DE3941307A1 - Verbrennungsverfahren zum einschraenken einer bildung von stickstoffoxiden bei verbrennung und anordnung zum ausfuehren des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbren­ nungsverfahren zum Einschränken einer Bildung von Stickstoffoxiden bei Verbrennung, bei welchem Verfah­ ren die Verbrennung so ausgeführt wird, daß die zum Verbrennen von Brennstoff erforderliche Luft in we­ nigstens zwei Phasen in der Weise zugeführt wird, daß Luft in der ersten Phase unterstökiömetrisch, vor­ zugsweise mit dem Luftkoeffizienten 0.80-0.95, zuge­ führt wird, und bei welchem Verfahren mit der in die erste Phase zuzuführenden Luft ein Gas oder eine Gas­ mischung wesentlich ohne elementaren Sauerstoff ge­ mischt wird.

Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine An­ ordnung zum Ausführen des Verfahrens, welche Anord­ nung Mittel zum Zuführen von Luft in einen Feuerraum und Mittel zum Zuführen von Brennstoff in den Feuer­ raum sowie Mischungsmittel zum Mischen eines Gases oder einer Gasmischung, das/die einen kleineren Sau­ erstoffgehalt aufweist als Luft, mit der in die erste, unterstökiömetrisch verbrennende Phase zuzu­ führenden Luft, bevor sie in den Feuerraum zugeführt wird.

Bei verschiedenen Verbrennungsprozessen entste­ hen immer Stickstoffoxide, weil der in der Luft und dem Brennstoff enthaltene Stickstoff verschiedene Oxide mit dem Sauerstoff bildet. In einer reduzieren­ den Flamme entsteht NO _x durch eine sog. schnelle Bil­ dung zunächst aus dem Stickstoff des Brennstoffs, d.h. es entsteht ein sog. Prompt-NO _x . Bei hohen Tempe­ raturen entsteht beinahe ausschließlich Stickstoff­ oxid (NO), das sich bei sinkender Temperatur in Ge­ genwart von Sauerstoff leicht in andere Stickstoff­ oxide, vor allem in Stickstoffdioxid (NO₂), verwan­ delt. Stickstoffoxide entstehen mit einer großen Re­ aktionsgeschwindigkeit sofort, wenn es gemäß chemi­ schen Gleichgewichtsbedingungen möglich ist, die wichtigsten Bedingungen dafür sind eine hohe Tempera­ tur und die Gegenwart von Sauerstoff. Wenn die Bedin­ gungen nach der Bildung von Stickstoffoxiden so geän­ dert werden, daß die Stickstoffoxide sich nach den Gleichgewichtsbedingungen zersetzen sollten, so ist die Reaktionsgeschwindigkeit dieser Zersetzung sehr langsam und die Zersetzung erfordert zunächst Zeit, Katalysatoren oder Zusatzchemikalien. Die Stickstoff­ oxide sind ziemlich schädlich für die Natur. Sie ent­ stehen bei Industrieprozessen sowie in Kraftanlagen und anderen Kesseln in reichem Maße, und eine der wichtigsten Aufgaben des Umweltschutzes ist, NO _x -Aus­ stöße in die Atmosphäre zu reduzieren.

Man versucht, Stickstoffoxide in mehreren ver­ schiedenen Weisen zu vermindern, und zwar so, daß sie in eine andere Form verwandelt werden. Solche Verfah­ ren sind u.a. verschiedene, auf dem Gebrauch von Ka­ talysatoren basierende Reduktionsverfahren und eine Anwendung von Absorptionsmitteln zum gleichzeitigen Absorbieren von sowohl Schwefel- als auch Stickstoff­ oxiden in verschiedenen Weisen. Bei Anwendung der unterschiedlichen Verfahren kommen im allgemeinen verschiedene schwer lösbare Probleme vor, wie zum Beispiel der teure Preis und die Erhältlichkeit als Katalysator fungierender, anwendbarer Edelmetalle und das schlechte Absorptionsvermögen der Absorptions­ mittel. Ebenfalls verursacht die Dimensionierung der Anordnungen bei Anwendung der Absorptionsverfahren oft Probleme, u.a. wegen variierender Leistungen von Kesseln und wegen anderer Faktoren.

