DE2354380A1

DE2354380A1 - Vorrichtung und verfahren zum verbrennen von treibstoffen

Info

Publication number: DE2354380A1
Application number: DE19732354380
Authority: DE
Inventors: Haye Paul G La
Original assignee: Aqua Chem Inc
Current assignee: Aqua Chem Inc
Priority date: 1972-10-30
Filing date: 1973-10-30
Publication date: 1974-05-16
Also published as: IT999032B; NL7314648A; BR7308469D0; CH587443A5; ES420084A1; US3885903A; JPS5646046B2; JPS4995230A; ZA738322B; BE806694A; CA988025A; FR2205173A5; GB1431723A; LU68693A1; AU6194273A

Description

VOBEIOHIDHG DHD VEEi¹AHBEIi ZUM VEEBBEMEIi VON

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbrennen von Treibstoffen. Dabei erfolgt eine Verminderung der Menge von luftverschmutzenden Stoffen _f wie Stickstoffoxiden, Kohlenmonoxid, kohlenstoffhaltigen teilchenförmigen Stoffen und unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den Abgasen von Treibstoffbrennern, die kohlenstoffhaltige und kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe verbrennen.

Die herkömmliche Methode zur Verbrennung von-gasförmigen, flüssigen und feinverteilten festen Treibstoffen besteht darin, daß man den Treibstoff und Luft im Überschuß über die stöchiometrische Menge in eine Verbrennungskammer unter solchen Bedingungen einspritzt, die ein inniges Vermischen der luft mit den Treibstoffen fordern. Im allgemeinen wird es angestrebt, den Treibstoff so vollständig und rasch wie möglich bei den höchsten Temperaturbedingungen zu verbrennen, daß keine Kohlen-

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Wasserstoffe, kohlenstoffhaltige Materialien oder Kohlenmonoxid unverbrannt· zurückbleiben. Obgleich diese Methode Abgase liefert, die viel harmloses Kohlendioxid und relativ wenig schädliches Kohlenmonoxid enthalten, ergeben sich in dem Abgas hohe Anteile an schädlichem Stickstoffoxid. Die. bisherige Praxis war daher insofern nachteilig als eine Reduktion von Kohlenmonoxid und Stickstoffoxid in Betracht gezogen wird, da eine Reduktion des einen gewöhnlich zu Lasten einer Zunahme des anderen Bestandteils erfolgte. Die Luftverschmutzungs—Kontrollstandardwerte für maximale atmosphärische Emissionen dieser Verschmutzungsstoffe werden daher durch die Verbrennung der Treibstoffe in traditioneller Weise nicht eingehalten.

Stickstoffoxide, die in den Abgasen auftreten, rühren von der Oxydation von Stickstoff in der Luft her, die für die Verbrennung erforderlich ist, sowie vom Stickstoff in dem Treibstoff selbst. Die meisten Treibstoffe enthalten einige Stickstoffverbindungen. Die schweren Kohlenwasserstofftreibstoffe, die für technische Zwecke verwendet werden, sind besonders an Stickstoffverbindungen reich, die mindestens zum Teil in Stickstoffverbindungen bei den Hochtemperatur-Verbrennungen umgewendet werden. Fach der herkömmlichen Praxis wird der gesamte Treibstoff rasch und so intensiv wie möglich verbrannt, wodurch Gase von über 1.800⁰C erhalten werden, was erwünscht ist, um die nichtoxydierten Komponenten in den Abgasen zu minimalisieren.

Die vorliegende Erfindung baut sich zum Teil auf der Erkenntnis auf, daß bei Temperaturen oberhalb 1.038⁰C (1.900 F) und unterhalb etwa 1.427⁰C (2.600 F) im wesentlichen alle Kohlenwasserstoffe, kohlenstoffhaltigen Teilchen und Kohlenmonoxid unter Bildung einer Minimalmenge von Stickstoffoxiden oxydiert werden.

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Gemäß der Erfindung erfolgt die Verbrennung bei Bedingungen, die entgegengesetzt denen sind, die in der herkömmlichen Praxis vorherrschen. Der Brennstoff wird daher nicht rasch und so heiss wie möglich unter stöchiometrischen Bedingungen verbrannt, sondern in Stufen und bei unterdrückten Temperatarbedingungen verbrannt. Die Stickstoffoxidbildung wird inhibiert, in dem der Treibstoff mit einem Luftunterschuß oder bei angereicherten Bedingungen verbrannt wird, wo die Gase am heissesten sind und mit einer angemessenen Luftmenge zur Vervollständigung der stöchiometrischen Verbrennung oder unter sauberen Bedingungen, wo die Gase kühler sind.

