EP0210205B1 - Device for combustion of liquid and gas fuels producing nitrogen oxide-free exhaust gases - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a combustion unit for liquid and / or gaseous fuels with air in a heat generator.
- a device for generating fission gas in which fuel from hydrocarbon and air are mixed in a "rich" mixture ratio in a combustion chamber. After their ignition and combustion, the resulting combustion gases leave the combustion chamber, heat a catalytic reaction chamber via a heat exchanger and - before they enter it - are again mixed with fuel of the above type. This prevents the second supply line of fuel from coming into direct contact with the flames in the combustion chamber. This is to achieve an endothermic reaction with little air or little oxygen in the downstream catalytic reaction chamber, so that heat dissipation is avoided.
- the problem of the combustion of fuel gases without nitrogen oxides has not been addressed.
- the invention proposes a combustion unit of the type mentioned at the outset, which has the following: a combustion chamber, into which a fuel / air mixture is fed via a first line; an ignition device for the fuel / air mixture to form a hot combustion gas; a cooled outer wall belonging to the combustion chamber for cooling the combustion gas; a mixing space which is formed within the combustion chamber for mixing the cooled combustion gases with additional fuel, the additional fuel being admixed via a second line; a catalytic reaction chamber downstream of the combustion chamber for reaction with the cooled combustion gases which are already mixed with the additional fuel; and a heat exchanger downstream of the catalytic reaction chamber.
- the combustion unit can be provided with a line leading from the heat exchanger, which line is connected to the first and second line of a downstream combustion unit, preferably of the type according to the invention.
- the reaction of the conversion of the fuel with the air is achieved at all points, so that the heat release by the combustion reactions and subsequent flue gas cooling can take place in a temperature range below 1300 ° C. or under a reducing atmosphere, or nitrogen oxides formed in a reducing atmosphere under catalytic action can be reduced.
- Only about half of the gaseous fuel, in the range between 30 and 70%, is almost completely burned with the total air of the first stage in a preliminary stage in a cooled ring chamber.
- the hot flue gases only cool down to temperatures of 1200 to 1600 ° C in the annular chamber, which only has 1-2% of the total heat exchange surface.
- the conversion in the 1st stage takes place in that a partial stream of the gasification gas formed is returned to the ring chamber of the 1st stage and there completely burns with the partial stream of air.
- the amount of liquid fuel added is added to the hot combustion gas at the top of the 1st stage.
- the mixture converts to a fuel gas in the 1st stage catalyst.
- the uppermost ceramic or metal plate of the catalyst unit at the point where the liquid jet hits meets.
- This plate has a hole that is so small that only about half of the oil reaches the next plate directly. The scarce half of the injected oil is reflected and burned in the flame above the plate.
- the resulting flue gases cool down partly with radiation and convection with the surrounding water-cooled surfaces, mix with the unburned oil to form a reactive mixture and are converted into fuel gas in the subsequent catalyst block.
- the subsequent heat exchanger ensures that the heat content in the exhaust gas is almost completely given off to the heating medium in the pipes, for example process water or water from the heating circuit.
- the almost complete heat dissipation is favored by the fact that combustion of the gas in the catalytic converter does not result in a flame volume and no soot-containing by-products which impair the heat transfer to the pipes.
- the device according to the invention consists of the mixing heads of the two stages closed off with perforated plates with the gas inlets in the upper part of the head and the gas outlets through the perforated plates, from the cooled annular chambers with the mixture inlets and ignition devices with the catalyst located in the center and the subsequent heat exchangers.
- the device contains the gas transfers from the 1st stage with an inlet into the ring chamber of the 2nd stage and an introduction into the mixing head.
- the first line for the entry of the gas-air mixture of the 1st stage is designated, which admits the fuel gas stream mixed with the combustion air of the 1st stage into the annular combustion chamber 103 of the 1st stage.
- This fuel gas-air flow is ignited by the ignition device, for example a spark plug 102.
- the hot burned gas sweeps along the medium-cooled outer wall 125 on the way up through the combustion chamber 103 and is thereby cooled.
- the partially cooled exhaust gas reaches the head of the combustion chamber 103, where the remaining amount of fuel gas is mixed with the hot flue gas.
- the hot flue gas sucks in the remaining amount of fuel gas in this gap, which is introduced into the gas chamber 108 from above through the perforated plate 106.
- the mixing of the components is improved by the inlet opening 109 and the chamber-like mixing space 110 located in front of the catalyst, so that the hot mixture has a homogeneous concentration distribution when introduced into the catalyst 111 of the catalytic reaction chamber 107.
- the catalyst 111 can consist of a catalyst honeycomb that prevents the gases from mixing in the catalyst.
- the catalyst 111 is clamped by an insulation mat 112 in the housing 113 and thermally insulated, so that the active substance of the catalyst 111 remains protected by the higher temperatures in the combustion chamber 103 surrounding the catalyst.
- the heat exchanger 114 is arranged, which cools the resulting cracked gas to a temperature above the dew point temperature.
- the cracked gas discharged from the heat exchanger 114 into the line 115 passes through the line 116 together with the combustion air of the second stage into the channel-like and annular combustion chamber 117 of the second stage.
- the ignition device 118 which ignites the mixture of the combustion chamber 117, is also located there.
- the combustion of the amount of cracked gas in the annular chamber is highly stoichiometric, i.e. the amount of air is sufficient to completely burn the gas.
- the gas chamber 119 At the upper end of the annular chamber is the gas chamber 119, which catalyzes the perforated plate 120 and the upper cover plate of the other table reaction chamber 121 forms the mixing chamber of the flue gas of the combustion chamber and the remaining amount of fission gas. This subset of the cracked gas is introduced into the gas chamber 119 through the line 122.
- the mixture of the flue gas with excess air and the cracked gas enables the gas 123 to be converted into a slightly overstoichiometric flue gas from which the heat can be obtained quite effectively.
- Fig. 2 shows a further structure of the cracked gas generating part according to the invention.
- the base body which contains the device for the ignition device 204 and for the injection nozzle 202, which injects the fuel discontinuously and in a controlled manner, is designated by 201.
- the flame chamber of the combustion chamber 211 is designated by 203, where the flame, which is cooled by the surrounding water-cooled outer walls 205, is formed by the reflection of part of the oil, the mixing with the gasification air, and ignition by the ignition device 204.
- a part of the gasification air is led directly into the vicinity of the ignition device 204 through a small bore 206 which is provided with an air filter 207.
- the cooling of the base body 201 takes place in such a way that the required gasification air is sucked through the inlet opening 208 of the cover hood 209, in order to then sweep past the surface of the base body 201 and to pass through the outlet 210 into the foot of the combustion chamber 211 below the flame arrester 212.
- the hot flue gases arising in the flame chamber 203 mix with the unburned oil, which was not reflected by the storage plate 213 with the bore 214.
- the mixture enters the catalyst 215, which consists of one or more catalyst blocks.
- the catalyst 215 consists of one or more catalyst blocks.
- the mixture of hot flue gas and oil vapor converts to a cracked gas consisting essentially of CH4, CO, H2 and the exhaust gas components.
