DE3537388C2

DE3537388C2 -

Info

Publication number: DE3537388C2
Application number: DE19853537388
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Ing. 4630 Bochum De Strauss; Franz Dipl.-Ing. 4330 Muellheim De Thelen
Original assignee: Steag GmbH
Current assignee: Steag GmbH
Priority date: 1985-10-21
Filing date: 1985-10-21
Publication date: 1988-01-28
Also published as: DE3537388A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung der NO_x-Bildung bei der Verbrennung von Stickstoff enthaltenden staubförmigen Brennstoffen.

Ein Verfahren zur NO_x-armen Verbrennung einer Stickstoffverbindung ist aus der JP 58-31 201 bekannt. Dabei wird die brennbare Stickstoffverbindung zunächst einem gesonderten Zersetzungsprozeß zu molekularem Stickstoff und weiteren gasförmigen Zersetzungsprodukten unterworfen, und zwar unter Anwesenheit von 0 bis 30% der notwendigen Verbrennungsluft und bei Temperaturen von unter 500 bis 1400°C. Danach wird der brennbare Anteil der gasförmigen Zersetzungsprodukte unter Bedingungen verbrannt, bei denen Stickstoff nicht mehr oxidiert wird. Über die Anwendung dieses Vefahrens auf staubförmige Brennstoffe ist nichts gesagt.

Die NO_x-arme Verbrennung für Großdampferzeuger befindet sich heute noch in der Entwicklungsphase. In Versuchen erprobt ist die Brennstoffstufung, bei der im Feuerraum eine Zone mit reduzierender Atmosphäre zur Reduktion von zuvor gebildetem NO_x geschaffen wird. Bei dieser bekannten Verfahrensführung wird NO_x zunächst aus Brennstoffstickstoff und thermisch aus Luftstickstoff erzeugt und anschließend zum Teil wieder reduziert. Der Verringerung der NO_x-Emission sind dabei aber relativ enge Grenzen gesetzt.

Bekannt sind ferner Dampferzeuger mit gestufter Luftzuführung am Brenner bzw. im Feuerraum. Die US-PS 43 43 606 beschreibt ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoffen, die Stickstoffverbindungen enthalten, mit einem Zweistufenbrenner, in welchem der Brennstoff zunächst bei stark unterstöchiometrischer Luftmenge in einem Temperaturbereich von 1850 bis 2150K teilweise verbrannt wird und die Rauchgase der ersten Verbrennung nach weiterer Sauerstoffzufuhr einer Nachverbrennung bei einer Temperatur von höchstens 1800K unterworfen werden.

Die letztgenannten bekannten Verfahren beeinträchtigen jedoch die Flammenstabilität und den Ausbrand und erhöhen in der Regel die Verschmutzung und Korrosion im Feuerraum.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch primärseitige Maßnahmen bei der Verbrennung von staubförmigen Brennstoffen, z. B. von Kohlenstaub, die NO_x-Bildung weitgehend zu verhindern, ohne dabei den Ausbrand des Brennstoffs und die Flammenstabilität wesentlich zu verschlechtern.

Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Brennstoff vor Einleitung der Verbrennung mit Trägergas einer Vorheizzone zugeführt und durch wenigstens einen Hilfsbrenner auf eine Temperatur im Bereich von 500 bis 800°C aufgeheizt und wenigstens teilweise entgast wird, daß die Sauerstoffkonzentration des Gemisches aus Rauchgasen, Brennstoff und Trägergas in der Vorheizzone auf höchstens 8% begrenzt wird und daß dem Brennstoff nach Verlassen der Vorheizzone in einer Brennkammer die zur vollständigen Verbrennung erforderliche Verbrennungsluft zugemischt wird.

Mit diesem Verfahren wird die Entstehung von NO_x durch die Umwandlung des Brennstoffstickstoffes in molekularen Stickstoff im Zuge der Vorentgasung weitgehend unterdrückt. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der der Entgasung nachfolgende Verbrennungsvorgang bei niedrigen Temperaturen ablaufen kann, wodurch der Bildung von thermischem NO_x entgegengewirkt wird. Der wenigstens eine Hilfsbrenner sorgt über die Aufheizung des staubförmigen Brennstoffs hinaus auch für eine Stabilisierung der Verbrennung. Die Luftzugabe zum Feuerraum kann strömungstechnisch so vorgesehen werden, daß die Gefahr von Korrosion und Verschmutzungen im Feuerraum wesentlich verringert wird.

