DE2420348A1

DE2420348A1 - Verfahren zum verbrennen von gasfoermigen brennstoffen und abgasen und reaktionsbrenner zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2420348A1
Application number: DE2420348A
Authority: DE
Inventors: Svend Borge Dipl Ing Johansen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-04-27
Filing date: 1974-04-26
Publication date: 1974-11-07
Also published as: NL7405795A; BE814029R; JPS5052641A; FR2237125A2; US3949054A; FR2237125B2; GB1468201A; IT1045731B

Description

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Svend Borge Johansen, San Pedro de Premiä, Barcelona / Spanien Zusatz zu Patent Nr (Patentanmeldung Nr. P 22 53 209.8)

Verfahren zum Verbrennen von gasförmigen Brennstoffen und Abgasen und Reaktionsbrenner zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbrennen von gasförmigen Brennstoffen und Abgasen, beispielsweise Abgasen von Brennkraftmaschinen unter Verwendung von Verbrennungsluftüberschuß und unter partiellem, thermischem Rückfluß der Wärme der Verbrennungsprodukte und der Verbrennungswärme zum Verbrennungsvorgang, bei welchem der Wärmeinhalt der Verbrennungsprodukte durch Wärmeaustausch mit Verbrennungsluft und/oder Gas, teilweise zum Ver-

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brennungsvorgang zurückgeführt wird, wobei die Verbrennungsluft und das Gas auch in gegenseitigem Wärmeaustausch stehen können, worauf die Luft und das Gas derart in eine Reaktionskammer geführt werden, daß unmittelbar nach dem Einströmen in die Reaktionskammer eine Oberflächenverbrennung in einer die Luft- und Gasbereiche von einander trennenden Reaktionszone erfolgt, wodurch die Verbrennungswärme durch Wärmeaustausch zum Teil auf die Luft und das Gas unmittelbar vor und während ihrer Einströmung in die Reaktionszone übertragen wird, in der die Luft und das Gas die empfangene Wärme zum Teil an den Verbrennungsvorgang abgeben; und wobei der totale thermische Rückfluß ausreicht, um die Oberflächenverbrennung dadurch aufrecht zu erhalten , daß die Temperatur der Luft und des Gases beim Zusammentreffen in der Reaktionszone bei oder oberhalb des Zündpunktes der Mischung liegt, sowie daß die Oberflächenverbrennung zusätzlich oberhalb des Zündpunktes für Kohlenmonoxid-Luft-Gemische gehalten wird und auf einen Reaktionsbrenner zur Durchführung des Verfahrens, welcher mindestens einen Wärmetauscher und eine Reaktionskammer enthält, in die eine oder mehrere Gasdüsen münden, die mit einem Wärmetauscher und einer oder mehreren Luftdüsen verbunden sind, die ebenfalls mit einem Wärmetauscher verbunden sind, und bei welchem mindestens einer der Wärmetauscher für Beeinflussung durch die warmen Verbrennungsprodukte aus der Reaktionskammer ausgeführt ist, und die totale Wärmetauscherkapazität der Brenner ausreicht, um eine Oberflächenverbrennung zwischen Luft und Gas aufrecht zu erhalten, gemäß Patent Nr (Patentanmeldung Nr. P 22 53 209.8).

In der erfindungsgemäßen Ausführungsform dieses Verfahrens erfolgt die Verbrennung in einer rotationssymmetrisch ausgelegten Kammer, in der eine Art Gasschwungrad zum Speichern der kinetischen Ener-.gie in Form von Rotationsenergie gebildet wird, indem das Gasschwungrad eine mit dem Schwungrad eines Motors analoge Wirkung aufweist, jedoch mit dem Unterschied, daß das Gasschwungrad Masse auswechselt, indem Massenelemente von großer Bewegungsgröße an der Peripherie des Schwungrads zugeführt und entsprechende Massenelemente mit

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kleiner Bewegungsgröße im Bereich des Wirbelζentrums entnommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren zur Erzielung relativer Konzentrationserhöhung von zu Verbrennung reaktionsfähigen Komponenten in Gasen und Abgasen, und einen Reaktionsbrenner zur Durchführung dieses Verfahrens, weiter zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gas zu einer ungefähr gleichmäßigen Temperatur gemischt und danach einem Gasrotationsfeld in angemessenem Abstand von der Rotationsachse zugeleitet wird, wobei das Gas der Rotationsachse frei strömen kann.

