EP1131150B1 - Verfahren zum betreiben einer verbrennungseinrichtung - Google Patents

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EP1131150B1
EP1131150B1 EP99972122A EP99972122A EP1131150B1 EP 1131150 B1 EP1131150 B1 EP 1131150B1 EP 99972122 A EP99972122 A EP 99972122A EP 99972122 A EP99972122 A EP 99972122A EP 1131150 B1 EP1131150 B1 EP 1131150B1
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EP
European Patent Office
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reducing agent
nitrogen
sub
air
stoichiometric
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EP99972122A
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Hermann BRÜGGENDICK
Andreas Hospital
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Steag Energy Services GmbH
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Steag Encotec GmbH
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J7/00—Arrangement of devices for supplying chemicals to fire

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • SCR Selective Catalytic Reduction
  • the burnt flue gas will be behind the burnout zone with the addition of a reducing agent by a catalytic Reactor passed in which at temperatures of 300-400 ° C splitting the nitrogen oxides to form of molecular nitrogen.
  • the catalytic The investment required for the reactor is considerable. Also there are high operating costs because the catalytic converters are cleaned and need to be renewed.
  • SNCR Selective Non-Catalytic Reduction
  • the reducing agent is introduced directly into the overstoichiometric, high-temperature burnt flue gas after the burnout zone.
  • the same reactions take place as in the catalytic reactor, but due to a lack of catalyst at a higher temperature level and with less pressure loss.
  • a temperature window must be maintained, which is approximately between 950 and 1050 ° C. Above this temperature window there is a risk that the reducing agent will oxidize to nitrogen oxides in the presence of the excess of oxygen.
  • the desired reactions occur to an insufficient extent below the temperature window.
  • the result is a slippage of reducing agent, ie the reducing agent is carried away by the flue gas as an ineffective ballast.
  • the effectiveness of the SNCR process presupposes that the reducing agent is mixed with the burnt-out flue gas very intensively and uniformly, for example via lances and the like, using a propellant. Accordingly, the large-scale use of this process is prohibited. Its application is limited to smaller incinerators, e.g. B. on thermal power stations and waste incineration plants. A large-scale use would presuppose that a mixing over a cross-section of 100-500 m 2 is carried out in a uniform manner, which is obviously excluded.
  • the reducing agent intense and Mixing evenly into the flue gas stream also adheres the high-temperature process under development on.
  • the reducing agent is in a reduction zone entered between the burner zone and the burnout zone located. Burner zone and reduction zone operated substoichiometrically. This may be necessary be working with fuel grading, d. i.e., a remainder of fuel in the reduction zone.
  • To the Introducing the reducing agent requires a carrier medium. Air is out of the question because the reduction zone is substoichiometric must stay. In turn, nitrogen is too expensive. So there remains water vapor and vaporizable liquids, whereby in both cases the efficiency of the Process sinks. The same applies to the introduction of ammonia water, whose water content to be evaporated is approx. 75% lies. In the burnout zone following the reduction zone the air ratio is increased to over 1 by Addition of additional combustion air.
  • a method of the type mentioned is known from WO 91/10864 known.
  • the reducing agent is considered fine divided, particulate material introduced into the primary zone.
  • Reducing agents are calcium sulfide, calcium oxide, iron sulfide and iron oxide and mixtures thereof. The The reducing effect of these materials is at least limited.
  • the invention has for its object a method of the type mentioned at the beginning, which can be achieved with little Investment and operating expenses in effective and reliable way for large-scale use.
  • the substoichiometric flame core has a comparatively small cross section so that there is none Difficulties arise, the reducing agent evenly to distribute over this cross section. Also play here Load changes don't matter.
  • Ammonia can be used as a reducing agent, furthermore ammonia water, urea and similar nitrogen compounds, as well as hydrocarbons, especially natural gas (CH 4 ).
  • hydrocarbons especially natural gas (CH 4 ).
  • CH 4 natural gas
  • the reducing agent causes the concentration of the radicals NHi, CHi, HCN to increase. These radicals react with the resulting nitrogen monoxide, reduce it and thereby generate molecular nitrogen.
  • the method according to the invention is free from Temperature restrictions to which the SNCR process is subject. Rather, it turned out to be particularly advantageous in the sub-stoichiometric flame zone Set temperature of over 1,100 ° C.
  • the temperature of the process should preferably be carried out in such a way that during subsequent burn-out, ie when air is supplied later, the nitrogen molecules formed (and also the N 2 molecules of the combustion air) do not thermally decompose again and form nitrogen oxides.
  • the temperature must therefore not exceed 1400 ° C.
  • substoichiometric flame core with a veil of secondary air, preferably with another Veil of tertiary air is enveloped.
  • substoichiometric Flame core finds the decomposition and Reduction of the NO instead.