In Weiterbildung der Erfindung können die Entgasungstemperatur und der O₂-Gehalt bei der Entgasung durch Steuerung der Trägergastemperatur bzw. der Trägergasmenge oder durch Rückführung von Inertgasen auf die gewünschten Werte eingestellt werden. Die Entgasungstemperatur sollte möglichst nahe an der oberen Temperaturbereichsgrenze von 800°C liegen; bevorzugte Temperaturwerte liegen im Bereich von 700 bis 800°C. Ein für die Verfahrensführung geeigneter Wert für den O₂-Gehalt in der Vorheizzone liegt bei etwa 5%.

Die Anpassung der Verweilzeit in der Entgasungszone an das Brennstoffverhalten kann durch die Gestaltung der Vorkammer sowie die strömungstechnische Ausführung der Verbrennungseinrichtungen erfolgen.

Als Trägergas für den staubförmigen Brennstoff eignet sich Luft, rückgeführtes Rauchgas oder ein Gemisch aus beidem.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Aufheizung in der Vorkammer durch Heißgas unterstützt wird, welches aus der Brennkammer zurückgesaugt oder in vorgeschalteten Inertgaserzeugern hergestellt wird. Dadurch kann die Leistung Hilfsbrenner vermindert und unter Umständen die Größe der Vorkammer verringert werden.

Den Hilfsbrennern kann ein Teil des Hauptbrennstoffes zugeführt werden, der durch Entnahme aus den Betriebsmühlen gewonnen oder getrennt aufbereitet wird.

Durch geeignete strömungstechnische Ausbildung der Brennkammer, der Brennstoff-Luftzuführung und der Anordnung eines oder mehrerer Hilfsbrenner kann die Aufheizzone für den staubförmigen Brennstoff ganz oder teilweise in die Brennkammer selbst verlegt werden. Die Luftzuführung zum entgasten Brennstoff kann außerhalb der Entgasungszone unter innigem Vermischen mit dem aufgeheizten und entgasten Brennstoff erfolgen. Ein solches inniges Vermischen von Brennstoff und Verbrennungsluft kann beispielsweise durch ein oder mehrere Verbrennungsluftströme, die unverdrallt mit hohem Impuls auf den Brennstoffstrahl nach der Entgasungszone gerichtet sind, erreicht werden.

Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe vorrichtungsmäßig dadurch, daß wenigstens eine Brennstoffleitung zur Zufuhr des staubförmigen Brennstoffs mit Trägergas und wenigstens ein den Brennstoff aufheizender Hilfsbrenner in eine Vorkammer münden, wobei der wenigstens eine Hilfsbrenner für eine derartige Leistung ausgebildet und so angeordnet ist, daß er den Brennstoff auf eine Temperatur zwischen 500 und 800°C aufheizt, daß die Vorkammer eine unmittelbar in eine Brennkammer mündende Austrittsöffnung hat und daß wenigstens eine Leitung zur Zufuhr der für die Verbrennung des aufgeheizten Brennstoffs benötigten Verbrennungsluft direkt in die Brennkammer mündet.

Durch die Gestaltung der Vorkammer und die Führung der Brennstoff- und Rauchgasströme in der Vorkammer und der Hauptbrennkammer kann die für die weitgehende Entgasung des staubförmigen Brennstoffs benötigte Verweilzeit erreicht werden.

Jeder Hilfsbrenner kann mit einem Teil des staubförmigen Hauptbrennstoffs und zusätzlich mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff betrieben werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen mit un terschiedlichen strömungstechnischen Ausbildungen der Vorkam mer, der Brennkammer und der zugehörigen Verbrennungseinrich tungen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematische Axialschnitt- und Frontansichten eines ersten Ausführungsbeispiels, bei dem staubförmige Brennstoffe mit Trägergas axial in eine zylindrische Vorkammer eingeblasen werden und mehrere Hilfsbrenner in gleichmäßiger Verteilung um die Vorkammerachse angeordnet sind;

Fig. 2 Ansichten entsprechend Fig. 1 auf ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem ein Hilfsbrenner an einer der Austrittsöffnung der Vorkammer entge gengesetzten Stelle axial in die Vorkammer ge richtet ist und die Brennstoffzufuhr zur Vorkam mer durch einen den Hilfsbrenner konzentrisch umgebenden Ringraum erfolgt;

Fig. 3 Ansichten entsprechend denjenigen gemäß Fig. 1 auf ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfin dung, bei dem der Hilfsbrenner zentral zur Vor kammerachse ausgerichtet ist und die Brennstoff zufuhr tangential in die Vorkammer mündet; und

Fig. 4 Ansichten entsprechend denjenigen gemäß Fig. 1 auf ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Vorkammer eine Feuerraumwand durchstößt und in die Brennkammer vorspringt.

