EP3260776B1 - Lanzensystem, kessel enthaltend lanzensystem und verfahren zur nox-reduktion - Google Patents

Lanzensystem, kessel enthaltend lanzensystem und verfahren zur nox-reduktion Download PDF

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EP3260776B1
EP3260776B1 EP16175167.2A EP16175167A EP3260776B1 EP 3260776 B1 EP3260776 B1 EP 3260776B1 EP 16175167 A EP16175167 A EP 16175167A EP 3260776 B1 EP3260776 B1 EP 3260776B1
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EP
European Patent Office
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inner tube
boiler
outer tube
lance system
reducing agent
Prior art date
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EP16175167.2A
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EP3260776A1 (de
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Stefan Dr. Hamel
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Steinmueller Engineering GmbH
Original Assignee
Steinmueller Engineering GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/02—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material
    • F23J15/04—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material using washing fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/003—Arrangements of devices for treating smoke or fumes for supplying chemicals to fumes, e.g. using injection devices
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2219/00—Treatment devices
    • F23J2219/20—Non-catalytic reduction devices

Definitions

  • the present invention relates to a lance system, a boiler system containing the lance system and a method for NOx reduction.
  • NO x nitrogen oxides
  • NO x The formation of NO x is subject to complex reaction mechanisms, the most important NO x sources being the oxidation of the nitrogen of the combustion air (thermal NO x ) and the oxidation of the fuel nitrogen (fuel NO x ).
  • Thermal NO x is formed essentially at temperatures greater than about 1200 ° C to 1500 ° C, because only at these temperatures the molecular oxygen present in the air changes noticeably into atomic oxygen (thermal oxidation) and with the nitrogen of the air combines.
  • the rate of formation of the thermal NO x depends exponentially on the temperature and is proportional to the oxygen concentration.
  • the primary nitrogen compounds contained in the fuel first disintegrate into secondary nitrogen compounds (simple amines and cyanides), which are competitively converted to either NO x or N 2 in the course of combustion.
  • secondary nitrogen compounds simple amines and cyanides
  • NO x is competitively converted to either NO x or N 2 in the course of combustion.
  • N 2 is preferred or the formation of NO x is suppressed or even reversed.
  • the formation of fuel NO x is only slightly dependent on temperature and proceeds even at low temperatures.
  • the reduction of NOx is carried out in the prior art by means of primary measures such as the air staging at the burner and above the combustion chamber height.
  • the air grading above the combustion chamber height is carried out in such a way that the burner belt area is usually operated under stoichiometry.
  • ABL burnout air
  • the remaining air needed for burnout is then usually added at a considerable distance above the burner belt.
  • OFA Over-Fire-Air
  • the addition takes place by means of so-called ABL nozzles.
  • ABL nozzles The two basic types of ABL nozzles are wall nozzles and ABL lances.
  • the wall nozzles are installed on one wall, two walls or even on all four walls. It is also customary in the prior art to admit the combustion air over several levels at different heights of the firebox. The aim is to achieve the best possible mixing between the rising flue gas and the burnout air added via the ABL nozzles. Due to the substoichiometric operation of the burner belt area, flue gas still contains unburned constituents, such as carbon monoxide, but also coke particles, etc., which are to be converted by means of the addition of air.
  • the second basic device for injecting the required combustion air are so-called lances. These protrude into the firebox or boiler and release the air into the flue gas via a multitude of small nozzles distributed over the lance length. By arranging a plurality of lances and the plurality of nozzles per lance system, a uniform distribution of the burnout air over the cross-sectional area is achieved.
  • lances are also often mounted in the area within the first heating surfaces, which are connected downstream of the furnace. This offers the practical advantage that the lances then no longer represent self-supporting elements, but can be deposited on the Schundunen. A static design is thus considerably simplified.
  • ABL wall nozzles are often combined in possibly several levels and, for example, as in the flue gas direction last stage running lances.
  • the invention relates to a method for the reduction of undesirable substances by injecting a reagent into a flue gas of a steam generator, in which the reagent is injected by means of lances in the combustion chamber of the steam generator. Furthermore, the invention relates to a lance or a lance system for the Injecting of reagent into a furnace of a steam generator for the reduction of undesirable substances in the flue gas. In addition, the invention also relates to a furnace of a steam generator with such a device.
  • the reactants are, for example, ammonia and / or urea, which can reduce the proportion of nitrogen oxides in the flue gas.
  • Corresponding processes are referred to as selective noncatalytic reduction (SNCR).
  • SNCR selective noncatalytic reduction
  • reducing agents in aqueous solution typically ammonia water, urea
  • gaseous ammonia
  • the optimum temperature range for the execution of the reactions described is dependent on the flue gas composition between 900 and 1100 ° C.
  • SNCR technology is successfully used in small and medium sized boilers and especially in waste incineration plants.
  • the flue gas is passed through one or two so-called empty passes.
  • the flue gas already gives off energy to the walls of these empty ducts and already reaches such a low temperature before entering the convective heating surfaces, for example to prevent corrosion problems in the heating surfaces (eg in biomass, waste wood and waste incineration boilers).
  • this often means that the temperature window relevant to the SNCR technology is reached within the empty trains. Together with the comparatively small dimensions, therefore, the SNCR technology is effective and optimized applicable here.
  • FACE Furnace Exit Gas Temperature
  • This temperature indicates the flue gas temperature when leaving the combustion chamber and when entering the convective heating surfaces and it usually depends on the ash softening behavior of the fuels used. The goal is to keep the FEGT below the asher softening point to minimize fouling of the convective heating surfaces.
  • These temperatures depend on the fuels used, but are typically in the range 1050 to 1150 ° C for lignite, typically in the range 1000 to 1300 ° C for hard coal, and in the range 1000 to 1100 ° C for large-scale boilers converted to woody biomass.
  • the temperature profile in the combustion chamber is additionally influenced by a large number of firing types and boiler geometries.
  • the DE 44 34 943 C2 describes the injection of the reducing agent by means of two-fluid nozzles with simultaneous measurement of the temperature profile of the boiler and the injection level, whereby the optimum temperature window is determined. By changing the position and the angle of the nozzles they can be aligned to the optimal temperature window.
  • the DE 10 2008 004 008 A1 discloses the direct atomization of aqueous reducing agent into the flue gas.
  • the EP 0 530 255 B1 discloses injecting a NOx-reducing mixture of liquid and gas into the flue gas within a temperature-optimal temperature window, the mixture being injected into liquid droplets that have evaporated before impinging on a surface.
  • the document also describes the use of the injection method by means of a lance placed between heating surface packages, which is equipped with a multiplicity of nozzles in order to achieve an even distribution over the cross section into the flue gas.
  • the disadvantage here is that the injection of droplets within the Schuvide involves the risk that not yet completely vaporized droplets reach the Schuphilrohre.
  • the DE 197 81 750 T1 ( WO 97/41947 A1 ) discloses an injection lance for injecting anhydrous NH 3 and air into a furnace.
  • the lance consists of three tubes, which are arranged one inside the other, whereby the ammonia is introduced into the inner tube, at the inner end enters the gap between the inner and middle tube, there also meets with the air and is mixed with this, the in the gap between the middle and outer tube is passed. Through a plurality of openings, the ammonia / air mixture flows from the interior of the middle tube through radial channels, which bridge the gap between the middle and outer tube, in the flue gas of the boiler.
  • the DE 10 2010 050 334 A1 discloses the atomization of liquid reducing agent into the flue gas, wherein the droplets are vaporized prior to any wall contact.
  • the device described provides a vertical lance introduced through the boiler ceiling, which atomises at the end horizontally or at an angle to the horizontal of -10 to 60 °.
  • the document DE 10 2004 026 697 A1 discloses a method of injecting reductant together with the upper air. This will be part of the combustion air introduced by means of first ABL nozzles in the flow direction, a further part of the Ausbandluft is introduced with a second nozzle within which the injection nozzle for introducing nitrogen oxide reducing agent is simultaneously located.
  • the DE 10 2012 110 962 A1 describes the injection of reducing agent via wall mounted multi-component nozzles.
  • process-required combustion air can be used as a so-called enveloping medium in order to initially shield the reducing agent from the flue gas and at the same time to achieve a greater penetration depth for preferably large furnace dimensions.
  • the EP 2 962 743 A1 discloses the introduction of reducing agent with control valves, a sensor for measuring NOx concentrations over the boiler cross-section and a controller that controls the amount of reducing agent to be introduced. Furthermore, the use of lances for injecting the reducing agent is described, in which one or more injectors are introduced for reducing agent and these lances also supplied, for example, combustion air. Here, it is proposed in particular to introduce a plurality of injectors with different penetration depth into the lances, which can then inject different amounts of reducing agent into the lance on the basis of the present measurement data.
  • the boiler cross-section can be virtually divided into segments, which can each be supplied with individual amounts of reducing agent.
  • the described technology of reducing agent addition via the ABL lances allows the distribution of the reducing agent across the cross section.
  • the amount of reducing agent in certain quadrants can be controlled individually. This is achieved by the fact that the reducing agent injectors protrude at different depths into the ABL lance. Injected there, the reducing agent leaves the lance through the nearest outlet openings of the lance in the flue gas. The atomization at the lances of the lance involves the risk of droplets escaping from the lance.
  • the US 5,342,592 discloses an injection lance of a complicated construction including an outer tubular jacket with a cooling circuit.
  • This outer tubular sheath has a plurality of openings along the sheath.
  • This tubular sheath also has an inner channel into which an injection lance is inserted.
  • This in turn consists of an inner tube and an outer tube, wherein a gap is formed.
  • the reducing agent is passed through the interior of the inner tube and the propellant through the gap.
  • the reducing agent passes from the interior of the inner tube and via the inner tube branching channels that bridge the gap directly into the flue gas stream.
  • the propellant meets at the nozzles, ie at the outlet of the branches of the inner tube channels, from the intermediate space with the reducing agent and enters the flue gas stream.
  • the US 2004/0201142 A1 discloses an injection lance for injecting a mixture of steam and ammonia gas with two nested tubes, wherein along the outer tube a plurality of openings are arranged, which are connected via channels to the interior of the inner tube.
  • a feed tube which projects into the outer end of the outer tube in this, has openings and supplies the space between the inner tube and the outer tube with the reducing agent / vapor mixture.
  • the mixture flows along the gap to the opposite closed end of the lance or the outer tube.
  • the mixture passes into the open end of the inner tube and via the channels branching off from the inner tube (which bridge the gap and are not in fluid communication with it) directly into the flue gas stream.
  • the US 5,281,403 describes an injection lance system having an inner tube and an outer tube forming a gap through which the reducing agent is passed.
  • the reducing agent is fed into a conduit located in the inner cavity of the inner tube, the conduit being provided with a plurality of nozzles.
  • a carrier gas is introduced in this inner cavity.
  • the nozzles of the arranged within the inner cavity line through a respective corresponding outlet opening in the injection lance system, the reagent in the flue gas, wherein the reagent is mixed simultaneously with the carrier gas, which in the inner cavity is passed and leaves the lance system also through said exit opening.
  • the technical object of the invention was to provide a simply constructed and cost-effective lance system to mix nitrogen oxide reducing agent as evenly distributed in a combustion gas. Furthermore, the object was to provide a lance with which the reducing agent can be injected in the vicinity of or between heating surface packages. In addition, the object when using reducing agent dissolved in water was that the heating surface pipes are not struck by liquid medium containing the reducing agent in order to reduce or avoid corrosion damage to the heating surfaces.
  • a lance system for introducing reducing agents into a boiler for selective noncatalytic reduction of nitrogen oxides in combustion gases, having an interior section designed to be located within the boiler, and an exterior section constructed to be located outside the boiler
  • the lance system comprises an inner tube and an outer tube, and at least along the inner portion of the lance system, the inner tube is disposed within the outer tube, thereby forming a gap between the outer wall of the inner tube and the inner wall of the outer tube, according to the invention along the inner tube, a plurality of first outlet openings in the peripheral wall of the inner tube is arranged, and along the outer tube a plurality of second outlet openings is arranged in the peripheral wall of the outer tube, the first outlet openings of the inner tube open into the intermediate space, the interior of the inner tube is in fluid communication with the intermediate space via the first outlet openings of the inner tube and the intermediate space is in fluid communication with the outer side via the second outlet openings of the outer tube.
  • nitrogen oxide reducing agent can be mixed into a combustion gas as evenly as possible. Furthermore, the design and operation of the lance system allows the reducing agent to be injected in the vicinity of or between heating surface packages, in a purely gaseous form, without the risk of liquid droplets.
  • the heating surface pipes are not struck by liquid medium containing the reducing agent.
  • this is achieved by a pipe-in-pipe combination, wherein the outer diameter of the inner tube is smaller than the inner diameter of the outer tube.
  • the ratio of inner diameter of the outer tube to the outer diameter of the inner tube of 1: 0.1 to 1: 0.9, preferably from 1: 0.3 to 1: 0.6.
  • only one (number 1) inner tube is mounted in the outer tube.
  • the inner tube preferably extends substantially over the entire length of the outer tube in the inner portion.
  • the end of the inner tube (inner end) located in the inner section of the lance system, which is preferably closed, can contact the end of the outer tube, which is also situated in the inner section, but will generally have a certain distance therefrom.
  • the inner tube within the outer tube extends from 50% to 100%, preferably from 60% to 100%, preferably from 70% to 100%, more preferably from 95% to 100%, particularly preferably from 98% to 100% , and particularly preferably from 99% to 100% of the inner section running distance of the outer tube.
  • the number and positioning of the second outlet openings depends on the arrangement or the division of the heating surfaces or Bank lakerohre mounted in the boiler.
  • the second outlet openings are arranged so that they do not flow directly to the heating surfaces or Edel lakerohre.
  • the number and arrangement of the second outlet openings according to the flow shape of the flue gas and at which point in the cross section of the combustion chamber which amounts of reducing agent or oxidant (burnout) is required. Accordingly, the number, arrangement and size of the second outlet openings may vary.
