DE69004328T2

DE69004328T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung mit oxidierendem Mehrfachstrahl.

Info

Publication number: DE69004328T2
Application number: DE90108591T
Authority: DE
Inventors: Min-Da Ho; Paul John Liszewski
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1989-05-08
Filing date: 1990-05-07
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2010-05-08
Also published as: KR900018596A; CA2016202C; EP0397088A3; JPH0676842B2; EP0397088A2; EP0397088B1; US4969814A; BR9002116A; ATE96894T1; JPH02302505A; CN1026027C; CA2016202A1; MX171950B; KR950013968B1; ES2045631T3; CN1047379A; DE69004328D1

Description

Diese Erfindung betrifft Verbrennungen, bei denen Brennstoff und Oxidationsmittei in eine Verbrennungszone injiziert werden und sich in der Verbrennungszone mischen und verbrennen.

Stand der Technik

Ein neuerer wesentlicher Fortschritt im Bereich der Verbrennung ist der Ansaugbrenner und das Verfahren, das in US-A-4 378 205 von Anderson und in US-A-4 541 796 von Anderson beschrieben und beansprucht werden. Diese Technologie ermöglicht das Ausführen von Verbrennungen mit Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft ohne die sehr hohen Temperaturen und schlechten Mischeigenschaften der Sauerstoffverbrennung, wodurch eine Verbrennung ohne Bildung hoher Pegel von Stickoxiden (NOx) und ohne das Vemrsachen lokaler heißer Stellen innerhalb der Verbrennungszone erzielt wird. Dies wird unter Verwendung eines festgelegten großen Abstands zwischen den Injektionsstellen des Brennstoffs und des Oxidationsmittels und durch das Ansaugen von Ofengasen in das Oxidationsmittel vor dem Mischen und Verbrennen mit dem Brennstoff erreicht.
Ferner ist ein Brenner bekannt (Patent Abstracts of Japan, Vol. 2, Nr. 128 (M-78) (4067)), der eine primäre Luftdüse aufweist, die innen 0 bis 10 Grad zum Kern des Brenners geneigt ist, und die 1/10 bis 8/10 der zur Verbrennung benötigten Luftmenge injiziert, und eine sekundäre Luftdüse, die 5 bis 15 Grad zum Kern des Brenners geneigt ist und die 9/10 bis 7/10 der zur Verbrennung benötigten Luftmenge injiziert. Die primäre Luftdüse ist in der sekundären Luftdüse angeordnet, und beide Luftdüsen liegen in der gleichen Ebene.
Bei der Verbrennung bestimmter Materialien, wie z.B. bei der Veraschung von gefahrlichem Müll gibt es in der Verbrennungszone hohe Pegel von Stickstoff oder von Stickstoftverbindungen, die eine Quelle von NOx sein können, wenn die Verbrennung ausgeführt wird. Ferner sind bestimmte Verbrennungszonen, wie z.B. ein zur Veraschung von gefahrlichem Müll benutzter Drehrohrofen relativ lang und schmal. Während bekannt ist, daß die NOx-Bildung vermindert und eine gleichförmigere Temperaturverteilung erzielt werden kann, indem die Verbrennung in einer diffusen Flamme ausgeführt wird, ist solch eine diffuse Flamme in einer schmalen Verbrennungszone nicht machbar, da die Flamme ohne weiteres auf die Wände der Verbrennungszone auftrifft oder diese überhitzt.
Demgemäß ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zum Ausführen einer Verbrennung insbesondere in einer relativ schmalen Verbrennungszone zu schaffen, bei dem eine gleichförmigere Temperaturverteilung erreicht wird, und bei dem eine geringe NOx-Bildung erreicht wird, auch wenn erhebliche Mengen von Stickstoff oder Stickstoffverbindungen in der Verbrennungszone anwesend sind.
Es ist eine andere Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung zum Ausführen einer Verbrennung insbesondere in einer engen Verbrennungszone zu schaffen, bei der eine gleichförmigere Temperaturverteilung und eine geringere NOx-Bildung erreicht werden, auch wenn erhebliche Mengen von Stickstoff oder Stickstoffverbindungen in der Verbrennungszone anwesend sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obigen Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, wobei ein Aspekt derselben ist:
Ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff und Oxidationsmittel unter Erzielung einer gleichförmigeren Temperaturverteilung und verminderter NOx-Emissionen, bei dem
(A) ein Brennstoffstrom durch eine Verbrennungszone hindurchgeleitet wird;
