DE69117930T2

DE69117930T2 - Verbrennung mit getrennten Zonen

Info

Publication number: DE69117930T2
Application number: DE69117930T
Authority: DE
Inventors: Hisashi Kobayashi
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1991-04-12
Filing date: 1991-12-07
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2011-12-08
Also published as: US5076779A; PT99718B; DE69117930D1; JPH0526410A; KR970001466B1; CA2057221A1; EP0507995A3; EP0507995A2; CA2057221C; KR920020123A; PT99718A; MX9102437A; JP2704919B2; EP0507995B1

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Verbrennungsvorgänge, und insbesondere bezieht sie sich auf Verbrennungsvorgänge in einem Ofen.

Stand der Technik

Die grundlegenden Mechanismen der Stickoxid (NOx)-Bildung bei Verbrennungsprozessen wurden intensiv untersucht, und es sind viele Verfahren zur Reduktion der NOx -Emissionen aus Verbrennungsquellen bekannt. Zur Verringerung des "thermischen NOx", oder des von den Reaktionen von molekularem Stickstoff und Oxidationsmitteln gebildeten NOx, wird die Verringerung der Spitzenflammentemperatur als Haupterfordernis betrachtet. Aus theoretischer Sicht kann die geringste NOx -Emission erhalten werden, wenn die Verbrennungsreaktionen homogen über den Ofen bei der niedrigsten, für den Verbrennungsprozeß zulässigen Temperatur stattfinden. In der herkömmlichen Praxis werden Brennstoff und Oxidationsmittel von einem Brenner in einen Ofen eingebracht, um eine stabile Flamme zu erzeugen, in welcher Verbrennungsreaktionen stattfinden. Wenn Brennstoff und Oxidationsmittel nachgemischt werden, finden Verbrennungsreaktionen an den Grenzen der kleinen Brennstoff- und Sauerstoff- Fluidfragmente statt, die von Turbulenzen erzeugt werden. Die lokale Temperatur an der Flammenfront erreicht oft die theoretische Flammentemperatur, und folglich wird ein hoher NOx-Anteil erzeugt.
Eine effektive Möglichkeit zum Herabdrücken der Flammentemperatur besteht darin, die Brennstoff- und/oder Sauerstoffkonzentrationen an der Flammenfront mittels Verdünnung mit anderen nicht reagierenden Gasen zu verringern. Die Umwälzung von Rauchgas mittels Mischen mit Brennstoff oder Oxidationsmittel vor dem Einbringen der Brennstoff- oder Oxidationsmittelströme in einen Brenner stellt eine effektive Möglichkeit zur Verringerung von NOx dar. Die im Ofen erfolgende Verdünnung von Brennstoff oder Sauerstoff durch die Brennerauslegung wird ebenfalls praktiziert. Viele bekannte Verfahren zur Verringerung von NOx verwenden Verbesserungen des Verfahrens des Mischens von Brennstoff und Oxidationsmittel an oder nahe dem Brenner, um die Spitzenflammentemperatur zu verringern. Aus EP-A-0 399 462 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem Oxidationsmittelströme mit einem hohen Impuls in einen Ofen injiziert werden, so daß Ofengase und Brennstoff in den Oxidationsmittelströmen aufgrund des Strahlansaugungseffekts mitgerissen werden.
Die mittels solcher bekannter Verfahren erreichten NOx-Emissionswerte liegen immer noch wesentlich über den niedrigsten möglichen Werten, die für den idealen homogenen Reaktor vorhergesagt werden, in welchem die Temperatur und die Stoffkonzentrationen über den Ofen gleichförmig sind und Verbrennungsreaktionen gleichförmig stattfinden.
Es besteht der Wunsch nach einem Verbrennungsverfahren, welches eine niedrige NOx-Erzeugung ermöglichen kann, die dichter an der niedrigen Idealrate liegt, als dies bei bekannten Verbrennungsverfahren der Fall ist.
