DE2323919A1

DE2323919A1 - Verfahren zum betreiben von oefen mit kohlenstoffhaltigen brennstoffen

Info

Publication number: DE2323919A1
Application number: DE2323919A
Authority: DE
Inventors: William C Pfefferle
Original assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Current assignee: BASF Catalysts LLC
Priority date: 1972-05-12
Filing date: 1973-05-11
Publication date: 1973-11-29
Also published as: AU476173B2; IT984875B; JPS4961723A; FR2185269A5; CA1003718A; AU5559173A; GB1434993A; BE799450A; JPS5646045B2; DE2323919C2

Description

Verfahren zum Betreiben von Öfen mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzielung einer DauerOxydation von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Luft unter Bedingungen, unter denen ein Oxydationsabgas entsteht, das verhältnismässig arm an Luftverunreinigungen, besonders an Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden, ist. Bei dem Verfahren gemäss der Erfindung werden mehrere Oxydationsstufen angewandt, und in mindestens einer derselben wird der Brennstoff katalytisch an einem festen Oxydationskatalysator oxydiert, während er in mindestens einer anderen Stufe thermisch oxydiert wird. Die thermische Oxydation erfolgt ohne Oxydationskatalysator und im allgemeinen in der Flamme. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich besonders zum Betrieb von öfen. Die Verbrennungsgase können vorteilhaft zum Beispiel zur Dampferzeugung zum Betrieb von Turbinen verwendet werden.

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Eine besonders vorteilhafte Arbeitsmethode gemäss der Erfindung wird in einem Dampfkesselofen mit tangential arbeitenden Brennern durchgeführt. In tangential beheizten Öfen findet eine gute Durchmischung der zugeführten Gase statt, und in der Mitte des Ofens bildet sich eine grosse, rotierende Feuerkugel. Um die Luft und den Brennstoff, die dem Ofen zugeführt werden, miteinander zu vereinigen, sollen die zugeführten Gase gut miteinander gemischt werden, um eine praktisch vollständige Verbrennung herbeizuführen. Ausserdem kann man kühlere inerte Gase in den Ofen einführen und mit den Verbrennungsgasen mischen, um die höchste Flammentemperatur und mithin die Erzeugung von Stickoxiden herabzusetzen. Bei dem Verfahren gemäss der Erfindung ist das Gasmischvermögen eines tangential beheizten Ofens besonders vorteilhaft, um von mehreren Oxydationsstufen Gebrauch, machen zu können, die so durchgeführt werden, dass die Menge der Luftverunreinigungen in den Abgasen herabgesetzt wird. Diese Ergebnisse sind für die Umwelt sehr wichtig, da eine wirksame Brennstoffausnutzung bei möglichst geringer Luftverschmutzung notwendig ist und im Laufe der Zeit immer grössere Bedeutung annimmt.

Tangential beheizte öfen sind an sich bekannt. In ihnen findet jedoch nur eine thermische Verbrennung des Brennstoffs statt, und infolge der hohen thermischen Oxydationstemperaturen erzeugen sie beträchtliche Mengen an Stickoxiden. Es ist vorgeschlagen worden, den zu oxydierenden Brennstoff in mehreren Stufen mit Luft zu mischen, z.B. in einer ersten thermischen Verbrennungsstufe, in der der Brennstoff mit weniger als der zur vollständigen Verbrennung zu Kohlendioxid und Wasser stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge nur teilweise oxydiert wird, und dann in einer anderen Verbrennungsstufe, in der der teilweise oxydierte Brennstoff mit weiterer Luft gemischt wird, und möglicherweise noch in einer dritten Verbrennungsstufe, in der noch weitere Luft zugeführt wird, damit aller etwa noch verbliebener Brennstoff vollständig ver- .

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brannt wird. Ein anderes bekanntes Verfahren zum Vermindern der unerwünschten Verunreinigungen von Ofenabgasen besteht darin, einen Teil der Abgase nach dem Wärmeaustausch in den Ofen zurückzuleiten, wo diese Gase als inertes Verdünnungsmittel wirken und die Verbrennungstemperatur herabsetzen. Durch diese Abänderungen ist es zwar gelungen, den Gehalt der Ofenabgase an Stickoxiden zu vermindern; in vielen Fällen reicht das Ausmass dieser Verminderung jedoch nicht aus, um den Abgasen so viel Stickoxide zu entziehen, dass sie den an vielen Orten für die höchst zulässige Menge an Luftverunreinigungen gesetzten Normen genügen, und ausserdem ist durch diese Abänderungen der Wirkungsgrad des Betriebs der öfen bedeutend vermindert worden.

Die vollständige Umwandlung eines thermischen Verbrennungsofens in einen solchen für die katalytische Verbrennung, besonders bei grossen Dampferzeugungsanlagen, wie sie in elektrischen Kraftwerken und Heizwerken verwendet werden, um den Gehalt der Verbrennungsabgase an Stickoxiden herabzusetzen, erfordert zusätzliche Kosten an Katalysator und Wartung. Bin weiterer Gesichtspunkt, der für den katalytischen Betrieb von öfen zu berücksichtigen ist, ist der Verlust der strählenden Wärme, die bei thermischen Verbrennungssystemen gewöhnlich ausgenutzt wird. So wird bei der thermischen Oxydation ein beträchtlicher Teil der Wärme von der Verbrennungszone durch strahlenden Übergang von der Flamme übertragen, während bei der katalytischen Oxydation, die vorzugsweise flammenlos erfolgt, der Wärmeübergang durch Strahlung erheblich geringer sein kann als bei der thermischen Oxydation.

Bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäss der Erfindung werden mehrere Oxydationsstufen verwendet, wobei in mindestens einer Stufe Brennstoff thermisch verbrannt und in mindestens einer anderen Stufe Brennstoff an einem festen Oxydationskatalysator katalytisch verbrannt wird. Gemäss einer Aus-

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führungsform der Erfindung wird kohlenstoffhaltiger Brennstoff mit Luft gemischt und in einer Verbrennungszone thermisch oxydiert. Brennstoff und Luft können bereits vor ihrer Zuführung zur thermischen Verbrennungszone oder erst bei der thermischen Verbrennung selbst innig miteinander gemischt werden, z.B. durch Einsprühen von Brennstoff in die thermische Verbrennungszone und Mischen mit Luft für die erste Verbrennung. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Brennstoff in dieser Verbrennungszone nur teilweise zu oxydieren, indem man ihn mit einer für die vollständige Verbrennung zu Kohlendioxid und Wasser unzureichenden Menge an Luft zusammenbringt. Vorzugsweise wird bei dieser ersten thermischen Verbrennung der der Verbrennungszone zugeführte Brennstoff zu mindestens etwa 25 Gewichtsprozent, vorzugsweise zu etwa 35 bis 75 Gewichtsprozent, zu Oxiden des Kohlenstoffs und Wasser oxydiert. Der Gehalt der Gesamtbeschickung dieser ersten thermischen Verbrennungszone an freiem Sauerstoff beträgt mindestens etwa 10 Gewichtsprozent und vorzugsweise etwa 15 bis 90 Gewichtsprozent derjenigen Menge, die stöchiometrisch für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs zu Kohlendioxid und Wasser erforderlich ist. Vorzugsweise wird bei dieser ersten thermischen Verbrennung so viel Sauerstoff zugeführt, dass es nicht zur Russbildung kommt.