  • the flue gas therefore occurs with the surrounding ones Walls not in substoichiometric condition Contact. This will prevent the occurrence of high temperature corrosion effectively prevented, in which an essential further Advantage of the invention can be seen.
  • the nitrogen oxide reducing agent can be by side or central lances in the substoichiometric flame core be introduced. Preferably, however, it becomes common with the fuel in the substoichiometric flame core brought in. It can also be advantageous that Nitric oxide reducing agent together with the primary air in the substoichiometric flame core. Possibly. the fuel is already with the primary air or a Mix part of the primary air. The mixture consists of these circumstances from fuel, primary air and reducing agent.
  • the invention preferably develops its advantages everywhere where the fuel has a high proportion of nitrogen contains. This is the case for example with hard coal, Tar oil, heavy oil, residual oil, process gas and the like.
  • Solid fuels are ground before combustion.
  • the Reductant can be in solid form (also ground) are present or also liquid or gaseous. The procedure is suitable for all power levels and works without additional pressure loss.
  • the main field of application of the invention is power plant technology.
  • the burners are arranged in several levels one above the other in the side of the boiler wall, the cross-section of the boiler being 100-500 m 2 .
  • Upper air is blown in above the top burner level.
  • Each burner represents its own, substoichiometric NO reduction system and delivers superstoichiometric flue gases into the boiler. Obviously, it is not difficult to switch individual burner levels on or off.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes spielt die Verminderung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe eine maßgebliche Rolle. Kritisch sind insbesondere solche Schadstoffe, die weder ausgefiltert, noch ausgewaschen werden können. Hierzu gehören die Stickstoffoxide, vorwiegend NO und NO2. Zu unterscheiden ist zwischen thermisch gebildeten Stickstoffoxiden, die sich auf der Basis des Luftstickstoffs bilden, und solchen Stickstoffoxiden, die aus dem Brennstoffstickstoff resultieren. Thermische Stickstoffoxide entstehen im wesentlichen bei Temperaturen oberhalb von 1.400 °C. Ihre Entstehung läßt sich bei bestimmten Prozessen durch entsprechende Temperatursteuerung beherrschen. Stickstoffoxide auf der Basis des Brennstoffstickstoffs hingegen bilden sich bereits bei niedrigen Verbrennungstemperaturen.
Zur Verminderung der Stickstoffoxid-Emissionen von großtechnischen Anlagen wird vorwiegend das SCR-Verfahren angewendet. SCR steht für Selektive Katalytische Reduktion. Dabei wird das ausgebrannte Rauchgas hinter der Ausbrandzone unter Zugabe eines Reduktionsmittels durch einen katalytischen Reaktor geleitet, in welchem bei Temperaturen von 300-400 °C eine Aufspaltung der Stickstoffoxide unter Bildung von molekularem Stickstoff erfolgt. Der durch den katalytischen Reaktor bedingte Investionsaufwand ist erheblich. Auch fallen hohe Betriebskosten an, da die Katalysatoren gereinigt und erneuert werden müssen.
Bekannt ist ferner das SNCR-Verfahren. SNCR steht für Selektive Nicht-Katalytische Reduktion. Hier wird das Reduktionsmittel direkt im Anschluß an die Ausbrandzone in das überstöchiometrische, auf hoher Temperatur befindliche ausgebrannte Rauchgas eingebracht. Es finden dieselben Reaktionen wie im katalytischen Reaktor statt, allerdings mangels Katalysator auf höherem Temperaturniveau und mit geringerem Druckverlust. Dabei muß ein Temperaturfenster eingehalten werden, das etwa zwischen 950 und 1050 °C liegt. Oberhalb dieses Temperaturfensters besteht die Gefahr, daß das Reduktionsmittel in Anwesenheit des herrschenden Sauerstoffüberschusses zu Stickstoffoxiden oxidiert. Unterhalb des Temperaturfensters kommt es nur in unzureichendem Ausmaß zu den gewünschten Reaktionen. Es ergibt sich ein Reduktionsmittelschlupf, d. h., das Reduktionsmittel wird als unwirksamer Balast vom Rauchgas mitgenommen. Im übrigen setzt die Wirksamkeit des SNCR-Verfahrens voraus, daß das Reduktionsmittel sehr intensiv und gleichmäßig beispielsweise über Lanzen und dergleichen unter Einsatz eines Treibmittels mit dem ausgebrannten Rauchgas vermischt wird. Dementsprechend verbietet sich der großtechnische Einsatz dieses Verfahrens. Seine Anwendung beschränkt sich auf kleinere Verbrennungsanlagen, z. B. auf Heizkraftwerke und Müllverbrennungsanlagen. Ein großtechnischer Einsatz würde voraussetzen, daß eine Durchmischung über einen Querschnitt von 100-500 m2 in gleichmäßiger Weise durchgeführt wird, was ersichtlich ausgeschlossen ist.
