DE2908427A1 - Verfahren zur verminderung der no tief x -emission - Google Patents

Verfahren zur verminderung der no tief x -emission

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DE2908427A1 DE19792908427 DE2908427A DE2908427A1 DE 2908427 A1 DE2908427 A1 DE 2908427A1 DE 19792908427 DE19792908427 DE 19792908427 DE 2908427 A DE2908427 A DE 2908427A DE 2908427 A1 DE2908427 A1 DE 2908427A1
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Description

L. & C. Steinmüller GmbH 5270 Gutnmersbach, den 2.3.1979 Postfach 1949/1960 Pa 7901
Patentanmeldung
"Verfahren zur Verminderung der NOx-EmIssion"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der NOy-Emission bei der Verbrennung von stickstoffhaltigen Brennstoffen über Brenner in geschlossenen Feuerräumen, wobei die Zugabe der Verbrennungsluft in zwei Stufen, einer ersten unterstöchiometrischen und einer zweiten überstöchiometrischen, erfolgt.
Die Reaktionsmechanismen, die die Bildung von Stickoxiden in technischen Feuerungen verursachen, sind weitgehend bekannt. Man unterscheidet heute im wesentlichen zwei verschiedene Bildungsreaktionen:
- die thermische NOx-Blldung, die auf der Oxidation von molekularem Stickstoff beruht, der z.B. reichlich in der Verbrennungsluft vorkommt. Da die Oxidation von molekularem Stickstoff, atomarem Sauerstoff oder aggressive Radikale (z.B. OH, 0-, etc.) erfordert, ist sie stark temperaturabhängig, daher thermisches NO ·
- die Bildung von Brennstoff Ν0χ, die über die Oxidation im Brennstoff gebundener Stickstoffverbindungen erfolgt. Während der Pyrolyse
030038/OOSB
bilden sich aus diesen Stickstoffverbindungen Stickstoff-Kohlenstoff und Stickstoff-Wasserstoffradikale (CH, HCN, CH etc.), die wegen ihrer Reaktionsfähigkeit mit molekularem Sauerstoff schon bei relativ niedrigen Temperaturen, bei der Anwesenheit von Sauerstoff, zu ΝΟχ oxidieren.
Eine Verringerung der thermischen NOx-Bildung erreicht man daher vor allem durch Absenken der Verbrennungstemperatur und der Verweilzeiten bei hohen Temperaturen. Da bei der Verbrennung von Brennstoffen mit gebundenem Stickstoff jedoch ein großer Anteil der gesamten N0Y-Bildung über die Brennstoff-NO^-Reaktion entsteht, sind bei solchen Brennstoffen vorgenannte Maßnahmen zur Erreichung der in einigen LMndern bestehenden Emissionsrichtwerte nicht ausreichend. Hierfür ist es notwendig, die Stickstoffverbindungen noch während der Pyrolyse in Abwesenheit von Sauerstoff zu molekularem Stickstoff (N?) zu reduzieren. Untersuchungen haben gezeigt, daß diese Reduktionsreaktionen zu molekularem Stickstoff z. B. dann stattfinden, wenn die Brennstoffe unter unterstöchiometrischen Bedingungen, d.h. mit weniger Sauerstoff- bzw. Luftzugabe als zur vollständigen Verbrennung nötig, verbrannt werden. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse ist für die primäre Verbrennunqszone in Abhängigkeit von den Randbedingungen (z.B. Wandtemperatur des Brennraumes) ein Luftverhältnis zwischen 0,9 und 0,5 zu wählen. Allerdings müssen dann zum Erreichen eines vollständigen Abbrandes der Kohlenwasserstoffverbindungen des Brennstoffes die im unterstöchiometrischen Primärbereich entstehenden Reaktionsprodukte nachverbrannt werden.
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Untersuchungen haben gezeigt, daß mit einer solchen Zweistufenverbrennung sowohl die Brennstoff-NO-„-Bildung, bei gleichzeitigem Wärmeentzug aus dem unterstöchiometrischen Bereich, aber auch die thermische Ν0χ-Blldung erheblich vermindert werden kann. Bei Versuchen wurden über die Anwendung der Zweistufenverbrennung die Absenken der NOY-Emissionswerte gegenüber ungestufter Verbrennung ungefähr bis 70 % erzielt.
Durch Versuche wurde nachgewiesen, daß bei Betrieb der Brenner im nah- oder unterstöchiometrischen Bereich die Bildung von Brennstoff Ν0χ deutlich gesenkt werden konnte. Um Verluste durch unvollständige Verbrennung und Anstieg anderer Schadstoffemissionen zu vermeiden (CO, Kohlenwasserstoffe und Partikel), muß bei unterstöchiometrischem Betrieb der Brenner oberhalb dieser im Feuerraum Zusatzluft eingeblasen werden. Der Nachteil dieser Betriebsweise ist, daß im unterstöchiometrisch betriebenen unteren Teil des Feuerraumes Verschlakkungen und Korrosionen der Rohrwände auftreten können. Damit ist die Betriebssicherheit der Anlage gefährdet.
Man hat weiterhin festgestellt, daß durch Verlangsamung der Mischung zwischen Luft- und Brennstoffstrom ebenfalls beträchtliche Verminderung der NOx-Emission erreicht werden kann.
Hierzu eignen sich z.B. Strahlbrenner, bei denen sowohl der Luft- und Brennstoffstrahl parallel in den Feuerraum eingeblasen werden. Um eine einwandfreie Zündung zu erzielen, müssen die Brennerstrahlen sich jedoch z.B. in einer Eckenfeuerung gegenseitig unterstützen.
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Bei Anordnung der Brenner in einer Front- oder Gegen· feuerung kann die Mischung von Luft und Brennstoff z.B. dadurch verlangsamt werden, daß die den Staubstrahl umgebende Sekundärluft mit annähernd gleicher Geschwindigkeit eingeblasen wird.