Anstatt Stickstoffoxide zu eliminieren, ist es technisch vorteilhafter, sich schon in der Verbren­ nungsphase darum zu bemühen, daß eine Bildung davon verhindert wird. Zu diesem Zweck sind verschiedene Niederstickstoffoxidbrenner (sog. Low-NO _x -Brenner) entwickelt worden, man hat versucht, die Verbrennung in druckbeaufschlagtem Zustand auszuführen, und die Luftzufuhr in den Kessel ist vor Überhitzern synchro­ nisiert worden. Mittels dieser Verfahren hat man je­ doch keine besonders guten Ergebnisse erreicht, weil die verschiedenen Bildungsmöglichkeiten der Stick­ stoffoxide, die Reaktionskinetik, die variierenden Betriebsverhältnisse der Kessel und viele anderen Faktoren das Fungieren eines effizient geglaubten Verfahrens in der Praxis verhindert oder wesentlich abgeschwächt haben. Weiter hat man versucht, Stick­ stoffoxide mittels bei einer sehr niedrigen Tempera­ tur (etwa 800°C) fungierender Fließbettöfen zu elimi­ nieren, wobei die Verhältnisse zur Bildung von NO _x nachteilig gewesen sind. Dies hat jedoch einen schlechten Wirkungsgrad zur Folge gehabt, und auch ist die Fähigkeit der Öfen, verschiedene Brennstoffe zu verbrennen, abgeschwächt worden, weil sogar eine Näherung der zur kontinuierlichen Aufrechterhaltung der Verbrennung erforderlichen Mindesttemperatur not­ wendig geworden ist. Die obenbeschriebenen Verfahren sind allgemein bekannt und werden deshalb nicht ge­ nauer erläutert (KTM = Ministerium für Handel und In­ dustrie, Energieabteilung, Serie D:140, Helsinki 1987).

In DE-Offenlegungsschrift 30 40 830 ist ein Verfahren angeführt, wobei zum Einschränken von Stickstoffoxiden mit der unterstökiömetrischen, in die erste Verbrennungszone zuzuführenden Luft aus einem Rauchgaskanal nach dem Kessel getrennte und abgekühlte, ausgebrannte Rauchgase gemischt werden. Wenn es auch möglich ist, eine Bildung von Stick­ stoffoxiden mittels dieses Verfahrens gewissermaßen zu verhindern, kann die Menge der Stickstoffoxide mittels der Lösung nicht ausreichend kontrolliert werden. Außerdem vermehrt eine Zirkulation des Rauch­ gases den Massenstrom des durch den ganzen Kessel strömenden Gases und braucht somit einen etwas größe­ ren Brennraum als gewöhnlich und ein Kanalsystem für den ganzen Kesselbereich.

Der NO-Gehalt ist in reduzierendem Bereich ge­ wöhnlich gering, was auf reduzierende Wirkungen von Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO₂) zurückzufüh­ ren ist. Diese zersetzen das eventuell entstehende NO nahezu gemäß folgenden Reaktionen:

