Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mit flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen, insbesondere Heizöl oder Erdgas, befeuerten Kessels mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 5.
Moderne Heizkessel werden heute mit Heizöl oder Erdgas befeuert. Bei der Verbrennung der diese Brennstoffe bildenden Kohlenwasserstoffe entstehen Rauchgase, die bestimmte unerwünschte Bestandteile enthalten, die zu schädlichen Luftverunreinigungen führen. Ein besonders schädlicher Bestandteil sind hierbei die Stickstoffoxide oder Stickoxide (NOx). Ein nicht unwesentlicher Teil dieser NOx-Emissionen wird hierbei durch die Rauchgase von kohlenwasserstoffbefeuerten Heizkesseln erzeugt.
NOx ist insofern schädlich, als daß es in komplizierter Weise zur Entstehung des photochemischen Smogs beiträgt. Hierdurch kann der bodennahe Ozonanteil erhöht werden. Des weiteren führt NOx zu einer Übersäuerung des Bodens und der Gewässer. Es stellt ferner ein Gesundheitsrisiko insbesondere für Asthma-Kranke dar.
Aus der FR 2 555 711 A sind ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patenanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 5 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung gelangt die Zerstäubungsluft in einen Gaswäscher und wird dort mit erhitztem Wasser gewaschen, das einem Gaswäscher für die Rauchgase entnommen wird. Einzelheiten über die Zuführung des Wassers und das Kontaktieren des Wassers mit der Zerstäubungsluft sind in dieser Veröffentlichung nicht offenbart. Ferner ist nicht offenbart, warum die zugeführte Zerstäubungsluft "gewaschen" wird.
Aus der DE 15 207 C ist es bekannt, der Zerstäubungsluft aus einem Dampfkessel gewonnenen Dampf zuzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines mit flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen befeuerten Kessels zu schaffen, mit dem bzw. mit der sich der NOx-Anteil in den Rauchgasen des Kessels verringern läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanpruchs 1 gelöst.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung gelingt es, die NOx-Emissionen im Rauchgas des Kessels weiter abzusanken. Ferner kann hierdurch der Anteil von weiteren schädlichen Substanzen im Rauchgas reduziert werden. Auch kann der Energieverbrauch zum Betreiben des Kessels gesenkt werden. NOx wird bei hohen Temperaturen (über 1300 °C) gebildet, wobei dessen Anteil mit ansteigenden Temperaturen exponentiell ansteigt. Ferner ist zur Bildung von NOx eine gewisse Zeit und ein Überschuß an Sauerstoff erforderlich. In Abhängigkeit von den tatsächlichen Bedingungen bei der Verbrennung werden unterschiedliche Fraktionen von Stickoxiden gebildet. Durch die zugeführte feuchte Luft werden die hohen Temperaturspitzen ausgeglichen. In bezug auf die gesamte Verbrennungsluft werden ferner die Stickstoffquelle reduziert und der Überschuß an Sauerstoff etwas erniedrigt, da der erzeugte Wasserdampf im Gegensatz zu Luft keinen freien Sauerstoff enthält.
Als bevorzugte Substanz für den Befeuchtungsprozeß findet Wasser oder Wasserdampf Verwendung.
Es ist ein wesentlicher Aspekt der Erfindung, daß die Zerstäubungsluft für den Brennstoff dem Befeuchtungsprozeß unterzogen wird. Hierdurch wird der durch die Befeuchtung erzielte Flüssigkeitsdampfanteil innig mit den Brennstoffteilchen vermischt, so daß die gewünschte Wirkung eintritt. Der zugeführte Flüssigkeitsdampf wird somit direkt dem Verbrennungskern zugeführt, wodurch sich die gewünschten Verbrennungsbedingungen einstellen, die eine Reduzierung der NOx-Gase zur Folge haben.
Das Befeuchtungsmittel (vorzugsweise Wasser) wird zweckmäßigerweise vor dem Kontaktieren der Zerstäubungsluft erhitzt, um die entsprechende Flüssigkeitsdampfbildung zu ermöglichen bzw. zu erleichtern. Es ist dabei lediglich erforderlich, die Flüssigkeit geringfügig zu erhitzen, da durch die Kontaktierung mit der ggf. komprimierten Zerstäubungsluft große Flüssigkeitsmengen verdampft und somit die Eigenschaften der Zerstäubungsluft wesentlich verändert werden können. Es gelingt dabei eine niedrige Temperatur der Zerstäubungsluft, die sich günstig auf die Verbrennung auswirkt, zu erreichen bzw. aufrechtzuerhalten.