(B) Oxidationsmittel in die Verbrennungszone in mindestens zwei Strömen eingebracht wird, wobei mindestens ein solcher Oxidationsmittelstrom im wesentlichen parallel zu dem Brennstoffstrom injiziert wird und mindestens ein solcher Oxidationsmittelstrom unter einem divergierenden Winkel zu dem (den) parallel injizierten Oxidationsmittelstrom (-strömen) injiziert wird, wobei der Abstand zwischen den Achsen der Oxidationsmittel- Injektionsstellen das Zehnfache des Durchmessers der größten Ausströmöffnung oder des größten Injektionsstromes nicht übersteigt;
(C) Gas von innerhalb der Verbrennungszone in den (die) unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) angesaugt wird und man danach den (die) unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) in den bzw. mindestens einen der parallel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) einfließen läßt, wobei die Injektionswinkel des (der) Oxidationsmittelstromes (-ströme) und die Impulse so gewählt sind, daß im wesentlichen die Gesamtheit des (der) unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelstromes (-ströme) zusammen mit dem in den (die) unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) gesaugten Gas vor einem Mischen mit dem Brennstoffstrom in den (die) parallel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) hineingezogen wird; und
(D) der (die) erhaltene(n) Oxidationsmittelstrom (-ströme) mit Brennstoff unter Bildung eines brennbaren Gemisches vermischt wird (werden) und das Gemisch verbrannt wird.
Ein anderer Aspekt der Erfindung lautet:
Eine Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff und Oxidationsmittel unter Erzielung einer gleichförmigeren Temperaturverteilung und verminderter NOx-Emissionen, mit
(A) einer Anordnung zum Hindurchleiten eines Brennstoffstromes durch eine Verbrennungszone; und
(B) einer Anordnung zum Injizieren von Oxidationsmittel in die Verbrennungszone, wobei die Oxidationsmittel-Injektionsanordnung eine Düse mit mindestens zwei Ausströmöffnungen aufweist, wobei mindestens eine dieser Ausströmöffnungen so ausgerichtet ist, daß ein Oxidationsmiffelstrom im wesentlichen parallel zu der Durchleitrichtung der Brennstoff-Durchleitanordnung injiziert wird, und mindestens eine dieser Ausströmöffnungen so ausgerichtet ist, daß ein Oxidationsmittelstrom unter einem divergierenden Winkel zu der Injektionsrichtung der parallel ausgerichteten Ausströmöffnung(en) injiziert wird, wobei der Abstand zwischen den Achsen der parallel ausgerichteten Ausströmöffnung und der unter einem Winkel ausgerichteten Ausströmöffnung an den Oxidationsmittel-Injektionsstellen das Zehnfache des Durchmessers der größten Ausströmöffnung nicht übersteigt, und wobei der (die) Injektionswinkel des (der) Oxidationsmittelstromes (-ströme) und der Impuls so gewählt sind, daß im wesentlichen die Gesamtheit des (der) unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelstromes (-ströme) zusammen mit dem in den (die) unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) gesaugten Gas vor einem Mischen mit dem Brennstoffstrom in den (die) parallel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) hineingezogen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine Frontansicht einer Ausführungsform einer Oxidationsmitteldüse, die bei dem Verfahren und der Vorrichtung dieser Erfindung benutzt werden kann.
Figur 2 ist eine Querschnittansicht der in Figur 1 gezeigten Düse.
Figur 3 ist eine Frontansicht einer Ausführungsform einer Brennervorrichtung dieser Erfindung.
Figur 4 ist eine Veranschaulichung der Oxidationsmittelstrom-Strömungswege unter Verwendung der in Figur 3 veranschaulichten Brennervorrichtung.
Figur 5 ist eine graphische Darstellung der NOx-Emissionen von einer Verbrennung, die mit dieser Erfindung ausgeführt wurde und von einer Verbrennung, die mit einem Brenner ausgeführt wurde, der nur bekannte gerade Düsen aufweist.
Figur 6 ist eine graphische Darstellung der Temperaturverteilung innerhalb einer Verbrennungszone bei einer Verbrennung, die mit dieser Erfindung ausgeführt wurde und bei einer Verbrennung, die mit einem Brenner ausgeführt wurde, der nur bekannte gerade Düsen aufweist.

