EP0602396B1 - Verfahren zum Betrieb eines Wärmeerzeugers - Google Patents

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EP0602396B1
EP0602396B1 EP93118406A EP93118406A EP0602396B1 EP 0602396 B1 EP0602396 B1 EP 0602396B1 EP 93118406 A EP93118406 A EP 93118406A EP 93118406 A EP93118406 A EP 93118406A EP 0602396 B1 EP0602396 B1 EP 0602396B1
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EP
European Patent Office
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zone
combustion
burner
air
fuel
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP93118406A
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English (en)
French (fr)
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EP0602396A1 (de
Inventor
Jürgen Dr. Haumann
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Alstom SA
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
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Filing date
Publication date
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Publication of EP0602396A1 publication Critical patent/EP0602396A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0602396B1 publication Critical patent/EP0602396B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • a staged combustion is used when using nitrogenous fuels such as heavy oil, coal etc.
  • nitrogenous fuels such as heavy oil, coal etc.
  • This combustion is a process in which a process medium is heated in two stages.
  • the fuel oil and gas premixed with air in a combustion device is partially burned sub-stoichiometrically with an air ratio of 0.5-0.98 in a pre-combustion chamber which functions as a first stage.
  • the partially burned, low-nitrogen oxide mixture reaches a temperature of 1800-1900 ° C and heats the process medium, which has already been preheated to an intermediate temperature, to its final temperature in a heat exchanger placed at the transition to an afterburning zone.
  • air injection area of the process heat generator air is added to the partially combusted mixture in a stoichiometric ratio with respect to the unburned components and thereby completely burned in the afterburning zone, thereby reducing the nitrogen compounds formed.
  • this circuit has shown that the substantial reduction in nitrogen oxides cannot achieve the minimization that will be necessary in the future for the strictest emission limits of such systems.
  • Another staged combustion emerges from DE-A1-37 07 773.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention how it is characterized in the claims, the task is based in a method of the type mentioned at the beginning Propose circuit that further reduce NOx emissions enables.
  • the main advantage of the invention is that the process for this process heat generator also via the a two- or multi-stage combustion with or without Premixed zones operated in the second stage of the known type can be. It is important to consider those measures at which the gas temperature from the first flame front is specifically lowered. This will result in a limited optimal Temperature range activated reaction kinetic processes, where the nitrogen compounds still present in the reduction zone connected to the heat exchanger again be drastically reduced.
  • Another essential advantage of the invention is that to see that the process through reactions of course existing NHx radicals with each other and with the nitrogen oxides happens without the use of additives will need.
  • Fig. 1 shows a process heat generator, which is essentially one burner device and two combustion stages or burning zones. Of course can be another downstream of the second combustion stage Combustion stage are provided, in which example combustion with a tertiary air mass flow can be carried out.
  • the third and possibly the Subsequent combustion stages can have characteristics of the first and / or the second stage.
  • the process heat generator is the one already mentioned Burner device for liquid and / or gaseous Fuels as heating medium.
  • the underlying method is suitable as a burner device a premix burner 101, the physical shape 2-5 will be described in more detail.
  • a nozzle placed in the middle preferably a liquid one Fuel 12 and other fuel nozzles, which in the area of the air inlet slots in the interior of burner 101, preferably a gaseous one Fuel supplied.
  • A is formed in burner 101 ignitable mixture, wherein the reaction zone 103 from this combustion to the flame front of this burner extends.
  • the inflow is opposite this zone concentric air duct 105, about which a primary air 106 supplied to the burner 101 becomes.
  • the air duct 105 serves as an air heater for the Primary air 106, creating the burner 101 with a caloric processed combustion air stream 15 supplied becomes.
  • the primary air flow 106 can be used for cooling the reduction stage downstream of reaction stage 103 104 serve.
  • This caloric treatment of the primary air 106 before the substoichiometric combustion process results in optimal process control, because the requirement of NOx formation by both HCN and NH3 thus avoided as far as possible.
  • this combustion takes place sub-stoichiometric, within one optimal value with an air ratio lambda of 0.5-0.98.
  • the gas temperature the flame front of the reaction zone 103 becomes by means of an immediately following heat exchanger 108 of any design selectively lowered.
  • the system of heat exchangers 108, 111 is how shows the wiring from the figure, as a series circuit designed, of course also one Parallel connection comes into question.
  • the heat exchanger 108 also for caloric treatment of the primary air 106 serve instead of further heating the process medium.
