DE2908427C2 - Verfahren zur Verminderung der NO↓X↓-Emission bei der Verbrennung von stickstoffhaltigen Brennstoffen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der ΝΟχ-Emission bei der Verbrennung von stickstoffhaltigen Brennstoffen über Brenner in einem geschlossenen Feuerraum, bei welchem die Verbrennung unter Zugabe von Rauchgasen in einer unterstöchiometrischen primären Verbrennungszone mit unmittelbarer Zufuhr eines den Brennstoffstrom umhüllenden Mantelluftstromes durch den jeweiligen Brenner und in einer überstöchiometrischen sekundären Verbrennungszone erfolgt, der die Restluft über den Umfangsbereich der primären Verbrennungszone zugeführt wird.

Die Reaktionsmechanismen, die die Bildung von Stickoxiden in technischen Feuerungen verursachen, sind weitgehend bekannt. Man unterscheidet heute im wesentlichen zwei verschiedene Bildungsreaktionen:

— die thermische ΝΟχ-Bildung, die auf der Oxidation von molekularem Stickstoff beruht, der z. B. reichlich in der Verbrennungsluft vorkommt. Da die Oxidation von molekularem Stickstoff atomaren Sauerstoff oder aggressive Radikale (z. B. OH etc.) erfordert, ist sie stark temperaturabhängig, daher thermisches NOx;

— die Bildung von Brennstoff-ΝΟχ, die über die Oxidation im Brennstoff gebundener Stickstoffverbindungen erfolgt. Während der Pyrolyse eines flüssigen oder staubförmigen Brennstoffes bilden sich aus diesen Stickstoffverbindungen Stickstoff-Kohlenstoff- und Stickstoff-Wasserstoffradikale, ζ. B. HCN, die wegen ihrer Reaktionsfähigkeit mit molekularem Sauerstoff schon bei relativ niedrigen Temperaturen, bei der Anwesenheit von Sauer stoff, zu NOx oxidiert.

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Eine Verringerung der thermischen ΝΟχ-Bildung erreicht man daher vor allem durch Absenken der Verbrennungstemperatur und der Verweilzeiten bei hohen Temperaturen. Da bei der Verbrennung von flüssigen und staubförmigen Brennstoffen mit gebundenem Stickstoff jedoch ein großer Anteil der gesamten ΝΟχ-Bildung über die Brennstoff-NOx-Reaktion entsteht, sind bei solchen Brennstoffen vorgenannte Maßnahmen zur Erreichung der in einigen Ländern bestehenden Emissionsrichtwerte nicht ausreichend. Hierfür ist es notwendig, die Stickstoffverbindungen noch während der Pyrolyse in Abwesenheit von Sauerstoff zu molekularem Stickstoff (N2) zu reduzieren. Untersuchungen haben gezeigt, daß diese Reduktionsreaktionen zu molekularem Stickstoff ζ. Β dann stattfinden, wenn die Brennstoffe unter unterstöchiometrischen Bedingungen, d. h. mit weniger Sauerstoff- bzw. Luftzugabe als zur vollständigen Verbrennung nötig, verbrannt werden.

Untersuchungen haben gezeigt, daß mit einer solchen Teilverbrennung mit anschließender Nachverbrennung (Zweistufenverbrennung) sowohl die Brennstoff-ΝΟχ-BiJdung bei gJeichzeitigern Wärmeentzug aus dem unterstöchiometrischen Bereich, aber auch die thermische ΝΟχ-Bildung erheblich vermindert werden kann. Bei Versuchen wurde über die Anwendung der Zweistufenverbrennung ein Absenken der ΝΟχ-Emissionswerte gegenüber ungestufter Verbrennung auf bis zu 70% erzielt.

Ein pattungsgemäßes Verfahren ist aus der US-PS 40 23 921 bekannt Bei diesem Verfahren wird zur NOx-Reduktion eine Rezirkulation von kaltem Rauchgas verwendet. Zwar wird auch eine gewisse Stufung der Verbrennung dadurch erreicht, daß die Verbrennungsluft in einen Primärstrom und einen Sekundärstrom aufgeteilt wird, die der Flamme auch hintereinander zugemischt werden, der Primärstrom beträgt jedoch nur 2% bis 10%. Diese geringe prozentuale Luftzumischung reicht aber nicht aus, um in der Primärzone einen wesentlichen Anteil des Brennstoffes zu pyrolisieren. Nur wenn in der Primärzone eine Brennstoffpyrolyse bei Sauerstoffmangel erreicht wird, kann die Bildung von Brennstoff-ΝΟχ unterdrückt werden. Daher ist mit diesem Verfahren nur eine Verringerung des thermischen NOx erreichbar.

