EP1327104B1 - Verfahren zur gestuften verbrennung von brennstoffen - Google Patents

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EP1327104B1
EP1327104B1 EP01983559A EP01983559A EP1327104B1 EP 1327104 B1 EP1327104 B1 EP 1327104B1 EP 01983559 A EP01983559 A EP 01983559A EP 01983559 A EP01983559 A EP 01983559A EP 1327104 B1 EP1327104 B1 EP 1327104B1
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combustion
flue gas
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Christian Wolf
Kai Keldenich
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • F23G5/02—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
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    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
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    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
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    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
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    • F23L9/04—Passages or apertures for delivering secondary air for completing combustion of fuel  by discharging the air beyond the fire, i.e. nearer the smoke outlet
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    • F23C2900/06041—Staged supply of oxidant
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    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2900/00—Special features of, or arrangements for incinerators
    • F23G2900/00001—Exhaust gas recirculation

Definitions

  • the present invention relates to a method in which a solid fuel with often heterogeneous properties, preferably waste or biomass, burned under conditions which reduce the formation of nitrogen oxides or suppress.
  • Nitrogen oxides are in the environment and especially after Combustion processes an undesirable product. Therefore, will usually a considerable procedural effort operated by the in-process nitrogen oxides produced by to prevent a complicated flue gas aftertreatment.
  • staged combustion In order to reduce the formation of fuel NOx, the methodology of staged combustion has been introduced, especially for liquid, gaseous and dust fuels. It is achieved by air grading or targeted air distribution between primary, secondary and ev tertiary air, that in a first combustion section by substoichiometric operation, the precursors of fuel NOx are reduced to N 2 (see, for example, US Patent 5,626,085 or US Pat. Patent 4,704,084). The course of the reaction is very complex and not fully understood.
  • unburned substance CO product of incomplete combustion
  • NO to N 2 can be reduced (simplified: 2 CO + 2 NO ⁇ 2 CO 2 + N 2 ) But it is important to ensure that the reacting Process gases are intimately mixed to allow the reaction.
  • the object of the present invention is to provide a method for To provide all solid, even inhomogeneous fuels at the formation of nitrogen oxides largely avoided or at least reduced.
  • the invention provides that on the one hand the previously for liquid and other homogeneous fuels used, graded Combustion also for heterogeneous fuels such as waste or Biomass is used, which in addition to the problem, which is predetermined by the inhomogeneity, often very strong are loaded with nitrogenous substances. This should the formation of nitric oxide largely avoided or completely be suppressed.
  • portions of a catalyst present as a solid which is preferably finely divided and / or has a high surface area, are additionally added to the flue gas.
  • the catalyst to be used according to the invention is capable of releasing non-gaseous excess oxygen into contact reactions with gaseous substances and subsequently of regenerating it again.
  • the gaseous substances are preferably oxidizable substances, in particular, for example, C x H y (hydrocarbons), carbon monoxide, but it can also be oxidized with it difficultly degradable toxins such as PCBs, dioxins or furans.
  • Suitable for the purposes of the present invention are e.g. ferro-oxide catalysts, e.g. finely dispersed iron oxide.
  • the Addition can be done together with the secondary air and / or additionally de-injected tertiary air.
  • the Catalyst also in other ways, e.g. with recirculated Flue gas or with steam, be blown. An injection in another, further downstream Area of the combustion chamber or boiler at a lower Temperature is also possible.
  • the expert will be the suitable variant readily considering the select given process conditions. It is essential that the Catalyst only after a certain minimum residence time of Flue gases in the combustion chamber or in the firebox or freeboard is used to the above reactions to Nitric oxide reduction not to hinder.
  • the catalyst supports combustion with excess available Oxygen, so that no unburned substances through the Boiler area to move into the flue gas cleaning.
  • the flue gas in the combustion chamber additionally imparted a pulse.
  • This can be done for example by the task of recirculated flue gas or tensioned water vapor or similar media through appropriately arranged nozzles.
  • Such process steps are known, for example, from DE 196 19 764 A1 of Hoechst AG or WO 93/07422 of VAW Aluminum AG.
  • turbulence is generated independently of the introduction of additional oxygen, as a result of which incompletely burned substances, such as CO and NO, come into better contact with one another and can react to form N 2 and CO 2 .