- the hot cracked gases are cooled in a subsequent heat exchanger (not shown in FIG. 2) and mixed with air in the second stage in accordance with the content of the older national DE application P 35 03 413.0 converted to flue gas.
- FIG. 3 shows the construction of the combustion part according to the invention.
- 320 with the base plate is designated, through the inlet 321, a portion of the cracked gas can flow into the combustion chamber 322.
- the combustion air flows through the throttle device 323 to the outlet opening 324 and thereby cools the base plate 320.
- the air preheated in this way mixes at 325 with the remaining cracked gas.
- This mixture is ignited with the ignition device 326.
- the flame cools down on the surrounding water-cooled wall surface 327.
- the exhaust gases mix with the cracked gas from 321.
- the catalyst system 328 which can consist of one or more catalyst blocks, the oxidation takes place with the remaining cracked gas products to give exhaust gas.
- Fig. 4 shows the structure of a heat exchanger element.
- the split or exhaust gas flows through the pipes 31 fastened in the base plate 30 and heats the cooling water on the shell side, which enters at 32 and exits again at 33. Due to the round outer cylinder of the heat exchanger 34, increased water pressure with thin walls is possible.
- the fission gas generation part is symbolized by 40 and the combustion part by 41.
- 42 denotes the cracked gas heat exchanger in the form as shown in FIG. 4.
- 43 denotes the heat exchanger system, consisting of one or more heat exchanger elements of the same type, as they were shown in Fig. 4.
- the heating oil for heat and fission gas is injected at 44.
- the air for the partial combustion enters the cover at 45, leaves it at 46 and is then passed below the flame arrester at 47 into the annular space.
- the cracked gas leaves the cracked gas generating part 40 and is cooled in the heat exchanger 42.
- a part of the cracked gas leaves the idle train 50 at 49 in order to be guided into the head of the combustion part 41 via a control member 51 at 53.
- the remaining part of the cracked gas is branched off, at 59 mixed with the air; which enters the cover at 60 via the throttle element 61 and exits again at 62.
- the hot exhaust gases leave the combustion part 41 at 54, are cooled in the heat exchanger system 43 and leave the device according to the invention at 55.
- the blower 56 generates the resistance-related negative pressure in the device and thus sucks all gases through the device and sends them into the chimney 57.
- the cold water enters the heat exchanger system 43 at 63, passes through the pipe connection 64 into the fission gas heat exchanger 42, which it leaves again at 65.
- the water enters the foot of the annular gap of the cracked gas generating part 40 and is conducted at the head thereof via the pipe connection 67 into the annular gap of the combustion part 41. Warmed to its usage temperature, the warm water leaves the device according to the invention at 68 in order to be forwarded to the individual consumers via line 69.
- the first exemplary embodiment (FIG. 1) describes the temperature and volume flow curve of a nitrogen oxide-free combustion of natural gas with a thermal output of 100 kW.
- the volume flow data refer to the standard state (0 ° C, 760 Torr).
- a possibly inserted spiral made of heat-resistant material forces the exhaust gas jet to wind around 3 times on the way into the annular chamber head around the catalyst 111.
- the exhaust gases sweep along the water-cooled outer wall 125 and cool down to about 1600 ° C.
- the exhaust gases When entering the mixing gap 105, the exhaust gases accelerate and generate a negative pressure, which causes a gas quantity of 0.001393 m 3 / s to be drawn in from the gas chamber 108 via the perforated plate 106.
- the gas which is now homogeneously mixed, passes through the inlet opening 109 and the mixing space 110 through the catalyst 111, where it reacts to 0.01884 m 3 / s of cracked gas in endothermic processes.
- the gasification gas Before entering the first stage heat exchanger 114, the gasification gas has a temperature of 886 ° C. and a temperature of approximately 130 ° C. at the outlet.
- the cracked gas leaves the 1st combustion stage via line 115.
- the gas circulates with the aid of a heat-resistant spiral about 3 times around the catalyst 123 and cools down to about 1060 ° C. on the water-cooled outer wall 126.
- the remaining amount of cracked gas of 0.00471 m 3 / s is fed to the flue gas via line 122 of gas chamber 119 and perforated plate 120, mixed homogeneously via the inflow opening and the mixing chamber and fed to the catalyst.
- the flue gas / cracked gas mixture is converted into 0.02932 m 3 / s flue gas in exothermic processes.
- the flue gas Before entering heat exchanger 124 of the second combustion stage, the flue gas has a temperature of 1260 ° C. In heat exchanger 124, it is cooled to approx. 45 ° C. and leaves the second combustion stage via line 127 without nitrogen oxide.
- the energy of a fuel oil flow of 0.00046 kg / s which corresponds to an equivalent energy potential of 20 kW, is to be implemented free of nitrogen oxide and used to heat water to 90 ° C.
- the 100-degree cracked gas flow (12.98 m3iN / h) is divided in the combustion stage in such a way that 9.73 m3iN / h are conducted into the foot of the annular gap and 3.25 m3iN / h into the head.
- the air volume of 9.59 m3iN / h required for the combustion flows over the cover plate of the combustion head, warms up by approx. 3 ° C, is mixed with the cracked gas stream, which is led into the foot of the annular gap, and ignited.
- the gas mixture burns to 17.82 m3iN / h exhaust gas. It emits heat into the combustion chamber head and is mixed here with the remaining cracked gas.
- the free oxygen from the exhaust gas stream oxidizes with the components of the cracked gas to a total of 20.55 m3iN / h exhaust gas.
- the exhaust gas is cooled to approx. 43 ° C with condensation.
- the described gasification / nerburning process releases approximately 35% of the energy contained in the heating oil in the gasification stage and approximately 65% in the combustion stage.
- the water-cooled walls of the gasification and combustion stage play an important role in the heat dissipation, since together they dissipate approx. 20% of the sensible heat into the water.
- a third exemplary embodiment of the device is described below with reference to FIG. 1.
- the CH4 / air mixture flows tangentially through the first line 101 into an approximately 5-30 mm wide and approximately 150-300 mm high ring channel 103, in which it is ignited in the foot with a spark plug 102.
- the flue gas then flows into the head of the ring channel 103 while cooling.
- the flue gas mixes with the CH4, which is fed in via a perforated plate 106, then passes through the inlet opening 109 into the Mixing space 110 and then flows through the catalyst 111.
- Both the mixing space 109 and the catalyst 111 have a diameter of 100-150 mm.
- the heat exchanger 114 of the 1st combustion stage consists of smooth tubes in the region of the gas temperatures of over 700 ° C., and finned tubes in the temperature range below.
- the flame length is kept very short, so that an empty flame / blasting space is dispensed with and the first layer of smooth tubes can therefore be installed about 10 mm behind the catalyst.
- a partial stream of the cracked gas is branched off, mixed with air and conducted and ignited in the base of the 5-30 mm wide and 150-300 mm high ring channel.
- the first gas inflow lines 101 (1st stage) and 116 (2nd stage) are each equipped with flame arresters.
- the flow and mixing path of the gas in the 2nd combustion stage is identical to that in the 1st combustion stage.
- the dimensions of the annular or gap-shaped combustion chamber, the admixture of the remaining cracked gas, the mixing device and the catalyst are also kept approximately identical to those of the 1st combustion stage.
