DE2405227A1

DE2405227A1 - Verbrennungsverfahren zum reduzieren der erzeugung von nox

Info

Publication number: DE2405227A1
Application number: DE19742405227
Authority: DE
Inventors: Yasuo Hirose
Original assignee: Nippon Furnace Co Ltd
Current assignee: Nippon Furnace Co Ltd
Priority date: 1973-04-23
Filing date: 1974-02-04
Publication date: 1974-11-07
Also published as: GB1458386A; DE2405227B2; DE2405227C3; JPS49130525A; US3876362A; FR2226619B1; FR2226619A1; JPS5222131B2

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIP!.. ING. W. EiIXE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

PATENTANWÄLTE

D-8000 MÖNCHEN 81 ■ ARABELLASTRASSE 4 ■ TELEFON (0811) 911087

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Nippon Furnace Kogyo Company Ltd., Tokyo / Japan

Verbrennungsverfahren zum Reduzieren der Erzeugung von Nox

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbrennungsverfahren zum Reduzieren der Erzeugung von NOx.

NOx ist das Hauptagens fotochemischen Smogs, daher ist es wünschenswert, die Erzeugung von NOx bei der Verbrennung zu verringern.

Ein bekanntes Verfahren, die Erzeugung von NOx durch Steuern der Verbrennung zu verringern, beruht auf folgenden Prinzipien:

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a) Verringern der Flammentemperatur,

b) Verringern der Sauerstoff- und Stickstoffkonzentration,

c) Verringern der Verweilzeit des Verbrennungsgases in einer hohe Temperatur aufweisenden Atmosphäre.

Bei der praktischen Anwendung dieser Prinzipien wird gewöhnlich:

1. die Flammentemperatur durch Rückleiten von Abgas verringert,

2. eine zweistufige Verbrennung angewandt, welche weniger Sauerstoff und Stickstoff zur Verbrennung benötigt,

3. die Flammentemperatur durch Einspritzen von Wasser in die Brennkammer verringert, und

4. der mehrdüsige Brenner verwendet, der im allgemeinen als nichtstöchiometrischer Brenner bezeichnet wird.

Diese Verfahren haben jedoch Nachteile, z.B. muß beim Verfahren 1. zum Rückleiten des Abgases in einem angemessenen, proportionalen Verhältnis ein Heißluftgebläse und eine Steuervorrichtung als zusätzliche Ausrüstung vorgesehen werden, die höhere Herstellungskosten und einen empfindlicheren Betrieb aufgrund des besonderen Druckgleichgewichtes zwischen der Windkammer und der Verbrennungskammer erfordert. Beim Verfahren 2. ist eine größere Verbrennungsvorrichtung für die zweistufige Verbrennung notwendig, und darüber hinaus neigt die zweistufige Verbrennung dazu, große Rußmengen zu erzeugen. Obwohl Wassereinspritzung das einfachste Verfa.hren zur Verringerung der Flammentemperatur ist, hat das Verfahren 3. den Nachteil, daß zur Verringerung der Erzeugung von NOx auf einen zufriedenstellend niedrigen Wert große Wassermengen in die Brennkammer eingespritzt werden müssen, und daß große Wassermengen den Wärmewirkungsgrad verringern, und daß das Wasser auch zur Korrosion der Brennstoff- und Abgasdurchlässe führt. Beim Verfahren 4. kann der Mehrfachdüsenbrenner nur bei solchen Verbrennungsvorriehtungen wie großen Boilern für Dampferzeuger

