DE2261591A1 - INCINERATION PROCESS AND BURNER FOR CARRYING OUT THE PROCESS - Google Patents

INCINERATION PROCESS AND BURNER FOR CARRYING OUT THE PROCESS

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DE2261591A1 DE19722261591 DE2261591A DE2261591A1 DE 2261591 A1 DE2261591 A1 DE 2261591A1 DE 19722261591 DE19722261591 DE 19722261591 DE 2261591 A DE2261591 A DE 2261591A DE 2261591 A1 DE2261591 A1 DE 2261591A1
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Description

Die Daten der Tabellen IY tmd V zeigen, daß Brenner nach, dem erfindingsgemäßen Verfahren derart betrieben werden können, daß sie einen geringen NO-, CO- und Hö-Ausstoß haben, wenn entweder vorverdampfter Brennstoff oder ein zerstäubter flüssiger Brennstoff verwendet wird. Diese Daten zeigen ebenfalls, daß verschiedene Betriebsveränderliche oder Parameter miteinander in Verbindung stehen. So kann es beispielsweise eine Veränderung einer Veränderlichen oder eines Parameters wünschenswert machen, eine oder mehrere andere Betriebsveränderliche oder Parameter einzustellen, um damit wünschenswerte Ergebnisse in Bezug auf alle drei Abgasanteile HO, 00 und HG (Kohlenwasserstoffe) zu erhalten.The data in Tables IY tmd V show that after the according to the invention can be operated in such a way, that they have low NO, CO and Hö emissions, if either pre-evaporated fuel or an atomized liquid fuel is used. These data also show that various operational variables or parameters are related to one another. For example, there can be a change of a variable or parameter make desirable one or more other operational variables or parameters set in order to achieve desirable results with regard to all three exhaust gas components HO, 00 and HG (hydrocarbons) obtain.

Bei einem gegenwärtig bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung wird der Hauptverbrennungsbereich vorzugsweise mit einem hohen Brennstoffanteil in Bezug auf die eingelassene Primärluft betrieben. Daher ist das Äquivalenzverhältnis in dem Hauptverbrennungsbereich vorzugsweise größer als das stöchiometrische Verhältnis. Bei diesen Betriebsverfahren wird der zweite Bereich (Sekundärverbrennungsbereich) des Brenners vorzugsweise brennstoffarm in Bezug auf jeglichen unverbrannten Brennstoff und Luft, die in diesen Sekundärbereich aus dem Primärbereich eintreten, sowie in Bezug auf jegliche ,zusätzliche Luft, die in den Sekundärbereich eingelassen wird, betrieben. Daher ist das Äquivalenzverhältnis in dem zweiten Bereich, vorzugsweise geringer als das stöchiometrische. Dieses Betriebsverfahren ist vorzuziehen, wenn es erforderlich ist, sowohl niedrige IiO- als auch niedrige CO-Abgaswerte des Brenners zu erhalten. Im allgemeinen ist es vorteilhaft, den Übergang von dem brennstoffreichen Zustand in dem Primärverbrennungsbereich zu dem brennstoffarmen Zustand in dem Sekundärverbrennungsbereich so schnell wie möglich durchzuführen. Obwohl es gegenwärtig bevorzugt v/ird, den Primärverbrennungsbereich. in der erwähnten Weise brennstoffreich zu betreiben> liegt es im Rahmen der Erfindung, den Primärverbrennungsbereich brennstoffarm zu betreiben. Im !lähmen der Erfindung ist es daher möglich, den Primärverbrennungsbereich bei jedem Äquivalenzverhältnis zu betreiben, das die erfindungsgemäßen verbesserten ErgebnisseIn a currently preferred method according to the invention the main combustion area is preferably operated with a high proportion of fuel in relation to the primary air admitted. Therefore, the equivalence ratio is in the main combustion region preferably greater than the stoichiometric ratio. In these operating procedures, the second area (Secondary combustion area) of the burner, preferably low in fuel with respect to any unburned fuel and air entering this secondary area from the primary area, as well as with regard to any additional air that is in the secondary area is allowed to operate. Therefore, the equivalence ratio in the second range is preferably lower than the stoichiometric. This method of operation is preferable when it is required both low To maintain IiO and low CO exhaust gas values from the burner. In general, it is advantageous to transition from the fuel-rich state in the primary combustion region to the fuel lean condition in the secondary combustion area as soon as possible. Although it is currently preferably v / ird, the primary combustion area. in the mentioned Way to operate fuel-rich> it is within the scope of the invention to operate the primary combustion area with little fuel. By paralyzing the invention, it is therefore possible to operate the primary combustion range at any equivalence ratio, that the improved results according to the invention

