DE19722070C5

DE19722070C5 - Verfahren zur NOx-armen Verbrennung von Steinkohle bei trockenentaschten Dampferzeugern

Info

Publication number: DE19722070C5
Application number: DE1997122070
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl.-Ing. Schubert; Werner Dipl.-Ing. Auel; Jürgen Müller; Ulrich Dipl.-Ing. Wolff
Original assignee: Infraserv GmbH and Co Hoechst KG
Current assignee: Infraserv GmbH and Co Hoechst KG
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2017-05-28
Also published as: DE19722070C2; DE19722070A1; AU8105198A; WO1998054513A1

Abstract

Verfahren zur Verbrennung von Kohle in einem Verbrennungsraum (1), vorzugsweise in Großfeuerungsanlagen von Dampfkesseln, bei dem man Verbrennungsluft (29) und Kohle (30) über mindestens einen Brenner (22a, b, c) in den Verbrennungsraum (1) einbringt und verbrennt und einen Teil der entstehenden Rauchgase (31) in den Verbrennungsraum (1) zurückführt, wobei man die Kohle (30) dem oder jedem Brenner (22a, b, c) mittels Förderluft (32) pneumatisch zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass man der Förderluft (32) einen Teil der zurückzuführenden Rauchgase (31) zugibt, dass man 10 bis 30 Vol.-% der von dem oder jedem Brenner (22a, b, c) erzeugten Rauchgase (31) über konzentrisch in der Brennerkohle angeordnete Rohre direkt in die Brennzone (23) des oder jeden Brenners (22a, b, c) einbläst und dass man in den Verbrennungsraum (1) zum Schutz der inneren Oberflächen des Verbrennungsraumes Rauchgas (31) als Schleiergas einleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Kohle in einem Verbrennungsraum, vorzugsweise in Großfeuerungsanlagen von Dampfkesseln, bei dem man Verbrennungsluft und Kohle über mindestens einen Brenner in den Verbrennungsraum einbringt und verbrennt und einen Teil der entstehenden Rauchgase in den Verbrennungsraum zurückführt, wobei man die Kohle dem oder jedem Brenner mittels Förderluft pneumatisch zuführt.
Das Verfahren betrifft speziell die NO_x-arme Verbrennung von Steinkohle in trockenentaschten Dampferzeugern bei gleichbleibend hohem Wirkungsgrad, bei der der in der Bundesrepublik Deutschland geltenden NO_x-Grenzwerte für Großfeuerungsanlagen von 200 mg/Nm³ eingehalten werden muß.
Bei der Verbrennung von Kohle entstehen neben anderen Verbrennungsprodukten immer auch NO und NO₂, die als NO_x zusammengefaßt werden. Dabei lassen sich grundsätzlich drei Bildungsmechanismen unterscheiden:

– prompte NO_x-Bildung,
– thermische NO_x-Bildung,
– NO_x-Bildung aus Brennstoffstickstoff.