In einem bekannt gewordenen Brenner wird der Sekundärluftstrom in zwei zueinander ringförmig angeordneten Rohren getrennt zugegeben, um z.B. den inneren und damit dem Staubstrahl unmittelbar benachbarten SekundHrluftstrom mit niedriger und den äußeren Sekundärluftstrom mit höherer Geschwindigkeit austreten zu lassen. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß eine Verlängerung der Flamme eintritt, die dadurch größere Feuerräume zur Folge haben, und daß bei der lastbedingten Absenkung der Sekundärluft die Sekundärluftgeschwindigkeit unter die Staubluftgeschwindigkeit abgesenkt wird, wodurch sich der Charakter und die Form der Flamme ändern. Unter Umständen kann hierbei die Zündung nachteilig beeinflußt werden·
Weiterhin ist bekannt, eine Primärverbrennung unter unterstöchiometrischen Verhältnissen in einer Vorkammer des Feuerraums vorzunehmen, und die zum vollständigen Ausbrand erforderliche Luft den Feuergasen, die die Vorkammer verlassen, zuzumischen. Der Nachteil dieser Anordnung besteht in der Gefahr von Rohrwandkorrosion der unterstöchiometrisch betriebenen Vorkammer.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Verminderung der ΝΟχ-Emission bei der Verbrennung von stickstoffhaltigen Brennstoffen über Brenner in geschlossenen Feuerräumen zu schaffen, mit dem sichergestellt
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ist, daß durch eine Einflußnahme auf den Sekundärluftstrom eine niedrigere Bildung von ΝΟχ erreicht wird, und gleichzeitig die Sicherheit des Betriebes gegen Verschlackung und Korrosion der Rohrwände gewahrt bleibt bei gleichzeitiger Einhaltung einer intensiven Zündung und eines guten Ausbrandes.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß der Sekundärluftstrom in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der erste Teilstrom dem Brenner unmittelbar zur Ausbildung einer unterschöchiometrischen Primärzone und der zweite Teilstrom getrennt vom Brenner dessen Flamme im Bereich der überstöchiometrischen Sekundärzone im Feuerraum zugeführt wird.
Die Erfindung sieht ferner vor, daß der zweite, getrennt vom Brenner dessen Flammen als Stufenluft zugeführte Teilstrom der Sekundärluft in Abhängigkeit von der Last geregelt wird.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, daß der dem Brenner unmittelbar zugeführte Sekundärluftstrom so bemessen wird, daß in der Primärzone eine Luftzahl zwischen η = 0,9 und η = 0,5 erreicht wird.
Außerdem ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der zweite Teilstrom der Sekundärluft (Stufenluft) seinerseits in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt, und diese Teilströme auf einen, den Brenner konzentrisch umgebenden Teilkreis in den Feuerraum eingegeben werden, und daß über dem zwischen den Stufenluftströmen befindlichen freien Raum Rauchgase aus dem Feuerraum in die PrimMrzone durch den Impuls der Flamme angesaugt werden.
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Die Vorteile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden, nämlich geringe NOx-Emission, keine Verschlackungen und Korrosionen an den RohrwMnden des Feuerraumes sowie eine sichere Zündung und einwandfreien Ausbrand über einen weiten Arbeitsbereich, werden durch die Aufteilung des Sekundärluftstromes erreicht.
Während der eine Teil der Sekundärluft, der dem Brenner unmittelbar zugeführt wird, in bezug auf Drall und Geschwindigkeit so beeinflußt werden kann, daß eine intensive Zündung über den ganzen Lastbereich gewährleistet ist, wird der zweite Teil des Sekundärluftstromes, der der Flamme als Stufenluftstrom außerhalb des Brenners augegeben wird, daß nach erfolgter Zündung und Primärverbrennung durch die Mischenergie des Stufenluftstromes der Ausbrand in der Sekundärzone die in der Aufgabe beschriebene Zielsetzung verwirklicht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist anhand der Prinzipskizze eines Brenners und der hiermit erzeugten Flamme näher beschrieben.
Mit dem aus Kernluftrohr 2, Brennstoff und Tragluftteil 1 und Mantelluftteil 3 bestehenden Brenner wird eine Teilverbrennungszone (Primärzone) 6 erzeugt, deren Luftzahl zwischen dem 0,9 bis 0,5-Fachen der Stöchiometrie liegt.
Der Brenner ist so ausgebildet, daß durch bestimmte Maßnahmen (Drall der Mantelluft, konisch erweiterte Brennermündung, geschlossene Kernluft) im Innern der Flamme eine Zone intensiver Rückströmung 5 aus einem Gebiet bereits fortgeschrittener Verbrennung erzeugt wird* Hierdurch wird das Brennstoff-Luftgemisch rasch
•so ausgebildet,
030038/0055
aufgeheizt und gezündet. Die Aufheizung und Zündung kann durch Zugabe von Kernluft beeinflußt werden. So ist die beste Zündung sichergestellt, wenn die Kernluft geschlossen ist.
Die für den Restausbrand erforderliche Luft wird als Stufenluft 4 über einige Düsen am Umfang so eingeblasen, daß sie erst nach Ausbildung der PrimMrflamme die Sekundärflamme oder auch Nachverbrennungszone 7 mit Sauerstoff versorgt. Die Stufenluftströmung 4 wird hierfür in einem Teilkreis angeordnet, der dem doppelten Mantelluftrohrdurchmesser entspricht, hierdurch ist sichergestellt, daß die Stufenluft 4 erst nach einer Strecke von etwa ein bis zwei Mantelluftrohrdurchmesser η die eigentliche Flamme stromab der Brennermündung erreicht.
An den Abschnitten der Umfangsflache der Flamme, die nicht der Stufenluftströmung 4 benachbart sind, werden durch Impulsaustausch Rauchgase aus dem Feuerraum eingesogen. Hierdurch wird die Flammentemperatur erniedrigt.
030033/0055
-AO-
Leerseite

