DE69809349T2

DE69809349T2 - Verbrennungsverfahren mit niedriger NOx-Emission

Info

Publication number: DE69809349T2
Application number: DE69809349T
Authority: DE
Inventors: Francis, Jr.; Hisashi Kobayashi; Michael Francis Riley; Ryan, Iii
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1998-08-03
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2018-08-04
Also published as: CA2244365A1; CA2244365C; US6007326A; KR100359186B1; ES2182195T3; CN1210221A; DE69809349D1; BR9804239A; CN1119558C; ID20640A; EP0896189B1; KR19990023302A; EP0896189A3; EP0896189A2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verbrennung und genauer auf eine in einem Ofen stattfindende Nachmischverbrennung.

Hintergrund der Erfindung

Eine Anzahl an Techniken ist zur Reduzierung der Menge an aus Verbrennungsverfahren erzeugten Stickoxiden (NOx) entwickelt worden. Sie beinhalten Techniken, die folgende Methoden verwenden (a) Nachverbrennungsreinigungsstrategien wie z. B. eine selektive nichtkatalytische Reduktion (SNCR) und eine selektive katalytische Reduktion (SCR); (b) die Modifizierung von Betriebsbedingungen, z. B. Einstellungen in den Luft/Brennstoff-Verhältnissen; (c) Modifizierungen der Brennerinterna, wobei die Luft- und Brennstoffabstufung diesen Ansatztyp illustrieren; und (d) die Modifizierung des Verbrennungssystems insbesondere durch die Verwendung von Abgasumwälzsystemen.
Die Mehrheit dieser Techniken ist mit Bezug auf Verbrennungsverfahren entwickelt worden, die auf Luft basieren. Da Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft benutzende Verbrennungssysteme durch eine Anzahl an Industrien angenommen werden, müssen sich die Techniken der NOx-Reduktion auf diejenigen Aspekte in der NOx-Erzeugung ausrichten, die für auf Sauerstoff basierende Verbrennungsverfahren spezifisch sind.
Eine Technik zur Reduzierung der Menge von Stickoxiden (NOx) ist in EP-A-0 507 995 offenbart.
Es ist bekannt, dass sich die in einer Verbrennung erzeugte Menge von Stickoxiden (NOx) mit der Temperatur sowie den Sauerstoff- und Stickstoffkonzentrationen erhöht. Bei einer Ersetzung von Luft durch reinen, nahezu reinen Sauerstoff oder durch mit Sauerstoff angereicherte Luft werden zwei konkurrierende Effekte beobachtet. Einerseits wird die Menge von zur Ausbildung von NOx verfügbarem Stickstoff abgesenkt; andererseits wird die Flammentemperatur erhöht. Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass sogar bei einer Durchführung der Verbrennung unter Verwendung von technisch reinem Sauerstoff (Sauerstoffkonzentration von 99,5% oder höher) die Stickstoffpegel in dem Ofen aufgrund des Eindringens von Luft durch Undichtigkeiten in dem Ofen oder aufgrund der Verwendung von sowohl mit Sauerstoff wie mit Luft befeuerten Brennern signifikant ausfallen können.
Ein Fortschritt beim Absenken von während der auf Sauerstoff basierenden Verbrennungsverfahren erzeugten NOx-Pegeln beteiligt das Vermischen des Oxidationsmittelstroms mit in dem Ofen vorliegenden Komponenten vor seinem Inkontaktbringen mit dem Brennstoffstrom. Obgleich die durch diese Technik erhältlichen NOx-Reduktionen ausgezeichnet sind, unterwerfen föderale und staatliche Regelungen NOx-Emissionen zunehmend strengeren Grenzwerten. Dementsprechend besteht ein anhaltender Bedarf nach Verbrennungsverfahren, die zunehmend geringere NOx-Pegel erzeugen, jedoch immer noch Industrieöfen wie z. B. solche Öfen effektiv erwärmen können, die bei der Glas- oder Stahlherstellung benutzt werden könnten.
Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Manipulieren des Verbrennungssystems für eine Reduzierung der NOx-Erzeugung.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obigen und weitere Aufgaben, die sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, die ein Verbrennungsverfahren mit verminderter NOx-Erzeugung ist, bei welchem:
(a) ein Ofen bereitgestellt wird, der Ofengase enthält, die nicht-reaktive Komponenten bei einer Temperatur enthalten, die 538ºC (1000ºF) übersteigt;
(b) an einer Brennstoffinjektionsstelle ein brennbare Stoffe enthaltender Brennstoffstrom in den Ofen eingebracht wird, wobei der Brennstoffstrom (i) eine Wirbelbewegung und/oder (ii) eine Geschwindigkeit von mindestens 100 m/s aufweist;
(c) an einer in Abstand von der Brennstoffinjektionsstelle befindlichen Oxidationsmittelinjektionsstelle ein Oxidationsmittelstrom in den Ofen eingebracht wird, wobei der Strom eine Sauerstoffkonzentration von mehr als 21 Vol.% aufweist und (i) eine Wirbelbewegung und/oder (ii) eine Geschwindigkeit von mindestens 75 m/s aufweist;
(d) der Brennstoffstrom mit Ofengasen innerhalb des Ofens gemischt wird, um einen Brennstoffreaktanten zu erzeugen, der eine Konzentration von brennbaren Stoffen von nicht mehr als 10 Vol.% aufweist;
(e) der Oxidationsmittelstrom mit Ofengasen innerhalb des Ofens gemischt wird, um einen Oxidationsmittelreaktanten zu erzeugen, der eine Sauerstoffkonzentration von nicht mehr als 10 Vol.% hat; und
(f) der Brennstoffreaktant mit dem Oxidationsmittelreaktanten zur Reaktion gebracht wird.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Stickoxide" oder "NOx" insbesondere die kombinierten Komponenten aus Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO&sub2;).
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Verbrennungsprodukte" hauptsächlich Kohlendioxid (CO&sub2;) und Wasser (H&sub2;O), kann aber auch Stickstoff (N&sub2;), Kohlenmonoxid (CO), Sauerstoff (O&sub2;), Wasserstoff (H&sub2;) und Kohlenwasserstoffe, z. B. Aldehyde, beinhalten.
Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "brennbare Stoffe" auf Komponenten, die unter den in dem Ofen vorliegenden Bedingungen an einer Verbrennungsreaktion mit Sauerstoff teilnehmen können. Zur Durchführung des Verbrennungsverfahrens in den Ofen injizierte Brennstoffkomponenten wie z. B. Methan, Butan, Propan usw. sind die Hauptkomponenten von brennbaren Stoffen. Zusätzlich können andere Komponenten, die mit Sauerstoff zur Reaktion gebracht werden können, wie z. B. Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H&sub2;) ebenfalls in dem Ofen vorliegen.
Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "nicht-reaktive Komponenten" auf in dem Ofen vorliegende Verbindungen, die mit Bezug auf die zwischen brennbaren Stoffen und Sauerstoff stattfindende Verbrennungsreaktion inert sind. Beispiele von nicht-reaktiven Komponenten beinhalten beispielsweise H&sub2;O, CO&sub2; und N&sub2;.
Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Ofengase" auf die in dem Ofen vorliegende gasförmige Atmosphäre.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Ofens, der zur Anwendung der Erfindung benutzt werden kann.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung von Ergebnissen verschiedener Tests der Erfindung.
Fig. 3-5 stellt Konzentrationsmessungen für verschiedene Komponenten in dem Ofen während verschiedener Tests der Erfindung dar.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Nachmischverbrennungsverfahren, in denen Brennstoff und Oxidationsmittel separat in eine Verbrennungskammer, beispielsweise in einen Ofen, injiziert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel durch andere Anordnungen als durch konventionelle Nachmischbrenner bereitgestellt.
Zur Auslösung des hier offenbarten Verbrennungsverfahrens muss die Verbrennungskammer oder der Verbrennungsofen eine Temperatur bereitstellen die höher als die Selbstentzündungstemperatur der beteiligten Reaktanten ist. Im allgemeinen müssen die Ofengase innerhalb des Ofens bei einer Temperatur vorliegen, die 538ºC (1000º F) übersteigt. Für eine Kombination aus Erdgas und Sauerstoff muss die Temperatur des Verbrennungsbereichs de facto beispielsweise höher als 760ºC (1400ºF) sein. Dementsprechend kann die Erfindung in Hochtemperatur-Industrieöfen wie z. B. für das Glasschmelzen, Wiedererwärmen von Stahl und anderes angewendet werden.