Man hat weiterhin festgestellt, daß durch Verlangsamung der Mischung zwischen Luft- und Brennstoffstrom ebenfalls beträchtliche Verminderung der ΝΟχ-Emission erreicht werden kann.

In einem bekanntgewordenen Kohlenstaubbrenner (DE-GM 18 68 003) wird der mantelförmige Sekundärluftstrom in zwei direkt benachbarten, ringförmig angeordneten, getrennt steuerbaren Rohren zugegeben, um z. B. den inneren und damit dem Staubstrahl unmittelbar benachbarten Sekundärluftstrom 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 hat, und daß bei der lastbedingten Absenkung der Sekundärluft die Sekundärluftgeschwindigkeit 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 vorzunehmen und die zum vollständigen Ausbrand erforderliche Luft den Feuergasen, die die Vorkammer verlassen, zuzumischen. Weiterhin werden durch einen Brenneraufsatz Rauchgase aus dem Feuerraum ange-

saugt (DE-OS 2129 357).

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit dem durch Einflußnahme auf den Mantel- und Restlcft umfassenden Sekundärluftstrom eines jeden Brenners eine weiter verminderte Bildung von NOx erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß die Restluft in Abhängigkeit von der Last geregelt koaxial um den jeweiligen Brenner herum dem Feuerraum in mindesteas zwei Teilströmen zugeführt wird, die von der Brennermündung aus nach einer Strecke, die dem etwa ein- bis zweifachen des Durchmessers des Mantelluftrohres entspricht, die Flamme erreichen und daß über den zwischen den Teilströmen befindlichen freien Raum Rauchgase aus dem Feuerraum in die primäre Verbrennungszone durch den Impuls der Flamme angesaugt werden, wobei der Mantelluftstrom so bemessen wird, daß in der Primärverbrennungszone ein Luftverhältnis zwischen 0,9 und 0,5 erreicht wird.

Die Vorteile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden, nämlich geringe ΝΟχ-Emissionen, werden durch die besondere Aufteilung des Sekundärluftstromes in Verbindung mit einer unmittelbaren Ansaugung von Rauchgasen aus dem Feuerraum 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 Sekundärli:Jtstromes, der der Flamme als Restluftstrom außerhalb des Brenners zugegeben wird, so ausgebildet, daß nach erfolgter Zündung und Primärverbrennung durch die Mischenergie des Restluftstromes der Ausbrand in der Sekundärzone gemäß der in der Aufgabe beschriebenen 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 0,5fachen 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 aufgeheizt und gezündet. Die Aufheizung und Zündung kann durch Zugabe von Kernluft beeinflußt werden. So ist die beste Zündung sicherge-

stellt, wenn die Kernluft geschlossen ist.

Die für den Restausbrand erforderliche Luft wird als Restluft (Stufenluft) 4 über einige Düsen am Umfang so eingeblasen, daß sie erst nach Ausbildung der Primärflamme die Sekundärflamme oder auch Nachverbrennungszone 7 mit Sauerstoff versorgt. Die Stufenluftdiisen sind 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 Mantelluftrohrdiirchmessern die eigentliche Flamme stromab der Brennermündung erreicht.

An den Abschnitten der Umfangsfläche der Flamme, an denen keine Zufuhr von Stufenluft 4 erfolgt, werden durch Impulsaustausch Rauchgase 8 aus dem Feuerraum eingesogen. Hierdurch wird die Flammentemperatur erniedrigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Verminderung der ΝΟχ-Emission bei der Verbrennung von stickstoffhaltigen Brennstoffen über Brenner in einem geschlossenen Feuerraum, bei welchem die Verbrennung unter Zugabe von Rauchgasen in einer unterstöchiometrischen primären Verbrennungszone mit unmittelbarer Zufuhr eines den Brennstoffstrom umhüllenden Mantelluftstromes durch den jeweiligen Brenner und in einer überstöchiometrischen sekundären Verbrennungszone erfolgt, der die Restluft über den Umfangsbereich der primären Verbrennungszone zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Restluft in Abhängigkeit von der Last geregelt koaxial um den jeweiligen Brenner herum dem Feuerraum in mindestens zwei Teilströmen zugeführt wird, die von der Brennermündung aus nach einer Strecke, die dem etwa ein- bis zweifachen des Durchmessers des Mantelluftrohres entspricht, die Flamme erreichen und daß über den zwischen den Teilströmen befindlichen freien Raum Rauchgase aus dem Feuerraum in die primäre Verbrennungszone durch den Impuls der Flamme angesaugt werden, wobei der Mantelluftstrom so bemessen wird, daß in der Primärverbrennungszone ein Luftverhältnis zwischen 0,9 und 0,5 erreicht wird.