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Diese Erfindung bezieht sich auf
ein Verbrennungsverfahren, insbesondere auf Verbrennungsverfahren,
welche die Erzeugung von Stickoxiden (NOX) minimieren, und auf eine
Einrichtung hierzu. Es besteht seit langem ein Bedürfnis zur
Verringerung oder Minimierung der Emission von Verunreinigungsstoffen
wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO), NOX, flüchtige organische Verbindungen
(VOC), Dioxine, Ruß und
dgl., die während
der Verbrennung von Brennstoffen verursacht werden. In den letzten
Jahren war die Umweltgesetzgebung eine beständige Triebkraft, obwohl in
letzter Zeit die Verringerung schädlicher Emissionen mit gesteigerter
Verbrennungseffizienz gekoppelt wurde.
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Kommerzielle Verbrennungssysteme
haben sich auf drei Hauptverfahren zur Beherrschung von Emissionen
konzentriert: Die Verringerung der Bildung von Schadstoffen in der
Flamme, die Begünstigung
der Zerstörung
von Schadstoffen in der Flamme, und die externe Zerstörung von
Schadstoffen. Jedes dieser Verfahren hat sowohl Vorteile als auch
Nachteile.
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Verschiedene Verfahren (die alle
auf der kinetischen Steuerung der Bildung eines bestimmten Schadstoffs
beruhen) sind eingesetzt worden, um die Erzeugung von Spezien wie
beispielsweise NOX, CO, verschiedene aromatische und polyzyklische
Kohlenwasserstoffe, in der Flamme zu begrenzen. Eine besonders bekannte
Praxis zum Verringern von NOX-Emissionen ist das "Stufenverfahren", ein Verfahren,
wobei entweder der Brennstoff oder das Oxidationsmittel stufenweise
in verschiedene Teile der Brennzone bzw. Flamme zugeführt wird,
siehe beispielsweise die Dokumente DE-A-43 43 090, US-A-5 387 100
und US-A-5 415 114. Bei dem Stufenverfahren wird die Brennzone in
separate Bereiche (gewöhnlich
zwei) mit verschiedenen örtlichen
Stöchiometrien
unterteilt, in welchen die Bildungsrate gewisser Schadstoffe (insbesondere
NOX) sehr klein ist. Obwohl dies bei der Verringerung von NOX-Emissionen
wirksamen ist, hat das Stufenverfahren aufgrund seiner schlechten
Flammenstabilität
und Mischung und daher schlechter Verbrennungseffizienz und Temperaturverteilung
sowie beschränkter
Drosselmöglichkeit
seine Grenzen. Dementsprechend stellen die meisten Stufenverfahren
nur einen Kompromiß zwischen
ausreichender Mischung und Emissionsverringerung dar.
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Der Abbau von Schadstoffen in der
Flamme ist nicht sehr üblich,
was auf der schlechten Kenntnis der chemischen Reaktionen der Spezien
in der Flamme und ihrer Reversibilität beruht. Ein Verfahren, das
mit einer Abbautechnik in der Flamme arbeitet, umfasst die Rußbildung
und dessen Abbau. Hier wird die Rußbildung in der Flamme begünstigt,
hauptsächlich
im Sinne einer Steigerung der Strahlungswärmeübertragung, aber auch zur Verringerung
der Abbildung anderer Schadstoffe, und der Ruß wird, bevor er die Flamme
verlassen kann, durch Oxidationsmittel wie beispielsweise Sauerstoff
oder OH-Radikale zerstört.
Es hat auch begrenzte Versuche zum Demonstrieren der Zerstörung von
Spezien die beispielsweise NOX in der Flamme durch Einblasen aktiver
Chemikalien die beispielsweise Harnstoff in die Flamme gegeben.
Insgesamt wird die Schadstoffzerstörung in der Flamme jedoch in
der kommerziellen Verbrennung nicht verbreitet praktiziert.