Was die Kontaktierung der Flüssigkeit mit der Zerstäubungsluft anbetrifft, so werden die Flüssigkeit und die Zerstäubungsluft über einen Kontaktkörper geführt und auf diese Weise miteinander in Kontakt gebracht. Hierbei wird die Flüssigkeit vor der Baaufschlagung des Kontaktkörpers zerstäubt. Es ergibt sich eine innige Vermischung. Bei dieser Vorgehensweise wird zumindest ein Teil der Flüssigkeit verdampft und mit der Zerstäubungsluft mitgeführt. Der restliche Teil der Flüssigkeit kann gesammelt und dem Flüssigkeitskreislauf erneut zugeführt werden.
Bei der auf diese Weise erfolgenden Verdampfung der Flüssigkeit (des Wassers) in einem Gasgemisch tritt die Verdampfung bei wesentlich niedrigeren Temperaturen auf als im Fall der Anwesenheit einer reinen Flüssigkeit. Durch das Auftreten der Verdampfung bei einer relativ niedrigen Temperatur ist es möglich, den Verdampfungsprozeß mit wenig Energie durchzuführen. Entsprechende Energie zum Vorerhitzen der Flüssigkeit steht in großen Mengen durch die vom Kessel gelieferte Wärme zur Verfügung.
Die Zerstäubungsluft wird zweckmäßigerweise in Gegenstrom mit dem Befeuchtungsmittel kontaktiert. So wird beispielsweise die Zerstäubungsluft von unten nach oben und das Befeuchtungsmittel von oben nach unten geführt. Es ist jedoch auch möglich, beide Medien zum Kontaktieren im Kreuzstrom oder sogar auch im Gleichstrom zu führen. Es sind dadurch alle Richtungen geeignet.
Die Zerstäubungsluft wird zweckmäßigerweise vor dem Befeuchten komprimiert (über einen Kompressor oder ein Gebläse), so daß sie beim Kontakt mit der Flüssigkeit entsprechend erhitzt ist und durch Wärmeaustausch die verdampfung der zugeführten Flüssigkeit ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vollständig selbstregelnd. Die verwendete Flüssigkeit wird durch das Verfahren destilliert. Da der Durchsatz der Zerstäubungsluft nach dem Befeuchtungsprozeß ansteigt, besteht die Möglichkeit, den Energieverbrauch stark zu reduzieren, und zwar mehr als für den Einsatz einer Extrapumpe zur Umwälzung der Flüssigkeit für den Befeuchtungsprozeß benötigt wird. Neben der Reduzierung der NOx-Emissionen und von anderen umweltschädlichen Substanzen im Rauchgas des Kessels läßt sich der Energieverbrauch für das Gebläse bzw. den Kompressor der Zerstäubungsluft reduzieren.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird fener bei einer Vorrichtung der angegebenen Art durch das kennzeichnende Merkmal von Patentanspruch 5 gelöst.
Vorzugsweise ist die Befeuchtungseinrichtung in Zerstäubungsluftströmungsrichtung nach einem Gebläse oder Kompressor für die Zerstäubungsluft angeordnet. Ein derartiges Gebläse bzw. ein derartiger Kompressor wird ohnehin zur Luftzuführung für den Brenner benötigt. Überhaupt kann die erfindungsgemäß vorgesehene Befeuchtungseinrichtung in bestehende Systeme ohne großen Zusatzaufwand eingebaut werden. Hierzu müssen die Befeuchtungseinrichtung und ein Flüssigkeitskreis in das bestehende Leitungssystem integriert werden. Bei der Befeuchtungseinrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen Befeuchtungsturm.
