DE3531816A1 - Verfahren und vorrichtung zur 4-stufigen verbrennung von fluessigen und gasfoermigen brennstoffen mit stickoxidfreien abgasen - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur 4stufigen Verbrennung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen mit stickoxidfreien Abgasen P 35 03 413.0.

Die Erfindung bezieht sich auf eine wesentliche Verbesserung der Erfindung zur stickoxidfreien Verbrennung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen P 35 03 413.0.

In der Erfindung wurde gezeigt, wie durch die Aufteilung der Verbrennung in 4 Stufen mit jeweiliger Vorverbrennung und anschließender Umsetzung in einem speziellen Katalysator der Wirkungsgrad der Umsetzung in Wärme wesentlich verbessert, die Bildung von unverbrannten oder teilverbrannten Produkten und die Stickoxidbildung vermieden und die Wärmeerzeugungs­ einheit wesentlich kompakter ausgeführt werden kann.

Als Nachteil der Anordnung ergibt sich bei der Anwendung des Brennstoffes Öl, daß ein Teil des Produktes, welches aus dem 1. Katalysator kommt, zur Aufrechterhaltung der Vorverbren­ nung vor dem 1. Katalysator zurückgesaugt werden muß.

Bei den Versuchen zur Realisierung des Systems wurde nun überraschenderweise gefunden, daß diese Rückführung des Spaltgases durch eine Rückführeinrichtung, wie Ventilator oder Düse vermieden werden kann, wenn das Öl aus der Ein­ spritzdüse so auf die Katalysatorplatten gesprüht wird, daß etwas weniger als die Hälfte des Öles in den davor liegenden Vermischungsraum zurückspritzt und dort mit der angesaugten Luft vorverbrennen kann.

Es wurde gefunden, daß dieses möglich ist, unabhängig von der Betriebstemperatur der Katalysatoreinheit, wenn die oberste Keramik- oder Metallplatte der Katalysatoreinheit an der Stelle, wo der Flüssigkeitsstrahl auftritt, eine Boh­ rung besitzt, die so klein ist, daß nur ca. die Hälfte des Öles auf die nächste Platte direkt gelangt. Die knappe Hälfte des eingespritzten Öles wird reflektiert und in der oberhalb der Platte liegenden Flamme verbrannt.

Die entstehenden Rauchgase kühlen sich durch Strahlung und Konvektion mit den umliegenden wassergekühlten Oberflächen teilweise ab, vermischen sich mit dem unverbrannten Öl zu einem reaktionsfähigen Gemisch und setzen sich in dem nach­ folgenden Katalysatorblock zu Brenngas um.

Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau des Spaltgaser­ zeugungsteils. Mit 1 ist der Grundkörper bezeichnet, der die Vorrichtung für die Zündeinrichtung 4 und für die Einspritz­ düse 2 enthält, die den Brennstoff diskontinuierlich und geregelt einspritzt. Mit 3 ist der Flammenraum bezeichnet, wo sich durch die Reflektion eines Teiles des Öles, der Vermischung mit der Vergasungsluft, Entzündung durch die Zündeinrichtung die Flamme bildet, die durch die umgebenden wassergekühlten Wände 5 gekühlt wird. Ein Teil der Verga­ sungsluft wird durch eine kleine Bohrung 6, die mit einem Luftfilter 7 versehen ist, direkt in die Nähe der Zündein­ richtung geleitet. Die Kühlung des Grundkörpers erfolgt derart, daß die benötigte Vergasungsluft durch die Einlaß­ öffnung 8 der Abdeckhaube 9 gesaugt wird, um dann an der Oberfläche des Grundkörpers 1 vorbeizustreichen und durch den Auslaß 10 in den Fuß der Brennkammer 11 unterhalb der Flammensperre 12 zu gelangen.

Die im Flammenraum 3 entstehenden heißen Rauchgase vermi­ schen sich mit dem unverbrannten Öl, welches nicht von der Speicherplatte 13 mit der Bohrung 14 reflektiert wurde. Das Gemisch tritt in den Katalysator 15 ein, der aus einem oder mehreren Katalysatorblöcken besteht. Dort setzt sich das Gemisch aus heißem Rauchgas und Öldampf zu einem Spaltgas, bestehend im wesentlichen aus CH4, CO, H2 und den Abgaskom­ ponenten, um.