  • the promotion of the necessary exhaust gases downstream of the Heat exchanger 111 is powered by various blowers or Jet pumps 113 maintained.
  • the process medium to be preheated is in the heat exchangers connected in series here 108 and 111 prepared calorically, the process medium in the heat exchanger 108 to its final temperature heated and via a process medium discharge line 116 Usage point is fed.
  • FIG. 2 To understand the structure of the burner 101 straight away , it is advantageous if at the same time as FIG. 2 the individual cuts shown therein, which the Fig. 3-5 form, are used. Furthermore, to the physical design of the burner as clear as possible to be designed in FIG. 2 are those according to FIGS. 3-5 schematically shown baffles 21a, 21b only hinted been recorded. The following is used if necessary the description of Fig. 2 on the following figures pointed out.
  • the burner 101 shown in FIG. 2 consists of two half hollow tapered body part 1, 2 with respect to their central axes stand offset from each other.
  • the radial offset is provided in one plane, with which the two central axes are parallel in the same Level to each other.
  • the cone shape of the Part body 1, 2 shown has a in the flow direction certain fixed angle.
  • the partial body 1, 2 in the direction of flow a progressive (trumpet-like) or degressive have a (tulip-shaped) taper.
  • the two the latter forms are not included in the drawing because they can be easily modeled.
  • the two tapered partial body 1, 2 each have a cylindrical Initial part 1a, 2a, which, analogous to the partial bodies 1, 2, offset to each other, so that the tangential Air inlet slots 19.20 continuously through the entire length of the burner 101 are present.
  • Pre-firing zone 107 goes the exit opening of the burner 101 into a front wall 10 above, in which a number of holes 10a are provided are a certain amount of dilution air if necessary or inject cooling air into the pre-combustion zone 107.
  • liquid fuel 12 provided by nozzle 3 is at an acute angle into the interior 14 of the burner 101 injected, so that all over Length of the burner 101 up to the burner outlet level sets a conical spray pattern as homogeneous as possible, what is only possible if the inner walls of the partial bodies 1, 2 through the fuel injection 4, which is, for example an air-assisted nozzle or one Pressure atomization is not to be wetted.
  • the axial speed of the Flow within the burner 101 through a corresponding one Supply of the axial combustion air flow 15a change.
  • the construction of the burner 101 is suitable excellent, the cross sections of the tangential air inlet slots 19, 20, according to needs change, without changing the length of the burner 101 covers a relatively wide range of operations can be.
  • FIG. 3-5 shows the geometric configuration of the guide plates 21a, 21b.
  • a channeling Effect or change in speed of the combustion air flow 15 can by opening or closing the Baffles 21a, 21b around one in the area of the tangential Air inlet slots 19, 20 placed pivot point 23 optimized , especially if the original Gap size of the tangential air inlet slots 19, 20 is changed.
  • you can the burner 101 is also operated without baffles 21a, 21b or other aids can be provided for this will.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Als Primärmassnahme zur Senkung der NOx-Emissionen bei atmosphärischen Feuerungen, beispielsweise bei Kesselfeuerungen sowie Prozesswärmeerzeugung, wird beim Einsatz stickstoffhaltiger Brennstoffe, wie Schweröl, Kohle etc., eine gestufte Verbrennung zugrunde gelegt. Eine solche wird in DE A1 37 07 773 und EP-A-0 545 114 (Stand der Technik nach Avtikel 54(3) EPÜ) beschrieben. Bei dieser Verbrennung handelt es sich um ein Verfahren, bei welchem ein Prozessmedium in zwei Stufen aufgeheizt wird. Das in einer Brenneinrichtung mit Luft vorgemischte Brennöl und Gas wird in einer Vorbrennkammer, die die Funktion einer ersten Stufe hat, unterstöchiometrisch mit einer Luftzahl von 0,5-0,98 teilverbrannt. Das teilverbrannte, stickoxidarme Gemenge erreicht dabei eine Temperatur von 1800-1900°C und erwärmt in einem am Uebergang in eine Nachbrennzone plazierten Wärmetauscher im Gegenstrom das bereits auf eine Zwischentemperatur vorgeheizte Prozessmedium auf seine Endtemperatur. In einem Lufteinblasebereich des Prozesswärmeerzeugers wird dem teilverbrannten Gemenge Luft in einem stöchiometrischen Verhältnis bezüglich der unverbrannten Anteile zugemischt und dadurch in der Nachbrennzone vollständig verbrannt, wobei dabei die entstandenen StickstoffVerbindungen reduziert werden.
