EP2691701B1 - Verfahren zur optimierung des ausbrands von abgasen einer verbrennungsanlage - Google Patents

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EP2691701B1
EP2691701B1 EP12712955.9A EP12712955A EP2691701B1 EP 2691701 B1 EP2691701 B1 EP 2691701B1 EP 12712955 A EP12712955 A EP 12712955A EP 2691701 B1 EP2691701 B1 EP 2691701B1
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EP
European Patent Office
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combustion
nozzle
fluid
primary
combustion chamber
Prior art date
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EP2691701A1 (de
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Maurice Henri WALDNER
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Original Assignee
Hitachi Zosen Innova AG
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Publication date
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    • F23G5/08—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating
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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
    • F23L2900/00—Special arrangements for supplying or treating air or oxidant for combustion; Injecting inert gas, water or steam into the combustion chamber
    • F23L2900/07002—Injecting inert gas, other than steam or evaporated water, into the combustion chambers

Definitions

  • the present invention relates to a method for optimizing the combustion of exhaust gases of a combustion plant according to the preamble of claim 1.
  • a method for optimizing the combustion of exhaust gases of a combustion plant is described for example in the EP-A-1508745 described.
  • Incinerators for burning solid fuels such as municipal waste, refuse derived fuels, biomass and other materials are well known to those skilled in the art.
  • Such plants include a combustion chamber in which the solid is burned with supply of primary air, which is referred to as primary combustion.
  • the solid from the inlet into the combustion chamber to the outlet through various sub-processes, which can be roughly subdivided into drying, ignition, combustion and ash burning. In each of these sub-processes, exhaust gases of different composition are generated.
  • the primary air While in the drying phase, the primary air only absorbs moisture from the solid to be burned, can be found in the ignition phase pyrolytic decomposition products.
  • the oxygen supplied in the ignition phase is often completely converted, so that the exhaust gas flow generated in this phase has very little or no oxygen.
  • exhaust gases are formed with typical compositions of CO, CO 2 , O 2 , H 2 O and N 2 , while finally over the ash ash practically unused air is present.
  • these different exhaust gas streams pass into a secondary combustion chamber arranged downstream in the direction of flow, where they are burnt out with the supply of secondary air, which is referred to as secondary combustion.
  • a method comprising a combustion of the solid and an afterburning of the incompletely combusted exhaust gas constituents is known, for example, from US Pat WO 2007/090510
  • the aim of this invention is to reduce the primary nitrogen compounds NH 3 and HCN in order to minimize the formation of nitrogen oxides (NO x ) in the post-combustion chamber.
  • EP-A-1077077 relates to a similar process as that of WO 2007/090510 , wherein the denitrification of the flue gases, the SNCR method is used in which no catalyst is used, but a reducing agent is injected into the flue gases.
  • Such SNCR processes operate at temperatures of 850 to 1000 ° C and require sophisticated control.
  • the reduction of nitrogen oxides is also in WO 99/58902 addressed.
  • the gases emerging from the combustion chamber are homogenized with the addition of an oxygen-free or oxygen-poor medium in a mixing stage, after which the homogenized exhaust gas flow passes through a steady zone in which the nitrogen oxides already formed are to be reduced.
  • the amount of accumulating pyrolysis gas is so large that the locally available secondary air quantity is insufficient for complete burnout. This causes unburned gases to escape from the post-combustion chamber, resulting in, for example, CO peaks in the chimney.
  • the peripheral wall surrounding the combustion chamber or the afterburning chamber can be damaged on the one hand by the prevailing high temperatures.
  • caking or coking may occur in this area, which must be removed in time-consuming maintenance work.
  • EP-A-1081434 The problem of reducing the amount of unburned substances and in particular CO, try about in EP-A-1081434 .
  • EP-A-1382906 and US-B-5313895 approached procedures. So is about according to US-B-5313895 a mixed fluid is introduced, the gases leaving the combustion chamber in a Eddy current offset.
  • a special nozzle arrangement is described, by means of which a rotating flow in the flow channel is produced in a plane of injection of the flame in the region of the flame ceiling.
  • US-B-5313895 described method the problem of present in the combustion chamber temperature imbalance only unsatisfactory way.
  • the temperature in the inlet-side region should be reduced by means of injection of water droplets or water vapor.
  • this is disadvantageous in terms of the energy recovery balance.
  • the aim of the present invention is thus to provide a method for optimizing the burnout of exhaust gases of a combustion plant, which on the one hand ensures a high degree of operational reliability and which, on the other hand, allows a high energy recovery from the combustion to be obtained.
  • the method according to the invention comprises the steps of introducing the solid to be combusted via an inlet into a combustion chamber defining a primary combustion chamber, combusting the solid in the primary combustion chamber in the form of a combustion bed conveyed via a combustion grate by supplying primary air and the combusted solid via a combustion chamber in the conveying direction the inlet opposite outlet is discharged from the primary combustion chamber.
  • the primary combustion gases liberated upon combustion of the solid become downstream in the flow direction, i. usually arranged above the combustion chamber, a secondary combustion chamber defining afterburner chamber burned under supply of secondary air.
