DE2306537A1

DE2306537A1 - Verminderung der bildung von no tief x bei der verbrennung von brennstoffen

Info

Publication number: DE2306537A1
Application number: DE2306537A
Authority: DE
Inventors: John Harry Kidwell; Thomas Joseph Murray; Alexander Holly Rudd
Original assignee: Deutsche Babcock and Wilcox AG
Current assignee: Deutsche Babcock and Wilcox AG
Priority date: 1972-03-24
Filing date: 1973-02-10
Publication date: 1973-10-04
Also published as: US3781162A; JPS4913732A; JPS5542082Y2; JPS54103649U

Description

Lfd.-Nr. 1676/Tpat/Dr.EK/Ewo

PATENTANMELDUNG

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Verminderung der Bildung von NO bei der Verbrennung von Brennstoffen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verfeuern von Brennstoff bei einer mengenmäßigen Verminderung der bei der Verfeuerung des Brennstoffs gebildeten Stickoxyde_o Insbesondere bezieht sich die .Erfindung auf ein System zur Regelung der Brennstoffverfeuerung, um dadurch die Bildung von Stickoxyden während der Verbrennung auf ein Geringstmaß herabzusetzen.

Stickstoffoxyd (NO) und Stickstoffdioxyd (NO2) sind oft in den Abgasen aus Verbrennungsverfahren enthaltene Deren Vorhandensein ist auf die Bildung von NO während der Verbrennung und die anschließende Oxydierung eines kleinen Teils des NO zu NO« durch die Restoxydierung in den durch eine Brennkammer strömenden Verbrennungsprodukten zurückzuführen. Nach der Ableitung ins Freie setzt sich die Oxydierung von NO fort, wobei das dabei gebildete NO„ ein Luftverunreinigungsstoff ist. Stickstoffdioxyd ist am bestenr. durch seine Mitwirkung bei der Nebelbildung (Smog) bekannt, jedoch hat es auch allein einige schädliche Wirkungen» Da vom Standpunkt der Luftverunreinigung NO gleic bedeutend ist mit NO2, werden die beiden oft zusammengefaßt und mit NO bezeichnet.

Nicht alle Verbrennungsverfahren werden bei so hohen Temperaturen abgewickelt, daß Überhaupt bedeutende NO - Mengen anfallen. Die größten Erzeuger sind Kraftfahrzeuge sowie die Industrie- und Kraftwerkskessel. Die Verminderung des UO Auswurfs aus Kraftwerkskesseln an der Westküste in den späten 50er Jahren ist eines der frühesten Beispiele für die Bekämpfung der Luftverunreinigung*

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Dies wurde in erster Linie durch eine Änderung des Verbrennungsverfahrens erreicht, welches als "Zweistufenverbrennung¹¹ bezeichnet wurde_o In jüngster Zeit ist nachgewiesen worden, daß NO - Verschmutzung eine allgemeine Belästigung in vielen Teilen des Landes darstellt, und Arbeiten zur Verminderung des NO Auswurfs in die Atmosphäre wurden in der Automobilindustrie in Angriff genommen und in der Kesselindustrie fortgesetzt.

Der Umfang der NO Bildung in einer Kesselfeuerung wird durch die Entwicklung der Temperatur und der Zusammensetzung des Verbrennungsgases während und nach der Verbrennung bestimmte Dies steht seinerseits im Zusammenhang mit den brennstoffzuführungsverhältnissen sowie mit anderen Betriebs- und Auslegungsfaktoren des Kessels,» Einige der Hauptfaktoren, bei denen festgestellt wurde, daß sie für die NO Erzeugung von belang sind, beziehen sich auf die ürennstoffzuführungsmenge und die Sauerstoffwerte, die während und unmittelbar nach der Verfeuerung des Brennstoffs gegeben sind (d. h_o Luftüberschuß im Verbrennungsverfahren), auf die Gestaltung und das Ausmaß der Kühlung in der Brennkammer sowie auf die Temperatur der Verbrennungsluft, die zur brennkammer geliefert und mit dem Brennstoff während des Verbrennungsverfahrens verbunden wird. Alle diese Faktoren beeinflussen die NO - Erzeugung während der Brennstoffverfeuerung, indem sie direkt oder indirekt auf die Temperaturen in der Brennkammer, einwirken.