NO + CO → 1/2 N₂ + CO₂

NO + H₂ → 1/2 N₂ + H₂O

Somit kann die NO-Konzentration bei einer an sich bekannten, unterstökiömetrisch ausgeführten Ver­ brennung im Prinzip gering gehalten werden. Ein Prob­ lem entsteht erst, wenn die Verhältnisse oxidierend werden oder die Temperaturen sehr hoch, d.h. bis auf über 1500°C, steigen. Das Problem wird somit entweder von sogar einem kleinen Überschuß von Luft, der in Feuerraumverhältnissen eine schnelle Bildung von NO bewirkt, oder von sehr hohen Temperaturen (über 1500°C) verursacht, wobei H₂ und CO wegen ihres ab­ geschwächten Reduzierpotentials nicht mehr imstande sind, eine Bildung von NO zu verhindern. Solche Situ­ ationen entstehen bei praktischen Anordnungen der bekannten Technik besonders in der Primärflamme, aber auch beim Zusatz von Sekundär- und Tertiärluft. Der wesentliche Grund der NO-Bildung in der Primärflamme der vorbekannten Anordnungen besteht darin, daß die heterogene Flamme z.B. Öltropfen oder Kohlenpartikeln und deswegen große Konzentrationsgradienten und Tem­ peraturgradienten von Sauerstoff und brennenden Gasen aufweist, wobei immer eine Möglichkeit besteht, daß lokale Temperaturspitzen von kleinem Format z.B. an Phasengrenzen entstehen, wenn die Sauerstoffmenge an dieser Stelle stökiömetrisch oder schwach überstökiö­ metrisch ist. Dabei kann die Temperatur einer ty­ pischen Brennanordnung vorübergehend und lokal sogar bis auf etwa 2000°C steigen, und der lokale NO-Gehalt steigt schnell sogar bis auf etwa 3500 ppm (sog. Prompt-NO _x ), und dieses entstandene NO zersetzt sich eigentlich nicht mehr in Kesselverhältnissen. Somit ist es klar, daß ziemlich kleine und sogar momentane Temperaturspitzen den NO-Durchschnittswert des Ab­ gases schnell erhöhen, der eine Gehalttebene von etwa 100 ppm aufweisen sollte.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zustandezubringen, wobei die NO _x -Bildung in reduzierender Verbrennungsphase, ge­ wöhnlich bei sogenannter Primärverbrennung, besonders in der Flamme, möglichst gering gemacht werden kann, und wobei die Bedingungen der NO _x -Bildung ohne komp­ lizierte Anordnungen verhindert werden, was auch die Eliminierung von NO _x nach der Verbrennung unnötig macht. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mit der in die erste Phase zuzuführenden Luft ein Gas oder eine Gasmischung mit reduzierenden Komponenten, wie H₂ und CO, so gemischt wird, daß der Sauerstoff­ gehalt der in die entstandene erste Phase zuzuführen­ den Gasmischung vorzugsweise 12-19% ist, und daß der Sauerstoffgehalt und das Reduzierpotential der zuzu­ führenden Gasmischung so geregelt werden, daß der Stickstoffoxidgehalt von Brenngasen, die während der Verbrennung bei der Temperatur der adiabatischen Ver­ brennung des anzuwendenden Brennstoffs entstehen, welche Temperatur dem zuzuführenden Sauerstoffgehalt und dem Reduzierpotential entspricht, höchstens gleich groß ist wie der vorausbestimmte Gehaltwert.

Die wesentliche Idee der Erfindung ist, daß die Luftzufuhr dem Verbrennungsprozeß so angeordnet wird, daß die NO _x -Bildung im reduzierenden Teil des Feuer­ raums und besonders in der am allerschwersten zu be­ herrschenden Flamme bei allen denjenigen Temperaturen und mit allen denjenigen Sauerstoff/Brennstoffpropor­ tionen ausreichend niedrig bleibt, die in dieser Pha­ se des Feuerraums überhaupt in Frage kommen können. Dies wird dadurch zustandegebracht, daß die Verbren­ nung unter reduzierenden Verhältnissen mittels eines Gases oder einer Gasmischung ausgeführt wird, das/die weniger Sauerstoff als Normalluft und außerdem redu­ zierende Komponenten enthält. Mittels des erfindungs­ gemäßen Verfahrens kann der Gehalt an Stickstoff­ oxiden so gesteuert werden, daß die Gleichgewichts­ konzentration der Stickstoffoxide in Rauchgasen, d.h. in der Praxis auch die Höchstkonzentration, die ganze Zeit sehr niedrig bleibt.

Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun­ de, eine Anordnung zum Ausführen des Verfahrens zu schaffen. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mischungsmittel wenigstens einen Rauchgas­ kanal aufweisen, und zwar zum Leiten eines Teils der Rauchgase, die das Verbrennungserzeugnis der ersten Verbrennungsphase ausmachen, zu der in die erste Phase zuzuführenden Luft, um damit gemischt zu wer­ den.

