DD290042A5

DD290042A5 - Verbrennungsverfahren zum einschraenken einer bildung von stickstoffoxiden bei verbrennung und anordnung zum ausfuehren des verfahrens

Info

Publication number: DD290042A5
Application number: DD89335681A
Authority: DD
Inventors: Jouko Laine
Original assignee: ��@��@��k��
Priority date: 1988-12-15
Filing date: 1989-12-14
Publication date: 1991-05-16
Also published as: AU4671089A; ES2020611A6; HUT55521A; CS712789A2; GB8927547D0; CA2004907A1; CN1043522A; SE8904187D0; IT1237909B; SE8904187L; DK639589D0; GB2226122A; DE3941307A1; DK639589A; HU896607D0; FI885800A; FI885800A0; FI88199B; FR2640728A1; IT8922700A0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsverfahren zum Einschraenken einer Bildung von Stickstoffoxiden bei Verbrennung und Anordnung zum Ausfuehren des Verfahrens. Beim Verfahren enthaelt das fuer die Verbrennung erforderliche, Sauerstoff enthaltende Gas weniger elementaren Sauerstoff als die Luft der Atmosphaere. Das Gas besteht aus Luft und irgendeinem sauerstoffarmen oder sauerstofflosem und reduzierende Komponenten enthaltenden Gas, vorzugsweise aus separat abgekuehlten Rauchgasen einer reduzierten Verbrennungskammer. Die Anordnung weist wenigstens einen Rauchgaskanal (6) auf, durch den bei reduzierender Verbrennung entstandene, reduzierende Komponente enthaltende Rauchgase durch einen Abkuehler (9) in einen Luftmischer (8) geleitet werden, wo sie mit der dem Kessel zuzufuehrenden Primaerluft gemischt werden. Fig. 3{Verbrennungsverfahren; Anordnung; Einschraenkung der Bildung von Stickstoffoxiden; sauerstoffarme Komponente; Luft}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbrennungsverfahren zum Einschränken einer Bildung von Stickstoffoxiden bei Verbrennung, bei welchem Verfahren dio Verbrennung so ausgeführt wird, daß die zum Verbrennen von Brennstoff erforderliche Luft in wenigstens zwei Phasen in der Weise zugeführt wird, daß Luft in der ersten Phase unterstökiometrisch vorzugsweise mit dem Luftkoeffizienten 0,80-0,95, zugeführt wird und bei welchem Verfahren mit der in die erste Phase zuzuführende Luft ein Gas oder eine Gasmischung wesentlich ohne elementaren Sauerstoff gemischt wird.

Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zum Ausführen des Verfahrens, welche Anordnung Mittel zum Zuführen von Luft in einem Feuerraum und Mittel zum Zuführen von Brennstoff in den Feuerraum sowie Mischungsmittel zum Mischen eines Gases oder einer Gasmischung, das/die einen kleineren Sauerstoffgehalt aufweist als Luft, mit der in die erste, unterstökiometrisch verbrennende Phase zuzuführenden Luft, bevor sie in don Feuerraum zugeführt wird.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bei verschiedenen Verbrennungsprozessen entstehen immer Stickstoffoxide, weil der in der Luft und dem Brennstoff enthaltene Stickstoff verschiedene Oxide mit dem Sauerstoff bildet. In einer reduzierten Flamme entsteht NO_x durch eine sog. schnelle Bildung zunächst aus dem Stickstoff des Brennstoffs, d. h. es entsteht ein sog. Prompt-No*. Bei hohen Temperaturen entsteht beinahe ausschließlich Stickstoffoxid (NO), das sich bei sinkender Temperatur in Gegenwart von Sauerstoff leicht in andere Stickstoffoxide, vor allem in Stickstoffdioxid (NO₂), verwandelt. Stickstoffoxide entstehen mit einer großen Reaktionsgeschwindigkeit sofort, wenn es gemäß chemischen Gleichgewichtsbedingungen möglich ist, die wichtigsten Bedingungen dafür sind eine hohe Temperatur und die Gegenwart von Sauerstoff. Wenn die Bedingungen nach der Bildung von Stickstoffoxiden so geändert werden, daß die Stickstoffoxide sich nach den Gleichgewichtsbodingungen zersetzen sollten, so ist die Reaktionsgeschwindigkeit dieser Zersetzung sehr langsam und die Zersetzung erfordert zunächst Zeit, Katalysatoren oder Zusatzchemikalien. Die Stickstoffoxide sind ziemlich schädlich für die Natur. Sie entstehen bei Industrieprozessen sowie in Kraftanlagen und anderen Kesseln in reichem Maße, und eine der wichtigsten Aufgaben des Umweltschutzes ist, NO_x-Ausstöße in die Atmosphäre zu reduzieren.

