DE2409950B2

DE2409950B2 - Verfahren zum Verbrennen von Kohlenwasserstoffbrennstoff

Info

Publication number: DE2409950B2
Application number: DE2409950A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Yokohama Nozawa; Tsunenori Yokosuka Tokumoto; Kazuo Urawa Saitama Yamagishi
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1973-03-01
Filing date: 1974-03-01
Publication date: 1978-09-28
Also published as: DE2409950A1; FR2220043A1; FR2220043B1; JPS49124625A; JPS5237611B2; US3914091A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbrennen von Kohlenwasserstoffbrennstoff in zwei Stufen mit geringer Stickoxidemission, bei dem der Kohlenwasserstoffbrennstoff mit weniger als 70% der theoretisch zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Luft einer Primärverbrennung unterworfen wird und das dabei entstehende Gasgemisch unabhängig vor. der Primärverbrennung in einer Sekundärverbrennung mit Luft vollständig verbrannt wird.

Ein derartiges Zweistufen-Verbrennungsverfahren ist bereits in der DE-OS 21 29 357 beschrieben. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch noch nicht gänzlich befriedigend:

1. Selbst bei Durchführung einer Primärverbrennung mit Luftunterschuß kann aufgrund lokaler Sauerstoffanreicherungen eine Stickoxidbildung nicht ausreichend verhindert werden.

2. Bei der Primärverbrennung können mitunter rußende gasförmige Kohlenwasserstoffkomponenten gebildet werden, die Störungen in den nachfolgenden Verfahrensstufen, beispielsweise beim Wärmetausch oder bei einer Sekundärverbrennung, hervorrufen.

3. Auch während und nach der Sekundärverbrennung können im Gasgemisch größere Mengen Kohlenwasserstoffe erhalten bleiben, die, wahrscheinlich unter Katalyse von Kohlenwasserstoffradikalen, zur sogenannten Sekundärbildung von NO führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei hoher Wirtschaftlichkeit der Gesamtverbrennung den Stickoxidgehalt der Verbrennungsabgase wesentlich senkt, wobei gleichzeitig der Kohlenmonoxidgehalt und der Rußgehalt der Verbrennungsabgase vermindert werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Gasgemisch nach der Zersetzung gekühlt wird, bevor es der Sekundärverbrennung unterworfen wird.

Zur Beschleunigung der Zersetzung der nicht verbrannten organischen Brennstoffe in anorganische Gase können eine Verbrennungskammer mit ausreichend großen Abmessungen, also mit ausreichender Volumenkapazität, oder eine Katalyse torschicht dienen, die auf ausreichender Temperatur gehalten wird. Als Katalysator können beliebige an sich bekannte Nickelkatalysatoren verwendet werden.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher

ίο beschrieben, die ein Blockdiagramm des Verfahrens zeigt

Zur Durchführung des Verfahrens werden der Primärverbrennung Kohlenwasserstoffbrennstoff 1 und Luft 2 zugeführt, wobei das Verhältnis der zugemischten Verbrennungsluft ausreichend unter 70% der theoretisch zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Menge liegt Für die Primärverbrennung wird ein Brenner mit Vormischung insofern vorgezogen, als dabei von vornherein nur geringe Mengen Stickoxide entstehen. Unter Berücksichtigung einer stabilen Verbrennung ist jedoch ein Brenner mit Diffusionsflamme vorteilhaft. Bei der Verwendung eines Brenners mit Diffusionsflamme muß jedoch, wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, eine erhöhte Stickoxidbildung während der Primärverbrennung in Kauf genommen werden.