Gemäß der Erfindung wird der Treibstoff mit einer Düse in eine Verbrennungskammer zusammen mit wenig Luft, z.B. etwa 20 Prozent der stöchiometrischen Menge eingespritzt. Der so eingespritzte Treibstoff brennt als ein treibstoffreicher Kern ab, der peripher am Einlassende der Verbrennungskammer ziemlich gut definiert ist. Der Rest der Luft, die erforderlich ist, um die stöchiometrische Menge auszumachen, und gewöhnlich ein geringer Überschuß für die vollständige Verbrennung wird koaxial mit dem Kern vom Einlassende der Kammer eingespritzt, so daß eine Hülle-von Luft gebildet wird₉ die den Kern umgibt. Diese Hülle kann die Form eines Wirbels haben der sowohl'axial als auch drehend, strömende Komponenten besitzt, wobei die letztere Komponente es bewirkt, daß die Lufthülle den Konturen der Verbrennungskammer folgt um eine Vermischung der Luft mit den Komponentengasen des Kerns zu minimalisieren. Darüberhinaiis kann, weil die Wände der äusseren Verbrennungskammer abgekühlt werden können, die Lufthülle bei einer Temperatur gehalten werden, die unterhalb derjenigen liegt, bei welcher Stickstoffoxide gebildet werden. Es erfolgt nur eine geringe Vermischung der Wirbelluft und der heissen Kerngase am Einlassende der Verbrennungskammer. Es erfolgt jedoch eine erhebliche Vermischung wenn die Luft über einen Punkt hinausgeht, der un-

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gefähr eineinhalb bis zwei Durchmesser von dem Einlass beträgt. Ein erheblicher Teil der gesamten Stickstoffoxide, die in der Verbrennungskammer gebildet werden, werden am Einlassende gebildet, wo die Flamme gezündet wird. Dies führt zu erhöhten Temperaturen am Einlassende der Verbrennungskammaer, da der Treibstoff in einem übergangszustand ist, wo der Prozess der Verdampfung, Vergasung und Vermischung durch den Kern hindurch erfolgt. Im Anschluß an diese Übergangszone ist die Bildung von Stickstoffoxiden in dem treibstoffreichen Kern minimal und zwar selbst obgleich die Temperatur relativ hoch ist, wegen der bevorzugten Reaktion zwischen Sauerstoff und unverbranntem Kohlenwasserstoff.

Die Trennung oder Schichtung der heissen Kerngase und der Wirbelluft wird nicht nur wegen der Luftgeschwindigkeit aufrechterhalten, sondern auch deswegen, weil sie erheblich kühler ist als die heissen Gase in dem Kern. Die Erfahrung hat gezeigt, daß kahle Gase auch eine Tendenz haben mit heissen Gasen unvermischt zu bleiben, wenn kein mechanisches Mischen induziert wird oder wenn ein genügender Zeitraum zur Konvektion und Strahlung verstreicht, um die Temperatur der Gase auszugleichen. Ein starker Wirbel liegt für etwa den zweieinhalbfachen Durchmesser der Verbrennungskammer vor, nach dem die Wirbelluft etwas mit den Kerngasen vermischt wird. In dem Maß wie der Kern in die Verbrennungskammer nach unten fortschreitet verliert er Strahlungswärme. In der Nähe des Austrittsendes, wo das Gemisch der Hüllenluft mit dem Kern vollständiger ist,erfolgt eine weniger reiche Verbrennung bei Temperaturen unterhalb denen erhebliche Mengen von Stickstoffoxiden gebildet werden.

Am Einlassende der Verbrennungskammer liegt ein starker negativer Druckgradient vor, der von der Peripherie der Wirbelluft bis zur Mitte des Kerns reicht, der aber im wesentlichen am Austritteende zerstreut ist. Es erfolgt eine

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signifikante Vermischung der Wirbelluft und der 'Kerngase, wodurch, alle verbrennbaren Stoffe wie Kohlenmonoxid, Kohlenstoff, kohlenstoffhaltige Verbindungen und andere teilchenförmige Stoffe nicht-voll oxydiert werden. Die !Fließgeschwindigkeit ist in der Nähe des Austrittsende der Verbrennungskammer relativ niedrig und der statische Druckkopf ist relativ hoch. Um eine vollständige Vermischung und Verbrennung zu fördern kann am Austrittsende der Verbrennungskammer eine Mischeinrichtung vorgesehen werden. Die Mischeinrichtung kann die Form eines Siebs einnehmen, welches einen Druckabfall zwischen der Innenseite und der. Aussenseite der primären Verbrennungszone erzeugt, wodurch eine Umwandlung des statischen Druckkopfes zu einem Geschwindigkeitskopf erfolgt. Die gesteigerte Geschwindigkeit der Luft und des Gasgemisches fördert eine Turbulenz und eine gute Vermischung der Luft mit den heissen .Kerngasen. Diese neigen dazu, sich über die heissen geschichteten Taschen um die restlichen austretenden Gase auszubreiten. In dieser Weise wird eine endgültige vollständige Verbrennung in und über den Öffnungen bei wesentlichen gleichförmigen Temperaturen durchgeführt, die unterhalb denjenigen liegen, bei denen erhebliche Mengen von Stickstoffoxiden gebildet werden.