Obgleich die Erfindung im Kontext von auf Luft basierenden Verbrennungssystemen nützlich ist, erweist sie sich als besonders vorteilhaft für Verbrennungsverfahren, die Oxidationsmittel mit einem Sauerstoffgehalt verwenden, der höher als derjenige von Luft ist. Zum Beispiel kann die Erfindung beim Verbrennen von Sauerstoff angewendet werden, der aus kroygenen oder nicht kroygenen Luftzerlegungsquellen erhalten worden ist. Sie kann ebenfalls bei einem Verbrennen von mit Sauerstoff angereicherter Luft benutzt werden, die einen Sauerstoffgehalt über 21 Vol.% aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der bevorzugte Brennstoff gasförmig wie z. B. Erdgas, Methan, Propan, Butan, Koksofengas und andere Kohlenwasserstoffgase sowie weitere geeignete gasförmige Brennstoffe.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegen der Brennstoff und das Oxidationsmittel nahe oder genau bei der Umgebungstemperatur vor. Allerdings kann die Erfindung auch mit Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelströmen angewendet werden, deren Temperaturen höher oder beträchtlich höher liegen. Dies ist besonders vorteilhaft, da zu erwarten ist, dass das Durchführen einer auf Sauerstoff basierenden Verbrennung unter Verwendung von vorgewärmtem Oxidationsmittel und/oder vorgewärmtem Brennstoff mittels konventioneller Brenner die Flammentemperatur und somit die NOx-Emissionen erhöht. Im allgemeinen können der Brennstoff und der Sauerstoff innerhalb der Begrenzungen der Ausrüstung, des Verfahrens und der verwendeten Materialien auf jeden Temperaturpegel über der Umgebungstemperatur vorgewärmt werden. Dementsprechend kann die Erfindung zum Minimieren der NOx-Erzeugung in dem Kontext von Wärmerückgewinnungs- oder Wärmeintegrationsschemata verwendet werden, in denen der Brennstoff- und/oder die Oxidationsmittelströme vorgewärmt werden, bevor sie in den Ofen injiziert und darin verbrannt werden, wobei das Vorwärmen beispielsweise durch Wärmeaustausch mit heißen Abgasen erfolgen kann. In derartigen Fällen kann das Vorwärmen des Brennstoffs und Oxidationsmittels moderat ausfallen, z. B. auf Temperaturen von etwa 204,4ºC (400ºF) für den Brennstoff und etwa 93,3ºC (200ºF) für das Oxidationsmittel, oder es können höhere Temperaturen benutzt werden, z. B. etwa 538ºC (1000ºF) für den Brennstoff und etwa 816ºC (1500ºF) für das Oxidationsmittel. Falls erforderlich können sogar noch höhere Oxidationsmittel- und Brennstofftemperaturen wie z. B. etwa 1093ºC (2000ºF) von dem hier beschriebenen Verbrennungsverfahren bewältigt werden.
Die Erfindung offenbart ein Verbrennungsverfahren, das auf eine Absenkung der NOx-Ausbildung abzielt. Gemäß der Erfindung werden sowohl Oxidationsmittel wie Brennstoff in den Ofen auf eine Weise injiziert, die auf eine Minimierung jeglicher Verbrennungsreaktionen ausgelegt ist, bis die Konzentration von Sauerstoff und brennbaren Stoffen reduziert worden ist. In der Praxis der Erfindung wird die Verbrennungsreaktion unter Verwendung eines Oxidationsmittelreaktanten mit einer Sauerstoffkonzentration von unter 10 Vol.% und einem Brennstoffreaktanten mit einer Konzentration an brennbaren Stoffen von unter 10 Vol.% durchgeführt. Vorzugsweise wird ein Oxidationsmittelreaktant mit einer Sauerstoffkonzentration von unter 5 Vol.% und ein Brennstoffreaktant mit einer Konzentration an brennbaren Stoffen von unter 5 Vol.% benutzt. Am bevorzugtesten wird ein Oxidationsmittelreaktant mit einer Sauerstoffkonzentration von unter 2 Vol.% und ein Brennstoffreaktant mit einer Konzentration an brennbaren Stoffen von unter 2 Vol.% verwendet. Die Restkomponenten bestehen hauptsächlich aus heißen nicht-reaktiven Komponenten und in dem Fall von mit Sauerstoff befeuerten Verbrennungsverfahren sind diese hauptsächlich CO&sub2; und H&sub2;O.