Die wesentliche Idee der erfindungsgemäßen An­ ordnung ist, daß ein reduzierendes Gas oder eine re­ duzierende Gasmischung, wie es ein sauerstoffloses oder sauerstoffarmes Gas mit reduzierenden Komponen­ ten gefunden werden kann, und Luft gut gemischt we­ nigstens derjenigen Zone des Kessels zugeführt wer­ den, wo der Brennstoff und die Luft normalerweise schlecht gemischt sind und lokale Temperaturspitzen wahrscheinlich sind, typisch ist dies die Zone der reduzierenden Verbrennung des Kessels, und zwar die Flamme.

Die Erfindung wird in den beifügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 gemäß der bekannten Technik die Abhän­ gigkeit der Temperatur und des Luftkoeffizienten (das Verhältnis zwischen dem Sauerstoff und der von der Verbrennung geforderten Menge von theoretischem Sau­ erstoff unabhängig von den übrigen, z.B. inerten oder reduzierenden, Komponenten, die in der Gasmischung enthalten sind) voneinander einer Ebene des NO-Ge­ halts gegenüber bei normaler Verbrennung mit Luft sowie die Abhängigkeit der adiabatischen Temperatur bei typischer Ölverbrennung von dem Luftkoeffizienten bei normaler Verbrennung mit Luft und einer Mischung eines aus ausgebranntem Rauchgas des Kessels beste­ henden Gases und der Luft, welche Mischung einen Sau­ erstoffgehalt von 17% gemäß der DE-Anmeldung 30 40 830 aufweist,

Fig. 2 exemplifikatorisch die Abhängigkeit der bei Verbrennung von reinem Methan (CH₄) erzeugten, maximalen NO-Menge von dem Luftkoeffizienten, wenn das die Verbrennung aufrechterhaltende Gas Luft, eine Mischung von ausgebranntem Rauchgas und Luft gemäß Fig. 1 oder eine Mischung eines aus reduzierender Verbrennung zurückgeführten und abgekühlten Gases und der Luft ist, und

Fig. 3 schematisch eine dem erfindungsgemäßen Verfahren angepaßte Anordnung.

In Fig. 1 ist exemplifikatorisch die adiaba­ tische Verbrennungstemperatur einer allgemein verwen­ deten Ölqualität als Funktion des Luftkoeffizienten bei normaler Verbrennung mit Luft mittels einer Kurve A-B gezeichnet. Mittels einer Kurve C-D ist exempli­ fikatorisch die adiabatische Verbrennungstemperatur desselben Öls als Funktion des Luftkoeffizienten bei Verbrennung mit durch ausgebranntes Rauchgas verdünn­ ter Luft dargestellt, welche Mischung einen Sauer­ stoffgehalt von 17% aufweist. Mittels einer Kurve E- F sind exemplifikatorisch einem NO-Gehalt von 100 ppm entsprechende Wertpaare Temperatur-Luftkoeffizient bei normaler Verbrennung mit Luft gezeigt. Oberhalb des Graphs ist der NO-Gehalt über 100 ppm. Besonders sehr hohe Temperaturen (über 1500°) sind bedeutend für diese Erfindung. Weil lokale Temperaturen in den heißesten Teilen der Flamme sehr nahe der adiaba­ tischen Temperatur steigen können, so ist aus den Fi­ guren ersichtlich, daß schon mit dem Luftkoeffizien­ ten 0.82 bei normaler Verbrennung mit Luft die 100 ppm-Grenze des NO-Gehalts (entspricht dem Punkt G) erreicht werden kann, während die entsprechende Gren­ ze bei Verwendung von beispielsgemäßer, durch ausge­ branntes Rauchgas verdünnter Luft mit dem Luftkoeffi­ zienten 0.93 (entspricht dem Punkt H) erreicht wird. In der möglichst nachteiligen Situation des reduzie­ renden Bereichs ist der maximale NO-Gehalt bei nor­ maler Verbrennung mit Luft etwa 2700 ppm und mit bei­ spielsgemäß verdünnter Luft nur 800 ppm. Der erstere von diesen Werten entspricht dem Punkt I der Fig. 1 und der letztere dem Punkt J der Fig. 1.

