DE19801761A1 - Verfahren und Vorrichtung zur NO¶x¶-armen Verbrennung stickstoffhaltiger organischer und anorganischer Spezies - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verbrennung eines im wesentlichen gasförmigen Massenstroms, der als Stickstoffkomponente NO_x, HCN oder NH₃ oder ein Gemisch aus zwei oder mehr davon enthält, wobei bei der Anwesenheit von NH₃ zusätzlich noch mindestens NO_x oder HCN vorliegt.

Der übliche Weg zur Umwandlung fossiler Brennstoffe in Energie und Wärme besteht in der Flammenoxidation des Brennstoffs, wobei in der Regel Flammentemperaturen von 600°C bis 2000°C erreicht werden. Die industrielle Nutzung solcher Verbrennungsvorgänge hat dabei üblicherweise entweder die direkte Gewinnung von Wärme oder deren Sekundärprodukten in Form von mechanischer oder elektrischer Energie, oder aber die Ausnutzung des Verbrennungsvorgangs zur thermischen Stoffumwandlung schädlicher Substanzen in unschädliche Folgeprodukte zum Ziel. In der Regel wird als Oxidationsmittel bzw. als Verbrennungsluft die Außenluft zugeführt, wobei jedoch der darin enthaltene hohe Stickstoffanteil in Abhängigkeit von der Verbrennungstemperatur zu hohen NO_x-Emissionen führt.

Bei der Verbrennung mit Sauerstoffüberschuß wird zusätzlich der im Brennstoff enthaltene Stickstoff vollständig oder wenigstens teilweise in Stickstoffoxide (NO_x) umgewandelt, und dies führt in der Regel zu NO_x-Emissionswerten, welche die zulässigen Grenzwerte in den meisten Industrieländern überschreiten. Entstehen bei der Verbrennung zusätzlich noch CH-Radikale, so stellt dies eine weitere Quelle für die Bildung von Stickoxiden dar. Den hier geschilderten Bil­ dungsmechanismen, mit Ausnahme der NO_x-Bildung aus im Brennstoff enthaltenem Stickstoff (Brennstoff-N), läßt sich durch eine Absenkung der Flammenspitzentemperaturen erheblich entgegenwirken. Hierfür wurden zahlreiche Vorrichtungen und Verfahren, beispielsweise interne und externe Rauchgasrezir­ kulation oder Wasser- und Wasserdampfzugabe, entwickelt. Bei der internen und externen Rauchgasrezirkulation handelt es sich um ein Verfahren, bei dem das Rauchgas entweder in einer genügend großen Brennkammer oder durch Auskreisung aus der Brennkammer abgekühlt und an geeigneter Stelle zur Senkung der Flammenspitzentemperatur wieder eingekreist wird. Besondere Bedeutung kommt dabei der sogenannten inneren Rezirkulation zu, die eine intensive Vermischung der Flammengase mit relativ kalten Ofengasen beinhaltet. Ebenfalls bedeutend zur Reduzierung des NO_x-Anteils im Abgas und außerdem auch bei stickstoffhaltigen Brennstoffen wirksam ist eine zweistufige Verbrennung mit einer sogenannten gestuften Luftzugabe.

Hierbei wird dem Brennstoff in der ersten Verbrennungsstufe nur soviel Verbrennungsluft zugeführt, daß es nicht zu einem Sauerstoffüberschuß kommt und damit die im Brennstoff enthaltene, stickstoffhaltige Komponente (Brennstoff- N) durch die weitgehend reduzierenden Bedingungen zu molekularem Stickstoff abgebaut wird. In der zweiten Verbrennungsstufe findet dann eine Verbrennung mit Sauerstoffüberschuß statt, in der jedoch nur noch die thermische NO_x Bildung erfolgt, die im Vergleich zur Bildung von NO_x aus im Brennstoff enthaltenen stickstoffhaltigen Anteilen eine geringere Rolle spielt.

Ein ähnliches Problem liegt auch der aus dem Stand der Technik bekannten dreistufigen Verbrennung zugrunde, wobei zunächst durch Verbrennung mit Sauerstoffüberschuß Brennstoff-N gezielt unter NO_x-Bildung umgesetzt wird, während in einer zweiten Verbrennungsstufe durch einen Überschuß an Brenn­ stoff (außer Brennstoff-N) und Mangel an Sauerstoff durch reduzierende Bedingungen das gebildete NO_x wieder weitgehend zu molekularem Stickstoff reduziert wird. In der sich daran anschließenden dritten Verbrennungsstufe findet wieder lediglich thermische NO_x-Bildung statt, die eine untergeordnete Rolle bei der Gesamt-NO_x-Bildung spielt.

Besonders große Probleme treten dann auf, wenn durch den Verbrennungsvorgang Brennstoff-N-haltige, gasförmige Stoffe unschädlich gemacht und damit vernichtet werden sollen. In der chemischen und petrochemischen Industrie müssen des öfteren Abgasströme entsorgt werden, die hohe Anteile an Stoffspezies mit chemisch gebundenem Stickstoff enthalten. Unterwirft man solche Gasströme einer einstufigen Verbrennung, so sorgt der im Gas gebundene Stickstoff für ein drastisches Ansteigen der NO_x-Werte im Verbrennungsabgas, in der Regel weit über die zulässigen gesetzlichen Grenzwerte in den meisten Industrieländern hinaus. Solche Grenzwerte liegen üblicherweise bei etwa 200 mg/m₃ i.N. (trocken, im Normalzustand, als NO₂ gerechnet).

Zur Reduzierung der NO_x-Emissionen lassen sich beispielsweise die stufenweise Verbrennung oder aber eine dem Verbrennungsvorgang nachgeschaltete katalytische oder nicht-katalytische Entstickung der Rauchgase einsetzen. Beide Verfahren geben entweder keine ausreichende Sicherheit für dauerhaft niedrige Emissionen oder verursachen hohe Investitions- und Betriebskosten, die diese Form der Entsorgung stickstoffhaltiger Gasströme häufig unwirtschaftlich erscheinen lassen.

Unter "Brennstoff-N" wird im Rahmen des vorliegenden Textes der Stickstoffanteil in einem zu verbrennenden Gasgemisch verstanden, der nicht in Form molekularen Stickstoffs (N₂) vorliegt, sondern in chemisch gebundener Form. Beispiele für Stoffe in denen Stickstoff als "Brennstoff-N" vorliegt sind NO_x (z. B. NO, NO₂), N₂O, HCN und NH₃.

Die EP-B 0 463 218 betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einem Verbrennungsraum und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Zur Erzielung möglichst niedriger NO_x-Werte werden hierbei die Verbrennungsabgase, denen vorher aus dem System nach außen abgeführte Nutzwärme entzogen wurde, mit der vorgewärmten Verbrennungsluft in einem bestimmten Verbrennungsabgas-Rückführverhältnis durch interne Rezirkulation mit der Verbrennungsluft vermischt. Das Verbrennungsabgas- bzw. -luftgemisch wird dann im Verbrennungsraum mit dem Brennstoff unter Ausbildung einer Oxidationszone zusammengebracht, in der eine im wesentlichen flammenlose und pulsationsfreie Oxidation stattfindet.

Die DE-A 41 16 959 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Minderung der NO_x-Emission. Die Druckschrift beschreibt als Weg zu einer möglichst NO_x-emissionsarmen Verbrennung stickstoffhaltiger Brennstoffe eine stufenweise Reaktion, wobei in einer ersten Stufe eine Reduktion aller vorhandenen oder sich spontan bildenden Stickstoffoxide erfolgt und in einer nachfolgenden Stufe bzw. nachfolgenden mehreren Stufen eine Nachreaktion bis zur vollständigen Oxidation aller Reduktionskomponenten erfolgt. Neben dem Nachteil einer stufenweisen Durchführung des Verbrennungsvorgangs muß als weitere technische Maßnahme ein sogenannter Aktivierungsgenerator eingebaut werden, der aus einer Durchtrittsöffnungen aufweisenden Wand besteht. Ebenso ist es für die beschriebene Problemlösung von großer Bedeutung, daß in allen Reaktionsstufen, in denen ein unterstöchiometrisches Verhältnis zwischen durch die Verbrennungsluft zugeführtem Sauerstoff und Brennstoff besteht, zusätzlich Wasserdampf als Reaktionspartner zugeführt wird. Neben dem erhöhten technischen Aufwand einer mehrstufigen Reaktionsführung weist diese Lösung die Nachteile eines weiteren technischen Behandlungsschritts auf.

Die prioritätsältere, nicht-vorveröffentlichte DE-A 196 30 417 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur NO_x-armen Verbrennung ammoniakhaltiger Gase. Hierbei wird ein ammoniakhaltiger Gasstrom vor der unter Sauerstoffkontakt stattfindenden Verbrennung katalytisch in Stickstoff und Wasserstoff zerlegt. Das Verfahren ist auf ammoniakhaltige Gasströme begrenzt, eine NO_x-arme Verbrennung weiterer, gasförmiger stickstoffhaltiger Komponenten wird nicht beschrieben.

Problematisch, und mit den o.g. Verfahren nicht befriedigend oder nur unter hohem technischen Aufwand lösbar, war bislang die Entsorgung stickstoffhaltiger Spezies (außer Ammoniak, s. o.), die gasförmig, flüssig oder fest als zu entsorgende Nebenprodukte bei vielen chemischen Prozessen anfallen. Hierzu gehören beispielsweise NO, NO₂, N₂O und HCN als gasförmige Vertreter sowie Nitrobenzol, Acrylnitril und Acetonitril als Beispiele für flüssige Vertreter solcher schwer zu entsorgender stickstoffhaltiger Spezies.

Von den hier geschilderten Nachteilen des Standes der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das es ermöglicht, stickstoffhaltige Spezies (außer Ammoniak, s. o.), die gasförmig, flüssig oder gegebenenfalls fest als zu entsorgende Nebenprodukte bei vielen chemischen Prozessen anfallen, beispielsweise NO, NO₂, N₂O und/oder HCN als gasförmige Vertreter, sowie Nitrobenzol, Acrylnitril und Acetonitril als Beispiele für flüssige Vertreter, mit geringem technischem Aufwand zu entsorgen.

