DE2936073C2

DE2936073C2 - Verbrennungsverfahren zur Reduzierung der Emission von Stickstoffoxiden und Rauch

Info

Publication number: DE2936073C2
Application number: DE2936073A
Authority: DE
Inventors: Kotaro Kobe 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: 1986-09-18
Also published as: DE2936073A1; JPS5751010B2; US4297093A; JPS5535885A

Description

^s=f

mit β gleich Austrittswinkel, d gleich Innendurchmesser und D gleich Außendurchmesser der Verwirbelungseinrichtung, die zwischen 0,35 und 1,5 liegt, eingeleitet wird, und daß die Verwirbelungseinrichtung in einem Abstand von nicht mehr als 200 mm von der Brennstoffeinspritzvorrichtung angeordnet ist.

2. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungsluft mit niedriger Geschwindigkeit Primärluft und die Verbrennungsluft, die durch die Verwirbelungseinrichtung strömt, Sekundärluft ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Menge der Sekundärluft zur Menge der gesamten Verbrennungsluft nicht kleiner ist als 65% und daß die Stelle der Brennstoffeinspritzung eingestellt wird.

3. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungszahl der Verbrennungsluft im Bereich von 0,4 bis 1,0 gewählt wird.

4. Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft im Bereich zwischen 13 m/sec und 23 m/sec liegt.

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsverfahren zur Reduzierung der Emission von Stickstoffoxiden und Rauch bei Heizkesseln und öfen, welche eine Verbrennungskammer, einen Brenner und einen um den Brenner herum angeordneten Verbrennungs-Luftkanai aufweisen, wobei man Brennstoff aus einer Brennstoffeinspritzvorrichtung in die Verbrennungskammer einspritzt und Verbrennungsluft zuführt, wobei man den Brennstoff unter einem vorbestimmten Winkel in eine brennstoffeiche Zone einleitet, wobei man eine Verwirbelungseinrichtung verwendet, die in dem Kanal für die Verbrennungsluft in einem Abstand von der Brennstoffeinspritzvorrichtung angeordnet ist, um Verbre*«nungsluft in eine magere Zone zu verwirbeln, die die brennstoffreiche Zone umgibt, wobei die Verwirbelungseinrichtung derart eingestellt ist, daß die verwirbelte Luft mit einer erhöhten Geschwindigkeit und mit einem Ausbreitungswinkel, der nicht kleiner ist als der Ausbreiiungswinkel des Brennstoffes, zugeführt wird, wobei der Brennstoff und die Verbrennungsluft mit niedriger Geschwindigkeit in der brennstoffreichen Zone durch die verwirbelte Luft eingehüllt werden und wobei dadurch ein schnelles Vermischen des Brennstoffes und der Verbrennungsluft im Anfangsstadium der Verbrennung verhindert wird.

Aus der GB-PS 8 92 151 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bekannt. Dort soll die Heizleistung bei ruhigem Lauf des Brenners unter Vermeidung der Bildung von Ruß verbessert werden. Dazu kann dort die Verbrennung gesteuert werden durch Austs.isch einer Hülse, um eine kleinere oder größere Flamme einzustellen. Eine Stickstoffoxidverringerung ist mit der bekannten Vorrichtung nicht erreichbar.

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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren derart weiterzubilden, daß die Emission von Stickstoffoxiden verrir sert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die verwirbelte Luft mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 und 30 m/sec und einer Verwirbelungszahl

mit/?gleich Austrittswinkel, dgleich Innendurchmesser und D gleich Außendurchmesser der Verwirbelungseinrichtung, die zwischen 0,35 und 1,5 liegt, eingelßitet wird

5ü und daß die Verwirbelungseinrichtung in einem Abstand von nicht mehr als 200 mm von der Brennstoffeinspritzvorrichtung angeordnet ist.

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 Qeschwindigkeitsgradienten der sekundären !'yerbrennungszöne.mpglichst'au^erhihdern^soJ.daB'^ine.' allmähliche und gleichförmige Verbrennung stattfindet. Weiter wurde gefunden, daß eine wirksame Maßnahme zur Reduzierung der Rauch- und NOx-Emission darin besieht, die Verbrennung unlcr solchen Bedingungen durchzuführen, daß die Flamme von der verwirbclten Luft eingehüllt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Verwirbelungszahl im Bereich zwischen 0,4 und 1,0. Bei der bevorzugten Ausführungsform liegt ferner die axiale mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft unter stöchiometrischen Verbrennungsbedingungen im Bereich zwischen 13 und § 23 m/s am Auslaß der Verwirbelungseinrichtung.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Verbrennungsluft unterteilt in eine primäre Luftströmung, die durch einen 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

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

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

Fi g. III eine schematische Darstellung der Verwirbelungseinrichtung in dem Verbrennungssystem nach Fig. II.

