DE69416083T3 - Verfahren für stark gestufte Verbrennung - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft allgemein Verbrennungen und sie ist insbesondere geeignet zum Ausführen einer Verbrennung mit einer verminderten Erzeugung von Stickoxiden.
  • Stand der Technik
  • Stickoxide (NOx) sind ein bedeutender Verunreinigungsstoff, der während Verbrennungen erzeugt wird, und es ist erwünscht, deren Erzeugung beim Ausführen von Verbrennungen zu vermindern. Es ist bekannt, daß eine Verbrennung mit verminderter NOx-Erzeugung durch die Verwendung von technisch reinem Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft als das Oxidationsmittel vermindert werden kann, da dies die Menge an Stickstoff senkt, die der Verbrennungsreaktion auf einer äquivalenten Sauerstoffbasis zugeführt wird. Die Verwendung eines Oxidationsmittels mit einer höheren Sauerstoffkonzentration bewirkt jedoch, daß die Verbrennungsreaktion bei einer höheren Temperatur abläuft, und diese höhere Temperatur begünstigt kinetisch die Erzeugung von NOx.
  • DE-A-41 42 401 offenbart ein Verfahren zum Ausführen einer Verbrennung bei verringerter Erzeugung von Stickoxiden bei welchem:
    erster Brennstoff und erstes Oxidationsmittel in eine Verbrennungszone in einem Verhältnis im Bereich von 10 bis 70% des stöchiometrischen Verhältnisses injiziert werden, wobei das erste Oxidationsmittel ein Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration ist, die mindestens derjenigen der Luft entspricht; zweites Oxidationsmittel in die Verbrennungszone an einer Stelle injiziert wird, die in Abstand von derjenigen Stelle liegt, an welcher der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel in die Verbrennungszone injiziert werden; erster Brennstoff und erstes Oxidationsmittel innerhalb der Verbrennungszone getrennt von dem zweiten Oxidationsmittel verbrannt werden, um Verbrennungsreaktionsprodukte zu erzeugen; und zweites Oxidationsmittel mit Verbrennungsreaktionsprodukten innerhalb der Verbrennungszone vermischt werden und anschließend zweites Oxidationsmittel mit Verbrennungsreaktionsprodukten verbrannt werden.
  • US-A-S 242 296 offenbart ein Verbrennungsverfahren mit verminderter NOx-Erzeugung, bei dem zwei unterschiedliche Oxidationsmittel eingesetzt werden, wobei das erste Oxidationsmittel Brennstoff in einem Flammenstrom unvollständig verbrennt und ein zweites Oxidati onsmittel mit einer höheren Sauerstoffkonzentration als das erste Oxidationsmittel in Abstand von dem Flammenstrom injiziert wird und die Verbrennung vervollständigt.
  • Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zum Ausführen einer Verbrennung zu schaffen, welches unter Verwendung eines Oxidationsmittels praktiziert werden kann, das eine höhere Sauerstoffkonzentration als diejenige der Luft hat, während dennoch eine verminderte Erzeugung von Stickoxiden erreicht wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obige und andere Aufgaben, die sich dem Fachmann beim Lesen dieser Offenbarung ergeben, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, bei der es sich handelt um:
    Ein Verfahren zum Ausführen einer Verbrennung bei verringerter Erzeugung von Stickoxiden, bei welchem
    • (A) erster Brennstoff und erstes Oxidationsmittel gemeinsam oder getrennt in eine Verbrennungszone in einem Verhältnis im Bereich von 5 bis 50% des stöchiometrischen Verhältnisses injiziert werden, wobei das erste Oxidationsmittel ein Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 90 Vol.% ist, wobei dann, wenn der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel gemeinsam in einem vorgemischten Zustand injiziert werden, das Gemisch in die Verbrennungszone bei einer Geschwindigkeit von mindestens 15 m/s (50 Fuß/s) injiziert werden, und wobei dann, wenn der erste Brennstoffund das erste Oxidationsmittel getrennt injiziert werden, der erste Brennstoff in die Verbrennungszone bei einer Geschwindigkeit von mindestens 15 m/s (50 Fuß/s) und das erste Oxidationsmittel in die Verbrennungszone bei einer Geschwindigkeit injiziert wird, die unter der des ersten Brennstoffs liegt;
    • (B) zweites Oxidationsmittel in die Verbrennungszone an einer Stelle injiziert wird, die in Abstand von der Stelle liegt, wo der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel in die Verbrennungszone injiziert werden;
    • (C) erster Brennstoff und erstes Oxidationsmittel innerhalb der Verbrennungszone getrennt von dem zweiten Oxidationsmittel verbrannt werden, um Verbrennungsreaktionsprodukte zu erzeugen; und
    • (D) zweites Oxidationsmittel mit Verbrennungsreaktionsprodukten innerhalb der Verbrennungszone gemischt und anschließend zweites Oxidationsmittel mit Verbrennungsreaktionsprodukten verbrannt werden.
