DE4014606A1 - REDUCTION OF NO (DOWN ARROW) X (DOWN ARROW) BY STAGE FUEL COMBUSTION WITH ACETYLENE-LIKE FUELS - Google Patents
REDUCTION OF NO (DOWN ARROW) X (DOWN ARROW) BY STAGE FUEL COMBUSTION WITH ACETYLENE-LIKE FUELSInfo
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Abstract
Description
In Kohleverbrennungsanlagen erzeugte Emissionen von Stick stoff- und Schwefeloxiden sind für den Niederschlag von sau rem Regen verantwortlich. Um diese Oxid-Emissionen zu verrin gern, wurden viele verschiedenartige Verfahren untersucht. Das wirksamste Verfahren von NO x -Emission ist bis heute die Nachverbrennung durch eine stufenweise Einführung von Methan außerhalb der kohlebefeuerten Hauptverbrennungszone. Dieses Vorgehen ist ansprechend, weil es eine Nachrüstungstechnolo gie darstellt, die auf alle Typen von beheizten Kesseln an wendbar ist. Jedoch ist diese Technologie nicht leicht ver wirklicht worden, weil die zur Nachverbrennung eingeführte Methanmenge 20% der äquivalenten Kohlebrennstoff-Verbren nung in der Hauptverbrennungszone des Kessels entspricht. Die weitere Forschung ist nicht auf die Entwicklung der ersten Ge neration dieser Technologie gerichtet, sondern um die Anwen dung von kombinierten Technologien zu demonstrieren, welche die Kostenwirksamkeit verbessern werden.Emissions of nitrogen and sulfur oxides generated in coal combustion plants are responsible for the precipitation of acid rain. Many different methods have been investigated to reduce these oxide emissions. To date, the most effective method of NO x emission is post-combustion by gradually introducing methane outside the main coal-fired combustion zone. This approach is appealing because it represents a retrofit technology that can be applied to all types of heated boilers. However, this technology has not been easily implemented because the amount of methane introduced for post-combustion corresponds to 20% of the equivalent carbon fuel combustion in the main combustion zone of the boiler. Further research is not aimed at developing the first generation of this technology, but rather to demonstrate the use of combined technologies that will improve cost-effectiveness.
Die vorliegende Erfindung ist auf anderweitige Brennstoffe für die stufenweise Nachverbrennung zur Reduzierung von NO x und das Erhitzen derartiger Brennstoffe mit einer atmosphäri schen Plasmaquelle zur Steigerung der Nachverbrennung, falls erforderlich, abgestellt.The present invention is directed to other fuels for the gradual post-combustion to reduce NO x and heating such fuels with an atmospheric plasma source to increase the post-combustion, if necessary.
Die NO x -Reduktionswirksamkeit in der Nachverbrennungszone wird sowohl durch die Stickstoffdioxid-Bildung als auch durch Destruktion chemischer Reaktionen beeinflußt. Die Zeldovich- NO-Bildungsmechanismen beziehen die Reaktion von Stickstoff atomen und Molekülen mit OH, O und O2 ein:The NO x reduction efficiency in the afterburning zone is influenced both by the nitrogen dioxide formation and by the destruction of chemical reactions. The Zeldovich NO formation mechanisms involve the reaction of nitrogen atoms and molecules with OH, O and O 2 :
N₂+O = NO+N (1)
N+O₂ = NO+O (2)
N+OH = NO+H (3)N₂ + O = NO + N (1)
N + O₂ = NO + O (2)
N + OH = NO + H (3)
NO kann auch durch mit Hydrogenresten, wie CH und CH2 reagie renden Stickstoffmolekülen gebildet werden. Daran anschließen de Reaktionen mit O, OH, O2 werden NO liefern.NO can also be formed by nitrogen molecules reacting with hydrogen residues such as CH and CH 2 . Subsequent reactions with O, OH, O 2 will provide NO.
