DE19706988A1 - Verfahren zur Verringerung des Stickoxydgehalts in den Abgasen eines Industriekessels und Brenner zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des Stickoxydgehalts in den Abgasen eines Industriekessels und einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens.

Das Verfahren bezieht sich insbesondere auf über Brenner mit Staubkohle erhitzte Kessel, die ein frontales System von Brennern haben, welche an einer Wand des Feuerraums bzw. der Verbrennungskammer in horizontalen Reihen so angeordnet sind, daß die Brenner der einzelnen Reihen übereinander vertikale Reihen bilden. Für die Verbrennung werden wenigstens zwei Brenner eingesetzt, von denen sich der eine in einer höher liegenden Reihe und der andere in einer tiefer liegenden Reihe befindet. Der höher liegende Brenner wird mit einem Luft- Brennstoff-Gemisch gespeist, das magerer ist, also weniger Brennstoff enthält, als das dem tiefer liegenden Brenner zugeführte.

Aus dem polnischen Patent P 300 730 ist ein Verfahren zur Reduzierung des NO_x-Gehalts in den Abgasen eines Kessels bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Luft-Brennstoff-Gemisch über wenigstens zwei Brenner zugeführt und verbrannt, von denen der eine in der Verbrennungskammer höher und der andere tiefer angeordnet ist. Der höher liegende Brenner wird mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch gespeist, das magerer ist, also weniger Brennstoff enthält, als das Luft-Brennstoff-Gemisch, welches dem tiefer liegenden Brenner-zugeführt wird. Der Brennstoff, mit dem die Brenner gespeist werden, statt aus ein und derselben Kohlenstaubmahlanlage. Die unterschiedliche Gemischzusammensetzung wird über eine unterschiedliche Luftzu­ mischung im jeweiligen Brenner erreicht.

Die Reduktion der Stickoxyde zu molekularem Stickstoff hängt wesentlich von der Verweilzeit der Stickoxyde in der NO_x- Reduktionszone zwischen der Verbrennungszone und der Burn-Out- Zone bzw. Nachverbrennungszone oberhalb von Düsen für eine zusätzliche Luftzuführung ab. Diese Verweilzeit resultiert aus der Konvektionsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer und aus der Länge der Reduktionszone. Bei konstanter Konvektionsgeschwindigkeit der Gase ist ihre Ver­ weilzeit in der Reduktionszone proportional zur Länge dieser Zone gemessen längs der Verbrennungskammer. Bei dem bekannten Verfahren ist die Länge der Reduktionszone für eine wirksame Stickoxydreduktion viel zu kurz.

Aus der DE 30 27 507 A1 ist ein Brenner bekannt, der einen zentralen zylindrischen Kanal aufweist, dem Brennstoff von einer Kohlenstaubmahlanlage und Luft zur Verbrennung zugeführt werden und der in die Verbrennungskammer mündet. Der zentrale Kanal ist von einem ringförmigen Kanal umschlossen, über den zusätzliche Luft zusammen mit dem Luft-Brennstoff-Gemisch aus dem zentralen Kanal in die Verbrennungskammer eingeführt wird. Für die Regulierung der zusätzlichen Luftmenge sind Stell­ flügel für die Luftzuführung zu dem ringförmigen Kanal vor­ gesehen. Bei einer speziellen Ausgestaltung ist die Mündung des ringförmigen Kanals auf die Mantelfläche eines Kegels gerichtet, dessen Spitze im Inneren des Brenners liegt, wo­ durch sich der Luftstrom in die Verbrennungskammer verglichen mit dem Strom das Luft-Brennstoff-Gemisches erweitert.