Folglich ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verbrennungsverfahren zu schaffen, mit welchem eine Verbrennung mit geringer NOx-Erzeugung ausgeführt werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obige und weitere Aufgaben, welche sich dem Fachmann aus dieser Beschreibung ergeben, werden gelöst mittels eines Verfahren zum Durchführen einer Verbrennung mit niedriger NOx Erzeugung, das die folgenden Schritte umfaßt, die im wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden:
(A) Vorsehen einer Verbrennungszone, die eine Atmosphäre aus Ofengasen bei einer Temperatur von über 538ºC (1000ºF) enthält;
(B) Einbringen eines Oxidationsmittelstromes in die Verbrennungszone und Mischen von Ofengasen mit dem eingebrachten Oxidationsmittel in einer innerhalb der Verbrennungszone befindlichen Oxidationsmittelmischzone zum Erzeugen eines Oxidationsmittelgemischs mit einer Sauerstoffkonzentration von nicht mehr als 10 Prozent;
(C) Herausströmen des Oxidationsmittelgemischs aus der Oxidationsmittelmischzone zum Bereitstellen von zusätzlichen Ofengasen für die Verbrennungszone;
(D) Einbringen eines Brennstoffstroms in die Verbrennungszone, Mischen von Ofengasen mit dem eingebrachten Brennstoff in einer innerhalb der Verbrennungszone befindlichen Brennstoffreaktionszone und Durchführen einer Verbrennung mit niedriger NOx-Erzeugung innerhalb der Brennstoffreaktionszone zur Erzeugung eines Brennstoffreaktionsgemischs;
(E) Herausströmen des Brennstoffreaktionsgemischs aus der Brennstoffreaktionszone zum Bereitstellen von zusätzlichen Ofengasen für die Verbrennungszone;
(F) Ausreichendes Mischen innerhalb der Verbrennungszone, so daß die Zusammensetzung der Atmosphäre an Stellen innerhalb der Verbrennungszone, die außerhalb der Oxidationsmittelmischzone und der Brennstoffreaktionszone liegen, im wesentlichen die gleiche ist; und
(G) Getrennthalten der Oxidationsmittelmischzone und der Brennstoffreaktionszone innerhalb der Verbrennungszone.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1 bis 8 sind vereinfachte schematische Darstellungen von verschiedenen Konfigurationen, welche in der Praxis der Erfindung verwendet werden können.
Fig. 9 ist eine grafische Darstellung der Ergebnisse einer Anzahl von Tests gemäß der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Die Erfindung umfaßt die Schaffung von mindestens einer Oxidationsmittelmischzone und mindestens einer Brennstoffreaktionszone innerhalb eines Ofens oder einer Verbrennungszone, wobei die Oxidationsmittelmischzone oder -zonen von der Brennstoffreaktionszone oder -zonen getrennt oder abgeteilt gehalten wird (werden), während die Verbrennung ausgeführt wird. Die Erfindung umfaßt ferner die Verdünnung von Oxidationsmittel mit Ofengasen und die Verbrennung von Brennstoff unter Bedingungen, welche hohe Brennstoff- und Oxidationsmittelkonzentrationen vermeiden, wodurch die Bedingungen vermieden werden, welche die NOx-Bildung begünstigen. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden so in die Verbrennungszone eingebracht, daß sie ein hinreichendes Mischen innerhalb der Verbrennungszone erzeugen, so daß sich eine im wesentlichen gleichförmige Verbrennungszonenatmosphäre außerhalb der Oxidationsmittelmisch- und Brennstoffreaktionszonen ergibt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Brennstoff und Oxidationsmittel mit einer solchen Orientierung in den Ofen oder die Verbrennungszone injiziert, daß ein starker Umwälzstrom innerhalb des Ofens oder der Verbrennungszone erzeugt wird.