Ziel der Erfindung ist es, eine Verbrennungsvorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, bei welchem die Stickstoffoxide, das Kohlenmonoxid, die gasförmigen und teilchenförmigen Kohlenwasserstoffe und die kohlenstoffhaltigen Produkte in dem Abgas im wesentlichen minimalisiert sind.-_;

Es ist ein weiteres Ziel, eine Verbrennungsmethode und eine Vorrichtung zur Verfugung zu stellen, um die vorgenannten atmosphärischen Verschmutzungstoffe zu^rainimalisieren, ohne daß die Leistung des Verbrennungsprozesses nachteilig beeinflusst wird. - '

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Dabei sollen die Verbrennungsbestandteile geschichtet werden um den Treibstoff in einem treibstoffreichen Kern in den frühen Stufen des Verbrennungsprozesses zu verbrennen, wo die Temperatur hoch ist, während die Luft, die für eine vollständige Verbrennung erforderlich ist, in Isolierung gehalten wird, bis eine, gewisse Wärme von dem Kern abgezogen worden ist, in welchem Falle die Luft damit vermischt wird und eine weitere Verbrennung bei liiedertemperaturbedingungen erfolgt, bei welcher signifikante Mengen von Stickstoffoxiden nicht erzeugt werden, jedoch andere schäd- 1} liehe Substanzen mit einem Heizwert verbraucht werden, bevor die Gase in die Atmosphäre ausgetragen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sollen weiterhin an verschiedene Brennereinrichtungen wie Wasserrohrboiler, Peuerrohrboiler, Zwangszirkulationsboiler und andere Einrichtungen anwendbar sein, bei denen Treibstoffe in feinverteilter Form verbrannt werden.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es.zeigen

Fig. 1 einen Boiler, bei dem einige Teile abgebrochen gezeigt sind um die neue darin eingearbeitete Verbrennungsvorrichtung zu illustrieren,

Fig. 2 einen Aufriss einer wirbelerzeugenden Einrichtung gesehen durch die Ebene 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 eine Zone eines alternativen Typs für eine Vorrichtung, die die Geschwindigkeit der Verbrennungsgase ändert und diese Gase vermischt,

Fig. 4 einen fragmentartigen Querschnitt einer Modifikation der Ausführungsformel Fig. 3 und

Fig. 5 einen fragmentartigen Querschnitt einer Modifikation der Ausführungsform der Fig. 1 und 2.

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Die Erfindung soll anhand eines Wasserrqhrboilers gem. Pig. 1 näher erläutert werden. Der Boiler ist im wesentlichen herkömmlicher Uatur und er kann eine obere Trommel und eine untere Trommel 11 einschließen, die miteinander durch eine Vielzahl von wassergefüllten Rohren 13 auf der Vorderseite und eine weitere Vielzahl von Rohren 14 auf der Hinterseite verbunden sind* Die Rohre haben Membranen 15» die dazwisehengeschweißt sind. Die Rohre in Verbindung mit den Armen und den,Trommeln definieren einen Hohlraum in welchem Wärme zwischen den heissen Verbrennungsgasen die aus der Verbrennungskammer ausgetragen werden und.dem Wasser oder Dampf innerhalb der Rohre ausgetauscht wird. Die Abgase von denen der größte Teil der Wärme abgezogen worden ist werde in die Atmosphäre durch einen Kamin 16 ausgetragen,, der fragmentartig dargestellt ist. Das Gehäuse des Boilers ist der Einfachheit halber weggelassen worden.

Am Vorderende des Boilers ist ein Abteil 17 in welchem eine Gebläsekammer 18 angeordnet ist. Innerhalb der Kammer ist ein Gebläseblatt .19» vorzugsweise eines gekrümmten Blattes des Zentrifugaltyps, das auf die Welle 20 eines Motors 21 aufmontiert ist. Am unteren Ende ist das Abteil 17 in eine Luftkammer 22 untergeteilt₉ die mit der Gebläsekammer 18 durch einen Kanal 23 iü'Verbiadung steht * Eine kontrollierbare Drosselklappe 24 ist in dem Kanal angebracht und drehbar auf einer Welle 25 befestigt,, Die Drosselklappe 24 wird im wesentlichen in der herkömmlichen Weise verwendet um die Menge der Luft zu kontrollieren₉ die der Verbrennungskammer des Boilers zugeführt wird. Obgleich die Seile nicht gezeigt sind wird für dea Pachmann ersichtlich, daß die Drosselklappe 24 an eine Nooke angekuppelt ist, die ein niehtgezeigtes Kontrollventil für den Brennstoff betätigt, · so daß das Verhältnis von Treibstoff zu Luft gemäß dem variierenden Wärmebedarf des Boilers kontrolliert werden kann. Der Motor, der zur gleichzeitigen Kontrolle der Drosselklappe 24 und des Regulierungsventils für den Treibstoff verwendet wird, wird nicht gezeigt, da er herkömmlicher Art ist.

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Nachfolgend soll die Konstruktion und die einzigartige Betriebsweise der neuen Verbrennungskammer beschrieben werden. Die Verbrennungskammer der Pig. 1.umfasst eine Keramik, die einen zylindrischen Teil 30 und einen konisch -verjüngten Teil 31 an ihrem Einlassende hat, welche eine zylindrische innere Verbrennungskammer definiert, die an einem Ende konisch ist, obgleich beachtet werden sollte, daß die Kammer auch genausogut zylindrisch sein kann. Pur die Zwecke der Erfindung wird eine zylindrische verbrennungskammer bevorzugt, doch könnten auch andere Konfigurationen verwendet werden, solange als darin eine ringförmige Lufthülle aufrechterhalten werden kann. Es sollte auch beachtet werden, daß die Verbrennungskammer nicht feuerfest ausgekleidet sein muß, sondern auch einen Wassermantel haben kann, welcher innere und äussere Hüllen hat, zwischen denen Wasser strömt um direkt Wärme von der Plamme innerhalb der Verbrennungskammer zu absorbieren. !Tatsächlich können verschiedene Typen von herkömmlichen Verbrennungskammern verwendet werden, solange sie genügend länglich sind und Hitze für die Zwecke der Erfindung absorbieren.