Die Befeuchtungseinrichtung selbst hat insbesondere einen Anschluß für die Zerstäubungsluft, einen Anschluß für das Befeuchtungsmittel und eine Zerstäubungseinrichtung für das Befeuchtungsmittel. Bei Ausbildung der Befeuchtungseinrichzung als Befeuchtungsturm befindet sich der Anschluß für das Befeuchtungsmittel am oberen Turmende, und die Zerstäubungseinrichtung ist im oberen Turmbereich angeordnet. Der Anschluß für die Zerstäubungsluft befindet sich am unteren Turmende. Hierbei findet somit ein Kontakt zwischen Befeuchtungsmittel und Zerstäubungsluft im Gegenstrom statt, wobei die Befeuchtungseinrichtung einen Kontaktkörper enthält, auf den das Befeuchtungsmittel mit Hilfe der Zerstäubungseinrichtung (Düse) zerstäubt wird. Das Befeuchtungsmittel fällt somit in der Form eines Nebels nach unten und wird am Boden des Befeuchtungsturmes gesammelt, von dem es aus dem Kreislauf zum oberen Turmende zurückgeführt wird. Gleichzeitig wird die komprimierte und erhitzte Zerstäubungsluft von unten in den Befeuchtungsturm eingeführt und strömt nach oben, wobei sie mit dem Flüssigkeitsnebel in Kontakt tritt. Der Auslaß für die befeuchtete Zerstäubungsluft befindet sich vorzugsweise ebenfalls am oberen Turmende.
Vorzugsweise besitzt die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Vorerhitzen des Befeuchtungsmittels vor dem Kontakt mit der Zerstäubungsluft. Bei dieser Einrichtung handelt es sich zweckmäßigerweise um einen Wärmetauscher, der vorzugsweise Wärmeenergie vom Kessel der Vorrichtung erhält. Die Flüssigkeit wird mit einer Pumpe in einem Flüssigkeitskreislauf umgewälzt, der die Pumpe, den Wärmetauscher und den Befeuchtungsturm enthält. Wahlweise kann die am unteren Ende des Befeuchtungsturmes gesammelte Flüssigkeit auch abgelassen werden.
Bei der Flüssigkeit selbst handelt es sich vorzugsweise um Wasser. Es können jedoch auch andere Flüssigkeiten bzw. Flüssigkeitsgemische Verwendung finden, mit denen der gleiche oder ein entsprechender Zweck erreicht werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der einzigen Zeichnung im einzelnen erläutert. Die Zeichnung zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung.
Die Darstellung zeigt schematisch einen Kessel 1 mit einem Brenner 2, der über eine Brennstoffleitung 3 mit Brennstoff, beispielsweise Heizöl, versorgt wird. Ferner besitzt der Brenner 2 eine Zerstäubungsluftzuführleitung 4. Die hiermit zugeführte Zerstäubungsluft dient zum Zerstäuben des Brennstoffes zur Ausbildung eines Brennstoff-Luft-Gemisches, das einem Verbrennungsprozeß unterzogen wird.
Die Zerstäubungsluft wird normalerweise über ein bei 9 gezeigtes Gebläse dem Brenner zugeführt. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Zerstäubungsluft vom Gebläse 9 unter Druck und im erhitzten Zustand in einen Sefeuchtungsturm 5 eingeführt. Die Einführung erfolgt dabei am unteren Ende des Turmes. Von einer entsprechenden Leitung 8 wird die Zerstäubungsluft nach oben abgeblasen. Innerhalb des Befeuchtungsturmes 5 befindet sich ein Kontaktkörper 7 aus einem geeigneten Material. In das obere Ende des Turmes mündet eine Flüssigkeitszuführleitung eines bei 10 gezeigten Flüssigkeitskreises. Bei der Flüssigkeit handelt es sich um Wasser. Das Wasser wird über die Pumpe 11 einem Wärmetauscher 12 zugeführt und dort erhitzt. Die Wärmeenergie zum Erhitzen des Wassers kann dabei vom Kessel 1 stammen. Nach dem Passieren des Wärmetauschers 12 gelangt das erhitzte Wasser in den Befeuchtungsturm und wird von dort über eine Zerstäubungseinrichtung 6 (Düse) auf den Kontaktkörper 7 zerstäubt. Der gebildete Wassernebel rinnt entlang dem Kontaktkörper 7 nach unten und trifft dabei auf die aufsteigende Zerstäubungsluft. Dabei entzieht der Wassernebel der Zerstäubungsluft Wärme und verdampft. Die weiter aufsteigende Zerstäubungsluft, die auf diese Weise mit Wasserdampf angereichert wird, verläßt den Befeuchtungsturm 5 am oberen Ende und wird über die erwähnte Zerstäubungsluftzuführleitung 4 dem Brenner zugeführt.
Im Befeuchtungsturm 5 wird das zugeführte Wasser nur teilweise verdampft. Ein größerer Teil sammelt sich im unteren Endbereich des Befeuchtungsturmes 5 an und wird von dort wieder in den Flüssigkeitskreislauf 10 gegeben. Alternativ kann überschüssiges Wasser abgelassen werden, wie bei 13 gezeigt.