Bekanntermaßen entstehen bei der Pyrolyse pyrolisierbarer stickstoffhaltiger organischer Verbindungen hauptsächlich NO_x, HCN und NH₃. Die Verbrennung von Gasströmen mit einem Gehalt an diesen Substanzen führt zu den Eingangs genannten hohen NO_x-Gehalten der Verbrennungsabgase. Die NO_x-, HCN- und NH₃-Anteile im Verbrennungsabgas müssen daher mit hohem technischem Aufwand entweder schon während des Verbrennungsvorgangs unterdrückt, oder im Anschluß daran aus dem Abgas entfernt werden. Gelänge es, den Gehalt des bei der Pyrolyse entstehenden Gasgemischs an Brennstoff-N weitgehend zu entfernen, so ließen sich auch Abgasströme mit einem Gehalt an NO_x, HCN und NH₃ ohne großen technischen Aufwand entsorgen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es demnach, Gasströme mit einem Gehalt an NO_x, HCN oder NH₃ oder einem Gemisch aus zwei oder mehr davon, wobei bei der Anwesenheit von NH₃ zusätzlich noch mindestens NO oder HCN vorliegt, ohne aufwendige Sekundärmaßnahmen so zu verbrennen, daß die NO_x-Konzentration im Rauchgas weit unter den in den meisten Industrieländern geltenden gesetzlichen Grenzwerten, vorzugsweise unterhalb etwa 200 mg/m³ i.N. (trocken, im Normalzustand) bleibt.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der das erfindungsgemäße Verfahren verwirklicht werden kann.

Es wurde nun gefunden, daß sich bei der Verbrennung Brennstoff-N-haltiger Gasströme die Bildung schädlicher Stickoxide aus Brennstoff-N aufweisenden Gaskomponenten, beispielsweise NO_x, HCN oder NH₃ oder einem Gemisch aus zwei oder mehr davon, wobei bei der Anwesenheit von NH₃ zusätzlich noch mindestens NO_x oder HCN vorliegt, weitgehend unterdrücken läßt, wenn man die Brennstoff-N-haltige Gaskomponente vor der Verbrennung in ein Spaltgas, enthaltend N₂, H₂ (und gegebenenfalls CO, CO₂ und/oder H₂O), spaltet. Vorteilhafterweise läßt sich die Verbrennung des so entstandenen Spaltgases mit erdgasbetriebenen Impulsbrennern durchführen, wobei die Einspeisung des Spaltgases im Rückstromgebiet der Rauchgase des Impulsbrenners liegt. Diese Form der Einspeisung bewirkt, daß das Spaltgas mit einem ansteigenden O₂- Konzentrationsprofil beaufschlagt wird, was zu einer Senkung der Flammenspitzentemperatur beiträgt.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur NO_x-emissionsarmen Verbrennung eines Gasstroms, der als Brennstoff-N-haltige Gaskomponente mindestens NO_x, HCN oder NH₃ oder ein Gemisch aus zwei oder mehr davon enthält, wobei bei der Anwesenheit von NH₃ zusätzlich noch mindestens NO oder HCN vorliegt, bei dem die Brennstoff-N-haltige Gaskomponente vor der Verbrennung wenigstens weitgehend zu einem Spaltgas, enthaltend N₂, H₂ und gegebenenfalls CO, CO₂ und H₂O gespalten wird.

Im folgenden Text werden die gasförmigen Komponenten, die durch Pyrolyse stickstoffhaltiger, organischer Verbindungen erhältlich sind, als "Pyrolysegas" bezeichnet. Das Pyrolysegas stellt in der Regel die "Brennstoff-N-haltige Gaskomponente" dar, die Erfindung ist jedoch nicht auf Pyrolysegas beschränkt, sondern es kann jede gasförmige Zusammensetzung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden, die dem Pyrolysegas entspricht.

Die im Anschluß an die weiter unten beschriebene Spaltung des Pyrolysegases erhältliche gasförmige Komponente wird im weiteren Verlauf des Textes als "Spaltgas" bezeichnet.

Die aus der Verbrennung des Spaltgases in der Brennkammer entstehenden Gase werden im weiteren Verlauf des Textes als "Abgas" oder "Verbrennungsabgas" bezeichnet.

Stickstoffhaltige flüssige oder gasförmige Spezies, beispielsweise NO, NO₂, N₂O, HCN und NH₃ als gasförmige Vertreter sowie beispielhaft Nitrobenzol, Acrylni­ tril und Acetonitril als flüssige Vertreter, fallen bei vielen chemischen Produktionsprozessen an. So beispielsweise in der Petrochemie, bei der Herstellung und Verarbeitung von Aminen wie Hydroxylamin, bei der Pigmentreduktion, bei der Isocyanatherstellung oder bei der Herstellung von Aminen zur Polyamidproduktion.

Ein Rückführung dieser Nebenprodukte in den Produktionsprozeß ist häufig nicht möglich oder unwirtschaftlich, erfordert aber in der Folge eine Entsorgung der Nebenprodukte. Während sich die thermische Verwertung als Entsorgungsweg bei stofflich schwer zu verwertenden Stoffen häufig bewahrt hat, scheidet sie bei stickstoffhaltigen Stoffen aus Gründen der NO_x-Bildung und dem zur Reduzierung derselben erforderlichen Aufwand in der Regel aus. Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens praktizierte Abfolge von Verfahrensschritten läßt jedoch eine einfache und ökonomische thermische Verwertung solcher Nebenprodukte zu.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß die o.g. Nebenprodukte sich pyrolytisch weitgehend zu NO_x, HCN und NH₃ (inso­ fern sie nicht schon in der genannten Form vorliegen) spalten lassen. Das bei einer solchen Pyrolyse entstehende Gas wird im folgenden Text als "Pyrolysegas" bezeichnet, soweit nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.

Während die katalytische Zerlegung von Ammoniak in N₂ und H₂ in Umkehr der Bildungsgleichung bekannt war, wurde nun festgestellt, daß bestimmte, zur Ammoniakspaltung geeignete Katalysatoren auch die Spaltung weiterer Brennstoff- N-haltiger Gaskomponenten erlauben. Die Spaltprodukte sind frei von Brennstoff- N und tragen daher bei der Verbrennung nicht zur NO_x-Bildung aus Brennstoff- N bei.

In Umkehr der dem Fachmann allgemein bekannten Bildungsgleichung für Ammoniak aus den Komponenten Stickstoff und Wasserstoff, die üblicherweise bei extrem hohen Drücken und hohen Temperaturen abläuft, läßt sich Ammoniak bei Normaldruck und erhöhten Temperaturen wenigstens teilweise wieder in seine Ausgangskomponenten Stickstoff und Wasserstoff zerlegen. Besonders vorteilhaft und nahezu quantitativ verläuft diese Rückreaktion allerdings in Gegenwart von Katalysatoren, insbesondere in Gegenwart von Metallen oder Metalloxiden. Vorteilhafterweise erfolgt daher die Zerlegung des Pyrolysegases im erfindungsgemäßen Verfahren katalytisch durch Metalle und/oder Metalloxide. Im folgenden wird der Begriff "Katalysator" synonym sowohl für katalytisch wirksame Metalle als auch für Metalloxide gebraucht.

Spaltet man das oben beschriebene Pyrolysegas (in der Regel Ammoniak in Gegenwart von HCN und/oder NO_x) katalytisch, so erhält man unter Beachtung der notwendigen stöchiometrischen Verhältnisse ein Spaltgas, das im wesentlichen nur noch N₂, H₂ und gegebenenfalls CO (bei der Anwesenheit von HCN im Pyrolysegas) und/oder H₂O und CO₂ enthält. Ein solches Gasgemisch ist damit weitgehend frei von Brennstoff-N und kann anschließend mit bekannten Verfahren zur Vermeidung von thermischer und prompter NO_x-Bildung verbrannt werden.

Die Spaltung von Brennstoff-N-haltigen Gaskomponenten erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise katalytisch, wobei zur katalytischen Spaltung Katalysatoren eingesetzt werden, die Metalle und/oder Metalloxide enthalten.

Beim Einsatz von Metallen als Katalysatoren zur Pyrolysegasspaltung ist es vorteilhaft, wenn das als Katalysator zur katalytischen Spaltung eingesetzte Metall Nebengruppenelemente wie Chrom, Titan, Niob, Molybdän, Nickel, Vanadium oder Eisen, beispielsweise in Form einer Mischung oder Legierung, enthält. Gegebenenfalls können die einzelnen Metalle auch in reiner Form eingesetzt werden. Als besonders vorteilhaft und damit als bevorzugt hat sich die Verwendung von Edelstahl als Katalysator erwiesen, wobei dem Edelstahl die aufgezählten Elemente in wechselnden Zusammensetzungen und unterschiedli­ chen Mengen beigemischt sind. Hierfür kommen insbesondere solche Edelstähle in Frage, wie sie beispielsweise in der DIN 17440 oder in der DIN 17441 beschrieben sind. Besonders geeignet ist der nach DIN 17440 mit dem Kurznamen X6CrNiTi 18 10 bezeichnete Edelstahl. Es ist hierbei in der Regel ausreichend, wenn der Spaltreaktor, oder zumindest dessen mit dem zu spalten­ den Gas in Kontakt stehende Innenfläche, das Katalysatormetall enthält. Eine Oberflächenvergrößerung, beispielsweise durch Aufrauhen ist in diesem Fall nicht nötig.

