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Folgende Erfindung gehört zu dem
Bereich Wärmeenergetik
und kann in den verschiedenen technischen Bereichen zur Brennstoffverbrennung verwendet
werden.
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Die Verbrennung eines Brennstoffes
ist eine Oxidationsreaktion der Brennstoffkkomponente (Kohlenstoff
und seine Oxidationsverbindungen, Methan. usw.). Als Oxidationsmittel
für die
Verbrennung verwendet man Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist.
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Ein kritischer Punkt bei dieser Reaktion
ist der chemischmechanische Transport des Oxidationsmittels in die
Reaktionszone. In den verschiedenen Verbrennungseinrichtungen (Brenner,
Feuerraum, Düse)
verbessert man mit Hilfe unterschiedlicher Maßnahmen die Vermischung von
Luft und Brennstoff. Zu diesen Maßnahmen gehört ebenso eine Steigerung des
Luftverbrauchs unter Berücksichtigung,
der für
die Verbrennung theoretischnotwendigen Luftmenge. Mit solchen Maßnahmen
kann das Ziel erreicht werden. Aber dadurch werden die effektive
Verwendung der Wärme,
die bei Brennstoffverbrennung erzeugt wird, des Brennstoffes reduziert.
Diese Maßnahme
erfordern auch größere Kesselmaße und eine
Steigerung des Energiebedarfs für die
Lustzufuhr und die Abfuhr der restlichen Verbrennungskomponenten.
Tatsächlich
führt eine
Steigerung der Luftmenge, im Vergleich zu der theoretischnotwendigen
(Koeffizient des Luftbedarfes λ > 1,0 -Luftüberschuss
) Luftmenge, zur Reduzierung der theoretischen Brennstoffverbrennungstemperatur
und zur Volumenvergrößerung bei
den Verbrennungsprodukten. Da die Wärmeabgabe in den Hochtemperaturaggregaten
der vierten Potenz der Temperatur proportional ist, vermindert sich
die Effektivität
der Aggregate (Kessel, industrielle Öfen usw.) drastisch. Zur Erzielung
der notwendigen Produktivität
müssen
die Maße
der Aggregate vergrößert werden,
dabei steigen auch die Wärmeverluste
in die Umgebung (Leerlaufverluste) und das wiederum fördert die
Vergrößerung der
Brennstoffmenge. Dabei vergrößert sich
auch die Flammenlänge
und der Schadstoffgehalt im Rauchgas (NOx und CO). Für die CO – Nachverbrennung
muss dem brennstoffverwendenden Aggregat zusätzlich Luft zugeführt werden.
Die Sauerstoffkonzentration in der Flamme bestimmt die NOx-Menge,
die sich in den Verbrennungsprodukten bei einer solchen Temperatur
bildet. Bei der überschüssigen Luftzufuhr
ist die Sauerstoffkonzentration in der Hochtemperaturzone größer als bei
der stöchiometrieschen
Menge und die NOx – Bildung
nimmt zu. Außerdem
führt eine
Steigerung der Menge der Verbrennungsprodukte zu einer vergrößerten Umweltwärmebelastung
bzw. bei einer Kohlenstaubverbrennung zur Erhöhung der ausgeführten Staubmenge
aus dem Wärmeaggregat.
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Zur Zeit sind verschiedene Vorbereitungsmethoden
des Oxidationsmittels für
die Verbrennung bekannt. Diese Vorbereitungsmethoden basieren auf der
Luftionisation mit Hilfe elektrischer Entladung.
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In dem Patent aus Russland [1] wird
eine Methode der Luft und Gasionisation beschrieben. Diese Methode
basiert auf der Ionisation der Luft und Gase, mittels elektrischer
und thermischer Felder. Die Methode ist dadurch gekennzeichnet,
dass an der Elektrode aus hochohmigem Widerstandsmaterial eine Glühspannung
anliegt und somit diese mit Hilfe des sinusförmigen Niederspannungsstromes
auf die Temperatur 400-1500°C
erhitzt wird. Daraufhin wird eine Hochspannung mit einer Amplitude 3-100kV
und einer Frequenz 10-1 MHz eingeleitet, wobei die Hochspannung
die Form der sich aufeinander wiederholenden Impulse gleicher Polarität und Amplitude
mit einem langsamen Anstieg und raschem Abfall hat.
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Mit dieser Methode wird die Luftionisation
erreicht. Jedoch kann diese Oxidationsmittelvorbereitungsmethode
nur in den bestimmten Vorrichtungen eine bessere Brennstoffverbrennung
gewährleisten, und
zwar in denen das Oxidationsmittel in den elektrisch isolierten
Leitungen vom Ort der Ionisation bis zur Verbrennung transportiert
wird Um die Entladung der Sauerstoff-Ionen zu vermeiden müssen die Leitungen elektrisch
isoliert sein. Bei den Wärmeenergieeinrichtungen
sind viele Bestandteile (Kesselaußengehäuse, Luftleitungen, Brenner
usw.) geerdet. Die Isolation dieser Bestandteile ist sehr kompliziert und
unwirtschaftlich.