  • the exhaust gases containing the primary combustion gases are homogenized in a mixing zone. This is done by means of a fluid introduced via a nozzle.
  • nozzle is to be understood as an indefinite article; Thus, the term includes both a single and multiple nozzles.
  • Homogenization is understood in this context to mean that the exhaust gases or the individual exhaust gas streams of different composition are mixed in such a way that the most homogeneous possible gas mixture is obtained.
  • the mixing zone now at least approximately immediately adjoins the combustion bed in the flow direction of the exhaust gases. As a rule, it is thus arranged in other words at least approximately directly above the combustion bed. This allows very hot exhaust gas streams, such as may occur in the ignition or combustion zone, practically immediately above the combustion bed with the cooler exhaust gas streams from the drying and ash combustion zone to mix and thus compensate for temperature peaks early or lower.
  • the method allows the energy recovery balance to be unaffected, as would be the case with cooling by means of a cooling medium.
  • the homogenization of the exhaust gas streams generated in the individual combustion zones results in a gas mixture which is optimally preconditioned for afterburning in the secondary combustion chamber.
  • the present invention thus allows to ensure an optimal combustion of the exhaust gases even at low (secondary) excess air; the emission of pollutants, such as CO or unburned hydrocarbons, can thus be kept very low even with small amounts of supplied secondary air.
  • the fluid is introduced via one or more nozzles.
  • the exit velocity of the fluid from the nozzle is about 40 to about 120 m / s, wherein the nozzle is aligned in the sense of the present invention at an angle of -10 ° to + 10 ° relative to the inclination of the combustion grate.
  • nozzles In addition to the nozzles defined above, there may be other nozzles that are not oriented at the angle defined above relative to the inclination of the combustion grate.
  • Inclination of the combustion grate in this context is understood to mean the total inclination of the grate (and not the orientation of possibly existing individual grate steps).
  • the inventive alignment of the nozzle ensures that even with the inventive arrangement of the mixing zone immediately above the fuel bed excessive swirling of solids is avoided by the rust.
  • the inventive injection rate of the fluid also contributes from about 40 to about 120 m / s.
  • the found combination of nozzle arrangement according to the invention and injection rate thus makes it possible in total to connect the mixing zone in the direction of flow of the exhaust gases at least approximately directly to the combustion bed, without resulting in excessive unwanted swirling of the solids from the combustion grid.
  • the mixing zone is appropriately spaced from the combustion grate. Furthermore, the mixing zone may extend at most to a distance of 2 meters measured from the fuel bed. When considered in the flow direction of the exhaust gases, the mixing zone thus ends after a maximum of 2 meters and thus still at a sufficient distance before the secondary air injection. In the invention At least approximately immediately adjacent to the combustion bed subsequent mixing zone, said upper limit is sufficient to obtain the desired homogenization of the exhaust gases.
  • the exit velocity of the fluid from the nozzle is about 90 m / s.
  • the exit velocity refers to the velocity that the fluid has on exit from the nozzle opening.
  • the nozzles used as standard usually have a circular nozzle cross-section of 60 mm to 200 mm. It is conceivable that the nozzle cross-section continuously tapers in the direction of the nozzle orifice so that the diameter of the outlet opening of the nozzle is 60 mm to 90 mm.
  • the respective nozzle is preferably oriented at an angle of -10 ° to + 5 °, more preferably -5 ° to + 5 °, relative to the inclination of the combustion grate.
  • the respective nozzle may be oriented at an angle of -10 ° to 0 ° relative to the inclination of the combustion grate.
  • the fluid comprises a flue gas returned from a downstream zone of the secondary combustion chamber.
  • the recirculation preferably takes place from one zone between the steam generator and the fireplace.
  • the amount of introduced flue gas is about 5 to 35% of the amount of primary air supplied, preferably about 20%.
  • any other conceivable fluid can be used, in particular air, an inert gas, such as nitrogen, water vapor or mixtures thereof.
  • the injection of the fluid takes place via a nozzle or nozzle row arranged in this region.
  • a very pronounced temperature imbalance and thus damage or contamination of the peripheral wall surrounding the combustion chamber can be effectively prevented.
  • the respective nozzle when a recirculated flue gas is used as the fluid, preferably has an outer tube and an inner tube extending in the axial direction of the outer tube and enclosed by the inner tube, wherein the inner tube is intended for guiding the flue gas and the outer tube for guiding air ,
  • the inner diameter of the inner tube is about 70 mm, while the inner diameter of the outer tube, i. the outer diameter of the present between inner tube and outer tube annular gap, about 110 mm.
  • the air flow in this embodiment serves as a shield which protects the nozzle from the accumulation of contaminants entrained in the flue gas. Especially in the inlet side area Temperatures such deposits could easily lead to caking, which can lead to failure of the nozzle in extreme cases; This is effectively prevented according to the described embodiment. It has proven to be advantageous if at least 1 nozzle per meter of the combustion chamber width is provided. Preferably, the introduction of the fluid via at least two nozzles, more preferably at least six nozzles. This ensures as complete as possible homogenization with a relatively small amount of injected fluid.
