EP0898688B1 - VERFAHREN ZUR MINIMIERUNG DES NOx-GEHALTES IN RAUCHGASEN - Google Patents

VERFAHREN ZUR MINIMIERUNG DES NOx-GEHALTES IN RAUCHGASEN Download PDF

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EP0898688B1 EP97923043A EP97923043A EP0898688B1 EP 0898688 B1 EP0898688 B1 EP 0898688B1 EP 97923043 A EP97923043 A EP 97923043A EP 97923043 A EP97923043 A EP 97923043A EP 0898688 B1 EP0898688 B1 EP 0898688B1
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fluidized bed
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    • F23G5/30—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having a fluidised bed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J1/00—Removing ash, clinker, or slag from combustion chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23G5/14—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating including secondary combustion
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    • F23L2900/00—Special arrangements for supplying or treating air or oxidant for combustion; Injecting inert gas, water or steam into the combustion chamber
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    • F23L2900/00—Special arrangements for supplying or treating air or oxidant for combustion; Injecting inert gas, water or steam into the combustion chamber
    • F23L2900/07009—Injection of steam into the combustion chamber

Definitions

  • the invention relates to a method for operating incinerators for sewage sludge, according to the preamble of claim 1.
  • a free space is a room with greatly reduced combustion. It serves to separate flue gases and dust as well as a slight post-combustion of CO and organic carbon and is also known as a calming room.
  • a method of the type mentioned at the outset is known, for example, from DE 3703568 A1.
  • a method for operating fluidized bed furnaces in which, for example, sewage sludge is burned in a fluidized bed which is located in the combustion zone of the fluidized bed furnace.
  • the fluidized bed is produced in this process by using a mixture of combustion air and flue gases as the fluidized air, the flue gases being admixed to the combustion air in a temperature and quantity-controlled manner.
  • the NO x concentration in the flue gas can be reduced. Nevertheless, a residual amount of NO x remains in the flue gas and therefore it is desirable in the context of environmental protection, especially air pollution control, to further reduce the NO x emissions.
  • Document EP-A1-0 411 133 also discloses a method of the type mentioned at the outset, in which the flue gases above the free space are set in turbulent motion by blowing so-called secondary air to support the combustion, but the NO x formation is promoted.
  • Document EP-A2-0 541 194 discloses a combustion process which works without free space, and with the water or steam in the main and / or second combustion stage is injected in order to increase the dioxin formation suppress.
  • document WO 92/13237 discloses a fluidized bed furnace in which distributor elements are arranged below or above the fluidized bed, on the one hand to better distribute the fuel under the fluidized bed and on the other hand to increase the turbulence above the fluidized bed, which optimizes the combustion. NO x reduction is achieved by adding ammonia to the free space above the fluidized bed.
  • the object of the invention was to further reduce the NO x content in flue gases or to provide alternative methods.
  • the present task is thus achieved by a method of the type mentioned at the beginning Solved type, which is characterized in that the smoke gases in the free space can be set into turbulent motion by injecting inert gas, without significantly increasing the turbulence in the combustion zone.
  • the invention thus relates to a method for operating Incinerators according to claim 1.
  • the combustion itself takes place in two stages, as in the process according to DE 3703568.
  • Fluidized-bed ovens which have a fluidized bed in the combustion zone, deck ovens or grate ovens can be used as the combustion ovens.
  • the process is suitable for the incineration of sewage sludge, since due to its protein content it can be expected that a lot of NO x will be burned.
  • Water or nitrogen are preferably used as the inert or inert gas.
  • the injection takes place advantageously in the free space above the combustion zone, in such a way that the turbulence in the combustion zone or fluidized bed is not significantly, preferably not increased.
  • the method is particularly suitable for incinerators with combustion zone areas greater than 5, preferably 40, particularly preferably 100 and very particularly preferably 200 m 2 .
  • NO x minimization through comparatively simple measures.
  • secondary measures such as the SNCR or SCR process (Selective (Non-) Catalytic Reduction) are not required.
  • the CO produced during combustion may act as a reducing agent, which is why it seems favorable not to reduce the CO formation in the fluidized bed.