Am Einlassende der Verbrennungskammer ist eine Platte 33 vorgesehen, die eine Mittelöffnung 34 hat. Konzentrisch mit der Öffnung 34 ist die Spitze 35 einer Treibstoffeiaspritzungsdüse, die in Verbindung mit dem Kontrollventil 36 für den Treibstoff steht. Druckluft, die in der Luftkammer 22 aufgenommen wird, fließt durch die Öffnung 34 und kombiniert sich mit dem Treibstoff, der durch die Düse 35 eingespritzt wird. Wenn man annimmt, daß die Verbreanuag stattgefunden hat, dann wird ein Kern von heissen Gasett 33 erzeugt, der in der Pig. 1 schattiert gezeichnet ist, um seine allgemeine Konfiguration anzuzeigen. Gemäß der Erfindung wird die Größe der öffnung 34 so ausgewählt, daß sie die Zuführung einer Luftmenge gestattet, die erheblich, geringer ist als die stöchiometrische Menge, die für eine vollständige Verbrennung des eingespritzten Treibstoffes in dem Kern erforderlich ist.

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So kann beispielsweise etwa 20$ der stöchiometrischen Luftmenge durch die Öffnung 34 zugelassen werden uud dazu verwendet werden, um die Verbrennung in dem treibstoffreichen Kern 40 ,zu fördern.

Die mit Öffnungen versehene Platte"^ 33, ist, wie insbesondere aus Pig. Z ersichtlich wird, mit einer Vielzahl von ^Öffnungen 37 versehen, von denen im Umfang geneigte Flügel 38 durch durchstechen gebildet sind. Der Rest.der Luft für stöchiometrische Verbrennung und gewöhnlich ein geringfügiger Überschuß wird in die Verbrennungskammer durch Öffnungen 37 eingespritzt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Luft von der Luftkammer 22 durch die Öff- · nungen 37 geleitet werden damit ihr eine kreisförmige Bewegung verliehen,wird, so daß eine im wesentlichen kreisförmige Hülle oder ein Ringkörper von drehender und sich axial bewegender Luft um den Kern 40 gebildet wird.Die drehende Hülle der Luft nimmt den nichtschattierten ringförmigen Raum 41 innerhalb der Verbrennungskammer ein. Durch die Pfeillinie 39 wird eine schraubenförmige Vorwärtsbewegung nahegelegt. Es wird ersichtlich, daß die Hülle in der Nähe des Einlassendes der Verbrennungskammer dicker ist und daß sie allmählich ia Richtung auf das Auslassende abnimmt, worauf sie sich mit den heissen Gasen von dem Kern 40 vermischt» Naturgemäß erfolgt ein gewisses Vermischen der Luft mit der Hülle mit den Gasen in dem Kern durch die Länge des Kerns hindurch, doch bleiben im allgemeinen die beiden ziemlich gut abgetrennt, vorzugsweise über den zweieinhalbfachen Durchmesser der Verbrennungskammer, gemessen von Einlassende. In Richtung auf das Austrittsende ist naturgemäß eine erheblich mechanische Vermischung und Gleichmachung des Druckes der Hüllealuft und des Kerngases. In der Mittelzone der Verbrennungskammer und in der Rahe des Einlassendes ist die DrehgeschwiQdigkeit der" Hülle ziemlich hoch und die Hülle bildet zueammeü mit den Kerngasen einen Wirbel, der sich, im Druck in Radialrichtung von der Ausseüseite zur Mitte des Kerns vermindert» So betrug z.B. bei einer Ausgestaltung die anfängliche Drehwirbelgeschwindigkeit das 1,5 bis 2₉5-fache der mittleren Axialgesehwißdigkeit der Gase

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in der Verbrennungskammer. Wie bereits ausgeführt wurde, wird die Hüllenluft an ihrer Grenzfläche vor der Vermischung mit den Kerngasen gehindert und zwar nicht nur wegen der Drehgeschwindigkeit der Gase, sondern auch deswegen, weil die Hülle signifikant kühler ist als die Kerngase.

Es sollte beachtet werden, daß die geflügelte Diaphragmaplatte 33 die dazu verwendet wird um der Hüllenluft sowohl eine Drehgeschwindigkeit als auch eine axiale Geschwindigkeit zu verleihen nicht die einzige Struktur ist, die für einen solchen Zweck verwendet werden kann. So kann z.B. eine Vielzahl von kreisförmig angeordneten Rohren, die nicht gezeigt sind und die axial und radial angewinkelt s'ind, dazu verwendet werden, um eine schwingende Lufthülle oder einen Wirbel zu bilden. Auch kann eine Einrichtung verwendet werden, die zu einem geneigten Flügelblatt ähnlich ist. Darüberhinaus können zusätzliche Wirbel erzeugende Einrichtungen entlang der Verbrennungskammer axial installiert werden um sich über die Länge der rotierenden Hülle zu erstrecken. Die letztere Konstruktion kann verwendet werden, wenn die Verbrennungskammer sehr lang ist und einen großen Durchmesser hat.Ferner kann die lufthülle axial anstelle als in der Form eines Wirbels eingeführt werden, solange sie mit einer genügenden Geschwindigkeit eingespritzt wird, daß der gewünschte Trenngrad zwischen dem Kern und der Lufthülle aufrechterhalten wird. Die Gegend, wo die meisten Stickstoffoxide gebildet sind, ist die Srenzflache zwischen der Hülle und dem Kern, jedoch sind die erzeugten Mengen erheblich weniger als bei herkömmlichen Brennern, wo Luft und Brennstoff nahe am Einlassende der Verbrennungskammer vollständig gemischt werden. Erfindungsgemäß ist, obgleich ein Teil der Hüllenluft heiss genug sein kann um an der Peripherie des Kerns eine Stickstoffoxidbildung zu fördern, der Kern an Kohlenmonoxid und anderen unverbrannten Komponenten reich, die dazu neigen, sich mit dem Sauerstoff in der Luft bevorzugt gegenüber der Kombinierung mit dem Stickstoff zu kombinieren.