NO kann entweder durch Reaktion mit Ammoniakarten unter Bil dung von molekularem Stickstoff zerstört werden, oder durch Reaktion mit Kohlenwasserstoffresten, wie CH und CH2 unter Bildung von Cyanwasserstoff, der seinerseits zu Ammoniakarten umgewandelt wird, welche NO zu N2 reduzieren:NO can be destroyed either by reaction with ammonia cards to form molecular nitrogen, or by reaction with hydrocarbon residues such as CH and CH 2 to form hydrogen cyanide, which in turn is converted to ammonia cards, which reduce NO to N 2 :
CH+NO = HCN+O (4)
CH₂+NO = CH₂O+N (5)
CH₂+NO = HCN+OH (6)
CH₃+NO = HCN+H₂O (7)CH + NO = HCN + O (4)
CH₂ + NO = CH₂O + N (5)
CH₂ + NO = HCN + OH (6)
CH₃ + NO = HCN + H₂O (7)
Die Erfindung wird vollständiger unter Bezugnahme auf die bei gefügten Zeichnungen beschrieben, wobeiThe invention becomes more complete with reference to the attached drawings described, wherein
Fig. 1 eine Übersicht der Wirkungen von Methan- und Ace tylen-Injektion auf die Stickstoffoxid-Konzentration liefert; FIG. 1 provides an overview of the effects of methane and Ace lene injection to the nitrogen oxide concentration;
Fig. 2a die Struktur der chemischen Bindung von Acety len erläutert; Fig. 2a explains the structure of the chemical bond of acetylene;
Fig. 2b die Struktur der chemischen Bindung von Methan erläutert; FIG. 2b illustrates the structure of the chemical bond of methane;
Fig. 2c die Struktur der chemischen Bindung von MAPP er läutert; und Fig. 2c, the structure of the chemical binding of MAPP he explained; and
Fig. 2d die Struktur der chemischen Bindung von Propy len erläutert. Fig. 2d explains the structure of the chemical bond of Propy len.
Jedoch können andere Kohlenwasserstoff-Brennstoffe zur Bildung von langlebigen Radikalen, welche NO zerstören können, in Be tracht gezogen werden. In Versuchen von Helfritch et al. wurde gefunden, daß Acetylen langlebige Radikale bildet, welche NO in wirksamer Weise zerstören. Das Acetylen als auch andere Kohlenwasserstoffe werden auf Temperaturen in der Nähe von 4000°C in einem aus Dampf hergestellten Plasma von Atmosphä rendruck erhitzt. Aus spektroskopischen Messungen ergab sich, daß das Dampfplasma große Konzentrationen (1. OE17/cc) von OH- und H-Radikalen enthielt. Die OH- und H-Radikale in Kom bination mit injizierten Kohlenwasserstoffen, wie beispiels weise Methan und Acetylen, bildeten langlebige Radikalsorten:However, other hydrocarbon fuels can form of long-lived radicals, which can destroy NO, in Be traditional costume. In experiments by Helfritch et al. has been found that acetylene forms long-lived radicals which NO destroy in an effective manner. The acetylene as well as others Hydrocarbons are at temperatures close to 4000 ° C in a vapor atmosphere plasma pressure heated. Spectroscopic measurements showed that the vapor plasma has large concentrations (1. OE17 / cc) of Contained OH and H radicals. The OH and H radicals in com combination with injected hydrocarbons, such as Wise methane and acetylene formed long-lived radical types:
CH₄+OH (oder H) = CH₃+H₂O (oder H) (8)
CH₃+OH (oder H) = CH₂+H₂O (oder H₂) (9)
CH₂+OH (oder H) = CH+H₂O (oder H₂) (10)
C₂H₂+OH (oder H) = C₂H+H₂O (oder H₂) (11)
C₂H₂+O = CH₂+CO (12)CH₄ + OH (or H) = CH₃ + H₂O (or H) (8)
CH₃ + OH (or H) = CH₂ + H₂O (or H₂) (9)
CH₂ + OH (or H) = CH + H₂O (or H₂) (10)
C₂H₂ + OH (or H) = C₂H + H₂O (or H₂) (11)
C₂H₂ + O = CH₂ + CO (12)
Die nachfolgende NO-Reduktion ist:The following NO reduction is:
CH+NO = N+HCO
CH+NO = O+HCN (13)
NH+NO = N₂+OH (14)
C₂+NO = CN+CO (15)
CH₂+NO = CN+H₂O (16)
C₂H+H = C₂+H₂
C₂H+O = CH+CO (17)CH + NO = N + HCO