Es wurde ermittelt, dass einer der zum Erhalt der hier erwünschten niedrigen Konzentrationen beitragenden Faktoren mit der Anordnung von Brennstoff- und Oxidationsmittelinjektionsstellen in Verbindung steht. Der Oxidationsmittelstrom wird an einer Stelle injiziert, die mit Abstand von der Injektionsstelle des Brennstoffstroms angeordnet ist. Im allgemeinen ist dieser Abstand größer als diejenigen Abstände, die unter Verwendung von konventionellen Nachmischbrennern verfügbar sind. Eine Anzahl an Anordnungen kann ins Auge gefasst werden, wobei beide Injektionsstellen an der gleichen Ofenwand oder an verschiedenen Wänden wie z. B. benachbarten oder einander gegenüberliegenden Wänden angeordnet werden. Befinden sie sich an der gleichen Ofenseite oder -wand, können die Injektionsstellen in jeder Richtung in Anstand voneinander vorgesehen werden, z. B. senkrecht, horizontal oder diagonal. In dem Ofen können verschiedene solche Anordnungen verwendet werden. Weiterhin können, so lange die erwünschten Konzentrationen erhältlich sind, zwei oder mehrere Oxidationsmittelinjektionsstellen für eine Brennstoffinjektionsstelle und wahlweise können zwei oder mehrere Brennstoffinjektionsstellen für eine Oxidationsmittelinjektionsstelle bereitgestellt werden.
Für Anordnungen, bei welchen sowohl Oxidationsmittel wie Brennstoff von der gleichen Wand her injiziert werden, besteht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer Anordnung der Injektionsstellen mit einem Mindestabstand von 152 mm (6 inch), von dem Mittelpunkt der Injektionsstellen aus gemessen. Es wurde ermittelt, dass geringere NOx-Emissionen durch eine Erhöhung des die Injektionsstellen voneinander trennenden Abstands erhältlich wären, wobei sich gezeigt hat, dass z. B. ein Testabstand von 610 mm (24 inch) sehr gut im Zusammenhang mit einer verringerten NOx-Ausbildung funktioniert.
Die Bereitstellung des notwendigen Abstands zwischen den Brennstoff- und Oxidationsmittel-Injektionsstellen trägt zur Sicherstellung bei, dass die Verbrennungsreaktion so lange verzögert wird, bis das Einmischen der Ofengase in den Brennstoffstrom und das unabhängige Einmischen in den Oxidationsmittelstrom die Konzentrationen von Sauerstoff und von brennbaren Stoffen auf die erwünschten Pegel absenken können.
Ein weiterer Faktor, der sich für die Bewerkstelligung der für die Erfindungsdurchführung nützlichen reduzierten Konzentrationen als wichtig herausgestellt hat, steht mit den Mitreißcharakteristika der Brennstoff- und der Oxidationsmittelströme oder -strahlen in Beziehung. Durch Injizieren von Brennstoff und Oxidationsmittel auf eine Weise, die das Mitreißen von Ofengasen in die zwei separaten Strahlen verbessert, können die Konzentrationen von Sauerstoff und von brennbaren Stoffen vor der Durchführung der Verbrennungsreaktion abgesenkt werden. Ofengase enthalten Verbrennungsprodukte (hauptsächlich CO&sub2; und H&sub2;O), brennbare Stoffe, molekularen Stickstoff (N&sub2;), Sauerstoff (O&sub2;) und weiteres. Durch ein Injizieren sowohl des Brennstoffs wie des Oxidationsmittels mit hohen Geschwindigkeiten werden die Turbulenz der zwei Ströme oder Strahlen und das Mitreißen von Ofengasen verbessert. Es steht zu erwarten, dass eine niedrige NOx-Emission für Brennstoff- und Oxidationsmittelgeschwindigkeiten in dem Bereich zwischen 0,25 und 1,0 Mach erhältlich ist. Beispielsweise kann der Brennstoffstrom mit 100 m/s übersteigenden Geschwindigkeiten und der Oxidationsmittelstrom mit 75 m/s übersteigenden Geschwindigkeiten injiziert werden.
Geschwindigkeiten, die sich für eine Durchführung der Erfindung als besonders nützlich erwiesen haben, reichen von etwa 133 m/s bis etwa 290 m/s für den Brennstoffstrahl und von etwa 200 m/s bis etwa 250 m/s für den Oxidationsmittelstrahl.
