DE3503413A1 - Verfahren und vorrichtung zur vierstufigen verbrennung von gasfoermigen und fluessigen brennstoffen mit stickoxidfreien abgasen - Google Patents

Description

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Ver-fahren und Vorrichtung zur 4-stu-figen Verbrennung von •flüssigen und gasförmigen Brennstoffen mit stickoxidfreien Abgasen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur stickoxidfreien Verbrennung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen, mit deren Hilfe Brenngase, wie Erdgas, Flüssiggas, oder Heizöl, so verbrannt werden, daß keinerlei Stickoxide entstehen.

In Gas- und öl Verbrennungsanlagen ist es üblich, die Brennstoffe in einer Flamme zu verbrennen, die zumindest örtlich Temperaturen weit über 1300 grd C hat und somit Stickoxide erzeugt. Außerdem ist zur vollständigen Verbrennung ein Luftüberschuß nötig, der die relativ vollständige Ausnutzung der Wärmefreisetzung verhindert.

Bemühungen zur Verringerung der Stickoxidbildung führten zu einer stärkeren Kühlung der Flammen und somit zu einer weiter verringerten Wärmeausnutzung des Brennstoffes.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Verbrennung so in t Stufen aufzuteilen, daß eine Stickoxidbildung im Abgas |\ zuverlässig verhindert wird. Dazu muß an allen Stellen eine Reaktionsführung der Umsetzung des Brennstoffes mit der Luft so stattfinden, daß die Wärmefreisetzung durch Verbrennungsreaktionen und nachfolgende Rauchgaskühlung in einem Temperaturbereich unter 1300 grd C oder unter reduzierender Atmosphäre stattfindet bzw. entstandene Stickoxide in reduzierender Atmosphäre unter katalytischer Einwirkung reduziert werden.

Bemühungen, dieses durch eine Aufteilung der Reaktion in eine Vergasungsreaktion mit partieller katalytischer Oxidation und nachfolgender Kühlung des entstandenen Brenngases und Verbrennung dieses Vergasungsgases in einer zweiten Stufe zu erreichen, führten nicht zu dem erwünschten Erfolg, da die Aufteilung der 1800 grd C heißen Flamme nicht in zwei 900 grd C heißen Teilbereiche erfolgte, die durch die Zwischenkühlung des Vergasungsgases entstanden, sondern die Zwischenkühlung des Vergasungsgases führte nur eine geringere Wärme ab, da das Volumen des Vergasungsgases nur ein Teil des Endvolumens darstellt.

In der zweiten Stufe entstanden somit wesentlich höhere Temperaturen, die sowohl die Haltbarkeit der Katalysatoren begrenzten, als auch durch überhitzungen zu Stickoxidbildung, wenn auch gering, führten. Außerdem entstanden in einem solchen Gerät Zündschwierigkeiten, da unter den gegebenen Bedingungen einer reduzierenden Atmosphäre größere

Zündenergien zum Start des Gerätes erforderlich werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu umgehen und zu einer vollständig stickoxidereien Verbrennung von Brenngasen zu kommen, die auch eine sehr gute Wärmeausnutzung der Verbrennungswärme des Gases ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese schwierige Aufgabe dadurch gelöst, daß nur etwa die Hälfte des gasförmigen Brennstoffes, im Bereich zwischen 30 und 70 X, mit der Gesamtluft der 1. Stufe in einer Vorstufe in einer gekühlten Ringkammer annähernd vollständig verbrannt wird. Die heißen Rauchgase kühlen sich in der Ringkammer, die nur 1 - 2 X der gesamten Wärmetauschfläche besitzt, nur auf Temperaturen von 1200 bis 1600 grd C ab.

Sie werden mit dem gesamten restlichen Verbrennungsgas am Kopf des Zylinders gemischt und im gemischten Zustand in einen Katalysator eingeleitet, der unter Abkühlung des Brenngas-Abgas-Gemisches dieses zu einem CO- und H2-haltigen Brenngas umwandelt.

Diese Umwandlung ist nötig, da ein solches Brenngas leichter verbrennt und rußbildende Nebenreaktionen nach Mischung des Gases durch die katalytischen Umsetzungen verhindert werden.

