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Verfahren und Vorrichtung zum Eindüsen und Nachverbrennen
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sauerstoffhaltiger Abgase, insbesondere von Abgasen aus-Verbrennungskraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eindüsen und Nachverbrennen von Abgasen
aus Verbrennungskraftmaschinen zum Zwecke des Ausbrandes der in diesen Gasen enthaltenen
verbrennlichen Bestandteilen und der Teilnahme des in diesen Abgasen enthaltenen
Sauerstoffs am Verbrennungsprozeß durch Substitution von Verbrennungsluft.
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Die Erfindung hat auch eine solche Vorrichtung zum Gegenstand.
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Abgase aus Verbrennungskraftmaschinen haben im Gegensatz zu Abgasen
aus Feuerungsanlagen von Dampf- oder Heißwassererzeugern relativ hohe Sauerstoffanteile
und hohe Abgastemperaturen.
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Jc nach Lastbereich liegen bei den Kolbenmaschinen (Diesel-und Gasmotoren)
die Sauerstoffgehalte bei 11 - 16 % und die Abgastemperaturen bei 3500C bis 4500C,
während bei den Gasturbinen die Sauerstoffgehalte über 15 % und die Abgastemperaturen
bei ca. 4000C bis 5500C liegen.
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Prinzipiell ist es möglich, die Abgase einer Verbrennungskraftmaschine,
sofern ausreichend Sauerstoff in den Abgasen enthalten ist, direkt einem Brennersystem
als Sauerstoffträger zuzuführen. Der Erfindung liegt jedoch die Aufgabe zugrunde,
in einem nachgeschalteten Dampferzeuger nicht nur den in den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine
enthaitenen Sauerstoff zur Verbrennung - sei es von Gas- oder 1-, sei es bei Rost-
oder Stauhfeuerngen - einzusetzen,
sondern auch duch die mitgeführten
CO2- und N2-Anteile ein vergrößertes Rauchgasvolumen pro eingesetzter Brennstoffeinheit
im Dampferzeuger zu schaffen und so die Oberhitzercharakteristik in niederen Lastbereichen
zu verbessern. Auf diese Weise wird bei Anlagen mit Kraft-Wärme-Koppelung eine verbesserte
Stromausbeute pro eingesetzter Brennstoffeinheit erreicht.
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Bei solchen Anlagen geht es vor allen Dingen um eine glcichmäßige
und sichere Zündung des Brennstoff/Sauerstoffgemisches und eine einwandfreie Flammenstabilität,
welche auch mit einer günstigen Flammenhaltung beim Aufheizvorgang verbunden sein
muß.
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Erreicht wird dies bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
überraschend dadurch, daß in Kombination zur Sicherung der Flammenstabilität eine
Zündflamme benachbart der Brennerflamme unter Konstanthaltung der Temperatur in
der Brennerumgebung betrieben wird und dem Hauptbrenner ständig Kühlluft in geringem
Maße zum Schutz der Blechteile zugeführt wird.
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Vorzugsweise wird die Ziindflamme in unmittelbarer Nähe der Brennerflamme
unter Konstanthaltung der Temperatur der Brennermuffel betrieben und dem Flauptbrenner
wird ständig Kühlluft über ein gesondertes Kühlluftgebläse zugeführt. Dadurch kann
jederzeit die Zündung des Hauptbrenners ohne Vorspülung einerseits und bei hohen
Feuerraumtemperaturen andererseits erfolgen.
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Die Abgase können ferner als SekundSriuft an geeigneter Stelle eingeblasen
werden, wobei eine intensive Durchmischung und Verwirbelung erfolgt, was wiederum
ein teilweises Substituieren von Frischluft bewirkt.
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Als besonders zweckmäßig hat es sich herausgestellt, die Brennermuffel
auf eine Temperatur von 8000C und darüber zu fahren, um so den Hauptbrenner sofort
zünden zu können.
