DE10051733A1 - Process for the gradual combustion of fuels - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem ein fester Brennstoff mit oftmals heterogenen Eigenschaften, vorzugsweise Abfall oder Biomasse, unter Bedingungen verbrannt wird, die das Entstehen von Stickoxiden verringern bzw. unterdrücken.The present invention relates to a method in which a solid fuel with often heterogeneous properties, preferably waste or biomass, burned under conditions that reduce the formation of nitrogen oxides or suppress.
Stickoxide sind in der Umwelt und insbesondere nach Verbrennungsprozessen ein nicht erwünschtes Produkt. Daher wird üblicherweise ein erheblicher verfahrenstechnischer Aufwand betrieben, um die prozeßintern entstandenen Stickoxide durch eine aufwendige Rauchgasnachbehandlung zu verhindern.Nitrogen oxides are in the environment and especially after Combustion processes an undesirable product. Therefore usually a considerable amount of process engineering operated by the in-process nitrogen oxides to prevent complex flue gas aftertreatment.
Bei der Verbrennung von festen Brennstoffen, insbesondere Abfall oder Biomasse, wird Sauerstoff im Übermaß benötigt, um die entsprechenden Verbrennungsreaktionen herbeizuführen. Im Kontaktbereich zwischen gasförmigem Sauerstoff und dem festen Brennstoff wird üblicherweise eine (über-)stöchiometrische Atmosphäre eingestellt, um den Ausbrand der festen Brennstoffe sicher zu stellen. Durch die angewandte (über-)stöchiometrische Betriebsweise wird oftmals bewirkt, daß teilweise Vorläufersubstanzen von Stickoxiden (HCN, Amine, Oxycyane), die aus dem Brennstoff in der Entgasungs- und Pyrolysezone entstehen, im Nahbereich der Brennkammer zu unerwünschten Stickoxiden (Brennstoff-NOx) aufoxidiert werden. Trotz dieser Verfahrensweise entstehen partiell Zonen mit großem und schnellem Brennstoffumsatz, in denen ein unter- bzw. nahstöchiometrisches Gemisch auftritt. Dort entstehen besonders heiße Zonen, die die Bildung von thermischen oder prompten Stickoxiden begünstigen.When burning solid fuels, especially waste or biomass, oxygen is needed in excess to bring about corresponding combustion reactions. in the Contact area between gaseous oxygen and the solid Fuel usually becomes (over) stoichiometric Atmosphere set to burn out the solid fuel make sure. Due to the applied (over) stoichiometric Operation is often caused to partially Precursors of nitrogen oxides (HCN, amines, oxycyans), the from the fuel in the degassing and pyrolysis zone arise in the vicinity of the combustion chamber to undesirable Nitrogen oxides (fuel NOx) are oxidized. Despite this Procedures partially create zones with large and rapid fuel turnover in which a lower or near-stoichiometric mixture occurs. There arise particularly hot zones that cause the formation of thermal or prompt Favor nitrogen oxides.
Um die Entstehung von Brennstoff-NOx zu vermindern, wurde - vor allem für flüssige, gasförmige und staubförmige Brennstoffe - die Methodik der gestuften Verbrennung eingeführt. Dabei wird durch Luftstufung bzw. gezielte Luftverteilung zwischen Primär-, Sekundär- und ev. Tertiärluft erreicht, daß in einem ersten Verbrennungsabschnitt durch unterstöchiometrische Betriebsweise die Vorläufersubstanzen von Brennstoff-NOx zu N2 reduziert werden (vgl. z. B. US-Patent 5,626,085 oder US-Patent 4,704,084). Der Reaktionsablauf ist dabei sehr vielschichtig und nicht vollständig geklärt.In order to reduce the generation of fuel NOx, the methodology of staged combustion was introduced, especially for liquid, gaseous and dusty fuels. It is achieved by air grading or targeted air distribution between primary, secondary and possibly tertiary air that the precursors of fuel NOx are reduced to N 2 in a first combustion section by means of substoichiometric operation (see, for example, US Pat. No. 5,626,085 or U.S. Patent 4,704,084). The course of the reaction is very complex and not completely clarified.
