DE69518952T2

DE69518952T2 - Stufenweise Verbrennung zur Reduktion von Stickstoffoxiden

Info

Publication number: DE69518952T2
Application number: DE69518952T
Authority: DE
Inventors: Arthur Wellington Francis Jr.; Hisashi Kobayashi; William Thoru Kobayashi
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1994-06-13
Filing date: 1995-06-12
Publication date: 2001-04-05
Anticipated expiration: 2015-06-13
Also published as: JP3017048B2; CN1171032C; JPH07332616A; US5601425A; CA2151540C; BR9502780A; CA2151540A1; KR100234573B1; EP0687853A2; DE69518952D1; KR960001595A; CN1121156A; PT687853E; EP0687853B1; EP0687853A3; ES2151006T3

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Flüssigbrennstoffverbrennung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, das zur Minimierung der Ausbildung von Stickoxiden nützlich ist.

Hinterrund der Erfindung

Stickoxide werden in einer signifikanten Menge in vielen Verbrennungsprozessen erzeugt. Da Stickoxide bekannte Schmutzstoffe sind, ist es erwünscht, ihre Erzeugung während der Verbrennung zu reduzieren. Für eine verringerte Stickoxiderzeugung ist anstelle von Luft als das Oxidationsmittel mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reiner Sauerstoff verwendet worden, um die in eine Verbrennungszone eingeleitete Menge an Stickstoff pro einer äquivalenten Sauerstoffmenge zu reduzieren. Allerdings führt die Verwendung von mit Sauerstoff angereicherter Luft oder technisch reinem Sauerstoff als das Oxidationsmittel zu einer Durchführung der Verbrennungsprozesse bei Hochtemperatur. Eine Hochtemperaturverbrennung begünstigt kinetisch die Ausbildung von Stickoxiden und wirkt sich nachteilig auf die strukturelle Lebensdauer von Brennern und insbesondere von nicht mit Wasser gekühlten Brennern aus.
Die US-Patentschriften 5 076 779, und 5 242 296, auf die sich der Oberbegriff des Anspruchs bezieht, offenbaren Verbrennungsmethoden, bei welchen die Ausbildung von Stickoxiden unterdrückt wird. Die Verbrennungsmethoden beinhalten das Verdünnen eines Oxidationsmittelstroms mit Ofengasen in einer Oxidationsmittelmischzone zur Ausbildung eines verdünnten Stroms und das anschließende Verbrennen von Brennstoff unter Anwesenheit des verdünnten Stroms in einer Reaktionszone, um die eine Stickoxidausbildung begünstigenden Bedingungen zu vermeiden. Der Brennstoff kann anfänglich unter Vorliegen einer unterstöchiometrischen Menge an Oxidationsmittel einer teilweisen Verbrennung unterzogen werden, bevor er unter Anwesenheit des verdünnten Stroms vollständig verbrannt wird. Es ist bekannt, dass diese Verfahren die Stickoxiderzeugung signifikant reduzieren. Allerdings ist eine weitere Reduzierung der Stickoxidemission erwünscht.
Der Bedarf nach einer effektiven Verbrennung mit einer verringerten Stickoxiderzeugung ist bei einer Beteiligung von Flüssigbrennstoff erhöht. Aufgrund der mit der Flüssigbrennstoffzerstäubung und - verbrennung in Verbindung stehenden Komplexitäten erweist sich die Reduzierung des Stickoxidemissionspegels als schwierig. Falls ein nicht mit Wasser gekühlter Brenner in einem feuerfesten Durchlass der Ofenwand verwendet wird, kann der von dem Brenner ausgestoßene Flüssigbrennstoff mit dem feuerfesten Durchlass in Kontakt kommen und dadurch eine Rußablagerung bewirken, die den Brenner möglicherweise verschmutzt.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der Erfindung im effektiven und effizienten Verbrennen von Flüssigbrennstoff mit einer weiteren Reduzierung der Stickoxiderzeugung.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht im Verbrennen von Flüssigbrennstoff mit nicht mit Wasser gekühlten Brennern und Lanzen, ohne dass eine signifikante Menge an Rußablagerung entsteht. Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht im Verbrennen von Flüssigbrennstoff mit einer Reduzierung der Flammentemperatur.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obigen und weitere Aufgaben, welche dem Fachmann anhand dieser Beschreibung offenbar werden, werden durch die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 bewerkstelligt.
Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Umgebungsgas" auf Gase innerhalb einer Verbrennungszone, d. h. eines Ofens.
Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "teilweise verbrannte Produkte" auf Produkte aus einer vollständigen und unvollständigen Verbrennung einschließlich, jedoch sich nicht begrenzend auf CO&sub2;, CO, H&sub2;O, H&sub2;, Kohlenwasserstoff und unverbrannten Brennstoff.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 und 2 sind Querschnittsansichten von verschiedenen Konfigurationen, die sich auf die Einleitung von Primäroxidationsmittel, Sekundäroxidationsmittel und Brennstoff beziehen und die Ausführungsformen der Erfindung darstellen.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer Flüssigbrennstoffzerstäubungsvorrichtung, die eine weitere Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht von Flüssigbrennstoffbrennern, welche die Zerstäubungsvorrichtung aus Fig. 3 aufweisen und die eine weitere Ausführungsform der Erfindung darstellen.
Fig. 5-6 sind graphische Darstellungen und stellen die Wichtigkeit einer Verwendung von bestimmten Volumenverhältnissen des Sekundäroxidationsmittelstroms zu dem Primäroxidationsmittel dar, was eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig. 7-8 sind graphische Darstellungen und stellen die Wichtigkeit eines Ausstoßens des Sekundäroxidationsmittels bei bestimmten Geschwindigkeiten dar, was eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung darstellt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Nun wird die Erfindung ausführlich mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden.
Bezugnehmend auf die Fig. 1-4 werden fluider Brennstoff und Primäroxidationsmittel von einem oder mehreren Brennern (3) mit mindestens einem Brennstoffdurchlass (5) und mindestens einem Primäroxidationsmitteldurchlass (7) ausgestoßen. Die Brenner (3) können eine Düse (9) und eine Umhüllung (11) aufweisen, die mindestens einen Teil der Länge der Düse (9) konzentrisch umgibt. Der zwischen der äußeren Oberfläche der Düse (9) und der inneren Oberfläche der Umhüllung (11) ausgebildete ringförmige Durchlass stellt den Primäroxidationsmitteldurchlass (7) dar, während der Durchlass der Düse (9) den Brennstoffdurchlass (5) repräsentiert.
Zusätzlich zu dem Brennstoffdurchlass (5) und dem Primäroxidationsmitteldurchlass (7) ist mindestens ein Zerstäubungsfluiddurchlass (13) bereitgestellt, wenn Flüssigbrennstoff verwendet wird. Der erwünschte Zerstäubungsfluiddurchlass (13) ist geeignet entworfen und an einer richtigen Stelle angeordnet, um mindestens einen Flüssigbrennstoffstrom in der Form einer sich ausbreitenden Sprühflüssigkeit mit einem äußeren Randwinkel zu erzeugen, der kleiner als 15º und vorzugsweise kleiner als 10º ist, von der Achse des mindestens einen Flüssigbrennstoffstroms aus gemessen. Gemäß den Fig. 3-4 kann der Zerstäubungsfluiddurchlass (13) in der Form eines ringförmigen Zwischendurchlasses bereitgestellt werden, indem mindestens ein Teil der Länge der Düse (9) mit einer Zwischenumhüllung (15) konzentrisch umgeben wird (z. B. durch eine zwischen der Düse und der Umhüllung (11) angeordnete Fluidleitung).
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Düse (9), die zum Ausstoßen einer Flüssigbrennstoffsprühstrahls mit einem erwünschten engen äußeren Randwinkel nützlich ist, innere und äußere Oberflächen auf, wobei die innere Oberfläche den Brennstoffdurchlass (5) festlegt, der an seinem Ende über einen Brennstoffdurchlass (17) verfügt. Der Brennstoffdurchlass (5) kann mindestens zwei Längen aufweisen. Die erste Länge (5a) verfügt über eine relativ große Querschnittsfläche oder Durchmesser, während die zweite Länge (5b), die mit der ersten Länge (5a) in Verbindung steht, eine Querschnittsfläche aufweist, welche in der Richtung des Brennstoffdurchlasses (17) und vorzugsweise mit der Form eines Konus abnimmt (eine in Radialrichtung abnehmende Verjüngung). Der Brennstoffdurchlass (17) verfügt über einen Einlass (19) zum Aufnehmen von Brennstoff von dem Brennstoffdurchlass (5) und über einen Auslass (21) zum Abgeben von Brennstoff. Der Einlass (19) des Brennstoffdurchlasses (17) befindet sich normalerweise an dem Ende der zweiten Länge (5b) und weist eine Querschnittsfläche oder einen Durchmesser auf, der gleich der Querschnittsfläche oder dem Durchmesser der Endöffnung der zweiten Länge (5b) oder kleiner als diese/dieser ist. Der Brennstoffdurchlass (17) kann über mindestens drei Abschnitte verfügen, wobei ein erster Abschnitt (17a) einen Durchmesser oder eine Querschnittsfläche hat, die gleich oder kleiner als die Querschnittsfläche oder der Durchmesser an dem Ende der zweiten Länge (5b) des Brennstoffdurchlasses (5) ist. Ein zweiter Abschnitt (17b) weist eine leicht abnehmende(n) Querschnittsfläche oder Durchmesser in der Richtung des Auslasses (21) auf, und ein dritter Abschnitt (17c) verfügt über eine Querschnittsfläche oder einen Durchmesser, die/der kleiner als die Querschnittsfläche oder der Durchmesser des ersten Abschnittes (17a) ist. Im allgemeinen hat der Brennstoffdurchlass (5) eine Querschnittsfläche oder einen Durchmesser, die/der größer als die Querschnittsfläche oder der Durchmesser des Brennstoffdurchlasses (17) ist.