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Die externe Schadstoffvernichtung
wird ziemlich verbreitet angewendet wegen ihrer relativen Einfachheit
und ihrer Unabhängigkeit
von dem jeweils verwendeten Verbrennungssystem. Im allgemeinen werden
aktive Chemikalien in die heißen
Abgase eingeleitet, bevor oder nachdem sie die Brennkammer bzw.
den Ofen verlassen. Die angewendeten Verfahren umfassen die Ammoniakeinleitung
zur NOX-Vernichtung, externes "Nachverbrennen" unter Verwendung
von Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise Methan, und Sauerstoffeinleitung
zur Oxidation von CO und flüchtiger
organischer Verbindungen. Die Nachteile solcher Verfahren liegen
darin, daß die
kostspielig und ineffizient sind, weil sie gerade wegen ihrer Natur
reaktiv sind, da selbst die meisten modernen Systeme auf einem Abgasanalysator
zur Steuerung der Menge und der Einleitungsrate von Chemikalien
in Abhängigkeit
von der erfassten Schadstoffkonzentration beruhen.
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Die vorliegende Erfindung beinhaltet
daher ein Verbrennungsverfahren, das durch folgende Schritte gekennzeichnet
ist:
- a) Sorgfältiges Mischen von Strömungen eines
ersten Fluidbrennstoffs und eines ersten Fluidoxidationsmittels
zum Erzeugen eines ersten, im wesentlichen homogenen, substöchiometrischen
Stroms, der bei Umgebungsdruck nahe an oder unterhalb der unteren
Entflammbarkeitsgrenze ist,
- b) sorgfältiges
Mischen von Strömungen
eines zweiten Fluidbrennstoffs und eines zweiten Fluidoxidationsmittels
zum Erzeugen eines zweiten, im wesentlichen homogenen, überstöchiometrischen
Stroms, der bei Umgebungsdruck nahe an oder oberhalb der oberen
Entflammbarkeitsgrenze ist,
- c) Verbrennen des ersten und des zweiten Stroms getrennt und
im wesentlichen gleichzeitig zum Erzeugen erster und zweiter Verbrennungsprodukte,
wobei die Verbrennung des zweiten Stroms unterstützt wird,
- d) sorgfältiges
Mischen der ersten und zweiten Verbrennungsprodukte, während diese
sich Düsenmitteln annähern und
durch diese hindurchgelangen, um einen im wesentlichen homogenen
gemischten Strom zu erzeugen, und
- e) bewirken der Verbrennung des gemischten Stroms stromab der
genannten Düse,
wodurch die ersten und zweiten Fluidbrennstoffe im wesentlichen
verbrannt werden.
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Ein signifikanter Vorteil eines solchen
Verfahrens ist seine Fähigkeit
zur Verringerung von Emissionen auf sogenannte "ultraniedrige" Pegel. Für NOX liegt diese Grenze unterhalb
10 ppm und kann mit herkömmlichen
Verbrennungsverfahren nicht erreicht werden.
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Um ultraniedrige Emissionen zu erreichen,
beruht das Verfahren nach der Erfindung auf der Verbrennung eines
Brennstoffs (gasförmig,
flüssig
oder fest) mit einem Oxidationsmittel (Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherte
Luft) in zwei separaten räumlichen
Bereichen oder Zonen mit verschiedenen Stöchiometrien. (Das stöchiometrische
Verhältnis
ist als das Verhältnis
zwischen dem tatsächlichen
Brennstoff/Oxidationsmittel-Verhältnis
und dem für
eine vollständige
Verbrennung benötigten
Brennstoff/Oxidationsmittel-Verhältnis
definiert. Im Falle von Methan umfasst das stöchiometrische Gemisch für eine vollständige Verbrennung
etwa 33% Methan in Sauerstoff, das stöchiometrische Verhältnis eines
ein Volumenteil Methan zu 2 Teilen Sauerstoff enthaltenden Gemischs
hat also den Wert 1. Ein substöchiometrisches
(bzw. reiches) Gemischs enthält
weniger Oxidationsmittel als die für eine vollständige Verbrennung
theoretisch erforderliche Menge und hat ein stöchiometrisches Verhältnis von
mehr als 1. Für
ein überstöchiometrisches
(bzw. mageres) Ge misch trifft das umgekehrte zu. Bei dieser Erfindung
sind die tatsächlichen
Stöchiometrien
in jeder Zone verschieden, und jede Zone hat eine spezifische Funktion.
