• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:

    公开号:WO1986004662A1
    申请号:PCT/EP1986/000036
    申请日:1986-01-29
    公开日:1986-08-14
    发明作者:Christian Koch
    申请人:Christian Koch；
    IPC主号:F23C13-00
    专利说明:
    [0001] Verfahren und Vorrichtung zur 4-stufigen Verbrennung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen mit stickoxidfreien Abgasen
    [0002] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur stickoxidfreien Verbrennung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen, mit deren Hilfe Brenngase, wie Erdgas, Flüssiggas, oder Heizöl, so verbrannt werden, daß keinerlei Stickoxide entstehen.
    [0003] In Gas- und ölverbrennungsanlagen ist es üblich, die Brennstoffe in einer Flamme zu verbrennen, die zumindest örtlich Temperaturen weit über 1300 grd C hat und somit Stickoxide erzenugt. Außerdem ist ztir vollständigen Verbrennung ein Luftüberschußs nötig, der die relativ vollständige Ausnutzung der Wärmefreisetzung verhindert.
    [0004] Bemühungen zur Verringerung der Stickoxidbildung führten zu einer stärkeren Kühlting der Flammen und somit zu einer weiter verringerten Wärmeausnutzung des Brennstoffes. Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Verbrennung so in Stufen aufzuteilen, dafs eine Stickoxidbildung im Abgas zuverlässig verhindert wird. Dazu muß an allen Stellen eine Reaktionsführung der Umsetzung des Brennstoffes mit der Luft so stattfinden, dafs die Wärmefreisetzung durch Verbrennungsreaktionen und nachfolgende Rauchgaskühlung in einem Temperaturbereich unter 1300 grd C oder Linter reduzierender Atmosphäre stattfindet bzw. entstandene Stickoxide in reduzierender Atmosphäre unter katalytischer Einwirkung reduziert werden.
    [0005] Bemühungen, dieses durch eine Aufteilung der Reaktion in eine Vergasungsreaktion mit partieller katalytischer Oxidation und nachfolgender Kühlung des entstandenen Brenngases und Verbrennung dieses Vergasungsgases in einer zweiten Stufe zu erreichen, führten nicht zu dem erwünschten Erfolg, da die Aufteilung der 1800 grd C heifsen Flamme nicht in zwei 900 grd C hei fsen Teilbereiche erfolgte, die durch die Zwischenkühlung des Vergasungsgases entstanden, sondern die Zwischenkühl ung des Vergasungsgases führte nur eine geringere Wärme ab, da das Volumen des Vergasungsgases nur ein Teil des Endvolumens darstellt.
    [0006] In der zweiten Stufe entstanden somit wesentlich höhere Temperaturen, die sowohl die Haltbarkeit der Katalysatoren begrenzten, als auch durch überhitzungen zu Stickoxidbildüng, wenn auch gering, führten. Außerdem entstanden in einem solchen Gerät Zündschwierigkeiten, da unter den gegebenen Bedingungen einer redtizierenden Atmosphäre größere Zündenergien zum Start des Gerätes erforderlich werden.
    [0007] Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu. umgehen und zu einer vollständig stickoxidfreien Verbrennung von Brenngasen zu kommen, die auch eine sehr gute Wärmeausnutzung der Verbrennungswärme des Gases ermöglicht.
    [0008] Erf indungsgemäß wird diese schwierige Aufgabe dadurch gelöst, daß nur etwa die Hälfte des gasförmigen Brennstoffes, im Bereich zwischen 30 und 70 % , mit der Gesamtluft der 1. Stufe in einer Vorstufe in einer gekühlten Ringkammer annähernd vollständig verbrannt wird. Die heißen Rauchgase kühlen sich in der Ringkammer, die nur 1 - 2 % der gesamten Wärmetauschfläche besitzt, nur auf Temperaturen von 1200 bis 1600 grd C ab.
    [0009] Sie werden mit dem gesamten restlichen Verbrennungsgas am Kopf des Zylinders gemischt und im gemischten Ztistand in einen Katalysator eingeleitet, der unter Abkühlung des Brenngas-Abgas-Gemisches dieses zu einem CO- und H2-haltigen Brenngas umwandelt.
    [0010] Diese Umwandlung ist nötig, da ein solches Brenngas leichter verbrennt und rußbildende Nebenreakti onen nach Mischung des Gases durch die katalytischen Umsetzungen verhindert werden. Nach Austritt des Gases aus dem Katalysator wird dieses in einer Wärmetauscherstuife auf Temperaturen oberhalb des Taupunktes abgekühlt und in zwei Teilströme der Stufe 2 zugeleitet.