Ein gutes Mitreißen von Ofengasen in das Oxidationsmittel, den Brennstoff oder beides kann ebenfalls dadurch erhalten werden, indem der Strahlströmung eine angewinkelte oder tangentiale Komponente verliehen wird wie z. B. durch die Verwendung eines Wirbels. Techniken zur Erzeugung eines wirbelnden Fluidstroms sind beim Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann eine Wirbelbewegung dadurch vermittelt werden, dass eine Mehrzahl von Leitschaufeln in der Nachbarschaft der Injektionsstelle des Brennstoffs, des Oxidationsmittels oder beider Stoffe angeordnet wird, und für eine derartige Anordnung kann das Verwirbelungsausmaß durch ein Einstellen des Winkels der Leitschaufeln variiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können sowohl der Brennstoff wie das Oxidationsmittel eine Wirbelbewegung aufweisen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann nur einer der Strahlen über eine Wirbelbewegung verfügen, während der andere wie im wesentlichen oben erläutert mit hoher Geschwindigkeit injiziert werden kann.
Es wird angenommen, dass durch ein Injizieren von Brennstoff und Oxidationsmittel wie hier beschrieben Umwälzmuster innerhalb des Ofens ausgebildet und große Mengen von nicht-reaktiven Komponenten wie z. B. CO&sub2;, H&sub2;O und N&sub2; in den Brennstoffstrom und in den Oxidationsmittelstrom eingemischt werden. Es wird davon ausgegangen, dass diese nicht-reaktiven Komponenten zusätzlich zu ihrer Rolle bei der Bereitstellung von Wärme für die Selbstentzündung von Brennstoff und Sauerstoff den Mechanismus der NOx-Ausbildung beeinflussen. Es wird angenommen, dass die nicht-reaktiven Komponenten beispielsweise eine Wärmesenke bereitstellen, wodurch die Flammentemperatur und somit die NOx- Erzeugung abgesenkt ist, was als der thermale (Zeldovich)-Mechanismus bekannt ist. Weiterhin wird angenommen, dass durch das Absenken der Sauerstoffkonzentration mittels der Vermischung von Oxidationsmittel und Ofengasen über diesen Mechanismus ebenfalls eine geringe NOx-Erzeugung begünstigt wird.
Eine NOx-Ausbildung kann sich jedoch durch mindestens zwei weitere Mechanismen vollziehen. Der Prompt-(Fenimore) Mechanismus muss unter brennstoffreichen Bedingungen mit relativ hohen Mengen von CH-haltigen Komponenten und bei niedrigen Temperaturen und brennstoffarmen Bedingungen berücksichtigt werden, wobei die Bedeutung des N&sub2;O-Zwischenmechanismus ebenfalls erkannt worden ist.
Der Prompt-Mechanismus kann entweder zu der Ausbildung oder zu der Zerstörung von NOx-Komponenten führen. Die Bestimmung, welcher chemische Weg vorherrscht, wird durch die Komplexität dieses Mechanismus erschwert. Ohne sich auf irgendeine mechanistische Interpretation der Erfindung festlegen zu wollen, wird davon ausgegangen, dass die hier beschriebenen Verbrennungsbedingungen ebenfalls zu der Ausbildung einer brennstoffreichen Umgebung führen und eine Nettozerstörung von NOx begünstigen.
Dementsprechend scheint die Durchführung der Verbrennungsreaktion unter Verwendung niedriger Konzentrationen an Sauerstoff und brennbaren Stoffen verkoppelt mit der Ausbildung eines brennstoffreichen Verbrennungsbereichs eine Reduktion der NOx-Erzeugung zu begünstigen.
Durch die Anwendung der Erfindung wird die Verbrennung nicht auf eine intensive Flamme bei oder nahe bei der Stirnfläche eines Nachmischbrenners konzentriert, sondern vollzieht sich flammenlos und über ein relativ großes Volumen innerhalb des Ofens, was zu einer ziemlich gleichförmigen Verteilung der Wärme durch den Ofen beiträgt.
Während vorgängige Bemühungen auf das Verbrennen eines Brennstoffstroms mit einem Oxidationsmittel mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration abzielten, schließt die hier offenbarte Erfindung ein Verbrennungsverfahren ein, bei dem die Konzentration von Brennstoffkomponenten und folglich diejenige von brennbaren Stoffen, die mit den niedrigen Sauerstoffkonzentrationen zur Reaktion gebracht werden können, ebenfalls verringert sind. Weiterhin begünstigt die Ausbildung einer brennstoffreichen Reaktionszone das Absenken der NOx-Ausbildung. Die Begünstigung des Mitreißens von nicht-reaktive Komponenten enthaltenden Ofengasen in sowohl den Oxidationsmittel- wie den Brennstoffstrom sowie die Injizierung der zwei Ströme unabhängig voneinander und an räumlich voneinander getrennten Stellen tragen jeweils dazu bei, die für die Durchführung der Verbrennungsreaktion erwünschten Bedingungen zu erhalten.