  • a combustor of an incinerator for carrying out the method may include a peripheral wall enclosing a primary combustion chamber, an inlet for introducing the solid to be combusted into the primary combustion chamber, a combustion grate for combustion of the solid, an outlet disposed opposite the inlet in the conveying direction of the solid for discharging the combusted solid from the primary combustion chamber and a nozzle for homogenizing the exhaust gases released during the combustion of primary combustion gases include.
  • the nozzle is arranged in a range of at most 3 meters, preferably 0.5 meters to 3 meters, most preferably 0.5 to 2 meters above the combustion grate. In general, the nozzle is arranged in the peripheral wall of the combustion chamber, preferably in the region of the inlet or the outlet.
  • the solid to be burned 2 is filled in a hopper 4 and of this usually introduced by means of a Dosierstössels via an inlet 6 into the combustion chamber 8.
  • the combustion chamber 8 comprises a peripheral wall 10, which encloses an upwardly tapering, primary combustion chamber 12.
  • the solid 2 is conveyed in the form of a fuel bed 14 via a (advancing) combustion grate 16 through which primary air flows and thereby burned.
  • a drying zone In the conveying direction F, there are successively a drying zone, an ignition zone, a combustion zone and an ash combustion zone, before the burnt solid is discharged via an outlet 18 arranged opposite the inlet 6 and subsequently fed to a slag conveyor via a purifier.
  • the distribution of the primary air takes place in the embodiment shown via individual sub-wind chambers 20a, 20b, 20c, 20d, which are fed via separate primary air lines 22a, 22b, 22c, 22d.
  • nozzles 24a, 24b, 24c via which a fluid is introduced into the combustion chamber 8.
  • the nozzles are designed such that the exit velocity of the fluid from the nozzles is 40 to 120 m / s.
  • a nozzle 24a is disposed in the inlet side region 8 'of the combustion chamber 8, specifically in an inlet facing, obliquely upwardly extending portion 10' of the peripheral wall 10.
  • Two nozzles 24b, 24c are shown in FIG outlet side region 8 "is arranged, wherein a nozzle 24b in the obliquely upwardly extending portion 10" and in which the end face 25 defining, perpendicular part 10 '''of the peripheral wall is arranged.
  • any other number and arrangement of nozzles suitable for the purposes of the present invention is also conceivable.
  • the exhaust gases which contain the combustion gases liberated during the combustion, are homogenized in a mixing zone 26 which adjoins the combustion bed 14 at least approximately directly in the flow direction thereof.
  • This homogenization is indicated in the figure by dashed arrows, where A schematically denotes the region of relatively high temperature and relatively high concentration of primary combustion gases, and B denotes the region of lower temperature and lower concentration of primary combustion gases.
  • an afterburner chamber 28 which is connected downstream of the combustion chamber 8 and defines a secondary combustion chamber 27, in which the exhaust gases are burned with the supply of secondary air.
  • an afterburner chamber 28 in which the exhaust gases are burned with the supply of secondary air.
  • nozzles 32a, 32b are provided for introducing the secondary air.
  • Fig. 2 illustrated introduces the fluid with actuated nozzle in position to the fact that the O 2 concentration measured locally in the exhaust gas flow generated in the combustion zone (shown in bold solid lines) approximately corresponds to the global O 2 concentration (shown in thin dashed lines) in the exhaust gas generated in the combustion chamber , In contrast, when the nozzle is not actuated in the OFF position, the locally measured O 2 concentration is much lower than that measured globally.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Ausbrands von Abgasen einer Verbrennungsanlage gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren wird z.B. in der EP-A-1508745 beschrieben. Verbrennungsanlagen zur Verbrennung von festen Brennstoffen wie Siedlungsabfällen, Ersatzbrennstoffen, Biomasse und anderen Materialien sind dem Fachmann bestens bekannt. Solche Anlagen umfassen eine Brennkammer, in dem der Feststoff unter Zuführung von Primärluft verbrannt wird, was als Primärverbrennung bezeichnet wird. Dabei durchläuft der Feststoff vom Einlass in die Brennkammer zum Auslass hin verschiedene Teilprozesse, die sich grob in Trocknung, Zündung, Verbrennung und Ascheausbrand unterteilen lassen.
    In jedem dieser Teilprozesse werden Abgase unterschiedlicher Zusammensetzung generiert. Während in der Trocknungsphase die Primärluft lediglich Feuchtigkeit aus dem zu verbrennenden Feststoff aufnimmt, finden sich in der Zündungsphase pyrolytische Zersetzungsprodukte. Im Gegensatz zur Trocknungsphase wird der in der Zündungsphase zugeführte Sauerstoff oft vollständig umgesetzt, sodass der in dieser Phase generierte Abgasstrom nur sehr wenig oder gar keinen Sauerstoff aufweist. In der Verbrennungsphase entstehen Abgase mit typischen Zusammensetzungen aus CO, CO2, O2, H2O und N2, während schliesslich über dem Ascheausbrand praktisch unverbrauchte Luft vorliegt.