Die Zwischenumhüllung (15), welche für die Ausbildung des Zerstäubungsfluiddurchlasses (13) nützlich ist, der die Ausbildung eines Brennstoffsprühstrahls mit dem erwünschten äußeren Randwinkel fördert, weist innere und äußere Oberflächen auf und umgibt konzentrisch mindestens einen Teil der Düse (9). Zwischen der inneren Oberfläche der Umhüllung (15) und der äußeren Oberfläche der Düse (9) befindet sich der Zerstäubungsfluiddurchlass (13), z. B. ein ringförmiger Durchlass, und ein Zerstäubungsfluiddurchlass (23), z. B. ein ringförmiger Zerstäubungsfluiddurchlass. Der ringförmige Zerstäubungsfluiddurchlass (13) endet mit dem ringförmigen Zerstäubungsfluiddurchlass (23), der Einlass- und Auslassöffnungen (25 und 27) zum Aufnehmen und Abgeben von Zerstäubungsfluid von dem ringförmigen Durchlass (13) aufweist. Der ringförmige Zerstäubungsfluiddurchlass (13) hat normalerweise eine Querschnitts fläche oder einen Durchmesser, die/der größer als die Querschnittsfläche oder der Durchmesser des ringförmigen Zerstäubungsfluiddurchlasses (23) ist. Mindestens ein Teil der inneren Oberfläche der Zwischenumhüllung (15) und mindestens ein Teil der äußeren Oberfläche der Düse (9), die den ringförmigen Zerstäubungsfluiddurchlass (13) festlegen, liegt in der Form eines Konus mit einem Durchmesser vor, der sich zu der Auslassöffnung hin mit einem Winkel (A) im Bereich von etwa 5º bis etwa 30º und vorzugsweise etwa 12º bis etwa 18º verringert, von der Längsachse (C) der Düse (9) aus gemessen. Sollen diese Brenner (3) als gasgekühlte duale Brennstoffbrenner verwendet werden, sind zusätzliche Umhüllungen für die Ausbildung von zusätzlichen Durchlässen (z. B. zusätzliche ringförmige Durchlässe) zum Injizieren eines unterschiedlichen Brennstoffes wie z. B. eines Festbrennstoffteilchen oder gasförmigen Brennstoff enthaltenden Fluids und eines zusätzlichen Primäroxidationsmittels erforderlich.
Die Spitze von mindestens einem der Brenner (3) kann von mindestens einer inneren Öffnung (28) des mindestens einen feuerfesten Durchlasses (29) zurückgesetzt werden, der in mindestens einer Ofenwand (31) festgelegt ist, so dass der mindestens eine Brenner als nicht-wassergekühlter Brenner verwendet werden kann. Jeder feuerfeste Durchlass (29) verfügt über die innere Öffnung (28), die der in der Ofenwand (31) ausgebildeten Verbrennungszone (33) gegenüberliegt. Im allgemeinen liegt der Durchmesser der inneren Öffnung (28) im Bereich von etwa 0,25 bis etwa 10 inch. Es wurde ermittelt, dass durch ein Zurücksetzen der Spitze jedes Brenners (3) von der inneren Öffnung (28) des feuerfesten Durchlasses (29) um eine Strecke von mindestens dem Durchmesser der inneren Öffnung (28) des feuerfesten Durchlasses jeder Brenner (3) ohne eine Wasserkühlungsanordnung verwendet werden kann. Diese zurückgesetzte Strecke verringert die Brennerspitzentemperatur. Die Brenner (3) können aus jedem Werkstoff gefertigt sein, der kompatibel zu Verbrennungsprozessen ausfällt. Derartige Werkstoffe sind unter anderem rostfreier Stahl, Metalle, keramische Werkstoffe und Kunststoffe.
Der verwendete Fluidbrennstoff ist Flüssigbrennstoff. Der Brennstoff, wie z. B. Öle oder Kohle, kann chemisch gebundenen Stickstoff enthalten. Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "chemisch gebundener Stickstoff" auf Stickstoffatome, die (unter Ausschluss von molekularem Stickstoff) an chemischen Verbindungen chemisch verknüpft sind. Einige der chemischen Verbindungen mit chemisch gebundenem Stickstoff beinhalten unter anderem Amine, Amide und heterozyklische Verbindungen mit Stickstoff. Weist der verwendete Flüssigbrennstoff eine hohe Viskosität auf, sollte er vor der Zuleitung zu dem Brennstoffdurchlass (5) vorgewärmt werden. Die Geschwindigkeit des Fluidbrennstoffes ist vorzugsweise größer als die Geschwindigkeit des Primäroxidationsmittels, um eine stabile teilweise Verbrennung des Fluidbrennstoffes zu unterstützen.
