DE69002393T2 - Verfahren zur Verbrennung von gebundenen Stickstoff enthaltendem Brennstoff. - Google Patents
Verfahren zur Verbrennung von gebundenen Stickstoff enthaltendem Brennstoff.Info
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Description
- Diese Effindung betrifft Verbrennung mit Nachvermischung, wobei Brennstoff und Oxidationsmittel getrennt in eine Verbrennungszone eingeblasen werden und sich anschließend in der Verbrennungszone mischen und verbrennen.
- Eine kürzlicher, wesentlicher Fortschritt im Gebiet der Verbrennung mit Nachvermischung ist der (das) in US-A-4 378 205 von Anderson und in US-A-4 541 796 von Anderson beschriebene und beanspruchte Aspriationsbrenner und -verfahren. Diese Technologie ermöglicht die Ausführung einer Verbrennung mit Sauerstoff oder mit sauerstoffangereicherter Luft ohne die sehr hohen Temperaturen und schlechten Mischungseigenschaften der Sauerstoffverbrennung, wodurch eine Verbrennung erreicht wird, ohne daß hohe Stickoxid- (NOx-) Pegel erzeugt werden, und ohne daß lokale heiße Stellen innerhalb der Verbrennungszone verursacht werden. Dies wird erreicht unter Verwendung einer bestimmten hohen Entfernung zwischen den Brennstoff- und den Oxidationsmitteleinblasstellen, und durch Ansaugen von Ofengasen in das Oxidationsmittel vor dem Mischen und Verbrennen mit dem Brennstoff.
- Viele Brennstoffe enthalten gebundenen Stickstoff. Bei der Verbrennung solcher Brennstoffe kann Stickstoff der zu NOx-Bildung führen kann, von Quellen außerhalb des Brennstoffs, meistens jedoch vom Brennstoff selbst kommen. Demgemäß sind zur Verbrennung von Brennstoff für geringe NOx-Bildung, wobei außer dem Brennstoff auch Stickstoff anwesend ist, ausgelegte Methoden im allgemeinen nicht wirkungsvoll für die Verbrennung von gebundenem Stickstoff enthaltendem Brennstoff, um verminderte NOx-Emissionen zu erreichen.
- Außerdem erfahren bekannte Verbrennungsmethoden mit wenig NOx, die mit winkeligen Oxidationsmittel- und Brennstoffströmen arbeiten, eine unstabile Verbrennung oder ein Erlöschen, falls die Divergenz auch nur einen kleinen Winkel übersteigt.
- Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Verbrennung von gebundenem Stickstoff enthaltendem Brennstoff zu schaffen, um verminderte NOx-Emissionen zu erreichen.
- Die obige und andere Aufgaben, die Fachleuten aus dem Lesen dieser Beschreibung offenbar werden, werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, bei der es sich handelt um:
- Ein Verfahren zur Verbrennung von gebundenem Stickstoff enthaltendem Brennstoff zum Erreichen von verminderten NOx-Emissionen, bei dem:
- (A) in eine Verbrennungszone Brennstoff, der gebundenen Stickstoff enthält, in einem axial fließenden Strom eingeblasen wird,
- (B) in die Verbrennungszone Oxidationsmittel in mindestens einem Strom in Abstand von der Brennstoffeinblasstelle eingeblasen wird, wobei das Oxidationsmittel reinen Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft aufweist und unter einem Winkel mit Bezug auf die axiale Mittellinie des Brennstoffstromes eingeblasen wird, der größer als die Summe der Ausbreitungswinkel eines einzelnen Oxidationsmittelstromes und des Brennstoffstromes ist, und wobei das Einblasen des Oxidationsmittels derart erfolgt, daß der gesamte Oxidationsmittelimpuls mindestens das Dreifache des Impulses des Brennstoffstromes beträgt und
- (C) Brennstoff von dem Brennstoffstrom in den (die) Oxidationsmittelstrom (-ströme) mitgerissen wird und der mitgerissene Brennstoff mit Oxidationsmittel verbrannt wird.
- Figur 1 ist eine vereinfachte Schnittansicht einer Anordnung, bei der das Verfahren dieser Erfindung ausgeführt werden kann.
