DE3707773A1 - Verfahren und einrichtung zur prozesswaermeerzeugung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Ein­ richtung zur Prozesswärmeerzeugung.

Bei diesem Verfahren wird durch Verbrennungsprodukte eines oder mehrerer fossiler Brennstoffe, vorzugsweise Brennöl und/oder Brenngas, ein Prozessmedium in zwei Stufen auf seine Endtempera­ tur aufgeheizt.

An Prozesswärmeerzeuger werden zunehmend strengere Anforderungen bezüglich der maximal zulässigen Schadstoffemissionen gestellt. Als besonders umweltschädigend gelten dabei in den Abgasen der Heizeinrichtungen der Wärmeerzeuger entstehende Anteile an Stickoxiden und an Schwefeldioxid. Um die Bildung von ersteren weitgehend zu vermeiden, kommt es darauf an, den Anteil von Stickstoff, ohne Beeinträchtigung der Brennstoffausnutzung, an den am Verbrennungsprozess beteiligten Stoffen möglichst niedrig und die Phase der Verbrennung mit den besten Voraussetzungen für die NO _K -Bildung zu vermeiden oder wenigstens möglichst kurz zu halten.

Die erste Forderung wäre zu erfüllen bei stöchiometrischen Be­ dingungen, wobei aber hohe Temperaturen auftreten, welche die Stickoxidbildung begünstigen. Es ist dabei auch schwierig, eine vollständige Verbrennung zu erhalten. Da für diese auch genügend Zeit und damit eine entsprechend lange Verweildauer der an der Verbrennung beteiligten Komponenten in der Heizeinrichtung er­ forderlich sind, lassen sich die beiden obenerwähnten Bedingun­ gen nicht vereinbaren.

Zur Lösung der Erfindungsaufgabe, die ein Verfahren und eine Einrichtung zur Prozesswärmeerzeugung mit niedriger NO _K -Bildung zum Gegenstand hat, wird ein neuartiger Weg beschritten, indem in einer ersten Verbrennungsphase dem Brennstoff Luft in einem unterstöchiometrischen Verhältnis zugemischt und dem dabei ent­ standenen, noch brennfähigen Gemisch nach einer ersten Abkühlung in einem Wärmetauscher und nach weiterer Abkühlung durch Ab­ schreckluft (Quenchluft) in einer zweiten Phase die für die vollständige Verbrennung der noch brennbaren Bestandteile erfor­ derliche stöchiometrische Luftmenge zugemischt wird, worauf die weitere Wärmeabgabe an das Prozessmedium in einem zweiten Wärme­ tauscher erfolgt. Auf diese Weise werden die für eine NO _K -Bil­ dung günstigen Bedingungen im Verbrennungsablauf weitgehend ver­ mieden.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Prozesswärmeerzeugung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffe in der ersten Stufe mit einem unterstöchiometrischen Luftanteil unvollständig ver­ brannt werden, mit einer Luftzahl (λ), bei der praktisch keine Stickoxide gebildet werden, dass die so gebildeten Verbrennungs­ gase mit unverbrannten Bestandteilen das in der zweiten Stufe auf eine Zwischentemperatur vorgewärmte Prozessmedium auf deren gewünschte Endtemperatur aufheizen und dadurch auf eine Tempera­ tur abgekühlt werden, die weit unter der eine Stickoxidbildung begünstigenden Temperatur liegt, dass den so abgekühlen Verbren­ nungsgasen in der zweiten Stufe Abschreckluft in einem im we­ sentlichen für die vollständige Verbrennung der genannten, noch brennbaren Bestandteile ausreichenden Verhältnis zugemischt wird, derart, dass die Temperatur der so gebildeten Abgase auf eine Temperatur steigt, bei der im wesentlichen noch keine Stickoxidbildung auftritt, und dass diese Abgase das Prozessme­ dium von seiner Anfangstemperatur, mit der es in den Kreislauf der Prozesswärmeerzeugung eintritt, auf die erwähnte Zwischen­ temperatur der ersten Stufe aufheizen und anschliessend entspre­ chend abgekühlt aus dem Prozess abgeführt werden.

Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Prozesswärmeerzeugung ist gekennzeichnet durch eine Brennereinrichtung und eine dieser zu­ geordnete Primärluftleitung, ferner mit einer der Brennerein­ richtung nachgeschalteten Vorbrennkammer, einen in dieser Vor­ brennkammer angeordneten Wärmetauscher für die Endaufheizung des Prozessmediums, einen danach vorgesehenen Lufteinblasebereich mit einem gegenüber der Vorbrennkammer verengten Durchströmungs­ querschnitt und einem diesen Querschnitt umgebenden Kranz von Düsen, die mit einer Abschreckluftleitung kommunizieren, eine an den Lufteinblasebereich anschliessende Nachbrennkammer mit einem darin untergebrachten Wärmetauscher für die Vorwärmung des Pro­ zessmediums und einem daran anschliessenden Abgaskanal, eine Prozessmediumzuleitung, die nach dem vorerwähnten Wärmetauscher über den Umfang der Nachbrennkammer verteilt in einen Ringkanal einmündet, der von einem äusseren Mantelblech der Nachbrennkam­ mer, des Lufteinblasebereichs und der Vorbrennkammer und einem sich über denselben Bereich erstreckenden inneren Mantelblech begrenzt ist und sich bis zum Austrittsbereich der Brennerein­ richtung erstreckt, welcher Ringkanal mit den beiden Wärmetau­ schern kommuniziert, derart, dass sie vom Prozessmedium zwangs­ läufig durchströmt werden, und an seinem im Austrittsbereich der Brennereinrichtung befindlichen Ende in eine Prozessmediumablei­ tung für das auf seine Endtemperatur aufgeheizte Prozessmedium übergeht.

Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Prozesswärmeer­ zeugers.

Beschreibung des Erfindungsgegenstandes

An der höchsten Stelle des Prozesswärmeerzeugers befindet sich eine Brennereinrichtung 1 beliebiger bekannter Bauart für flüs­ sigen oder/und gasförmigen Brennstoff als Heizmittel. lnsbeson­ dere eignet sich dafür ein Vormischbrenner, namentlich in der Bauart als Doppelkegelbrenner, wie er in der EP-Patentanmeldung 8 61 09 039.7 der Anmelderin beschrieben ist. Die in der Figur dargestellte Brennereinrichtung 1 stellt schematisch einen sol­ chen Doppelkegelbrenner dar. Er ist als Dualbrenner für den Be­ trieb mit einem Brennöl und Gas ausgelegt. Ein solcher Brenner hat die vorteilhafte Eigenschaft, dass infolge der in ihm statt­ findenden guten Vermischung des Brennstoff/Luft-Gemisches im nachfolgenden Vorbrennkammerraum sich keine Zonen oder Nester mit für die NO _K -Bildung günstigerem Mischungsverhältnis als im übrigen Bereich ausbilden können.

Bei einem solchen Doppelkegelbrenner wird das Brennöl durch eine mittige Brennölleitung 2 einer Anzahl von Brennöldüsen 3 zuge­ führt, die das obere Ende eines Doppelkegels 4 in ringförmiger Anordnung umgeben. Dieser Doppelkegel 4 wirkt als Leit- und Dralleinrichtung, in die das Brennöl 5 eingespritzt und verne­ belt wird und sich mit der über eine Primärluftleitung 6 einge­ blasenen Primärluft zu einem zündfähigen Gemisch vereinigt. Nä­ heres dazu wird unten ausgesagt. Das Brenngas 8 gelangt über eine Brenngasleitung 9 in zwei Brenngasverteilleitungen 10, aus denen es durch Brenngasdüsen 11 in den vom Doppelkegel 4 be­ grenzten Raum austritt und sich an der Verbrennung des Brenn­ öl/Luft-Gemisches in einer nach dem Brenner 1 angeordneten Vor­ brennkammer 12 beteiligt. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren erfolgt diese unterstöchiometrisch, und zwar vorzugsweise mit einer Luftzahl λ = 0,7, wobei diese Grösse als ungefähr optima­ ler Wert eines praktisch geeigneten Bereiches von λ = 0,6 ÷ 0,8 anzusehen ist.

Wegen dieses Luftmangels und dementsprechend geringen und über das ganze Volumen der Vorbrennkammer 12 gleichen Stickstoffan­ teils in dieser Vorverbrennungsphase fallen keine solchen Stick­ oxide als Zwischenprodukte der Verbrennung an, die bei der nachfolgenden Abkühlung der Brenngase zum Teil "eingefroren", d.h., als solche erhalten bleiben könnten. Denn es treten in dieser Vorverbrennungsphase ausschliesslich sehr heisse, sau­ erstoffarme Brenngase auf, in denen der brennstoffgebundene Stickstoff aufgrund der hohen Temperaturen von 1800 ÷ 1900°C und des Sauerstoffmangels grösstenteils reduziert, d.h., aus einer eventuellen Bindung an den Sauerstoff gelöst wird, da letzterer für die Verbrennung gebraucht wird.

