DE4019893A1 - Verfahren zur verwendung von ammoniumsalz zur reduzierung der stickoxid-emissionen beim betrieb von waermekraftmaschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von Wärmekraftmaschinen, wie zum Beispiel Verbrennungs­ motoren, Gasturbinen und Dampferzeugern, bei denen mechanische Arbeit aus bei der Verbrennung von Brenn­ stoffen in einem Feuerraum gewonnener Wärme erzeugt wird, und zwar auf ein Verfahren zur Verwendung einer (im folgenden als NO_X-Redoxmilch bezeichneten) Emulsion eines Ammoniumsalzes zur Reduzierung der Stickoxid- Emissionen.

Nach dem Stand der Technik sind Wärmekraftmaschinen mit innerer oder äußerer Verbrennung bekannt, bei denen die bei der Verbrennung der Brennstoffe entstehenden beziehungsweise entstandenen Abgase, die je nach Brenn­ stoffart, Feuerungsart und Feuerungsbedingungen unter anderem auch Stickoxide (NO_X) enthalten, nach dem soge­ nannten SCR-Verfahren (selektives katalytisches Reduk­ tionsverfahren) durch Zugabe von Ammoniak (NH₃) in den Rauchgasstrom zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) umge­ wandelt werden; weitere beim Betrieb von Wärmekraft­ maschinen entstehende Schadstoffemissionen sind zum Beispiel Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffver­ bindungen (CH) .

Die bekannten katalytischen Entstickungsverfahren sind insoweit mit Nachteil behaftet, als einerseits die Lagerung des Ammoniaks aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften (stechend riechendes, farbloses, giftiges Gas) nicht unproblematisch ist. Auch wird bei den be­ kannten Anlagen von vornherein davon ausgegangen, daß die bei der Verbrennung der Brennstoffe entstehenden Abgase nur nachträglich, d.h. nach ihrer Entstehung neutralisiert werden können.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Auf­ gabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem - je nachdem ob es dem Brennstoffstrom vor der Verbren­ nung zugeführt wird oder ob es in den Rauchgasstrom eingedüst wird - a priori die Entstehung der Abgase, wie zum Beispiel der NO_X- und gegebenenfalls der CO- Verbindungen reduziert wird, oder die entstandenen NO_X- und gegebenenfalls CO-Verbindungen mit besserem Wir­ kungsgrad neutralisiert werden.

Mit der Einspeisung der sogenannten NO_X-Redoxmilch unmittelbar in den Brennstoff wird somit die Verbren­ nung, d.h. die Flamme, so beeinflußt, daß die bei der Verbrennung entstehenden Stickoxide NO_X neutralisiert, d.h. in die umweltverträglichen Stoffe Wasser und Stickoxid umgewandelt werden. Dieser Effekt wird ins­ besondere dadurch begünstigt, daß aufgrund der Ein­ bringung der NO_X-Redoxmilch in den Brennstoff und zwar vor dessen Zuführung zur Flamme des Brenners eine gute und homogene Vermischung der Anteile Brennstoff, Ver­ brennungsluft und NO_X-Redoxmilch gewährleistet wird. Damit findet ein totaler Ausbrand, also eine vollstän­ dige Durchoxidation der Redoxmilch statt und es bleiben keine Verunreinigungen, wie zum Beispiel Ammoniumsulfat- Ablagerungen oder Verunreinigungen der Flugasche mit Ammoniak-Verbindungen oder Verschmutzungen des Gipses der Rauchgasentschwefelungsanlage übrig.

Je nach Brennstoffart wird die in Gestalt einer Emul­ sion vorliegende NO_X-Redoxmilch fein zerstäubt zuge­ geben, so daß sowohl eine optimale Vermischung des Brennstoffs mit der NO_X-Redoxmilch als auch eine maxi­ male Verweilzeit der NO_X-Redoxmilch in der Reaktions­ zone gewährleistet sind. Bei Heizöl-Feuerung wird die NO_X-Redoxmilch über einen Öl-Wasser-Emulgator einge­ bracht; bei Kohle-Rostfeuerung wird die NO_X-Redoxmilch mittels eines Ultraschallzerstäubers fein zerstäubt und auf die Kohle aufgebracht; bei Kohlestaub-Feuerung wird die NO_X-Redoxmilch ebenfalls über einen Ultra­ schallzerstäuber zerstäubt und dem Brennstoff Kohlen­ staub zugeführt; bei Gas-Feuerung wird die NO_X-Redox­ milch direkt durch den Brenner in die Gasflamme ein­ gedüst, und bei Müll-Verbrennungsanlagen wird die NO_X- Redoxmilch über Zerstäuberdüsen auf den Müll aufge­ bracht.