Bisher ist versucht worden, die NO Erzeugung in vorhandenen großen Industrie- und Kraftwerkskesselblöcken dadurch zu vermindern, daß rezirkulierte Rauchgase in die Brennkammer eingeführt werden. Dies ist nicht immer erfolgreich gewesen, da es wichtig ist, daß das rezirkulierte Rauchgas gut mit der Verbrennungsluft gemischt wird, damit jeder der Vielfachbrenner in einer solchen Anlage seinen verhältnismäßigen Anteil an Sauerstoff für die Zwecke der Brennstoff-

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verfeuerung erhält* Der Brenner oder die orenner, der bzw. die am wenigsten Sauerstoff erhält (wegen der nicht einwandfreien Mischung oder Gasverteilung) wird entweder rauchen oder eine instabile und unvollständige Verbrennung des Brennstoffs haben, wodurch der Umfang der üasrezirkulation und der Grad der H) -Vermischung begrenzt werden.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, rezirkulierte Rauchgase in gleichmäßiger Verteilung in die Brennkammer zu führen.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß Einrichtungen zum Fördern von Rezirkulationsgas zum Luftkanal und eine Drosselvorrichtung in diesem vorgesehen ist, um die Luftmenge zu regeln und daß der Rezirkulationskanal in den Luftkanal an einer Stelle mündet, die in Luftströmungsrichtung hinter der Drosselvorrichtung liegt_o

nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Drosselvorrichtung aus mindestens einem Stromlinienkörper, der im Kanal angeordnet ist_o Dabei ist der Stromlinienkörper erfindungsgemäß hohl ausgebildet und der Rezirkulationskanal mündet in diesem Stromlinienkörper, Dabei sind in Querrichtung auf Abstand angeordnete Reihen von Rezirkulationsgas-Austrittsöffnungen so vorgesehen, daß sie durch den Stromlinienkörper in den über den Stromlinienkörper fließenden Luftstrom hinter dem maximalen Quermaß des Strömungskörpers abführen_o Zweckmäßigerweise mündet der Rezirkulationskanal in entgegengesetzten Enden des StromlinienkÖrpers₀

nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht die Drosselvorrichtung aus einem venturiartigen Rohr, wobei das kezirkulationsgas in dem durch dos venturiartige Kohr fließenden Luftstrom um den kleinsten Querschnitt des venturiortigen Kohres herum und, in Luftströmungsrichtunc gesehen, hinter diesem kleinsten Querschnitt des venturiartigen Kohres mündet.

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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine einwandfreie Verteilung des rezirkulierten Rauchgases erreicht wird, so daß jeder Brenner seinen verhältnismäßig errechneten Anteil erhält. Dadurch wird die Verbrennung verbessert und der Grad der NO Erzeugung verringert.

Es ist bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung festgestellt worden, daß rezirkulierte Gase innig und gründlich mit Verbrennungsluft vor der Stelle gemischt werden können, an der der Brennstoff in die Kesselbrennkammer aufgegeben wird. Bei den üblichen Kesselblöcken ist eine Vorrichtung vorgesehen, um die Verbrennungsluftmenge zur Brennkammer zu messen, und in vielen Anlagen kann diese Vorrichtung die Form einer Drosselung in dem Lüftzuführungskanal annehmen, Zo B₀ die Form einer Venturidüse oder eines venturiartigen Rohrs oder eines oder mehrerer Stromlinienkörper. Bei der Erfindung werden die rezirkulierten Gase für die Zwecke der NO Verminderung in vorteilhafter Weise hinter derartigen Drosseln (im Sinne der Luftströmung) zugefügt, um den Druck und somit den Kraftbedarf des Rezirkulationsgasgebläses auf ein Geringstmaß herabzusetzen und eine innige Hischung der Rezirkulationsgase mit der Verbrennungsluft zu gewährleisten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Aufriß eines konventionellen Kraftwerkskessels,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung.