    [0011] Bei einem flüssigem Brennstoff erfolgt die Umsetzung in der 1. Stufe dadurch, daß von dem entstandenen Vergasungsgas ein Teil ström in die Ringkammer der 1. Stufe zurückgeleitet wird und dort mit dem Teilstrom der Luft vollständig verbrennt. Die zugegebene flüssige Brennstoffmenge wird am Kopf der 1. Stufe zu dem heißen Verbrennungsgas zugegeben. Das Gemisch wandelt sich ebenso wie beim gasförmigen Brennstoff in dem Katalysator der 1. Stufe zu einem Brenngas um.
    [0012] Zusätzlich ist es möglich die oberste Keramik- oder Metallplatte der Katalysatoreinheit an der Stelle anzuordnen, wo der Flüssigkeitsstrahl auftrifft. Diese Platte besitzt eine Bohrung, die so klein ist, daß nur ca . die Hälfte des Öles auf die nächste Platte direkt gelangt. Die knappe Hälfte des eingespri tzen Öles wird reflektiert und in der oberhalb der Platte liegenden Flamme verbrannt.
    [0013] Die entstehenden RaLichgase kühlen sich dabei durch Strahlung und Konvektion mit den umliegenden wassergekühlten Oberflächen teilweise ab, vermischen sich mit dem unverbrannten öl zu einem reaktionsfähigen Gemisch und setzen sich in dem nachfolgenden Katalysatorblock zu Brenngas um. Im Gegensatz zu dem gasförmigen Brennstoff kann jedoch beim flüssigen Brennstoff nicht nur die gesamte Vergasuingsgasmenge der 2. Stufe zugeleitet, sondern ein Teilstrom in die Ringkammer der 1. Stufe zurückgeleitet werden.
    [0014] Für den Startvorgang bis zur Bildung des Vergasungsgases werden kleine Teilmengen des flüssigen Brennstoffes in die Ringkammer gegeben.
    [0015] Zur Schonung des Katalysators der 2. Stuife wird ca. die Häl f te des Vergasungsgases (30 bi s 90 % ) mi t der gesamten Verbrennungsluftmenge der 2. Stufe in einer Ringkammer verbrannt und durch die Wasserummantelung dieser Ringkammer zum Teil gekühlt. Durch die geringe Oberfläche der Ringkammer 17 entsteht hier eine Abkühlung auf ca. 1000 grd C (300 bis 1100 grd C) , so daß im Kopf der Kammer unter Zumischung der restlichen Vergasungsgasmenge eine ca. 600 grd C heiße Gemischmenge entsteht, die in dem nachfolgenden Katalysator zu einem sauberen Abgas mit geringem Luftüberschuß umgesetzt wird.
    [0016] Der nachfolgende Wärmetauscher sorgt für die fast vollständige Wärmeabgabe des im Abgas enthaltenen Wärmeinhaltes an das in den Rohren befindlich Heizmedium, beispielsweise Brauchwasser oder Wasser des Heizkreislaufes. Die fast vollständige Wärmeabgabe wird dadurch begünstigt, daß durch Verbrennung des Gases im Katalysator kein Flammenvolumen und keine rußhaltigen Nebenprodukte entstehen, die den Wärmeübergang an die Rohre verschlechtern.
    [0017] Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus den mit Lochplatten abgeschlossenen Mischköpfen der beiden Stufen mit den Gaseinlässen im oberen Teil des Kopfes und den Gasauslassen durch die Lochplatten, aus den gekühlten Ringkammern mit den Gemischeinlässen und Zündvorrichtungen mit im Zentrum liegenden Katalysator und den nachfolgenden Wärmetauschern.
    [0018] Die Vorrichtung beinhaltet die Gasüberleitungen aus der 1. Stufe mit einem Einlaß in die Ringkammer der 2. Stufe undeine Einleitung in den Mischkopf.
    [0019] Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung soll nun an nachstehender Figur näher erläutert werden.
    [0020] Fig. 1 zeigt die einzelnen Stufen und die verwendeten Elemente des Verfahrens und der Vorrichtung.
    [0021] Mit 1 ist der Eintritt des Gas-Luft-Gemisches der 1. Stufe bezeichnet, der den mit der Verbrennungsluft der 1. Stufe vermischten Brenngasstrσm in die Ringkammer der 1. Stufe einläßt. Gezündet wird dieser Brenngas-Luft-Strom durch die Zündeinrichtung, beispielsweise eine Zündkerze, 2. Das heiße, verbrannte Gas streicht auf dem Weg nach oben durch die Ringkammer 3 an der mediumgekühlten Außenwand 25 entlang und wird dadurch abgekühlt.
    [0022] Das so teil gekühlte Abgas gelangt an den Kopf der Ringkammer 4, wo die restliche Brenngasmenge zu dem heißen Rauchgas zugemischt wird. Vorteilhaft hierzu ist die Verwendung eines Mischspaltes 5, der durch die Lochplatte 6 und die obere Begrenzung der Katalysatorkammer 7 gebildet wird. Das heiße Rauchgas saugt in diesem Spalt die restliche Brenngasmenge zu, die in Gaskammer 8 von oben durch die Lochplatte 6 eingeleitet wird.