In der Zeichnung sind schematisch vier unterschiedliche Aus führungsbeispiele der neuen Vorrichtung zur Verminderung der NO_x-Bildung bei der Verbrennung von staubförmigen Brennstof fen in einer Brennkammer gezeigt. Von der Brennkammer ist in allen Figuren nur eine Feuerraumwand 1 gezeigt, an der eine zylindrische Vorkammer 2 bzw. 2′ angeordnet ist. Die Vorkammer 2 bzw. 2′ mündet über eine Austrittsöffnung 3 bzw. 3′ direkt in die Brennkammer bzw. den Feuerraum, wo die Verbrennung des staubförmigen Brennstoffs stattfindet.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird staubförmiger Brennstoff mit einem gegebenenfalls vorgeheizten Trägergas durch einen zentralen Brennstoff-Zufuhrstutzen 4 in Richtung des Pfeils 4 a in die Vorkammer 2 eingeblasen. Vier Hilfsbren ner 5, die in der Frontansicht rechts in Fig. 1 schematisch als Öffnungen dargestellt sind, sind in gleichmäßiger Vertei lung um die Vorkammerachse angeordnet. Ihr Rauchgas wird in der Vorkammer 2 etwa im Gleichstrom in Richtung der Pfeile 5 a mit der Brennstoff/Trägergasströmung 4 a geführt und heizt den Brennstoff auf eine Temperatur von maximal 800°C auf, wobei der Brennstoff wenigstens teilweise entgast wird. Die Entga sung des Brennstoffs findet vorwiegend in der Vorkammer 2 statt, bevor die eigentliche Verbrennung des Brennstoffs in der Brennkammer 1 stattfindet. Die dazu erforderliche Verbren nungsluft wird über eine zum Feuerraum hin offene Ringkammer 6 der Brennkammer zugeführt und mit dem entgasten Brennstoff innerhalb der Brennkammer vermischt. Die Ringkammer 6 wird von einer Verbrennungsluft-Zuführleitung 7 gespeist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 1 durch eine andere Gestaltung und An ordnung der Verbrennungseinrichtungen. In Fig. 2 ist ein Hilfsbrenner 5 auf der Achse der der Entgasung des Brennstoffs dienenden Vorkammer 2 angeordnet. Der Brennstoff wird durch einen den Hilfsbrenner 5 konzentrisch umgebenden Ringraum 40 dem Innenraum der Vorkammer 2 zugeführt. Die Verbrennungsluft wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 entsprechend der schematischen Frontansicht durch vier Verbrennungsluft-Zufuhr leitungen 7 direkt in die Brennkammer eingeführt, so daß sich die Verbrennungsluft mit dem Brennstoff erst nach dessen in der Vorkammer 2 und im ersten Abschnitt der Brennkammer statt findender Entgasung in der Brennkammer vermischen kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist ein Hilfsbrenner 5 koaxial zur Vorkammer 2 angeordnet, während ein Brennstoff- Zufuhrstutzen 4 tangential und schräg zur Achse in die Vor kammer 2 mündet. Der Brennstoff-Trägergasstrom 4 b erhält auf grund dieser Einblasrichtung und der zylindrischen Form der Vorkammer 2 einen wendelförmigen Strömungsverlauf um den axia len Rauchgasstrom herum. Die Verbrennungsluft wird in die Brennkammer ähnlich der Darstellung in Fig. 1 über eine Ring kammer 6 eingeblasen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 findet die Entgasung des staubförmigen Brennstoffs teilweise in einer in den Brenn raum versenkten verkürzten Vorkammer 2′ und teilweise in einer an die Austrittsöffnung 3′ anschließenden Zone der Brennkammer selbst statt. Die durch Öffnungen 7′ in der Feuerraumwand 1 in die Brennkammer eingeführte Verbrennungsluft wird erst außer halb der Vorheiz- bzw. Entgasungszone im Feuerraum dem Brenn stoffstrom 4 a zugemischt. Dies kann beispielsweise durch in der Zeichnung nicht dargestellte gerichtete, unverdrallte Luftstrahlen mit hohem Impuls geschehen. Die Anordnung des Brennstoff-Zufuhrstutzens 4 zur Vorkammer 2′ ist ähnlich derje nigen gemäß Fig. 1. Die in Fig. 4 schematisch dargestellte Ausführung ermöglicht bei voll wirksamer Entgasung des Haupt brennstoffs in einer Aufheizzone eine Reduzierung der Länge der Vorkammer 2′. Diese raumsparende Bauweise kann durch ge eignete strömungstechnische Ausbildung der Brennkammer selbst, der Hilfsbrenner und vor allem der Verbrennungsluftzuführung gefördert werden.