Claims (4)

  1. L. & C. Steinmüller GmbH 5270 Gummersbach, den 2.3.1979
    Postfach 1949/1960 Pa 7901
    Kl/S.
    Patentansprüche
    l.J Verfahren zur Verminderung der NOx-Emission bei der Verbrennung von stickstoffhaltigen Brennstoffen über Brenner in geschlossenen Feuerräumen, wobei die Zugabe der Verbrennungsluft in zwei Stufen, einer ersten unterstöchiometrischen und einer zweiten uberstochiometrischen, erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärluftstrom in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der erste Teilstrom dem Brenner unmittelbar zur Ausbildung einer unterstöchiometrischen Primärzone und der zweite Teilstrom getrennt vom Brenner dessen Flamme im Bereich der uberstochiometrischen Sekundärzone im Feuerraum zugeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, getrennt vom Brenner dessen Flammen als Stufenluft zugeführte Teilstrom der Sekundärluft in Abhängigkeit von der Last geregelt wird.
  3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2„ dadurch gekennzeichnet, daß der dem Brenner unmittelbar zugeführte Sekundärluftstrom so bemessen wird, daß in der Primärzone eine Luftzahl
    030038/0085
    zwischen η « 0,9 und η » 0,5 erreicht wird.
  4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teilstrom der Sekundärluft (Stufenluft) seinerseits in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt, und diese Teilströme auf einen, den Brenner konzentrisch umgebenden Teilkreis in den Feuerraum eingegeben werden, und daß über dem zwischen den Stufenluftströmen befindlichen freien Raum Rauchgase aus dem Feuerraum in die Primärzone durch den Impuls der Flamme angesaugt werden.
    030038/0055
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