Bei dem bekannten Brenner läßt sich diese kegelförmige Erwei­ terung des Stroms der zusätzlichen Luft, die das aus dem Brenner austretende verbrennende Luft-Brennstoff-Gemisch umhüllt, nicht einstellen. Da dieses Gemisch arm an Sauerstoff ist, wird die Stickoxydbildung während der Verbrennung ver­ ringert.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, das Verfahren der eingangs genannten Art sowie den Brenner zur Durchführung des Verfahrens so auszubilden, daß zur Reduzie­ rung der Stickoxydmenge in den Verbrennungsabgasen eine rela­ tiv lange NO_x-Reduktionszone bereitgestellt wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der aus den Brennern in der höchsten Reihe austretende Luft-Brennstoff-Gemischstrom weg nach unten zur Verbrennungszone des Luft-Brennstoff-Gemisches gerichtet wird, das über die Brenner der tiefer liegenden Reihen zugeführt wird, und daß gleichzeitig von dem Bereich der Brenner in der höchsten Reihe ein nach oben zur Nachver­ brennungszone gerichteter Luftstrom in die Verbrennungskammer eingeführt wird.

Dadurch wird die Grenze der den unteren Brennern zugeordneten Verbrennungszone abgesenkt, wodurch der Abstand zwischen der Grenze dieser Zone und der Burn-Out-Zone bzw. Nachverbren­ nungszone vergrößert wird, was einem Verlängerung der NO_x- Reduktionszone bedeutet. Gleichzeitig wird der Luftstrom aus der Brennerzone in der obersten Reihe nach oben in Richtung der Burn-Out-Zone bzw. Nachverbrennungszone gerichtet, wodurch die Sauerstoffmenge in der NO_x-Reduktionszone erhöht wird, was zu einer weiteren Reduktion der Stickoxyde zu molekularem Stickstoff und zu einer gesteigerten Umsetzung von CO in CO₂ führt.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Brenner mit einem zylindrischen zentralen Kanal für den Brenn­ stoff eingesetzt, dessen eines Ende über eine Leitung mit einer Kohlenstaubmahlanlage verbunden und dessen anderes offenes Ende in die Verbrennungskammer des Kessels gerichtet ist und der von einem ringförmigen Kanal für zusätzliche Luft umschlossen ist. Erfindungsgemäß hat der zentrale Kanal an seinem offenen, zu der Verbrennungskammer gerichteten Ende einen koaxial zur Achse des zentralen Kanals angeordneten kegelstumpfförmigen Diffusor, dessen größere Grundfläche der Verbrennungskammer zugewandt ist und dessen Kegelwinkel gleich dem Kegelwinkel einer konischen Öffnung in der Wand der Ver­ brennungskammer ist, der der Diffusor zugeordnet ist.

Bei einer Ausgestaltung des Brenners umschließt der kegel­ stumpfförmige Diffusor den ganzen Umfang des zentralen Kanals und ist längs der Achse des zentralen Kanals verschiebbar.

Bei einer anderen Ausgestaltung des Brenners ist der die untere Hälfte des zentralen Kanals umschließende Teil des kegelstumpfförmigen Diffusors längs der Achse des zentralen Kanals verschiebbar und ist der die obere Hälfte des zentralen Kanals umschließende Teil des kegelstumpfförmigen Diffusors stationär angeordnet und mit einer Quelle für zusätzliche Luft über eine Regulierkammer mit Drehschiebern verbunden.

In dem zentralen Kanal kann angrenzend an das obere Ende eine Lenkeinrichtung angeordnet sein, die den oberen Teil des zentralen Kanals abtrennt und schräg zum unteren Teil des zentralen Kanals hin gerichtet ist.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch im Längsschnitt eine Verbrennungskammer, wie sie beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird,

Fig. 2 schematisch die Verteilung der Brenner an der Wand der Verbrennungskammer,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Brenners,

Fig. 4 in einer Ansicht wie Fig. 3, eine zweite Ausführungs­ form eines Brenners und

Fig. 5 den Schnitt A-A von Fig. 4.