    [0023] Die Mischung der Komponenten wird durch die Einleitungsöffnung 9 und die vor dem Katalysator liegende Mischkammer 10 verbessert, sodaß das heiße Gemisch bei Einleitung in den Katalysator 11 eine homogene Konzentrationsverteilung besitzt. Diese ist deshalb notwendig, da der Katalysator aus einer Katalysatorwabe bestehen kann, die die Mischung der Gase im Katalysator verhindert. Der Katalysator 11 ist durch eine Isolationsmatte 12 in dem Gehäuse 13 eingespannt und thermisch isoliert, sodaß die aktive Substanz des Katalysators durch die höheren Temperaturen in der um den Katalysator liegende Ringkammer geschützt bleibt.
    [0024] Nach dem Katalysator ist der Wärmetauscher 14 angeordnet, der das entstandene Spaltgas auf eine Temperatur über der Taupunktstemperatur abkühlt. Das aus dem Wärmetauscher 14 in die Leitung 15 abgeleitete
    [0025] Spaltgas gelangt durch die Leitung 16 zusammen mit der
    [0026] Verbrennungsluft der 2. Stufe in die Ringkammer der 2. Stufe 17.
    [0027] Dort befindet sich auch die Zündeinrichtung 18, die das Gemisch der Ringkammer zündet.
    [0028] Die Verbrennung der Spaltgasmenge der Ringkammer ist dabei stark überstöchiometrisch, d. h. die Luiftmenge reicht zu einer vollständigen Verbrennung des Gases reichlich aus.
    [0029] Am oberen Ende der Ringkammer befindet sich die Gaskammer 19, der mit der Lochplatte 20 und der oberen Abdeckplatte der Katalysatorkammer 21 die Mischzone des Rauchgases der Ringkammer und der restlichen Spaltgasmenge bildet. Diese Teilmenge des Spaltgases wird durch die Leitung 22 in die Gaskammer eingeleitet.
    [0030] Die Mischung des Rauchgases mit Luftüberschuß und des Spaltgases ermöglicht in dem nachfolgenden Katalysator 23 eine Umsetzung des Gases in ein schwach überstöchiometrisches Rauchgas, aus dem sich die Wärme recht effektiv gewinnen läßt.
    [0031] Dieses geschieht in dem nachfolgenden Wärmetauscher 24, der eine möglichst vollständige Abkühlung des Rauchgases ermöglich . Fig.: 2 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Atifbau des Spaltgaserzeugungsteils. Mit 1 ist der Grundkörper bezeichnet, der die Vorrichtung für die Zündeinrichtung 4 und für die Einspritzdüse 2 enthält, die den Brennstoff diskontinuierlich und geregelt einspritzt. Mit 3 ist der Flammenraum bezeichnet, wo sich durch die Reflektion eines Teiles des Öles, der Vermischung mit der Vergasungsluft, Entzündung durch die Zündeinrichtung die Flamme bildet , die durch die umgebenden wassergekühlten Wände 5 gekühlt wird. Ein Teil der Vergasungsluft wird durch eine kleine Bohrung 6, die mit einem Luftfilter 7 versehen ist, direkt in die Nähe der Zündeinrichtung geleitet. Die Kühlung des Grundkörpers erfolgt derart, daß die benötigte Vergasungsluft durch die Einlaßöffnung 8 der Abdeckhaube 9 gesauigt wird, um dann an der Oberfläche des Grundkörpers 1 vorbeizustreichen und dutrch den Auslaß 10 in den Fuß der Brennkammer 11 unterhalb der Flammensperre 12 zu gelangen.
    [0032] Die im Flammenraum 3 entstehenden heißen Rauchgase vermischen sich mit dem unverbrannten öl, welches nicht von der Speicherplatte 13 mit der Bohrung 14 reflektiert wurde. Das Gemisch tritt in den Katalysator 15 ein, der aus einem oder mehreren Katalysatorblöcken besteht. Dort setzt sich das Gemisch aus heißem Rauchgas und öl dampf zu einem Spaltgas, bestehend im wesentlichen aus CH4, CO, H2 und den Abgaskomponenten, um. Die heißen Spaltgase werden in dem nachfolgenden Wärmetauscher 8 abgekühlt und mit Ltift vermischt in der 2. Stufe entsprechend der Anmeldung P 35 03 413.0 zu Rauchgas umgesetzt.
    [0033] Fig. 3 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau des Verbrennungsteils. Mit 20 ist die Grundplatte bezeichnet, durch deren Einlaß 21 ein Teil des Spaltgases in den Brennraum 22 strömen kann. Durch die Drossel einrichtung 23 strömt die Verbrennungsluft hin zur Auslaßäffnung 24 und kühlt dabei die Grundplatte 20. Die so vorgewärmte Luft vermischt sich bei 25 mit dem restlichen Spaltgas. Dieses Gemisch wird mit der Zündeinrichtung 26 gezündet. Die Flamme kühlt sich an der umgebenden wassergekühlten Wandfläche 27 ab. Im Brennraum 22 vermischen sich die Abgase mit dem Spaltgas aus 21. In dem Katalysatorsystem 28, das aus einem oder mehreren Katalysatorblöcken bestehen kann, erfolgt die Oxidation mit den restlichen Spaltgasprodukten zu Abgas.