  • the precursor substances of nitrogen oxides are also greatly reduced to N 2 in this region, which is characterized by a substoichiometric atmosphere. Nevertheless, any resulting nitrogen oxides can be reduced to N 2 as described above.
  • the addition of primary air can be controlled so that certain temperature targets (e.g., temperature below ash softening point) be respected in or on the fuel bed.
  • certain temperature targets e.g., temperature below ash softening point
  • temperature targets can be determined by suitable temperature measuring devices be monitored, for example with the help of a Infrared camera.
  • gas atmosphere and in particular the oxygen content by suitable measuring instruments be monitored.
  • the catalyst also in the further Add the course of the combustion chamber or the boiler to the flue gas.
  • the person skilled in the art will readily find the suitable variant taking into account the given process conditions choose.
  • the catalyst can also only later the furnace or boiler 10 added to the flue gas when the process conditions appear beneficial to let.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem ein fester Brennstoff mit oftmals heterogenen Eigenschaften, vorzugsweise Abfall oder Biomasse, unter Bedingungen verbrannt wird, die das Entstehen von Stickoxiden verringern bzw. unterdrücken.
Stickoxide sind in der Umwelt und insbesondere nach Verbrennungsprozessen ein nicht erwünschtes Produkt. Daher wird üblicherweise ein erheblicher verfahrenstechnischer Aufwand betrieben, um die prozeßintern entstandenen Stickoxide durch eine aufwendige Rauchgasnachbehandlung zu verhindern.
Bei der Verbrennung von festen Brennstoffen, insbesondere Abfall oder Biomasse, wird Sauerstoff im Übermaß benötigt, um die entsprechenden Verbrennungsreaktionen herbeizuführen. Im Kontaktbereich zwischen gasförmigem Sauerstoff und dem festen Brennstoff wird üblicherweise eine (über-)stöchiometrische Atmosphäre eingestellt, um den Ausbrand der festen Brennstoffe sicher zu stellen. Durch die angewandte (über-)stöchiometrische Betriebsweise wird oftmals bewirkt, daß teilweise Vorläufersubstanzen von Stickoxiden (HCN, Amine, Oxycyane), die aus dem Brennstoff in der Entgasungs- und Pyrolysezone entstehen, im Nahbereich der Brennkammer zu unerwünschten Stickoxiden (Brennstoff-NOx) aufoxidiert werden. Trotz dieser Verfahrensweise entstehen partiell Zonen mit großem und schnellem Brennstoffumsatz, in denen ein unter- bzw. nahstöchiometrisches Gemisch auftritt. Dort entstehen besonders heiße Zonen, die die Bildung von thermischen oder prompten Stickoxiden begünstigen.
Um die Entstehung von Brennstoff-NOx zu vermindern, wurde - vor allem für flüssige, gasförmige und staubförmige Brennstoffe - die Methodik der gestuften Verbrennung eingeführt. Dabei wird durch Luftstufung bzw. gezielte Luftverteilung zwischen Primär-, Sekundär- und ev. Tertiärluft erreicht, daß in einem ersten Verbrennungsabschnitt durch unterstöchiometrische Betriebsweise die Vorläufersubstanzen von Brennstoff-NOx zu N2 reduziert werden (vgl. z.B. US-Patent 5,626,085 oder US-Patent 4,704,084). Der Reaktionsablauf ist dabei sehr vielschichtig und nicht vollständig geklärt.
Durch die in diesem Bereich ebenfalls vorhandene unverbrannte Substanz CO (Produkt der unvollständigen Verbrennung) kann zudem NO zu N2 reduziert werden (vereinfacht: 2 CO + 2 NO→2 CO2 + N2) Dabei ist aber darauf zu achten, daß die reagierenden Prozeßgase innig vermischt werden, um die Reaktion zu ermöglichen.
Bei der Verbrennung von festen Brennstoffen, insbesondere Abfall, ist dieses Verfahren bisher nicht erfolgreich einsetzbar, da die Nachverbrennung der unverbrannten Bestandteile (z.B. CO, CxHy) erfahrungsgemäß große Schwierigkeiten mit sich bringt. Große Mengen an Unverbranntem werden nicht zur Reaktion gebracht, da zumeist nur eine unzureichende Vermischung mit Sauerstoff geschieht, die Temperatur z.B. durch die Eindüsung von Sekundärluft deutlich abgesenkt wird und somit die Reaktionsgeschwindigkeit zum schnellen Abbau nicht mehr ausreicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren für vor allem feste, auch inhomogene Brennstoffe bereitzustellen, bei dem die Bildung von Stickoxiden weitgehend vermieden oder zumindest reduziert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Verfahrens gelöst, das eine Stufung der Luftzugabe zur Erzielung einer erst unter- und dann überstöchiometrischen Reaktionsatmosphäre sowie die anschließende bzw. begleitende Nachbehandlung der Rauchgase mit einem als Feststoff vorliegenden Katalysator umfaßt, der die ablaufenden Reaktionen verbessert und beschleunigt und somit die Bildung inerten Stickstoffs unterstützt.
