DE19619764A1 - Verfahren zur Minimierung des NO¶x¶-Gehaltes in Rauchgasen - Google Patents

Verfahren zur Minimierung des NO¶x¶-Gehaltes in Rauchgasen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsöfen für Verbrennungsgüter wie Klärschlamm, Müll oder Kohle, bei dem das Verbrennungsgut in einer Brennzone des Ofens verbrannt wird und die entstehenden Rauchgase über einen Freiraum, der sich über der Brennzone befindet, abgezogen werden.
Ein Verfahren der genannten Art ist beispielsweise aus der DE 37 03 568 A1 bekannt. In dieser Schrift wird ein Verfahren zum Betrieb von Wirbelschichtöfen offenbart, bei dem beispielsweise Klärschlamm in einer Wirbelschicht, die sich in der Brennzone des Wirbelschichtofens befindet, verbrannt wird. Die Wirbelschicht wird bei diesem Verfahren dadurch erzeugt, daß als Wirbelluft eine Gemisch aus Verbrennungsluft und Rauchgasen verwendet wird, wobei die Rauchgase temperatur- und mengengeregelt der Verbrennungsluft zugemischt werden. Mit diesem Verfahren läßt sich die NOx-Konzentration im Rauchgas reduzieren. Dennoch verbleibt ein Rest an NOx im Rauchgas und daher ist es im Rahmen des Umweltschutzes, speziell der Luftreinhaltung wünschenswert, die Emissionen an NOx weiter zu senken.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, den NOx-Gehalt in Rauchgasen weiter zu senken.
Es wurde nun beim Betrieb einer Klärschlamm-Verbrennungsanlage überraschend gefunden, daß sich der NOx-Gehalt weiter senken läßt ohne daß sich dadurch das Verhalten der Verbrennungsanlage nachteilig ändert, wenn die Rauchgase im Freiraum über der Brennzone in turbulente Bewegung versetzt werden. Dies überrascht um so mehr, als die Rauchgase im Freiraum über der Brennzone üblicherweise in laminarer Strömung gehalten werden sollen, damit möglichst wenig grobe Staub- oder Rußteilchen aus der Brennzone mit ausgetragen werden.
Die vorliegende Aufgabe wird also durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Rauchgase in dem Freiraum in eine turbulente Bewegung versetzt werden.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsöfen für Verbrennungsgüter wie Klärschlamm, Müll oder Kohle, bei dem das Verbrennungsgut in einer Brennzone des Ofens verbrannt wird und die entstehenden Rauchgase über einen Freiraum, der sich über der Brennzone befindet, abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase in dem Freiraum in eine turbulente Bewegung versetzt werden.
Die Verbrennung selbst kann dabei einstufig oder zweistufig gemäß DE 37 03 568 erfolgen. Als Verbrennungsöfen können u. a. Wirbelschichtöfen, Etagenöfen oder Rostöfen verwendet werden. Das Verfahren eignet sich vorzugsweise zur Verbrennung von Klärschlamm, da dieser infolge seines Eiweißgehaltes bei der Verbrennung relativ viel NOx erwarten läßt. Die turbulente Bewegung der Rauchgase erzeugt man vorteilhafterweise durch Eindüsen von Gas, bevorzugt von Inertgas oder Edelgas, besonders bevorzugt durch Eindüsen von Wasserdampf. Zum Eindüsen eignen sich aber auch Flüssigkeiten oder Feststoffe.
Gegenstand der Erfindung ist weiter ein Wirbelschichtofen zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß im Freiraum über der Wirbelschicht Strömungsstörer angebracht sind. Als Strömungsstörer eignen sich beispielsweise Leitbleche. Es kommen aber auch Rohre, die zur Dampferzeugung eingebaut sind, in Frage.
Das erfindungsgemäße Verfahrens bietet im wesentlichen folgende Vorteile:
NOx-Minimierung durch vergleichsweise einfache Maßnahmen. In Kombination mit der zweistufigen Verbrennung entfallen Sekundärmaßnahmen wie beim SNCR- oder SCR-Verfahren (Selective (Non-)Catalytic Reduction). Als Reduktionsmittel wirkt möglicherweise das bei der Verbrennung entstehende CO. Beim SNCR- oder SCR-Verfahren wird ein Reduktionsmittel zusätzlich zugegeben.
Entfall der Nachteile des SNCR- bzw SCR-Verfahrens: u. a. NH₃-Schlupf, Korrosion in der Anlage und Wiederaufheizung der Rauchgase (SCR-Verfahren).
Reduzierung von Betriebskosten durch Einsparung von Reduktionsmitteln.
Weitergehende Senkung der NOx- und org. C-Frachten im Rauchgas. Verbesserung des Ausbrandverhaltens der Flugasche.
Erhöhung der Konstanz der Verbrennungsbedingungen durch besseres Regelverhalten des Wirbelschichtofens.
Im Gegensatz zur Dampfdruckzerstäubung (wie z. B. Eindüsung von Heizöl) und bei einigen SNCR-Verfahren, bei welchen die Eindüsung von Wasserdampf in das Rauchgas lediglich die Funktion der Zerstäubung eines im Rauchgas zu verteilenden Mediums ausübt, wird im erfindungsgemäßen Verfahren der reine Wasserdampf zur Erhöhung der Turbulenz der Rauchgase eingedüst und dadurch auch die Quervermischung der Rauchgase verbessert.