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Vorzugsweise wird die Brennkammer im Temperaturbereich 0 0 um 1000
C bis 1400 C bei Zumischung der Abgase aus der Ve rbrennungskraftmaschine gefahren.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ist wenigstens ein Zündbrenner
im Bereich der Brennermuffel vorgesehen.
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Vorzugsweise ist ein Thermoelement für die Temperatur im Inneren der
Brennermuffel eingebaut.
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Mit großem Vorteil wird die Brennermuffel als thermischer Flammenwächter
bei der Eindüsung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen ausgebildet.
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is findet also eine an sich bekannte Brennermuffel als thermischer
Flammenwächter bei der Eindüsung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen Anwendung.
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Bei Anwendung der Maßnahme nach der Erfindung auf Rostfeuerungen werden
die Abgase der Verbrennungskraftmaschine als Sekundärluft an geeigneter Stelle eingeblasen.
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Bei Anwendung der Maßnahme nach der Erfindung auf Kohle-oder Holzstaubfeuerungen
wird das sauerstoffreiche Abgas aus Verbrennungskraftmaschinen als Mantelluft eingeblasen.
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Die Feuerung im Dampferzeuger wird zunächst über einen Flammenhalter
oder dergleichen unter Einführung von Luft und Ol gezündet; die Feuerraumtemperatur
des Dampferzeugers, der im allgemeinen mit Flossenwänden ausgestattet ist,
insbesondere
die Temperatur der Brennermuffel, wird auf 8000C und darüber gefahren. Bis 8000C
erfolgt die Flammen-oder Temperaturüberwachung vermittels einer IJV-Zelle oder auch
durch einen optischen Flammenwächter. Ab 8000C wird der UV-Flammenwächter überbrückt.
Allein die Brennermuffel ist nun für die Zündung verantwortlich. Die mit Öl und
Luft vermischten Abgase aus der Verbrennungskraftmaschine zünden etwa bei 65O0C,
so daß ein Sicherheitsspielraum von mehr als 150°C verbleibt.
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Die Vermischung der Abgase aus Verbrennungskraftmaschinen mit der
Frischluft kann in einem Drallregler erfolgen, wobei in dem nachgeschalteten Cels
eine weitere Vermischung mit gleichzeitigen Temperatur- und Druckmessungen erfolgen.
Vor dem Brenner befinden sich Meßstellen für Sauerstoff, Temperatur und Druck. Dem
Brenner wird beispielsweise hierbei ein Gemisch von Öl, Sauerstoff und Abgasen zugeführt
und in der Brennermuffel gezündet. Zur Regelung des erforderlichen 02-Gehaltes wird
die Temperatur der Brennkammer einerseits, die dem Brenner zugeführte Brennstoffmenge
andererseits sowie der 02-Gehalt des dem Brenner zugeführten Rauchgasluftgemisches
über eine 02-Sonde erfaßt.
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Die Wichtigkeit der Temperatursteuerung in der lsrennkammer wird auch
klar, wenn man bedenkt, daß der NOx -Geialt mit der Verbrennungstemperatur steigt.
Die niedrigeren Vcrbrennungstemperaturen werden nur durch den größeren Massenstrom,
d.h. durch Zumischung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen erreicht.
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Ruß- und Schadstoffe in den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen
werden ausgebrannt.
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Die Brennermuffel hält infolge ihrer Wärmespeicherkapazität die Flamme
stabil. Der thermische Schutz gegenüber den anderen, beispielsweise aus Blech bestehenden
Bauteilen übernimmt das ständig in Betrieb befindliche Klihllftgebläse.
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Anstatt der Brennermuffel, die beispielsweise in Form eines Schamottrings
ausgeführt ist, lassen sich auch ein gemauerter Kanal; ein kleines Gewölbe oder
andere als Temperaturhalter infrage kommende Einrichtungen einfacher Bauart verwenden.
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Die Brennermuffel ist leicht als Diffusor ausgebildet.