- the design criteria for the second stage heat exchanger 124 are the same as for the first stage heat exchanger 114, i.e. in the area of gas temperatures over 700 ° C smooth tubes, then finned tubes.
- the catalytic combustion and the associated short flame length also allow the 1st smooth tube layer to be installed approx. 10 mm behind the catalytic converter.
- the air for the gasification stage flows through the cover hood, which has a diameter of 150 mm, and passes through a pipe, NW 40, into the foot of the annular gap with an outer diameter of 169 mm and an inner diameter of 152 mm. From here, the air passes the flame arrester, which holds about 40% of the free annular space with its holes.
- the catalyst system which consists of three individual catalyst blocks, each 30 mm deep and 100 mm in diameter.
- the boundary to the flame space is formed by a storage plate, which reflects 50% of the oil when it hits the flame space, but lets the other 50% through a fine hole of approx. 1 mm.
- the external dimensions of this storage plate correspond to those of a catalyst block.
- the cracked gas flows through a cooler with a diameter of 159 mm and a length of 230 mm, the water to be heated on the jacket side and the gas on the pipe side flowing through 121 pipes, NW 10.
- the gas flows from bottom to top through an empty train with the dimensions 200 x 180.
- part of the cracked gas regulated by a butterfly valve, is fed into the head of the combustion cable through a NW 40 pipe.
- the remaining cracked gas at the end of the empty train is also removed through a pipe NW 40, mixed with the air that is sucked in through the cover, ignited and passed into the annular gap of the combustion part, which has the same dimensions as that of the cracked gas generation part.
- the mixture with the cracked gas and the conversion to exhaust gas takes place in the catalyst system, which is identical to that of the cracked gas generating part. Only the storage plate is replaced by an additional catalyst block.
- the exhaust gas is cooled in a heat exchanger system.
- This system consists of three individual heat exchangers, each with the same dimensions and the same structure as the heat exchanger for cracked gas cooling.
- the heat exchange itself takes place in counterflow.
- the exhaust gases are drawn off via a pipe NW 40 via a blower, which generates a vacuum of 50 mmWS, and fed into the chimney.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungseinheit für flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe mit Luft in einem Wärmeerezeuger.The invention relates to a combustion unit for liquid and / or gaseous fuels with air in a heat generator.
Verfahren und Vorrichtungen zur Verbrennung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen mit stickoxidfreien Abgasen sind bereits bekannt. Hierbei geht es darum, Brenngase wie Erdgas, Flüssiggas oder Heizöl so zu verbrennen, daß keinerlei Stickoxide entstehen.Methods and devices for the combustion of liquid and gaseous fuels with nitrogen oxide-free exhaust gases are already known. The aim is to burn fuel gases such as natural gas, LPG or heating oil in such a way that no nitrogen oxides are generated.
Bei vorbekannten Gas- und Ölverbrennungsanlagen ist es üblich, die Brennstoffe in einer Flamme zu verbrennen, die zumindest örtlich Temperaturen weit über 1.300°C hat und somit Stickoxide erzeugt. Außerdem ist zur vollständigen Verbrennung ein Luftüberschuß nötig, der die relativ vollständige Ausnutzung der Wärmefreisetzung verhindert. Bemühungen zur Verringerung der Stickoxidbildung führten zu einer stärkeren Kühlung der Flammen und somit zu einer weiter verringerten Wärmeausnutzung des Brennstoffes. Zudem ergab eine Aufteilung der Reaktion in eine Vergasungsreaktion mit partieller katalytischer Oxidation und nachfolgender Kühlung des entstandenen Brenngases und nachfolgender Verbrennung in einer zweiten Stufe nicht den erwünschten Erfolg. Die Zwischenkühlung des Brenngases führte nur geringe Wärme ab, und in der zweiten Stufe entstanden wesentlich höhere Temperaturen, die sowohl die Haltbarkeit von Katalysatoren begrenzten, als auch durch Überhitzungen zu Stickoxidbildungen führten. Außerdem entstanden in einem solchen Gerät Zündschwierigkeiten, da unter den gegebenen Bedingungen einer reduzierenden Atmosphäre größere Zündenergien zum Start des Gerätes erforderlich wären.In the case of previously known gas and oil combustion plants, it is customary to burn the fuels in a flame which, at least locally, has temperatures well above 1,300 ° C. and thus generates nitrogen oxides. In addition, an excess of air is required for complete combustion, which prevents the relatively complete utilization of the heat release. Efforts to reduce nitrogen oxide formation led to a greater cooling of the flames and thus to a further reduction in the heat utilization of the fuel. In addition, dividing the reaction into a gasification reaction with partial catalytic oxidation and subsequent cooling of the fuel gas produced and subsequent combustion in a second stage did not give the desired result. The intermediate cooling of the fuel gas dissipated only little heat, and in the second stage significantly higher temperatures were generated, which both limited the durability of the catalysts and led to nitrogen oxide formation due to overheating. In addition, ignition problems arose in such a device since, under the given conditions of a reducing atmosphere, larger ignition energies would be required to start the device.
Im Zusammenhang mit Verbrennungskraftmaschinen ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Spaltgas bekannt (US-A-4131 086), bei der Brennstoff aus Kohlenwasserstoff sowie Luft in einem "fetten" Gemischverhältnis in einer Brennkammer gemischt werden. Nach deren Zündung und Verbrennung verlassen die resultierenden Verbrennungsgase die Brennkammer, erwärmen über einen Wärmetauscher eine katalytische Reaktionskammer und werden - bevor sie in diese eintreten - nochmals mit Brennstoff der obigen Art vermischt. Dabei wird verhindert, daß die zweite Zuleitung von Brennstoff direkt mit den Flammen in der Brennkammer in Berührung kommt. Hierdurch soll eine endotherme Reaktion mit wenig Luft bzw. wenig Sauerstoff in der nachgeschalteten katalytischen Reaktionskammer erreicht werden, so daß eine Wärmeabfuhr vermieden ist. Das Problem der stickoxidfreien Verbrennung von Brenngasen ist dabei allerdings nicht angegangen.In connection with internal combustion engines, a device for generating fission gas is known (US-A-4131 086), in which fuel from hydrocarbon and air are mixed in a "rich" mixture ratio in a combustion chamber. After their ignition and combustion, the resulting combustion gases leave the combustion chamber, heat a catalytic reaction chamber via a heat exchanger and - before they enter it - are again mixed with fuel of the above type. This prevents the second supply line of fuel from coming into direct contact with the flames in the combustion chamber. This is to achieve an endothermic reaction with little air or little oxygen in the downstream catalytic reaction chamber, so that heat dissipation is avoided. However, the problem of the combustion of fuel gases without nitrogen oxides has not been addressed.