Man versucht, Stickstoffoxide in mehreren verschiedenen Weisen zu vermindern, und zwar so, daß sie in eine andere Form verwandelt werden. Solche Verrfahren sind u.a. verschiedene, auf dem Gebrauch von Katalysatoren basierende

Reduktionsverfahren und eine Anwendung von Absorptionsmitteln zum gleichzeitigen Absorbieren von sowohl Schwefel- als auch Stickstoffoxiden in verschiedenen Weisen. Bei Anwendung der unterschiedlichen Verfahren kommen im allgemeinen verschiedene schwer lösbare Probleme vor, wie zum Beispiel der teure Preis und die Erhältlichkeit als Katalysator fungierender, anwendbarer Edelmetalle und das schlechte Absorptionsvermögen der Absorptionsmittel. Ebenfalls verursacht die Dimensionierung der Anordnungen bei Anwendung der Absorptionsverfahren oft Probleme, u.a. wegen variierender Leistungen von Kesseln und wegen anderer Faktoren.

Anstatt Stickstoffoxide zu eliminieren, ist es technisch vorteilhafter, sich schon in der Verbrennungsphase darum zu bemühen, daß eine Bildung davon verhindert wird. Zu diesem Zweck sind verschiedene Niederstickstoffoxidbrenner (sog. LoW-NO_x-Brenner) entwickelt worden, man hat versucht, die Verbrennung in druckbeaufschlagtem Zustand auszuführen, und die Luftzufuhr in den Kessel ist vor Überhitzern synchronisiert worden. Mittels dieser Verfahren hat man jedoch keine besonders guten Ergebnisse erreicht, weil die verschiedenen Bildungsmöglichkeiten der Stickstoffoxide, die Reaktionskinetik, die variierenden Betriebsverhältnisse der Kessel und viele andere Faktoren das Fungieren eines effizient geglaubten Verfahrens in der Praxis verhindert oder wesentlich abgeschwächt haben. Weiter hat man versucht, Stickstoffoxide mittels bei einer sehr niedrigen Temperatur (etwa 80O⁰C) fungierender Fließbettöfen zu eliminieren., wobei die Verhältnisse zur Bildung von NO_x nachteilig gewesen sind. Dies hat jedoch einen schlechten Wirkungsgrad zur Folge gehabt, und auch ist die Fähigkeit der Öfen, verschiedene Brennstoffe zu verbrennen, abgeschwächt worden, weil sogar eine Näherung der zur kontinuierlichen Aufrechterhaltung der Verbrennung erforderlichen Mindesttemperatur notwendig geworden ist. Die obenbeschriebenen Verfahren sind allgemein bekannt und werden deshalb nicht genauer erläutert (KTM = Ministerium für Handel und Industrie, Energieabteilung, Serie D:140, Helsinki 1987).

In DE-Offenlegungsschrift 3040830 ist ein Verfahren angeführt, wobei zum Einschränken von Stickstoffoxiden mit der unterstökiometrischen, in die erste Verbrennungszone zuzuführenden Luft aus einem Rauchgaskanal nach de. η Kessel getrennte und abgekühlte, ausgebrannte Rauchgase gemischt werden. Wenn es auch möglich ist, eine Bildung von Stickstoffoxiden mittels dieses Verfahrens gewissermaßen zu verhindern, kann die Menge der Stickstoffoxide mittels der Lösung nicht ausreichend kontrolliert werden. Außerdem vormehrt eine Zirkulation des Rauchgases den Massenstrom des durch den ganzen Kessel strömenden Gases und braucht somit einen etwas größeren Brennraum als gewöhnlich und ein Kanalsystem für den ganzen Kesselbereich.

