DE3040830A1

DE3040830A1 - Verfahren zur verminderung der no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts) -emission

Info

Publication number: DE3040830A1
Application number: DE19803040830
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Leikert; Helmut Ing.(grad.) 5270 Gummersbach Martin; Sigfrid Dr.-Ing. Michelfelder
Original assignee: L&C Steinmueller GmbH
Current assignee: Hitachi Zosen Inova Steinmueller GmbH
Priority date: 1980-10-30
Filing date: 1980-10-30
Publication date: 1982-05-13
Also published as: DE3040830C2

Description

"Verfahren zur Verminderung der NOx-Emission'
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der NOx-Emission bei der Verbrennung von stickstoff haltigen Brennstoffen über Brenner in einem geschlossenen Feuerraum, bei welchem die Verbrennung in einer unterstöchiometrischen primären Verbrennungszone mit unmittelbarer Luftzugabe durch den jeweiligen Brenner und in einer durch Zugabe von Rest luft ilberstöchiometrischen sekundären Verbrennungszone erfolgt, wobei die Restluft in Abhängigkeit von der Last geregelt um den jeweiligen Brenner herum so dem Feuerraum zugeführt wird, daß sie nach Ausbildung der primären Verbrennungszone unter Speisung der sekundären Verbrennungszone in den Außenbereich der Flamme des Brenners strömt.
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-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, 03 etc.) erfordert, ist sie stark temperaturabhängig, daher thermisches NO; - die Biid .lg von Brennstoff NOx , die über die Oxidation im Brennstoff gebundener Stickstoffverbindungen erfolgt. Während der Pyrolyse 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 NOx oxidieren.
Eine Ve:ringerung der thermischen NOx-Bildung erreicht man daher vcr 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 NOx-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 tN2) zu reduzieren. Untersuchungen haben gezeigt, daß diese Reduktionsreaktionen zu molekularem Stickstoff z.B. dann stattfinden, wenn d - 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 Verbrennungszone in Abhängiqkeit 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.
Untersuchungen haben gezeigt, daß mit einer solchen Zweistufenverbrennung sowohl die Brennstoff-NOx-Bildung, bei gleichzeitigem Wärmeentzug aus dem unterstöchiometrischen Bereich, aber auch die thermische NO,-Bildung erheblich vermindert werden kann Bei Versuchen wurden über die Anwendung der Zweistufenverbrennung die Absenkung der NOx-Emissionswerte gegenüber ungestufter Verbrennung unqefähr bis 70 % erzielt.
Ein gattungsqemäßes Verfahren ist bekannt, bei dem durch Versuche nachgewiesen wurde, daß bei Betrieb der Brenner im nah- oder unterstöchiometrischen Bereich die Bildung von Brennstoff NOx deutlich gesenkt werden konnte, Um Verluste durch unvollstendiqe Verbrennung und Anstieg anderer Schadstoffemissionen zu vermeiden (CO, Kohlenwasserstoffe und Partikel), muß bei unterstöchiometrischem Betrieb der Brenner oberhalb dieser im Feuerraum Zusatzluft eingeblasen werden. Eine solche Maßnahme ist aus der US-PS 3 048 131 bekannt. Bei einem Strahlungskessel großer Leistung wird den Brennern 80 - 95 % der theoretisch ftir die vollkommene Verbrennung erforderliche Luftmenge zugeführt, während die restliche Luftmenge oberhalb der Brenner in die nicht ausgebrannte Flamme eingeblasen wird. Der Nachteil dieser Betriebsweise ist, daß im unterstöchiometrisch betriebenen unteren Teil des Feuerraumes Verschlackungen 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.
In einem bekannt gewordenen Brenner(DE-GM 1 868 003) wird der Sekundär luftstrom in zwei zueinander ringförmig angeordneten Ronren getrennt zugegeben, um z.B.