Nach Austritt des Gases aus dem Katalysator wird dieses in einer Wärmetauscherstufe auf Temperaturen oberhalb des Taupunktes abgekühlt und in zwei Teil ströme der Stufe 2 zugeleitet.

Bei einem flüssigem Brennstoff erfolgt die Umsetzung in der 1. Stufe dadurch, daß von dem entstandenen Vergasungsgas ein Teil strom in die Ringkammer der 1. Stufe zurückgeleitet wird und dort mit dem Teilstrom der Luft vollständig verbrennt. Die zugegebene flüssige Brennstoffmenge wird am Kopf der 1. Stufe zu dem heifsen Verbrennungsgas zugegeben. Das Gemisch wandelt sich ebenso wie beim gasförmigen Brennstoff in dem Katalysator der 1. Stufe zu einem Brenngas um.

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Im Gegensatz zu dem gasförmigen Brennstoff wird jedoch nicht die gesamte Vergasungsgasmenge der 2. Stufe zugeleitet, sondern ein Teil strom in die Ringkammer der 1. Stufe zurückgeleitet.

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Für den Startvorgang bis zur Bildung des Vergasungsgases werden kleine Teilmengen des flüssigen Brennstoffes in die Ringkammer gegeben.

Zur Schonung des Katalysators der 2. Stufe wird ca. die Hälfte des Vergasungsgases (30 bis 90 X) mit der gesamten Verbrennungsluftmenge der 2. Stufe in einer Ringkammer verbrannt und durch die Wasserummantelung dieser Ringkammer zum Teil gekühlt. Durch die geringe Oberfläche der Ringkammer 17 entsteht hier eine Abkühlung auf ca. 1000 grd C (800 bis

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1100 grd C), so daß im Kopf der Kammer unter Zumischung der restlichen Vergasungsgasmenge eine ca. 600 grd C heiße Gemischmenge entsteht, die in dem nachfolgenden Katalysator zu einem sauberen Abgas mit geringem Luftüberschuß umgesetzt wird.

Der nachfolgende Wärmetauscher sorgt für die fast vollständige Wärmeabgabe des im Abgas enthaltenen Wärmeinhaltes an das in den Rohren befindlich Heizmedium, beispielsweise Brauchwasser oder Wasser des Heizkreislaufes. Die fast vollständige Wärmeabgabe wird dadurch begünstigt, daß durch Verbrennung des Gases im Katalysator kein Flammenvolumen und keine rußhaltigen Nebenprodukte entstehen, die den Wärmeübergang an die Rohre verschlechtern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus den mit Lochplatten abgeschlossenen Mischköpfen der beiden Stufen mit den Gaseinlässen im oberen Teil des Kopfes und den Gasauslässen durch die Lochplatten, aus den gekühlten Ringkammern mit den Gemischeinlässen und Zündvorrichtungen mit im Zentrum liegenden Katalysator und den nachfolgenden Wärmetauschern.

Die Vorrichtung beinhaltet die Gasüberleitungen aus der 1. Stufe mit einem Einlaß in die Ringkammer der 2. Stufe und eine Einleitung in den Mischkopf.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung soll nun an nachstehender Figur näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt die einzelnen Stufen und die verwendeten Elemente des Verfahrens und der Vorrichtung.

Mit 1 ist der Eintritt des Gas-Luft-Gemisches der 1. Stufe bezeichnet, der den mit der Verbrennungsluft der 1. Stufe vermischten Brenngasstrom in die Ringkammer der 1. Stufe einläßt. Gezündet wird dieser Brenngas-Luft-Strom durch die Zündeinrichtung, beispielsweise eine Zündkerze, 2.

Das heiße, verbrannte Gas streicht auf dem Weg nach oben durch die Ringkammer 3 an der mediumgekühlten Außenwand 25 entlang und wird dadurch abgekühlt.

