DE102015104401A1

DE102015104401A1 - Verfahren zur Verminderung von NOx-Emissionen bei der Verbrennung von staubförmigem Brennstoff

Info

Publication number: DE102015104401A1
Application number: DE201510104401
Authority: DE
Inventors: Christian Bergins; Malgorzata Stein-Brzozowska; Martin Ehmann; Alfons Leisse; Michalis Agraniotis
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH
Current assignee: Mitsubishi Power Europe GmbH
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2015-05-07
Also published as: WO2016151048A1

Abstract

Zur Ermöglichung einer weiteren Absenkung der bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff entstehenden NOx-Emissionen bei einem Verfahren zur Verbrennung kohlenstoffhaltigen Brennstoffs mittels eines Kraftwerksbrenners (4) eines Dampferzeugers unter gestufter Zuführung eines sauerstoffhaltigen Oxidationsmittels und unter Erzeugung eines Plasmas im brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung mittels einer Plasmaerzeugungsvorrichtung (2), insbesondere während des dauerhaften Feuerungsbetriebes des Kraftwerksbrenners (4) wird vorgeschlagen, dass dem Brennstoffstrom in dem brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung und/oder dem Bereich einer stabilen Brennerflamme unter den Bedingungen der Brennstoffpyrolyse und/oder der Brennstoffverbrennung hochreaktive Radikale zugeführt werden, die mittels der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) in diesem Bereich oder diesen Bereichen des Kraftwerkbrenners (4) durch Zuführung eines diese Radikale bildenden Arbeitsgases (3) oder Zusatzgases in den Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) erzeugt werden, wobei der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) ein oxidativ auf den Brennstoff wirkendes Arbeitsgas (3) und/oder Zusatzgas, insbesondere Luft und/oder Wasserdampf und/oder Sauerstoff und/oder zirkuliertes Rauchgas und/oder CO2, und/oder ein reduktiv auf den Brennstoff wirkendes Arbeitsgas (3) und/oder Zusatzgas, insbesondere CH4 und/oder Koksofengas und/oder Gichtgas und/oder mindestens ein weiteres CO-haltiges Gas, zugeführt und in den Plasmazustand überführt wird/werden.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Verbrennung kohlenstoffhaltigen Brennstoffs mittels eines Kraftwerksbrenners eines Dampferzeugers unter gestufter Zuführung eines sauerstoffhaltigen Oxidationsmittels und unter Erzeugung eines Plasmas im brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung mittels einer Plasmaerzeugungsvorrichtung, insbesondere während des dauerhaften Feuerungsbetriebes des Kraftwerksbrenners.
In Kraftwerksbrennern von Dampferzeugern werden flüssige, gasförmige oder feste, staubförmige Brennstoffe verbrannt. Die jeweilige Verbrennung und Flammenbildung verläuft nicht immer stabil, wodurch sich Schwankungen in den Emissionswerten ergeben. Es besteht daher Interesse an Verfahren zur Verbesserung der Flammen- und Verbrennungsstabilität bei solchen Kraftwerksbrennern. Insbesondere gilt dies für sogenannte Drallbrenner, wie den DS^®-Brenner der Anmelderin, sowie Rund- und Strahlbrenner.
Bei Staubfeuerungen kommen in Kraftwerksbrennern Brennstoffe wie Steinkohle, Braunkohle oder Biomasse, aber auch Ersatzbrennstoffen und Klärschlamm sowie Mischungen aus all diesen erwähnten Brennstoffen in Dampferzeugern von Kraftwerken zum Einsatz.
Bei der Verbrennung dieser Brennstoffe in einer Staubfeuerung entstehende Stickoxide lassen sich auf verschiedene Weise reduzieren. Zum einen gibt es verschiedene Möglichkeiten der Rauchgasentstickung über selektive katalytische und nichtkatalytische Verfahren. Zum anderen besteht die Möglichkeit den Verbrennungsprozess so zu gestalten, dass geringe NO_x-Emissionen auftreten.
Eine Möglichkeit Stickoxidemissionen über die Gestaltung des Verbrennungsprozesses zu vermindern besteht darin, die Verbrennungsluft im Feuerraum stufenweise zur Verfügung zu stellen. Hierdurch wird in Teilen des Feuerraums eine reduzierende Atmosphäre geschaffen. Auf diese Weise wird unter anderem der Zeldovich-Mechanismus (thermische NO_x-Bildung), also die Oxidation des in der Verbrennungsluft dem üblichen Oxidationsmittel bei der Verbrennung – vorhandenen Stickstoffs bei hohen Temperaturen, erschwert.