  • a reducing agent is also added.
  • the method according to the invention is also suitable for incinerators low heat output down to 2000, even 1000 and even 500 kJ / (kg Fuel).
  • the effect of the measure according to the invention is probably explained as follows.
  • the nitrogen contained in the sewage sludge is essentially converted to NH 3 , N 2 and to a small extent to fuel NO x in the fluidized bed.
  • the NO 2 content of total nitrogen is approx. 5%.
  • Industrial sewage sludge 3 is burned in a two-stage fluidized bed furnace 1 with a combustion zone 2, in which the fluidized bed 11 is located.
  • the combustion zone 2 with the fluidized bed 11 is located above an inflow floor 9, through which combustion air 7 is introduced into the fluidized bed 11 via an air distribution device (not shown).
  • the sewage sludge 3 is burned in the fluidized bed 11 to reduce the fuel NO x formation with O 2 contents in the combustion air 7 (primary air) of approximately 1% by volume.
  • the resulting smoke gases 12 enter a free space 4 above the fluidized bed and are drawn off via this free space 4 and fed to a second combustion stage.
  • the after-reaction zone 6 the CO formed by the reducing combustion conditions is afterburned by feeding in secondary air 8 to CO 2 (O 2 contents in the after-reaction zone> 6% by volume).
  • the injection of water vapor 10 according to the invention takes place via one or more nozzles 5 directly into the free space 4.
  • the turbulence of the fluidized bed 11 is not or only slightly influenced by this injection.
  • the sewage sludge 3 is preferably added from above, from a height which ensures that the sewage sludge 3 is still dried in the fluidized bed 11 during the fall through the hot flue gases 4.
  • sewage sludge was burned under the following conditions: Quantity of sewage sludge approx. 10 t / h (40% dry matter) Amount of flue gas approx. 45000 Nm 3 / h (moist), approx. 35000 Nm 3 / h (dry) Fluidized bed temperature 750 - 850 ° C Temp. In free space 900 - 1000 ° C Temp. In the post-reaction zone 860 - 900 ° C Amount of fluidizing gas (primary air) approx. 20000 Nm 3 / h NO x concentration in free space approx. 3000 mg / Nm 3 CO concentration approx. 0.5 vol% Water content in the flue gas approx. 30 vol .-% Area of the inflow floor 16.6 m 2 Fluid bed furnace diameter 5.65 m Fluid bed furnace height 10.6 m

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsöfen (1) für Verbrennungsgüter wie Klärschlamm, Müll oder Kohle, bei dem das Verbrennungsgut in einer Brennzone (2) des Ofens (1) verbrannt wird und die entstehenden Rauchgase (12) über einen Freiraum (4), der sich über der Brennzone (2) befindet, abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase (12) in dem Freiraum (4) in eine turbulente Bewegung versetzt werden, ohne daß dadurch die Turbulenz in der Brennzone (2) wesentlich erhöht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Vorteile, daß der NOx-Gehalt in Rauchgasen mit relativ einfachen Maßnahmen weiter gesenkt werden kann. In einer großindustriellen Klärschlamm-Verbrennungsanlage wurden Werte von ca. 100 mg/m3 erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsöfen für Klärschlamm, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Freiraum ist dabei ein Raum mit stark Verminderter Verbrennung. Er dient der Trennung von Rauchgasen und Staub sowie einer geringfügigen Nachverbrennung von CO und organischem Kohlenstoff und wird auch als Beruhigungsraum bezeichnet.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 3703568 A1 bekannt. In dieser Schrift wird ein Verfahren zum Betrieb von Wirbelschichtöfen offenbart, bei dem beispielsweise Klärschlamm in einer Wirbelschicht, die sich in der Brennzone des Wirbelschichtofens befindet, verbrannt wird. Die Wirbelschicht wird bei diesem Verfahren dadurch erzeugt, daß als Wirbelluft eine Gemisch aus Verbrennungsluft und Rauchgasen verwendet wird, wobei die Rauchgase temperatur- und mengengeregelt der Verbrennungsluft zugemischt werden. Mit diesem Verfahren läßt sich die NOx-Konzentration im Rauchgas reduzieren. Dennoch verbleibt ein Rest an NOx im Rauchgas und daher ist es im Rahmen des Umweltschutzes, speziell der Luftreinhaltung wünschenswert, die Emissionen an NOx weiter zu senken.