  • Die Begriffe „Stickoxide" und „NOx" bezeichnen ein oder mehrere der folgenden Verbindungen: Distickstoffoxid (N2O), Stickoxid (NO), Stickstofftrioxid (N2O3), Distickstofftetroxid (N2O4), Stickstoffdioxid (NO2), Tristickstofftetroxid (N3O4) und Stickstofftrioxid (NO3).
  • Der Begriff „Produkte vollständiger Verbrennung", wie er hier verwendet wird, bezeichnet Kohlendioxid und/oder Wasserdampf.
  • Der Begriff „Produkte unvollständiger Verbrennung", wie er hier verwendet wird, bezeichnet einen oder mehrere der folgenden Stoffe: Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff, Kohlenstoff und teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe.
  • Der Begriff „unverbrannter Brennstoff, wie er hier verwendet wird, bezeichnet Brennstoff, der keine Verbrennung durchlaufen hat, und/oder Produkte unvollständiger Verbrennung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein vereinfachter Querschnitt einer Ausführungsform zum Ausführen des Verfahrens dieser Erfindung.
  • 2 ist ein vereinfachter Querschnitt einer anderen Ausführungsform zum Ausführen des Verfahrens dieser Erfindung.
  • 3 ist eine grafische Darstellung, die die Bedeutung des angegebenen Sauerstoff/Brennstoff-Verhältnisses des ersten Brennstoffes und Oxidationsmittels bei der Anwendung dieser Erfindung veranschaulicht.
  • 4 ist eine grafische Darstellung, welche die verbesserten Ergebnisse veranschaulicht, die mit der bevorzugten Geschwindigkeit des ersten Brennstoffes bei der Anwendung dieser Erfindung erreicht werden.
  • 5 ist eine grafische Darstellung, welche die verbesserten Ergebnisse veranschaulicht, die mit der bevorzugten Geschwindigkeit des zweiten Oxidationsmittels bei der Anwendung dieser Erfindung erreicht werden.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
  • Bezugnehmend auf die 1 und 2 bestimmt ein Ofen 1 eine Ofenzone oder Verbrennungszone 2. Der Ofen kann ein jeglicher geeigneter industrieller Ofen sein, wie beispielsweise ein Glasherstellungsofen, ein Stahlherstellungsofen, ein Aluminiumschmelzofen, ein Zementofen oder ein Verascher.
  • Erster Brennstoff und erstes Oxidationsmittel 3 werden in die Verbrennungszone 2 durch einen Injektionsanschluß 4 injiziert, der in diesem Fall außerdem als der Auslaßanschluß dient. Der erste Brennstoff und das Oxidationsmittel werden unter Verwendung geeigneter Brenner oder Lanzen, die nicht veranschaulicht sind, injiziert. Ein Brenner ist eine Vorrichtung, die sowohl Brennstoff als auch Oxidationsmittel in eine Verbrennungszone einbringt, und eine Lanze ist eine Vorrichtung, die nur Brennstoff oder nur Oxidationsmittel in eine Verbrennungszone injiziert. Der erste Brennstoffund das Oxidationsmittel können zusammen in einem vorgemischten Zustand in die Verbrennungszone 2 injiziert werden, oder sie können separat in die Verbrennungszone 2 injiziert und anschließend innerhalb der Verbrennungszone 2 vermischt werden, um das erste Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisch 3 innerhalb der Verbrennungszone 2 zu bilden. Der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel können in die Verbrennungszone 2 als ein einzelner Strom oder Strahl oder in einer Mehrzahl von Strömen oder Strahlen injiziert werden.
  • Der erste Brennstoff kann ein jegliches Gas oder anderer Brennstoff sein, welches (welcher) brennbare Stoffe enthält, die in der Verbrennungszone verbrennen können. Unter solchen Brennstoffen sind Erdgas, Koksofengas, Propan, Methan, Öl und pulverisierte Kohle zu nennen.
  • Das erste Oxidationsmittel ist ein Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 90 Vol.% Sauerstoff. Das erste Oxidationsmittel kann technisch reiner Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von 99,5% oder mehr sein.
