DE69009896T2

DE69009896T2 - Verbrennungsverfahren mit verringerten NOx.

Info

Publication number: DE69009896T2
Application number: DE69009896T
Authority: DE
Inventors: Mark Anthony Delano
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1989-08-15
Filing date: 1990-08-14
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2010-08-15
Also published as: EP0413309B1; KR910004987A; JPH0391601A; US4988285A; CA2023262A1; ES2055246T3; CA2023262C; BR9004016A; MX171952B; KR950013956B1; EP0413309A2; EP0413309A3; DE69009896D1

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verbrennungsverfahren, bei dem Verbrennungsprodukte in einen Oxidationsmittelstrom gesaugt werden, bevor der Oxidationsmittelstrom mit Brennstoff verbrennt.

Technischer Hintergrund

Ein neuerer wesentlicher Fortschritt im Bereich der Brennertechnik ist der von Dr. J.E. Anderson entwickelte Ansaugbrenner und das Verbrennungsverfahren, die in US-A-4 378 205 und in US-A-4 541 796 beschrieben und beansprucht werden. Mittels dieses Ansaugbrenners und des Verfahrens kann man in vorteilhafter Weise mit Sauerstoff angereicherte Luft und sogar reinen Sauerstoff als das Oxidationsmittel benutzen, was zu erheblich verbesserten Betriebswirkungsgraden führt. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch einen großen radialen Abstand zwischen den Injektionsstellen des Brennstoffs und des Oxidationsmittels, wobei dieser Abstand mindestens so groß ist, wie das Vierfache des Durchmessers des Oxidationsmittel-Injektionsstrahls, und sie ist ferner gekennzeichnet durch ein relativ großes Verhältnis der Geschwindigkeit des Oxidationsmittelstromes zu der Geschwindigkeit des Brennstoffstromes. Aufgrund des großen Abstands zwischen dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel ist es oft zweckmäßig, dem Brennstoff eine geringe Menge von Oxidationsmittel zuzufügen, wenn dieses in die Verbrennungszone gelangt, um eine Flammenfront auszubilden und somit eine stabile Verbrennung zu erreichen.
Der Brenner und das Verbrennungsverfahren von Anderson ermöglichen den wirkungsvollen Gebrauch von Sauerstoff oder von mit Sauerstoff angereicherter Luft als das Oxidationsmittel der Verbrennung, während die mit solch einer Verbrennung verbundene sehr große Wärmemenge vermieden wird. Dadurch wird sowohl der Verschleiß des Ofens als auch die Bildung von gewöhnlich als NOx bezeichneten Stickoxiden vermindert. Die Wärmeminderung und -verteilung wird durch die hohe Geschwindigkeit des Oxidationsmittels und den großen Abstand zwischen den Injektionsstellen für Oxidationsmittel und Brennstoff erreicht. Die hohe Geschwindigkeit des Oxidationsmittels bewirkt, daß Ofengase in großem Ausmaß in den Oxidationsmittelstrom gesaugt werden, und der große Abstand ermöglicht, daß dieses Ansaugen für eine beträchtliche Zeitdauer fortdauert, bevor sich das Oxidationsmittel und der Brennstoff treffen und verbrennen. Die angesaugten Gase verdünnen die Verbrennungsreaktion und fügen dieser Impuls zu, wodurch sie ausgeweitet wird, und wodurch ein Ansteigen lokaler Temperaturen auf einen unannehmbaren Wert vermieden wird.
Eine Schwierigkeit dieses Ansaugbrenners und des Verfahrens ist, daß bei höheren mittleren Ofentemperaturen und bei höheren Feuerungsraten ein größerer Abstand zwischen den Oxidationsmittel- und Brennstoffstrahlen erforderlich sein kann, um die NOx-Bildung klein zu halten, insbesondere falls das Oxidationsmittel weniger als 100 % Sauerstoff enthält, d.h. daß es etwas Stickstoff enthält.
Demgemäß ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Ansaugverbrennungsverfahren zu schaffen, bei dem die NOx-Bildung vermindert wird.
Es ist ferner eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Ansaugverbrennungsverfahren zu schaffen, bei dem Oxidationsmittel eingesetzt wird, das etwas Stickstoff enthalten kann, während eine verringerte NOx -Bildung erreicht wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Obiges wird durch die vorliegende Erfindung erreicht, die lautet:
Ein Verfahren für eine stabilisierte Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittel zur Erzielung einer verminderten Bildung von Stickoxiden, bei dem:
(A) in eine Verbrennungszone ein Strom aus Oxidationsmittel eingeblasen wird;
(B) in die Verbrennungszone in Abstand von dem Oxidationsmittelstrom ein Brennstoffstrom eingeblasen wird;
(C) Verbrennungsgase in den Oxidationsmittelstrom gesaugt werden und danach der angesaugte Oxidationsmittelstrom und der Brennstoffstrom miteinander vermischt werden, um ein brennbares Gemisch zu bilden; und
(D) das brennbare Gemisch verbrannt wird, um Verbrennungsgase für das Ansaugen des Verfahrensschrittes (C) zu erzeugen;
dadurch gekennzeichnet, daß
- vor den Verfahrensschritten (A) und (B) die Verbrennungszone auf eine Temperatur von mindestens 815 ºC (1500 ºF) vorgeheizt wird;
- im Verfahrensschritt (A) der Oxidationsmittelstrom in die erhitzte Verbrennungszone mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 61 bis 326 m/s (200 bis 1070 ft/s) eingeblasen wird;
- im Verfahrensschritt (B) der Brennstoffstrom mit einer solchen Geschwindigkeit eingeblasen wird, daß das Verhältnis der Geschwindigkeit des Oxidationsmittelstromes zu der Geschwindigkeit des Brennstoffstromes 20 nicht übersteigt; und
- der Brennstoffstrom vor dem Vermischen mit dem angesaugten Oxidationsmittel gemäß dem Verfahrensschritt (C) im wesentlichen frei von einem Kontakt mit Oxidationsmittel gehalten wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur ist eine Querschnittansicht eines Brenners, der benutzt werden kann, um das Verbrennungsverfahren gemäß dieser Erfindung auszuführen.