  • Figur 1 zeigt schematisch die Luftstufung und Katalysatoraufgabe in einem Verbrennungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung an einer beispielhaften Verbrennungsanlage.
    • Die Erfindung sieht vor, daß einerseits die bisher für flüssige und andere homogene Brennstoffe eingesetzte, gestufte Verbrennung auch für heterogene Brennstoffe wie Abfall oder Biomasse eingesetzt wird, welche zusätzlich zu der Problematik, die durch die Inhomogenität vorgegeben ist, häufig sehr stark mit stickstoffhaltigen Substanzen belastet sind. Dadurch soll die Entstehung von Stickoxid weitgehend vermieden oder völlig unterdrückt werden. Weiterhin soll durch die Zugabe eines geeigneten Katalysators in einen Bereich der Verbrennungsanlage, der in Strömungsrichtung gesehen nicht vor dem Bereich der Verbrennung mit überstöchiometrisch vorhandenem Sauerstoff liegt, erreicht werden, daß einerseits die vorgesehene Luftmenge für die überstöchiometrische Verbrennung von einer ggf. erfolgenden Impulszugabe in der Brennkammer unabhängig ist und andererseits trotzdem genügend Sauerstoff zum Ausbrand der noch unverbrannten Substanzen vorliegt.
    Durch die Stufung der Luftzugabe wird zunächst erreicht, daß sich im Bereich der Brennkammer der Feststoff nah- bis deutlich unterstöchiometrisch umsetzt (kontrollierte Vergasung durch nah- bzw. unterstöchiometrische Luftzugabe im Primärluftbereich). Dabei wird die Bildung von unkontrollierten Temperaturspitzen im Bereich der Brennkammer unterdrückt. Verfahrensbedingt entstehen dabei größere Mengen an unverbrannten Substanzen (z.B. CO, CxHy, Aromaten usw.). Die Vorläufersubstanzen (z.B. HCN, Amine) der Stickoxide zählen ebenfalls zu diesen Substanzen. Bereits entstandenes NO kann in diesem Bereich bei Kontakt mit CO zu CO2 und N2 abreagieren, da die Sauerstoffaffinität des Kohlenstoffs größer ist als die des Stickstoffs.
    Im nachfolgenden Bereich (dem Übergang der Brennkammer, in der die festen Bestandteile des Brennstoffs brennen, zum sogenannten Feuerraum oder Freibord, in dem vor allem Gase brennen, und ggf. zusätzlich an einer in Rauchgasströmungsrichtung nachfolgenden Stelle) erfolgt eine Einspeisung von weiterer Verbrennungsluft (Sekundär- und evtl. Tertiärluft), um die unverbrannten Substanzen nachzuverbrennen. Hierdurch wird eine überstöchiometrische Atmosphäre geschaffen. Die restlichen unverbrannten Substanzen werden weitgehend abreagiert. Eine deutliche Reduktion der Entstehung von thermischem und promptem NOx ist die Folge der gestuften Betriebsweise.
    Um diese Prozesse zu intensivieren bzw. zu optimieren, werden dem Rauchgas zusätzlich Anteile eines als Feststoff vorliegenden Katalysators hinzugefügt, der vorzugsweise feinteilig ist und/oder eine hohe Oberfläche aufweist. Der erfindungsgemäß einzusetzende Katalysator ist in der Lage, nicht-gasförmigen Überschuß-Sauerstoff in Kontaktreaktionen an gasförmige Substanzen abzugeben und sich anschließend auch wieder zu regenerieren. Bei den gasförmigen Substanzen handelt es sich dabei vorzugsweise um oxidierbare Substanzen, insbesondere beispielsweise um CxHy (Kohlenwasserstoffe), Kohlenmonoxid, es können mit ihm aber auch schwer abbaubare Giftstoffe wie PCB's, Dioxine oder Furane oxidiert werden.