In Verbindung mit der Kohle-Rostfeuerung und Müll- Verbrennungsanlagen ist es auch möglich die NO_X- Redoxmilch in kristalliner Form einzubringen.

Im Vorstehenden war davon ausgegangen worden, daß die NO_X-Redoxmilch vor der Verbrennung dem Brennstoffstrom selbst zugeführt wird. Die Verwendung der NO_X-Redox­ milch ist jedoch nicht auf diese Methodik beschränkt, sondern ist auch für den Fall vorteilhaft, daß die NO_X- Redoxmilch in den aus dem Feuerraum abgeführten Rauch­ gasstrom eingeleitet. Darüberhinaus ist insbesondere auch die kombinatorische Anwendung denkbar, daß nämlich NO_X-Redoxmilch sowohl dem Brennstoff vor der Verbren­ nung beigemischt, als auch dem Abgasstrom zugeführt wird.

Die Wirkung der NO_X-Redoxmilch beziehungsweise die Wechselwirkung der NO_X-Redoxmilch mit dem Brennstoff basiert - soweit der komplexe chemische Vorgang "Ver­ brennung überhaupt zu verstehen ist - darauf, daß einerseits die NO_X-Redoxmilch eine NO_X-reduzierende Zone in der Flamme initiiert und damit die NO_X-Oxida­ tion unterdrückt, und daß andererseits schon entstan­ denes Stickoxid (NO_X) durch die Abspaltprodukte der NO_X-Redoxmilch nicht-katalytisch in Stickstoff (N₂) und in Wasser (H₂O), also in umweltfreundliche Produk­ te, umgesetzt wird. Die genannte NO_X-reduzierende Zone wird dadurch geschaffen, daß sich aus der NO_X-Redox­ milch Wasserstoff (H₂) abspaltet und mit Kohlenstoff zu Kohlen-Wasserstoff-Radikalen verbindet. Durch das Vorhandensein von Kohlen-Wasserstoff-Radikalen in der Flamme entsteht so eine NO_X-reduzierende Zone.

Summarisch betrachtet ergibt sich eine Reduzierung der Stickoxidanteile, wobei im Hinblick auf die Einbringung der NO_X-Redoxmilch in den Brennstoff selbst noch anzu­ merken ist, daß - wie bereits erwähnt - eine relativ hohe Verweildauer in der Flamme und damit eine Begün­ stigung der Verbrennung an sich gewährleistet sind.

Eine Weiterbildung der vorliegenden Erfindung liegt noch darin, daß neben der Zugabe der NO_X-Redoxmilch zum Brennstoff oder in die Rauchgasführung auch die Verbrennungsluft selbst beeinflußt wird, und zwar durch Einleitung von ionisiertem Sauerstoff O₂. Eine in den einschlägigen Fachkreisen als VAPORMID-Ionen-Gene­ rator bezeichnete Vorrichtung zur Erzeugung eines ioni­ sierten Sauerstoffstroms ist Gegenstand der DE-OS 32 40 651.

Durch die Einbringung des ionisierten Sauerstoffs in die Verbrennungsluft werden die chemischen Verbrennungs­ reaktionen beschleunigt; die Flamme selbst wird heller, so daß die Wärme schneller übertragen und der Ausbrand verbessert wird. Damit ist letztlich eine Brennstoff­ einsparung bis zu 7% erreichbar. Die besondere Wirkung des ionisierten Sauerstoffs besteht darin, daß neben der Reduzierung der Stickoxid- und Kohlenmonoxid- Emissionen auch die Emission von Kohlen-Wasserstoff- Verbindungen (CH) abgesenkt wird. Diese Wirkungen sind an sich bekannt, sie werden jedoch bezüglich der NO_X- und CO-Emissionen in Verbindung mit der Zugabe der NO_X-Redoxmilch in den Brennstoff weiter begünstigt.