Der NO-Gehalt ist in reduzierendem Bereich gewöhnlich gering, was auf reduzierende Wirkungen von Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO₂) zurückzuführen ist. Diese zersetzen das eventuell entstehende NO nahezu gemäß folgenden Reaktionen:

NO+ CO-» VzN₂+ CO₂ NO+ H₂-* VjN₂+ H₂O

Somit kann die NO-Konzentration bei einer an sich bekannten, unterstökiometrisch ausgeführten Verbrennung im Prinzip gering gehalten werden. Ein Problem entsteht erst, wenn die Verhältnisse oxidierend werden oder die Temperaturen sehr hoch, d.h. bis auf über 1500°C, steigen. Das Problem wird somit entweder von sogar einem kleinen Überschuß von Luft, der in Feuerraumverhältnissen eine schnelle Bildung von NO bewirkt, oder von sehr hohen Temperaturen (über 1500⁰C) verursacht, wobei H₂ und CO wegen ihres abgeschwächten Reduzierpotentials nicht mehr imstande sind, eine Bildung von NO zu verhindern. Solche Situationen entstehen bei praktischen Anordnungen der bekannten Technik besonders in der Primärflamme, aber auch beim Zusatz von Sekundär- und Tertiärluft. Der wesentliche Grund der NO-Bildung in der Primärflamme der vorbekannten Anordnungen besteht darin, daß die heterogene Flamme z.B. Öltropfen oder Kohlenpartikeln und deswegen große Konzentrationsgradienten und Temperaturgradienten von Sauerstoff und brennenden Gasen ausweist, wobei immer eine Möglichkeit besteht, daß lokale Temperaturspitzen von kleinem Format z.B. an Phasengrenzen entstehen, wenn die Sauerstoffmenge an dieser Stelle stökiometrisch oder schwach überstökiometrisch ist. Dabei kann die Temperatur einer typischen Brennanordnung vorübergehend und lokal sogar bis auf etwa 2000⁰C steigen, und der lokale NO-Gehalt steigt schnell sogar bis auf etwa 3500 ppm (sog. Prompt-No,), und dieses entstandene NO zersetzt sich eigentlich nicht in Kesselverhältnissen. Somit ist es klar, daß ziemlich kleine und sogar momentane Temperaturspitzen den NO-Durchschnittswert des Abgases schnell erhöhen, der eine Gehaltebene von etwa 100 ppm aufweisen sollte.

Ziel der Erfindung

Mit der Erfindung wird ein Verbrennungsverfahren zum Einschränken einer Bildung von Stickstoffoxiden bei Verbrennung und eine Anordnung zum Ausführen des Verfahrens zur Verfügung gestellt, wobei die NO_x-Bildung gering ist und eine Eliminierung der Stickstoffoxide nach der Verbrennung nicht erforderlich ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zustandezubringen, wobei die NO_x-Bildung in reduzierender Verbrennungsphase, gewöhnlich bei sogenannter Primärverbrennung, besonders in der Flamme, möglichst gering gemacht werden kann, und wobei die Bedingungen der NO„-Bildung ohne komplizierte Anordnungen verhindert werden, was auch die Eliminierung von NO_x nach der Verbrennung unnötig macht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mit der in die erste Phase zuzuführenden Luft ein Gasmischung mit reduzierten Komponenten, wie H₂ und CO, so gemischt wird, daß der Sauerstoffgehalt der in die entstandene erste Phase zuzuführenden Gasmischung vorzugsweise 12-19% ist, und daß der Sauerstoffgehalt und das Reduzierpotential der zuzuführenden Gasmischuna «o geregelt werden, daß der Stickstoffoxidgehalt von Brenngasen, die während der Verbrennung bei der Temperatur der adiabatisciien Verbrennung des anzuwendenden Brennstoffs entstehen, welche Temperatur dem zuzuführenden Sauerstoffgehalt und dem Reduzierpotential entspricht, höchstens gleich groß ist wie der vorausbestimmte Gehaltwert.