Zur Verringerung der NO_x-Bildung sind sogenannte Primärmaßnahmen bekannt. Zum Stand der Technik gehören dazu: Einsatz von NO_x-armen Brennern, gestufte Luft- und/oder Brennstoffaufgabe mit nah- und/oder unterstöchiometrischer Verbrennung zu dem jeweiligen Kohlestrom in den einzelnen Brennerebenen des Dampferzeugers, die Aufgabe von Oberluft für die Gewährleistung einer vollkommenen Verbrennung und die Rauchgasrezirkulation in die Verbrennungsluft vor Brenner.
Durch die Anwendung dieser genannten feuerungstechnischen NO_x-Minderungstechniken werden hinter trockenentaschten Steinkohlefeuerungen bei gleichbleibend gutem Ausbrand Stickoxidemissionen um 250 mg/Nm³ erreicht (vgl. Petzel, Scholl, Tigges "Modernste Verbrennungstechnologie zur Primärreduzierung von NO_x", VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993), Heft 3).
Aus der DE 36 21 347 ist ein Verfahren bekannt, bei dem durch die Zugabe von Rauchgas in die Primär-, Sekundär- und Tertiärluft der Brenner in jeweils unter- schiedlicher Konzentration sowie die unterstöchiometrische Fahrweise einzelner Brennerlagen, verbunden mit der Aufgabe von Reduktionsgas, welches z. B. H₂ oder CO enthält (z. B. Erdgas) oberhalb der Leistungsfeuerung, die NO_x-Emission in den Bereich des geltenden Grenzwertes (200 mg/Nm³) abgesenkt werden kann. Weiterhin ist bei diesem Verfahren vorgesehen, zum Schutz der Verbrennungsraumheizflächen vor Korrosionsangriff, diese durch die Zuführung von Schleierluft zu schützen.
Es hat sich gezeigt, daß dieses Verfahren hinsichtlich des Zieles der Einhaltung des NO_x-Grenzwertes von 200 mg/Nm³ sowie seiner Energieeffizienz noch verbessert werden muß.
Bei Anwendung des Verfahrens nach der DE 36 21 347 C2 hat sich herausgestellt, daß die Rauchgasrezirkulation in die Primär-, Sekundär- und Tertiärluft mit jeweils verschiedenen Rückführungsverhältnissen sehr aufwendig gebaut werden muß und regelungstechnisch schwer zu bewältigen ist. Weiterhin hat sich gezeigt, daß der stark unterstöchiometrische Betrieb der oberen Brennerlagen bei Luftzahlen (Luftzahl = Luft-/Brennstoffverhältnis) von 0,5 bis 0,8 zu Problemen mit der Flammenstabilität bis hin zum Flammenabriß führen kann. Ein sichere Zündung unter die sen Bedingungen kann nicht gewährleistet werden. Ebenso führt die Anwendung der Einblasung von Schleierluft in der vorgegebenen Weise dazu, daß diese Schleierluft sich an dem Verbrennungsvorgang, insbesondere in der luftarmen Zone, beteiligt und dann zu einem Anstieg der NO_x-Emissionen führt.
Des weiteren entsteht bei der Anwendung des o. g. Verfahrens eine Asche mit einem erhöhten Kohlenstoffgehalt, die den Wirkungsgrad des Dampferzeugers erheblich mindert und durch den damit verbundenen Brennstoffmehrverbrauch die NO_x-Emission der Anlage wieder erhöht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches allein mit Hilfe von feuerungstechnischen Maßnahmen die NO_x-Emission unter 200 mg/Nm³ begrenzt und gleichzeitig den Einsatz eines weiten Brennstoffbandes gewährleistet, bei gleichbleibend gutem Wirkungsgrad der Dampferzeugeranlage.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Besondere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der niedrige NO_x-Gehalt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch eine weitergehende Abmagerung des Sauerstoffgehaltes in der Brennzone des Brenners, vorzugsweise im Flammenkern erreicht Damit wird die Umsetzung von Brennstoffstickstoff zu NO_x erheblich gemindert und der Grenzwert von 200 mg/Nm³ kann deutlich unterschritten werden.
Die Kohle kann nach der Trocknung und Vermahlung bekannterweise mittels Förderluft pneumatisch in den Ringspalt des Brenners gefördert werden. Dabei ist eine Mindestluftmenge für den Stofftransport notwendig, die aber des Sauerstoffangebot in der Verbrennungszone unnötig vergrößert und damit zu einer erhöhten NO_x-Emission führt. Die Rauchgas-Rezirkulation von 5 bis 25, bevorzugt 8 bis 20, besonders bevorzugt 9 bis 11 Vol.-% Rauchgas nur in die Förderluft bewirkt, durch das Absenken des Sauerstoffgehaltes im Flammenkern, eine verringerte NO_x-Emission. Dabei beziehen sich sämtliche Vol-%-Angaben in der Beschreibung auf die Gase im Normzustand.
Zusätzlich können zur Reduzierung von NO_x auch bereits bekannte Techniken, wie der Einsatz NO_x-armer Brenner, Luftstufung innerhalb der Brenner und/oder Brennerlagen mit anschließender Oberluftzugabe u. a. eingesetzt werden.
Ein Teil des Rauchgases wird vorzugsweise nach einem Filter, besonders bevorzugt nach einem Elektrofilter entnommen und direkt in die Brennzone, vorzugsweise in den Flammenkern eingeblasen. Dies geschieht mit Vorteil dergestalt, daß das Rauchgas gleichmäßig verteilt in die Brennzone, vorzugsweise in den Flammenkern eines jeden einzelnen Brenners unabhängig von Primär-, Sekundär- oder Tertiärluft zugegeben wird. Die zugeführte Rezirkulationsmenge beträgt 10 bis 30, bevorzugt 15 bis 25, besonders bevorzugt 17 bis 22 Vol.-% des brennstofferzeugten Rauchgases.