  • Der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel werden in die Verbrennungszone 2 bei Durchflußmengen eingebracht, so daß das Verhältnis des ersten Sauerstoffs, zu dem ersten Brennstoff im Bereich von 5 bis 50%, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30% des stöchiometrischen Verhältnisses liegt. Die stöchiometrische Menge des ersten Sauerstoffs ist die Menge des ersten Sauerstoffs, die für eine vollständige Verbrennung des in die Verbrennungszone 2 injizierten ersten Brennstoffs erforderlich ist.
  • Der erste Brennstoff wird in die Verbrennungszone 2 bei einer Geschwindigkeit von mindestens 15 m/s (50 Fuß/s) vorzugsweise von mehr als 30 m/s (100 Fuß/s) und am stärksten bevorzugt im Bereich von 91 bis 305 m/s (300 bis 1000 Fuß/s) injiziert. Wenn der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel vorgemischt in die Verbrennungszone injiziert werden, dann wird das Gemisch bei der oben für den Brennstoff angegebenen Geschwindigkeit injiziert. Wenn der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel ohne Vormischen in die Verbrennungszone injiziert werden, wird das erste Oxidationsmittel im allgemeinen eine geringere Geschwindigkeit als der erste Brennstoff haben. Vorzugsweise liegt in einem solchen Fall die Geschwindigkeit dieses injizierten ersten Oxidationsmittels im Bereich von 6 bis 15 m/s (20 bis 50 Fuß/s).
  • Der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel verbrennen innerhalb der Verbrennungszone 2 unter Bildung von Verbrennungsreaktionsprodukten. Die Verbrennungsreaktionsprodukte können Produkte vollständiger Verbrennung beinhalten, werden jedoch aufgrund des angegebenen unterstöchiometrischen Sauerstoff/Brennstoff-Verhältnisses unverbrannten Brennstoff enthalten. Die unvollständige Verbrennung des ersten Brennstoffes mit dem ersten Oxidationsmittel, verbunden mit der hohen Geschwindigkeit des ersten Brennstoffes, die das Mischen von Produkten vollständiger Verbrennung in der Zone 2 mit dem ersten Brennstoffstrahl oder den ersten Brennstoffstrahlen fördert, ermöglicht es, daß die Verbrennung von erstem Brennstoff und erstem Oxidationsmittel bei einer niedrigeren Temperatur erfolgt, als es andernfalls der Fall wäre, wodurch die Tendenz zur Bildung von NOx gesenkt wird.
  • In die Verbrennungszone werden außerdem ein oder mehrere Ströme von zweitem Oxidationsmittel an einer Stelle injiziert, die in Abstand von derjenigen Stelle liegt, an welcher der erste Brennstoffund das erste Oxidationsmittel in die Verbrennungszone injiziert werden. Das zweite Oxidationsmittel kann ein jegliches Fluid sein, welches Sauerstoff zur Verbrennung mit Verbrennungsreaktionsprodukten enthält. Vorzugsweise ist das zweite Oxidationsmittel ein Fluid mit einer niedrigeren Sauerstoffkonzentration als diejenige des ersten Oxidations mittels, da dies die Vervollständigung der Verbrennung innerhalb der Verbrennungszone ohne dem Erzeugen einer hohen Flammentemperatur fördert. Vorzugsweise ist das zweite Oxidationsmittel Luft oder ein Fluidgemisch aus Sauerstoff und umgewälztem Rauchgas.
  • Vorzugsweise wird das zweite Oxidationsmittel mit einer Geschwindigkeit von mehr als 15 m/s (50 Fuß/s), am stärksten bevorzugt mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 61 bis 305 m/s (200 bis 1000 Fuß/s) injiziert, wodurch das Mischen und die Verbrennung mit Produkten vollständiger Verbrennung innerhalb der Verbrennungszone weiter gefördert werden. Bei solchen hohen Geschwindigkeiten werden Produkte vollständiger Verbrennung in den Strom des zweiten Oxidationsmittels mitgerissen, wodurch der zweite Oxidationsmittelstrom vor dem Verbrennen des zweiten Oxidationsmittels mit dem unverbrannten Brennstoff verdünnt wird. Dies senkt die Verbrennungsreaktionstemperatur und trägt zu einer geringeren Bildung von NOx bei.
