DE1088176B

DE1088176B - Verfahren zum Betrieb einer Feuerung von Dampferzeugern und zugehoerige Feuerungsanlage

Info

Publication number: DE1088176B
Application number: DEO4109A
Authority: DE
Inventors: Eugene Jules Houdry
Original assignee: Oxy Catalyst Inc
Current assignee: Oxy Catalyst Inc
Priority date: 1954-02-10
Filing date: 1955-02-08
Publication date: 1960-09-01

Description

Verfahren zum Betrieb einer Feuerung von Dampferzeugern und zugehörige Feuerungsanlage Gegenstand der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren für den Betrieb einer Feuerung von Dampferzeugern und eine zugehörige Feuerungsanlage zur Durchführung des Verfahrens.
Bei Siederohrkesseln erfolgt der Wärmeaustausch in den einzelnen Feuerungszügen mit von Zug zu Zug abnehmender Temperatur in den Heizgasen und entsprechend abfallender Kapazität in der Wärmeaufnahme durch die beheizten Flächen. Um dem abzuhelfen, kommt man zu einer sektionsweise gesteigerten Vergrößerung der Austauschflächen, zum Teilkammerkessel. Die Erfindung erreicht den Effekt einer gleichmäßig verteilten hohen Wärmeaustauschkapazität ohne Erhöhung der Austauschflächen.
Abgesehen von den Verlusten aus bauartlich begrenzter Kapazität ergibt sich der Wirkungsgrad einer Kesselanlage bei gegebener Temperatur aus den Wärmeverlusten in den Abgasen im Verhältnis zur aufgenommenen Wärmemenge. Dieser Verhältniswert wird in hohem Maße durch den Anteil der Verbrennungsluft bestimmt (und deshalb .durch Messungen des C OZ Gehalts in den Abgasen unter Kontrolle gehalten) und hängt im übrigen von der Art der Kesselanlage und des verwendeten Brennstoffs ab. Die Erfindung setzt sich deshalb zum Ziel, den genannten Verhältniswert so zu verringern, daß der Wirkungsgrad der Kesselanlage gesteigert wird, ohne daß notwendigerweise irgendwelche wesentliche Veränderungen in den gegebenen Verhältnissen erforderlich werden. Die Erfindung verbindet ihre beiden genanntenZiele in einem gemeinsamen Verfahren und verkörpert sie in einer zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehenen Feuerungsanlage.
Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, die zur Verringerung der Wärmeverluste der Abgase bzw. zur besseren Ausnutzung des Brennstoffs in der Kesselanlage angebracht sind.
So gibt es Kesselanlagen, in denen ein katalytischer Körper oberhalb der Feuerung, also im Rauchgasweg, vorgesehen ist.
Andere Kesselanlagen weisen ein Diaphragma aus Asbest od. dgl. auf, das zwischen der Feuerung und dem Rohrbündel angeordnet ist und zugleich auch als Wärmespeicher und Wärmeregler dient.
Es ist auch bekannt, bei der Ausführung von katalytischen, exothermen Reaktionen Vorrichtungen für die Verteilung der Reaktionswärme zu verwenden, wodurch eine Steuerung der Temperatur der Reaktionsteilnehmer ermöglicht ist.
Für die gleichmäßige Temperaturverteilung in Reaktionskammern sind auch - dünne, übereinanderliegende Katalysatorschichten angeordnet worden, die bei chemischen Reaktionen in der Gasphase einen besseren thermischen Wirkungsgrad ergeben. Ferner sind Heizvorrichtungen für Motorfahrzeuge bekanntgeworden, in denen Brennstoff und Luft oberhalb der Grenzen der Entflammbarkeit gemischt und über einen Katalysator geleitet werden, wo die Mischung unterhalb der Zündtemperatur reagiert und dabei Wärme an einen Radiator abgibt.
Die Anbringung von Katalysatorelementen im Abgasstrom von Industrieöfen hatte zum Ziel, die Verbrennung der brennbaren Bestandteile in den Abgasen zu unterstützen und dadurch die Atmosphäre von schädlichen Gerüchen und Dämpfen zu säubern.
Im Unterschied hierzu liegt das Wesen des Gegenstandes gemäß der Erfindung darin, daß mit genügend Überschußluft gearbeitet wird, um den Heizgasen freien Sauerstoff mit auf den Weg zu geben, der sich während des Abkühlens der Heizgase mit einem eingeführten Hilfskraftstoff mischt, mit ihm an einem Katalysator vorbeistreicht, dort im Oxydationsprozeß verbrennt und diese zusätzliche Verbrennungswärme den abgekühlten Heizgasen mitteilt.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dar; es zeigt Fig. 1 vereinfacht die Ansicht eines horizontalen Siederohrkessels mit drei Zügen, Fig. 2 die Draufsicht nach Linie 2-2 in Fig. 1, einen Teil der Siederohre, die Vorrichtung zum Verteilen des Zusatzbrennstoffs in die Heizgase und schließlich den Oxydationskatalysator, der an den Kesselrohren angebracht ist, Fig. 3 die vergrößerte Draufsicht auf einen Schnitt durch den Oxydationskatalysator, Fig.4 die Ansicht, teilweise im Schnitt, nach Linie 4-4 in Fig. 3, Fig. 5 den Querschnitt. nach Linie 5-5 in Fig. 4, Fig. 6 die fauinbildliche Darstellung einirr katalytischen Einheit, und Fig.7 vereinfacht die Ansicht eines Systems zur Steuerung der Verteilung des Zusatzbrennstoffs.