Die Verbrennung in dieser ersten Zone erfolgt bei etwas niedrigeren Temperaturen als der theoretischen adiabatischen Flammentemperatur des Brennstoffs, die erreicht wird, wenn der Brennstoff vollständig mit der stöchiometrischen Luftmenge verbrannt wird, und infolgedessen wird die Stickoxidbildung herabgesetzt. Dieser Temperaturunterschied beruht auf der unvollständigen Verbrennung des Brennstoffs und auf Wärmeverlusten aus der Verbrennungszone. Da diese Verbrennung oft unter reduzierenden Bedingungen durchgeführt wird, wird die Erzeugung unerwünschter Stickoxide dadurch weiter unterdrückt. Die Temperatur in der thermischen Verbrennungszone beträgt oft

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mindestens etwa 1095° C und kann sogar 1925 "bis 2040° C oder mehr erreichen. Torzugsweise arbeitet diese Terbrennungszone bei Temperaturen im Bereich von etwa 1370 bis 1925° C. Bei jeder Plannnenverbrennung entwickeln sich an bestimmten Stellen, z.B. an der Plammenfront, höhere Temperaturen als die. beobachtbare Verbrennungstemperatur. Bei Verwendung von Brennstoffen von höherer Energie lässt sich die gewünschte Temperatur in der ersten Verbrennungsζone unter Zufuhr von geringeren Luftmengen aufrechterhalten als bei Verwendung von Brennstoffen von niedrigerer Energie. Die Brennstoffmenge, die der ersten thermischen Verbrennungszone zugeführt wird, beträgt oft 25 bis 95 Gewichtsprozent und vorzugsweise etwa 35 bis 80 Gewichtsprozent der gesamten, dem Ofen zugeführten Brennstoffmenge.

Ein gesonderter Anteil des dem Ofen erfindungsgemäss zugeführten Brennstoffs wird mit Luft gemischt und bei Temperaturen im Bereich von etwa 815 bis 1650° C, vorzugsweise von etwa 980 bis 1480° C, katalytisch oxydiert. Vorteilhaft werden dieser katalytischen Oxydation etwa 5 bis 75 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 20 bis 65 Gewichtsprozent, des gesamten, dem Ofen zugeführten Brennstoffs unterworfen. Die Menge der bei der katalytischen Verbrennung angewandten Luft muss ausreichen, um die theoretische adiabatische Flammentemperatur des Gemisches von Verbrennungsgasen auf den gewünschten Wert einzustellen. Vorzugsweise mischt man dem Brennstoff für die katalytische Oxydation so viel Luft bei, dass ein stöchiometrischer Überschuss über die zur vollständigen Oxydation des Brennstoffs zu Kohlendioxid und Wasser erforderliche Menge an freiem Sauerstoff vorhanden ist; oft verwendet man mindestens etwa das 1,1-fache, vorzugsweise mehr als das 1,5-fache, dieser stöchiometrischen Menge. Brennstoffe von höherer Energie müssen daher mit grösseren Luftmengen gemischt werden als Brennstoffe von geringerer Energie, um die Verbrennungstemperatur des Gemisches im Bereich von etwa 815 bis 1650° C, vor-

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zugsweise von etwa 980 bis 1480° ö> au halten.

Das katalytisch zu verbrennende Gemisch kann in seiner Zusammensetzung innerhalb oder ausserhalb des entflammbaren Bereichs liegen und ist vorzugsweise ein in bezug auf die zur vollständigen Verbrennung zu Kohlendioxid und Wasser stöehiometrisch erforderliche Menge an freiem Sauerstoff magerer Brennstoff. Um Flammenbildung und dadurch bedingte übermässig hohe Temperaturen zu vermeiden, die die Bildung von Stickoxiden begünstigen wurden, kann man das Brennstoff-Luftgemisch ausserhalb des unter den Bedingungen des Gemisches entflammbaren Bereichs halten, oder das Gemisch kann am Einlass zur Katalysatorzone oder bereits vor der Katalysatorzone eine höhere als die unter den Bedingungen des Gemisches maximale Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit haben. Beim Mischen von Brennstoff und Luft wird an der Stelle, an der das Brennstoff-Luftgemisch von brennstoffreichen zu brennstoffarmen Bedingungen übergeht und dabei den stöchiometrischen Bereich und möglicherweise einen explosiven Bereich durchläuft, die Flammenbildung oder sogar eine Detonation des Gemisches dadurch verhindert, dass man die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches auf einem höheren Wert hält, als er der unter den Bedingungen des Gemisches maximalen Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit entspricht. Eine Flammenbildung hinter dem Katalysator ist gewöhnlich nicht besonders schädlich, da das Gemisch so gesteuert wird, dass seine Flammentemperatur in dem gewünschten Temperaturbereich liegt.

Die Temperatur der katalytischen Verbrennungszone kann dicht bei der theoretischen adiabatischen Flammentemperatur des Brennstoff-Luftgemisches, z.B. innerhalb eines Bereichs von etwa 83 C und oft sogar von etwa 28° G von der theoretischen Temperatur liegen. Andererseits kann Wärme durch Wärmeaustausch von der katalytischen Oxydationsζone abgeführt werden, und die Temperatur der katalytischen Zone kann daher wesent-

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lieh niedriger sein als die theoretische adiabatische Flammentemperatur des Verbrennungsgemisches. Jedenfalls wird aber der Katalysator auf einer ausreichend hohen Temperatur gehalten, um die Oxydation des Brennstoffs fortlaufen zu lassen. Die Verweilzeit des Gases in der katalytischen Oxydationszone beträgt im allgemeinen weniger als etwa 0,1 see, vorzugsweise weniger als 0,05 see, und reicht aus, um die gewünschte Verbrennung des Brennstoffs ohne Bildung zu grosser Mengen an Stickoxiden herbeizuführen. Gewöhnlich wird der grösste Teil des der katalytischen Verbrennungszone zugeführten Brennstoffs in dieser Zone zu Oxiden des Kohlenstoffs und Wasser oxydiert, und vorzugsweise wird der Brennstoff in der katalytischen Verbrennungszone praktisch vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxydiert.

