DE19527083A1 - Verfahren und Brenner zur Verminderung der Bildung von NO¶x¶ bei der Verbrennung von Kohlenstaub - Google Patents
Verfahren und Brenner zur Verminderung der Bildung von NO¶x¶ bei der Verbrennung von KohlenstaubInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der
Bildung von NOx bei der Verbrennung von Kohlenstaub mit
Verbrennungsluft in Brennern mit den Merkmalen des
Oberbegriffes des Anspruches 1 sowie einen Brenner mit den
Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 5.
Zur Verminderung der Bildung von NOx bei der Verbrennung von
kohlenstoffhaltigen Brennstoffen ist es bekannt, die
Verbrennungsluft gestuft in mehreren Teilströmen aufzugeben.
Dadurch wird der Brennstoff in einer ersten Flammenzone unter
Luftmangel und bei verringerter Flammentemperatur verbrannt.
Die restliche Verbrennungsluft wird der Flamme in einer zweiten
Flammenzone nachträglich beigemischt.
Ein Kohlenstaubbrenner mit gestufter Luftaufgabe ist aus der
DE-OS 42 17 879 bekannt. Bei diesem Brenner werden die
Luftströme über spiralförmige Eintrittsgehäuse zugeführt und
durchströmen konzentrische Ringkanäle, in denen ihnen ein Drall
aufgezwungen wird. Der Sekundär- und der Tertiärluftstrom
werden über Abweiskehlen nach außen von dem Brennstoffstrom
weggeführt, der durch einen zwischen dem Kernluftrohr und dem
Sekundärluftkanal angeordneten, nicht aufgeteilten Ringkanal
aufgegeben wird. Auf diese Weise entsteht eine innere
Verbrennungszone mit einer niedrigen Luftzahl und eine
sauerstoffreichere stabile Flammenumhüllung, aus der die
brennstoffreiche Flamme verzögert mit Sauerstoff versorgt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bildung von NOx
in der Zündphase der Kohlenstaubes zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruches 1 gelöst. Ein Brenner zur Lösung der Aufgabe ist
Gegenstand des Anspruches 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß bei der
Verbrennung von Kohlenstaub in Dampferzeugeranlagen die Bildung
von NOx hauptsächlich beeinflußt wird durch die Luftzahl im
Feuerraum der Dampferzeugeranlage, durch die
Verbrennungstemperatur, durch die Brennstoffbeschaffenheit und
vor allem durch den Sauerstoffquotienten ω, der zum Zeitpunkt
der Primärreaktionen, das heißt während der Pyrolyse und der
parallel dazu verlaufenden Oxidation der flüchtigen
Bestandteile der Kohle vorliegt. Unter Sauerstoffquotient ω
wird das Verhältnis verstanden, das gebildet wird aus dem in
der Zündphase verfügbaren Sauerstoff und dem Bedarf an
Sauerstoff zur Verbrennung der ausgasenden flüchtigen
Bestandteile. Zu Beginn der Pyrolysephase ist der Anteil der
freigesetzten flüchtigen Bestandteilen γ flüchtige Bestandteile, die aus
der Kohle ausgasen, gering (Fig. 1). Damit ist auch die
absolute Menge an oxidationsfähigen Produkten und
dementsprechend der Bedarf an Sauerstoff zu deren Verbrennung
sehr gering. Dem gegenüber steht ein fester Sauerstoffbetrag,
der aus der Primärluft und dem Eigensauerstoffanteil des
Brennstoffes resultiert. Das bedeutet, daß mit Beginn der
Zündung der flüchtigen Bestandteile der Sauerstoffquotient ω
unendlich groß ist. Unter der Voraussetzung, daß zunächst kein
weiterer Sauerstoff, z. B. in Form von Verbrennungsluft
hinzugefügt wird, verringert sich der Sauerstoffquotient ω im
weiteren Zeitablauf aufgrund der fortschreitenden Reaktionen im
Flammenkern des Brennernahbereiches (Fig. 2). Mit Beginn der
Zumischung von Sekundär- und Tertiärluft zur Primärreaktion
erfolgt wieder ein Ansteigen des Sauerstoffquotienten ω.
Geschieht dies zu einem Zeitpunkt, zu dem die Pyrolysereaktion
der Kohle nicht abgeschlossen ist, so wird die NOx-Bildung
beschleunigt. Die Abhängigkeit des NOx-Gehaltes γNOx in dem
Verbrennungsgas von dem Sauerstoffquotienten ω zeigt die Fig.
3.