Es hat sich mit dieser Schaltung indessen gezeigt, dass die an sich kräftige Reduzierung der Stickstoffoxide nicht jene Minimierung zu erreichen vermag, die zukünftig für die schärfsten Emissionsgrenzen von solchen Anlagen notwendig ist.
Eine weitere gestufte Verbrennung geht aus DE-A1-37 07 773 hervor. Auch hier sind zwei Brennzonen mit entsprechenden Wärmetauschern auszumachen. Auch hier lassen sich aber die angestrebten Minimierung der Stickstoffoxide aus gleichen Gründen wie oben dargelegt nicht erreichen.
Zwar ist es bekanntgeworden, die angestrebte NOx-Reduzierung über den Einsatz von Additiven zu bewerkstelligen. Einer solchen Schaltung fehlt aber die Akzeptanz beim Betreiber.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eine Schaltung vorzuschlagen, welche eine weitere Senkung der NOx-Emissionswerte ermöglicht.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass das Verfahren bei diesem Prozesswärmeerzeuger auch über die eine zwei- oder mehrstufige Verbrennung mit oder ohne Vormischzonen in der zweiten Stufe der bekannten Art betrieben werden kann. Von Bedeutung sind dabei jene Massnahmen anzusehen, bei welchen die Gastemperatur aus der ersten Flammenfront gezielt abgesenkt wird. Dadurch werden in einem begrenzten optimalen Temperaturbereich reaktionskinetische Prozesse aktiviert, bei denen die noch vorhandenen Stickstoffverbindungen in der an den Wärmetauscher anschliessenden Reduktioszone nochmals drastisch reduziert werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist'darin zu sehen, dass der Prozess durch Reaktionen der natürlich vorhandenen NHx-Radikale untereinander und mit den Stickoxiden geschieht, ohne dass hierzu Additive eingesetzt zu werden brauchen.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
Fig. 1
einen 2-stufigen Prozesswärmeerzeuger,
Fig. 2
einen Vormischbrenner von der Form eines Doppelkegelbrenners, in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten und
Fig. 3, 4, 5
entsprechende Schnitte durch die angelegten Ebenen III-III (Fig. 3), IV-IV (Fig. 4) und V-V (Fig. 5), wobei diese Schnitte nur eine schematische Darstellung des Brenners wiedergeben.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit
Fig. 1 zeigt einen Prozesswärmeerzeuger, der im wesentlichen aus einer Brennervorrichtung und aus zwei Verbrennungsstufen oder Brennzonen besteht. Selbstverständlich kann stromab der zweiten Verbrennungsstufe eine weitere Verbrennungsstufe vorgesehen werden, in welcher bespielsweise eine Verbrennung mit einem tertiäten Luftmassenstrom durchgeführt werden kann. Die dritte und allenfalls die folgenden Verbrennungsstufen können Merkmale der ersten und/oder der zweiten Stufe aufweisen. An höchster Stelle des Prozesswärmeerzeugers befindet sich die bereits erwähnte Brennervorrichtung für flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe als Heizmittel. Insbesondere gut für das hier zugrundegelegete Verfahren eignet sich als Brennervorrichtung ein Vormischbrenner 101, dessen körperliche Ausgestaltung unter den Fig. 2-5 noch näher beschrieben wird. Grundsätzlich wird bei einem solchen Brenner 101 über mindestens eine mittig plazierte Düse vorzugsweise ein flüssiger Brennstoff 12 und über weitere Brennstoffdüsen, welche sich im Bereich der Lufteintrittsschlitze in den Innenraum des Brenners 101 befinden, vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff zugeführt. Im Brenner 101 entsteht ein zündfähiges Gemisch, wobei sich die Reaktionszone 103 aus dieser Verbrennung bis zur Flammenfront dieses Brenners erstreckt. Etwa am Ende der ersten Brennzone, d.h. der Vorbrennzone 107, befindet sich die Einströmung eines gegenüber dieser Zone konzentrischen Luftkanals 105, über welchen eine