CH + NO = O + HCN (13)
NH + NO = N₂ + OH (14)
C₂ + NO = CN + CO (15)
CH₂ + NO = CN + H₂O (16)
C₂H + H = C₂ + H₂
C₂H + O = CH + CO (17)
Von Helfritch wurde festgestellt, daß Acetylen sechs-(6)mal wirksamer für die NO-Reduktion ist als Methan, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist. Eine weitere Information über die Zerstörung von NO ist in der Literatur angegeben. Q. Le und M. Vanpee, Combustion and Flame, 62, Seiten 193 bis 210 (1985) stabilisierten einen Acetylen-Stickstoffoxid-Niederdruck-Bren ner. Diese Flamme ist wegen der zur Initiierung der C2H2-NO- Reaktion erforderlichen sehr hohen Temperatur (T<1900°K) nicht leicht zu entzünden. In den Versuchen von Helfritch wur den diese hohen Temperaturbedingungen durch eine Mikrowellen- Plasmaquelle erzielt. Das stöchiometrische Gleichgewicht für diese Reaktion ist 17% C2H2 und 83% NO. Ergiebigere Brenn stoffverbrennungen wurden auch von den obengenannten Autoren Le und Vanpee in Betracht gezogen (27% C2H2 und 73% NO). De ren Flammen erzeugten langlebige freie Radikale von OH, CN, C2 und NH. Diese C2H2-NO-Flamme ist ein wirksames Mittel zur Zer störung von NO.Helfritch found that acetylene is six (6) times more effective for NO reduction than methane, as can be seen in FIG. 1. Further information on the destruction of NO is given in the literature. Q. Le and M. Vanpee, Combustion and Flame, 62, pages 193 to 210 (1985) stabilized an acetylene-nitrogen oxide low-pressure burner. This flame is not easily ignited because of the very high temperature (T <1900 ° K) required to initiate the C 2 H 2 -NO reaction. In Helfritch's experiments, these high temperature conditions were achieved using a microwave plasma source. The stoichiometric equilibrium for this reaction is 17% C 2 H 2 and 83% NO. More abundant fuel burns were also considered by the above authors Le and Vanpee (27% C 2 H 2 and 73% NO). Their flames generated long-lived free radicals of OH, CN, C 2 and NH. This C 2 H 2 NO flame is an effective means of destroying NO.
Die Verbrennungsgeschwindigkeiten von verschiedenen Kohlen wasserstoffen mit NO und NO2 wurden gemessen und verglichen. Die Verbrennungsgeschwindigkeit ist ein Hinweis auf die rela tiven Reaktionsraten für jede Verbrennung. Diese Raten und die Quenchdurchmesser werden in der nachfolgenden Tabelle I verglichen. Es sei bemerkt, daß die Acetylen-Reaktionen die höchsten Geschwindigkeiten für alle Kohlenwasserstoff-Reaktio nen mit NO und NO2 aufweisen. Außerdem haben die Acetylen-Re aktionen die kleinsten Quenchdurchmesser, was nahelegt, daß die Temperatur, bei welcher die Reaktion in der Flammenfront beginnt, sehr hoch ist. Daher werden im Gegensatz zur allge meinen Ansicht Flammen mit NO leicht erhalten, vorausgesetzt, daß die Bedingungen die großen Quenchdurchmesser und die ho hen Zündungsenergien, welche einbezogen sind, in Betracht zie hen. The combustion rates of different hydrocarbons with NO and NO 2 were measured and compared. The combustion rate is an indication of the relative reaction rates for each combustion. These rates and the quench diameters are compared in Table I below. It should be noted that the acetylene reactions have the highest rates for all hydrocarbon reactions with NO and NO 2 . In addition, the acetylene reactions have the smallest quench diameters, which suggests that the temperature at which the reaction starts in the flame front is very high. Therefore, contrary to the general view, flames with NO are easily obtained, provided that the conditions take into account the large quench diameters and the high ignition energies involved.