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Mit der oben erwähnten Methode wird das Oxydationsmittel
für die
Verbrennung vorbereitet. Jedoch ist dabei ein erheblicher Energiebedarf
für die Erhitzung
der Elektrode und für
die elektrische Entladung (Strom) notwendig.
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Diese Vorrichtung ist ziemlich kompliziert,
da es Erzeugung eines Signals mit einem bestimmten Profil und einer
Amplitude bis zu 100 kV voraussetzt.
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Die Gewährleistung der Sicherheit bei
industriellem Einsatz dieser Vorrichtung ist kompliziert, deswegen
ist die Effektivität
dieser Methode gering.
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Bei der nächsten bekannten Methode wird das
Oxydationsmittel bei der Vorbereitung für die Verbrennung durch ein
impulsförmiges
elektrisches Hochspannungsfeld geleitet. Diese Methode ist dadurch
gekennzeichnet, dass in den Kraftstoffverarbeitungsbereich zusätzlich das
im Vorfeld ionisierte Oxydationsmittel zugeführt und mit dem Kraftstoff vermischt
wird. [2] (Prototyp) Die letzterwähnte Methode weist jedoch neben
den bereits genannten Nachteilen (Entladung der Ionen und komplizierte Konstruktion,
die die elektrische Entladung unmittelbar in dem Brenner gewährleistet)noch
weitere Nachteile auf, wie Vergrößerung von
NOx – Emissionswerten
im Rauchgas, Instabilität
der Gasentladung in der angezündeten
Luft und Lärmentwicklung bei
der Entladung.
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Eine Vergrößerung der NOx – Bildung
wird infolge der erhöhten
Temperatur und ionisierten Reaktionskomponenten (Sauerstoff, Stickstoff)
hervorgerufen. Die erreichten Kraftstoffersparnisse bewirken keine
Kompensation für
Umweltverschmutzung durch die NOx-Bildungen.
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Das Ziel der Erfindung ist die Oxidationsmittelaktivierung
vor der Brennstoffverbrennung. Diese Oxidationsmittelvorbereitung
gewährleistet
eine intensivere Zusammensetzung des Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel
und verbessert die Effektivität der
Brennstoffverwendung.
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Dieses Ziel wird dadurch erreicht,
dass entsprechend der Erfindung vor dem Zufügen des Oxidationsmittels in
die Verbrennungszone dieses durch ein inhomogenes stationäres elektrisches
Feld durchgeleitet werden muss, wobei die Spannung dieses Feldes
kleiner als die Spannung der Elektroladung ist und die Schnittfläche der
Elektrode kleiner als 3% von der Schnittfläche der Leitung in die die Elektrode
montiert wird.
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Das Oxidationsmittel wird bei der
Strömung durch
das Feld polarisiert. Ein nichtpolarisiertes Molekül des Sauerstoffes
wird sich ausdehnen, dadurch entsteht ein dipolelektrisches Moment.
Dieses Molekül
bleibt neutral, es kann nicht bei dem Kontakt mit geerdeten Konstruktionen
des Kessels entladen werden. Außerdem
ist der Energiebedarf für
die Polarisation viel kleiner als für die Ionisation.
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Der Energiebedarf für die Sauerstoffionisation
ist kleiner als die Energie für
die Stickstoffionisation deswegen wurde die Größe des elektrischen Feldes
in der angebotenen Methode so ermittelt, dass die Stickstoffmoleküle praktisch
unverändert
bleiben.
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Das Vorhandensein eines eigenen elektrischen
Feldes bei dem polarisierten Sauerstoffmolekül bildet eine zusätzliche
elektrische Kraft der gegenseitigen Anziehung der Sauerstoffmoleküle und des
Brennstoffes. Diese gegenseitige Anziehung gewährleistet eine bessere Vermischung
des Sauerstoffes mit dem Brennstoff und lässt bei den anderen gleichwertigen
Bedingungen den Brennstoff mit einem niedrigeren Luftüberschusskoeffizienten
verbrennen. Die Verbrennung des polarisierten Sauerstoffmolekül benötigt weniger
Energie für
eine Ionisation während
der Verbrennung als beim nichtpolarisierten. Aus diesem Grund wird
die Zündtemperatur des
Brennstoffes kleiner. Es führt
zu einer intensiveren und vollkommeneren Brennstoffverbrennung.
Die Verbrennungsbeschleunigung führt
zur Minderung der unverbrauchten Brennstoffmenge in Asche und Rauchgas,
Verkürzung
der Flammenlänge
und Erhöhung
der tatsächlichen
Verbrennungstemperatur, die mit einer Senkung des Luftüberschusses
verbunden ist.