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Eine erhebliche Wärmemenge von dem Kern 40 und der anderen heissen Gase in der Verbrennungskammer wird zu der Wand abgelenkt geleitet und abgestrahlt,von der eine Weiterstrahlung an die Boilerrohre erfolgt. Dies verhindert, daß die Gase innerhalb der Verbrennungskammer signifikant auf eine Temperatur oberhalb 982⁰G erhitzt werden, wenn die Gase in Richtung auf den Auslass oder das Endende der Verbrennungskammer 43 strömen. It) der Gegend 43 erfolgt eine erhebliche Vermischung der Hüllenluft in die Kerngase hinein und es erfolgt eine weitere Verbrennung unter treibstoffreinen Bedingungen. Da jedoch ein Teil der Wärme von den Gasen abgezogen worden ist und da ein Teil des Treibstoffes unverbrannt zurückbleibt liegen diese immer noch unterhalb der Temperatur bei welcher signifikante Stickstoffoxide erzeugt werden. Die Verbrennung, die vom Vermischen der Gase an der Austrittsgegend der Kammer herrührt führt nicht zu Temperaturen, die über diejenige hinausgehen, bei welöher signifikante Mengen von Stickstoffoxiden erzeugt werden.

Die Gase in der Gegend 43 innerhalb der Verbrennungskammer können immer noch nicht vermischte Stechen von Hüllenluft besitzen und die Gase enthalten gewöhnlich signifikante Mengen von Kohlenmonoxid, voa kohlenstoffhaltigen Teilchen und geringen Mengen von Kohlenwasserstoffen,, die zur Kohlendioxid und Wasser verbrannt werden müssen₉ bevor sie durch den Schornstein in die Atmosphäre ausgetragen werden. Da der Durchmesser der Verbrennungskammer in der Gegend 43 ziemlich groß ist, ist die Gasstromgeschwindigkeit relativ klein und der Gesamtdruck des Gases ist ein lediglich statischer Druckkopf. Gemäß der Erfindung wird ein Teil des statischen Druckkopfes in einen Geschwindigkeitskopf am Austrittsende der Verbrennungskammer umgewandelt, in dem die Gase durch eine Mischeinrichtung ausgetragen werden, die in 3?orm eines Siebs mit einer Vielzahl von Öffnungen vorliegen kann. Letztere sind in einer Schranke 45 gebildet, die ein perforiertes feuerfestes Gestein, ein feuerfestes Metall oder ein anderes temperaturbeständiges Material sein kann. Die Umwandlung eines Teils des statischen Kopfes in den Geschwindigkeitskopf setzt

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die im wesentlichen geschichteten Strömangsbedingungen auf, die innerhalb der Verbrennungskammer vorliegen und bewirkt einen turbulenten Strom ausserhalb der Verbrennungskammer in der Gegend 46. Somit ist in .der Gegend 46 eine hohe Turbulenz und eine gründliche Vermischung der Luft und der restlichen unvollständig oxydierten Produkte, wodurch solche Produkte resultieren, die bei Temperaturen oberhalb 1.038⁰C aber gut unterhalb 1.427⁰C oxydiert oder verbrannt werden, wo signifikante Stickstoffoxide erzeugt wurden. Somit wird das Kohlenmonoxid, das in Konzentrationen von Zehntausenden ppm des.Kerngases innerhalb der primären Verbrennungszone vorlag am Äustrittsende der Verbrennungskammer vollständig oxydiert, bevor die Gase in die Boilerkammer mit Mengen von Kohlenmonoxid und Stickstoffoxid ausgetragen werden, die gut unterhalb den derzeitigen Emissionsstandardwerten liegen.