Das Abgas aus der katalytischen Verbrennungszone, das vorzugsweise einen beträchtlichen Anteil an freiem Sauerstoff enthält, wird mit dem Abgas der vorgeschalteten thermischen Verbrennungszone gemischt. Je nach den relativen Temperaturen dieser beiden Abgase kann das Abgas der katalytischen Verbrennungszone dazu verwendet werden, das Abgas der thermischen Verbrennungszone zu kühlen. Durch Herabsetzung der Temperatur der Produkte der thermischen Verbrennungszone kann eine Verminderung der Gesamterzeugung an Stickoxiden bei der Verbrennung erzielt werden. Wenn das Abgas aus der katalytischen Verbrennungszone freien Sauerstoff enthält, kann es als Sauerstoffquelle für die weitere Verbrennung des teilweise verbrannten Abgases der ersten thermischen Oxydationszone verwendet werden. Diese Oxydation wird nachstehend auch als zweite thermische Verbrennungszone bezeichnet. Die Verbrennungszone befindet sich normalerweise auf einer Temperatur im Bereich von etwa 1095 bis 1815 oder 1925° C, vorzugsweise von etwa 1370 bis 1815° G. Paktoren, die die Temperatur der zweiten Verbrennungsstufe beeinflussen, sind z.B. die Temperatur der Abgase der ersten thermischen Verbrennungszone, die Tem-

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peratur der Abgase der katalytischen Verbrenmrngszoiie, die Menge an oxydierbaren Stoffen, wie Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, die in dem Abgas der ersten thermischen Verbrennungszone enthalten sind, die Menge an freiem Sauerstoff in dem Abgas der katalytischen Yerbrennungszone, die relative Menge an Abgas der ersten thermischen Verbrennung?zone im Vergleich zu der Menge an Abgas der katalytischen Verbrennungszone, die Geschwindigkeit des Wärmeübergangs von der thermischen Verbrennungszone und dergleichen.

Es ist auch möglich, den Ofen zusätzlich zu der in dein Abgas der katalytischen Verbrennung enthaltenen Luft mit weiterer Luft zu speisen, wenn dies unter den jeweiligen Bedingungen erforderlich ist, um freien Sauerstoff für die Verbrennung von noch nicht oxydiertem Brennstoff, z.B. Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, zur Verfügung zu stellen, der etwa noch in dem Abgas der thermischen Verbrennungszone enthalten ist. Die bei dieser weiteren Verbrennung auftretenden Temperaturen liegen oft im Bereich von etwa 1095 bis 1815° C, vorzugsweise von etwa 1370 bis 1815° C.

Das Verfahren gemäss der Erfindung kann in verschiedenen Hinsichten abgeändert werden. Zum Beispiel kann man das Abgas der ersten thermischen Verbrennungszone gleichzeitig mit Abgas aus der katalytischen Verbrennungszone und zusätzlicher Luft mischen, oder man kann dem Abgas aus der ersten thermischen Verbrennungsζone zuerst Abgas aus der katalytischen Verbrennungszone und dann weitere Luft zusetzen, oder umgekehrt. Das Abgas aus der katalytischen Verbrennungszone kann so gesteuert werden, dass es keinen freien Sauerstoff enthält, und wenn man unter brennstoffreichen Bedingungen arbeitet, kann das Abgas von der katalytischen Verbrennung sogar Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid enthalten.

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Beim wirksamen Betrieb beispielsweise eines Dampfkessels ist es erwünscht, in der thermischen Verbrennungszone mit verhältnismässig hohen Temperaturen zu arbeiten, damit ein für den Wärmeaustausch mit den Ϋ/asserrohren, z.B. in den Ofenwandungen, günstiger Temperaturunterschied zur Verfügung steht. Der Wärmeaustausch erfolgt in erster linie durch Konvektion und Wärmeleitung, teilweise aber auch durch Abstrahlung, besonders von den Stellen hoher Temperatur, z.B. von der Flamme in den thermischen Verbrennungszonen. Zu hohe Temperaturen in den Verbrennungszonen können zur Bildung von zu grossen Mengen an Stickoxiden führen. Eine vorteilhafte Temperatur für die thermische Verbrennungszone, um einen wirksamen Wärmeübergang ohne gleichzeitige Bildung zu grosser Mengen an Stickoxiden zu ermöglichen, liegt im Bereich von etwa 1095 bis 2040° 0, vorzugsweise von etwa 1370 bis 1925° C Die Wahl der Arbeitstemperatur kann z.B. von der gewünschten Wärmeübergangsgeschwindigkeit, der Menge an erzeugten Stickoxiden, der Konstruktion der Anlage und ähnlichen Paktoren abhängen.

Zweckmässig befindet sich die erste Verbrennungszone in einem unteren Teil oder in einem anfänglichen Teil des Strömungsweges der Verbrennungsgase in dem Ofen. In der ersten Verbrennungszone herrscht zweckmässig eine reduzierende Atmosphäre, um die Bildung von Stickoxiden nach Möglichkeit zu unterdrükken. Wenn man ferner die erste thermische Verbrennungszone unter brennstoffreichen Bedingungen arbeiten lässt, kann das Auftreten von hohen Temperaturen, die für die Verbrennung eines stöchiometrischen Gemisches vorhanden sein können, und die die Bildung von Stickoxiden fördern, auf ein Minimum beschränkt werden. Wenn die erste thermische Verbrennung sich der Erschöpfung der Zufuhr an freiem Sauerstoff annähert, sinkt die Temperatur der Verbrennungsabgase oft infolge der Wärmeübertragung zu dem Ofen. Vorzugsweise leitet man die teilweise verbrannten Gase aus der ersten thermischen Verbrennungszone in eine oxydierende Atmosphäre, die von dem Ab-

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gas aus der katalytischen Verbrennungszone und/oder durch den Zusatz weiterer Luft zu dem Ofen zur Verfügung gestellt wird.

Oft ist es zweckmässig, dass der Überschuss an freien] Sauerstoff über die zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs zu Kohlendioxid und Wasser erforderliche Menge in sämtlichen Verbrennungszonen des Ofens weniger als etwa 25» vorzugsweise weniger als etwa 10 Gewichtsprozent beträgt _} um Wärmeverluste infolge von überschüssiger Luft zu -vermeiden; andererseits soll aber der Luftüberschuss zweckmässigerweise so gross sein, dass genügend Sauerstoff zur Verfugung steht, um eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Brennstoffs zu Wasser und Kohlendioxid herbeizuführen. Die Kreislaufführung von Schornstein- oder Ofenabgasen, die aus dem Hauptwasserrohr oder anderen Wärmeaustausehstellen des Ofens ausströmen, als kühlere, im wesentlichen inerte Gas^ve kann vom Gesichtspunkt der Wärmewirtschaftlichkeit vorteilhaft sein, weil dadurch Kalorien in das System wieder zurückgeleitet werden.

Eine Möglichkeit, in den thermischen Verbrennungszonen eine niedrigere Verbrennungstemperatur in dem gewünschten Bereich innezuhalten, besteht darin, dass man in die thermische Verbrennungszone ein kühleres inertes Gas einleitet. Bin hierfür geeignetes inertes Gas steht z.B. in Form der oben erwähnten Schornstein- oder Ofenabgase sur Verfügung, die bereits zum Wärmeaustausch verwendet worden sind, um Kalorien aus den gasförmigen Verbrermungsprodukten zurückzugewinnen. Diese Gase können Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff enthalten und verhalten sich daher gegenüber einem Verbrennungssystem indifferent. In typischer Weise können diese Gase Temperaturen im Bereich von etwa 38 bis 815° 0 haben; oft liegen die Temperaturen im Bereich von etwa 260 bis 540° C. Die inerten Gase können beispielsweise zusammen mit der Luft zugeführt werden, die in der ersten oder zweiten Verbrennungszone zugesetzt wird. Eine andere Möglichkeit, von den inerteil Ga-

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sen Gebrauch zu machen, "besteht darin, sie mit dem Brennstoff oder dem Brennstoff-Luftgemisch zu mischen, welches der ersten thermischen Verbrennungszone zugeführt wird.

