DE2706037C2 - Verfahren zur Brennstoff-Beschickung einer Feuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brennstoff-Beschickung einer Feuerung zur Verbrennung von flüssigen Kohlenwasserstoffen entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (Zeitschrift »öl und Gas«, Heft 9, 1975, Seiten 36 und 38) wird Brennstoff und Wasser jeweils über einen Vorwärmer einem Mischer zugeführt und das Öl-Wasser-Gemisch wird über eine Pumpe unter Druck als Emulsion über die Brennerdüse im Feuerraum zerstäubt.

Bei anderen bekannten Verfahren werden verhältnismäßig große Wassermengen (US-PS 31 04 311) oder verhältnismäßig geringe Wassermengen zugesetzt (US-PS 38 62 819). Es ist ferner bekannt, das Wasser mit dem öl zu vermischen (US-PS 37 06 942) oder Wasserdampf als Katalysator beispielsweise durch Injektion von Dampf zuzuführen. Obwohl einige der bekannten Verfahren von praktisch geringer Bedeutung sind, weil zu kleine oder zu große Wassermengen verwendet werden, kann jedoch angenommen werden, daß bei Erzielung eines Gleichgewichtszustands eine beträchtliche Verbesserung der Verbrennungseigenschaften mit Hilfe vieler bekannter Verfahren erzielt werden kann. Bei der

■> gewerblichen Anwendung dieser Verfahren bestehen jedoch beträchtliche Schwierigkeiten. Wenn hohe Wirkungsgrade der Verbrennung erzielt werden sollen, wird weniger Sekundärluft zugeführt Dies bedeutet daß mehr Wasser pro Volumeneinheit des Schornsteingases enthalten ist so daß sich ein unerwünscht hoher Taupunkt ergibt Durch eine höhere Temperatur in dem Verbrennungsraum kann ferner eine verbesserte Wärmeübertragung in einem geeignet konstruierten Ofen erzielt werden. Dadurch wird der Wärmeverlust weiter

is verringert und die Wahrscheinlichkeit erhöht daß die Temperatur des Schornsteingases unter den Taupunkt abfällt.

Selbst wenn der Taupunkt auf einem für praktische Zwecke geeigneten minimalen Betrag gehalten wird, können Schwankungen des Luftzugs nachteilige Kondensationsprobleme in den Teilen einer Heizanlage verursachen, in denen die Wärmeübertragung und die Ableitung der Schornsteingase erfolgt
Es is; deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß ein höherer Wirkungsgrad der Verbrennung und eine bessere Stabilität der Flamme erzielt werden kann, insbesondere ohne Zusatz von anderen Katalysatoren als Wasser. Dies soll mit einem möglichst geringen Luft-Überschuß erreicht werden, um eine geringere Bildung von SOi, einen guten Wärmeaustausch und niedrige Schornsteintemperaturen zu erzielen. Ferner soll der Anteil von Schadstoffen im Abgas möglichst gering gehalten werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei diesem Verfahren wird deshalb der Brennstoff mit einem Gas wie Luft oder Wasserdampf emulgiert, das sich schnell expandiert, wenn der Brennstoff in den Feuerraum gelangt. Normalerweise wird eine beträchtliche Wassermenge zugesetzt, so daß die Brennstoffemulsion bezogen auf den Brennstoff 5 bis 15 Gewichtsprozent Wasser enthält. Das zugesetzte gasförmige Medium wird innig mit dem Brennstoff vermischt, um die Emulgierung zu unterstützen.

Die Verbrennung erfolgt in einer Wasserdampf ent-

haltenden Atmosphäre mit 5 bis 25 Gewichtsprozent Wasser. Dieses Wasser kann um den Brenner oder durch den Brenner zugeführt werden. Insbesondere kann durch innige Vermischung von Wasserdampf, Wasser und einem kleinen Anteil an Brennstoff, der allein eine Verbrennung noch nicht ermöglicht, in einer Konditionierungszone eine Mischung hergestellt und dem Brenner zugeführt werden, welcher Mischung im Brenner Brennstoff zugemischt wird. Zweckmäßigerweise wird der Konditionierungszone eine Wassermenge zugeführt, die etwa 5% des verbrannten Brennstoffs beträgt.

Diese Kombination einer besonderen Zerstäubung des Brennstoffdampfs in dem Brenner und des verdampften Wassers ergibt eine stabile Flamme mit einem

b^r> sehr guten Wirkungsgrad.

Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit, daß die stabile Flamme mit einer geringen Menge an überschüssigem Sauerstoff erzielt werden kann, in gewissen Fällen

sogar ohne einen Überschuß an Sauerstoff. Deshalb vird auch nur sehr wenig SO3 gebildet Durch eine derartige Verbrennung wird die Menge zu erhitzendem Stickstoff minimal gehalten und ein Wärmeaustausch mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht, in erster Linie durch Strahlungswärme. Ferner werden weitgehend erniedrigte Abgastemperaturen ermöglicht Der bedeutendste Vorteil wird darin gesehen, daß eine größers Stabilität erzielt wird und deshalb ein zuverlässigeres Verhältnis der ausgewählten Abgastemperatur.

Ein wichtiges Merkmal dieses Verfahrens ist auch darin zu sehen, daß weniger Schadstoffe wie Stickoxide im Abgas gebildet werden, weil die Emulsion von öl und Wasser ermöglicht, daß das Wasser sofort an der Verbrennungsstelle vorhanden ist also in der Bildungsstelle der Flamme bei der Verbrennung. Obwohl die anfallende Stickoxidmenge innerhalb eines großen Temperaturbereichs verringert werden kann, erfolgt die weitestgehende Verringerung bei niedrigen Temperaturen zwischen etwa 1427 und 1 '/60⁰C.

Es wird angenommen, daß die beträchtliche Verbesserung des Wirkungsgrads und der Stabilität darauf zurückzuführen sind, daß das gasförmige Medium durch heftige Durchmischung besser mit dem Brennstoff emulgiert wird, so daß nach Austritt aus dem Brenner eine so schnelle Zerstäubung zu derart kleinen Tröpfchen erfolgt, daß die Verbrennungsrate des dem Feuerraum zugeführten Brennstoffs mit einer ungewöhnlichen Kombination von Schnelligkeit und Wirkungsgrad erzielt wird. Das Vorhandensein von Wasserdampf in der Zone, in welcher diese schnelle Verbrennung erfolgt dürfte einen stabilisierenden Verzögerungseffekt auf die Verbrennungsrate ausüben, durch den der Wirkungsgrad verbessert wird. Im allgemeinen ist es zweckmäßig, einen Überschuß des gasförmigen Mediums aus dem Konditionierungstank dem Brenner zur Expansion und Zerstäubung zuzuführen. Diese Luft oder dieser Wasserdampf nimmt im allgemeinen eine gewisse Brennstoffmenge in dem Konditionierungstank auf.

Es wurde beobachtet, daß die Flamme bei Anwendung günstiger Bedingungen eine grünliche Farbe aufweist. Diese Farbe ist ein Anzeichen für die Qualität des verbesserten Wirkungsgrads. Es ergeben sich jedoch auch bereits Vorteile bei Temperaturen unter denjenigen, bei denen eine grünliche Flamme erkennbar ist.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung und Erläuterung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel ist beispielsweise als Heizanlage für Wohnhäuser verwendbar und enthält einen Heizkessel 30 und einen Öltank 31, der beispielsweise 10001 Heizöl enthält. An dem öltank ist eine Entlüftung 33 und ein Füllstutzen 34 vorgesehen. Eine Ölleitung 35 erstreckt sich zu einem Brenner 36, für den eine Pumpe 37, ein Gehäuse 38 und ein Brennerkopf 39 vorgesehen sind. Der Brennerkopf 39 gibt zerstäubten Brennstoff 41 an eine Flamme 42 mit einer im wesentlichen konischen Ausbildung ab, die in einem Feuerraum 43 einer Heizeinheit 44 für Heißluft, Heißwasser oder Dampf brennt und in Abhängigkeil von Thermostaten in an sich bekannter Weise gesteuert wird.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der Heizölleitung 35 zwischen Ventilen 46 und 47 ein Drucktank 45 angeschlossen, so daß die ölzufuhr über einen Leitungsabschnitt 48 erfolgen kann, wenn in üblicher Weise geheizt werden soll, während die ölzufuhr nicht über den in gestrichelten Linien dargestellten Leitungsabschnitt 48 erfolgt sondern über den Drucktank, wenn das Verfahren gemäß der Erfindung durchgeführt wird. Der Druck in dem Tank 45 wird durch ein Manometer angezeigt Der Druck ist verhältnismäßig niedrig und beträgt etwa 035 atü.

Dem Tank 45 kann über das Ventil 46, eine Leitung 56 und ein Einlaß 55 öl aus dem Öltank 31 zugeführt werden. Der Drucktank 45 ist ferner über einen Auslaß 57, eine Leitung 58 und das Ventil 47 an den Brenner 36 angeschlossen. An dem Drucktank 45 ist ferner ein Wassereinlaß in einem unteren Bereich 61 des Drucktanks vorgesehen und an eine Dampfkammer 63 des Tanks ist

ein Dampfauslaß 62 angeschlossen. Mit Hilfe einer Pumpe 65 kann dem Drucktank 45 Dampf oder Druckluft zugeführt werden, um darin den gewünschten Dampfdruck und eine Turbulenz zu verursachen. Diese Luft wird mit dem Heizöl emulgiert und dient als dispergierendes Medium.