Es können verschiedene Vorrichtungen anstelle der perforierten feuerbeständigen Schranke 45 der Pig. 1 verwendet werden um einen Seil des statischen Kopfes in der primären Verbrennungszone in einen Geschwindigkeitskopf ausserhalb der Kammer umzuwandeln um die (Turbulenz und das innige Vermischen der Restluft und der nichtoxydierten Komponenten der Gase zu fördern. In Fig. 3 wird eine alternativ mögliche Vorrichtung gezeigt. In dieser Vorrichtung sind Schranken 50 und 51» die aus feuerfestem Material hergestellt sind in der Nähe des Austrittsendes der Verbrennungskammer angebracht und sie sind in Stromabwärtsrichtung im Abstand angeordnet um zwischen einen Raum 52 zu definieren. -Die Reihen angeordneten Schranken 50 und 51 haben eine Vielzahl von Öffnungen 53 und 54. Der Raum wird von einem Bett aus einem kornförmigen Material 55 eingenommen, das Siliciumcarbid, Keramik, Metall oder ein anderes geeignetes feuerfestes Material sein kann. Die Eingabeöffnungen 53 erhöhen die Gasgeschwindigkeit und das kornförmige Material fördert ein Vermischen der Gase in den Zwischenräumen der Körner. Eine Geschwindigkeitsveränderung, eine Turbulenz und eine vollständigere Oxydation des gasförmigen Gemisches wird durch die Abgabeöffnungen 54 wie bei den vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsforraeη bewirkt. Die öffnungen in den Schranken können

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verschiedene Größen haben oder es kann sich uns unterschiedliche Anzahlen von Öffnungen handeln, mn die Beziehung zwischen dem Druck und der Geschwindigkeit in bester Weise für den jeweiligen Einzelfall zu regeln.

Weitere Alternativen sind die Aufstapelung von Ziegelsteinen in der Austrittsgegend der-Kammer mit Zwischenräumen dazwischen, die die geschwindigkeitsumwandelnden Öffnungen ergeben. Eine Vielzahl von nicht gezeigten Rohren, in einer Kopfstückplatte, wobei sich die Rohre axial oder iß Stromabwärtsrichtung erstrecken,.'kann ebenfalls zu diesem Zweck verwendet werden. Weiterhin, kann dieses Vermischen durch eine Reihe von Öffnungen oder Einschrä.nkungen, Leitblechen einer oder mehreren mit Öffnungen versehenen Platten oder verschieden gestalteten Betten aus kornfSrmigem Material und dergl. bewerkstelligt werden. ,

Die Pig. 4 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform der Fig. 3 gem. der Erfindung bei welcher eine Quelle für Sekundärluft in den Spalt zwischen den Schranken 50 und 51 mittels eines Zuführungsrohrs 55■-eingeführt wird₀ Die Gesamtluft j die der primären Verbrennungszone durch den Einlass der Verbrennungszone wie oben beschrieben zugeführt wird ₉ plus diejenige, die durch das Rohr 55 zugeführt wird, ist im wesentlichen der stöchiometrischen Menge gleich. Jedoch gewährleistet die Zuführung eines Seils dieser Luft ausserhalb "der primären Verbrennungezone, daß. der Sreibstoff bei reichen Bedingungen in dieser Zone verbrannt wird, wodurch niedrigere Spitzentemperaturen mit einem höheren Gehalt an Kohlenmonoxid, und anderen unverbrannten Kohlenwasserstoffen aufrechterhalten werden. "

Die Pig. 5 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform der Pig. 1, bei welcher ein Seil der Gesamtluft, die für die stöchiometrische Verbrennung erforderlich ist in die primäre Verbrennungszone an einem Punkt angrenzend an das innere Ende der Mischschranke 45 eingeführt wird. Dies kann in je&er geeigneten Weise erfolgen, z.B. durch Öffnungen 56, die durch den zylindrischen Teil 31 gebildet sind und eine umgebende Luftkammer 57, die an eine geeignete Luftquelle angeschlossen

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ist. Die restlichen !Peile der Luft, die für die stöchio- - metrische Verbrennung erforderlieh sind, werden entsprechend der Ausführungsform der Mg. 1 eingeführt.

Bei einer Versuchsausführung des Brenners der Pig. 1 wurde gefunden, daß die Gasgeschwindigkeit innerhalb der Verbrennungskammer, die erfindungsgeniäß ausgestaltet wurde, eine axiale Geschwindigkeitskomponente von 30,5 Meter pro Sek. mit einem Druckabfall über die Öffnungen von 4,1 cm Wasser hatte, wodurch eine gute Vermischung erhalten wurde. Bei unter Verwendung der gleichen Verbrennungskammer aufgenommenen Werten wurde bei den jeweiligen Verbrennungsbedingungen gefunden, daß der Stickstoffoxidgehalt vor der Vermischungsschranke 45 etwa 30 bis 90 ppm betrug. Nach dem Durchlauf durch die Mischschranke 45 betrug der Anteil der Stickstoffoxide in den Gasen zwischen 4Q und 70 ppm. Die Schornsteingase hatten Stickstoffoxidgehalte gut unter 100 ppm und unwesentliche Gehalte an Kohlenmonoxid.

Die Gestaltungsparameter gem. der Erfindung sind nicht in universell anwendbarer Weise numerisch spezifiert, da sie voneinander nicht vollkommen unabhängig sind. Im allgemeinen ist die Umfangsgeschwindigkeit der Lufthülle eine Punktion des Eingabedrucks und sie sollte genügend sein, daß ein Abstrom von dem 1,5 bis 2,5-fachen der Verbrennungskammer aufrechterhalten wird. Der Ort der mit Löchern versehenen Schranke zur Geschwindigkeitsveränderung ist ebenfalls entsprechend den umständen in Betracht zu ziehen. Wenn die mit Öffnungen versehene Schranke zu nahe an dem Einlassende ist, dann kann eine nur ungenügende Möglichkeit für die Vermischung des Treibstoffes mit der Luft und der Verbrennung sowie die Freisetzung eines leils der Verbrennungswärme sein. Dies würde eine Verbrennung in der mit Öffnungen versehenen Schranke bei !Temperaturen bewirken, bei denen Stickstoffoxid gebildet wird. Wenn die Schranke zu weit von dem Brenner angeordnet ist, dann erreicht der geschichtete Strom zu hohe Temperaturen, wodurch die Bildung von Stickstoffoxiden gefördert wird. Der Prozentsatz der stöchiometrischen Menge der Luft, die mit dem Treibstoff in den Mittelkern eingeführt wird, ist ebenfalls