Das so teil gekühl te Abgas gelangt an den Kopf der Ringkammer 4, wo die restliche Brenngasmenge zu dem heißen Rauchgas zugemischt wird. Vorteilhaft hierzu ist die Verwendung eines Mischspaltes 5, der durch die Lochplatte 6 und die obere Begrenzung der Katalysatorkammer 7 gebildet wird.

Das heiße Rauchgas saugt in diesem Spalt die restliche Brenngasmenge zu, die in Gaskammer 8 von oben durch die Lochplatte 6 eingeleitet wird.

Die Mischung der Komponenten wird durch die Einleitungsöffnung 9 und die vor dem Katalysator liegende Mischkammer

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10 verbessert, sod a fr das heiße Gemisch bei Einleitung in den Katalysator 11 eine homogene Konzentrat!onsverteilung besitzt. Diese ist deshalb notwendig, da der Katalysator aus einer Katalysatorwabe bestehen kann, die die Mischung der Gase im Katalysator verhindert. Der Katalysator 11 ist durch eine Isolationsmatte 12 in dem Gehäuse 13 eingespannt und thermisch isoliert, sodaß die aktive Substanz des Katalysators durch die höheren Temperaturen in der um den Katalysator liegende Ringkammer geschützt bleibt.
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Nach dem Katalysator ist der Wärmetauscher 14 angeordnet,

der das entstandene Spaltgas auf eine Temperatur über der Taupunktstemperatur abkühlt.

Das aus dem Wärmetauscher 14 in die Leitung 15 abgeleitete Spaltgas gelangt durch die Leitung 16 zusammen mit der Verbrennungsluft der 2. Stufe in die Ringkammer der 2. Stufe 17.

Dort befindet sich auch die Zündeinrichtung 18, die das Gemisch der Ringkammer zündet.

Die Verbrennung der Spaltgasmenge der Ringkammer ist dabei stark überstöchiometrisch, d. h. die Luftmenge reicht zu einer vollständigen Verbrennung des Gases reichlich aus.

Am oberen Ende der Ringkammer befindet sich die Gaskammer 19, der mit der Lochplatte 20 und der oberen Abdeckplatte der Katalysatorkammer 21 die Mischzone des Rauchgases der Ringkammer und der restlichen Spaltgasmenge bildet. Diese Teilmenge des Spaltgases wird durch die Leitung 22 in die Gaskammer eingeleitet.

Die Mischung des Rauchgases mit LuftÜberschuß und des Spaltgases ermöglicht in dem nachfolgenden Katalysator 23 eine Umsetzung des Gases in ein schwach überstöchiometrisches Rauchgas, aus dem sich die Wärme recht effektiv gewinnen läßt.

Dieses geschieht in dem nachfolgenden Wärmetauscher 24, der eine möglichst vollständige Abkühlung des Rauchgases er— möglicht.

Ausf ührungsbeisgiel.

Das Ausführungsbeispiel beschreibt den Temperatur- und VoIumenstromverlauf einer Stickoxidfreien Verbrennung von Erdgas bei einer thermischen Leistung von 100 kW.
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Die Angaben der Volumenströme beziehen sich auf den Normzustand (0 grdC, 760 Torr)

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·*-, 3 5 O 3 Λ 1 3

über die Leitung 1 strömen tangential 0,013267 m3/s Luft und 0,001393 m3/s CH4 in die Ringkammer 3 der 1.Stufe und werden dort mit der Zündkerze 2 gezündet. Das Gasgemisch verbrennt im FuP der Ringkammer 3 bei einer Temperatur von ca. 2060 grdC zu 0,01466 m3/s Rauchgas.

Durch eine möglicherweise eingelegte Spirale aus hitzebe— ständigen Material wird der Abgasstrahl gezwungen, sich ca. 3-mal auf dem Weg in den Ringkammerkopf um den Katalysator 11 zu winden.

Die Abgase streichen an der wassergekühlten Außenwand 25 entlang und kühlen sich dabei auf ca. 1600 grdC ab.

Beim Eintritt in den Ringspalt 5 beschleunigen die Abgase und erzeugen einen Unterdruck, der bewirkt, daß von der Gaskammer 8 über die Lochplatte 6 eine Methanmenge von 0,001393 m3/s angesaugt wird.