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verwendet werden, der gewöhnlich mit mehreren Brennern ausgerüstet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungsverfahren zu schaffen, bei welchem alle die oben beschriebenen Nachteile herkömmlicher Verfahren überwunden werden, ohne daß irgendeine zusätzliche Einrichtung vorgesehen werden muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Brennstoff, ein Gemisch von Brennstoff und Dampf oder ein Gemisch von Brennstoff und. Luft mit hoher Geschwindigkeit durch einen Hochdruckgasbrenner oder einen Hochdruckdampf zerstäubenden Ölbrenner eingespritzt wird, der an einer am vorderen Ende des Ziegelaufbaus des Brenners befestigten Deckplatte angebracht ist, daß der Brennstoffstrom durch Coandaeffekt in die gewünschte Richtung im Ziegelaufbau des Brenners abgelenkt wird, die Ablenkung des Brennstoffstromes stabilisiert wird, so daß der Brennstoffstrom entlang der besonderen Wand des Ziegelaufbaus des Brenners strömt, ein Verbrennungsgas mit hoher Temperatur vom Brennraum her eingebracht wird, der hinter dem Ziegelaufbau des Brenners angeordnet ist und in Richtung der Wand des Ziegelaufbaus des Brenners gegenüber der Wand eingebracht wird, entlang der der abgelenkte Brennstoffstrom fließt, und daß das mit hoher Temperatur eingebrachte Verbrennungsgas in den Brennstoffstrom diffundiert wird, wodurch die endothermische Vergasung des Brennstoffs gefördert wird.

So wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch einfache Anwendung einer besonderen Wirkung des mit hoher Geschwindigkeit strömenden BrennstoffStroms gelöst. Erfindungsgemäß wird der Brennstoff dabei mit hoher Geschwindigkeit in den Ziegelaufbau des Brenners eingespritzt, der Strom des Brennstoffs abgelenkt und ein hohe Temperatur aufweisendes Verbrennungsgas vom Brennraum zum Ziegelaufbau des Brenners mittels der besonderen Wirkung des mit hoher Geschwindigkeit strömenden Brennstoffs induziert. Dieses Verbrennungsgas mit hoher Temperatur wird in den Strom des Brennstoffs diffundiert, so daß der Brennstoff vor der Verbrennung vergast wird.

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So wird mittels einer einfachen Verbrennungsvorrichtung die Erzeugung von NOx um die Hälfte verringert und gleichzeitig eine gleichmäßige, vollständige Verbrennung mit niederer Temperatur mit erheblich verringertem Luftüberschuß erreicht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Erzeugung des bei der Erfindung angewandten Coandaeffekts,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ziegelaufbaus des

Brenners und benachbarte Einrichtungen gemäß der Erfindung , und

Fig. 3 eine grafische Darstellung der geänderten Erzeugung von NOx in einem Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens und des herkömmlichen, einstufigen Verbrennungsverfahrens bei verschiedenen Luftüberschußverhältnissen.

Weil die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch Anwendung der Vorteile des Coandaeffekts erzielt wird, welcher durch einen Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit verursacht wird, wird die Erfindung durch die Erläuterung des Coandaeffekts und seiner Nebenerscheinungen vor der genauen Erläuterung der Erfindung besser
verständlich.

In Fig. 1 ist ein zylindrischer, aus Seitenwänden 1 und 1' bestehender Aufbau am vorderen Ende mit einer Deckplatte 2 abgedeckt, in deren Mitte eine Einspritzdüse 3 so befestigt ist, daß sie
Gas koaxial zum zylindrischen Aufbau mit einer Geschwindigkeit
einspritzt, die so hoch wie die Schallgeschwindigkeit ist. Obwohl das Gas koaxial zum zylindrischen Aufbau eingespritzt wird, wird der Gasstrom an einer Seite der Seitenwand, z.B. zur Wand 1,
durch eine leichte Störung abgelenkt, so daß ein Teil des

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Gasstromes durch die Oberfläche der Wand 1 behindert wird. Diese Erscheinung wird als Coandaeffekt bezeichnet.

Der Coandaeffekt wird stabilisiert, um den Gasstrom nicht unbestimmbar abzulenken, sondern ständig zur bevorzugten Richtung durch Vorsehen zweckmäßiger Lufteinlässe für die Deckplatte 2 oder die Wand des zylindrischen Aufbaus oder irgendeine andere geeignete Einrichtung abzulenken.

Aufgrund des Coandaeffekts wird Luft vom offenen Ende des zylindrischen Aufbaus in Richtung der Seitenwand 1' gegenüber der Wand 1, wie mit den Pfeilen in Fig. 1 gezeigt ist, mit ungefähr konstanter Menge eingebracht und dann schnell in den Gasstrom diffundiert.