In Fig. 1 bezeichnet B den oder die Brenner, die in dem Feuerungsraum F arbeiten. Die Siederohre T liegen auf Mauerstützen P. Der Oberkessel 1 hat ein Sicherheitsventil 1 a und einen Wasserstandsanzeiger 1 b und ist mit den Kopfstücken 2, 3 des Siederohrbündels durch Leitungen 4, 5 verbunden. Der Feuerungsraum F wird durch Prallplatten 6, 7 in drei Züge I, II und III geteilt und ist durch das Mauerwerk 8 und die Isolation 9 nach oben abgeschlossen.
Der- verbrannte Primärbrennstoff wird -der Feuerung durch Brenner B über eine Leitung 10 zugeleitet. Durch den Einlaß 11 wird die Erstluft eingeblasen und mit dem Brennstoff über das Venturirohr 12 gemischt. Öffnungen 13 sind für den Zutritt der Zweitluft in bekannter Weise vorgesehen. Die Heizgase, welche der Pfeilrichtung 26 folgen, verlassen den Feuerungsraum durch .den Fuchs 14 und können dann über einem Luftvorwärmer oder unmittelbar in den Schornstein abgeleitet werden.
Zusatzbrennstoff wird den Heizgasen im Abwärtsstrom des ersten Zuges durch eine Leitung 15 über einen Verteiler und ein Verteilungsrohr 16 zugeführt, das parallel zu den Kesselrohren T läuft. Das Rohr 16 beliefert die Querrohre 17, welche Düsen oder öffnungen 18 aufweisen. Der Zufluß des Zusatzstoffs aus den Düsen oder Öffnungen 18 in die Heizgase ist mit Pfeilen 27 angedeutet.
Im Aufwärtsstrom des zweiten Zuges ist ein Oxydationskatalysator C vorgesehen, welcher den Raum zwischen den Prallplatten 6 und 7 einnimmt und sich über den gesamten Querschnitt ,des Heizgasstromes erstreckt. Der Oxydationskatalysator C besteht aus mehreren Einheiten 19 (eine von ihnen ist in Fig. 6 vergrößert gezeigt), welche auf den im allgemeinen horizontalen Kesselrohren in einer später genauer zu beschreibenden Weise aufliegen und sich dort durch eigene Schwerkraft halten. Ein keramisches Füllstück 20 ist-im unregelmäßigen Zwischenraum vorgesehen, der zwischen der schrägen Prallplatte 6 und der benachbarten Einheit 19 gebildet ist, um ein Vorbeistreichen der Heizgase zu verhindern.
Fig.b zeigt die Einheit 19, bestehend aus zwei Endplatten 21, die vorzugsweise aus Porzellan gefertigt sind und .durch einen zentralen Pfosten 23 zusammengehalten werden. Der Pfosten 23 ist in Muffen eingelassen, die in jeder Endplatte vorgesehen sind. Eine Anzahl stangenähnlicher Elemente 22, gleichfalls aus Porzellan, sind zwischen den Endplatten versetzt angeordnet (Fig.5). Die Elemente haben Stromlinienquerschnitt, um Wirbel und Druckabfall in den sie durchströmenden Heizgasen zu vermeiden. jede Porzellanstange 22 ist jeweils mit einem katalytischen Film, vorzugsweise aus katalytischem Aluminiumoxyd, in einer Dicke von 0,0025 bis 0,0153 cm versehen und mit einer kleinen Menge, z. B. von 1 bis 2 Gewichtsprozenten, bezogen auf das Gewicht des Alum.iniumoxydfiims, mit feinverteiltem Metall, vorzugsweisePlatin oderPalladium, imprägniert, welches zusammen mit demAluminiumoxydeinen Oxydationskatalysator ausgezeichneterAktivität ergibt. Solch ein Katalysator, bestehend als ein dünner, auf dem Porzellän abgelagerter Film, bleibt dauerhaft aktiv, nachdem er längere Zeit einer Temperatur von ungefähr 980° C ausgesetzt war. Er hat eine relativ niedrige Aktivierungstemperatur, deren Minimum abhängig von den Reaktionsteilnehmern variiert. Für die meisten gasförmigen Brennstoffe wird sie bei Verwendung eines Platin-Aluminiumoxyd-Katalysators ungefähr 260° C betragen.
Wie aus den Fig. 2, 3, 4 und 5 ersichtlich, sind die Katalysatoreinheiten 19 Seite an Seite und Ende an Ende in zwei übereinanderliegenden Schichten gestaffelt. Die Bodenschicht wird dabei von einem H-förmigen keramischen Balken 24 getragen, der quer zu den Kesselrohren T liegt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist die H-Öffnung des Balkens 24 ausreichend breit, um je zwei Rücken an Rücken liegende Endplatten 21 unterzubringen, wodurch die ganze Konstruktion zusammengehalten wird.
Um ein Vorbeiströmen der Gase zwischen den Einheiten der oberen Schicht zu verhindern, sind T-förmige keramische Einsätze 25 vorgesehen, die auf zwei Elementen 22 aufliegen (Fug. 5). Ein Vorbeifließen zwischen den Einheiten der unteren Schicht wird .durch Anordnen der Einheiten in zwei gestaffelten Schichten verhindert (Fug. 5).