Darüber hinaus bilden sich Stickoxide aus dem im Brennstoff organisch gebundenen Stickstoff. Diese Form der NO_x-Entstehung ist insbesondere bei festen Brennstoffen relevant, da beispielsweise Erdgas keinen organisch gebundenen Stickstoff enthält. Feste Brennstoffe enthalten flüchtige Bestandteile, die durch Wärme freigesetzt werden können. Diese flüchtigen Bestandteile können Wasserdampf, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und aliphatische sowie aromatische Kohlenwasserstoffe sein. Dieser Vorgang wird Pyrolyse genannt. Der Pyrolysevorgang ist für die Zündung von festen, staubförmigen Brennstoffen von entscheidender Bedeutung, da zunächst die durch Wärme freigesetzten, flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs verbrennen, d.h. unter Energieabgabe oxidiert werden. Der Pyrolyse- und Zündprozess der flüchtigen Bestandteile stellt somit den Beginn des Verbrennungsprozesses dar. Während der fortschreitenden Verbrennung der aus dem Brennstoff ausgasenden flüchtigen Bestandteile, beginnt auch die Verbrennung des im Brennstoff fix enthaltenen Kohlenstoffs. Bei vollständig entgasten Brennstoffteilchen spricht man auch von Koks oder Restkoks. Die Koksverbrennung schließt sich in der Regel der Verbrennung der flüchtigen Bestandteile an, findet aber auch bereits parallel dazu statt. Nach der Freisetzung der im Brennstoff enthaltenen flüchtigen Bestandteile zerbricht jedes Kokspartikel bei der Verbrennung in eine Anzahl feiner und grober Aschepartikel, die entweder mit dem Rauchgas aus dem Feuerraum transportiert werden oder sich am Boden bzw. auf der Oberfläche des Feuerraums und seiner Einbauten ablagern. Der organisch gebundene Stickstoff fester Brennstoffe verteilt sich sowohl auf die flüchtigen Bestandteile als auch auf den fixen Kohlenstoff (Koks). Die Verteilung des Stickstoffs auf Flüchtige und fixen Kohlenstoff ist abhängig vom Brennstoff und kann ungleichmäßig sein.
Die Bildung von NO aus im Brennstoff gebundenem Stickstoff ist nicht vollständig geklärt. Es gibt jedoch vereinfachte Modelle, die auch eine mathematische Beschreibung der NO-Bildung bzw. -reduktion erlauben. Hierbei wird zwischen dem Stickstoff der flüchtigen Bestandteile und dem im Koks gebundenen Stickstoff unterschieden.
Als wichtigste NO-Präkursoren werden Ammoniak (NH₃) und Cyanwasserstoff (HCN) angesehen. Smoot und Smith nehmen an, dass der gesamte im Koks gebundene Stickstoff zunächst zu HCN oder NH₃ und anschließend teilweise zu NO umgesetzt wird, wie dies der nachstehend dargestellt ist.
Lockwood und Romo-Millanes gehen davon aus, dass der im Koks gebundene Stickstoff direkt zu NO umgesetzt wird, wie dies nachstehend dargestellt ist.
Die Bildung von HCN bzw. NH₃ aus dem in den flüchtigen Bestandteilen vorhandenen Stickstoff ist abhängig von der Pyrolyserate der flüchtigen Bestandteile und damit von allen Größen, von denen die Pyrolyserate abhängig ist (Aufheizrate, Temperatur).
Die NO-Präkursoren werden mit Hilfe von reaktiven Sauerstoffspezies (Sauerstoff- und OH-Radikale) sehr schnell zu NO umgesetzt. Die Reduktion von NO zu molekularem Stickstoff mit Hilfe der NO-Präkursoren verläuft gemäß nachstehend dargestelltem Mechanismus im Vergleich langsamer ab.
Es ist bekannt, dass bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit niedrigem Inkohlungsgrad (Biomassen, Torf, Braunkohle) anhand der oben genannten Modelle mehr NH₃ als HCN entsteht während bei Brennstoffen mit hohem Inkohlungsgrad der Anteil an sich bildendem HCN deutlich höher ist als der des NH₃. Gebildetes NO wird zudem an der Oberfläche des Kokses auch wieder zu Stickstoff reduziert.
Dieses Verständnis der NO-Bildungsmechanismen hat zur Entwicklung von Kohlenstaubbrennern für niedrige NO_x-Emissionen (sog. Low-NO_x-Brenner) geführt. Diese Brenner verfügen im Wesentlichen über eine Luftstufung der am Brenner aufgegebenen Verbrennungsluft, wobei der für die Verbrennung verfügbare Sauerstoff während der Pyrolysephase niedrig gehalten wird.