  • In der Regel gelangen diese unterschiedlichen Abgasströme nach der Primärverbrennung in eine in Strömungsrichtung abwärts angeordnete Nachbrennkammer, wo sie unter Zuführung von Sekundärluft ausgebrannt werden, was als Sekundärverbrennung bezeichnet wird.
  • Ein eine Verbrennung des Feststoffs und eine Nachverbrennung der unvollständig verbrannten Abgasbestandteile umfassendes Verfahren ist etwa aus der WO 2007/090510 bekannt, welches zum Ziel hat, die primären Stickstoffverbindungen NH3 und HCN abzubauen, um die Bildung von Stickoxiden (NOx) in der Nachverbrennungskammer zu minimieren.
  • EP-A-1077077 betrifft ein ähnliches Verfahren wie das der WO 2007/090510 , wobei zur Entstickung der Rauchgase das SNCR-Verfahren verwendet wird, bei dem kein Katalysator verwendet, sondern ein Reduktionsmittel in die Rauchgase eingedüst wird. Solche SNCR-Verfahren arbeiten bei Temperaturen von 850 bis 1000°C und bedürfen einer ausgefeilten Regelung.
  • Die Verminderung von Stickoxiden wird zudem in WO 99/58902 thematisiert. Gemäss dem darin beschriebenen Verfahren werden die aus der Brennkammer austretenden Gase unter Zugabe eines sauerstofffreien oder sauerstoffarmen Mediums in einer Mischstufe homogenisiert, wonach der homogenisierte Abgasstrom eine Beharrungszone durchläuft, in der die bereits gebildeten Stickoxide reduziert werden sollen. Je nach Betriebsbedingen kann es vorkommen, dass die Menge an anfallendem Pyrolysegas derart gross ist, dass die lokal zur Verfügung stehende Sekundärluftmenge für einen vollständigen Ausbrand nicht ausreicht. Dies führt dazu, dass unverbrannte Gase aus der Nachverbrennungskammer entweichen, was sich zum Beispiel in CO-Spitzen im Kamin niederschlägt.
  • Als Resultat der verschiedenen Verbrennungszonen ergibt sich nebst den Unterschieden in der Zusammensetzung der Abgasströme auch eine Temperaturschieflage. So liegt in der Zündungs- und der Verbrennungszone eine wesentlich höhere Temperatur vor als etwa in der Ascheausbrandzone. Diese Schieflage wird in der Nachverbrennungskammer noch verstärkt, da die in der Zündungs- und Verbrennungszone generierten Abgase über einen höheren Anteil an verbrennbaren Primärverbrennungsgasen verfügen als das in der Ascheausbrandzone generierte Abgas, und die Verbrennung dieser verbrennbaren Gase die Temperatur zusätzlich erhöht.
  • Gerade im einlassseitigen Bereich kann die die Brennkammer bzw. die Nachbrennkammer umgebende periphere Wand einerseits durch die vorherrschenden hohen Temperaturen Schaden nehmen. Andererseits können in diesem Bereich aufgrund der hohen Temperaturen Anbackungen oder Verkokungen auftreten, die in aufwändigen Wartungsarbeiten entfernt werden müssen.
  • Dem Problem, die Menge an unverbrannten Substanzen und insbesondere CO zu vermindern, versuchen etwa die in EP-A-1081434 , EP-A-1382906 und US-B-5313895 beschriebenen Verfahren beizukommen. So wird etwa gemäss US-B-5313895 ein Mischfluid eingeführt, das die aus der Brennkammer austretenden Gase in einen Wirbelstrom versetzt. Zudem wird etwa in der EP-A-1081434 zur Einführung des Fluids eine spezielle Düsenanordnung beschrieben, durch welche in einer im Bereich der Flammdecke liegenden Eindüsebene eine rotierende Strömung im Strömungskanal erzeugt wird. Allerdings trägt insbesondere das in US-B-5313895 beschriebene Verfahren dem Problem der in der Brennkammer vorliegenden Temperaturschieflage nur in unbefriedigender Weise Rechnung. So soll gemäss besagter Druckschrift in der Brennkammer die Temperatur im einlassseitigen Bereich mittels Eindüsung von Wassertropfen bzw. Wasserdampf reduziert werden. Dies ist aber im Hinblick auf die Energierückgewinnungsbilanz nachteilig. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Optimierung des Ausbrands von Abgasen einer Verbrennungsanlage zur Verfügung zu stellen, welches einerseits eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet und welches es andererseits erlaubt, eine hohe Energierückgewinnung aus der Verbrennung zu erhalten.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäss Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
  • Mithin umfasst das erfindungsgemässe Verfahren die Schritte, dass der zu verbrennende Feststoff über einen Einlass in eine einen primären Verbrennungsraum definierende Brennkammer eingeführt wird, der Feststoff im primären Verbrennungsraum in Form eines über einen Verbrennungsrost geförderten Brennbetts unter Zuführung von Primärluft verbrannt und der verbrannte Feststoff über einen in Förderrichtung dem Einlass gegenüberliegend angeordneten Auslass aus dem primären Verbrennungsraum ausgetragen wird.