Die Erfindung wird im Detail unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 enthält eine Verbrennungszone 1 eine Atmosphäre 6 an Ofengasen. Typische Beispiele für Verbrennungszonen, in welchen das Verfahren gemäß dieser Erfindung effektiv ausgeführt werden kann, sind Wiedererwärmungs- oder Anlaßöfen für Stahl, Glasschmelzöfen, Aluminiumumschmelzöfen, Verbrennungsöfen und andere industrielle Öfen, welche mit Ofentemperaturen oberhalb von 538ºC (1000ºF) betrieben werden. Die Ofengase, welche die Atmosphäre innerhalb der Verbrennungszone enthält, weisen Umgebungsgase, welche in die Verbrennungszone eindringen, und Gase von dem Oxidationsmittelgemisch und von dem Brennstoffreaktionsgemisch auf, was später detaillierter beschrieben wird. Einzelstoffe, die als Ofengase innerhalb der Verbrennungszone anwesend sein können, sind Sauerstoffs Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, Argon und andere unbedeutendere Stoffe, wie beispielsweise Stickoxide, Schwefeloxide, Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
Die Temperatur der Atmosphäre innerhalb der Verbrennungszone übersteigt 538ºC (1000ºF), und bevorzugt übersteigt sie 760ºC (1400ºF). Die optimale Minimaltemperatur variiert beispielsweise mit der Art des verwendeten Brennstoffs. Die Temperatur wird mittels der Verbrennung innerhalb der Brennstoffreaktionszone und mittels der Umwälzung von Gasen innerhalb der Verbrennungszone aufrecht erhalten. Dadurch, daß die Temperatur der Ofengase innerhalb der Verbrennungszone über 538ºC (1000ºF) gehalten wird, ist eine separate Zündquelle nicht nötig, wenn die Verbrennung einmal erst gestartet wurde. Auf diese Weise kann selbst das verdünnte Gemisch in der Brennstoffreaktionszone sanft und homogen verbrannt werden, was zu der niedrigen NOx-Erzeugung beiträgt, die von der Erfindung erzielt wird.
Ein Oxidationsmittel 2 wird in die Verbrennungszone injiziert. Das Oxidationsmittel kann jegliches effektive Oxidationsmittel, einschließlich Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft mit einer Sauerstoffkonzentration größer als derjenigen von Luft oder technisch reiner Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von 99,5% oder mehr sein. Das bevorzugte Oxidationsmittel weist eine Sauerstoffkonzentration von mindestens 90% auf. Das Oxidationsmittel wird in die Verbrennungszone mit einer Geschwindigkeit injiziert, die hinreichend ist, um Ofengase mit dem injizierten Oxidationsmittel mitzureißen oder mit diesem zu mischen. Allgemein liegt die Geschwindigkeit des Oxidationsmittels bei mindestens 61 m/s (200 Fuß/s (fps)), und vorzugsweise liegt sie im Bereich von 76 m/s bis 305 m/s (250 bis 1000 fps). Die Geschwindigkeit des Oxidationsmittels ist so gewählt, daß sich Ofengase hinreichend mit dem injizierten Oxidationsmittel mischen, um die Sauerstoffkonzentration des Oxidationsmittels zu verdünnen, so daß ein Oxidationsmittelgemisch erzeugt wird, welches eine Sauerstoffkonzentration von nicht mehr als 10% und vorzugsweise von nicht mehr als 5% aufweist. Falls beispielsweise Luft das Oxidationsmittel ist, beträgt die ursprüngliche Sauerstoffkonzentration des Oxidationsmittels etwa 21%. Falls die durchschnittliche Sauerstoffkonzentration des in