DE2408635C3

DE2408635C3 - Verfahren zum Verbrennen von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff

Info

Publication number: DE2408635C3
Application number: DE2408635A
Authority: DE
Inventors: Yukihisa Fujima
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1973-02-24
Filing date: 1974-02-20
Publication date: 1982-04-15
Also published as: GB1445795A; DE2408635A1; CA1027842A; DE2408635B2; CH568526A5; US3907488A; FR2219384B1; SU596176A3; NL167510C; IT1015821B; NL7402554A; FR2219384A1; JPS49111235A; ES423579A1; NL167510B; ES446488A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff in zwei getrennten Luftströmen, die jeweils durch mehrere Düsen in den Brennraum eingeführt werden und von denen der eine mit dem Brennstoff ein unterstöchiometrisches Gemisch von Luft zu Brennstoff bildet.

In einer Verbrennungsflamme werden Oxide von Stickstoff (nachstehend als NOx bezeichnet) durch die Kombination von Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen in der Verbrennungsluft erzeugt. Die Geschwindigkeit der NOx-Produktion hängt in großem Maße von der Flammtemperatur ab, oder: je höher die Flammtemperatur desto rascher ist die NOx-Entwicklung. Es ist deshalb zweckmäßig, die Flammtemperatur zu verringern, um die NOx-Produktion als Ergebnis der Verbrennung herabzusetzen. Dies ist in der Technik allgemein bekannt.

Zum Verringern des NOx-Gehalts der Verbrennungsgase sind die folgenden Verfahren bekannt:

1. Zwei-Schritt-Verbrennung, bei der eine unterstöchiometrische Mischung in den Brennraum strömt, und die restliche Luft aus einer unabhängigen Düse freigegeben wird (US-PS 30 48 131).

2. Verbrennung, bei der ein inertes Gas (z. B. Verbrennungsgas) der Luft für die Verbrennung zugesetzt wird (FR-PS 21 06 332).

Diese Verfahren wurden im Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf ihre NOx-Verringerungswirkung geprüft. Die Ergebnisse werden in den F i g. 1 bis 3 dargestellt und erläutert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die NOx-Konzentration in den Verbrennungsgasen zu senken.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß vorteilhaft durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Das Verfahren nach der Erfindung kann bei Brennern von Kesseln oder bei anderen industriellen Öfen wie auch Gasturbinen angewendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachstehend erläutert werden. Dabei zeigt

ίο Fig. 1 bis 3 Diagramme, die die Beziehung zwischen dem Luftverhältnis bei Brennern und den NOx-Konzentrationen in den Verbrennungsgasen bei gasförmigen, leicht flüssigen und schwerflüssigen Brennstoffen wiedergeben,

π Fig. 4 eine Vorderansicht eines Brenners für gasförmigen Brennstoff,

F i g. 5 einen Schnitt an der Linie V-V der F i g. 4,

F i g. 6 eine Vorderansicht eines Brenners für leichtes Heizöl,
2i> F i g. 7 einen Schnitt an der Linie IX-IX der F i g. 6,

Fig. 8 eine Vorderansicht eines abgeänderten Brenners für leichtes Heizöl,

F i g. 9 einen Schnitt an der Linie XI-XI der F i g. 8,

Fig. 10 einen Schnitt ander Linie XIl-XlI der Fig. 9. F i g. 1 zeigt die Beziehung zwischen dem Luftverhältnis innerhalb des Brenners (auf der Abzisse) und der NOx-Konzentration im Verbrennungsgas (auf der Ordinate).

Di; Fig. 2 und 3 zeigen die Ergebnisse von 3D Experimenten mit einem leichten flüssigen Brennstoff (Kerosin) und einem schweren flüssigen Brennstoff (Schweröl).

Die gestrichelten Kurven in Fig. 1 stellen die Ergebnisse von Experimenten dar, die unter Verwenj5 dung gewöhnlicher Brenner durchgeführt worden sind, wobei das Verhältnis (nachstehend mit »GM« bezeichnet) der Menge inerten Gases (Verbrennungsgas) in der Luft zur Verbrennung von GMi auf GM^ vergrößert wird. Die NOa;-Konzentration steigt, wie das Diagramm AO zeigt, allmählich an, bis das Luftverhältnis im Brenner etwa 1,2 erreicht, bleibt aber über diesem Wert praktisch konstant.

Die Ergebnisse der Verbrennungsexperimente mit einem gasförmigen Brennstoff unter Verwendung eines Brenners zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung sind durch fortlaufende Kurven (GM\ — GMz) in Fig. 1 dargestellt. Die Kurven nach der Erfindung sind bergförmig mit sehr scharfen Gradienten, wobei die Spitzen dem Luftverhältnis von etwa 1,0 zu 1,1 entsprechen.