F i g. 21 eine Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines anderen Verbrennungssystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig.211 eine Schnittansicht längs Linie A-A in F ig. 21,

Fig.2III eine schematische Darstellung eines wesentlichen Teils der Verwirbelungseinrichtung,

F i g. 3 eine Darstellung der Verbrennungsbedingungen,

F i g. 4 ein Diagramm, das die Auswirkung der Stellung der Verwirbelungseinrichtung auf die NOx-Reduzierung zeigt,

F i g. 51 und 511 Diagramme, von denen ersteres die Beeinflussung der Rauchzahl und das zweite die Beeinflussung der NOx-Reduzierung durch die VerwirbeliincrsTahl Hn" -itpllt

F i g. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Verhältnis der externen verwirbelten Luftströmung (Sekundärluft) zu der gesamten Verbrennungsluft sowie der prozentualen Reduzierung von NOx,

F i g. 7 ehi Diagramm, das zeigt, wLj der Einlaßwinkel der Verwirbeäungseinrichtung die NOx-Erzeugung beeinflußt,

F i g. 81 und 811 Diagramme, welche die bei verschiedenen Heizkesseln beobachtete Cb-Reduzierung und NOx-Reduzierung darstellen,

F i g. 9 efo Diagramm, das die Erzeugung von NOx in Abhängigkeit von verschiedenen O2-Konzentrationen zeigt, und

F i g. 10 ein Diagramm, das zeigt, wie die NOx-Erzeugung durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren reduziert wird.

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 Brennstoffeinsprühöffnuijg liegt. Wie später unter Bezugnahme auf F i g. 2 ausführlich erläutert wird, ist ein Führungsring 10 so angeorcast, daß er einen 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 Luftdurchtrittsfläche in der Verwirbelungseinrichtung und den Winkel der Flügel derselben, so daß die gewünschte

ίο Form der Luftströmung in der Verbrennungskammer erzielt wird.

F i g. II zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht ein Verbrennungssystem mit einem Brenner, der geeignet ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. III zeigt schematisch die Verwirbelungseinrichtung des in F i g. II gezeigten Verbrennungssystems. Das in diesen Figuren gezeigte Verbrennungssystem unterscheidet sich von einem herkömmlichen Verbrennungssystem dadurch, daß die Registerflügel in dem Windkasten entfallen und die Verwickelung durch eine Verwirbelungseinrichtung 9 verursacht wird, die um die Brennerspitze 7 herum angeordnet isi, 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.2 zeigt ein weiteres Beispiel eines Verbrennungssystems, das zur Durchführung des erfindungsge· mäßen Verfahrens geeignet ist F i g. 21 zeigt eine geschnittene Seitenansicht, Fig.211 eine Schnittansicht längs Linie A-A, und Fig.2III 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 Sekundärluft nur aus der äußeren verarbeiten Luft.

Bei den in F i g. 1 und 2 gezeigten Verbrennungssystemen werden die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft und die Stärke der Verwirbelung eingestellt und optimiert durch Einstellung dei 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° einspricht; es kann auch ein Einsprühventil für zweierlei Fluide verwendet werden. Bei einem Ofen jnit geringer Hitzefreisetzung, z. B. einem Industrieofen, kann auch ein Brenner mit gerader Einspritzung verwendet werden, ebenso wie ein Brenner mit einer ablenkenden Brennerspitze, dit einen Neigungswinkel zwischen 5 und 45° zur Luftströmungsachse bildet.

F i g. 3 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 wird. Der Brennstoff wird in das Innere der sich spiralförmig ausbreitenden Strömung der äußeren verwirbel-

ten Luft eingesprüht Im Ergebnis wird ein Teil des Brennstoffes 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 Brennstoffes, der in dem Bereich des stark angereicherten Brennstoffgemisches 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 Sauerstoffpartiaidruck ab, so dau 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.