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In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 ist ein konventioneller Kraftwerkskessel dargestellt. Bei der betreffenden Anordnung schließt die Brennkammer- und Kesselumfassung 10 Dampferzeugungsrohre 11 ein, die so geschaltet sind, daß eine brennkammer im unteren Teil der Umfassung liegt. Die in der Brennkammer erzeugten Verbrennungsgase strömen nach oben über Heizflächen 13, wenden und strömen dann nach unten über zusätzliche Wärmeaustauschflächen 14, bevor sie über eine Verbindungsleitung 15 zu einem konventionellen Luftvorwärmer 16 gelangen₀ Die Wärmeaustauschflächen können Uberhitzerelemente, Zwischenüberhitzerelemente und Spreisewasservorwärmerflächen einschließen. Die Flächen sollen die durchströmenden Medien erwärmen und die Temperatur des kauchgases vermindern, das aus der Umfassung durch den Kanal 15 zum Luftvorwärmer 16 strömt.

Der dargestellte Luftvorwärmer ist in Regenerativausführung, bei der eine verhältnismäßig geringe Wärme von den Rauchgasen auf die Verbrennungsluft übertragen wird, welche durch einen Kanal 17 eintritt und danach über einen Kanal 18 zu einem Luftverteilkasten 20 und Brenneröffnungen 21 geleitet wird, die die Brennkammer 12 beaufschlagen. Gewöhnlich wird bei den Kesseln der beschriebenen Art die Verbrennungsluftmenge zu den Brenneröffnungen 21 so geregelt, daß sie in einem richtigen Mengenverhältnis zu dem Brennstoff steht, der auch über in den Öffnungen 21 angeordneten Brennern geleitet wird und somit in die Brennkammer 12 gelangt. Zu diesem Zweck werden :.n vielen Anlagen Stromlinienkörper 22 in den Luftkanal 18 eingebaut, um die durchströmende Luftmenge zu messen und ein Maß zur Verwendung bei der Luft-Brennstoff-Regelung des Kessels zu liefern. Die in Fig_t gezeigten Stromlinienkörper werden in Fig. 2 und 3 in größeren Einzelheiten dargestellt und werden nachstehend umfassender beschrieben.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung sind die Brenner 21 zur Verfeuerung von Öl oder Gas vorgesehen. Gemäß der Darstellung befinden

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sich die Brenner je in einer Brenneröffnung; die Brenneröffnungen sind in gegenüberliegenden Wänden der Brennkammer 12 mit vertikalem Abstand in den Reihen 23, 14 und 25 angeordnet, wobei die Öffnungen und die Brenner in jeder Reihe horizontal liegen₀ bei der dargestellten Anordnung enthält jede Brennerreihe 23 und 24 im untersten Teil der Brennkammer 12 vier auf Abstand liegende brenner, während die oberste Reihe 25 zwei Brenner enthält. Man wird erkennen, daß eine größere oder kleinere Anzahl von Öffnungen und Brennern vorgesehen und irgendein brennstoff verfeuert werden könnte.

Sei der in Fig. 1 dargestellten Anlage befindet sich eine Luftdüsen-Reihe 2ό oberhalb der obersten Brennerreihe 25_e Bei der dargestellten Ausführungsform umfaßt jede Reihe 26 vier öffnungen, und der vertikale Abstand zwischen der obersten Brennerreihe 25 sowie der Redhe 26 ist gleich oder größer als der vertikale Abstand zwischen den Brennerreihen 23, 24 und 25.

Bei der dargestellten Ausführungsform wird Gasrezirkulation für Dampftemperaturregelzwecke eingesetzt. Die Gase können dabei in die Brennkammer in irgendeiner von verschiedenen Lagen eingeführt werden. Gemäß der Darstellung werden Gase dem Kanal 15 entnommen und über Verbindungskanäle 27 durch das Gebläse 35 und den Kanal 40 zu Gaszufuhrkammern 28 geleitet, die unterhalb der schrägen Rohre 30 ausgebildet sind, welche den Boden der Kammer bilden; diese Gaszufuhrkammern erhalten das Rezirkulationsgas und leiten es nach oben durch eine Öffnung 31 in dem Boden der Brennkammer, damit es sich mit den Verbrennungsprodukten mischt, wenn es über die Wärmetauschflächen 13 und 14 im oberen Teil der Umfassung 10 strömt. Den Fachleuten ist bekannt, daß für Dampftemperaturregelzwecke zur Verwen-: dung kommende Rezirkulationsgase mit der Verminderung der Feuer«ngs~ leistung zunehmen. Der Sinn dieser Arbeitsweise liegt darin, den Gosmassenfluß über die Wärmetauschflächen 13 und 14 zu regeln. Dadurch

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wird der Wärmetausch mit den DampfheizfIachen während des Schachlastbetriebs geregelt.