Bei der Verbrennung gemäss dsr Erfindung wird der Brennstoff in Gegenwart von freiem oder molekularem Sauerstoff und von freiem oder molekularem Stickstoff oxydiert. Sauerstoff und Stickstoff werden meist als Luft zugeführt; das Gemisch kann jedoch durch Zusatz konzentrierterer Formen von Sauerstoff angereichert oder mit zusätzlichen Mengen an Stickstoff oder anderen inerten Gasen verdünnt sein. Diejenigen Bestandteile des Gemisches, die nicht aus Brennstoff bestehen, werden in dieser Beschreibung als Luft bezeichnet. Me erfindungsgemäss verwendeten Brennstoffe enthalten Kohlenstoff und werden daher als kohlenstoffhaltige Brennstoffe bezeichnet. Diese Brennstoffe haben eine ausreichende Energie, um bei der Oxydation mit einer stöchiometrischen Luftmenge eine adiabatische FLammentemperatur von mindestens etwa 1815 G zu erzeugen. Die Brennstoffe können bei Raumtemperatur gasförmig oder flüssig sein; so kann man z.B. als Brennstoffe Methan, Äthan, Propan oder andere Kohlenwasserstoffe von niedrigem Molekulargewicht, Benzin, Leuchtöl, Mineralölrückstände oder undestillierte Mineralöle sowie andere, normalerweise flüssige Kohlenwasserstoffe verwenden. Ebenso kann man andere kohlenstoffhaltige Brennstoffe verwenden, wie Kohlenmonoxid, Alkanole mit 1 bis Kohlenstoffatomen, besonders Methanol, und andere sauerstoffhalt ige Verbindungen. Der Brennstoff kann im Gemisch mit Bestandteilen vorkommen oder erhalten werden, die sich gegen die Oxydation inert verhalten. Der Brennstoff hat einen verhältnismässig hohen Energiegehalt und ist so beschaffen, dass sich aus ihm der erfindungsgemäss verwendete Beschickungsstrom herstellen lässt.

In die erste thermische Verbrennungszone kann der Brennstoff in gasförmiger oder flüssiger Phase eingespritzt und mit der

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für die primäre Verbrennung verwendeten luft zusammengebracht werden. Diese Arbeitsweise ist besonders- vorteilhaft, wenn der Brennstoff flüssig ist, und ermöglicht die Verwendung τοη hochsiedenden Brennstoffen, wie Rückstandsöle?!; und undestillierten Mineralölen. Torteilhaft ist der Brennstoff ein Gas oder er wird durch Verdampfen in den gasförmigen Zustand übergeführt und vor der Verbrennung mit der für die thermische Verbrennungszone verwendeten Liift gemischt. Vorzugsweise hat das in der ersten thermischen Verbrermungszore verwendete Brennstoff-Luftgemisch eine höhere als die unter den Bedingungen des Gemisches maximale Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit, um eine Flammenbildung oder möglicherweise sogar eine Detonation des Gemisches vor der thermischen Verbrennungszone zu verhindern. Vorzugsweise verwendet man einen Flammenhalter, um die Flamme hinter dem Flammenhalter zu lokalisieren und den Übergang der Flamme in einen vor dem Flammenhalter befindlichen Raum zu verhindern. Auf diese Weise wird die Gefahr einer Entzündung des Brennstoff-Luftgemisches vor der gewünschten Verbrennungsstelle und eines Zurückschlagens der Flamme auf ein Minimum beschränkt.

Für die katalytische Oxydation kann man den gleichen oder einen anderen Brennstoff verwenden als für die anfängliche thermische Verbrennung. Wenn der für die katalytische Oxydation verwendete Brennstoff nicht normalerweise gasförmig ist, wird er vorzugsweise verdampft, bevor er die Verbrennungszone erreicht, und Brennstoff, Luft sowie etwaige andere Bestandteile der Beschickung werden gut gemischt, um die örtliche Ausbildung zu hoher Temperaturen zu verhindern, die eine ungünstige Wirkung auf den Katalysator haben oder die Erzeugung von Stickoxiden begünstigen könnten. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Brennstoff bei der katalytischen Oxydation mit dem Katalysator in Berührung kommt, kann er vollständig oder teilweise in flüssiger Phase vorliegen. Der heisse Katalysator verdampft den Brennstoff, und das so entstehende Brenn-

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stoff-Luftgemisch steht dann mit dem Katalysator in Berührung und wird oxydiert. Auf diese Weise kann man sogar verhältnismässig hochsiedende Brennstoffe, wie Rückstandsöle und undestillierte Mineralöle, verwenden.

Die erfindungsgemäss verwendeten festen Katalysatoren können verschiedene Formen und Zusammensetzungen haben, wie sie allgemein üblich sind, um Brennstoffe in Gegenwart von molekularem Sauerstoff zu oxydieren. Der Katalysator kann in Form verhältnismässig kleiner, fester Teilchen von unterschiedlichen Grossen und Formen vorliegen, oft in Grossen von weniger als etwa 25 mm in der grössten Abmessung, und es können viele solche Teilchen in Form einer oder mehrerer Katalysatormassen bzw. eines oder mehrerer Katalysatorbetten in der Verbrennungszone angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Katalysator von grösserer Form und hat eine skelettartige Struktur, die von Gasströmungskanälen durchsetzt wird. Beispiele für diese bevorzugte Foriu sind die einstückigen oder Bienenwabenkatalysatoren. Diese Katalysatoren haben im allgemeinen eine oder mehrere Metallkomponenten, die für die gewünschten Oxydationsreaktionen katalytisch aktiv sind, und in Anbetracht der ziemlich hohen Temperaturen, bei denen diese Katalysatoren einge- setzt werden, können sogar Stoffe als Katalysatoren geeignet sein, die normalerweise als verhältnismässig inaktiv oder als ungenügend aktiv angesehen werden, um die Oxydation von Brennstoffen hinreichend zu katalysieren. Das katalytische Metall kann in gebundener Form, wie als Oxid, vorliegen, und vorzugsweise befindet sich die Metallverbindung auf einem Träger, der eine geringere katalytische Aktivität ausübt oder inert ist, z.B. auf einem keramischen Träger. Bei diesen Katalysatoren sind die katalytisch aktiveren Metalle oft Metalle der Schwermetallgruppen des Periodischen Systems, wie z„B. Metalle der Gruppen IB, HB oder III bis VIII. Man verwendet die katalytisch aktiven Formen dieser Metalle, und die Oxide eines gegebenen Metalls, z.B. von Aluminium, können je nach ihrem