Ein weiteres wesentliches Merkmal solcher Brenner besteht darin, dass die Pyrolyse des Brennstoffs bei möglichst hohen Aufheizraten und Temperaturen durchgeführt wird. Die Pyrolyse wird derart beschleunigt, dass möglichst viele flüchtige Bestandteile inklusive des in ihnen gebundenen Stickstoffs möglichst schnell aus dem Brennstoff austreten. Durch diese erhöhte Stickstofffreisetzung gemeinsam mit der Freisetzung flüchtiger Bestandteile wird zunächst eine hohe NO-Bildung begünstigt (hohe NO-Primärbildungsrate). Dies ermöglicht anschließend die Ausnutzung der (langsameren) Reduktionsmechanismen mit HCN und NH₃, so dass das gebildete NO wieder zu N₂ umgesetzt wird. Die Pyrolyse wird daher bevorzugt bei hohen Temperaturen und niedrigem Sauerstoffgehalt durchgeführt. Moderne Low-NO_x-Brenner erlauben auch den Einsatz von niederflüchtigen Kohlen mit hohem Inkohlungsgrad, da durch geeignete konstruktive Maßnahmen auch bei diesen Brennstoffen eine schnelle Pyrolyse erreicht werden kann.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der EP 2 172 706 A2 und der EP 1 371 905 B1 , ist zudem die Vorvergasung des Brennstoffs mittels eines im Brenner angeordneten Plasmaerzeugers bekannt, was insbesondere bei schwierigen Brennstoffen mit niedrigem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen) Anwendung findet. Hierbei wird der Brennstoff mit Hilfe eines Plasmas vor Austritt aus der Brennstoffkanalmündung pyrolysiert und entzündet. Dadurch wird auch bei schwierigen Brennstoffen eine stabile Zündung des Brennstoffs mit relativ niedrigen NO_x-Emissionen sowie einem relativ niedrigen Gehalt an unverbrannten Bestandteilen in der Asche erreicht.
Der Einsatz von außerhalb des Brennstoffkanals angeordneten Plasmaerzeugern bei Kraftwerksbrennern zur Zündung des Brennstoffes, wobei der Brennstoff außerhalb der Brennstoffkanalmündung mit dem Plasma in Kontakt kommt, ist aus der DE 10 2011 056 655 B4 bekannt. Dies geschieht, um die initiale Entzündung des festen Brennstoffs ohne den Einsatz von teuren gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen durchführen zu können und damit eine Flexibilisierung von Staubfeuerungen zu erreichen. Ein Kohlenstaubbrenner mit Plasmazündeinrichtung ist auch aus der JP 2012 112549 A bekannt.
Ein gattungsgemäßes Verfahren offenbart die WO 92/01194 A1 , wobei dieses Verfahren für die Verbrennung gasförmiger, flüssiger und fester Brennstoffe geeignet ist. Mittels einer in einem Brennstoffförderrohr ausgebildeten Plasmaflamme werden bei einer gestuft durchgeführten Verbrennung verminderte NO_x-Emissionen erreicht.
Hierbei wird den eine Plasmaflamme erzeugenden Elektroden einer Plasmaerzeugungseinrichtung Luft oder Stickstoff als die Plasmaflamme ausbildendes Arbeitsgas zugeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die eine weitere Absenkung der bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff entstehenden NO_x-Emissionen ermöglicht.
Bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Brennstoffstrom in dem brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung und/oder dem Bereich einer stabilen Brennerflamme unter den Bedingungen der Brennstoffpyrolyse und/oder der Brennstoffverbrennung hochreaktive Radikale zugeführt werden, die mittels der Plasmaerzeugungsvorrichtung in diesem Bereich oder diesen Bereichen des Kraftwerkbrenners durch Zuführung eines diese Radikale bildenden Arbeitsgases oder Zusatzgases in den Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung erzeugt werden, wobei der Plasmaerzeugungsvorrichtung ein oxidativ auf den Brennstoff wirkendes Arbeitsgas und/oder Zusatzgas, insbesondere Luft und/oder Wasserdampf und/oder Sauerstoff und/oder zirkuliertes Rauchgas und/oder CO₂, und/oder ein reduktiv auf den Brennstoff wirkendes Arbeitsgas und/oder Zusatzgas, insbesondere CH₄ und/oder Koksofengas und/oder Gichtgas und/oder mindestens ein weiteres CO-haltiges Gas, zugeführt und in den Plasmazustand überführt wird/werden.
Aufgrund der Einbringung von in dem Plasma entstehenden Radikalen, Ionen und freien Elektronen in den Bereich der sich bei der Verbrennung des jeweiligen Brennstoffs in dem jeweiligen Brenner ausbildenden Hauptverbrennungszone, die durch den Bereich einer stabilen Brennerflamme gekennzeichnet ist, und/ oder in den sich ausbildenden Bereich der Pyrolysezone und/oder in den sich ausbildenden Bereich der Brennstoffzündung werden die bei diesen Prozessen ablaufenden Reaktionsvorgänge beschleunigt und effizienter gestaltet, was zu einer weiteren Minderung der Emissionen führt. Insbesondere wird dadurch die Verbrennung in Drallbrennern, Rundbrennern und Strahlbrennern verbessert.