Ohne inertes Gas und bei einem Luftverhältnis im Brenner nahe 1,0 ist die NOx-Konzentration im Verbrennungsgas im Vergleich mit den mit üblichen Verfahren erreichten Werten hoch. Beim Ansteigen des Luftverhältnisses weiter über das der NOx-Spitze entsprechende Luftverhältnis im Brenner und auch, wenn die Zugabe von inertem Gas zur Luft einen größeren Prozentsatz einnimmt (von GM\' nach GMi), nimmt die NOx-Konzentration sehr sensitiv und rasch ab und fällt unter die Werte nach den früheren Verfahren.

Bei der Erfindung werden gasförmige Mischungen, die in der Brennstoff-Konzentration von Düsen zu Düsen schwanken, an verschiedene Düsen eines Mehrdüsenbrenners geführt und so uneinheitliche Luftverhältnisse in den Düsen erhalten. Die dadurch erzielten vorteilhaften Wirkungen sind wie folgt:

Der Punkt a ist der Punkt eines Düsensatzes für

Luftverhältnisse von mehr als 1,0 und der Punkt b der des Düsensatzes für ein Luftverhältnis von weniger als 1,0.

Die Punkte a und Vergeben niedrigen* NOx-Konzentrationen als die entsprechenden Punkte bei üblichen : Verfahren. Das Zusammenlegen der Punkte a und b ergibt ein Gesamtluftverhältnis im B.enner am Punkt c. Verglichen mit einer gewöhnlichen Anordnung, bei der alle Brenner auf den Punkt a eingestellt sind, ist eine Verbrennung mit geringerem Luftüberschuß möglich, in Daraus iolgt, daß ein mit dem Brenner nach der Erfindung ausgerüsteter Wärmeaustauscher einen sehr hohen thermischen Wirkungsgrad erreichen kann.

Die am Punkt b betätigte Düse erzeugt eine Flamme mit unzureichender Luftzufuhr oder arbeitet in einem η Zustand unvollständiger Verbrennung. Der Zustand kann beispielsweise durch Schichten von Düsen verbessert werden, von denen einige mit einem Luftverhältnis am Punkt b arbeiten und die anderen Düsen am Punkt a wirksam sind. Auf diese Weise wird die am Punkt b wegen des Luftmangels entstehende Verbrennung durch den Luftüberschuß am Punkt a vollständig gemacht.

Als Alternative kann die Luft im Brenner mit einem inerten Gas (z. B. dem Verbrennungsgas) gemischt werden, um den Arbeitspunkt von a zu a'oder a" und in gleicher Weise den Arbeitspunkt von b zu i'oder o"zu verschieben. Demnach wird das Durchschnittsluftverhältnis zum Punkt c' oder c" verschoben. Dadurch ist eine Verbrennung mit einem geringeren Luftüberschuß und einem höheren thermischen Wirkungsgrad mi/glich, als wenn die Verbrennung mit allen Brennersätzen am Punkt a'oder a"ausgeführt würde.

Die Ergebnisse der Verbrennungsexperimente von Leichtöl (Kerosin) mit einem Brenner zum Durchführen ji des Verfahrens nach der Erfindung werden in Fig. 2 durch ausgezogene Linien dargestellt. Eine Strichpunktlinie stellt das Ergebnis eines Experimentes mit Kerosin und eine andere Strichpunktlinie das Ergebnis mit schwerem Heizöl dar, wobei beides in üblicher Weise ausgeführt ist. Die ausgezogene Linie A summiert das Ergebnis des Experimentes bei dem Kerosin vollständig verdampft und mit der gesamten Luftmenge für die Verbrennung vorgemischt worden ist. Die Vormischung wurde an einem Vormischbrenner verbrannt.

Aus dem Diagramm ergibt sich, daß beim Verdampfen und Vermischen eines leichten Heizöls zur Verbrennung, wie noch beschrieben werden wird, die NOx-Produktion auf einen solchen Wert verringert wird, der durch die übliche Sprühverbrennung niemals erreicht wird.

Die ausgezogenen Linien Sund Cin F i g. 2 zeigen die Wirkungen eines inerten Gases (Verbrennungsgas), das bei Verbrennung von Kerosin nach der Erfindung in Luft eingeführt wird. Im Vergleich mit A unterstützt die Luft mit einer kleinen oder großen Menge B bzw. C inerten Gases das Reduzieren der NOx-Konzentration im Verbrennungsgas. Je größer die Zugabe dieses Gas zur Luft, desto niedriger ist die NOa--Konzentration.

Beim Verfahren nach der Erfindung kann auch die NOx-Konzentration auf sehr niedrige Werte dadurch abnehmen, wie es durch die geraden Linien A', ß'und C dargestellt ist, daß die Verbrennung mit der Zugabe desselben Verhältnisses von Verbrennungsgas wie bei A, B bzw. C bewirkt wird, aber mit viel kleinerem Luftverhältnis.