    Geeignet für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind z.B. ferro-oxidische Katalysatoren, z.B. feindisperses Eisenoxid. Die Zugabe kann zusammen mit der Sekundärluft und/oder ggf. zusätzlich eingedüster Tertiärluft erfolgen. Alternativ kann der Katalysator auch auf anderen Wegen, z.B. mit rezirkuliertem Rauchgas oder mit Dampf, eingeblasen werden. Eine Eindüsung in einen anderen, in Strömungsrichtung weiter hinten liegenden Bereich des Feuerraums bzw. des Kessels bei einer niedrigeren Temperatur ist ebenfalls möglich. Der Fachmann wird die geeignete Variante ohne weiteres unter Berücksichtigung nach den gegebenen Prozeßbedingungen auswählen. Wesentlich ist, daß der Katalysator erst nach einer gewissen Minimal-Verweilzeit des Rauchgases in der Brennkammer bzw. im Feuerraum oder Freibord zum Einsatz kommt, um die oben genannten Reaktionen zur Stickstoffmonoxidreduktion nicht zu behindern. Der Katalysator unterstützt die Verbrennung mit im Überschuß vorhandenem Sauerstoff, so daß sich keine unverbrannten Substanzen durch den Kesselbereich bis in die Rauchgasreinigung bewegen können.
    Nach der Brennkammer und dem Feuerraum oder Freibord ist die Menge an Stickoxiden bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens so gering, daß keine weiteren additiven Maßnahmen (z.B. SNCR - selektive nichtkatalytische Reduktion, SCR - selektive katalytische Reduktion) notwendig sind, um die Stickoxide auf ein Maß zu reduzieren, das durch die Genehmigung vorgeschrieben ist. Als weiterer Effekt wird die Neubildung von Dioxinen und Furanen unterdrückt, da die entsprechenden Vorläufersubstanzen für die de-novo-Synthese in geringerer Menge anfallen bzw. die Zersetzung von Dioxinen und Furanen und dergleichen katalytisch ermöglicht wird, und zwar auch noch in kälteren Regionen des Feuerraums.
    In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird dem Rauchgas in der Brennkammer zusätzlich ein Impuls aufgeprägt. Dies kann beispielsweise durch die Aufgabe von rezirkuliertem Rauchgas oder gespanntem Wasserdampf oder ähnlichen Medien durch geeignet angeordnete Düsen erfolgen. Derartige Verfahrensschritte sind beispielsweise aus der DE 196 19 764 A1 der Hoechst AG oder der WO 93/07422 der VAW Aluminium AG bekannt. Durch diese Maßnahme wird Turbulenz unabhängig von der Einbringung zusätzlichen Sauerstoffs erzeugt, wodurch unvollständig verbrannte Substanzen wie CO und NO besser miteinander in Kontakt kommen und zu N2 und CO2 abreagieren können. Die Vorläufersubstanzen von Stickoxiden werden in diesem Bereich, der sich durch eine unterstöchiometrische Atmosphäre auszeichnet, ebenfalls in hohem Maße zu N2 reduziert. Trotzdem noch entstehende Stickoxide können wie voranstehend beschrieben zu N2 reduziert werden.
    Ergänzend kann auch im Übergang von der Brennkammer zum Feuerraum oder Freibord zusätzlicher Vermischungsimpuls in die Brenngase eingebracht werden, beispielsweise durch rezirkuliertes Rauchgas oder Dampf. Auch diese Verfahrensführung ist aus dem Stand der Technik bekannt, siehe z.B. DE 44 02 172 A1.
    Die Zugabe von Primärluft kann so gesteuert werden, daß bestimmte Temperaturziele (z.B. Temperatur unterhalb Ascheerweichungspunkt) im oder auf dem Brennbett eingehalten werden.
    Diese Temperaturziele können durch geeignete Temperaturmeßeinrichtungen überwacht werden, beispielsweise mit Hilfe einer Infrarotkamera. Ergänzend kann die Gasatmosphäre und insbesondere der Sauerstoffgehalt durch geeignete Meßinstrumente überwacht werden.
    Alternativ ist es möglich, den Katalysator auch erst im weiteren Verlauf des Feuerraums bzw. des Kessels dem Rauchgas hinzuzufügen. Der Fachmann wird die geeignete Variante ohne weiteres unter Berücksichtigung nach den gegebenen Prozeßbedingungen auswählen.