dem Oxidationsmittelstrom mitgerissenen Ofengases 2% beträgt und 20 mol des Ofengases pro mol Oxidationsmittel gemischt werden, beträgt die Sauerstoffkonzentration nach dem Mischen etwa 2,9%. Wenn reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft als das Oxidationsmittel verwendet werden, ist ein stärkeres Mitreißen des Ofengases erforderlich, um die Sauerstoffkonzentration auf den gleichen Wert zu verringern. Es findet keine Verbrennungsreaktion statt, da die Ofenatmosphäre, die in den Oxidationsmittelstrahl mitgerissen wird, im wesentlich frei von Brennstoff ist.
Aufgrund der Turbulenz oder dem von der hohen Geschwindigkeit des Oxidationsmittelstroms bewirkten Ansaugungseffekts mischen sich die Ofengase mit dem Oxidationsmittel oder werden in das Oxidationsmittel mitgerissen. Das Mischen der Ofengase mit dem injizierten Oxidationsmittel findet innerhalb einer in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 4 bezeichneten Oxidationsmittelmischzone statt. Die zu der Oxidationsmittelmischzone 4 hin zeigenden Pfeile stellen die Ofengase dar, die in die Oxidationsmittelmischzone 4 hineingezogen werden, um sich dort mit dem Oxidationsmittel zu vermischen. Das sich ergebende Oxidationsmittelgemisch, welches eine wesentlich geringere Konzentration an Sauerstoff enthält, als sie ursprünglich in dem injizierten Oxidationsmittel vorhanden war, strömt von der Oxidationsmittelmischzone 4 heraus und dient dazu, einen Teil der Atmosphäre innerhalb der Verbrennungszone 1 zu bilden. Das heißt, das Oxidationsmittelgemisch führt der Verbrennungszone zusätzliche Ofengase zu.
Brennstoff 3 wird in die Verbrennungszone injiziert. Der Brennstoff kann in gasförmiger, flüssiger Form oder als fluidgetragene feine Feststoffe vorliegen, oder er kann jedes Fluid sein, welches mit dem Oxidationsmittel verbrennt. Vorzugsweise ist der Brennstoff gasförmig. Unter den vielen Brennstoffen, welche in der Praxis der Erfindung verwendet werden können, kann man Methan, Propan, Koksofengas, Brennstofföl und pulverisierte Kohle nennen.
Ofengase aus der Atmosphäre innerhalb der Verbrennungszone strömen, wie mit den Pfeilen in Fig. 1 gezeigt, in den Brennstoffstrom und vermischen sich aufgrund der von der Injektion des Brennstoffstroms erzeugten Turbulenz mit dem Brennstoffstrom, welcher in die Verbrennungszone injiziert wird, und der Sauerstoff in den Ofengasen verbrennt mit dem Brennstoff in der Brennstoffreaktionszone 5.
Der Brennstoff reagiert spontan mit in den Ofengasen enthaltenen Sauerstoffmolekülen, wenn die Temperatur des Ofengases oberhalb der Selbstzündungstemperatur von Brennstoff und Sauerstoff liegt. Da die Sauerstoffkonzentration in dem Ofengas sehr niedrig ist, schreiten die Verbrennungsreaktionen langsam voran, und die Flammentemperatur wird durch die Anwesenheit der großen Anzahl von nicht reagierenden Molekülen (CO&sub2;, H&sub2;O, N&sub2;) in der Brennstoffreaktionszone niedrig gehalten. Falls der Brennstoff beispielsweise Methan ist und die durchschnittliche Konzentration von Sauerstoff in dem in die Brennstoffreaktionszone mitgerissenen Ofengas 3% beträgt, werden 67 Volumenteile Ofengas pro Volumenteil Brennstoff benötigt, um die Verbrennungsreaktionen zu vervollständigen. Wie erwähnt, ist es bevorzugt, daß die Temperatur innerhalb der Verbrennungszone 760ºC (1400ºF) übersteigt. Bei Temperaturen unterhalb von 760ºC (1400ºF) ist es möglich, daß gewisse Flammeninstabilitäten auftreten. In solch einer Situation kann die Injektion einer kleinen Menge Oxidationsmittel als stabilisierendes Oxidationsmittel, wie beispielsweise als ein ringförmiger Oxidationsmittelstrom um den Brennstoffstrom herum, in die Verbrennungszone nahe des Brennstoffstroms wünschenswert sein, um jede sich möglicherweise ergebende Flammeninstabilität zu bekämpfen.