Detaillierte Beschreibung

Bei der Anwendung dieser Erfindung wird Brennstoff durch eine Verbrennungszone in einem oder mehreren Strömen hindurchgeleitet. Vorzugsweise wird der Brennstoff als ein einzelner Strom in die Verbrennungszone injiziert, am meisten bevorzugt als ein aerodynamischer Strom, der zentral innerhalb eines Rings aus Oxidationsmittelströmen angeordnet ist. Der Brennstoff kann jeder Brennstoff sein, der durch eine Verbrennungszone hindurchgeleitet werden kann. Beispiele solcher Brennstoffe beinhalten gasförmige Brennstoffe wie z.B. Methan und Erdgas, flüssige Brennstoffe, wie z.B. Heizöl und flüssiger organischer Abfall, feste Brennstoffteilchen, die in einem gasförmigen Medium dispergiert sind, und feste und/oder flüssige Brennstoffe, die durch die Verbrennungszone transportiert werden können.
Oxidationsmittel wird in die Verbrennungszone vorzugsweise in Abstand von der Brennstoff- Injektionsstelle durch mindestens eine Düse injiziert. Das Oxidationsmittel kann Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reiner Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von über 99,5 Prozent sein. Vorzugsweise hat das Oxidationsmittel eine mittlere Sauerstoffkonzentration, die 25 Prozent übersteigt. Außerdem kann Sauerstoff von anderen Quellen, wie z.B. von Lufteinbruch, in der Verbrennungszone anwesend sein.
Das Oxidationsmittel wird mindestens in zwei Strömen von der Oxidationsmitteldüse in die Verbrennungszone injiziert. Mindestens einer der Oxidationsmittelströme wird im wesentlichen parallel zu der Richtung, in der der Brennstoffstrom durch die Verbrennungszone hindurchgeleitet wird, d.h. der Durchleitrichtung der Brennstoff-Durchleitanordnung, in die Verbrennungszone injiziert. Der Begriff "parallel" bezieht sich auf die axialen Mittellinien der Ströme, und mit "im wesentlichen parallel" ist innerhalb eines Winkels von etwa fünf Grad gemeint. Es wird erkannt, daß der Oxidationsmittelstrom und der Brennstoffstrom falls dieser ein aerodynamischer Strom ist, sich in einer grob konischen Weise bei der Injektion in und bei dem Durchleiten durch die Verbrennungszone aufweiten, und auch, daß einige Ströme eine Rotations- oder Winkelkomponente haben können.
Mindestens einer der Oxidationsmittelströme wird unter einem Winkel zu dem (den) parallel injizierten Oxidationsmittelstrom (-strömen) in die Verbrennungszone injiziert. Der Winkel liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 45 Grad, am stärksten bevorzugt im Bereich von 10 bis 35 Grad. Der hier gemeinte Winkel ist der Winkel, der durch die Mittellinien der Ströme gebildet wird. Wenn eine Mehrzahl von unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelströmen benutzt wird, können die Oxidationsmittelströme unter dem gleichen Winkel liegen, oder einer oder mehrere können bei einem oder mehreren unterschiedlichen Winkeln zu dem (den) parallel injizierten Oxidationsmittelstrom (-strömen) liegen.
Vorzugsweise wird 30 bis 70 Prozent des durch die Düse in die Verbrennungszone injizierten Oxidationsmittels in dem (den) parallel strömenden Strom (Strömen) injiziert, am stärksten bevorzugt 30 bis 50 Prozent, wobei der Rest des durch die Düse in die Verbrennungszone injizierten Oxidationsmittels in dem (den) unter einem Winkel strömenden Strom (Strömen) injiziert wird. Vorzugsweise beträgt der Impuls des durch den (die) parallel strömenden Strom (Ströme) in die Verbrennungszone injizierten Oxidationsmittels mindestens 40 Prozent des gesamten Impulses des durch die Düse injizierten Oxidationsmittels.