F i g. 4 zeigt in einer Graphik das Verhältnis zwischen dem Abstand / der Brennerspitze 7 vom inneren Ende der in Fig. 1 gezeigten Verwirbelungseinrichtung und dem Prozentsatz der NOx-Reduzierung. Dieses Verhältnis wurde experimentell ermittelt; bei diesen Versuchen wurde der Relativabstand / durch Verändern der ltan» «Ία» Uai^tMi«Waln«i*natnmi»Utitn™

Brennerspitze und dem inneren Axialende der Verwirbelungseinrichllung ist dann vorzugsweise nicht größer als etwa 200 mm.
F i g. 5 ist ein Diagramm, das zeigt, wie die Stärke der Luftverwirbelung das Ausmaß der Reduzierung von NOx und der Raucherzeugung beeinflußt. Fig.51 zeigt insbesondere die Bacharach-Rauchzahl in Abhängigkeit von der Verwirbelungszahl, während F i g. 511 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 Fall so gewählt, daß sie im Bereich 2iwischen 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 Verwirbeiungszahi S, die durch folgende Gleichung gegeben ist, wird alls kennzeichnender Wert für die Stärke der Luftverwirbelung verwendet. Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit wurde bestimmt durch Teilen der gesamten Luftmenge durch die Austrittsfläche der Verwirbelungseinrichtung.

Verwirhelungs:zahl S = —· Xanß

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-Registerfiügel verwendet werden. In F i g. 4 bedeutet »x« die Ablagerung von Kohlenstoff, so daß dieser Fall für den praktischen Gebrauch ausgeschlossen ist Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß die Reduzierung der NOx-Erzeugung zunimmt wenn der Abstand zwischen der Brannerspitze 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 Vorzugsweise 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 200 mm von dieser anzuordnen. Wenn der Brenner, wie in F i g. 2 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 1.

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. III, 211 und2III).

Wie aus F i g. 51 hervorgeht, ist bei kleiner Verwirbelungszahl 5 die Raucherzeugung stärker, aber auch bei großer Verwirbelungszahl. Es wird auch kein bedeuten-

stellt, 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 schnull ein gleichmäßiges Gemisch bildet wodurch der Effekt der Herabsetzung der NOx-Erzeugung geschwächt wird. Da ferner die Durchdringungskraft des Brennstoffes 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 außer«: 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 Pulsationsverbrennung, wenngleich auch die Reduzierung der NOx-Erzeugung nicht verlorengeht

Unter Berücksichtigung aller Aspekte, insbesondere Reduzierung der NOx- und Rauch-Emission und pulsierende Verbrennung wird die Verwirbelungszahl vorzugsweise etwa zu 035 bis 1,5 gewählt besonders be-

vorzugt 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 wiiti. 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, wird die Luftströmungsgeschwindigkeit so gewählt, daß sie im Bereich zwischen etwa 10 und etwa 30 m/s liegt, insbesondere 7wisrhen 13 Und 23 Γϊΐ/S. UP.d ZW5>r unter StQ-chiometrischen Verbrennungsbedingungen (Luftüberschußverhältnis 1,0) bei Nennlast.

Der Einfluß der Luftströmungsgeschwindigkeit ist jedoch unterschiedlich in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Brennstoffes. 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 β der Verwirbelungseinrichtung wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß er zwischen z. B. etwa 15° und etwa 60°, vorzugsweise zwischen 20° bis 45°, liegt.

F i g. 6 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 F i g. 6 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 verwirbelten Luft zur gesamten Verbrennungsluft zu klein ist, so wird, wie aus F i g. 6 hervorgeht, die Verbrennung des mit der durch den Diffusor strömenden Primärluft vermischten Brennstoffes 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 verwirbcltcn Teil gelangen, und die Reduzierung wird beträchtlich,-wenn der Prozentsatz größer wird als 70%.

Das Diagramm in Fig.7 zeigt die Beziehung zwischen der NOx-Erzeugung und dem Einlaßwinkel <x der „.'•yerwirbelungseinrichtung. Dieses Diagramm entsteht

io*durch Auftragen der gemessenen NOx-Erzeugung, wenn die Verbrennung mit Kerosin unter solchen Bedingungen stattfindet, daß das Durchmesserverhältnis d/D 0,7 \ und der Verwirbelungswinkel/9der Verwirbelungseinrichtung 30° beträgt, für verschiedene Eintrittswinkel a. Die NOx-Menge ist auf der Grundlage von 4% O2 dargestellt. Auch die im weiteren Verlauf erwähnten NOx-Werte sind auf 4% O2 bezogen.