Eine Zone dient zum Verbrennen eines substöchiometrischen Gemischs aus
Oxidationsmittel und Brennstoff nahe bei oder an der unteren Entflammbarkeitsgrenze,
während
die andere separate Zone zum Verbrennen eines überstöchiometrischen Gemischs an
oder sogar oberhalb der oberen Entflammbarkeitsgrenze und zur Stabilisierung
der Flamme darin benutzt wird. Am Schluß der Verbrennung in jeder
Zone werden die Gemische der jede Zone verlassenden heißen Produkte
außerhalb
der Zonen vermischt, um eine abschließende Flamme zu erzeugen und
eine vollständige
Verbrennung zu erreichen, während
ultraniedrige Emissionswerte erreicht werden.
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Unter gegebenen Umgebungsbedingungen
gibt es eine obere (oder reiche) und (untere) oder (magere) Entflammbarkeitsgrenze,
und innerhalb dieser Grenzen kann eine Selbstfortpflanzung einer
Flamme nur nach dem Zünden
des Gemischs auftreten. Beispielsweise wird die untere Entflammbarkeitsgrenze
von Methan in Luft oder Sauerstoff bei etwa 5% Methan erreicht.
Die obere Grenze liegt bei etwa 15% Methan für Luft und 61% Methan für Sauerstoff.
Bei Raumtemperatur und atmosphärischem
Druck (eine Atmosphäre
bzw. 1,013 bar oder 7,6 × 102 Torr, oder 1,013 × 105 Pa,
oder 1,033 kgf cm–2) in einer Sauerstoffatmosphäre pflanzt sich
keine Flamme fort, wenn dort weniger als 5% oder mehr als 61% Methan
vorhanden ist. Dies definiert auch die Sicherheitsgrenzen von Methan/Sauerstoff-Gemischen.
Im allgemeinen werden die Entflammbarkeitsgrenzen mit zunehmendem
Druck/oder zunehmender Temperatur erweitert. Sehr vorzugsweise liegen
die Zusammensetzungen der mageren und reichen Ströme, wenn
sie nicht damit zusammenfallen, sehr nahe an der relevanten Entflammbarkeitsgrenze,
grundsätzlich
so, daß die
ultraniedrigen Emissionswerte erreicht werden, aber auch so, daß Probleme
der Flammenfortpflanzung minimiert werden, wenn die Zusammensetzung
oberhalb der oberen Entflammbarkeitsgrenze oder unterhalb der unteren
Entflammbarkeitsgrenze liegt. Für
Sauerstoff/Methan-Gemische liegen die Zusammensetzungen z. B. vorzugsweise
zwischen etwa 3% und 6% und zwischen etwa 61% und 68%.
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Ein stöchiometrisches Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisch
erzeugt bei der Verbrennung einen großen Anteil an Kohlendioxid
(CO2) und Wasser (im Falle von Methan/Sauerstoff)
und zeigt die höchste
mit solchen Gemischen erreichbare Flammentemperatur (in der Pra xis
findet sich die maximale Temperatur beim Verbrennen von Gemischen
geringfügig
oberhalb des stöchiometrischen
Verhältnisses
(d. h. das stöchiometrische
Verhältnis
ist geringfügig
größer als
1) aufgrund kinetischer Effekte). Wenn das zu verbrennende Gemisch
markant unterstöchiometrisch
ist, werden niedrigere Temperaturen erreicht, wobei die niedrigsten
Temperaturen an den Entflammbarkeitsgrenzen auftreten (die Flammentemperaturen
an den Entflammbarkeitsgrenzen können
bis herunter zu 1.200°C
oder weniger betragen). An den Flammbarkeitsgrenzen beschränken kinetische
Effekte die Flammenfortpflanzung aufgrund der sehr niedrigen Flammentemperaturen
sowie auch durch Verdünnungseffekte
und Enthalphieveränderung
des Gemischs. Bei dem Verfahren nach der Erfindung erzeugen die
in jeder Zone benutzten Gemische Flammen mit den für einen
bestimmten Brennstoff niedrigst möglichen Temperaturen. Dies
bedeutet, daß die
Einrichtung nach der Erfindung von relativ einfacher Auslegung und
Konstruktion sein kann, ohne komplexe Kühlsysteme oder spezielle hochtemperaturbeständige Materialien
zu benötigen.