Ebenfalls bevorzugt und im Hinblick auf den Wirkungsgrad bei der katalytischen Spaltung von Brennstoff-N-haltigen Gaskomponenten als gleichwertig anzusehen ist der Einsatz eines Metalloxids oder eines Gemischs von zwei oder mehr Metalloxiden. Grundsätzlich geeignet sind hierzu die Oxide der oben genannten Metalle, wobei allerdings die Verwendung von Nickeloxid als Metalloxid besonders bevorzugt ist. Das Metalloxid oder das Gemisch aus zwei oder mehr Metalloxiden kann beispielsweise Bestandteil der mit dem zu spaltenden Gas in Kontakt tretenden Innenfläche des Spaltreaktors sein, in der Regel wird das Metalloxid jedoch bevorzugt in pulverisierter Form in einer Schüttung innerhalb des Spaltreaktors angeordnet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Katalysator damit Edelstahl und/oder Nickeloxid.

Die Spaltung des Pyrolysegases findet zweckmäßigerweise in einem rohrförmigen, mit Katalysatormaterial beschickten oder Katalysatormetall enthaltenden oder aus Katalysatormetall bestehenden Reaktor mit kreisförmigen, ovalen, rechteckigen oder quadratischen Querschnitten statt, wobei gegebenenfalls andere Formen wie beispielsweise die Ausbildung als Stern oder n-Eck sinnvoll sein können. Der rohrförmige Reaktor wird im folgenden auch "Spaltreaktor" genannt.

Zur Beheizung des Spaltreaktors kann gegebenenfalls eine externe Energiequelle eingesetzt werden, besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die gewünschte Katalysatortemperatur wenigstens weitgehend durch die aus der Feuerungsleistung des Brenners erhältliche Energie aufrechterhalten wird.

Es ist ebenfalls möglich, die zur Verbrennung eingesetzte Verbrennungsluft auf eine erhöhte Temperatur vorzuwärmen. Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet auch dann noch einwandfreie Einhaltung der gewünschten Grenzwerte, wenn die zur Verbrennung benötigte Luft auf bis zu 1000°C vorgewärmt wird. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn die Lufttemperatur etwa 100°C bis etwa 600°C und insbesondere etwa 200°C bis etwa 400°C beträgt.

Vorteilhafterweise enthält das entstehende, zur Verbrennung vorgesehene Spaltgas nur die Komponenten N₂, H₂ und gegebenenfalls CO, CO₂ und H₂O, da so eine optimale, NO_x-emissionsarme Verbrennung gewährleistet ist.

Gegebenenfalls kann Verrußung (bei O-Unterschuß) oder starke NO_x-Bildung (bei O-Überschuß) auftreten und den Spaltprozeß empfindlich stören. Es ist demnach sinnvoll, und im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens als bevorzugte Verfahrensvariante vorgesehen, wenn bei einer Abweichung der Zusammensetzung des Pyrolysegases von der im Spaltreaktor erforderlichen, bezüglich der Spaltung stöchiometrischen Zusammensetzung von C, N und O gegebenenfalls gasförmige Komponenten, beispielsweise NH₃, O₂, Luft, H₂, H₂O oder CO₂ dem Pyrolysegasstrom zugeführt werden können, um für eine geeignete Stöchiometrie beim anschließenden Spaltprozeß zu sorgen. Die Zuführung erfolgt dabei vorteilhafterweise durch eine oder mehrere Gaszu­ führungsdüsen, die gleichzeitig und/oder getrennt ansteuerbar entlang der Gaspassage im Spaltreaktor angeordnet sind. Im Falle des Einsatzes eines Metalloxidkatalysators sind die Gaszuführungsdüsen vorteilhafterweise in der Katalysatorschüttung angebracht. Die Anwesenheit von gegebenenfalls bei der Spaltung entstehendem Wasser im Spaltgasstrom wirkt sich auf den Erfolg des erfindungsgemaßen Verfahrens nicht störend aus.

Eine besonders hohe Wirksamkeit entfaltet der eingesetzte Katalysator dann, wenn er auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird. Gute Ergebnisse lassen sich in einem Temperaturbereich von etwa 200°C bis etwa 1200°C erreichen, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn der Katalysator eine Arbeitstemperatur von etwa 500°C bis etwa 1000°C, bevorzugt etwa 650°C bis 1000°C, erreicht. Da der Katalysator sich innerhalb des Spaltreaktors befindet, bzw. die mit dem zu spaltenden Gasgemisch in Kontakt tretenden Flächen des Spaltreaktors den Katalysator enthalten oder der Spaltreaktor sogar aus dem als Katalysator eingesetzten Material besteht ist in der Regel die Katalysatortemperatur mit der Temperatur des Spaltreaktors etwa identisch. Ausnahmen können sich ergeben, wenn der Spaltreaktor zur Vermeidung von Überhitzung an ein Wärmetauschersystem gekoppelt ist.

Gegebenenfalls kann bei bestimmten Gemischen von Inhaltsstoffen im Pyrolysegas eine stark exotherme Reaktion auftreten (beispielsweise bei der Anwesenheit großer Mengen NO_x bei gleichzeitiger Anwesenheit von H₂), welche die Katalysatortemperatur über den für ideale Reaktionsbedingungen erforderlichen Temperaturbereich erhöht. In diesem Fall kann zur Kühlung des Reaktionsgemischs Wasser zudosiert werden, oder es kann eine externe Kühlung des Spaltreaktors durch Wasserzugabe in den Brennraum erfolgen. Zusätzlich zu dieser Maßnahme kann der Brennraum durch entsprechend dimensionierte Leitbleche so gestaltet werden, daß durch den eingesetzten Brenner eine besonders intensive Rezirkulationsströmung im Bereich des Spaltreaktors hervorgerufen wird, die eine ausreichende Temperierung des Spaltreaktors ermöglicht.

Es ist ebenso möglich, den Spaltreaktor an einen Wärmetauscher zu koppeln, mit dessen Hilfe die durch die exotherme Reaktion freigesetzte Reaktionswärme teilweise abgeführt werden kann.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es sinnvoll, jedoch nicht zwingend vorausgesetzt, daß es sich bei der in den Spaltreaktor eingespeisten, Brennstoff- N-haltigen Gaskomponente ausschließlich um Pyrolysegas handelt. Es ist eben­ sogut möglich, daß das Pyrolysegas mit einem aus einer anderen Quelle stammenden Gasstrom, der beispielsweise als Trägergas genutzt werden soll, vermischt ist. Vorteilhafterweise stammt jedoch die Brennstoff-N-haltige Gaskomponente wenigstens anteilig aus dem pyrolytischen Abbau stickstoffhaltiger organischer Spezies. Der Anteil an Pyrolysegas in der Brennstoff-N-haltigen Gas­ komponente kann daher im Rahmen des erfindungsgemaßen Verfahrens in weiten Grenzen variieren. So sind Pyrolysegasanteile von weniger als etwa 1 Gew.-% an der gesamten Brennstoff-N-haltigen Gaskomponente möglich, die Obergrenze liegt bei 100 Gew.-% Pyrolysegas. Unterhalb eines Anteils von etwa 1 Gew.-%, beispielsweise bei etwa 0,5 Gew.-% oder darunter ist eine Durchführung des Verfahrens zwar möglich, jedoch wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll. Zwischen den Grenzen von etwa 1 Gew.-% und etwa 100 Gew.-% ist jedoch jede beliebige Menge an Pyrolysegas mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitbar. So können Anteile von beispielsweise 10 Gew.-%, 20 Gew.-%, 40 Gew.-%, 60 Gew.-% oder 80 Gew.-% Pyrolysegas mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gespalten und anschließend NO_x-emissionsarm verbrannt werden.

Um durch Anwendung des erfindungsgemäßen, einstufigen Verbrennungsverfahrens möglichst niedrige NO_x-Emissionen zu gewährleisten, sollte die Spaltung der Brennstoff-N-haltigen Gaskomponente im Spaltreaktor vor dem Eintritt in die Brennkammer möglichst vollständig abgelaufen sein, d. h., das Spaltgas sollte im wesentlichen nur die Komponenten N₂, H₂ und CO (sowie gegebenenfalls CO₂ und/oder H₂O) enthalten. Eine Ausnahme hiervon bilden inerte Gase, die nicht zur NO_x-Bildung beim Verbrennungsvorgang beitragen. Solche Gase können im Spaltgas in beliebigen Mengen vorliegen. Wie weit die Pyrolysegasspaltung im Spaltreaktor durchgeführt werden sollte, hängt von der Beladung der eingespeisten Brennstoff-N-haltigen Gaskomponente mit Pyrolysegas ab. Enthält das Abgas nur geringe Pyrolysegasmengen, so kann unter Umständen eine Ausbeute bei der Spaltung von beispielsweise 30, 40 oder 50% ausreichend sein. In der Regel wird es jedoch so sein, daß die Brennstoff- N-haltige Gaskomponente mit größeren Pyrolysegasmengen belastet ist. Da davon auszugehen ist, daß die in die Brennkammer eintretenden Brennstoff-N-haltigen Gaskomponenten zu wenigstens 80% in Stickoxide umgewandelt werden, sollten im Spaltgas in der Regel nur noch höchstens etwa 200 ppm, vorteilhafterweise höchsten etwa 150 ppm und insbesondere höchstens etwa 100 ppm Brennstoff-N- haltige Gaskomponenten enthalten sein. Dies bedeutet, daß die Spaltausbeute des Katalysators, beispielsweise bezogen auf eine Pyrolysegaskonzentration von 100% vor dem Eintritt in den Spaltreaktor, wenigstens zu 99,98% ablaufen sollte. Vorteilhafterweise beträgt die Spaltausbeute mindestens 99,99% oder noch mehr. Höhere Spaltausbeuten haben selbstverständlich eine noch weitere Reduktion der NO_x-Emissionen zur Folge. Bei niedrigeren Konzentrationen von Brennstoff-N- haltigen Gaskomponenten kann selbstverständlich auch mit einer geringeren Spaltleistung der Spaltreaktoren ein niedrige NO_x-Emissionswert erreicht werden. So ist beispielsweise bei einer Konzentration von 10% Pyrolysegas vor Eintritt in den Spaltreaktor eine Spaltleistung von 99,9% ausreichend, um beispielsweise die Konzentration von 100 ppm im in die Brennkammer einzuspeisenden Gas einzuhalten. Eine weitere Reduktion des Pyrolysegasgehalts vor Eintritt in den Spaltreaktor auf beispielsweise 1% erfordert nur noch eine 99%ige Spaltausbeute des Katalysators. Die entsprechenden Leistungserfordernisse für andere Pyroly­ segaskonzentrationen sind vom Fachmann sehr leicht selbst zu errechnen. Unter einer "wenigstens weitgehenden Spaltung wird daher eine solche Spaltausbeute verstanden, die im dem Spaltreaktor entströmenden Spaltgas höchstens 300 ppm, besonders weniger als 250 ppm und insbesondere 100 ppm oder weniger Brennstoff-N-haltige Komponenten beläßt.