Wie aus Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, sind in der Verbrennungs­ kammer 15 eines Kessels vier horizontale Brennerreihen 18, 19, 20, 21 an einer Wand 7 angeordnet. In den beiden oberen Reihen 20 und 21 sind jeweils sechs Brenner vorgesehen. In den beiden tiefer liegenden bzw. unteren Reihen 18 und 19 sind jeweils vier Brenner angeordnet. Die Brenner in den einzelnen Reihen 18, 19, 20 und 21 sind übereinander in vertikalen Reihen an­ geordnet. Als Brennstoff dient Kohlenstaub, der von Kohlen­ staubmahlanlagen 24 zugeführt wird. Bei der gezeigten Anord­ nung sind drei Kohlenstaubmahlanlagen 24 vorgesehen, von denen jede vier Brenner speist, jeweils zwei in einer Reihe, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Zwischen den Brennern in der obersten Reihe 21 und dem Gas­ auslaß 23 aus der Verbrennungskammer 15 sind, wie in Fig. 1 gezeigt ist, in der Wand 7 Düsen 22 für die Zuführung von zusätzlicher Luft angeordnet. Die Brenner der beiden unteren Reihen 18 und 19 werden mit einem brennstoffreichen Luft- Brennstoff-Gemisch beschickt, d. h. es besteht ein Luftmangel, λ < 1, was bedeutet, daß das Gemisch eine unterstöchiometri­ sche Zusammensetzung hat. Dieses Gemisch verbrennt in einer Verbrennungszone 25a, in der wegen des Luftmangels verhältnis­ mäßig wenig Stickoxyd entsteht, d. h. die gebildete Stickoxyd­ menge ist kleiner als bei einer Verbrennung mit Luftüberschuß. Die Gase aus der Verbrennungszone 25a strömen in die Verbren­ nungszone 25b, der über die Brenner der Reihen 20 und 21 ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch zugeführt wird, d. h. der Luftüberschuß beträgt λ = 1,2 bis 1,4. Bei der Verbrennung der Gemische aus den Brennern der Reihen 20 und 21 ergeben sich somit Abgase mit freiem Sauerstoff und Kohlenwasserstoffen C_nH_m.

Die Abgase aus der Verbrennungszone 25b strömen in die NO_x- Reduktionszone 26. Die dort stattfindende Reduktion des NO_x zu molekularem Stickstoff benötigt Zeit. Dadurch, daß die Kon­ vektionsgeschwindigkeit der Gase nach oben entlang der Ver­ brennungskammer 15 konstant ist, hängt die Verweilzeit der Verbrennungsgase mit den Stickoxyden in der Reduktionszone 26 von der Länge dieser Zone, also von der Entfernung der oberen Grenze der Verbrennungszone 25b zu den Düsen 22 für die zu­ sätzliche Luft ab. Zur Verlängerung der Verweilzeit der Ver­ brennungsgase mit den Stickoxyden in der Reduktionszone 26 wird nun die Position der oberen Grenze der Verbrennungszone 25a aufgrund der durch den Pfeil 29 in Fig. 1 veranschaulich­ ten Strömung des Luft-Brennstoff-Gemisches durch die Brenner der weihe 21 schräg nach unten zur Verbrennungszone 25a abge­ senkt. Gleichzeitig wird von dem Bereich der Brenner der Reihe 21 zu der Reduktionszone 26 ein Strom zusätzlicher Luft ge­ führt, der durch den in Fig. 1 schräg nach oben gerichteten Pfeil 30 veranschaulicht ist.

In der Reduktionszone 26 verlaufen die Reaktionen nach der allgemeinen Formel

2NO + 2C_nH_m + (2n + n/2 - 1)O₂ → N₂ + 2nCO₂ + H₂O

wobei die NO-Moleküle aus den Zonen 25a und 25b, die Moleküle C_nH_m hauptsächlich aus der Zone 25b durch Verdampfung und zusätzlichen Brennstoff aus den Brennern der Reihen 20 und 21 und die O₂-Moleküle aus dem Luftüberschuß aus den Brennern der Reihen 20 und 21 und dem Luft-Brennstoff-Gemisch für die Strömung 30 stammen.

Die Reaktion nach der vorstehenden Formel wird durch die Verlängerung der Reduktionszone 26 aufgrund der Erfindung möglich. Die Verbrennungsgase aus der Reduktionszone 26 strö­ men in die Nachverbrennungszone 27, wo aufgrund der durch die Düsen 22 zugeführten Luft die Umwandlung von CO in CO₂ er­ folgt. Aufgrund der beschriebenen Verlängerung der Reduktions­ zone für die Stickoxyde wird bei dem Luftüberschuß mit λ = 1,2 bis 1,4 in den Abgasen die Stickoxydmenge unter eine Grenze von 170 mg/nm³ abgesenkt, also unter die international vorgeschriebene Grenze, während der CO-Gehalt nach null geht.