  • a multiplicity of second outlet openings in the peripheral wall of the outer tube here preferably means at least 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100.
  • a plurality of pairs of second outlet openings are provided in the outer tube, in each case two second outlet openings are opposite, in particular in each case a pair of second outlet openings is positioned so that the outlet openings are aligned with a free space between the Edel vomrohren.
  • a pair of second outlet openings can be aligned in each free space between the Edel vomrohren. This embodiment is in FIG. 3 shown.
  • only every second free space between the Edel vomrohren be supplied with a pair of second outlet openings. This embodiment is in FIG. 4 shown. Since several lance systems are provided in one boiler, they can then be injected into the heating surfaces offset from each other (see FIG. 4 ).
  • the present flow field and the temperature field it is also possible to provide further embodiments, such as, for example, every third free space between the heating surface pipes, etc.
  • the second outlet openings or the pairs of second outlet openings can be arranged equidistantly or not equidistantly along the longitudinal axis of the lance system.
  • the first outlet openings preferably follow the scheme of the arrangement of the second outlet openings.
  • each second outlet opening and / or each pair of second outlet openings is associated with one or two first outlet openings.
  • the first outlet openings are preferably arranged with respect to the flow direction in the intermediate space (between the inner and outer tubes) upstream of the second outlet openings.
  • a great many, preferably at least 20, 40, 60, 80, 100, 200, 400 first outlet openings are arranged in the inner tube.
  • the inner tube can be referred to as perforated with first outlet openings. It is understood that even in the embodiment of a perforated inner tube according to the invention, areas of the inner tube are excluded from the perforation, the second outlet openings in the outer tube opposite.
  • a mixing chamber for mixing the reducing agent and the oxidizing agent preferably air
  • the mixture enters the interior of the inner tube.
  • the invention makes use of the gaseous medium (combustion air) required in the combustion process.
  • the design of the lance system according to the invention with the two nested tubes, inner tube and outer tube, represents a simple construction method. This results in lower costs for production and maintenance. With this construction, it can be avoided in particular that the lance system is damaged by distortion due to temperature fluctuations. Because the two nested tubes are preferably not firmly connected.
  • the diameter of the outer tube decreases in the direction of the inner end. This measure serves to maintain the velocity of the mass flow in the gap, and to reduce the weight of the lance system.
  • the rejuvenation of the outer tube can be done continuously or in stages.
  • the diameter of the inner tube can also be reduced in the direction of the inner end.
  • complete evaporation is achieved by first passing the reducing agent mixed with hot oxidizing agent (preferably air) into an inner tube, then into the space between the inner tube and the first via the first outlet openings Outer tube is transferred, there again with hot oxidizing agent (preferably air) is mixed and then leaves the lance system on the second outlet openings in the outer tube.
  • hot oxidizing agent preferably air
  • the intermediate stage of (residual) evaporation in the space between Inner tube and outer tube is inventively achieved in that the first outlet openings of the inner tube open into the intermediate space. This means that the second outlet openings of the outer tube are arranged offset with respect to the first outlet openings of the inner tube.
  • the "staggered" arrangement of the first to the second outlet openings according to this invention also has a functional significance.
  • a structurally offset arrangement, for example of radial bores as the first and second outlet openings, is usually functionally fulfilled the requirement that the mixture containing reducing agent from the inner tube is first passed into the space, so that there mixed with other gaseous oxidation medium and is completely evaporated.
  • the functional aspect of the "staggered” arrangement also means that, for example, a first outlet opening with an inclined tubular attachment (whose axis is not perpendicular to the longitudinal axis of the inner tube) is directed towards the inner wall of the outer tube and is not directed toward a second exit opening, also If the position of this second outlet opening relative to the first outlet opening radially and / or offset or displaced in the longitudinal direction.
  • the desired mixing of the reducing agent in the intermediate space with the additionally supplied there oxidizing agent depending on the distance to the second outlet opening and their dimensions may not be given because the emerging from the first outlet fluid would be at least partially gedüst directly through the second outlet opening , as is the case in the prior art. This is undesirable according to the invention, because the mixture coming from the interior of the inner tube is first to be evaporated completely in the intermediate space before it leaves the outer tube.
  • the first outlet openings in particular those in the form of nozzles, tubes or pipe sockets, not directed in the direction of or on the present in the immediate vicinity of the second openings.
  • the axes of the first outlet openings of the inner tube are directed to the inner wall of the outer tube.
  • the axes of each first outlet opening meet the inner wall of the outer tube at a closed wall portion of the outer tube. This measure will ensures that the first outlet openings of the inner tube open into the intermediate space.
  • first outlet openings of the inner tube and the second outlet openings of the outer tube are arranged so that the mixture emerging from the first outlet openings can not pass directly through the second outlet openings to the outside.
  • the first outlet openings of the inner tube and the second outlet openings of the outer tube are therefore offset from one another.
  • offset here means not only that any axis, for example, is perpendicular to the longitudinal axis of the inner tube, as would be the case in the simplest form of outlet openings - the radial bore - not simultaneously by a first and second outlet opening extends.
  • Offset also means also that, for example, in inclined outlet openings, and the axis of the first outlet opening does not extend through a second outlet opening, but the inner wall of the outer tube intersects.
  • the distance of the intersection of the axis of each first outlet opening (outlet opening of the inner tube) to the edge of the nearest second outlet opening (outlet opening of the outer tube) is at least 1.5 times, more preferably at least 2.0 times that Radius of the respective first outlet opening.
  • a gap between inner tube and outer tube is defined, which extends over the entire circumference of the inner tube. Furthermore, it is preferred that the gap between the outer wall of the inner tube and the inner wall of the outer tube extends over the entire length of the inner tube.
  • the inner end of the inner tube is usually preferably closed, or provided with one or more first openings. Again, this first outlet opening opens into the intermediate space.
  • the measure according to b), according to which further oxidizing agent is fed separately into the intermediate space between the inner tube and the outer tube, means that further oxidizing agent is not supplied via the inner tube, but via a feed of the outer tube.
  • this supply is arranged for the further oxidant for the gap in the outer portion of the lance system, which is designed to supply the space between the inner tube and the outer tube with a gaseous oxidant, preferably air.
  • the outer tube has an inner end and an outer end, the outer end being in fluid communication with a supply for introducing the gaseous oxidant into the gap.
  • a mixing chamber is in the outer portion of the lance system, which is in fluid communication with the interior of the inner tube and is designed to supply this interior with a fluid containing the reducing agent, wherein the mixing chamber, a supply for the reducing agent and a supply for a gaseous oxidizing agent, preferably air. More preferably, the mixing chamber and / or the reducing agent supply in the mixing chamber to a supply for a propellant.
  • the supply of the gaseous oxidant into the mixing chamber is preferably designed so that the gaseous oxidant tangentially into the mixing chamber flows. This measure serves the improved mixture of reducing agent and gaseous oxidizing agent.
  • means may be arranged in the mixing chamber, in particular baffles or swirl bodies, in order to improve the mixing of the fluid containing the reducing agent with the gaseous oxidizing agent.
  • the supply of the reducing agent can be carried out as a one-component nozzle, if only the reducing agent is introduced into the mixing chamber, or as two-component nozzles, if the reducing agent is introduced together with a blowing agent (preferably compressed air) into the mixing chamber.
  • a blowing agent preferably compressed air
  • the first outlet openings of the inner tube can be designed differently.
  • the first outlet openings are preferably selected from the group consisting of holes, nozzles, tubes and pipe sockets.
  • the design of the first outlet openings may be different and, in particular, serves to predetermine the mixture emerging from the inner tube, containing the reducing agent.
  • a preferred construction of the first outlet openings of the inner tube is a tangential with respect to the inner tube, so that the inflow into the enveloping outer tube, ie in the space between the inner and outer tube, an additional twisting and improved mixing with the introduced separately into the gap Oxidizing agent (preferably combustion air) causes.
  • the first outlet openings can be tangential and in the direction of the flow within the Aligned outer tube.
  • the individual first outlet openings can have individual and different opening dimensions. Thus, it is possible to deliver the exiting flow of material, for example over the length of the inner tube differently in the enveloping outer tube.
  • the first outlet openings can also be designed only as holes in the inner tube, which can then be present in a larger number. As the first outlet openings of the inner tube and radial bores in the shell or the wall of the inner tube can serve.
  • the mass flow passing through the interior of the inner tube and containing the reducing agent only when leaving the inner tube passes through the first outlet openings into the intermediate space with the further gaseous oxidizing agent separately conducted into the intermediate space between inner tube and outer tube.
  • the interior of the inner tube is in fluid communication only via the first outlet openings in the jacket or the wall of the inner tube and, if present, with the first outlet openings at the inner end of the inner tube with the intermediate space.
  • the second outlet openings of the outer tube can also be designed differently.
  • the second outlet openings are preferably selected from the group consisting of holes, nozzles, tubes and pipe sockets.
  • the respective axis of a second outlet opening of the outer tube is aligned radially at right angles to the longitudinal axis of the outer tube. If the lance system is arranged horizontally in the vessel, then the respective axis of a second exit opening will also be oriented horizontally or, preferably, inclined downwardly with respect to the horizontal, i. aligned inclined against the flow direction of the combustion gas stream. If the lance system is arranged vertically in the boiler, then the respective axis of a second outlet opening can be aligned horizontally.
  • the lance system Since the lance system is arranged to extend vertically, in particular in two-pass boilers, and in these boilers, the flow direction of the combustion gas flow at the position of the lance systems usually not upwards but horizontally or with respect to the horizontal at an angle of 0 to 80 °, it makes sense to align the axis of the second outlet openings of the lance system according to the main combustion gas flow inclined. If the lance system is arranged vertically in the vessel, then the respective axis of a second outlet opening is inclined relative to the flow direction of the combustion gas flow.
  • the inclination of the axes of the second exit port against the combustion gas flow is preferred. This measure serves to extend the residence time of the reducing agent in the correct temperature window of the combustion gas stream.
  • the measure "counter to the flow direction of the combustion gas flow” here means an angle of 0 to less than 90 ° C with respect to the flow direction of the combustion gas flow (contrary to this flow direction).
  • a further preferred embodiment of the lance system is designed so that the distance between inner tube and outer tube is maintained by spacers, these spacers are preferably selected from the group consisting of pins, rods, webs, baffles.
  • the inner tube and outer tube are preferably not fixed together, but the spacers are fixed either on the outside of the inner tube, and preferably not on the inside of the outer tube, or the spacers are on the inside of the outer tube attached, and preferably not on the outside of the inner tube.
  • baffles are arranged in the intermediate space such that the flow within the intermediate space is set into a rotation (twist) about the inner tube.
  • the flow of the mixture around the inner tube causes a higher turbulence and better mixing.
  • the invention further provides a boiler having at least one fuel supply, at least one oxidizer supply, one or more levels of heating surfaces and at least one lance system of the invention as described above; wherein the inner portion of the lance system is disposed within the vessel, and the outer portion of the lance system is located outside the vessel.
  • the boiler fuel and combustion air are brought together to carry out the combustion.
  • the resulting flue gas or combustion gas flows through the furnace and then through the subsequently arranged in the flue gas flow heating surfaces.
  • the furnace is operated with air staging, so that the combustion air added to the burner is not sufficient for complete conversion of the fuel but substoichiometric.
  • combustion air is added, for example, below the convective heating surfaces by means of wall nozzles for further combustion.
  • one or more lance systems according to the invention is or are arranged, which supply the nitrogen oxide reducing agent.
  • the lance systems can be arranged horizontally or vertically in the boiler.
  • the reducing agent is mixed with a portion of the combustion air required for the combustion process and fed into the interior of the inner tube and passes through the first outlet openings in the inner tube in the space between the inner tube and outer tube.
  • the other part of the burnout air is also supplied via the lance system to the combustion gas by direct into the outer tube i. is passed into the space between the inner tube and outer tube. In the space the remaining liquid is evaporated.
  • the gas mixture containing the reducing agent passes through the second outlet openings in the outer tube into the flue gas stream.
  • the mixing chamber, the supply of the reducing agent into the mixing chamber, the supply of gaseous oxidizing agent are arranged in the mixing chamber outside the boiler.
  • a supply for a propellant is further arranged to distribute the reducing agent in the mixing chamber.
  • the boiler means are arranged in the mixing chamber, in particular baffles or swirl body to improve the mixing of the fluid containing the reducing agent with the other supplied gaseous oxidant.
  • baffles or swirl body are arranged in the mixing chamber, in particular baffles or swirl body to improve the mixing of the fluid containing the reducing agent with the other supplied gaseous oxidant.
  • the supply for the introduction of a gaseous oxidizing agent is arranged in the space between the inner tube and the outer tube outside the boiler.
  • the alignment of the lance systems in the boiler can be horizontal or vertical.
  • the heating surfaces are horizontal in the boiler, so that the lance systems according to the invention can be placed running horizontally on the heating surfaces or otherwise attached to the heating surfaces as mentioned above.
  • the heating surfaces can be placed hanging from above.
  • the tubes of the heating surfaces extend vertically, so that the lance systems according to the invention can not be deposited on the heating tubes.
  • appropriate brackets can be provided so that the lance systems can be mounted horizontally extending to the existing support tubes.
  • the lance systems in this type of boiler can also be installed vertically suspended from the ceiling wall of the system.
  • one or more lance systems according to the invention may be arranged.
  • a plurality of lance systems are distributed uniformly over the inner cross section of the boiler, so that each area of the combustion gas flow is achieved for the reducing agent.
  • the lance systems can also be arranged one above the other in one or more horizontal planes, in particular in the case of horizontal alignment of the lance systems. Between the several horizontal planes of the lance systems, but may not be, heating surfaces or one or more Schuvide or parts thereof may be arranged.
  • a plurality of lance systems are arranged parallel to one another, preferably at right angles to the panes of the adjacent heating surfaces.
  • the second outlet openings arranged parallel to the outer tubes ( FIG. 3 ) or combing ( FIG. 4 ).
  • the lance system or lance systems are arranged to mix the mixture containing the reducing agent and oxidizing agent into the combustion gases rising through the lanes of the heating surfaces.