Die Verbrennung von Brennstoff und Sauerstoff unter den in der Brennstoffreaktionszone herrschenden Bedingungen erzeugt Verbrennungsreaktionsprodukte, wie beispielsweise Kohlendioxid und Wasserdampf, erzeugt jedoch sehr wenig Stickoxide. Die tatsächliche Menge an erzeugten Stickoxiden verändert sich mit jeder speziellen Situation und hängt von Faktoren wie der Ofengastemperatur und der Reaktionszeit ab.
Das sich ergebende Brennstoffreaktionsgemisch einschließlich der Verbrennungsreaktionsprodukte strömt aus dem Brennstoffreaktionsgemisch heraus, wie es durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist, und dient dazu, einen Teil der Atmosphäre innerhalb der Verbrennungszone zu bilden, was für die Zufuhr zusätzlicher Ofengase zu der Verbrennungszone führt. Innerhalb der Brennstoffreaktionszone unterliegt der Brennstoff einer im wesentlichen vollständigen Verbrennung, so daß sich keine wesentliche Menge an unverbranntem oder unvollständig verbranntem Brennstoff in der Verbrennungszone außerhalb der Brennstoffreaktionszone befindet.
Es ist in der Praxis dieser Erfindung wichtig, daß die Oxidationsmittelmischzone und die Brennstoffreaktionszone voneinander getrennt oder abgeteilt innerhalb der Verbrennungszone gehalten werden. Auf diese Weise wird die Verbrennung hauptsächlich auf die Brennstoffreaktionszone beschränkt und unter Bedingungen gehalten, welche die NOx-Erzeugung dämpfen. Obwohl die verschiedenen Schritte des Verfahrens zwecks Klarheit in ihrer Abfolge aufeinander beschrieben wurden, versteht es sich für den Fachmann, daß die Schritte des Verfahrens im wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden.
Die Oxidationsmittelmischzone und die Brennstoffreaktionszone können mittels der Anordnung der Injektionspunkte und der Orientierung der Injektionsrichtungen des Brennstoffs und des Oxidationsmittels getrennt gehalten werden, um eine Integration oder einen Überlapp vor der erforderlichen Verdünnung innerhalb der Oxidationsmittelmischzone oder vor der erforderlichen im wesentlichen vollständigen Verbrennung innerhalb der Brennstoffreaktionszone zu vermeiden. Die Fig. 2 bis 8 veranschaulichen eine Vielzahl verschiedener Injektionsstellen und Injektionswinkel zusätzlich zu denjenigen, die in Fig. 1 veranschaulicht sind. In den Figuren 2 bis 8 bezeichnet O eine Oxidationsmittelmischzone und F bezeichnet eine Brennstoffreaktionszone.
Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden in die Verbrennungszone so injiziert, daß ein hinreichendes Mischen innerhalb der Verbrennungszone erzielt wird, so daß die Verbrennungszonenatmosphäre außerhalb der Oxidationsmittelmischzone und der Brennstoffreaktionszone im wesentlichen homogen ist. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel in solch einer Weise in die Verbrennungszone eingebracht, daß sie ein Umwälzmuster der Ofengase innerhalb der Verbrennungszone fördern. Dies trägt zu einer verbesserten Temperaturverteilung und Gashomogenität innerhalb der Verbrennungszone bei und verbessert das Mischen innerhalb der Oxidationsmittelmischzone und der Brennstoffreaktionszone, was zu einer sanfteren Verbrennung und zu einer Verzögerung der NOx-Bildung führt. Bei optimaler Ofengasumwälzung innerhalb der Verbrennungszone ist die Zusammensetzung des aus der Verbrennungszone beispielsweise durch einen Abzug 7 in Fig. 1 entnommene Rauchgas im wesentlichen dieselbe wie die Zusammensetzung der Atmosphäre an Stellen innerhalb der Verbrennungszone außerhalb der Oxidationsmittelmischzone und der Brennstoffreaktionszone. Das Umwälzmuster fördert das Mitreißen der Ofengase stromab der Brennstoffreaktionszone in den Oxidationsmittelstrom sowie das Mitreißen der Ofengase stromab der Oxidationsmittelmischzone in den Brennstoffstrom.
Wie bereits erwähnt, veranschaulichen die Fig. 2 bis 8 Beispiele von anderen Ausführungsformen der Erfindung. Die Fig. 2 bis 5 zeigen
Fälle mit alternierenden, mehrfachen Brennstoff- und Oxidationsmittelströmen. Die Fig. 6 und 7 zeigen Beispiele, bei welchen Oxidationsmittel- und Brennstoffinjektionsstellen nahe beieinander angeordnet sind und wo von der gleichen Ofenwand aus injiziert wird. In solchen Fällen ist es besonders wichtig, sowohl Oxidationsmittel- als auch Brennstoffströme bei hohen Geschwindigkeiten weg voneinander zu injizieren, so daß sich die Oxidationsmittelmischzone und die Brennstoffreaktionszone nicht überlappen. Da der Hauptstrahl mit einem hohem Impulsfluß dazu neigt, den schwächeren Strahl mit einem wesentlich geringeren Impulsfluß zu überwältigen und mitzureißen, muß das Verhältnis der Brennstoff- und Oxidationsmittelimpulsflüsse im Bereich von 1/5 bis 5 gehalten werden, wenn sie nahe beieinander injiziert werden. Fig. 8 zeigt ein Beispiel, bei welchem sowohl Oxidationsmittel als auch Brennstoff von der gleichen Wand aus mit hinreichendem Abstand zwischen jeweils zwei Strahlen injiziert werden.
Die folgenden Beispiele werden zur Veranschaulichung präsentiert und sollen nicht begrenzend wirken.
Eine Reihe von Verbrennungstests des Verfahrens gemäß dieser Erfindung wurde in einem feuerfest ausgekleideten, zylindrischen Testofen mit einem Innendurchmesser von 3 Fuß und einer Länge von 7 Fuß 8 Inches ausgeführt.
Die Tests wurden unter Verwendung von Erdgas als Brennstoff und technisch reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel bei einer konstanten Befeuerungsrate von etwa 19,6 m³/h (700 SCFH) Erdgas und bei einer konstanten Ofenwandtemperatur von 1266ºC (2300ºF), mittels eines Thermoelements an dem Mittelpunkt der zylindrischen Wand gemessen, durchgeführt. Zwei bis vier wassergekühlte Wärmesenkenröhren mit einem Außendurchmesser von 4,8 cm (1,9 inch) wurden durch Zugangslöcher eingeführt, um den Effekt einer Beschickung, wie beispielsweise mit Glas oder Stahl, zu simulieren, welche normalerweise in dem Ofen vorhanden wäre. Etwa 4,2 bis 140 m³/h (150 bis 5000 SCFH) Stickstoff wurden durch drei mittlere Sichtöffnungen in den Ofen eingebracht, um einen realen Ofen mit verschiedenen Stickstoffkonzentrationen zu simulieren. Die Sauerstoffkonzentration in dem Rauchgas wurde kontinuierlich mittels eines in-situ-Sensors überwacht, der an der Abzugsöffnung angebracht war, und sie wurde bei 2 bis 2,5% auf einer feuchten Basis mittels Einstellen der Durchflußrate von Sauerstoff oder Erdgas eingestellt. NOx wurde mittels eines Chemolumineszenz-Analysators gemessen, der bezüglich der Auswirkungen der Hintergrundgase (N&sub2; und CO&sub2;) ordnungsgemäß kalibriert war.