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•variabel, doch sollte in jedem Falle die Luftmenge so niedrig sein, daß sehr reiche .Verbrennungsbedingungen und eine hohe Konzentration von Kohlenmonoxid in dem Kern erzeugt wird, daß die Bildung von Stickstoffoxiden unterdrückt wird. Ein wichtiges Erfordernis besteht darin, daß die, Verbrennungsgase reich an verbrennbaren Stoffen gehalten werden» wo die Flamme am heissesten ist und an verbrennbaren Stoffen sauber gehalten wird, wo die Flamme kühler ist und wo die Luft absichtlich in Gase eingespritzt wird. Eine weitere Erwägung besteht dahingehend, daß der Kern und die Lufthülle durch eine genügende Länge der Verbrennungskammer abgetrennt oder geschichtet sein sollten und am Austrittsende in der Austragungsgegend ausserhalb der Verbrennungskammer'vermischt oder entschichtet sein sollten. ^N ■

Die Schranke 45 kann in großen und langen Verbrennungskammern 30 weggelassen werden, vorausgesetzt, daß die Verbrennungskammer wesentlich..abgekühlt wird und daß sie im wesentlichen lang genug ist, um das Vermischen und die Entschichtung vor dem Austritt zu vervollständigen,, Somit besitzt die Verbrennungskammer eine Gasaustrittsgegend und in jedem Falle erfolgt eine wesentliche Vermischung des zugegebenen sauerstoffenthaltenden Gases und der gasförmigen.Verbrennungsprodukte.

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Claims

Μ./ Vorrichtung zum Verbrennen von Treibstoffen unter wesentlicher Verminderung von Verschmutsungsstoffen in den Abgasen mit einer Einrichtung (31)» die eine Verbrennungszone mit einer Einlassgegend und einer Gasauslassgegend definiert, ge.kennzeichnet ,durch eine erste Einrichtung (35) zur Einspritzung von Treibstoff und eine zweite Einrichtung (34) zur gleichzeitigen Ein spritzung einer geringeren Menge als stöchioraetrischen Menge eines sauerstoffenthaltenden Gases in die Verbrennungszone und darin erfolgende Vermischung mit dem Treibstoff, um einen treibstoffreichen Kernstrom aue unvollständig oxydierten gasförmigen Verbrennungsprodukten in der Zone zu bilden und eine dritte Einrichtung (33» 37, 38) zur Einführung des Restes des sauerstoffenthaltenden Gases, der für die wesentliche stöchiometrische Verbrennung des Brennstoffs erforderlich ist, in diese Zone als Hülle eines solchen Gaees, das den Kernstrom umgibt und damit über mindestens den Anfangsteil der länge des Kernstroms im wesentlichen unvermischt ist, jedoch nachdem eine gewisse Wärmemenge von dem Kern abgezogen worden ist, sich mit dem Gasgemisch über diese Austrittsgegend hinaus im wesentlichen vermischt um eine wesentliche vollständige Verbrennung der Bestandteile des Treibstoffes zu fördern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (45, 50) in Nähe dieser Austrittsgegend zur Vermischung des Kern- und Gasstroms vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Gasvermischungseinrichtung eine Einrichtung (45) mit eines? Vielzahl von öffnungen, Äorcli welche der Kern- und der Grasstrom hindurchgeht, darstellt.
4. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (38) eine Einrichtung umfasst, um eine Drehung der Hülle um den Kern herum zu bewirken.