Die beschriebene Katalysatorform hat viele Vorteile. Im Fall eines im wesentlichen horizontalen Kessels nach dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Gesamtaufbau an Ort und Stelle vorgenommen und in dieser Lage völlig durch Schwerkraft gehalten werden. Da die Gesamtkonstruktion aus keramischem Material besteht, vorzugsweise aus Porzellan, kann sie hohe Temperaturen aushalten. Bei geeigneter Abmessung der H-förmigen Balken 24 mit genügenden Toleranzen kann eine Ausdehnung und Zusammenziehung jeder einzelnen Einheit im wesentlichen unabhängig von solchen. der Gesamtkonstruktion erfolgen, wodurch örtlich begrenzte Temperaturveränderungen zulässig werden, die bei einer großenKonstruktion entstehen können. Der Druckabfall durch solch einen Zweischichtenaufbau unter Verwendung von Elementen 22 mit einer Stärke von ungefähr 0,38 cm und einem Mitten-abstand von ungefähr 0,73 cm beträgt etwa 1,3 mm Wassersäule bei einer Gasgeschwindigkeit von ungefähr 60,8 kg/h und einer Gastemperatur von ungefähr 815° C. Es versteht sich, daß die Verwendung katalytischer Einheiten, wie der beschriebenen, eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Es können auch andere temperaturfeste Oxydationskat,a:lysatoren verwendet werden.
Im Zusammenhang mit der Erfindung kann ferner jede Art der üblichen Brennstoffsorten verfeuert werden, z. B. Heizgas, Brennöl, Kohle. Beim Verbrennen von Kohle oder Kohlenstaub, wo eine merkliche Menge von Flugasche im Strom der Heizgase mitgeführt wird, muß Vorsorge getroffen werden, den Katalysator vor übermäßigen Erosionswirkungen zu schützen, die durch den Aufprall der Flugasche auf die Katalysatorflächen hervorgerufen werden. Gleichfalls soll die Anordnung des Katalysators in einer Zone vermieden werden, wo,die Flugasche noch in geschmolzenem Zustand ist, um eine Ablagerung der Flugasche auf der Katalysatoroberfläche zu verhindern.
Die Menge der für die Verbrennung benötigten Luft bzw. Überschußluft soll so gewählt werden, daß zunächst eine möglichst vollständige Verbrennung stattfindet, bei der- nur unbedeutende Mengen urverbrannter Bestandteile in den Heizgasen bleiben. Die Menge der.Überschußluft, die zurErreichung einer wirkungsvollen Verbrennung notwendig ist, hängt von einer Anzahl bekannter Faktoren ab; sie soll so bemessen sein, daß die Sauerstoffmenge in den Heizgasen es unmöglich macht, eine entflammbare Mischung mit dem Zusatzbrennstoff herzustellen, und zwar unabhängig von dessen Menge.
Der Heizgasstrom tritt mit einer Temperatur von z. B. 980 bis 1200° C in den ersten Zug ein und verläßt ihn mit einer Temperatur von 425 bis 540° C. Die so abgekühlten Heizgase werden dann mit dem Zusatzbrennstoff gemischt, welcher dem Gasstrom durch ein Verteilersystem zugeführt wird. Die Verteilungsvorrichtung soll eine gründliche Mischung und einheitliche Verteilung des Zusatzbrennstoffs im Heizgasstrom bewirken. Das kann, je nach Zweckmäßigkeit, im Gleich- oder Gegenstromprinzip erfolgen. Heizgas oder verdampfbare Kohlenwasserstoffe, wie z. B. flüchtige Brennöle, werden als Zusatzbrennstoff vorgezogen, weil sie sich am leichtesten gleichmäßig in dem Heizgasstrom verteilen lassen. So können sie auch am ehesten einer katalytischen Oxydation unterworfen werden, wenn sie mit dem Oxydationskataly-_ sator in Kontakt kommen. In manchen Fällen jedoch können sogar feste Brennstoffe als Zusatzbrennstoff verwendet werden, insbesondere aschefreie feste Brennstoffe, vorausgesetzt, daß sie außerordentlich fein zerkleinert sind.
Die Menge des Zusatzbrennstoffs hängt von der gewünschten'Temperatur der Heizgase nach dem Durchgang durch den Katalysator ab. Wenn also die Temperatur der Heizgase bei Verlassen des ersten Zuges 425° C beträgt und eine Wiedererhitzung auf 870° C erwünscht ist, bevor die Gase durch den zweiten Zug strömen, so rnuß genügendZusaüzbrennstoff eingeführt werden, um eine Steigerung der Heizgastemperatur um 445° C zu erreichen. Wie hoch man die Heizgase nach Verlassen des ersten Zuges wieder erhitzen soll, hängt von technischen Faktoren und wirtschaftlichen Erwägungen ab. Ganz allgemein ist jedoch eine Wiedererfiitzung auf relativ frohe Temperaturen in der Größenordnung von 700 bis 980° C zweckmäßig, um die Vorteile eines hohen Wirkungsgrades im Wärmeaustausch zu erhalten. Eine obere Grenze der Wiedererhitzungstemperatur wird gewöhnlich durch die praktische Betriebsgrenze des Oxydationskatalysators gegeben sein. Die meisten bekannten Oxydationskatalysatoren verlieren nämlich ihre Aktivität, wenn sie bei einer Temperatur über 980° C arbeiten sollen.
Ein anderer in Betracht zu ziehender Faktor für die Bemessung des Zusatzbrennstoffs ist die notwendige Sicherung zur Vermeidung der Herstellung entflamrnbarer oder explosiver Mischungen im Feuerungsraum. Die quantitative Mischung des Zusatzbrennstoffs mit den Heizgasen muß deshalb ständig außerhalb der Grenzen der Entflammbarkeit gehalten werden, um die Gefahr einer Explosion auszuschalten.
