EP0307764A1 - Vorrichtung zum Eintrag von Gasen in Brennräume sowie Verfahren zur Minderung von Schadstoffen bei Verbrennungsvorgängen - Google Patents

Vorrichtung zum Eintrag von Gasen in Brennräume sowie Verfahren zur Minderung von Schadstoffen bei Verbrennungsvorgängen Download PDF

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EP0307764A1
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Josef Heger
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/84—Flame spreading or otherwise shaping
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/06—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
    • F23G7/061—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating
    • F23G7/065—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating using gaseous or liquid fuel

Definitions

  • the present invention relates to a device for the introduction of gases, aerosols and / or gas-solid mixtures into the combustion chamber of a steam boiler or other fire rooms with the use of heat, and to a method for reducing the combustion of gases, aerosols and / or gas-solid mixtures in steam boilers or other fiery rooms with the use of heat.
  • an exhaust gas containing nitrogen compounds is disposed of in a 2-stage combustion chamber, the first combustion chamber being operated with a lack of oxygen and the second with a corresponding excess of oxygen.
  • a heat exchanger is placed between the two combustion chambers.
  • Systems with 2-stage combustion are from R. Römer, W. Leukel, A. Stoeckel, G. Hemmer: Influencing nitrogen oxide formation from fuel-bound nitrogen firing measures, Chem.-Ing.-Techn. MS 875/81 or O. Carlowitz, H. Wiebe, U. Gravemeier, combustion of vapors containing ammonia and nitrogen oxide in a swirl combustor system, VDI reports No. 423/81.
  • incinerators are primarily operated to reduce pollutants, which means that a significantly lower amount of flue gas is up for discussion than power plant firing systems.
  • An upstream connection of a pre-combustion chamber operated with insufficient air to a steam boiler with forced circulation is ruled out due to the changed heat release and the associated change in the local heat transfer.
  • suitable burners can reduce NO x emissions.
  • Targeted air and fuel supply create zones within the burner flame in which there is a lack of air and accordingly the CO that is suitable for NO x reduction is created.
  • the effect of these burners is further increased by the fact that by adding oxygen-depleted combustion air, which is usually available as a mixture of fresh air and recirculated flue gas, the flame temperature is reduced and the oxygen supply is reduced at a suitable point.
  • This technology can only be used for small volumes of exhaust gas containing nitrogen compounds. This exhaust gas would have to be supplied in the primary region of the flame, since otherwise there is no or only very incomplete mixing with the reducing agent required for reducing the NO x resulting from the exhaust gas.
  • the object of the invention was therefore to provide a device which does not have the disadvantages described.
  • the object of this invention is a device for the introduction of gases, aerosols and / or gas-solid mixtures into the combustion chamber of a steam boiler or other fire places with heat utilization, which is characterized in that at the outlet of a gas collection tube (1) an umbrella-like attachment (2) is installed centrally so that the gas to be entered, aerosol and / or the gas-solid mixture can be entered in a ring shape with an opening angle of> 90 ° C, preferably 120 to 150 °, into the combustion chamber .
  • the gas collecting tube (1) it can be advantageous for the gas collecting tube (1) to have an annular extension (3). In this way, the guidance of the gas flow can be optimized. It is also advantageous that a cooling device (4) is installed on and / or above the umbrella-like attachment (2).
  • This cooling device protects the device according to the invention against incident heat. It can consist of cooling coils through which liquid flows, which are preferably designed in a meandering shape.
  • a particularly preferred embodiment of the device according to the invention consists in that one or more entry elements (5) are fitted in the gas collecting tube (1). Here further gas flows, e.g. Air or oxygen can be introduced.
  • One or more fuel gas entry elements (6) can also be attached to the gas samel tube (1) in such a way that the fuel gas can reach the outlet region (7) of the gas collection tube (1).
  • the gas supply (5) and (6) can be carried out eccentrically or in another manner which improves the mixing.