Die wesentliche Idee der Erfindung ist, daß die Luftzufuhr dem Verbrennungsprozeß so angeordnet wird, daß die NO_x-Bildung im reduzierenden Teil des Feuerraums und besonders in der am allerschwersten zu beherrschenden Flamme bei allen denjenigen Temperaturen und mit allen denjenigen Sauerstoff/Brennstoffproportionen ausreichend niedrig bleibt, die in dieser Phase des Feuerraums überhaupt in Frage kommen können. Dies wird dadurch zustandegebracht, daß die Verbrennung unter reduzierenden Verhältnissen mittels eines Gases oder einer Gasmischung ausgeführt wird, das/die weniger Sauerstoff als Normalluft und außerdem reduzierende Komponenten enthält. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Gehalt an Stickstoffoxiden so gesteuert werden, daß die Gleichgewichtskonzentration der Stickstoffoxide zu Rauchgasen, d. h. in der Praxis auch die Höchstkonzentration, die ganze Zeit sehr niedrig bleibt.

Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Ausführen des Verfahrens zu schaffen. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mischungsmittel wenigstens einen Rauchgaskanal aufweisen, und zwar zum Leiten eines Teils der Rauchgase, die das Verbrennungserzeugnis der ersten Verbrennungsphase ausmachen, zu der in die erste Phase zuzuführenden Luft, und damit gemischt zu werden.

Die wesentliche Idee der erfindungsgemäßen Anordnung ist, daß ein reduzierendes Gas oder eine reduzierende Gasmischung, wie es ein sauerstoffloses oder sauerstoffarmes Gas mic reduzierenden Komponenten gefunden werden kann, und Luft gut gemischt wenigstens derjenigen Zone des Kessels zugeführt werden, wo der Brennstoff und die Luft normalerweise schlecht gemischt sind und lokale Temperaturspitzen wahrscheinlich sind, typisch ist dies die Zone der reduzierenden Verbrennung dea-Kessels, und zwar die Flamme.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird in den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1: gemäß der bekannten Technik die Abhängigkeit der Temperatur und des Luftkoeffizienten (das Verhältnis zwischen dem Sauerstoff und der von der Verbrennung geforderten Menge von theoretischem Sauerstoff unabhängig von den übrigen, z.B. inerten oder reduzierenden, Komponenten, die in der Gasmischung enthalten sind) voneinander einer Ebene des NO-Gehalts gegenüber bei normaler Verbrennung mit Luft sowie die Abhängigkeit der adiabatischen Temperatur bei typischer (!»verbrennung von dem Luftkoeffizienten bei normaler Verbrennung mit Luft und einer Mischung eines aus ausgebranntem Rauchgas des Kessels bestehenden Gases und der Luft, welche Mischung einen Sauerstoffgehalt von 17% gemäß der DE-Anmeldung 3040830 aufweist.

Fig. 2: exemplifikatorisch die Abhängigkeit der Verbrennung von reinem Methan (CH₄) erzeugten, maximalen NO-Menge von dem Luftkoeffizienten, wenn das die Verbrennung aufrechterhaltende Gas Luft, eine Mischung von ausgebranntem Rauchgas und Luft gemäß Figur 1 oder eine Mischung eines aus reduzierender Verbrennung zurückgeführten und abgekühlten Gases und der Luft ist, und

Fig. :3 schematisch eine dem erfindungsgemäßen Verfahren angepaßte Anordnung.

In Figur 1 ist exempiifikatorisch die adiabatische Verbrennungstemperatur einer allgeme^!n verwendeten Ölqualität als Funktion des Luftkoeffizienten bei normaler Verbrennung mit Luft mittels einer Kurve A-B gezeichnet. Mittels einer Kurve C-D ist exemplifikatorisch die adiabatische Verbrennungstemperatur desselben Öls als Funktion des l.uftkoeffizienten bei Verbrennung mit durch ausgebranntes Rauchgas verdünnter Luft dargestellt, welche Mischung einen Sauerstoffgehalt von 17 % aufweist. Mittels einer Kurve E-F sind exemplifikatorisch einem NO-Gehalt von lOOppm entsprechende Weilpaare Temperatur-Luftkoeffizient bei normaler Verbrennung mit Luft gezeigt. Oberhalb des Graphs ist der NO-Gehalt über 10Oppm. Besonders sehr hohe Temperaturen (über¹.500°) sind bedeutend für diese Erfindung. Weil lokale Temperaturen in den heißesten Teilen der Flamme sehr nahe der adiabatischen Temperatur steigen können, so ist aus den Figuren ersichtlich, daß schon mit dem Luftkoeffizienten 0,82 bei normaler Verbrennung mit Luft die lOOppm-Grenze des NO-Gehalts (entspricht dem Punkt G) erreicht werden kann, während die entsprechende Grenze bei Verwendung von beispielsgemäßer, durch ausgebranntes Rauchgas verdünnter Luft mit dem Luftkoeffizienten 0,93 (entspricht dem Punkt H) erreicht wird. In der möglichst nachteiligen Situation des reduzierenden Bereichs ist der maximale NO-Gehalt bei normaler Verbrennung mit Luft etwa 2700 ppm und mit beispielsgemäß verdünnter Luft nur 800 ppm. Der erstere von diesen Werten entspricht dem Punkt I der Figur 1 und der letztere dem Punkt J der Figur 1.