- Figur 2 ist eine graphische Darstellung der NOx-Emissionen von Verbrennungen, die mit dem Verfahren dieser Erfindung ausgeführt wurden, und von Verbrennungen, die mit einem bekannten Verbrennungsverfahren ausgeführt wurden.
- Das Verfahren dieser Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
- Unter Bezugnahme auf Figur 1 wird ein gebundenen Stickstoff enthaltender Brennstoff 1 in eine Verbrennungszone 2 von einem Brenner 3 in einer axial strömenden Richtung eingeblasen. Mit dem Begriff "gebundener Stickstoff" ist jede chemische Verbindung außer molekularem Stickstoff gemeint, die mindestens ein chemisch gebundenes Stickstoffatom enthält. Einige einfache Beispiele solcher Verbindungen sind Ammoniak, Wasserstoffzyanid und Pyridin. Gebundenen Stickstoff enthaltende Brennstoffe schließen typischerweise Öle und Kohlen ein. Bei diesen Brennstoffen ist Stickstoff in komplexen molekularen Formen chemisch gebunden und oft in Aminen oder heterozyklischen Ringen enthalten. Der Brennstoff, der einen bestimmten Impuls hat, der das Produkt dessen Masse und Geschwindigkeit ist, wird in die Verbrennungszone eingeblasen. Im allgemeinen wird der Brennstoff bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 3 bis 61 m (10 bis 200 Fuß) pro Sekunde in die Verbrennungszone eingeblasen.
- Wenn der Brennstoffstrom aus der Einblasröhre 9 tritt, dehnt sich der Strom in einer etwa konischen Weise aus, so daß der Umfang 4 des Brennstoffstromes einen Winkel a mit der axialen Mittellinie 5 des Brennstoffstromes bildet. Dieser Winkel liegt für einen gasförmigen Brennstoffstrom aus einer geraden, runden Einblasvorrichtung im allgemeinen im Bereich von 5 bis 10 Grad. Manchmal werden konische Brennstoffstrom-Leitflächen benutzt um den Winkel des sich verbreiternden Brennstoffstromes zu vergrößern. Bei Ölbrennern wird der Winkel des zerstäubten Brennstofftröpfchenstromes in Abhängigkeit von dem Entwurf der Ölzerstäuberdüse variieren; typischerweise liegt dieser Winkel im Bereich von 5 bis 30 Grad. Gaszerstäubung wird oft bei dem Ölzerstäuber benutzt, um feine Öltröpfchen zu erzeugen. Die am meisten benutzten Zerstäubungsgase sind Luft und Wasserdampf, obwohl manchmal Sauerstoff und Brennstoffgase benutzt werden. Wenn Luft, sauerstoffangereicherte Luft oder Sauerstoff als Zerstäubungsgas benutzt werden, muß die Durchflußrate des in dem Zerstäubungsgas enthaltenen Sauerstoffs geringer als 20 Prozent und vorzugsweise geringer als 10 Prozent der Durchflußrate des zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs benötigten Sauerstoffs sein. Ein bevorzugter Ölzerstäuber wird in US-A-4 738 614 von Snyder et. al. offenbart und beansprucht.
- Oxidationsmittel 7 wird durch Brenner 3 in Abstand von der Brennstoffeinblasstelle in die Verbrennungszone 2 eingeblasen, so daß der Brennstoff und das Oxidationsmittel getrennt in die Verbrennungszone eingeblasen werden, und sie kein brennbares Gemisch bilden, bis sie sich beide in der Verbrennungszone befinden. Das Oxidationsmittel kann sauerstoffangereicherte Luft oder technisch reiner Sauerstoff sein, der eine Sauerstoffkonzentration hat, die 99,5% übersteigt. Vorzugsweise hat das Oxidationsmittel eine Sauerstoffkonzentration, die 30% übersteigt.
- Das Oxidationsmittel wird mit einer Geschwindigkeit eingeblasen, die im allgemeinen im Bereich von 61 bis 305 m (200 bis 1000 Fuß) pro Sekunde liegt. Wenn das Oxidationsmittel in die Verbrennungszone eingeblasen wird, bildet der Umfang des Oxidationsmittelstromes einen Winkel mit der Mittellinie des Oxidationsmittelstromes. Dieser sich spreizende Winkel liegt im allgemeinen im Bereich von 5 bis 10 Grad.