Darüberhinaus
ist bekanntermaßen
die Bildung von Schadstoffen wie beispielsweise NOX und Ruß sehr stark
von der Temperatur abhängig.
Die Niedrigtemperaturverbrennung der unter- und überstöchiometrischen Ströme hemmt
nicht nur die Bildung solcher Schadstoffe, sondern sie begrenzt
auch die Bildung der Vorläufer
derselben, so daß die
nachfolgende Verbrennung der Verbrennungsprodukte der Ströme sehr
wenige solcher Schadstoffe erzeugt.
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Wie oben erwähnt, ist die Flammenfortpflanzung
schwierig bei Gemischen an den Flammbarkeitsgrenzen, und in jeder
Zone müssen
Probleme der Flammenstabilität,
der Flammenstreckung und des Ausblasens behandelt werden. Oberhalb
der oberen Flammbarkeitsgrenze ist es notwendig, eine Flamme beispielsweise mittels
einer Pilotflamme oder eines Funkenzündsystems positiv zu unterstützen. Ähnliche
Maßnahmen
sind manchmal unterhalb der unteren Flammbarkeitsgrenze notwendig,
obwohl in der Praxis bei Sauerstoff/Methan-Gemischen sich überraschenderweise gezeigt
hat, daß Flammen
sich auch unterhalb der unteren Flammbarkeitsgrenze fortpflanzen,
wobei lediglich intermettierende Wiederzündung notwendig ist. Um die
magere und die reiche Flamme zu stabilisieren, ist es notwendig,
den Brennstoff und das Oxidationsmittel vor der Verbrennung in der
jeweiligen Zone vollständig
zu vermischen, so dass die Verbrennung erst beginnt, wenn ein sorgfältig vermischter,
im wesentlichen homogener Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemischstrom
erreicht worden ist.
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Diese sorgfältige Vermischung kann durch
Einleiten des Mediums mit der niedrigeren Massenströmungsrate
in die Strömung
des Mediums mit der höheren
Massenströmungsrate
erreicht werden. Im Fall eines substöchiometrischen Stroms würde also
der Brennstoff in das Oxidationsmittel eingeleitet, das dann als
Trägergas
dienen würde.
Das umgekehrte gilt für
einen überstöchiometrischen
Strom. Das Einleiten erfolgt mit einem sehr hohen Geschwindigkeitsverhältnis zwischen
Brennstoff und Sauerstoff von vorzugsweise oberhalb 60 : 1 und bis
zu 100 : 1, so daß eine
intensive Durchmischung in kurzer Zeit und über eine kurze Distanz erreicht
wird.
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Das Mischen kann durch Hinzufügen einer
Scherwirkung durch Aufprägen
gegensinnig drehender Wirbel auf die Gase noch weiter verbessert
werden. Für
den Fachmann ist klar, daß es
zahlreiche Wege der Förderung
der notwendigen Turbulenz und/oder Scherung beim Kombinieren der
Strömungen
des Brennstoffs und des Oxidationsmittels gibt, um eine sorgfältige Durchmischung
sicherzustellen, beispielsweise durch Einleiten von Brennstoff oder
Oxidationsmittel in den turbulentesten Bereich, Fördern von
gegensinnig drallbehafteten Strömungen,
direktes Aufeinanderprallen der Strömungen, Rezirkulation von Strömungen um
einen stumpfen Körper,
oder eine Kombination dieser Möglichkeiten.
Für magere
Gemische sind kleine Zündenergien
notwendig, und ein Funke ist üblicherweise
zum Zünden
dieser Gemische ausreichend. Um eine ausreichende Verbrennungsintensität zu erreichen,
muß die
Verweilzeit soweit wie möglich
gesteigert werden. Verweilzeiten von mindestens 100 ms sind bevorzugt,
um für
die gegebene Temperatur nahe an die Gleichgewichtszusammensetzung
zu kommen.