  • 1 veranschaulicht die Injektion von zwei Strahlen 5 von zweitem Oxidationsmittel parallel zu dem ersten Brennstoffund dem ersten Oxidationsmittel, d. h. von der gleichen Endwand des Ofens aus wie der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel, und 2 veranschaulicht die Injektion von zwei Strahlen 5 von zweitem Oxidationsmittel entgegengesetzt zu dem ersten Brennstoff und dem ersten Oxidationsmittel, d. h. von der gegenüberliegenden Endwand des Ofens aus wie der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel. Das zweite Oxidationsmittel wird von einem oder mehreren Injektionsanschlüssen unter Verwendung von einer oder mehreren Lanzen injiziert, die in den Zeichnungen nicht veranschaulicht sind.
  • Innerhalb der Verbrennungszone 2 mischt sich das zweite Oxidationsmittel mit Verbrennungsreaktionsprodukten, die sich aus der Verbrennung des ersten Brennstoffes und Oxidationsmittels ergeben, und es verbrennt mit unverbranntem Brennstoff der Verbrennungsreaktionsprodukte. Vorzugsweise wird der unverbrannte Brennstoff vollständig mit dem zweiten Oxidationsmittel innerhalb der Verbrennungszone verbrannt. Die Verbrennung innerhalb der Verbrennungszone dient dazu, Wärme zu erzeugen, die zum Heizen, Schmelzen, Trocknen oder für andere Zwecke benutzt wird. Die sich ergebenden Gase werden nach der Verbrennung aus der Verbrennungszone ausgestoßen.
  • Die vorteilhaften Ergebnisse des Verfahrens dieser Erfindung sind in den 3, 4 und 5 veranschaulicht. In den 3, 4 und 5 ist das erzeugte NOx in kg NO2 pro kJ sowie in Klammern in Pfund NO2 pro Million BTU auf der vertikalen Achse und das Verhältnis von erstem Oxidationsmittel zu Brennstoff als Prozentsatz zu dem stöchiometrischen Verhältnis auf der horizontalen Achse dargestellt. In den Beispielen, die in den 3, 4 und 5 dargestellt sind, war der erste Brennstoff Erdgas und das erste und das zweite Oxidationsmittel waren beides kommerzieller Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von mehr als 99,5%. Der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel wurden vorgemischt, bevor sie in die Verbrennungszone injiziert wurden. Die Innenabmessungen der Verbrennungszone waren 0,9 m (3 Fuß) im Durchmesser und 2,4 m (8 Fuß) Länge.
  • Bezugnehmend auf 3 beziehen sich die kreisförmigen Datenpunkte auf eine Parallelinjektion ähnlich der in 1 veranschaulichten, und die quadratischen Datenpunkte beziehen sich auf eine Injektion von gegenüberliegenden Stellen, wie sie in 2 veranschaulicht ist. Wie aus 3 ersichtlich ist, ergibt sich, wenn das Verhältnis von erstem Sauerstoff zu Brennstoff etwa 50% des stöchiometrischen Verhältnisses übersteigt, ein scharfer Anstieg bei der Erzeugung von NOx, was die Bedeutung des angegebenen oberen Grenzwertes dieses Verhältnisses bei der Praxis der Erfindung veranschaulicht.
  • 4 zeigt die Ergebnisse der parallelen Injektion ähnlich wie sie in 1 veranschaulicht ist mit einer hohen Brennstoffgeschwindigkeit und einer niedrigen Brennstoffgeschwindigkeit. Die kreisförmigen Datenpunkte zeigen die Ergebnisse, die mit einer geringen Geschwindigkeit des ersten Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches erzielt wurden, bei von links nach rechts 39, 44, 50 und 58 m/s (129, 143, 164 bzw. 189 Fuß/s). Die quadratischen Datenpunkte zeigen die Ergebnisse, die mit einer hohen Geschwindigkeit des ersten Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches erreicht wurden, und zwar mit, von links nach rechts, 119, 175 und 199 m/s (392, 575 bzw. 652 Fuß/s). 5 zeigt die Ergebnisse einer Parallelinjektion ähnlich wie sie in 1 veranschaulicht ist mit einer hohen Geschwindigkeit des zweiten Oxidationsmittels und mit einer niedrigen Geschwindigkeit des zweiten Oxidationsmittels. Bei jedem der quadratischen und kreisförmigen Datenpunkte betrug die Geschwindigkeit des ersten Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches, von links nach rechts, 119, 175 bzw. 199 m/s (392, 575 bzw. 652 Fuß/s). Die quadratischen Datenpunkte zeigen die Ergebnisse, die mit einer Geschwindigkeit des zweiten Oxidationsmittels von, von links nach rechts, 306, 219 bzw. 186 m/s (1004, 718 bzw. 611 Fuß/s) erzielt wurden. Die kreisförmigen Datenpunkte zeigen die Ergebnisse, die mit einer Geschwindigkeit des zweiten Oxidationsmittels von, von links nach rechts, 41, 30 bzw. 24 m/s (133, 99 bzw. 79 Fuß/s) erzielt wurden. Wie aus 5 ersichtlich ist, ermöglicht die hohe Geschwindigkeit des zweiten Oxidationsmittels, wie sie bei der bevorzugten Anwendung dieser Erfindung eingesetzt wird, das Erreichen von niedrigeren Pegeln der NOx-Erzeugung.