Überraschend hat man bemerkt, daß eine NO-Bil­ dung in der reduzierenden Zone einer Brennanordnung, besonders in der Flamme, in der Weise verhindert wer­ den kann, daß für die Verbrennung erforderlicher Sau­ erstoff unterstökiömetrisch und mit einem gleichmäßi­ gen Sauerstoffgehalt von unter 21% zugeführt wird, und zwar so, daß mit der Verbrennungsluft ein Gas oder eine Gasmischung mit einer bedeutenden Menge von reduzierenden Komponenten gemischt wird. In dieser Weise kann die Verbrennungstemperatur besonders in der Flamme gesenkt und das Reduzierpotential zugleich erhöht werden, wobei eine starke NO _x -Bildung nicht mehr möglich ist, nicht einmal lokal oder momentan. Dies geschieht vorzugsweise so, daß die lokale Tempe­ raturspitze der Flamme unter etwa 1500°C bleibt und daß der Sauerstoffgehalt mittels aus der reduzieren­ den Verbrennungsphase zurückzuführender und abge­ kühlter Rauchgase gesenkt wird, die typisch Wasser­ stoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO) enthalten. Dabei verhindern sowohl das Sinken der Temperatur als auch das erhöhte Reduzierpotential eine Bildung von NO _x effizient.

In Fig. 2 ist der von der Verbrennung von rei­ nem Methan (CH₄) verursachte, maximale NO-Gehalt bei normaler, adiabatischer Verbrennung mit Luft mittels einer Kurve K-L gezeichnet, mittels einer Kurve M-N ist ein entsprechender Graph dargestellt, wenn mit der Verbrennungsluft ausgebrannte Rauchgase gemischt sind, und mittels einer Kurve O-N exemplifikatorisch ein entsprechender Graph, wenn der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft durch Hinzufügung sehr abgekühl­ ter Rauchgase der mit demselben Luftkoeffizienten fungierenden, reduzierenden Phase in einer Menge von 24% von dem Volumenstrom der Primärluft, wobei auch reduzierende Komponenten H₂ und CO in bedeutender Menge zurückgeführt worden sind. Aus der Figur geht deutlich hervor, daß die Zurückführung der reduzie­ renden Gase stark senkend auf den NO-Gehalt wirkt, sowohl bei sinkender Temperatur als auch bei zuneh­ mendem Reduzierpotential. Wenn zum Beispiel der Wert des Luftkoeffizienten 0.80 ist, ist die maximale Sen­ kung des NO-Gehalts sogar 97% im Vergleich zu der Verbrennung mit Luft, d.h. von dem Wert 0,048 mol NO/kg CH₄ (entspricht dem Punkt P der Fig. 2) auf den Wert 0,0012 mol NO/kg CH₄ (entspricht dem Punkt Q der Fig. 2) und etwa 73% von dem Wert (entspricht dem Verhältnis zwischen den Pünkten Q und R), der durch Mischen von ausgebrannten Rauchgasen mit der Verbren­ nungsluft erhalten worden ist. Bei Anwendung des er­ findungsgemäßen Verfahrens kann sowohl der Sauer­ stoffgehalt als auch die Menge und das Reduzierver­ mögen reduzierender Komponenten, d.h. insgesamt ihr Reduzierpotential, in einer erwünschten Weise je nach dem zu verwendenden Brennstoff und den übrigen Ver­ brennungsverhältnissen geregelt werden.