Durch gezielte Auswahl und/oder Mischung der verschiedenen erfindungsgemäßen Bestandteile des Arbeitsgases oder Zusatzgases lassen sich die jeweiligen Verbrennungsreaktionen und/oder Pyrolyseprozesse sowohl lastabhängig als auch brennstoffabhängig gezielt durch die Erzeugung und Zugabe notwendiger oder förderlicher Radikale oder Ionen verbessern. Hierdurch werden die entstehenden Emissionen vermindert. Es werden eine verbesserte Verbrennungseffizienz und ein verbessertes Ausbrandergebnis erhalten. Außerdem zeigt sich eine Flammenstabilisierung auch bei ungünstigen Bedingungen wie Teillast, einer niedrige Stöchiometrie, einem hohen Wassergehalte wie z.B. bei Braunkohle, einer niedrigen Brennstoffkonzentration (untere Zündgrenze) oder einem niedrigen Anteil an flüchtigen Bestandteilen wie z.B. bei Anthrazit. Als weiterer Vorteil sind einen NO_x- und eine CO- Minderung und daraus resultierend verbesserte Emissionswerte festzustellen. Zudem kann die im Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungseinrichtung erzeugte Plasmaflamme als Starteinrichtung für die Brenner der Hauptfeuerung eingesetzt werden. Die Plasmaerzeugungseinrichtung und insbesondere deren Plasmaerzeugungsbereich werden vorteilhafterweise in der Nähe der Brennstoffdüse des Kraftwerksbrenners, wo der Brennstoff konzentriert vorliegt und die Aufheizung/Pyrolyse eingeleitet und durchgeführt wird, zur Pyrolyseunterstützung in der Art angebracht, dass die dort ablaufenden physikalischen und/oder chemischen Reaktionen, d.h. insbesondere der Pyrolyseprozess, durch im Plasma entstehende Elektronen und Spezies unterstützt wird/werden. Insbesondere sind die Plasmaerzeugungseinrichtung und deren Plasmaerzeugungsbereich im Bereich der eigentlichen Zündregion und im Abbrandbereich der bei der Pyrolyse entstehenden Flüchtigen angeordnet und ausgebildet, um die NO_x-Minderungsmechanismen in Strömungsrichtung des Brennstoffes ab da zu unterstützen und gleichzeitig den Zündort der Flüchtigen auch bei schlechten Bedingungen besser zu definieren, was aufgrund der durch das Plasma bereitgestellten zusätzlichen Reaktivität möglich ist.
In Ausgestaltung zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass dem Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder der Brennstoffverbrennung an der NO-Bildung beteiligte hochreaktive Radikale zugeführt werden, die durch Zuführung eines diese Radikale bildenden und Wasserdampf und/oder, insbesondere technisch, reinen Sauerstoff enthaltenden Arbeitsgases oder Zusatzgases in den Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung und die Überführung des jeweiligen Gases in den Plasmazustand erzeugt werden. Durch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus dem in den Plasmazustand überführten Wasserdampf und/oder Sauerstoff die hochreaktiven H-, OH- und/oder O- Radikale gebildet, die die NO- Bildung und Bildungsrate erhöhen, was insbesondere bei Pyrolysevorgängen bei der Verbrennung von staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff von Einfluss ist. In diesem Fall wird darauf abgezielt, Plasmaerzeuger so einzusetzen, dass die NO_x-Bildungsmechanismen derart beeinflusst werden, dass insbesondere auch die bereits niedrigen NO_x-Emissionen eines Low-NO_x-Brenners noch weiter gesenkt werden. Dabei kann ein Plasma mit niedriger thermischer Energie (Niedertemperaturplasma) zum Einsatz kommen, um den Energieverbrauch möglichst gering zu halten.
Hierbei macht sich die Erfindung zu Nutze, dass gemäß dem Modell von Miller und Fisk NO aus HCN hauptsächlich gemäß folgendem Reaktionsweg gebildet wird: HCN + O <--> NCO + H NCO + H <--> NH + CO NH + H <--> N + H₂
Aus dem atomaren Stickstoff wird NO gebildet: N + OH <--> NO + H N + O₂ <--> NO + O
Die Entstehung der stabilen Dreifachbindung zwischen zwei Stickstoffatomen aus dem im Brennstoff gebundenen Stickstoff erfolgt anhand der Reaktion zweier Stickstoff-Spezies, z.B. gemäß: NO + N <--> N₂ + O NH + N <--> N₂ + H NO + NH <--> N₂O + H NO + NH₂ <--> N₂ + H₂O NO + NH₂ <--> N₂ + H + OH NO + NH₂ <--> N₂O + H₂
Für die Bildung von stabilen Stickstoffverbindungen (mit Dreifachbindung) müssen also zunächst Stickstoffverbindungen wie NO vorliegen, damit diese gegenüber der Bildung von NO-Präkursoren (HCN, NH_i) aus dem Brennstoffstickstoff langsam verlaufenden Reaktionen stattfinden können.
