DE2936073A1

DE2936073A1 - Verbrennungsverfahren zur reduzierung der emission von stickstoffoxiden und rauch

Info

Publication number: DE2936073A1
Application number: DE19792936073
Authority: DE
Inventors: Kotaro Morimoto; Tomio Suzuki
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1978-09-06
Filing date: 1979-09-06
Publication date: 1980-03-20
Also published as: JPS5535885A; DE2936073C2; JPS5751010B2; US4297093A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsverfahren zur Reduzierung der Emission von Stickstoffoxiden und Rauch.

Die Stickstoffoxide (im folgenden kurz als NOx bezeichnet), die bei der industriellen Verbrennung in öfen und Heizkesseln erzeugt werden, werden allgemein eingeteilt in "thermisches NOx" und "Brennstoff-NOx", und zwar unter dem Gesichtspunkt der Ursache der Erzeugung von Stickstoffoxiden. Zum Verhindern der Erzeugung thermischer Stickstoffoxide sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, z.B. Reduzierung der Flammtemperatur, Herabsetzung der Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungszone und Verkürzung der Verweilzeit der Verbrennungsgase in der Temperatur-Verbrennungszone. Es ist ferner bekannt, daß die Herabsetzung der Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungszone und die Verwendung eines Brennstoffs mit geringem Stickstoffgehalt wirksame Maßnahmen zur Unterdrückung der Erzeugung von Brennstof f-NOx sind.

Aufgrund dieser Erkenntnisse wurden bereits verschiedene Verbrennungsverfahren zur Unterdrückung der Erzeugung von NOx vorgeschlagen, z.B. zweistufige Verbrennung, Abgasrückführung, Vergrößerung der Kühlfläche des Ofens, Anwendung besonderer Brenner für geringe NOx-Erzeugung, Verbrennung mit wenig Sauerstoff und nichtstöchiometrische Verbrennung.

Diese Verfahren sind jedoch nicht bei allen Heiz- oder Dampfkesseln anwendbar. Die Verfahren müssen nämlich an die Art und Größe des Heizkessels, an seine Konstruktion, an die Betriebsbedingungen und dgl. angepaßt werden. Durch die Anwendung dieser herkömmlichen Verfahren entstehen ferner verschiedene Schwierigkeiten hinsichtlich der Stabilität der Flamme, der Emission unverbrannter Substanzen und Rauch sowie hinsichtlich des Ansprechverhaltens auf Lastschwankungen und hinsichtlich

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des thermischen Wirkungsgrades. Bei der Anwendung der herkömmlichen Verfahren auf vorhandene Heizkessel entstehen ferner verschiedene Schwierigkeiten, z.B. hohe Kosten für die Änderung der Brenner, erhöhter Brennstoffverbrauch usw.

Bei herkömmlichen industriellen Feuerstellen, insbesondere für Heizkessel, wird gewöhnlich die Größe der Heizkessel dadurch reduziert, daß eine Hochtemperaturverbrennung angewandt wird. Zu diesem Zweck wird der aus dem Brenner injizierte Brennstoff schnell mit der Verbrennungsluft vermischt, um die Verbrennung innerhalb einer kürzeren Zeitspanne durchzuführen.

Fig. 1 der beigefügten Zeichnung zeigt in Seitenansicht den Aufbau eines Brenners und seiner Umgebung in einem herkömmlichen Heizkessel mit einer Batterie von Wasserrohren. Die von einem Gebläse gelieferte Verbrennungsluft A wird durch eine Drosselklappe 1 reguliert und durch Registerflügel 3 in einem Windkasten 2 verwirbelt. Die verwirbelte Luftströmung wird dann in eine Verbrennungskammer 4 eingeleitet. Der Brennstoff, bei dem es sich um ein Gas, eine Flüssigkeit oder auch um einen Feststoff handeln kann, wird einem Brenner 5 zugeführt und aus dessen Brennerspitze 7, die in dem Brennerhohlraum 6 angeordnet ist, in die Verbrennungskammer gesprüht. Der Brennstoff wird dann schnell mit der Verbrennungsluft vermischt, und die Verbrennung wird innerhalb kurzer Zeit abgeschlossen, während die Flamme durch ein Flammblech 8, das als Verwirbelungseinrichtung dienen kann und am Ende des Brenners 5 angeordnet ist, geführt wird.

Das hier beschriebene Verbrennungssystem ist nur ein Beispiel für die verschiedenen bereits verwendeten Systeme. Z.B. wurden bereits Verbrennungssysteme mit doppelten Registerflügeln vorgeschlagen und verwendet, ebenso wie ein Verbrennungssystem ohne Registerflügel, bei dem keine Luftverwirbelung erfolgt.

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Wenn aber die gesamte Verbrennungsluft verwirbelt werden soll/ so müssen notwendigerweise Registerflügel in dem Windkasten angeordnet werden.

Bei dem beschriebenen Verbrennungssystem erhält die Verbrennungsluft A die Verwirbelung in einem Bereich, der um einen beträchtlichen Abstand stromaufwärts von der Verbrennungszone liegt, wo Brennstoff und Luft zur Verbrennung vermischt werden. Die Verwirbelung ist daher abgeschwächt, wenn die Luftströmung die Verbrennungszone erreicht. Insbesondere ist die maximale Axialkomponente der Geschwindigkeit der verwirbelten Strömung umgekehrt proportional zu dem Quadrat des Axialabstandes von dem Punkt, wo die Verwirbelung beginnt; die Maximalwerte der Tangential- und Radialkomponenten ändern sich ebenfalls umgekehrt proportional dem Quadrat des Axialabstandes. Die Verwirbelung ist daher zu dem Zeitpunkt, wo die Verbrennungszone erreicht wird, stark abgeschwächt und in dem Zustand einer turbulenten Strömung verändert.