Zerstäubungsfluid wird für eine Dispergierung des Flüssigbrennstoffes zwecks einer effizienten und effektiven Verbrennung verwendet. Die bevorzugte Zerstäubungstechnik fällt derart aus, dass es das Zerstäubungsfluid bewirkt, dass der sich ergebende zerstäubte Flüssigbrennstoffstrom den erwünschten engen äußeren Randsprühwinkel auf konsistente Weise selbst dann aufweist, wenn der Flüssigbrennstoff bei einer niedrigen Geschwindigkeit, z. B. einer kleiner als 50 Fuß/s betragenden Geschwindigkeit ausgestoßen wird. Die bevorzugte Zerstäubungstechnik beteiligt ein Ausstoßen des Zerstäubungsfluids bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 bis 1, 2 Mach und ein Konvergieren des Flüssigbrennstoffes bei einem konvergierenden Winkel (A) im Bereich von etwa 5º bis etwa 30º und vorzugsweise etwa 12º bis etwa 18º, von der Längsachse (C) der Düse (9) aus gemessen. Das von dem ringförmigen Zerstäu bungsfluiddurchlass (23) ausgestoßene Zerstäubungsfluid reißt nachfolgend mindestens einen Teil des Primäroxidationsmittels innerhalb des Flüssigbrennstoffstroms mit, was somit zu einer teilweisen Verbrennung des Flüssigbrennstoffes führt. Es können auch andere Zerstäubungstechniken verwendet werden, so lange der erwünschte enge äußere Randsprühwinkel erhalten werden kann und mindestens ein Teil des Primäroxidationsmittels in dem Flüssigbrennstoffstrom mitgerissen wird. Die Bewerkstelligung dieses erwünschten engen äußeren Randsprühwinkels fördert nicht nur die Verwendung eines nicht mit Wasser gekühlten Ölbrennstoffbrenners, sondern erhöht ebenfalls die effektive und effiziente Verbrennung des Flüssigbrennstoffes mit einer verringerten Stickoxiderzeugung. Weiterhin unterstützt eine Regelung oder Einstellung der Rate des ausgestoßenen Zerstäubungsfluids zwecks Aufrechterhaltung des Masseverhältnisses des Zerstäubungsfluids zu dem Flüssigbrennstoff im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,7 und vorzugsweise von etwa 0,4 bis 0,7 die Reduzierung der Stickoxidemissionspegel zusätzlich. Das verwendete Zerstäubungsfluid kann jede gasförmige Substanz sein, die beispielsweise Dampf, Kohlendioxide, Argon, Stickstoff, Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft und reiner Sauerstoff ist, aber es ist jedoch nicht auf diese Materialien begrenzt. Ein keinen Stickstoff enthaltendes Zerstäubungsgas ist im allgemeinen bevorzugt.
Das von dem Primäroxidationsmitteldurchlass (7) ausgestoßene Primäroxidationsmittel umhüllt den Flüssigbrennstoff und reagiert mit diesem. Das ausgestoßene Primäroxidationsmittel enthält für die Reaktion mit dem Fluidbrennstoff eine unterstöchiometrische Sauerstoffmenge und führt somit zu einer teilweisen Verbrennung des Fluidbrennstoffes. Die erwünschte unterstöchiometrische Sauerstoffmenge beträgt etwa 10 bis 30% einer stöchiometrischen Sauerstoffmenge, um mit dem Fluidbrennstoffstrom zu reagieren. Die Geschwindigkeit des Primäroxidationsmittels wird normalerweise kleiner als 61 m/s (200 Fuß/s) und vorzugsweise kleiner als 30,5 m/s (100 Fuß/s) gehalten, um die stabile teilweise Verbrennung zu fördern und die Ausbildung von Stickoxiden zu reduzieren. Das verwendete Primäroxidationsmittel kann Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reiner Sauerstoff sein. Das erwünschte Primäroxidationsmittel enthält jedoch eine Sauerstoffkonzentration, die größer als 30 Vol.% ist. Es versteht sich, dass zusätzliches Primäroxidationsmittel und Brennstoff (z. B. unterschiedlicher Brennstoff) durch zusätzliche Durchlässe, z. B. äußere ringförmige Durchlässe innerhalb der Brenner (3) eingeleitet werden kann. Durch die Verwendung von zusätzlichem Primäroxidationsmittel und Brennstoff können die Brenner (3) beispielsweise als ein dualer Brennstoffbrenner verwendet werden.