Durch die Eintrittsöffnung 9 und die Mischkammer 10 gelangt das nun homogen durchmischte Gas durch den Katalysator 11, wo es in endothermen Prozessen zu 0,01884 m3/s Spaltgas reagiert. Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 14 der 1.Stufe hat das Vergasungsgas eine Temperatur von 886 grdC, am Austritt eine Temperatur von ca. 130 grdC.

über die Leitung 15 verläßt das Spaltgas die 1.Verbrennungsstufe.

Durch die Leitung 16 strömen 0,01413 m3/s Spaltgas und 0,013267 m3/s Luft tangential in den Ringkanal der 2.Stufe und werden dort mit der Zündeinrichtung 18 gezündet. Das Gasgemisch verbrennt am FuP des Ringkanals 17 bei einer Temperatur von 1280 grdC zu 0,02531 m3/s Rauchgas.

Auf dem Weg in den Kopf des Ringkanals zirkuliert das Gas mit Hilfe einer hitzebeständigen Spirale ca. 3-mal um den Katalysator 23 und kühlt dabei an der wassergekühlten Außenwand 26 auf ca. 1060 grdC ab.

In der Mischzone werden dem Rauchgas über die Leitung 22, der Gaskammer 19 und der Lochplatte 2 die restliche Spaltgasmenge von 0,00471 m3/s zugeführt, über die Einströmöffnung und die Mischkammer homogen vermischt und dem Katalysator zugeleitet.

In exothermen Prosessen wird die Rauchgas-/Spaltgasmischung in 0,02932 m3/s Rauchgas umgesetzt.

Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 24 der 2. Verbrennungsstufe besitzt das Rauchgas eine Temperatur von 1260 grd C. Im Wärmetauscher 24 wird es auf ca. 45 grd C abgekühlt und verläßt über die Leitung 27 stickoxidfrei die 2. Verbrennungsstufe.

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. Aysf uhr yngsbeisßi.el^_der „Vorrichtung

Das CH4-/Luftgemisch strömt tangential durch die Leitung 1 in einen ca. 5 - 30 mm breiten und ca. 150 - 300 mm hohen Ringkanal 3, in dem es im Fuß mit einer Zündkerze 2 gezündet wird. Das Rauchgas strömt dann unter Abkühlung in den Kop-f des Ringkanals.

Im ca. 4-15 mm breiten Ringspalt 5 vermischt sich das Rauchgas mit dem über eine Lochplatte 6 restlich zugeführten CH4, gelangt danach durch die Eintrittsö-ffnung 9 in die Mischkammer 10 und durchströmt darauf-folgend den Katalysator 11. Sowohl die Mischkammer als auch der Katalysator haben einen Durchmesser von 100-150 mm.

Der Wärmetauscher 14 der 1. Verbrennungsstufe besteht im Bereich der Bastemperaturen von über 700 grdC aus Glattrohren, im darunterliegenden Temperaturbereich aus Rippenrohren.

Durch die Katalysatorwabe wird die Ausbildung der Flammenlänge sehr kurz gehalten, so daß auf einen leeren Flammen-/Strahlraum verzichtet und somit die erste Lage Glattrohre schon ca. 10 mm hinter dem Katalysator eingebaut werden kann.

Durch den Einbau mehrerer Gassüge wird konstruktiv bewirkt, daß das Spaltgas sich im Geschwindigkeitsbereich von w(o)=l-2 m/s befindet.

In der 2.Verbrennungsstufe wird ein Teilstrom des Spaltgases 30 abgezweigt, mit Luft vermischt und im FuTs des 5 - 30 mm breiten und ca. 150 - 300 mm hohen Ringkanals geleitet und gezündet.

Die Gaszuströmleitungen 1 (1.Stufe) und 1<S (2.Stufe) sind jeweils mit Flammensperren ausgerüstet.

