DE8133128U1 - Vorrichtung zum einduesen und nachverbrennen sauerstoffhaltigen abgasen - Google Patents

Description

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Patentanwälte · European Patent Attorneys; J₁ ' ^:,.^::..^: ' ',ti.yi'.Müller-Boro t I Dietrich Lewald !

Dlpl.-Ing. '

Dr. Paul Deufel :

Dipl.-Chem., Olpl.-Wirtscfa.-Ing.

Ur. MdUtr-Bor* und Partner. POB J»OS47 . D-(OOO MOndten 26 ' "'* Alfred SdlÖn ;

Dlpl.-Chem.

Werner Hertel J

G 81 33 128.2 Dlpl-Phye.

Wärmetechnik Dr. Pauli Dr-ing. Dieter Otto

Dipl.-Ing.

»Dieseleindüsung« 31.8.1983

Vorrichtung zum Eindüsen und Nachverbrennen von sauerstoffhaltigen

Abgasen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Eindüsen und Nachverbrennen von sauerstoffhaltigen Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen zum Zwecke des Ausbrandes der in diesen Abgasen enthaltenen verbrennlichen Bestandteile und der Teilnahme des in diesen Abgasen enthaltenen Sauerstoffs am Verbrennungsprozeß unter Substituieren von Verbrennungsluft.

Abgase aus Verbrennungskraftmaschinen haben im Gegensatz zu Abgasen aus Feuerungsanlagen von Dampf- oder Heißv/assererzeugern relativ hohe Sauerstoffanteile und hohe Abgastemperaturen.

Je 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. 400°C bis 550⁰C liegen.

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 ent-

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bartorplatz 6 D-8000 Mündien26 : Sfwbc^wt : : 08F/221483-7 GII+m (089)229843 5-24285

haitenen Sauerstoff zur Verbrennung - sei es von Gas- oder Öl-, sei es bei Rost- oder Staubfeuerungen - einzusezten, sondern auch durch die mitgeführten CO₂- und N₂-Anteile ein vergrößertes Rauchgasvolumen pro eingesetzter Brennstoffeinheit im Dampferzeuger zu schaffen und so die Überhitzercharakteristik in niederen Lastbereichen zu verbessern. Auf diese Weise wird bei Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung eine verbesserte Stromausbeute pro eingesetzter Brennstoffeinheit erreicht.

Bei solchen Anlagen geht es vor allen Dingen um eine gleichmäßige und sichere Zündung des Brennstoff/Sauerstoffgemisches und eine einwandfreie Flammenstabilität, welche auch mit ei aer günstigen Flammenhaltung beim AufheiζVorgang verbunden sein muß.

Erreicht wird dies bei einer Vorrichtung zum Eindüsen und Nachverbrennen von sauerstoffhaltigen Abgasen der eingangs genannten Art durch einen Zündbrenner im Bereich der Brennermuffel.

(Es schließen sich an die beiden letzten Absätze auf Seite 5 und die Seiten 6 bis 11).

Vorzugsweise wird die ZündflaJime in unmittelbarer Nähe der Brennerflamme unter Konstanthaltung der Temperatur der Brennermuffel betrieben und dem Hauptbrenner wird ständig Kühlluft über ein gesondertes Kühlluftgebläse -zugeführt. Dadurch kann jederzeit die Zündung des Hauptbrenners ohne Vorspülung einerseits und bei hohen Feuerraumtemperaturen andererseits erfolgen.

Die Abgase können ferner als Sekundärluft an geeigneter Stelle eingeblasen werden, wobei eine intensive Durchmischung und Verwirbelung erfolgt, was wiederum ein teilweises Substituieren von Frischluft bewirkt.

Al« besonders zweckmäßig hat es sich herausgestellt, die Brennermuffel auf eine Temperatur von 8OO°C und darüber zu fahren, um so den Hauptbrenner sofort zünden zu können.

Vorzugsweise wird die Brennkammer im Temperaturbereich um 1000⁰C bis 1400⁰C bei Zumischung der Abgase aus der Verbrennungskraftmaschine gefahren.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ist wenigstens ein Zündbrenner im Bereich der Brennermuffel vorgesehen.

Vorzugsweise ist ein Thermoelement für die Temperatur im Inneren der Brennermuffel eingebaut.

Mit großem Vorteil wird die Brennermuffel als thermischer Flammenwächter bei der Eindüsung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen ausgebildet.