Eine weitere Möglichkeit zur Regelung der Spaltleistung des Katalysators besteht in der geeigneten Wahl der Verweildauer der zu spaltenden Brennstoff-N-haltigen Gaskomponente im Spaltreaktor. In der Regel sollte die Verweildauer etwa 0,1 bis 10 Sekunden betragen, wobei Verweildauern von 0,2 bis 5 Sekunden und insbesondere 0,3 bis 3 Sekunden besonders bevorzugt sind. In der Regel lassen sich mit Verweildauern im Bereich von etwa 0,5 bis 2,5 Sekunden sehr gute Ergebnisse erzielen.

Die Verweildauer der zu spaltenden Brennstoff-N-haltigen Gaskomponente im Spaltreaktor ist auch von dessen Temperatur abhängig. In der Regel wird es so sein, daß mit zunehmender Temperatur des Spaltreaktors eine kürzere Verweildauer für eine wenigstens weitgehende Spaltung, beispielsweise des Pyrolysegases, notwendig ist. Während für den Spaltreaktor von etwa 700 bis 900°C die Verweildauer des Gases im Spaltreaktor etwa 0,5 bis 5 Sekunden betragen sollte, läßt sich bei einer Erhöhung der Temperatur die zur wenigstens weitgehenden Spaltung notwendige Verweildauer noch deutlich reduzieren. So ist es in Abhängigkeit von der Katalysatorwirksamkeit beispielsweise möglich, bei Spaltreaktortemperaturen von 900 bis etwa 1000°C mit Verweildauern von weniger als 0,5, bevorzugt weniger als 0,4 und insbesondere bevorzugt weniger als 0,3 Sekunden eine wenigstens weitgehende Spaltung von Pyrolysegas im Abgas zu erreichen. Eine Optimierung von Verweildauer und Katalysatortemperatur ist für den Fachmann anhand weniger Routineversuche möglich.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren entsorgbaren Gasströme enthalten gegebenenfalls neben dem Pyrolysegas noch Komponenten, die sich auf den Katalysatorbetrieb störend auswirken können. Durch den in der Regel unter reduzierenden Bedingungen ablaufenden Betrieb des Spaltreaktors können kohlenwasserstoffhaltige oder zumindest weitgehend aus Kohlenwasserstoffen aufgebaute Verunreinigungen zur Rußbildung und damit kurzfristig zur Desaktivierung der Katalysatoroberfläche führen. Insbesondere Kohlenwasserstoffe wie Methan, Ethan, Propan sowie höhere, unverzweigte oder verzweigte Paraffine, unverzweigte oder verzweigte Olefine sowie Alkohole, wie beispielsweise Methanol, Ethanol, Propanol oder Butanol bewirken eine starke Rußbildung im Spaltreaktor. Hierdurch steigen, bedingt durch das Ausbleiben der Pyrolysegasspaltung, in der Regel schon nach kurzer Zeit die NO_x-Werte über den gewünschten bzw. zulässigen Grenzwert an. Eine solche Rußbildung läßt sich dadurch verhindern, daß dem Abgasstrom eine geringe Menge Sauerstoff zugeführt wird, die gerade so groß ist, daß eine Oxidation der Verunreinigungen zu einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas stattfindet. In der Regel läßt sich eine solche Oxidation dadurch erreichen, daß etwa die Hälfte des zur vollständigen Verbrennung der Verunreinigungen notwendigen Sauerstoffs dem Abgas zugemischt wird. Durch die Sauerstoffzugabe wird üblicherweise kein Anstieg der NO_x-Werte im Verbrennungsabgas beobachtet, sondern es lassen sich auf diese Weise Werte erreichen, die denen ohne kohlenwasserstoffhaltige Verunreinigungen im Abgas entsprechen.

In der Regel enthält Pyrolysegas etwa 0,01 bis etwa 99 Gew.-% Kohlenwasserstoffe.

Es ist zunächst für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unerheblich, woher der Gasstrom, der als Brennstoff-N-haltige Gaskomponente insbesondere NO_x. HCN oder NH₃ oder ein Gemisch aus zwei oder mehr davon enthält, wobei bei der Anwesenheit von NH₃ zusätzlich noch mindestens NO_x oder HCN vorliegt, stammt. Er kann beispielsweise direkt aus einer chemischen Reaktion an einem anderen als dem Verbrennungsort entstehen und dann, gegebenenfalls mit zeitlicher Verzögerung, zum Verbrennungsort transportiert werden, oder er kann direkt am Verbrennungsort erzeugt werden, bevorzugt durch Pyrolyse eines der eingangs genannten Nebenprodukte, wobei der im wesentlichen gasförmige Massenstrom dem Pyrolysegas entspricht.

Bevorzugt eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Entsorgung und thermischen Verwertung stickstoffhaltiger, organischer Spezies.

Gegenstand der Erfindung ist demnach auch ein Verfahren zur thermischen Verwertung einer stickstoffhaltigen, organischen Spezies, bei dem eine stickstoffhaltige organische Spezies zu einem eine Brennstoff-N-haltige Gaskom­ ponente, insbesondere NO_x, HCN oder NH₃, oder ein Gemisch aus zwei oder mehr davon, enthaltenden Gasstrom (Pyrolysegas) pyrolysiert wird, die Brennstoff-N-haltige Gaskomponente anschließend wenigstens weitgehend in die Spaltprodukte N₂, H₂ und gegebenenfalls CO, CO₂ und/oder H₂O, oder ein Gemisch aus zwei oder mehr davon gespalten und die Spaltprodukte nachfolgend in einer Brennkammer verbrannt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der im wesentlichen gasförmige Massenstrom, vorzugsweise das Pyrolysegas, direkt am Verbrennungsort erzeugt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Erzeugung des Massenstroms wenigstens teilweise innerhalb des zur Verbrennung des Spaltgases vorgesehenen Brennraums stattfindet. Besonders bevorzugt ist es, wenn wenig­ stens ein Teil der zur Pyrolyse der Nebenprodukte erforderlichen Energie aus der Verbrennung der Spaltgase stammt.

Es ist im Rahmen der erfindungsgemaßen Verfahrens besonders bevorzugt, wenn die Pyrolyse der Nebenprodukte in einer Pyrolysevorrichtung stattfindet, die direkt innerhalb des Brennraums einer zur Verbrennung der Spaltgase vorgesehenen Brennkammer angeordnet ist. Die Pyrolysevorrichtung mündet in einen Spaltreaktor, in dem die Spaltung der Pyrolysegase stattfindet. Die Verweildauer der Nebenprodukte in der Pyrolysevorrichtung wird mindestens so bemessen, daß eine vollständige Pyrolyse, insbesondere zu NH₃, HCN und/oder NO_x stattfinden kann.

Vorteilhafterweise stammt die zur Pyrolyse der stickstoffhaltigen organischen Spezies erforderliche Energie wenigstens teilweise aus der Verbrennung des Spaltgases. In besonderen Fällen, beispielsweise aufgrund einer ungünstigen Geometrie des Brennraums oder aufgrund zu geringer Energieerzeugung bei der Verbrennung der Spaltgase, kann es jedoch vorkommen, daß die Pyrolyse eine externe Energiezufuhr erforderlich macht. Dies läßt sich beispielsweise durch die Zuschaltung eines Brenners in der Pyrolyseeinrichtung erreichen, wobei der Brenner vorteilhafterweise mit einem unterstöchiometrischen Luft/Gas-Gemisch betrieben wird.

Da viele im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu entsorgende Nebenprodukte im flüssigen oder festen Aggregatzustand vorliegen, ist es erforderlich und zweckmäßig, der Pyrolysevorrichtung eine Verdampfungsvorrichtung (Verdampfer) zuzuordnen, in der die zu pyrolysierenden Nebenprodukte in die Gasphase überführt werden. Die Verdampfungsvorrichtung kann in beliebigem räumlichen Verhältnis zur Pyrolyseeinrichtung angeordnet sein, vorteilhafterweise befindet sich die Verdampfungseinrichtung jedoch ebenfalls innerhalb der Brennkammer der Verbrennungseinrichtung. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß wenigstens ein Teil der zur Verdampfung notwendigen Energie aus der Verbrennung der Spaltgase stammt. Die Nebenprodukte können auf beliebige Weise in den Verdampfer eingebracht werden, vorzugsweise findet jedoch eine Einspritzung in den Verdampfer statt, wobei die Nebenprodukte dem Verdampfer über eine Düse in zerstäubter Form zugeführt werden.

Die Nebenprodukte können in konzentrierter Form dem Verdampfer zugeführt werden, es können jedoch auch Lösungen oder in anderer Weise einspritzbar präparierte Zubereitungsformen des Nebenproduktes eingesetzt werden. Handelt es sich bei dem zu pyrolysierenden Nebenprodukt um einen Feststoff, so kann anstatt eines Verdampfers auch ein Vergaser (Feststoffvergaser) eingesetzt werden.