Das Einbringen des ionisierten Sauerstoffs in die Flam­ me hat zur Folge, daß das sogenannte Thermofenster, bei dem die NO_X-Reduktion durch Zugabe von NO_X-reduzieren­ den Chemikalien bei einer Temperatur von cirka 980° Celsius bis 1150° Celsius nach beiden Seiten noch wei­ ter aufgerissen wird. Damit initiiert die NO_X-Redox­ milch eine Absenkung der entstehenden CO- und NO_X- Emissionen und der angefallenen Rußmenge. Gleichermaßen wird auch die Flammenstabilität verbessert und ferner kann aufgrund des zugeführten ionisierten Sauerstoffs auch der Luftüberschuß zurückgenommen werden. Daraus resultiert wiederum eine Einsparung an Brennstoff und - in Folge - eine Reduzierung von NO_X.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Schemazeich­ nung eines mit Heizöl befeuerten sogenannten Dreizug­ kessels als Beispiel für einen Dampferzeuger näher erläutert.

Dabei soll der nachfolgenden Beschreibung dieses Aus­ führungsbeispiels jedoch voran gestellt werden, daß auf der Grundlage des dargestellten Dampferzeugers auch Anlagen wesentlich größerer Bauart mit einer Mehrzahl von Brennern und VAPORMID-Ionengeneratoren, sowie einer komplexen Auf- und Zubereitungsanlage für die NO_x-Redoxmilch mit Trockensilo(s) und Misch- und Dosieranlage(n) konzipiert werden können.

Das wesentliche Bauteil des dargestellten Dampferzeu­ gers ist ein sogenannter Flammrohrkessel 1, der dadurch charakterisiert ist, daß er ein Rohr 2 aufweist, das als Feuerraum dient. Das Rohr 2 ist - wie dargestellt vorzugsweise als Wellrohr ausgebildet und so im Flammrohrkessel 1 angeordnet, daß es in das über eine Wassereinspeisung 3 zugeführte sogenannte Kesselspei­ sewasser 4 eintaucht. Über dem Rohr befindet sich der sogenannte Dampfraum 5, in dem in Folge einer Er­ hitzung des Kesselspeisewassers 4 Wasserdampf entsteht, der seinerseits über eine entsprechende Dampfleitung 6 abgeführt wird. Der im Flammrohrkessel 1 entstehende und abgeführte Wasserdampf dient letztlich zur Gewin­ nung von Sekundärenergie (in Dampfturbinen oder Dampf­ maschinen) oder zur Heizung von Gebäuden und/oder verfahrenstechnischen Anlagen.

Das Rohr 2 im Inneren des Flammrohrkessels 1 ist einer­ seits mit einem Brenner 7 und andererseits über eine Rauchgasführung 8 mit einem Kamin 9 verbunden. Das zu lösende Kernproblem besteht insoweit darin, den im Brenner 7 verbrannten Brennstoff, der letztlich über die Wellform des Rohrs 2 das Kesselspeisewasser 4 erhitzt und verdampft, möglichst ohne umweltschäd­ liche Abgase, insbesondere ohne Stickoxide und Kohlen­ monoxide, in weiterer Ausgestaltung aber auch ohne Kohlen-Wasserstoff-Verbindungen zu verbrennen und die Rauchgase möglichst frei von schädlichen Abgasen über den Kamin 9 an die Außenluft abzulassen.

Das genannte Problem wird gemäß der vorliegenden Erfin­ dung dadurch gelöst, daß in eine Brennstoffzuführung 10 für den Brenner 7 ein sogenanntes NO_x-Redoxmittel eingespeist wird, womit die Brennerflamme im Rohr 2 so beeinflußt wird, daß die entstehende Wärme aus dem Flammenkern schneller abgeführt wird. Dies führt zu einer gewissen Flammenkernkühlung (cirka 70 bis 120 Grad) und damit zu einer geringeren Stickoxid-, sowie Kohlenmonoxid-Bildung.

Gemäß der zeichnerischen Darstellung wird von einem mit Heizöl befeuerten Dampferzeuger ausgegangen. Das Heizöl wird über eine Öl-Zuleitung 11 einem soge­ nannten Öl-Emulgator 12 zugeführt, in dem die Grenz­ flächenspannung des Heizöls so erniedrigt wird, daß die über eine Redoxmilch-Zuleitung 13 dem Öl-Emulgator 12 zugeführte Redoxmilch zusammen mit dem Heizöl eine stabile und homogen verteilte Emulsion ergibt. Die genanne Redoxmilch-Zuleitung 13 ist einerseits mit einer Speisewasserleitung 14 und andererseits mit einem Dosierausgang 15 einer Dosieranlage 16 für das eigentliche Redoxmittel verbunden. Der Redoxmilch- Zuleitung 13 werden die Komponenten Redoxmittel und Wasser im Verhältnis 1 zu 4 bis 8 zugeführt und ge­ mischt, und anschließend als Redoxmilch dem Öl-Emulga­ tor 12 zugeleitet.

