DE3722523C1 - Furnace with nozzles for blowing in ammonia for selective noncatalytic flue gas denitration (SNCR) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Feuerungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die DE-PS 24 11 672 beschreibt ein Verfahren zum Entfernen von Stickstoffmonoxid aus sauerstoffhaltigen Verbrennungs­ abgasen durch selektive Reduktion. Dieses sogenannte SNCR- Verfahren beruht darauf, daß das Verbrennungsgas zur homo­ genen Gasphasenreaktion mit Ammoniak in Kontakt gebracht wird. Für dieses Verfahren ist es notwendig, daß die Tempe­ ratur des Verbrennungsgases während des Kontaktes innerhalb eines eng begrenzten von der Anwesenheit bestimmter Stoffe abhängigen Intervalls um 1000°C liegt.

Weiterentwicklungen dieses Verfahrens basierend auf einem Kinetikmodell, mit dem die Gasphasenreaktion des Verbren­ nungsgases während des Kontaktes mit Ammoniak simuliert wird, sind Inhalt der WO85/02 130 und der EP-A1-01 96 842. Mit diesem Verfahren kann der optimale Ort des Kontaktes von Ammoniak mit dem Verbrennungsgas und die einzublasende Ammoniakmenge durch Lösung des Sets simultaner Gleichungen des Kinetikmodells berechnet werden. Ammoniak wird, wie in der EP-A1-01 96 842 beschrieben, durch mehrere Öffnungen entlang der Kontaktzone eingeblasen.

In der DE-OS 35 02 788 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung der Schadstoffemission von Feuerungsanlagen vorgestellt. Der NO _x -Gehalt (NH₄OH oder NH₃) in den Abgasen wird durch Einführen von Ammoniak unmittelbar vor der Beendigung des Verbrennungsvorgangs mittels bewegbaren Einführsonden mit Einführdüsen ver­ ringert. Jede Einführsonde ist mit einer Temperaturmeß­ einrichtung versehen, die eine brennerlastabhängige Einstellung der Position der Ammoniakzugabe ermöglicht.

Bei der in der DE-OS 35 02 788 beschriebenen Ammoniakzugabe durch Sonden wird Ammoniak jeweils nur an einer Stelle im Querschnitt des Rauchgaszuges zugeführt. Mit dieser Vor­ richtung ist daher eine über den gesamten Querschnitt des Gasstroms flächendeckende Ammoniakzugabe, die besonders bei Feuerungsanlagen mit größerem Querschnitt des Rauch­ gaszuges zur guten Durchmischung von Rauchgas und Ammoniak benötigt wird, nicht erreichbar. Eine sehr gute Durch­ mischung ist Voraussetzung für die homogene Gasphasenreak­ tion, auf der das SNCR-Verfahren beruht.

Die Anwendung des SNCR-Verfahrens im Kraftwerk Mainz-Wies­ baden wird in dem Sonderdruck "Anwendung des SNCR-Verfahrens hinter einer Zyklonfeuerung" von Dr. G. Mittelbach und H. Voje aus dem VGB-Handbuch "NO _x -Bildung und NO _x -Minderung bei Dampferzeugern für fossile Brennstoffe" Abschnitt C 2.1 beschrieben. Das SNCR-Verfahren wurde in einem dreizügigen Benson-Schmelzkammerkessel mit Zyklonfeuerung, in dem der optimale Temperaturbereich für die Funktion des Verfahrens im zweiten nach unten führenden Leerzug vorlag, angewandt.

Die zur Bestimmung der Lage der Ammoniak-Injektionsdüsen notwendigen Temperaturmessungen erwiesen sich als pro­ blematisch: Die Geometrie des aufgrund der provisorischen Messungen vermuteten Temperaturprofils unterschied sich von der des durch Nachmessungen bestimmten Temperaturprofils.

Die Nachmessungen wurden an den für die Ammoniak-In­ jektionsdüsen in die Kesselwand eingelassenen Öffnungen durchgeführt. Der Einbau der Ammoniak-Injektionsdüsen in die Kesselseitenwand erforderte Rohrausbiegungen in der Membranwand. Das Ammoniak wird über Düsenstutzen von der Kesselwand aus senkrecht zur Rauchgasströmung mittels eines Treibmittels eingeblasen.

Die Anwendung des SNCR-Verfahrens in Feuerungsanlagen mittels ortsfester Düsen weist folgende generelle Probleme auf:

Es werden höchste Ansprüche an die Vorausberechnung der Lage der optimalen Isothermen, die den Ort der Ammoniak- Injektion bestimmt, gestellt. Diese Ansprüche können wegen der Schwierigkeit der Messung des Temperaturprofils des entsprechenden Rauchgaszuges nur mit großem Aufwand erfüllt werden.