den inneren und damit dem Staubstrahl unmittelbar benachharen Sekundärluftstrom mit niedriger und den äußeren Sekundärluftstrom mit höherer Geschwindigkeit austreten zu lassen. Nachteilig an dieser Anordnung ist daß eine Verlänqerung der Flamme eintritt, die dadurch größere Feuerräume zur Folge haben, 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 angesaugt (DE-OS 2 129 357).
Es ist vorgeschlagen worden (Patentanmeldung P 29 08 427.3-13) die Restluft in Abhängigkeit von der Last geregelt um den jeweiligen Brenner herum so dem Feuerraum zuzuführen, daß sie nach Ausbildung der primären Verbrennungszone unter Speisung der sekundären Verbrennungszone in den Außenbereich des Brenners strömt. Dabei ist der zweite Teilstrom der Sekundärluft (Restluft) seinerseits in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt, wobei diese Teilströme auf einen den Brenner konzentrisch umgebenden Teilkreis in den Feuerraum eingegeben werden. Durch den zwischen diesen Teilströmen befindlichen freien Raum werden Rauchgase aus dem Feuerraum in die Primärzone durch den Impuls der Flamme angesaugt.
Bei diesem vorgeschlagenen Verfahren hat sich herausgestellt, daß bei Anwendung des Verfahrensprinzips auf die Verbrennung von hochmolekularen,gasförmigen und flüssigen Kohlenwasserstoffen zwar eine NOx Minderung erreicht wird, jedoch über die in der unterstöchiometrischen primären Verbrennungszone ablaufenden Pyrolysereaktionen die Bildung von Ruß und Flugkoks erhöht wird.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, das vorgeschlagene Verfahren in anwendungstechnischer Hinsicht für die Verbrennung von hochmolekuraren,gasförmigen und flüssigen Kohlenwasserstoffen so weiter zu verbessern, daß sichergestellt ist, daß durch eine Einflußnahme auf den Sekundärluftstrom eines jeden Brenners eine niedrigere Bildung von NOx erreicht wird, ohne die Emissionen von Ruß und Flugkoks unzulässig zu erhöhen und daß gleichzeitig die Sicherheit des Betriebes gegen Verschlackung und Korrosionen 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 Verbrennungsluft für die unterstöchiometrische primäre Verbrennungszone im Feuerraum rückzirkulierende Rauchgase beigemischt werden. Dabei kann erfindungsgemäß der Verbrennungsluft für die unterstöchiometrische primäre Verbrennungszone maximal 50 % des Massen stromes dieser Verbrennungsluft beigemischt werden (Bild 1).
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch dahingehend abgewandt't werden, daß auch der Restluft für die überstöchiometrische sekundäre Verbrennungszone Rauchgas beigemischt wird. Eine solche Maßnahme kann u.U. aus konstruktiven Gründen sinnvoll sein (Bild 2).
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei der Verbrennung von hochmolekularen, gasförmigen und flüssigen Kohlenwasserstoffen durch die Zumischung von gekühlten NOx-haltigen Rauchgasen zu der Verbrennungsluft für die unterstöchiometrische primäre Verbrennungszone die NOx-Minderung verstärkt. Durch die Beimischung der gekühl-ten Rauchgase wird die Flammentemperatur abgesenkt, wodurch bekanntlich eine Verringerung der thermischen NOx-Bildung erreicht wird.
Weiterhin ist nachgewiesen worden, daß NOx-Verblndungen beim Durchtritt durch eine Flammenfront über die Reaktionen mit Radikalen weitgehend zu molekularem Stickstoff unter Abgabe ihrer Sauerstoffatome reduziert werden. Dieser Vorgang wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Rückführung und Beimischung von NOx-haltigen Rauchgasen zur Primärluft ausgenutzt.
Neben der zusätzlichen Verminderung des NOx-Gehaltes wird durch die über die Rauchgasrückführung in Ganc gesetzten Vergasungsreaktionen in vorteilhafter Weise eine Unterdrückung der Ruß- und Flugkoksbildung in der Pyrolysezone erreicht, wodurch sichergestellt wird, daß keine unzulässige Erhöhung der Emissionen dieser Schadstoffe durch die NOx-mindernden Maßnahmen erzeugt wird.