Zu Vergleichszwecken wurde zuerst eine Verbrennung unter Verwendung des kommerziell sehr erfolgreichen Niedrig- NOx-Verbrennungsverfahrens ausgeführt, wie es in US-A-4 378 205 offenbart ist, und diese Ergebnisse sind in Fig. 9 als A und B dargestellt.
Die Ergebnisse aus den Beispielen der vorliegenden Erfindung sind in Fig. 9 mit C, D, E, F, G und H bezeichnet. Die Oxidationsmittelgeschwindigkeit bei den zwei Versuchen von Beispiel C betrug 251 m/s (823 fps) bzw. 258 m/s (846 fps). Die Oxidationsmittelgeschwindigkeit in den Beispielen D bis H waren wie folgt: D: 232 m/s (760 fps), E: 321 m/s (1054 fps), F: 631 m/s (2070 fps), G: 631 m/s (2070 fps) und H: 746 m/s (2449 fps). In den Beispielen C, D und E wurde Brennstoff von einem Einlaß aus injiziert, und Sauerstoff wurde von zwei Sauerstofflanzen injiziert, die um 180º voneinander getrennt in der Rauchgasendwand angeordnet waren. Diese Anordnung war ähnlich zu der in Fig. 2 dargestellten. Unterschiedliche Brennstoff- und Oxidationsdüsen wurden verwendet. Die NOx-Emission wurde um etwa 50% im Vergleich zu dem optimierten Vergleichsfall B verringert. In den Beispielen F und G wurden sowohl Brennstoff als auch Sauerstoff von dem gleichen Gebiet aus eingebracht, es wurden jedoch spezielle Sauerstoffdüsen mit Divergenzwinkeln von 30º verwendet, um die Wechselwirkung von Brennstoff- und Sauerstoffstrahlen zu verhindern. Diese Anordnung war ähnlich zu der in Fig. 7 dargestellten. In Beispiel H waren die Sauerstoffdüsen die gleichen wie in Beispiel E, und Brennstoff wurde gegenüberliegend von ihnen injiziert, wobei eine spezielle Brennstoffdüse mit 16 Öffnungen mit einem Innendurchmesser von 0,81 mm (0,032 inch) verwendet wurden. Diese Anordnung war ähnlich zu der in Fig. 4 dargestellten. Die niedrigste NOx-Emission wurde mit dieser Anordnung erzielt. Es ist wichtig anzumerken, daß niedrige NOx-Emissionen in den Beispielen C, D und E ohne Verwendung der Sauerstoffstrahlen mit sehr hoher Geschwindigkeit erzielt wurden, wie sie in den Beispielen F, G und H verwendet wurden. Da höhere Sauerstoffstrahlgeschwindigkeiten hohe Sauerstoffzuführdrücke verlangen, ist es wünschenswert, niedrige NOx-Emissionen ohne Verwendung sehr hoher Sauerstoffgeschwindigkeiten zu erzielen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Bildung von NOx in Verbrennungsprozessen über das Maß hinaus zu verringern, welches mittels bekannter Verfahren erzielt wurde, und dennoch alle praktischen Anforderungen für Verbrennungen, das heißt vollständige Reaktion von Brennstoff mit Oxidationsmittel, stabile Reaktion und geringer Lärm und hohe Wärmeübertragungseffizienz, zu erfüllen. Die Erfindung erreicht dies mittels der Reaktion von Brennstoff mit Ofenatmosphäre, welche in relativ großen Räumen innerhalb des Ofens eine geringe Sauerstoffkonzentration enthält, anstelle des Mischens von unverdünntem Sauerstoff und Brennstoff bei oder nahe eines herkömmlichen Nachmischbrenners sowie des Erzeugens einer intensiven Flamme. Beispielsweise erfordert 1 mol Methan zwei mol Sauerstoff zur stöchiometrischen Verbrennung. Die große Menge an heißen inaktiven Stoffen in dem Ofengas (d. h. CO&sub2;, H&sub2;O und N&sub2;) sorgt für eine Wärmequelle zur Zündung, verringert die Reaktionsrate und sorgt für eine Wärmesenke, um die lokale Flammentemperatur niedrig zu halten.