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Beispielsweise kann bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Brennern mit niedrigem Druckverhältnis, beispielsweise mit Druckverhältnissen bis etwa 5» das Äquivalenzverhältnis in dem primären Verbrennungsbereich einen solchen Wert aufweisen, daß der NO -Ausstoßwert in den Abgasen des Brenners nicht mehr als 5, vorzugsweise nicht mehr als etwa 3»5 kg/1000 kg in dem Brenner verbranntem Brennstoff beträgt. Vorzugsweise beträgt das Äquivalenzverhältnis wenigstens 1,5, insbesondere wenigstens 3»5, und zwar in Abhängigkeit von anderen Betriebsvariablen oder Parametern, beispielsweise der Temperatur der Einlaßluft des HauptVerbrennungsbereiches·For example, in the practical implementation of the method according to the invention in burners with a low pressure ratio, for example, with pressure ratios up to about 5 »the equivalence ratio in the primary combustion area have such a value that the NO emission value in the exhaust gases of the burner is not more than 5, preferably not more than about 3 »5 kg / 1000 kg of fuel burned in the burner. The equivalence ratio is preferably at least 1.5, in particular at least 3 »5, depending on other operating variables or parameters, such as the temperature of the inlet air of the main combustion area

Der NO -Ausstoßwert des vorstehenden Absatzes kann größer sein als die dort angegebenen Werte, wenn es sich um Hochleistungsbrenner handelt. Derartige Brenner sind beispielsweise Brenner mit einem mittleren Kompressionsverhältnis von etwa 5 bis 15 atm und Brenner mit einem hohen Kompressionsverhältnis von etwa 15 bis 40 atm, die bei Düsenflugzeugen und anderen Hochleistungsmaschinen verwendet werden. Der NO -Ausstoß derartiger Hochleistungsbrenner oder Brenner mit hohem Kompressionsverhältnis ist natürlich höher als der NO -Ausstoß aus Brennern mit niedrigem Kompressionsverhältnis. Daher können erheblich verbesserte Ergebnisse in Bezug auf die Reduzierung des NO Ausstoßes von Ilochleistungsbrennern erzielt werden, ohne daß es notwendig ist, den NO -Ausstoß auf dasselbe Niveau zu reduzieren, das bei Brennern mit niedriger Leistung erzielbar ist.The NO emission value of the preceding paragraph can be greater than the values given there if it is a high-performance burner. Such burners are, for example, burners with an average compression ratio of about 5 to 15 atm and burners with a high compression ratio of about 15 to 40 atm, which are used in jet planes and other high performance machines. The NO emissions of such High-performance burners or burners with a high compression ratio is of course higher than the NO emissions from burners with low compression ratio. Therefore, significantly improved results in terms of reducing NO emissions can be achieved can be achieved by Iloch power burners without it is necessary to reduce NO emissions to the same level that can be achieved with low-power burners.

Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet, sofern nichts anderes angegeben ist, der Ausdruck "Äquivalenzverhältnis" eines bestimmten Bereiches das Verhältnis des Brennstoffstroms (des verfügbaren Brennstoffs) zu dem für eine stöchiometrische Verbrennung mit der verfügbaren Luft erforderlichen Brennstoff. Beispielsweise entspricht das Äquivalenzverhältnis von 2 des Brennstoff-Luftgemisches in einem Bereich einem brennstoffreichen Gemisch, bei dem doppelt so viel Brennstoff enthalten ist wie bei der stöchiometrischen Ilischung.In the present context, unless otherwise indicated, the term "equivalence ratio" means a specific one Range the ratio of fuel flow (available fuel) to that for stoichiometric combustion fuel required with the available air. For example, the equivalence ratio of 2 corresponds to des Fuel-air mixture in an area of a fuel-rich mixture that contains twice as much fuel is like the stoichiometric mixture.