Detaillierte Beschreibung

Das Verbrennungsverfahren gemäß dieser Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird eine Verbrennungszone 1 auf eine Temperatur von mindestens 816 ºC (1500 ºF) und bevorzugt auf mindestens etwa 927 ºC (1700 ºF) vorgeheizt. Im allgemeinen wird die Verbrennungszone auf eine Temperatur im Bereich von 816 bis 1760 ºC (1500 bis 3200 ºF) vorgeheizt. Bei dem Verbrennungsverfahren gemäß dieser Erfindung kann jedes wirkungsvolle Verfahren benutzt werden, um die Verbrennungszone auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen. Ein solches Verfahren besteht darin, die Verbrennung so auszuführen, daß stabilisierender Sauerstoff benachbart dem Brennstoff injiziert wird. Ein anderes solches Verfahren ist eine Verbrennung mit Hilfsluftbrennern.
Nachdem die Verbrennungszone auf die geeignete Temperatur erwärmt wurde, werden Brennstoff und Oxidationsmittel in die Verbrennungszone injiziert. Das Oxidationsmittel kann Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft, oder technisch reiner Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von über 99,5 % sein. Die Vorteile des Verfahrens dieser Erfindung gegenüber bekannten Verfahren zeigen sich deutlicher, wenn das Oxidationsmittel etwas Stickstoff enthält, insbesondere wenn der Stickstoffgehalt etwa 3 % übersteigt. Der Brennstoff kann jeder geeignete gasförmige oder flüssige Brennstoff sein, wie z.B. Methan, Propan, Koksofengas oder Erdgas.
Wieder unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird Oxidationsmittel über eine Leitung 3, die mit einer Quelle für solches Oxidationsmittel in Strömungsverbindung steht, dem Brenner 2 zugeführt. Oxidationsmittel wird als ein Strom 4 oder als mehrere Ströme 4 über eine entsprechende Zahl von Düsen 5 in die Verbrennungszone 1 injiziert. Das Oxidationsmittel wird mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 61 bis 326 m/s (200 bis 1070 Fuß pro Sekunde (fps)), vorzugsweise im Bereich von 152 bis 326 m/s (500 bis 1070 fps) in die Verbrennungszone 1 injiziert.
Brennstoff wird über eine Leitung 6, die in Strömungsverbindung mit einer Quelle solch eines Brennstoffs steht, dem Brenner 2 zugeführt. Der Brennstoff wird als ein Strom 7 oder als mehrere Ströme 7 über eine entsprechende Anzahl von Düsen 8 in die Verbrennungszone 1 injiziert. Das Oxidationsmittel wird mit solch einer Geschwindigkeit in die Verbrennungszone 1 injiziert, daß das Verhältnis der Geschwindigkeit des Oxidationsmittelstromes zu der Geschwindigkeit des Brennstoffstromes an deren betreffenden Injektionsstellen 20 nicht übersteigt, vorzugsweise kleiner als 10 ist, und am stärksten bevorzugt im Bereich von 1 bis 5 liegt.
Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden in Abstand in die Verbrennungszone injiziert, so daß sie nicht miteinander in Kontakt treten, bis sowohl die Brennstoff- als auch die Oxidationsmittelströme eine Strecke von der Brennerstirnfläche 9 in die Verbrennungszone 1 überquert haben. Der Abstand zwischen den Brennstoff- und den Oxidationsmittel-Injektionsstellen kann jeglicher wirkungsvolle Abstand sein, und er liegt vorzugsweise im Bereich des 4fachen bis 20fachen des Durchmessers des Oxidationsmittelstromes, wobei der besagte Durchmesser an der Stelle gemessen wird, an der der Oxidationsmittelstrom in die Verbrennungszone injiziert wird.
Ofengase innerhalb der Verbrennungszone 1 werden in den Oxidationsmittelstrom 4 gesaugt, wenn dieser die Verbrennungszone 1 durchquert. Die Ofengase innerhalb der Verbrennungszone können jeglicher Natur sein, und es handelt sich in erster Linie um Verbrennungsgase wie z.B. Kohlendioxid, Wasserdampf und andere Verbrennungsprodukte. Wie bereits erwähnt werden die Ofengase in den Oxidationsmittelstrom 4 gesaugt, wenn dieser ausgehend von der Brennerstirnfläche 9 die Verbrennungszone 1 durchquert. Anschließend tritt der angesaugte Oxidationsmittelstrom z.B. an einer Stelle 10 in Kontakt mit dem Brennstoffstrom 7 und mischt sich mit diesem. Durch das Mischen des angesaugten Oxidationsmittelstromes 4 mit dem Brennstoffstrom 7 bildet sich ein brennbares Gemisch, das unter Freigabe von Wärme an die Verbrennungszone verbrennt. Die Verbrennung erzeugt auch Verbrennungsgase, die bei dem zuvor erwähnten Ansaugen benutzt werden.
Es ist ein wichtiger Aspekt dieser Erfindung, daß der Brennstoffstrom im wesentlichen frei von einem Kontakt mit Sauerstoff gehalten wird, bevor sich der Brennstoffstrom wie zuvor erwähnt mit dem angesaugten Oxidationsmittel mischt. Demgemäß wird bei der Erfindung kein stabilisierender Sauerstoffstrom, wie z.B. ein Ringstrom um den Brennstoffstrom, eingesetzt. Auf diese Weise findet keine Verbrennung von Brennstoff mit Oxidationsmittel statt, solange das Oxidationsmittel keine Verbrennungsgase angesaugt hat. Dies hilft, die NOx- Bildung gegenüber jener zu verringern, die sonst auftreten wurde. Trotz des Fehlens von stabilisierendem Sauerstoff, läuft die Verbrennungsreaktion aufgrund des festgelegten Vorheizens der Verbrennungszone und aufgrund des festgelegten relativ niedrigen Verhältnisses der Geschwindigkeit des Oxidationsmittelstromes zu der Geschwindigkeit des Brennstoffstromes, wenn diese die Verbrennungszone in Richtung auf deren Mischung durchlaufen, ohne Instabilität ab.
Die folgenden Beispiel und Vergleichsbeispiele dienen dazu, die Erfindung weiter zu veranschaulichen, oder sie dienen dazu, die Vorteile der Erfindung gegenüber der bekannten Technik zu demonstrieren. Die Beispiele sollen nicht begrenzen.