Es ist in jüngster Zeit festegestellt worden, daß die Zugabe von Rezirkulationsgasen zu der Verbrenhungsluft, die mit dem Brennstoff den Brennern zugeführt wird, dazu beiträgt, die Stickoxydbildung während des Verbrennungsverfahrens zu vermindern. Eine der bisherigen Schwierigkeiten bestand in einer richtigen Mischung der Rezirkulationsgase mit der Verbrennungsluft, wenn die beiden Gase in die Brennkammer eingeführt werden. Gewöhnlich war für die Zuführung von Rezirkulationsgasen zur Brennkammer für die Zwecke der Stickoxydbekämpfung eine maximale Strömung solcher Gase zur Brennkammer in Zeiten maximaler Brennstoffverfeuerung erforderlich. Dies ist natürlich das Gegenteil zur normalen Verwendung von Rezirkulationsgasen für Dampftemperaturregelzwecke.

In Übereinstimmung mit der Erfindung werden die dem Rauchgaskanal entnommenen Rezirkulationsgase mit der Verbrennungsluft gemischt, bevor die Mischgase zu den Luftverteilerkästen 20 der Brennkammer gefördert werden. In der üblichen Anlage ist der Luftkanal, durch den Verbrennungsluft zum Luftverteilkasten und danach in die Brennkammer geleitet wird, mit einer Vorrichtung zum Messen der durch den Kanal strömenden Luftmenge ausgestattete Diese Vorrichtung ist gewöhnlich eine Verengung, wie z. B₀ eine Meßblende, eine oder mehrere Venturidüsen oder venturiartige Rohre oder, in vielen Anlagen, ein oder mehrere Stromlinienkörper, die parallel geschaltet sind, um Luftmengenmessungen über Differenzdrücke zu erlauben. Die Drosselvorrichtungen werden so gewählt, daß der Druckverlust bei der durch den Kanal strömenden Luft zur Einsparung an Gebläsekraftbedarf auf ein Geringstmaß herabgesetzt wird, wobei dann dennoch ausreichende Differenzdruckwerte für eine einwandfreie Mengenmessung zur Verfugung gestellt werden. Es wurde festgestellt, daß mit solchen Verengungen im Luftkanal die für die Ν0_χ Bekämpfung benutzten Rezirkulationsgase

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in vorteilhafter Weise zu dem Luftstrom hinter der Verengungsvorrichtung für die Zwecke der Luft- und Gasmischung geleitet werden können, wobei der Gebläsedruck und der Kraftbedarf in dem in den Luftkanal mündenden Rezirkulationsgaskanal auf einem Geringstmaß gehalten werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Stromlinienkörper für Mischzwecke benutzt, um ein im wesentlichen gleichmäßiges und ausreichendes Vermischen der Verbrennungsluft und der Rezirkulationsgase vor deren Eintritt in die Brennkammer 12 zu gewährleisten.

In den Fig. 2 und 3 sind die Stromlinienkörper 22 zu erkennen, wie sie gewöhnlich für die Luftmengenmessung im Kanal 18 in einfachen oder mehrfachen Lagen je nach Luftmenge angeordnet sind, wobei das breite Ende 32 des Stromlinienkörpers in der Luftströmungsrichtung vorn liegt. Bei dem gewöhnlichen Luftmengenmeßverfahren erhält man eine Druckmessung, indem man eine Bohrung 33 auf der Stirnseite des Stromlinienkörpers vorsieht. Ein oder mehrere Bohrungen 34 werden rechtwinklig zur Luftströmungsrichtung an der dicksten Stelle des Stromlinienkörpers angeordnet. Die Differenzdruckmessungen zwischen den Bohrungen 33 und 34 sind ein Anzeichen für die Luftmenge, die durch den Kanal 18 strömt. Wenn sie einwandfrei geeicht wird, kann diese Differenzdruckmessung benutzt werden, um die Luftmenge im Kanal zu messen, und sie ist auch bei Luftmengen-Dampfmengen-Regelungen benutzt worden, um die Luft- und Brennstoffbeayfschlagung der Brennkammer 12 abzustimmen.