Die heißen Spaltgase werden in dem nachfolgenden Wärmetau­ scher 8 abgekühlt und mit Luft vermischt in der 2. Stufe entsprechend der Anmeldung P 35 03 413.0 zu Rauchgas umge­ setzt.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau des Verbrennungs­ teils. Mit 20 ist die Grundplatte bezeichnet, durch deren Einlaß 21 ein Teil des Spaltgases in den Brennraum 22 strömen kann. Durch die Drosseleinrichtung 23 strömt die Verbrennungsluft hin zur Auslaßöffnung 24 und kühlt dabei die Grundplatte 20. Die so vorgewärmte Luft vermischt sich bei 25 mit dem restlichen Spaltgas. Dieses Gemisch wird mit der Zündeinrichtung 26 gezündet. Die Flamme kühlt sich an der umgebenden wassergekühlten Wandfläche 27 ab. Im Brenn­ raum 22 vermischen sich die Abgase mit dem Spaltgas aus 21. In dem Katalysatorsystem 28, das aus einem oder mehreren Katalysatorblöcken bestehen kann, erfolgt die Oxidation mit den restlichen Spaltgasprodukten zu Abgas.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines Wärmetauscherelementes. Durch die in der Grundplatte 30 befestigten Rohre strömt das Spalt-, bzw. Abgas und erwärmt dabei mantelseitig das Kühl­ wasser, das bei 32 ein- und bei 33 wieder austritt. Durch den runden Außenzylinder des Wärmetauschers 34 ist ein er­ höhter Wasserdruck bei dünnen Wandstärken möglich.

Bei den Wärmetauschern hat sich gezeigt, daß es zweckmäßig ist, Geradrohrwärmetauscher einzusetzen, die in 3 oder 4 Blöcken hintereinander die Spaltgaskühlung, die Abgasvorküh­ lung, die Abgasnachkühlung und die Kondensation der Rauch­ gasfeuchtigkeit bewirken und damit das Heizwasser im Gegen­ strom aufheizen.

Fig. 4 zeigt den Aufbau und den Strömungsverlauf der einzel­ nen Stoffströme. Mit 40 ist der Spaltgaserzeugungsteil, wie in Fig. 1 gezeigt, mit 41 der Verbrennungsteil, wie in Fig. 2 gezeigt, symbolisiert. 42 bezeichnet den Spaltgaswärmetau­ scher in der Form, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. 43 bezeichnet das Wärmetauschersystem, bestehend aus einen oder mehreren Wärmetauscherelementen gleicher Bauart, wie sie in Fig. 3 dargestellt wurden.

Das Heizöl für die Wärme- und Spaltgasgewinnung wird bei 44 eingespritzt. Die Luft für die partielle Verbrennung tritt bei 45 in die Abdeckhaube ein, verläßt sie bei 46 und wird dann unterhalb der Flammensperre bei 47 in den Ringraum geleitet. Bei 48 verläßt das Spaltgas den Spaltgaserzeu­ gungsteil 40 und wird im Wärmetauscher 42 abgekühlt. Ein Teil des Spaltgases verläßt bei 49 den Leerzug 50, um über ein Regelorgan 51 bei 53 in den Kopf des Verbrennungsteils 41 geleitet zu werden. Bei 58 wird der restliche Teil des Spaltgases abgezweigt, bei 59 mit der Luft vermischt, die bei 60 über das Drosselorgan 61 in die Abdeckhaube ein- und bei 62 wieder austritt. Die heißen Abgase verlassen bei 54 den Verbrennungsteil 41, werden im Wärmetauschersystem 43 abgekühlt und verlassen bei 55 die erfindungsgemäße Vorrich­ tung. Das Gebläse 56 erzeugt in der Vorrichtung den wider­ standsbedingten Unterdruck und saugt somit alle Gase durch die Vorrichtung und schickt sie in den Kamin 57.