Durch dieses Verfahren wird mittels des verwendeten massenauswechselnden GasSchwungrades die für'die Erzielung guter Verbrennung, besonders in Verbindung mit Abgasen, wichtige relative Konzentration der in den Abgasen zu Verbrennung reaktionsfähigen Komponenten erreicht.

Der Reaktionsbrenner zur Durchführung eines dieser Verfahren ist so ausgebildet, daß der Gasvorwärmer aus einem als rotationssymmetrisch ausgelegte Zylinderschale gebildeten ersten Abschnitt besteht, der mit einem rotationssymmetrisch ausgelegten zweiten Abschnitt verbunden ist, wobei das Gas der Symmetrieachse frei zuströmen kann, und daß der Gasvorwärmer das innere Brennerrohr in einer angemessenen Ausdehnung umschließt. Es sei erwähnt, daß das Anwendungsgebiet eines solchen Reaktionsbrenners auch die Verbrennung von Heizölen einschließt.

Die Erfindung und die dadurch erreichte neue technische Wirkung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1-3 verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen

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Reaktionsbrenners.

Die angestrebte relative Konzentrationserhöhung von zur Verbrennung fähigen Komponenten in-Gasen und Abgasen wird in Verbindung mit dem unterschiedlichen Molekulargewicht M in den Komponenten erreicht, indem M_CO2=44, ^=30, M_CO=28, 1^=28, M_H2Q=18, M_R2=2.

Wenn das Abgas zu einer gleichmäßigen Temperatur, z.B. durch Rotation in dem ersten rotationssymmetrisch und schalenförmig ausgelegten Abschnitt 10a (Fig. 1) des Gasvorwärmers gemischt wird, der von der Rotationsachse entfernt angeordnet ist, wird im Gasrotationsfeld des zweiten Abschnitts 10b (Fig. 1) des Gasvorwärmers, eine kontinuierliche Aufteilung des Gases erfolgen, wobei sich das Abgas der Rotationsachse frei zuführen läßt, so daß im Bereich der Rotationsachse eine relative Konzentrationserhöhung von Molekülen niedrigen Molekulargewichts oder von schwereren Molekülen mit einer überdurchschnittlichen kinetischen Energie, d.h. von einer überdurchschnittlichen Temperatur, vorhanden ist.

Die wesentlich schwereren inerten Kohlendioxidmoleküle werden im äußeren Teil des Rotationsfeldes relativ konzentriert sein.

Da die reduktive Verbrennung von Stickstoffmonoxid mit Kohlenmonoxid oder Wasserstoff zu Stickstoff und Kohlendioxid oder Wasser von der Konzentration, dem Energieniveau der Reaktanten und der Energiebarriere der Reaktion, d.h. dem Zündpunkt, abhängt, ist die Wahrscheinlichkeit der Verbrennung wesentlich vergrößert, wie es auch zu erwarten ist, daß die Reaktion vorzugsweise im Bereich der Rotationsachse anfängt. Die durch die Reaktion frei gewordene Verbrennungswärme wird im wesentlichen an die relativ konzentrierten leichteren Moleküle im Bereich der Rotationsachse und des Rotationszentrums abgegeben, wodurch das Konzentrations- und Temperaturprofil von zur Verbrennung fähigen Komponenten über den Radius des Rotationsfeldes in Richtung auf die Rotationsachse ansteigen. Dieser Vorgang erhöht auch die

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Wahrscheinlichkeit der nachfolgenden oxidativen Verbrennung dieser Komponenten mit einer Überschußmenge von vorerwärmter Verbrennungsluft.

Die Wärmerückstrahlung von der Reaktionszone für die oxidative Verbrennung am Ende des Gasvorwärmers ist im wesentlichen auf ein kleines Gebiet im Bereich der Rotationsachse gerichtet und löst deswegen, wenn notwendig, die reduktive Verbrennung aus, indem die Rückstrahlung die Reaktanten über ihren Zündpunkt bringt. Es wird daran erinnert, daß die Reaktanten schon vorher im Gasvorwärmer vorerwärmt sind.