Zur Abhilfe wird erfindungsgemäß eine Verbrennungseinheit der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die folgendes aufweist: eine Brennkammer, in welche ein Brennstoff-/Luftgemisch über eine erste Leitung geführt wird; eine Zündeinrichtung für das Brennstoff-/Luftgemisch zur Bildung eines heißen Verbrennungsgases; eine zur Brennkammer gehörige gekühlte Außenwand zur Kühlung des Verbrennungsgases; einen Mischraum, der innerhalb der Brennkammer zur Mischung der gekühlten Verbrennungsgase mit zusätzlichem Brennstoff gebildet ist, wobei der zusätzliche Brennstoff über eine zweite Leitung zugemischt wird; eine der Brennkammer nachgeschaltete katalytische Reaktionskammer für die Reaktion mit den gekühlten Verbrennungsgasen, die mit dem zusätzlichen Brennstoff bereits gemischt sind; und einen Wärmeaustauscher, der der katalytischen Reaktionskammer nachgeschaltet ist. In Weiterbildung unter dem speziellen Gesichtspunkt der Spaltgaserzeugung kann die Verbrennungseinheit mit einer aus dem Wärmetauscher führenden Leitung versehen sein, die mit der ersten und zweiten Leitung einer nachgeschalteten Verbrennungseinheit vorzugsweise der erfindungsgemäßen Art verbunden ist.To remedy this, the invention proposes a combustion unit of the type mentioned at the outset, which has the following: a combustion chamber, into which a fuel / air mixture is fed via a first line; an ignition device for the fuel / air mixture to form a hot combustion gas; a cooled outer wall belonging to the combustion chamber for cooling the combustion gas; a mixing space which is formed within the combustion chamber for mixing the cooled combustion gases with additional fuel, the additional fuel being admixed via a second line; a catalytic reaction chamber downstream of the combustion chamber for reaction with the cooled combustion gases which are already mixed with the additional fuel; and a heat exchanger downstream of the catalytic reaction chamber. In a further development from the special point of view of the generation of cracked gas, the combustion unit can be provided with a line leading from the heat exchanger, which line is connected to the first and second line of a downstream combustion unit, preferably of the type according to the invention.
Mit der genannten Weiterbildung wird an allen Stellen eine Reaktionsführung der Umsetzung des Brennstoffes mit der Luft erreicht, so daß die Wärmefreisetzung durch die Verbrennungsreaktionen und nachfolgende Rauchgaskühlung in einem Temperaturbereich unter 1300°C oder unter reduzierender Atmosphäre stattfinden kann bzw. entstandene Stickoxide in reduzierender Atmosphäre unter katalytischer Einwirkung reduziert werden können. Nur etwa die Hälfte des gasförmigen Brennstoffes, im Bereich zwischen 30 und 70%, wird mit der Gesamtluft der ersten Stufe in einer Vorstufe in einer gekühlten Ringkammer annähernd vollständig verbrannt. Die heißen Rauchgase kühlen sich in der Ringkammer, die nur 1-2 % der gesamten Wärmetauschfläche besitzt, nur auf Temperaturen von 1200 bis 1600°C ab. Sie werden mit dem gesamten restlichen Verbrennungsgas am Kopf des Zylinders gemischt und im gemischten Zustand in einen Katalysator eingeleitet, der unter Abkühlung des Brenngas-Abgas-Gemisches dieses zu einem CO-und H2-haltigen Brenngas umwandelt. Diese Umwandlung ist nötig, da ein solches Brenngas leichter verbrennt und rußbildende Nebenreaktionen nach Mischung des Gases durch die katalytischen Umsetzungen verhindert werden. Nach Austritt des Gases aus dem Katalysator wird dieses in einer Wärmetauscherstufe auf Temperaturen oberhalb des Taupunktes abgekühlt und in zwei Teilströme der zweiten Stufe zugeleitet.With the above-mentioned development, the reaction of the conversion of the fuel with the air is achieved at all points, so that the heat release by the combustion reactions and subsequent flue gas cooling can take place in a temperature range below 1300 ° C. or under a reducing atmosphere, or nitrogen oxides formed in a reducing atmosphere under catalytic action can be reduced. Only about half of the gaseous fuel, in the range between 30 and 70%, is almost completely burned with the total air of the first stage in a preliminary stage in a cooled ring chamber. The hot flue gases only cool down to temperatures of 1200 to 1600 ° C in the annular chamber, which only has 1-2% of the total heat exchange surface. They are mixed with all the remaining combustion gas at the top of the cylinder and, in the mixed state, are introduced into a catalyst which, while the fuel gas / exhaust gas mixture cools, converts it to a fuel gas containing CO and H2. This conversion is necessary because such a fuel gas burns more easily and soot-forming side reactions after mixing the gas are prevented by the catalytic reactions. After the gas has left the catalyst, it is cooled in a heat exchanger stage to temperatures above the dew point and fed to the second stage in two partial streams.
Bei einem flüssigen Brennstoff erfolgt die Umsetzung in der 1. Stufe dadurch, daß von dem entstandenen Vergasungsgas ein Teilstrom 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.In the case of a liquid fuel, the conversion in the 1st stage takes place in that a partial stream of the gasification gas formed is returned to the ring chamber of the 1st stage and there completely burns with the partial stream of air. The amount of liquid fuel added is added to the hot combustion gas at the top of the 1st stage. As in the case of gaseous fuel, the mixture converts to a fuel gas in the 1st stage catalyst.
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 eingespritzten Öles wird reflektiert und in der oberhalb der Platte liegenden Flamme verbrannt.In addition, it is possible to arrange the uppermost ceramic or metal plate of the catalyst unit at the point where the liquid jet hits meets. This plate has a hole that is so small that only about half of the oil reaches the next plate directly. The scarce half of the injected oil is reflected and burned in the flame above the plate.
Die entstehenden Rauchgase 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.The resulting flue gases cool down partly with radiation and convection with the surrounding water-cooled surfaces, mix with the unburned oil to form a reactive mixture and are converted into fuel gas in the subsequent catalyst block.
Im Gegensatz zu dem gasförmigen Brennstoff kann jedoch beim flüssigen Brennstoff nicht nur die gesamte Vergasungsgasmenge der 2. Stufe zugeleitet, sondern ein Teilstrom in die Ringkammer der 1. Stufe zurückgeleitet werden.In contrast to the gaseous fuel, not only can the entire amount of gasification gas be supplied to the second stage in the case of the liquid fuel, but a partial stream can be returned to the annular chamber of the first stage.
Für den Startvorgang bis zur Bildung des Vergasungsgases werden kleine Teilmengen des flüssigen Brennstoffes in die Ringkammer gegeben.Small portions of the liquid fuel are added to the ring chamber for the starting process until the gasification gas is formed.
Zur Schonung des Katalysators der 2. Stufe wird ca. die Hälfte des Vergasungsgases (30 bis 90%) mit 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 entsteht hier eine Abkühlung auf ca. 1000°C (800 bis 1100°C), so daß im Kopf der Kammer unter Zumischung der restlichen Vergasungsgasmenge eine ca. 600°C heiße Gemischmenge entsteht, die in dem nachfolgenden Katalysator zu einem sauberen Abgas mit geringem Luftüberschuß umgesetzt wird.To protect the catalyst of the 2nd stage, approximately half of the gasification gas (30 to 90%) with the total amount of combustion air from the 2nd stage is burned in an annular chamber and partially cooled by the water jacket of this annular chamber. Due to the small surface of the annular chamber there is a cooling down to approx. 1000 ° C (800 to 1100 ° C), so that in the head of the chamber with the addition of the remaining quantity of gasification gas a mixture quantity of approx. 600 ° C is formed, which in the subsequent catalyst is converted to a clean exhaust gas with a small excess of air.
