabelle 2

Lauf Nr.

8

9

10

il

12

13

14

15

Leistung, Mcal/h

83

138

173

175

148

175

231

262

1. Brennstoff, kg/h

1,87

3,09

3,25

3,96

3,96

4,58

5,33

6,38

2. Brennstoff, kg/h

5,54

8,71

12,25

11,60

9,32

10,86

14,05

15,47

1. Brennstoff, %

25,2

26,2

21,0

25,5

29,8

29,6

27,5

29,2

Primärluft, kg/min

0,76

1,30

1,59

1,59

1,59

1,59

2,14

2,40

Primärluft, % v. stöch.

170

175

203

167

167

145

167

156

therm. Verbrennung, °C

1400

1365

1180

1420

1420

1640

1425

1520

Sekundärluft, kg/min

2,63

4,38

5,5

5,5

5,5

5,5

7,36

8,3

Gesamtluft, kg/min

3,39

5,68

7,1

7,1

7,1

7,1

9,5

10,7

abgekühltes Gemisch, °C

420

470

465

475

490

555

350

410

Gemischtemp. am

Katalysatoreingang,°C

-

—

357

414

418

468

-

-

adiabat. Flammentemp.

Katalysator, °C

1255

1190

1300

1290

1150

1290

1180

1160

Katalysatorausgangstemp., °C

925

980

1020

1000

910

1010

930

990

Abgas-CO, ppm

2,9

6,4

3,2

3,8

>175

<50

18,3

24,0

Abgas-NOx, ppm

2,9

5,0

6,8

11,0

9,0

13,5

2,8

4,3

B

1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1. 627536

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zur Durchführung einer kontinuierlichen Verbrennung einer vorbestimmten Gesamtdurchsatzmenge eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes in einer Verbrennungsvorrichtung, die eine thermische Verbrennungszone und, in Strömungsrichtung nach derselben, nacheinander eine Mischzone und eine Katalysatorzone aufweist, wobei sowohl in der thermischen Verbrennungszone als auch in der Katalysatorzone je ein Teil der Gesamtdurchsatzmenge des Brennstoffes verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man die Gesamtdurchsatzmenge in zwei Teildurchsatzmengen aufteilt und eine erste dieser Teildurchsatzmengen des Brennstoffes, die 20 bis 70% der Gesamtdurchsatzmenge ausmacht, der thermischen Verbrennungszone zuführt und dabei dieser thermischen Verbrennungszone gleichzeitig Luft zuführt, um darin die praktisch vollständige Verbrennung des dieser Zone zugeführten Brennstoffes unter Bildung eines erhitzten Abgases zu bewirken, dass man zu diesem erhitzten Abgas in einem Einlassbereich der Mischzone zusätzliche Luft hinzufügt, die kälter ist als das Abgas, um ein abgekühltes Gemisch zu bilden, dass man zu dem abgekühlten Gemisch, das durch einen Auslassbereich der Mischzone strömt, die zweite Teildurchsatzmenge des Brennstoffes, die 30 bis 80% der Gesamtdurchsatzmenge ausmacht, hinzufügt, um ein angereichertes Brennstoff-Luft-Gemisch zu bilden, und dass man das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch in Gegenwart des Katalysators verbrennt, um ein zweites erhitztes Abgas zu bilden, wobei die Menge der genannten zusätzlichen Luft so gross gewählt wird, dass das erwähnte abgekühlte Gemisch und das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch in der Mischzone Temperaturen im Bereich von 250 bis 650°C haben, um eine vorzeitige Zündung oder Verbrennung der zweiten Teildurchsatzmenge des Brennstoffes zu vermeiden, und wobei das Brennstoff-Luft-Gemisch eine solche adiabatische Flammentemperatur hat, dass nach der Berührung mit dem Katalysator die Betriebstemperatur des Katalysators 925 bis 1750°C beträgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als kohlenstoffhaltigen Brennstoff, der der thermischen Verbrennungszone zugeführt und zu dem abgekühlten Gemisch hinzugefügt wird, einen solchen verwendet, der, mit einer stöchiometrischen Menge Luft verbrannt, eine adiabatische Flammentemperatur von mindestens 1800°C hat.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffes unter praktisch adiabatischen Bedingungen durchgeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchsatzmengen, in denen der Brennstoff und die Luft der Mischzone zugeführt werden, so eingestellt und aufeinander abgestimmt werden, dass das gebildete Brennstoff-Luft-Gemisch eine solche adiabatische Flammentemperatur hat, dass die Betriebstemperatur des Katalysators 1100 bis 1650°C beträgt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der Luft, die der thermischen Verbrennungszone zugeführt wird, um darin die praktisch vollständige Verbrennung des dieser Zone zugeführten Brennstoffes zu bewirken, zwischen 125 und 185% der stöchiometrischen Menge gehalten wird, die für die vollständige Verbrennung des der thermischen Verbrennungszone zugeführten Brennstoffes erforderlich ist.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlenstoffhaltige Brennstoff, der der thermischen Verbrennungszone zugeführt, und derjenige, der in der Mischzone hinzugefügt wird, flüssige Brennstoffe sind.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Brennstoff, der zu dem abgekühlten

   Gemisch hinzugefügt wird, in die Mischzone eingespritzt wird und mit den diese durchströmenden Gasen durchmischt wird, so dass das in der Mischzone gebildete angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch die Form eines innigen Gemisches hat, wenn es mit dem Katalysator in Berührung tritt.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der zusätzlichen Luft, die in der Mischzone hinzugefügt wird, so gross gewählt wird, dass das erwähnte abgekühlte Gemisch und das angereicherte Brennstoff-Luft-Gemisch Temperaturen im Bereich von 370 bis 540°C haben.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der thermischen Verbrennungszone zugeführte Luft und die zu dem erhitzten Abgas im Einlassbereich der Mischzone hinzugefügte Luft annähernd mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck zugeführt werden und dass im Betrieb 20 bis 30% der Gesamtdurchsatzmenge des Brennstoffes der thermischen Verbrennungszone zugeführt werden.