Da Verbrennungsverfahren und Reaktionsbrenner gemäß der Erfindung auf kontinuierlicher Vorerwärmung von Gas und Verbrennungsluft bis zu deren oxidativer Verbrennung basieren, ist es sehr wichtig, auch ein in der Längsrichtung der Rotationsachse von der Austrittsöffung des Reaktionsbrenners auf dieReaktionszone zu kräftig ansteigendes Temperaturprofil zu erzeugen, in welchem die Vorwärmtemperatur des Gases und der Luft niemals über die Temperatur des für den Wärmeaustausch kommunizierenden Mediums, ungeachtet dessen Wärmegehalts, gebracht werden kann. Die Ausdehnung der Hochtemperaturzone sollte daher zwecks Aufrechterhaltung sicherer Verbrennung möglichst begrenzt werden, besonders bei Abgasen mit niedriger Konzentration brennbarer Komponenten.

Das in der Längsrichtung des Reaktionsbrenners in Richtung auf die Reaktionszone ansteigende Temperaturprofil wird dadurch erreicht, daß Gas und Luft im rotierenden Gegenstrom zu den warmen Verbrennungsprodukten geführt werden, sowie durch Anwendung einer spiralförmigen Leitschaufel 32 zur Rotation der Verbrennungsluft (Fig.1). Die Leitschaufel 32 verringert den Wärmeverlust in den Vorwärmern, indem sie gleichzeitig als Reflektor für die Temperaturrückstrahlung wirkt.

Die Verbrennungsprodukte werden im Wärmeaustausch mit Gas und Luft

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abgekühlt, wodurch erreicht wird, daß die Strömungsgeschwindigkeit derselben in einem Brennerrohr mit einem Durchmesser entsprechend einem Venturirohr von der Form des Temperaturprofils abnehmen wird, weshalb der Reaktionsbrenner bei Anwendung, z.B. bei Verbrennung von Auspuffgasen, aus einfachen Rohrkomponenten hergestellt werden kann. Zusätzlich wird erreicht, daß der Auspuff die Verbrennungsluft durch Injektorwirkung ansaugt, wodurch auf eine Luftpumpe in Verbindung mit dem Verbrennungsmotor verzichtet und der Preis des Brenneraggregats herabgesetzt werden kann.

Das Prinzip der Verwendung von Rohrkomponenten ist in Fig. 1 dargestellt, die auch den rotationssymmetrisch und schalenförmig ausgelegten ersten Abschnitt 10a des Gasvorwärmers, in dem die Temperatur des Gases ausgeglichen wird, sowie den rotationssymmetrisch ausgelegten zweiten Abschnitt 10b des Gasvorwärmers zeigt, in dem das Gas zur Erzielung relativer Konzentrationserhohung von zur Verbrennung fähigen Komponenten der Rotationsachse frei zuströmen kann. In Fig. 1 ist an dem inneren Brennerrohr 2 die spiralförmige Leitschaufel 32 gezeigt, die sicherstellt, daß die Verbrennungsluft in Rotation gebracht wird, und daß der Wärmeverlust durch Temperaturstrahlung in den Vorwärmern herabgesetzt wird.

Fig. 1 zeigt eine Ausführung des Reaktionsbrenners für die Verbrennung von Auspuffgasen, die im Reaktionsbrenner mit hoher Temperatur eintreffen, weshalb die Ausdehnung des Gasvorwärmers im Verhältnis zum Luftvorwärmer begrenzt ist. Fig. 2 zeigt eine Ausführung des Reaktionsbrenners, in der sowohl Gas als auch Luft mit niedriger Temperatur zugeführt werden. In diesem Fall können sowohl Gasais auch Luftvorwärmer mit Leitschaufeln für dieSicherung ihrer Rotation versehen sein.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung gemäß der Erfindung, bei der der Gasvorwärmer eine in dem Luftvorwärmer 4b angebrachte Rohrspirale 33 ist, wodurch erreicht werden kann, daß sich der organische Brennstoff in flüssiger Form durch Zufuhrstutzen 34 am unteren Ende

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der Rohrspirale 33 zuführen und danach in Richtung auf ein an-.steigendes Temperaturfeld im Gasvorwärmer bewegen'läßt.

Hierdurch wird erreicht, daß der flüssige Brennstoff vorerwärmt und vergast wird, und daß das Gas danach auf eine der Verbrennung angemessene Temperatur vorerwärmt wird. Hierdurch kann z.B. ein destilliertes Heizöl mit großer Brennerkapazität vollständig verbrannt werden, wobei der Verbrennungsvorgang von Vorerwärmung und Vergasung des Heizöls sowie von Vorerwärmung des Gases und der Verbrennungsluft getrennt ist.