  • the lance systems are located on a heating surface.
  • the mixture is mixed below the heating surface so that the reducing agent can flow through the lanes of the heating surfaces with the combustion gas upwards and can mix with this.
  • the lance systems are mounted below the heating surfaces.
  • the lance systems in the boiler can be arranged horizontally or vertically.
  • the respective axis of a second outlet opening is also aligned horizontally or preferably inclined downwardly with respect to the horizontal, i. against the flow direction of the combustion gas stream.
  • the orientation of the axes of the second outlet openings depends on the flow direction of the combustion gas flow.
  • the axes of the second outlet openings are inclined relative to the flow direction of the combustion gas stream.
  • the inclination of the axes of the second outlet opening is inclined relative to the combustion gas stream. This measure serves to extend the residence time of the reducing agent in the correct temperature window of the combustion gas stream.
  • a nitrogen-containing compound is used, selected from the group consisting of urea, ammonia, cyanuric acid, hydrazine, ethanolamine, biuret, triuret, ammelides, ammonium salts of organic and inorganic acids (for example, ammonium acetate, ammonium sulfate, ammonium bisulfite, ammonium bisulfite, Ammonium formate, ammonium carbonate, ammonium bicarbonate, ammonium nitrate, ammonium oxalate), preferably urea or ammonia.
  • the reducing agent is preferably in aqueous solution (eg ammonia water, or urea dissolved in water) or gaseous (ammonia) fed into the mixing chamber.
  • the gaseous oxidant is introduced tangentially into the mixing chamber.
  • the reducing agent is introduced into the mixing chamber with the aid of single-substance nozzles, or with the aid of two-substance nozzles together with a blowing agent (preferably compressed air).
  • the reducing agent and the oxidizing agent in the mixing chamber are further fluidized by means arranged in the mixing chamber, in particular baffles or swirl bodies, in order to improve the mixing of the fluid containing the reducing agent with the gaseous oxidizing agent.
  • the oxidant (preferably air) fed into the mixing chamber and the further oxidant (preferably air) fed separately into the gap independently of one another have a temperature of 200 ° C to 400 ° C.
  • the gaseous oxidizing agent or the mixture containing reducing agent and oxidizing agent in the intermediate space between inner tube and outer tube is set into a rotation (swirl) around the inner tube. This is preferably done by appropriately arranged baffles within the space. The flow of the mixture around the inner tube causes a higher turbulence and better mixing.
  • the gaseous oxidizing agent preferably air
  • the lance system in the interior of the inner tube and, separately, in the space between inner and outer tube
  • the gaseous oxidizing agent preferably air
  • the reducing agent at exit from the outer tube of the lance system meets combustion gas, which is a Temperature in the range of 900 ° C to 1100 ° C, preferably from 950 ° C to 1050 ° C.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a furnace or boiler 1.
  • the supply for fuel 2 and combustion air 3 are shown schematically, which are brought together to carry out the combustion.
  • the resulting combustion gas 4 flows through the furnace and subsequently arranged in the combustion gas flow heating surfaces 10, 11, 12.
  • the firing is operated with air staging. This means that the combustion air 3 added to the burner is not sufficient for complete conversion of the fuel 2.
  • combustion air 5 is added, for example, below the convective heating surfaces 10, 11, 12 by means of wall nozzles.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a furnace or boiler 1.
  • the supply for fuel 2 and combustion air 3 are shown schematically, which are brought together to carry out the combustion.
  • the resulting combustion gas 4 flows through the furnace and subsequently arranged in the combustion gas flow heating surfaces 10, 11, 12.
  • the firing is operated with air staging. This means that the combustion air 3 added to the burner is not sufficient for complete conversion of the fuel 2.
  • combustion air 5 is added, for example, below the convective heating surfaces 10, 11, 12
  • nitrogen oxide reducing agent is mixed together with blowing agent 8 for fine distribution with part of the combustion air 7 required in the combustion process in the mixing chamber 15 and guided into the interior 23 of the inner tube 16 via one or more horizontally extending lance systems according to the invention.
  • the other part of the oxidizing agent 6 (combustion air) is also supplied via the lance system 9 to the combustion gas by being conducted in the outer section 21 into the outer tube 17 and finally into the intermediate space 22 between inner tube 16 and outer tube 17.
  • the lance system 9 rests on the heating surface 10 in the illustrated embodiment.
  • FIG. 1 illustrated embodiment of the lance system. 9 has an outer tube 17 whose diameter decreases toward the inner end.
  • FIG. 2 represents a top view of that in the FIG. 1 Within a boiler 1 are heating surfaces 10 on which or in the vicinity above a lance system 9 is arranged.
  • the lance system has an inner tube 16 and an outer tube 17. According to the invention, only a single inner tube 16 is contained in an outer tube 17.
  • reducing agent 13 is distributed in the mixing chamber 15 located outside of the boiler 1 (in the outer section 21 of the lance system). If it is a reducing agent dissolved in a liquid, it is so atomized. At the same time, a portion of the fluid 7 required in the process is introduced into the mixing chamber 15, which in an advantageous embodiment is burnout air 7.
  • the supply of the burn-out air can, for example, also take place tangentially into the mixing chamber 15 in order to improve the mixing.
  • the mixed fluid consisting of propellant 14, reducing agent 13 and burnout 7 leaves the mixing chamber 15 and enters the inner tube 16.
  • the mixture leaves in the flow direction gradually through the Openings 18, the inner tube 16 and enters the gap 22 between the inner tube 16 and the outer tube 17.
  • the openings 18 in the inner tube 16 are dimensioned so that over the length of the inner tube 16 uniform distribution in the gap 22 between inner tube 16 and outer tube 17th he follows.
  • the outer tube 17 a part in the process required fluid 6 is also supplied, in which the mixture emerging from the inner tube 16 is introduced and thus mixed in the intermediate space 22, before the outer tube 17 together through the openings 19 provided in the surrounding combustion gas stream. 4 leaves.
  • the openings 19 of the outer tube 17 are dimensioned so that over the length of the outer tube 17 as uniform as possible outflow into the surrounding combustion gas 4 takes place.
  • the openings 18 of the inner tube 16 can also be performed tangentially from the inner tube 16 in order to achieve a better mixing in the space 22 between the outer and inner tube.
  • the openings 18 may also be a plurality of bores which, due to their multiplicity, achieve good mixing with the medium 6 flowing into the outer tube 17.
  • complete evaporation is achieved by first passing the reducing agent mixed with hot oxidizing agent (preferably air) into an inner tube 16, via which first outlet openings 18 are subsequently transferred into the gap 22 between the inner tube 16 and the outer tube 17 is there in the space 22 again with hot oxidizing agent (preferably air) is mixed and then leaves the lance system 9 via the second outlet openings 19 in the outer tube 17.
  • hot oxidizing agent preferably air
  • the first outlet openings 18 of the inner tube 16 open into the intermediate space 22.
  • the second outlet openings 19 of the outer tube 17 are offset with respect to the first outlet openings 18 of the inner tube 16 are.
  • the first outlet openings 18 are shown schematically in the form of tubes or nozzles, whose axes are perpendicular to the longitudinal axis of the inner tube 16 and the lance system 9. The axis of each first outlet opening 18 is directed to the inner wall of the outer tube 17.
  • each first exit port 18 intersects the inner wall of the outer tube 17 at a closed wall portion of the outer tube 17.
  • the distance of the intersection of the axis of a given or arbitrary first exit port 18 of the inner tube 16 to the edge of the nearest second outlet opening 19 of the outer tube 17 is at least 1.5 times the radius of the respective first outlet opening 18th
  • FIG. 3 shows a preferred arrangement of a plurality of lance systems 9 on or in the vicinity of Bankdom Sea Sea 10.
  • the outlet openings 19 of the outer tube 17 are arranged opposite one another, wherein the outlet openings 19 come to lie in the space between the individual Schuphilrohren.
  • FIG. 4 shows another preferred arrangement of a plurality of lance systems 9 on or in the vicinity of Bankdom Zellen 10.
  • the outlet openings 19 of the outer tube 17 are arranged offset (meshing) opposite.

Landscapes

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lanzensystem, eine Kesselanlage enthaltend das Lanzensystem und ein Verfahren zur NOx-Reduktion.
    • Technisches Gebiet
  • Bei der Verbrennung von Kohlenstoff-haltigen Materialien und fossilen Brennstoffen beispielsweise in Müllverbrennungsanlagen oder Anlagen zur Dampferzeugung entstehen Stickstoffoxide (NOx). Entsprechend den gesetzlichen Vorgaben müssen Maßnahmen zur Steuerung des Verbrennungsprozesses bzw. zur Reinigung von Rauchgasen bzw. Verbrennungsgasen etabliert werden, so dass nur wenig NOx entsteht bzw. in Verbrennungsgasen vorhandenes NOx verringert wird, um den Eintrag in die Atmosphäre zu reduzieren.
  • Die Bildung von NOx unterliegt komplexen Reaktionsmechanismen, wobei die wichtigsten NOx-Quellen die Oxidation des Stickstoffs der Verbrennungsluft (thermisches NOx) und die Oxidation des Brennstoffstickstoffs (Brennstoff-NOx) sind.
  • Thermisches NOx entsteht im Wesentlichen bei Temperaturen, die größer sind als etwa 1200°C bis 1500°C, weil erst bei diesen Temperaturen der in der Luft vorhandene molekulare Sauerstoff merklich in atomaren Sauerstoff (thermische Oxidation) übergeht und sich mit dem Stickstoff der Luft verbindet. Die Bildungsrate des thermischen NOx hängt exponentiell von der Temperatur ab und ist proportional zur Sauerstoffkonzentration.
  • Die im Brennstoff enthaltenen primären Stickstoffverbindungen zerfallen zunächst in sekundäre Stickstoffverbindungen (einfache Amine und Cyanide), die im Verlauf der Verbrennung konkurrierend entweder zu NOx oder zu N2 umgewandelt werden. Bei Sauerstoffmangel wird die Bildung von N2 bevorzugt bzw. die NOx-Bildung unterdrückt oder sogar rückgängig gemacht. Die Bildung von Brennstoff NOx ist nur wenig temperaturabhängig und läuft auch bei niedrigen Temperaturen ab.
  • Die Reduktion von NOx wird im Stand der Technik mittels Primärmaßnahmen wie die Luftstufung am Brenner und über der Feuerraumhöhe durchgeführt. Die Luftstufung über der Feuerraumhöhe wird so ausgeführt, dass der Brennergürtelbereich meist unterstöchiometrisch betrieben wird. So erhalten die Brenner nur einen Teil der zur vollständigen Verbrennung notwendigen Luftmenge. Die zum Ausbrand benötigte verbleibende Luft (=ABL = Ausbrandluft) wird dann in der Regel mit deutlichem Abstand oberhalb des Brennergürtels zugegeben. Diese Vorgehensweise wird als OFA-Verfahren (Over-Fire-Air) bezeichnet. Die Zugabe erfolgt mittels sogenannter ABL-Düsen. Die zwei grundsätzlichen Typen von ABL-Düsen sind Wanddüsen und ABL-Lanzen.
  • Die Wanddüsen werden je nach Feuerungssystem und Feuerraumgeometrie auf einer Wand, zwei Wänden oder auch auf allen vier Wänden installiert. Ebenso ist es im Stand der Technik üblich, die Ausbrandluft über mehrere Ebenen auf unterschiedlichen Höhen des Feuerraums zuzugeben. Ziel dabei ist es eine möglichst gute Vermischung zwischen dem aufsteigendem Rauchgas und der über die ABL-Düsen zugegebenen Ausbrandluft zu erreichen. Aufgrund des unterstöchiometrischen Betriebs des Brennergürtelbereichs sind im Rauchgas noch unverbrannte Bestandteile, wie beispielsweise Kohlenmonoxid aber auch Kokspartikel usw., enthalten, die mittels der Luftzugabe umgesetzt werden sollen.
  • Die Gestaltung der Düsen bezüglich Eindüswinkel und Impulsstrom (= Massenstrom [Luft] x Geschwindigkeit) erfordert genaue Kenntnis der Feuerraumströmung, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
  • Die zweite grundsätzliche Vorrichtung zur Eindüsung der benötigten Verbrennungsluft sind sogenannte Lanzen. Diese ragen in den Feuerraum bzw. Kessel hinein und geben über eine Vielzahl von kleinen Düsen über der Lanzenlänge verteilt die Luft in das Rauchgas ab. Durch Anordnung von mehreren Lanzen und der Vielzahl von Düsen pro Lanzensystem wird eine gleichmäßige Verteilung der Ausbrandluft über die Querschnittsfläche erreicht.
  • Diese Lanzen werden auch oftmals im Bereich innerhalb der ersten Heizflächen angebracht, die dem Feuerraum nachgeschaltet sind. Dies bietet den praktischen Vorteil, dass die Lanzen dann keine freitragenden Elemente mehr darstellen, sondern auf den Heizflächenpaketen abgelegt werden können. Eine statische Auslegung ist somit erheblich vereinfacht.
  • Bei der Anordnung der Lanzen ist, wie bei den ABL-Düsen auch, zu beachten, wie die Rauchgasströmung sich ausbildet und in welchem Temperaturbereich die Eindüsung erfolgt. Eine Umsetzung von Kohlenmonoxid erfordert eine Kombination aus Verweilzeit und Temperatur.
  • Um die Effektivität zu erhöhen werden oft ABL-Wanddüsen in ggf. mehreren Ebenen und zum Beispiel als in Rauchgasrichtung letzte Stufe ausgeführte Lanzen kombiniert.
  • Die Anwendung der beschriebenen ABL-Lanzen ist zum Beispiel in Pinkert et al. 2011 als Bestandteil der Feuerraumluftstufung dargestellt (Pinkert et al.. "Modernisierung der 360 MWel-Blöcke mit Braunkohlefeuerung im Kraftwerk Betchatöw", Kraftwerkstechnisches Kolloquium Dresden, 2011).