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Die' Daten der Beispiele zeigen, daß die Temperatur der Einlaßlxift des Hauptverbrennungsbereiches eine wichtige Betriebsveränderliche oder ein Parameter bei der praktischen Durchführung der Erfindung sein kann. Wie oben festgestellt wurde, ist die Erfindung nicht auf einen bestimmten Bereich oder Wert der Einlaßlufttemperatur beschränkt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, jede Einlaßtemperatür der Primärluft zu verwenden, die die verbesserten Ergebnisse der Erfindung liefert, beispielsweise zwischen der Umgebungsoder Atmosphärentemperatur oder darunter bis etwa 8160C oder höher. Betrachtet man jedoch gegenwärtig verfügbare Baumaterialien, so ist 649 bis 8160C die praktische Obergrenze der Primärluft-Einlaßtemperatur für die meisten PaIIe. Berücksichtigt man weitere praktische Aspekte, wie etwa den Umstand, daß es nicht erforderlich ist, den Kompressor-Ausgangsstrom zu kühlen, so bilden 93 bis 2040C die praktische Untergrenze der Primärluft-Einlaßtemperatur für die meisten Pälle. Es sei jedoch betont, daß die Primärluft-Einlaßtemperatur unterhalb 930C verwendet werden kann, beispielsweise bei Brennern mit einem niedrigen Kompressionsverhältnis . The data of the examples show that the temperature of the inlet exhaust of the main combustion region can be an important operational variable or parameter in the practice of the invention. As stated above, the invention is not limited to any particular range or value of intake air temperature. It is within the scope of the invention, each inlet door temperature of the primary air to be used which provides the improved results of the invention, for example, between the environment or atmosphere temperature or below to about 816 0 C or higher. However at present considered to available materials, it is the practical upper limit of the primary air inlet temperature for most PaIIe 649-816 0 C. Considering further the practical aspects such as the fact that it is not necessary to cool the compressor output current, thus forming 93 to 204 0 C, the practical lower limit of the primary air inlet temperature for most Paelle. It should be emphasized, however, that the primary air inlet temperature may be used below 93 0 C, for example for burners with a low compression ratio.

Die Daten der Beispiele zeigen ebenfalls, daß die !Temperatur der in den zweiten Bereich des Brenners eingelassenen Luft (sekundäre Verbrennungsluft) eine wesentliche Betriebsveränderliche oder ein Parameter sein kann, und zwar insbesondere wenn die unteren Primärluft-Einlaßtemperaturen verwendet werden und es angestrebt wird, niedrige CO-Ausstoßwerte und auch nieurige HO -Ausstoßwerte zu erhalten. Diese Daten zeigen, daß sowohl ein niedriger ITO -Ausstoßwert als auch ein niedriger CO-Ausstoßwert erreicht werden kann, wenn die Temperatur der Einlaßluft zu dem primären und dem sekundären'Verbrennungsbereich des Brenners wenigstens 4820C beträgt. Wenn die Temperatur der Einlaßluft in diesem Bereich gesenkt wird, werden zunehmend geringere Werte für den HO -Ausstoß erzielt, jedoch wird es schwieriger, in gewünschter Weise niedrige CO-Ausstoßwerte zu erreichen. -The data of the examples also show that the temperature of the air admitted into the second region of the burner (secondary combustion air) can be a substantial operational variable or parameter, particularly when the lower primary air inlet temperatures are used and the aim is to low ones To obtain CO emission values and also lower HO emission values. These data show that both a low ITO -Ausstoßwert can be achieved as well as a low CO emission value when the temperature of the intake air to the primary and sekundären'Verbrennungsbereich of the burner is at least 482 0 C. If the temperature of the intake air is lowered in this region, progressively lower values for the HO 2 emissions are achieved, but it becomes more difficult to achieve the desired low CO output values. -

Als Richtv/ert, jedoch nicht als notwendige Beschränkung der Erfindung sollen folgende gegenwärtig bevorzugte Betriebsbedingungsbereiche für andere Veränderliche oder Parameter ange-As a guide, but not a necessary limitation of the invention, the following presently preferred operating condition ranges are intended for other variables or parameters

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ODOD

geben werden: Wärmeeintritt 17 bis 280 cal/g Gesamteintrittsluft des Brenners; Brennerdruck 3 bis 10 atm; Luft-Bezugsgeschwindigkeit 15 bis 76 m/sec.will give: heat inlet 17 to 280 cal / g total inlet air of the burner; Burner pressure 3 to 10 atm; Air reference speed 15 to 76 m / sec.

Dabei wird auf die Fahrzeugabgasnormwerte Bezug genommen, die . durch die Environmental Protective Angency der Vereinigten Staaten für 1975 bis 1976 festgesetzt worden sind· Diese Normwerte oder Zielwerte beziehen sich auf Gasturbinen-Brenner bei 23,6 1/100 km Verbrauch und 0,780 g/cm5 JP-4-Brennstoff:Reference is made to the vehicle exhaust gas standard values, which. set by the United States' Environmental Protective Angency for 1975 to 1976These standard values or target values apply to gas turbine burners at 23.6 1/100 km consumption and 0.780 g / cm 5 JP-4 fuel:

Abgasniveaukriterien From gas level criteria

Testfahrzeug- Gasturbinen-Abgas norm (g/km) Zielwert (kg/1000 kg verbrannter Brennstoff Test vehicle gas turbine exhaust standard (g / km) target value (kg / 1000 kg burned fuel