Der nachfolgende Wärmetauscher sorgt für die fast vollständige Wärmeabgabe des im Abgas enthaltenen Wärmeinhaltes an das in den Rohren befindliche 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.The subsequent heat exchanger ensures that the heat content in the exhaust gas is almost completely given off to the heating medium in the pipes, for example process water or water from the heating circuit. The almost complete heat dissipation is favored by the fact that combustion of the gas in the catalytic converter does not result in a flame volume and no soot-containing by-products which impair the heat transfer to the pipes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus den mit Lochplatten abgeschlossenen Mischköpfen der beiden Stufen mit den Gaseinlässen im oberen Teil des Kopfes und den Gasauslässen durch die Lochplatten, aus den gekühlten Ringkammern mit den Gemischeinlässen und Zündvorrichtungen mit im Zentrum liegenden Katalysator und den nachfolgenden Wärmetauschern.The device according to the invention consists of the mixing heads of the two stages closed off with perforated plates with the gas inlets in the upper part of the head and the gas outlets through the perforated plates, from the cooled annular chambers with the mixture inlets and ignition devices with the catalyst located in the center and the subsequent heat exchangers.
Die Vorrichtunt beinhaltet die Gasüberleitungen aus der 1. Stufe mit einem Einlaß in die Ringkammer der 2. Stufe und eine Einleitung in den Mischkopf.The device contains the gas transfers from the 1st stage with an inlet into the ring chamber of the 2nd stage and an introduction into the mixing head.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung hervor. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
- Fig. 1 eine erfindungsgemäße Verbrennungseinheit in zweifacher, hintereinandergeschalteter Ausführung,
- Fig. 2 eine Verbrennungseinheit in einfacher Ausführung,
- Fig. 3 eine Verbrennungseinheit in einfacher Ausführung, die zum Anschluß an die Verbrennungseinheit gemäß Fig. 2 geeignet ist,
- Fig. 4 eine axiale Ansicht sowie eine querschnittliche Ansicht eines Wärmetauschers und
- Fig. 5 ein Wärmezeugersystem mit mehreren erfindungsgemäßen Verbrennungseinheiten.
- 1 shows a combustion unit according to the invention in double, series-connected design,
- 2 a combustion unit in a simple design,
- 3 shows a combustion unit in a simple design, which is suitable for connection to the combustion unit according to FIG. 2,
- Fig. 4 is an axial view and a cross-sectional view of a heat exchanger and
- Fig. 5 shows a heat generator system with several combustion units according to the invention.
Mit 101 ist die erste Leitung für den Eintritt des Gas-Luft-Gemisches der 1. Stufe bezeichnet, der den mit der Verbrennungsluft der 1. Stufe vermischten Brenngasstrom in die ringförmige Brennkammer 103 der 1. Stufe einläßt. Gezündet wird dieser Brenngas-Luft-Strom durch die Zündeinrichtung, beispielsweise eine Zündkerze 102.With 101 the first line for the entry of the gas-air mixture of the 1st stage is designated, which admits the fuel gas stream mixed with the combustion air of the 1st stage into the
Das heiße verbrannte Gas streicht auf dem Weg nach oben durch die Brennkammer 103 an der mediumgekühlten Außenwand 125 entlang und wird dadurch abgekühlt.The hot burned gas sweeps along the medium-cooled
Das so teilgekühlte Abgas gelangt an den Kopf der Brennkammer 103, wo die restliche Brenngasmenge zu dem heißen Rauchgas zugemischt wird. Vorteilhaft hierzu ist die Verwendung eines Mischspaltes 105, der durch die Lochplatte 106 und die obere Begrenzung der katalytischen Reaktionskammer 107 gebildet wird. Das heiße Rauchgas saugt in diesem Spalt die restliche Brenngasmenge zu, die in die Gaskammer 108 von oben durch die Lochplatte 106 eingeleitet wird.The partially cooled exhaust gas reaches the head of the
Die Mischung der Komponenten wird durch die Einleitungsöffnung 109 und den vor dem Katalysator liegenden kammerartigen Mischraum 110 verbessert, so daß das heiße Gemisch bei Einleitung in den Katalysator 111 der katalytischen Reaktionskammer 107 eine homogene Konzentrationsverteilung besitzt. Diese ist deshalb notwendig, da der Katalysator 111 aus einer Katalysatorwabe bestehen kann, die die Mischung der Gase im Katalysator verhindert. Der Katalysator 111 ist durch eine Isolationsmatte 112 in dem Gehäuse 113 eingespannt und thermisch isoliert, so daß die aktive Substanz des Katalysators 111 durch die höheren Temperaturen in der um den Katalysator liegende Brennkammer 103 geschützt bleibt.The mixing of the components is improved by the inlet opening 109 and the chamber-
Nach dem Katalysator 111 ist der Wärmetauscher 114 angeordnet, der das entstandene Spaltgas auf eine Temperatur über der Taupunkttemperatur abkühlt.After the catalyst 111, the
Das aus dem Wärmetauscher 114 in die Leitung 115 abgeleitete Spaltgas gelangt durch die Leitung 116 zusammen mit der Verbrennungsluft der 2. Stufe in die kanalartige und ringförmige Brennkammer 117 der 2. Stufe.The cracked gas discharged from the
Dort befindet sich auch die Zündeinrichtung 118, die das Gemisch der Brennkammer 117 zündet.The
Die Verbrennung der Spaltgasmenge der Ringkammer ist dabei stark überstöchiometrisch, d.h. die Luftmenge reicht zu einer vollständigen Verbrennung des Gases reichlich aus.The combustion of the amount of cracked gas in the annular chamber is highly stoichiometric, i.e. the amount of air is sufficient to completely burn the gas.