Überraschend hat man bemerkt, daß die Effekti­ vität des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfin­ dung, d.h. die beste Senkung der NO-Bildung im Ver­ gleich zu der bekannten Technik, am vorzüglichsten im Bereich 0.80...0.95 der Luftkoeffizienten ist. Über­ raschend ist auch, daß diese maximale Senkung des NO- Gehalts sich gerade in demjenigen Bereich der Luft­ koeffizienten befindet, der bei typischer, an sich bekannter Primärverbrennung eines Kraftkessels üblich ist. Somit kann mittels des Verfahrens gemäß dieser Erfindung in einer ganz entscheidenden Weise gerade in der Flamme des Brenners auf die Bildung von NO _x senkend eingewirkt werden, in welcher Flamme sie bei Anordnungen der bekannten Technik am allerschwersten zu beherrschen und zu regeln und zum großen Teil so­ gar übermächtig zu verwirklichen ist, und zwar ist es besonders schwer die Bildung von sog. Promp-NO _x einzu­ schränken. Durch Vergleich der Kurven M-N und O-N der Fig. 2 sieht man, daß bei erfindungsgemäßer Verwen­ dung von reduzierende Komponenten enthaltenden, mit der Verbrennungsluft gemischten Gasen oder Gasmi­ schungen der NO _x -Gehalt (entspricht dem Punkt S) noch mit dem Luftkoeffizienten 0.95 etwa 92% kleiner ist als bei normaler Verbrennung mit Luft (entspricht dem Punkt T) und noch 40% kleiner als der durch Hinzu­ fügung von ausgebrannten Rauchgasen erhaltene Wert (entspricht dem Verhältnis zwischen den Pünkten U und S). Bei Verwendung von Rauchgasen setzt dazu der Ge­ brauch ausgebrannter Rauchgase eine Vergrößerung des ganzen Kessels und der Rauchkanäle wegen der zugenom­ menen Gasmenge voraus, während beim erfindungsgemäßen Verfahren die zugenommene Gasmenge und der größere Raumbedarf nur den Kesselteil betrifft, der mit der reduzierenden Verbrennung verknüpft ist. Gemäß Fig. 2 vereinigen sich die Kurven M-N und O-N, wenn der Luftkoeffizient 1 ist, was darauf zurückzuführen ist, daß die Rauchgase des im stökiömetrischen Verhältnis verbrannten Brennstoffes keine erwähnenswerten redu­ zierenden Komponenten mehr aufweisen können. Dies ist jedoch von keinerlei Bedeutung für das Endergebnis der Verbrennung mit kleineren Luftkoeffizienten, und die wesentliche Bedeutung der Erfindung liegt auch ausdrücklich an der Verhinderung einer lokalen Über­ hitzung und einer Bildung von Stickstoffoxiden bei unterstökiömetrischer Verbrennung.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Anordnung, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeig­ net ist und eine Brennanordnung, sowie einen Kessel 1 oder dergleichen, mit einem Feuerraum 2 aufweist. Dem Feuerraum 2 wird Brennstoff mit einer Zuführungsvor­ richtung 3 zugeführt, deren es natürlich mehrere sein kann. Demselben Teil des Feuerraums 2 wird eine Gas­ mischung mit für Verbrennung erforderlichem Sauer­ stoff mittels einer zu Luftzufuhrmitteln gehörenden Leitung 4 zugeführt. In die Leitung 4 kommt einer­ seits Luft aus einer Leitung 5 und anderseits redu­ zierendes Gas, unter dem eine wenigstens nahezu sau­ erstofflose und reduzierende Komponenten, zunächst eine beudeutende Menge von H₂ und CO, enthaltende Gas­ mischung verstanden wird, aus einer zu Mischungsmit­ teln gehörenden Leitung 6 durch ein Gebläse 7 und einen Gasmischer 8. Das zu mischende Gas ist vorzugs­ weise ein mit Abkühlern 9 und 10 abgekühltes, aus dem bei reduzierender Verbrennung fungierenden Feuerraum 2 erhaltenes, reduzierende Komponenten enthaltendes Rauchgas, dessen Menge mittels eines Ventils 11 ge­ steuert wird. Dieses reduzierende Rauchgas wird mit der zuzuführenden Luft in dem Mischer 8 gemischt. Der größte Teil der in der reduzierenden Verbrennungspha­ se entstehenden Rauchgase werden zu folgenden Ver­ brennungsphasen geleitet, die mit einer Verbrennungs­ phase 12 schematisch dargestellt werden. In den letz­ teren Verbrennungsphasen wird dem Kessel durch ein Ventil 13 längs eines Kanals 14 Zusatzluft zugeführt, wobei der Brennstoff möglichst vollkommen verbrennt. In diesem Zusammenhang können die Rauchgase mittels eines Wärmeaustauschers 15 und danach weiter mittels Abkühlern 16 abgekühlt werden, wonach die Rauchgase durch ein Gebläse 17 in einen Rauchgaskanal 18 gelei­ tet werden. Je nach der erforderlichen Menge reduzie­ render Komponenten können mit der in die erste Phase dem Feuerraum 2 zuzuführenden Luft, außer Rauchgasen der reduzierenden Phase durch den Kanal 6, auch end­ gültige, abgekühlte Rauchgase in einer an sich be­ kannten Weise durch einen Kanal 19 gemischt werden, wobei die Menge dieses Rauchgases mittels eines Ven­ tils 20 geregelt wird. In dieser Weise kann je nach den Verhältnissen sowohl der Sauerstoffgehalt der zuzuführenden Luft-Gas-Mischung als auch der Gehalt an reduzierenden Komponenten in Übereinstimmung mit den Verbrennungsverhältnissen und dem Brennstoff ge­ eignet bestimmt werden. Wenn am Anfang der oxidieren­ den Verbrennungsphase 12 Gefahr besteht, daß eine zu heiße Flamme oder eine lokale Stelle darin ausgeformt wird, so daß die Bildung von Stickstoffoxid zu stark sein könnte, kann die Temperatur der Flamme auch die­ ser Phase durch Zuführung von reduzierendem Gas durch ein Ventil 21 und einen Kanal 22 dem Anfang der oxi­ dierenden Verbrennungsphase 12 gesenkt werden. Wärme­ verluste der Brennanordnung können durch Isolierung von Verbrennungskammern mit Isolationen 23 und 24 vermindert werden, was schematisch in Figur gezeigt ist.