  • the device itself can be heated to 800 ° C to 1000 ° C by direct or indirect heating, for example electrical heating of the outer jacket of the device. This provides the possibility of pyrolyzing and thus cleaning products baking in the device when the gas flow is switched off.
  • a preferred embodiment of the device according to the invention thus consists in that a burner (8) for cleaning purposes is installed in the gas collecting tube (1).
  • This invention also relates to a method for reducing the pollutants in the combustion of gases, aerosols and / or gas-solid mixtures in steam boilers or other fireboxes with heat utilization, which is characterized in that the gases, aerosols and / or gas-solid mixtures a device according to one or more of claims 1 to 6 are distributed in the combustion chamber.
  • the method according to the invention it is possible, for example, to significantly reduce the conversion rate of a nitrogenous exhaust gas when it is disposed of in steam boilers or other boilers that use waste heat.
  • the exhaust gas upstream of the 1st burner level is introduced into the combustion chamber of a steam boiler by the device according to the invention in such a way that optimal mixing and residence time conditions are created.
  • the device according to the invention it is also possible to optimally adjust the exhaust gas to the combustion conditions even by admixing gaseous fuel and gaseous oxygen carriers.
  • the outlet velocities of the gases in the device according to the invention are preferably 10 m / s to 80 m / s, preferably 20 m / s to 40 m / s.
  • the method according to the invention is particularly suitable for combustion processes in which the gases, aerosols of the gas-solid mixtures contain nitrogen and / or compounds of nitrogen.
  • the amount of flue gas coming from the flue gas can be up to approx. 50% of the total flue gas amount if the flue gas has a corresponding calorific value.
  • the exhaust gas itself can contain up to several 10,000 ppm of nitrogen compounds, for example HCN, which are thermally split and react to a considerable extent with oxygen to form NO or NO2. In the first tests, the NO x reduction was between 61% with a share of 13% and 48% with a share of the exhaust gas of 32% of the flue gas volume flow mentioned.
  • the exhaust gas containing nitrogen compounds was introduced into the combustion chamber of a steam boiler with a cross section of 4 mx 4 m via 34 pipes of size DN 100 arranged in a central mushroom, approx. 2 m below the first burner level, consisting of 4 corner burners.
  • the tubes in the feed mushroom formed an angle of 20 ° to the axis of the combustion chamber.
  • measured by conventional mushroom-shaped distributor NOx levels was m3 at a boiler part load and about 65,000 / h flue gas 8 installed in 2 burner planes gas burner of the NO x content based and calculated according to GFAVO, with the inventive device at initiation of 10,000 m3 / h exhaust gas reduced by 61% and at 30,000 m3 / h by 48% under the same operating conditions.
  • the residual oxygen content at the end of the furnace was 1%.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Eintrag von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmi­schungen in den Brennraum eines Dampfkessels oder ande­rer Feuerräume mit Wärmenutzung sowie ein Verfahren zur Minderung der bei der Verbrennung von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmischungen in Dampfkesseln oder anderen Feuerräumen mit Wärmenutzung entstehenden Schad­stoffe, wobei am Austritt eines Gassammelrohres (1) ein schirmartiger Aufsatz (2) zentral so installiert ist, daß das einzutragende Gas, Aerosol und/oder die Gas-Feststoff­mischung ringförmig mit einem Öffnungswinkel größer 90°, bevorzugt 120° bis 150°, in den Brennraum eingetragen werden kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Eintrag von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmi­schungen in den Brennraum eines Dampfkessels oder ande­rer Feurräume mit Wärmenutzung sowie ein Verfahren zur Minderung der bei der Verbrennung von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmischungen in Dampfkesseln oder anderen Feurräumen mit Wärmenutzung entstehenden Schad­stoffe.