    [0034] Fig.4 zeigt den Auf bau eines Wärmetauscherelementes. Durch die in der Grundplatte 30 befestigten Rohre strömt das Spalt-, bzw. Abgas und erwärmt dabei mantelseitig das Kühlwasser, das bei 32 ein- und bei 33 wieder auistritt. Duirch den runden Außenzylinder des Wärmetauschers 34 ist ein erhöhter Wasserdruck bei dünnen Wandstärken möglich.
    [0035] Bei den Wärmetauschern hat sich gezeigt, daß es zweckmäßig ist, Geradrohrwärmetauscher einzusetzen, die in 3 oder 4 Blöcken hintereinander die Spaltgaskühlung, die Abgasvorkühlung, die Abgasnachkühlung und die Kondensation der Rauchgasfeuichtigkeit bewirken und damit das Heizwasser im Gegenstrom aLifheizen.
    [0036] Fig.5 zeigt den Aufbau und den Strömungsverlauf der einzelnen Stoffströme. Mit 40 ist der Spaltgaserzeugungsteil, wie in Fig.1 gezeigt, mit 41 der Verbrennungsteil, wie in Fig.2 gezeigt, symbolisiert. 42 bezeichnet den Spaltgaswärmetauscher in der Form, wie er in Fig.3 dargestellt ist. 43 bezeichnet das Wärmetauschersystem, bestehend aus einen oder mehreren Wärmetauscherelementen gleicher Bauart, wie sie in Fig.3 dargestellt wurden.
    [0037] Das Heizöl für die Wärme- und Spaltgasgewinnung wird bei 44 eingespritzt. Die Luft für die partielle Verbrennung tritt bei 45 in die Abdeckhaube ein, verläßt sie bei 46 und wird dann unterhalb der Flammensperre bei 47 in den Ringraum geleitet. Bei 48 verläßt das Spaltgas den Spaltgaserzeugungsteil 40 und wird im Wärmetauscher 42 abgekühlt. Ein Teil des Spaltgases verläßt bei 49 den Leerzug 50, um über ein Regelorgan 51 bei 53 in den Kopf des Verbrennungsteils 41 geleitet zu werden. Bei 58 wird der restliche Teil des Spaltgases abgezweigt, bei 59 mit der Luft vermischt, die bei 60 über das Drosselorgan 61 in die Abdeckhaube ein- und bei 62 wieder austritt. Die heißen Abgase verlassen bei 54 den Verbrennungsteil 41, werden im Wärmetauschersystem 43 abgekühlt und verlassen bei 55 die erfindungsgemäße Vorrichtung. Das Gebläse 56 erzeugt in der Vorrichtung den widerstandsbedingten Unterdruck und saugt somit alle Gase durch die Vorrichtung und schickt sie in den Kamin 57.
    [0038] Das kalte Wasser tritt bei 63 in das Wärmetauschersystem 43 ein, gelangt über die Rohrverbindung 64 in den Spaltgaswärmetauscher 42, den es bei 65 wieder verläßt. Bei 66 tritt das Wasser in den Fuß des Ringspaltes des Spaltgaserzeugungsteils 40 ein, und wird an dessen Kopf über die Rohrverbindung 67 in den Ringspalt des Verbrennungsteils 41 geleitet. Auf seine Brauchtemperatur erwärmt verläßt das warme Wasser bei 68 die erfindungsgemäße Vorrichtung, um über die Leitung 69 an die einzelnen Verbraucher weitergeleitet zu werden.
    [0039] Ausführungsbeispiele
    [0040] Das erste Ausführungsbeispiel beschreibt den Temperatur- und Volumenstromverlauf einer Stickoxidfreien Verbrennung von Erdgas bei einer thermischen Leistung von 100 kW.
    [0041] Die Angaben der Volumenströme beziehen sich auf den Normzustand (0 grdC, 760 Torr).
    [0042] über die Leitung 1 strömen tangential 0,013267 m3/s Luift und 0,001393 m3/s CH4 in die Ringkammer 3 der 1.Stufe und werden dort mit der Zündkerze 2 gezündet. Das Gasgemisch verbrennt im Fuß der Ringkammer 3 bei einer Temperatur von ca. 2060 grdC zu 0,01466 m3/s Rauchgas.
    [0043] Durch eine möglicherweise eingelegte Spirale aus hitzebeständigen Material wird der Abgasstrahl gezwungen, sich ca. 3-mal auf dem Weg in den Ringkammerkopf um den Katalysator 11 zu winden.