Zwei Faktoren bewirken die Entflammbarkeit jeder besonderen Mischung eines gewählten Brennstoffs mit einem sauerstoffhaltigen Gas': erstens die Konzentration des Brennstoffs und zweitens die Konzentration des Sauerstoffs. Für jeden gewählten Brennstoff in einem Gas mit gegebenem Sauerstoffgehalt gibt es bestimmte obere und unteren Grenzen der Brennstoffkonzentration, außerhalb deren die Mischung nicht entflammbar ist. Es ist gewöhnlich schwierig, diese Grenzen vorauszubestimmen, insbesondere bei komplexen Mischungen, doch sind sie leicht empirisch bestimmbar. Zum Beispiel sind die oberen und unteren Grenzen der Entflammbarkeit von vielen Gasen und Dämpfen in Beimischungen mit Luft bestimmt worden (s. US Bureau of Mines Bulletin 279, »Limits of Inflammability of Gases and Vapors 1939«).
In ähnlicher Weise gibt es für jeden Brennstoff, dem ein Sauerstoff enthaltendes Gas beigemischt ist, eine ziemlich genaue untere Grenze der Sauerstoffkonzentration, unterhalb deren eine explosive Mischung, unabhängig von der Konzentration des Zusatzbrennstoffs oder -gases in der Mischung, unmöglich ist. Diese untere Grenze der Sauerstoffkonzentration Hegt bei etwa 120/a, variiert aber abhängig von dem besonderen Brennstoff oder der Brennstoffmischung; für die meisten Brennstoffe, die in erster Linie aus Kohlenstoffen bestehen, beträgt -sie ungefähr 20 Volumprozent.
Es gibt deshalb zwei Wege, um sicherzustellen, daß ,die Mischung der Heizgase mit dem Zusatzbrennstoff außerhalb der Entflammib,arkeitsgrenzen bleibt, nämlich einmal durch Beibehalten einer relativ niedrigen Sauerstoffkonzentration in der Mischung und zweitens durch Beibehalten einer relativ niedrigen Brennstoffkonzentration in der Mischung. Die Konzentration des Sauerstoffs in den Brennstoffgasen hängt von der Menge der überschußluft ab: Wenn z. B. brennbares Naturgas verfeuert wind, führt der Gebrauch von 20% Luftübersehuß zu einer Konzentration von. 3,7 Volumprozent Sauerstoff in den Heizgasen; bei Verwendung von 800/a Luftüberschuß wunden 9,7 Volumprozent Sauerstoff in den Heizgasen enthalten sein. In diesem Sinne etwa sollte der Luftüberschuß, immer unter Berücksichtigutig des verwendeten Zusatzbrennstoffs gesteuert werden.
Die Konzentration des Zusatzbrennstoffs in den Heizgasen soll vorzugsweise so geregelt werden, da6 sie immer unterhalb der unteren Entfiammbarkeitsgrenze in Luft bleibt. Die untere Grenze der Entflammbarke.it der verschiedenen Brennstoffe in Luft variiert in Abhängigkeit von dem besonderen Brennstoff. Für Methan z. B. beträgt dieser Wert 5,3 Volumprozent, für Äthan 3,20/0, für Propan 2,4%, für Naturgas ungefähr 4,80/0.
Wenn diese beiden Bedingungen hinsichtlich der Konzentration des Sauerstoffs und. Zusatzbrennstoffs erfüllt werden, ergibt das eine Doppelsicherung, die auch, wenn ein Teil aus technischen Mängeln plötzlich versagt, noch genügend witksam ist, um jede Explosionsgefahr in den Zügen aiiszüschxlten. Falls notwendig, kann zusätzlicher Sauerstoff außer demjenigen, der in die Kesselfeuerung eingeführt und nicht bei der Verbrennung des primären Brennstoffs verbraucht wurde, in den Strom der Heizgase an anderen Punkten des Systems zugesetzt werden. Zum Beispiel kann der Zusatzbrennstoff mit Luft oder mit Luft und Verbrennungsgasen gemischt in die Heizgase in der bereits beschriebenen Weise verteilt oder unabhängig davon durch eitien weiteren Verteiler zugegeben werden. Gewöhnlich ist anfangs genügend Sauerstoff in den Heizgasen vorhanden, aber in einigen Fällen, besonders wenn das Zufügen von Brennstoff und eine katalytische Oxydation mehrere Male wiederholt wird, kann die Zuführung von zusätzlichem Sauerstoff auf diese Weise wünschenswert erscheinen.
Die nicht entflammbare Miischung aus Sauerstoff enthaltenden Heizgasen und Zusatzbrennstoff streicht also durch den Oxydationskatalysator, wobei der Zusatzbrennstoff an der Oberfläche des Katalysators oxydiert, Wärme frei wird und die Temperatur der Heizgase steigt, Weil die meisten Oxydationskatalysatoren unter einer Temperatur von 260° C nicht aktiv werden, muß die Temperatur ides Heizgasstromes beim Eintritt in den Katalysator ungefähr 260° C und vorzugsweise etwa 370° C betragen. Die Temperatur der Heizgase beim Verlassen des Katalysators ist von der Anfarigsgastemperatur und der Menge des Zusatzbrennstoffs abhängig. Bei Verwendung eines wirksamen Oxydationskatalysators kann eine im wesentlichen vollständige Oxydation des verbrennbaren Materials in Gegenwart einer Sauerstoffkonzentration von 2 Volumprozent oder sogar weniger erreicht werden. Die auf diese Weise wiedererhitzten Gase treffen dann .auf die Kesselrohre im zweiten Kesselszug mit einer viel höheren Temperatur als bei einem gewöhnlichen System. Anstatt mit einer Eintrittstemperatur von 425 bis 540° C im zweiten Kesselzug, wie sie zur Herstellung gesättigten Dampfes angewendet wird, würde das Gas gemäß der Erfindung mit einer Temperatur von 700 bis 98()° C eintreten. Die entsprechende Vergrößerung im Wärmeaustausch führt also zu einer wesentlichen Vergrößerung der Gesamtkapazität des Kessels ohne eine Vergrößerung der Kesselfeuerung oder der Wärmeaustauscbflächen in den Zügen.