Nach dieser unterstöchiometrischen Vorverbrennung durchströmen die teilverbrannten Gase einen Wärmetauscher 13 beliebiger Bau­ art, in dem ihnen das aufzuheizende Prozessmedium 14 so viel Wärme entzieht, dass sie auf eine Temperatur von 700 ÷ 900°C ab­ kühlen und infolgedessen bei der anschliessenden stöchiometri­ schen Nachverbrennung sich eine Abgastemperatur von nur 900 ÷ 1300°C ergibt, bei der sich noch kaum Stickoxide bilden können.

Für diese Nachverbrennung wird den teilverbrannten Gasen in ei­ nem Lufteinblasebereich 15 mit einem gegenüber der Vorbrennkam­ mer verengten Querschnitt aus einem ringförmigen Kranz von Dralldüsen 16 gerade so viel Luft zugemischt, dass mit den noch brennbaren Gasanteilen das stöchiometrische Verhältnis, λ 0 1, erhalten wird. Dieses Zumischen von Luft, die Abschreck­ luft, auch Quenchluft, genannt wird und über eine Abschreckluft­ leitung 17 zu den Dralldüsen 16 gelangt, hat rasch zu erfolgen, um ein Oxidieren des Luftstickstoffs zu unterdrücken. Dieses nun wieder brennbar gewordene Gemisch verbrennt in der Nachbrennkam­ mer 18 und heizt das Gemisch auf die erwähnten 900 ÷ 1300°C auf. Trotzdem nach der Lufteinblasung kein Sauerstoffmangel mehr be­ steht, entstehen bei dieser stöchiometrischen Nachverbrennung infolge der niedrigen Abgastemperatur kaum irgendwelche Stick­ oxide. Bei schwefelhaltigen Brennstoffen fallen überdies die Schwefeloxide im genannten Temperaturbereich kaum als SO₃, son­ dern fast nur als SO₂ an, wodurch der Taupunkt der Abgase nied­ rig bleibt. Das Schwefeldioxid SO₂ lässt sich durch eine Ent­ schwefelungsanlage leicht entfernen.

Am Ende der Nachverbrennung durchströmen die Abgase einen zwei­ ten Wärmetauscher 19 und werden anschliessen nach der Wärmeab­ gabe an das Prozessmedium 14 durch einen Abgaskanal 20 abgelei­ tet.

Das kalte Prozessmedium 14, das über eine Prozessmediumzuleitung 21, die in einer den Abgaskanal 20 umgebenden Ringleitung endet, in den Wärmetauscher 19 gelangt, durchströmt diesen, je nach seiner Bauart, im Kreuz- oder Parallelstrom und wird am Ausgang des Wärmetauschers in einem Ringkanal 22 gesammelt, der von ei­ nem inneren Mantelblech 23 und einem dazu koaxialen äusseren Mantelblech 24 begrenzt ist, wobei das letztere die äussere Be­ grenzung des Prozesswärmeerzeugers bildet. Das vorgewärmte Pro­ zessmedium wird im Wärmetauscher 13 der Vorbrennkammer 12 auf seine Endtemperatur aufgeheizt und am oberen Ende des Ringkanals 22 im Austrittsbereicn der Brennereinrichtung 1 über eine Pro­ zessmediumableitung 25 der Verwendungsstelle zugeführt.

Die Einrichtung bietet mehrere Möglichkeiten zur Regelung und, falls erforderlich, zur Steuerung der Prozesstemperatur. Zu­ nächst durch Aenderung der Brennstoffzufuhr und/oder der Luft­ zahl λ in der Vorbrennkammer 12 im erwähnten Bereich von 0,6 bis 0,7, wobei auch noch darüber hinaus bis unter 0,8 gegangen werden kann, aber nicht höher, da bei λ < 0,8 Rauchen auftritt. Auf diese Weise lässt sich die Temperatur der Brenngase am Ein­ tritt in den Wärmetauscher 13 variieren. Eine weitere Möglich­ keit für die Beeinflussung der Prozesstemperatur bietet die Lufteinblasung. Für die vollständige Verbrennung in der Nach­ brennkammer 18 muss bezüglich der unverbrannten Gasanteile λ = 1 sein. Durch leichten Luftüberschuss, λ < 1, lässt sich auch dort die Temperatur ändern, wenn auch der Spielraum dafür enger ist als in der Vorbrennkammer.