Hierdurch werden, wenn ein Brenner mit mehreren Düsen verwendet wird und einige der Düsen an den Punkten a, b und c, der Rest an den Punkten a' o'und c' betrieben werden, die mittleren Luftverhältnisse bei a", b"und ^'eingestellt.

Während der Fall beschrieben worden ist, in dem das Verbrennungsgas in Luft zum Verbrennen gemischt ist, wird praktisch dieselbe Wirkung beim Zugeben eines anderen inerten Gases oder einer inerten Flüssigkeit durch Sprühen in die Luft erzielt

Die Beziehung zwischen der gesamten Menge von NOx im Verbrennungsgas und der Luftüberschußraten bei der Verbrennung von schwerem Heizöl nach verschiedenen Verbrennungsverfahren wird in Fig. 3 graphisch dargestellt. Die Menge von inertem Gas als Zugabe war bei allen Experimenten dieselbe.

Im Diagramm stellt die obere strichpunktierte Linie das Ergebnis eines Verbrennungsexperimentes dar. das mit einer gewöhnlichen Sprühpistole durchgeführt worden ist.

Die untere strichpunktierte Kurve zeigt das Ergebnis eines Experimentes einer Verbrennung mit Vergasen von schwerem Öl und Abgabe aus getrennten Düsen eines gemeinsamen Brenners.

Es ist zu sehen, daß bei der Erfindung (durchgehende Linie) das NOx in einer Weise gebildet wird, die sich von den beidpn beschriebenen Fällen stark unterscheidet. Außerdem ist der absolute Stand der NOx-Konzentration bei weitem der niedrigste. Die Spitze liegt bei einem Luftverhältnis von etwa 1.0.

Wenn das Luftverhältnis in angrenzenden Durchgängen groß ist, z. B. am Punkt a in F i g. 3, während das Verhältnis der anderen Durchgänge klein ist, z. B. am Punkt b, dann kann somit das gesamte Luftverhältnis im Brenner und die NOx-Konzentration im Verbrennungsgas beispielsweise beim Punkt c liegen.

Das heißt, das Luftverhältnis ist kleiner und der thermische Wirkungsgrad ist größer, als wenn alle Durchgänge auf den Punkt a eingestellt sind. Obwohl in den Durchgängen infolge des Luftmangels eine unvollständige Verbrennung stattfindet, wird die Verbrennung durch die Überschußluft in den benachbarten Durchgängen vollständig gemacht.

Der Brenner für gasförmigen Brennstoff nach der Erfindung wird in den F i g. 4 und 5 gezeigt. Er besteht aus mehreren Düsen 1, von denen jede ein Gaszufuhrrohr 2a oder 2b, ein Luftzufuhrrohr 3 zum Liefern von Luft mit oder ohne Zugabe eines inerten Gases (Verbrennungsgas) eine Vormischkammer 4, in der Luft allein oder Luft plus inertes Gas mit Heizgas gemischt wird, und eine Gasverbrennungsprallplatte 5 besitzt.

Brenner für leichtes Heizöl werden in Fig. 6 bis 10 gezeigt.

Die Brenner enthalten mehrere Düsen Γ. von denen jede aus einer Einspritzdüse 2'a oder 2'b, einem Luftzufuhrrohr 3', durch das Luft zum Verbrennen oder eine Mischung von Luft und einem inerten Gas zugeführt wird, und einer Flammstabilisierungsplatte 4' besteht, und sind an einem gemeinsamen Brennstoffvorwärmer 5' angeschlossen. Außerdem wird eine Kaltwassersprühdüse 6' vorgesehen, wenn Wasser als inerte Flüssigkeit eingesprüht werden soll.

Die Brennstoffeinspritzdüsen 2'a und 2'b sind so beschaffen, daß sie Brennstoff mit verschiedenen Geschwindigkeiten austreten lassen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbrennen von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff in zwei getrennten Luftströmen, die jeweils durch mehrere Düsen in den Brennraum eingeführt werden und von denen der eine mit dem Brennstoff ein unterstöchiometrisches Gemisch von Luft zu Brennstoff bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Luftstrom mit dem Brennstoff ein überstöchiometrisches Gemisch bildet und beide Brennstoff-Luft-Gemische benachbart und zusammen verbrannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gemische mit einem inerten Gas gemischt werden, bevor sie aus den entsprechenden Düsen zur Verbrennung austreten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gemische mit einer versprühten inerten Flüssigkeit gemischt werden, bevor sie aus den entsprechenden Düsen zur Verbrennung austreten.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Gemisch ein Luftverhältnis von zugeführter Luftmenge zur theoretischen Luftmenge von 1,3 bis 1,6 und das andere Gemisch ein Luftvci hältnis von 0,5 bis 0,8 besitzt.