Das erfindungsgemäne Verfahren ist anhand der Prinzipskizzen eines Brenners und der hiermit erzeugten Flamme näher beschrieben, *Bild 1 und 2 Mit dem aus Brennstofflanze 1, Kernluftrohr 2 und Mantelluftteil 3 bestehenden Brenner wird eine Teilverbrennungszone (Primärzone) 6 erzeugt, deren Luftzahl zwischen dem 0,9- bis 0,5-fachen der Stöchiometrle liegt, und der über den Rückführkanal 9 Rauchgas aus dem Feuerraum durch Beimischung zur Verbrennungsluft (Primärluft) zugeführt wird~ Hierdurch wird die NOx-Bildung weiter herabgesetzt und die Ruß- und Flugkoksbildunq vermindert.
Bei dem Brenner des Bildes 2 wird das Rauchgas der Gesamtluft beigemischt.
Der Brenner ist so ausgebildet, daß durch bestimmte Mannahmen (Drall der Mantelluft, konisch erweiterte Brennermündung) im Innern der Flamme eine Zone intensiver Rückströmung 5 aus einem Gebiet bereits fortgeschrittener Verbrennung erzeugt wird. Hierdurch wird das Brennstoff-Luftgemisch rasch aufqeheizt und gezündet. Die Aufheizung und Zündung kann durch Zugabe von Kernluft beeinflunt werden.
Die für den Restausbrand erforderliche Luft wird als Stufen luft 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 Stufenluftströmung 4 wird hierfilr 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 Mantelluftrohrdurchmessern die eigentliche Flamme stromab der Brennermündung erreicht.
An den Abschnitten 8 der Umfangsfläche der Flamme, die nicht der Stufenluftströmung 4 benachbart sind, werden durch Impulsaus.ausch Rauchgase aus dem Feuerraum eingestjen. Hierdurch wird die Flammentemperatur erniedrigt.
In den Bildern 3a und 3b sind weitere Möglichkeiten der Rauchgasrückführung mit Gasen niedrigerer Temperatur gezeigt. Bild 3a stellt schematisch die Zumischung der Rauchgase zur Primärluft und Bild 3b die Zumischung der Rauchgase zur Gesamtluft dar.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Verminderung der NOx-Emission bei Verbrennung von stickstoffhaltigen Brennstoffen über Brenner in einem geschlossenen Feuerraum, bei welchem die Verbrennung in einer unterstöchiometrischen primarken Verbrennungszone mit unmittelbarer Luftzuaabe durch den jeweiligen Brenner und in einer durch Zuaabe von Restluft überstöchiometrischen sekundären Verbrennunqszone erfolgt, wobei die Restluft in Abhänqigkeit von der Last geregelt um den jeweiligen Brenner herum so dem Feuerraum zugefuhrt wird, daß sie nach Ausbildung der primären Verbrennungszone unter Speisung der sekundären Verbrennungszone in den Außenbereich der Flamme des Brenners strömt, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Verbrennungsluft für die unterstöchiometrische primäre Verbrennungszone im Feuerraum rUckzirkulierende teilweise abgekühlte Rauchgase beigemischt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Verbrennungsluft für die unterstöchiometrische primäre Verbrennungszone maximal 50 % des Massenstromes dieser Verbrennungsluft beigemischt werden.
3. Verfahren zur Verminderung der NOx-Emission bei Verbrennung von stickstoffhaltigen Brennstoffen über Brenner in einem qeschlossenen Feuerraum, bei welchem die Verbrennung in einer unterstöchiometrischen primären Verbrennorgszone mit unmittelbarer Luftzugabe durch den jeweiligen Brenner und in einer durch Zugabe von Rest luft überstöchiometrischen sekundären Verbrennungszone erfolgt, wobei die Restluft in Abhängigkeit von der Last geregelt um den jeweiligen Brenner herum so dem Feuerraum zugeführt wird, daß sie nach Ausbildung der primären Verbrennungszone unter Speisung der sekundären Verbrennungszone in den Außenbereich der Flamme des Brenners strömt, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Feuerraum rückzirkulierende teilwei \abgekhlte Verbrennungsluft für die unterstöchiometrische primäre Verbrennungszone als auch der Rest luft für die überstöchiometrische sekundäre Verbrennungsluft vor Eingabe in deren Wirkungsbereiche beigemischt werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als abgekühlte Rauchgase solche aus der Rauchgasführung nach dem Feuerraum verwendet werden.