- Das Oxidationsmittel wird in mindestens einem Strom und vorzugsweise in 3 bis 16 Strömen in die Verbrennungszone eingeblasen. Bei einer besonders bevorzugten Anordnung wird der Brennstoff in einem zentral angeordneten Strom in die Verbrennungszone eingeblasen, wobei das Oxidationsmittel durch eine Mehrzahl von Strömen in einem Kreis oder Ring um den zentral angeordneten Brennstoffstrom in die Verbrennungszone eingeblasen wird. Vorzugsweise liegt die Anzahl der kreisförmig ausgerichteten Oxidationsmittelströme im Bereich von 3 bis 16.
- Das Oxidationsmittel wird in die Verbrennungszone weg von dem Brennstoffstrom unter einem Winkel b eingeblasen, der gleich der oder größer als die Summe der durch den Umfang des Brennstoffstromes mit der axialen Mittellinie des Brennstoffstromes, d.h. Winkel a und dem sich spreizenden Winkel des Oxidationsmittelstromes, in Figur 1 als Winkel c gezeigt, gebildeten Winkel ist. Im allgemeinen liegt der Einblaswinkel b des Oxidationsmittels im Bereich von 15 bis 45 Grad.
- Das Oxidationsmittel wird in die Verbrennungszone mit einem Gesamtimpuls, d.h. der Summe der Impulse jedes einzelnen Oxidationsmittelstromes, eingeblasen, der mindestens gleich dem Dreifachen des Impulses des Brennstoffs ist. Vorzugsweise übersteigt der Gesamtimpuls des Oxidationsmittels den Impuls des Brennstoffs um einen Faktor im Bereich von 10 bis 30. Vorzugsweise haben mindestens 50 Prozent der einzelnen Oxidationsmittelströme einen Impuls, der mindestens gleich dem Impuls des Brennstoffstromes ist, um am meisten bevorzugt hat jeder einzelne Oxidationsmittelstrom einen Impuls der mindestens gleich dem Impuls des Brennstoffstromes ist.
- Der höhere Impuls der Oxidationsmittelströme bewirkt ein Gesamtzirkulationsmuster der Ofengase, bei dem Ofengase und Brennstoff in die Oxidationsmittelströme aufgrund der Düsensaugwirkungen der Oxidationsmittelströme mitgerissen werden. Da die Oxidationsmittelströme weg von dem Brennstoffstrom eingeblasen werden, und da der Impuls des Brennstoffstromes schwächer als der der Oxidationsmittelströme ist, wird ein Mischen von Brennstoff mit Oxidationsmittel durch die Ansaugwirkungen der Oxidationsmitteldüsen verzögert und gesteuert. Brennstoff wird zuerst mit heißen Ofengasen gemischt, die geringe Mengen von Sauerstoff enthalten, und die Verbrennung findet mit zu wenig Sauerstoff statt, um die Verbrennung zu vollenden. Die Verbrennung wird vollendet, wenn der Brennstoff und die Produkte der unvollständigen Verbrennung der brennstoffreichen Verbrennung in die Oxidationsmittelströme mitgerissen werden, und zusätzlicher Sauerstoff für vollständige Verbrennungsreaktionen geliefert wird.
- Der hohe Impuls und der hohe Sauerstoffgehalt des Oxidationsmittels ermöglichen einen Einblaswinkel, der beträchtlich höher als konventionelle Einblaswinkel ist. Dies ermöglicht zusammen mit dem folgenden Mitreissen von Brennstoff in das Oxidationsmittel eine Verbrennung mit sehr geringer NOx-Bildung, während das Problem des Erlöschens vermieden wird.
- Das getrennte Einblasen von Brennstoff und Oxidationsmittel in die Verbrennungszone, vorzugsweise jedoch aus dem gleichen Brenner, d.h. bei ungefähr dem gleichen axialen Startpunkt wie z.B. der Brennerstirnfläche 8, ermöglicht es Ofengasen, wie z.B. Verbrennungsprodukten, in den Brennstoff gesaugt zu werden, und anschließend dem Brennstoff, in den (die) Oxidationsmittelstrom (-ströme) mitgerissen zu werden, um ein brennbares Gemisch zu bilden, das dann verbrannt wird.