Um das Überangebot an Sauerstoff durch die pneumatische Förderung weiter zu kompensieren, kann durch die gleichmäßige Zugabe von leichtentzündlichem Reduktionsbrennstoff, vorzugsweise Heizöl-S/EL und/oder Erdgas, in die Brennzone, vorzugsweise in den Flammenkern, dort der Sauerstoffgehalt weiter reduziert werden, da dieser Reduktionsbrennstoff bevorzugt zündet und verbrennt. Der Reduktionsbrennstoff wird mit einem Anteil von 5 bis 15, bevorzugt 8 bis 12, besonders bevorzugt 9 bis 11 Vol.-% vom gesamten Brennstoffeinsatz zugegeben. Die Verwendung stickstoffarmer Reduktionsbrennstoffe ist vorteilhaft.
Es ist bekannt, daß bei der Verwendung von chlorhaltigen Brennstoffen das Auftreten von reduzierender Atmosphäre in Feuerräumen, die bei unterstöchiometrischer Verbrennung auftritt, zu starken Korrosionserscheinungen an Heizflächen führen kann. Durch die bekannte Zugabe von Schleierluft, die fein verteilt entlang der Verbrennungsraumwände aufgegeben wird, kann dieses Problem gelöst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, statt Schleierluft Rauchgas, vorzugsweise nach einem Filter, besonders bevorzugt nach einem Elektrofilter entnommen, zum Schutz der Heizflächen einzusetzen. Bei Einsatz von Schleierluft beteiligt sich diese im Bereich luftarmer Zonen des Verbrennungsraums an der Verbrennung und erhöht dabei wieder die NO_x-Emissionen. Da das eingesetzte Rauchgas einen niedrigen Sauerstoffgehalt hat, tritt dieses Problem nicht auf.
Bei der Verbrennung von Kohle mit dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht eine Asche, die einen Anteil an Unverbranntem, d. h. einen Kohlenstoffgehalt von größer gleich 20, bevorzugt größer gleich 30, besonders bevorzugt größer gleich 40 Gew.-% bis hin zu 45 bis 50 bis 60 bis 70 Gew.-% aufweist. Zur Reduzierung der damit verbundenen höheren Verluste kann eine bereits bekannte Asche-Schmelzfeuerung, vorzugsweise ein Schmelzzyklon eingesetzt werden, der die Asche nachverbrennt und die dabei frei werdende Energie nutzt. Durch eine unterstöchiometrische Fahrweise der Schmelzfeuerung bzw. des Zyklons, vorzugsweise mit einem Luft-/Brennstoffverhältnis von 0,80 bis 1,00, bevorzugt ca. 0,9, und einer Rauchgasrezirkulation in die Verbrennungsluft des Zyklons von 0 bis 15, vorzugsweise 5 bis 10 Vol.-% wird erfindungsgemäß sichergestellt, daß die NO_x-Emissionen nach dem Dampferzeuger nicht über 200 mg/Nm³ steigen.
Die anfallende flüssige Schlacke kann in einem bekannten Granulierer mit Durchflußkühlung abgeschreckt werden. Die abzuführende Schmelzwärme der Schlacke wird in einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur weiteren Verringerung der Verluste mit Hilfe eines Wärmeverschiebungssystems, das die Durchflußkühlung ergänzt und eine Umwälzpumpe, Wärmetauscher und Filter aufweist, zur Vorwärmung von Speisewasser genutzt. Weiterhin wird wegen des dadurch bedingten fehlenden Überlaufs im Granulierer der Wasserverbrauch der gesamten Anlage reduziert.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im wesentlichen darin zu sehen, daß die NO_x-Bildung bei Kohlefeuerungen bei gleichbleibendem Wirkungsgrad erheblich reduziert wird, da eine niedrige Sauerstoffkonzentration bei der Verbrennung der nach dem Pyrolyseprozeß der Kohle entstandenen Folgeprodukte (HCN, NH₃ etc.) entscheidend für die Umwandlungsrate von Brennstoffstickstoff zu NO_x ist. Außerdem werden durch die erfindungsgemäße Maßnahmen die NO_x-Emissionen so weit reduziert, daß es möglich ist, das bereits bekannte Verfahren zur Einschmelzung von Flugasche in einem Schmelzzyklon anzuwenden, ohne daß der 200 mg/Nm³-Grenzwert überschritten wird. Die bekannte Zugabe von Brennstoff bzw. Brennstaub ist dabei nur bedingt notwendig, da der C-Gehalt der Asche bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Bereich von 20 bis 70 Gew.-% liegt
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand eines möglichen Ausführungsbeispiels, das in der Figur als Verfahrensfließbild dargestellt ist, näher erläutert. Eine Beschränkung der Erfindung in irgendeiner Weise ist dadurch nicht beabsichtigt.