Die Schwierigkeiten, das Reduktionsmittel intensiv und gleichmäßig in den Rauchgasstrom einzumischen, haften auch dem in der Entwicklung befindlichen Hochtemperaturverfahren an. Hier wird das Reduktionsmittel in eine Reduktionszone eingegeben, die sich zwischen der Brennerzone und der Ausbrandzone befindet. Brennerzone und Reduktionszone werden unterstöchiometrisch betrieben. Hierzu kann es erforderlich sein, mit Brennstoffstufung zu arbeiten, d. h., einen Restanteil des Brennstoffs in die Reduktionszone einzugeben. Zum Einbringen des Reduktionsmittels bedarf es eines Trägermediums. Luft kommt nicht in Frage, da die Reduktionszone unterstöchiometrisch bleiben muß. Stickstoff wiederum ist zu teuer. Es verbleiben also Wasserdampf und verdampfbare Flüssigkeiten, wodurch in beiden Fällen der Wirkungsgrad des Prozesses sinkt. Gleiches gilt für die Einbringung von Ammoniakwasser, dessen zu verdampfender Wasseranteil bei ca. 75% liegt. In der an die Reduktionszone anschließenden Ausbrandzone wird die Luftzahl auf über 1 angehoben, und zwar durch Zugabe von zusätzlicher Verbrennungsluft.
Aufgrund des Sauerstoffmangels in der Reduktionszone ist der Anteil des entstehenden NO vergleichsweise gering. Unter Zugabe des Reduktionsmittels erfolgt eine Aufspaltung des NO unter Bildung von molekularem Stickstoff.
Zu den Schwierigkeiten, das Reduktionsmittel gleichmäßig und intensiv in die Reduktionszone einzumischen, treten Regelungsprobleme hinzu. Bei Laständerung verkürzt sich naturgemäß die Brennerzone. Die Reduktionszone muß also näher an die Brenner herangerückt werden. Bei Erhöhung der Last gilt es zu verhindern, daß die Reduktionszone in die Ausbrandzone hineinwandert und dort mit zusätzlicher Verbrennungsluft beaufschlagt wird, wodurch sich überstöchiometrische Verhältnisse einstellen würden.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der WO 91/10864 bekannt. Dort wird das Reduktionsmittel als fein zerteiltes, partikelförmiges Material in die Primärzone eingebracht. Bezüglich der Verteilung und Durchmischung ergeben sich also die oben diskutierten Schwierigkeiten. Als Reduktionsmittel werden Kalziumsulfid, Kalziumoxid, Eisensulfid und Eisenoxid sowie deren Mischungen angegeben. Die Reduktionswirkung dieser Materialien ist zumindest begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich bei geringem Investitions- und Betriebsaufwand in wirksamer und zuverlässiger Weise für den großtechnischen Einsatz eignet.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 auf.
Der unterstöchiometrische Flammenkern besitzt einen vergleichsweise geringen Querschnitt, so daß es keinerlei Schwierigkeiten bereitet, das Reduktionsmittel gleichmäßig über diesem Querschnitt zu verteilen. Auch spielen hierbei Laständerungen keine Rolle.
Als Reduktionsmittel kommt Ammoniak in Frage, ferner Ammoniakwasser, Harnstoff und ähnliche Stickstoffverbindungen, außerdem auch Kohlenwasserstoffe, vor allen Dingen Erdgas (CH4). In der unterstöchiometrischen Flammenzone wird praktisch der gesamte zur Verfügung stehende Sauerstoff zur Teiloxidation des Kohlenstoffs verbraucht. NO entsteht nur in geringem Ausmaß. Die Anwesenheit des Reduktionsmittels führt dazu, daß die Konzentration der Radikale NHi, CHi, HCN zunimmt. Diese Radikale reagieren mit dem entstandenen Stickstoffmonoxid, reduzieren es und lassen dabei molekularen Stickstoff entstehen.
Ferner ist das Verfahren nach der Erfindung frei von den Temperaturbeschränkungen, denen das SNCR-Verfahren unterliegt. Vielmehr hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, in der unterstöchiometrischen Flammenzone eine Temperatur von über 1.100 °C einzustellen.
Die Temperatur des Prozesses sollte vorzugsweise so geführt werden, daß beim späteren Ausbrand, d. h. bei späterer Luftzufuhr, die entstandenen Stickstoffmoleküle (sowie auch die N2-Moleküle der Verbrennungsluft) nicht wieder thermisch zerfallen und Stickstoffoxide bilden. Die Temperatur darf also 1400 °C nicht übersteigen.