Dadurch wird die Verbrennung entstabilisiert, insbesondere bei geringer Last des Heizkessels.

Ferner ist von Bedeutung, daß auch sogenannte Randströmungen hinter dem am Ende des Brenners befestigten Flammblech 8 auftreten können. Dadurch wird die Luftströmung weiter gestört. Bei der Einsprühung des Brennstoffs in die stark turbulente Luftströmung wird dieser zerstäubt, während er in die Hauptluftströmung gelangt. Folglich werden Brennstoff und Luft schnell gleichförmig vermischt, wodurch sich eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit und kürzere Flammenlänge ergibt. Dadurch wird die Erzeugung von NOx unterstützt, obgleich eine Hochtemperaturverbrennung erreicht wird.

Das schnelle Vermischen des Brennstoffs mit der Luft und die Zunahme der Erzeugung von NOx, die auf die schnelle Vermi-

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schung zurückzuführen ist, werden besonders bei Abgas-Rohrheizanlagen beobachtet, die als Flammblech einen Diffusor enthalten. Fig. 2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht des Aufbaus eines derartigen Heizsystems um den Brenner herum. Die vom Brenner zugeführte Verbrennungsluft A wird in den Windkasten eingeleitet und dann in Primärluft, die durch den am Ende des Brenners 5 angeordneten Diffusor strömt, und Sekundärluft unterteilt, die durch eine Verwirbelungseinrichtung 9 und dann durch den Ringraum zwischen dem Diffusor 8 und dem Innenkreis der Verwirbelungseinrichtung 9 längs des Brennerhohlraums 6 strömt. Der Diffusor 8 hat radiale Verwirbelungsschlitze und Luftöffnungen mit ungefähr 5 mm Durchmesser in seiner konischen Wandung. Diese Verwirbelungsschlitze und Luftöffnungen bilden in Kombination miteinander eine Niedergeschwindigkeitszone für die Luft zur Stabilisierung der Flamme.

Die Verwirbelungseinrichtung 9 des Luftregisters weist eine konische Außenoberfläche auf, die im Hinblick auf die Förderung einer schnellen Verbrennung gewählt ist. Die Verwirbelungseinrichtung 9 hat ferner ein Durchmesserverhältnis d/D des Innendurchmessers d zum Außendurchmesser D größer als 0,7. Insbesondere ist der Innendurchmesser d der Durchmesser des Innenkreises der Verwirbelungseinrichtung 9 in einer Ebene, die die konische Bodenoberfläche des Diffusors 8 enthält, während der Außendurchmesser D derjenige des Außenkreises der Verwirbelungseinrichtung 9 in derselben Ebene ist, wie in Fig. 21 dargestellt ist. Der Einlaßwinkel "C zwischen dem Flügel der Verwirbelungseinrichtung 9 und dem Ring 4, an dem dieser befestigt ist, beträgt ferner 15° oder mehr (siehe Fig. 211).

Der Verwirbelungswinkel β ist ferner so gewählt, daß er im Bereich zwischen 0 und 60° liegt. Dieser Verwirbelungswinkel β ist der Winkel, der zwischen dem Flügel der Verwirbelungseinrichtung 9 und der Brennerachse gebildet ist, wie aus Fig. 2III

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hervorgeht. Der Verwirbelungswinkel ß gleich 0° ergibt eine gerade Luftströmung.

Die durch den beschriebenen ringförmigen Abschnitt strömende Luft ist eine Axialströmung, während die durch die Verwirbelungseinrichtung 9 strömende Luft eine äußere Wirbelströmung ist, die eine axiale, eine tangentiale und eine Radialkomponente aufweist. Diese externe Wirbelströmung trifft in dem Brennerhohlraum 6 mit der Axialströmung zusammen und bildet eine stark turbulente Strömung mit hohem Geschwindigkeitsgradient. Ferner wird der Brennstoff aus der Brennerspitze 7 in die Verbrennungskammer 4 eingesprüht. Ein geringer Teil des Brennstoffs, der nur wenig eindringt, wird mit der Primärluft leicht vermischt und als angereichertes Gemisch zur Stabilisierung der Flamme verbrannt; der Hauptteil des Brennstoffs, der stärker eindringt, strömt über die primäre Verbrennungszone und wird daher mit der stark gestörten Luftströmung mit hohem Geschwindigkeitsgradienten vermischt, so daß eine sekundäre Verbrennungszone gebildet wird. In dieser sekundären Verbrennungszone wirken auf den Brennstoff Turbulenz und Streuung ein, die durch die Turbulenz der Luftströmung und die Scherkräfte derselben verursacht werden; der Brennstoff wird daher mit der Luft gleichmäßig vermischt, so daß die Verbrennung in kurzer Zeit abgeschlossen ist. Dadurch wird eine hohe Verbrennungsgeschwindigkeit erreicht, wobei die Flammenlänge kürzer wird, und dies führt zu einer hohen Flammtemperatur, bei der die Erzeugung von NOx gefördert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbrennungsverfahren zur Reduzierung der NOx-und Rauch-Emission zu schaffen, daß selbst bei mittleren oder kleinen Feuerstellen bzw. Heizkesseln Anwendung finden kann, bei denen die herkömmlichen Maßnahmen zur Reduzierung der NOx- und Rauch-Emission schlecht anwendbar sind. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Reduzierung der Emission von Stickstoffoxiden und Rauch, das zur Anwendung bei