Feuerungsanlagen, die auch im Teillastbetrieb gefahren werden, benötigen für jeden Teillastfall, bei dem die optimalen Isothermen nicht mehr im Toleranzbereich der ortsfesten Düsen liegen, einen vollständigen weiteren Satz ortsfester Düsen mit Versorgungsleitungen für Ammoniak und Treibmittel.

Dieses Problem wirkt sich besonders nachteilig bei Feue­ rungsanlagen, die von Natur aus häufig mit wechselnder Last betrieben werden, z. B. Industriekessel (Last zwischen 100 und 20%) aus.

Die Ammoniak-Injektionsdüsen müssen nachträglich durch Umbau der Kesselwand z. B. durch Rohrausbiegungen in der Membranwand angebracht werden.

Die Größe des Querschnitts des Rauchgaszuges, in den orts­ feste Düsen eingebaut werden können, ist durch die maximale Wurfweite (aus wirtschaftlichen Gründen etwa 3 m) der Düsen begrenzt.

Selbst wenn man die Möglichkeit in Betracht zieht, die Düsen an zwei gegenüberliegenden Kesselwänden anzubringen, ist bei größeren Rauchgaszügen die maximale Wurfweite zu klein, um den gesamten Querschnitt zu überstreichen. Dies ist jedoch für eine gleichmäßige Durchmischung und damit für die homogene Gasphasenreaktion notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Feue­ rungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Düsenanordnung zu schaffen, die zum gleichmäßigen Überstreichen großer Flächen geeignet ist und die eine nachträgliche Positionskorrektur und eine Anpassung an ver­ schiedene Teillastfälle ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Kenn­ zeichen des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst.

Die Anordnung der Düsen auf Düsenträgern im Innern der Feuerungsanlage ermöglicht eine über den gesamten Quer­ schnitt des Rauchgasstroms flächendeckende Ammoniakzugabe und damit eine gute Durchmischung von Rauchgas und Ammo­ niak, die für homogene Gasphasenreaktion notwendig ist. Infolge der beidseitigen Anordnung heben sich die von den Düsenstrahlen erzeugten Rückstoßkräfte gegenseitig auf. Ein Vorteil gegenüber einer einseitigen Anordnung der Düsen in einer Kesselwand besteht auch darin, daß bei gleicher Quer­ schnittsfläche des Rauchgaszuges und mit einem Düsenträger nur die halbe Wurfweite erforderlich ist. Die erforderliche Wurfweite der Düsen kann durch Erhöhung der Anzahl der Düsenträger weiter verringert werden.

Außerdem erspart die erfindungsgemäße Anordnung der Düsen den Einbau der Düsen in die Membranwand, der vor allem bei der nachträglichen Umrüstung von Altanlagen meistens mit Schwierigkeiten verbunden ist.

Durch die vertikale Verschiebbarkeit des Lanzenstocks mit den Düsenträgern kann der Ort der Ammoniakzufuhr dem jeweiligen Lastfall angepaßt werden. Es wird daher nur noch ein Düsensatz mit dazugehörigen Versorgungseinrichtungen anstelle mehrerer Düsensätze in unterschiedlichen Höhen benötigt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß durch die vertikale Verschiebbarkeit die Genauigkeitsanforderungen bei der Vorausberechnung des Ortes der Ammoniakzufuhr erheblich gemildert werden. Es ist dadurch möglich, mit den weniger genauen Erfahrungswerten der Hersteller abgaser­ zeugender Anlagen über das Temperaturprofil auszukommen und die Position der Düsenanordnung nachträglich zu korri­ gieren.

Das Merkmal des Anspruchs 2 ist vorteilhaft, z. B. für den Einsatz der Erfindung im Feuerraumzug von Festbrennstoff­ kesseln mit Rostfeuerung, deren Temperaturprofile in etwa ebene waagerechte Isothermen aufweist.

Das Merkmal des Anspruchs 3 ist bei großem Querschnitt für die zur homogenen Gasphasenreaktion notwendige gute Durch­ mischung des Verbrennungsgases mit dem eingeblasenen Ammoniak vorteilhaft.

Der Vorteil des Merkmals des Anspruchs 4 ist, daß es eine Verschiebbarkeit des Lanzenstocks mit den Düsenträgern ermöglicht und der Vorteil des Merkmals des Anspruchs 5 ist, daß die Verschiebbarkeit mit einfachen technischen Mitteln erreicht wird.

Die Zeichnung dient zur Erläuterung der Erfindung anhand eines vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiels.

Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei um 90° zueinander versetzte Längsschnitte durch den Dampfkessel.