Figur 1 ist eine Frontansicht einer Ausführungsform einer Oxidationsmitteldüse, die bei dieser Erfindung benutzt werden kann. Unter Bezugnahme auf Figur 1 hat die Oxidationsmitteldüse 1 sechs Ausströmöffnungen, die mit 2, 3, 4, 5, 6 und 7 numeriert sind. Die Ausströmöffnungen 2, 3, 4 und 5 sind gerade angeordnet, um Oxidationsmittel im wesentlichen parallel zum Beispiel zu einem durch eine ähnlich ausgerichtete Brennstoffdüsenauströmöffnung injizierten Brennstoffstrom in die Verbrennungszone zu injizieren. Die Ausströmöffnungen 6 und 7 sind unter einem Winkel, in diesem Fall 12 Grad, zu der Ausrichtung der Ausströmöffnungen 2, 3, 4 und 5 ausgerichtet. Dieser Winkel ist in Figur 2, die eine Querschnittansicht von Figur 1 entlang der Linie B-B ist, deutlicher gezeigt. Vorzugsweise hat jede Oxidationsmitteldüse mehr als eine unter einem Winkel ausgerichtete Ausströmöffnung. Je größer die Anzahl der Ausströmöffnungen der Oxidationsmitteldüse ist, desto kleiner ist die Injektionsfläche jeder Ausströmöffnung. Je kleiner die Fläche der Ausströmöffnung an der Injektionsstelle ist, desto größer ist die Injektionsgeschwindigkeit des durch die Ausströmöffnung injizierten Oxidationsmittels. Je größer die Injektionsgeschwindigkeit ist, desto größer ist die Ansaugwirkung, die nun beschrieben wird.
Das Oxidationsmittel wird in dem (den) unter einem Winkel strömenden Strom (Strömen) mit einer Geschwindigkeit in die Verbrennungszone injiziert, die ausreicht, um ein Ansaugen von Gas aus der Verbrennungszone in den (die) unter einem Winkel strömenden Strom (Ströme) zu bewirken. Im allgemeinen liegt diese Geschwindigkeit im Bereich von 46 bis 305 m/s (150 bis 1000 ft/s). Das angesaugte Gas oder die Gase kann (können) von Quellen stammen, wie z.B. Lufteinsickerung in die Verbrennungszone, Ofengasen wie z.B. unverbranntem Stickstoff oder wie z.B. Kohlendioxid und Wasserdampf aus einer Verbrennungsreaktion, und Kohlenwasserstoffen wie z.B. Lösungsmitteldämpfen, die von einem in der Verbrennungszone befindlichen festen und/oder flüssigen gefährlichen Abfall stammen.
Das Oxidationsmittel wird durch die parallel ausgerichtete(n) Öffnung(en) mit einer Geschwindigkeit in die Verbrennungszone injiziert, die ausreicht, damit der (die) durch die gleiche Düse unter einem Winkel injizierte(n) Strom (Ströme) in den (die) parallel strömenden Strom (Ströme) nach dem Ansaugen von Gas in den (die) unter einem Winkel strömenden Strom (Ströme) einfließt (einfließen). Dieser bedeutende Effekt dieser Erfindung ist in Figur 4 veranschaulicht. Im allgemeinen liegt die Geschwindigkeit der parallelen Ströme im Bereich von 46 bis 305 m/s (150 bis 1000 ft/s). Die Geschwindigkeit kann die gleiche sein, wie die Geschwindigkeit des unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittels, oder sie kann von dieser verschieden sein.
Figur 3 ist eine Frontansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung dieser Erfindung. Unter Bezugnahme auf Figur 3 weist Brenner 10 acht Oxidationsmitteldüsen 11 auf, wobei jede Oxidationsmitteldüse eine gerade oder parallel ausgerichtete Ausströmöffnung l2 und zwei unter einem Winkel ausgerichtete Ausströmöffnungen 13 aufweist, die unter einem Winkel von 20 Grad nach außen von der Ausströmöffnung 12 ausgerichtet sind. Die Oxidationsmitteldüsen 11 sind in einem Ring oder Kreis um eine zentrale Brennstoffdüse 