Überraschend hat man bemerkt, daß eine NO-Bildung in der reduzierenden Zone einer Brennanordnung, besonders in der Flamme, in der Weise verhindert werden kann, daß für die Verbrennung erforderlicher Sauerstoff unterstökiömetrisch und mit einem gleichmäßigen Sauerstoffgehalt von unter 21 % zugeführt wird, und zwar so, daß mit der Verbrennungsluft ein Gas oder eine Gasmischung mit einer bedeutenden Menge von reduzierenden Komponenten gemischt wird. In dieser Weise kann die Verbrennungstemperatur besonders in der Flamme gesenkt und das Reduzierpotential zugleich erhöht werden, wobei eine starke NO_x-Bildung nicht mehr möglich ist, nicht einmal lokal oder momentan. Dies geschieht vorzugsweise so, daß die lokale Temperaturspitze der Flamme unter etwa 1500⁰C bleibt und daß der Sauerstoffgehalt mittels aus der reduzierenden Verbrennungsphase zurückzuführender und abgekühlter Rauchgase gesenkt wird, die typisch Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO) enthalten. Dabei verhindern sowohl das Sinken der Temperatur als auch das erhöhte Reduzierpotential eine Bildung von NO_x effizient.

In Figur 2 ist der von der Verbrennung von reinem Methan (CHJ verursachte, maximale NO-Gehalt bei normaler, adiabatischer Verbrennung mit Luft mittels einer Kurve K-L gezeichnet, mittels einer Kurve M-N ist ein entsprechender Graph dargestellt, wenn mit der Verbrennungsluft ausgebrannte Rauchgase gemischt sind, und mittels einer Kurve O-N exemplifikatorisch ein entsprechender Graph, wenn der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft durch Hinzufügung sehr abgekühlter Rauchgase der mit demselben Luftkoeffizienten fungierenden, reduzierenden Phase in einer Menge von 24% von dem Volumenstrom der Primärluft, wobei auch reduzierende Komponenten H₂ und CO in bedeutender Menge zurückgeführt worden sind. Aus der Figur geht deutlich hervor, daß die Zurückführung der reduziernden Gase stark senkend auf den NO-Gehalt wirkt, sowohl bei sinkender Temperatur als auch bei zunehmendem Reduzierpotential. Wenn zum Beispiel der Wert des Luftkoeffizienten 0,80 ist, ist die maximale Senkung des NO-Gehalts sogar 97% im Vergleich zu der Verbrennung mit Luft, d. h. von dem Wert 0,048mol NO/kg

CH₄ (entspricht dem Punkt P der Figur 2) auf den Wert 0,0012 mol NO/kg CH₄ (entspricht dem Punkt Q der Figur 2) und etwa 73% von dem Wert (entspricht dem Verhältnis zwischen den Punkten Q und R), der durch Mischen von ausgebrannten Rauchgasen mit der Verbrennungsluft erhalten worden ist. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sowohl der Sauerstoffgehalt als auch die Menge und das Reduziervermögen reduzierender Komponenten, d. h. insgesamt ihr Reduzierpotential, in einer erwünschten Weise je nach dem zu verwendenden Brennstoff und den übrigen Verbrennungsverhältnissen geregelt werden.