Man kann die erhöhte Abgastemperatur im dritten Zug für andere Zwecke (z. B. erhöhte Vorerhitzung der Luft) rbenutzen, man kann auch auf endliche Abgastemperaturen hinzielen, Idie denen des Normalbetriebs gleichkommen, und hat dann die Möglichkeit, die Wärmeaustauschfläche im dritten Zug zu erhöhen. Man kann das. Verfahren aber auch dort, wo mehr Züge als drei vorhanden sind, unter Verwendung weiterer Katalysatoreinheiten und Zusatzbrennstoff nach Zweckmäßigkeit und Belieben wiederholen. Man kann dabei die Strömungsrichtungen ändern und mit den am Verfahren beteiligten Faktoren innerhalb der Grenzen variieren, ,die durch die Anlage selbst und ihre optimalen Arbeitsbedingungen gegeben sind. Ein Ziel wird es dabei jedenfalls immer sein, den noch vorhandenen Sauerstoffgehalt in den Abgasen auf ein Mindestmaß zu bringen, d. h. auf etwa 2%. Und auch diese Menge kann noch weiter reduziert werden, wenn es sich als wünschenswert erweist.
Vorsichtsmaßnahmen sollen getroffen werden, um sicherzustellen, daß der Zusatzbrennstoff nur dann gefördert wird, wenn,der Kessel normal arbeitet. Wenn die Kesselfeuerung z. B. nicht arbeitet, soll durch eine Vorrichtung die Förderung des Zusatzbrennstoffs selbsttätig abgesperrt werden, um zu vermeiden, daß sich der Kessel mit einer-explosiven Mischung füllt. In derselben Weise sollen Vorkehrungen getroffen werden, die Zuführung des Zusatzbrennstoffs abzusperren, wenn die Temperatur der Heizgase unter die Aktivierungsterriperatur des. Oxydationskatalysators fällt, weil der Zusatzbrennstoff sonst durch den Katalysator hindurchstreichen würde, ohne einer Oxydation unterlvorfen zu werden. Fig. 7 zeigt ein Steuersystem, welches Idie Förderung,des Zusatzbrennstoffs in einer Anlage nach Fig. 1 ermöglicht.
In Fig. 7 versorgt die Leitung 10 den Hauptbrenner B mit Brennstoff -und wird durch ein Ventil 28 gesteuert, welches durch ein Solenoid 29 normalerweise geschlossen gehalten wird. Das Venti128 ist über die Leitungen 30, 31 mit dem Steuersystem des Kessels verbunden. Die Abzweigleitung 15, welche Brennstoff zu dem Brennstoffverteiler auf der abwärts gerichteten Strömungsseite des ersten Zuges führt, wird durch die Ventile 32, 33, 34 -und 35 gesteuert. Das Ventil 32 ist ein von Hand betätigtes Absperrventil. Ventil 33 ist ein motorisch betätigtes Druckregelventil.
Das Absperrventil 34 wird durch das Solenoid 36 normalerweise geschlossen gehalten. Dieses Ventil ist über die Leitungen 37 und 38 bzw. 30 und 31 mit dem Steuersystem des Hauptkessels verbunden. Die Solenoide 29 und 36, die jeweils die Ventile 28 und 34 steuern, sind dadurch in Parallelschaltung verbunden und arbeiten gleichzeitig derart, daß, wenn. der Brennstoff für die Hauptbrenner abgesperrt wird, die Zuführung des Zusatzbrennstoffs gleichfalls abgesperrt wind.
Um sicherzustellen, daß der Zusatzbrennstoff in den Strom der Heizgase nur dann eingeleitet wird, wenn die Temperatur der Heizgase am Punkt der Verteilung oberhalb des Minimums der katalytischen Aktivserungstemperatur liegt, ist ein thermostatisch betätigter Schalter 39 in Reihe mit dem Solenoid 36, welches das Ventil 34 betätigt, vorgesehen. Der Schalter 39 wird über die Leitung 40 durch Thermoeleniente gesteuert, die im Heizgasstrom nach dem ersten Zug in der Nähe des Zusatzgasverteilers angeordnet sind. Der Schalter 39 bleibt so lange offen, wie die Temperatur der Heizgase in der Nähe des Zusatzgasverteilers unterhalb der katalytischen Aktivierungstemperatur liegt, und verhindert dadurch die Förderung von Zusatzbrennstoff.
Zur weiteren Sicherung der Möglichkeit, daß der Oxydationskatalysator teilweise oder völlig seine Aktivität verliert, ist ein zweiter Schalter 42 in Reihe mit dem Solenovd 36 geschaltet, der durch ein kontinuierlich arbeitendes, hinter dem Katalysator angeordnetes Gasprüfgerät gesteuert wird. Jedes Gerät zur kontinuierlichen Gasanalyse kann dafür verwendet wenden. Eine Probe der Heizgase an jedem gewünschten Punkt hinter dem Oxydationskatalysator wird kontinuierlich entnommen und geht durch das Gasprüfgerät, welches mittels bekannter Vorrichtungen den Schalter 42 öffnet, wenn die Konzentration der Gasbestandteile ein vorbestimmtes Maximum überschreitet. Dadurch wird selbsttätig die Förderung des Zusatzbrennstoffs abgestellt, wenn die Aktivierungsfähigkeit des Katalysators unter einen vorbestimmten Wert fällt.