14 angeordnet, aus der Brennstoff in die Verbrennungszone parallel zu der Richtung injiziert wird, in der Oxidationsmittel durch die Ausströmöffnungen 12 injiziert wird. Ein Kaltstrom-Modellbrenner ähnlich dem in Figur 3 veranschaulichten wurde benutzt, um die Oxidationsmittelströme zu beobachten. Oxidationsmittel wurde in die Verbrennungszone durch die Ausströmöffnungen 12 und 13 mit einer Geschwindigkeit bis zu 152 m/s (500 ft/s) injiziert. Dem Oxidationsmittel wurde Rauch zugegeben, als es die Verbrennungszone durchströmte, um die Oxidationsmittelströme besser sichtbar zu machen, und diese Sichtbarmachung ist in Figur 4 veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf Figur 4 ist zu sehen, daß das von einem Brenner unter einem Winkel in die Verbrennungszone 21 injizierte Oxidationsmittel 20 in das parallel injizierte Oxidationsmittel 22 stromabwärts von deren entsprechenden Injektionspunkten hineingezogen wird. An der Stelle 23 wurde im wesentlichen das gesamte unter einem Winkel injizierte Oxidationsmittel 20 zusammen mit dem in das unter einem Winkel injizierte Oxidationsmittel angesaugten Gas in das parallel injizierte Oxidationsmittel 22 hineingezogen. Das kombinierte Oxidationsmittel, das parallel injiziertes Oxidationsmittel, unter einem Winkel injiziertes Oxidationsmittel und aus der Verbrennungszone angesaugtes Gas enthält, wird mit dem Brennstoffstrom gemischt, um ein brennbares Gemisch zu bilden, und das Gemisch wird verbrannt.
Die Erfindung löst zwei bedeutende und vorteilhafte Effekte aus. Erstens erhöht die unter einem Winkel erfolgende Injektion eines Teils des Oxidationsmittels den Grad des Ansaugens vom Äußeren der strömenden Reaktionsteilnehmer. Dies ist insbesondere bei der Verbrennung von festen und/oder flüssigen gefährlichen Abfällen vorteilhaft, die in die Verbrennungszone eingebracht wurden, wobei flüchtige Stoffe von diesem gefährlichen Abfall weggetrieben und so angesaugt werden. Ferner dient die unter einem Winkel erfolgende Injektion zum Ausbreiten der brennbaren Reaktionsteilnehmer. Das verbesserte Ansaugen und das Ausbreiten der Reaktionsteilnehmer dienen dazu, die Diffusion der Verbrennungsreaktion zu erhöhen. Diese erhöhte Diffusion ermöglicht ein Fortschreiten der Verbrennung mit einer gleichförmigeren Temperaturverteilung und außerdem eine Verminderung der NOx-Bildung.
Zweitens dient das parallel injizierte Oxidationsmittel dazu, das unter einem Winkel injizierte Oxidationsmittel von einem Ausströmen aus dem Strömungsweg der Ströme der Verbrennungsreaktion abzuhalten, und im Falle einer engen Verbrennungszone, dieses von einem Strömen zu den Wänden der Verbrennungszone abzuhalten. Ferner dient das parallel injizierte Oxidationsmittel indem es das unter einem Winkel injizierte Oxidationsmittel in sich hineinzieht dazu, den axialen Impuls zu erhöhen, indem die Masse des Stromes der Verbrennungsreaktion erhöht wird. Dies hat die vorteilhafte Wirkung einer Verbesserung des Mischens und somit der Wärmeverteilung in der Verbrennungszone; diese Wirkung ist insbesondere in einer langen und engen Verbrennungszone nützlich, wie es das Kennzeichen eines bei der Veraschung von gefährlichen Abfällen benutzten Drehrohrofens ist.