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physikalischen Zustand, ihrem Hydratationsgrad oder anderen bekannten Paktoren mehr oder weniger aktiv sein,, Is allgemeinen sind jedoch die katalytischem. !Komponenten der Metalle der Gruppen III und IY des Periodischen Systems, z.B. Siliciumdi-• oxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und Gemische derselben, weniger aktiv als die katalytischem. Formen der Metalle der Gruppe VIII, besonders der Platinmetalle, wie Platin, Palladium und Rhodium, oder der Metalle der Gruppen IB, HB, V, VI, VII und der Eisenmetalle der Gruppe VIII, z.B. Cu, Gr, Ni, Co, V, Fe und dergleichen. Bei einigen bevorzugten Formen können die Katalysatoren sowohl eine aktivere Komponente, die aus einem oder mehreren Metallen der Gruppen IB, HB und V bis VIII besteht, als auch eine oder mehrere katalytisch weniger aktive Komponenten von Metallen der Gruppen III und IV des Periodischen Systems enthalten, und diese Kombinationen können gegebenenfalls auf einem noch weniger aktiven oder einem inerten Träger vorliegen. Ein solcher Katalysator kann z.B. 1 $ Platin aktiver Form und 10 i° Aluminiumoxid in aktiver Form auf einem Bienenwabenträger aus α-Aluminiumoxid oder Cordierit enthalten. Die Katalysatoren haben oft eine spezifische Oberfläche (einschliesslich der Fläche ihrer Oberflächenporen) von mindestens etwa 10 und vorzugsweise von mindestens etwa 50 m /g. Der Katalysator ist in der Verbrennungszone vorzugsweise so angeordnet, dass der Druckabfall der durch ihn hindurchströmenden Gase weniger als etwa 0,7 oder sogar weniger

als etwa 0,2 kg/cm beträgt.

Die einstückige Skelettstruktur des Trägers des Oxydationskatalysators weist eine Vielzahl von StrÖmungskanälen oder Strömungswegen auf, die sich in der Richtung der Gasströmung durch den Katalysatorträger erstrecken. Die Strömungskanäle brauchen nicht gerade zu verlaufen und können Abzweigungen oder Unterbrechungen aufweisen. Das Trägerskelett besteht vorzugsweise aus einem chemisch indifferenten, starren, festen Stoff, der seine Form und Festigkeit bei hohen Temperatüren,

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z.B. bei Temperaturen bis etwa 1650° 0 oder mehr, bewahrt. Der Träger kann einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine gute Wärmesehockbeständigkeit and eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Oft ist das Trägerskelett porös, an seiner Oberfläche aber verhältnismässig unporös, und es kann sweokmässig 3ein, die Oberfläche aufzurauhen, damit sie den Katalysatorüberzug besser festhält, besonders wenn der Träger ^erhältnismässig unporös ist. Der Träger kann metallischer oder keramischer Natur oder eine Kombination aus beiden sein.

Die den einstückigen Körper oder das Trägerskelett durchsetzenden Kanäle können jede beliebige Form und Grosse haben, die sich mit der gewünschten Oberfläche verträgt, und sollen so gross sein, dass das Gasgemisch verhältnismässig frei hindurchströmen kann. Die Kanäle können parallel oder im grossen und ganzen parallel sein und sich von einer zur anderen Seite durch den Träger hindurch erstrecken, wobei sie voneinander durch dünne Wände getrennt sind. Die Kanäle können auch in vielen Richtungen verlaufen und sogar mit benachbarten Kanälen kommunizieren. Die Einlassöffnungen der Kanäle können über die ganze Querschnittsfläche des Trägers dort, wo diese zuerst mit dem zu oxydierenden Gas in Berührung kommt, verteilt sein.

Die Erfindung eignet sich besonders zur Erzeugung von Wärme durch Oxydation von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen ohne Erzeugung übermässiger Mengen an Stickoxiden. Zweckmässig sind die Oxydationsabgase auch arm an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen. Das Ofenabgas kann bei dem erfindungsgemässen Verfahren weniger als 10 Raumteile Kohlenwasserstoffe, weniger als 100 Raumteile Kohlenmonoxid und weniger als vorzugsweise 50 oder sogar weniger als 25 Raumteile Stickoxide je Million Raumteile enthalten. Vorteilhaft wird das Oxydationssystem gemäss der Erfindung in einem mit vielen Brennern bestückten Ofen, wie in einem Wasserröhren-Dampfkessel, angewandt. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Öfen, sogar auf typische

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Heimgasöfen und Wassererhitzer, anwendbar. Es ist günstig, wenn Brenner und Ofen so gebaut sind, dass die zugeführten Gase gründlich miteinander vermischt werden und mehrere Verbrennungszonen gemäss der Erfindung ausgebildet werden können. Ein besonders vorteilhaftes System spritzt die zugeführten Stoffe tangential in eine thermische Verbrennungszone ein. Die Verbrennungsgase werden durch den wirbelnden, spiralförmigen Weg, den sie zurücklegen müssen, gemischt. In der Mitte des Ofens kann sich eine Feuerkugel bilden, von der Wärme zu den Ofenwandungen hin- abgestrahlt wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, die das Verbrennungssystem in vereinfachter Form darstellen.

Fig. 1A und 1B sind schematische Darstellungen von Systemen gemäss der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Batterie von Ofeneinlassöffnungen in einem System gemäss der Erfindung, bei dem die erste thermische Verbrennungsstufe mit flüssigem Brennstoff gespeist wird.

Fig. 3 erläutert eine Batterie von Einlassöffnungen eines Ofens, bei dem die erste thermische Verbrennungsstufe mit dampfförmigem Brennstoff gespeist wird.

Fig. 4 ist eine fortgebrochene Ansicht eines Ofens, der erfindungsgemäss betrieben werden kann und von den Ecken her tangential beheizt wird.

,Fig. 1A zeigt einen senkrecht stehenden Ofen 1Q mit einem Gehäuse 12, bei dem Wärme von-dem Ofen auf Wasser übertragen wird, das sich in (nicht dargestellten) Röhren befindet und in Dampf zum Antrieb von beispielsweise einer Dampfturbine umgewandelt wird. In diesem Ofen kann die erste thermische

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Verbrennung mit flüssigem Brennstoff und die katalytische Verbrennung nit dampfförmigem Brennstoff durchgeführt werden. Die erste themische Verbrennung erfolgt in allgemeinen in dem thermischen Verbrennungsraum 14, während die zweite thermische Verbrennung in dem Raue 15 erfolgt. Die Verbrennungsabgase ziehen aus dem Ofen zu dem Schornstein oder der Abzugsleitung 16. Die in den Ofenab_ygasen enthaltene Warne kann verwendet werden» um das in dem Ofen in Dampf umzuwandelnde Wasser in dem Wärmeaustauscher 18 vorzuerhitzen, und um die dem Ofen zugeführte Luft in dem Wärmeaustauscher 20 vorzuerhitzen.