Ein Kracken des Heizöls wird bei der gezeigten Ausführung vermieden oder wesentlich verringert, indem Heizöl und Gas kontinuierlich vorerwärmt werden, ohne daß sie hohen Temperaturschocks ausgesetzt werden.

Fig. 3 zeigt auch eine Ausführung, in der der Wärmeverlust durch die innere Wärmeisolierung 22b des Reaktionsbrenners von der kalten Verbrennungsluft aufgenommen wird, die in einen den Reaktionsbrenner umschließenden, wärmeisolierenden Luftkanal 4a, eingeführt wird.

Diese Verbesserung des erfindungsgemäßen Reaktionsbrenners stellt sicher, daß der Wärmeverlust an der Oberfläche des Reaktionsbrenners sehr geringfügig wird, selbst wenn der Verbrennungsvorgang bei hoher Temperatur erfolgt, weil der Wärmeverlust durch die innere Wärmeisolierung 22b von der kalten Verbrennungsluft aufgenommen wird,'die kontinuierlich in dem äußeren Luftkanal 4a zugeführt wird, bis sie in den inneren Luftkanal 4b eingeführt wird. Hierdurch wird die Verbrennungsluft etwas erwärmt, jedoch nur auf eine so niedrige Temperatur, daß sich mit bekannten wärmeisolierenden Stoffen eine effektive Wärmeisolierung 22a des äußeren Luftkanals vornehmen läßt, wodurch ein prozentual sehr großer Teil der entwickelten Wärmeenergie den Reaktionsbrenner für Verwendungszwecke verläßt.

las allgemeine Prinzip gemäß der Erfindung zur Verminderung

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unnützen Wärmeverlustes von Brenneraggregaten zur Verbesserung der Verbrennung zeichnet sich dadurch aus, daß die Verbrennung im Zentrum der Schalen von wärmeisolierenden Materialien erfolgt, und daß eines oder mehrere wärmeaufnehmende Medien, z.B. Gas und Luft, kontinuierlich und z.B. unter Rotation in den Zwischenräumen der Schalen in Richtung auf den Verbrennungsvorgang im Zentrum mit Hilfe von ebenfalls wärmeleitenden Materialien zugeführt werden. Rotation von wärmeaufnehmenden Medien, Reaktanten und Verbrennungsprodukten konzentriert die Hochtemperaturzone mit geringer Ausdehnung, um die Symmetrieachse. Die Rotationsachse ist in Richtung ihres Radius von konzentrischen Schalen aus wärmeaufnehmenden Medien oder Wärmeisoliermaterialien mit immer niedrigeren Temperaturen umgeben.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Verbrennen von gasförmigen Brennstoffen und Abgasen, beispielsweise Abgasen von Brennkraftmaschinen unter Verwendung von Verbrennungsluftüberschuß und unter partiellem, thermischen Rückfluß der Wärme der Verbrennungsprodukte und der Verbrennungswärme zum Verbrennungsvorgang, bei welchem der Wärmeinhalt der Verbrennungsprodukte durch Wärmeaustausch mit Verbrennungsluft und/oder Gas teilweise zum Verbrennungsvorgang zurückgeführt wird, wobei die Verbrennungsluft und das Gasjauch in gegenseitigem Wärmeaustausch stehen können, worauf die Luft und das Gas derart in eine Reaktionskammer geführt werden, daß unmittelbar nach dem Einströmen in die Reaktionskammer eine Oberflächenverbrennung in einer die Luft- und Gasbereiche von einander trennenden Reaktionszone erfolgt, wodurch die Verbrennungswärme durch Wärmeaustausch zum Teil auf die Luft und das Gas unmittelbar vor und während ihrer Einströmung in die Reaktionszone übertragen wird, in der die Luft und das Gas die empfangene Wärme zum Teil an den Verbrennungsvorgang abgeben; und wobei der totale thermische Rückfluß ausreicht, um die Oberflächenverbrennung dadurch aufrecht zu erhalten, daß die Temperatur der Luft und des Gases beim Zusammentreffen in der Reaktionszone bei oder oberhalb des Zündpunktes der Mischung liegt, sowie das die Oberflächenverbrennung zusätzlich oberhalb des Zündpunktes für Kohlenmonoxid-Luft-Gemische gehalten wird, dadurch .gekennzeichnet, daß das Gas zu einer ungefähr gleichmäßigen Temperatur gemischt und danach in ein Gasrotationsfeld in angemessener Entfernung von der Rotationsachse geführt wird, wobei das Gas der Rotationsachse frei zuströmen kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Erzielung eines in Richtung auf die Reaktionszone ansteigenden Temperaturprofils in Verbrennungsprodukten, Gas und Luft, dadurch gekennzeichnet, daß Verbrennungsluft und/oder Gas getrennt und in gegen-