Das Dokument EP-A1-0 411 133 offenbart ebenfalls ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Rauchgase über dem Freiraum durch Einblasen von sogenannter Sekündärluft zur Unterstützung der Verbrennung in turbulente Bewegung versetzt werden, wobei jedoch die NOx - Bildung gefördert wird.
Das Dokument EP-A2-0 541 194 offenbart ein Verbrennungsverfahren, das ohne Freiraum arbeitet, und bei dem Wasser oder Wasserdampf in die Haupt- und /oder zweite Verbrennungsstufe eingedüst wird, um die Dioxinbildung zu unterdrücken.
Weiter offenbart das Dokument WO 92/13237 einen Wirbelschichtofen, bei dem unter oder über der Wirbelschicht Verteilerelemente angeordnet sind, um einerseits unter der Wirbelschicht den Brennstoff besser zu verteilen und andererseits über der Wirbelschicht die Turbulenz zu erhöhen, was die Verbrennung optimiert. Eine NOx-Reduktion wird durch Zugabe von Ammoniak in den Freiraum über der Wirbelschicht erreicht.
Angesichts des zitierten Standes der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den NOx-Gehalt in Rauchgasen weiter zu senken, bzw. alternative Verfahren dazu bereitzustellen.
Es wurde nun beim Betrieb einer Klärschlamm-Verbrennungsanlage überraschend gefunden, daß sich der NOx-Gehalt weiter senken läßt ohne daß sich dadurch das Verhalten der Verbrennungsanlage nachteilig ändert, wenn die Rauchgase im Freiraum über der Brennzone durch Eindüsen von Inertgas in turbulente Bewegung versetzt werden, ohne daß dadurch die Turbulenz in der Brennzone wesentlich erhöht wird. Dies überrascht um so mehr, als die Rauchgase im Freiraum über der Brennzone üblicherweise in laminarer Strömung gehalten werden sollen, damit möglichst wenig grobe Staub- oder Rußteilchen aus der Brennzone mit ausgetragen werden.
Die vorliegende Aufgabe wird also durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Rauchgase in dem Freiraum durch Eindüsen von Inertgas in eine turbulente Bewegung versetzt werden, ohne daß dadurch die Turbulenz in der Brennzone wesentlich erhöht wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsöfen gemäß Anspruch 1.
Die Verbrennung selbst erfolgt zweistufig wie bei dem Verfahren gemäß DE 3703568. Als Verbrennungsöfen können u.a. Wirbelschichtöfen, die in der Brennzone eine Wirbelschicht aufweisen, Etagenöfen oder Rostöfen verwendet werden. Das Verfahren eignet sich zur Verbrennung von Klärschlamm, da dieser infolge seines Eiweißgehaltes bei der Verbrennung relativ viel NOx erwarten läßt. Als Inert- oder Edelgas werden bevorzugt von Wasserdampf oder Stickstoff verwendet. Die Eindüsung erfolgt vorteilhafterweise in den Freiraum über der Brennzone, und zwar so, daß die Turbulenz in der Brennzone bzw. Wirbelschicht nicht wesentlich, vorzugsweise nicht erhöht wird. Das Verfahren eignet sich besonders für Verbrennungsöfen mit Brennzonenflächen größer als 5, bevorzugt 40, besonders bevorzugt 100 und ganz besonders bevorzugt 200 m2.
Das erfindungsgemäße Verfahrens bietet im wesentlichen folgende Vorteile:
NOx-Minimierung durch vergleichsweise einfache Maßnahmen. In Kombination mit der zweistufigen Verbrennung entfallen Sekundärmaßnahmen wie beim SNCR- oder SCR-Verfahren (Selective (Non-)Catalytic Reduction). Als Reduktionsmittel wirkt möglicherweise das bei der Verbrennung entstehende CO, weshalb es günstig erscheint, die CO-Bildung in der Wirbelschicht nicht zu vermindern. Beim SNCR- oder SCR-Verfahren wird ein Reduktionsmittel zusätzlich zugegeben.