In einem Verbrennungsraum 1 eines trockenentaschten Dampferzeugers 27 wird zur Erzeugung von Wasserdampf Kohle 30 verbrannt und die Verbrennungswärme über die entstehenden Rauchgase 31 und einen Wärmeaustauscher 35 an ein Speisewasser abgeführt. Die Kohle 30 wird als vermahlener Kohlenstaub aus Zerkleinerungsmaschinen, vorzugsweise Kohlemühlen 2 pneumatisch über Leitungen 26 zu drei Brennern 22a, b, c gefördert. Die zur Förderung notwendige Förderluft 32 wird der Verbrennungsluft 29 nach einem Luftvorwärmer 3 entnommen und in einem Mischer 4 mit einem Teil des aus der Verbrennung stammenden Rauchgases 31, das über eine Leitung 36 einem Elektrofilter 5 zugeführt und gereinigt wird, versetzt. Die Förderung des Rauchgases erfolgt mittels einer Fördereinrichtung, einem Rauchgas-Rezirkulationsgebläse 6. Durch die Anordnung von Drallkörpern 7 in dem Ringspalt der Brenner 22 wird eine gleichmäßige Verteilung des Kohlenstaubs 30 im Ringspalt erzeugt.
Die Zuführung der nach dem Luftvorwärmer 3 vorgewärmten Verbrennungsluft 29 mittels einer weiteren Fördereinrichtung, einem Frischluftgebläses 11, über Leitungen 25 zu den Brennern 22a, b, c erfolgt dergestalt, daß im unteren Brenner 22a nahstöchiometrisch, sowie in den oberen Brennern 22b, c unterstöchiometrisch mit nach oben abnehmenden Luftüberschuß verbrannt wird. Vorzugsweise wird im mittleren Brenner 22b ein Luft-/Brennstoffverhältnis von 0,85 und im oberen Brenner 22c von 0,7 eingestellt. Durch die am oberen Ende des Verbrennungsraums 1 angeordnete Oberluftzugabe 8 wird dann ein Gesamtluftüberschuß von 5 bis 10% gefahren.
Weiterhin wird in jeden Brenner 22a, b, c Reduktionsbrennstoff über Leitungen 9a, b, c (Heizöl-S, Heizöl-EL oder Erdgas) direkt in den Flammenkern 28 der Brennzone 23 mit einem Anteil von etwa 8 bis 10% der Brennerleistung eingedüst. Neben dem vorteilhaften Einfluß auf die NO_x-Bildung erfolgt dadurch eine sichere Anzündung des Kohlenstaubes 30 bei unterstöchiometrischer Fahrweise.
In jeden Brenner 22a, b, c wird unabhängig von der Verbrennungsluft 29 über Leitungen 24, 10a, b, c ausschließlich Rauchgas 31 in den Flammenkern 28 der Brennzone 23 zugegeben. Das Rauchgas 31 wird dabei über konzentrisch in der Brennerkehle angeordnete Rohre gleichmä ßig zugeben. Der Anteil dieser Rauchgasmenge beträgt 15 bis 25 Vol.-% der Gesamtrauchgasmenge.
Der im Elektrofilter 5 ab geschiedene Flugstaub 33 hat einen C-Gehalt von 20 bis 70%. Er wird über ein Dosierorgan 12 in eine Schmelzfeuerungsanlage, einen Zyklon 16, eingespeist. Zur Verbrennung wird vorgewärmte Verbrennungsluft 29 über eine Leitung 14 nach Vorwärmer 3 entnommen. Sie wird mit einem Luft-/Brennstoffverhältnis von 0,9 zugeführt. Dieser Verbrennungsluft wird vor Eintritt in den Zyklon 16 über eine Leitung 15 Rauchgas 31 mit einem Anteil zwischen 0 und 10% zugesetzt. Zum Anfahren bzw. bei Teillast wird über eine Leitung 13 ein Stützbrennstoff, vorzugsweise Heizöl-S/EL oder Erdgas, zugefeuert. Das entstehende Abgas 34 wird in den Verbrennungsraum 1 eingeleitet.
Die flüssige Asche aus dem Zyklon 16 wird in einem bekannten Granulierer 17 mit Wasserkühlung eingeleitet und abgekühlt. Die an das Wasserbad übertragene Schmelzwärme der Schlacke wird mittels einer Pumpe 18, die das erhitzte Wasser über einen Filter 19 und in einen Wärmetauscher 20 leitet, abgeführt. Der Wäremtauscher 20 gibt diese Wärmemenge an das vorzuwärmende Speisewasser des Dampferzeugers 27 ab.
Zum Schutz der Wände des Verbrennungsraums 1 wird unterhalb des Brennerebenen Rauchgas 31 über eine Verteilereinrichtung 21, die in Umfangsrichtung entlang der Wände angeordnet ist, fein verteilt als Schleiergas zugegeben.
In einem industriellen Dampfkraftwerk, das entsprechend dem in der Figur dargestellten Fließbild betrieben wird, wurde folgende Stoff-Mengenbilanz aufgestellt:
Kohlenstaubstrom, der über die Kohlemühlen 2 in den Feuerraum 1 eingebracht wird: 12 300 kg/h.
Gesamtstrom an Erdgas, das über Leitungen 9a, b, c in den Feuerraum 1 gegeben wird: 1000 Nm³/h.
Gesamtstrom Verbrennungsluft, die über das Frischluftebläse 11 mit anschließender Vorwärmung 3 in den Feuerraum 1 eingebracht wird: 117 000 Nm³/h.
Luft-/Brennstoffverhältnis am Ende des Feuerraums 1: 1,1.
NO_x-Gehalt gerechnet als NO₂ am Ende des Feuerraums 1: 195 mg/Nm³ (bezogen auf einen O₂-Gehalt von 6%). Bei konventioneller Fahrweise betrog der NO_x-Gehalt 800 bis 1000 mg/Nm³.
Flugstaubgehalt des Rauchgases 31 nach Feuerraum 1: ca. 15 g/Nm³.
Im Elektrofilter 5 abgeschiedene und über Dosierorgan 12 dem Zyklon 16 zugeführter Flugstaubstrom: 1660 kg/h.
Dem Zyklon 16 über Leitung 14 zugeführte Verbrennungsluft: 4000 Nm³/h
Im Granulierer 17 abgekühltes Schmelzkammergranulat: 1100 kg/h.
An den Wärmetauscher 20 zur Wiederverwertung übertragene Wärmeleistung: 800 KW.
Gesamtstrom an Rauchgasrezirkulation über die Mischer 4 in die Tragluft der Kohlemühlen 2: 2100 Nm³/h.
Gesamtstrom an Rauchgasrezirkulation zu den Brennern 22a, b, c über Leitung 10: 12 000 Nm³/h.
Schleiergasmenge über die Verteilereinrichtung 21: 3000 Nm³/h.