Die eingezeichnete Höhe der Düsenträger entspricht der Höhe bei Teillast. Die Höhe der Düsenträger bei Vollast ist gestrichelt einge­ zeichnet. Die Richtung des Rauchgasstroms ist durch Pfeile gekennzeichnet.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Feuerraumzug.

Ein in einem Gestell 1 angeordneter 50 MW Dampfkessel 2 hat eine Wanderrostfeuerung 3. In einem senkrechten Feuerraum­ zug 4 des Kessels 2 befindet sich ein senkrechter Lanzen­ stock 5, dessen Achse den rechteckigen Querschnitt des Feuerraumzuges 4 im Schnittpunkt der Diagonalen durch­ dringt. Zwei Düsenträger 6 sind über zwei Querstücke 7 fest mit dem Lanzenstock 5 verbunden. Lanzenstock 5, Düsenträger 6 und Querstücke 7 bestehen aus Mehrfach-Rohrsystemen für Ammoniak, Treibmittel und, wenn nötig, Kühlmittel, mit kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt. Die Rohre sind aus hochwarmfestem Material hergestellt.

In einem Endüberhitzerpaket 8, das im oberen Teil des Feuerraumzuges 4 angebracht ist, befindet sich der Lanzen­ stock 5 im Zwischenraum 9 zwischen zwei Heizplatten. Er hat in einer Kesseldecke 10 eine Durchführung 11, die wie die Durchführungen der Rußbläsertechnik aufgebaut ist.

Ein Antriebssystem zum vertikalen Verschieben des Lanzen­ stocks 5 besteht aus einem angetriebenen Zahnrad 12 und einer am Lanzenstock 5 befestigten Zahnstange 13.

Oberhalb einer Führung 14 des Lanzenstocks 5 durch das Gestell 1 befindet sich ein Anschlußkopf 15 mit flexiblen Anschlüssen 16 für Zuleitungen von Ammoniak und Trägergas sowie, wenn nötig, Zu- und Ableitungen des Kühlmittels.

Die beiden waagerechten Düsenträger 6 sind parallel zueinander in einem Abstand angeordnet, der etwa halb so groß ist wie der Abstand der beiden Stirnwände 17, 18, zu denen sie parallel liegen. Die Länge der beiden Düsenträger 6 ist ein wenig kleiner als der Abstand der Seitenwände 19, 20, so daß beiderseits das für die Vertikalbewegung erforderliche Spiel vorhanden ist. Die Düsenträger 6 bilden zusammen mit den Querstücken 7 - symmetrisch zum Lanzen­ stock 5 - ein liegendes H. Jeder Düsenträger 6 hat zwei Reihen von in gleichmäßigen Abständen angeordneten, waage­ recht und damit senkrecht zum Rauchgasstrom zielenden Düsen 21, die einander in einer waagerechten Ebene gegenüber­ liegen. Mit dieser Anordnung kann eine Fläche überstrichen werden, bei der der Abstand der beiden Stirnwände 17, 18 das Vierfache der Wurfweite beträgt.

In kleineren Kesseln genügt ein einziger Düsenträger 6, in größeren sind drei oder mehr Düsenträger 6 mit dem Lanzen­ stock 5 verbunden.

Im Betrieb wird die Position der Düsenträger 6 je nach Lastfall mit Hilfe von Emissionsmessungen optimal einge­ stellt.

Claims (5)

1. Feuerungsanlage mit Düsen zum Einblasen von Ammoniak und Trägergas in das Rauchgas zur selektiven nicht­ katalytischen Rauchgasentstickung (SNCR), gekennzeichnet durch einen in einem senkrechten Feuerraumzug vertikal verschiebbaren Lanzenstock (5) im Innern der Feuerungsanlage (2), durch mindestens einen mit dem Lanzenstock (5) fest verbundenen der Lage der optimalen Isotherme ange­ paßten Düsenträger (6) und durch eine Anzahl von beid­ seitig auf jedem Düsenträger (6) angeordneten Düsen (21).

2. Feuerungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Düsenträger (6) waagerecht angeordnet sind.

3. Feuerungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei Düsenträger (6) parallel im Abstand von etwa der halben Abmessung eines Rauchgas­ zuges angeordnet sind und durch zwei Querstücke (7) mit dem Lanzenstock (5) verbunden sind.

4. Feuerungsanlage nach Anspruch 1, 2, 3, gekennzeichnet durch ein form- oder kraftschlüssiges Antriebssystem (12, 13) des Lanzenstocks (5).

5. Feuerungsanlage nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Antriebssystem, das aus einem Zahnrad (12) und einer Zahnstange (13) besteht.