Entfall der Nachteile des SNCR- bzw SCR-Verfahrens: u.a. NH3-Schlupf, Korrosion in der Anlage und Wiederaufheizung der Rauchgase (SCR-Verfahren).
Reduzierung von Betriebskosten durch Einsparung von Reduktionsmitteln.
Weitergehende Senkung der NOx- und org. C-Frachten im Rauchgas. Verbesserung des Ausbrandverhaltens der Flugasche.
Erhöhung der Konstanz der Verbrennungsbedingungen durch besseres Regelverhalten des Wirbelschichtofens.
Im Gegensatz zur Dampfdruckzerstäubung (wie z. B. Eindüsung von Heizöl) und bei einigen SNCR-Verfahren, bei welchen die Eindüsung von Wasserdampf in das Rauchgas lediglich die Funktion der Zerstäubung eines im Rauchgas zu verteilenden Mediums ausübt, wird im erfindungsgemäßen Verfahren der reine Wasserdampf zur Erhöhung der Turbulenz der Rauchgase eingedüst und dadurch auch die Quervermischung der Rauchgase verbessert.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch für Verbrennungsöfen mit niedriger Wärmeleistung bis hinab zu 2000, auch 1000 und sogar 500 kJ/(kg Brennstoff).
Die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahme erklärt sich vermutlich folgendermaßen.
Der im Klärschlamm enthaltene Stickstoff wird in der Wirbelschicht im wesentlichen zu NH3, N2 und zu einem geringen Anteil zu Brennstoff-NOx umgewandelt. Der NO2-Anteil von Gesamtstickstoff beträgt ca. 5%. Durch Minimierung des O2-Angebotes bei der Klärschlammverbrennung wird die Brennstoff NO-Bildung weitgehend unterdrückt, während die CO-Bildung begünstigt wird.
Im Freiraum über der Wirbelschicht wird das bei der Klärschlammverbrennung gebildete NOx vermutlich durch Anwesenheit von C, CO und NH3 unter der katalytischen Wirkung der Asche zu N2 reduziert. Die Reduktion von NOx ließe sich demnach durch folgende Maßnahmen verbessern:
  • Erhöhung der Konzentration eines Reduktionsmittels im Rauchgas (z. B. Erhöhung der CO-Konzentration),
  • Erhöhung der Verweilzeit,
  • Verbesserung der Turbulenz und der Reaktionsgeschwindigkeit
Die Eindüsung von Wasserdampf in den Freiraum über der Wirbelschicht führt vermutlich infolge verbesserter Turbulenz und Quervermischung zu ausgeglichenen Konzentrations- und Temperaturgradienten im Rauchgas. Damit wird die Reduktion von NOx zu N2 deutlich verbessert. Ohne die Eindüsung liegen im Freiraum über der Brennzone laminare Strömungsverhältnisse vor, so daß die NOx-Reduktion unvollständiger abläuft. Würde man in die Wirbelschicht eindüsen und dadurch - oder auch durch andere Maßnahmen - die Turbulenz und Verbrennung in der Wirbelschicht erhöhen, würde in der Wirbelschicht weniger CO entstehen, welches im Freiraum die Reduktion des NOx unterstützt.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Wirbelschichtofen anhand der Figur 1 in beispielhafter Ausführung näher erläutert. Eine Beschränkung der Erfindung in irgendeiner Weise ist dadurch nicht beabsichtigt.
