EP0307764B1 - 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

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EP0307764B1
EP0307764B1 EP88114523A EP88114523A EP0307764B1 EP 0307764 B1 EP0307764 B1 EP 0307764B1 EP 88114523 A EP88114523 A EP 88114523A EP 88114523 A EP88114523 A EP 88114523A EP 0307764 B1 EP0307764 B1 EP 0307764B1
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combustion
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combustion space
gases
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EP88114523A
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Klaus-Peter Dr. Ochel
Joachim Krupp
Josef Heger
Martin Schweitzer
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Bayer AG
Erdoelchemie GmbH
Original Assignee
Bayer AG
Erdoelchemie GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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 combustion chamber with at least one gas collection tube for introducing aerosols, gases and / or gas-solid mixtures and a method for reducing the pollutants or pollutants occurring in the combustion of gases, aerosols and / or gas-solid mixtures in a combustion chamber.
  • 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. Plants with 2-stage combustion are from R. Römer, W. Leukel, A. Stoeckel, G. Hemmer: Influencing nitrogen oxide formation from fuel-bound nitrogen by means of firing measures, Chem.-Ing.-Techn. MS 875/81 or 0. Carlowitz, H. Wiebe, U. Gravemeier Combustion of vapors containing ammonia and nitrogen oxides in a swirl combustor system, VDI reports No. 423/81, known.
  • incinerators are primarily used to reduce pollutants, although a significantly lower amount of flue gas is under discussion compared to 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 in that the addition of oxygen-depleted combustion air, which is usually available as a mixture of fresh air and recirculated flue gas, both reduces the flame temperature and the oxygen supply at a suitable point.
  • This technology can only be used for small volume flows 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.
  • a self-stabilized burner is known from FR-A-2456285.
  • the fuel gases are released against the pre-combustion chamber through an umbrella-like attachment after leaving a gas collecting tube.
  • the flame then leaves the burner at a free jet angle.
  • the object of the invention was therefore to provide a device which makes it possible to easily reduce the NO x generated in the combustion of exhaust gases in combustion chambers.
  • the guidance of the gas flow can be optimized by the annular extension (3).
  • 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 combustion chamber according to the invention consists in that one or more entry elements (5) are fitted in the gas collecting tube (1). Additional gas flows, such as air or oxygen, can be introduced here.
  • One or more fuel gas introduction elements (6) can also be attached to the gas samel tube (1) in such a way that the fuel gas can reach the outlet area (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, e.g. electrical heating of the outer jacket of the device. This gives the possibility of pyrolyzing and thus cleaning products that bake in the device when the gas flow is switched off.
  • a preferred embodiment of the combustion chamber 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 resulting from the combustion of gases, aerosols and / or gas-solid mixtures in a combustion chamber according to one of claims 1 to 4, characterized in that the exit velocities of the gases, aerosols and / or Gas / solid mixtures are 18 m / s to 80 m / s, preferably 20 m / s to 40 m / s.
  • the method according to the invention it is possible, for example, to determine the conversion rate of a nitrogenous exhaust gas when it is disposed of in steam boilers or others To significantly reduce the boiler using 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 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 m ⁇ 4 m via 34 pipes of size DN 100 arranged in a central feed mushroom, about 2 m below the first burner level, consisting of 4 corner burners.
  • the pipes in the feed mushroom formed an angle of 20 ° to the axis of the combustion chamber.
  • the entry of the low calorific value exhaust gas with 0.8 MI / m3 to 1.2 MI / m3, typically up to 4% hydrocyanic acid and oxygen, 89% nitrogen and max.
  • 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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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennraum mit mindestens einem Gassammelrohr zum Eintrag von Aerosolen, Gasen und/oder Gasfeststoffmischungen sowie ein Verfahren zur Minderung der bei der Verbrennung von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmischungen oder anfallenden Schadstoffe in einem Brennraum.
  • Üblicherweise wird ein Stickstoffverbindungen enthaltendes Abgas in einer 2-stufigen Brennkammer entsorgt, wobei 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 0. 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, wobei 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 rückgeführtem 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.
  • Aus der FR-A-2456285 ist eine eigenstabilisierter Brenner bekannt. In diesem werden die Brenngase nach Verlassen eines Gassammelrohres durch einen schirmartigen Aufsatz gegen die Vorbrennkammer geleistet. Die Flamme verläßt den Brenner dann im Freistrahlwinkel.
  • Aufgabe der Erfindung war es somit, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welches es erlaubt, auf einfache Weise die Verminderung des bei der Verbrennung von Abgasen entstehenden NOx in Brennräumen herbeizuführen.
  • 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 ein Brennraum mit mindestens einem Gassammelrohr zum Eintrag von Arosolen, Gasen und/oder Gas-Feststoffmischungen, dadurch gekennzeichnet,
    • ― daß am Austritt des Gassammelrohres (1) ein schirmartiger Aufsatz (2) so installiert ist, daß das einzutragende Gas, Aerosol und/oder die Gas-/Feststoffmischung ringförmig mit einem Öffnungswinkel von 90° bis 180°, bevorzugt von 120° bis 150° in den Brennraum eingetragen werden kann,
    • ― daß das Gassammelrohr (1) eine ringförmige Erweiterung (3) aufweist und
    • ― daß am und/oder oberhalb des schirmartigen Aufsatzes (2) eine Kühlvorrichtung (4) angeordnet ist.
  • Durch die ringförmige Erweiterung (3) kann die Führung des Gasstroms optimiert werden. 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 des erfindungsgemäßen Brennraums 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 des erfindungsgemäßen Brennraums 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 einem Brennraum gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet ist, daß die Austrittsgeschwindigkeiten der Gase, Aerosole und/oder Gas-/Feststoffmischungen 18 m/s bis 80 m/s, bevorzugt 20 m/s bis 40 m/s, betragen.
  • 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.
  • 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  ×  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 (5)

1. Brennraum mit mindestens einem Gassammelrohr zum Eintrag von Aerosolen, Gasen und/oder Gas-Feststoffmischungen, dadurch gekennzeichnet,
― daß am Austritt des Gassammelrohres (1) ein schirmartiger Aufsatz (2) so installiert ist, daß das einzutragende Gas, Aerosol und/oder die Gas-/Feststoffmischung ringförmig mit einem Öffnungswinkel von 90° bis 180°, bevorzugt von 120° bis 150° in den Brennraum eingetragen werden kann,
― daß das Gassamelrohr (1) eine ringförmige Erweiterung (3) aufweist und
― daß am und/oder oberhalb des schirmartigen Aufsatzes (2) eine Kühlvorrichtung (4) angeordnet ist.
2. Brennraum gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gassammelrohr (1) ein oder mehrere Eintragungsorgane (5) angebracht sind.
3. Brennraum gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Gassammelrohr (1) ein oder mehrere Brenngaseintragungsorgane (6) so angebracht sind, daß das Brenngas im Austrittsbereich (7) des Gassammelrohres (1) gelangen kann.
4. Brennraum gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Gassammelrohr (1) ein Brenner (8) für Reinigungszwecke installiert ist.
5. Verfahren zur Minderung der bei der Verbrennung von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmischungen anfallenden Schadstoffe in einem Brennraum gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsgeschwindigkeiten der Gase, Aerosole und/oder Gas-/Feststoffmischungen 10 m/s bis 80 m/s, bevorzugt 20 m/s bis 40 m/s, betragen.
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