Bei der Zuführung der zu pyrolisierenden stickstoffhaltigen organischen Spezies in den Verdampfer/Vergaser können weitere Substanzen, beispielsweise Luft, Wasserstoff, NH₃, inerte Trägergase oder Wasserdampf der Verbrennungsvorrichtung zugeführt werden. Insofern sich eine zu pyrolysierende stickstoffhaltige organische Spezies in der Pyrolysevorrichtung nicht vollständig, d. h. möglichst ohne Rußbildung und ohne NO_x-Bildung pyrolysieren läßt, wird die stickstoffhaltige organische Spezies vorzugsweise durch Zugabe von Luft (bei einem Mangel an Oxidationsmitteln, d.g. in der Regel bei einem C-Überschuß) oder einem Reduktionsmittel, wie H₂ oder NH₃ (In der Regel bei einem NO_x- oder O-Überschuß) in unterstöchiometrischem Verhältnis, jeweils bezogen auf C, N oder O, vergast.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vorzugsweise in Brennkammern unter Einsatz sogenannter Impulsbrenner. Impuls- oder Hochgeschwindigkeitsbrenner zeichnen sich dadurch aus, daß sie einen Düsenaustritt für die Verbrennungsluft besitzen, die den Hauptanteil des Verbrennungsluftmassenstroms ausmacht. Durch die mit hohem Austrittsimpuls aus der oder den Eintrittsdüsen ausströmende Verbrennungsluft kommt es in der Umgebung der Austrittsdüsen zu einer Injektorwirkung, durch die Verbrennungsabgase aus dem Heizraum angesaugt und der Verbrennungsluft zugemischt werden. Der Eintritt eines solchen Effekts ist stark von der Austritts- bzw. Strömungsgeschwindigkeit der den Düsen entweichenden Verbrennungsluft abhängig. In der Regel geht man davon - aus, daß bei Impulsbrennern der im erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise eingesetzten Art Austrittsgeschwindigkeiten von etwa 80 bis etwa 120 in/sec erforderlich sind. Bei entsprechender baulicher Anlage des Verbrennungsraums kann dieser Wert jedoch- auch noch höher liegen. So ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch bei Austrittsgeschwindigkeiten von mehr als 130, 140 oder 150 in/sec problemlos möglich. Auch niedrigere Austrittsgeschwindigkeiten als 80 m/sec stellen für die Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens kein Hindernis dar. So läßt sich ein entsprechender Gasrückstrom auch noch bei Austrittsgeschwindigkeiten von weniger als 80 m/sec, wie beispielsweise 70 oder 60 m/sec, verwirklichen. Austrittsgeschwindigkeiten von weniger als 60 in/sec erfordern zur Erzeugung eines genügend starken Abgasrückstroms eine spezielle Ausgestaltung der Brennkammer.

Unter Impulsbrennern im erfindungsgemäßen Sinne werden daher solche Brenner verstanden, bei denen die Austrittsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft hoch genug ist, um einen ausreichenden Abgasrückstrom zu gewährleisten. Die Strö­ mung der im Brennraum vorhandenen Heizgase in Richtung der Eintrittsdüsen für die Verbrennungsluft wird im folgenden auch als "Rückstrom" bezeichnet. Solche Impulsbrenner, die zunehmend für die Umwandlung von Brennstoffenergie in Wärme eingesetzt werden, werden in der Regel einstufig betrieben und stellen auch auf Grund der für sie benötigten einfachen baulichen Verhältnisse eine ausgezeichnete Basis für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist demnach eine Verbrennungsvorrichtung zur NO_x-emissionsarmen Verbrennung eines Gasstroms, der eine Brennstoff-N-haltige Gaskomponente, insbesondere NO_x, HCN oder NH₃ oder ein Gemisch aus zwei oder mehr davon enthält, wobei bei der Anwe­ senheit von NH₃ zusätzlich noch mindestens NO_x oder HCN vorliegt, auf­ weisend

• a) eine Brennkammer,
• b) einen Brenner und
• c) einen Spaltreaktor mit einer Zuführung für den Gasstrom,

wobei die mit dem Gasstrom in Kontakt tretende Oberfläche des Spaltreaktors ein Material aufweist oder der Spaltreaktor im Innenraum ein Material enthält, das zur katalytischen Zerlegung der Brennstoff-N-haltigen Gaskomponente in ein Spaltgas, enthaltend N₂

, H₂

oder CO, oder ein Gemisch aus zwei oder mehr davon, geeignet ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Brenner um einen Impulsbrenner.

Die Beschickung der Brennkammer mit dem Spaltgas erfolgt zweckmäßigerweise durch die Austrittsöffnungen der Spaltreaktoren selbst. Zu diesem Zweck werden die rohrförmigen Spaltreaktoren mit der Austrittsöffnung axial oder radial zur Eintrittsrichtung der Verbrennungsluft und des Brenngases durch entsprechende Durchtrittsöffnungen in einer Ebene zum Eintritt der Verbrennungsluft und des Brenngases in den Brennraum eingeführt. Gegebenenfalls kann der Spaltreaktor bei Minimierung der geometrischen Abmessungen und gleichzeitiger Maximierung der Verweildauer des Gases im Spaltreaktor eine spiralförmig gewundene Raumform (Wendelform) einnehmen. Denkbar sind hier neben der Wendelform alle solchen Raumformen, die bei relativ geringen äußeren Abmessungen eine Maximierung der Verweildauer im Spaltreaktor erreichen. So wäre z. B. auch eine Lamellenform oder eine mehrstufige Wendelform, wobei Windungen unter­ schiedlichen Durchmessers konzentrisch ineinander angeordnet sind, denkbar.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform ist der das Katalysatormetall enthaltende Spaltreaktor spiralförmig entlang der Innenwand der Brennkammer angeordnet. Die Länge des Spaltreaktors und damit die Zahl der Windungen sowie deren Steigung wird an die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-N- haltigen Gases angepaßt, so daß dessen Verweilzeiten im Spaltreaktor in der schon dargelegten Form eingehalten werden. Entsprechend kann die Beschickung des Spaltreaktors mit dem Brennstoff-N-haltigen Gas an einer beliebigen Stelle längs des Reaktors geschehen, solange die notwendige Verweilzeit des Gases im Spaltreaktor eingehalten wird. Der Austritt der Spaltgase kann sowohl axial als auch radial zum Strom der Verbrennungsluft erfolgen; im Falle einer radialen Einspeisung sollte die Austrittsgeschwindigkeit der Spaltgase in die Brennkammer jedoch Werte von 1/2 bis 1/15 der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft nicht überschreiten. Vorteilhafterweise liegt beim radialen Lufteintritt die Strömungsgeschwindigkeit der Spaltgase bei einem Wert von etwa einem Zehntel der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft. In typischen Impulsbrennern entspricht dies einer Austrittsgeschwindigkeit der Spaltgase von etwa 8 bis 60 Metern pro Sekunde. Neben dem axialen oder radialen Eintritt der Spaltgase relativ zur Austrittsrichtung der Verbrennungsluft sind auch noch alle anderen Winkel zwischen 0° und 180° relativ zur Achse des Verbrennungsluftaustritts denkbar, wobei in der Regel jedoch Winkel zwischen 0° und 90°, insbesondere etwa 0° oder etwa 90°, bevorzugt sind. Ent­ sprechende Anordnungen kann der Fachmann leicht anhand der Effektivität des Verbrennungsvorgangs kontrollieren.

Je nach Größe der Brennkammer, Leistung des Brenners sowie zu entsorgender Brennstoff-N-haltiger Gasmenge können ein oder mehrere Spaltreaktor/en in der Brennkammer angebracht sein. Die Spaltreaktoren werden dabei vorzugsweise konzentrisch um einen gedachten Kreis mit der Austrittsöffnung des Brenngases als Mittelpunkt und dem Radius der Austrittsöffnung der Verbrennungsluft angeordnet, es sind jedoch auch andere geometrische Anordnungen denkbar. Ebenfalls ist es denkbar, daß die Austrittsöffnungen der Spaltreaktoren nicht im Inneren der Brennkammer liegen, sondern die Zerlegung des Brennstoff-N- haltigen Gases in das Spaltgas an anderer Stelle stattgefunden hat. Die Einspei­ sung des daraus entstandenen Gasgemischs muß jedoch immer im Rück­ stromgebiet der Verbrennungsabgase liegen.

Es ist jedoch für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, wenn sich zumindest mindestens eine Austrittsöffnung des Spaltreaktors im Inneren der Brennkammer im Rückstromgebiet der Ver­ brennungsabgase befindet.

Ein weiteres Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist es, daß der Spaltreaktor zur Spaltung des Pyrolysegases vorzugsweise beheizt ist. Es ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Spaltreaktor durch die aus der Feuerungsleistung des Brenners entstehende Energie beheizt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dies dadurch erreicht, daß der Spaltreaktor sich zumindest teilweise im Inneren der Brennkammer befindet₁ wobei er vorzugsweise der Länge nach zumindest teilweise in das Innere der Brennkammer hineinragt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine

d) Pyrolysevorrichtung

auf. Die Pyrolysevorrichtung kann sich in beliebiger räumlicher Anordnung zu Brennkammer, Brenner und Spaltreaktor befinden, vorzugsweise ist die Pyrolysevorrichtung jedoch innerhalb der Brennkammer angeordnet. Die Pyrolysevorrichtung verfügt über eine durch Gasfluß kommunizierende Verbindung zum mindestens einen Spaltreaktor.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine

e) Verdampfer-/Vergaservorrichtung

auf, welche die zu pyrolysierenden Stoffe in einen Zustand überführt, in dem sie in die Pyrolysevorrichtung eingespeist werden können. Die Verdampfer- /Vergaservorrichtung ist vorzugsweise innerhalb der Brennkammer angeordnet, so daß die zur Verdampfung/Vergasung des zu pyrolysierenden Stoffes notwendige Energie direkt aus dem in der Brennkammer stattfindenden Verbrennungsvorgang erhältlich ist. In der Regel ist eine (1) Verdampfer- /Vergaservorrichtung für den im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu erfüllenden Zweck ausreichend, üblicherweise können der Verdampfer- /Vergaservorrichtung auch gleichzeitig, beispielsweise über verschiedene Zuleitungen, verschiedene zu verdampfende/vergasende Stoffe zugeführt werden. Gegebenenfalls können jedoch (beispielsweise um eine bestimmte Stöchiometrie einzuhalten) mehrere Verdampfer-/Vergaservorrichtungen gleichzeitig in der Brennkammer angeordnet sein. Die Verdampfer-/Vergaservorrichtung kann aus einem oder aus mehreren unterschiedlichen Materialien bestehen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

In der Zeichnung ist beispielhaft eine aus einer Vielzahl möglicher erfindungsgemäßer Vorrichtungen ausgewählte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Es zeigt die

Fig. 1 eine schematische Übersicht über eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung mit einem Verdampfer und einem Spaltreaktor, die

Fig. 2 den Verdampfer im Längsschnitt, die

Fig. 3 den zur Wendelform gewundenen Spaltreaktor im Längsschnitt, die

Fig. 4 eine weitere schematische Übersicht über eine weitere Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die

Fig. 5 eine weitere Anordnung mit veränderter Strömungsführung, die

Fig. 6 noch eine Anordnung mit gegenüber einem in Fig. 5 dargestellten geänderten konstruktiven Aufbau und die

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie A-A aus Fig. 6.