    • Anwendung SNCR als Sekundärmaßnahme zur Stickoxidreduktion
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion unerwünschter Substanzen durch Eindüsen eines Reaktionsmittels in ein Rauchgas eines Dampferzeugers, bei dem das Reaktionsmittel mittels Lanzen in den Feuerraum des Dampferzeugers eingedüst wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lanze bzw. ein Lanzensystem für das Eindüsen von Reaktionsmittel in einen Feuerraum eines Dampferzeugers zur Reduktion unerwünschter Substanzen im Rauchgas. Zudem betrifft die Erfindung auch einen Feuerraum eines Dampferzeugers mit einer solchen Vorrichtung.
  • Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen der zuvor genannten Art bekannt. Bei den Reaktionsmitteln handelt es sich beispielsweise um Ammoniak und/oder Harnstoff, welche den Anteil an Stickoxiden im Rauchgas mindern können. Entsprechende Verfahren werden als selektive nichtkatalytische Reduktion (SNCR; selective noncatalytic reduction) bezeichnet. Bei der selektiven nichtkatalytischen Reduktion (SNCR) von Stickoxiden werden Reduktionsmittel in wässriger Lösung (typischerweise Ammoniakwasser, Harnstoff) oder gasförmig (Ammoniak) in die heißen Rauchgase einer Verbrennungsanlage eingedüst. Durch die Reaktion des Reduktionsmittels mit Stickoxid und Sauerstoff entstehen molekularer Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid. Dabei läuft beispielsweise für Ammoniak oder Harnstoff als Reduktionsmittel die folgende vereinfacht dargestellte Reaktion ab:

            4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O

            NH2CONH2 + 2NO + 1/2O2 → 2N2 + CO2 + 2H2O

  • Der optimale Temperaturbereich zum Ablauf der beschriebenen Reaktionen liegt abhängig von der Rauchgaszusammensetzung zwischen 900 und 1100 °C.
  • Eine der Hauptproblematiken der SNCR-Technologie ist es, das Reduktionsmittel in das Rauchgas im richtigen Temperaturfenster einzumischen. Grundsätzlich wird die SNCR-Technologie erfolgreich bei kleinen und mittleren Kesseln und insbesondere auch in Abfallverbrennungsanlagen angewendet. Hier existiert neben kleinen Querschnitten auch oftmals der Vorteil, dass nach der Verbrennung bis Eintritt in die ersten konvektiven Heizflächen das Rauchgas durch ein oder zwei sogenannte Leerzüge geführt wird. Dabei gibt das Rauchgas bereits Energie an die Wände dieser Leerzüge ab und erreicht vor Eintritt in die konvektiven Heizflächen bereits eine so niedrige Temperatur, um zum Beispiel Korrosionsproblemen in den Heizflächen vorzubeugen (z.B. in Biomasse-, Altholz- und Abfallverbrennungskesseln). Im Umkehrschluss bedeutet dies oftmals, dass das für die SNCR-Technologie relevante Temperaturfenster innerhalb der Leerzüge erreicht wird. Zusammen mit den vergleichsweise geringen Abmessungen ist daher hier die SNCR-Technologie effektiv und optimiert anwendbar.
  • Dagegen ergeben sich bei der Anwendung der SNCR-Technologie in Großkraftwerken eine Reihe von zusätzlichen Problemen, wie folgt.
    • Dimension der Feuerraumquerschnitte
  • Zum einen erschweren die großen Abmessungen eine Vermischung des Reduktionsmittels über den Querschnitt. Die Einmischung von Ausbrandluft, mit im Vergleich zur SNCR großen Mengen und daher hohen die Vermischung unterstützenden Impulsströmen über die großen Querschnitte, bereitet Probleme und ist Gegenstand intensiver Optimierungen.
    • Temperaturverlauf im Großkraftwerkskessel mit einer Staubfeuerung:
  • Bei der Auslegung von Feuerräumen (Staubfeuerung) für die Verbrennung von verschiedenen festen Brennstoffen ist eine führende Größe die Feuerraumendtemperatur (= FEGT = Furnace Exit Gas Temperature). Diese Temperatur gibt die Rauchgastemperatur bei Verlassen des Feuerraums und bei Eintritt in die konvektiven Heizflächen an und sie richtet sich meist nach dem Ascheerweichungsverhalten der eingesetzten Brennstoffe. Ziel ist es, die FEGT unter dem Ascherweichungspunkt zu halten, um ein Verschmutzen der konvektiven Heizflächen zu minimieren. Diese Temperaturen hängen von den eingesetzten Brennstoffen ab, liegen bei Braunkohlen aber typischerweise im Bereich 1050 bis 1150°C, bei Steinkohlen typischerweise im Bereich 1000 bis 1300°C, bei auf holzartige Biomasse umgerüsteten Großkessel im Bereich 1000 bis 1100°C. Das bedeutet für die Anwendung der SNCR-Technologie, dass das optimale Temperaturfenster oft nicht im Bereich des leeren Feuerraums liegt, sondern erst innerhalb der Heizflächenpakete erreicht wird. Hier ist eine Eindüsung problematisch. Einerseits dürfen die Heizflächenrohre nicht vom kalten eingedüsten Reduktionsmittel getroffen werden, andererseits ist aber ein großer Mischimpuls erforderlich, da die Abstände und damit die Verweilzeiten zwischen den Heizflächenpaketen gering ist. Dazu kommt, dass durch die Heizflächenpakete der Abbau der Rauchgastemperatur rasch erfolgt, wodurch die Verweilzeit im Rauchgas für den optimalen Reaktionsablauf begrenzt ist.
  • Der Temperaturverlauf im Feuerraum wird zusätzlich durch eine Vielzahl von Feuerungstypen und Kesselgeometrien beeinflusst.
    • Feuerraum- und Kesselgeometrie
  • In Großkraftwerken kommen eine Vielzahl von Staubfeuerungsvarianten zum Einsatz, wie zum Beispiel die Frontfeuerung, Gegenfeuerung, Allwandfeuerung, Eckenfeuerung, Tangentialfeuerungen, die mit Drall- oder Strahlbrennern ausgeführt werden. Dazu kommen Kesselgeometrien wie Turm- oder Zweizugkessel, in denen wiederum eine Vielzahl von Anordnungen der Heizflächen bekannt ist. Neben des Abbaus der Rauchgastemperatur in Strömungsrichtung sind auch Temperaturverteilungen quer zur Hauptströmungsrichtung zu beachten, wie sie besonders ausgeprägt zum Beispiel in Zweizugkesseln aufgrund der Strömungsführung auftreten können.
  • Die DE 44 34 943 C2 beschreibt die Eindüsung des Reduktionsmittels mittels Zweistoffdüsen unter gleichzeitiger Messung des Temperaturprofils des Kessels und der Eindüsebene, wobei auch das optimale Temperaturfenster ermittelt wird. Durch Veränderung der Position und des Winkels der Düsen können diese auf das optimale Temperaturfenster ausgerichtet werden.
  • Die DE 10 2008 004 008 A1 offenbart die direkte Zerstäubung von wässrigem Reduktionsmittel in das Rauchgas.
  • Die EP 0 530 255 B1 ( DE000069120812T2 ) offenbart eine Einspritzung eines NOx-reduzierenden Gemischs aus Flüssigkeit und Gas in das Rauchgas innerhalb eines für die Reaktion optimalen Temperaturfensters, wobei das Gemisch in Flüssigkeitströpfchen eingespritzt wird, die vor Auftreffen auf einer Fläche verdampft sind. In dem Dokument wird neben der Eindüsung in den Feuerraum auch die Anwendung des Eindüsungsverfahrens mittels einer zwischen Heizflächenpaketen platzierten Lanze beschrieben, die mit einer Vielzahl von Düsen ausgestattet ist, um eine gleichmäßige Verteilung über den Querschnitt in das Rauchgas zu erreichen. Nachteilig ist hierbei, dass die Eindüsung von Tröpfchen innerhalb der Heizflächenpakete das Risiko birgt, dass noch nicht vollständig verdampfte Tröpfchen auf die Heizflächenrohre gelangen. In diesem Fall ist dort aufgrund der lokalen Temperaturgradienten und der erosiven Wirkung je nach Geschwindigkeit der Tröpfchen mit eine langfristigen Schädigung zu rechnen. Selbst wenn die Auslegung korrekt erfolgt ist, sind diese Düsen dem Rauchgas mit Temperaturen im Bereich von 900°C bis 1050°C ausgesetzt, wobei die Rauchgase außerdem feste erosiv wirkende (Staub-, Kokspartikel) und korrosiv wirkende Substanzen enthalten (Schwefel-, Chlorhaltige Substanzen, Aschekomponenten). Die Düsen, die mittels Treibmittel eine Flüssigkeit in möglichst feinverteilte Tröpfchen zerstäuben, unterliegen dadurch einer Alterung. Dadurch bedingt kann im Laufe der Betriebszeit nicht ausgeschlossen werden, dass die Düsen nicht mehr wie im Neuzustand die optimale Tröpfchengrößen produzieren, sondern beispielsweise größere Tröpfchen, die die beschriebenen Probleme an den Heizflächenrohren verursachen können.
  • Die DE 197 81 750 T1 ( WO 97/41947 A1 ) offenbart eine Injektionslanze zur Eindüsung von wasserfreiem NH3 und Luft in einen Feuerraum. Die Lanze besteht aus drei Rohren, die ineinander liegend angeordnet sind, wobei das Ammoniak in das innenliegende Rohr gegeben wird, am inneren Ende in den Spalt zwischen innerem und mittlerem Rohr gelangt, dort auch mit der Luft zusammentrifft und mit dieser gemischt wird, die in den Spalt zwischen mittlerem und äußeren Rohr geleitet wird. Durch eine Vielzahl von Öffnungen strömt das Ammoniak/Luft-Gemisch vom Innenraum des mittleren Rohrs über radiale Kanäle, die den Spalt zwischen mittlerem und äußerem Rohr überbrücken, in das Rauchgas des Kessels.
  • Die DE 10 2010 050 334 A1 offenbart die Zerstäubung von flüssigem Reduktionsmittel in das Rauchgas, wobei die Tröpfchen vor etwaiger Wandberührung verdampft sind. Die beschriebene Vorrichtung sieht eine vertikale durch die Kesseldecke eingeführte Lanze vor, die am Ende horizontal oder in einem Winkel zur Waagerechten von -10 bis 60° zerstäubt.
  • Das Dokument DE 10 2004 026 697 A1 offenbart ein Verfahren zum Injizieren von Reduktionsmittel gemeinsam mit der Oberluft. Dazu wird ein Teil der Ausbrandluft mittels erster ABL-Düsen eingebracht in Strömungsrichtung wird ein weiterer Teil der Ausbandluft mit einer zweiten Düse eingebracht innerhalb dieser sich gleichzeitig die Injektionsdüse zum Einbringen von Stickoxid-Reduktionsmittel befindet.
  • Die DE 10 2012 110 962 A1 beschreibt die Eindüsung von Reduktionsmittel über an der Wand angebrachte Mehrstoffdüsen. Dabei kann beispielsweise auch prozesserforderliche Ausbrandluft als sogenanntes umhüllendes Medium verwendet werden, um das Reduktionsmittel anfangs vom Rauchgas abzuschirmen und gleichzeitig eine größere Eindringtiefe für vorzugsweise große Feuerraumabmessungen zu erreichen.
  • Die EP 2 962 743 A1 offenbart die Einbringung von Reduktionsmittel mit Regelventilen, einem Sensor zur Messung von NOx-Konzentrationen über dem Kesselquerschnitt und einer Steuerung, die die Menge des einzubringenden Reduktionsmittels regelt. Weiterhin wird die Verwendung von Lanzen zur Eindüsung des Reduktionsmittels beschrieben, in denen ein oder mehrere Injektoren für Reduktionsmittel eingeführt sind und diesen Lanzen zudem beispielsweise Ausbrandluft zugeführt wird. Hier wird insbesondere vorgeschlagen mehrere Injektoren mit unterschiedlicher Eindringtiefe in die Lanzen einzuführen, die dann anhand der vorliegenden Messdaten auch unterschiedliche Mengen an Reduktionsmittel in die Lanze eindüsen können. Da auch mehrere der Lanzen wiederum jeweils mit mehreren Reduktionsmittelinjektoren ausgestattet vorgesehen sind, kann der Kesselquerschnitt virtuell in Segmente unterteilt werden, die jeweils mit individuellen Reduktionsmittelmengen versorgt werden können. Die beschriebene Technologie der Reduktionsmittelzugabe über die ABL-Lanzen ermöglicht die Verteilung des Reduktionsmittels über den Querschnitt. Weiterhin kann die Menge des Reduktionsmittels in bestimmten Quadranten individuell gesteuert werden. Das erfolgt dadurch, dass die Reduktionsmittelinjektoren in unterschiedlichen Tiefen in die ABL-Lanze hineinragen. Dort eingedüst verlässt das Reduktionsmittel die Lanze durch die nächstgelegenen Austrittöffnungen der Lanze in das Rauchgas. Die Zerstäubung an den Austritten der Lanze beinhaltet die Gefahr, dass Tröpfchen aus der Lanze austreten.
  • Die US 5,342,592 offenbart eine Injektionslanze mit kompliziertem Aufbau enthaltend eine äußere röhrenförmige Ummantelung mit Kühlkreislauf. Diese äußere röhrenförmige Ummantelung weist eine Vielzahl von Öffnungen entlang des Mantels auf. Diese röhrenförmige Ummantelung besitzt zudem einen inneren Kanal in das eine Injektionslanze eingeschoben wird. Diese besteht wiederum aus einem inneren Rohr und einem äußeren Rohr, wobei ein Zwischenraum ausgebildet wird. Das Reduktionsmittel wird durch den Innenraum des inneren Rohrs geleitet und das Treibmittel durch den Zwischenraum. Das Reduktionsmittel gelangt vom Innenraum des inneren Rohrs und über vom inneren Rohr abzweigende Kanäle, die den Zwischenraum überbücken, direkt in den Rauchgasstrom. Das Treibmittel trifft an den Düsen, d.h. am Austritt der vom inneren Rohr abzweigenden Kanäle, vom Zwischenraum mit dem Reduktionsmittel zusammen und gelangt in den Rauchgasstrom.