Am oberen Ende der Ringkammer befindet sich die Gaskammer 119, die mit der Lochplatte 120 und der oberen Abdeckplatte der weiteren katalytischen Reaktionskammer 121 den Mischraum des Rauchgases der Brennkammer und der restlichen Spaltgasmenge bildet. Diese Teilmenge des Spaltgases wird durch die Leitung 122 in die Gaskammer 119 eingeleitet.At the upper end of the annular chamber is the
Die Mischung des Rauchgases mit Luftüberschuß und des Spaltgases ermöglicht in dem nachfolgenden Katalysator 123 eine Umsetzung des Gases in ein schwach überstöchiometrisches Rauchgas, aus dem sich die Wärme recht effektiv gewinnen läßt.The mixture of the flue gas with excess air and the cracked gas enables the
Dieses geschieht in dem nachfolgenden Wärmetauscher 124, der eine möglichst vollständige Abkühlung des Rauchgases ermöglicht.This takes place in the
Fig. 2 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Aufbau des Spaltgaserzeugungsteils. Mit 201 ist der Grundkörper bezeichnet, der die Vorrichtung für die Zündeinrichtung 204 und für Einspritzdüse 202 enthält, die den Brennstoff diskontinuierlich und geregelt einspritzt. Mit 203 ist der Flammenraum der Brennkammer 211 bezeichnet, wo sich durch die Reflektion eines Teiles des Öles, der Vermischung mit der Vergasungsluft, Entzündung durch die Zündeinrichtung 204 die Flamme bildet, die durch die umgebenden wassergekühlten Außenwände 205 gekühlt wird. Ein Teil der Vergasungsluft wird durch eine kleine Bohrung 206, die mit einem Luftfilter 207 versehen ist, direkt in die Nähe der Zündeinrichtung 204 geleitet. Die Kühlung des Grundkörpers 201 erfolgt derart, daß die benötigte Vergasungsluft durch die Einlaßöffnung 208 der Abdeckhaube 209 gesaugt wird, um dann an der Oberfläche des Grundkörpers 201 vorbeizustreichen und durch den Auslaß 210 in den Fuß der Brennkammer 211 unterhalb der Flammensperre 212 zu gelangen.Fig. 2 shows a further structure of the cracked gas generating part according to the invention. The base body, which contains the device for the
Die im Flammenraum 203 entstehenden heißen Rauchgase vermischen sich mit dem unverbrannten Öl, welches nicht von der Speicherplatte 213 mit der Bohrung 214 reflektiert wurde. Das Gemisch tritt in den Katalysator 215 ein, der aus einem oder mehreren Katalysatorblöcken besteht. Dort setzt sich das Gemisch aus heißem Rauchgas und Öldampf zu einem Spaltgas, bestehend im wesentlichen aus CH4, CO, H2 und den Abgaskomponenten, um.The hot flue gases arising in the
Die heißen Spaltgase werden in einem nachfolgenden Wärmetauscher (in Fig. 2 nicht gezeichnet) abgekühlt und mit Luft vermischt in der 2. Stufe entsprechend dem Inhalt der älteren nationalen DE-Anmeldung P 35 03 413.0 zu Rauchgas umgesetzt.The hot cracked gases are cooled in a subsequent heat exchanger (not shown in FIG. 2) and mixed with air in the second stage in accordance with the content of the older national DE application P 35 03 413.0 converted to flue gas.
Fig. 3 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau des Verbrennungsteils. Mit 320 ist die Grundplatte bezeichnet, durch deren Einlaß 321 ein Teil des Spaltgases in den Brennraum 322 strömen kann. Durch die Drosseleinrichtung 323 strömt die Verbrennungsluft hin zur Auslaßöffnung 324 und kühlt dabei die Grundplatte 320. Die so vorgewärmte Luft vermischt sich bei 325 mit dem restlichen Spaltgas. Dieses Gemisch wird mit der Zündeinrichtung 326 gezündet. Die Flamme kühlt sich an der umgebenden wassergekühlten Wandfläche 327 ab. Im Brennraum 322 vermischen sich die Abgase mit dem Spaltgas aus 321. In dem Katalysatorsystem 328, das aus einem oder mehreren Katalysatorblöcken bestehen kann, erfolgt die Oxidation mit den restlichen Spaltgasprodukten zu Abgas.3 shows the construction of the combustion part according to the invention. 320 with the base plate is designated, through the
Fig. 4 zeigt den Aufbau eines Wärmetauscherelementes. Durch die in der Grundplatte 30 befestigten Rohre 31 strömt das Spalt-, bzw. Abgas und erwärmt dabei mantelseitig das Kühlwasser, das bei 32 ein- und bei 33 wieder austritt. Durch den runden Außenzylinder des Wärmetauschers 34 ist ein erhöhter Wasserdruck bei dünnen Wandstärken möglich.Fig. 4 shows the structure of a heat exchanger element. The split or exhaust gas flows through the
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 Rauchgasfeuchtigkeit bewirken und damit das Heizwasser im Gegenstrom aufheizen.It has been shown in the heat exchangers that it is expedient to use straight tube heat exchangers which, in 3 or 4 blocks in succession, effect the cracked gas cooling, the exhaust gas pre-cooling, the exhaust gas after-cooling and the condensation of the flue gas moisture and thus heat the heating water in countercurrent.
Fig. 5 zeigt den Aufbau und den Strömungsverlauf der einzelnen Stoffströme. Mit 40 ist der Spaltgaserzeugungssteil und mit 41 der Verbrennungsteil symbolisiert. 42 bezeichnet den Spaltgaswärmetauscher in der Form, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. 43 bezeichnet das Wärmetauschersystem, bestehend aus einem oder mehreren Wärmetauscherelementen gleicher Bauart, wie sie in Fig. 4 dargestellt wurden.5 shows the structure and flow pattern of the individual material flows. The fission gas generation part is symbolized by 40 and the combustion part by 41. 42 denotes the cracked gas heat exchanger in the form as shown in FIG. 4. 43 denotes the heat exchanger system, consisting of one or more heat exchanger elements of the same type, as they were shown in Fig. 4.
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.The heating oil for heat and fission gas is injected at 44. The air for the partial combustion enters the cover at 45, leaves it at 46 and is then passed below the flame arrester at 47 into the annular space. At 48, the cracked gas leaves the cracked
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. AusführungsbeispieleThe cold water enters the
Das erste Ausführungsbeispiel (Fig. 1) beschreibt den Temperatur- und Volumenstromverlauf einer stickoxidfreien Verbrennung von Erdgas bei einer thermischen Leistung von 100 kW.The first exemplary embodiment (FIG. 1) describes the temperature and volume flow curve of a nitrogen oxide-free combustion of natural gas with a thermal output of 100 kW.
Die Angaben der Volumenströme beziehen sich auf den Normzustand (0°C, 760 Torr).The volume flow data refer to the standard state (0 ° C, 760 Torr).
Über die erste Leitung 101 (Fig. 1) strömen tangential 0,013267 m3/s Luft und 0,001393 m3/2 CH4 in die Brennkammer 103 der 1. Stufe gem. Fig. 1 und werden dort mit der Zündkerze 102 gezündet. Das Gasgemisch verbrennt im Fuß der Brenkammer 103 bei einer Temperatur von ca. 2060°C zu 0,01466 m3/s Rauchgas.Via the first line 101 (Fig. 1) to flow tangentially 0.013267 m 3 / s air and 0.001393 m 3/2 CH4 in the
Durch eine möglicherweise eingelegte Spirale aus hitzebeständigem Material wird der Abgasstrahl gezwungen, sich ca. 3 mal auf dem Weg in den Ringkammerkopf um den Katalysator 111 zu winden.A possibly inserted spiral made of heat-resistant material forces the exhaust gas jet to wind around 3 times on the way into the annular chamber head around the catalyst 111.