Beispiel 1

Das Verbrennungsverfahren gemäß dieser Erfindung wurde mit einem Verbrennungssystem ausgeführt, das dem in der Zeichnung veranschaulichten ähnlich war. Die Verbrennungszone wurde auf eine Temperatur von 1482 ºC (2700 ºF) vorgeheizt. Der Brennstoff war Erdgas, und er wurde als ein einzelner Strom mit einer Geschwindigkeit von etwa 12 m/s (40 fps) in die Verbrennungszone injiziert. Das Oxidationsmittel hatte eine Sauerstoffkonzentration von 50 %, wobei der Rest im wesentlichen Stickstoff war. Das Oxidationsmittel wurde in acht, in gleichmäßigem Abstand um den Brennstoffstrom angeordneten Strömen in die Verbrennungszone injiziert, wobei jeder Strom in einem Abstand entlang der Brennerstirnfläche von 7,2 Durchmessern des Oxidationsmittelstromes von dem Brennstoffstrom angeordnet war. Die Oxidationsmittelströme wurden mit einer Geschwindigkeit von 220 m/s (720 fps) in die Verbrennungszone injiziert; somit betrug das Verhältnis der Geschwindigkeit des Oxidationsmittelstromes zu der Geschwindigkeit des Brennstoffstromes etwa 18.
Der Brennstoff und das Oxidationsmittel wurden mit solchen Durchflußmengen in die Verbrennungszone injiziert, daß ein überschuß von etwa 2 % Sauerstoff gegenüber der für die Verbrennung erforderlichen stöchiometrischen Menge verfügbar war. Die ausströmenden Verbrennungsgase wurden auf NOx analysiert, und es wurde eine NOx-Bildung von 0,052 kg/10&sup6; kJ (0,12 lb/10&sup6; BTU) festgestellt.
Der Versuch wurde wiederholt, jedoch wurden etwa 5 % des Oxidationsmittels als ein Ringstrom benachbart dem Brennstoffstrom in die Verbrennungszone injiziert. Somit wurde nicht dafür gesorgt, daß der Brennstoff keinen Kontakt mit dem Sauerstoff hatte, bis er sich stromab mit dem Hauptoxidationsmittel mischte. Es wurde eine NOx-Bildung von 0,090 kg/10&sup6; kJ (0,21 lb/10&sup6; BTU) festgestellt.
Unter den Bedingungen, von denen in diesem Beispiel 1 berichtet wurde, ermöglichte das Verfahren dieser Erfindung eine 43 %ige Senkung der NOx-Bildung gegenüber der, die ohne Einsatz des Verfahrens der Erfindung erreicht wurde.