  • Die US 2004/0201142 A1 offenbart eine Injektionslanze zum Eindüsen einer Mischung von Dampf und Ammoniakgas mit zwei ineinander liegenden Rohren wobei entlang des Außenrohrs eine Vielzahl von Öffnungen angeordnet sind, die über Kanäle mit dem Innenraum des Innenrohrs verbunden sind. Ein Zufuhrrohr, das im Bereich des äußeren Endes des Außenrohrs in dieses hineinragt, weist Öffnungen auf und versorgt den Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr mit dem Reduktionsmittel/Dampf-Gemisch. Das Gemisch strömt den Zwischenraum entlang bis zum gegenüberliegenden geschlossenen Ende der Lanze bzw. des Außenrohrs. Am geschlossenen Ende des Außenrohrs gelangt das Gemisch in das offene Ende des Innenrohrs und über die vom Innenrohr abzweigenden Kanäle (welche den Zwischenraum überbücken und mit diesem nicht in fluider Verbindung stehen) direkt in den Rauchgasstrom.
  • Die US 5,281,403 beschreibt ein Injektionslanzensystem mit einem Innenrohr und einem Außenrohr, die einen Zwischenraum bilden, durch die das Reduktionsmittel geführt wird. Am inneren Ende des Lanzensystems wird das Reduktionsmittel in eine Leitung geführt, die im inneren Hohlraum des inneren Rohrs angeordnet ist, wobei die Leitung mit einer Vielzahl von Düsen versehen ist. In diesen inneren Hohlraum wird ein Trägergas eingeführt. Die Düsen der innerhalb des inneren Hohlraums angeordneten Leitung düsen durch eine jeweils entsprechende Austrittsöffnung in dem Injektionslanzensystem das Reaktionsmittel in das Rauchgas ein, wobei das Reaktionsmittel gleichzeitig mit dem Trägergas vermischt wird, welches in den inneren Hohlraum geleitet wird und das Lanzensystem ebenfalls durch die genannte Austrittsöffnung verlässt.
  • Die Injektionslanzensysteme zur Eindüsung von Reaktionsmittel des Standes der Technik weisen eine komplizierte Bauweise auf, sind dadurch störanfällig, wartungsintensiv und zudem teuer. Weiterhin kann durch die Lanzensysteme des Standes der Technik nicht vermieden werden, dass Flüssigkeitstropfen auf die Heizflächen bzw. Heizflächenrohre gelangen. Dadurch entstehen Korrosionsschäden an den Heizflächen.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Die technische Aufgabe der Erfindung war es, ein einfach konstruiertes und kostengünstiges Lanzensystem bereitzustellen, um Stickoxid-Reduktionsmittel in ein Verbrennungsgas möglichst gleichmäßig verteilt einzumischen. Weiterhin war es die Aufgabe eine Lanze bereitzustellen, mit der in der Nähe von oder zwischen Heizflächenpaketen das Reduktionsmittel eingedüst werden kann. Zudem war es die Aufgabe bei Verwendung von in Wasser gelöstem Reduktionsmittel, dass die Heizflächenrohre nicht durch flüssiges das Reduktionsmittel enthaltende Medium getroffen wird, um Korrosionsschäden an den Heizflächen zu verringern oder zu vermeiden.
  • Die technische Aufgabe wird gelöst, durch ein Lanzensystem zur Einführung von Reduktionsmitteln in einen Kessel zur selektiven nichtkatalytischen Reduktion von Stickoxiden in Verbrennungsgasen, mit einem inneren Abschnitt konstruiert, um innerhalb des Kessels angeordnet zu werden, und einem äußeren Abschnitt konstruiert, um außerhalb des Kessels angeordnet zu werden, wobei das Lanzensystem ein Innenrohr und ein Außenrohr aufweist, und zumindest entlang des inneren Abschnitts des Lanzensystems das Innenrohr innerhalb des Außenrohrs angeordnet ist, wodurch ein Zwischenraum zwischen der äußeren Wand des Innenrohrs und der inneren Wand des Außenrohrs ausgebildet wird,
    wobei erfindungsgemäß
    entlang des Innenrohrs eine Vielzahl von ersten Austrittsöffnungen in der Umfangswand des Innenrohrs angeordnet ist, und
    entlang des Außenrohrs eine Vielzahl von zweiten Austrittsöffnungen in der Umfangswand des Außenrohrs angeordnet ist,
    die ersten Austrittsöffnungen des Innenrohrs in den Zwischenraum münden,
    der Innenraum des Innenrohrs über die ersten Austrittsöffnungen des Innenrohrs mit dem Zwischenraum in fluider Kommunikation steht und der Zwischenraum über die zweiten Austrittsöffnungen des Außenrohrs mit der Außenseite in fluider Kommunikation steht.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Lanzensystem kann Stickoxid-Reduktionsmittel in ein Verbrennungsgas möglichst gleichmäßig verteilt eingemischt werden. Weiterhin erlaubt es die Bauweise und Funktionsweise des Lanzensystems das Reduktionsmittel in der Nähe von oder zwischen Heizflächenpaketen einzudüsen, und zwar in rein gasförmiger Form, ohne Gefahr dass Flüssigkeitströpfchen auftreten. Bei Verwendung von in Wasser gelöstem Reduktionsmittel ist gemäß der Erfindung sichergestellt, dass die Heizflächenrohre nicht durch flüssiges das Reduktionsmittel enthaltende Medium getroffen werden. Erfindungsgemäß wird das durch eine Rohrin-Rohr Kombination erreicht, wobei der Außendurchmesser des Innenrohrs kleiner ist, als der Innendurchmesser des Außenrohrs. Vorzugweise liegt das Verhältnis von Innendurchmesser des Außenrohrs zum Außendurchmesser des Innenrohrs von 1: 0,1 bis 1:0,9, bevorzugt von 1:0,3 bis 1:0,6.
  • Gemäß der Erfindung wird lediglich ein (Zahl 1) Innenrohr im Außenrohr angebracht. Das Innenrohr verläuft dabei vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Länge des Außenrohrs im inneren Abschnitt. Das im inneren Abschnitt des Lanzensystems liegende Ende des Innenrohrs (inneres Ende), welches vorzugsweise geschlossen ist, kann das ebenfalls im inneren Abschnitt liegende Ende des Außenrohrs berühren, wird aber in der Regel einen gewissen Abstand davon aufweisen. Im inneren Abschnitt erstreckt sich das Innenrohr innerhalb des Außenrohrs von 50% bis 100%, vorzugsweise von 60% bis 100%, bevorzugt von 70% bis 100%, weiter bevorzugt von 95 % bis 100%, besonders bevorzugt von 98% bis 100%, und insbesondere bevorzugt von 99% bis 100% der im inneren Abschnitt verlaufenden Strecke des Außenrohrs.
  • Wie oben bereits erläutert, ist entlang des Innenrohrs eine Vielzahl von ersten Austrittsöffnungen in der Umfangswand des Innenrohrs und entlang des Außenrohrs eine Vielzahl von zweiten Austrittsöffnungen in der Umfangswand des Außenrohrs angeordnet.
  • Die Anzahl und Positionierung der zweiten Austrittsöffnungen (Austrittsöffnungen des Außenrohrs) richtet sich nach der Anordnung bzw. der Teilung der im Kessel angebrachten Heizflächen bzw. Heizflächenrohre. Die zweiten Austrittsöffnungen sind so angeordnet, dass diese nicht direkt die Heizflächen bzw. Heizflächenrohre anströmen. Weiterhin richtet sich die Zahl und Anordnung der zweiten Austrittsöffnungen nach der Strömungsform des Rauchgases und an welcher Stelle im Querschnitt des Feuerraums welche Mengen an Reduktionsmittel bzw. Oxidationsmittel (Ausbrandluft) benötigt wird. Entsprechend kann die Zahl, Anordnung und die Größe der zweiten Austrittsöffnungen variieren. Eine Vielzahl von zweiten Austrittsöffnungen in der Umfangswand des Außenrohrs bedeutet hier vorzugsweise mindestens 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lanzensystems sind mehrere Paare von zweiten Austrittsöffnungen im Außenrohr vorgesehen, wobei sich jeweils zwei zweite Austrittsöffnungen gegenüberliegen, wobei insbesondere jeweils ein Paar zweiter Austrittsöffnungen so positioniert wird, dass die Austrittsöffnungen auf einen Freiraum zwischen den Heizflächenrohren ausgerichtet sind. In einer Ausgestaltung kann jeweils ein Paar zweiter Austrittsöffnungen auf jeden Freiraum zwischen den Heizflächenrohren ausgerichtet werden. Diese Ausführungsform ist in Figur 3 dargestellt. In einer alternativen Ausgestaltung kann lediglich jeder zweite Freiraum zwischen den Heizflächenrohren mit einem Paar zweiter Austrittsöffnungen versorgt sein. Diese Ausführungsform ist in Figur 4 dargestellt. Da mehrere Lanzensysteme in einem Kessel vorgesehen sind, können diese dann untereinander versetzt in die Heizflächen eindüsen (siehe Figur 4). In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist jedoch in jedem Freiraum zwischen den Heizflächenrohren ein Paar gegenüberliegender zweiter Austrittsöffnungen vorgesehen. Je nach Anforderung an die Entstickungsaufgabe, dem vorliegenden Strömungsfeld und dem Temperaturfeld können auch weitere Ausführungsformen, wie zum Beispiel jeden dritten Freiraum zwischen den Heizflächenrohren usw. zu versorgen, vorgesehen werden. Je nach Kesseltyp bzw. je nach Teilung der Heizflächen können die zweiten Austrittsöffnungen bzw. die Paare zweiter Austrittsöffnungen äquidistant oder nicht äquidistant entlang der Längsachse des Lanzensystems angeordnet werden.
  • Bezüglich des Innenrohrs bedeutet hier eine Vielzahl von ersten Austrittsöffnungen in der Umfangswand des Innenrohrs vorzugsweise mindestens 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100. Die ersten Austrittsöffnungen in der Umfangswand des Innenrohrs sind
    1. a) im Wesentlichen gleichmäßig entlang des Innenrohrs angeordnet,
      oder
    2. b) bezogen auf die Richtung zum inneren Ende des Innenrohrs hin
      1. i) mit abnehmender Zahl oder mit abnehmender Gesamtquerschnittsfläche der Austrittsöffnungen pro Längeneinheit angeordnet, oder
      2. ii) mit zunehmender Zahl oder mit zunehmender Gesamtquerschnittsfläche der Austrittsöffnungen pro Längeneinheit angeordnet.
  • Die ersten Austrittsöffnungen folgen vorzugsweise der Systematik der Anordnung der zweiten Austrittsöffnungen. Vorzugsweise ist jeder zweiten Austrittsöffnung und/oder jedem Paar zweiter Austrittsöffnungen eine oder zwei erste Austrittsöffnungen zugeordnet. Die ersten Austrittsöffnungen sind dabei vorzugsweise bezüglich der Strömungsrichtung im Zwischenraum (zwischen Innen- und Außenrohr) stromaufwärts der zweiten Austrittsöffnungen angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung sind sehr viele, vorzugsweise mindestens 20, 40, 60, 80, 100, 200, 400 erste Austrittsöffnungen im Innenrohr angeordnet. So kann das Innenrohr als auch als mit ersten Austrittsöffnungen perforiert bezeichnet werden. Es versteht sich, dass auch bei der Ausführungsform eines perforieren Innenrohrs gemäß der Erfindung Bereiche des Innenrohrs von der Perforierung ausgenommen sind, die zweiten Austrittsöffnungen im Außenrohr gegenüberliegen.
  • Wie oben erwähnt, ist weiter bevorzugt außerhalb des Kessels eine Mischkammer für die Vermischung des Reduktionsmittels und des Oxidationsmittels (vorzugsweise Luft) angebracht. Von dort gelangt das Gemisch in den Innenraum des Innenrohrs. Weiterhin macht sich die Erfindung das im Verbrennungsprozess benötigte gasförmige Medium (Ausbrandluft) zunutze. Gleichzeitig wird bei Verwendung von in Wasser gelöstem Reduktionsmittel sichergestellt, dass die Verdampfung innerhalb der Lanzenkonstruktion stattfindet, so dass keinerlei Gefährdung der Heizflächenrohre durch möglicherweise auftreffende Tröpfchen vorliegt.