Die aus Heizöl und der NO_X-Redoxmilch bestehende Emulsion wird nunmehr über die Brennstoffzuführung 10 dem Brenner 7 eingespeist und im Rohr 2 als Verbrennungsraum ver­ brannt.

Bekanntlich ist für diesen Verbrennungsvorgang auch Verbrennungsluft erforderlich, die dem Brenner 7 über eine Luftleitung 17 zugeführt wird.

Die insoweit beschriebene Anlage hat aufgrund der Zuführung beziehungsweise Zumischung der Redoxmilch zum Brennstoff insoweit bereits einen positiven Effekt, als die Stickoxid- und Kohlenmonoxid-Emissionen redu­ ziert sind. Eine weitere Verbesserung dieses Effekts, d.h. eine weitere Reduzierung der umweltschädlichen Rauchgaskomponenten NO_X, CO und CH wird dadurch er­ reicht, daß der Verbrennungsluft ionisierter Sauerstoff (O₂ ) zugeführt wird.

Der ionisierte Sauerstoff entstammt einem sogenannten VAPORMID-Ionen-Generator 18, wie er aus der DE-OS 32 40 651 (und auch den älteren Schriften DE-PS 24 61 694 und DE-PS 27 22 431) bekannt ist. Dieser VAPORMID-Ionen-Generator 18 ist über einen Ionen­ schlauch 19 mit der Luftleitung 17 verbunden und mischt so seinen ionisierten Sauerstoff der Verbrennungsluft bei.

Bei der Verbrennung des mit der Redoxmilch beauf­ schlagten Brennstoffs unter Zuführung der mit ionisiertem Sauerstoff angereicherten Verbrennungsluft werden so daß die umweltschädlichen NO_X-, CO- und CH-Verbindungen reduziert, so daß die Rauchgasreinigung entlastet wird.

Im Gegensatz zum Stand der Technik werden die umwelt­ schädlichen Emissionen somit nicht neutralisiert, son­ dern sie werden a priori an der Entstehung gehindert.

Abgesehen von diesen positiven Wirkungen und dem bereits genannten Effekt der Brennstoffeinsparung wurde auch eine Verringerung der erforderlichen Verbrennungsluft erreicht, d.h. eine Reduzierung der sogenannten Luft­ zahl λ.

In weiterer Ausgestaltung der vorstehend erläuterten Erfindung ist vorgesehen, die NO_X-Redoxmilch in einer Art Regelvorgang in Abhängigkeit von den aktuellen Arbeitsbedingungen im Feuerraum des Flammrohrkessels so zu beeinflussen, daß die Tröpfchengröße der Emulsion jeweils optimiert werden kann.

Claims (4)

1. Verfahren zur Verwendung einer (im folgenden als NO_X-Redoxmilch bezeichneten) Emulsion eines Ammo­ niumsalzes zur Reduzierung der Stickoxid-Emissionen beim Betrieb von Wärmekraftmaschinen, wie zum Bei­ spiel Verbrennungsmotoren, Gasturbinen und Dampf­ erzeugern, die mechanische Arbeit aus durch Ver­ brennung von Brennstoffen in einem Feuerraum ge­ wonnener Wärme erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die NO_X-Redoxmilch dem Brennstoff vor dessen Zuführung zum Brenner und damit vor der Verbren­ nung zugeführt wird.

2. Verfahren zur Verwendung der NO_X-Redoxmilch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie sowohl dem Brennstoff vor dessen Zuführung zum Brenner, als auch den im Feuerraum entstehenden Rauchgasen zugeführt wird.

3. Verfahren zur Verwendung der NO_X-Redoxmilch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tröpfchengröße der Emulsion in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen im Feueraum eingestellt wird.

4. Verfahren zur Verwendung der NO_X-Redoxmilch nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Verbrennung des Brennstoff-Redoxmilch- Gemisches im Brenner der Wärmekraftmaschine erfor­ derlichen Verbrennungsluft ionisierter Sauerstoff zugeführt wird.