Rezirkulationsgas wird vom Kanal 27 über ein Rezirkulationsgasgebläse 35 und einen mit Klappen abgeschieberten Zweigkanal 36 in das Innere der Stromiinienkörper 22 geleitete Gewöhnlich werden solche Gase zu beiden Enden des hohlen Stromlinienkörpers gefördert, besonders bei sehr langen Stromlinienkörpern, wie man sie gewöhnlich in einem Hochleistungs-Kesselblock verfindet.

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Wie besonders in Fig. 3 dargestellt ist, werden erfindungsgemäß Öffnungen 37 in dem Stromlinienkörper vorgesehen, um das Innere des Stromlinienkörpers mit dem Strömungsweg der Verbrennungsluft entlang der Außenfläche des Stromlinienkörpers zu verbinden. Diese Öffnungen sind auf Abstand längs des Stromlinienkörpers hinter der größeren Dicke der Stromlinienprofile angeordnet. Bei so angeordneten Öffnungen neigt die Saugwirkung der über die Stromlinienkörper fließenden Verbrennungsluft dazu, Rezirkulationsgas aus den hohlen Stromlinienkörpern in den Luftstrom anzusaugen, der durch den Luftkanal 18 fließt. Es ist festgestellt worden, daß aufgrund eines solchen Stromes die Rezirkulationsgase sich innig mit der Verbrennungsluft mischen, so daß eine fast gleiche Mischung aus den beiden Gasen zu dem Luftverteilkasten 20 und durch jede der Brenner 23, 24 und 25 mit dem Brennstoff in die Brennkammer 12 gefördert werden kann.

Eine gute Mischung der Rezirkulationsgase aus dem Innern eines jeden Stromlinienkörpers mit der über die Außenfläche des Stromlinienkörpers fließenden Verbrennungsluft kann dadurch erreicht werden, daß man die Öffnungen 37 als Schlitze ausbildet, deren Länge vierbis sechsmal so groß ist wie die Breite und deren Abstand drei- bis achtmal die Breite eines jeden Schlitzes beträgt. Außerdem sollte die Vorderkante 38 des Schlitzes wenigstens 15° unterhalb des breitestens Teils des Stromlinienkörpers liegen. Es ist festgestellt worden, daß unter diesen Umständen das Mischen der Luft und des Gases im wesentlichen vollständig erfolgt.

Im Betrieb einer Verbrennungsanlage der in Fig„ 1 dargestellten Art sollte bei der Verfeuerung von Öl oder Gas die Menge des durch die Stromlinienkörper rezirkulierten Gases im Bereich von 10 bis 22 % der Verbrennungsluft liegen, die für die Brennstoffverfeuerung erforderlich ist; so kann man die Erzeugung von NO niedrig halten,,

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Claims

PATENTANSPRÜCHE :

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Vorrichtung zur Verminderung des Auftretens von NO bei der Verbrennung von thermischen Brennstoffen in Brennkammern,- denen der Brennstoff durch Brenner und die Verbrennungsluft durch Luftleitungen regelbar zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Fördern von Rezirkulationsgas zum Luftkanal und eine Drosselvorrichtung in diesem vorgesehen ist, um die Luftmenge zu regeln und daß der Rezirkulationsgaskanal in den Luftkanal an einer Stelle mündet, die in Luftströmungsrichtung hinter der Drosselvorrichtung liegt.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselvorrichtung aus mindestens einem Stromlinienkörper besteht, der im Kanal angeordnet ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromlinienkörper hohl ist und daß der Rezirkulationsgaskanal in dem hohlen Stromlinienkörper mündet,- wobei in Querrichtung auf Abstand angeordnete Reihen von Rezirkulationsgasaustrittsöffnungen so vorgesehen sind, daß sie durch den Stromlinienkörper in den über den Stromlinienkörper fließenden Luftstrom hinter dem maximalen Quermaß des Strömungskörpers abführen.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rezirkulationsgaskanal in entgegengesetzten Enden des Stromlinienkörpers mündet.

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5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselvorrichtung aus einem venturiartigen Rohr besteht,,
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rezirkulationsgas in dem durch das venturiartige Rohr fließenden Luftstrom um den kleinsten Querschnitt des venturiartigen Rohrs herum und, in Luftströmungsrichtung, hinter diesem kleinsten Querschnitt des venturiartigen Rohrs mündet.

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