Es findet also eine an sich bekannte Brennermuffel als thermischer Flammenwächter bei der Eindüsung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen Anwendung.

Bei Anwendung der Maßnahme nach der Erfindung auf Rostfeuerungen werden die Abgase der Verbrennungskraftmaschine als Sekundärluft an geeigneter Stelle eingeblasen.

Bei Anwendung der Maßnahme nach der Erfindung auf Kohlsoder Holzstaubfeuerungen wird das sauerstoffreiche Abgas aus Verbrennungskraftmaschinen als Mantelluft eingeblasen.

Die Feuerung im Dampferzeuger wird zunächst über einen Flammenhalter oder dergleichen unter Einführung von Luft und öl gezündet; die Feuerraumtemperatur des Dampferzeugers, der im allgemeinen mit Flossenwänden ausgestattet ist,

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insbesondere die Temperatur der Brennermuffel, wird auf 800⁰C und darüber gefahren. Bis 800⁰C erfolgt die Flammenoder Temperaturüberwachung vermittels einer UV-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 15O⁰C verbleibt.

Die Vermischung der Abgase aus Verbrennungskraftmaschinen mit der Frischluft kann in einem Drallregler erfolgen, wobei in dem nachgeschalteten Gebläse eine weitere Vermischung n,it gleichzeitigen Temperatur- und Druckmessungen erfolgen. Vor dem Brenner befinden sich Meßstellen für Sauerstoff, Temperatur und Druck. Dt,n Brenner wird beispielsweise hierbei ein Gemisch von öl, Sauerstoff und Abgasen zugeführt und in der Brennermuffel gezündet. Zur Regelung des erforderlichen O^-Gehaltes wird die Temperatur der Brennkammer einerseits, die dem Brenner zugeführte Brennstoffmenge andererseits sowie der O_-Gehalt des dem Brenner zugeführten Rauchgasluftgemisches über eine 0--Sonde erfaßt.

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Die Wichtigkeit der Temperatursteuerung in der Brennkammer wird auch klar, wenn man bedenkt, daß der NO -Gehalt mit der Verbrennungstemperatur steigt. Die niedrigeren Verbrennungstemperaturen werden nur durch den größeren Massenstrom, d.h. durch Zümischung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen erreicht.

Ruß- und Schadstoffe in den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen werden ausgebrannt.

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 Kühlluftfeebläse.

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.

Die Brennermuffel ist leicht als Diffusor ausgebildet. Die Wandungen werden so besser geschützt.

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 Staubfeuerungen an geeigneter Stelle als Sekundärluft bzw. Zusatzluft einzusetzen;

c) die in den Abgasen enthaltenen Schwelgase zwecks eines besseren Ausbrandes aufzuheizen und die brennbaren Bestandteile, wie Ruß (C), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (C H) nachzuverbrennen, um auf diese Weise einerseits die Emissionswerte zu verbessern und andererseits die darin enthaltene Energie 2U 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 erzielen;

e) die in den Abgasen enthaltene Wärmeenergie zur Dampferzeugung und damit zur Stromerzeugung sowohl im Rahmen der Kraft-Wärme-Kopplung als auch des Kondensationsbetriebes zu verwerten, wodurch die StromausLeute pro eingesetzter Brennstoffeinheit beachtlich erhöht wird;

£) durch das vergrößerte Rauchgasvolumen im Dampferzeuger die Überhitzercharakteristik in niederen Lastbereichen zu verbessern und so auch auf -diese Weise eine weitere verbesserte Stromausbeute pro eingesetzter Brennstoffeinheit zu erreichen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun j 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 Ausführungsform schematisch und Fig. 4 eine dritte Ausführungsform.

Nach Fig. 1 können die Abgase der Verbrennungskraftmaschine 1 mit Hilfe eines Abgasleitungssystem 2 und eines aus zwei Klap] bestehenden Systems 3 sowohl in die Atmosphäre (bei 4) als auch über ein Gebläse 5 der Dampferzeugeranlage 6 zugeführt werden. Bei Brenneranlagen 7 (Gas- oder ölbrennern) 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 Sauerstoffboimischung bei ausreichendem Sauerstoffgehalt der Abgase aus der Verbrennungskraftmaschine oder bei entsprechend günstigem Lastbereich des Dampferzeugers.

Im letzteren Fall reicht das Sauerstoffangebot in den Abgasen aus, um die gewünschte Dampfleistung zu erzeugen.