Während des Ausstoßens des Fluidbrennstoffes und des Primäroxidationsmittels von jedem Brenner (3) wird ein Sekundäroxidationsmittelstrom von mindestens einer Lanze (35) ausgestoßen. Die Lanze (35) ist innerhalb mindestens einem zweiten feuerfesten Durchlass (37) der Ofenwand (31) angeordnet. Der feuerfeste Durchlass (37) weist eine innere Öffnung (36) auf, die der Verbrennungszone (33) gegenüberliegt. Die Spitze der Lanze (35) kann von der inneren Öffnung (36) des feuerfesten Durchlasses (37) um eine Strecke zurückgesetzt sein, die gleich zu mindestens dem Durchmesser der inneren Öffnung (36) des feuerfesten Durchlasses (37) ist. Ist die Spitze der Lanze (35) aus keramischen Werkstoffen angefertigt, muss sie nicht zurückgesetzt werden. Dieser Lanzenentwurf bzw. diese Zurücksetzung gestattet ein Betreiben der Lanze (35) ohne Wasserkühlung und vermeidet somit eine mit einer Wasserkühlung verbundene Korrosion.
Die Position der Lanze (35) bewirkt ein Ausstoßen des Sekundäroxidationsmittelstroms von einer Stelle, die in Abstand von, abgewinkelt von, gegenüberliegend zu und/oder benachbart zu derjenigen Stelle angeordnet ist, von welcher die Primäroxidationsmittel- und die Brennstoffströme ausgestoßen werden. Ist die Lanze (35) abgewinkelt oder in Abstand von, dem Brenner (3) angeordnet, ist die Abstandsstrecke und/oder der Ausstoßwinkel derart beschaffen, dass der ausgestoßene Sekundäroxidationsmittelstrom ein großes Volumen an Umgebungsgas mitreißt, d. h. an innerhalb der Verbrennungszone oder dem Ofen befindlichem Gas, bevor der Sekundärstrom mit den teilweise verbrannten Produkten reagiert. Wird der Sekundäroxidationsmittelstrom beispielsweise parallel zu dem Brennstoffstrom ausgestoßen, sollte die Stelle, an welcher das Sekundäroxidationsmittel ausgestoßen wird, mit einem Abstand von mindestens 7,6 cm (3 inch) von einer Stelle angeordnet werden, an welcher die Brennstoff und Primäroxidationsmittelströme ausgestoßen werden. Ist andererseits die Lanze (35) an mindestens einer Wand gegenüberliegend und/oder benachbart zu der Stelle angeordnet, an welcher sich die Brenner (3) befinden, sollte eine Stelle, an der sich die teilweise verbrannten Produkte und das Sekundäroxidationsmittel kreuzen, weit genug von einer Stelle entfernt liegen, an der das Sekundäroxidationsmittel ausgestoßen wird, um die Ausbildung des erwünschten verdünnten Stroms zu bewirken, bevor der Sekundäroxidationsmittelstrom mit den teilweise verbrannten Produkten vermischt wird. Der erwünschte verdünnte Strom weist eine Sauerstoffkonzentration von etwa 1 bis etwa 30 Vol.% und vorzugsweise etwa 2 bis etwa 25 Vol.% auf. Der erwünschte Verdünnungsstrom wird durch Erzeugen eines Umgebungsgas-Zirkulationsmusters mit dem Sekundäroxidationsmittelstrom ausgebildet, wobei der Sekundäroxidationsmittelstrom das Umgebungsgas mitreißt, bevor es zum Verbrennen der teilweise verbrannten Produkte verwendet wird. Das Umgebungsgas enthält normalerweise eine Sauerstoffkonzentration von etwa 0,5 bis etwa 15%. Durch das Ausbilden des erwünschten verdünnten Stroms werden die Flammentemperatur und die Stickoxidemission reduziert.
Zusätzlich zu dem Ausstoßen des Sekundäroxidationsmittels auf die oben beschriebene Weise wird die Menge des eingeleiteten Sekundäroxidationsmittels auf der Basis der Menge des eingeleiteten Primäroxidationsmittels geregelt oder eingestellt, um die Ausbildung von Stickoxiden weiter zu verringern. Die Fig. 5-6 stellen beispielsweise eine Darstellung von NOX (dem Stickoxidemissionspegel) gegenüber der Sekundäroxidationsmittel-Injektionsgeschwindigkeit unter Verwendung verschiedener Verhältnisse des Sekundäroxidationsmittels zu dem Primäroxidationsmittel dar. Die Darstellung legt nahe, dass die Masse an erzeugten Stickoxiden mit dem gesteigerten Volumenverhältnis des Sekundäroxidationsmittels zu dem Primäroxidationsmittel abnimmt. Das erwünschte Volumenverhältnis des Primäroxidationsmittels zu dem Sekundäroxidationsmittel ist größer als 1,5 : 1, vorzugsweise größer als oder gleich zu 2,4 : 1, und bevorzugter größer als 3 : 1, jedoch kleiner als 20 : 1.