Der Strömungs— und Mischungsweg des Gases in der 2.Verbren— nungsstufe ist identisch mit dem in der 1. Verbrennungsstufe. Ebenfalls wird die Dimensionierung des Ringspalts, der Zumischung vom restlichen Spaltgas, die Vermischungseinrichtung und des Katalysators in etwa identisch mit der der 1.Verbrennungsstufe gehalten.
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Die Auslegungskritereien für den Wärmetauscher 24 sind die gleichen wie für den Wärmetauscher 14, d.h. im Bereich der Gastemperaturen über 700 grd C Glattrohre, danach Rippenrohre.

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Konstruktiv wird ebenfalls der Einbau von mehreren Gaszügen zwecks Au-frechterhaltung einer angemessenen Gasgeschwindigkeit vorgesehen.

Die katalytische Verbrennung und die damit verbundene kurze Flammenlänge gestatten auch hier die 1. Glattrohrlage ca. 10 mm hinter dem Katalysator einzubauen.

9 Patentansprüche
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Claims (9)

Patentansprüche

1. Verfahren zur stickoxidarmen Umsetzung von -flüssigen und gasförmigen Brennstoffen mit Luft in Wärmeerzeugern in mehreren Stufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in 4 Stufen nacheinander erfolgt, die die Verbrennung eines Teiles des Brennstoffes mit einem Teil der Verbrennungsluft in einer gekühlten Ringkammer im stöchiometrisehen oder überstöchiometrischen Verhältnis ermöglicht, die restliche Brennstoffmenge in einer nachfolgenden Mischeinheit und die katalytische Umset— zung dieses so entstandenen Gemisches zu Brenngas mit nachfolgender Kühlung dieses Spaltgases in einem Wärmetauscher, die Verbrennung dieses so entstandenen Spaltgases in einem Teil in der gekühlten Ringkammer der 2. Stufe und nach Mischung des verbrannten Gases mit dem Rest des Spaltgases in dem Katalysator mit 15 nachfolgender Kühlung des so entstandenen, schwach überstöchiometrischen Rauchgases in einem Wärmetauscher erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , d. g. daß die Mischung der brennbaren Teilgasströme am Kopf der gekühlten Ringkammer mit den Rauchgasströmen der Ringkammer in einem Ringspalt erfolgt, der sich zwischen einer Lochplatte und der oberen Abdeckplatte der Katalysatorkammer bildet, die im Zentrum der Verbrennungs- bzw. Vergasungseinrichtung befindet.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, d. g. daß der übertritt der Brenngas-ZRauchgas-Mischungen aus der Ringkammer und dem Mischspalt in die Katalysatorkammer zur Verwirbelung bzw. Vermischung der Gaskomponenten herangezogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, d. g. daß bei Zugabe eines flüssigen Brennstoffes nach der 1. Stufe ein Teil des Spaltgases in den Ringspalt der 1. Stufe zurückgeleitet wird und bei Start ein Teil des flüssigen Brennstoffes zum Zünden in die Ringkammer der 1. Stufe eingeleitet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, d. g. daß der Wärmetauscher nach der 2. Stufa als 1. Stufe zur Aufheizung des Heizmediums benutzt wird, das Heizmedium somit den Verbrennungsstufen im Gegenstrom geführt wird, um den oberen Heizwert des Brenngases ausnutzen zu können.

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6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur stickoxidarmen Umsetzung von Brenngas in mehreren Stufen, dadurch gekennzeichnet, dafs den zwei Umsetzungsstufen jeweils eine Verbrennungskammer mit Kühlung und Zündung, eine Mischeinrichtung zur Zumischung der restlichen Brenngasmenge und eine katalytische Umsetzungskammer mit Katalysatorfüllung besitzt, der jeweils ein Wärmetauscher nachgeschaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, d. g. dafs die Zumischungseinrichtung am oberen Ende der gekühlten Ringkammer durch eine Lochplatte und eine Katalysatorabdeckplatte gebildet wird.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, d. g. daß der Zumischeinrichtung eine Verwirbelungskammer vor der Katalysatoreinrichtung zwischengeschaltet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5 , d. g. daß der Katalysator ein Katalysatorblock, isoliert und in einem Zylinder gehalten ist, wie er auch als Wabenkörper für die Abgasentgiftung von Motoren eingesetzt wird.

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