Beispiel 2

Die in Beispiel 1 beschriebenen Prozeduren wurden wiederholt, jedoch waren die Brennstoff- und Oxidationsmitteldurchflußmengen so, daß ein überschuß von etwa 6 % Sauerstoff gegenüber der stöchiometrisch erforderlichen Sauerstoffmenge verfügbar war. Die NOx-Bildung betrug für das Verfahren gemäß der Erfindung 0,14 kg/10&sup6; kJ (0,33 lb/10&sup6; BTU), und sie betrug 0,17 kg/10&sup6; kJ (0,40 lb/10&sup6; BTU) für die Verbrennung, bei der 5 % des Sauerstoffs als ein Ringstrom um den Brennstoffstrom eingesetzt wurden. Unter den Bedingungen, von denen in diesem Beispiel 2 berichtet wurde, ermöglichte das Verfahren dieser Erfindung eine 17,5 %ige Senkung der NOx-Bildung gegenüber der, die ohne Einsatz des Verfahrens der Erfindung erreicht wurde..

Beispiel 3

Die in Beispiel 1 beschriebenen Prozeduren wurden wiederholt, jedoch wurde die Verbrennungszone auf 1504 ºC (2740 ºF) vorgeheizt, und das Oxidationsmittel hatte eine Sauerstoffkonzentration von 90 %, wobei der Rest jeweils zur Hälfte Stickstoff und Argon war. Die NOx-Bildung betrug für das Verfahren gemäß der Erfindung 0,030 kg/10&sup6; kJ (0,07 lb/10&sup6; BTU), und sie betrug 0,047 kg/10&sup6; kJ (0,11 lb/10&sup6; BTU) für die Verbrennung, bei der 5 % des Sauerstoffs als ein Ringstrom um den Brennstoffstrom eingesetzt wurden. Unter den Bedingungen, von denen in diesem Beispiel 3 berichtet wurde, ermöglichte das Verfahren dieser Erfindung eine 36 %ige Senkung der NOx-Bildung gegenüber der, die ohne Einsatz des Verfahrens der Erfindung erreicht wurde.

Beispiel 4

Die in Beispiel 3 beschriebenen Prozeduren wurden wiederholt, jedoch waren die Brennstoff- und Oxidationsmitteldurchflußmengen so, daß ein Überschuß von etwa 6 % Sauerstoff gegenüber der stöchiometrisch erforderlichen Sauerstoffmenge verfügbar war. Die NOx- Bildung betrug für das Verfahren gemäß der Erfindung 0,047 kg/10&sup6; kJ (0,11 lb/10&sup6; BTU), und sie betrug 0,069 kg/10&sup6; kJ (0,16 lb/10&sup6; BTU) für die Verbrennung, bei der 5 % des Sauerstoffs als ein Ringstrom um den Brennstoffstrom eingesetzt wurden. Unter den Bedingungen, von denen in diesem Beispiel 4 berichtet wurde, ermöglichte das Verfahren dieser Erfindung eine 31 %ige Senkung der NOx-Bildung gegenüber der, die ohne Einsatz des Verfahrens der Erfindung erreicht wurde..

Beispiel 5

Die in Beispiel 3 beschriebenen Prozeduren wurden wiederholt, jedoch wurde die Verbrennungszone auf 1510 ºC (2750 ºF) vorgeheizt. Die Geschwindigkeit des Oxidationsmittels betrug 152 m/s (500 fps), und die Geschwindigkeit des Brennstoffs betrug 30,5 m/s (100 fps); somit betrug das Verhältnis der Geschwindigkeit des Oxidationsmittels zu der Geschwindigkeit des Brennstoffs 5,0. Es wurde kein Oxidationsmittel-Ringstrom eingesetzt. Die NOx- Bildung betrug 0,013 kg/10&sup6; kJ (0,03 lb/10&sup6; BTU). Die oben beschriebene Prozedur wurde wiederholt, jedoch betrug die Geschwindigkeit des Brennstoffs 8,5 m/s (28 fps); somit betrug das Verhältnis der Geschwindigkeit des Oxidationsmittels zu der Geschwindigkeit des Brennstoffs 17,85. Die NOx-Bildung betrug 0,030 kg/10&sup6; kJ (0,07 lb/10&sup6; BTU). Unter den Bedingungen, von denen in diesem Beispiel 5 berichtet wurde, ermöglichte das am stärksten bevorzugte Verfahren dieser Erfindung eine 73 %ige Senkung der NOx-Bildung gegenüber dem Wert von 0,047 kg/10&sup6; kJ (0,11 lb/10&sup6; BTU), der erreicht wurde, wenn das Verfahren der Erfindung nicht eingesetzt wurde, wie beschrieben bei Beispiel 3, und ferner ermöglichte das weniger bevorzugte Verfahren gemäß dieser Erfindung eine 36 %ige Senkung der NOx- Bildung gegenüber jenem Verfahren.
Nun können durch den Gebrauch des Verfahrens gemäß dieser Erfindung Verbrennungen mit einer hohen Sauerstoffkonzentration ausgeführt werden, wobei die NOx-Bildung noch weiter unter die geringe NOx-Bildung gesenkt wird, die mit dem bisher verfügbaren Verfahren möglich ist.