Als Einrichtung 66 zur Wasserzufuhr ist eine Leitung 67 vorgesehen, die an eine Wasserleitung 68 angeschlossen ist und mit einem normalerweise geschlossenen Magnetventil 69 versehen ist, welches zur Wasserzufuhr in den unteren Teil 61 des Drucktanks 45 geöffnet wird, wenn eine Betätigung über einen Schwimmer einer Füllstandsmeßeinrichtung erfolgt, um eine vorherbestimmte Füllstandshöhe des Wassers in dem Drucktank 45 aufrechtzuerhalten.

Die Zuführeinrichtung 75 für Heizöl enthält den öltank 31, die Leitungen 35,56 und 48, die Ventile 46 und 47 sowie die Pumpe 37 für die ölzufuhr zu dem Brenner 36.
Ferner ist eine automatische Steuereinrichtung 76 für die Heizölzufuhr vorgesehen, die ein Ventil 77 enthält, das durch einen Schwimmer 78 auf der Olschicht 79 in dem Drucktank 45 geöffnet oder geschlossen wird. Die olschicht 79 schwimmt auf der Wasserschicht 82.

Eine Einrichtung 83 zum Verdampfen von Heizöl ent-

hält eine Rezirkulationsleitung 84, die an die Heizölleitung 48 angeschlossen ist, um Heizöl unter Überdruck durch eine Hcizwendel 86 zu leiten, das zu einem perforierten Verteilerrohr 87 in der Druckkammer 45 unter der Wasseroberfläche in der Wasserschicht 82 gelangt.

Die Heizwendel 86 umgibt vorzugsweise das Gehäuse des Brenners, so daß ein Teil der Windungen der Heizwendel im Bereich der Flamme 42 liegt. Wenn durch die Steuerung des Brenners 36 mit Hilfe eines Thermostats die Pumpe 37 erregt wird, wird flüssiges Heizöl unter Überdruck dem Brennerkopf 39 zugeführt, welches zerstäubt und gezündet wird.

Gleichzeitig wird ein Teil des Heizöls in der Wendel 86 erhitzt und dem Verteiler 87 zugeführt, so daß erhitzte öltröpfchen durch die Wasserschicht 82 und die Ölschicht 79 hochsteigen, um angereicherten Dampf in der Dampfkammer 63 des Drucktanks 45 zu bilden.

Eine Zuführeinrichtung 92 für angereicherten öldampf enthält eine Dampfleitung 93, die zu einem Brennerkopf 94 für öldampf führt, der in dem Feuerraum 43 vor und unter dem Brennerkopf 39 angeordnet ist Deshalb wird der öldampf durch die Flamme 42 gezündet, um e^;ne zusätzliche Wärmeerzeugung zu ermöglichen und die Flamme 95 zu bilden.

Ein Dampfdruck von etwa 0,35 atü wird in dem

b¹) Dampfraum 63 in dem Drucktank 45 mit Hilfe der Pumpe 65 erzeugt, die an die Steuerschaltung der Heizölpumpe 37 angeschlossen ist. so daß beide Pumpen gleichzeitig mit Hilfe der Thermostatsteuerung einge-

schaltet werden. Durch die Pumpe 65 wird durch die Leitung 96 öldampf aus dem Dampfraum 97 des Öltanks 31 abgezogen oder Frischluft aus der Atmosphäre mit Hilfe eines Zweiwegeventils 98 angesaugt. Wenn durch die Pumpe 65 Frischluft über einen Einlaß 101 an dem öltank 31 angesaugt wird, steigen Luftbläschen aus einem perforierten Verteilerrohr 102 in dem Öltank auf, so daß angereicherter öldampf unter Überdruck in der Dampfkammer 97 vorhanden ist, welcher öldampf aus einem an die Pumpe 65 angeschlossenen Verteilerrohr in dem Drucktank 45 austritt und nach dem Durchtritt durch die Wasserschicht und die ölschicht über die Leitung 93 zu dem Brennerkopf 94 gelangt. Im folgenden soll noch ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben werden, das eine industrielle Dampferzeugungsanlage betrifft, mit der etwa 18 000 bis 36 000 kg gesättigter Wasserdampf mit einem Druck von etwa 18 kg/cm² erzeugt werden können.

Dem Brenner werden pro Stunde etwa 1130 1 Heizöl Nr. 2 zugeführt. Dampf mit einem Druck von 7 kg/cm^J wird mit einer Rate zugeführt, die bekannten Wasserdampf-Zerstäubungsverfahren entspricht.