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5. Vorrichtung nach, einem der Ansprüche 1 Ms 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungszone (30) längsförmig ist und einen im wesentlichen kreisförmigen inneren Querschnitt aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch g e k e η η ζ e i ohne t, daß die Verbrennungszone so konstruiert und angeordnet ist, daß sie Wärme von den Grasen absorbiert und Wärme abstrahlt, um die Temperatur der G-ase zu vermindern.
7.. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e Q η ζ e i e h η e t, daß die zweite Einrichtung eine Quelle für Luft, um die Verbrennung des Treibstoffs innerhalb der Kammer zu unterstützen und eine Diaphragma-Einrichtung, die in der Nähe der Einlassgegend angeordnet ist, umfasst und daß sie eine Öffnungseinrichtung besitzt, die mit der Luft-Duelle mit dem Inneren der Verbrennungskammer in Verbindung steht, wobei die erste Einrichtung Düseneinrichtungen umfasst, die so angeordnet sind, daß sie den Treibstoff axial zu der Öffnungseinrichtung gleichzeitig mit dem Luftstrom dadurch einspritzen, wobei die öffnungseinrichtung so dimensioniert ist, daß sie den Durchtritt von nur einem Teil der stöchipmetrischen Menge, der zur vollständigen Verbrennung des Treibstoffes erforderlichen Menge gestattet, worauf der Treibstoff als treibstoffreicher Kernstrom verbrennt, der in Richtung auf die Auslassgegend der Kammer strömt und wobei die dritte Einrichtung eine Vielzahl von Luftrichtungseinrichtungen umfasst, die die Öffnungseinrichtung einschließen ₉ wobei die Luftrichtungseinrichtungen dazu vorgesehen sind, um die Quelle der Luft wit der Verbrennungskammer in Verbindung zu bringen, wodurch der Durchtritt von mindestens dem Rest der Luft, die zur im wesentlichen stöchiometrischen Verbrennung des Treibstoffes erforderlich ist, gestattet wird und dazu vorgesehen ist, um der Restluft eine axiale und drehende Strömungsgeschwindigkeit zu verleiehen und um die Luft als eine Hülle zu leiten, die den Kernstrom umgibt.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kammereinrichtung zwischen der Quelle für die Verbrennungsluft und die Luftaufteilungseinrichtung zwischengesetzt ist und daß zwischen die Luftquelle und die Kammereinrichtung eine Drosselklappeeinrichtung gesetzt ist, um die Gesamtmenge der Luft, die zu.der Aufteilungseinrichtung und zu der Verbrennungskammer entsprechend dem in die Kammer eingespritzten Treibstoff geleitet wird, zu kontrollieren.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine vierte Einrichtung vorgesehen ist, um einen Teil des Restes des sauerstoffenthaltenden Gases einzuspritzt, welche an die Einrichtung für die Vermischung des Kern- und des Gasstroms angrenzt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung ein Paar von mit Öffnungen versehenen Schrankeneinrichtungen darstellt, die sich entlang der Verbrennungsisone jeweils erstrecken und daß die vierte Einrichtung zwischen die Schrankeneinrichtung angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine teilchenförmige Einrichtung zwischen der Schrankeneinrichtung vorgesehen ist, um das Vermischen des Sauerstoffenthaltenden Gases mit dem Kernstrom zu ferdern.
12. Verfahren zur Verbrennung von Treibstoff unter Ver- , minderting der Menge von Stickstoffoxiden, Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen sowie von kohlenstoffhaltigen teilchenförmigen Produkten in den Abgasen, dadurch gekennzeichnet, daß man in eine Verbrennungszone Treibstoff und weniger als die stöchiometrische Menge eines sauerstoffenthaltenden Gases einspritzt, um einen treibstoffreichen Strom von unvollständig oxydierten gas-/ förmigen Verbrennungsprodukten in der Zone zu erzeugen; gleichzeitig in die Verbrennungszone ein Hülle von Luft einspritzt, die den Kernstrom umgibt und damit eine Zwischenfläche bildet

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und die entlang mindestens eines Stromaufwärtsteils des Kernstroms strömt, wobei die Menge der Luft, die in der Hülle strömt, mindestens dem zusätzlichen sauerstoffenthaltenden Gas gleich ist, das zur Aufarbeitung des Treibstoffes erforderlich ist und daß in mindestens einem Stromabwärtsteil der Verbrennungszone die unvollständig oxydierten gasförmigen Verbrennungsprodukte und 'die Hüllenluft -vermischt werden, um eine weitere Verbrennung eines Teils der bislang unvollständig oxydierten Komponenten des Treibstoffes bei einer genügend niedrigen Temperatur zu. bewirken, daß die Erzeugung von "wesentlichen Mengen von Stickstoffoxiden vermieden wird. ■ . . '
13. Verfahren aach Anspruch 12,.dadurch ge k e η η τ - ' zeichnet, daß man die gasförmigen Produkte nach der Vermischung turbulent vermischt, um eine vollständige Verbrennung bei einer Temperatur zu bewirken_s die genügend hoch istj um das bislang nicht oxydierte Kohlenmonoxid_s die Kohlenwasserstoffe und die kohlenstoffhaltigen teilchenförmigen Stoffe zu oxydieren, die aber genügend niedrig ist, daß eine wesentliche,Oxydation des Stickstoffs vermieden wird.
14. .Verfahren nach Anspruch ΐ3» dadurch g e k en η - ^: zeichnet? daß das turbulente Vermischen genügend weit stromabwärts des Kernstroms erfolgt, daß bei einer Temperatur oberhalb etwa 982⁰G, jedoch unteü

ständige 'Verbrennung stattfindet,

oberhalb etwa 982⁰G, jedoch unterhalb etwa 1-.427⁰Q eine voll-·-
15. Verfahren nach Anspruch 14? dadurch g e k e η η zeichne t, daß die vollständige Verbrennung zwischen etwa 1.038 und etwa 1.260⁰G erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß man bei der Stufe der turbulenten Vermischung ,der gasförmigen Produkte die·Gase durch eine Vielzahl von Öffnungen leitet.

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17. Verfahren nach, einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lufthülle bezüglich des Kernstroms im Winkel einspritzt, wodurch die Lufthülle um den Kernstrom herum rotiert.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß man weiterhin einen Teil der weiteren Luft in einen Stromabwärtsteil der Verbrennungszone einspritzt, um das turbulente Vermische zu fördern.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß man die Menge der weiteren Luft entsprechend der Menge des in die Verbrennungszone eingeführten Brennstoffs kontrolliert.

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