Flüssiger Brennstoff wird durch leitung 22 zugeführt und strömt durch das Ventil 24 zu den Einspritzdüsen 26, die ihn in die thermische Verbrennungszone 14 einspritzen. Die Luft wird der thermischen Verbrennungszone 14 durch Leitung 28 über Leitung 30 zugeführt, und ihre Menge wird durch Ventil 32 gesteuert. Kreislaufgase aus der durch das Ventil 36 gesteuerten Leitung 34 werden in Leitung 30 innig mit der Luft gemischt, die der ersten thermischen Verbrennung zugeführt wird. Die Luft strömt in die thermische Verbrennungszone durch Primärlufteinlasse 38 ein, die sich unmittelbar neben den Einspritzdüsen befinden und je einer Einspritzdüse diametral gegenüberliegen. Die Kreislauf gase sind inerte, kühlere Grase und haben die Aufgabe, die Temperatur bei der thermischen Verbrennung herabzusetzen. Zusätzliche Kreislaufgage können über die durch Ventil 42 gesteuerte Leitung 40 durch die Einlassöffnung 44 dem Ofen zugeführt werden. Die Kreislaufgase vereinigen sich mit dem Abgas τοη der thermischen Verbrennungszone und dienen zum Kühlen dieses Abgases und somit zur Verminderung der Zeitspanne, in der Stickstoff und Sauerstoff bei hohen Temperaturen unter Bildung von Stickoxiden in Berührung kommen, oder zur völligen Vermeidung einer solchen Umsetzung.

Über der ersten thermischen Verbrennungszone befinden sich katalytische Verbrennungsvorrichtungen 46. Die Abgase von den

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Icatalytischen Verbrennungsvorrichtungen strömen in die thermische Verbrennungszone 15. Wenn die Abgase Ton der Icatalytischen Verbrennung freien Sauerstoff enthalten, kann dieser für • die thermische Verbrennung τοη unverbranntem oder teilweise Terbranntem Brennstoff verwendet werden, der von der ersten Verbrennungszone 14 her aufsteigt. Für die katalytische Verbrennung kann man normalerweise dampfförmigen oder normalerweise flüssigen Brennstoff verwenden. Das in Big· 1A dargestellte System ist für die Verwendung von dampfförmigem und/oder flüssigem Brennstoff ausgebildet. Beim Betrieb eines Kraftwerks ist z.B, die Verfügbarkeit bestimmter Arten von Brennstoffen von ausschlaggebender Bedeutung, und oft kann die Verfügbarkeit bestimmter Arten von Brennstoffen jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen sein* Ee stellt daher einen Vorteil dar, wenn man mit beiden Arten von Brennstoffen arbeiten kann. Dampfförmiger Brennstoff wird der katalytischen Verbrennungszone durch die durch Ventil 49 gesteuerte Leitung 48 zugeführt. Der dampfförmige Brennstoff wird mit Luft gemischt, die von der Leitung 28 her durch die durch Ventil 52 gesteuerte Leitung 50 zugeführt wird. Das Brennetoff-Luftgenisch gelangt über das Ventil 54 in die katalytischen Verbrennungsvorrichtungen 46, wo ee an dem Katalysator 60 katalytisch oxydiert wird· Kreislaufgase können aus der Leitung abgezweigt und über die durch Ventil 58 gesteuerte Leitung in die Leitung 50 eingeführt werden, wo sie sich mit der einströmenden Luft mischen. Bin normalerweise flüssiger Brennstoff kann über die durch Ventil 57 gesteuerte Leitung 55 in die Leitung 50, und zwar zweckaässig vor der Eintrittsstelle der Kreislaufgase, eingeführt werden. Zweckmässig wird das Gemisch aus Luft und Kreislaufgas vorerhitzt, um die Verdampfung des flüssigen Brennstoffs zu erleichtern.

Palis unter den jeweiligen Verbrennungsbedingungen Luft für eine weitere Verbrennung erforderlich ist, wird diese aus der Leitung 28 abgezweigt und durch die durch Ventil 64 gesteuerte

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Leitung 62 zur Einlassöffnung 66 geleitet, wo sie oberhalb der thermischen Verbrennungs zone 15 in den Ofen einströmt. Die zusätzliche Luft kann mit Kreislaufgasen gemischt werden, die aus Leitung 34 abgezweigt werden und durch die durch Ventil 70 gesteuerte Leitung 68 in die Leitung 62 gelangen.

Das in Dampf umzuwandelnde Wasser strömt durch Leitung 72 zum Wärmeaustauscher 18, wo es vorerhitzt wird, während die Ofenabgase gleichzeitig gekühlt werden. Das vorerhitzte Wasser strömt durch Leitung 74 zum Ofengehäuse 12, wo es im Wärmeaustausch mit den thermischen Verbrennungszonen 14 und 15 durch (nicht dargestellte) Wasserrohren geleitet und in Dampf umgewandelt wird. Die aus den thermischen Verbrennungszonen auf das Wasser zwecks Dampferzeugung übertragene Wärme ist zum beträchtlichen Teil strahlende" Wärme, die von der Flamme in der thermischen Verbrennungszone abgestrahlt wird. Der Wasserdampf strömt aus dem Ofen durch Leitung 76 aus und kann „z.B. zum Treiben einer Dampfturbine zwecks Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden. Nicht dargestellte Thermoelemente können an verschiedenen Stellen des Ofens angebracht sein, um die Temperatur der Verbrennungsgase zu bestimmen und die Verbrennungstemperaturen auf den gewünschten Bereich einzuregeln.

Pig. 1B erläutert eine Abänderung des Systems gemäss der Erfindung, bei der die erste thermische .Verbrennungszone mit dampfförmigem Brennstoff gespeist wird. Die Bezugszeichen sind die gleichen wie in Fig. 1A. Dampfförmiger Brennstoff strömt über Leitung 78 durch Leitung 80, wo er mit Luft aus der Leitung 28 gemischt wird, nachdem diese durch das Ventil 82 geströmt ist. Aus Leitung 34 über das Ventil 36 zugeführte Kreislaufgase werden mit dem Brennstoff-Luftgemisch gemischt. Das gasförmige Gemisch gelangt dann über Ventil 84 zu den Brennerdüsen 86 und wird in die erste thermische Verbrennungszone 14 des Ofens eingespritzt. Die Brennerdüsen 86 sind mit

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Flammenhaltern 88 ausgestattet, um ein Zurückschlagen der Flamme zu verhindern.