Durch die in diesem Bereich ebenfalls vorhandene unverbrannte Substanz CO (Produkt der unvollständigen Verbrennung) kann zudem NO zu N2 reduziert werden (vereinfacht: 2CO + 2NO → 2CO2 + N2) Dabei ist aber darauf zu achten, daß die reagierenden Prozeßgase innig vermischt werden, um die Reaktion zu ermöglichen.The unburned substance CO (product of incomplete combustion), which is also present in this area, can also reduce NO to N 2 (simplified: 2CO + 2NO → 2CO 2 + N 2 ). However, care must be taken to ensure that the reacting process gases are mixed intimately to enable the reaction.
Bei der Verbrennung von festen Brennstoffen, insbesondere Abfall, ist dieses Verfahren bisher nicht erfolgreich einsetzbar, da die Nachverbrennung der unverbrannten Bestandteile (z. B. CO, CxUy) erfahrungsgemäß große Schwierigkeiten mit sich bringt. Große Mengen an Unverbranntem werden nicht zur Reaktion gebracht, da zumeist nur eine unzureichende Vermischung mit Sauerstoff geschieht, die Temperatur z. B. durch die Eindüsung von Sekundärluft deutlich abgesenkt wird und somit die Reaktionsgeschwindigkeit zum schnellen Abbau nicht mehr ausreicht.So far, this method has not been successfully used for the combustion of solid fuels, in particular waste, since experience has shown that the afterburning of the unburned constituents (e.g. CO, C x U y ) is very difficult. Large amounts of unburned material are not reacted, since in most cases there is only insufficient mixing with oxygen. B. is significantly reduced by the injection of secondary air and thus the reaction speed is no longer sufficient for rapid degradation.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren für vor allem feste, auch inhomogene Brennstoffe bereitzustellen, bei dem die Bildung von Stickoxiden weitgehend vermieden oder zumindest reduziert wird.The object of the present invention is to provide a method for to provide all solid, also inhomogeneous fuels which largely avoided the formation of nitrogen oxides or is at least reduced.
Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Verfahrens gelöst, das eine Stufung der Luftzugabe zur Erzielung einer erst unter- und dann überstöchiometrischen Reaktionsatmosphäre sowie die anschließende bzw. begleitende Nachbehandlung der Rauchgase mit einem Katalysator umfaßt, der die ablaufenden Reaktionen verbessert und beschleunigt und somit die Bildung inerten Stickstoffs unterstützt.This task is accomplished by providing a procedure solved that a gradation of air addition to achieve a first under and then over stoichiometric reaction atmosphere as well the subsequent or accompanying post-treatment of the flue gases with a catalyst comprising the reactions taking place improved and accelerated and thus inerted the education Supports nitrogen.
Fig. 1 zeigt schematisch die Luftstufung und Katalysatoraufgabe in einem Verbrennungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung an einer beispielhaften Verbrennungsanlage. Fig. 1 shows schematically the air staging and catalyst task in a combustion process according to the present invention of an exemplary combustion system.