Der in Fig. 3 gezeigte Brenner wird beispielsweise als Brenner in der zweiten Reihe 20 von oben in der Verbrennungskammer 15 eingesetzt. Der Brenner hat einen zylindrischen zentralen Kanal 1 für den Brennstoff. Er ist an seinem einen Ende mit einer Leitung 6 verbunden, die an eine Kohlenstaubmahlanlage 24 angeschlossen ist, während sein anderes offenes Ende in die Verbrennungskammer 15 mündet. In dem zentralen Kanal 1 ist koaxial ein Rohr 8 für eine Masut- oder Gaslanze zum Zünden des Kessels angeordnet. An dem offenen Ende des zentralen Kanals 1 ist ein auf dem Kanal 1 verschiebbarer kegelstumpf­ förmiger Diffusor 3 angeordnet, wobei die größere Grundfläche 16 des Kegelstumpfs der Verbrennungskammer 15 zugewandt ist und deren Umfang die Austrittsfläche des Brenners begrenzt.

Der Kegelwinkel des kegelstumpfförmigen Diffusors 3 entspricht dem Kegelwinkel der Öffnung 5 in der Wand 7 der Verbrennungs­ kammer 15, welcher der Diffusor 3 zugeordnet ist. Der zentrale Kanal 1 ist von einem ringförmigen Kanal 2 für die Zuführung von zusätzlicher Luft umschlossen. In dem ringförmigen Kanal 2 sind vor dem Diffusor 3 sich radial erstreckende Schaufeln oder Flügel 9 angeordnet, welche der durch den ringförmigen Kanal 2 hindurchströmenden zusätzlichen Luft eine Rotations­ bewegung aufprägen. Zwischen dem kegelstumpfförmigen Diffusor 3 und der kegelstumpfförmigen Öffnung 5 besteht ein Spalt 4, dessen Breite abhängig von der Position des Diffusors 3 varia­ bel ist. Die eine Extremstellung des Diffusors 3 ist in Fig. 3 gestrichelt eingezeichnet. Der Diffusor 3 ist dabei am weite­ sten in die Verbrennungskammer 15 vorgeschoben, wodurch der Spalt 4 am größten ist, so daß große Mengen zusätzlicher Luft hindurchströmen können. Wenn der Diffusor 3 in seine innerste Stellung zurückgezogen ist, ist der Spalt 4 geschlossen, so daß keine Zusatzluft in die Verbrennungskammer 15 strömen kann. Die durch den Spalt 4 einströmende Luftmenge ist nicht groß und hat keinen wesentlichen Einfluß auf die Zusammen­ setzung des den Brennern der Reihe 20 zugeführten Gemisches. Der Strom aus zusätzlicher Luft aus dem Spalt 4 dient ledig­ lich zu einer Unterbindung einer Schlackenbildung an dem verbrennungskammerseitigen Ende des Brenners.