Überraschend hat man bemerkt, daß die Effektivität des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, d. h. die beste Senkung der NO-Bildung im Vergleich zu der bekannten Technik, am vorzüglichsten im Bereich 0,80...0,95 der Luftkoeffizienten ist. Überraschend ist auch, daß diese maximale Senkung des NO-Gehalts sich gerade in demjenigen Bereich der Luftkoeffizienten befindet, der bei typischer, an sich bekannter Primärverbrennung eines Kraftkessels üblich ist. Somit kann mittels des Verfahrens gemäß dieser Erfindung in einer ganz entscheidenden Weise gerade in der Flamme des Brenners auf die Bildung von NO_x senkend eingewirkt werden, in welcher Flamme sie bei Anordnungen der bekannten Technik am allerschwersten zu beherrschen und zu regeln und zum großen Teil sogar übermächtig zu verwirklichen ist, und zwar ist es besonders schwer die Bildung von sog. Promp-NO_x einzuschränken. Durch Vergleich der Kurven M-N und O-N der Figur 2 sieht man, daß bei erfindungsgemäßer Verwendung von reduzierende Komponenten enthaltenden, mit der Verbrennungsluft gemischten Gasen oder Gasmischungen der NO_x-Gehalt (entspricht dem Punkt S) noch mit dem Luftkoeffizienten 0,95 etwa 92% kleiner ist als bei normaler Verbrennung mit Luft (entspricht dem Punkt T) und noch 40% kleiner als der durch HinzufUgung von ausgebrannten Rauchgasen erhaltene Wert (entspricht dem Verhältnis zwischen den Punkten U und S). Bei Verwendung von Rauchgasen setzt dazu der Gebrauch ausgebrannter Rauchgase eine Vergrößerung des ganzen Kessels und der Rauchkanäle wegen der zugenommenen Gasmenge voraus, während beim erfindungsgemäßen Verfahren die zugenommene Gasmenge und der größere Raumbedarf nur den Kesselteil betrifft, der mit der reduzierenden Verbrennung verknüpft ist. Gemäß Figur 2 vereinigen sich die Kurven M-N und O-N, wenn der Luftkoeffizient 1 ist, was darauf zurückzuführen ist, daß die Rauchgase des im stökiömetrischen Verhältnis verbrannten Brennstoffes keine erwähnenswerten reduzierenden Komponenten mehr aufweisen können. Dies ist jedoch von keinerlei Bedeutung für das Endergebnis der Verbrennung mit kleineren Luftkoeffizienten, und die wesentliche Bedeutung der !Erfindung liegt auch ausdrücklich an der Verhinderung einer lokalen Überhitzung und einer Bildung von Stickstoffoxiden bei unterstökiömetrischer Verbrennung.