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Das Problem der Flammenstabilität in der
substöchiometrischen
bzw. reichen Zone wird unter Verwendung eines ähnlichen Ansatzes wie bei der
mageren Zone behandelt. Brennstoff und Sauerstoff werden schnell über eine
sehr kurze Distanz vermischt. Dieses Mal würde das Oxidationsmittel in
den Brennstoffstrom eingeleitet, der dann als Trägerstrom dient. Die Flammenstabilisierung
erfolgt analog zum überstoichiometrischen
Fall.
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Reiche Flammen werden in der Industrie
zur Erzeugung von CO und H2 (Wasserstoff)
sowie von Ruß/Rußschwarz
verwendet. Die meisten industriellen Anwendungen setzen die Gemischzusammensetzung gerade
unterhalb der stöchiometrischen
Grenze. Probleme mit der Flammenstabilität und der Steuerung der Produktverhältnisse
treten bei Zusammensetzungen auf, die näher an der unteren Flammbarkeitsgrenze
liegen. Die Bildung großer
polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe sowie von Ruß sind wegen
ihrer krebserregenden Eigenschaften für die meisten Anwendungen unerwünscht. Andererseits
ist es bekannt, daß reiche
Gemische dazu neigen, die NOX-Bildung durch die umgekehrte Reaktion
von NO und NO2 zu HCN und N2 (Stickstoff).
Mit Hilfe von unter diesen Bedingungen vorhandenen Kohlenwasserstoffradikalen
zu unterdrücken.
Diese Erfindung macht sich diese Tatsache zu nutze, vermeidet aber
die Erzeugung von Ruß und
flüchtigen
organischen Verbindungen.
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Ein nicht ausreichend nahe an der
oberen Flammbarkeitsgrenze befindliches Gemisch erzeugt große Mengen
flüchtiger
organischer Verbindungen und Ruß,
wenn es verbrannt wird. Die Bildung dieser Spezien wird sowohl thermodynamisch
als auch kinetisch gesteuert und zeigt eine starke Temperaturabhängigkeit.
Die Rußbildung
insbesondere beginnt bei etwa 1.200°C bis 1.400°C, je nach dem Brennstoff und
den Bedingungen. Diese Erfindung beschreibt daher ein Verfahren
zum Verbrennen reicher Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemische unterhalb
dieses Temperaturbereichs. Dies kann durch Verbrennen von Gemischen
erreicht werden, die entweder sehr nahe bei oder an der oberen Grenze
oder sogar oberhalb der oberen Grenze liegen. Flammen, die unterhalb
der oberen Flammbarkeitsgrenze erhalten werden, werden als kühle (oder
kalte) Flammen wegen ihrer sehr niedrigen Temperatur bezeichnet.
Die in diesen Flammen beobachteten Temperaturen liegen deutlich
unterhalb 1.000°C,
und unter solchen Bedingungen ist die Verbrennungsrate sehr langsam.
Die Stabilisierung solcher Flammen kann unter Verwendung des oben
erwähnten
Verfahrens erreicht werden, aber die Zündung kann durch eine kontinuierliche
Wärmequelle
mit einer Temperatur zwischen 600°C
und 1.000°C unterstützt werden.
Für diesen
Zweck wird eine kleine Menge Sprengstoff und Oxidationsmittel umgeleitet
und als Pilotflamme für
die reiche Zone verwendet. Eine sehr kleine Brennstoffmenge wird
für diese
Pilotflamme benötigt,
gewöhnlich
reicht 1/100 der Gesamtströmung
aus. Während
der normale Flammenbereich sich annähernd auf etwa das theoretische
Gemisch für
eine vollständige
Verbrennung (stoichiometrisches Gemisch) zentriert, zentriert sich
der kalte Flammenbereich um die bei langsamer Verbrennung am meisten
reaktiven Zusammensetzungen.
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Das Verfahren nach der Erfindung
umfasst auch eine Mischzone, die stromab der Verbrennungszonen gelegen
ist, und durch eine Düse
gebildet wird. Hier werden die heißen Flammengase aus jeder Verbrennungszone
vermischt, um eine vollständige
Verbrennung zu erzielen. Da die Vorläufer der Schadstoffspezien
nicht gebildet worden sind und sichergestellt worden ist, daß das Gemisch
vollständig
homogen ist, können
ultraniedrige Emissionspegel erreicht werden. Die Funktion der Düse besteht
darin, einen Ankerpunkt für
die Flamme zu schaffen und die Flamme selbst aerodynamisch zu formen.