  • Die bei der Verbrennung des Feststoffes frei werdenden primären Verbrennungsgase werden in einer in deren Strömungsrichtung stromabwärts, d.h. in der Regel oberhalb der Brennkammer angeordneten, einen sekundären Verbrennungsraum definierenden Nachbrennkammer unter Zuführung von Sekundärluft verbrannt.
  • Vor Eintritt in den sekundären Verbrennungsraum, d.h. in Strömungsrichtung stromaufwärts und somit in der Regel unterhalb davon, werden die die primären Verbrennungsgase enthaltenden Abgase in einer Mischzone homogenisiert. Dies erfolgt mittels eines über eine Düse eingeführten Fluids.
  • In diesem Zusammenhang ist "eine" (Düse) als unbestimmter Artikel zu verstehen; damit umfasst der Begriff sowohl eine einzige als auch mehrere Düsen.
  • Unter Homogenisierung wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass die Abgase bzw. die einzelnen Abgasströme unterschiedlicher Zusammensetzung derart gemischt werden, dass ein möglichst homogenes Gasgemisch erhalten wird. Erfindungsgemäss schliesst nun die Mischzone in Strömungsrichtung der Abgase wenigstens annähernd unmittelbar an das Brennbett an. In der Regel ist sie somit mit anderen Worten wenigstens annähernd unmittelbar oberhalb des Brennbetts angeordnet. Dies erlaubt es, sehr heisse Abgasströme, wie sie etwa in der Zündungs- oder Verbrennungszone entstehen können, praktisch unmittelbar oberhalb des Brennbettes mit den kühleren Abgasströmen aus der Trocknungs- und Ascheausbrandzone zu mischen und somit Temperaturspitzen frühzeitig auszugleichen bzw. zu senken. Gleichzeitig erlaubt es das Verfahren, dass die Energierückgewinnungsbilanz nicht beeinträchtigt wird, wie dies etwa bei der Kühlung mittels eines Kühlmediums der Fall wäre.
  • Im Übrigen wird durch die Homogenisierung der in den einzelnen Verbrennungszonen generierten Abgasströme ein Gasgemisch erhalten, das optimal für die Nachverbrennung im sekundären Verbrennungsraum vorkonditioniert ist. Im Resultat erlaubt es die vorliegende Erfindung somit, selbst bei niedrigem (Sekundär)luftüberschuss einen optimalen Ausbrand der Abgase zu gewährleisten; die Emission an Schadstoffen, wie etwa CO oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen, kann somit auch bei geringen Mengen an zugeführter Sekundärluft sehr gering gehalten werden.
  • Weiter wurde gefunden, dass die Mischung der in der Verbrennungszone generierten, reduzierten stickstoffhaltigen Verbrennungsgase (Stickoxid-Vorläufer-Substanzen) mit dem über der Trocknungs- bzw. der Ausbrandzone vorliegenden Sauerstoff nicht in einer Zunahme an Stickoxiden resultiert. Dies kann dadurch erklärt werden, dass im Zuge der Mischung des Abgasstromes aus der Verbrennungszone mit den in den in der Trocknungs- und Ausbrandzone anfallenden sauerstoffreichen Abgasströmen gleichzeitig dessen Temperatur gesenkt wird, was die Bildung von thermischem NOx unterbindet.
  • Wie oben ausgeführt, wird das Fluid erfindungsgemäss über eine oder mehrere Düsen eingeführt.
  • Erfindungsgemäss beträgt die Austrittsgeschwindigkeit des Fluids aus der Düse ca. 40 bis ca. 120 m/s, wobei die Düse im Sinne der vorliegenden Erfindung in einem Winkel von -10° bis +10° relativ zur Neigung des Verbrennungsrosts ausgerichtet wird.
  • Zusätzlich zu den oben definierten Düsen können weitere Düsen vorhanden sein, die nicht im oben definierten Winkel relativ zur Neigung des Verbrennungsrosts ausgerichtet sind.
  • Unter Neigung des Verbrennungsrosts wird in diesem Zusammenhang die totale Neigung des Rostes (und nicht die Ausrichtung gegebenenfalls vorhandener einzelner Roststufen) verstanden.
  • Durch die erfindungsgemässe Ausrichtung der Düse wird gewährleistet, dass auch bei erfindungsgemässer Anordnung der Mischzone unmittelbar oberhalb des Brennbetts ein übermässiges Aufwirbeln von Feststoffen vom Rost vermieden wird.
  • Zur Vermeidung einer Aufwirbelung von Feststoffen trägt auch die erfindungsgemässe Eindüsgeschwindigkeit des Fluids von ca. 40 bis ca. 120 m/s bei.
  • Die gefundene Kombination von erfindungsgemässer Düsenanordnung und Eindüsgeschwindigkeit ermöglicht somit insgesamt, die Mischzone in Strömungsrichtung der Abgase wenigstens annähernd unmittelbar an das Brennbett anzuschliessen, ohne dass es zu einem übermässigen unerwünschten Aufwirbeln der Feststoffe vom Verbrennungsrost kommt.