    Nachstehend soll die Erfindung anhand eines Beispiels und der beigefügten Figur 1 näher erläutert werden.
    Es wird ein Verbrennungsprozeß dargestellt, bei dem ein Brennstoff wie Müll 1 aufgegeben wird. Durch einen Aufgabeschieber 2 wird der Brennstoff in die Brennkammer 3 geschoben. Dort wird der Brennstoff unter Zuführung von primärer Verbrennungsluft 4 unterstöchiometrisch verbrannt bzw. vergast. Eine Temperaturüberwachung und die Steuerung der Luftverteilung erfolgt unter Zuhilfenahmen einer Infrarotkamera 5 z.B an der Rückwand der Brennkammer. Die aus dem Feststoffbett aufsteigenden Vergasungsprodukte können durch die gezielte Zugabe von rezirkuliertem Rauchgas 6 oder dgl. innig vermischt werden. Nach der Vermischung erfolgt im Übergang von Brennkammer zum Feuerraum 7 eine Eindüsung von weiterer Verbrennungsluft (Sekundärluft 8 bzw. Tertiärluft 9). Hier wird die Nachverbrennung der unverbrannten Substanzen aus der Brennkammer erreicht. Durch eine zusätzliche Dotierung der Sekundär- oder Tertiärluft mit einem feinteiligen Katalysator bei 8 und/oder bei 9 wird im nachfolgenden Feuerraum 7 ein sehr guter Ausbrand erzielt. Alternativ oder zusätzlich kann der Katalysator auch erst im weiteren Verlauf des Feuerraums bzw. des Kessels 10 dem Rauchgas hinzugefügt werden, wenn die Prozeßbedingungen dies vorteilhaft erscheinen lassen.

    Claims (12)

    1. Verfahren zur Verbrennung auch inhomogener, fester Brennstoffe in einer Feuerungsanlage, das die folgenden Schritte aufweist:
      (a) Verbrennung, Teilverbrennung bzw. Vergasung der festen Brennstoffe in der Brennkammer unter unterstöchiometrischer Sauerstoffatmosphäre,
      (b) Zuführung zusätzlichen Sauerstoffs in den Brennraum im Übergangsbereich von Brennkammer zu Feuerraum oder Freibord in einer überstöchiometrischen Menge,
      (c) Zugabe eines als Feststoff vorliegenden Katalysators zur Verbesserung bzw. Beschleunigung der ablaufenden Reaktionen in dem Bereich, in dem auch die überstöchiometrische Sauerstoffmenge zugeführt wird, oder in einem nachfolgenden Bereich.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator ausgewählt ist unter Materialien, die bei den herrschenden Umgebungsbedingungen Sauerstoff in Kontaktreaktionen an gasförmige Substanzen abzugeben und insbesondere Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu oxidieren vermögen.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator ein ferro-oxidischer Katalysator eingesetzt wird, insbesondere feindisperses Eisenoxid.
    4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Rauchgasrichtung der Zugabe der Sekundärluft nachfolgend Tertiärluft eingebracht wird.
    5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator zusammen mit der Sekundärluft eingebracht wird.
    6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Katalysator ausschließlich oder zusätzlich in einem in Rauchgasrichtung weiter hinten liegenden Teil des Feuerraums oder im Kesselbereich der Feuerungsanlage zugegeben wird
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem in der Brennkammer befindlichen Gas zusätzlich Mischimpuls aufgeprägt wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischimpuls durch Eindüsung von rezirkuliertem Rauchgas oder gespanntem Wasserdampf aufgeprägt wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischimpulsaufgabe im Brennraum erfolgt.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischimpulsaufgabe im Übergangsbereich zwischen Brennkammer und Feuerraum bzw. Freibord oder in Rauchgasrichtung dahinter erfolgt.
    11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Katalysator zusammen mit rezirkuliertem Rauchgas oder gespanntem Wasserdampf eingedüst wird.
    12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt im Brenn- und/oder im Feuerraum kontrolliert und geregelt wird.
    EP01983559A 2000-10-18 2001-10-17 Verfahren zur gestuften verbrennung von brennstoffen Expired - Lifetime EP1327104B1 (de)

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    EP (1) EP1327104B1 (de)
    JP (1) JP2004511750A (de)
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