Eine homogene Vermischung kann durch verschiedene Verfahren erreicht
werden, wie beispielsweise durch Mitteilen einer Drallbewegung auf
die einzelnen Strömungen
oder durch Einstellen eines von 1 : 1 verschiedenen Geschwindigkeitsverhältnisses.
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Ein weiterer signifikanter Vorteil
dieser Erfindung ist die Fähigkeit,
gewisse Gasgemische zu erzeugen. Es ist möglich, Verbrennungsprodukte
aus der reichen Zone abzuziehen, beispielsweise spezifische Gemische von
CO/H2/N2/CO2, die von besonderem Nutzen für die Metallindustrie
sind, oder andere Gemische für
andere Anwendungen, und diese Erfindung ermöglicht eine neue und billige
Weise der Erzeugung solcher Gemische aus irgendeinem Kohlenwasserstoff
oder sonstigem Brennstoff ohne Erzeugung von Ruß und bei brauchbaren Temperaturen.
Um das abgezogene Gasgemisch zu kompensieren, müssten die Massenströmungsraten
eines Stroms oder beider Ströme
idealerweise behandelt werden, um eine vollständige Verbrennung in dem stromabwärtigen Verbrennungsschritt
sicherzustellen.
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Die Erfindung wird nunmehr beispielshalber
und unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in
welchen zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Brenners zum
Ausführen des
Verbrennungsverfahrens nach der Erfindung,
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2 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines solchen Brenners,
und
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die 3a bis 3d schematische Darstellungen
verschiedener Geräte
zum Mischen eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in mageren
oder reichen Verhältnissen.
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Der Brenner 2 in 1 weist zwei Brennkammern 4, 6 auf,
die hier in einer einzigen Kammer 8 durch Unterteilung
mittels einer Trennplatte 10 gebildet dargestellt sind,
und mit einer einzigen gemeinsamen Düse 12, aus welcher
eine abschließende
Flamme 14 ausgetragen wird. Strömender Brennstoff F und Oxidationsmittel
O werden zu Mischgeräten 16 zugeführt, die
innerhalb jeder der Brennkammern angeordnet sind.
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Die Zufuhren von Brennstoff und Oxidationsmittel
erfolgen derart, daß ein
sehr "mageres" Gemisch zum Mischgerät 16 in
der Kammer 4 zugeführt
wird, und ein sehr "reiches" Gemisch zum Mischgerät 16 in
der Kammer 6 zugeführt
wird. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden sorgfältig in
jedem Gerät 16 gemischt,
und, wenn sie daraus austreten, gezündet und verbrannt. Die Verbrennung
wird in solchem Maße
vervollständigt,
daß sämtliches
zu jeder Kammer zugeführtes
Oxidationsmittel innerhalb dieser Kammer aufgebraucht wird; heiße Verbrennungsprodukte
einschließlich
unverbrannter Oxidationsmittel werden aus der mageren Kammer 4,
und heiße
Verbrennungsprodukte einschließlich
unverbrannten Brennstoffs aus der reichen Kammer 6 ausgetragen.
Diese Ströme
werden vermischt, während
sie sich der Düse 12 nähern und
durch diese hindurchpassieren, bevor die Verbrennung in der Endflamme 14 vervollständigt wird.
Die Mengen von Brennstoff und Oxidationsmittel werden nicht nur
so gewählt,
daß eine
Verbrennung im Bereich der oberen und unteren Flammbarkeitsgrenzen
in den jeweiligen Kammern 6, 4 erfolgt, sondern
auch so, daß für die Endflamme 14 ein
vorgegebenes Brennstoff/Oxidationsmittel/Verhältnis erhalten wird. Dieses
Verhältnis
kann im wesentlichen stöchiometrisch
sein, oder es kann anders sein – manchmal
ist es wünschenswert,
schwach oxidierende oder reduzierende Bedingungen zu schaffen. Dies
minimiert die Erzeugung schädlicher
Emissionen aufgrund der niedrigen Temperaturen in jeder der Brennkammern
(was die Bildung von NOX und Vorläufern hiervon unterdrückt) und
durch die stöchiometrische
Natur der abschließenden
Verbrennung.