  • Üblicherweise wird ein Stickstoffverbindungen ent­haltendes Abgas in einer 2-stufigen Brennkammer entsorgt, wobie die erste Brennkammer mit Sauer­stoffmangel und die zweite mit entsprechendem Sauer­stoffüberschuß betrieben wird. Zusätzlich ist, um die thermische NOx-Bildung zu minimieren, ein Wärmetauscher zwischen beiden Brennkammern plaziert. Anlagen mit 2-­stufiger Verbrennung sind aus R. Römer, W. Leukel, A. Stoeckel, G. Hemmer: Beeinflussung der Stickoxid­bildung aus brennstoffgebundenem Stickstoff durch feuerungstechnische Maßnahmen, Chem.-Ing.-Techn. MS 875/81 oder O. Carlowitz, H. Wiebe, U. Gravemeier Verbrennung von ammoniak- und stickoxidhaltigen Brüden in einem Drallbrennkammersystem, VDI-Berichte Nr. 423/81, bekannt.
  • Diese Verbrennungsanlagen werden in erster Linie zur Minderung der Schadstoffe betrieben, wobie im Vergleich zu Kraftwerksfeuerungen eine wesentlich geringere Rauch­gasmenge zur Diskussion steht. Eine Vorschaltung einer mit Luftmangel betriebenen Vorbrennkammer an einen Dampfkessel mit Zwangsumlauf scheidet aufgrund der geän­derten Wärmeentbindung und der damit verbundenen Ände­rung der örtlichen Wärmeübertragung aus.
  • Durch den Einsatz geeigneter Brenner kann die NOx-­Emission vermindert werden. Durch gezielte Luft- und Brennstoffzufuhr werden Zonen innerhalb der Brenner­flamme erzeugt, in denen Luftmangel herrscht und dementsprechend das für die NOx-Reduzierung geeignete CO entsteht. Die Wirkung dieser Brenner wird weiter dadurch gesteigert, daß durch Zugabe von sauerstoffabge­reicherter Verbrennungsluft, die meist als Mischung von Frischluft und rückgeührtem Rauchgas zur Verfügung steht, an geeigneter Stelle sowohl die Flammtemperatur reduziert als auch das Sauerstoffangebot reduziert wird.
  • Aus VDI-Berichte 574, Seiten 443 ff ist weiter bekannt, zur Minimierung des NOx-Gehaltes in Rauchgas der Einsatz von stickstoffhaltigem Brennstoff in mit mehreren Brennern bestückten Feuerungsanlagen, die Brennstoff­konzentration und Luftmenge an den einzelnen Brennern zu vertrimmen.
  • Diese Technologie kann nur bei kleinen Volumenströmen Stickstoffverbindungen enthaltenden Abgases angewandt werden. Dieses Abgas müßte im Primärbereich der Flamme zugeführt werden, da sonst eine für die Reduzierung des aus dem Abgas entstandenen NOx erforderliche Vermischung mit dem Reduktionsmittel nicht oder nur sehr unvoll­ständig gegeben ist.
  • Aufgabe der Erfindung war es somit, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die beschriebenen Nachteile nicht aufweist.
  • Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß durch eine geänderte Zufuhr des Abgases bei üblichen Brennern die Abgaswerte erheblich verbessert werden können. Die geänderte Zufuhr geschieht durch einen schirmartigen Aufsatz am Ende des Gassammelrohres. Die im folgenden benutzte Bezifferung bezieht sich auf Fig. 1, in der eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt ist.
  • Gegenstand dieser Erfindung ist eine Vorrichtung zum Eintrag von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoff­mischungen in den Brennraum eines Dampfkessels oder anderer Feuerräme mit Wärmenutzung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß am Austritt eines Gassammel­ rohres (1) ein schirmartiger Aufsatz (2) zentral so installiert ist, daß das einzutragende Gas, Aerosol und/oder die Gas-Feststoffmischung ringförmig mit einem Öffnungswinkel von > 90°C, bevorzugt 120 bis 150°, in den Brennraum eingetragen werden kann.