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Diese Erfindung kann bei allen Brennstofftypen
und Brennstoffkombinationen und in allen Brennstoffverbrennungseinrichtungen,
in denen Oxidationsmittelzufuhr vorhanden ist, verwendet werden.
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Die Begrenzung der Spannungsgröße des elektrischen
Feldes mit vordurchgeschlagenem Spannungswert ist mit folgenden
Notwendigkeiten verbunden:
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- – ein
stabiler Betrieb mit minimalem Prozessenergieverbrauch
- – Verkleinerung
der Sauerstoffionenbildung, die sich nutzlos an den geerdeten Luftleitungskonstruktionen
entladen
- – Ausschließen von
Voraussetzungen für
die NOx-Bildung in der Oxidationsmittelbearbeitungszone.
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Eine Begrenzung der Größe der polarisierten Elektrode
(3% des Leitungsquerschnitts) ist mit der Minderung des hydraulischen
Widerstandes in der Luftleitung und mit der Reduzierung des Energieverbrauchs
für den
Lufttransport zu der Verbrennungszone verbunden.
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Die Verwendung des Wasserdampfes,
der vor der polarisierten Elektrode in das Oxidationsmittel eingeführt werden
muss, ist mit der Polarisation der Wassermoleküle, die in der Verbrennungszone schnellere
Dissoziation haben, verbunden. Diese dissoziierten Wassermoleküle beschleunigen
die Kettenreaktion des Verbrennungsprozesses. Die Verwendung des
polarisierten Wasserdampfes führt
zu besserer Brennstoffausbrennung und erhöht seine Strahlungsfähigkeiten,
infolge der Bildung verschiedenen Komplextypen COOH–.
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Also, die Verwendung der vorgeschlagenen Methode
und der Vorrichtung gewährleistet
folglich:
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- – Minderung
des Kraftstoffbedarfes
- – Steigerung
der Aggregatesleistung
- – Reduzierung
der NOx und CO Emissionswerte ebenso der Umweltwärmebelastung
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Die Vorrichtungsfunktionsweise ist
aus der 1 zu erkennen:
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- 1- Ventilator
- 2 – Luftleitung
- 3 – gitterförmige Elektrode
- 4 – Isolator
- 5 – Spannungsquelle
- 6 – Isolatoren
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Ein Oxidationsmittel, z.B. Luft,
wird mittels des Ventilators (1) durch die Rohrleitung
(2) in die Verbrennungseinrichtung (Brenner, Brennkammer etc.)
geleitet. Das Oxidationsmittel strömt durch die gitterförmige Elektrode
(3). Die Elektrode wird mittels eines Stabes, der durch
einen durchgehenden Isolator (4) geht, mit der Spannungsquelle
(5) verbunden. Die Elektrode wird von der Leitung mit den
Isolatoren (6) isoliert.
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Die aufgeladene gitterförmige Elektrode
bildet in der Luftleitung ein inhomogenes elektrostatisches Feld,
durch welches das Oxidationsmittel vom Ventilator bis zur Verbrennungsvorrichtung
strömt.
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Die Funktionsweise des Verfahrens
und der Vorrichtung wird an Hand zweier Beispiele erläutert.
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Beispiel 1:
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In den Dampfgenerator, der mit Naturgas
betrieben wird, wurde hinter dem Ventilator ein Drahtgitter aus
Stahl installiert. Das Gitterskelett war mit Hilfe der Isolatoren
auf den Trägeren,
die in der Luftleitung angeschweißt wurden, abgestützt. Die
Elektrode war mittels eines Stabes mit der Spannungsquelle verbunden.
Die Spannungsquelle wurde an das Kraftwerknetz (220V) angeschlossen
und konnte am Kesselarmaturenbrett bedient werden. Im Versuchsbetrieb
wurde der Kraftstoffverbrauch um 6,5% reduziert. Die Fackellänge wurde
um das 2-fache und der NOx Gehalt in den abströmenden Gasen wurde um 20% gesenkt.
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Beispiel 2:
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In den Dampfgenerator, der mit Steinkohle betrieben
wird und der das rückgängige Kettengitter und
eine Luftheizung bis 150°C
hat, wurde vor dem Luftverteiler in dem Gebläsegehäuse ein Gitter installiert.
Das Gitter wurde aus den Stahlstäben
gefertigt. Das Gitter war ebenso an einer Spannungsquelle angeschlossen
und von dem Gebläsegehäuse isoliert.
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Die Leistung der Spannungsquelle
war 80 W. Im Versuchsbetrieb wurde der Kraftstoffverbrauch um 10%
und die Emission von CO und NOx um 22% reduziert.
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Die Anwendung dieses Verfahrens führt zu einer
Reduktion des Brennstoffbedarfs in den Dampferzeugern um 3 – l0 %,
abhängig
vom Brennstofftyp und seiner Qualität.