Dem Brenner wird Luft entlang dem Umfang des Brennerkopfs mit einer Wirbelbewegung in einer Menge zugeführt, die etwa 1 % größer als diejenige Menge ist, die zu einer theoretisch lOOVoigen Verbrennung des Heizöls erforderlich ist.

Das folgende Beispiel betrifft einen Betrieb des Dampfkessels, bei dem 18 000 kg Wasserdampf pro Stunde erzeugt werden. Der Brennstoff wird vorerhitzt und in einer noch zu beschreibenden Weise angereichert, bevor er dem Brenner zugeführt wird.

Wasserdampf wird mit einer gewissen Menge Wasser und öl vermischt. Der derart angereicherte Wasserdampf wird dann dem Brenner zugeführt und mit dem flüssigen Brennstoff vermischt. Diese Mischung wird durch die Brennerdüse zerstäubt und in dem Feuerraum dispergiert.

Eine gewisse ölmengc wird einer Konditionierungszone zugeführt, in der eine Vermischung mit Wasserdampf erfolgt Gleichzeitig wird Wasser der Konditionierungszone zugeführt. Durch diese Durchmischung von Dampf, Wasser und öl wird eine sehr gute Dispersion von Öl in Dampf erzielt, um das dispergierende Medium zu bilden. Die zugesetzte ölmenge ist verhältnismäßig klein und beträgt gewöhnlich weniger ais 1% des gesamten Brennstoffs, der dem Brenner zugeführt wird. Diese kleine Menge verursacht normalerweise nicht, daß das dispergierende Medium als solches eine Verbrennung ermöglicht. Dadurch wird aber die Stabilität und der Wirkungsgrad der Verbrennung verbessert.

Wasser wird in einer Menge von etwa 5 bis 8 Gewichtsprozent des Brennstoffs zugeführt. Diese Wassermenge ist dazu geeignet das Emulgieren von öl, Wasserdampf und Wasser für eine Zufuhr zu dem Brenner durch die Brennstoffleitung zu begünstigen. Überschüssiger Wasserdampf, der eine gewisse Menge an Brennstoff mit sich führt, wird durch die Wasserdampfleitung mitgeführt, um als zerstäubendes Gas zu dienen.

Wenn der mit Wasserdampf emulgierte Brennstoff von einem höheren Druckniveau zu dem Brennerkopf und dann in den Feuerraum gelangt, erfolgt eine schnelle Expansion des gasförmigen Mediums und damit eine Expansion der zerstäubten Brennstoffemulsion. Die Verwendung eines Wasser enthaltenden dispergierenden Gases dient zur Erzeugung einer vorteilhaften Atmosphäre, in der der emulgierte Brennstoff sofort dispergiert und verbrannt wird. Wie bereits erwähnt wur-

de, bewirkt eine verhältnismäßig kleine Menge von vorher in der Wasserdampfatmosphäre enthaltenem Öl eine beträchtliche Verbesserung der Verbrennungseigenschaften.

Die Verbrennung ergibt eine Temperatur von etwa 1650° C. Der Verbrennungswirkungsgrad beträgt etwa 96%. Temperaturen von etwa 176O⁰C und ein Verbrennungswirkungsgrad von angenähert 100% können durch weitere Verringerung der zugeführten Luftmenge erzielt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Brennstoff-Beschickung einer Feuerung zur Verbrennung von flüssigen Kohlenwasserstoffen, bei dem der Brennstoff mit Wasser emulgiert wird und die Brennstoffemulsion unter hohem Druck dem Brenner zugeführt und beim Eintritt in den Feuerraum bei niedrigem Druck zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff unter Zusatz eines gasförmigen dispergierenden Mediums mit dem Wasser emulgiert wird, daß diese das gasförmige Medium enthaltende Brennstoffemulsion dem Brenner zugeführt wird, und daß beim Eintritt in den Feuerraum bei dem niedrigeren Druck die zerstäubte Brer.nstoffemulsion durch das vor dem Brenner zugesetzte gasförmige Medium expandiert und dispergiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmiges Medium Luft zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmiges Medium Wasserdampf zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffemulsion bezogen auf den Brennstoff 5—15 Gewichts-% Wasser enthält

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung in einer Wasserdampf enthaltenden Atmosphäre mit 5—25 Gewichts-% Wasser bei einer Temperatur zwischen 1427°Cund 1760°C erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch innige Vermischung von Wasserdampf, Wasser und einem kleinen Anteil an Brennstoff, der allein eine Verbrennung noch nicht ermöglicht, in einer Konditionierungszone eine Mischung hergestellt und dem Brenner zugeführt wird, welcher Mischung im Brenner Brennstoff zugemischt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Konditionierungszone eine Wassermenge zugeführt wird, die etwa 5% des verbrannten Brennstoffs beträgt.