Die folgenden Beispiele werden nur illustrativer Zwecke halber angeführt und verstehen sich als nicht begrenzend.
Es wurden Tests in einem zylindrischen, feuerfest ausgekleideten Ofen mit einem Innendurchmesser von 914 mm (36 inch) und einer Innenlänge von 320 cm (126 inch) durchgeführt. Der Ofen ist in Fig. 1 schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt. Die Fig. 1(a) bzw. 1(d) zeigen die vorderen und hinteren Ofenstirnflächen oder -wände, während Fig. 1(b) eine Aufsicht und Fig. 1(c) eine Seitenansicht des Ofens ist. Die vorderen und hinteren Stirnflächen des Ofens sind mit Anschlussöffnungen 11 versehen. Die Anordnungen der Anschlussöffnungen 11 sind für Anschlussöffnungen an der vorderen Stirnfläche des Ofens als 1F bis 8F und für Anschlussöffnungen an der hinteren Stirnfläche des Ofens als 1R bis 7R dargestellt. Die Seitenwand des Ofens, Fig. 1 (c), wies zusätzliche Seitenwand-Anschlussöffnungen 13 auf.
In den Anschlussöffnungen 11 angeordnete wassergekühlte Lanzen wurden zum Injizieren von Brennstoff oder Oxidationsmittel verwendet. Der typische Lanzenöffnungsdurchmesser lag zwischen 3,8 mm (0,15 inch) und 17,8 mm (0,7 inch) und jede Lanze wurde dazu verwendet, entweder Brennstoff oder Oxidationsmittel, jedoch nicht beide zusammen zuzuführen. Tests wurden für Injektionsanordnungen durchgeführt, bei welchen Brennstoff und Oxidationsmittel in den Ofen von der gleichen Ofenwand oder Stirnfläche her (gemeinsames Befeuern) oder von gegenüberliegenden Ofenwänden oder Stirnflächen her (gegenüberliegendes Befeuern) eingeleitet wurden.
Die Bedingungen für die Tests lauteten wie folgt: Die Ofenwandtemperatur wurde konstant bei etwa 1370ºK (2007 F) gehalten; die in dem Abgas gemessene Sauerstoffkonzentration betrug typischerweise zwischen 2-3 Vol.% (nass) und die Befeuerungsrate lag bei 185 kW (~0,6 mmBtu/h).
War das verwendete Oxidationsmittel reiner Sauerstoff, konnte Stickstoff durch eine oder mehrere Seitenanschlussöffnungen 13 zugeführt werden, um die Lufteindringung in einen kommerziellen Ofen oder in ein Verbrennungssystem unter Verwendung von sauerstoffangereicherter Luft zu simulieren. Bei der Variierung der Stickstoffkonzentration von 0 bis 77% wurde der Oxidationsmittel-Massendurchsatz eingestellt, um sicherzustellen, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas zwischen 2-3 Vol.% (nass) lag. Die Modifizierungen in dem Sauerstoffmassendurchsatz wurden von Veränderungen in der Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs begleitet; und während der Stickstoffgehalt in dem Ofen von 0 bis 77% variiert wurde, blieben die typischen Variationen in der Sauerstoffströmungsgeschwindigkeit unter etwa 15%.
Eine Anzahl an gemeinsam befeuernden und eine Anzahl an gegenüberliegend befeuemden Anordnungen wurden überprüft. Zwei typische Fälle sind in Fig. 2 illustriert, die eine graphische Darstellung des NOx- Energieemissionsindexes als eine Funktion der Stickstoffkonzentration ist. Der Energieemissionsindex ist als das Verhältnis der Masse an angegebenem Schadstoff (NOx) zu der zugeführten Menge an Brennstoffenergie definiert. Die rechteckigen Symbole stellen die Ergebnisse dar, die für eine gemeinsam befeuernde Anordnung (als F6F-01F bezeichnet) erhalten wurden, in der der Brennstoff (in diesem Fall Erdgas) durch die Anschlussöffnung 6F injiziert und das Oxidationsmittel, in diesem Fall technisch reiner Sauerstoff, durch die Anschlussöffnung 1F injiziert wurde. Die Kreissymbole stellen Ergebnisse dar, die mit einer gegenüberliegend befeuernden Anordnung (als F8F-03R bezeichnet) erhalten wurden, in der der Brennstoff (Erdgas) durch die Anschlussöffnung 8F und Oxidationsmittel (technisch reiner Sauerstoff) durch die Anschlussöffnung 3R injiziert wurde.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist die Abhängigkeit der NOx-Emissionen von dem Ofenstickstoff bis zu Stickstoffkonzentrationen von etwa 55% linear. Für die gemeinsam befeuernde Anordnung und Stickstoffkonzentrationen von unter 55% ist die NOx-Emission niedriger als 0,005 g/MJ (~10 ppm Luft äquiv. @ 3% O&sub2; trocken). Für die gegenüberliegend befeuernde Anordnung und Stickstoffkonzentrationen unter 55% ist die NOx-Emission höher, jedoch unter 0,012 g/MJ (~24 ppmd Luft äquiv. @ 3% O&sub2; trocken).