Gemäß Fig. 1 befindet sich in einer ausgemauerten Brennkammer 1 in der Stirnwand ein Flox®-Brenner 2, der mit Erdgas 3 und Luft 4 betrieben wird. Im Flox®-Brenner 2 wird die Verbrennungsluft 4 über spezielle Düsen zugegeben, welche die Verbrennungsluft 4 mit einem hohen Eintrittsimpuls als Luft-Freistrahlen 5 in die Brennkammer 1 befördern.

Die Einsaugleistung der Luft-Freistrahlen 5 ist so groß, daß es zur Ausbildung eines kräftigen Verbrennungsabgas-Rückstromgebietes (Rezirkulationsströmung) 6 kommt, das durch eine hohe Rückvermischung der Verbrennungsabgase mit der Verbrennungsluft 4 gekennzeichnet ist. Dadurch kommt das Erdgas 3 nicht direkt mit Verbrennungsluft 4, sondern mit einem Verbrennungsluft-Rauchgas- Gemisch in Kontakt. Es bildet sich dadurch keine Flamme aus, sondern ein großvolumiger Reaktionsraum 7, mit einer deutlich niedrigeren Temperatur als in üblichen Flammen.

Die stickstoffhaltigen, flüssigen Spezies 8 werden über eine Zerstäuberdüse 9 in einen metallischen Behälter 10, der sich in der Brennkammer 1 befindet, zugegeben. In den gleichen Behälter 10 kann gegebenenfalls über eine zweite Zerstäuberdüse 11 Wasser 12 zugegeben werden. Weiterhin kann an mindestens zwei Stellen 13 und 14 im Behälter 10 Luft 15, 16 zugegeben werden, wobei zur Temperaturregelung und zum Verhindern von Verrußung die Luftzugabe so dosiert wird, daß pro C-Atom im eingespeisten, zu verdampfenden/vergasenden Stoff etwa ein O-Atom zugegeben wird.

Die verdampfte und gegebenenfalls bereits teilweise vergaste stickstoffhaltige Spezies 17, gegebenenfalls im Gemisch mit Wasser, wird anschließend in ein vergleichsweise dünnes Rohr 18 (Pyrolysevorrichtung) geleitet. Dort wird die Strömung erheblich beschleunigt, das zu spaltende Brennstoff-N-haltige Gasgemisch homogenisiert und pyrolysiert.

Im Anschluß durchläuft das Gas einen Spaltreaktor 19, der sich ebenfalls in der Brennkammer 1 befindet, wobei das zu spaltende Gas zu Spaltgas umgewandelt wird.

Danach wird das Spaltgas 20 aus Öffnungen im Spaltreaktor in das Rückstromgebiet 6 des Flox®-Brenners eingespeist. Das aus dem Spaltreaktor 19 austretende H₂-reiche Spaltgas 20 wird nahezu flammenlos oxidiert. Es werden dadurch NO_x-Konzentrationen im Verbrennungsabgas 21 von weniger als 100 mg/m³ erreicht, was sonst nur mit einer aufwendigen Reinigung des Verbrennungsabgases (Rauchgasreinigung) möglich ist.

An bestimmten Stellen 22, 23 des Spaltreaktors 19 ist eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Entnahme des Gasgemisches 20 zur Analyse möglich.

Weiterhin können dem Spaltreaktor 19 über eine Einspeisungsstelle 24 zusammen mit dem aus dem Behälter 10 über die Pyrolysevorrichtung 18 zugeführten Pyrolysegas kontinuierlich oder diskontinuierlich weitere über die Leitung 25 zugeführte Gase wie CO₂, CO, H₂, NO_x oder O₂ sowie NH₃ oder HCN zugemischt werden.

Temperaturmessungen sind beispielhaft an verschiedenen Stellen vorgesehen. Im Bereich des Spaltreaktors 19 wird eine Temperatur T1 gemessen. In dem als Verdampfer oder Vergaser bezeichneten Behälter 10 wird an dessen Austritt die Temperatur T2 gemessen. Am Eintritt des Gemisches in den Spaltreaktor 19 wird der Druck Δp und die Temperatur T3 bestimmt. Schließlich wird die Temperatur des Rauchgases 21 TBK gemessen.

Fig. 2 beschreibt den in der Brennkammer 1 angeordneten, als Verdampfer/Vergaser wirkenden Behälter 10 im Detail. An der Eintrittsseite des Behälters 10 befindet sich ein mit Anschlüssen 26, 27 versehener Stutzen 28. Die Anschlüsse 26, 27 sind mit in einer Behälterinnenwand 29 um eine Mittelachse 30 herum angeordneten Zerstäuberdüsen 9, 11 in nicht dargestellter Weise verbunden.

Über diese Zerstäuberdüsen 9, 11 werden die stickstoffhaltigen, flüssigen Spezies 8 und gegebenenfalls Wasser 12 in den Innenraum 31 des Behälters 10 eingespritzt und vermischen sich dort zu einem Gemisch.

Zwischen der Behälterinnenwand 29 und einer Behälteraußenwand 32 befindet sich ein Zwischenraum 33, dem an der Stelle 13 über einen Anschlußstutzen 34 Luft 15 zugeführt werden kann. Diese Luft tritt über in der Nähe des Behältermantels 34 in der Behälterinnenwand 29 angeordnete Öffnungen 35, 36 in den Innenraum 31 des Behälters 10 ein.

Zur Austrittsseite des Behälters 10 hin ist der Innenraum 31 durch einen sich konisch erweiternden Einbau 37 bis auf einen Spalt 38 zwischen diesem und dem Behältermantel 34 begrenzt, wobei der Einbau 37 ein sich an den konisch erweiternden Teil anschließendes zylindrisches Teil 39 aufweist, so daß das Gemisch mit hoher Strömungsgeschwindigkeit durch den Spalt strömt.

In den durch den Einbau 37 und 39 begrenzten Raum 40 kann an der Stelle 14 in der Wand des zylindrischen Teils 39 über einen Anschlußstutzen 41 Luft oder Dampf 16 eingespeist werden. Die Luft oder der Dampf 16 werden in einer von einer sich zu einem Auslaßstutzen 42 hin konisch verjüngenden Behälterstirnseite 43 und dem Einbau 37 und 39 begrenzten Mischkammer 44 mit dem durch den Spalt 38 strömenden Gemisch aus dem Innenraum 31 vermischt und strömt über den Auslaßstutzen in die Rohrleitung 18 ein.

Über die Pyrolysevorrichtung 18 wird das Gemisch dem Spaltreaktor 19 zugeführt, der in Fig. 3 im Detail dargestellt ist. Der Spaltreaktor 19 besteht aus einem mehrfach gewundenen Rohr 45, welches an der Eintrittsseite mit der Pyrolysevorrichtung 18 verbunden ist und am anderen Ende mit einer Platte 46 verschlossen ist. Das Rohr 45 ist derart gewunden, daß die Windungen in der Art einer zylindrischen Schraubenfeder übereinanderliegen. In der letzten Windung sind vier Auslaßöffnungen 48-51 für das Spaltgas um jeweils 90 Grad versetzt angeordnet. Der Austritt des Spaltgases erfolgt radial zum Strom der Verbrennungsluft.

Die Entnahme von Spaltgas aus dem Spaltreaktor zur Analyse erfolgt beispielsweise über eine mit der jeweiligen Entnahmestelle verbundene Leitung 52.

In Fig. 4 wird eine Vorrichtung zur zusätzliche Ausschleusung der von der Verbrennung stammenden thermischen Energie zum Zweck der Vermeidung der örtlichen Überhitzung in der Brennkammer 1 gezeigt.

Ein wesentlicher Unterschied gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung besteht darin, daß das Spaltgas 8 am vom Brenner 2 entgegengesetzten Ende der Brennkammer 1 einem gewendelten Spaltreaktor 53 zugeführt und über einen mit dem Spaltreaktor 53 verkoppelten gewendelten Wärmetauscher 54 im Gleichstrom mit einem Kühlmedium 55 allmählich aufgeheizt und kontrolliert umgesetzt wird. Der Austritt des Spaltgases kann (in der Zeichnung nicht dargestellt) am oberen, in Richtung der Auslaßöffnung für die Verbrennungsabgase hin liegenden Ende des Spaltreaktors 53 über Öffnungen im Spaltreaktor erfolgen (nicht dargestellt). Vorzugsweise liegen die Öffnungen des Spaltreaktors hinter Leitblechen 59. Es ist jedoch ebenso möglich, das Spaltgas nach der Spaltung im Spaltreaktor dem Erdgas 3 zuzumischen. Beide Betriebsarten erlauben eine Minimierung des Erdgasverbrauchs.