Durch die schnelle Pyrolyse bei dem Verbrennungsvorgang von staubförmigem Brennstoff in beispielsweise Low-NO_x-Brennern oder bei Plasmabrennern entsteht eine hohe NO-Primärbildungsrate über die Reaktion von NO-Präkursoren (hauptsächlich HCN) mit O-, H- und OH-Radikalen. Diese NO-Primärbildungsrate wird nun über eine schnelle Pyrolyse hinausgehend dadurch erhöht, dass mittels des Plasma zusätzlich gezielt an der NO-Entstehung beteiligte hochreaktive Radikale mit Hilfe eines Plasmaerzeugers in den Verbrennungsprozess eingebracht werden, indem dem mindestens einen vorhandenen Plasmaerzeuger oder mindestens einem der am oder im Kraftwerksbrenner vorhandenen Plasmaerzeuger insbesondere Wasserdampf oder ein wasserdampfhaltiges Gas und/oder, vorzugsweise technisch reiner, Sauerstoff als Arbeitsgas und/oder Zusatzgas zugeführt und in den Plasmazustand überführt wird, wobei sich dann je nach eingesetztem Gas oder eingesetzter Gasmischung O-, OH- und/oder H-Radikale bilden., die die NO-Bildung fördern und unterstützen.
Mit Arbeitsgas wird im Rahmen dieser Beschreibung das beispielsweise dem Plasmaerzeugungsbereich, beispielsweise einem Lichtbogen, eines Plasmaerzeugers zugeführte Gas bezeichnet, das dann im Plasmazustand die Plasmaflamme ausbildet. Mit Zusatzgas wird ein Gas bezeichnet, dass zusätzlich zu einem eingesetzten Arbeitsgas zugeführt wird. Beispielsweise kann Luft als Arbeitsgas Verwendung finden, wobei dann Wasserdampf und/oder Sauerstoff zusätzlich als Zusatzgas z.B. dem Lichtbogen eines Plasmaerzeugers zugeführt wird/werden.
In einem Plasma liegen je nach Zusammensetzung des zugeführten (Arbeits)Gases bei einem Verbrennungsprozess hochreaktive Radikale vor. Wird Wasserdampf als Gas in den Plasmazustand gebracht, entstehen die an der NO-Primärbildung beteiligten Wasserstoff- und Hydroxyl-Radikale. Wird Sauerstoff als in den Plasmazustand zu versetzendes Gas eingesetzt, entstehen Sauerstoff-Radikale. Ein weiterer Vorteil bei der Nutzung von Wasserdampf oder Sauerstoff als Gase für die Plasmaerzeugung besteht darin, dass im Gegensatz zur Nutzung von Luft verhindert wird, dass aufgrund der auch in einem Niedertemperatur-Plasma vorherrschenden hohen Temperaturen zusätzlich NO gebildet wird. Das gebildete NO steht dann für die oben gezeigten Reaktionen zur Bildung von dreifachgebundenem, molekularem Stickstoff zur Verfügung.
Da, insbesondere feste, Brennstoffe mit Hilfe eines Plasmas auch gezündet werden können, da dieses die Pyrolyse des festen Brennstoffes unterstützt und die damit verbundene Freisetzung flüchtiger Bestandteile beschleunigt, wird durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines oder mehrerer Plasmaerzeuger auch das Prinzip der Low-NOx-Verbrennung in entsprechend ausgestalteten Brennern mit gestufter Verbrennungsluftzuführung zusätzlich unterstützt. Bei derartigen Brennern handelt es sich um Rundbrenner oder Strahlbrenner, bei welchen in einem Primärluftrohr Kohlenstaub beispielsweise mit Luft als Trägermedium zur Mündung des Primärrohres gefördert und dort dann mit ggf. außerhalb zugeführter Sekundär- und ggf. Tertiärluft verbrannt wird. Eine gestufte Verbrennung kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aber auch bei der Verbrennung von gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff in einem Drallbrenner oder Rundbrenner oder Strahlbrenner durchgeführt werden.
Da ein besonders vorteilhafter Effekt erreicht wird, wenn sowohl Wasserdampf als auch Sauerstoff in den Plasmazustand überführt werden, sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, dass dem Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung ein ausschließlich Wasserdampf und/oder, insbesondere technisch, reinen Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch als Arbeitsgas oder Zusatzgas zugeführt wird.