  • Erfindungsgemäß kann es von Vorteil sein, daß das Gassammelrohr (1) eine ringförmige Erweiterung (3) aufweist. Hierdurch kann die Führung des Gasstroms optimiert werden. Ferner ist es vorteilhaft, daß am und/oder oberhalb des schirmartigen Aufsatzes (2) eine Kühlvorrichtung (4) installiert ist. Diese Kühlvorrich­tung schützt die erfindungsgemäße Vorrichtung gegen ein­strahlende Wärme. Sie kann aus mit Flüssigkeit durch­strömten Kühlschlangen bestehen, die bevorzugt mäander­förmig ausgelegt sind. Weiterhin besteht eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor­richtung darin, daß im Gassammelrohr (1) ein oder mehre­re Eintragsorgane (5) angebracht sind. Hier können wei­tere Gasströme, z.B. Luft oder Sauerstoff eingebracht werden. Auch können am Gassamelrohr (1) ein oder mehrere Brenngaseintragsorgane (6) so angebracht sein, daß das Brenngas im Austrittbereich (7) des Gassammelrohres (1) gelangen kann.
  • Zur Strömungsstabilisierung und zur Verbesserung der inneren Mischwirkung können die Gaszufuhr (5) und (6) exzentrisch oder in einer anderen, die Mischung ver­bessernden Weise erfolgen. Weiter ist eine Aufheiz­möglichkeit der Vorrichtung selbst auf 800°C bis 1000°C gegeben durch direkte oder indirekte Beheizung, z.B. elektrische Heizung des Außenmantels der Vorrichtung. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, bei abgestelltem Gasstrom in der Vorrichtung anbackende Produkte zu pyrolisieren und somit zu reinigen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht somit darin, daß im Gassammel­rohr (1) ein Brenner (8) für Reinigungszwecke installiert ist.
  • Gegenstand dieser Erfindung ist auch ein Verfahren zur Minderung der bei der Verbrennung von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmischungen anfallenden Schadstoffe in Dampfkesseln oder anderen Feuerräumen mit Wärme­nutzung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Gase, Aerosole und/oder Gas-Feststoffmischungen über eine Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 6 in den Brennraum verteilt werden.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es z.B. möglich, die Konversionsrate von einem stickstoff­haltigem Abgas bei der Entsorgung in Dampfkesseln oder anderer Kessel mit Abwärmenutzung erheblich zu ver­mindern. Zu diesem Zweck wird das Abgas stromauf vor der 1. Brennerebene durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in die Brennkammer eines Dampfkessels so eingebracht, daß optimale Misch- und Verweilzeitbedingungen geschaf­fen werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner möglich, das Abgas selbst durch Beimischung von gasförmigem Brennstoff und gasförmigen Sauerstoff­trägern optimal auf die Brennbedingungen einzustellen.
  • Bevorzugt betragen an der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Austrittsgeschwindigkeiten der Gase 10 m/s bis 80 m/s, bevorzugt 20 m/s bis 40 m/s. Das erfindungs­gemäße Verfahren ist insbesondere für Verbrennungsvor­gänge geeignet, in denen die Gase, Aerosole der Gas-­Feststoffmischungen Stickstoff und/oder Verbindungen des Stickstoffs enthalten.
  • So ist es erfindungsgemäß möglich, große Mengen nieder­kalorisches, Stickstoffverbindungen enthaltendes Abgas in einen großen Brennraum, bevorzugt in den gekühlten Brennraum von Kesseln zur Dampferzeugung einzudüsen. Die dem Abgas entstammende Rauchgasmenge kann bei ent­sprechendem Heizwert des Abgases bis ca. 50 % der gesamten Rauchgasmenge betragen. Das Abgas selbst kann bis zu mehreren 10.000 ppm Stickstoffverbindungen ent­halten, z.B. HCN, die thermisch gespalten werden und zu einem erheblichen Teil mit Sauerstoff zum NO oder NO₂ reagieren. In ersten Versuchen lag die NOx-Minderung zwischen 61 % bei einem Anteil von 13 % und 48 % bei einem Anteil des Abgases von 32 % an dem genannten Rauchgasvolumenstrom.
  • Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft erläutert, ohne daß hierin eine Einschränkung zu sehen ist.
    • Beispiel
  • Üblicherweise wurde das Stickstoffverbindungen enthal­tende Abgas über 34 in einem zentralen Aufgabepilz ange­ordnete Rohre der Größe DN 100 ca. 2 m unterhalb der ersten Brennerebene, bestehend aus 4 Eckenbrennern, in den Feuerraum eines Dampfkessels mit dem Querschnitt 4 m x 4 m eingetragen. Die Rohre im Aufgabepilz bildeten einen Winkel von 20° gegen die Feuerraumachse. Der Ein­trag des mit 0,8 MI/m³ bis 1,2 MI/m³ heizwertarmen Ab­gases, das typisch bis je 4 % Blausäure und Sauerstoff, 89 % Stickstoff und jeweils max. 2,2 % Kohlendioxid, Wasserdampf und Kohlenmonoxid sowie Spuren verschiedener organischer Verbindungen enthalten kann, erfolgte erfin­dungsgemäß durch die in Bild 1 dargestellte Vorrichtung dergestalt, daß der Verteilerpilz mit einem Aufsatz ver­sehen wurde, so daß das Abgas unter einem Öffnungswinkel von ca. 180° in den Feuerraum strömte. Der mit einem ungekühlten doppelten Hitzeschirm versehene neuartige Verteiler war am Austritt entsprechend Bild 1 so gestal­tet, daß das Abgas aus einem ringförmigen Spalt von 100 mm bei einem mittleren Durchmesser von 1060 mm strö­men konnte. Gegenüber den mit üblichen pilzförmigen Ver­teiler gemessenen NOx-Werten wurde bei Kesselteillast und ca. 65.000 m³/h Rauchgas der 8 in 2 Brennerebenen installierten Gasbrenner der NOx-Gehalt, bezogen und be­rechnet nach GFAVO, mit der erfindungsgemäßen Vorrich­tung bei Einleitung von 10.000 m³/h Abgas um 61 % und bei 30.000 m³/h um 48 % bei gleichen Betriebsbedingungen verringert. Der Restsauerstoffgehalt am Ende des Feuer­raums betrug 1 %.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Eintrag von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmischungen in den Brennraum eines Dampfkessels oder anderer Feurräume mit Wärmenutzung, dadurch gekennzeichnet, daß am Austritt eines Gassammelrohres (1) ein schirmartiger Aufsatz (2) zentral so installiert ist, daß das einzutragende Gas, Aerosol und/oder die Gas-Feststoffmischung ringförmig mit einem Öffnungswinkel von >90°C, bevorzugt 120 bis 150°, in den Brennraum eingetragen werden kann.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Gassammelrohr (1) eine ring­förmige Erweiterung (3) aufweist.
3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß am und/oder oberhalb des schirmartigen Aufsatzes (2) eine Kühlvor­richtung (4) installiert ist.
4. Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Gassammel­rohr (1) ein oder mehrere Eintragsorgane (5) ange­bracht sind.
5. Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Gassammel­rohr (1) ein oder mehrere Brenngaseintragorgane (6) so angebracht sind, daß das Brenngas im Austritts­bereich (7) des Gassammelrohres (1) gelangen kann.
6. Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der An­sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Gassammelrohr (1) ein Brenner (8) für Reinigungs­zwecke installiert ist.
7. Verfahren zur Minderung der bei der Verbrennung von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmischungen anfallenden Schadstoffe in Dampfkesseln oder anderen Feuerräumen mit Wärmenutzung, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase, Aerosole und/oder Gas-Feststoffmischungen über eine Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 6 in den Brennraum verteilt werden.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsgeschwindigkeiten von 10 m/s bis 80 m/s, bevorzugt 20 m/s bis 40 m/s, betragen.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, da­durch gekennzeichnet, daß die Gase, Aerosole der Gas-Feststoffmischungen Stickstoff und/oder Verbin­dugen des Stickstoffs enthalten.
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