- Sauerstoff kann auch in einem oder mehreren geraden Strömen oder in Strömen, die einen kleineren als den oben bestimmten Winkel haben, in die Verbrennungszone eingebracht werden. In solch einem Fall müssen mindestens 50 Prozent der Oxidationsmittelströme die oben bestimmten großen divergenten Winkel aufweisen.
- Um die Erfindung weiter zu veranschaulichen und die dabei erzielbaren verbesserten Ergebnisse zu demonstrieren, wurden die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele durchgeführt. Sie werden zu Anschauungs- und Demonstrationszwecken dargelegt und sollen nicht begrenzen.
- Ein Brenner wurde mit einer Feuerungsrate von 166 kW (568000 BTU/Std) befeuert. Der Brennstoff war Brennstofföl Nr. 6, der etwa 0,54 Gewichtsprozent gebundenen Stickstoff enthielt. Der Brennstoff wurde von dem Brenner mit 4,2 standard m³/h (150 Standard Kubikfuß pro Stunde (SCFH)) Luft als Zerstäubungsgas bei einer Rate von 14,4 kg (31,7 Pfund) pro Stunde mit einer Geschwindigkeit von etwa 24 m (79 Fuß) pro Sekunde und somit mit einem Impuls von 1,3 Nm/s² (0,94 lb-ft/sec²) in die Verbrennungszone eingeblasen. Der Umfang des Brennstoffstromes bildete einen Winkel von ungefähr 10 Grad mit der Mittellinie des Brennstoffstromes. Oxidationsmittel, das 99,5% Sauerstoff enthielt, wurde getrennt von der Brennstoffeinblasung von dem Brenner in die Verbrennungszone eingeblasen. Das Oxidationsmittel wurde in acht Strömen, die in einem kreisförmigen Muster um den zentral angeordneten Brennstoffstrom angeordnet waren, bei einer Gesamtdurchflußmenge von 32 standard m³/h (1130 SCFH) in die Verbrennungszone eingeblasen. Das Oxidationsmittel wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 187 m (614 Fuß) pro Sekunde eingeblasen, und somit betrug der gesamte Impuls des Oxidationsmittels 22 Nm/s² (16,2 lb-ft/sec²) und jeder Oxidationsmittelstrom hatte einen Impuls von etwa 2,7 Nm/s² (2 lb-ft/sec²). Jeder Oxidationsmittelstrom wurde unter einem Winkel von 30 Grad weg von dem Brennstoffstrom in die Verbrennungszone eingeblasen. Wird die Zerstäubungsluft in Betracht gezogen, so betrug die Sauerstoffkonzentration des gesamten, in die Verbrennungszone eingebrachten Oxidationsmittels etwa 90 Prozent.
- Die Verbrennung wurde ausgeführt, und die NOx-Emissionen im Rauchzug der Verbrennungszone wurden gemessen. Das Verfahren wurde wiederholt, und die Ergebnisse der beiden Beispiele sind in Figur 2 als Datenpunkte 1 und 2 dargestellt.
- Zu Vergleichszwecken wurde das oben beschriebene Verfahren siebenmal mit Oxidationsmittel mit einer Sauerstoffkonzentration im Bereich von etwa 35 bis 100 Prozent wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Oxidationsmittel in einer im wesentlichen zu der Mittellinie des Brennstoffstromes parallelen Richtung in die Verbrennungszone eingeblasen wurde. Das heißt, daß das Oxidationsmittel nicht unter einem Winkel in die Verbrennungszone eingeblasen wurde. Die Verbrennung wurde ausgeführt, und die NOx-Emissionen im Rauchzug der Verbrennungszone wurden gemessen, und diese Werte sind in Figur 2 als Linie A dargestellt.
- Wie aus den in Figur 2 dargelegten Ergebnissen klar zu sehen ist, ermöglicht das Verfahren dieser Erfindung das Ausführen einer Verbrennung von gebundenem Stickstoff enthaltendem Brennstoff, während ein wesentlich verminderter Pegel von NOx-Emissionen gegenüber dem erzeugt wird, der möglich ist, wenn das Verfahren gemäß dieser Erfindung nicht eingesetzt wird.
