DE3040830C2

DE3040830C2 - Verfahren zur Verminderung der NO↓X↓ -Emission bei der Verbrennung von stickstoffhaltigen Brennstoffen

Info

Publication number: DE3040830C2
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: 1990-05-31
Also published as: DE3040830A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der NOx-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 durch Zugabe von Restluft überstöchiometrischen sekundären Verbrennungszone erfolgt, wobei die Restluft in Abhängigkeit von der Last geregelt koaxial 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, nach Patent 29 08 427.

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, O3 etc.) erfordert, ist sie stark temperaturabhängig, daher thermisches ΝΟχ.

— die Bildung von Brennstoff-ΝΟχ, 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 ΝΟχ oxidieren.
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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 vort Brennstoffen mit gebundenem Stickstoff jedoch ein großer Anteil der gesamten ΝΟχ-Bildung über die Brennstoff-NO_x-Reaktion entsteht, sind bei solchen Brennstoffen vorgenannte Maßnahmen zur Erreichung der in einigen Ländern bestehenden Emissionsrichtwerte nicht ausreichend. Hierfür ist es notwendig, Stickstoffverbindungen iioch während der Pyrolyse in Abwesenheit von Sauerstoff zu molekularem Stickstoff (N2) 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 Verbrennungszone in Abhängigkeit von den Randbedingungen (z. B. Wandtemperatur des Brennraumes) ein Luftverhältnis zwischen 0,9 und 03 zu wählen. Allerdings müssen dann zum Erreichen eines vollständigen Abbrandtä 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, als auch die thermische ΝΟχ-Bildung erheblich vermindert werden kann. Bei Versuchen wurden über die Anwendung der Zweistufenverbrennung die Absenkung der ΝΟχ-Emissionswerte gegenüber ungestufter Verbrennung ungefähr bis 70% erzielt.

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

Gemäß dem Patent 29 08 427 wird Restluft in Abhängigkeit von der Last geregelt um den jeweiligen Brenner herum so dem Feuerraum zugeführt, 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 Teilströtre auf einem 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 Verfahren hat sich herausgestellt, daß bei Anwendung des Verfahrensprinzips auf die Verbrennung von hochmolekularen, gasförmigen und flüssigen Kohlenwasserstoffen zwar eine ΝΟχ-Minderung erreicht wird, jedoch über die in der unterstöchiometrischen primären Verbrennungszone ablaufenden Pyrolysereaktionen die Bildung von Ruß und Flugkoks erhöht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Patent 29 08 427 für die Verbrennung von hochmolekularen, gasförmi-

gen und Flüssigen Kohlenwasserstoffen so weiter zu verbessern, daß sichergestellt ist, daß die Bildung von NOx und die Emissionen von Ruß und Flugkoks vermindert werden und daß gleichzeitig die Sicherheit 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 im Feuerraum rückzirkulierende teilweise abgekühlte Rauchgase der Verbrennungsluft für die unterstöchiometrische primäre Verbrennungszone vor deren Eintritt in den Feuerraum beigemischt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dahingehend abgewandelt werden, daß im Feuerraum rückzirkulierende teilweise abgekühlte Rauchgase auch der Verbrennungsluft für die überstöchiometrische sekundäre Verbrennungszone vor deren Eintritt in den Feuerraum beigemischt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei der Verbrennung von hochmolekularen, gasförmigen und flüssigen Kohlenwasserstoffen durch die Zumischung von gekühlten ΝΟχ-haitigen Rauchgasen zu der Verbrennungszone die ΝΟχ-Minderung verstärkt Durch die Beimischung der gekühlten Rauchgase wird die Flammentemperatur abgesenkt, wodurch bekanntlich eine Verringerung der thermischen ΝΟχ-Bildung erreicht wird.

Weiterhin ist nachgewiesen worden, daß NOx-Verbindungen beim Durchtritt durch eine Flammenfront 3c 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 ΝΟχ-haltigen Rauchgasen zur Primärluft ausgenutzt.

Neben der zusätzlichen Verminderung des NOx-Gehaites wird durch die über die Rauchgasrückführung in Gang 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 erfindungsgemäße Verfahren ist anhand der Prinzipskizzen Bild 1 und 2 eines Brenners und der hiermit erzeugten Flamme näher beschrieben.

Mit dem aus Brennstofflanze 1, Keniluftrohr 2 und Mantelluitrohr 3 bestehenden Brenner wird eine Teilverbrennungszone (Primärzone) 6 erzeugt, deren Luftzahl zwischen dem 0,9- bis 0,5fachen der Stöchiometrie liegt, und der über den Rüctcführkanal 9 Rauchgas aus dem Feuerraum durch Beimischung zur Verbrennungsluft (Primärluit) zugeführt wird (Bild 1). Hierdurch wird die ΝΟχ-Bildung weiter herabgesetzt und die Ruß- und Flugkoksbildung vermindert. Bei dem Brenner des Bildes 2 wird das Rauchgas der Gesamtluft beigemischt. Der Brenner ist so ausgebildet, daß durch bes'immte Maßnahmen (Drall der Mantelluft, konisch erweiterte Brennermündung) im Innern der Flamme einer 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 b% von Kernluft beeinflußt werden.

Die für den Restauab^rand erforderliche Luft wird als 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 Stufenluftströmung 4 wird hierfür in einem Teilkreis angeordnet, der dem doppelten Mantelluftrohrdurchmesser entspricht; hierdurch ist sichergestellt, daß die Stufenluft 4 erst nach einer Strekke 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 Impulsaustausch Rauchgase aus dem Feuerraum eingesogen. Hierdurch wird die Flammentemperatur erniedrigt.

In den Bildern 3a und 3b sind weitere Möglichkeiten der Rauchgasrückführung mit Gasen niedriger Temperatur gezeigt. Bild 3a stellt schematisch die Zumischung der Rauchgase zur Primärluft und Bild 3b die Zumischung der Rauchgase zur Gesamtluft dar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 Mantelluftstrom durch den jeweiligen Brenner und in einer durch Zugabe von Restluft überstöchiometrischen sekundären Verbrennungszone erfolgt, wobei die Restluft in Abhängigkeit von der Last geregelt koaxial 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, nach Patent 29 08 427, dadurch gekennzeichnet, daß im Feuerraum rückzirkulierende teilweise abgekühlte Rauchgase der Verbrennungsluft für die unterstöchiometrische primäre Verbrennungszone vor deren Eintritt in den Feuerraum beigemischt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Feuerraum nickzirkulierende teilweise abgekühlte Rauchgase auch der Verbrennungsluft für die überstöchiometrische sekundäre Verbrennungszone vor deren Eintritt in den Feuerraum beigemischt werden.