DE2728615A1

DE2728615A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbrennen von kohlenwasserstoffverbindungen enthaltendem brennstoff

Info

Publication number: DE2728615A1
Application number: DE19772728615
Authority: DE
Inventors: Rolf Arnesson Egnett; Mats Inge Moritz
Original assignee: United Stirling AB and Co
Current assignee: United Stirling AB and Co
Priority date: 1977-06-24
Filing date: 1977-06-24
Publication date: 1979-01-11

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen von Eohlen-
wasserstoffverbindungen enthaltendem Brennstoff Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen von Kohlenwasserstoffverbindungen enthaltendem Brennstoff.
Bekanntlich bilden sich beim Verbrennen von Kohlenwasserstoffbrennstoffen in atmosphärischer Luft Stickoxide, wenn überschüssige Luft verwendet wird und bei der Verbrennung hohe Temperaturen auftreten.
Eine Verringerung des Verhältnisses Luft zu Brennstoff kann zur Bildung unverbrannter Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid führen, die mit den Abgasen verlorengehen und einen merklichen Verlust an potentieller Energie zur Folge haben. Eine Erniedrigung der Verbrennungstemperatur durch Einspritzen von Wasser vermindert sehr wirksam die Bildung von Stickoxiden, jedoch geht auch dabei Energie verloren. Eine Rückleitung'von Abgasen wäre brauchbar und würde nur geringe Energieverluste verursachen, jedoch sind hierzu spezielle, gesteuerte Ventilsysteme erforderlich.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen von Kohlenwasserstoffverbindungen enthaltendem Brennstoff, wobei ein niedriges Gesamtverhältnis von Luft zu Brennstoff eingehalten wird, damit wenig unverbrannte Kohlenwasserstoffe sowie Kohlenmonoxid in den Abgasen auftreten, wobei ferner wenig Stickoxide emittiert und ein guter Wirkungsgrad der Verbrennung erreicht wird.
Das Verfahren umfaßt folgende Stufen: a) Verbrennen eines ersten Teils des Brennstoffes in einer ersten Verbrennungskammer mit merklichem Überschuß an atmosphärischer Luft, wodurch erste Verbrennungsgase entstehen, die Sauerstoff enthalten, b) Kühlen der ersten Verbrennungsgase, c) Verbrennen des zweiten Teils des Brennstoffes in einer zweiten Verbrennungskammer unter Verwendung der gekühlten ersten Verbrennungsgase als einziges oder im wesentlichen einziges Oxydationsmedium.
Vorzugsweise sind dieser erste und der zweite Teil des Brennstoffes im wesentlichen gleich groß und zweckmäßigerweise werden die ersten Verbrennungsgase auf eine Temperatur im Bereich zwischen 750 und 850 0C abgekühlt, bevor sie in die zweite Verbrennungskammer geleitet werden.
Der wesentliche Luftüberschuß kann zwischen dem 2 und 2 1/2-fachen der Luftmenge liegen, die theoretisch zur vollständigen Verbrennung des ersten Teils des Brennstoffes erforderlich ist, und die Luft kann auf eine Temperatur im Bereich von 650 bis 750 oc vorgewärmt werden, bevor sie in die erste Verbrennungskammer eintritt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Abgase aus der zweiten Verbrennungskammer in einem Wärmeaustauscher zum Vorwärmen der at mosphärischen Luft verwendet.
Vorzugsweise werden alle Verbrennungsgase aus der ersten Verbrennungskammer als oxidierendes Medium in der zweiten Verbrennungskammer verwendet und einen weiteren Vorteil erhält man, wenn die Verbrennungsgase, die als oxidierendes Medium in der zweiten Verbrennungskammer verwendet werden, freien Sauerstoff in einer Menge zwischen dem 1,2 und 1,3-fachen der geringsten Menge des Sauerstoffs enthalten, die theoretisch für die vollständige Verbrennung des zweiten Teils des Brennstoffes erforderlich ist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Vorrichtung verwendet werden, die eine Einrichtung enthält, durch die ein Strom atmosphärischer Luft erzeugt wird, ferner einen ersten Wärmeaustauscher zum Vorwärmen dieses Luftstromes, eine zweite Verbrennungskammer mit Mitteln zum Verbrennen eines ersten Teils des Brennstoffes mit merklichem Luftüberschuß unter Bildung erster, Sauerstoff enthaltender Verbrennungsgase, einen zweiten Wärmeaustauscher zum Kühlen der ersten Verbrennungsgase, eine Leitung zum Abführen der gekühlten ersten Verbrennungsgase in die zweite Verbrennungskammer, Mittel zum Verbrennen eines zweiten Teils des Brennstoffes in der zweiten Verbrennungskammer unter Verwendung der gekühlten, ersten Verbrennungsgase als einziges oder im wesentlichen einziges oxidierendes Medium, und eine Leitung, durch die die Abgase aus der zweiten Verbrennungskammer in den ersten Wärmeaustauscher geleitet werden.