  • Die Bauweise des erfindungsgemäßen Lanzensystems mit den zwei ineinander liegenden Rohren, Innenrohr und Außenrohr, stellt eine einfache Konstruktionsweise dar. Daraus resultieren geringere Kosten für Herstellung und Wartung. Mit dieser Konstruktionsweise kann insbesondere vermieden werden, dass das Lanzensystem durch Verzug aufgrund von Temperaturschwankungen beschädigt wird. Denn die beiden ineinander liegenden Rohre werden vorzugsweise nicht fest miteinander verbunden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Lanzensystems verringert sich der Durchmesser des Außenrohrs in Richtung des inneren Endes. Diese Maßnahme dient dazu die Geschwindigkeit des Massenstroms im Zwischenraum zu erhalten, und das Gewicht des Lanzensystems zu verringern. Dabei kann die Verjüngung des Außenrohrs kontinuierlich oder in Stufen erfolgen. In einer weiteren Ausgestaltung kann sich auch der Durchmesser des Innenrohrs in Richtung des inneren Endes verringern.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Falle der Zugabe eines Reduktionsmittels mit flüssigen Bestandteilen die vollständige Verdampfung erreicht, indem das Reduktionsmittel zunächst mit heißem Oxidationsmittel (vorzugsweise Luft) vermischt in ein Innenrohr geführt wird, anschließend über die ersten Austrittsöffnungen in den Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr überführt wird, dort nochmals mit heißem Oxidationsmittel (vorzugsweise Luft) vermischt wird und danach das Lanzensystem über die zweiten Austrittsöffnungen im Außenrohr verlässt. Die Zwischenstufe der (Rest-)Verdampfung im Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die ersten Austrittsöffnungen des Innenrohrs in den Zwischenraum münden. Dies bedeutet, dass die zweiten Austrittsöffnungen des Außenrohrs bezüglich der ersten Austrittsöffnungen des Innenrohrs versetzt angeordnet sind. Die "versetzte" Anordnung der ersten zu den zweiten Austrittsöffnungen hat gemäß dieser Erfindung auch eine funktionelle Bedeutung. Eine konstruktiv versetzte Anordnung, beispielsweise von radialen Bohrungen als ersten und zweite Austrittsöffnungen, wird in der Regel auch funktionell das Erfordernis erfüllten, dass das Gemisch enthaltend Reduktionsmittel aus dem inneren Rohr zunächst in den Zwischenraum geleitet wird, damit es dort mit weiterem gasförmigem Oxidationsmedium vermischt und restlos verdampft wird. Der funktionelle Aspekt der "versetzten" Anordnung bedeutet zudem, dass beispielsweise eine erste Austrittsöffnung mit geneigtem röhrchenförmigen Aufsatz (dessen Achse nicht rechtwinklig zur Längsachse des Innenrohrs steht) auf die Innenwand des Außenrohrs gerichtet ist, und nicht etwa auf eine zweite Austrittsöffnung gerichtet ist, auch wenn die Position dieser zweiten Austrittsöffnung gegenüber der ersten Austrittsöffnung radial und/oder in Längsrichtung versetzt bzw. verschoben wäre. Im letzteren Fall wäre die gewünschte Vermischung des Reduktionsmittels im Zwischenraum mit dem zusätzlich dort zugeführten Oxidationsmittel je nach Abstand zur zweiten Austrittsöffnung und deren Abmessungen ggf. nicht gegeben, weil das aus der ersten Austrittsöffnung austretende Fluid mindestens zum Teil direkt auch durch die zweite Austrittsöffnung gedüst würde, wie dies im Stand der Technik der Fall ist. Dies ist gemäß der Erfindung unerwünscht, weil das aus dem Innenraum des Innenrohrs kommende Gemisch zuerst vollständig im Zwischenraum verdampft werden soll, bevor es das Außenrohr verlässt.
  • Daher sind gemäß der Erfindung die ersten Austrittsöffnungen, insbesondere solche in Form von Düsen, Röhrchen oder Rohrstutzen, nicht in Richtung der bzw. auf die in unmittelbarer Nähe vorhandenen zweiten Öffnungen gerichtet. Dies bedeutet, dass die Achsen der ersten Austrittsöffnungen des Innenrohrs auf die Innenwand des Außenrohrs gerichtet sind. Dies bedeutet, dass gemäß der Erfindung die Achsen einer jeden ersten Austrittsöffnung auf die Innenwand des Außenrohrs an einem geschlossenen Wandabschnitt des Außenrohrs treffen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die ersten Austrittsöffnungen des Innenrohrs in den Zwischenraum münden.
  • Wie oben erläutert, sind die ersten Austrittsöffnungen des Innenrohrs und die zweiten Austrittsöffnungen des Außenrohrs so angeordnet, dass das aus den ersten Austrittsöffnungen austretende Gemisch nicht direkt durch die zweiten Austrittsöffnungen nach außen treten kann. Die ersten Austrittsöffnungen des Innenrohrs und die zweiten Austrittsöffnungen des Außenrohrs sind daher versetzt zueinander angeordnet. Der Fachmann versteht, dass "versetzt" hier nicht nur bedeutet, dass eine beliebige Achse, die beispielsweise senkrecht zur Längsachse des Innenrohrs steht, wie dies bei der einfachsten Form von Austrittsöffnungen - der radial verlaufenden Bohrung - der Fall wäre, nicht gleichzeitig durch eine erste und zweite Austrittsöffnung verläuft. "Versetzt" bedeutet zudem ebenfalls, dass beispielsweise bei geneigten Austrittsöffnungen, auch die Achse der ersten Austrittsöffnung nicht durch eine zweite Austrittsöffnung verläuft, sondern die Innenwand des Außenrohrs schneidet.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand des Schnittpunkts der Achse einer jeden ersten Austrittsöffnung (Austrittsöffnung des Innenrohrs) zum Rand der nächstgelegenen zweiten Austrittsöffnung (Austrittsöffnung des Außenrohrs) mindestens das 1,5-fache, weiter bevorzugt mindestens das 2,0-fache des Radius der jeweiligen ersten Austrittsöffnung.
  • Aufgrund der Anordnung des Innenrohrs in dem Außenrohr zumindest entlang des inneren Abschnitts des Lanzensystems, wird ein Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr definiert, der sich über den ganzen Umfang des Innenrohrs erstreckt. Weiterhin ist bevorzugt, dass sich der Zwischenraum zwischen der äußeren Wand des Innenrohrs und der inneren Wand des Außenrohrs über die gesamte Länge des Innenrohrs erstreckt. Das Innere Ende des Innenrohrs ist in der Regel vorzugsweise verschlossen, bzw. mit einer oder mehreren ersten Öffnungen versehen. Auch hierbei gilt, dass diese erste Austrittsöffnung in den Zwischenraum mündet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Lanzensystems ist dieses konstruiert,
    1. a) ein Gemisch enthaltend Reduktionsmittel und Oxidationsmittel durch den Innenraum des Innenrohrs zuzuführen und von dort über die ersten Öffnungen in den Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr zu leiten; sowie
    2. b) weiteres Oxidationsmittel in den Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr getrennt zuzuführen;
    3. c) das Gemisch enthaltend Reduktionsmittel und Oxidationsmittel aus a) und das weitere Oxidationsmittel aus b) im Zwischenraum zu vermischen; und
    4. d) das Gemisch aus c) vom Zwischenraum durch die zweiten Öffnungen aus dem Außenrohr austreten zu lassen.
  • Die Maßnahme nach b), wonach weiteres Oxidationsmittel in den Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr getrennt zugeführt wird, bedeutet, dass weiteres Oxidationsmittel nicht über das Innenrohr zugeführt wird, sondern über eine dem Außenrohr eigene Zufuhr.
  • Weiterhin ist bevorzugt, dass diese Zufuhr für das weitere Oxidationsmittel für den Zwischenraum im äußeren Abschnitt des Lanzensystems angeordnet ist, die so konstruiert ist, um den Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr mit einem gasförmigen Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft zu versorgen. So weist das Außenrohr ein inneres Ende und ein äußeres Ende auf, wobei das äußere Ende mit einer Zufuhr zur Einführung des gasförmigen Oxidationsmittels in den Zwischenraum in fluider Kommunikation steht.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im äußeren Abschnitt des Lanzensystems eine Mischkammer angeordnet, die mit dem Innenraum des Innenrohrs in fluider Kommunikation steht und konstruiert ist diesen Innenraum mit einem Fluid enthaltend das Reduktionsmittel zu versorgen, wobei die Mischkammer eine Zufuhr für das Reduktionsmittel und eine Zufuhr für ein gasförmiges Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, aufweist. Weiter bevorzugt weist die Mischkammer und/oder die Reduktionsmittelzufuhr in die Mischkammer eine Zufuhr für ein Treibmittel auf.
  • Die Zufuhr des gasförmigen Oxidationsmittels in die Mischkammer ist vorzugsweise so konstruiert, dass das gasförmige Oxidationsmittel tangential in die Mischkammer einströmt. Diese Maßnahme dient der verbesserten Mischung von Reduktionsmittel und gasförmigem Oxidationsmittel. Weiterhin können in der Mischkammer vorzugsweise Mittel angeordnet sein, insbesondere Leitbleche oder Drallkörper, um die Vermischung des Fluids enthaltend das Reduktionsmittel mit dem gasförmigen Oxidationsmittel zu verbessern.
  • Die Zufuhr für das Reduktionsmittel kann als Einstoffdüse ausgeführt werden, wenn nur das Reduktionsmittel in die Mischkammer eingeleitet wird, oder als Zweistoffdüsen, wenn das Reduktionsmittel zusammen mit einem Treibmittel (vorzugsweise Druckluft) in die Mischkammer eingeleitet wird.
  • Die ersten Austrittsöffnungen des Innenrohrs können unterschiedlich ausgeführt werden. Die ersten Austrittsöffnungen sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bohrungen, Düsen, Röhrchen und Rohrstutzen.
  • Die jeweilige Achse einer ersten Austrittsöffnung des Innenrohrs ist dabei vorzugsweise wie folgt ausgerichtet:
    1. i) radial;
    2. ii) radial in Richtung der Strömung geneigt (und durch die Längsachse des Innenrohrs verlaufend);
    3. iii) tangential im rechten Winkel zur Längsachse des Innenrohrs (und in der Querschnittsebene liegend, die durch die Austrittsöffnung verläuft);
    4. iv) tangential in Richtung der Strömung des Zwischenraums geneigt.
  • Das Design der ersten Austrittsöffnungen kann unterschiedlich sein und dient insbesondere dazu dem aus dem Innenrohr austretendem Gemisch enthaltend das Reduktionsmittel eine bestimmte Richtung vorzugeben. So ist eine bevorzugte Bauweise der ersten Austrittsöffnungen des Innenrohrs eine bezogen auf das Innenrohr tangentiale Ausrichtung, so dass die Einströmung in das umhüllende Außenrohr, also in den Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr, eine zusätzliche Verdrallung und verbesserte Mischung mit dem in den Zwischenraum getrennt eingeführten Oxidationsmittel (vorzugsweise Verbrennungsluft) hervorruft. Die ersten Austrittsöffnungen können tangential und in Richtung der Strömung innerhalb des Außenrohrs ausgerichtet sein. Die einzelnen ersten Austrittsöffnungen können individuelle und unterschiedliche Öffnungsabmessungen besitzen. Somit ist es möglich, den austretenden Stoffstrom z.B. über die Länge des Innenrohrs unterschiedlich in das umhüllende Außenrohr abzugeben. Die ersten Austrittsöffnungen können auch lediglich als Bohrungen in dem Innenrohr ausgeführt sein, die dann aber in einer größeren Anzahl vorliegen können. Als erste Austrittsöffnungen des Innenrohrs können auch radiale Bohrungen im Mantel bzw. der Wand des Innenrohrs dienen.
  • Bei Betrieb trifft der durch den Innenraum des Innenrohrs geleitete Massenstrom enthaltend das Reduktionsmittel erst bei Austritt aus dem Innenrohr durch die ersten Austrittsöffnungen in den Zwischenraum mit dem weiteren getrennt in den Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr geleiteten gasförmigen Oxidationsmittel zusammen. Dabei steht der Innenraum des Innenrohrs lediglich über die ersten Austrittsöffnungen im Mantel bzw. der Wand des Innenrohrs und, falls vorhanden, mit den ersten Austrittsöffnungen am inneren Ende des Innenrohrs mit dem Zwischenraum in fluider Verbindung.
  • Die zweiten Austrittsöffnungen des Außenrohrs können ebenfalls unterschiedlich ausgeführt werden. Die zweiten Austrittsöffnungen sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bohrungen, Düsen, Röhrchen und Rohrstutzen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die jeweilige Achse einer zweiten Austrittsöffnung des Außenrohrs radial im rechten Winkel zur Längsachse des Außenrohrs ausgerichtet. Wird das Lanzensystem im Kessel horizontal angeordnet, so wird die jeweilige Achse einer zweiten Austrittsöffnung ebenfalls horizontal oder vorzugsweise bezüglich der Horizontalen nach unten geneigt ausgerichtet, d.h. entgegen der Strömungsrichtung des Verbrennungsgasstroms geneigt ausgerichtet. Wird das Lanzensystem im Kessel vertikal angeordnet, so kann die jeweilige Achse einer zweiten Austrittsöffnung horizontal ausgerichtet vorliegen.
  • Da das Lanzensystem insbesondere bei Zweigzugkesseln vertikal verlaufend angeordnet ist, und bei diesen Kesseln die Strömungsrichtung des Verbrennungsgasstroms an der Position der Lanzensysteme in der Regel nicht aufwärts, sondern horizontal oder bezüglich der Horizontalen in einem Winkel von 0 bis 80° verläuft, ist es sinnvoll die Achse der zweiten Austrittsöffnungen des Lanzensystems entsprechend entgegen der Hauptverbrennungsgasströmung geneigt auszurichten. Wird das Lanzensystem im Kessel vertikal angeordnet, so ist dann die jeweilige Achse einer zweiten Austrittsöffnung entgegen der Strömungsrichtung des Verbrennungsgasstroms geneigt ausgerichtet.
  • In beiden Ausführungsformen ist die Neigung der Achsen der zweiten Austrittsöffnung entgegen des Verbrennungsgasstroms bevorzugt. Diese Maßnahme dient der Verlängerung der Verweilzeit des Reduktionsmittels im richtigen Temperaturfenster des Verbrennungsgasstroms.
  • Die Maßnahme "entgegen der Strömungsrichtung des Verbrennungsgasstroms" bedeutet hier ein Winkel von 0 bis kleiner 90°C bezüglich der Strömungsrichtung des Verbrennungsgasstroms (entgegen diese Strömungsrichtung).
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Lanzensystems ist so ausgestaltet, dass der Abstand zwischen Innenrohr und Außenrohr durch Abstandhalter aufrechterhalten wird, wobei diese Abstandshalter vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Stiften, Stangen, Stegen, Leitblechen. Um einen Verzug und entsprechende Beschädigungen zu vermeiden, sind Innenrohr und Außenrohr vorzugsweise nicht fest miteinander befestigt, sondern die Abstandshalter sind entweder auf der Außenseite des Innenrohrs befestigt sind, und vorzugsweise nicht an der Innenseite des Außenrohrs, oder die Abstandshalter sind auf der Innenseite des Außenrohrs befestigt, und vorzugsweise nicht an der Außenseite des Innenrohrs.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in dem Zwischenraum Leitbleche derart angeordnet, dass die Strömung innerhalb des Zwischenraums in eine Rotation (Drall) um das Innenrohr herum versetzt wird. Das Strömen des Gemisches um das Innenrohr herum bewirkt eine höhere Turbulenz und bessere Vermischung. Die Erfindung stellt weiterhin einen Kessel bereit mit mindestens einer Zufuhr für Brennstoff, mindestens einer Zufuhr für Oxidationsmittel, einer oder mehreren Ebenen von Heizflächen und mindestens einem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Lanzensystem; wobei der innere Abschnitt des Lanzensystems innerhalb des Kessels angeordnet ist, und der äußere Abschnitt des Lanzensystems außerhalb des Kessels angeordnet ist.