  • Ohne sich auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, glaubt der Anmelder, daß der Grund dafür, daß das überraschend niedrige stöchiometrische Verhältnis des ersten Oxidationsmittels zu dem ersten Brennstoff aufgrund der kombinierten Effekte der Flammentemperatur und der Stickstoffverbindungen, die unter den brennstoffreichen Bedingungen gebildet wurden, vorteilhaft ist. Bei brennstoffreichen Bedingungen werden HCN und NH3, nicht NOx, die dominanten Stickstoffverbindungen, die durch die Verbrennung erzeugt werden. Diese Verbindungen werden in der nachfolgenden Verbrennung unter Bildung von NOx oxidiert. Daher ist es notwendig, die Konzentration dieser Verbindungen in der ersten Flamme zu minimieren. Insbesondere bei einem Oxidationsmittel mit einer Sauerstoffkonzentration, die diejenige der Luft übersteigt, so daß die Flammentemperatur hoch bleibt, wird bei den langsameren kinetischen Eigenschaften der brennstoffreichen Bedingungen die geringere Erzeugung von HCN und NH3 in der ersten Flamme unter geringeren stöchiometrischen Bedingungen erreicht als bei der konventionellen abgestuften Verbrennungspraxis mit Luft als dem Oxidationsmittel.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Ausführen einer Verbrennung bei verringerter Erzeugung von Stickoxiden, bei welchem (A) erster Brennstoff und erstes Oxidationsmittel gemeinsam oder getrennt in eine Verbrennungszone in einem Verhältnis im Bereich von 5 bis 50% des stöchiometrischen Verhältnisses injiziert werden, wobei das erste Oxidationsmittel ein Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 90 Vol.% ist, wobei dann, wenn der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel gemeinsam in einem vorgemischten Zustand injiziert werden, das Gemisch in die Verbrennungszone bei einer Geschwindigkeit von mindestens 15 m/s (50 Fuß/s) injiziert werden, und wobei dann, wenn der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel getrennt injiziert werden, der erste Brennstoff in die Verbrennungszone bei einer Geschwindigkeit von mindestens 15 m/s (50 Fuß/s) und das erste Oxidationsmittel in die Verbrennungszone bei einer Geschwindigkeit injiziert werden, die unter der des ersten Brennstoffs liegt; (B) zweites Oxidationsmittel in die Verbrennungszone an einer Stelle injiziert wird, die in Abstand von der Stelle liegt, wo der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel in die Verbrennungszone injiziert werden; (C) erster Brennstoff und erstes Oxidationsmittel innerhalb der Verbrennungszone getrennt von dem zweiten Oxidationsmittel verbrannt werden, um Verbrennungsreaktionsprodukte zu erzeugen; und (D) zweites Oxidationsmittel mit Verbrennungsreaktionsprodukten innerhalb der Verbrennungszone gemischt und anschließend zweites Oxidationsmittel mit Verbrennungsreaktionsprodukten verbrannt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Oxidationsmittel in die Verbrennungszone von der gleichen Seite der Verbrennungszone injiziert wird, von der aus erster Brennstoffund erstes Oxidationsmittel injiziert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Oxidationsmittel in die Verbrennungszone von der Seite der Verbrennungszone aus injiziert wird, die derjenigen gegenüberliegt, von der aus der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel injiziert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem dann, wenn der erste Brennstoff und das erste Oxidationsmittel getrennt in die Verbrennungszone injiziert werden, die Geschwindigkeit des ersten injizierten Oxidationsmittels im Bereich von 6 bis 15 m/s (20 bis 50 Fuß/s) liegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Oxidationsmittel eine Sauerstoff konzentration hat, die geringer ist als die Sauerstoffkonzentration des ersten Oxidationsmittels.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Oxidationsmittel in die Verbrennungszone mit einer Geschwindigkeit injiziert wird, die größer ist als 15 m/s (50 Fuß/s).
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Oxidationsmittel in die Verbrennungszone mit einer Geschwindigkeit injiziert wird, die die Geschwindigkeit übersteigt, mit welcher der erste Brennstoff in die Verbrennungszone injiziert wird.
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