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Heiz- und Dampfkesseln sowie öfen anwendbar ist, gelöst, das gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Verbrennung durchgeführt wird, während die Verbrennungsluft verwirbelt wird mittels einer Verwirbelungseinrichtung, die in einem Abstand von nicht mehr als 200 mm von der Stelle angeordnet ist, wo der Brennstoff eingespritzt wird, daß die Auslaßfläche der Verwirbelungseinrichtung derart eingestellt wird, daß die durch die Verwirbelungszahl dargestellte Stärke der Verwirbelung im Bereich zwischen 0,35 und 1,5 liegt, und daß die mittlere Geschwindigkeit der Verbrennungsluft im stöchiometrischen Verbrennungszustand und bei Nennlast in einem Bereich zwischen 10 m/s und 30 m/s fällt.

Ausgehend von der Kenntnis des Mechanismus der Erzeugung von NOx in herkömmlichen Öfen und Verbrennungssystemen, insbesondere bei mittleren und kleinen Heizkesseln, wurde gefunden, daß eine wirkungsvolle Maßnahme zur Reduzierung der NOx-Emission darin besteht, den schnellen Ablauf der Verbrennungsreaktion zu verhindern, insbesondere die schnelle Verbrennung im Bereich hoher Turbulenz und eines hohen Geschwindigkeitsgradienten der sekundären Verbrennungszone möglichst zu verhindern, so daß eine allmähliche und gleichförmige Verbrennung stattfindet. Weiter wurde gefunden, daß eine wirksame Maßnahme zur Reduzierung der Rauch- und NOx-Emission darin besteht, die Verbrennung unter solchen Bedingungen durchzuführen, daß die Flamme von der verwirbelten Luft eingehüllt ist.

Grundlegend für die Erfindung sind eingehende Untersuchungen der Brennstoffströmung und der verwirbelten Luftströmung mit Komponenten in den drei Dimensionen. Im Ergebnis wurde eine neuartige Strömungsform gefunden, die sowohl die Erzeugung von NOx als auch die von Rauch unterdrückt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Verwirbelungszahl im Bereich zwischen 0,4 und 1,0. Bei der be-

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vorzugten Ausführungsform liegt ferner die axiale mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft unter stöchiometrischen Verbrennungsbedingungen im Bereich zwischen 13 und 2 3 m/s am Auslaß der Verwirbelungseinrichtung.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Verbrennung bei einem Einlaßwinkel *· des Diffusors, der nicht größer ist als 15°.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Verbrennungsluft unterteilt in eine primäre Luftströmung, die durch den Diffusor strömt, und eine sekundäre Luftströmung, die um den Diffusor herum strömt. Zumindest die Sekundärluft, die 65% oder mehr der gesamten Verbrennungsluft beträgt, wird verwirbelt. Gleichzeitig wird die Brennstoffeinspritzstelle abgestimmt bzw. angepaßt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Schnittansichten wesentlicher Teile von mit ^un Brennern ausgerüsteten Verbrennungssystemen;

Fig. 31 eine Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines Verbrennungssystems mit einem Brenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahrens;

Fig. 311 eine schematische Darstellung der Verwirbelungseinrichtung in dem Verbrennungssystem nach Fig. 31;

Fig. 41 eine Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines anderen Verbrennungssystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

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Fig. 411 eine Schnittansicht längs Linie A-A in Fig. 41;

Fig. 4III eine schematische Darstellung eines wesentlichen Teils der Verwirbelungseinrichtung;

Fig. 5 eine Darstellung der Verbrennungsbedingungen;

Fig. 6 ein Diagramm, das die Auswirkung der Stellung der Verwirbelungseinrichtung auf die NOx-Reduzierung zeigt;

Fig. 71 Diagramme, von denen ersteres die Beeinflussung der Rauchzahl und das zweite die Beeinflussung der NOx-Reduzierung durch die Verwirbelungszahl darstellt;

Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Verhältnis der externen verwirbelten Luftströmung (Sekundärluft) zu der gesamten Verbrennungsluft sowie der prozentualen Reduzierung von NOx;

Fig. 9 ein Diagramm, das zeigt, wie der Einlaßwinkel der Verwirbelungseinrichtung die NOx-Erzeugung beeinflußt;

Fig. 101 Diagramme, welche die bei verschiedenen Heizkesseln beobachtete O~-Reduzierung und NOx-Reduzierung darstellen;

Fig. 11 ein Diagramm, das die Erzeugung von NOx in Abhängigkeit von verschiedenen O -Konzentrationen zeigt; und

Fig. 12 ein Diagramm, das zeigt, wie die NOx-Erzeugung durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren reduziert wird.

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Der grundlegende Erfindungsgedanke besteht darin, die Verbrennung dadurch zu steuern, daß die Verbrennungsluft eine gemäßigte Verwirbelung mit geringer Turbulenz erhält. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Verbrennungsluft mittels einer Verwirbelungseinrichtung verwirbelt wird, die in der Nähe der Brennstoffeinsprühöffnung liegt. Wie später unter Bezugnahme auf Fig. 4 ausführlich erläutert wird, ist ein Führungsring so angeordnet, daß er den Diffusor umgibt, so daß eine axiale Luftströmung durch den Ringraum um den Diffusor herum ausgeschaltet wird, denn die Axialströmung ist die Hauptursache der hohen Turbulenz, und so wird erreicht, daß die Sekundärluft allein durch die äußere verwirbelte Strömung gebildet wird.