Die Erfindung sieht vor, daß einerseits die bisher für flüssige und andere homogene Brennstoffe eingesetzte, gestufte Verbrennung auch für heterogene Brennstoffe wie Abfall oder Biomasse eingesetzt wird, welche zusätzlich zu der Problematik, die durch die Inhomogenität vorgegeben ist, häufig sehr stark mit stickstoffhaltigen Substanzen belastet sind. Dadurch soll die Entstehung von Stickoxid weitgehend vermieden oder völlig unterdrückt werden. Weiterhin soll durch die Zugabe eines geeigneten Katalysators in einen Bereich der Verbrennungsanlage, der in Strömungsrichtung gesehen nicht vor dem Bereich der Verbrennung mit überstöchiometrisch vorhandenem Sauerstoff liegt, erreicht werden, daß einerseits die vorgesehene Luftmenge für die überstöchiometrische Verbrennung von einer ggf. erfolgenden Impulszugabe in der Brennkammer unabhängig ist und andererseits trotzdem genügend Sauerstoff zum Ausbrand der noch unverbrannten Substanzen vorliegt. Der Katalsysator ist dabei in der Lage, nicht-gasförmigen Überschuß-Sauerstoff in Kontaktreaktonen an gasförmige Substanzen abzugeben und sich anschließend auch wieder zu regenerieren.The invention provides that, on the one hand, that previously used for liquid and other homogeneous fuels used, graded Incineration also for heterogeneous fuels such as waste or Biomass is used, which in addition to the problem, which is determined by the inhomogeneity, often very strong are loaded with nitrogenous substances. This is supposed to the formation of nitrogen oxide largely avoided or completely be suppressed. Furthermore, the addition of a suitable catalyst in an area of the incinerator, seen in the direction of flow not in front of the area of Combustion with excess stoichiometric oxygen is achieved that on the one hand the intended amount of air for the superstoichiometric combustion of a possibly pulse addition in the combustion chamber is independent and on the other hand still enough oxygen to burn out the unburned substances. The catalyst analyzer is in able to in non-gaseous excess oxygen To give contact reactons to gaseous substances and themselves then regenerate again.
Durch die Stufung der Luftzugabe wird zunächst erreicht, daß sich im Bereich der Brennkammer der Feststoff nah- bis deutlich unterstöchiometrisch umsetzt (kontrollierte Vergasung durch nah- bzw. unterstöchiometrische Luftzugabe im Primärluftbereich). Dabei wird die Bildung von unkontrollierten Temperaturspitzen im Bereich der Brennkammer unterdrückt. Verfahrensbedingt entstehen dabei größere Mengen an unverbrannten Substanzen (z. B. CO, CxHy, Aromaten usw.). Die Vorläufersubstanzen (z. B. HCN, Amine) der Stickoxide zählen ebenfalls zu diesen Substanzen. Bereits entstandenes NO kann in diesem Bereich bei Kontakt mit CO zu CO2 und N2 abreagieren, da die Sauerstoffaffinität des Kohlenstoffs größer ist als die des Stickstoffs.The gradation of the addition of air ensures that the solid in the combustion chamber converts to near to clearly below stoichiometric (controlled gasification through close or below stoichiometric addition of air in the primary air range). The formation of uncontrolled temperature peaks in the combustion chamber is suppressed. Due to the process, larger amounts of unburned substances (e.g. CO, C x H y , aromatics, etc.) are created. The precursors (e.g. HCN, amines) of nitrogen oxides also belong to these substances. Already formed NO can react in this area on contact with CO to CO 2 and N 2 , since the oxygen affinity of carbon is greater than that of nitrogen.
Im nachfolgenden Bereich (dem Übergang der Brennkammer, in der die festen Bestandteile des Brennstoffs brennen, zum sogenannten Feuerraum oder Freibord, in dem vor allem Gase brennen, und ggf. zusätzlich an einer in Rauchgasströmungsrichtung nachfolgenden Stelle) erfolgt eine Einspeisung von weiterer Verbrennungsluft (Sekundär- und evtl. Tertiärluft), um die unverbrannten Substanzen nachzuverbrennen. Hierdurch wird eine überstöchiometrische Atmosphäre geschaffen. Die restlichen unverbrannten Substanzen werden weitgehend abreagiert. Eine deutliche Reduktion der Entstehung von thermischem und promptem NOX ist die Folge der gestuften Betriebsweise.In the subsequent area (the transition of the combustion chamber in which the solid components of the fuel burn, the so-called Firebox or freeboard, in which gases burn, and possibly additionally on a downstream one in the direction of the flue gas flow Position), further combustion air is fed in (Secondary and possibly tertiary air) to the unburned Afterburning substances. This will create a created a superstoichiometric atmosphere. The remaining unburned substances are largely reacted. A significant reduction in the generation of thermal and prompt NOX is the result of the staged mode of operation.