Die Primärverbrennung ist jedoch, thermodynamisch gesehen, aufgrund der unzureichenden Luftzufuhr nicht nur im makroskopischen System, sondern auch im

)« mikroskopischen System unvollständig: Das bei der Primärverbrennung entstehende Gasgemisch enthält große Mengen unzersetzter Kohlenwasserstoffe. Dieses Gas wird daher einer beschleunigten Zersetzung unterworfen, die in der Weise erfolgen kann, daß man

!5 eine großvolumige Verbrennungskammer verwendet. Die Volumenkapazität dieser Verbrennungskammer muß ausreichend groß sein, um unter Berücksichtigung des Prinzips des kleinsten Zwanges der angestrebten Zersetzung in anorganische Gase nicht entgegenzuwir-

■»o ken. So tritt beispielsweise bei der Verschiebung der nachstehend dargestellten und in den Primärverbrennungsgasen vorliegenden Gleichgewichte in die gewünschte Richtung immerhin eine Volumenvergrößerung von ca. 4 :6 auf:

CO + H₂O <=* CO₂ + H₂
CH₄ + H₂O <=» 3 H₂ + CO

Durch die Verwendung einer ausreichend großen Verbrennungskammer oder einer Katalysatorschicht wird also nach der Primärverbrennung eine Kohlenwasserstoffzersetzung bewirkt, bei der einfache anorganische Gase gebildet werden, die als brennbare Komponenten im wesentlichen CO und H₂ enthalten.

Vi Der entscheidende Schritt bei dieser beschleunigten Zersetzung liegt darin, daß die während der Primärverbrennung erzeugten Stickoxide durch die während der Zersetzung erzeugten Gase H₂ und CO reduziert werden. Es wird auf diese Weise also ein Gasgemisch hoher Temperatur erhalten, das im wesentlichen CO und H₂ als brennbare Komponenten und kaum Stickoxide enthält

Dieses Gas wird dann der Sekundärverbrennung mit Luft zugeführt

<>·"> Um die erneute Bildung von Stickoxiden bei der Sekundärverbrennung s.o gering wie möglich zu halten, wird das Gasgemisch vorzugsweise irgendeinem wärmeabsorbierenden Prozeß unterworfen, beispielsweise

durch einen Wärmeaustauscher geleitet.

Das Gas enthält zu diesem Zeitpunkt jedenfalls keine instabilen Verbrennungszwischenprodukte, insbesondere keine rußenden Substanzen mehr. Es besteht im wesentlichen aus CO und Hh in relativ stabiler Form, so daß die Sekundärverbrennung praktisch vollständig rußfrei durchgeführt werden kann.

Da die der Sekundärverbrennung zugeführten brennbaren Gase zum größten Teil aus Hh und CO bestehen, kann die Sekundärverbrennung bei niedriger Temperatur durchgeführt werden. Auf diese Weise kann eine erneute Stickoxidbildung wirksam unterdrückt werden. Die gewünschte Einhaltung einer niedrigen Sekundärverbrennungstemperatur kann durch die Verwendung eines Tieftemperaturoxidationskatalysators gefördert werden.

Selbst wenn aber das Kühlen nach der Zersetzung aus anlagentechnischen Gründen unterbleiben muß und auf diese Weise ein Gasgemisch hoher Temperatur der Sekundärverbrennung unmittelbar zugeführt wird, so bestehen die unverbrannten Anteile des Brennstoffs bzw. des zersetzten Brennstoffs dennoch aus Hb und CO, so daß selbst dann die im Sekundärabgas auftretende Stickoxidemission wesentlich geringer gehalten werden kann als im Fall der herkömmlichen Kohlenwasserstoffverbrennung.

Beispiel 1

Die Primärverbrennung wird mit etwa 70% der für eine vollständige Verbrennung theoretisch erforderlichen Luftmenge durchgeführt. Die Sekundärverbrennung erfolgt mit 50% der für die vollständige Verbrennung des der Primärverbrennung zugeführten Brennstoffs erforderlichen Luftmenge. Der Kohlenwasserstoffbrennstoff wird also insgesamt mit 120% der zu seiner vollständigen Verbrennung theoretisch erforderlichen Luftmenge verbrannt. Zur beschleunigten Zersetzung wird ein Nickelkatalysator verwendet. Die Verbrennung wirJ bei einer Temperatur von ca. 1100° C durchgeführt Die Stickoxidkonzentration nach der Katalysatorschicht beträgt 1 — 2 ppm. Der Stickoxidgehalt des Sekundärverbrennungsgases beträgt weniger als 10 ppm. Ein solcher Wert ist nach dem Stand der Technik in so wirtschaftlicher Weise nicht erhältlich.