Damit die vorteilhaften Wirkungen dieser Erfindung eintreten können, ist es erforderlich, daß das parallel injizierte und das unter einem Winkel injizierte Oxidationsmittel durch die gleiche Düse relativ nahe beieinander in die Verbrennungszone injiziert werden. Insbesondere ist der Abstand zwischen den Injektionen dieser beiden Oxidationsmittel nicht größer als das Zehnfache des Durchmessers der größten Ausströmöffnung oder des größten Injektionsstromes, und am stärksten bevorzugt sollte er nicht größer sein als das Fünffache des Durchmessers der größten Ausströmöffnung oder des größten Injektionsstromes.
Um die Erfindung weiter zu veranschaulichen und um die verbesserten Ergebnisse, die mit dieser erzielt werden können, zu demonstrieren, wurden die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele durchgeführt. Sie werden zu Anschauungs- und Demonstrationszwecken dargelegt, und sollen nicht begrenzen.
Ein Brenner wurde mit einer Feuerungsrate von 293 kW (1 Million BTU/h) in einer 1,2 m (4 Fuß) auf 1,2 m (4 Fuß) auf 2,4 m (8 Fuß) großen Verbrennungszone gefeuert. Das als Brennstoff benutzte Erdgas wurde durch eine zentrale Brennstoffinjektionsdüse injiziert. In einem Kreis um die Brennstoffinjektionsdüsen waren sechs Oxidationsmitteldüsen angeordnet, wobei jede derselben eine Ausströmöffnung hatte, die so ausgerichtet war, daß sie Oxidationsmittel parallel zu der Brennstoffinjektionsrichtung injizierte, sowie zwei Ausströmöffnungen, die so ausgerichtet waren, daß sie Oxidationsmittel unter einem Winkel von 30 Grad nach außen von dem parallel injizierten Oxidationsmittel injizierten. Das durch die Düsen injizierte Oxidationsmittel war technisch reiner Sauerstoff. Die Verbrennung wurde mit 7,5 Prozent Sauerstoffüberschuß ausgeführt, und Luft wurde in die Verbrennungszone injiziert, um die Sauerstoffkonzentration für die Verbrennung zu variieren. Es wurden fünf Verbrennungsreaktionen ausgeführt, jede mit einer unterschiedlichen Konzentration von zur Verbrennung verfügbarem Sauerstoff. Die NOx-Emissionen wurden im Rauchgas gemessen, und die Ergebnisse sind in Figur 5 als Linie 5A graphisch dargestellt. Zu Vergleichszwecken wurden die Versuche wiederholt, jedoch wurden die sechs Düsen durch sechs Düsen ersetzt, die eine einzige parallel ausgerichtete Ausströmöffnung hatten. Diese Ergebnisse sind in Figur 5 als Linie 5B ebenfalls dargestellt. Wie aus den in Figur 5 gezeigten Ergebnissen ersichtlich ist, ermöglichte die Erfindung eine Verbrennung mit einer NOx-Bildung, die gegenüber jener erheblich vermindert war, die bei einer Verbrennung mit bekannten geraden Oxidationsmitteldüsen erreichbar ist.
Die Temperaturverteilung der Verbrennungsreaktion unter Verwendung von etwa 38 Prozent für die Verbrennung verfügbarem Sauerstoff wurde bestimmt, indem die Temperatur an vier Stellen innerhalb der Verbrennungszone gemessen wurde, wobei die für eine gemäß dieser Erfindung ausgeführte Verbrennung erzielten Ergebnisse als Linie 6A in Figur 6 dargestellt sind, und jene für eine Verbrennung mit bekannten geraden Oxidationsmitteldüsen als Linie 6B in Figur 6 dargestellt sind. Wie aus den in Figur 6 gezeigten Ergebnissen ersichtlich ist, ermöglichte die Erfindung eine Verbrennung mit einer gleichförmigeren Temperaturverteilung als jene, die bei einer Verbrennung mit bekannten geraden Oxidationsmitteldüsen erreichbar ist.
Nun kann durch den Gebrauch der vorliegenden Erfindung eine Verbrennung insbesondere mit mit Sauerstoff angereicherter Luft oder mit reinem Sauerstoff in einer langen und engen Verbrennungszone ausgeführt werden, wobei sich eine gleichförmigere Temperaturverteilung und geringere NOx-Emissionen ergeben.