Die Stelle der Lufteinblasung eignet sich sehr gut für die ln­ stallation eines Katalysators, für dessen Wirksamkeit dort gün­ stige Bedingungen, insbesondere eine im wesentlichen kostante Temperatur, herrschen. Speziell Wabenkatalysatoren sind dafür vorteilhaft zu verwenden. Mit einem Katalysator in der Ueber­ gangszone werden zusätzlich zu den erwähnten Schadstoffen wei­ tere, in den Abgasen unerwünschte chemische Verunreinigungen in unschädliche Verbindungen umgewandelt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Prozesswärmeerzeugung, bei dem durch Verbren­ nungsprodukte eines oder mehrerer fossiler Brennstoffe, vorzugsweise Brennöl und/oder Brenngas, ein Prozessmedium in zwei Stufen auf seine Endtemperatur aufgeheizt wird, da­ durch gekennzeichnet, dass die Brennstoffe in der ersten Stufe mit einem unterstöchiometrischen Luftanteil unvoll­ ständig verbrannt werden, mit einer Luftzahl (g), bei der praktisch keine Stickoxide gebildet werden, dass die so ge­ bildeten Verbrennungsgase mit unverbrannten Bestandteilen das in der zweiten Stufe auf eine Zwischentemperatur vorge­ wärmte Prozessmedium (14) auf deren gewünschte Endtempera­ tur aufheizen und dadurch auf eine Temperatur abgekühlt werden, die weit unter der eine Stickoxidbildung begünsti­ genden Temperatur liegt, dass den so abgekühlten Verbren­ nungsgasen in der zweiten Stufe Abschreckluft in einem im wesentlichen für die vollständige Verbrennung der genann­ ten, noch brennbaren Bestandteile ausreichenden Verhältnis zugemischt wird, derart, dass die Temperatur der so gebil­ deten Abgase auf eine Temperatur steigt, bei der im wesent­ lichen noch keine Stickoxidbildung auftritt, und dass diese Abgase das Prozessmedium von seiner Anfangstemperatur, mit der es in den Kreislauf der Prozesswärmeerzeugung eintritt, auf die erwähnte Zwischentemperatur der ersten Stufe auf­ heizen und anschliessend entsprechend abgekühlt aus dem Prozess abgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffe in der ersten Stufe mit einer Luftzahl (λ) von ca. 0,7 verbrannt werden und dabei sauerstoffarme Brenngase mit einer Temperatur von 1800 ÷ 1900°C produzieren, dass diese Brenngase in der ersten Stufe durch das Prozessmedium auf 700 ÷ 800°C abgekühlt werden, dass sodann diese teil­ verbrannten Brenngase bei der Nachverbrennung durch die Abschreckluft in der zweiten Stufe auf eine Temperatur von 900 ÷ 1300°C aufgeheizt werden und anschliessend das Pro­ zessmedium auf die erwähnte Zwischentemperatur aufheizen.

3. Einrichtung zur Prozesswärmeerzeugung nach dem Verfahren des Patentanspruchs 1, gekennzeichnet durch eine Brenner­ einrichtung (1) und eine dieser zugeordnete Primärluftlei­ tung (6), ferner mit einer der Brennereinrichtung (1) nach­ geschalteten Vorbrennkammer (12), einem in dieser Vorbrenn­ kammer (12) angeordneten Wärmetauscher (13) für die Endauf­ heizung des Prozessmediums, einem danach vorgesehenen Luft­ einblasebereich (15) mit einem gegenüber der Vorbrennkammer (12) verengten Durchströmungsquerschnitt und einem diesen Querschnitt umgebenden Kranz von Düsen (16), die mit einer Abschreckluftleitung (17) kommunizieren, einer an den Luft­ einblasebereich (15) anschliessenden Nachbrennkammer (18) mit einem darin untergebrachten Wärmetauscher (19) für die Vorwärmung des Prozessmediums und einem daran anschliessen­ den Abgaskanal, einer Prozessmediumzuleitung (21), die nach dem vorerwähnten Wärmetauscher (19) über den Umfang der Nachbrennkammer (18) verteilt in einen Ringkanal (22) ein­ mündet, der von einem äusseren Mantelblech (24) der Nach­ brennkammer (18), des Lufteinblasebereichs (15) und der Vorbrennkammer (12) und einem sich über denselben Bereich erstreckenden inneren Mantelblech (23) begrenzt ist und sich bis zum Austrittsbereich der Brennereinrichtung (1) erstreckt, welcher Ringkanal (22) mit den beiden Wärmetau­ schern (19, 13) kommuniziert, derart, dass sie vom Prozessme­ dium zwangsläufig durchströmt werden, und an seinem im Aus­ trittsbereich der Brennereinrichtung (1) befindlichen Ende in eine Prozessmediumableitung für das auf seine Endtempe­ ratur aufgeheizte Prozessmedium übergeht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinrichtung ein Dual-Vormischbrenner für flüssi­ gen und gasförmigen Brennstoff ist.