  • Dass bereits mit der erfindungsgemässen Eindüsgeschwindigkeit von ca. 40 bis ca. 120 m/s eine gute Homogenisierung erhalten werden kann, ist umso überraschender, als im Stand der Technik wesentlich höhere Werte gelehrt werden. So wird etwa in der EP-A-1508745 beispielsweise eine Austrittsgeschwindigkeit von mindestens 1 MACH offenbart. Eine MACH-Zahl von 1 ist gleichbedeutend mit der Schallgeschwindigkeit, die für Luft bei 20°C in der Regel mit 343 m/s angegeben wird und bei höheren Temperaturen, wie sie in Feuerräumen vorzufinden sind, noch höhere Werte annimmt. Der Abstand zwischen der Mischzone und dem Brennbett kann höchstens 1,5 Meter, vorzugsweise höchstens 0,8 Meter betragen. Dieser Abstand bezeichnet somit die Maximaldistanz zwischen der oberen Grenze des Brennbetts und dem Beginn der Mischzone in Strömungsrichtung der Abgase betrachtet. Besagte Maximaldistanz fällt in Anbetracht der üblichen Dimensionen einer Verbrennungsanlage immer noch unter den Begriff "annähernd oberhalb des Brennbetts". Da die obere Grenze des Brennbetts typischerweise ca. 0,3 bis 1 Meter oberhalb der Fläche des Verbrennungsrosts liegt, ist die Mischzone vom Verbrennungsrost entsprechend beabstandet. Des Weiteren kann sich die Mischzone höchstens bis zu einem vom Brennbett aus gemessenen Abstand von 2 Meter hin erstrecken. In Strömungsrichtung der Abgase betrachtet endet somit die Mischzone nach höchstens 2 Metern und somit noch in ausreichendem Abstand vor der Sekundärlufteindüsung. Bei der erfindungsgemäss wenigstens annähernd unmittelbar an das Brennbett anschliessenden Mischzone ist die genannte obere Grenze ausreichend, um die erwünschte Homogenisierung der Abgase zu erhalten.
    Eine besonders gute Homogenisierung wird erreicht, wenn gemäss einer bevorzugten Ausführungsform die Austrittsgeschwindigkeit des Fluids aus der Düse ca. 90 m/s beträgt.
    Die Austrittsgeschwindigkeit bezieht sich dabei auf die Geschwindigkeit, die das Fluid beim Austritt aus der Düsenöffnung aufweist. Die standardmässig verwendeten Düsen weisen in der Regel einen kreisförmigen Düsenquerschnitt von 60 mm bis 200 mm auf. Denkbar ist, dass sich der Düsenquerschnitt in Richtung zur Düsenmündung hin stetig verjüngt, sodass der Durchmesser der Austrittsöffnung der Düse 60 mm bis 90 mm beträgt.
    Um ein durch die Einführung des Fluids verursachtes Aufwirbeln der Feststoffe zu minimieren, wird die jeweilige Düse bevorzugt in einem Winkel von -10° bis +5°, bevorzugter von -5° bis +5°, relativ zur Neigung des Verbrennungsrosts ausgerichtet. Die jeweilige Düse kann in einem Winkel von -10° bis 0° relativ zur Neigung des Verbrennungsrosts ausgerichtet sein. Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Fluid ein aus einer stromabwärts des sekundären Verbrennungsraums nachgeschalteten Zone zurückgeführtes Rauchgas. In konventionell ausgestalteten Müllverbrennungsanlagen erfolgt die Zurückführung dabei vorzugsweise aus einer Zone zwischen dem Dampferzeuger und dem Kamin. In der Regel beträgt die Menge an eingeführtem Rauchgas ca. 5 bis 35% der zugeführten Primärluftmenge, vorzugsweise ca. 20%. Alternativ oder zusätzlich zum Rauchgas kann jedes andere erdenkliche Fluid verwendet werden, insbesondere Luft, ein Inertgas, wie z.B. Stickstoff, Wasserdampf oder Mischungen davon.
  • Da die höchsten Temperaturen in der Regel im einlassseitigen Bereich der Brennkammer vorliegen, erfolgt die Eindüsung des Fluids gemäss einer bevorzugten Ausführungsform über eine in diesem Bereich angeordnete Düse bzw. Düsenreihe. Somit kann eine sehr ausgeprägte Temperaturschieflage und somit eine Beschädigung oder Verunreinigung der den Verbrennungsraum umgebenden peripheren Wand wirksam verhindert werden.
  • Insbesondere dann, wenn als Fluid ein zurückgeführtes Rauchgas verwendet wird, weist die jeweilige Düse vorzugsweise ein Aussenrohr und ein in axialer Richtung des Aussenrohrs verlaufendes und von diesem umschlossenes Innenrohr auf, wobei das Innenrohr zur Führung des Rauchgases bestimmt ist und das Aussenrohr zur Führung von Luft. Vorzugsweise beträgt der Innendurchmesser des Innenrohrs dabei ca. 70 mm, während der Innendurchmesser des Aussenrohrs, d.h. der Aussendurchmesser des zwischen Innenrohr und Aussenrohr vorliegenden Ringspalts, ca. 110 mm beträgt.