Claims

1. Verfahren zur Verminderung der NO_x-Bildung bei der Verbrennung von Stickstoff enthaltenden staubförmigen Brennstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff vor Einleitung der Verbrennung mit Trägergas einer Vorheizzone zugeführt und durch wenigstens einen Hilfsbrenner auf eine Temperatur im Bereich von 500 bis 800°C aufgeheizt und wenigstens teilweise entgast wird, daß die Sauerstoffkonzentration des Gemisches aus Rauchgasen, Brennstoff und Trägergas in der Vorheizzone auf höchstens 8% begrenzt wird und daß dem Brennstoff nach Verlassen der Vorheizzone in einer Brennkammer die zur vollständigen Verbrennung erforderliche Verbrennungsluft zugemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt bei der Entgasung des staubförmigen Brennstoffs durch Steuerung der Trägergasmenge und/oder durch Rückführung von Inertgasen beeinflußt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entgasungstemperatur in der Aufheizzone durch Steuerung der Trägergastemperatur beeinflußt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entgasung des staubförmigen Brennstoffs bei einer Temperatur im Bereich von 700 bis 800°C erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff/Trägergasstrom und der Rauchgasstrom des wenigstens einen Hilfsbrenners in der Vorheizzone im Gleichstrom geführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff/Trägergasstrom in der Vorheizzone spiralförmig um den Rauchgasstrom geführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägergas für den staubförmigen Brennstoff Luft, rückgeführtes Rauchgas oder ein Gemisch aus beiden verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung in der Vorkammer durch Heißgas unterstützt wird, welches aus der Brennkammer zurückgesaugt oder in vorgeschalteten Inertgaserzeugern hergestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem wenigstens einen Hilfsbrenner ein Teil des Hauptbrennstoffs zugeführt wird, der durch Entnahme aus den Betriebsmühlen gewonnen oder getrennt aufbereitet wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Brennstoffleitung (4; 40) zur Zufuhr des staubförmigen Brennstoffs mit Trägergas und wenigstens ein den Brennstoff aufheizender Hilfsbrenner (5) in eine Vorkammer (2; 2′) münden, wobei der wenigstens eine Hilfsbrenner für eine derartige Leistung ausgebildet und so angeordnet ist, daß er den Brennstoff auf eine Temperatur zwischen 500 und 800°C aufheizt, daß die Vorkammer eine unmittelbar in eine Brennkammer (1) mündende Austrittsöffnung (3) hat und daß wenigstens eine Leitung (6, 7; 7′) zur Zufuhr der für die Verbrennung des aufgeheizten Brennstoffs benötigten Verbrennungsluft direkt in die Brennkammer mündet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (2) etwa zylindrisch ausgebildet ist, daß ein Brennstoff-Zufuhrstutzen (4) koaxial in die Vorkammer mündet und mehrere Hilfsbrenner (5) in gleichmäßiger Verteilung um die Vorkammerachse angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (2) etwa zylindrisch ausgebildet ist, daß ein Hilfsbrenner (5) auf der Zylinderachse angeordnet ist und daß der Brennstoff durch einen den Hilfsbrenner konzentrisch umgebenden Ringraum (40) oder durch mehrere Einzelöffnungen in die Vorkammer einblasbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (2) etwa zylindrisch ausgebildet ist, daß ein Hilfsbrenner (5) auf der Zylinderachse angeordnet ist und daß der Brennstoff an einer von der Austrittsöffnung (3) entfernten Stelle tangential in die Vorkammer (2) einblasbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hilfsbrenner (5) mit einem Teil des staubförmigen Hauptbrennstoffs und zusätzlich mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff betreibbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (2′) über eine Feuerraumwand (1) nach innen in die Brennkammer vorspringt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft in gleichmäßiger Verteilung um die Vorkammer (2) in die Brennkammer einführbar ist.