Um den durch die Erfindung bewirkten Effekt der verbesserten, d. h. verminderten, NO_x-Bildung nicht ausschließlich bei der Zündung des Brennstoffs sondern während des gesamten Feuerungsbetriebes des Kraftwerksbrenners aufrecht zu erhalten, zeichnet sich die Erfindung in Weiterbildung dadurch aus, dass die Plasmaerzeugungsvorrichtung während des Feuerungsbetriebes des Kraftwerksbrenners dauerhaft in Betrieb gehalten wird.
Um insbesondere bei festen, staubförmigen Brennstoffen die vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausnutzen zu können, sollte der Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung vorteilhafterweise so angeordnet und ausgebildet sein, dass damit Einfluss auf die Pyrolysezone oder den brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse genommen werden kann. Die Erfindung sieht daher in Weiterbildung vor, dass das Arbeitsgas und/oder Zusatzgas im Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung eine Plasmaflamme erzeugenden und im Mündungsbereich einer Brennstoffdüse, welcher von der Brennerinnenseite ein Brennstoffstrom zugeführt wird, angeordneten Elektroden zugeführt wird. Hierbei ist es dann besonders zweckmäßig, wenn das Arbeitsgas und/oder Zusatzgas eine Plasmaflamme erzeugenden und brennerinnenseitig am Mündungsende eines Brennstoffförderrohres und/oder innenseitig an der Brennstoffdüse in deren die Mündung ausbildenden oder umfassenden Endbereich und/oder außenseitig an der Brennstoffdüse in deren die Mündung ausbildenden oder umfassenden Endbereich angeordneten Elektroden der Plasmaerzeugungsvorrichtung zugeführt wird.
Hierbei können auch mehrere Elektroden oder Elektrodenpaare an verschiedenen der aufgeführten Positionen angeordnet sein. Bei einem Drallbrenner bieten sich als mögliche Positionen für die Anordnung von Elektroden und die damit einhergehende Positionierung der Plasmaflamme die Anordnung brennerinnenseitig innerhalb eines Brennerrohres, aber außerhalb der Kernluftzufuhr und/oder die Anordnung brenneraußenseitig außen auf oder an der Brennstoffdüse im Bereich der bei einer gestuften Verbrennung dort zugeführten Sekundärluft und/oder die Anordnung brennerinnenseitig an der Brennstoffdüse an.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich in weiterer Ausgestaltung auch dadurch aus, dass dem Kraftwerksbrenner ein staubförmiger Brennstoffstrom zugeführt und in diesem pyrolysiert wird oder ein gasförmiger Brennstoff oder ein flüssiger Brennstoff oder Mischungen aus diesen Brennstoffen zugeführt wird/werden. Bei flüssigem Brennstoff kann es sich beispielsweise um Heizöl handeln. Gasförmige Brennstoffe sind beispielsweise CO- oder CH₄-reiche Gas, wie Koksofengas, Hochofengas oder Deponiegas. Als feste staubförmige Brennstoffe können beispielsweise Steinkohle (SK), Braunkohle (BK), Trockenbraunkohle (TBK), Biomasse (BM), torrefizierte Biomasse, Sekundärbrennstoffe – sogenannte RDF – Refuse Derived Fuels – oder Klärschlamm oder Mischungen aus diesen Brennstoffen Verwendung finden.
Da das erfindungsgemäße Verfahren in Drallbrennern, Rundbrennern und Strahlbrennern besonders gut und effektiv zur Anwendung gebracht werden kann, sieht die Erfindung weiterhin vor, dass die die Verbrennungsstabilität und die Flammenstabilität unterstützenden hochreaktiven Radikale in einem Drallbrenner und/oder einem Rundbrenner und/oder einem Strahlbrenner mittels der Plasmaerzeugungsvorrichtung erzeugt und dem Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung und/oder dem Bereich einer stabilen Brennerflamme des jeweiligen Kraftwerkbrenners zugeführt werden.
Da das erfindungsgemäße Verfahren in Low-NO_x-Brennern, die sich durch eine gestufte Zuführung von Oxidationsmittel und Verbrennung auszeichnen, besonders vorteilhaft Anwendung finden kann, sieht die Erfindung weiterhin vor, dass der Brennstoffstrom mittels des Kraftwerkbrenners unter gestufter Oxidationsmittelzuführung, insbesondere Luftzuführung, verbrannt wird.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das Plasma durch die Plasmaerzeugungseinrichtung elektrisch mittels eines Lichtbogens erzeugt wird, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
Unter Energiegesichtspunkten lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise insbesondere bei einem Niedertemperaturplasma realisieren. Die Erfindung zeichnet sich daher schließlich auch dadurch aus, dass von der Plasmaerzeugungsvorrichtung ein Niedertemperaturplasma erzeugt wird.