Die Abgase streichen an der wassergekühlten Außenwand 125 entlang und kühlen sich dabei auf ca. 1600°C ab.The exhaust gases sweep along the water-cooled
Beim Eintritt in den Mischspalt 105 beschleunigen die Abgase und erzeugen einen Unterdruck, der bewirkt, daß von der Gaskammer 108 über die Lochplatte 106 eine Methanmenge von 0,001393 m3/s angesaugt wird.When entering the
Durch die Einleitungsöffnung 109 und den Mischraum 110 gelangt das nun homogen durchmischte Gas durch den Katalysator 111, wo es in endothermen Prozessen zu 0,01884 m3/s Spaltgas reagiert. Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 114 der 1. Stufe hat das Vergasungsgas eine Temperatur von 886°C, am Austritt eine Temperatur von ca. 130°C.The gas, which is now homogeneously mixed, passes through the
Über die Leitung 115 verläßt das Spaltgas die 1. Verbrennungsstufe.The cracked gas leaves the 1st combustion stage via
Durch die Leitung 116 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 118 gezündet. Das Gasgemisch verbrennt am Fuß der Brennkammer 117 der 2. Stufe bei einer Temperatur von 1280°C zu 0,02531 m'/s Rauchgas.0.01413 m 3 / s of cracked gas and 0.013267 m 3 / s of air flow tangentially through
Auf dem Weg in den Kopf dieser Brennkammer 117 zirkuliert das Gas mit Hilfe einer hitzebeständigen Spirale ca. 3 mal um den Katalysator 123 und kühlt dabei an der wassergekühlten Außenwand 126 auf ca. 1060°C ab.On the way to the head of this
In der Mischzone werden dem Rauchgas über die Leitung 122 der Gaskammer 119 und der Lochplatte 120 die restliche Spaltgasmenge von 0,00471 m3/s zugeführt, über die Einströmöffnung und die Mischkammer homogen vermischt und dem Katalysator zugeleitet.In the mixing zone, the remaining amount of cracked gas of 0.00471 m 3 / s is fed to the flue gas via
In exothermen Prozessen wird die Rauchgas-/ Spaltgasmischung in 0,02932 m3/s Rauchgas umgesetzt.The flue gas / cracked gas mixture is converted into 0.02932 m 3 / s flue gas in exothermic processes.
Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 124 der 2. Verbrennungsstufe besitzt das Rauchgas eine Temperatur von 1260°C. Im Wärmetauscher 124 wird es auf ca. 45°C abgekühlt und verläßt über die Leitung 127 stickoxidfrei die 2. Verbrennungsstufe.Before entering
In dem zweiten Ausführungsbeispiel werden Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert:Special features of the method according to the invention are explained in more detail in the second exemplary embodiment:
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°C eingesetzt werden.The energy of a fuel oil flow of 0.00046 kg / s, which corresponds to an equivalent energy potential of 20 kW, is to be implemented free of nitrogen oxide and used to heat water to 90 ° C.
20-grädige Luft strömt mit einem Volumenstrom von 9,59 m3iN/h über die Abdeckplatte des Spaltgaserzeugungsteils und erwärmt sich dabei um ca. 5°C. Durch eine Rohrverbindung wird sie danach in den Fuß oberhalb der Flammensperre in den Ringspalt des Spaltgaserzeugungsteils geleitet. Oberhalb der Flammensperre verbrennt der Luftsauerstoff mit einem Teil des eingespritzten Öles bei einer durchschnittlichen Temperatur von 1900°C. 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°C. Im nachfolgenden Wärmetauscher wird das Spaltgas auf 100°C abgekühlt.20-degree air flows with a volume flow of 9.59 m3iN / h over the cover plate of the cracked gas generating part and heats up by approx. 5 ° C. A pipe connection then leads it into the foot above the flame arrester in the annular gap of the fission gas generation part. Above the flame arrester, the atmospheric oxygen burns with part of the injected oil at an average temperature of 1900 ° C. The resulting exhaust gas of 10.39 m3iN / h combines with the remaining oil in the catalyst system, giving off heat in 12.98 m3iN / h fission gas at an average temperature of 955 ° C. The cracked gas is cooled to 100 ° C in the subsequent heat exchanger.
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°C, wird mit dem Spaltgasstrom, der in den Fuß des Ringspaltes geleitet wird, vermischt und gezündet. Bei ca. 1350°C 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 Wärmetauschersystem wird das Abgas unter Auskondensation auf ca. 43°C abgekühlt.The 100-degree cracked gas flow (12.98 m3iN / h) is divided in the combustion stage in such a way that 9.73 m3iN / h are conducted into the foot of the annular gap and 3.25 m3iN / h into the head. The air volume of 9.59 m3iN / h required for the combustion flows over the cover plate of the combustion head, warms up by approx. 3 ° C, is mixed with the cracked gas stream, which is led into the foot of the annular gap, and ignited. At approx. 1350 ° C the gas mixture burns to 17.82 m3iN / h exhaust gas. It emits heat into the combustion chamber head and is mixed here with the remaining cracked gas. In the subsequent catalyst system, the free oxygen from the exhaust gas stream oxidizes with the components of the cracked gas to a total of 20.55 m3iN / h exhaust gas. In the following heat exchanger system, the exhaust gas is cooled to approx. 43 ° C with condensation.
Durch den beschriebenen Vergasungs-Nerbrennungsprozeß werden in der Vergasungsstufe ca. 35% und in der Verbrennungsstufe ca. 65% der im Heizöl steckenden Energie freigeseetzt. Für den Wärmeabbau spielen dabei die wassergekühlten Wände der Vergasungs- und Verbrennungsstufe eine wichtige Rolle, da sie zusammen ca. 20% der fühlbaren Wärme ins Wasser ableiten.The described gasification / nerburning process releases approximately 35% of the energy contained in the heating oil in the gasification stage and approximately 65% in the combustion stage. The water-cooled walls of the gasification and combustion stage play an important role in the heat dissipation, since together they dissipate approx. 20% of the sensible heat into the water.
Nachfolgend wird ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung anhand von Fig. 1 beschrieben.A third exemplary embodiment of the device is described below with reference to FIG. 1.
Das CH4-/Luftgemisch strömt tangential durch die erste Leitung 101 in einen ca. 5-30 mm breiten und ca. 150-300 mm hohen Ringkanal 103, in dem es im Fuß mit einer Zündkerze 102 gezündet wird. Das Rauchgas strömt dann unter Abkühlung in den Kopf des Ringkanals 103.The CH4 / air mixture flows tangentially through the
Im ca. 4-15 mm breiten Ringspalt 105 vermischt sich das Rauchgas mit dem über eine Lochplatte 106 restlich zugeführten CH4, gelangt danach durch die Einleitungsöffnung 109 in den Mischraum 110 und durchströmt darauffolgend den Katalysator 111. Sowohl der Mischraum 109 als auch der Katalysator 111 haben einen Durchmesser von 100-150 mm.In the approx. 4-15 mm wide
Der Wärmetauscher 114 der 1. Verbrennungsstufe besteht im Bereich der Gastemperaturen von über 700°C aus Glattrohren, im darunterliegenden Temperaturbereich aus Rippenrohren.The
Durch die Katalysatorwabe wird die Ausbildung der Flammenlänge sehr kurz gehalten, so daß auf einen leeren Flammen-/Strahlraum verzichtet und somit die erste Lage Glattrohre schon ca. 10 mm hinter dem Katalysator eingebaut werden kann.Due to the catalyst honeycomb, the flame length is kept very short, so that an empty flame / blasting space is dispensed with and the first layer of smooth tubes can therefore be installed about 10 mm behind the catalyst.
Durch den Einbau mehrerer Gaszüge wird konstruktiv bewirkt, daß das Spaltgas sich im Geschwindigkeitsbereich von w(o)=1-2 m/s befindet.The installation of several throttle cables ensures that the fission gas is in the speed range of w (o) = 1-2 m / s.