Gemäß der Erfindung werden also Geschwindigkeit und Stärke der Verwirbelung der Verbrennungsluft gemäßigt und optimiert durch Einstellung der Luftdurchtrittsflache in der Verwirbelungseinrichtung und den Winkel der Flügel derselben, so daß die gewünschte Form der Luftströmung in der Verbrennungskammer erzielt wird.

Fig. 31 zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht ein Verbrennungssystem mit einem Brenner, der geeignet ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 311 zeigt schematisch die Verwirbelungseinrichtung des in Fig. 31 gezeigten Verbrennungssystems. Das in diesen Figuren gezeigte Verbrennungssystem unterscheidet sich von einem herkömmlichen Verbrennungssystem dadurch, daß die Registerflügel in dem Windkasten entfallen und die Verwirbelung durch eine Verwirbelungseinrichtung 9 verursacht wird, die um die Brennerspitze 7 herum angeordnet ist, aus der der Brennstoff ausgesprüht wird. Wie später ausführlich erläutert wird, befindet sich die Verwirbelungseinrichtung vorzugsweise innerhalb einer Entfernung von 200 mm von der Stelle der Brennstoffeinsprühung (Düsenende).

Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel eines Verbrennungssystems, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet

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ist. Fig. 41 zeigt eine geschnittene Seitenansicht, Fig. 411 eine Schnittansicht längs Linie A-A, und Fig. 4III zeigt eine schematische Darstellung der Verwirbelungseinrichtung.

Dieses Verbrennungssystem ist dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Führungsring 10 um den Diffusor 8 herum angeordnet ist, um die axiale Luftströmung durch den Ringraum zwischen dem Diffusor 8 und dem Kreis, der mit der Innenseite der Verwirbelungseinrichtung 9 in Berührung ist, zu verhindern, welche die Hauptursache der verstärkten Turbulenz ist; auf diese Weise besteht die in Fig. 2 dargestellte Sekundärluft nur aus der äußeren verwirbelten Luft.

Bei den in Fig. 3 und 4 gezeigten Verbrennungssystemen werden die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft und die Stärke der Verwirbelung eingestellt und optimiert durch Einstellung der Durchtrittsfläche der Verbrennungsluft in der Verwirbelungseinrichtung 9, des Winkels der Flügel an der Verwirbelungseinrichtung und ähnlicher Faktoren. Dadurch wird die angestrebte Strömungsform in der Verbrennungskammer erreicht.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird vorzugsweise ein ölbrenner verwendet, der das öl unter Druck mit einem Sprühwinkel von 30 bis 80° einsprüht; es kann auch ein Einsprühventil für zweierlei Fluide verwendet werden. Bei einem Ofen mit geringer Hitzefreisetzung, z.B. einem Industrieofen, kann auch ein Brenner mit gerader Einspritzung verwendet werden, ebenso wie ein Brenner mit einer ablenkenden Brennerspitze, die einen Neigungswinkel zwischen 5 und 45° zur Luftströmungsachse bildet.

Fig. 5 zeigt schematisch den Ablauf der Verbrennung bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren. Eine Verwirbelungseinrichtung, die die geeignete Verwirbelungsstärke und Strömungsgeschwindigkeit erzeugt, ist am rückwärtigen Teil der Brennerspitze befestigt, so daß die angestrebte Strömungsform erreicht

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wird. Der Brennstoff wird in das Innere der sich spiralförmig ausbreitenden Strömung der äußeren verwirbelten Luft eingesprüht. Im Ergebnis wird ein Teil des Brennstoffs vermischt mit der Primärluft geringer Geschwindigkeit und mit einem Teil der äußeren verwirbelten Luft im heterogenen Zustand, so daß eine Verbrennung in einem stark angereicherten Brennstoffgemisch erfolgt. Dann wird der verbleibende Teil des Brennstoffs, der in dem Bereich des stark angereicherten Brennstoffgemischs nicht verbrannt wurde, gleichförmig mit der äußeren verwirbelten Strömung hoher Geschwindigkeit im homogenen Zustand vermischt, so daß die Verbrennung in einem abgemagerten Gemischzustand erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren hat also Ähnlichkeit mit einer mehrstufigen Verbrennung. Durch die selbsttätig erfolgende Abgasrückführung, die durch den auf der Innenseite vorhandenen Wirbel, der zu der äußeren verwirbelten Strömung gehört, verursacht wird, sinken ferner die maximale Flammtemperatur und der örtliche Sauerstoffpartialdruck ab, so daß die Erzeugung von thermischem und Brennstoff-NOx unterdrückt wird. Ferner ist die Flamme von der äußeren verwirbelten Luftströmung eingehüllt, so daß die Verbrennung vervollständigt wird, ohne daß eine Berührung mit der Ofenwandung oder Wasserrohren erfolgt. Daher wird auch die Erzeugung von Ruß und CO unterdrückt; in einigen Fällen wird es auch erreicht, daß durch die Verbrennung mit geringer Sauerstoffzufuhr der Wirkungsgrad des Heizkessels verbessert wird. Diese Eigenschaft ist einer der Vorteile, die das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren aufweist.