    [0044] Die Abgase streichen an der wassergekühlten Außenwand 25 entlang und kühlen sich dabei auf ca. 1600 grdC ab.
    [0045] Beim Eintritt in den Ringspalt 5 beschleunigen die Abgase und erzeugen einen Unterdruck, der bewirkt, daß von der Gaskammer 8 über die Lochplatte 6 eine Methanmenge von 0,001393 m3/s angesaugt wird.
    [0046] Durch die Eintrittsöffnung 9 und die Mischkammer 10 gelangt das nun homogen durchmischte Gas durch den Katalysator 11, wo es in endothermen Prozessen zu 0,01884 m3/s Spaltgas reagiert. Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 14 der 1. Stufe hat das Vergasungsgas eine Temperatur von 886 grdC, am Austritt eine Temperatur von ca. 130 grdC.
    [0047] über die Leitung 15 verläßt das Spaltgas die 1. Verbrennungsstufe.
    [0048] Durch die Leitung 16 strömen 0,01413 m3/s Spaltgas und 0,013267 m3/s Luft tangential in den Ringkanal der 2. Stufe und werden dort mit der Zündeinrichtung 18 gezündet. Das Gasgemisch verbrennt am Fuß des Ringkanals 17 bei einer Temperatur von 1280 grdC zu 0,02531 m3/s Rauchgas.
    [0049] Auf dem Weg in den Kopf des Ringkanals zirkuliert das Gas mit Hilfe einer hitzebeständigen Spirale ca. 3-mal um den Katalysator 23 und kühlt dabei an der wassergekühlten Außenwand 26 auf ca. 1060 grdC ab.
    [0050] In der Mischzone werden dem Rauchgas über die Leitung 22, der Gaskammer 19 und der Lochplatte 2 die restliche Spaltgasmenge von 0,00471 m3/s zugeführt, über die Einströmöffnung und die Mischkammer homogen vermischt und dem Katalysator zugeleitet.
    [0051] In exothermen Prozessen wird die Rauchgas-/Spal tgasmischung in 0,02932 m3/s Rauchgas umgesetzt.
    [0052] Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 24 der 2. Verbrennungsstufe besitzt das Rauchgas eine Temperatur von 1260 grd C. Im Wärmetauscher 24 wird es auf ca. 45 grd C abgekühlt und verläßt über die Leitung 27 stickoxidfrei die 2. Verbrennungsstuife. In dem zweiten Ausführungsbeispiel werden Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert:
    [0053] Die Energie eines Heizölstromes von 0,00046 kg/s, was einem äquivalenten Energiepotential von 20 kW entspricht, soll stickoxidfrei umgesetzt und zur Erwärmung von Wasser auf 90 grdC eingesetzt werden.
    [0054] 20-grädige Luft strömt mit einem Volumenstrom von 9,59 m3iN/h über die Abdeckplatte des Spaltgaserzeugungsteils und erwärmt sich dabei um ca. 5 grdC. Durch eine Rohrverbindung wird sie danach in den Fuß, oberhalb der Flammensperre in den Ringspalt des Spaltgaserzeugungsteils geleitet. Oberhalb der Flammansperre verbrennt der Luftsauerstoff mit einem Teil des eingespritzten Öles bei einer durchschnittlichen Temperatur von 1900 grdC. Das dabei entstandene Abgas von 10,39 m3iN/h verbindet sich mit dem restlichen öl im Katalysatorsystem unter Wärmeabgabe in 12,98 m3iN/h Spaltgas bei einer durchschnittlichen Temperatur von 955 grdC. Im nachfolgenden Wärmetauscher wird das Spaltgas auf 100 grdC abgekühlt.
    [0055] Der 100-grädige Spaltgasstrom (12,98 m3iN/h) wird in der Verbrennungsstufe so aufgeteilt, daß 9,73 m3iN/h in den Fuß des Ringspaltes und 3,25 m3iN/h in den Kopf geleitet werden. Die für die Verbrennung benötigte Luftmenge von 9,59 m3iN/h strömt über die Abdeckplatte des Verbrennungskopfes, erwärmt sich dabei um ca. 3 grdC, wird mit dem Spaltgasstrom, der in den Fuß des Ringspaltes geleitet wird, vermischt und gezündet. Bei ca. 1350 grdC verbrennt das Gasgemisch zu 17,82 m3iN/h Abgas. Unter Wärmeabgabe gelangt es in den Brennkammerkopf und wird hier mit dem restlichen Spaltgas gemischt. Im anschließenden Katalysatorsystem oxidiert der noch freie Sauerstoff aus dem Abgasstrom mit den Komponenten des Spaltgases zu insgesamt 20,55 m3iN/h Abgas. Im nachfolgenden Wärmtauschersystem wird das Abgas unter Auskondensation auf ca. 43 grdC abgekühlt.