Die Erfindung ist nachstehend anhand eine Zeichnung beispielhaft näher erläutert.
Diese zeigt in
1 schematisch die erfindungsgemäße Unterstützung der NO-Primärbildung und in
2–5 in schematischer Darstellung mögliche Positionierungen der Elektroden einer Plasmaerzeugungseinrichtung und die jeweilige Ausrichtung der dadurch erzeugten Plasmaflamme.
Schematisch ist anhand der 1 dargestellt, wie aus den bei der Pyrolyse von Kohlenstaub entstehenden Flüchtigen gebildete Stickstoffverbindungen NH₃ und HCN im von einem Lichtbogen oder einer Plasmaflamme 1 gebildeten Plasmaerzeugungsbereich einer Plasmaerzeugungsvorrichtung 2 mittels dem Lichtbogen oder der Plasmaflamme 1 als Arbeitsgas 3 oder Zusatzgas zugeführtem Wasserdampf H₂O und Sauerstoff O₂ im Plasmazustand aus diesem Arbeitsgas 3 oder Zusatzgas gebildete O-, H- und OH-Radikale im Rahmen einer beschleunigten NO-Primärbildung zu NO umgesetzt werden. Dieses Stickstoffoxid NO wird dann nachfolgend wie üblich reduziert.
Die 2–5 zeigen in einer schematischen Schnittansicht einen als Rundbrenner ausgebildeten Kraftwerksbrenner 4, der als Low-NOx-Brenner ausgeführt ist und eine gestufte Verbrennung von Brennstoff ermöglicht. Zentral weist der Kraftwerksbrenner 4 ein Kernluftrohr 5 auf. Dieses ist konzentrisch von einem Primärluftrohr 6 oder Brennstoffförderrohr umgeben. In dessen Förderquerschnitt 7 wird ein Kohlenstaubbrennstoffstrom als Brennstoff mittels Luft als Traggas gefördert. In seinem Mündungsbereich ist das Primärluftrohr 6 in Form einer Brennstoffdüse 8 ausgebildet, die mit einen radial nach innen weisenden Stabilisierungsring 9 die Mündungsöffnung des Primärluftrohres 6 ausbildet. Konzentrisch ist das Primärluftrohr 6 von einem Sekundärluftrohr 10 umgeben, mittels welchem in bekannter Art und Weise Sekundärluft in den aus der Mündung des Primärluftrohres 6 (Stabilisierungsring 9) austretenden Massenstrom bzw. die hier nach der Zündung des Brennstoffs bereits gebildete Flamme eingebracht wird. Zur Zuführung von Tertiärluft ist schließlich noch ein konzentrisch zu den Rohren 6 und 10 angeordnetes Tertiärluftrohr 11 vorhanden. Der Rundbrenner 4 ist in die Wand 12 des Feuerraums 13 eines Dampferzeugers eines Großkraftwerks eingelassen.
In den 2–5 sind verschiedene Positionen für die Ausbildung einer jeweiligen Plasmaflamme 1 dargestellt, in welchen der jeweils durch den Förderquerschnitt 7 geförderte Brennstoffstrom mit der Plasmaflamme in Kontakt kommt. Bei der Ausführungsform nach der 2 sind die beiden dargestellten Plasmaflammen 1 innen am mündungsseitigen Ende des Kernluftrohres 5 mit Ausrichtung auf den Stabilisierungsring 9 und damit im brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung ausgebildet. Hier endet eine kanalförmige Zuleitung 14 für das im Plasmaerzeugungsbereich der dort ausgebildeten und zwei Elektroden umfassenden, aber in den 2–5 nicht näher dargestellten Plasmaerzeugungsvorrichtung 2 zur Erzeugung der jeweiligen Plasmaflamme 1 zugeführte Arbeitsgas. Bei der Ausführungsform nach der 3 sind die Plasmaflammen 1 außenseitig an der Brennstoffdüse 8 in der dort strömenden Sekundärluft mit Ausrichtung in die Strömungsrichtung der Sekundärluft positioniert. Bei der Ausführungsform nach der 4 sind die Plasmaflammen 1 ebenfalls außenseitig an der Brennstoffdüse 8 in der dort strömenden Sekundärluft, aber mit Ausrichtung in den aus der von dem Stabilisierungsring 9 umgebenen Mündung des Primärluftrohres 6 ausströmenden Brennstoffstrom oder in die sich hier nach dessen Zündung bildende Brennerflamme hinein positioniert. Insofern sind bei dieser Ausführungsform die Plasmaflammen 1 im Bereich einer stabilen Brennerflamme angeordnet und auf diese ausgerichtet. Bei der Ausführungsform nach der 5 sind die Plasmaflammen 1 brennerinnenseitig an der Brennstoffdüse 8 in der dort strömenden Mischung aus Primärluft und Brennstoff mit Ausrichtung auf den Stabilisierungsring 9 oder die dort ausgebildete Mündungsöffnung des Primärluftrohres 6 positioniert.