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seitigem Wärmeaustausch in rotierendem Gegenstrom mit warmen Verbrennungsprodukten in Richtung auf die Reaktionszone zugeführt werden.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, zur.Aufrechterhaltung einer sicheren Verbrennung durch Verringern von unnützem Wärmeverlust beim Verbrennungsvorgang, dadurch gekennz eichnet, daß der Verbrennungsvorgang von Schalen aus durch einen oder mehrere Zwischenräume voneinander getrennten wärmeleitenden und wärmeisolierenden Materialien umgeben ist, und daß eines oder mehrere wärmeaufnehmende Medien, z.B. Luft und Gas je einem Zwischenraum zugeführt und danach, vorzugsweise unter Rotation, in je einem Zwischenraum, der von der Zufuhrstelle mit dem Verbrennungsvorgang in offener Verbindung steht, in Richtung auf denselben geführt werden.

4. Reaktionsbrenner zur Durchführung des Verfahrens, welcher mindestens einen Wärmetauscher und eine Reaktionskammer enthält, in die eine oder mehrere Gasdüsen münden, die mit einem Wärmetauscher und einer oder mehreren Luftdüsen verbunden sind, die ebenfalls mit einem Wärmetauscher verbunden sind, und bei welchem mindestens einer der Wärmetauscher für Beeinflussung durch die warmen Verbrennungsprodukte aus der Reaktionskammer ausgeführt ist, und die totale Wärmetauscherkapazität der Brenner ausreicht, um eine Oberflächenverbrennung zwischen Luft und Gas aufrecht zu erhalten,gemäß Patent Nr (Patentanmeldung Nr. P 22 53 209.8), dadurch gekennzeichnet, daß der Gasvorwärmer aus einem als rotationssymmetrisch ausgelegte Zylinderschale gebildeten ersten Abschnitt (10a) (Fig.1-2) besteht, der mit einem rotationssymmetrisch ausgelegten zweiten Abschnitt (10b) verbunden ist, wobei das Gas der Symmetrieachse frei zuströmen kann, und daß der Gasvorwärmer das innere Brennerrohr (2) in einer angemessenen Ausdehnung umschließt.

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5. Reaktionsbrenner nach Anspruch 4, dadurch g e kennz eichnet, daß der Gasvorwärmer und/oder Luftvorwärmer mit Leitschaufeln (32) (Fig. 1) versehen ist.

6. Reaktionsbrenner nach Anspruch 4 zur Verbrennung auch von Heizölen, dadurch gekennz ei chnet, daß der Gasvorwärmer aus einem in dem Luftvorwärmer angebrachten Rohrvorwärmer (33) (Fig. 3) besteht.

7. Reaktionsbrenner nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -

ζ ei ch η et, daß der Rohrvorwärmer mit einem rotationssymmetrisch ausgelegten Abschnitt (10b) (Fig. 3) verbunden ist, wobei das Gas der Rotationsachse frei zuströmen kann.

8. Reaktionsbrenner nach.. Ansprüchen 4-7, dadurch gekennz ei chnet, daß der innere Teil des Gasvorwärmers und des Luftvorwärmers von einem wärmeisolierenden Material (22b) (Fig. 3) umschlossen ist, das dann in angemessener Entfernung von einer oder mehreren Schalen einer Wärmeisolierung (22a) umschlossen ist, und daß die Verbrennungsluft im durch den Zwischenraum zwischen den äußeren Schalen aus Wärmeisolierung gebildeten Luftkanal (4a) zuführbar ist.

9. Reaktionsbrenner nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η ζ eichnet, daß er ein in den Zwischenraum zwischen den äußeren Schalen aus Wärmeisolierung eingebautes Luftgebläse (35) (Fig. 3) aufweist.

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Le e rs e i t e