Das motorisch betätigte Ventil 35 in der Leitung 15 steuert die Durchflußmenge ides Zusatzbrennstoffs in Übereinstimmung mit der Temperatur der Heizgase beim Verlassen des zweiten Kesselzuges. Innerhalb der durch die notwendige Einhaltung einer nicht entfllammbaren Mischung gegebenen Grenzen kann der Zufluß des Zusatzbrennstoffs so reguliert werden, daß man eine relativ konstante Temperatur des Heizgasstromes nach dem ersten Zug erhält. Thermoelemente, welche hinter dem zweiten Zug vorgesehen und mit der Steuerung für das Ventil 35 durch die Leitung 41 verbunden sind, tasten die Gastemperatur an diesem Punkt ab. Daraus ergibt sich, idaß das Ausmaß, in dem der Zusatzbrennstoff für das System verwendet wird, ,die Wärmemenge bestimmt, welche im Oxydationskatalysator frei wird, und damit wieder unter den gegebenen Bedingungen die Temperatur der Heizgase am Auslaß des zweiten Kesselzuges steuert. Beispiel Das Beispiel zeigt die Vorteile, welche durch die Anwendung der Erfindung bei einem bestimmten Dampfkessel erreichbar sind. Es werden die Ergebnisse ohne Zusatzbrennstoff (Beispiel A) mit denjenigen verglichen, die unter Zuhilfenahme eines Zusatzbrennstoffs erreichbar sind (Beispiel B). In beiden Fällen wind ein mit Gas beheizter Röhrenkessel horizontaler Bauart, ähnlich der in (der Zeichnung gezeigten Konstruktion, zur Erzeugung von ungefähr 20t/h Sattdampf von etwa 17,5 at verwendet. Im Beispiel B wird der Zusatzbrennstoff nach dem ersten Kesselzug in der beschriebenen Art zugefügt und in einem Katalysator der gezeigten Art oxydiert. Die Katalysatorelemente haben einen Film aus katalytischem Aluminiumoxyd, der ungefähr 0,0076 cm stark und mit ungefähr 1 Gewichtsprozent Platin imprägniert ist (bezogen auf das Gewicht des Aluminiumoxydfilmes). Die katalytische Gesamtfläche beträgt 77,6 qm; der Katalysator besteht aus 1190 Einheiten, die annähernd je 15 cm lang, aus je 37 Elementen gebildet und in zwei Schichten quer über die Siederohre des zweiten Kesselzuges angeordnet sind. In beiden Fällen wird ein Raffineriegas mit einem Wärmegehalt von 14 980 kcal/ms als primärer und Zusatzbrennstoff verwendet. Nachstehende Tabelle' zeigt die Ergebnisse der beiden verschiedenen Betriebsweisen.