Im allgemeinen lagen die CO-Emissionen für sowohl die gemeinsam befeuernden wie die gegenüberliegend befeuernden Anordnungen unter 35 ppmd.
Für eine weitere Bewertung des durch das Anwenden der Erfindung stattfindenden Verbrennungsverfahrens wurden Tests zur Messung der Anwesenheit von Sauerstoff, Methan und Kohlenmonoxid und deren Verteilung in dem Ofen durchgeführt.
Für diese Tests stellten die Seitenanschlussöffnungen 13 den Zugang in das Ofeninnere bereit und ermöglichten die Einsetzung der verschiedenen Sonden, Stichproben- oder diagnostischen Instrumente. Dem Ofen wurde kein Stickstoff zugeführt, die Temperatur wurde auf etwa 1366 K (2000º F) und die Sauerstoffkonzentrationen im Abgas wurden auf zwischen 2-3 Vol.% (nass) gehalten.
Gasproben wurden aus dem Ofenabgas durch einen wassergekühlten Fühler aus rostfreiem Stahl und ein auf Vakuumpumpen basierendes Stichprobensystem extrahiert. Nach der Entfernung des Wassers wurde die Probe hinsichtlich CO&sub2;, CO, NO und O&sub2; analysiert. Das Molekulargewicht von NO&sub2; wurde zur Berechnung sämtlicher geeigneter Emissionsindizes verwendet. Der Wassergehalt in der Probe wurde aus einem Wasserstoffatomgleichgewicht berechnet.
Weiterhin wurden Gasproben von dem Ofeninneren extrahiert. Wassergekühlte rechtwinkelige Fühler wurden zum Extrahieren von Gasproben aus Bereichen innerhalb der Brennstoff oder Oxidationsmittelstrahlgrenze und wassergekühlte gerade Stichprobenfühler wurden zum Extrahieren von Gasproben aus anderen Stellen in dem Ofeninneren verwendet.
Wie in Fig. 2 dargestellt wurden etwas niedrigere NOx-Pegel durch das "gemeinsame Befeuern" im Vergleich zu dem gegenüberliegenden Befeuern in dem hier beschriebenen Ofen erzeugt. Die Überwachung der in dem Ofen befindlichen Komponenten ergab, das die zwei Anordnungen ebenfalls unterschiedliche O&sub2;-, CO- und CH&sub4;-Verteilungsmuster durch den Ofen bewirkten.
Wurde eine gegenüberliegend befeuernde Anordnung F6F-01R getestet (in der Brennstoff und Oxidationsmittel durch einander diagonal gegenüberliegende bzw. angeordnete Lanzen bei Anschlussöffnungen 6F und 1R injiziert wurde), zeigten die Fühler im Ofen eine sauerstoffreiche Umgebung durch den größten Teil des Ofenvolumens an. In verschiedenen Ofenbereichen war die O&sub2;-Konzentration tatsächlich höher als die an dem Abgas gemessene Konzentration (2,15 Vol.% nass). Die ermittelte O&sub2;-Konzentration in der Nachbarschaft des Brennstoffstrahls lag bei etwa 5%.
In dem größten Teil des Ofens lagen keine CO- und CH&sub4;-Komponenten vor, und messbare Pegel dieser Komponenten konnten nur in der die Brennstoffinjektionsstelle aufweisenden Ofenebene ermittelt werden.