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Die Wandungen werden so besser geschützt.
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In dem nachgeschalteten Dampferzeuger wird also erreicht, a) den in
den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Sauerstoff zur Verbrennung
- insbesondere von Gas oder Öl - einzusetzen; b) in gleicher Weise die Abgase bei
Rostfeuerungen und Staub feuerungen an geeigneter Stelle als Sekundärluft bzw. Zusatz
luft einzusetzen; c) die in den Abgasen enthaltenen Schwelgase zwecks eines besseren
Ausbrandes aufzuheizen und die brennbaren Bestandteile, wie Ruß (C), Kohlenmonoxid
(CO) und Kohlenwasserstoffe (CnI1m) nachzuverbrennen, um auf diese Weise einerseits
die Emissionswerte zu verbessern und andererseits die darin enthaltene Energie zu
nutzen; d) durch diese Nachverbrennung eine Verschmutzung der nachgeschalteten Heizflächen,
insbesondere durch feuchten Ruß, speziell bei den An- und Abfahrzuständen von Verbrennungskraftmaschinen,
zu unterbinden, um auf diese Weise lange Reisezeiten mit hohen Wärmenutzungsgraden
zu erziclcn; e) die in den Abgasen enthaltenc WSrmeenergie zur Dampfcrzcugung und
damit zur Stromerzeugung sowohl im Rahmen der Kraft-Wsirme-Kopplung als auch des
Kondensationsbetriebes zu verwerten, wodurch die Stromausbeute pro eingesetzter
Brennstoffeinheit beachtlich erhöht wird;
f) durch das vergrößerte
Rauchgasvolumen im T)amprcrzeuger die Oberhitzercharakteristik in niederen Lastbereichen
zu verbessern und so auch auf diese Weise eine weitere verbesserte Stromausbeute
pro eingesetzter Brennstoffeinheit zu erreichen.
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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in Fig. 1
eine solche geeignete Anlage schematisch; Fig. 2 zeigt eine Einzelheit, teilweise
im Schnitt; Fig. 3 eine zweite Ausfübrungsform schematisch und Fig. 4 eine dritte
Ausführungsform.
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Nach Fig. 1 können die Abgase der Verbrennungskraftmaschine 1 mit
Hilfe eines Abgasleitungssystem 2 und eines aus zwei Klappen bestehenden Systems
3 sowohl in die Atmosphäre (bei 4) als auch über ein Gebläse 5 der Dampferziugeranlage
6 zugeführt werden. Bei Brenneranlagen 7 (Gas- oder blbrennern) dient dieses Gebläse
gleichzeitig als Frischluftgebläse mit Luftansaugung aus der Atmosphäre 24. Damit
sind vier Betriebszustände möglich: es sind dies: - Die Eindüsung und Nachverbrennung
der Abgase über den Brenner ohne Sauerstoffbeimischung bei ausreichendem Sauerstoffgehalt
der Abgase aus der Verbrennungskraftmaschine oder bei entsprechend günstigem Lastbereich
des Dampferzeugers.
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Im letzteren Fall reicht das Sauerstoffangebot in den Abgasen aus,
um die gewünschte Dampfleistung zu erzeugen.
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- Die Eindüsung und Nachverbrennung dieser Abgase über den Brenner
unter Sauerstoffbeimischung durch Frischluft bei nichtausreichendem Sauerstoffgehalt
der Abgase oder entsprechend hohem Lastbereich des Dampferzeugers (jetzt
reicht
das Sauerstoffangebot in den Abgasen nicht mehr aus, um die gewünschte Dampfleistung
zu erzeugen).
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- Die Fahrweise nur mit Frischluft bei Stillstand der Verbrennungskraftmaschine.
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- Die Fahrweise der Verbrennungskraftmaschine ohne Eindüsung über
den Brenner des Dampferzeugers bei Stillstand des Dampferzeugers, wobei die Abgase
aus der Verbrennungskraftmaschine in die Atmosphäre gehen.