In einem zweistufig konzipierten Wirbelschichtofen 1 mit einer Brennzone 2, in der sich die Wirbelschicht 11 befindet, wird industrieller Klärschlamm 3 verbrannt. Die Brennzone 2 mit der Wirbelschicht 11 befindet sich oberhalb eines Anströmbodens 9, durch den Verbrennungsluft 7 über eine nicht gezeichnete Luftverteilereinrichtung in die Wirbelschicht 11 eingeleitet wird. Hierbei erfolgt in einer ersten Verbrennungsstufe die Verbrennung des Klärschlammes 3 in der Wirbelschicht 11 zur Verminderung der Brennstoff-NOx-Bildung bei O2-Gehalten in der Verbrennungsluft 7 (Primärluft) von ca. 1 Vol.-%. Die entstehenden Rauchgase 12 gelangen in einen Freiraum 4 über der Wirbelschicht und werden über diesen Freiraum 4 abgezogen und einer zweiten Verbrennungsstufe zugeleitet. In dieser zweiten Verbrennungsstufe, der Nachreaktionszone 6, wird das durch die reduzierenden Verbrennungsbedingungen entstandene CO durch Einspeisung von Sekundärluft 8 zu CO2 nachverbrannt (O2-Gehalte in der Nachreaktionszone > 6 Vol.-%). Die erfindungsgemäße Eindüsung von Wasserdampf 10 erfolgt über eine oder mehrere Düsen 5 direkt in den Freiraum
4. Die Turbulenz der Wirbelschicht 11 wird durch diese Eindüsung nicht bzw nur wenig beeinflußt.
Die Zugabe des Klärschlammes 3 erfolgt vorzugsweise von oben, aus einer Höhe, die gewährleistet, daß der Klärschlamm 3 während des Herunterfallens durch die heißen Rauchgase 4 in die Wirbelschicht 11 noch getrocknet wird.
Die vorteilhafte Wirkung belegt der nachfolgend beschriebene Betriebsversuch.
In einer industriellen Großanlage entsprechend der Figur 1 wurde Klärschlamm unter folgenden Bedingungen verbrannt:
Klärschlamm-Eintragsmenge ca. 10 t/h (40% Trockensubstanz)
Rauchgasmenge ca. 45000 Nm3/h (feucht),
ca. 35000 Nm3/h (trocken)
Wirbelschichttemperatur 750 - 850 °C
Temp. im Freiraum 900 - 1000 °C
Temp. in der Nachreaktionszone 860 - 900 °C
Wirbelgasmenge (Primärluft) ca. 20000 Nm3/h
NOx-Konzentration im Freiraum ca. 3000 mg/Nm3
CO-Konzentration ca. 0,5 Vol-%
Wassergehalt im Rauchgas ca. 30 Vol.-%
Fläche des Anströmbodens 16,6 m2
Wirbelschichtofen-Durchmesser 5,65 m
Wirbelschichtofen-Höhe 10,6 m
Im Rahmen eines Betriebsversuches wird in den Freiraum über der Wirbelschicht ca. 500 Nm3/h überhitzter Wasserdampf (4,2 barabs) eingedüst und die NOx Konzentration gemessen und aufgezeichnet. Das Ergebnis ist in dem Diagramm der Fig. 2 dargestellt, in dem die NOx Konzentration vor, während und nach der Dampfeindüsung im Verlauf der Zeit (min) wiedergegeben ist. Kurz nach der Dampfeindüsung fällt die NOx Konzentration von ca. 220 auf 100 mg/m3, um nach der Abschaltung der Eindüsung wieder auf den ursprünglichen Wert anzusteigen. Mit im Diagramm der Fig. 2 eingezeichnet ist außerdem noch die O2 Konzentration, die während des Versuches bei ca. 0,5 Vol.-% lag.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsöfen (1) für Klärschlamm (3), bei dem in einer ersten Verbrennungsstufe der Klärschlamm (3) in einer Brennzone (2) des Ofens (1) verbrannt wird und die entstehenden Rauchgase (12) über einen Freiraum (4), der sich über der Brennzone (2) befindet, abgezogen und in einer zweiten Verbrennungsstufe nachverbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase (12) in dem Freiraum (4) durch Eindüsen eines Inertgases in eine turbulente Bewegung versetzt werden, ohne daß dadurch die Turbulenz in der Brennzone (2) wesentlich erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserdampf oder Stickstoff oder ein Edelgas eingedüst wird.
  3. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsofen (1) ein Wirbelschichtofen ist, in dessen Brennzone (2) sich eine Wirbelschicht (11) befindet.
EP97923043A 1996-05-17 1997-05-09 VERFAHREN ZUR MINIMIERUNG DES NOx-GEHALTES IN RAUCHGASEN Expired - Lifetime EP0898688B1 (de)

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