Die Fig. 3-5 stellen die für eine gemeinsam befeuernde Anordnung F6F-01F erhaltenen Ergebnisse dar, wobei der Brennstoff und das Oxidationsmittel durch die Anschlussöffnungen 6F bzw. 1F injiziert wurden. Die Anwesenheit der verbrennungsrelevanten Komponenten ist durch Konturpegel entlang unteren, mittleren und oberen Ebenen illustriert, die horizontal durch den Ofen gelegt sind. Für jede Ofenebene sind die gemessenen Konzentrationen durch schwarze Punkte zusammen mit dem jeweils gemessenen Wert angezeigt. Die Fig. 3-5 geben ebenfalls die Anordnung der Brennstoff- und Sauerstoff-Injektionsstellen sowie die Anordnung des Abzuges wieder.
Fig. 3 stellt dar, dass Sauerstoff über ein großes Volumen in dem Ofen hinweg nicht vorlag und die messbaren Sauerstoffpegel in der oberen Ebene mit einer Abgassauerstoffkonzentration von 2,82 Vol.% nass konzentriert waren.
Fig. 4 illustriert die Anwesenheit von CO über große Bereiche des Ofens hinweg, wobei der jeweilige Schwerpunkt auf den unteren und mittleren Ofenebenen liegt.
Ebenfalls wurden messbare Methanpegel über ein großes Volumen des Ofens ermittelt, was in Fig. 5 dargestellt ist.
Diese Experimente legen nahe, dass eine erhöhte NOx-Reduktion erhalten werden kann, wenn vor der Durchführung der Verbrennungsreaktion das Einmischen von Ofengasen in den Oxidationsmittelstrom und in den Brennstoffstrom maximiert wird, wodurch die Konzentrationen von Sauerstoff und brennbaren Stoffen in den Oxidationsmittel- bzw. den Brennstoffreaktant abnehmen. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass die Bewerkstelligung einer CH-Komponenten enthaltenden brennstoffreichen Zone innerhalb des Ofenvolumens zu einer Reduktion der NOx-Ausbildung beitragen kann.

Claims

1. Verbrennungsverfahren mit verminderter NOx-Erzeugung, bei welchem:

(a) ein Ofen bereitgestellt wird, der Ofengase enthält, die nicht-reaktive Komponenten bei einer Temperatur enthalten, die 538ºC (1000º F) übersteigt;

(b) an einer Brennstoffinjektionsstelle ein brennbare Stoffe enthaltender Brennstoffstrom in den Ofen eingebracht wird, wobei der Brennstoffstrom (i) eine Wirbelbewegung und/oder (ii) eine Geschwindigkeit von mindestens 100 m/s aufweist;

(c) an einer in Abstand von der Brennstoffinjektionsstelle befindlichen Oxidationsmittelinjektionsstelle ein Oxidationsmittelstrom in den Ofen eingebracht wird, wobei der Oxidationsmittelstrom eine Sauerstoffkonzentration von mehr als 21 Vol.% aufweist und (i) eine Wirbelbewegung und/oder (ii) eine Geschwindigkeit von mindestens 75 m/s aufweist;

(d) der Brennstoffstrom mit Ofengasen innerhalb des Ofens gemischt wird, um einen Brennstoffreaktanten zu erzeugen, der eine Konzentration von brennbaren Stoffen von nicht mehr als 10 Vol.% aufweist;

(e) der Oxidationsmittelstrom mit Ofengasen innerhalb des Ofens gemischt wird, um einen Oxidationsmittelreaktanten zu erzeugen, der eine Sauerstoffkonzentration von nicht mehr als 10 Vol.% hat; und

(f) der Brennstoffreaktant mit dem Oxidationsmittelreaktanten zur Reaktion gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Oxidationsmittelinjektionsstelle sich in der gleichen Ofenwand befindet wie die Brennstoffinjektionsstelle.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Oxidationsmittelinjektionsstelle sich in einem Abstand zu der Brennstoffinjektionsstelle von mindestens 152 mm (6 inch) befindet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Oxidationsmittelinjektionsstelle und die Brennstoffinjektionsstelle an unterschiedlichen Ofenwänden angeordnet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem eine Mehrzahl von Brennstoffströmen in den Ofen injiziert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem eine Mehrzahl von Oxidationsmittelströmen in den Ofen injiziert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der in den Ofen eingebrachte Brennstoffstrom auf eine Temperatur vorgewärmt wird, die über der Umgebungstemperatur liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der in den Ofen eingebrachte Oxidationsmittelstrom auf eine Temperatur vorgewärmt wird, die über der Umgebungstemperatur liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem sowohl der Brennstoffstrom als auch der Oxidationsmittelstrom eine Wirbelbewegung ausführen.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem nur der Brennstoffstrom oder nur der Oxidationsmittelstrom eine Wirbelbewegung ausführt.