Sofern Reduktionsmittel im Übermaß eingesetzt wird, so hat dies keine negativen Auswirkungen. Ein Reduktionsmittelschlupf kann deshalb nicht auftreten, weil das Reduktionsmittel beim anschließenden Ausbrand unter Zufuhr von Sauerstoff vollständig umgesetzt wird. Die Reststoffe (Flugasche und Gips) können also ohne Einschränkungen verwertet werden.
In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der unterstöchiometrische Flammenkern mit einem Schleier aus Sekundärluft, vorzugsweise mit einem weiteren Schleier aus Tertiärluft umhüllt wird. Im unterstöchiometrischen Flammenkern findet die Zersetzung und Reduktion des NO statt. Die Schleier aus Sekundärluft und vorzugsweise aus Tertiärluft sorgen anschließend für den Ausbrand des Brennstoffs und die Zersetzung von überschüssigem Reduktionsmittel. Das Rauchgas tritt also mit den umgebenden Wänden nicht in unterstöchiometrischem Zustand in Berührung. Dadurch wird das Auftreten von Hochtemperaturkorrosion wirksam verhin-dert, worin ein wesentlicher weiterer Vorteil der Erfindung zu sehen ist.
Das Stickstoffoxid-Reduktionsmittel kann durch seitliche oder zentrale Lanzen in den unterstöchiometrischen Flammenkern eingebracht werden. Vorzugsweise jedoch wird es gemeinsam mit dem Brennstoff in den unterstöchiometrischen Flammenkern eingebracht. Ferner kann es vorteilhaft sein, das Stickstoffoxid-Reduktionsmittel gemeinsam mit der Primärluft in den unterstöchiometrischen Flammenkern einzubringen. Ggf. wird man den Brennstoff bereits mit der Primärluft oder einem Teil der Primärluft mischen. Das Gemisch besteht unter diesen Umständen aus Brennstoff, Primärluft und Reduktionsmittel.
Ferner besteht die Möglichkeit, mindestens einen Teil der Primärluft als Kernluft in die Flamme einzublasen, wobei dies vorzugsweise gemeinsam mit dem Stickstoffoxid-Reduktionsmittel geschieht.
Die Erfindung entwickelt ihre Vorteile bevorzugt überall dort, wo der Brennstoff einen hohen Anteil an Stickstoff enthält. Dies ist der Fall beispielsweise bei Steinkohle, Teeröl, Schweröl, Rückstandsöl, Prozeßgas und dergleichen. Feste Brennstoffe werden vor der Verbrennung vermahlen. Das Reduktionsmittel kann in fester Form (ebenfalls vermahlen) vorliegen oder auch flüssig oder gasförmig. Das Verfahren eignet sich für sämtliche Leistungsstufen und arbeitet ohne zusätzlichen Druckverlust.
Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die Kraftwerkstechnik. Hier sind die Brenner in mehreren Ebenen übereinander seitlich in der Kesselwand angeordnet, wobei der Querschnitt des Kessels 100-500 m2 betragen kann. Oberhalb der obersten Brennerebene wird Oberluft eingeblasen. Jeder Brenner stellt ein eigenes, unterstöchiometrisches NO-Reduktionssystem dar und liefert überstöchiometrische Rauchgase in den Kessel. Ersichtlich bereitet es keine Schwierigkeiten, einzelne Brennerebenen zu- oder abzuschalten.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Verbrennen eines stickstoffhaltigen Brennstoffs unter Verminderung der Emission von Stickstoffoxiden, wobei eine unterstöchiometrische Primärzone erzeugt und mit einem Stickstoffoxid-Reduktionsmittel beschickt wird,
       dadurch gekennzeichnet,    daß die unterstöchiometrische Primärzone als Flammenkern ausgebildet wird und daß als Stickstoffoxid-Reduktionsmittel Stickstoffverbindungen oder Kohlenwasserstoffe verwendet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß im unterstöchiometrischen Flammenkern eine Temperatur von über 1.100 °C eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der unterstöchiometrische Flammenkern mit einem Schleier aus Sekundärluft, vorzugsweise mit einem weiteren Schleier aus Tertiärluft umhüllt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stickstoffoxid-Reduktionsmittel gemeinsam mit dem Brennstoff in den unterstöchiometrischen Flammenkern eingebracht wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stickstoffoxid-Reduktionsmittel gemeinsam mit der Primärluft in den unterstöchiometrischen Flammenkern eingebracht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kernluft in die Flamme eingeblasen wird und daß das Stickstoffoxid-Reduktionsmittel gemeinsam mit der Kernluft in den unterstöchiometrischen Flammenkern eingebracht wird.
EP99972122A 1998-11-18 1999-10-22 Verfahren zum betreiben einer verbrennungseinrichtung Expired - Lifetime EP1131150B1 (de)

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