  • Der Luftstrom dient in dieser Ausführungsform als Abschirmung, der die Düse vor der Anlagerung von im Rauchgas mitgeführten Verunreinigungen schützt. Gerade bei den im einlassseitigen Bereich vorliegenden Temperaturen könnten solche Anlagerungen leicht zu Anbackungen führen, die im Extremfall zum Ausfall der Düse führen können; dies wird gemäss der geschilderten Ausführungsform wirksam unterbunden.
    Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn pro Meter der Brennkammerbreite mindestens 1 Düse vorgesehen ist. Bevorzugt erfolgt die Einführung des Fluids über mindestens zwei Düsen, bevorzugter mindestens sechs Düsen. Dies gewährleistet eine möglichst vollständige Homogenisierung bei relativ geringer Menge an eingedüstem Fluid. Eine Brennkammer einer Verbrennungsanlage zum Durchführen des Verfahrens kann eine einen primären Verbrennungsraum umschliessende periphere Wand, einen Einlass zur Einführung des zu verbrennenden Feststoff in den primären Verbrennungsraum, einen Verbrennungsrost zur Verbrennung des Feststoffes, einen dem Einlass in Förderrichtung des Feststoffes gegenüberliegend angeordneten Auslass zur Austragung des verbrannten Feststoffes aus dem primären Verbrennungsraum und eine Düse zur Homogenisierung der die bei der Verbrennung frei werdenden primären Verbrennungsgase enthaltenden Abgase umfassen. Dabei ist die Düse in einem Bereich von höchstens 3 Meter, bevorzugt 0,5 Meter bis 3 Meter, am meisten bevorzugt 0,5 bis 2 Meter oberhalb des Verbrennungsrostes angeordnet.
    In der Regel ist die Düse in der peripheren Wand der Brennkammer angeordnet, vorzugsweise im Bereich des Einlasses oder des Auslasses.
  • Um zu vermeiden, dass die Homogenisierung mit einer Aufwirbelung des im Brennbett vorliegenden Feststoffs einhergeht, ist die Düse in einem Winkel von -10° bis +10°, bevorzugt von -10° bis +5°, bevorzugter von -5° bis +5°, relativ zur Neigung des Verbrennungsrostes ausgerichtet. Des Weiteren kann die jeweilige Düse in einem Winkel von -10° bis 0° relativ zur Neigung des Verbrennungsrosts ausgerichtet sein. Die Erfindung wird anhand der anliegenden Figuren veranschaulicht. Von diesen zeigt
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer Brennkammer und einer teilweise dargestellten Nachbrennkammer zur Durchführung des Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung; und
    Fig. 2
    eine graphische Darstellung der gemessenen O2-Konzentration (in Vol-%) bzw. CO-Konzentration (in mg/m3 im Normzustand) über die Zeit in einem in der Verbrennungszone generierten Abgasstrom, wobei die Düsen in einzelnen Zeitintervallen ein- bzw. ausgeschaltet sind.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt, wird der zu verbrennende Feststoff 2 in einen Einfülltrichter 4 eingefüllt und von diesem in der Regel mittels eines Dosierstössels über einen Einlass 6 in die Brennkammer 8 eingeführt. Die Brennkammer 8 umfasst eine periphere Wand 10, die einen sich nach oben hin verjüngenden, primären Verbrennungsraum 12 umschliesst.
  • Der Feststoff 2 wird in Form eines Brennbetts 14 über einen von Primärluft durchströmten (Vorschub-)Verbrennungsrost 16 gefördert und dabei verbrannt. In Förderrichtung F liegen dabei aufeinanderfolgend eine Trocknungszone, eine Zündungszone, eine Verbrennungszone und eine Ascheausbrandzone vor, ehe der verbrannte Feststoff über einen dem Einlass 6 gegenüberliegend angeordneten Auslass 18 ausgetragen und in der Folge über einen Entschlacker einer Schlackenförderung zugeführt wird. Die Verteilung der Primärluft erfolgt in der gezeigten Ausführungsform über einzelne Unterwindkammern 20a, 20b, 20c, 20d, die über separate Primärluftleitungen 22a, 22b, 22c, 22d gespeist werden.
  • In der peripheren Wand 10 der Brennkammer sind in Fig. 1 mittels Pfeilen angedeutete Düsen 24a, 24b, 24c angeordnet, über welche ein Fluid in die Brennkammer 8 eingeführt wird.
  • Die Düsen sind dabei derart ausgestaltet, dass die Austrittsgeschwindigkeit des Fluids aus den Düsen 40 bis 120 m/s beträgt.
  • In der gezeigten Ausführungsform ist eine Düse 24a im einlassseitigen Bereich 8' der Brennkammer 8 angeordnet, spezifisch in einem dem Einlass zugewandten, schräg nach oben verlaufenden Teil 10' der peripheren Wand 10. Zwei Düsen 24b, 24c sind im auslassseitigen Bereich 8" angeordnet, wobei eine Düse 24b im schräg nach oben verlaufenden Teil 10" und eine in dem die Stirnseite 25 definierenden, senkrecht verlaufenden Teil 10''' der peripheren Wand angeordnet ist. Denkbar ist aber auch jede andere für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignete Zahl und Anordnung der Düsen.