Auch wenn insbesondere vorgesehen ist, dass die mittels der Plasmaerzeugungsvorrichtung 2 erzeugte Plasmaflamme nach der zunächst erfolgenden Zündung kontinuierlich beim nachfolgenden dauerhaften Feuerungsbetrieb eines Kraftwerksbrenners 4 Anwendung findet, so liegt es auch im Rahmen der Erfindung die Plasmaflamme – ggf. ausschließlich – für die Zündung des Brennstoffs im Brenner zu nutzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2172706 A2 [0015]
EP 1371905 B1 [0015]
DE 102011056655 B4 [0016]
JP 2012112549 A [0016]
WO 92/01194 A1 [0017]

Claims

Verfahren zur Verbrennung kohlenstoffhaltigen Brennstoffs mittels eines Kraftwerksbrenners (4) eines Dampferzeugers unter gestufter Zuführung eines sauerstoffhaltigen Oxidationsmittels und unter Erzeugung eines Plasmas im brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung mittels einer Plasmaerzeugungsvorrichtung (2), insbesondere während des dauerhaften Feuerungsbetriebes des Kraftwerksbrenners (4), dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoffstrom in dem brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung und/oder dem Bereich einer stabilen Brennerflamme unter den Bedingungen der Brennstoffpyrolyse und/oder der Brennstoffverbrennung hochreaktive Radikale zugeführt werden, die mittels der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) in diesem Bereich oder diesen Bereichen des Kraftwerkbrenners (4) durch Zuführung eines diese Radikale bildenden Arbeitsgases (3) oder Zusatzgases in den Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) erzeugt werden, wobei der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) ein oxidativ auf den Brennstoff wirkendes Arbeitsgas (3) und/oder Zusatzgas, insbesondere Luft und/oder Wasserdampf und/oder Sauerstoff und/oder zirkuliertes Rauchgas und/oder CO₂, und/oder ein reduktiv auf den Brennstoff wirkendes Arbeitsgas (3) und/oder Zusatzgas, insbesondere CH₄ und/oder Koksofengas und/oder Gichtgas und/oder mindestens ein weiteres CO-haltiges Gas, zugeführt und in den Plasmazustand überführt wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder der Brennstoffverbrennung an der NO-Bildung beteiligte hochreaktive Radikale zugeführt werden, die durch Zuführung eines diese Radikale bildenden und Wasserdampf und/oder, insbesondere technisch, reinen Sauerstoff enthaltenden Arbeitsgases (3) oder Zusatzgases in den Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) und die Überführung des jeweiligen Gases in den Plasmazustand erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) ein ausschließlich Wasserdampf und/oder, insbesondere technisch, reinen Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch als Arbeitsgas (3) oder Zusatzgas zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) während des Feuerungsbetriebes des Kraftwerksbrenners (4) dauerhaft in Betrieb gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas (3) und/oder Zusatzgas im Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) eine Plasmaflamme (1) erzeugenden und im Mündungsbereich einer Brennstoffdüse (8), welcher von der Brennerinnenseite ein Brennstoffstrom zugeführt wird, angeordneten Elektroden zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas (3) und/oder Zusatzgas eine Plasmaflamme (1) erzeugenden und brennerinnenseitig am Mündungsende eines Brennstoffförderrohres und/oder innenseitig an der Brennstoffdüse (8) in deren die Mündung ausbildenden oder umfassenden Endbereich und/oder außenseitig an der Brennstoffdüse (8) in deren die Mündung ausbildenden oder umfassenden Endbereich angeordneten Elektroden der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kraftwerksbrenner (4) ein staubförmiger Brennstoffstrom zugeführt und in diesem pyrolysiert wird oder ein gasförmiger Brennstoff oder ein flüssiger Brennstoff oder Mischungen aus diesen Brennstoffen zugeführt wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Verbrennungsstabilität und die Flammenstabilität unterstützenden hochreaktiven Radikale in einem Drallbrenner und/oder einem Rundbrenner und/oder einem Strahlbrenner mittels der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) erzeugt und dem Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung und/oder dem Bereich einer stabilen Brennerflamme des jeweiligen Kraftwerkbrenners (4) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffstrom mittels des Kraftwerkbrenners (4) unter gestufter Oxidationsmittelzuführung, insbesondere Luftzuführung, verbrannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma durch die Plasmaerzeugungseinrichtung (2) elektrisch mittels eines Lichtbogens erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) ein Niedertemperaturplasma erzeugt wird.