Fig. 6 zeigt in einer Graphik das Verhältnis zwischen dem Abstand 1 der Brennerspitze 7 vom inneren Ende der in Fig. 3 gezeigten Verwirbelungseinrichtung und dem Prozentsatz der NOx-Reduzierung. Dieses Verhältnis wurde experimentell ermittelt; bei diesen Versuchen wurde der Relativabstand 1 durch Verändern

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der Stellung der Verwirbelungseinrichtung bei stationärer Anordnung der Brennerspitze verändert. Der Prozentsatz der NOx-Reduzierung ist angegeben als Verhältnis der beobachteten NOx-Erzeugung zu der NOx-Erzeugung, die beobachtet wird, wenn Radialströmung-Registerflügel verwendet werden. In Fig. 6 bedeutet "x" die Ablagerung von Kohlenstoff, so daß dieser Fall für den praktischen Gebrauch ausgeschlossen ist. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß die Reduzierung der NOx-Erzeugung zunimmt, wenn der Abstand zwischen der Brennerspitze und der Verwirbelungseinrichtung verkleinert wird; umgekehrt sinkt die Auswirkung der Reduzierung der NOx-Erzeugung bei abnehmendem Relativabstand zwischen der Brennerspitze und der Verwirbelungseinrichtung. Gleichzeitig verstärkt die Vergrößerung des Relativabstandes die Tendenz zur Ablagerung von Kohlenstoff an der Brennerspitze, was für den Betrieb des Heizkessels ungünstig ist. Vorzeugsweise wird daher die Verwirbelungseinrichtung möglichst nahe an der Brennerspitze angeordnet. Dies wird auch aus dem Mechanismus der Reduzierung der NOx-Erzeugung verständlich, auf dem das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren beruht. Der maximale Relativabstand ändert sich in Abhängigkeit von der Konstruktion des Verbrennungssystems. Es wird jedoch allgemein bevorzugt, die Verwirbelungseinrichtung stromaufwärts von der Brennerspitze in einem Abstand von 2 00 mm von dieser anzuordnen. Wenn der Brenner, wie in Fig. 4 gezeigt, mit einem Diffusor versehen ist, so kann die Anordnung derart erfolgen, daß das innere Axialende der Verwirbelungseinrichtung auf der stromabwärts gelegenen Seite der Brennerspitze liegt. Der Abstand zwischen der Brennerspitze und dem inneren Axialende der Verwirbelungseinrichtung ist dann vorzugsweise nicht grosser als etwa 200 mm.

Fig. 7 ist ein Diagramm, das zeigt, wie die Stärke der Luftverwirbelung das Ausmaß der Reduzierung von NOx und der Raucherzeugung beeinflußt. Fig. 71 zeigt insbesondere die Bacharach-Rauchzahl in Abhängigkeit von der Verwirbelungszahl, während

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Fig. 711 das Ausmaß der Reduzierung der NOx-Erzeugung zeigt. In diesen Figuren zeigen die mit ausgezogenem Strich und die gestrichelt eingezeichneten Kurven die Charakteristik bei der Verwendung von Kerosin und schwerem Heizöl als Brennstoff. Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft ist in diesem Falle so gewählt, daß sie im Bereich zwischen 12 und 30 m/s liegt, während die relative Lage von Verwirbelungseinrichtung und Brennerspitze so eingestellt ist, daß sich eine ausreichend geringe Erzeugung von NOx und Rauch ergibt. Die Verwirbelungszahl S, die durch folgende Gleichung gegeben ist, wird als kennzeichnender Wert für die Stärke der Luftverwirbelung verwendet. Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit wurde bestimmt durch Teilen der gesamten Luftmenge durch die Austrittsfläche der Verwirbelungseinrichtung.

Verwirbelungszahl S = -^- tan 3 Γ ₂

3 γ ^ 1 - (d/D) *

In der obigen Gleichung sind D und d der Außen- bzw. Innendurchmesser der Verwirbelungseinrichtung, und β ist der Verwirbelungswinkel bzw. Neigungswinkel der Verwirbelungseinrichtung (siehe Fig. 311, 411 und 4III).

Wie aus Fig. 71 hervorgeht, ist bei kleiner Verwirbelungszahl S die Raucherzeugung stärker, aber auch bei großer Verwirbelungszahl. Es wird auch kein bedeutender Reduzierungseffekt der NOx-Erzeugung festgestellt, wenn die Verwirbelungszahl S klein oder groß ist. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die in den Brennerhohlraum freigesetzte Verbrennungsluftströmung nicht imstande ist, eine ausreichend stark aufgebaute äußere verwirbelte Luftströmung zu erzeugen, wenn die Verwirbelungszahl klein ist. Es entsteht dann in der Verbrennungskammer eine Strömungsform, die beinahe eine Axialströmung ist, so daß der kegelförmig versprühte Brennstoff auf die Verbrennungsluft trifft und dabei schnell ein gleichmäßiges Gemisch bildet, wo-

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durch der Effekt der Herabsetzung der NOx-Erzeugung geschwächt wird. Da ferner die Durchdringungskraft des Brennstoffs groß ist, trifft der Brennstoff auf die Wasserrohre (oder Ofenwandung) , bevor er verbrannt wird, wodurch Rauchbildung verursacht wird.