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Die folgenden Beispiele illustrieren
die Wirksamkeit der Verbrennung gemäß dieser Erfindung (wobei alle
Anteile als trockene Volumenprozent angegeben sind):
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Bezugnehmend nun auf 2 ist ein Brenner 2' dargestellt,
der viele Merkmale ähnlich
denjenigen des Brenners 2 nach 1 hat. Die Merkmal in 2, die vollständig identisch mit denjenigen
in 1 sind, sind nachstehend
mit der gleichen Bezugszahl bzw. dem gleichen Buchstaben bezeichnet;
Bezugszahlen mit einem ' bezeichnen
Merkmale mit ähnlicher
Funktion, aber anderer Konfiguration. Wie man sieht, hat der Brenner " keine körperliche
Trennmittel wie die Platte 10 in 1. Stattdessen werden getrennte magere
und reiche Verbrennungszonen 4', 6' innerhalb der Kammer 8' dadurch erzeugt,
daß die
getrennten Flammen aus jedem Mischgerät 16 erzeugt werden,
wie auf dem Fachgebiet bekannt ist.
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Jedes der Mischgeräte 16 in
den 1 und 2 ist als mit einem Flammenzünder/Stabilisator 18 ausgestattet
dargestellt. Dies ist notwendig sowohl zum anfänglichen Zünden der Flamme als auch zur
Ausbreitung der Flamme jenseits der Flammbarkeitsgrenze. In der
Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß die Flammenausbreitung unterhalb
der unteren Flammbarkeitsgrenze kein Problem darstellt. Die üblichste
Form des Stabilisators ist eine Pilotflamme, die durch sehr kleine
Mengen des Brennstoffs und des Oxidationsmittels betrieben wird,
die von der Zufuhr zum jeweiligen Mischgerät 16 abgezweigt werden.
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Die 3a bis 3d zeigen unterschiedliche
Geräte
zur sorgfältigen
Durchmischung von Brennstoff und Oxidationsmittel, die zur Verwendung
bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind. In allen Fällen sind
die Strömungen
von Brennstoff F und Oxidationsmittel O lediglich für die verwendeten
Techniken illustrativ und könnten
ausgetauscht werden.
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Das Mischgerät 16a arbeitet nach
dem Prinzip des Einleitens von Brennstoff F in den turbulentesten Bereich 20 der
Sauerstoffströmung
O, die hier an einem stumpfen Körper 22 vorbeiströmt.
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Das Mischgerät 16b weist gegensinnig
gerichtete Schaufeln oder Flügel 24, 26 auf,
um gegensinnig drehende Ströme
aus Brennstoff F und Sauerstoff O zu erzeugen; die Drall bewegung
der Strömungen
erzeugt eine sorgfältige
Durchmischung. Das Mischgerät 16c arbeitet
durch direktes Auftreffen der Strömungen aus Brennstoff F und
Oxidationsmittel O, die durch Leitungen 28 herbeigeführt werden,
die so angeordnet sind, daß sie
die Strömungen
konvergierend zusammenleiten.
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Schließlich weist das Mischgerät 16d einen
stumpfen Körper 30 auf,
auf den ein direktes Auftreffen der gesondert, aber im wesentlichen
parallel herbeigeführten
Strömungen
von Brennstoff F und Oxidationsmittel O stattfindet. Beim Passieren
des Körpers 30 werden
diese Strömungen
sorgfältig
durchmischt.
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Viele alternative Mischgeräte, wie
beispielsweise Kombinationen des oben beschriebenen, sind für den Fachmann
ersichtlich. Außerdem
ist die vorliegende Erfindung, obwohl sie insbesondere mit Bezug
auf Methan beschrieben wurde, für
jeden strömenden
Brennstoff anwendbar, wie beispielsweise ein Gas oder ein zerstäubter Strom
eines flüssigen
Brennstoffs, und auf Sauerstoff-angereicherte Luft, Luft oder irgendein
anderes strömendes
Oxidationsmittel.