Primärluft 106 dem Brenner 101 zugeführt wird. Der Luftkanal 105 dient als Lufterwärmer für die Primärluft 106, wodurch der Brenner 101 mit einem kalorisch aufbereiteten Verbrennungsluftstrom 15 beliefert wird. Zugleich kann der Primärluftstrom 106 zur Kühlung der der Reaktionsstufe 103 nachgeschalteten Reduktionsstufe 104 dienen. Diese kalorische Aufbereitung der Primärluft 106 vor dem unterstöchiometrischen Verbrennungsprozess ergibt eine optimale Prozessführung, denn die Forderung der NOx-Bildung sowohl durch HCN als auch NH3 wird damit möglichst vermieden. Allgemein erfolgt diese Verbrennung unterstöchiometrisch, und zwar innerhalb eines optimalen Wertes bei einer Luftzahl Lambda von 0,5-0,98. Aufgrund der hohen Temperaturen wird der brennstoffgebundene Stickstoff in der Reaktionszone 103 zum Teil reduziert und zum Teil in NO und NHx-Radikale in einem optimalen stöchiometrischen Verhältnis umgewandelt. Die Gastemperatur aus der Flammenfront der Reaktionszone 103 wird mittels eines unmittelbar anschliessenden Wärmetauschers 108 beliebiger Bauart gezielt abgesenkt. Dadurch werden in einem begrenzten optimalen Temperaturbereich reaktionskinetische Prozesse aktiviert, bei denen die noch vorhandenen Stickstoffverbindungen innerhalb der sich dem Wärmetauscher 108 anschliessenden Reduktionszone 104 nochmals drastisch reduziert. Dies geschieht durch Reaktionen der natürlich vorhandenen NHx-Radikale untereinander und mit den Stickoxiden, ohne dass beispielsweise Additive eingesetzt zu werden brauchen. Damit nun das erzielte optimale Temperaturfenster ab Ende der Vorbrennzone 107 für eine Nachbrennzone 110 ebenfalls bereitgestellt werden kann, wird optimal den Brenngasen stromauf dieser Nachbrennzone 110, individuell oder zusammen mit einem Restluftzufuhr 109, ein gekühltes Abgas 112 zugeführt, das durch einen zweiten stromab der Nachbrennzone 110 wirkenden Wärmetauscher 11 bereitgestellt wird. Wird für eine Restluft/Abgas-Zuführung optiert, so werden die unterstöchiometrischen Gase vor oder innerhalb der Nachbrennzone 110 mit einem Gemisch 114 aus Luft und Abgas gespiesen. Dadurch wird nach Zumischung dieses Gemisches für die Nachbrennzone 110 und deren vollständigen Ausbrand die gewünschte Endtemperatur erreicht, die nun so niedrig liegt, dass keine nennenswerten thermischen Stickstoffoxide mehr entstehen. Das System der Wärmetauscher 108, 111 ist, wie die Leitungsführung aus der Figur aufzeigt, als Serieschaltung ausgelegt, wobei selbstverständlich auch eine Parallelschaltung in Frage kommt. Zusätzlich kann der Wärmetauscher 108 auch zur kalorischen Aufbereitung der Primärluft 106 dienen, statt das Prozessmedium weiter aufzuheizen. Die Förderung der notwendigen Abgase stromab des Wärmetauschers 111 wird durch verschiedene Gebläse oder Strahlpumpen 113 aufrechterhalten. Die restlichen nicht benötigten Abgase 115 werden zum Kamin oder zu einem weiteren Verbraucher geleitet. Der vorzuwärmende Prozessmedium wird in den hier nacheinander geschalteten Wärmetauschern 108 und 111 kalorisch aufbereitet, wobei das Prozessmedium im Wärmetauscher 108 auf seine Endtemperatur aufgeheizt und über eine Prozessmediumableitung 116 der Verwendungsstelle zugeführt wird.
Um den Aufbau des Brenners 101 auf Anhieb verstehen zu können, ist es vorteilhaft, wenn gleichzeitig zu Fig. 2 die einzelnen darin ersichtlichen Schnitte, welche die Fig. 3-5 bilden, herangezogen werden. Des weiteren, um die körperliche Gestaltung des Brenners grösstmöglich übersichtlich zu gestalten, sind in Fig. 2 die nach Fig. 3-5 schematisch gezeigten Leitbleche 21a, 21b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei Bedarf bei der Beschreibung von Fig. 2 auf die nachfolgenden Figuren hingewiesen.