Fig. 2 zeigt eine andere Batterie von Einlassöffnungen, die "bei dem in Fig. 1A dargestellten System verwendet werden können. Gleiche Teile sind in Fig. 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1JL. Die Batterie 94 weist eine Reihe von Einlassöffnungen auf. Flüssiger Brennstoff wird durch die Einspritzdüsen 26 in die erste thermische Verbrennungszone des Ofens eingespritzt. Die Luft für die erste thermische Verbrennungszone strömt durch die Öffnungen 38 ein, die neben den Einspritzdüsen 26 gelegen sind. Ein kühleres, inertes Gas, z.B. Kreislaufgas, strömt in den Ofen durch die Öffnung 44 ein. Das Inertgas vermischt sich mit dem Abgas aus der thermischen Verbrennungszone und .setzt dessen. Temperatur herab. Das Abgas von der katalytischen Verbrennung wird der Verbrennungszone durch die Öffnungen 46 zugeführt. Wenn dieses Abgas freien Sauerstoff enthält, kann es verwendet werden, um eine weitere thermische Verbrennung von Brennstoff herbeizuführen, der bei der ersten Verbrennung noch nicht oder unvollständig verbrannt worden ist. Durch die öffnung 66 wird zusätzliche Luft für die weitere Verbrennung von in der ersten thermischen Verbrennungszone noch nicht oder nur teilweise verbranntem Brennstoff und möglicherweise für die thermische Verbrennung durch in den Abgasen der katalytischen Verbrennungszone enthaltene Luft zugeführt. -

Fig. 3 zeigt eine Batterie von Ofeneinlassöffnungen für die Zuführung von dampfförmigem Brennstoff zur ersten thermischen Verbrennungsstufe. Gleiche Teile sind hier mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1B. Die Batterie 90 weist eine Mehrzahl von Einlassöffnungen auf. Das Gemisch für die erste thermische Verbrennung strömt durch die Öffnungen 92 ein. Über den Einlassöffnungen für das der ersten thermischen Verbrennung zugeführte Gemisch befinden sich Flammenhalter 88,

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um ein Zurückschlagen der Flamme zu vermeiden. Kreislaufgase strömen durch die öffnung 44 ein und mischen sich mit den Abgasen von der ersten thermischen Verbrennung. Die Abgase von der katalytischen Verbrennung strömen durch die Öffnungen 46 ein und mischen sich ebenfalls mit den Abgasen von der ersten thermischen Verbrennung. Die Ausbildung der Batterie und die relative Lage der Eintrittsöffnungen ist in Fig. 3 nur der Erläuterung halber schematisch dargestellt. Die Ausbildung der Batterie kann natürlich der jeweiligen geometrischen Ausbildung des Ofens angepasst sein, und die Lage der Einlassöffnungen sowie die relative Anzahl einer jeden Art von Einlassöffnung kann je nach dem Verwendungszweck und der Grosse des Ofens variieren.

Pig. 4 zeigt einen Dampferzeugungsofen gemäss der Erfindung. Der Ofen 96 wird von diametral gegenüberliegenden Ecken her tangential beheizt. Die Verbrennungszone 98 ist von feuerfesten Wänden 100 umgeben, in denen sich Wärmeaustauschröhren 102 befinden, durch die das in Dampf umzuwandelnde Wasser strömt. Die Batterie 104 besteht aus mehreren Einlassöffnungen 106, durch die ein Brennstoff-Luftgemisch der ersten thermischen Verbrennung zugeführt wird. Die Luft für diese Verbrennung gelangt durch Leitung 108 in den Ofen. Die Luft kann mit inerten Gasen, wie gekühlten Ofenabgasen, gemischt werden. In der Leitung 108 wird die Luft innig mit einem durch Leitung 110 zugeführten dampfförmigen Brennstoff gemischt. Das Brennst off -Luftgemisch wird dann auf die Leitungen 112 verteilt, die zu den Einlassöffnungen 106 der thermischen Verbrennungszone führen. Die Einlassöffnungen sind mit Flammenhaltern 114 ausgestattet, um ein Zurückschlagen der Flamme zu verhindern. Beim Anfahren der ersten thermischen Verbrennung lässt man das Brennstoff-Luftgemisch in die Verbrennungszone 98 einströmen und zündet es durch den Zünder 116. Sobald eine sich selbst unterhaltende Verbrennung stattfindet, wird der Zünder 116 ausgeschaltet.

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Ferner strömt in die Verbrennungszone 98 durch die Öffnung 118 das Abgas von der katalytischen Verbrennung. Luft für die katalytische Verbrennung wird dem katalytischen Brenner 120 durch leitung 122 zugeführt. In der Leitung 122 wird dem durch Leitung 124 Kugeführten Brennstoff Luft zugemischt. Das Brennstoff-Luftgemiseh kommt beim Eintritt in den katalytischen Brenner 120 mit dem festen Oxydationskatalysator 126 in Berührung, wird verbrannt und strömt dann durch die Öffnung 118 in die thermische Verbrennungszone. In der Verbrennungszone 98 wird freier Sauerstoff, der in dem Abgas von der katalytischen Verbrennung enthalten ist, für eine zweite Verbrennung mit unverbranntem oder teilweise verbranntem Brennstoff verwendet, der von der ersten Verbrennung übriggeblieben ist. Beim Anfahren der katalytischen Verbrennung kann man das Brennstoff-Luftgemisch dem katalytischen Brenner mit einer Geschwindigkeit zuführen, die geringer ist als die unter diesen Bedingungen maximale Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit des Gemisches. Der Zünder 128 wird eingeschaltet, um eine thermische Verbrennung in dem Brennstoff-Luftgemisch einzuleiten. Durch diese thermische Verbrennung wird der Katalysator 126 auf eine Temperatur erhitzt, bei der die Oxydation des Gemisches von selbst weiterläuft. Vorzugsweise befindet sich die Flamme beim Anfahren des Katalysators in einer solchen Stellung, dass sie nicht direkt auf den Katalysator auftrifft, damit der Katalysator keinen Schaden leidet. Wenn die Aktivierungstemperatur erreicht ist, wird der Zünder 128 ausgeschaltet und die Geschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches über die maximale Flammenausbreitungsgeschwindigkeit des Gemisches'unter den am-Einlass zum Katalysator herrschenden Bedingungen hinaus erhöht, und die Flamme wird gelöscht.

Bei dem Verfahren gemäss der Erfindung kann ein Ofen ähnlich demjenigen der Fig. 4 verwendet werden, der sich von diesem dadurch unterscheidet, dass er von allen vier Ecken her beheizt wird und 3ede Batterie von Einlassöffnungen eine gleiche

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Anzahl von abwechselnd angeordneten Einlassöffnungen für das Abgas der katalytischen Verbrennung und Einlassöffnungen für die erste thermische Verbrennungszone aufweist. Für die katalytische sowie für die anfängliche thermische Verbrennung wird Methan als Brennstoff verwendet. Die für die katalytisch^ und die anfängliche thermische Verbrennung bestimmte Luft wird durch Wärmeaustausch mit den Ofenabgasen auf 93° C vorerhitzt. Das Brennstoff-Luftgemisch für die erste thermische Verbrennung enthält 7 Raumteile vorerhitzte Luft und 1 Raumteil Methan. Für die katalytische Verbrennung verwendet man 20 Raumteile Luft je Raumteil katalytisch zu verbrennenden Methans. Der ersten thermischen Verbrennung wird die dreifache Raummenge an Brennstoff zugeführt wie der katalytischen Verbrennung. Daher wird ein etwa 2,5-prozentiger Luftüberschuss über diejenige Menge angewandt, die stöchiometrisch erforderlich ist, um den dem Ofen zugeführten Brennstoff vollständig zu Kohlendioxid und Wasser zu verbrennen.