    [0056] Durch den beschriebenen Vergasungs-/Verbrennungsprozeß werden in der Vergasungsstufe ca. 35% und in der Verbrennungsstufe ca. 65% der im Heizöl steckenden Energie freigesetzt. Für den Wärmeabbau spielen dabei die wassergekühlten Wände der Vergasungs- und. Verbrennungsstufe eine Wichtige Rolle, da sie ztisammen ca. 20% der fühlbaren Wärme ins Wasser ableiten.
    [0057] Drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
    [0058] Das CH4-/Luftgemisch strömt tangential durch die Leitung 1 in einen ca. 5 - 30 mm breiten und ca. 150 - 300 mm hohen Ringkanal 3, in dem es im Fuß mit einer Zündkerze 2 gezündet wird. Das Rauchgas strömt dann unter Abkühlung in den Kopf des Ringkanals.
    [0059] Im ca. 4-15 mm breiten Ringspalt 5 vermischt sich das Rauchgas mit dem über eine Lochplatte 6 restlich zugeführten CH4, gelangt danach dtirch die Eintrittsöffnung 9 in die Mischkammer 10 und durchströmt darauffolgend den Katalysator 11. Sowohl die Mischkammer als auch der Katalysator haben einen Durchmesser von 100-150 mm.
    [0060] Der Wärmetauscher 14 der 1. Verbrennungsstufe besteht im Bereich der Gastemperaturen von über 700 grdC aus Glattrohren, im darunterliegenden Temperaturbereich aus Rippenrohren.
    [0061] Dtirch die Katalysatorwabe wird die Ausbildung der Flammenlänge sehr ktirz gehalten, so daß auf einen leeren Flammen-/Strahlraum verzichtet umd somit die erste Lage Glattrohre schon ca. 10 mm hinter dem Katalysator eingebaut werden kann.
    [0062] Durch den Einbau mehrerer Gaszüge wird konstruktiv bewirkt, daß das Spaltgas sich im Geschwindigkeitsbereich von w(o)=1-2 m/s befindet.
    [0063] In der 2. Verbrennungsstufe wird ein Teilstrom des Spaltgases 30 abgezweigt, mit Luft vermischt und im Fuß des 5 - 30 mm breiten und ca. 150 - 300 mm hohen Ringkanals geleitet und gezündet.
    [0064] Die Gaszuströmleitungen 1 (1. Stufe) und 16 (2. Stufe) sind jeweils mit Flammensperren ausgerüstet. Der Strömungs- und Mischungsweg des Gases in der 2. Verbrennungsstufe ist identisch mit dem in der 1. Verbrennungsstufe. Ebenfalls wird die Dimensionierung des Ringspalts, der Zumischung vom restlichen Spaltgas, die Vermischungseinrichtung und des Katalysators in etwa identisch mit der der 1. Verbrennungsstufe gehalten.
    [0065] Die Auslegungskritereien für den Warmetauscher 24 sind die gleichen wie für den Wärmetauscher 14, d.h. im Bereich der Gastemperaturen über 700 grd C Glattrohre, danach Rippenrohre.
    [0066] Konstruktiv wird ebenfalls der Einbau von mehreren Gaszügen zwecks Aufrechterhaltung einer angemessenen Gasgeschwindigkeit vorgesehen.
    [0067] Die katalytische Verbrennung und die damit verbundene kurze Flammenlänge gestatten auch hier die 1. Glattrohrlage ca. 10 mm hinter dem Katalysator einzubauen.
    [0068] Viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
    [0069] Die Luft für die Vergasungsstufe durchströmt die Abdeckhaube, die einen Durchmesser von 150 mm hat, und gelangt durch ein Rohr , NW 40, in den Fuß des Ringspaltes mit einen äußeren Durchmesser von 169 mm und einen inneren Durchmesser von 152 mm. Von hier aus passiert die Luft die Flammensperre, die ca. 40% der freien Ringraumfläche mit ihren Bohrungen offenhält.
    [0070] Im Flammenraum verbrennt ein Teil des öles, der restliche Teil mit dem Abgas in das Katalysatorsystem, das aus drei einzelnen Katalysatorblöcken zu je 30 mm Tiefe und 100 mm Durchmesser besteht. Die Begrenzung zum Flammenraum bildet eine Speicherplatte, die 50% des öles beim Auftreffen in den Flammenraum reflektiert, die anderen 50% aber durch eine feine Bohrung von ca. 1mm durchläßt. Die äußeren Maße dieser Speicherplatte entsprechen denen eines Katalysatorblockes.
    [0071] Nach dem Katalysatorsystem durchströmt das Spaltgas einen Kühler von 159 mm Durchmesser und einer Länge von 230 mm, wobei mantelseitig das aufzuwärmende Wasser, rohrseitig das Gas durch 121 Rohre, NW 10, strömt.