° Beispiel A Beispiel B

Heizgas zu den Hauptbrennern (ms/min) .. .. .. . . .. .. .. . .. . . 15,61 15,61

Wärmegehalt des Gases zu den Hauptbrennern (kcal/h) ...... 14180000 14 180 000

Heizgas zum Zusatzgasverteiler (ms/min) .................. - 2,73

Wärmegehalt des Gases zum Zusatzgasverteiler (kcal/h) ..... - 2470000

Luftüberschuß bei der primären Verbrennung;

Prozentsatz über den theoretischen Bedarfsprozenten ..... 28 28

Gasfluß durch Kesselzug I (ms/min) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348,0 348,0

Gasfluß durch Kesselzug II (m3/min) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348,0 417,0

Gastemperatur

beim Eintritt in Kesselzug I (° C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1200 1200

beim Austritt aus Kesselzug I (° C) . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . 425 425

Mittlere Temperatur*) (annähernd) im Kesselzug I (o C) . . 595 595

Gastemperatur

beim Eintritt in Kesselzug II (o C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 815

beim Austritt aus Kesselzug II (o C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 390

Mittlere Temperatur) (annähernd) im Kesselzug II (° C) . . 171 382

Sauerstoffkonzentration im Gas beim Austritt aus Kessel-

zug I (Volumprozent) .................................. 5 5

Zusatzbrennstoffkonzentration im Gas am Verteiler (Volum-

prozent) ................. ............................ -

0,78

Sauerstoffkonzentration beim Austritt aus Kesselzug II . '

(Volumprozent) ........................................ 5 2,1

Verbrennbare Bestandteile im Gas beim Austritt aus Kessel-

zug II .... . ................. . .......................... zu vernachlässigen zu vernachlässigen

*) Temperaturunterschied zwischen den Gasen und dem Saudampf in den Siederohren.

Es ist ersichtlich, daß mit einem wesentlich vergrößerten Temperaturunterschied zwischen Gasen und Sattdampf ein entsprechend vergrößerter Wärmeaustausch im zweiten Kesselzug mit dem Verfahren gemäß der Erfindung erreicht wird. Die Brennstoffaufnahme steigt im Verhältnis d. h. um 17,4%. Bei gleichem Wirkungsgrad der Anlage in beiden Fällen erhöht sich die effektive kcal-Leistung im selben Verhältnis.