Es kann auch eine Einrichtung vorgesehen werden, durch die in die beiden Verbrennungskammern im wesentlichen gleiche Brennstoffmengen zugeführt werden, wobei der Brennstoff flüssig sein kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, in der Fig. 1 in einer graphischen Darstellung, jedoch ohne Maßstab, der Gehalt an Stickoxiden in den Abgasen als Funktion des Luftüberschusses dargestellt wird.
Fig. 2 zeigt in einer graphischen Darstellung,ebenfalls ohne Maßstab, die Gehalte der Stickoxide und des Kohlenmonoxids als Funktion der Menge der rückgeleitete Abgase, und Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Normalerweise werden Kohlenwasserstoffbrennstoffe mit etwa 25 % Luftüberschuß verbrannt, wobei dann das Verhältnis 1 von Luft zu Brennstoff 1,25 beträgt. Der Überschuß an Luft kann jedoch noch wesentlich größer sein, so kann t beispielsweise 2,25 betragen, wodurch der Anteil an Stickoxiden um mehr als das fünffache kleiner wird, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist, in der der Anteil an Stickoxiden (NOx) in den Abgasen als Funktion des Uberschusses an auf etwa 750 0C vorgewärmten Luft dargestellt ist. Die rückgeleiteten Abgase können jedoch allch mit Luft gemischt werden und Fig. 2 zeigt Kurven, die den Gehalt von CO und NOx in den Abgasen in Abhängigkeit von den Gehalten der Abgase EGR in der Verbrennungsluft angeben, wobei die Kurven diese Funktionen unter der Annahme darstellen, daß das Luftüberschußverhältnis 1,25 beträgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbrennen von Sohlenwasserstoffverbindungen enthaltendem Brennstoff umfaßt folgende Stufen: a) Verbrennung eines ersten Teils des Brennstoffs in einer ersten Verbrennungskammer mit merklichem Überschuß von atmosphärischer Luft unter Bildung erster, Sauerstoff enthaltender Verbrennungsgase, b) Kühlen der ersten Verbrennungsgase, c) Verbrennen eines zweiten Teils des Brennstoffes in einer zweiten Verbrennungskammer unter Verwendung der gekühlten, ersten Verbrennungsgase als einziges oder im wesentlichen einziges, oxidierendes Medium.
Die Verbrennungsgase, die sich in der ersten Verbrennungskammer bilden, können z.B. in einem Wärmeaustauscher auf etwa 800 OC gekühlt werden und sie können soviel Sauerstoff enthalten, daß sie als Verbrennungsluft fur eine nachfolgende Verbrennung von weiterem Brennstoff verwendet werden können, so daß in der zweiten Verbrennungskammer das Luftüberschußverhältnis über dem Brennstoff beispielsweise 1,125 beträgt, d.h. kleiner ist, als das normalerweise angewandte Verhältnis. Wenn das Uberschußverhältnis von Luft zu Brennstoff in der ersten Oxidationsstufe 2,25 beträgt, dann entspricht der Gehalt der Abgase in der Verbrennungsluft einer etwa 80 %-igen Rückführung der Abgase. Aus der Fig. 2 ersieht man, daß der Gehalt an CO und NOX merklich vermindert ist.
Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung enthält eine Luftzuführungsleitung 1, die in einen Vorwärm-Wärmeaustauscher 2 führt, von dem aus die vorgewärmte Luft über eine Leitung 4 zum Brenner 3 geführt wird. Ein Brennstoffstrom wird dem Brenner 3 über die Leitung 5 zugeführt. Luft und Brennstoff reagieren in einer ersten Verbrennungskammer 6 und die dabei entwickelte Wärme wird zum großen Teil durch einen Wärmeaustauscher 7 abgeführt. Die Abgase, die einen merklichen Anteil an Sauerstoff enthalten, treten über eine Leitung 8 bei einer Temperatur von etwa 800 OC aus der Kammer 6 aus.
Diese Verbrennungsgase werden zu einem Brenner 9 geführt, dem über eine Leitung 10 Brennstoff zugeführt wird. Der Brennstoff und der Sauerstoff in den zugeführten Verbrennungsgasen reagieren in einer zweiten Verbrennungskammer 11. Die in der Kammer 11 entwickelte Wärme wird zum großen Teil durch den Wärmeaustauscher abgezogen und die Abgase verlassen die Kammer 11 bei einer Temperatur von etwa 800 OC über eine Leitung 13, die zum Vorwärm-Wärmeaustauscher 2 führt, in dem sie einen merklichen Teil ihrer Wärmeenergie an die Luft abgeben, die dem Wärmeaustauscher über die Zuführungsleitung 1 zugeführt wird.