Um diese Prozesse zu intensivieren bzw. zu optimieren, werden dem Rauchgas zusätzlich Anteile eines als Feststoff vorliegenden Katalysators hinzugefügt, der vorzugsweise feinteilig ist und/oder eine hohe Oberfläche aufweist. Geeignet sind z. B. ferro-oxidische Katalysatoren, z. B. feindisperses Eisenoxid. Die Zugabe kann zusammen mit der Sekundärluft und/oder ggf. zusätzlich eingedüster Tertiärluft erfolgen. Alternativ kann der Katalysator auch auf anderen Wegen, z. B. mit rezirkuliertem Rauchgas oder mit Dampf, eingeblasen werden. Eine Eindüsung in einen anderen, in Strömungsrichtung weiter hinten liegenden Bereich des Feuerraums bzw. des Kessels bei einer niedrigeren Temperatur ist ebenfalls möglich. Der Fachmann wird die geeignete Variante ohne weiteres unter Berücksichtigung nach den gegebenen Prozeßbedingungen auswählen. Wesentlich ist, daß der Katalysator erst nach einer gewissen Minimal-Verweilzeit des Rauchgases in der Brennkammer bzw. im Feuerraum oder Freibord zum Einsatz kommt, um die oben genannten Reaktionen zur Stickstoffmonoxidreduktion nicht zu behindern. Der Katalysator unterstützt die Verbrennung mit im Überschuß vorhandenem Sauerstoff, so daß sich keine unverbrannten Substanzen durch den Kesselbereich bis in die Rauchgasreinigung bewegen können.In order to intensify or optimize these processes the flue gas additionally shares a solid Added catalyst, which is preferably finely divided and / or has a high surface area. Are suitable for. B. ferro-oxide catalysts, e.g. B. finely dispersed iron oxide. The It can be added together with the secondary air and / or if necessary additionally injected tertiary air. Alternatively, the Catalyst also in other ways, e.g. B. with recirculated Flue gas or with steam. An injection in another, further back in the direction of flow Area of the firebox or boiler at a lower one Temperature is also possible. The expert will suitable variant without further ado taking into account the select given process conditions. It is essential that the Catalyst only after a certain minimum dwell time Flue gas in the combustion chamber or in the combustion chamber or freeboard is used to react to the above reactions Do not hinder nitrogen monoxide reduction. The catalyst supports combustion with excess Oxygen, so that no unburned substances through the Can move the boiler area into the flue gas cleaning.