Es sei bemerkt, daß im Beispiel B die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen niedriger ist. Bei der gleichen Abgastemperatur in beiden Fällen bewirkt dieser Faktor eine Vergrößerung des Kesselwirkungsgrades infolge des kleineren Volumens ,der Abgase je Einheit der Wärmeleistung.
Völlige Betriebssicherheit im Beispiel B ist auf Grund zweier Faktoren, und zwar erstens der niedrigen Sauerstoffkonzentration in der Mischung aus Heizgasen und Zusatzbrennstoff und zweitens der niedrigen Brennstoffkonzentration wegen gewährleistet. Mit einer Sauerstoffkonzentration von 5% ist die Bildung einer explosiven Mischung mit dem verwendeten Brennstoff unabhängig von seiner Konzentration unmöglich. Die Brennstoffkonzentration selbst (0,78%) liegt aber unterhalb der unteren Grenze der Entflammbarkeit dieses Brennstoffs in Luft, und deshalb wäre es praktisch unmöglich, eine explosive Mischung unarbhängig von der Sauerstoffkonzentration zu bilden, @da die Konzentration des Sauerstoffs im Heizgas diejenige der atmosphärischen Luft nicht überschreiten kann.
Die Erfindung ist auf jede Art von Wärmetauschsystem anwendbar, in dem ein heißer Gasstrom durch die Verbrennung eines Brennstoffs erzeugt wird und danach über Wärmeaustauschflächen streicht, um einen Wärmeaustausch des heißen Gases auf ein anderes Mittel zu bewirken.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Betrieb einer Feuerung von Dampferzeugern, wobei Brennstoff in der Kesselfeuerung mit Luftüberschuß verbrannt und dabei ein Heizgasstrom erzeugt wird, welcher freien Sauerstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß nach .dem Durchgang des Heizgasstroms durch einen oder mehrere Züge des Kesselsystems ein Hilfsbrennstoe dem abgekühlten 1Ieizgasstrom in. solcher Menge zugesetzt wind, daß ein nigkit entflammhares Gemisch entsteht:, welches im Weiterstreichen mit einem Oxydationskatalysator in Kontakt gebracht wird, um eine katalytische Oxydation des Zusatzbrennstoffes zu bewirken und damit wesentlich die Temperatur des Hpizgasstromes zu steigern, und daß,danach der wieder erhitzte Heizgasstrom durch die weiteren Züge des Kesselsystems geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe des Hilfsbrennstoffs zu. den Heizgasen und seine anschließende Oxydation zwischen aufeinanderfolgenden Zügen des Kesselsystems erfolgt und ein oder mehrere Male wiederholt wird.
3: Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Sauerstoffs in den Abgasen ungefähr 2 Volumprozent nicht überschreitet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überschuß .an Verbrennungsluft, die in -der Kesselfeuerung für ,die Primärverbrennung des Brennstoffs verwendet wird, der Menge entspricht, -die für eine wirksame Oxydation des Zusatzbrennstoffs erforderlich ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Überschuß an Verbrennungsluft, die in der Kesselfeuerung für die Primärverbrennung,des Brennstoffs verwendet wird, so bemessen ist, daß die Verbrennungsprodukte weniger freien Sauerstoff enthalten, als notwendig wäre, um ein entflammbares Gemisch mit dem nachfolgend zugeführten. Hilfsbrennstoff unabhängig von dessen anteilmäßiger Menge herzustellen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Hilfsbrennstoffs in den Herzgasen so eingestellt wird, daß sie geringer ist als erforderlich wäre, um ein entflammbares Gemisch mit atmosphärischer Luft zu bilden.
7. Feuerungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verteilungsvorrichtung (15 bis 18) für den Zusatzbrennstoff zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zügen des Kesselsystems vorgesehen ist und daß ein Oxydationskatalysator (C) quer zum Fluß der Kesselgase stromabwärts von der Verteilungsvorrichtung und stromaufwärts wenigstens in einem Zuge des Kesselsystems angeordnet ist. B.
Feuerungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxydationskatalysator (C) von einem Rohrbündel des Kesselsystems getragen wird.
9. Feuerungsanlage nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxydationskatalysator (C) aus mehreren keramischen Einheiten (19) besteht, die ihrerseits aus mehreren im Abstand voneinander angeordneten Elementen (22), bestehen und je eine Fläche des Oxydationskataiysators bilden, daß ferner der Abstand und der Umriß dieser Elemente derart ist, daß sie die Wirksamkeit des Kontaktes zwischen den Heizgasen und den katalytischen Flächen fördern und zu gleicher Zeit einen übermäßigen Druckabfall der Heizgase im Katalysator verhindern.
10. Feuerungsanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (32 bis 35) zur Steuerung des Hilfsbrennstoffs auf d'em Wege zur Verteilungsvorrichtung für den Hilfsbrennstoff vorgesehen ist, die aus einem Thermoelement, welches. in der Nähe des Verteilers zum Abtasten der Heizgastemperatur angebracht ist, und weiterhin aus einem an das Thermoelement angeschlossenen Solenoild (36) besteht, das über das Ventil (34) den Zufltiß des Hilfsbrennstoffs absperrt, wenn die Temperatur der Heizgase an d-er Verteilungsvorrichtung unterhalb eines vorbestimmten Temperaturminimums liegt.
11. Feuerungsanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasprüfgerät vorgesehen ist, welches die Konzentration der Verbrennungsmaterialien im Strom der Heizgase an einem Punkt stromabwärts vom Oxydationskatalysator kontinuierlich überwacht und über das Solenoid (36) verhindert, daß Hilfsbrennstoff zu der Verteilungsvorrichtung fließt, wenn die Konzentration des Verbrennungsmaterials in den Heizgasen stromabwärts vom Oxydationskatalysator einen vorbestimmten Maximalwert überschreitet.
12. Feuerungsanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Thermoelement stromabwärts vom Oxydationskatalysator die Temperatur der Heizgase abtastet und über das Ventil (35) den Fluß des Hilfsbrennstoffs zum Verteiler im umgekehrten Verhältnis zu der abgetasteten: Temperaturbewegung steuert. Zn Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 401986; deutsche Patentanmeldung Y 40 Ia/24c (bekanntgemacht am. 11. 2; 1954) ; französische Patentschriften. Nr. 332 237, 837 904; britische Patentschrift Nr. 591669; USA.-Patentschriften Nr. 2 658 742, 2 551823, 2 397 899; Elements of Heat-Power Engineering, New York City, USA., 1915, S. 504.