Figur 3 zeigt schematisch eine Anordnung, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist und eine Brennanordnung, sowie einen Kessel 1 oder dergleichen, mit einem Feuerraum 2 aufweist. Dem Feuerraum 2 wird Brennstoff mit einer Zuführungsvorrichtung 3 zugeführt, deren es natürlich mehrere sein kann. Demselben Teil des Feuerraums 2 wird eine Gasmischung mit für Verbrennung erforderlichem Sauerstoff mittels einer zu Luftzufuhrmitteln gehörenden Leitung 4 zugeführt. In die Leitung 4 kommt einerseits Luft aus einer Leitung 5 und andererseits reduzierendes Gas, unter dem eine wenigstens nahezu sauerstoff lose und reduzierende Komponenten, zunächst eine bedeutende Menge von H₂ und CO, enthaltende Gasmischung verstanden wird, aus einer zu Mischungsmitteln gehörenden Leitung 6 durch ein Gebläse 7 und einen Gasmischer 8. Das zu mischende Gas ist vorzugsweise ein mit Abkühlern 9 und 10 abgekühltes, aus dem bei reduzierender Verbrennung fungierenden Feuerraum 2 erhaltenes, reduzierende Komponenten enthaltendes Rauchgas, dessen Menga mittels eines Ventils 11 gesteuert wird. Dieses reduzierende Rauchgas wird mit der zuzuführenden Luft in dem Mischer 8 gemischt. Der größte Teil der in der reduzierenden Verbrennungsphase entstehenden Rauchgase werden zu folgenden Verbrennungsphasen geleitet, die mit einer Verbrennungsphase 12 schematisch dargestellt werden. In den letzteren Verbrennungsphasen wird dem Kessel durch ein Ventil 13 längs eines Kanals 14 Zusatzluft zugeführt, wobei der Brennstoff möglichst vollkommen verbrennt. In diesem Zusammenhang können die Rauchgase mittels einos Wärmeaustauschers 15 und danach weiter mittels Abkühlern 16 abgekühlt werden, wonach die Rauchgase durch ein Gebläse 1? in einen Rauchgaskanal 18 geleitet werden. Je nach der erforderlichen Menge reduzierender Komponenten können mit der in die erste Phase dem Feuerraum 2 zuzuführenden Luft, außer Rauchgasen der reduzierenden Phase durch den Kanal 6, auch endgültige, abgekühlte Rauchgase in einer an sich bekannten Weise durch einen Kanal 19 gemischt werden, wobei die Menge dieses Rauchgases mittels eines Ventils 20 geregelt wird. In dieser Weise kann je nach den Verhältnissen sowohl der Sauerstoffgehalt der zuzuführenden Luft-Gas-Mischung als auch der Gehalt an reduzierenden Komponenten in Übereinstimmung mit den Verbrennungsverhältnissen und dem Brennstoff geeignet bestimmt werden. Wenn am Anfang der oxidieronden Verbrennungsphase 12 Gefahr besteht, daß eine zu heiße Flamme oder eine lokale Stelle darin ausgeformt wird, so daß die Bildung von Stickstoffoxid zu stark sein könnte, kann die Temperatur der Flamme auch dieser Phase durch Zuführung von reduzierendem Gas durch ein Ventil 21 und einen Kanal 22 dem Anfang der oxidierenden Verbrennungsphase 12 gesenkt werden. Wärmeverluste der Brennanordnung können durch Isolierung von Verbrennungskammern mit Isolationen 23 und 24 vermindert werden, was schematisch in Figur gezeigt ist. Es ist selbstverständlich, daß ein Teil der beschriebenen Anordnungen zum Schaffen der konstruktiv vorteilhaftesten Lösung zu einer Einheit zusammengesetzt werden können, zum Beispiel die Teile 2,10,12,15 und 16 t'nd leicht zusammensetzbar. Wesentlich für die erfindungsgemäße Anordnung ist, daß die Luft und das reduzierende Gas gu* gemischt werden, bevor sie dem reduzierenden Teil des Feuerraums zugeführt werden, und daß die Temperatur der Flamme oder lokaler Stellen darin nur in dem Maß mittels Gas gesenkt wird, was zum Verhindern der NO-Bildung unbedingt notwendig ist, aber jedoch nicht so viel, daß die kontinuierliche Aufrechterhaltung der Verbrennung gefährdet wird. Bei diesem Verfahren wird dau Mischungsverhältnis von Luft und Gas u. a. von dem Wärmewert des zu verwendenden Brennstoffs, der Mindesttemperatur zur Aufrechterhaltung der Verbrennung, der chemischen Analyse des Gases, der erwünschten ΝΟ,-Ebene, den Dimensionierungsgrößen der Wärmeflächen des Kessels, dem Abkühlungsgrad (der Temperatur) des zurückzuführenden Gases und von den Lagen der Gaszuführungsphasen bestimmt. Somit kann dieses Verhältnis innerhalb eines weiten Bereichs variieren, aber typisch ist die Gasmenge 10...70% von der zugeführten Luftmenge.

Es ist klar, daß die Massenmenge des im Kraftkessel, zunächst nur in seinem reduzierenden Teil, strömenden Gases bei der gemäß dem Verfahren dieser Erfindung fungierenden Anordnung im Vergleich zu den bekannten Anordnungen mit demselben Verbrennungsgrad zunimmt. Die Dimensionen des Kessels ändern sich jedoch nicht entscheidend, weil die Zirkulation vorzugsweise nur in einer unterstökiömetrischen Verbrennungspha.se oder mehreren solchen Phasen geschieht und weil die von der Temperatursenkung verursachte Änderung der Gasdichte die Situation so kompensiert, daß der Volumenstrom des Gases sich nicht erwähnenswert ändert. Es ist auch klar, daß die zirkulierende Gasmenge don Wirkungsgrad des Kessels in der