In dem vorstehend beschriebenen Beispiel 1 wurde zur beschleunigten Zersetzung ein Nickelkatalysator verwendet. Es kann aber auch jedes beliebige an sich bekannte Mittel und jedes beliebige an sich bekannte Verfahren verwendet werden, das den Zweck erfüllt, die nicht verbrannten oder unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffkomponenten im Primärverbrennungsabgas, das durch Verbrennung mit Luft in einer Menge von weniger als 70% der theoretisch zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Luft erhalten wurde, zu einfach gebauten anorganischen Gasen, die

im wesentlichen CO und Hh enthalten, zu zersetzten und vorzugsweise dabei zusätzlich die Reduktion der Stickoxide, insbesondere die Reduktion von NO, durch Wasserstoff oder Kohlenmonoxid zu beschleunigen.

So kann beispielsweise die Beschleunigung der Zersetzung statt durch einen Katalysator auch in der Weise bewirkt werden, daß man, wie vorstehend beschrieben, eine Verbrennungskammer mit einem ausreichend großen Volumen vorsieht.

Beispiel 2

Die Primärverbrennung wird mit 55% der theoretisch erforderlichen Luftmenge durchgeführt. Die Sekundärverbrennung wird mit 65% der theoretisch erforderlichen Luftmenge durchgeführt Die Verbrennung des Kohlenwasserstoffbrennstoffs erfolgt also wie auch im Beispiel 1 mit insgesamt 120% der zur vollständigen Verbrennung theoretisch erforderlichen Luftmenge. Bei einem stationären Durchsatz von 1000 l/h und einer Temperatur von 1050°C betrug die Stickoxidkonzentration am Ausgang der großvolumigen Primärverbrennungskammer 1—2 ppm. Die Stickoxidkonzentration im Abgas der Sekundärverbrennungskammer betrug 15 ppm.

Ein weiteres wesentliches Merkmal liegt darin, daß die Sekundärverbrennungskammer und die Sekundärverbrennung sowie gegebenenfalls weitere Nachfolgeprozesse isoliert von den ersten beiden Verfahrensstufen vorgesehen sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß für die Sekundärverbrennungskammer die verschiedensten, jeweils geeignetsten Konfigurationen gewählt werden können, ohne daß dabei auf Primärverbrennungsbedingungen einschränkend Rücksicht genommen zu werden braucht. So können Kammern für die Sekundärverbrennung ohne jede Einschränkung im wesentlichen nach den Gesichtspunkten gebaut werden, daß die während der Sekundärverbrennung erzeugte Stickoxidkonzentration so gering wie möglich gehalten wird. Die beiden ersten Verfahrensschritte werden dadurch in keiner Weise beeinflußt.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß der Sekundärverbrennung ein im wesentlichen aus H2 und CO bestehendes Brenngasgemisch zugeführt wird, das leicht und ohne Schwierigkeiten einer abschließenden und vollständigen Verbrennung unterworfen werden kann. Dadurch kann gleichzeitig selbst beim Arbeiten mit nur einem geringen Luftüberschuß eine Kohlenmonoxidemission praktisch vollständig unterdrückt werden.

Zusammenfassend ist also zu sagen, daß das Verfahren bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen die Konzentration von Stickoxiden, Kohlenmonoxid und Restkohlenwasserstoffen auf ein Minimum herabzusenken vermag.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbrennen von Kohlenwasserstoffbrennstoff in zwei Stufen mit geringer Stickoxidemission, bei dem der Kohlenwasserstoffbrennstoff mit weniger als 70% der theoretisch zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Luft einer Primärverbrennung unterworfen wird und das dabei entstehende Gasgemisch unabhängig von der Primärverbrennung in einer Sekundärverbrennung mit Luft vollständig verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Primärverbrennung entstehende Gasgemisch vor der Sekundärverbrennung einer beschleunigten Zersetzung der nicht verbrannten organischen Brennstoffe in anorganische Gase unterworfen wird, deren brennbare Bestandteile im wesentlichen H₂ und CO sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch nach der Zersetzung gekühlt wird, bevor es der Sekundärverbrennung unterworfen wird.