Claims

1. Verfahren zum Durchführen einer Verbrennung mit niedriger NOx-Erzeugung, das die folgenden Schritte umfaßt, die im wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden:

(A) Vorsehen einer Verbrennungszone (1), die eine Atmosphäre (6) aus Ofengasen bei einer Temperatur von über 538ºC (1000ºF) enthält;

(B) Einbringen eines Oxidationsmittelstromes (2) in die Verbrennungszone (1) und Mischen von Ofengasen mit dem eingebrachten Oxidationsmittel in einer innerhalb der Verbrennungszone befindlichen Oxidationsmittelmischzone (4, O) zum Erzeugen eines Oxidationsmittelgemischs mit einer Sauerstoffkonzentration von nicht mehr als 10 Prozent;

(C) Herausströmen des Oxidationsmittelgemischs aus der Oxidationsmittelmischzone (4, O) zum Bereitstellen von zusätzlichen Ofengasen für die Verbrennungszone (1);

(D) Einbringen eines Brennstoffstroms (3) in die Verbrennungszone (I), Mischen von Ofengasen mit dem eingebrachten Brennstoff in einer innerhalb der Verbrennungszone befindlichen Brennstoffreaktionszone (5, F) und Durchführen einer Verbrennung mit niedriger NOx-Erzeugung innerhalb der Brennstoffreaktionszone zur Erzeugung eines Brennstoffreaktionsgemischs;

(E) Herausströmen des Brennstoffreaktionsgemischs aus der Brennstoffreaktionszone (5, F) zum Bereitstellen von zusätzlichen Ofengasen für die Verbrennungszone (1);

(F) Ausreichendes Mischen innerhalb der Verbrennungszone (1), so daß die Zusammensetzung der Atmosphäre an Stellen innerhalb der Verbrennungszone, die außerhalb der Oxidationsmittelmischzone (4, O) und der Brennstoffreaktionszone (5, F) liegen, im wesentlichen die gleiche ist; und

(G) Getrennthalten der Oxidationsmittelmischzone (4, O) und der Brennstoffreaktionszone (5, F) innerhalb der Verbrennungszone (1).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Mehrzahl von Oxidationsmittelströmen in die Verbrennungszone (1) eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Mehrzahl von Brennstoffströmen in die Verbrennungszone (1) eingebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine Mehrzahl von Oxidationsmittelmischzonen (O) innerhalb der Verbrennungszone (1) ausgebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem eine Mehrzahl von Brennstoffreaktionszonen (F) innerhalb der Verbrennungszone (1) ausgebildet wird.

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

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

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

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Brennstoff Methan aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Brennstoff und Oxidationsmittel in die Verbrennungszone (1) von unterschiedlichen Seiten der Verbrennungszone eingebracht werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Brennstoff und Oxidationsmittel in die Verbrennungszone (1) von gegenüberliegenden Seiten der Verbrennungszone eingebracht werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Brennstoff und Oxidationsmittel in die Verbrennungszone (1) in solcher Weise eingebracht werden, daß innerhalb der Verbrennungszone ein Umwälzstrom ausgebildet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur der Ofengase über 760ºC (1400ºF) liegt.

14. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das in der Oxidationsmittelmischzone (4, O) erzeugte Oxidationsmittelgemisch eine Sauerstoffkonzentration von nicht mehr als 5% aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Brennstoff innerhalb der Brennstoffreaktionszone (5, F) im wesentlichen vollständig verbrannt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die außerhalb der Brennstoffreaktionszone (5, F) befindliche Verbrennungszonenatmosphäre (6) im wesentlichen keinen Brennstoff enthält.

17. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem stabilisierendes Oxidationsmittel in die Verbrennungszone (1) in der Nähe des Brennstoffstroms (3) eingebracht wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das stabilisierende Oxidationsmittel ein Ringstrom um den Brennstoffstrom (3) herum ist.