Stickoxyde 0,25 (als N0?) 0,9Nitrogen oxides 0.25 (as N0 ? ) 0.9

Kohlenmonoxyd 2,1 11,8Carbon monoxide 2.1 11.8

Kohlenwasserstoff 0,25 (als Hexan) 1,2 (als Kohle)Hydrocarbon 0.25 (as hexane) 1.2 (as coal)

Teilchen 0,02 0,1Particles 0.02 0.1

Die in den obigen Beispielen angegebenen Daten zeigen, daß die Erfindung bei einem Abgasausstoß durchgeführt werden kann, der den obigen Normwerten entspricht. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, diesen Normwerten zu entsprechen.The data given in the above examples show that the invention can be practiced with exhaust gas emissions that corresponds to the above standard values. However, the invention is not restricted to conforming to these standard values.

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Claims (1)

PatentansprücheClaims π.) Verbrennungsverfahren, bei dem ein Luftstrom und ein Brennstoffstrom in einen Verbrennungsbereich geleitet und wenigstens teilweise zur Bildung eines brennbaren Gemisches vermischt werden, das zur Verbrennung von heißen, Wärmeenergie enthaltenden Verbrennungsgasen verbrannt wird, wobei die heißen Verbrennungsgase einem Wärmeenergie-Verarbeitungsbereich zum Verbrauch eines (Teiles der Wärmeenergie zugeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, . daß man den Luftstrom in einen ersten und zweiten Luftstrom unterteilt, daß man wenigstens einen Teil des ersten Luftstromes in den Verbrennungsbereich einleitet, daß man den zweiten Luftstrom in Wärmeaustauschverbindung mit einem Abgasstrom des Wärmeenergie-Verarbeitungsbereiches bringt und den zweiten Luftstrom aufheizt sowie einen zusätzlichen !eil der Wärmeenergie verbraucht, und daß man wenigstens einen Seil des erwärmten zweiten Luftstroms in einen Kühlbereich des Verbrennungsbereiches einleitet.π.) Combustion process in which an air stream and a Fuel stream passed into a combustion area and at least partially to form a combustible mixture are mixed, which is burned to burn hot, thermal energy containing combustion gases, wherein the hot combustion gases are fed to a thermal energy processing area for the consumption of a (part of the thermal energy are characterized by. that one the air flow in a first and second air flow divided that at least part of the first air flow initiates in the combustion area that the second air stream in heat exchange communication with a Brings exhaust gas flow of the thermal energy processing area and heats the second air flow and an additional one Part of the thermal energy is consumed, and that at least one rope of the heated second air flow is in a cooling area of the combustion area. 2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsbereich einen primären * Verbrennungsbereich, einen sekundären Verbrennungsbereich stromabwärts des primären Verbrennungsbereiches und einen Kühlbereich stromabwärts des sekundären Verbrennungsbereiches aufweist, wobei der erste Luftstrom weiter in einen Primärluft und einen anderen Sekundärluft aufweisenden Strom unterteilt wird, daß die Primärluft in den primären Verbrennungsbereich eingeleitet wird, daß der Brennstoff in den primären Verbrennungsbereich eingeleitet wird und daß die Sekundärluft in den sekundären Verbrennungsbereich eingeführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that that the combustion area has a primary * combustion area, a secondary combustion area downstream of the primary combustion area and a cooling area downstream of the secondary combustion area wherein the first air flow is further divided into a primary air and another secondary air having flow will that the primary air in the primary combustion area that the fuel is introduced into the primary combustion area and that the secondary air is introduced into the secondary combustion area. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erwärmte sekundäre Luftstrom in Wärmeaustauschberühung mit einer Außenwand des primären Verbrennungsbereiches gebracht wird und daß die Wärme zum Inneren des primären Verbrennungsbereiches entfernt und die-3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that that the heated secondary air flow is in heat exchange contact with an outer wall of the primary Combustion area is brought and that the heat is removed to the interior of the primary combustion area and the- 309 8 26/088 3309 8 26/088 3 ser Luftstrom weiter erwärmt und sodann in den Kühlbereich eingeleitet wird.this air flow is further heated and then into the cooling area is initiated. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des ersten Luftatromes nicht mehr als 3710C "beträgt.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the temperature of the first air atmosphere is not more than 371 0 C ". 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des sekundären Luftstromes 55 bis 2760C höher liegt als die Temperatur des primären Luftstromes.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the temperature of the secondary air flow is 55 to 276 0 C higher than the temperature of the primary air flow. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch mit einem Brenner mit einem Brennstoffeinlaß, einer Luftzufuhrleitung und einem Auslaß und mit einem Wärmeenergie-Verarbeitungsbereich, der mit dem Auslaß verbunden ist und eine Abgasleitung aufweist, die sich durch einen Wärmeaustauschbereich erstreckt, gekennzeichnet durch Leitungen (H, 15), die eine Verbindung zwischen der Luftzufuhrleitung (10) und einem Kühlbereich in dem Brenner (16) darstellen und sich durch einen Wärmeaustauschbereich (24) erstrecken.6. Apparatus for performing the method according to claim with a burner with a fuel inlet, an air supply line and an outlet and with a thermal energy processing area, which is connected to the outlet and has an exhaust pipe which extends through a heat exchange area extends, characterized by lines (H, 15) that connect between the air supply line (10) and a cooling area in the Represent burner (16) and move through a heat exchange area (24) extend. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine sekundäre Luft-Leitung (30), die mit der Leitung (14, 15) und einem sekundären Verbrennungsbereich in dem Brenner in Verbindung steht.7. The device according to claim 6, characterized by a secondary air line (30) with the Line (14, 15) and a secondary combustion area in which burner is in communication. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsbereich {16) ein äußeres, rohrförmiges Gehäuse (46), ein Brennrohr (42) konzentrisch innerhalb des Gehäuses und im Abstand von diesem zur Bildung einer ringförmigen Kammer (48) zwisehern dem Brennrohr und dem Gehäuse, eine nicht perforierte Hülse (62), die den stromaufwärtigen Bereich des Brennrohres umgibt und von diesem einen Abstand aufweist und in Längsrichtung einen stromaufwärtigen Bereich (48») der ringförmigen Kammer (48) einschließt und eine zweite ringförmige Kammer (64) zwischen der Hülse und dem äußeren Gehäuse bildet, v/obei eine V/and8. Apparatus according to claim 7, characterized in that that the combustion area {16) has an outer, tubular housing (46), a combustion tube (42) concentrically within the housing and at a distance therefrom to form an annular chamber (48) between the combustion tube and the housing, an imperforate sleeve (62) surrounding the upstream portion of the combustion tube, and at a distance from this and in the longitudinal direction an upstream region (48 ») of the annular chamber (48) and forms a second annular chamber (64) between the sleeve and the outer housing, v / obei a V / and 309826/0883309826/0883 (66) das stromabwärtige Ende der zweiten ringförmigen Kammer abschließt und eine Platte (68) das stromaufwärtige Ende des eingeschlossenen Bereiches der ersten ringförmigen Kammer verschließt, wobei wenigstens eine Öffnung (70) in der Viand des Brennrohres an einer ersten Stelle zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende vorgesehen ist und eine rohrförmige Leitung (72) von der zweiten ringförmigen Kammer zu der Öffnung (70) an einer ersten Stelle verläuft und wenigstens eine weitere Öffnung (74) in der Viand des Brennrohres an einer zweiten Stelle stromabwärts der ersten Stelle vorgesehen ist, umfaßt, wobei die Brennstoffeinlaß-Bohrung (58) Brennstoff in den stromaufwärtigen Bereich des Brennrohres einleitet, die Luftzuführleitung (10) Primärluft in den stromaufwärtigen Bereich des Brennrohres einleitet, die Luftzufuhrleitung ebenfalls in Verbindung mit der zweiten ringförmigen Kammer steht und die Leitung (14? 15) mit dem eingeschlossenen Bereich (481) der ersten ringförmigen Kammer verbunden ist, die ihrerseits mit dem Inneren des Brennrohres über den stromabwärtigen Bereich der ersten ringförmigen Kammer und die Öffnung (74) an einer zweiten Stelle steht.(66) closes the downstream end of the second annular chamber and a plate (68) closes the upstream end of the enclosed area of the first annular chamber, with at least one opening (70) in the viand of the combustion tube at a first location between the upstream and the downstream end is provided and a tubular conduit (72) extends from the second annular chamber to the opening (70) at a first location and at least one further opening (74) is provided in the viand of the combustion tube at a second location downstream of the first location , wherein the fuel inlet bore (58) introduces fuel into the upstream area of the combustion tube, the air supply line (10) introduces primary air into the upstream area of the combustion tube, the air supply line is also in communication with the second annular chamber and the line (14 ? 15) with the enclosed area (48 1 ) of the first rin G-shaped chamber is connected, which in turn is connected to the interior of the combustion tube via the downstream region of the first annular chamber and the opening (74) at a second location.
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