Weiterhin sollte die Geschwindigkeit des Sekundäroxidationsmittels hoch genug ausfallen, um die Ausbildung von Stickoxiden weiter zu reduzieren. Die Fig. 7-8 zeigen eine Darstellung von NOx (dem Stickoxidemissionspegel) gegenüber dem Sekundäroxidationsmittel-Gegendruck und der Sekundäroxidationsmittel-Injektionsgeschwindigkeit. Die Darstellung zeigt an, dass die Masse der erzeugten Stickoxide mit einer zunehmenden Sekundäroxidationsmittel-Injektionsgeschwindigkeit oder einem zunehmenden Sekundäroxidationsmittel-Gegendruck abnimmt. Die erwünschte Geschwindigkeit des Sekundäroxidationsmittels ist größer als 76,2 m/s (250 Fuß/s), vorzugsweise größer als 91,4 m/s (300 Fuß/s) und bevorzugter größer als 121,9 m/s (400 Fuß/s). Das verwendete Sekundäroxidationsmittel kann Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reiner Sauerstoff sein. Das erwünschte Sekundäroxidationsmittel weist jedoch eine Sauerstoffkonzentration auf, die größer als 30 Vol.% ist.
In der Praxis erzeugt das mit einer hohen Geschwindigkeit von den erwünschten und oben angegebenen Stellen ausgestoßene Sekundäroxidationsmittel ein Umgebungsgas-Zirkulationsmuster, wobei das Umgebungsgas und die aus der Verbrennung des Brennstoffes mit dem Primäroxidationsmittel resultierenden teilweise verbrannten Produkte in den Sekundäroxidationsmittelstrom aufgrund der Strahlansaugeffekte des Sekundäroxidationsmittelstroms mitgerissen werden. Da die Geschwindigkeit des Sekundäroxidationsmittelstroms hoch genug ausfällt und dieser von einer Stelle ausgestoßen wird, die von den Brennstoff und Primäroxidationsmittelströmen weit genug entfernt liegt, wird ein Vermischen des Sekundäroxidationsmittels mit dem Brennstoff und dem Primäroxidationsmittel verzögert. Diese Verzögerung ermöglicht ein anfängliches Vermischen des Sekundäroxidationsmittels mit dem Umgebungsgas, um den erwünschten verdünnten Strom auszubilden, während teilweise verbrannte Produkte durch eine teilweise Verbrennung des Brennstoffes mit dem Primäroxidationsmittel erzeugt werden. Der sich ergebende verdünnte Strom reißt die teilweise verbrannten Produkte dann mit und verbrennt sie.
Für eine weitere Illustration der Erfindung werden die folgenden Beispiele bereitgestellt, die lediglich Illustrationszwecken dienen und die Erfindung nicht einzugrenzen beabsichtigen.
Sämtliche Tests in diesen Beispielen wurden in einem Laborofen durchgeführt, dessen Innenabmessungen 0,91 m (3 ft) im Durchmesser und 2,44 m (8 ft) in der Länge betragen. Der Ofen wies mindestens eine Wand auf, die mindestens zwei Durchlässe mit Endöffnungen zu der inneren Kammer des Ofens hin festlegte.
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des verwendeten Brennstofföls sind in den nachstehenden Tabellen angegeben. Tabelle 1 Tabelle 2
Das Öl wurde bei 60ºC (140º F) gepumpt und die Temperatur an dem Brennereinlass wurde auf 82ºC (180ºF) gehalten, um die Ölviskosität bei 16 cSt (centistokes) zu halten. Der Brenner wurde mit einer Befeuerungsrate von 2,9 · 10¹¹ W (1 mm Btu/h) befeuert.
Zur Simulierung eines Lufteindringens wurde durch drei Stellen in der Ofenseitenwand Stickstoff injiziert, da dieses Problem in industriellen Öfen häufig auftritt.
Die mittlere Temperatur der feuerfesten Ofenwand wurde während den NOx Messungen auf 1538ºC (2800º F) gehalten.
Die NOx-Ergebnisse sind auf der Basis von NO ausgedrückt, gemessen durch einen Chemilumineszenz- Analysatorsund als lb (pound) NO&sub2; pro Million BTU an verfeuertem Brennstoff ausgedrückt.