Es ist selbstverständlich, daß ein Teil der be­ schriebenen Anordnungen zum Schaffen der konstruktiv vorteilhaftesten Lösung zu einer Einheit zusammenge­ setzt werden können, zum Beispiel die Teile 2, 10, 12, 15 und 16 sind leicht zusammensetzbar.

Wesentlich für die erfindungsgemäße Anordnung ist, daß die Luft und das reduzierende Gas gut ge­ mischt werden, bevor sie dem reduzierenden Teil des Feuerraums zugeführt werden, und daß die Temperatur der Flamme oder lokaler Stellen darin nur in dem Maß mittels Gas gesenkt wird, was zum Verhindern der NO- Bildung unbedingt notwendig ist, aber jedoch nicht so viel, daß die kontinuierliche Aufrechterhaltung der Verbrennung gefährdet wird. Bei diesem Verfahren wird das Mischungsverhältnis von Luft und Gas u.a. von dem Wärmewert des zu verwendenden Brennstoffs, der Min­ desttemperatur zur Aufrechterhaltung der Verbrennung, der chemischen Analyse des Gases, der erwünschten NO _x - Ebene, den Dimensionierungsgrößen der Wärmeflächen des Kessels, dem Abkühlungsgrad (der Temperatur) des zurückzuführenden Gases und von den Lagen der Gaszu­ führungsphasen bestimmt. Somit kann dieses Verhältnis innerhalb eines weiten Bereichs variieren, aber ty­ pisch ist die Gasmenge 10...70% von der zugeführten Luftmenge.

Es ist klar, daß die Massenmenge des im Kraft­ kessel, zunächst nur in seinem reduzierenden Teil, strömenden Gases bei der gemäß dem Verfahren dieser Erfindung fungierenden Anordnung im Vergleich zu den bekannten Anordnungen mit demselben Verbrennungsgrad zunimmt. Die Dimensionen des Kessels ändern sich je­ doch nicht entscheidend, weil die Zirkulation vor­ zugsweise nur in einer unterstökiömetrischen Verbren­ nungsphase oder mehreren solchen Phasen geschieht und weil die von der Temperatursenkung verursachte Ände­ rung der Gasdichte die Situation so kompensiert, daß der Volumenstrom des Gases sich nicht erwähnenswert ändert. Es ist auch klar, daß die zirkulierende Gas­ menge den Wirkungsgrad des Kessels in der Theorie nicht senkt, aber auf Grund verschiedener Wärmever­ luste ist eine geringe Senkung des Wirkungsgrads zu erwarten. Im Vergleich zu den erreichten Vorteilen ist diese schädliche Einwirkung jedoch als gering zu betrachten.