Claims

1. Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff und Oxidationsmittel unter Erzielung einer gleichförmigeren Temperaturverteilung und verminderter NOx-Emissionen, bei dem

(A) ein Brennstoffstrom durch eine Verbrennungszone hindurchgeleitet wird;

(B) Oxidationsmittel in die Verbrennungszone in mindestens zwei Strömen eingebracht wird, wobei mindestens ein solcher Oxidationsmittelstrom im wesentlichen parallel zu dem Brennstoffstrom injiziert wird und mindestens ein solcher Oxidationsmittelstrom unter einem divergierenden Winkel zu dem (den) parallel injizierten Oxidationsmittelstrom (-strömen) injiziert wird, wobei der Abstand zwischen den Achsen der Oxidationsmittel-Injektionsstellen das Zehnfache des Durchmessers der größten Ausströmöffnung oder des größten Injektionsstromes nicht übersteigt;

(C) Gas von innerbalb der Verbrennungszone in den (die) unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) angesaugt wird und man danach den (die) unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) in den bzw. mindestens einen der parallel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) einfließen läßt, wobei die Injektionswinkel des (der) Oxidationsmittelstromes (-ströme) und die Impulse so gewählt sind, daß im wesentlichen die Gesamtheit des (der) unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelstromes (-ströme) zusammen mit dem in den (die) unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) gesaugten Gas vor einem Mischen mit dem Brennstoffstrom in den (die) parallel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) hineingezogen wird; und

(D) der (die) erhaltene(n) Oxidationsmittelstrom (-ströme) mit Brennstoff unter Bildung eines brennbaren Gemisches vermischt wird (werden) und das Gemisch verbrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Oxidationsmittel mindestens 25 Prozent Sauerstoff aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Winkel des unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittels im Bereich von 10 bis 45 Grad liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das unter einem Winkel injizierte Oxidationsmittel mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 46 bis 305 m/s (150 bis 1000 Fuß pro Sekunde) injiziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das parallel injizierte Oxidationsmittel mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 46 bis 305 m/s (150 bis 1000 Fuß pro Sekunde) injiziert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das unter einem Winkel injizierte Oxidationsmittel in einer Mehrzahl von Strömen injiziert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Injektionswinkel jedes der unter einem Winkel inj izierten Oxidationsmittelströme der gleiche ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelströme mindestens zwei verschiedene Injektionswinkel haben.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff als ein aerodynamischer Strom in die Verbrennungszone injiziert und durch die Verbrennungszone hindurchgeleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Brennstoffstrom in die Verbrennungszone als ein zentral angeordneter Strom innerhalb eines Ringes von Oxidationsmittelströmen injiziert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Oxidationsmittel in die Verbrennungszone in Abstand von der Stelle injiziert wird, an welcher Brennstoff in die Verbrennungszone eingeleitet wird.

12. Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff und Oxidationsmittel unter Erzielung einer gleichförmigeren Temperaturverteilung und verminderter NOx-Emissionen, mit

(A) einer Anordnung zum Hindurchleiten eines Brennstoffstromes durch eine Verbrennungszone; und

(B) einer Anordnung zum Injizieren von Oxidationsmittel in die Verbrennungszone, wobei die Oxidationsmittel-Injektionsanordnung eine Düse mit mindestens zwei Ausströmöffnungen aufweist, wobei mindestens eine dieser Ausströmöffnungen so ausgerichtet ist, daß ein Oxidationsmittelstrom im wesentlichen parallel zu der Durchleitrichtung der Brennstoff-Durchleitanordnung injiziert wird, und mindestens eine dieser Ausströmöffnungen so ausgerichtet ist, daß ein Oxidationsmittelstrom unter einem divergierenden Winkel zu der Injektionsrichtung der parallel ausgerichteten Ausströmöffnung(en) injiziert wird, wobei der Abstand zwischen den Achsen der parallel ausgerichteten Ausströmöffnung und der unter einem Winkel ausgerichteten Ausströmöffnung an den Oxidationsmittel-Injektionsstellen das Zehnfache des Durchmessers der größten Ausströmöffnung nicht übersteigt, und wobei der (die) Injektionswinkel des (der) Oxidationsmittelstromes (-ströme) und: der Impuls so gewählt sind, daß im wesentlichen die Gesamtheit des (der) unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelstromes (-ströme) zusammen mit dem in den (die) unter einem Winkel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) gesaugten Gas vor einem Mischen mit dem Brennstoffstrom in den (die) parallel injizierten Oxidationsmittelstrom (-ströme) hineingezogen wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Oxidationsmitteldüse eine Mehrzahl von unter einem Winkel ausgerichteten Ausströmöffnungen aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Winkel jeder unter einem Winkel ausgerichteten Ausströmöffnung der gleiche ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die unter einem Winkel ausgerichteten Ausströmöffnungen unter mindestens zwei-unterschiedlichen Winkeln ausgerichtet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Winkel der unter einem Winkel ausgerichteten Ausströmöffnung im Bereich von 10 bis 45 Grad liegt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Brennstoff-Durchleitanordnung eine Brennstoffinj ektionsdüse aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, versehen mit einer Mehrzahl von Oxidationsmitteldüsen, die in einem kreisförmigen Muster um eine zentral angeordnete Brennstoffinjektionsdüse herum angeordnet sind.