Die Tests wurden mit dem in Fig. 4 dargestellten Brenner durchgeführt. Der Brenner wurde in einen innerhalb der Ofenwand festgelegten feuerfesten Durchlass derart angeordnet, dass die Spitze des Brenners von der inneren Öffnung des Durchlasses um etwa 0,10 m (4 inch) (das Doppelte des Durchmessers der inneren Öffnung) zurückgesetzt war. In einen anderen in der Ofenwand festgelegten feuerfesten Durchlass wurde eine Sauerstofflanze auf eine Weise angeordnet, dass die Lanzenspitze von der inneren Öffnung des Durchlasses um etwa 0,05 m (2 inch) (eine Strecke gleich dem Durchmesser der inneren Öffnung eines weiteren feuerfesten Durchlasses) zurückgesetzt war. Sowohl der Brenner wie die Lanze wurden parallel zueinander liegend angeordnet, wobei der Abstand zwischen ihnen etwa 6 inch betrug. Während die Lanze zum Ausstoßen von Sekundäroxidationsmittel verwendet wurde, wurde der Brenner zum Ausstoßen von Öl, Zerstäubungsfluid und Primäroxidationsmittel verwendet, um das Öl teilweise zu verbrennen. Dampf, Luft und Sauerstoff wurden als Zerstäubungsfluid verwendet. Die Menge des ausgestoßenen Zerstäubungsfluids fiel so aus, dass das Zerstäubungsfluid/Öl-Masseverhältnis bei etwa 50 % gehalten wurde. Bei Fig. 5 wurde Dampf als das Zerstäubungsfluid verwendet. Bei Fig. 6 war das verwendete Zerstäubungsfluid Luft. Um die Darstellungen für die Fig. 5-6 zu erhalten, wurden die Sekundäroxidationsmittel-Injektionsgeschwindigkeit und das Sekundäroxidationsmittel/Primäroxidationsmittel-Volumenverhältnis variiert. Die Aufträge zeigen die Auswirkung des Sekundäroxidationsmittel/Primäroxidationsmittel-Volumenverhältnisses auf den Stickoxidemissionspegel. Gemäß den Darstellungen aus den Fig. 5-6 kann der Stickoxidemissionspegel durch eine Steigerung des Sekundäroxidationsmittel/Primäroxidationsmittel-Volumenverhältnisses abgesenkt werden. In den Fig. 7-8 ist die Auswirkung der Sekundäroxidationsmittel-Injektionsgeschwindigkeit auf den Stickoxidemissionspegel dargestellt. Die Menge des injizierten Primäroxidationsmittels fiel derart aus, dass der durch den Brenner eingeleitete Sauerstoff etwa 30% bzw. 40% für die Fig. 7 bzw. 8 ausmachte, basierend auf der gesamten eingeleiteten Sauerstoffmenge. Das verwendete Zerstäubungsfluid ist für beide Fig. 7 und 8 Dampf. Gemäß den Darstellungen in den Fig. 7 und 8 lässt eine Steigerung der Geschwindigkeit des Sekundäroxidationsmittels den Stickoxidemissionspegel abfallen.
Durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung wird der Stickoxidemissionspegel signifikant reduziert. Die Verringerung des Stickoxidpegels im Kontext der Flüssigbrennstoffverbrennung ist insbesondere deshalb bemerkenswert, da die Reduzierung des Stickoxidemissionspegels, welche durch die Erfindung unter Verwendung eines Flüssigbrennstoffstroms mit einem sehr engen Sprühwinkel bewerkstelligt wird, vom Fachmann angesichts der mit der Flüssigbrennstoffzerstäubung und -verbrennung verbundenen Komplexität nicht erwartet wurde. Weiterhin ermöglicht sie eine Verwendung des Flüssigbrennstoff stroms mit einem sehr engen Sprühwinkel zusammen mit einer verringerten Stickoxiderzeugung, Brenner ohne Wasserkühlung und ohne eine daraus entstehende Verschmutzung und Korrosion über einen langen Zeitraum hinweg zu verwenden.