Auf diese Weise werden ein erster Teil des Brennstoffes der Kammer 6 und ein zweiter Teil in der Kammer 11 verbrannt, und die Vorrichtung wird so betrieben, daß der erste und der zweite Teil des Brennstoffes gleich groß sind und daß die ersten Verbrennungsgase auf eine Temperatur im Bereich zwischen 750 und 850 °C abgekühlt werden, bevor sie in die zweite Verbrennungskammer eintreten. Der oben erwähnte, merkliche Luftüberschuß iiegt über dem 2 und 2 1/2-fachen der geringsten Luftmenge, die theoretisch zur vollständigen Verbrennung des ersten Teils des Brennstoffes erforderlich wäre und sie wird auf eine Temperatur im Bereich zwischen 650 und 750 OC vorgewärmt, bevor sie in die erste Verbrennungskammer geleitet wird. Darüberhinaus werden alle aus der ersten Verbrennungskammer austretenden Verbrennungsgase als oxidierendes Medium in der zweiten Verbrennungskammer verwendet, und die Verbrennungsgase, die als oxidierendes Medium in der zweiten Verbrennungskammer Verwendung finden, enthalten freien Sauerstoff in einer Menge zwischen dem 1,2 und dem 1,3-fachen der Mindestmenge an Sauerstoff, die theoretisch erforderlich wäre, damit der zweite Teil des Brennstoffes vollständig verbrannt werden kann.
Die Vorrichtung kann auch noqh eine Pumpe und Ventile enthalten, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind und mittels derer in die beiden Kammern 6 und 11 im wesentlichen gleiche Brennstoffmengen eingeführt werden, wenn es sich um flüssigen Brennstoff handelt.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 5 Verfahren zum Verbrennen von Kohlenwasserstoffverbindungen enthaltendem Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß: a) ein erster Teil des Brennstoffes in einer ersten Verbrennungskammer mit merklichem Uberschuß an atmosphärischer Luft verbrannt wird, wobei erste, Sauerstoff enthaltende Verbrennungsgase entstehen, b) diese ersten Verbrennungsgase gekühlt werden, c) ein zweiter Teil des Brennstoffes in einer zweiten Verbrennungskammer verbrannt wird, wobei die gekühlten, ersten Verbrennungsgase als einziges oder im wesentlichen einziges oxidierendes Medium verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser erste Teil und der zweite Teil des Brennstoffes im wesentlichen gleich groß sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Verbrennungsgase auf eine Temperatur im Bereich zwischen 750 und 850 0C gekühlt werden, bevor sie in die zweite Verbrennungskammer eingeleitet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein merklicher Luftüberschuß zum Verbrennen des ersten Teils des Brennstoffes verwendet wird, wobei der Uberschuß zwischen dem 2 und dem 2,5-fachen der Mindestmenge an Luft liegt, die theoretisch zur vollständigen Verbrennung des ersten Teils des Brennstoffes erforderlich wäre.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß atmosphärische Luft auf eine Temperatur im Bereich zwischen 650 und 750 OC vorgewärmt wird, bevor sie in die erste Verbrennungskammer eingeleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase aus der zweiten Verbrennungskammer in einem Wärmeaustauscher zum Vorwärmen der atmosphärischen Luft verwendet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 8 oder nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Verbrennungsgase aus der ersten Verbrennungskammer als oxidierendes Medium in der zweiten Verbrennungskammer verwendet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsgase, die als oxidierendes Medium in der zweiten Verbrennungskammer verwendet werden, freien Sauerstoff in einer Menge enthalten, die zwischen dem 1,2 und 1,3-fachen der Mindestmenge liegen, die theoretisch für die vollständige Verbrennung des zweiten Teils des Brennstoffes erforderlich wäre.
9. Vorrichtung zum Verbrennen von Kohlenwasserstoffverbindungen enthaltendem Brennstoff nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Erzeugung einer Strömung atmosphärischer Luft durch einen ersten Wärmeaustauscher zum Vorwärmen dieser Luft, durch eine erste Verbrennungskammer mit Mitteln zum Verbrennen eines ersten Teils des Brennstoffes in dieser Kammer, wobei dieser Teil einen merklichen Überschuß an Luft enthält, wodurch erste, Sauerstoff enthaltende Verbrennungsgase entstehen, durch einen zweiten Wärmeaustauscher zum Kühlen der ersten Verbrennungsgase, durch eine Leistung, durch die die gekühlten ersten Verbrennungsgase in eine zweite Verbrennungskammer geführt werden, durch Mittcl zum Verbrennen eines zweiten Teils des Brennstoffes in dieser zweiten Verbrennungskammer unter Verwendung der gekühlten, ersten Verbrennungsgase als einziges oder im wesentlichen einziges oxidierendes Medium und schließlich durch eine Leitung, durch die die Abgase aus der zweiten Verbrennungskammer in den ersten Wärmeaustauscher geleitet werden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die beiden Verbrennungskammern im wesentlichen gleiche Brennstoffströme eingeleitet werden, wenn dieser Brennstoff flüssig ist.