Wenn aber die Verwirbelungszahl groß ist, so weitet sich die äußere Verwirbelung zu stark auf, so daß der größte Teil der verwirbelten Luftströmung in der Nähe der Wasserrohre bzw. Ofenwandung strömt. Infolgedessen wird die Zufuhr der Verbrennungsluft zu dem Mittelbereich der Verbrennungskammer unzureichend, so daß die brennstoffreiche Zone übermäßig verbreitert wird und verschiedene ungünstige Verbrennungszustände auftreten, insbesondere verstärkte Rauchbildung oder sogenannte Pulsat ions verbrennung, wenngleich auch die Reduzierung der NOx-Erzeugung nicht verloren geht.

Unter Berücksichtigung aller Aspekte, insbesondere Reduzierung der NOx- und Rauch-Emission und pulsierende Verbrennung wird die Verwirbelungszahl vorzugsweise etwa zu 0,35 bis 1,5 gewählt, besonders bevorzugt ist dabei von 0,4 bis 1,0, insbesondere von 0,4 bis 0,6. Wenn die Verwirbelungszahl innerhalb der oben genannten Bereiche liegt, wird eine gute Verbrennung erreicht. Bei einem vorhandenen bzw. bereits konstruierten Heizkessel steigt der Druckabfall an der Verwirbelungseinrichtung, wenn der Heizkessel zur Vergrößerung der Verwirbelungszahl verändert wird, so daß die Schwierigkeit auftritt, daß die Gebläseleistung unzureichend wird. In derartigen Fällen wird eine vergleichsweise niedrige Verwirbelungszahl, z.B. 0,4 bis 0,6, gewählt.

Die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, der die Strömungsform in der Verbrennungskammer beeinflußt. Um eine ausreichende Reduzierung der NOx-Emission zu erreichen, ebenso wie eine geringe Rauch-Emission,

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wird die Luftströmungsgeschwindigkeit so gewählt, daß sie im Bereich zwischen etwa 10 und etwa 30 m/s liegt, insbesondere zwischen 13 und 23 m/s, und zwar unter stöchiometrischen Verbrennungsbedingungen (Luftüberschußverhältnis 1,0) bei Nennlast.

Der Einfluß der Luftströmungsgeschwindigkeit ist jedoch unterschiedlich in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Brennstoffs. Wenn also Gas oder leichtes Heizöl verwendet wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit vorzugsweise so gewählt, daß sie in den Bereich von etwa 10 bis etwa 25 m/s fällt, während bei einem relativ schweren Brennstoff, z.B. schweres Heizöl, die Strömungsgeschwindigkeit so gewählt wird, daß sie im Bereich zwischen etwa 15 und 30 m/s liegt. Der Winkel ß der Verwirbelungseinrichtung wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß er zwischen z.B. etwa 15° und etwa 60°, vorzugsweise zwischen 20° bis 45°, liegt.

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Menge der äußeren verwirbelten Luft zur Menge der gesamten Verbrennungsluft sowie den Prozentsatz der Reduzierung der NOx-Erzeugung, der beobachtet wird, wenn die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft am Brenner 10 bis 30 m/s beträgt. Insbesondere ist dabei die Stelle der Brennstoffeinspritzung so gewählt, daß sich eine maximale Reduzierung der NOx-Erzeugung bei einer Bacharach-Rauchzahl von 2 oder weniger ergibt, und zwar für jedes Verhältnis der verwirbelten Außenluft zur gesamten Verbrennungsluft. Dann wird die Sauerstoffkonzentration auf einen solchen Wert abgesenkt, daß die Emission von Rauch beginnt. Die Prozentsätze der Reduzierung der NOx-Erzeugung bei diesen Werten sind in Fig. 8 aufgetragen. Eine zu hohe oder zu niedrige Luftströmungsgeschwindigkeit erschwert die Erzielung einer Strömungsform, die geeignet ist zur Reduzierung der Erzeugung von NOx und von Rauch. Die mittlere Luftströmungsgeschwindigkeit am Brenner beträgt daher vorzugsweise zwischen 10 und 30 m/s. Wenn das Verhältnis der äußeren

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verwirbelten Luft zur gesamten Verbrennungsluft zu klein ist, so wird, wie aus Fig. 8 hervorgeht, die Verbrennung des mit der durch den Diffusor strömenden Primärluft vermischten Brennstoffs dominierend, so daß es unmöglich wird, die Erzeugung von NOx allein durch die Stelle der Brennstoffeinspritzung zu unterdrücken. Wenn die Sauerstoffkonzentration abgesenkt wird, um die NOx-Erzeugung zu reduzieren, so ergibt sich eine unerwünschte verstärkte Rauchbildung. Dies bedeutet, daß der NOx-Erzeugung eine praktische Grenze gesetzt ist.

Wenn jedoch die Menge der äußeren verwirbelten Luft (Sekundärluft) vergrößert wird, so steigt die Reduktionsrate der NOx-Erzeugung, wenn die Bacharach-Rauchzahl nicht größer als 2 ist, was bedeutet, daß die Raucherzeugung nicht problematisch ist. Die NOx-Erzeugung wird spürbar abgesenkt, wenn 65% oder mehr der gesamten Verbrennungsluft in den äußeren verwirbelten Teil gelangen, und die Reduzierung wird beträchtlich, wenn der Prozentsatz größer wird als 70%.