  • Mittels der Düsen 24a, 24b, 24c werden die Abgase, welche die bei der Verbrennung freiwerdenden Verbrennungsgase enthalten, in einer in deren Strömungsrichtung wenigsten annähernd unmittelbar an das Brennbett 14 anschliessenden Mischzone 26 homogenisiert. Diese Homogenisierung wird in der Figur mittels gestrichelter Pfeile angedeutet, wobei A schematisch den Bereich mit relativ hoher Temperatur und relativ hoher Konzentration an primären Verbrennungsgasen bezeichnet, und B den Bereich mit tieferer Temperatur und tieferer Konzentration primärer Verbrennungsgase bezeichnet. Nach der Homogenisierung, also in der Figur oberhalb der mit A und B bezeichneten Bereiche, liegen die Abgase in Form eines homogenen Gasgemischs vor.
  • Dieses strömt in eine der Brennkammer 8 nachgeschaltete, einen sekundären Verbrennungsraum 27 definierende Nachbrennkammer 28, in welcher die Abgase unter Zuführung von Sekundärluft verbrannt werden. Hierzu sind in der peripheren Wand 30 der Nachbrennkammer 28 weitere Düsen 32a, 32b zur Einführung der Sekundärluft vorgesehen.
  • Wie in Fig. 2 veranschaulicht führt die Einführung des Fluids bei betätigter Düse in Position EIN dazu, dass die lokal in dem in der Verbrennungszone generierten Abgasstrom gemessene O2-Konzentration (in dicken ausgezogenen Linien gezeigt) mit der globalen, d.h. der in dem in der Brennkammer generierten Abgas insgesamt vorliegenden O2-Konzentration (in dünnen gestrichelten Linien gezeigt), annähernd korrespondiert. Demgegenüber liegt bei nicht-betätigter Düse in Position AUS die lokal gemessene O2-Konzentration wesentlich tiefer als die global gemessene.
  • Betreffend CO-Konzentration wird bei betätigter Düse ein relativ tiefer, annähernd konstanter Wert erhalten, während bei nicht betätigter Düse relativ hohe und stark divergierende Werte erhalten werden, was die Homogenisierung der Abgase durch die Einführung des Fluids weiter veranschaulicht.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Optimierung des Ausbrands von Abgasen einer Verbrennungsanlage, umfassend die Schritte, dass
    der zu verbrennende Feststoff (2) über einen Einlass (6) in eine einen primären Verbrennungsraum (12) definierende Brennkammer (8) eingeführt wird,
    der Feststoff (2) im primären Verbrennungsraum (12) in Form eines über einen Verbrennungsrost (16) geförderten Brennbetts (14) unter Zuführung von Primärluft verbrannt und der verbrannte Feststoff über einen in Förderrichtung (F) dem Einlass (6) gegenüberliegend angeordneten Auslass (18) aus dem primären Verbrennungsraum (12) ausgetragen wird, und
    die bei der Verbrennung des Feststoffs (2) frei werdenden primären Verbrennungsgase in einer in deren Strömungsrichtung stromabwärts der Brennkammer (8) angeordneten, einen sekundären Verbrennungsraum (27) definierenden Nachbrennkammer (28) unter Zuführung von Sekundärluft verbrannt werden,
    wobei die die primären Verbrennungsgase enthaltenden Abgase vor Eintritt in den sekundären Verbrennungsraum (27) in einer Mischzone (26) mittels eines über eine Düse (24a, 24b, 24c) eingeführten Fluids homogenisiert werden, wobei die Mischzone (26) in Strömungsrichtung der Abgase wenigstens annähernd unmittelbar an das Brennbett (14) anschliesst,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsgeschwindigkeit des Fluids aus der Düse (24a, 24b, 24c) 40 bis 120 m/s beträgt, und dass die Düse (24a, 24b, 24c) in einem Winkel von -10° bis +10° relativ zur Neigung des Verbrennungsrosts (16) ausgerichtet ist.
  2. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsgeschwindigkeit des Fluids aus der Düse (24a, 24b, 24c) 90 m/s, beträgt.
  3. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (24a, 24b, 24c) in einem Winkel von -5° bis +5° relativ zur Neigung des Verbrennungsrosts (16) ausgerichtet ist.
  4. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein aus einer stromabwärts des sekundären Verbrennungsraums (27) nachgeschalteten Zone zurückgeführtes Rauchgas umfasst.
  5. Verfahren gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an eingeführtem Rauchgas 5% bis 35%, vorzugsweise ca. 20% der zugeführten Primärluftmenge beträgt.
  6. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsung des Fluids über eine im einlassseitigen Bereich der Brennkammer (8) angeordnete Düse (24a) erfolgt.
  7. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (24a, 24b, 24c) ein Aussenrohr und ein in axialer Richtung des Aussenrohrs verlaufendes und von diesem umschlossenes Innenrohr aufweist, wobei das Innenrohr zur Führung des Rauchgases bestimmt ist und das Aussenrohr zur Führung von Luft.
  8. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einführung des Fluids über mindestens zwei Düsen (24a, 24b, 24c), vorzugsweise mindestens sechs Düsen (24a, 24b, 24c), erfolgt.
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