In der 2. Verbrennungsstufe wird ein Teilstrom des Spaltgases abgezweigt, mit Luft vermischt und im Fuß des 5-30 mm breiten und ca. 150-300 mm hohen Ringkanals geleitet und gezündet.In the second combustion stage, a partial stream of the cracked gas is branched off, mixed with air and conducted and ignited in the base of the 5-30 mm wide and 150-300 mm high ring channel.
Die ersten Gaszuströmleitungen 101 (1. Stufe) und 116 (2. Stufe) sind jeweils mit Flammensperren ausgerüstet.The first gas inflow lines 101 (1st stage) and 116 (2nd stage) are each equipped with flame arresters.
Der Strömungs- und Mischungsweg des Gases in der 2. Verbrennungsstufe ist identisch mit dem in der 1. Verbrennungsstufe. Ebenfalls wird die Dimensionierung der ring- bzw. spaltförmigen Brennkammer, der Zumischung vom restlichen Spaltgas, die Vermischungseinrichtung und des Katalysators in etwa identisch mit der der 1. Verbrennungsstufe gehalten.The flow and mixing path of the gas in the 2nd combustion stage is identical to that in the 1st combustion stage. The dimensions of the annular or gap-shaped combustion chamber, the admixture of the remaining cracked gas, the mixing device and the catalyst are also kept approximately identical to those of the 1st combustion stage.
Die Auslegungskriterien für den Wärmetauscher 124 der zweiten Stufe sind die gleichen wie für den Wärmetauscher 114 der ersten Stufe, d.h. im Bereich der Gastemperaturen über 700°C Glattrohre, danach Rippenrohre.The design criteria for the second
Konstruktiv wird ebenfalls der Einbau von mehreren Gaszügen zwecks Aufrechterhaltung einr angemessenen Gasgeschwindigkeit vorgesehen.The construction of several throttle cables is also planned in order to maintain an adequate gas speed.
Die katalytische Verbrennung und die damit verbundene kurze Flammenlänge gestatten auch hier die 1. Glattrohrlage ca. 10 mm hinter dem Katalysator einzubauen.The catalytic combustion and the associated short flame length also allow the 1st smooth tube layer to be installed approx. 10 mm behind the catalytic converter.
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 einem äußeren Durchmesser von 169 mm und einem inneren Durchmesser von 152 mm. Von hier aus passiert die Luft die Flammensperre, die ca. 40% der freien Ringraumfläche mit ihren Bohrungen offenhält.The air for the gasification stage flows through the cover hood, which has a diameter of 150 mm, and passes through a pipe,
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. 1 mm durchläßt. Die äußeren Maße dieser Speicherplatte entsprechen denen eines Katalysatorblockes.In the flame chamber, part of the oil burns, the rest with the exhaust gas into the catalyst system, which consists of three individual catalyst blocks, each 30 mm deep and 100 mm in diameter. The boundary to the flame space is formed by a storage plate, which reflects 50% of the oil when it hits the flame space, but lets the other 50% through a fine hole of approx. 1 mm. The external dimensions of this storage plate correspond to those of a catalyst block.
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.According to the catalyst system, the cracked gas flows through a cooler with a diameter of 159 mm and a length of 230 mm, the water to be heated on the jacket side and the gas on the pipe side flowing through 121 pipes, NW 10.
Nach dem Wärmetauscher strömt das Gas von unten nach oben durch einen Leerzug mit 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 Verbrennungstseils 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.After the heat exchanger, the gas flows from bottom to top through an empty train with the dimensions 200 x 180. At the end of this train, part of the cracked gas, regulated by a butterfly valve, is fed into the head of the combustion cable through a
In einem Wärmetauschersystem wird das Abgas abgekühlt. Dieses System besteht aus drei Einzelwärmetauscher, die jeweils 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 einen Unterdruck von 50 mmWS erzeugt, abgesaugt und in den Kamin geleitet.The exhaust gas is cooled in a heat exchanger system. This system consists of three individual heat exchangers, each with the same dimensions and the same structure as the heat exchanger for cracked gas cooling. The heat exchange itself takes place in counterflow. The exhaust gases are drawn off via a
- 101 - (Gemischeintritt) erste Leitung101 - (mixture entry) first line
- 102 - Zündeinrichtung, Zündkerze102 - Ignition device, spark plug
- 103 - (Ringkammer) ringförmige Brennkammer103 - (annular chamber) annular combustion chamber
- 104 - nicht besetzt104 - not occupied
- 105 - Mischspalt105 - mixing gap
- 106 - Lochplatte106 - perforated plate
- 107 - (Katalysatorkammer) katalytische Reaktionskammer107 - (Catalyst chamber) catalytic reaction chamber
- 108 - Gaskammer108 - gas chamber
- 109 - Einleitungsöffnung109 - Inlet opening
- 110 - (Mischkammer) kammerartiger Mischraum110 - (Mixing chamber) chamber-like mixing room
- 111 - Katalysator111 - catalyst
- 112 - Isolationsmatte112 - insulation mat
- 113 - Gehäuse113 - housing
- 114 - Wärmetauscher114 - heat exchanger
- 115 - Spaltgas-Leitung115 - Fission gas line
- 116 - Leitung116 - line
- 117 - (Ringkammer der zweiten Stufe) Brennkammer117 - (second stage annulus) combustion chamber
- 118 - Zündeinrichtung118 - Ignition device
- 119 - Gaskammer119 - gas chamber
- 120 - Lochplatte120 - perforated plate
- 121 - Mischzone121 - mixing zone
- 122 - Leitung122 - line
- 123 - Katalysator123 - catalyst
- 124 - Wärmetauscher der 2. Stufe124 - 2nd stage heat exchanger
- 125 - Außenwand125 - outer wall
- 126 - Außenwand der 2. Stufe126 - 2nd stage outer wall
- 127 - Leitung127 - line
- 200 - erste Leitung200 - first line
- 201 - Grundkörper201 - basic body
- 202 - Einspritzdüse202 - injector
- 203 - Flammenraum203 - Flame room
- 204 - Zündeinrichtung204 - Ignition device
- 205 - Wand205 - wall
- 206 - Bohrung206 - bore
- 207 - Luftfilter207 - Air filter
- 208 - Einlaßöffnung (zweite Leitung)208 - inlet opening (second line)
- 209 - Abdeckhaube209 - cover
- 210 - Auslaß210 - outlet
- 211 - Brennkammer211 - combustion chamber
- 212 - Flammensperre212 - flame arrester
- 213 - Speicherplatte213 - storage disk
- 214 - Bohrung214 - bore
- 215 - Katalysator215 - catalyst
- 320 - Grundplatte320 - base plate
- 321 - Einlaß321 - inlet
- 322 - Brennraum322 - combustion chamber
- 323 - Drosseleinrichtung323 - throttle device
- 324 - Auslaßöffnung324 - outlet opening
- 325 - Mischraum325 - mixing room
- 326 - Zündeinrichtung326 - Ignition device
- 327 - Wandfläche327 - wall surface
- 328 - Katalysatorsystem328 - catalyst system
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