Der Wärmetauscher kann als Luft-, Öl- oder Wasserdampferhitzer ausgeführt sein. Eine weitere Ausschleusung von thermischer Energie kann zusätzlich bei Überschreiten einer kritischen Temperatur T_krit des Kühlmediums, beispielsweise 1000 Grad Celsius, durch eine Einspritzung von Wasser 56 an den Stellen 57, 58 realisiert werden. Die Stellen 57, 58 sind so ausgewählt, daß das Wasser 56 das in den Spaltreaktor 53 eintretende Spaltgas 8 und das in den Wärmetauscher 54 eintretende Kühlmedium 55 weiter abkühlt.

Um die durch den flammenlosen Brenner 2 erzeugte Rezirkulationsströmung 6 zu verstärken, sind zwischen am Spaltreaktor 53 bzw. dem mit diesem verkoppelten Wärmetauscher 54 und dem Reaktionsraum 7 entsprechend dimensionierte Leitbleche 59 angeordnet. Dabei wird die Injektorwirkung der Luft-Freistrahlen 5 zur Erzeugung der Rezirkulationsströmung 6 genutzt.

In Fig. 5 ist die in der Beschreibung der Fig. 4 erwähnte Variante dargestellt. Der Spaltreaktor 53 ist von dem Reaktionsraum 7 mittels der Leitbleche 59 abgetrennt. An dem dem Brenner 2 gegenüberliegenden Ende der Brennkammer 1 ist deren Querschnitt sehr stark reduziert, so daß sich ein um eine Zentralströmung 60 entlang der Brennerachse herum angeordnetes Rückstromgebiet einer Rezirkulationsströmung 6 ergibt. Diese Rezirkulationsströmung wird aus dem Reaktionsraum 7 herausgeführt und zwischen das Leitblech 59 und die Brennkammerwand geleitet, dargestellt durch die Pfeile.

Die Leitbleche 59 sind an dem dem Brenner 3 abgewandten Ende der Brennkammer 1 mit Öffnungen 61 zum Durchlaß der Zentralströmung 60 bzw. der Rezirkulationsströmung 6 vorgesehen. An dem dem Brenner 2 zugewandten Ende der Brennkammer 1 ist das Leitblech 59 mit einem trichterförmigen Ende 62 versehen.

Der Spaltreaktor 53 ist mit einer Zuleitung 8 zur Einspeisung von Abgas und Dampf versehen. Diese Zuleitung erfolgt an dem dem Brenner 2 entfernt gelegenen Ende des Spaltreaktors 53. Der Spaltreaktor kann als Parallelrohrreaktor oder als eine Vielzahl von Rohren auf einem ringförmigen Verteiler mit gegebenenfalls meanderförmiger Vor- und Rückführung entlang der Brennkammerachse ausgebildet sein. Aus dem Spaltreaktor 53 tritt das Spaltgas über Spaltgasauslässe in dem Rückstromgebiet in die Brennkammer 1 aus, wobei die Spaltgasauslässe zur Verstärkung der Rückströmung in Richtung Brenner 2 angeordnet sind, dargestellt durch die Pfeile 63. In dem Zwischenraum zwischen dem Leitblech 59 und der Brennkammerwand der Brennkammer 1 vermischt sich das Spaltgas mit der Rezirkulationsströmung 6 und tritt im Bereich des Brenners 2 in den Reaktionsraum 7 ein, dargestellt durch die Pfeile 64. Dort erfolgt die Verbrennung von Erdgas 3 mit Luft 4 unter Freisetzung von Wärme.

In Fig. 5 sind, abweichend zu Fig. 4, der Spaltreaktor 53 und der Wärmetauscher 54 hintereinandergeschaltet, wobei der Wärmetauscher 54 an dem dem Brenner 2 entfernten Ende der Brennkammer 1 liegt. Dadurch wird die Rezirkulationsströmung 6 abgekühlt, was durch eine zusätzliche Wassereinspritzung über die Düsen 57 bzw. 58 weiter verstärkt werden kann. Selbstverständlich ist auch hier eine direkte mechanische Kopplung des Wärmetauschers mit dem Spaltreaktor möglich.

Im Bereich der Auslaßöffnung 65 aus der Brennkammer 1 wird eine Temperatur des Abgases von ca. 1000°C erreicht. In einem nachgeschalteten Kessel 66 wird das Abgas auf 280°C abgekühlt, wobei über einen Verdampfer und einen Überhitzer 67, 68 zum einen Wasser verdampft und zum anderen Wasserdampf weiter erhitzt wird, beispielsweise auf 260°C bei einem Druck von 18 bar. Der Wärmetauscher 54 wird aus einer Dampftrommel 69 gespeist, aus welcher auch der Abhitzekessel 66 mit Wasser bzw. Wasserdampf versorgt wird.

Das Leitblech 59 ist in dem dem Brenner 2 zugewandten Ende 62 so gestaltet, daß eine maximale Rückströmung erzielt wird. Dies erfolgt durch einen trichterförmigen Eintritt, wobei der Eintrittsdurchmesser so gewählt ist, daß die Luft-Freistrahlen bei einem Öffnungswinkel von 18° nicht gegen den Trichter strömen. Der axiale Abstand des Trichters von den Luftdüsen beträgt ca. den 10-fachen Luftdüsendurchmesser.

In den Fig. 6 und 7 ist eine weitere in der Beschreibung zur Fig. 4 erwähnte Variante dargestellt. Der Spaltreaktor 53 ist von dem Reaktionsraum 7 mittels einer außen thermisch isolierten Trennwand 59 abgetrennt. Die Innenseite der Trennwand 59, die deutlich kürzer als die Brennkammer 1 ist, und ggf. der Austrittsquerschnitt des Reaktionsraumes 7 ist mit einem Wärmetauscher 54 versehen, wodurch der Reaktionsraum 7 und die Trennwand 59 gekühlt wird. Die Injektorwirkung der Luftdüsen 71 des Brenners 2 bewirkt eine kräftige Rezirkulationsströmung 6 hinter der Trennwand 59, so daß sich die Rauchgasströmung am Ende der Brennkammer in eine Zentralströmung 60, die durch die Öffnung 61 in den Kessel 66 strömt und die Rezirkulationsströmung 6 aufteilt. Die Trennwand 59 ist an der dem Brenner 2 zugewandten Seite mit einem trichterförmigen Ende 62 versehen, so daß die Rezirkulationsströmung gezielt in das Gebiet der höchsten Injektorwirkung der Luftdüsen 71 des Brenners 2 gelenkt wird, siehe die Pfeile 64. Der Spaltreaktor 53, der hier aus mehreren Parallelrohren besteht, ist mit einer Zuleitung 8, die einen kreisringförmigen Verteilerkasten 70 mündet, aus dem die einzelnen Reaktorrohre versorgt werden, versehen. Der Verteilerkasten 70 ist außerhalb der thermischen Isolierung der Brennkammer 1 auf der brennerseitigen Stirnwand der Brennkammer 1 plaziert. Der Spaltreaktor 53 kann, wie hier beschrieben, als Parallelrohrreaktor mit Verteilerkasten und ein- oder mehrfach, mäanderförmig gewundenen Einzelrohren oder als Spiralrohrreaktor oder anderen geometrischen Formen ausgeführt sein. Aus den Einzelrohren des Spaltreaktors 53 tritt das Spaltgas über Spaltgasauslässe 63 in die Rezirkulationsströmung 6 aus und vermischt sich mit dieser. Die Spaltgasauslässe 63 sind so gestaltet, daß die Rückströmung in Richtung Brenner 2 verstärkt wird und das Spaltgas vermischt mit der Rezirkulationsströmung in die Luftstrahlen der Luftdüsen 71 eingesaugt wird (dargestellt durch die Pfeile 64). Das Spaltgas, das rückströmende Abgas und die Luft treten vermischt in den Reaktionsraum 7 ein und reagieren dort unter Wärmefreisetzung aus. Bei ungenügendem Heizwert des Spaltgases kann über eine Düse Erdgas 3 zugegeben werden.

Eine weitere Abkühlung der Rezirkulationsströmung 6 kann erreicht werden, indem ein Teilstrom des den Kessel 66 verlassenden Abgases 76 über ein Gebläse und Düsen 77 in die Rückströmung 6 gegeben wird. Ein ähnlicher Effekt kann durch Einspritzung von Wasser mit entsprechenden Düsen an gleicher Stelle erreicht werden (wie in Fig. 5 dargestellt). Selbstverständlich ist auch eine direkte mechanische Verkopplung des Wärmetauschers mit dem Spaltreaktor möglich.

Im Bereich der Auslaßöffnung 65 aus der Brennkammer 1 wird eine Temperatur des Abgases von ca. 1000°C erreicht. In einen nachgeschalteten Kessel 66, der z. B. mit einem Verdampfer 68 und einem Überhitzer 67 bestückt sein kann, wird das Abgas, je nach Erfordernissen auf Temperaturen zwischen 120 und 280°C abgekühlt. Somit wird der Energieinhalt des Pyrolysegases weitgehend in Form von Dampf, Thermalöl o. ä. genutzt. Bei Verwendung eines Dampfkessels 66 (wie hier dargestellt) ist es besonders vorteilhaft, weil kostengünstig, den Wärmetauscher 54 als Verdampfer auszuführen und aus der Dampftrommel 69 des Kessels 66 mit einem Zwangsumlauf zu speisen (Zu- und Ableitung 55).

Für die konstruktive Gestaltung der Einheit Trennwand 59 - Wärmetauscher 54 ist es besonders vorteilhaft die Anschlußleitungen 55 als Aufhängung zu benutzen, da diese durch die Wasser/Dampf-Strömung gekühlt werden und dadurch formstabil bleiben.

Der Eintrittsdurchmesser der trichterförmigen Ausbildung 62 der Trennwand 59 ist vorzugsweise so auszuführen, daß die Luftfreistrählen der Luftdüsen 71, die einen Öffnungswinkel von ca. 18° aufweisen, bei einem axialen Abstand des Trichters von ca. dem 10-fachen Luftdüsendurchmessers von der Brennkammerstirnwand gerade nicht auf den Trichter auftreffen.