Obgleich die vorliegende Erfindung ausführlich mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, verstehen sich für den Fachmann weitere Ausführungsformen der Erfindung, die im Rahmen der beiliegenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Verfahren zum Verbrennen von Flüssigbrennstoff mit verringerter Stickoxiderzeugung, wobei im Zuge des Verfahrens:

(a) in einer Verbrennungszone mindestens ein Flüssigbrennstoffstrom bereitgestellt wird;

(b) eine unterstöchiometrische Menge eines Primäroxidationsmittelstroms in Form eines ringförmigen Stroms injiziert wird, um mindestens einen Teil einer Länge des mindestens einen Flüssigbrennstoffstroms zu umgeben oder einzuhüllen;

(c) mindestens ein Teil des Primäroxidationsmittelstroms in dem Flüssigbrennstoffstrom mitgerissen wird und der Flüssigbrennstoff mindestens teilweise mit dem mitgerissenen Oxidationsmittel verbrannt wird, um teilweise verbrannte Produkte zu bilden;

(d) mindestens ein Sekundäroxidationsmittelstrom injiziert wird, um ein Umgebungsgas-Zirkulationsmuster zu erzeugen, wobei ein großes Volumen des Umgebungsgases in dem mindestens einen Sekundäroxidationsmittelstrom mitgerissen wird, um einen verdünnten Strom mit einer Sauerstoffkonzentration von etwa 1 bis etwa 30 Vol.% zu bilden, bevor dieser mit den teilweise verbrannten Produkten gemischt wird; und

(e) der verdünnte Strom mit den teilweise verbrannten Produkten gemischt wird und danach die teilweise verbrannten Produkte mit dem Oxidationsmittel in dem verdünnten Strom verbrannt werden;

dadurch gekennzeichnet, dass

in Schritt (a) der mindestens eine Flüssigbrennstoffstrom in Form einer sich ausbreitenden Sprühflüssigkeit mit einem äußeren Randwinkel von weniger als 15º, gemessen von der Achse des mindestens einen Flüssigbrennstoffstroms, bereitgestellt wird; und in Schritt (b) der Primäroxidationsmittelstrom bei einer Geschwindigkeit von weniger als etwa 61 m/s (200 Fuß/s) injiziert wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Geschwindigkeit des injizierten mindestens einen Sekundäroxidationsmittelstroms so gewählt ist, dass das Volumenverhältnis zwischen dem Sekundäroxidationsmittel und dem Primäroxidationsmittel größer als 4 : 1 ist und der mindestens eine Sekundäroxidationsmittelstrom mit einer Geschwindigkeit strömt, die größer als die Geschwindigkeit des Flüssigbrennstoffstroms ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der mindestens eine Flüssigbrennstoffstrom von Schritt (a) dadurch gebildet wird, dass mindestens ein Flüssigbrennstoffstrom in einer axialen Richtung durch mindestens eine Düse mit einer Öffnung injiziert wird und Zerstäubungsfluid durch einen ringförmigen Durchlass mit einer ringförmigen Öffnung injiziert wird, die zwischen der mindestens einen Düse und einer mindestens einen Teil einer Länge der Düse umgebenden Umhüllung ausgebildet ist, wobei das Zerstäubungsfluid mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 bis etwa 1,2 Mach bei einem konvergierenden Winkel von etwa 120 bis etwa 18º, gemessen von der Achse des Flüssigbrennstoffstroms, von der ringförmigen Öffnung injiziert wird, die stromauf oder in derselben Ebene wie die Öffnung der Düse liegt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Spitze der mindestens einen Düse bezüglich einer inneren Öffnung mindestens eines feuerfesten Durchlasses, der in mindestens einer die Verbrennungszone umgebenden Wand ausgebildet ist, um eine Strecke zurückgesetzt ist, welche mindestens dem Durchmesser der inneren Öffnung entspricht.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Volumenverhältnis zwischen dem Zerstäubungsfluid und dem Flüssigbrennstoff im Bereich zwischen etwa 0,4 und etwa 0,7 liegt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Sekundäroxidationsmittelstrom von einer Lanze injiziert wird, die in Abstand von der mindestens einen Düse angeordnet ist oder bezüglich dieser abgewinkelt angeordnet ist oder an einer Wand angeordnet ist, welche benachbart oder gegenüberliegend zu der Stelle ist, an welcher die mindestens eine Düse angeordnet ist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei ferner ein zusätzlicher Brennstoffstrom, bei dem es sich um einen gasförmigen Brennstoffstrom, einem Festbrennstoffteilchen enthaltenden gasförmigen Strom oder um Gemische daraus handelt, von einer zweiten ringförmigen Öffnung aus injiziert wird, die zwischen der Umhüllung und einer zweiten Umhüllung ausgebildet ist, welche mindestens einen Teil einer Länge der Umhüllung umgibt, und wobei zusätzliches Primäroxidationsmittel von einer dritten ringförmigen Öffnung aus injiziert wird, die zwischen der zweiten Umhüllung und einer dritten Umhüllung ausgebildet ist, welche mindestens einen Teil einer Länge der zweiten Umhüllung umgibt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der mindestens eine Sekundäroxidationsmittelstrom so injiziert wird, dass das Volumenverhältnis zwischen dem Sekundäroxidationsmittel und dem Primäroxidationsmittel größer als 1,5 : 1, jedoch kleiner als 20 : 1 ist.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der mindestens eine Sekundäroxidationsmittelstrom so injiziert wird, dass das Volumenverhältnis zwischen dem Sekundäroxidationsmittel und dem Primäroxidationsmittel größer als 2,4 : 1 ist.

10. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Geschwindigkeit des Sekundäroxidationsmittelstroms größer als 61 m/s (200 Fuß/s) ist.