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

Das vordere Ende des Ziegelaufbaus 4 des Brenners ist mit einer Deckplatte 5 verschlossen, in deren Mitte ein Hochdruckgasbrenner oder ein ölzerstäubender Ölbrenner 6 befestigt ist.

Brennstoff, ein Gemisch von Brennstoff und Dampf oder ein Gemisch von Brennstoff und Luft wird durch den Brenner 6 mit einer Geschwindigkeit eingespritzt, die in der Nähe der Schallgeschwindigkeit liegt.

Der Brennstoffstrom wird durch Coandaeffekt zu einer bevorzugten Seite des Ziegelaufbaus 4 des Brenners abgelenkt. Dadurch wird auf den in den Brennraum 9 strömenden Brennstoffstrom durch die Oberfläche des Ziegelaufbaus des Brenners eingewirkt. Der Coandaeffekt wird gesteuert, um die Richtung der Ablenkung des Brennstoffstromes zu stabilisieren, indem zweckmäßig Lufteinlässe 7 oder 8 im Ziegelaufbau 4 des Brenners bzw. der Deckplatte 5 vorgesehen werden, oder

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indem dem Ziegelaufbau des Brenners eine besondere Form gegeben wird.

Verbrennungsgas mit hoher Temperatur wird vom Brennraum 9 in den Ziegelaufbau 4 des Brenners mit einem konstanten Betrag in Richtung der dem abgelenkten Brennstoffstrom gegenüberliegenden Seite eingebracht, wie mit Pfeilen dargestellt ist. Dieses Verbrennungsgas wird schnell in den Brennstoffstrom diffundiert und fördert die endothermische Vergasung des Brennstoffs.

Der vergaste Brennstoff wird gezündet und verbrennt schnell im Brennraum 9.

So sind die Merkmale der Erfindung der durch den in den Ziegelaufbau 4 des Brenners mit hoher Geschwindigkeit eingespritzten Brennstoffstrom verursachte Coandaeffekt, das Einbringen des Brenngases mit hoher Temperatur in den Ziegelaufbau des Brenners vom Brennraum her, das durch den stabilisierten Coandaeffekt bewirkt wird, und die schnelle endothermische Vergasung des Brennstoffes, die durch die Wäxme des mit hoher Temperatur in den Ziegelaufbau des Brenners -ingeführten und in den Brennstoffstrom diffundierten Verbrennungsgases verursacht wird. Durch diese Merkmale wird bewirkt, daß der Brennstoff schnell und gleichmäßig im Brennraum 9 verbrennt, wenn der wirbelnde Strom der Verbrennungsluft eingebracht wird, wobei er den Brennstoffstrom am offenen Ende des Ziegelaufbaus 4 des Brenners umgibt.

Der Coandaeffekt wird, wie oben beschrieben, durch Vorsehen der Luftelnlässe 7 oder 8 oder in anderer Weise durch Vorsehen eines Ausschnittes für die bevorzugte Lage des Ziegelaufbaus des Brenners herbeigeführt, um das Verbrennungsgas glatt und leicht in den Ziegelaufbau des Brenners einzubringen.

Eine Versuchsverbrennung gemäß der Erfindung zeigte, daß die

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gemessene Menge des in den Ziegelaufbau des Brenners eingebrachten Verbrennungsgases mit hoher Temperatur 50 bis 65 % des theoretischen Luftbetrages betrug, und daß das eine hohe Temperatur aufweisende Verbrennungsgas ungefähr mit konstanter Menge in den Ziegelaufbau des Brenners eingebracht und in den Brennstoffstrom diffundiert wird, wodurch eine gleichförmige endothermische Vergasung des Brennstoffs verursacht wird. Daher wird eine vollständige Verbrennung im Brennraum mit relativ verringertem Luftüberschuß durchgeführt, und die Flammtemperatur hat mit ungefähr 1.200 C im Vergleich zu der Flammtemperatur von 1.35O°C bei der herkömmlichen, einstufigen Verbrennung eine erheblich geringere Größe.