Claims

1. Verfahren für eine stabilisierte Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittel zur Erzielung einer verminderten Bildung von Stickstoffoxiden, bei dem:

(A) in eine Verbrennungszone (1) ein Strom (4) aus Oxidationsmittel eingeblasen wird;

(B) in die Verbrennungszone (1) in Abstand von dem Oxidationsmittelstrom (4) ein Brennstoffstrom (7) eingeblasen wird;

(C) Verbrennungsgase in den Oxidationsmittelstrom (4)gesaugt werden und danach der angesaugte Oxidationsmittelstrom und der Brennstoffstrom (7) miteinander vermischt werden, um ein brennbares Gemisch zu bilden; und

(D) das brennbare Gemisch verbrannt wird, um Verbrennungsgase für das Ansaugen des Verfahrensschrittes (C) zu erzeugen;

dadurch gekennzeichnet, daß

- vor den Verfahrensschritten (A) und (B) die Verbrennungszone (1) auf eine Temperatur von mindestens 815 ºC (1500 ºF) vorgeheizt wird;

- im Verfahrensschritt (A) der Oxidationsmittelstrom (4) in die erhitzte Verbrennungszone (1) mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 61 bis 326 m/s (200 bis 1070 ft/s) eingeblasen wird;

- im Verfahrens schritt (B) der Brennstoffstrom (7) mit einer solchen Geschwindigkeit eingeblasen wird, daß das Verhältnis der Geschwindigkeit des Oxidationsmittelstromes zu der Geschwindigkeit des Brennstoffstromes 20 nicht übersteigt; und

- der Brennstoffstrom (7) vor dem Vermischen mit dem angesaugten Oxidationsmittel gemäß dem Verfahrensschritt (C) im wesentlichen frei von einem Kontakt mit Oxidationsmittel gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verbrennungszone (1) auf eine Temperatur von mindestens 927 ºC (1700ºF) erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Oxidationsmittel Luft ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Oxidationsmittel mit Sauerstoff angereicherte Luft ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Oxidationsmittel technisch reiner Sauerstoff ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Oxidationsmittel mindestens 3 % Stickstoff enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Oxidationsmittelgeschwindigkeit im Bereich von 152 bis 326 m/s (500 bis 1070 Fuß/sec) liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Brennstoff Erdgas ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verhältnis der Geschwindigkeit des Oxidationsmittelstromes zu der Geschwindigkeit des Brennstoffstromes kleiner als 10 ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verhältnis der Geschwindigkeit des Oxidationsmittelstromes zu der Geschwindigkeit des Brennstoffstromes im Bereich von 1 bis 5 liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Brennstoff- und Oxidationsmittelströme (7, 4) an ihren Einblasstellen in die Verbrennungszone (1) einen gegenseitigen Abstand im Bereich vom vier- bis zum zwanzigfachen des Durchmessers des Oxidationsmittelstroms an der Einblasstelle haben.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in die Verbrennungszone (1) zwei oder mehr Oxidationsmittelströme (4) eingeblasen werden.