Es wurde festgestellt, daß CH und CH2 wichtige radikalische Zwischenprodukte bei der Zerstörung von NO mit Acetylen sind. Darüber hinaus wurde gefunden, daß die Reaktion von Acetylen und NO eine Temperatur von zumindest 1900°K erfordert. Während der Verbrennung von Acetylen und Sauerstoff wird das hochreak tive CH erzeugt.It was found that CH and CH 2 are important radical intermediates in the destruction of NO with acetylene. In addition, it has been found that the reaction of acetylene and NO requires a temperature of at least 1900 ° K. The highly reactive CH is generated during the combustion of acetylene and oxygen.
Alle die Untersuchungen in der Literatur, einschließlich der Arbeiten von Helfritch et al., weisen darauf hin, daß Acety len reaktive Radikale bildet, welche NO zerstören, wenn die Umgebungstemperatur zumindest 1900°K beträgt. Diese Studien weisen darauf hin, daß Acetylen für die Gasnachverbrennung zur Emissionssteuerung verwendet werden kann. Die Nachverbrennung kann in der Nähe der Hauptkohlenfeuerung in der Hitzefreiset zungshauptzone durchgeführt werden, oder in der Abzugsleitung für Rauchgas, wobei das Nacherhitzen mit einer atmosphärischen Plasmaquelle erleichtert wird. Darüber hinaus wurde gezeigt, daß Acetylen für die Zerstörung von Stickstoffoxiden wirksamer als Methan ist.All the research in the literature, including the Work by Helfritch et al., Indicate that Acety len forms reactive radicals which destroy NO when the Ambient temperature is at least 1900 ° K. These studies point out that acetylene for gas afterburning Emission control can be used. The afterburn can be set near the main coal burner in the heat main zone, or in the exhaust line for flue gas, the reheating with an atmospheric Plasma source is facilitated. It was also shown that acetylene more effective for the destruction of nitrogen oxides than is methane.
Das Problem bei der Verwendung von Acetylen bei der Nachver brennung anstelle von Methan besteht darin, daß man Acetylen lediglich in kleinen Stahlzylindern von 300 Litern Fassungs vermögen wegen seiner inhärenten Flüchtigkeit erhalten kann. Um große Mengen des Gases zu erhalten, muß man sehr viele Stahlzylinder verwenden, was den Gaspreis sehr hoch treibt und kommerziell nicht attraktiv ist. Dies deswegen weil Acetylen in erster Linie als Betriebsstoff für Schneid- und Schweiß brenner eingesetzt wird, und nicht für irgendeine Anwendung bei der Verbrennung.The problem with the use of acetylene in the verver Burning instead of methane is that acetylene only in small steel cylinders with a capacity of 300 liters assets because of its inherent volatility. To get large amounts of the gas, you have to get a lot Use steel cylinders, which drives the gas price very high and is not commercially attractive. This is because acetylene primarily as an operating material for cutting and welding burner is used, and not for any application when burning.
Glücklicherweise wurde festgestellt, daß die Industriegas- Industrie Synthesegase entwickelt hat, die dem Acetylen kine tisch ähnlich sind, jedoch nicht dessen Flüchtigkeit aufwei sen. Dies ermöglicht den Transport des Gases in Tankwagen. Sie tendieren zu einem Preis wie ähnlich demjenigen für Pro pangas, welches für die Gasnachverbrennung sehr attraktiv sein könnte, falls mit diesen Synthesegasen ein Vorteil der Nachverbrennung vorhanden ist. Diese Gase werden derzeit als Acetylenersatz für die Anwendung in der Schweißtechnik ver kauft. Zwei der besonders verbreiteten Synthesegase sind MAPP- Gas, das im allgemeinen 66% Methylacetylen-Allen (Propadien) mit 34% Butadien ist und B-plus, das im allgemeinen Propylen ist. Diese Gase werden hergestellt und in den Handel gebracht von Kompanien, wie beispielsweise Airco, MG Industries, Matheson und Monsanto. Diese Gase sind komplexe Kohlenwasser stoffe, die in ihrer chemischen Bindungsstruktur sehr ähn lich dem Acetylen sind (vgl. Fig. 2a bis 2d). Es sei bemerkt, daß Acetylen eine Dreifachbindung besitzt, welche es sehr re aktiv macht, wohingegen Methan lediglich Einfachbindungen auf weist. MAPP-Gas oder Methylacetylen-Allen (Propadien) ist nun eine isomere Verbindung, welche zwei molekulare Strukturen, nämlich Methylacetylen-Allen und Propadien (Fig. 2c) auf weist. Die Dreifachbindung wird in der Methylacetylen-Struk tur gezeigt und ist dem Acetylen sehr ähnlich. B-plus