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Claims

Engelhard Minerals
& Chemicals Corporation B-11ÖO

Pat entansprüche

.\ Verfahren zum Betreiben von öfen mit kohlenstoffhaltigen , ,' Brennstoffen, die beim Verbrennen mit der stöchiometrischen Luftmenge eine adiabatische Flammentemperatur von mindestens etwa 1815 C entwickeln, dadurch gekennzeichnet, dass man kohlenstoffhaltigen Brennstoff an einem festen Oxydationskatalysator bei Temperaturen von etwa 815 bis 1650° C mit Luft im Überschuss über die zur vollständigen Oxydation des Brennstoffs zu Kohlendioxid und Wasser erforderliche Menge unter Bildung eines freien Sauerstoff enthaltenden Abgases katalytisch oxydiert, anfänglich kohlenstoffhaltigen Brennstoff bei Temperaturen von etwa 1095 bis 2040° C mit einer zur vollständigen Oxydation unzureichenden Luftmenge zu einem teilweise verbrannten Gas thermisch oxydiert und durch thermische Verbrennung des teilweise verbrannten Gases und des Abgases von der katalytischen Verbrennung mit der in dem letzteren enthaltenen nicht-umgesetzten Luft bei Temperaturen von etwa 1095 bis 1925° C ein weiter verbranntes Abgas erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man der anfänglichen thermischen Verbrennungszone etwa 15 bis 90 $ der für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs zu Kohlendioxid und Wasser erforderlichen Luftmenge zuführt.

5« Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Luft und den Brennstoff vor der Zuführung zu der an-

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fänglichen thermischen Verbrennungsz one miteinander mischt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man der thermischen Oxydationszone ein kühleres inertes Gas zuführt und dieses mit der gasförmigen Beschickung für die anfängliche thermische Verbrennungszone mischt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man das kühlere inerte Gas der für die anfängliche thermische Verbrennung bestimmten Luft beimischt, bevor man diese in die thermische Verbrennungszone einleitet.

6. Verfahren nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, dass man 5 bis 75 $ des insgesamt zugeführten Brennstoffs katalytisch verbrennt.

7. Verfahren zum Betreiben von öfen mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, die beim Verbrennen mit der stöchiometrischen Luftmenge eine adiabatische 3?lammentemperatur von mindestens etwa 1815° C entwickeln, dadurch gekennzeichnet, dass man kohlenstoffhaltigen Brennstoff katalytisch oxydiert, indem man den Brennstoff mit Luft mischt und das Brennstoff-Luftgemisch an einem festen Oxydationskatalysator bei Temperaturen von etwa 815 bis 1650° C unter mindestens teilweiser Oxydation des Brennstoffs zu einem katalytisch oxydierten Abgas umsetzt, kohlenstoffhaltigen Brennstoff anfänglich bei Temperaturen von etwa 1095 bis 2040° G mit einer zur vollständigen Oxydation unzureichenden Luftmenge thermisch zu einem teilweise verbrannten Gas oxydiert, das Abgas von der thermischen Verbrennung mit dem Abgas von der katalytischen Verbrennung mischt, dem Gemisch von Verbrennungsabgasen eine weitere Luftmenge beimischt, die mindestens ausreicht, um das anfänglich thermisch verbrannte Gas vollständig" zu"Kohlendioxid und Wasser zu oxydieren, und das teilweise verbrannte Gas mit der zusätzli-

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ο chen Luft bei Temperaturen von 1095 bis 1925 C weiter thermisch oxydiert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man der anfänglichen thermischen Verbrennungszone bis etwa 90 $> der für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs zu Kohlendioxid und Wasser erforderlichen Luftmenge zuführt .

9. Verfallen nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass man die Luft und den Brennstoff vor der Zuführung zu der anfänglichen thermischen Verbrennungszone miteinander mischt. _;

10. Verfahren nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, dass man der anfänglichen thermischen Oxydationszone ein kühleres inertes Gas zuführt und dieses mit der gasförmigen Beschickung für die anfängliche thermische Verbrennungszone mischt.

11. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass man das kühlere inerte Gas der für die anfängliche thermische Verbrennung bestimmten Luft beimischt, bevor man diese in die thermische Verbrennungszone einleitet.·

12. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass man 5 bis 75 $> des insgesamt zugeführten Brennstoffs katalytisch verbrennt.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man das kühlere inerte Gas der zusätzlichen Luft für die weitere thermische Verbrennung der anfänglichen thermischen Verbrennungsgase zumischt, bevor man die anfänglichen thermischen Verbrennungsgase in die thermische V/erbrennungszone einleitet.

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14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man als kühleres inertes Gas durch Wärmeaustausch gekühltes Abgas von sämtlichen Verbrennungszonen verwendet.

15. Ofen zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1 bis 14, gekennzeichnet durch

a. ein Ofengehäuse (12), das eine thermische Verbrennungszone (14) enthält,

b. eine Brennstoffzufuhr (22, 26) zu der thermischen Verbrennungszone (14),

c. eine Luftzufuhr (28, 38) zu der thermischen Verbrennungszone (14),

d. einen katalytischen Brenner (46) mit einem festen Oxydationskatalysator (60), in dem Gase, Brennstoff und Luft miteinander in Berührung gebracht werden können,

e. eine Luftzufuhr (28, 50, 58) zu dem festen Oxydationskatalysator (60),

f. Verbindungen zum Ableiten von katalytisch verbranntem Abgas von dem katalytischen Brenner (46) in eine thermische .Verbrennungszone (15) und zum Mischen mit den Produkten der thermischen Verbrennung und

g. eine Ableitung (16) zum Austragen von verbrannten Gasen aus dem Ofen (10).

16. Ofen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr zu der thermischen Verbrennungszone (14) Düsen (26) zum Einspritzen von flüssigem Brennstoff in die -thermische Verbrennungszone (14) aufweist.

17. Ofen nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Leitungen (40, 44; 62j 66) zum Zuführen von zusätzlicher Luft zu der ther-Bischen Verbrennungszone (14, 15).

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18. Ofen nach Anspruch 15» gekennzeichnet durch Leitungen (34, 40, 44, 68, 70) zum Zuführen von kühlerem inertem Gas zu der thermischen Verbrennungszone (14, 15).

19. Ofen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff der thermischen Verbrennungszone (14) tangential zugeführt wird. .

20. Ofen nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass er durch eine Zyklonfeuerung beheizt wird.

21. Ofen nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass er Ton den Ecken her beheizt wird.

22.. Ofen nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Leitung (34), durch die Ofenabgase aus der Ableitung (16) zu der thermischen Verbrennungszone (14, 15) im Kreislauf geführt werden können.

23. Ofen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (100) Wärmeaustauschröhren· (102) enthalten, durch die eine Flüssigkeit zwecks Verdampfung hindurchgeleitet werden kann.

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