Während bei der Ausgestaltung von Fig. 3 der kegelstumpfförmi­ ge Diffusor 3 als Ganzes koaxial zum zentralen Kanal 1 ver­ schoben werden kann, ist bei der Ausgestaltung der Fig. 4 nur die untere Hälfte des Diffusors 3 verschiebbar ausgebildet, während die obere Hälfte einen stationären Teil 28 des Diffu­ sors 3 bildet, der mit einem Kanal 19 für die Zuführung von zusätzlicher Luft verbunden ist. Der Kanal 10 ist mit einer Regulierkammer 17 verbunden, die in ihrem Umfang radiale Klappen bzw. Drehschieber 11 hat, die auf Achsen 12 befestigt sind. Eine Drehung der Achsen 12 führt zu einer Längenänderung der Klappen 11, wodurch der Luftdurchsatz gesteigert oder verringert werden kann. Die Drehung der Achsen 12 erfolgt über einen Mechanismus 13. Der Kegel des stationären Teiles 28 des Diffusors 3 leitet die Luftströmung nach oben, wodurch die Strömung 30 (Fig. 1) entsteht. Im oberen Teil des zentralen Kanals 1 ist angrenzend an die Öffnung in die Verbrennungs­ kammer 15 eine Lenkeinrichtung 14 vorgesehen, die schräg nach unten zur Achse des zentralen Kanals 1 hin abgebogen ist. Die Lenkeinrichtung 14 lenkt den Strom des Luft-Brennstoff-Gemi­ sches durch den zentralen Kanal 1 nach unten, wodurch die Strömung 29 (Fig. 1) entsteht. Der untere Teil des dem zen­ tralen Kanal 1 zugeordneten Diffusors 3 erzeugt eine Luftströ­ mung die durch den Spalt 4 ausströmt und die Schlackenbildung am Umfang des Brennerendes unterbindet. Die zusätzliche Luft, die von dem stationären oberen Teil 28 des Diffusors zufließt, dient zur Anreicherung der Abgase in der Reduktionszone 26 für die Stickoxyde mit zusätzlichem Sauerstoff.

Claims (5)

1. Verfahren zur Verringerung des Stickoxydgehalts in den Abgasen eines über Brenner mit Staubkohle erhitzten Indu­ striekessels, insbesondere eines Kessels mit einem fronta­ len System von Brennern, die an einer Wand der Verbren­ nungskammer in horizontalen Reihen so angeordnet sind, daß die Brenner der einzelnen Reihen übereinander vertikale Reihen bilden, wobei für die Verbrennung wenigstens zwei Brenner eingesetzt werden, von denen sich der eine in einer höher liegenden Reihe und der andere in einer tiefer lie­ genden Reihe befindet und der höher liegende Brenner mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch gespeist wird, das magerer ist als das dem tiefer liegenden Brenner zugeführte, da­ durch gekennzeichnet, daß der aus den Brennern in der höchsten Reihe austretende Luft-Brennstoff-Gemischstrom schräg nach unten zur Verbrennungszone des Luft-Brennstoff- Gemisches gerichtet wird, das über die Brenner der tiefer liegenden Reihen zugeführt wird, und daß gleichzeitig von dem Bereich der Brenner in der höchsten Reihe eine nach oben zur Nachverbrennungszone gerichteter Luftstrom in die Verbrennungskammer eingeführt wird.

2. Brenner, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem zylindrischen zentralen Kanal für den Brennstoff, dessen eines Ende über eine Leitung mit einer Kohlenstaubmahlanlage verbunden ist und dessen anderes offenes Ende in die Verbrennungskammer des Kessels gerich­ tet ist und der von einem ringförmigen Kanal für zusätzli­ che Luft umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Kanal (1) an seinem offenen zu der Verbrennungs­ kammer (15) gerichteten Ende einen längs der Achse des Kanals angeordneten kegelstumpfförmigen Diffusor (3) auf­ weist, dessen größere Grundfläche (16) der Verbrennungs­ kammer (15) zugewandt ist und dessen Kegelwinkel gleich dem Kegelwinkel einer konischen Öffnung (5) in der Wand (7) der Verbrennungskammer (15) ist, welcher der Diffusor (3) zugeordnet ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelstumpfförmige Diffusor (3) den ganzen Umfang des zentralen Kanals (1) umschließt und längs der Achse des zentralen Kanals (1) verschiebbar ist.

4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die untere Hälfte des zentralen Kanals (1) umschließende Teil des kegelstumpfförmigen Diffusors (3) längs der Achse des zentralen Kanals (1) verschiebbar ist und daß der die obere Hälfte des zentralen Kanals (1) umschließende Teil (28) des kegelstumpfförmigen Diffusors (3) stationär an­ geordnet und mit einer Quelle für zusätzliche Luft über eine Regulierkammer (17) mit Drehschiebern (11) verbunden ist.

5. Brenner nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine in dem zentralen Kanal (1) angrenzend an das offene Ende angeord­ nete Lenkeinrichtung (14), die den oberen Teil (28) des zentralen Kanals (1) begrenzt und schräg zum unteren Teil des zentralen Kanals (1) hin gerichtet ist.