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Fig. 2 läßt das Eindüsen der Abgase aus der Verbrennungskraftmaschine
über den Brenner 7, das ist der Hauptbrenner, deutlich werden. Zum Zwecke der Flammenstabilität
ist ein Zündbrenner 8 in Blockbauweise mit geringer, jedoch konstanter Brennstoffdurchsatzleistung
an geeigneter Stelle der Brennermuffel 9 angeordnet. Die Anordnung des Zündbrenners
in der Brennermuffel (bei 10) ist so geschützt und zurückversetzt, daß auch bei
heftigem Betrieb des Hauptbrenners die Zündbrennerflamme nicht erlöschen kann und
somit ständig eine Zündquelle für den Ilauptbrenner 7 vorhanden ist. Bei nicht betriebsbereitem
Zündbrenner 8 bzw. bei Verlöschen der Ziindbrenncrflamme schaltet automatisch die
Brennstoffzufuhr 11 für den Hauptbrenner 7 ab. Die Vorspülung des Hauptbrenners
7 ist überbrückt, wenn die Brennermuffel 9 eine Sicherheitstemperatur von über 8000C
hat, was einerseits durch den Zündbrenner 8 bewirkt und andererseits durch ein Kühlluftgebläse
12 mit geringer Luftleistung zum Schutz des betriebsbereiten Hauptbrenners 7 erreicht
wird. Die Brennermuffeltemperatur und die Oberbrückung der Vorspülung werden durch
ein Thermoelement 13 überwacht. Das Thermoelement ist etwa 3 mm unter der Oberfläche
eingebaut und kann so verläßlich die Temperatur im Inneren der Brennermuffel messen.
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Mit dieser Anordnung können auch die An- und Abfahrzistnde der Verbrennungskraftmaschinen,
welche große Schadstoffemissionen zur Folge haben, beherrscht und durch die Nachverbrennung
der Abgase die Emission erheblich reduziert werden.
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Fig. 3 zeigt die Eindüsung der Abgase aus Verbrennungskraftmaschinen
über Rostanlagen (in der Darstellung ist ein Wanderrost gezeigt) von Dampferzeugern
6 in Form einer Sekundärlufteindüsung 14 mit eigenem Gebläse 15.
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Es sind die gleichen Betriebszustände wie bei derEindüsung über Brenneranlagen
(Figuren 1 und 2) möglich.
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ber die entsprechenden Klappensysteme 3 und die an geeigneten Stellen
angeordneten Sekundärluftdüsen 14 über dem Rostsystem 16 kann ein vollständiger.
Ausbrand der in den Abgasen enthaltenen brennbaren Bestandteile und eine weitgehende
Teilnahme des in den Abgasen der Verbrennungskraftmaschinen enthaltenen Sauerstoffes
am Verbrennungsprozeß erfolgen.
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Ein Ausführungsbeispiel für Kohle- und Holzstaubfeuerung gibt Fig.
4. Die Abgase werden in gleicher Weise wie bei den Gas- und Öibrenneranlagen geführt.
Die Abgase werden jedoch hierbei nicht als Träger- oder Frischluft verwendet, vielmehr
in Form einer Mantelluft des Brenners eingedüst.
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Das Staub-Luftgemisch 26 wird dem Kohlenstaub- oder Ilolzstaubbrenner
17 zugeführt. Über das Abgasleitungssystem 2 werden die Abgase über einen Ringkanal
18 um den Brenner 17 bei Verwendung einer entsprechenden Anzahl von Diisen 19 als
Mantelluft des Brenners in den Feuerraum eingedüst und nehmen auf diese Weise am
Verbrennungsprozeß in ähnlicher Weise wie bei der Eindüsung über Rostfeuerungen
teil. Gleichzeitig wird durch diese Mantelbeheizung des Kohlestaub- oder Holzstaubbrenners
die Zündfähigkeit des Brennstoff-Luftgemisches verbessert.