Nach der Brennkammer und dem Feuerraum oder Freibord ist die Menge an Stickoxiden bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens so gering, daß keine weiteren additiven Maßnahmen (z. B. SNCR - selektive nichtkatalytische Reduktion, SCR - selektive katalytische Reduktion) notwendig sind, um die Stickoxide auf ein Maß zu reduzieren, das durch die Genehmigung vorgeschrieben ist. Als weiterer Effekt wird die Neubildung von Dioxinen und Furanen unterdrückt, da die entsprechenden Vorläufersubstanzen für die de-novo-Synthese ebenfalls reduziert werden bzw. die Zersetzung von Dioxinen und Furanen auch in kälteren Regionen des Feuerraums katalytisch ermöglicht wird.After the combustion chamber and the firebox or freeboard is the Amount of nitrogen oxides when using the invention Procedure so low that no further additive measures (e.g. SNCR - selective non-catalytic reduction, SCR - selective catalytic reduction) are necessary in order to Reduce nitrogen oxides to a level that is permitted is prescribed. Another effect is the new formation of Suppressed dioxins and furans as the corresponding Precursors for de novo synthesis also reduced are or the decomposition of dioxins and furans also in colder regions of the firebox is allowed catalytically.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird dem Rauchgas in der Brennkammer zusätzlich ein Impuls aufgeprägt. Dies kann beispielsweise durch die Aufgabe von rezirkuliertem Rauchgas oder gespanntem Wasserdampf oder ähnlichen Medien durch geeignet angeordnete Düsen erfolgen. Derartige Verfahrensschritte sind beispielsweise aus der DE 196 19 764 A1 der Hoechst AG oder der WO 93/07422 der VAW Aluminium AG bekannt. Durch diese Maßnahme wird Turbulenz unabhängig von der Einbringung zusätzlichen Sauerstoffs erzeugt, wodurch unvollständig verbrannte Substanzen wie CO und NO besser miteinander in Kontakt kommen und zu N2 und CO2 abreagieren können. Die Vorläufersubstanzen von Stickoxiden werden in diesem Bereich, der sich durch eine unterstöchiometrische Atmoshäre auszeichnet, ebenfalls in hohem Maße zu N2 reduziert. Trotzdem noch entstehende Stickoxide können wie voranstehend beschrieben zu N2 reduziert werden.In a preferred embodiment of the invention, an impulse is additionally impressed on the flue gas in the combustion chamber. This can be done, for example, by feeding recirculated flue gas or pressurized water vapor or similar media through suitably arranged nozzles. Such method steps are known, for example, from DE 196 19 764 A1 from Hoechst AG or WO 93/07422 from VAW Aluminum AG. This measure creates turbulence regardless of the introduction of additional oxygen, which means that incompletely burned substances such as CO and NO come into better contact with one another and can react to form N 2 and CO 2 . The precursors of nitrogen oxides are also reduced to a high degree to N 2 in this area, which is characterized by a substoichiometric atmosphere. Nitrogen oxides that are still formed can be reduced to N 2 as described above.
Ergänzend kann auch im Übergang von der Brennkammer zum Feuerraum oder Freibord zusätzlicher Vermischungsimpuls in die Brenngase eingebracht werden, beispielsweise durch rezirkuliertes Rauchgas oder Dampf. Auch diese Verfahrensführung ist aus dem Stand der Technik bekannt, siehe z. B. DE 44 02 172 A1.In addition, the transition from the combustion chamber to Firebox or freeboard additional mixing impulse in the Fuel gases are introduced, for example by recirculated flue gas or steam. This procedure too is known from the prior art, see e.g. B. DE 44 02 172 A1.
Die Zugabe von Primärluft kann so gesteuert werden, daß bestimmte Temperaturziele (z. B. Temperatur unterhalb Ascheerweichungspunkt) im oder auf dem Brennbett eingehalten werden. Diese Temperaturziele können durch geeignete Temperaturmeßeinrichtungen überwacht werden, beispielsweise mit Hilfe einer Infrarotkamera. Ergänzend kann die Gasatmosphäre und insbesondere der Sauerstoffgehalt durch geeignete Meßinstrumente überwacht werden. The addition of primary air can be controlled so that certain temperature targets (e.g. temperature below Ash softening point) observed in or on the burning bed become. These temperature goals can be determined by appropriate Temperature measuring devices are monitored, for example with Help of an infrared camera. In addition, the gas atmosphere and especially the oxygen content using suitable measuring instruments be monitored.
Alternativ ist es möglich, den Katalysator auch erst im weiteren Verlauf des Feuerraums bzw. des Kessels dem Rauchgas hinzuzufügen. Der Fachmann wird die geeignete Variante ohne weiteres unter Berücksichtigung nach den gegebenen Prozeßbedingungen auswählen.Alternatively, it is also possible to add the catalyst later Course of the combustion chamber or the boiler the flue gas add. The person skilled in the art will find the suitable variant without further taking into account the given Select process conditions.
