-
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Erzeugung einer erhöhten NO-Primärbildungsrate bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff mittels eines Kraftwerksbrenners eines Dampferzeugers unter gestufter Zuführung eines sauerstoffhaltigen Oxidationsmittels und unter Erzeugung eines Plasmas im brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung während des Feuerungsbetriebes des Kraftwerksbrenners.
-
Staubfeuerungen kommen in Kraftwerksbrennern beim Einsatz von Brennstoffen 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 NOx-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 NOx-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 NOx-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 (NH
3) und Cyanwasserstoff (HCN) angesehen. Smoot und Smith nehmen an, dass der gesamte im Koks gebundene Stickstoff zunächst zu HCN oder NH
3 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 wieder zu Stickstoff reduziert.
-
Dieses Verständnis der NO-Bildungsmechanismen hat zur Entwicklung von Kohlenstaubbrennern für niedrige NOx-Emissionen (sog. Low-NOx-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-NOx-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 .
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die eine weitere Absenkung der bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff entstehenden NOx-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 bei der Brennstoffpyrolyse und/oder der Brennstoffverbrennung an der NO-Bildung beteiligte hochreaktive Radikale zugeführt werden, die mittels einer 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 Wasserdampf oder ein wasserdampfhaltiges Gas und/oder, insbesondere technisch reiner, Sauerstoff als Arbeitsgas und/oder Zusatzgas zugeführt und in den Plasmazustand überführt wird/werden.
-
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Verfahrens werden zusätzlich 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. Die Erfindung zielt nun darauf ab, Plasmaerzeuger so einzusetzen, dass die NOx-Bildungsmechanismen derart beeinflusst werden, dass insbesondere auch die bereits niedrigen NOx-Emissionen eines Low-NOx-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 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.: 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, NHi) aus dem Brennstoffstickstoff langsam verlaufenden Reaktionen stattfinden können.
-
Durch die schnelle Pyrolyse bei Low-NOx-Brennern oder bei Plasmabrennern entsteht eine hohe NO-Primärbildungsrate über die Reaktion von NO-Präkursoren (hauptsächlich HCN) mit O-, H- und OH-Radikalen. Erfindungsgemäß wird die NO-Primärbildungsrate 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 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 hierbei das beispielsweise dem 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 solche 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 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 mit beispielsweis Luft als Trägermedium zur Mündung des Primärrohres gefördert und dort dann mit ggf. außerhalb zugeführter Sekundär- und ggf. Tertiärluft verbrannt wird.
-
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 der Plasmaerzeugungsvorrichtung ein Wasserdampf und technisch reinen Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch als Arbeitsgas und/oder Zusatzgas zugeführt wird.
-
Hierbei ist es dann zudem besonders zweckmäßig, wenn der Plasmaerzeugungsvorrichtung ein ausschließlich Wasserdampf und/oder technisch reinen Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch als Arbeitsgas und/oder Zusatzgas zugeführt wird, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
-
Um den durch die Erfindung bewirkten Effekt der verbesserten, d. h. verminderten, NOx-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 in Betrieb gehalten wird.
-
Da sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei der Verfeuerung von staubförmigem Brennstoff vorteilhaft anwenden lässt, zeichnet sich die Erfindung in weiterer Ausgestaltung auch dadurch aus, dass dem Kraftwerksbrenner ein staubförmiger Brennstoffstrom zugeführt und in diesem pyrolysiert wird.
-
Da die Erfindung in Low-NOx-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 den Plasmaerzeuger 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.
-
Schematisch ist die Erfindung anhand der 1 erläutert. Aus den Flüchtigen gebildete Stickstoffverbindungen NH3 und HCN werden mittels im Lichtbogen oder der Plasmaflamme 1 einer Plasmaerzeugungsvorrichtung 2 aus diesem/dieser als Arbeitsgas 3 oder Zusatzgas zugeführtem Wasserdampf H2O und Sauerstoff O2 gebildeter O-, H- und OH-Radikale im Rahmen einer beschleunigten NO-Primärbildung zu NO umgesetzt. Dieses wird dann nachfolgend wie üblich reduziert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 2172706 A2 [0014]
- EP 1371905 B1 [0014]
- DE 102011056655 B4 [0015]
- JP 2012112549 A [0016]
- WO 92/01194 A1 [0017]