Aus F i g. 7 geht hervor, daß die bei der Verbrennung p7itcti*hpnHg NOx-Nisn^s mi* °Töi3ersin ^Vinks! α zunimmt. Dafür kann die Tatsache verantwortlich gemacht werden, daß der größere Eintrittswinkel α eine stärkere radial einwärts gerichtete Komponente der Verwirbelungsgeschwindigkeit erzeugt, wodurch die Vermischung des Brennstoffes mit der Luft gefördert wird. Nach herkömmlicher Technik wird der Eintrittswinkel α größer als 15° gewählt. Fig.7 ist jedoch zu entnehmen, daß ein kleiner Eintrittswinkel <x eine wirksame Reduzierung der NOx-Erzeugung bewirkt. Vorzugsweise ist dieser Winkel α 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 F i g. 1 bei einer Verdampf ungskapazitäi 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 herkömmlichen Verbrennungssystem. In jedem Fall wird ein Dampfzerstäubungsbrenner mit interner Vermischung verwendet

Die F i g. 81 und 811 zeigen die Ergebnisse der Verbrennung. Insbesondere zeigt F i g. 81 den Reduktionsprozentsatz bei Sauerstoff (O2) in den Abgasen, während F i g. 811 den Reduktionsprozentsatz der NOx-Erzeugung zeigt Diese Prozentsätze werden berechnet im Verhältnis zu der O₂-Konzentration bzw. NOx-Erzeugung, die bei einer Verbrennung nach dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren beobachtet wird. Es zeigt also der 02-Reduktionsprozentsatz, wie die O2-Konzentration bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren im Vergleich zu dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren bei gleicher Rauchdichte reduziert wird. Eine stärkere Reduzierung der 02-Konzentration

■41 "■■"■■ '

9

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 F i g. 811 hervorgeht, beträgt der Reduktionsprozentsatz der NOx-Erzeug»ng 25 bis 50%. Ferner zeigt Fig.81, daß die 02-Konzentration um 1 bis 3,6% abgesenkt

wird. Infolgedessen wird der Wirkungsgrad des Heizsy-■ stems unter normalen Betriebsbedingungen um etwa >;2% verbessert. Ferner kann auch bei niedriger Last eine η stabile Verbrennung gewährleistet werden.

ti
■ | Beispiel 2

{ Die Verbrennung erfolgt in einem Abgas-Rohrheiz-

system (Verdampfungskapa-dtät 3 t/h) mit einem Verbrennungssystem, das ein konisches Luftregister wie in F i g. 2 gezeigt enthält, unter Verwendung von schwerem Heizö! als Brennstoff. Die Vcrwirbelun^szsh! -5" 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 herkömmlichen Verbrennungssy- stem. In beiden Fällen wird ein unter Druck arbeitender Zerstäubungsbrenner verwendet.

F i g. 9 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.9 geht hervor, daß die Rauchdichte bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren bei demselben Luftverhältnis (02%) 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-Erzergung 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. 10 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 v/ird 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.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verbrennungsverfahren zur Reduzierung der Emission von Stickstoffoxiden und Rauch bei Heizkesseln und öfen, welche eine Verbrennungskammer, einen Brenner und einen um den Brenner herum angeordneten Verbrennungs-Luftkanal aufweisen, wobei man Brennstoff aus einer Brennstoffeinspritzvorrichtung in die Verbrennungskammer einspritzt und Verbrennungsluft zuführt, wobei man den Brennstoff unter einem vorbestimmten Winkel in eine brennstoffreiche Zone einleitet, wobei man eine Verwirbelungseinrichtung verwendet, die in dem Kanal für die Verbrennungsluft in einem Abstand von der Brennstoffeinspritzvorrichtung angeordnet ist, um Verbrennungsluft in eine magere Zone zu verwirbeln, die die brennstoffreiche Zone umgibt, wobei die Verwirbelungseinrichtung derart eingestellt ist,oLiß die verwirbelte Luft mit einer erhöhten Geschwindigkeit und mit einem A.usbreitungswinkel, der nicht kleiner ist als der Ausbreitungswinkel des Brennstoffes, zugeführt wird, wobei der Brennstoff und die Verbrennungsluft mit niedriger Geschwindigkeit in der brennstoffreichen Zone durch die verwirbelte Luft eingehüllt werden und wobei dadurch ein schnelles Vermischen des Brennstoffes und der Verbrennungsluft im Anfangsstadium der Verbrennung verhindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die verwirbelte Luft mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 und 30m/sec und einer Verwirbelungszahl