- 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).

- Die Fahrweise nur mit Frischluft bei Stillstand der Verbrennungskraftmaschine .

- Die Fahrweise der Verbrernungskraftmaschine ohne Eindüsung über den Brenner des Dampferzeugers bei Stillstand des Dampferzeugers, wobei die Abgase aus der Verbrennungskraftmaschine in die Atmosphäre gehen.

Fig. 2 läßt das Eindüsen der Abgase aus der Verbrennungskraftmaschine über den Brenner 7_? das ist. dor 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 Hauptbrenner 7 vorhanden ist. Bei nicht betriebsbereitem Zündbrenner 8 bzw. bei Verlöschen der Zündbrennerflamme 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 Überbrückung 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.

Mit dieser Anordnung können auch die An- und Abfahrzustände der Verbrennungskraftmaschinen, welche große Schadstoffemissionen zur Folge haben, beherrscht und durch die Nachverbrennung der Abgase die Emission erheblich reduziert werden.

Fig. 3 zeigt die Eindüsung der Abgase aus Verbrennungskiaftmaschinen über Rostanlagen (in der Darstellung ist ein Wanderrost gezeigt) von Dampferzeugern 6 iri Form einer Sekundärlufteindüsung 14 mit eigenem Gebläse 15. Es sind die gleichen Betriebszustände wie bei derEindüsung über Brenneranlagen (I iguren 1 und 2) möglich. Ober die entsprechenden Klappensysteme 3 und die an geeigneten Stellen angeordneten Sekundärluftdüsan 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.

Ein Ausführungsbeispiel füi Kohle- und Holzstaubfeuerung gibt Fig. 4. Die Abgase werden in gleicher Weise vie bei den Gas- und ölbrenneranlagen geführt. Die Abgase werden jedoch hierbei nicht als Träger- oder Frischluft verwendet, vielmehr in Form einer Mantelluft des Brenners eingedüst. Das Staub-Luftgemisch 26 wird dem Kohlenstaub- oder Holzstaubbrenner 1" zugeführt. Über das Abgasleitungssystem werden die Abgase über einen Ringkanal 18 um den Brenner bei· Verwendung einer entsprechenden Anzahl von Düsen 13 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.

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Wärmetechnik Dr. Pauli GmbH & Co.
Betriebs KG, 8035 Gauting

Verfahren und Vorrichtung zum Eindüsen und Nachverbrennen sauerstoffhaltiger Abgase, insbesondere von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen

ZUSAMM ENFASSUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Eindüsen und Nachverbrennen von Abgasen aus Vsrbrennungskraftmaschinen zum Zwecke des Ausbrandes der in diesen enthaltenen verbrennlichen Bestandteilen und der Teilnahme des in diesen Abgasen enthaltenen Sauerstoffs am Verbrennungsprozeß. Zur Sicherung der Flammenstabilität ist ein Zündbrenner 8 im Bereich 10 der Brennermuffel 9 angeordnet. Die Brennermuffel 9 kann als thermischer Flammenwächter bei Eindüsung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen ausgebildet sein.

Figur 2

Claims (6)

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1. Vorrichtung zum Eindüsen und Nachverbrennen von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen zum Zwecke des Ausbrandes der in diesen enthaltenen verbrennlichen Bestandteile und der Teilnahme des in diesen Abgasen enthaltenen Sauerstoffs am Verbrennungsprozeß unter Substituieren von Verbrennungsluft, gekennzeichnet durch einen Zündbrenner (8) im Bereich (10) der Brennermuffel (9).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennermuffel (9) ein Thermoelement (13) zur Messung der Temperatur im Inneren der Brennermuffei eingebaut ist.

D-8000 München 2 POS 26 02 47 ''.'.· '·KaDpI:"/ ·| «teief^jf Telecopier Infoteo 6400 B Telex

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennermuffel (9) als the.r-ischer Flammenwächter bei Eindüsung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenwächter ein gemauerter Kanal, ein kleines Gewölbe ο 3er ein Temperaturhalter einfacher Bauart ist.

• 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennermuffel (9) diffusorartig mit nach außen sich leicht erweiternden Wandungen ausgebildet ist, wobei die Brennermuffel gegebenenfalls aus hochwertigem Korrundmaterial besteht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennermuffel als thermischer Flammenwächter bei der Eindüsung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen ausgebildet ist.