Durch die Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß die Anordnung durch Verwendung bekannter und bil­ liger konstruktionstechnischer Alternativen konstru­ iert werden kann, und keine separaten und teuren NO _x - Auspuffvorrichtungen sind benötigt, weil die NO _x -Bil­ dung ausreichend eliminiert ist. Weiter ist das er­ findungsgemäße Verfahren leicht zu verwirklichen und sehr leicht zu steuern, und zwar so, daß die Prinzi­ pien des erfindungsgemäßen Verfahrens an sich bekann­ ten Anordnungen und Steuersystemen angepaßt werden. Ebenfalls können besonders die heißesten, ziemlich punktförmigen Teile der Flamme der Brennanordnung, in welchen Teilen der NO _x -Gehalt lokal sogar sehr hoch steigen kann, beherrscht werden, weil die Möglichkeit der NO _x -Bildung dadurch begrenzt ist, daß sie die festgesetzte Grenze nicht überschreiten kann. Schließlich ist der endgültige NO-Ausstoß der in die Umgebung ausströmenden Rauchgase natürlich von dem Fahrmodell und der Konstruktion des oxidierenden Kes­ selteils abhängig.

Claims (4)

1. Verbrennungsverfahren zum Einschränken einer Bildung von Stickstoffoxiden bei Verbrennung, bei welchem Verfahren die Verbrennung so ausgeführt wird, daß die zum Verbrennen von Brennstoff erforderliche Luft in wenigstens zwei Phasen in der Weise zugeführt wird, daß Luft in der ersten Phase unterstökiömet­ risch, vorzugsweise mit dem Luftkoeffizienten 0.80- 0.95, zugeführt wird, bei welchem Verfahren mit der in die erste Phase zuzuführenden Luft ein Gas oder eine Gasmischung wesentlich ohne elementaren Sauer­ stoff gemischt wird, und bei welchem Verfahren mit der in die erste Phase zuzuführenden Luft ein Gas oder eine Gasmischung mit reduzierenden Komponenten gemischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit der in die erste Phase zuzuführenden Luft H₂ und/oder CO enthaltende, nach der unterstökiöme­ trischen Verbrennungsphase, vorzugsweise nach der ersten Verbrennungsphase, entstandene, reduzierende Brandgase so gemischt werden, daß der Sauerstoffge­ halt der in die entstandene erste Phase zuzuführenden Gasmischung vorzugsweise 12-19% ist, und daß der Sauerstoffgehalt und das Reduzierpotential der zuzu­ führenden Gasmischung so geregelt werden, daß der Stickstoffoxidgehalt von Brenngasen, die während der Verbrennung bei der Temperatur der adiabatischen Ver­ brennung des anzuwendenden Brennstoffs entstehen, welche Temperatur dem zuzuführenden Sauerstoffgehalt und dem Reduzierpotential entspricht, höchstens gleich groß ist wie der vorausbestimmte Gehaltwert.

2. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase abge­ kühlt werden, bevor sie mit Luft gemischt werden.

3. Anordnung zum Ausführen des Verfahrens nach Patentanspruch 1, zu welcher Anordnung Mittel (4, 5) zum Zuführen von Luft in einen Feuerraum (2) und Mit­ tel (3) zum Zuführen von Brennstoff in den Feuerraum (2) sowie Mischungsmittel (6, 7, 8, 9, 11) zum Mi­ schen eines Gases oder einer Gasmischung, das/die einen kleineren Sauerstoffgehalt als die Luft auf­ weist, mit der in die erste, unterstökiömetrisch ver­ brennende Phase zuzuführenden Luft, bevor sie dem Feuerraum (2) zugeführt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mischungsmittel (6, 7, 8, 9, 11) wenigstens einen Rauchgaskanal (6) aufweisen, und zwar zum Leiten eines Teils der Rauchgase, die das Verbrennungserzeugnis der ersten Verbrennungs­ phase ausmachen, zu der in die erste Phase zuzufüh­ renden Luft, um damit gemischt zu werden.

4. Anordnung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischungsmittel (6, 7, 8, 9, 11) Abkühlmittel (9, 10) zum Abkühlen der Rauchgase aufweisen, bevor diese mit der Luft ge­ mischt werden.