oder Propylen ist ein langkettiger Kohlenwasserstoff mit einer Doppelbindung, wie er in Fig. 2d gezeigt wird.Fortunately, it has been found that the industrial gas industry has developed synthesis gases that are kinetically similar to acetylene but do not have its volatility. This enables the gas to be transported in tankers. They tend to have a price similar to that for propane gas, which could be very attractive for gas post-combustion if there is an advantage of post-combustion with these synthesis gases. These gases are currently sold as an acetylene substitute for use in welding technology. Two of the most common synthesis gases are MAPP gas, which is generally 66% methylacetylene-Allen (propadiene) with 34% butadiene and B-plus, which is generally propylene. These gases are manufactured and marketed by companies such as Airco, MG Industries, Matheson and Monsanto. These gases are complex hydrocarbons, which are very similar to acetylene in their chemical bonding structure (see Fig. 2a to 2d). It should be noted that acetylene has a triple bond which makes it very reactive, whereas methane only has single bonds. MAPP gas or methylacetylene allen (propadiene) is now an isomeric compound which has two molecular structures, namely methylacetylene allen and propadiene ( Fig. 2c). The triple bond is shown in the methylacetylene structure and is very similar to acetylene. B-plus or propylene is a long chain hydrocarbon with a double bond as shown in Figure 2d.
Die chemisch-kinetischen Eigenschaften dieser Gase sind eben falls ähnlich. Unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit ge sehen, ist die Stoßempfindlichkeit von Acetylen sehr hoch, wo hingegen das andere Gas beträchtlich stabiler ist. Die Reak tionen mit Kupfer- und Silberlegierungen ist eine allgemeine Eigenschaft von sowohl Acetylen- und MAPP-Gas, was auf eine Ähnlichkeit in ihrer reaktiven Natur hindeutet. Der Siede punktsbereich bei atmosphärischem Druck für MAPP-Gas, B-plus und Propan ist ähnlich, so daß MAPP-Gas und B-plus als Flüs sigkeiten unter Druck gelagert sein können, wie dies für Pro pan üblich ist, und was zu der Sicherheit dieser Brennstoffe beiträgt. Bezüglich der Verbrennungseigenschaften haben B-plus, Acetylen und MAPP-Gas hohe ähnliche Flammentemperaturen, die höher sind als die von Methan. Die Bildungsreaktion ist für B-plus, Acetylen und MAPP-Gas endotherm, jedoch für Methan exotherm. Schließlich ist das Verhältnis von sekundären zu primären Verbrennungsheizwerten für B-plus, Acetylen und MAPP- Gas ähnlich, jedoch nicht für Methan. Die weitere von den Gaslieferanten verfügbare Information ist die, daß B-plus hef tig mit den Oxiden von Stickstoff (NO und NO2) reagiert, was ein Charakteristikum darstellt, welches B-plus zu einem mög lichen Nachverbrennungsbrennstoff macht. Weil B-plus und MAPP- Gas sicher genug sind, um in großen Volummengen verteilt zu werden, betragen ihre Kosten lediglich 10% mehr als die von Propan, wohingegen die Kosten von Acetylen in großen Mengen hindernd sind.The chemical-kinetic properties of these gases are also similar if From a safety point of view, the impact sensitivity of acetylene is very high, whereas the other gas is considerably more stable. The reaction with copper and silver alloys is a common property of both acetylene and MAPP gas, suggesting a similarity in their reactive nature. The boiling point range at atmospheric pressure for MAPP gas, B-plus and propane is similar, so that MAPP gas and B-plus can be stored as liquids under pressure, as is usual for propane, and what for safety of these fuels. In terms of combustion properties, B-plus, acetylene and MAPP gas have high flame temperatures similar to those of methane. The formation reaction is endothermic for B-plus, acetylene and MAPP gas, but exothermic for methane. Finally, the ratio of secondary to primary combustion calorific values for B-plus, acetylene and MAPP gas is similar, but not for methane. The further information available from the gas suppliers is that B-plus reacts violently with the oxides of nitrogen (NO and NO 2 ), which is a characteristic which makes B-plus a possible afterburning fuel. Because B-plus and MAPP gas are safe enough to be distributed in large volumes, their cost is only 10% more than that of propane, whereas the cost of acetylene in large quantities is a hindrance.