So wird durch die Durchführung der erfindungsgemäßen Verbrennung die Erzeugung von NOx bemerkenswert verringert.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, welche die veränderten Werte der Erzeugung von NOx bei verschiedenen Luftüberschußverhältnissen darstellt, die in dem vergleichenden Verbrennungsversuch zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem herkömmlichen Verfahren gemessen wurden. Die grafische Darstellung zeigt, daß die Erzeugung von NOx bei einer Verbrennung gemäß der Erfindung bei jedem Luftüberschußverhältnis ungefähr 40 % niedriger als die bei der Verbrennung nach dem herkömmlichen Verfahren ist. So kann wohl gefolgert werden, daß die Erzeugungsmenge von NOx durch das erfindungsgemäße Verfahren um die Hälfte verringert wird, weil das erfindungsgemäße Verfahren weniger Luftüberschuss für die vollständige Verbrennung erfordert.

Der Ausdruck "umgerechneter Wert der Erzeugung von NOx" ist durch folgende Gleichung bestimmt: (umgerechneter Wert der Erzeugung von NOx) = (Luftüberschußverhältnis) χ (Betrag des tatsächlich anfallenden NOx). Weil durch das erfindungsgemäße Verfahren eine vollständige Verbrennung durchgeführt wird, wird weniger Ruß erzeugt.

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Der Verbrennungsversuch unter Verwendung von B und C Schweröl zeigte, daß der durch das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren erzeugte Betrag an Ruß sichtlich kleiner ist als der mit der Verbrennung nach dem herkömmlichen Verfahren erzeugte.

Die Erzeugung von NOx kann weiter durch Absenken der Flammtemperatur durch Rückleiten und Mischen von Abgas mit der Verbrennungsluft verringert werden.

Kurz zusammengefaßt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein Verbrennungsverfahren, bei welchem Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit durch einen Hochdruckluft oder -dampf zerstäubenden Brenner eingespritzt wird, der an einer am vorderen Ende des Ziegelaufbaus des Brenners befestigten Deckplatte angebracht ist.

Der Brennstoffstrom wird durch Coandaeffekt zur spezifischen Wand des Ziegelaufbaus des Brenners abgelenkt,und Verbrennungsgas mit hoher Temperatur wird vom Brennraum in Richtung der Wand des Brenners gegenüber dem abgelenkten Brennstoffstrom eingebracht und in den Brennstoffstrom diffundiert. Der Brennstoff wird durch die Wärme des hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsgases vergast, bevor der Brennstoffstrom in den Brennraum gefördert wird.

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Claims

Patentanspruch

Verbrennungsverfahren zum Reduzieren der Erzeugung von NOx, dadurch gekennzeichnet , daß Brennstoff, ein Gemisch von Brennstoff und Dampf oder ein Gemisch von Brennstoff und Luft mit hoher Geschwindigkeit durch einen Hochdruckgasbrenner oder einen Hochdruckdampf zerstäubenden Ölbrenner eingespritzt wird, der an einer am vorderen Ende des Ziegelaufbaus (4) des Brenners befestigten Deckplatte (5) angebracht ist, daß der Brennstoffstrom durch Coandaeffekt in die gewünschte Richtung im Ziegelaufbau des Brenners abgelenkt wird, die Ablenkung des Brennstoffstromes stabilisiert wird, so daß der Brennstoffstrom entlang der besonderen Wand des Ziegelaufbaus des Brenners strömt, ein Verbrennungsgas mit hoher Temperatur vom Brennraum (9) her eingebracht wird, der hinter dem Ziegelaufbaxi (4) des Brenners angeordnet ist und in Richtung der Wand des Ziegelaufbaus des Brenners gegenüber der Wand eingebracht wird, entlang der der abgelenkte Brennstoffstrom fließt, und daß das mit hoher Temperatur eingebrachte Verbrennungsgas in den Brennstoffstrom diffundiert wird, wodurch die endothermische Vergasung des Brennstoffs gefördert wird.

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