Mit der Kenntnis der Beschaffenheit des Brennstoffs, das heißt
vor allem dessen Neigung zu pyrolysieren, und einiger
Randbedingungen des Feuerungssystemes ist der gemittelte
Sauerstoffquotient ω für alle Brennerbauformen errechenbar.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann die maximale Höhe
und der mittlere Wert des Sauerstoffquotienten ω so beeinflußt
werden, daß ein Minimum an NOx entsteht, ohne daß die zur
Aufrechterhaltung der Primärreaktionen am Brenneraustritt
notwendigen Prozesse zum Erliegen kommen.
Im folgendem sei die Erfindung an Hand mehrerer
Ausführungsbeispiele und Brenner zur Durchführung der Erfindung
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm zur Abhängigkeit der Menge an freigesetzten
flüchtigen Bestandteilen im Primärgas von der Zeit während
der Zündphase,
Fig. 2 ein Diagramm zur Abhängigkeit des Sauerstoffquotienten
von der Zeit während der Zündphase,
Fig. 3 ein Diagramm zur Abhängigkeit des Gehaltes an NOx im
Verbrennungsgas von dem Sauerstoffquotienten,
Fig. 4 den Längsschnitt durch einen Brenner,
Fig. 5 den Längsschnitt durch einen anderen Brenner und
Fig. 6 den Längsschnitt durch einen weiteren Brenner.
Der dargestellte Brenner enthält eine in der Brennerlängsachse
1 vorgesehene Ölbrennerzündlanze 2, die innerhalb eines
Kernluftrohres 3 angeordnet ist. Das Kernluftrohr 3 ist unter
Bildung eines zylindrischen ringförmigen Kanals von einem
Primär-Staubrohr 6 umgeben. Am vorderen Ende ist auf dem
Kernluftrohr 3 innerhalb des Primär-Staubrohres 6 ein
Strömungskörper 4 und davor ein Drallkörper 5 angeordnet.
Das Primär-Staubrohr 6 ist an dem rückwärtigen Ende über einen
Krümmer mit einer Staubleitung 7 verbunden, die zu einer nicht
gezeigten Mühle führt. Über die Staubleitung 7 wird ein Gemisch
aus Primärluft und Kohlenstaub in das Primär-Staubrohr 6
eingespeist. An dem austrittsseitigen Ende des
Primär-Staubrohres 6 sind Einbauten in Form eines
Stabilisierungsringes 8 angebracht, der eine radial nach innen
gerichtete Kante aufweist. Diese Kante ragt in den Strom aus
Primärluft und Kohlenstaub hinein.
Das Primär-Staubrohr 6 ist konzentrisch in einem Ringkanal
angeordnet, der von einem Primär-Gasrohr 9 gebildet wird.
Dieser Ringkanal ist unter Bildung eines weiteren zylindrischen
ringförmigen Kanals von einem Sekundärluftrohr 10 und dieses
ist wiederum unter Bildung eines zylindrischen ringförmigen
Kanals konzentrisch von einem Tertiärluftrohr 11 umgeben. Das
Primär-Staubrohr 6, das Primär-Gasrohr 9 und das
Sekundärluftrohr 10 weisen an ihren austrittsseitigen Enden
konisch nach außen hin erweiterte Abschnitte auf, die
Abweiskehlen 12, 13, 14 für die außen an ihnen vorbei geführten
Mediumströme darstellen. Das Tertiärluftrohr 11 setzt sich in
die sich nach außen erweiternde Brennerkehle 15 fort.
Das Sekundärluftrohr 10 und das Tertiärluftrohr 11 des Brenners
sind an dem rückwärtigen Ende jeweils mit einem spiralförmigen
Einlaufgehäuse 16, 17 verbunden, die an Regelklappen 18, 19
aufnehmende Eintrittsleitungen 20, 21 angeschlossen sind und
die das Sekundärluftrohr 10 mit Sekundärluft und das
Tertiärluftrohr 11 mit Tertiärluft als Teilströme der
Verbrennungsluft versorgen. Die Einlaufgehäuse 16, 17 sorgen
für eine gleichmäßige Luftverteilung über die Ringquerschnitte
des Sekundärluftrohres 10 und des Tertiärluftrohres 11.
Unmittelbar vor dem Austrittsende ist jeweils in dem
Sekundärluftrohr 10 und in dem Tertiärluftrohr 11 eine
Einrichtung zur Beeinflussung des Dralls in Form eines
Geschränks aus drehbar gelagerten, axialen Drallklappen 22, 23
angeordnet, die über ein nicht gezeigtes Gestänge mit Antrieb
von außen verstellbar sind. Durch diese axialen Drallklappen
22, 23 wird der Sekundärluft und der Tertiärluft ein Drall von
einstellbarer Größe aufgezwungen. Je nach der Anstellung
gegenüber der Luftströmung verstärken oder vermindern diese
Drallklappen 22, 23 den durch das Einlaufgehäuse 16, 17
bewirkten Drall des Luftstromes. In besonderen Fällen kann der
Drall auch ganz aufgehoben werden.