  • Im Kessel werden Brennstoff und Verbrennungsluft zur Durchführung der Verbrennung zusammengebracht. Das entstehende Rauchgas bzw. Verbrennungsgas strömt durch die Feuerung und anschließend durch die nachfolgend angeordneten im Rauchgasstrom liegenden Heizflächen. Die Feuerung wird dabei mit Luftstufung betrieben, so dass die am Brenner zugegebene Verbrennungsluft nicht ausreichend zur vollständigen Umsetzung des Brennstoffs sondern unterstöchiometrisch ist. Oberhalb der Brenner werden zur weiteren Verbrennung Ausbrandluft beispielsweise unterhalb der konvektiven Heizflächen mittels Wanddüsen zugegeben. Im Bereich der Heizflächen, unterhalb, dazwischen oder oberhalb, ist bzw. sind eine oder mehrere erfindungsgemäße Lanzensysteme angeordnet, die das Stickoxid-Reduktionsmittel zuführen. Die Lanzensysteme können je nach Kesseltyp horizontal oder vertikal verlaufend im Kessel angeordnet sein. Das Reduktionsmittel wird mit einem Teil der für den Verbrennungsprozess benötigten Ausbrandluft gemischt und in den Innenraum des Innenrohrs geführt und gelangt über die ersten Austrittöffnungen im Innenrohr in den Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr. Der andere Teil der Ausbrandluft wird ebenfalls über das Lanzensystem dem Verbrennungsgas zugeführt, indem es direkt in das Außenrohr d.h. in den Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr geleitet wird. Im Zwischenraum wird die restliche Flüssigkeit verdampft. Schließlich gelangt das Gasgemisch enthaltend das Reduktionsmittel durch die zweiten Austrittöffnungen im Außenrohr in den Rauchgasstrom.
  • In vorteilhafterweise und bevorzugter Weise sind die Mischkammer, die Zufuhr für das Reduktionsmittel in die Mischkammer, die Zufuhr für ein gasförmiges Oxidationsmittel in die Mischkammer außerhalb des Kessels angeordnet. Bevorzugt ist weiterhin eine Zufuhr für ein Treibmittel angeordnet, um das Reduktionsmittel in der Mischkammer zu verteilen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Kessels sind in der Mischkammer Mittel angeordnet, insbesondere Leitbleche oder Drallkörper, um die Vermischung des Fluids enthaltend das Reduktionsmittel mit dem weiteren zugeführten gasförmigen Oxidationsmittel zu verbessern. Diese zusätzlichen in der Mischkammer angeordneten Mittel, wie etwa Leitblecke oder Drallkörper, erhöhen die Turbulenz und führen zu einer verbesserten und schnelleren Vermischung.
  • Weiterhin ist bevorzugt, dass die Zufuhr für die Einführung eines gasförmigen Oxidationsmittels in den Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr außerhalb des Kessels angeordnet ist.
  • Die Anordnung des erfindungsgemäßen Lanzensystems im Kessel richtet sich nach den herrschenden Temperaturen des Verbrennungsgases, in dem das Stickoxid reduziert werden soll. Die optimale Temperatur für die Umsetzung von NOx nach dem selektiven nichtkatalytischen Verfahren liegt im Bereich von 900°C bis 1100°C. Diese Temperatur liegt in der Regel auf der Höhe der Heizflächen vor. Daher müssen die Lanzensysteme in der Regel im Bereich der Heizflächen angeordnet werden. Ein Lanzensystem ist an der Kesselwand (welche den äußeren Abschnitt und den inneren Abschnitt des Lanzensystems definiert) befestigt, und ragt entweder freitragend oder in Kontakt mit einer Heizfläche in das Innere des Kessels hinein. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Kessels ist der innere Abschnitt des mindestens einen Lanzensystems gemäß irgendeinem der Maßnahmen a) bis e) angeordnet:
    1. a) der innere Abschnitt des Lanzensystems ragt freitragend in das Innere des Kessels hinein;
    2. b) der innere Abschnitt des Lanzensystems liegt auf den Heizflächen auf;
    3. c) der innere Abschnitt des Lanzensystems ist unterhalb der Heizflächen angebracht und an an Tragrohren der Heizflächen angebrachten Halterungen oder an an den Heizflächen angebrachten Halterungen aufgehängt;
    4. d) der innere Abschnitt des Lanzensystems ist freitragend hängend oder an an Tragrohren der Heizflächen angebrachten Halterungen oder an an den Heizflächen angebrachten Halterungen befestigt;
    5. e) der innere Abschnitt des Lanzensystems ist in einer Lücke zwischen zwei Ebenen von Heizflächen angeordnet.
  • Die Ausrichtung der Lanzensysteme im Kessel kann horizontal oder vertikal sein. In einem sogenannten Turmkessel liegen die Heizflächen horizontal im Kessel, so dass die erfindungsgemäßen Lanzensysteme horizontal verlaufend auf die Heizflächen aufgelegt oder wie oben erwähnt anderweitig an den Heizflächen befestigt werden können. Bei anderen Kesseltypen, z.B. bei sogenannten Zweizugkesseln, können die Heizflächen hängend von oben eingebracht sein. In diesem Fall verlaufen die Rohre der Heizflächen vertikal, so dass die erfindungsgemäßen Lanzensysteme nicht auf den Heizrohren abgelegt werden können. In diesem Kesseltyp können entsprechende Halterungen vorgesehen werden, so dass die Lanzensysteme horizontal verlaufend an den vorhandenen Tragrohren befestigt werden können. Alternativ dazu können die Lanzensysteme in diesem Kesseltyp auch vertikal verlaufend von der Deckenwandung der Anlage hängend eingebaut werden.
  • In den bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kessels können ein oder mehrere erfindungsgemäße Lanzensysteme angeordnet sein. Besonders bevorzugt sind mehrere Lanzensysteme gleichmäßig über den Innenquerschnitt des Kessels verteilt angeordnet, damit jeder Bereich des Verbrennungsgasstrom für das Reduktionsmittel erreicht wird. Durch Anordnung von mehreren Lanzen und der Vielzahl von zweiten Austrittsöffnungen entlang der Lanzensysteme wird eine gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels und des Oxidationsmittels erreicht. Die Lanzensysteme können auch in einer oder mehreren horizontalen Ebenen übereinander angeordnet sein, insbesondere bei horizontaler Ausrichtung der Lanzensysteme. Zwischen den mehreren horizontalen Ebenen der Lanzensysteme können, müssen aber nicht, Heizflächen bzw. ein oder mehrere Heizflächenpakete oder Teile davon angeordnet sein.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Kessels werden mehrere Lanzensysteme parallel zueinander angeordnet, bevorzugt im rechten Winkel zu den Scheiben der benachbarten Heizflächen. Dabei sind die zweiten Austrittsöffnungen der parallel liegenden Außenrohre gegenüber angeordnet (Figur 3) oder kämmend angeordnet (Figur 4).
  • Bei der Anordnung des Lanzensystems im Bereich der Heizflächen richtet sich die Anordnung und Ausrichtung der zweiten Austrittsöffnungen im Außenrohr des Lanzensystems nach der Bauweise bzw. Teilung der benachbarten, nächstliegenden Heizfläche. Die Anordnung der zweiten Austrittöffnungen erfolgt so, dass die Heizflächenrohre nicht direkt angeströmt werden. Gemäß der Erfindung wird in dem Kessel das Lanzensystem oder die Lanzensysteme so angeordnet, dass sie das Gemisch enthaltend das Reduktionsmittel und Oxidationsmittel in die durch die Gassen der Heizflächen aufsteigenden Verbrennungsgase zumischen. In diesem Fall liegen die Lanzensysteme auf einer Heizfläche auf. Alternativ oder ergänzend hierzu wird das Gemisch unterhalb der Heizfläche so eingemischt, dass das Reduktionsmittel durch die Gassen der Heizflächen mit dem Verbrennungsgas nach oben strömen kann und sich mit diesem vermischen kann. In diesem Fall sind die Lanzensysteme unterhalb der Heizflächen angebracht.
  • Wie oben bereits erläutert, können die Lanzensysteme im Kessel horizontal oder vertikal angeordnet werden. Bei einer horizontalen Anordnung des Lanzensystems wird die jeweilige Achse einer zweiten Austrittsöffnung ebenfalls horizontal oder vorzugsweise bezüglich der Horizontalen nach unten geneigt ausgerichtet, d.h. entgegen der Strömungsrichtung des Verbrennungsgasstroms. Auch bei der vertikalen Ausrichtung des Lanzensystems im Kessel richtet sich die Ausrichtung der Achsen der zweiten Austrittsöffnungen nach der Strömungsrichtung des Verbrennungsgasstroms. Bevorzugt werden die Achsen der zweiten Austrittsöffnungen entgegen der Strömungsrichtung des Verbrennungsgasstroms geneigt ausgerichtet.
  • In beiden Ausführungsformen ist die Neigung der Achsen der zweiten Austrittsöffnung entgegen des Verbrennungsgasstroms geneigt bevorzugt. Diese Maßnahme dient der Verlängerung der Verweilzeit des Reduktionsmittels im richtigen Temperaturfenster des Verbrennungsgasstroms.
  • Die vorliegende Erfindung stellt zudem ein Verfahren bereit zur Verringerung der Konzentration von Stickoxiden in einem Verbrennungsgas, wobei das Verfahren in einem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Kessel durchgeführt wird, enthaltend die folgenden Schritte:
    1. a) Erzeugen eines Verbrennungsgases in einer Verbrennungszone des Kessels, wobei das Verbrennungsgas Stickoxide enthält;
    2. b) Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels, vorzugsweise Luft, in eine Ausbrandzone des Kessels oberhalb und stromabwärts der Verbrennungszone;
    3. c) Injizieren eines selektiven Reduktionsmittels gemeinsam mit einem gasförmigen Oxidationsmittel in den Verbrennungsgasstrom innerhalb des Kessels stromabwärts der Zufuhr des gasförmigen Oxidationsmittels gemäß b);
    4. d) Reaktion des Reduktionsmittels mit Stickoxiden unter Bildung von N2;
    gemäß der Erfindung wird das Reduktionsmittel über ein oder mehrere Lanzensysteme in den Kessel eingebracht, wobei das Reduktionsmittel mit einem gasförmigen Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, und vorher ggf. mit einem Treibmittel vermischt wird, und in das Innenrohr des jeweiligen Lanzensystems zugeführt wird, anschließend das Reduktionsmittel/Oxidationsmittel-Gemisch aus dem Innenrohr über die ersten Öffnungen in den Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr geführt wird, im Zwischenraum mit getrennt zugeführtem zusätzlichen gasförmigen Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, vermischt wird, und über die zweiten Öffnungen in den Kessel gelangt, wobei es bei Austritt aus den zweiten Öffnungen vollständig in Gasform vorliegt.
  • Das Verfahren sowie bevorzugte Verfahrensweisen und -merkmale wurden weiter oben bereits erläutert.
  • Als Reduktionsmittel zur Reduktion von Stickoxiden wird eine stickstoffhaltige Verbindung verwendet, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus, Harnstoff, Ammoniak, Cyanursäure, Hydrazin, Ethanolamin, Biuret, Triuret, Ammelide, Ammoniumsalze organischer und anorganischer Säuren (beispielsweise Ammoniumacetat, Ammoniumsulfat, Ammoniumbisulfat, Ammoniumbisulfit, Ammoniumformiat, Ammoniumcarbonat, Ammoniumbicarbonat, Ammoniumnitrat, Ammoniumoxalat), vorzugsweise Harnstoff bzw. Ammoniak. Das Reduktionsmittel wird vorzugsweise in wässriger Lösung (z.B. Ammoniakwasser, oder in Wasser gelöster Harnstoff) oder gasförmig (Ammoniak) in die Mischkammer zugeführt.
  • In einem bevorzugten Verfahren wird das gasförmige Oxidationsmittel tangential in die Mischkammer eingeführt. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Reduktionsmittel mit Hilfe von Einstoffdüsen in die Mischkammer eingeführt, oder mit Hilfe von Zweistoffdüsen zusammen mit einem Treibmittel (vorzugsweise Druckluft). In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird das Reduktionsmittel und das Oxidationsmittel in der Mischkammer durch in der Mischkammer angeordnete Mittel, insbesondere Leitbleche oder Drallkörper, weiter verwirbelt, um die Vermischung des Fluids enthaltend das Reduktionsmittel mit dem gasförmigen Oxidationsmittel zu verbessern.
  • In einem weiteren bevorzugten Verfahren weist das in die Mischkammer zugeführte Oxidationsmittel (vorzugsweise Luft) und das weitere getrennt in den Zwischenraum zugeführte Oxidationsmittel (vorzugsweise Luft) unabhängig voneinander eine Temperatur von 200°C bis 400°C auf.
  • Zudem ist bevorzugt, dass die gasförmige Oxidationsmittel bzw. das Gemisch enthaltend Reduktionsmittel und Oxidationsmittel in dem Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr in eine Rotation (Drall) um das Innenrohr herum versetzt wird. Dies erfolgt vorzugsweise durch entsprechend angeordnete Leitbleche innerhalb des Zwischenraums. Das Strömen des Gemisches um das Innenrohr herum bewirkt eine höhere Turbulenz und bessere Vermischung.