Das Diagramm in Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der NOx-Erzeugung und dem Einlaßwinkel<* der Verwirbelungseinrichtung. Dieses Diagramm entsteht durch Auftragen der gemessenen NOx-Erzeugung, wenn die Verbrennung mit Kerosin unter solchen Bedingungen stattfindet, daß das Durchmesserverhältnis d/D 0,71 und der Verwirbelungswinkel ß der Verwirbelungseinrichtung 30° beträgt, für verschiedene EintrittswinkeloC. Die NOx-Menge ist auf der Grundlage von 4% O„ dargestellt. Auch die im weiteren Verlauf erwähnten NOx-Werte sind auf 4% O bezogen.

Aus Fig. 9 geht hervor, daß die bei der Verbrennung entstehende NOx-Menge mit größerem Winkel «X. zunimmt. Dafür kann die Tatsache verantwortlich gemacht werden, daß der größere Eintrittswinkel ot eine stärkere radial einwärts gerichtete Komponente der Verwirbelungsgeschwindigkeit erzeugt, wodurch die Vermi-

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schung des Brennstoffs mit der Luft gefördert wird. Nach herkömmlicher Technik wird der Eintrittswinkel oe. größer als 15° gewählt. Fig. 9 ist jedoch zu entnehmen, daß ein kleiner Eintrittswinkel °c eine wirksame Reduzierung der NOx-Erzeugung bewirkt. Vorzugsweise ist dieser Winkel «.nicht größer als 15°, und besonders bevorzugt wird der Bereich zwischen 0 und 5°.

Anschließend werden konkrete Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahrens beschrieben.

Beispiel 1

Die Verbrennung erfolgt in einem Heizsystem mit einer Batterie von Wasserrohren und mit einem Verbrennungssystem nach Fig. 3 bei einer Verdampfungskapazität von 8 t/h, unter Verwendung von schwerem Heizöl als Brennstoff. Verwendet wird eine Axialströmung-Verwirbelungseinrichtung mit einem Verwirbelungswinkel der Neigung 36°. Die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft am Auslaß der Verwirbelungseinrichtung wird auf etwa 18 m/s eingestellt, und zwar unter stöchiometrischen Bedingungen bei Nennlast. Der Abstand zwischen dem Brennerende und dem inneren Axialende der Verwirbelungseinrichtung wird auf 50 mm eingestellt. Gleichzeitig wird eine Verbrennung nach einem herkömmlichen Verbrennungsverfahren durchgeführt, und zwar mit dem gleichen Heizsystem und mit einem Verbrennungssystem nach Fig. 1. In jedem Fall wird ein Dampfzerstäubungsbrenner mit interner Vermischung verwendet.

Die Fig. 101 und 1011 zeigen die Ergebnisse der Verbrennung. Insbesondere zeigt Fig. 101 den Reduktionsprozentsatz bei Sauerstoff (O₂) in den Abgasen, während Fig. 1011 den Reduktionsprozentsatz der NOx-Erzeugung zeigt. Diese Prozentsätze werden berechnet im Verhältnis zu der (^-Konzentration bzw. NOx-Erzeugung, die bei einer Verbrennung nach dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren beobachtet wird. Es zeigt also der O^-Reduk-

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tionsprozentsatz, wie die O₉-Konzentration bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren im Vergleich zu dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren bei gleicher Rauchdichte reduziert wird. Eine stärkere Reduzierung der (^-Konzentration bedeutet, daß die Emission unverbrannter Substanzen wie Rauch geschwächt wird, so daß eine Verbrennung mit geringer Sauerstoffmenge ermöglicht wird, die den Wirkungsgrad des Heizsystems verbessert. Wie aus Fig. 1011 hervorgeht, beträgt der Reduktionsprozentsatz der NOx-Erzeugung 25 bis 50%. Ferner zeigt Fig. 101, daß die (^-Konzentration um 1 bis 3,6% abgesenkt wird. Infolgedessen wird der Wirkungsgrad des Heizsystems unter normalen Betriebsbedingungen um etwa 2% verbessert. Ferner kann auch bei niedriger Last eine stabile Verbrennung gewährleistet werden.

Beispiel 2

Die Verbrennung erfolgt in einem Abgas-Rohrheizsystem (Verdampfungskapazität 3 t/h) mit einem Verbrennungssystem, das ein konisches Luftregister wie in Fig. 4 gezeigt enthält, unter Verwendung von schwerem Heizöl als Brennstoff. Die Verwirbelungszahl S wird zu 0,51, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft zu 20 m/s und der Abstand zwischen der Brennerspitze und der Verwirbelungseinrichtung zu 20 mm gewählt. Gleichzeitig erfolgt die Verbrennung in dem gleichen Heizsystem mit derselben Verdampfungskapazität und einem Verbrennungssystem nach Fig. 2, also nach einem herkömmlichen Verbrennungsverfahren. In beiden Fällen wird ein unter Druck arbei tender Zerstäubungsbrenner verwendet.

Fig. 11 zeigt die NOx-Emission (Teile pro Million) bei beiden Verbrennungen auf der Grundlage von 4% O₂- Die Kurve a zeigt die NOx-Erzeugung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, und Kurve b diejenige nach dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren. Die an diesen Kurven vermerkten Zahlen bezeichnen die Rauchdichte (Bacharach-Rauchzahl). Aus Fig. 11 geht hervor, daß die

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Rauchdichte bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren bei demselben Luftverhältnis (O₂%) stark reduziert wird. Ferner wird eine Schwächung der NOx-Erzeugung von etwa 45% durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht.

Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß durch die Erfindung die NOx-Erzeugung stark reduziert wird, und zwar durch ein einfaches Verbrennungssystem bzw. eine einfache Veränderung der Verbrennungssysteme vorhandener Heizsysteme. Auch die Raucherzeugung wird stark abgesenkt, so daß eine Verbrennung mit geringem Sauerstoffanteil zur bedeutenden Steigerung des Wirkungsgrades des Heizsystems ausgenutzt werden kann.

Wie aus Fig. 12 hervorgeht, wird im Vergleich zu dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren eine bessere Verbrennung erreicht, gleich welche Art Brennstoff verwendet wird. Das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren ist daher für einen breiten Anwendungsbereich zugänglich.

Ferner wird auch eine unstabile Verbrennung bei niedriger Last vermieden, wie sie oft bei herkömmlichen Verbrennungsverfahren beobachtet wird.

Wie bereits erwähnt wurde, bietet das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren verschiedene Vorteile insbesondere für industrielle Anwendungen.

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Claims

MÜLLER-BORE · DEUFFL · SOKÖN · HERTKL

PATENTANWÄLTE ζ. !j J b U 7 3

DR. WOLFGANG MÜLLER-BOR^ (PATENTANWALTVON 1927-1975) DR. PAUL DEUFEL. DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN, DIPL-CHEM. WERNER HERTEL. DIPL.-PHYS.

MANDATAIRES AGRiES PRES L¹OFFlCE EUROPEEN DES BREVETTS

Hl/De/ga-K 1388

-6. SEP. 1979

KOBE STEEL, LTD.
Kobe / Japan

Verbrennungsverfahren zur Reduzierung der Emission von Stickstoffoxiden und Rauch

Patentansprüche

·' Verbrennungsverfahren zur Reduzierung der Emission von Stickstoffoxiden und Rauch, das zur Anwendung bei Heizkesseln und Öfen geeignet ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbrennung durchgeführt wird, während die Verbrennungsluft verwirbelt wird mittels einer Verwirbelungseinrichtung, die in einem Abstand von nicht mehr als 200 mm von der Stelle angeordnet ist, wo der Brennstoff eingespritzt wird, daß die Auslaßfläche der Verwirbelungseinrichtung derart eingestellt wird, daß die durch die Verwirbelungszahl dargestellte Stärke der Verwirbelung im Bereich zwischen 0,35 und 1,5 liegt, und

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MÜNCHEN 86, SIEBERTSTR. 4 POB 86O720 KABEL: MUEBOPAT · TEL. (0 89) 47 4005 TELECOPIER XEROX 400 TELEX 5-24285

daß die mittlere Geschwindigkeit der Verbrennungsluft im stöchiometrischen Verbrennungszustand und bei Nennlast in einen Bereich zwischen 10 m/s und 30 m/s fällt.
2. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft unterteilt wird in durch einen Diffusor laufende Primärluft und Sekundärluft, die um den Diffusor herum strömt, daß wenigstens die Sekundärluft eine verwirbelte Luftströmung ist, das Verhältnis der Sekundärluft zur Menge der gesamten Verbrennungsluft nicht kleiner ist als 65% und daß die Stelle der Brennstoffeinspritzung eingestellt wird.
3. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Führungsring um das Endstück des Diffusors herum angeordnet wird.
4. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßwinkel <* der Verwirbelungseinrichtung nicht grosser als 15° gewählt wird.
5. Verbrennungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbrennungssystem verwendet wird, das einen Brennstoffbrenner und einen um den Brenner herum festgelegten Verbrennungsluftkanal enthält, daß beim Einsprühen des Brennstoffs und Einleiten der Verbrennungsluft in die Verbrennungskammer der Ausbreitungswinkel der Verbrennungsluft durch eine Ausbreitungswinkel-Einstelleinrichtung derart eingestellt wird, daß der Divergenzwinkel der Hauptverbrennungsluftströmung größer ist als der Divergenzsprühwinkel der Hauptströmung des Brennstoffs, derart, daß der versprühte Brennstoff von der Verbrennungsluft eingehüllt ist, und daß dadurch ein schnelles Vermischen des Brennstoffs und der Verbrennungsluft im Anfangsstadium der Verbrennung verhindert wird.

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6. Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbrennungssystem verwendet wird, das einen Brennstoffbrenner und einen um den Brenner herum festgelegten Verbrennungsluftkanal aufweist, daß entweder das Ende des Brennstoffbrenners oder das Ende des Verbrennungsluft-Leitblechs oder beide sehr nahe am inneren Ende der Verbrennungskammer angeordnet sind, daß das Leitblech die Verbrennungsluft derart freigibt, daß der Divergenzwinkel der Verbrennungslufthauptströmung größer ist als der Divergenzwinkel der Brennstoffhauptströmung, so daß der versprühte Brennstoff durch die Verbrennungsluftströmung eingehüllt ist, und daß dadurch ein schnelles Vermischen des Brennstoffs und der Verbrennungsluft im Anfangsstadium der Verbrennung unterdrückt wird.
7. Verbrennungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsprührichtung des Brennstoffs zur Luftströmungsachse 5 bis 45° beträgt und die Vermischung des Brennstoffs mit der Luft in der Verbrennungszone in geeigneter Weise geregelt wird.
8. Verbrennungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungszahl der Verbrennungsluft im Bereich von 0,4 bis 1,0 gewählt wird.
9. Verbrennungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft im Bereich zwischen 13 und 23 m/s liegt.

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