In Fig. 7 wird die Lage der einzelnen Bauteile zueinander im Querschnitt durch die Brennkammer 1 weiter verdeutlicht, wobei insbesondere die um die zentrale Düse zur Erdgaszufuhr 3 herum angeordneten Luftdüsen 71 sowie die zu den Luftdüsen 71 radial beabstandete Trichterwand 62 zu erkennen sind. Weiterhin wird gezeigt, daß die Spaltgasauslässe 63 radial nach innen ausgerichtet sind und daß der Spaltreaktor 53 zwischen der Innenwand der Brennkammer 1 und der Außenwand des mit einer thermischen Isolierung versehenen Leichtblechs 59 angeordnet ist. Dabei ist an der Innenwand des Leichtblechs 59 ein zusätzlicher Wärmetauscher 54 angeordnet.

Die folgenden Beispiele sollen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dazugehörigen Vorrichtung verdeutlichen.

BEISPIELE Beispiel 1

In eine ausgemauerte Brennkammer mit einem Innenvolumen von ca. 5 m³ wurde ein Flox®-Brenner, Typ FLOX ELS 1.3 (Luvomat) und ein wendelförmiger leerer Rohrreaktor aus austenitischem Stahl gemäß Fig. 2 eingebaut. Über den Brenner wurden 12 m³/h i. N. Erdgas und 150 m³/h i. N. vorgewärmte Luft (290 °C) zugeführt. Über den Wendelrohrreaktor wurde ein Stickstoff/Ammoniak/NO-Gemisch zugeführt. Hierbei betrug der Strom an Stickstoff 10 m³/h i. N., an Ammoniak 5 m³/h i.N. und an NO 2 m³/h i. N. . Es stellte sich eine Brennkammertemperatur von ca. 1050°C ein. Die Gesamt-NO_x-Emissionen betrugen 30 mg/m³ i.N., bez. auf 3% O₂ i. tr. Rg., die CO-Emission lag unter 10 ppm, die NH₃-Emission deutlich unter 5 mg/m³ i.N. Bei Zugabe des gleichen Gemischstromes in das Erdgas, ergeben sich Gesamt-NO_x-Emissionen von mehr als 9000 mg/m³ i.N., bez. auf 3% O₂ i. tr. Rg.

Beispiel 2

In eine ausgemauerte Brennkammer mit einem Innenvolumen von ca. 5 m³ wurde ein Flox®-Brenner, Typ FLOX ELS 1.3 (Luvomat) und ein wendelförmiger leerer Rohrreaktor aus austenitischem Stahl gemäß Fig. 2 eingebaut. Über den Brenner wurden 10 m³/h i.N. Erdgas und 144 m³/h i. N. vorgewärmte Luft (290°C) zugeführt. Über einen gasbeheizten Verdampfer wurden 0,81 kg/h Acrylnitril verdampft. Der Verdampfer wurde mit 13,44 m³/h i.N. N₂ und 5,22 m³/h i.N. NH₃ als Trägergas gespült. Das dabei entstehende Gas/Dampf-Gemisch wurde dem Wendelrohrreaktor zugeführt. Es stellte sich eine Brennraumtemperatur von ca. 1000 °C ein. Die Gesamt-NO_x- Emissionen betrugen 50 mg/m³ i.N., bez. auf 3% O₂ i. tr. Rg., die CO- Emission lag unter 10 ppm, die NH₃-Emission deutlich unter 5 mg/m³ i. N. . Bei Zugabe des gleichen Gemischstromes in das Erdgas, ergeben sich Gesamt- NO_x-Emissionen von mehr als 8000 mg/m³ i.N., bez. auf 3% O₂ i. tr. Rg.

Beispiel 3

In eine ausgemauerte Brennkammer mit einem Innenvolumen von ca. 5 m³ wurde ein Flox®-Brenner, Typ FLOX ELS 1.3 (Luvomat) und ein wendelförmiger leerer Rohrreaktor aus austenitischem Stahl gemäß Fig. 2, sowie ein Verdampfer/Vergaserreaktor gemäß Fig. 1 und 3 eingebaut. Über den Brenner wurden 9 m³/h i.N. Erdgas und 144 m³/h i.N. vorgewärmte Luft (290°C) zugeführt. In den Verdampfer/Vergaserreaktor wurden über eine mit N₂ betriebene Zweistoffzerstäuberdüse 5 kg/h Nitrobenzol zugegeben. Außerdem wurden über eine zweite gleichartige Zerstäuberdüse 5,1 kg/h Wasser eingeblasen. Der Verdampfer wurde außerdem mit 10 m³/h i.N. N₂ und 8,3 m³/h i.N. Luft beaufschlagt. Das im Verdampfer/Vergaser entstehende Gas/Dampf-Gemisch wurde dem Wendelrohrreaktor zugeführt und anschließend in die Brennkammer, in das Rückstromgebiet des Brenners entlassen. Es stellte sich eine Brennraumtemperatur von ca. 1000°C ein. Die Gesamt-NO_x- Emissionen betrugen 70 mg/m³ i.N., bez. auf 3% O₂ i. tr. Rg., die CO- Emission lag unter 10 ppm.

Claims (23)

1. Verfahren zur NO_x-emissionsarmen Verbrennung eines Gasstroms, der als Brennstoff-N-haltige Gaskomponente mindestens NO_x, HCN oder NH₃ oder ein Gemisch aus zwei oder mehr davon enthält, wobei bei der Anwesenheit von NH₃ zusätzlich noch mindestens NO oder HCN vorliegt, bei dem die Brennstoff-N-haltige Gaskomponente vor der Ver­ brennung wenigstens weitgehend in ein Spaltgas, enthaltend N₂, H₂ und gegebenenfalls CO, zerlegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerlegung der Brennstoff-N-haltigen Gaskomponente katalytisch durch einen Metall oder Metalloxide enthaltenden Katalysator erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kataly­ sator Nickeloxid oder Edelstahl enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator auf eine Temperatur von 200°C bis 1200°C aufgeheizt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-N-haltige Gaskomponente wenigstens anteilig aus dem pyrolytischen Abbau eine stickstoffhaltigen organischen Spezies stammt.

6. erfahren zur Verbrennung einer stickstoffhaltigen, organischen Spezies, bei dem eine stickstoffhaltige organische Spezies thermisch in einer Pyrolysevorrichtung zu einem eine Brennstoff-N-haltige Gaskomponente, insbesondere NO_x, HCN oder NH₃, oder ein Gemisch aus zwei oder mehr davon, enthaltenden Gasstrom pyrolysiert wird, die Brennstoff-N- haltige Gaskomponente anschließend wenigstens weitgehend in ein Spaltgas, enthaltend die Spaltprodukte N₂, H₂ und gegebenenfalls CO, oder ein Gemisch aus zwei oder mehr davon gespalten, und das Spalt­ gas nachfolgend in einer Brennkammer verbrannt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse­ vorrichtung innerhalb eines Brennraums der Brennkammer angeordnet ist.

8. Verbrennungsvorrichtung zur NO_x-armen Verbrennung eines Gasstroms, der eine Brennstoff-N-haltige Gaskomponente, insbesondere NO_x, HCN oder NH₃ oder ein Gemisch aus zwei oder mehr davon enthält, wobei bei der Anwesenheit von NH₃ zusätzlich noch mindestens NO oder HCN vorliegt, mindestens aufweisend

• a) eine Brennkammer (1),
• b) einen Brenner (2) und
• c) einen Spaltreaktor (19; 53) mit einer Zuführung für den Gasstrom,

wobei die mit dem Gasstrom in Kontakt tretende Oberfläche des Spal­ treaktors mindestens ein zur katalytischen Zerlegung der Brennstoff-N- haltigen Gaskomponente in ein Spaltgas, enthaltend N₂, H₂ und gegebe­ nenfalls CO, oder ein Gemisch aus zwei oder mehr davon, geeignetes Material aufweist oder der Spaltreaktor (19; 53) im Innenraum ein solches Material enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie als mindestens einen Brenner einen Impulsbrenner aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß sich eine Austrittsöffnung des Spaltreaktors (19; 53) im Innern der Brennkammer (1) im Rückstromgebiet (6) der Verbrennungsabgase befindet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß sie Mittel zur Beheizung des Spaltreaktors (19; 53) aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Spaltreaktor (19; 53) durch die aus der Feuerungsleistung des Brenners entstehende Energie beheizt wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Spaltreaktor (19; 53) der Länge nach zumindest teilweise in das Innere der Brennkammer (1) hineinragt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeich­ net, daß sie eine Pyrolysevorrichtung aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Pyrolysevorrichtung innerhalb der mindestens einen Brenn­ kammer (1) angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeich­ net, daß sie eine Verdampfer-/Vergaservorrichtung aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Brennkammer (1) Leitbleche (59) angeordnet sind, die einen Reaktionsraum (7) entlang der Brennkammerachse begrenzen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Leitblechen (59) und der Wand der Brennkammer (1) der Spalt­ reaktor (53) angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leitbleche (59) derart in der Brennkammer (1) an­ geordnet sind, daß die Rückströmung (6) in dem durch das Leitblech (59) bzw. die Wand der Brennkammer (1) gebildeten Zwischenraum entgegen der Hauptströmrichtung des Gasstroms (60) im Bereich des Brenners (2) erneut dem Reaktionsraum (7) zugeführt wird.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeich­ net, daß der Spaltreaktor (53) über Austrittsöffnungen verfügt, die so ausgerichtet sind, daß sie die Rückströmung (6) weiter beschleunigen.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeich­ net, daß der Eintrittsdurchmesser der Rückströmung trichterförmig ausgebildet ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Brennkammer (1) ein Abhitzekessel (66) nachgeschal­ tet ist, der aus einer Dampftrommel (69) gespeist wird, aus welcher auch der Verdampfer (54) in der Brennkammer (1) gespeist wird.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Leitblech (59) mit einer thermischen Isolierung ver­ sehen ist und/oder daß an dem Leitblech ein Wärmetauscher (54) angeordnet ist.