Bei der Durchführung der Erfindung werden B-plus oder MAPP, oder Mischungen davon, im Bereich von etwa 10 bis etwa 100 Mo lekülen für jedes Molekül NO x in die Hauptverbrennungszone von Kohleverbrennungsanlagen injiziert, oder es können die B- plus- oder MAPP-Moleküle auf Temperaturen in dem Bereich von T<4000°C mit einer atmosphärischen Plasmaquelle erhitzt und anschließend in eine Nachverbrennungszone oder in den Abgas kamin zur Reduzierung der Emission von NO x injiziert werden.In practicing the invention, B-plus or MAPP, or mixtures thereof, in the range of about 10 to about 100 molecules for each molecule of NO x are injected into the main combustion zone of coal-burning plants, or the B-plus or MAPP molecules heated to temperatures in the range of T <4000 ° C with an atmospheric plasma source and then injected into a post-combustion zone or into the exhaust gas chimney to reduce the emission of NO x .
Abschließend hat sich Acetylen wirksamer als Methan für die Zerstörung von Oxiden von Stickstoff in vielen Laborato riumsuntersuchungen erwiesen. Jedoch die Flüchtigkeit und die Kosten des Acetylens haben dessen Verwendung bei Nachverbren nungsprojekten verhindert. Obwohl Versuchsprojekte von Methan- Nachverbrennung funktioniert haben, wurden sie nicht kommer ziell durchgeführt, weil das Methan 20 bis 30% der Energie repräsentiert, die in dem kohlenbeheizten Brenner freigesetzt wird, und daher als zu kostspielig angesehen wird. Die Anmel der haben eine Anzahl von anderweitigen Brennstoffen (MAPP- Gas und B-plus) identifiziert, die dem Acetylen reaktiv und kinetisch sehr ähnlich sind, jedoch viel stabiler sind und dem zufolge in großen Volummengen verkauft werden. Dies senkt de ren Kosten auf einen Preis nahe der Höhe von Propan. Es wird angenommen, daß MAPP-Gas und B-plus Brennstoffe sind, welche für die Nachverbrennung von Oxiden von Stickstoff und Schwe fel verwendet werden sollten. Diese Gase können nahe der Hauptverbrennungszone angewandt werden, oder sie können auf sehr hohe Temperaturen (T<4000°C) mit einer atmosphärischen Plasmaquelle erhitzt und anschließend in den Abgaskamin inji ziert werden.In conclusion, acetylene has been more effective than methane for the destruction of oxides of nitrogen in many laboratories proven rium investigations. However, the volatility and the Acetylene costs its use in afterburns projects. Although methane pilot projects After burning worked, they weren't coming done because the methane 20 to 30% of the energy represents released in the coal-fired burner and is therefore considered to be too expensive. The registration have a number of other fuels (MAPP Gas and B-plus) identified that are reactive and reactive to acetylene are kinetically very similar, but are much more stable and that according to be sold in large volumes. This lowers it at a price close to the amount of propane. It will assumed that MAPP gas and B-plus are fuels which for the afterburning of oxides of nitrogen and welding fel should be used. These gases can be close to the Main combustion zone can be applied or they can be applied to very high temperatures (T <4000 ° C) with an atmospheric Plasma source heated and then inji in the exhaust stack be decorated.
Aus den vorstehenden Ausführungen kann der auf diesem Gebiet tätige Fachmann ersehen, daß ein Hauptverfahren zur Verringe rung der NO x -Emission offenbart wurde und daß ein derartiges Verfahren von wesentlicher industrieller Anwendbarkeit ist.From the foregoing, those skilled in the art can be seen that a main method tion to reduced copy of the NO x emission has been disclosed and that such a method is of considerable industrial applicability.
Claims (8)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8130 | Withdrawal |