Theorie nicht senkt, aber auf Grund verschiedener Wärmeverluste ist eine geringe Senkung des Wirkungsgrads zu erwarten. Im Vergleich zu den erreichten Vorteilen ist diese schädliche Einwirkung jedoch als goring zu betrachten. Durch die Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß die Anordnung durch Verwendung bekannter und billiger konstruktionstechnischer Alternativen konstruiert werden kann, und keine separaten und teuren NO_x-Auspuffvorrichtungen sind benötigt, weil die NO_x-Bildung ausreichend eliminiert ist. Weiter ist das erfindungsgemäße Verfahren leicht zu verwirklichen und sehr leicht zu steuern, und zwar so, daß die Prinzipien des erfindungsgemäßen Verfahrens an sich bekannten Anordnungen und Steuersystemen angepaßt werden. Ebenfalls können besonders die heißesten, ziemlich punktförmigen Teile der Flamme der Brennanordnung, in welchen Teilen der NO_x-Gehalt lokal sogar sehr hoch steigen kann, beherrscht werden, weil die Möglichkeit der NO„-Bildung dadurch begrenzt ist, daß sie die festgesetzte Grenze nicht überschreiten kann. Schließlich ist der endgültige NO-Ausstoß der in die Umgebung ausströmenden Rauchgase natürlich von dem Fahrmodell und der Konstruktion des oxidierenden Kesselteils abhängig.

Claims

1. Verbrennungsverfahren zum Einschränken einer Bildung von Stickstoffoxiden, bei der Verbrennung, bei welchem Verfahren die Verbrennung so ausgeführt wird, daß die zum Verbrennen von Brennstoff erforderliche Luft in wenigstens zwei Phasen in der Weise zugeführt wird, daß Luft in der ersten Phase unterstökiometrisch, vorzugsweise mit dem Luftkoeffizienten 0,80-0,95 zugeführt wird, mit der in die erste Phase zuzuführenden Luft ein Gas oder eine Gasmischung wesentlich ohne eiern 3ntaren Sauerstoff gemischt wird, und bei welchem Verfahren mit der in die erste Phase zuzulührenden Luft ein Gas oder eine Gasmischung mit reduzierenden Komponenten gemischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit der in die erste Phase zuzuführenden Luft H₂ und CO enthaltende, nach der unterstökiömetrischen Verbrennungsphase, vorzugsweise nach der ersten Verbrennungsphase, entstandene Brandgase so gemischt werden, daß der Sauerstoffgehalt der in die entstandene erste Phase zuzuführenden Gasmischung vorzugsweise 12-19% ist, und daß der Sauerstoffgehalt und das Reduzierpotential der zuzuführenden Gasmischung so geregelt werden, daß der Stickstoffoxidgehalt von Brenngasen, die während der Verbrennung bei der Temperatur der adiabatischen Verbrennung des anzuwendenden Brennstoffs entstehen, welche Temperatur dem zuzuführenden Sauerstoffgehalt und dem Reduzierpotential entspricht, höchstens gleich groß ist wie der vorausbestimmte Gehaltwert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase abgekühlt werden, bevor sie mit Luft gemischt werden.

3. Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßon Verbrennungsverfahrens zum Einschränken einer Bildung von Stickstoffoxiden bei Verbrennung, zu welcher Anordnung Mittel zum Zuführen von Luft in einen Feuerraum und Mittel zum Zuführen von Brennstoff in den Feuerraum sowie Mischungsmittel zum Mischen eines Gases oder einer Gasmischung, das/die einen kleineren Sauerstoffgehalt als die Luft aufweist, mit der in die erste, unterstöchiometrisch verbrennende. Phase zuzuführenden Luft, bevor sie dem Feuerraum (2) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischungsmittel (6, 7, 8, 9,11) wenigstens einen Rauchgaskanal (6) aufweisen, und zwar zum Leiten eines Teils der Rauchgase, die das Verbrennungserzeugnis der ersten Verbrennungsphase ausmachen, zu der in die erste Phase zuzuführenden Luft, um damit gemischt zu werden.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischungsmittel (6, 7, 8, 9, 11) Abkühlmittel (9, 10) zum Abkühlen der Rauchgase aufweisen, bevor diese mit der Luft gemischt werden.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen