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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer sowie eine Brennkammer. Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei ist es bekannt, dass einer Brennkammer ein Produktgas bzw. ein Brennstoff zugeführt wird. Dabei sind auch Verfahren bekannt, bei denen ein Brennstoff sowie Luft separat in die Brennkammer eingeblasen werden.
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Wenn stickstoffhaltige Komponenten im Brennstoff enthalten sind wie z.B. HCN oder NH3, können diese bei überstöchiometrischen Bedingungen bei der Verbrennung fast vollständig in giftiges NOx umgewandelt werden. Besonders bei Temperaturen >1000°C ist mit erhöhter NOx Bildung zu rechnen.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl an Technologien zur Reduzierung von Emissionen bekannt, wobei insbesondere die NOx-Werte von hoher Bedeutung sind. Diese Technologien werden oftmals als Primärmaßnahmen bezeichnet, da hierdurch die Entstehung von NOx im Feuerungsraum vermindert wird. Im Gegensatz hierzu zielen Sekundärmaßnahmen, welche nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, auf die Minderung von NOx im Abgas.
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Als nachteilig bei den genannten Verfahren erweist sich die Verbrennung von mehrphasigen Brennstoffen, wie diese beispielsweise bei der Vergasung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien entstehen und/oder insbesondere von Brennstoffen mir sehr hohem Stickstoffanteil unter Beibehaltung geringer NOx-Emissionen. Hierzu existieren bisher keine zufriedenstellenden Verfahren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Verbrennungsprozesse dahingehend zu verbessern, dass der Ausstoß und/oder das Entstehen von giftigen Gasen verringert wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsprozess der besonders für die Verbrennung von Produkten der thermo-chemischen Konversion von kohlenstoffhaltigen Materialien geeignet sein soll.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird einer Brennkammer ein zu verbrennender Brennstoff zugeführt. Weiterhin wird der Brennkammer ein weiterer Oxdiator und insbesondere Luft zugeführt.
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Erfindungsgemäß findet der Eintrag eines ersten Teiles des Oxidators in einen ersten Bereich der Brennkammer statt, so dass in diesem unterstöchiometrische Bedingungen vorliegen wobei dieser erste Teil mit den bei der Verbrennung entstehenden Gasen gemischt wird, und ein zweiter Anteil des Oxidators wird in einem zweiten Bereich der Brennkammer zugeführt.
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Bevorzugt wird dieser zweite Teil derart zugeführt, dass der Brennstoff dadurch vollständig abreagiert.
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Bei der hier beschriebenen gestuften Verbrennung wird die Verbrennung in mehreren örtlich getrennten Zonen eines Brenners bzw. einer Brennkammer durchgeführt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Eintragung bzw. Eindüsung des Brennstoff und/oder des Oxidators in mindestens zwei zeitlich und/oder örtlich versetzten Schritten bzw. Stufen erfolgt. Dies bedingt eine verzögerte Verbrennung und geringere Verbrennungstemperaturen. Da die NOx-Bildung besonders bei hohen Temperaturen begünstigt ist, führt diese Maßnahme zu geringeren NOx-Emissionen. Es sei dabei erwähnt, dass dieses Ziel eine Gemeinsamkeit aller angewandten Prinzipien darstellt.
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Es ist dabei möglich, dass der Brennstoff zunächst in einem Primärbrennraum in einem (insbesondere fetten) Gemisch unterstöchiometrisch mit 60% bis 90 % des zur vollständigen Umsetzung notwendigen Sauerstoffs verbrennt. Dies verhindert die Bildung von NOx, da N-haltige Brennstoffe wie z.B. NH3 oder HCN insbesondere bei hohen Sauerstoffüberschusszahlen zu giftigen NOx abreagieren, während dies unterstöchiometrisch stark unterdrückt wird. Erst in einem zweiten, bevorzugt strömungsabwärts gerichteten Brennraum wird die vollständige Verbrennung realisiert. Daneben können jedoch auch drei oder mehrere Verbrennungsräume vorgesehen sein. In dem zweiten Brennraum wird bevorzugt nicht unter unterstöchiometrischen Bedingungen verbrannt.
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Bei einem weiteren möglichen Verfahren wird die Brennstoffzufuhr in einen Hauptstrom und mehrere Nebenströme aufgeteilt, so dass sich aufgrund der dann besonderen Flammengeometrie Bereiche ausbilden, in welchen die NOx-Bildung vermindert ist.
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Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird wenigstens ein Anteil des entstehenden Abgases rückgeführt, insbesondere also wieder der Brennkammer zugeführt. Verbrennungssysteme, die mit Abgasrückführung arbeiten, führen einen Teil der verbrannten Gase zurück in die Verbrennungszone. Einerseits bewirkt dies eine Verringerung der Stickstoffkonzentration und andererseits wirken die Rauchgase als Inertgas und verdünnen den Sauerstoff und einhergehend die Verbrennungstemperatur.
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Das Abgas kann dabei aus dem Verbrennungsraum entweder strömungstechnisch zurückgesaugt werden (interne Rezirkulation) oder mittels separater Zuführungen von außen zugeführt werden (externe Rezirkulation). Dieses Verfahren ist besonders dann sinnvoll, wenn die Verbrennungsluft, z.B. zur Erhöhung des Wirkungsgrades, vorgewärmt wird. Bevorzugt wird die Abgasrückführung mit der gestuften Verbrennung oder der flammenlosen Oxidation zur Verbesserung der NOx-Minderung kombiniert.
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Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren liegt eine Temperatur der Mischung aus dem ersten Teil und den bei der Verbrennung entstehenden Gasen über der Zündtemperatur des Brennstoffes.
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Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren erfolgt die Reaktion des Brennstoffes in wenigstens einem Teil der Brennkammer flammenlos. Besonders bevorzugt erfolgt die Reaktion des Brennstoffes in der gesamten Brennkammer flammenlos.
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Beim Prinzip der flammenlosen Oxidation findet die Verbrennung nicht in einer definierten Reaktionsfront bzw. in einer Flamme sondern bevorzugt homogen im gesamten Brennraum verteilt statt. Dadurch werden die üblichen lokalen Flammentemperaturspitzen im Bereich von 1600°C bis 2000°C vermieden und die thermische NOx-Bildung deutlich vermindert.
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Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren werden die Verbrennungsluft, welche besonders bevorzugt noch vorgewärmt wird, und der Brennstoff separat und besonders bevorzugt mit hohen Geschwindigkeiten in den Brenner zugeführt.
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Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren werden die rezirkulierten Rauchgase mit vorgewärmtem Oxidator vermischt, wobei die mittlere Temperatur des vorgewärmten Oxidators und des bei der Verbrennung entstehenden Gases oberhalb der Zündtemperatur des Brennstoffes ist. Die zugeführten Gase werden sodann mit dem Brennstoff in einer Oxidationszone zusammengebracht, in der die Verbrennung bevorzugt im wesentlichen flammenlos erfolgt.
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Zum Zwecke der Energieeinsparung arbeitet der Prozess vorteilhaft zudem mit sehr hohen Abgasrückführraten. Der Oxidator wird dabei bevorzugt derart in den Brennraum eingebracht, dass sich der Oxidator durch die Injektorwirkung mit den aus dem Verbrennungsraum angesaugten Rauchgasen umhüllt und vermischt. Hierbei wird bevorzugt mit Strömungsgeschwindigkeiten von mindestens 20 m/s gearbeitet.
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Daneben ist es auch möglich, dass aufgrund des speziellen Designs der Oxidator- und Brennstoffdüsen in der Brennkammer lokale Bereiche mit unterstöchiometrischen Verbrennungsbedingungen entstehen, in welchen der Sickstoff im Brennstoff nicht zu NOx sondern zu unschädlichem N2 reagiert.
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Vorteilhaft sind die beiden Bereiche der Brennkammer, in welche die Teile des Oxidators zugeführt werden, voneinander beabstandet. Bevorzugt wird der erste Anteil des Oxidators der Brennkammer gemeinsam mit dem Brennstoff zugeführt.
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Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren unterscheiden sich die Volumenanteile des Oxidators, welche über die beiden Bereiche zugeführt werden, voneinander. So ist es möglich, dass ein geringerer Anteil des Gases dem Brennstoff in einem ersten Bereich der Brennkammer zugemischt wird und ein größerer Anteil des Gases in einem zweiten Bereich der Brennkammer. Dabei kann dieser geringere Anteil zeitlich zuerst zugemischt werden. Auch wäre es möglich, dass dieser geringere Anteil in einem höher liegenden Bereich der Brennkammer zugemischt wird.
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Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird wenigstens ein Anteil des Gases mit einer Temperatur zugeführt, welche größer ist als 200°C, bevorzugt größer als 400°C und bevorzugt größer als 600°C.
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Vorteilhaft kann dabei in einem ersten Bereich der Brennkammer, insbesondere in einem oberen Bereich der Brennkammer, eine unterstöchiometrische Zone ausgebildet werden. Bevorzugt wird anschließend ein weiterer Teil und bevorzugt ein größerer Teil des Oxidators in einem anderen Bereich der Brennkammer und bevorzugt in einem bezogen auf den ersten Bereich tieferliegenden Bereich der Brennkammer zugemischt. Dies lässt eine erhebliche Reduzierung der Brennstoff-Nox Emissionen erwarten.
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Vorteilhaft erfolgt die erste Zuführung (bzw. die Zuführung des ersten Teils) bei Stöchiometrien zwischen 0,2 und 0,9, bevorzugt 0,4 und 0,9, besonders bevorzugt zwischen 0,6 und 0,9 und besonders bevorzugt zwischen 0,7 und 0,8. Bei Stöchiometrien zwischen 0,7 und 0,8 wird kaum NOx gebildet, sondern unschädliches N2. Eine Zone in der Brennkammer mit den genannten Stöchiometrien reduziert die NOx Emissionen deshalb erheblich.
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Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird wenigstens ein Anteil des bei der Verbrennung entstehenden Rauchgases zunächst aus der Brennkammer abgeführt und bevorzugt wieder der Brennkammer zugeführt.
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Bevorzugt wird der Brennstoff der Brennkammer mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit zugeführt. Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird auch die Verbrennungsluft der Brennkammer mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit zugeführt. Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren werden der Brennkammer der Brennstoff und die Verbrennungsluft separat zugeführt.
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Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird der Brennstoff durch einen Vergasungsprozess gewonnen.
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Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Vorrichtung zum Verbrennen eines Brennstoffes mit einer Brennkammer, in der ein Brennstoff verbrennbar ist, gerichtet. Diese Vorrichtung weist eine erste Zuführleitung zum Zuführen eines Oxidators auf. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine zweite wenigstens abschnittsweise von der ersten Zuführleitung getrennte Zuführleitung auf, um der Brennkammer in einem weiteren Bereich der Brennkammer den Oxidator zuzuführen.
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Vorzugsweise mündet die erste Zuführleitung ein einem ersten Drittel des Brennraums in diesen Brennraum. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mündet die zweite Zuführleitung in einem unteren oder einem mittleren Drittel des Brennraums in diesen Brennraum. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind innerhalb dieses Brennraums Trennelemente vorgesehen, welche denjenigen Bereich, in den die erste Zuführleitung mündet wenigstens teilweise (baulich) von demjenigen Bereich, in den die zweite Zuführleitung mündet abgrenzt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in wenigstens einer der Zuführleitungen eine Ventileinrichtung zur Steuerung der Zuführung des Oxidators vorgesehen.
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Bei einem bevorzugten Verfahren unterscheiden sich die Volumenanteile des Oxidators, welches über die beiden Bereiche zugeführt wird.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus der beigefügten 1.
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1 zeigt eine grob schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Brennkammer 2. In diese Brennkammer 2 wird (Pfeil P1) ein Brennstoff eingeführt. Daneben wird der Brennkammer 2 ein ein Primäroxidator, wie z.B. Luft, zugeführt. Dabei weist die Vorrichtung für die Zuführung entsprechende Zuführeinrichtungen auf, die jedoch nicht gezeigt sind. Dabei erfolgt diese Zuführung unterstöchiometrisch d.h. mit λ < 1. Das Bezugszeichen B1 kennzeichnet damit einen unterstöchiometrischen Bereich der Brennkammer 1.
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In einem weiteren, beispielsweise einem tieferliegenden Bereich der Brennkammer wird ebenfalls ein Oxidator, d.h. insbesondere ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie z.B. Luft, zugeführt (Pfeile P3 und P4). In diesem Bereich erfolgt die Zuführung jedoch überstöchiometrisch d.h. mit λ > 1 und insbesondere mit λ > 2. Dabei können ebenfalls wieder (nicht gezeigte) Zuführleitungen vorgesehen sein.
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Das Bezugszeichen B2 kennzeichnet damit einen überstöchiometrischen Bereich der Brennkammer 2. Das Bezugszeichen T kennzeichnet eine Trennlinie zwischen den beiden Bereichen. Dabei ist es möglich, dass diese Trennlinie lediglich eine geometrische Linie ist.
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Es ist jedoch auch möglich, dass innerhalb der Brennkammer Einrichtungen angeordnet sind, welche die beiden Bereiche B1 und B2 physisch voneinander (zumindest teilweise) abgrenzen. Es wäre auch denkbar, dass die beiden Bereiche B1 und B2, anders als in der Figur gezeigt, unterschiedlich groß sind. Dabei ist es denkbar, dass der erste Bereich B1 größer ist als der zweite Bereich B2, bevorzugt wenigstens 1,2 mal so groß, bevorzugt wenigstens 1,5 mal so groß, bevorzugt wenigstens 2 mal so groß.
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Umgekehrt ist es möglich dass der zweite Bereich B2 größer ist als der erste Bereich B2, bevorzugt wenigstens 1,2 mal so groß, bevorzugt wenigstens 1,5mal so groß, bevorzugt wenigstens 2mal so groß. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Strömungsgeschwindigkeiten, mit denen die Luft der Brennkammer zugeführt werden, veränderbar sind. So können beispielsweise die jeweiligen Zuführleitungen veränderbare Strömungsquerschnitte aufweisen. Auch ist es möglich, die Zuführung des Brennstoffes zu regeln.
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Bei der Verbrennung entstehendes Rauchgas wird, wie durch den Pfeil P5 gezeigt, aus der Brennkammer 2 ausgeführt. Auch hierfür kann eine (nicht gezeigte) Abführleitung vorgesehen sein. Dabei ist es möglich, dass ein Teil dieses Rauchgases erneut der Brennkammer 2 zugeführt wird. Auch ist es möglich, dass die Rückführung des Rauchgases in die Brennkammer 2 gesteuert und oder geregelt wird.
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Der in die Brennkammer 2 eintretende Brennstoff wird daher zunächst einer unterstöchiometrischen und anschließend einer überstöchiometrischen Verbrennung unterworfen.
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Weiterhin wäre es auch denkbar, dass die Temperaturen der der Brennkammer zugeführten Gase verändert werden.
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Die Vorrichtung 1 kann weiterhin (nicht gezeigte) Wärmetauscher aufweisen, insbesondere Gas/Gas-Wärmetauscher, welche die Temperatur der zugeführten Gase einstellen.
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Dabei können jeweils Zuführleitungen vorgesehen sein, um die Teile des Gases zuzuführen. Daneben können auch Ventileinrichtungen vorgesehen sein, mittels denen die Zuführung der Anteile des die Verbrennung ermöglichenden Gases gesteuert werden kann. Auf diese Weise kann einerseits eine Steuerung der zuzuführenden Mengen des Gases gesteuert werden, daneben aber auch eine zeitliche Abfolge der Zuführung.
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Die Anmelderin behält sich vor, sämtliche der in den Beschreibungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, falls diese einzeln oder in Kombination neu gegenüber dem Stand der Technik sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Brennkammer
- B1
- unterstöchiometrischer Bereich der Brennkammer
- B2
- überstöchiometrischer Bereich der Brennkammer
- P1–P5
- Pfeile