    [0072] Nach dem Wärmetauscher strömt das Gas von Linten nach oben durch eine Leerzug mt den Maßen 200 x 180. Am Ende dieses Zuges wird durch ein Rohr NW 40 ein Teil des Spaltgases, geregelt durch eine Absperrklappe, in den Kopf des Verbrennungsteils geleitet. Ebenfalls durch ein Rohr NW 40 wird das restliche Spaltgas am Leerzugende entnommen, mit der Luft, die über die Abdeckhaube angesaugt wird, vermischt, gezündet und in den Ringspalt des Verbrennungsteils, der die gleichen Abmessungen wie der des Spaltgaserzeugungsteils hat, geleitet. Im Brennraum erfolgt die Mischung mit dem Spaltgas und die Umsetzung zu Abgas im Katalysatorsystem, das identisch dem des Spaltgaserzeugungsteils aufgebaut ist. Lediglich die Speicherplatte ist hier durch einen zusätzlichen Katalysatorblock ersetzt.
    [0073] In einem Wärmetauschersystem wird das Abgas abgekühlt. Dieses System besteht aus drei Einzel Wärmetauscher, die jeweil die gleichen Abmessungen und den gleichen Aufbau haben wie der Wärmetauscher der Spaltgasabkühlung. Der Wärmetausch selbst erfolgt im Gegenstrom. über ein Rohr NW 40 werden die Abgase über ein Gebläse, das eine Unterdruck von 50 mmWS erzeugt, abgesaugt und in den Kamin geleitet.
    权利要求:
    ClaimsPatentansprüche
    1. Verfahren zur stickoxidarmen Umsetzung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen mit Luft in Wärmeerzeugern in mehreren Stufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in 4 Stufen nacheinander erfolgt, die die Verbrennung eines Teiles des Brennstoffes mit einem Teil der Verbrennungsluft in einer gekühlten Ringkammer im stöchiometrischen oder überstöchiometrischen Verhältnis ermöglicht, die restliche Brennstoffmenge in einer nachfolgenden Mischeinheit und die katalytische Umsetzung dieses so entstandenen Gemisches zu Brenngas mit nachfolgender Kühlung dieses Spaltgases in einem Warmetauischer, die Verbrennung dieses so entstandenen Spaltgases in Einem Teil in der gekühlten Ringkammer der 2. Stufe und nach Mischung des verbrannten Gases mit dem Rest des Spaltgases in dem Katalysator mit 15 nachfolgender Kühlung des so entstandenen, schwach überstöchiometrischen Rauchgases in einem Wärmetauscher erfolgt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1 , d. g. daß die Mischung der brennbaren Tei 1 gasströme am Kopf der gekühlten Ringkammer mit den Rauchgasströmen der Ringkammer in einem Ringspalt erfolgt, der sich zwischen einer Lochplatte und der oberen Abdeckplatte der Katalysatorkammer bildet, die im Zentrum der Verbrennungs- bzw. Vergasungseinrichtung befindet.
    3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, d. g. daß der übertritt der Brenngas-/Rauιchgas-Mischungen aus der Ringkammer und dem Mischspalt in die Katalysatorkammer zur Verwirbelung bzw. Vermischung der Gaskomponenten herangezogen wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, d. g. daß bei Zugabe eines flüssigen Brennstoffes nach der 1. Stufe ein Teil des Spaltgases in den Ringspalt der 1. Stufe zurückgeleitet wird und bei Start ein Teil des flüssigen Brennstoffes zum Zünden in die Ringkammer der 1. Stufe eingeleitet wird.
    5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, d. g. daß der Wärmetauscher nach der 2. Stufe als 1. Stufe zur Aufheizung des Heizmediums benutzt wird, das Heizmedium somit den Verbrennungsstufen im Gegenstrom geführt wird, um den oberen Heizwert des Brenngases ausnutzen zu können.
    6. Verfahren zur stickoxidarmen Umsetzung von flüssigen Brennstoffen mit Luft in Wärmeerzeugern in mehreren Stufen entsprechend den Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung des flüssigen Brennstoffes in einer Kammer unter Zuführung von 30 bis 60 % der stoehiometri sehen Luftmenge so erfolgt, daß nur 20 bis 50 % der eingespritzten ölmenge in den Verbrennungsraum gelangen, während der Rest in einer keramischen oder metallischen Speicherkeramik verbleibt, von der aus er mit den heißen Verbrennungsgasen gemischt und in einen Katlysator eingeleitet wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die 1. Speicherplatte eine zentrale Bohrung besitzt, die einen Teil des eingespritzten öles unmittelbar in einen, nach der 1. Platte liegenden Raum oder in die 1. Platte einleitet, von wo aus das öl mit den heißen Verbrennungsgasen gemischt ausgetragen wird und in den Katalysator gelangt.
    8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeabfuhr aus der Spal tgaserzeugung zuerst in der Brennkammerkühl ung und anschließend in der Spaltgaskühlung, vorzugsweise in einem Geradrohwärmetauscher erfolgt.