Die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahme erklärt sich vermutlich folgendermaßen. Der im Klärschlamm enthaltene Stickstoff wird in der Wirbelschicht im wesentlichen zu NH₃, N₂ und zu einem geringen Anteil zu Brennstoff-NOx umgewandelt. Der NO₂-Anteil von Gesamtstickstoff beträgt ca. 5%. Durch Minimierung des O₂-Angebotes bei der Klärschlammverbrennung wird die Brennstoff NO-Bildung weitgehend unterdrückt, während die CO-Bildung begünstigt wird.
Im Freiraum über der Wirbelschicht wird das bei der Klärschlammverbrennung gebildete NOx vermutlich durch Anwesenheit von C, CO und NH₃ unter der katalytischen Wirkung der Asche zu N₂ reduziert. Die Reduktion von NOx ließe sich demnach durch folgende Maßnahmen verbessern:
  • - Erhöhung der Konzentration eines Reduktionsmittels im Rauchgas (z. B. Erhöhung der CO-Konzentration),
  • - Erhöhung der Verweilzeit,
  • - Verbesserung der Turbulenz und der Reaktionsgeschwindigkeit.
Die Eindüsung von Wasserdampf in den Freiraum über der Wirbelschicht führt vermutlich infolge verbesserter Turbulenz und Quervermischung zu ausgeglichenen Konzentrations- und Temperaturgradienten im Rauchgas. Damit wird die Reduktion von NOx zu N₂ deutlich verbessert. Ohne die Eindüsung liegen im Freiraum über der Brennzone laminare Strömungsverhältnisse vor, so daß die NOx-Reduktion unvollständiger abläuft.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Wirbelschichtofen anhand der einzigen Figur in beispielhafter Ausführung näher erläutert. Eine Beschränkung der Erfindung in irgendeiner Weise ist dadurch nicht beabsichtigt.
In einem zweistufig konzipierten Wirbelschichtofen 1 mit einer Brennzone 2, in der sich die Wirbelschicht befinden wird industrieller Klärschlamm 3 verbrannt. Hierbei erfolgt in einer ersten Verbrennungsstufe die Verbrennung des Klärschlammes in der Wirbelschicht zur Reduzierung der Brennstoff-NOx- Bildung bei O₂-Gehalten in der Verbrennungsluft (Primärluft) von ca. 1 Vol.-%. Die entstehenden Rauchgase gelangen in einen Freiraum 4 über der Wirbelschicht und werden über diesen Freiraum 4 abgezogen und einer zweiten Verbrennungsstufe zugeleitet. In dieser zweiten Verbrennungsstufe, der Nachreaktionszone 6, wird das durch die reduzierenden Verbrennungsbedingungen entstandene CO durch Einspeisung von Sekundärluft zu CO₂ nachverbrannt (O₂-Gehalte in der Nachreaktionszone < 6 Vol.-%). Die erfindungsgemäße Eindüsung von Wasserdampf erfolgt über eine oder mehrere Düsen 5 direkt in den Freiraum 4.
Die vorteilhafte Wirkung belegt der nachfolgend beschriebene Betriebsversuch.
In einer industriellen Großanlage entsprechend der Figur wurde Klärschlamm unter folgenden Bedingungen verbrannt:
Klärschlamm-Eintragsmenge: ca. 10 t/h (40% Trockensubstanz)
Rauchgasmenge: ca. 45000 Nm³/h (feucht), ca. 35000 Nm³/h (trocken)
Wirbelschichttemperatur: 750-850°C
Temp. im Freiraum: 900-1000°C
Temp. in der Nachreaktionszone: 860-900°C
Wirbelgasmenge (Primärluft): ca. 20000 Nm³/h
Nox-Konzentration im Freiraum: ca. 3000 mg/Nm³
CO-Konzentration: ca. 0,5 Vol-%
Wassergehalt im Rauchgas: ca. 30 Vol.-%
Fläche des Anströmbodens: 16,6 m²
Wirbelschichtofen-Durchmesser: 5,65 m
Wirbelschichtofen-Höhe: 10,6 m
Im Rahmen eines Betriebsversuches wird in den Freiraum über der Wirbelschicht ca. 500 Nm³/h überhitzter Wasserdampf (4,2 barabs) eingedüst und die NOx Konzentration gemessen und aufgezeichnet. Das Ergebnis ist in dem Diagramm dargestellt, in dem die NOx Konzentration vor, während und nach der Dampfeindüsung im Verlauf der Zeit (hh:mm) wiedergegeben ist. Kurz nach der Dampfeindüsung fällt die NOx Konzentration von ca. 220 auf 100 mg/m³, um nach der Abschaltung der Eindüsung wieder auf den ursprünglichen Wert anzusteigen. Mit im Diagramm eingezeichnet ist außerdem noch die O₂ Konzentration, die während des Versuches bei ca. 0,5 Vol.-% lag.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsöfen für Verbrennungsgüter wie Klärschlamm, Müll oder Kohle, bei dem das Verbrennungsgut in einer Brennzone des Ofens verbrannt wird und die entstehenden Rauchgase über einen Freiraum, der sich über der Brennzone befindet, abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase in dem Freiraum in eine turbulente Bewegung versetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsofen ein Wirbelschichtofen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsgut Klärschlamm ist.
4 Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung zweistufig erfolgt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die turbulente Bewegung der Rauchgase durch Eindüsen eines Gases oder einer Flüssigkeit oder eines Feststoffes erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Inertgas eingedüst wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserdampf oder ein Edelgas eingedüst wird.
8. Wirbelschichtofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Freiraum über der Wirbelschicht Strömungsstörer angebracht sind.
9. Wirbelschichtofen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsstörer Leitbleche sind.
10. Verwendung eines Wirbelschichtofens nach Anspruch 8 oder 9, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7.
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