Das kalte Wasser tritt bei 63 in das Wärmetauschersystem 43 ein, gelangt über die Rohrverbindung 64 in den Spaltgaswär­ metauscher 42, den es bei 65 wieder verläßt. Bei 66 tritt das Wasser in den Fuß des Ringspaltes des Spaltgaserzeu­ gungsteils 40 ein, und wird an dessen Kopf über die Rohrver­ bindung 67 in den Ringspalt des Verbrennungsteils 41 gelei­ tet. Auf seine Brauchtemperatur erwärmt verläßt das warme Wasser bei 68 die erfindungsgemäße Vorrichtung, um über die Leitung 69 an die einzelnen Verbraucher weitergeleitet zu werden.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel werden die Besonder­ heiten des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert:

Die Energie eines Heizölstromes von 0,00046 kg/s, was einem äquivalenten Energiepotential von 20 kW entspricht, soll stickoxidfrei umgesetzt und zur Erwärmung von Wasser auf 90 grdC eingesetzt werden.

20grädige Luft strömt mit einem Volumenstrom von 9,59 m3iN/h über die Abdeckplatte des Spaltgaserzeugungsteils und erwärmt sich dabei um ca. 5 grdC. Durch eine Rohrverbindung wird sie danach in den Fuß, oberhalb der Flammensperre in den Ringspalt des Spaltgaserzeugungsteils geleitet. Oberhalb der Flammensperre verbrennt der Luftsauerstoff mit einem Teil des eingespritzten Öles bei einer durchschnittlichen Temperatur von 1900 grdC. Das dabei entstandene Abgas von 10,39 m3iN/h verbindet sich mit dem restlichen Öl im Kataly­ satorsystem unter Wärmeabgabe in 12,98 m3iN/h Spaltgas bei einer durchschnittlichen Temperatur von 955 grdC. Im nach­ folgenden Wärmetauscher wird das Spaltgas auf 100 grdC abge­ kühlt.

Der 100grädige Spaltgasstrom (12,98 m3iN/h) wird in der Verbrennungsstufe so aufgeteilt, daß 9,73 m3iN/h in den Fuß des Ringspaltes und 3,25 m3iN/h in den Kopf geleitet werden. Die für die Verbrennung benötigte Luftmenge von 9,59 m3iN/h strömt über die Abdeckplatte des Verbrennungskopfes, erwärmt sich dabei um ca. 3 grdC, wird mit dem Spaltgasstrom, der in den Fuß des Ringspaltes geleitet wird, vermischt und gezün­ det. Bei ca. 1350 grdC verbrennt das Gasgemisch zu 17,82 m3iN/h Abgas. Unter Wärmeabgabe gelangt es in den Brennkam­ merkopf und wird hier mit dem restlichen Spaltgas gemischt. Im anschließenden Katalysatorsystem oxidiert der noch freie Sauerstoff aus dem Abgasstrom mit den Komponenten des Spalt­ gases zu insgesamt 20,55 m3iN/h Abgas. Im nachfolgenden Wärmetauschersystem wird das Abgas unter Auskondensation auf ca. 43 grdC abgekühlt.

Durch den beschriebenen Vergasungs-/Verbrennungsprozeß wer­ den in der Vergasungsstufe ca. 35% und in der Verbrennungs­ stufe ca. 65% der im Heizöl steckenden Energie freigesetzt. Für den Wärmeabbau spielen dabei die wassergekühlten Wände der Vergasungs- und Verbrennungsstufe eine wichtige Rolle, da sie zusammen ca. 20% der fühlbaren Wärme ins Wasser ableiten.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel soll die erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutern:

Die Luft für die Vergasungsstufe durchströmt die Abdeck­ haube, die einen Durchmesser von 150 mm hat, und gelangt durch ein Rohr, NW 40, in den Fuß des Ringspaltes mit einem äußeren Durchmesser von 169 mm und einen inneren Durchmesser von 152 mm. Von hier aus passiert die Luft die Flammensper­ re, die ca. 40% der freien Ringraumfläche mit ihren Bohrun­ gen offenhält.