- Das Verfahren wurde sechsmal wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Oxidationsmittel durch vier Düsen in einem Winkel von 30 Grad weg von dem Brennstoffstrom und durch vier gerade Düsen eingeblasen wurde. Die NOx-Emissionen wurden gemessen, und sie sind in Figur 2 als Linie B dargestellt. Wie zu sehen ist, ergab sich eine gewisse Verbesserung bezüglich der NOx-Emissionen gegenüber jenen, die ohne Anwendung der vorliegenden Erfindung erreicht wurden (Linie A); es ist jedoch zu sehen, daß eine erheblich verbesserte NOx-Verminderung erzielt wurde, wenn die Erfindung in ihrer bevorzugten Form ausgeführt wurde (Datenpunkte 1 und 2).
Claims (18)
1. Verfahren zur Verbrennung von gebundenem Stickstoff enthaltendem Brennstoff zum
Erreichen von verminderten NOx-Emissionen, bei dem:
(A) in eine Verbrennungszone Brennstoff, der gebundenen Stickstoff enthält, in einem
axial fließenden Strom eingeblasen wird,
(B) in die Verbrennungszone Oxidationsmittel in mindestens einem Strom in Abstand
von der Brennstoffeinblasstelle eingeblasen wird, wobei das Oxidationsmittel
reinen Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft aufweist und unter einem
Winkel mit Bezug auf die axiale Mittellinie des Brennstoffstromes eingeblasen
wird, der größer als die Summe der Ausbreitungswinkel eines einzelnen
Oxidationsmittelstromes und des Brennstoffstromes ist, und wobei das Einblasen des
Oxidationsmittels derart erfolgt, daß der gesamte Oxidationsmittelimpuls
mindestens das Dreifache des Impulses des Brennstoffstromes beträgt und
(C) Brennstoff von dem Brennstoffstrom in den (die) Oxidationsmittelstrom (-ströme)
mitgerissen wird und der mitgerissene Brennstoff mit Oxidationsmittel verbrannt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff Öl ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff in die Verbrennungszone mit einer
Geschwindigkeit im Bereich von 3 bis 61 m (10 bis 200 Fuß) pro Sekunde eingeblasen
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Umfang des Brennstoffstromes mit der
Mittellinie des Brennstoffstromes einen Winkel im Bereich von 5 bis 15 Grad bildet.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Oxidationsmittel eine Sauerstoffkonzentration
von mehr als 30 Prozent hat.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Oxidationsmittel in die Verbrennungszone mit
einer Geschwindigkeit im Bereich von 61 bis 305 m (200 bis 1000 Fuß) pro Sekunde
eingeblasen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Oxidationsmittel in die Verbrennungszone unter
einem Winkel im Bereich von 15 bis 45 Grad eingeblasen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Gesamtoxidationsmittelimpuls den
Brennstoffimpuls um einen Faktor im Bereich von 3 bis 30 übertrifft.
9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Oxidationsmittel in die Verbrennungszone in
Form von 3 bis 16 Strömen eingeblasen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff in die Verbrennungszone in einem
zentral angeordneten Strom eingeblasen wird und das Oxidationsmittel in die
Verbrennungszone in einer Mehrzahl von Strömen eingeblasen wird, die in einem Ring um den
zentralen Brennstoffstrom herum angeordnet sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Anzahl der Oxidationsmittelströme im Bereich
von 3 bis 16 liegt.
12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil des gebundenen Stickstoffes des
Brennstoffes in einer chemischen Verbindung enthalten ist, die einen heterozyklischen
Ring aufweist.
13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil des gebundenen Stickstoffes des
Brennstoffes in einer chemischen Verbindung enthalten ist, die eine Amingruppe
aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffstrom in feine Tröpfchen zerstäubt
wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Zerstäuben unter Anwendung eines
Zerstäubungsgases durchgeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Zerstäubungsgas Sauerstoff aufweist und der
Sauerstoff, welcher der Verbrennungszone mit dem Zerstäubungsgas zugeführt wird,
nicht mehr als 20 Prozent des Sauerstoffes beträgt, der für eine vollständige
Verbrennung des Brennstoffes erforderlich ist.
17. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens 50 Prozent der einzelnen
Oxidationsmittelströme einen Impuls haben, der mindestens gleich dem Impuls des
Brennstoffstromes ist.
18. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jeder einzelne Oxidationsmittelstrom einen Impuls
hat, der mindestens gleich dem Impuls des Brennstoffstromes ist.
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