Claims

Verfahren zur Verbrennung von Kohle in einem Verbrennungsraum (1), vorzugsweise in Großfeuerungsanlagen von Dampfkesseln, bei dem man Verbrennungsluft (29) und Kohle (30) über mindestens einen Brenner (22a, b, c) in den Verbrennungsraum (1) einbringt und verbrennt und einen Teil der entstehenden Rauchgase (31) in den Verbrennungsraum (1) zurückführt, wobei man die Kohle (30) dem oder jedem Brenner (22a, b, c) mittels Förderluft (32) pneumatisch zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass man der Förderluft (32) einen Teil der zurückzuführenden Rauchgase (31) zugibt, dass man 10 bis 30 Vol.-% der von dem oder jedem Brenner (22a, b, c) erzeugten Rauchgase (31) über konzentrisch in der Brennerkohle angeordnete Rohre direkt in die Brennzone (23) des oder jeden Brenners (22a, b, c) einbläst und dass man in den Verbrennungsraum (1) zum Schutz der inneren Oberflächen des Verbrennungsraumes Rauchgas (31) als Schleiergas einleitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man der Förderluft (32) 5 bis 25 Vol.-% der Luftmenge an Rauchgasen (31) zugibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man 10 bis 30 Vol.-% der von dem oder jedem Brenner (22a, b, c) erzeugten Rauchgase (31) in den Flammenkern (28) des oder jeden Brenners (22a, b, c) einbläst.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man den Reduktionsbrennstoff dem oder jedem Brenner (22a, b, c) direkt in dessen Flammenkern (28) zuführt,
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Wärmeleistung des Reduktionsbrennstoffes an der gesamten Verbrennungswärmeleistung 5 bis 15% beträgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man aus den entstehenden Rauchgasen (31) Flugstaub (33) mit einem Kohlenstoffgehalt größer gleich 20 Gew.-% herausfiltert.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man den Flugstaub (33) in einer Schmelzfeuerung (16) verbrennt, die mit einer Luftzahl von 0,80 bis 1,00, vorzugsweise von ca. 0,9 betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass man der Verbrennungsluft (29) für die Schmelzfeuerung (16) 0 bis 15 Vol.-% Rauchgas (31) zuführt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzwärme der in der Schmelzfeuerung (16) anfallenden Schlacke nutzbringend verwendet wird, vorzugsweise zur Erwärmung von Wasser, insbesondere Kesselspeisewasser.