Nachstehend soll die Erfindung anhand eines Beispiels und der beigefügten Fig. 1 näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an example and the accompanying FIG. 1.
Es wird ein Verbrennungsprozeß dargestellt, bei dem ein Brennstoff wie Müll 1 aufgegeben wird. Durch einen Aufgabeschieber 2 wird der Brennstoff in die Brennkammer 3 geschoben. Dort wird der Brennstoff unter Zuführung von primärer Verbrennungsluft 4 unterstöchiometrisch verbrannt bzw. vergast. Eine Temperaturüberwachung und die Steuerung der Luftverteilung erfolgt unter Zuhilfenahmen einer Infrarotkamera 5 z. B. an der Rückwand der Brennkammer. Die aus dem Feststoffbett aufsteigenden Vergasungsprodukte können durch die gezielte Zugabe von rezirkuliertem Rauchgas 6 oder dgl. innig vermischt werden. Nach der Vermischung erfolgt im Übergang von Brennkammer zum Feuerraum 7 eine Eindüsung von weiterer Verbrennungsluft (Sekundärluft 8 bzw. Tertiärluft 9). Hier wird die Nachverbrennung der unverbrannten Substanzen aus der Brennkammer erreicht. Durch eine zusätzliche Dotierung der Sekundär- oder Tertiärluft mit einem feinteiligen Katalysator bei 8 und/oder bei 9 wird im nachfolgenden Feuerraum 7 ein sehr guter Ausbrand erzielt. Alternativ oder zusätzlich kann der Katalysator auch erst im weiteren Verlauf des Feuerraums bzw. des Kessels 10 dem Rauchgas hinzugefügt werden, wenn die Prozeßbedingungen dies vorteilhaft erscheinen lassen.A combustion process is shown in which a fuel such as garbage 1 is added. The fuel is pushed into the combustion chamber 3 by a feed slide 2 . There, the fuel is combusted or gasified under supply of primary combustion air 4 . Temperature monitoring and control of the air distribution takes place with the aid of an infrared camera 5 z. B. on the rear wall of the combustion chamber. The gasification products rising from the solid bed can be intimately mixed by the targeted addition of recirculated flue gas 6 or the like. After mixing, additional combustion air (secondary air 8 or tertiary air 9 ) is injected in the transition from the combustion chamber to the combustion chamber 7 . Here the afterburning of the unburned substances from the combustion chamber is achieved. An additional doping of the secondary or tertiary air with a finely divided catalyst at 8 and / or at 9 results in a very good burnout in the subsequent combustion chamber 7 . Alternatively or additionally, the catalyst can also be added to the flue gas only in the further course of the combustion chamber or the boiler 10 if the process conditions make this appear advantageous.
Claims (10)
- a) Verbrennung, Teilverbrennung bzw. Vergasung der festen Brennstoffe in der Brennkammer unter unterstöchiometrischer Sauerstoffatmosphäre,
- b) Zuführung zusätzlichen Sauerstoffs in den Brennraum im Übergangsbereich von Brennkammer zu Feuerraum oder Freibord in einer überstöchiometrischen Menge,
- c) Zugabe eines Katalysators zur Verbesserung bzw. Beschleunigung der ablaufenden Reaktionen in dem Bereich, in dem auch die überstöchiometrische Sauerstoffmenge zugeführt wird, oder in einem nachfolgenden Bereich.
- a) combustion, partial combustion or gasification of the solid fuels in the combustion chamber under a substoichiometric oxygen atmosphere,
- b) supplying additional oxygen to the combustion chamber in the transition area from combustion chamber to combustion chamber or freeboard in a stoichiometric amount,
- c) adding a catalyst to improve or accelerate the reactions taking place in the area in which the superstoichiometric amount of oxygen is also supplied or in a subsequent area.
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