In der Staubleitung 7 ist in der Nähe des Brennereintrittes ein
Drallkörper 24 angeordnet, der den Gemischstrom aus Primärluft
und Kohlenstaub in einen äußeren, staubreichen und einen
inneren, staubarmen Teilstrom aufteilt. Stromabwärts von dem
Drallkörper 24 ist in der Staubleitung 7 ein Tauchrohr 25
angeordnet. An das Tauchrohr 25 ist eine Leitung 26
angeschlossen, die aus der Staubleitung 7 herausgeführt und
über ein radiales Eintrittsgehäuse 31 mit dem Primär-Gasrohr 9
verbunden ist. Durch diese Anordnung wird der staubarme
Teilstrom aus dem aufgeteilten Gemischstrom herausgenommen und
dem Primär-Gasrohr 9 zugeführt, während nur der staubreiche und
damit luftärmere Teilstrom in das Primär-Staubrohr 6 gelangt.
Auf diese Weise erfolgt im Zündbereich des Brenners eine
relative Anreicherung von Kohlenstaub und somit auch von
flüchtigen Bestandteilen bei gleichzeitiger Reduzierung des
Sauerstoffangebotes. Dies führt zu einer Verringerung des
Sauerstoffquotienten ω.
Der in Fig. 5 gezeigte Brenner entspricht weitgehend dem
Brenner gemäß Fig. 4. Jedoch ist in der Staubleitung 7 kein
Drallkörper angeordnet, der den Gemischstrom in zwei Teilströme
aufteilt. Statt dessen ist um das Kernluftrohr 3 herum ein
Gasrohr 27 angeordnet, das mit dem Kernluftrohr 3 einen
Ringkanal bildet, der am Austrittsende durch eine Düsenplatte
28 versperrt ist. In dieser Düsenplatte 28 sind auf dem Umfang
verteilt Gasaustrittsdüsen angeordnet. Das Gasrohr 27 ist mit
einer Ringleitung 29 verbunden, an die eine Zuführungsleitung
30 angeschlossen ist. Über diese Zuführungsleitung 30 wird ein
brennbares Fremdgas, z. B. Erdgas, Methangas oder Kokereigas
zugeführt, das über die Düsenplatte 28 in die Primär-Zündzone
eingebracht wird, die sich stromabwärts von dem
Primär-Staubrohr 6 ausbildet.
Die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Brenner können auch, wie
in Fig. 6 dargestellt, miteinander kombiniert werden.
In dem aus dem Primär-Staubrohr 6 austretenden
Primärluft-Kohlenstaub-Gemisch setzt bei ausreichend
vorhandenem Wärmetransfer zum Brennstoff unmittelbar nach der
Zündung die Pyrolyse des Kohlenstaubes ein. Dabei entsteht in
der Primär-Zündzone ein Gemisch, das die ausgegasten flüchtigen
Bestandteile der Kohle enthält. Das erfindungsgemäße Verfahren
zielt darauf ab, den Quotienten ω aus dem Sauerstoffanteil in
dem Primärgas und aus dem Sauerstoffbedarf zur Verbrennung der
im Primärgas vorhandenen flüchtigen Bestandteilen zu
verringern. Zu diesem Zweck wird der Gemischstrom in einen
staubreichen Teilstromes und einen staubarmen Teilstrom
aufgeteilt, und diese Teilströme werden mit unterschiedlicher
Staubbeladung über voneinander getrennte Kanäle dem Zündbereich
des Brenners zugeführt. Aufgrund dieser Trennung wird der
Staubanteil in dem entstehenden Primärgas erhöht und
gleichzeitig das Sauerstoffangebot in diesem Bereich
vermindert. Die Trennung in zwei Teilströme mit
unterschiedlicher Staubbeladung wird vorzugsweise in der
Staubleitung 7 unmittelbar am Brenner vorgenommen. Es ist
ebenso möglich, die Trennung an einer anderen Stelle des
Feuerungssystemes vorzusehen.
Die Absenkung des Sauerstoffanteils im Primärgas läßt sich auch
dadurch erreichen, dar ein Teil der Luft in dem
Primärluft-Kohlenstaub-Gemisch durch Rauchgas ersetzt wird.
Dieses Rauchgas, das warm oder abgekühlt sein kann, wird der
Luft vor deren Eintritt in die Mühle beigemischt.
Ein anderes Verfahren zur Senkung des Sauerstoffquotienten ω
im Primärgas besteht darin, daß in das Primärgas über das oben
beschriebene Gasrohr 27 ein brennbares Fremdgas eingebracht
wird. Auf diese Weise wird der Anteil reaktionsfähiger
flüchtiger Brennstoffprodukte im Primärgas erhöht und damit der
Sauerstoffbedarf im Primärgas vergrößert. Die Menge dieses
Fremdgases kann bis zu 20% der Brennerleistung betragen.