    9. Verfahren nach Anspruich 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung der Gase im Gegenstrom zu der Aufwärmung des Wassers in 2 Brennkammerkühlungen und 3 bis 4 Geradrohrwärmetauschern erfolgt.
    10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur stickoxidarmen Umsetzung von Brenngas in mehreren Stufen, dadurch gekennzeichnet, daß den zwei Umsetzungsstufen jeweils eine Verbrennungskammer mit Kühlung und Zündung, eine Mischeinrichtung, zur Zumischung der restlichen Brenngasmenge und eine katalytische Umsetzungskammer mit Katalysatorfüllung besitzt, der jeweils ein Wärmetauscher nachgeschaltet ist.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 10, d. g. daß die Zumischungseinrichtung am oberen Ende der gekühlten Ringkammer durch eine Lochplatte und eine Katalysatorabdeckplatte gebildet wird.
    12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, d. g. daß der Zumi schei nri chtung eine Verwirbelungskammer vor der Katalysatoreinrichtung zwischengeschaltet ist.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 10, d. g. daß der Katalysator ein Katalysatorblock, isoliert und .in einem Zylinder gehalten ist, wie er auch als Wabenkörper für die Abgasentgiftung von Motoren eingesetzt wird.
    14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß dem öleinspritzventil eine poröse
    Platte gegenüberliegt, die im Reflektionsverhalten bei Aufspritzen des öl es 20 bis 50 % des öles in den Brennraum reflektiert.
    15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse 1. Platte eine Bohrung besitzt.
    16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der 1. Platte ein oder mehrere Katalysatorplatten nachgeordnet sind.
    17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Katalysatorplatten nachgeordenten Wärmetauscher
    Geradrohrwärmetauscher sind.
    18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Köpfe des Verbrennungs- und Vergasungsteils von den Geradrohrwärmetauschern abschraubbar oder über ein Gelenk abklappbar sind.
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
    US5987878A|1999-11-23|Fuel reforming apparatus and electric power generating system having the same
    US6358040B1|2002-03-19|Method and apparatus for a fuel-rich catalytic reactor
    US5127221A|1992-07-07|Transpiration cooled throat section for low nox combustor and related process
    JP2698134B2|1998-01-19|燃焼放出物を制御する方法と放出物燃焼器
    CN101687166B|2013-09-04|紧凑型燃料处理器
    US5848887A|1998-12-15|Low emission combustion system
    US5542840A|1996-08-06|Burner for combusting gas and/or liquid fuel with low NOx production
    EP0801265B1|2004-07-21|Verbrennungsgerät
    EP1844844B1|2018-07-18|Katalytischer Reaktor
    US6347511B1|2002-02-19|Exhaust gas purification system for lean burn engine
    US5207185A|1993-05-04|Emissions reduction system for internal combustion engines
    US4065917A|1978-01-03|Method of starting a combustion system utilizing a catalyst
    US5529484A|1996-06-25|Apparatus and method for decreasing nitrogen oxide emissions from internal combustion power sources
    US3982392A|1976-09-28|Combustion apparatus
    US4118171A|1978-10-03|Method for effecting sustained combustion of carbonaceous fuel
    US5460511A|1995-10-24|Energy efficient afterburner
    US3810732A|1974-05-14|Method and apparatus for flameless combustion of gaseous or vaporous fuel-air mixtures
    EP0254036A2|1988-01-27|Verfahren und Anlage zur Verminderung des NO3-Gehaltes im Rauchgas bei kohlenstaubbefeuerten Dampferzeugern mit Trockenentaschung
    US20030192318A1|2003-10-16|Catalytic combustor for substantially eliminating nitrous oxide emissions
    US7762807B2|2010-07-27|Gas-fired radiant tube with internal recuperator
    JP2009074533A|2009-04-09|ディーゼルエンジンの排気装置
    US5737922A|1998-04-14|Convectively cooled liner for a combustor
    US20020064739A1|2002-05-30|Method for introducing fuel and/or thermal energy into a gas stream
    US4081958A|1978-04-04|Low nitric oxide emission combustion system for gas turbines
    EP1532400B1|2017-07-26|Verfahren und vorrichtung zum verbrennen eines brennstoff-oxidator-gemischs
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    EP0210205B1|1990-11-07|
    EP0210205A1|1987-02-04|
    DE3503413A1|1986-08-07|
    US4725222A|1988-02-16|
    DE3503413C2|1993-08-19|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1986-08-14| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): JP US |
    1986-08-14| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |
    1987-02-04| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1986900771 Country of ref document: EP |
    1987-02-05| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1986900771 Country of ref document: EP |
    1990-11-07| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1986900771 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE19853503413|DE3503413C2|1985-02-01|1985-02-01||
    DEP3503413.0||1985-02-01||AT86900771T| AT58219T|1985-02-01|1986-01-29|Vorrichtung zur verbrennung von fluessigen und gasfoermigen brennstoffen mit stickoxidfreien abgasen.|
    [返回顶部]