Der Brenner 101 gemäss Fig. 2 besteht aus zwei halben hohlen kegeligen Teilkörper 1, 2, die bezüglich ihrer Mittelachsen versetzt zueinander aufeinander stehen. Vorzugsweise ist die Versetzung radial in einer Ebene vorgesehen, womit die beiden Mittelachsen parallel in der gleichen Ebene zueinander verlaufen. Es ist indessen ohne weiteres möglich, die Mittelachsen parallel verschoben oder beliebig windschief zueinander verlaufen zu lassen, was auf die Querschnittsgrösse und den Querschnittsverlauf der Lufteintrittsschlitze einen unmittelbaren Einfluss ergibt. Wird die Versetzung der jeweiligen Mittelachsen 1b, 2b parallel in einer Ebene festgelegt, wie dies im Ausführungsbeispiel der Fall ist, so entstehen auf beiden Seiten der kegeligen Teilkörper 1, 2 in entgegengesetzter Einströmungsanordnung jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 19, 20 frei (Vgl. hierzu Fig. 3-5), durch welche die unter Fig. 1 bereits beschriebene Verbrennungsluft 15 in den von den kegeligen Teilkörpern 1, 2 gebildeten kegelförmigen Innenraum 14 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 1, 2 weist in Strömungsrichtung einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 1, 2 in Strömungsrichtung eine progressive (trompetenförige) oder degressive (tulpenförmige) Kegelneigung aufweisen. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie ohne weiteres nachempfunden werden können. Die beiden kegeligen Teilkörper 1, 2 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a auf, welche, analog zu den Teilkörpern 1, 2, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19,20 durchgehend über die ganze Länge des Brenners 101 vorhanden sind. Diese Anfangsteile können auch eine andere geometrische Form einnehmen, sie können bisweilen auch ganz weggelassen werden. Innerhalb dieses zylindrischen Anfangsteils 1a, 2a ist eine Düse 3 untergebracht, über welche ein Brennstoff 12, vorzugsweise Oel, oder ein Brennstoffgemisch in den Innenraum 14 des Brenners 101 eingedüst wird. Diese Brennstoffeindüsung 4 fällt in etwa mit dem engsten Querschnitt des Innenraumes 14 zusammen. Eine weitere Brennstoffzuführung 13, die vorzugsweise mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben wird, wird über je eine in die Teilkörper 1, 2 integrierte Leitung 8, 9 herangeführt, und über eine Anzahl Düsen 17 der Verbrennungsluft 15 zugemischt. Diese Zumischung findet im Bereich des Eintrittes in den Innenraum 14 statt, dies um eine optimale geschwindigkeitsbedingte Zumischung 16 zu erreichen. Selbstverständlich ist ein Mischbetrieb mit beiden Brennstoffen 12, 13 über die jeweilige Eindüsung möglich. Vorbrennzonenseitig 107 geht die Ausgangsöffnung des Brenners 101 in eine Frontwand 10 über, in welcher eine Anzahl Bohrungen 10a vorgesehen sind, dies um bei Bedarf eine bestimmte Menge Verdünnungsluft oder Kühlluft in die Vorbrennzone 107 einzudüsen. Der durch die Düse 3 bereitgestellte flüssige Brennstoff 12 wird in einem spitzen Winkel in den Innenraum 14 des Brenners 101 eingedüst, dergestalt, dass sich auf der ganzen Länge des Brenners 101 bis hin zur Brenneraustrittsebene ein möglichst homogenes kegeliges Sprühbild einstellt, was nur möglich ist, wenn die Innenwände der Teilkörper 1, 2 durch die Brennstoffeindüsung 4, bei welcher es sich beispielsweise um eine luftunterstützte Düse oder um eine Druck-Zerstäubung handelt, nicht benetzt werden. Zu diesem Zweck wird das kegelige flüssige Brennstoffprofil 5 von der tangential einströmenden Verbrennungsluft 15 und, nach Bedarf, von einem weiteren axial herangeführten Verbrennungsluftstrom 15a umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des eingedüsten flüssigen Brennstoffes 12, wobei es sich hier ohne weiteres um Brennstoff- oder Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch handeln kann, fortlaufend durch die durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 in den Innenraum 14 des Brenners 101 einströmende Verbrennungsluft 15, bei welcher es sich um ein Brennstoff/Luft- oder Brennstoff/Luft/Abgas-Gemisch handeln kann, und allenfalls unter Mithilfe des anderen Verbrennungsluftstromes 15a, fortlaufend abgebaut. Im Zusammenhang mit der Eindüsung des flüssigen Brennstoffes 12 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 6, die optimale homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 7 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Brenners 101, wie dies bei bekannten Vormischstrecken potentiell immer der Fall ist, wogegen dort über komplizierte Flammenhalter Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft 15, 15a vorerwähmt, wie vorliegend über einen Wärmetauscher der Fall ist, so stellt sich eine beschleunigte ganzheitliche Verdampfung des Brennstoffes innerhalb der Vormischstrecke des Brenners 101 ein, also bevor der Punkt am Ausgang des Brenners 101 erreicht ist, an welchem die Zündung des Gemisches stattfindet. Die Aufbereitung der Verbrennungsluftströme 15, 15a kann durch eine in Fig. 1 nicht gezeigte Zumischung von rezirkuliertem Abgas, analog der Nachbrennzone (Fig. 1, Pos. 110) erweitert werden. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 1, 2 hinsichtlich des Kegelwinkels und der Querschnittsbreite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluftströme mit ihrer Rückströmzone 6 im Bereich der Brennermündung zu einer Flammenstabilisierung einstellt. Allgemein ist zu sagen, dass eine Veränderung der Breite der Lufteintrittsschlitze 19, 20 zu einer Verschiebung der Rückströmzone 6 führt: Die Verschiebung ist stromabwärts bei einer Verkleinerung der Querschnittsbreite der Lufteintrittsschlitze 19, 20. Es ist indessen festzuhalten, dass die einmal fixierte Rückströmzone 6 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich des Brenners 101 zu. Wie bereits angedeutet, lässt sich die Axialgeschwindigkeit der Strömung innerhalb des Brenners 101 durch eine entsprechende Zuführung des axialen Verbrennungsluftstromes 15a verändern. Die Konstruktion des Brenners 101 eignet sich vorzüglich, die Querschnitte der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20, den Bedürfnissen entsprechend, zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Brenners 101 eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann.
Aus Fig. 3-5 geht die geometrische Konfiguration der Leitbleche 21a, 21b hervor. Sie haben betreffend den Verbrennungsluftstrom 15 in den Innenraum 14 des Brenners 101 Strömungseinleitungsfunktionen zu erfüllen. Eine kanalisierende Wirkung oder Geschwindigsveränderung des Verbrennungsluftstromes 15 kann durch Oeffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 21a, 21b um einen im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 plazierten Drehpunkt 23 optimiert werden, insbesondere ist dies vonöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 verändert wird. Selbstverständlich kann der Brenner 101 auch ohne Leitbleche 21a, 21b betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vorgesehen werden.
Bezeichnungsliste
1, 2
Teilkörper
1a, 2a
Zylindrische Anfangsteile
1b, 2b
Mittelachsen
3
Brennstoffdüse
4
Brennstoffeindüsung
5
Brennstoffkegelsäule
6
Rückströmzone (Vortex Breakdown)
7
Flammenfront
8, 9
Brennstoffleitungen
10
Frontwand
10a
Luftöffnungen
12
Flüssiger Brennstoff
13
Gasförmiger Brennstoff
14
Innenraum des Brenners
15, 15a
Verbrennungsluftströme
16
Eindüsung gasförmigen Brennstoffes
17
Düsen
19, 20
Tangentiale Lufteintrittsschlitze
21a, 21b
Leitbleche
23
Drehpunkt
100
Prozesswärmeerzeuger
101
Brenner
103
Reaktionszone
104
Reduktionszone
105
Luftkanal
106
Primärluft
107
Vorbrennzone
108, 111
Wärmetauscher
109
Restluftzufuhr
110
Nachbrennzone
112
Abgasrückführung
113
Gebläse
114
Gemisch aus Luft und Abgas
115
Abgas
116
Prozessmediumableitung

Claims (4)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, der im wesentlichen aus mindestens zwei Brennzonen (107, 110) besteht, in welchen stufenweise ein Heissgas erzeugt wird, mit Wärmetauschern (108, 111) versehen, welche in Wirkverbindung mit den Brennzonen stehen wobei die zweite Brennzone (110) mindestens einen nachgeschalteten abgastemperaturabsenkenden Wärmetauscher (111) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Brennzone (107) mit einer bis zur Flammenfront wirkenden Reaktionszone (103) und mit einer nachgeschalteten Reduktionszone (104) betrieben wird, dass ein erster Wärmetauscher (108) in der Heissgasströmung der Reaktionszone (103) wirkt, und dass in der Reduktionszone (104) die Stickstoffverbindungen in Wirkverbindung mit dem vorgeschalteten Wärmetauscher (108) allein durch Reaktion der natürlichen NHx-Radikale untereinander reduziert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone (103) mit einem Vormischbrenner (101) betrieben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu den Brennzonen (107, 110) gehörigen Wärmetauscher (108, 111) in Serie betrieben werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennnzeichnet, dass mindestens die zweite Brennzone (110) mit einem rückgeführten Abgas (114) betrieben wird.
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