Claims (7)
1. Verfahren zur Verminderung der Bildung von NOx bei der
Verbrennung von Kohlenstaub mit Verbrennungsluft in
Brennern, denen der Kohlenstaub mit Hilfe von Primärluft als
ein Kohlenstaub-Primärluft-Gemisch zugeführt wird, wobei im
Zündbereich der Brenner durch die Pyrolyse des Kohlenstaubes
aus dem Kohlenstaub-Primärluft-Gemisch ein Primärgas mit
brennbaren, gasförmigen Bestandteilen entsteht, dadurch
gekennzeichnet, daß im Zündbereich der mittlere Quotient aus
Sauerstoffanteilen im Primärgas und aus dem Bedarf an
Sauerstoff zur Verbrennung der brennbaren flüchtigen
Bestandteile des Primärgases durch eine Absenkung des
Sauerstoffanteils im Primärgas und/oder eine Impfung des
Primärgases mit einem brennbaren Fremdgas gesenkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Staubanteil im Primärgas erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Teil der Primärluft in dem
Kohlenstaub-Primärluft-Gemisch durch Rauchgas ersetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Anteil an Fremdgas bis zu 20% der Brennerleistung beträgt.
5. Brenner zur Verbrennung von Kohlenstaub mit in konzentrische
Teilströme aufgeteilter Verbrennungsluft, wobei der Brenner
ein einen Primärluft-Kohlenstaub-Gemischstrom führendes und
mit einer Staubleitung (7) verbundenes Primär-Staubrohr (6)
aufweist, das von einem Sekundärluft führenden
Sekundärluftrohr (10) und einem Tertiärluft führenden
Tertiärluftrohr (11) umgeben ist, wobei das Sekundärluftrohr
(10) und das Tertiärluftrohr (11) sich jeweils in einen sich
konisch erweiternden Abschnitt (Abweiskehlen 14, 15)
fortsetzen, wobei in dem Sekundärluftrohr (10) und in dem
Tertiärluftrohr (11) jeweils ein Drallapparat (22, 23)
angeordnet ist, wobei das Sekundärluftrohr (10) und das
Tertiärluftrohr (11) jeweils mit einem spiralförmigen
Einlaufgehäuse (16, 17), verbunden sind und wobei am
austrittsseitigen Ende des Primär-Staubrohres (6) ein
Stabilisierungsring (8) angeordnet ist, zur Durchführung des
Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Primär-Staubrohr (6) von
einem einen Ringkanal bildenden Primär-Gasrohr (9) umgeben
ist und daß das Primär-Staubrohr (6) von einem staubreichen
und das Primär-Gasrohr (9) von einem staubarmen Teilstrom
des Gemischstromes durchströmt ist.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Staubleitung (7) ein Drallkörper (24) und stromabwärts von
dem Drallkörper (24) ein Tauchrohr (25) angeordnet ist und
daß das Tauchrohr (25) über eine nach außen geführte Leitung
(26) über ein spiralförmiges Eintrittsgehäuse (31) mit dem
Primär-Gasrohr (9) verbunden ist.
7. Brenner zur Verbrennung von Kohlenstaub mit in konzentrische
Teilströme aufgeteilter Verbrennungsluft, wobei der Brenner
ein einen Primärluft-Kohlenstaub-Gemischstrom führendes und
mit einer Staubleitung (7) verbundenes Primär-Staubrohr (6)
aufweist, das von einem Sekundärluft führenden
Sekundärluftrohr (10) und einem Tertiärluft führenden
Tertiärluftrohr (11) umgeben ist, wobei das Sekundärluftrohr
(10) und das Tertiärluftrohr (11) sich jeweils in einen sich
konisch erweiternden Abschnitt (Abweiskehlen 14, 15)
fortsetzen, wobei in dem Sekundärluftrohr (10) und in dem
Tertiärluftrohr (11) jeweils ein Drallapparat (22, 23)
angeordnet ist, wobei das Sekundärluftrohr (10) und das
Tertiärluftrohr (11) jeweils mit einem spiralförmigen
Einlaufgehäuse (16, 17), verbunden sind und wobei am
austrittsseitigen Ende des Staubrohres (6) ein
Stabilisierungsring (8) angeordnet ist, zur Durchführung des
Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß um das Kernluftrohr (3) ein
einen Ringspalt bildendes Gasrohr (27) angeordnet ist,
dessen Austrittsende mit einer Düsenplatte (28) versehen
ist, in der Gasaustrittsdüsen angebracht sind.
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