Im Flammenraum verbrennt ein Teil des Öles, der restliche Teil mit dem Abgas in das Katalysatorsystem, das aus drei einzelnen Katalysatorblöcken zu je 30 mm Tiefe und 100 mm Durchmesser besteht. Die Begrenzung zum Flammenraum bildet eine Speicherplatte, die 50% des Öles beim Auftreffen in den Flammenraum reflektiert, die anderen 50% aber durch eine feine Bohrung von ca. 1 mm durchläßt. Die äußeren Maße dieser Speicherplatte entsprechen denen eines Katalysatorblockes.

Nach dem Katalysatorsystem durchströmt das Spaltgas einen Kühler von 159 mm Durchmesser und einer Länge von 230 mm, wobei mantelseitig das aufzuwärmende Wasser, rohrseitig das Gas durch 121 Rohre, NW 10, strömt.

Nach dem Wärmetauscher strömt das Gas von unten nach oben durch eine Leerzug mt den Maßen 200 × 180. Am Ende dieses Zuges wird durch ein Rohr NW 40 ein Teil des Spaltgases, geregelt durch eine Absperrklappe, in den Kopf des Verbren­ nungsteils geleitet. Ebenfalls durch ein Rohr NW 40 wird das restliche Spaltgas am Leerzugende entnommen, mit der Luft, die über die Abdeckhaube angesaugt wird, vermischt, gezündet und in den Ringspalt des Verbrennungsteils, der die gleichen Abmessungen wie der des Spaltgaserzeugungsteils hat, gelei­ tet. Im Brennraum erfolgt die Mischung mit dem Spaltgas und die Umsetzung zu Abgas im Katalysatorsystem, das identisch dem des Spaltgaserzeugungsteils aufgebaut ist. Lediglich die Speicherplatte ist hier durch einen zusätzlichen Katalysa­ torblock ersetzt.

In einem Wärmetauschersystem wird das Abgas abgekühlt. Dieses System besteht aus drei Einzelwärmetauscher, die jeweils die gleichen Abmessungen und den gleichen Aufbau haben wie der Wärmetauscher der Spaltgasabkühlung. Der Wär­ metausch selbst erfolgt im Gegenstrom. Über ein Rohr NW 40 werden die Abgase über ein Gebläse, das einen Unterdruck von 50 mmWS erzeugt, abgesaugt und in den Kamin geleitet.

Claims (9)

1. Verfahren zur stickoxidarmen Umsetzung von flüssigen Brennstoffen mit Luft in Wärmeerzeugern in mehreren Stu­ fen entsprechend P 35 03 413.0, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung des flüssigen Brennstoffes in einer Kammer unter Zuführung von 30 bis 60% der stöchiometri­ schen Luftmenge so erfolgt, daß nur 20 bis 50% der eingespritzten Ölmenge in den Verbrennungsraum gelangen, während der Rest in einer keramischen oder metallischen Speicherkeramik verbleibt, von der aus er mit den heißen Verbrennungsgasen gemischt und in einen Katalysator ein­ geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 1. Speicherplatte eine zentrale Bohrung besitzt, die einen Teil des eingespritzten Öles unmittelbar in einen, nach der 1. Platte liegenden Raum oder in die 1. Platte einleitet, von wo aus das Öl mit den heißen Verbrennungs­ gasen gemischt ausgetragen wird und in den Katalysator gelangt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabfuhr aus der Spaltgaserzeugung zuerst in der Brennkammerkühlung und anschließend in der Spaltgas­ kühlung, vorzugsweise in einem Geradrohwärmetauscher erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung der Gase im Gegenstrom zu der Aufwärmung des Wassers in 2 Brennkammerkühlungen von 3 bis 4 Gerad­ rohrwärmetauschern erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß dem Öleinspritzventil eine poröse Platte gegenüberliegt, die im Reflektionsverhalten bei Aufspritzen des Öles 20 bis 50% des Öles in den Brenn­ raum reflektiert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse 1. Platte eine Bohrung besitzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der 1. Platte ein oder mehrere Katalysatorplatten nach­ geordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Katalysatorplatten nachgeordneten Wärmetauscher Geradrohrwärmetauscher sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Köpfe des Verbrennungs- und Vergasungsteils von den Geradrohrwärmetauschern abschraubbar oder über ein Gelenk abklappbar sind.