  • Besonders bevorzugt stellt das gasförmige Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, welches in das Lanzensystem geführt wird (in das Innere des Innenrohrs und, getrennt davon, in den Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr) einen Teil des Oxidationsmittels dar, das im Verbrennungsprozess im Kessel benötigt bzw. verbraucht wird.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens trifft das Reduktionsmittel bei Austritt aus dem Außenrohr des Lanzensystems auf Verbrennungsgas, welches eine Temperatur im Bereich von 900°C bis 1100°C, vorzugsweise von 950°C bis 1050°C aufweist.
  • Die Erfindung wird in anhand der Figuren näher beschrieben.
    • Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Feuerraum bzw. Kessel.
    • Figur 2 stellt eine Draufsicht auf das in der Figur 1 gezeigte Lanzensystem dar.
    • Figur 3 und Figur 4 zeigen verschiedene Anordnungen mehrerer Lanzensysteme im Kessel.
  • Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Feuerraum bzw. Kessel 1. In dem Kessel wird die Zufuhr für Brennstoff 2 und Verbrennungsluft 3 schematisch dargestellt, die zur Durchführung der Verbrennung zusammengebracht werden. Das entstehende Verbrennungsgas 4 strömt durch die Feuerung und die nachfolgend angeordneten im Verbrennungsgasstrom liegenden Heizflächen 10, 11, 12. Dabei wird die Feuerung mit Luftstufung betrieben. Dies bedeutet, dass die am Brenner zugegebene Verbrennungsluft 3 nicht ausreichend ist zur vollständigen Umsetzung des Brennstoffs 2. Zur weiteren Verbrennung wird Ausbrandluft 5 zum Beispiel unterhalb der konvektiven Heizflächen 10, 11, 12 mittels Wanddüsen zugegeben. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform wird über eine oder mehrere erfindungsgemäße horizontal verlaufende Lanzensysteme 9 Stickoxid-Reduktionsmittel zusammen mit Treibmittel 8 zur Feinverteilung mit einem Teil der für den Verbrennungsprozess benötigten Ausbrandluft 7 in der Mischkammer 15 gemischt und in den Innenraum 23 des Innenrohrs 16 geführt. Der andere Teil des Oxidationsmittels 6 (Ausbrandluft) wird ebenfalls über das Lanzensystem 9 dem Verbrennungsgas zugeführt, indem es im äußeren Abschnitt 21 in das Außenrohr 17 und schließlich in den Zwischenraum 22 zwischen Innenrohr 16 und Außenrohr 17 geleitet wird. Das Lanzensystem 9 liegt in der dargestellten Ausführungsform auf der Heizfläche 10 auf. Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform des Lanzensystems 9 weist ein Außenrohr 17 auf, dessen Durchmesser sich in Richtung des inneren Endes verringert.
  • Figur 2 stellt eine Draufsicht auf das in der Figur 1 gezeigte Lanzensystem 9 dar. Innerhalb eines Kessels 1 befinden sich Heizflächen 10 auf denen oder in deren Nähe oberhalb ein Lanzensystem 9 angeordnet ist. Das Lanzensystem weist ein Innenrohr 16 und ein Außenrohr 17 auf. Erfindungsgemäß ist lediglich ein einziges Innenrohr 16 in einem Außenrohr 17 enthalten. In der außerhalb des Kessels 1 liegenden Mischkammer 15 (im äußeren Abschnitt 21 des Lanzensystems) wird Reduktionsmittel 13 mittels eines Treibmittels 14 verteilt. Handelt es sich um ein in einer Flüssigkeit gelöstes Reduktionsmittel, so wird es so zerstäubt. Gleichzeitig wird in die Mischkammer 15 ein Teil des im Prozess benötigten Fluids 7 eingeführt, bei dem es sich in einer vorteilhaften Ausführung um Ausbrandluft 7 handelt. Die Zuführung der Ausbrandluft kann beispielsweise auch tangential in die Mischkammer 15 erfolgen, um die Vermischung zu verbessern. Das vermischte Fluid bestehend aus Treibmittel 14, Reduktionsmittel 13 und Ausbrandluft 7 verlässt die Mischkammer 15 und gelangt in das Innenrohr 16. Im inneren Abschnitt 20 des Lanzensystems 9, welcher innerhalb des Kessels 1 angeordnet ist, verlässt das Gemisch in Strömungsrichtung nach und nach durch die Öffnungen 18 das Innenrohr 16 und gelangt in den Zwischenraum 22 zwischen dem Innenrohr 16 und dem Außenrohr 17. Die Öffnungen 18 im Innenrohr 16 sind so dimensioniert, dass eine über der Länge des Innenrohrs 16 gleichmäßige Verteilung in den Zwischenraum 22 zwischen Innenrohr 16 und Außenrohr 17 erfolgt.
  • In das Außenrohr 17 wird ebenfalls ein Teil im Prozess benötigtes Fluids 6 zugeführt, in das das aus dem Innenrohr 16 austretende Gemisch eingebracht und damit im Zwischenraum 22 vermischt wird, bevor es gemeinsam das Außenrohr 17 durch die dafür vorgesehenen Öffnungen 19 in den umgebenden Verbrennungsgasstrom 4 verlässt. Die Öffnungen 19 des Außenrohrs 17 sind so dimensioniert, dass über der Länge des Außenrohrs 17 eine möglichst gleichmäßige Ausströmung in das umgebende Verbrennungsgas 4 erfolgt.
  • Die Öffnungen 18 des Innenrohrs 16 können auch tangential aus dem Innenrohr 16 geführt werden, um im Zwischenraum 22 zwischen Außen- und Innenrohr eine bessere Vermischung zu erreichen. Ebenso können die Öffnungen 18 auch eine Vielzahl von Bohrungen sein, die durch ihre Vielzahl eine gute Vermischung mit dem in das Außenrohr 17 strömende Medium 6 erzielen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die vollständige Verdampfung erreicht, indem das Reduktionsmittel zunächst mit heißem Oxidationsmittel (vorzugsweise Luft) vermischt in ein Innenrohr 16 geführt wird, über die ersten Austrittsöffnungen 18 anschließend in den Zwischenraum 22 überführt wird, der zwischen dem Innenrohr 16 und dem Außenrohr 17 liegt, im Zwischenraum 22 dort nochmals mit heißem Oxidationsmittel (vorzugsweise Luft) vermischt wird und danach das Lanzensystem 9 über die zweiten Austrittsöffnungen 19 im Außenrohr 17 verlässt.
  • Um die (Rest-)Verdampfung des Reduktionsmittels im Zwischenraum 22 zu erreichen, münden erfindungsgemäß die ersten Austrittsöffnungen 18 des Innenrohrs 16 in den Zwischenraum 22. Dies bedeutet, dass die zweiten Austrittsöffnungen 19 des Außenrohrs 17 bezüglich der ersten Austrittsöffnungen 18 des Innenrohrs 16 versetzt angeordnet sind. In Figur 2 sind die ersten Austrittsöffnungen 18 schematisch in Form von Röhrchen oder Stutzen dargestellt, deren Achsen rechtwinkelig zur Längsachse des Innenrohrs 16 bzw. des Lanzensystems 9 stehen. Die Achse einer jeden ersten Austrittsöffnung 18 ist auf die Innenwand des Außenrohrs 17 gerichtet. Dies verhindert, dass das aus der ersten Austrittsöffnung 18 austretende Fluid direkt auch durch die zweite Austrittsöffnung 19 gedüst wird, sondern stattdessen das Reduktionsmittel zunächst im Zwischenraum 22 mit dem zusätzlich dort zugeführten Oxidationsmittel 6 vermischt wird und vollständig im Zwischenraum 22 verdampft werden kann, bevor es das Außenrohr 17 verlässt.
  • Wie erwähnt, schneidet die Achse einer jeden ersten Austrittsöffnung 18 die Innenwand des Außenrohrs 17 an einem geschlossenen Wandabschnitt des Außenrohrs 17. Der Abstand des Schnittpunkts der Achse einer gegebenen bzw. beliebigen ersten Austrittsöffnung 18 des Innenrohrs 16 zum Rand der nächstgelegenen zweiten Austrittsöffnung 19 des Außenrohrs 17 beträgt mindestens das 1,5-fache des Radius der jeweiligen ersten Austrittsöffnung 18.
  • Figur 3 zeigt eine bevorzugte Anordnung mehrerer Lanzensysteme 9 auf oder in der Nähe von Heizflächenrohren 10. In der dargestellten Ausführungsform sind die Austrittsöffnungen 19 des Außenrohrs 17 gegenüberliegend angeordnet, wobei die Austrittsöffnungen 19 im Freiraum zwischen den einzelnen Heizflächenrohren zu liegen kommen.
  • Figur 4 zeigt eine andere bevorzugte Anordnung mehrerer Lanzensysteme 9 auf oder in der Nähe von Heizflächenrohren 10. In der dargestellten Ausführungsform sind die Austrittsöffnungen 19 des Außenrohrs 17 gegenüberliegend versetzt (kämmend) angeordnet.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kessel / Feuerraum
    2
    Brennstoff
    3
    Verbrennungsluft
    4
    Verbrennungsgas
    5
    Oxidationsmittel/Ausbrandluft
    6
    Oxidationsmittel/Ausbrandluft innerhalb des Außenrohrs (Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr)
    7
    Oxidationsmittel/Ausbrandluft innerhalb des Innenrohrs
    8
    Reduktionsmittel und Treibmittel
    9
    Lanzensystem
    10
    Heizfläche
    11
    Heizfläche
    12
    Heizfläche
    13
    Reduktionsmittel
    14
    Treibmittel
    15
    außen liegende Mischkammer
    16
    Innenrohr
    17
    Außenrohr
    18
    Austrittsöffnung(en) des Innenrohrs
    19
    Austrittsöffnung(en) des Außenrohrs
    20
    innerer Abschnitt
    21
    äußerer Abschnitt
    22
    Zwischenraum
    23
    Innenraum des Innenrohrs

Claims (16)

  1. Ein Lanzensystem (9) zur Einführung von Reduktionsmitteln in einen Kessel (1) zur selektiven nichtkatalytischen Reduktion von Stickoxiden in Verbrennungsgasen, mit einem inneren Abschnitt (20) konstruiert, um innerhalb des Kessels (1) angeordnet zu werden, und einem äußeren Abschnitt (21) konstruiert, um außerhalb des Kessels (1) angeordnet zu werden, das Lanzensystem (9) ein Innenrohr (16) und ein Außenrohr (17) aufweist, und zumindest entlang des inneren Abschnitts (20) des Lanzensystems (9) das Innenrohr (16) innerhalb des Außenrohrs (17) angeordnet ist, wodurch ein Zwischenraum (22) zwischen der äußeren Wand des Innenrohrs (16) und der inneren Wand des Außenrohrs (17) ausgebildet wird,
    wobei entlang des Innenrohrs (16) eine Vielzahl von ersten Austrittsöffnungen (18) in der Umfangswand des Innenrohrs (16) angeordnet ist, und
    entlang des Außenrohrs (17) eine Vielzahl von zweiten Austrittsöffnungen (19) in der Umfangswand des Außenrohrs (17) angeordnet ist,
    die ersten Austrittsöffnungen (18) des Innenrohrs (16) in den Zwischenraum (22) münden,
    der Innenraum (23) des Innenrohrs (16) über die ersten Austrittsöffnungen (18) des Innenrohrs (16) mit dem Zwischenraum (22) in fluider Kommunikation steht und der Zwischenraum (22) über die zweiten Austrittsöffnungen (19) des Außenrohrs (17) mit der Außenseite in fluider Kommunikation steht,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen einer jeden ersten Austrittsöffnung (18) auf die Innenwand des Außenrohrs (17) an einem geschlossenen Wandabschnitt des Außenrohrs (17) treffen.
  2. Das Lanzensystem (9) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lanzensystem (9) konstruiert ist,
    a) ein Gemisch enthaltend Reduktionsmittel und Oxidationsmittel durch den Innenraum (23) des Innenrohrs (16) zuzuführen und von dort über die ersten Öffnungen (18) in den Zwischenraum (22) zwischen Innenrohr (16) und Außenrohr (17) zu leiten; sowie
    b) weiteres Oxidationsmittel in den Zwischenraum (22) zwischen Innenrohr (16) und Außenrohr (17) getrennt zuzuführen;
    c) das Gemisch enthaltend Reduktionsmittel und Oxidationsmittel aus a) und das weitere Oxidationsmittel aus b) im Zwischenraum (22) zu vermischen; und
    d) das Gemisch aus c) vom Zwischenraum (22) durch die zweiten Öffnungen (19) aus dem Außenrohr austreten zu lassen.
  3. Das Lanzensystem (9) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Abschnitt (21) des Lanzensystems eine Mischkammer (15) angeordnet ist, die mit dem Innenraum (23) des Innenrohrs (16) in fluider Kommunikation steht und konstruiert ist diesen Innenraum (23) mit einem Fluid enthaltend das Reduktionsmittel zu versorgen, wobei die Mischkammer (15) eine Zufuhr (13) für das Reduktionsmittel und eine Zufuhr (7) für ein gasförmiges Oxidationsmittel aufweist.
  4. Das Lanzensystem (9) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischkammer (15) Mittel angeordnet sind, insbesondere Leitbleche oder Drallkörper, um die Vermischung des Fluids enthaltend das Reduktionsmittel mit dem über die Zufuhr (7) zugeführten gasförmigen Oxidationsmittel zu verbessern.
  5. Das Lanzensystem (9) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Achse einer ersten Austrittsöffnung (18) des Innenrohrs (16) wie folgt ausgerichtet ist:
    i) radial; oder
    ii) radial in Richtung der Strömung geneigt; oder
    iii) tangential im rechten Winkel zur Längsachse des Innenrohrs (16); oder
    iv) tangential in Richtung der Strömung des Zwischenraums (22) geneigt.
  6. Das Lanzensystem (9) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Innenrohr (16) und Außenrohr (17) durch Abstandhalter aufrechterhalten wird, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stiften, Stangen, Stegen, Leitblechen; wobei die Abstandshalter entweder auf der Außenseite des Innenrohrs (16) befestigt sind, und vorzugsweise nicht an der Innenseite des Außenrohrs (17) befestigt sind, oder die Abstandshalter auf der Innenseite des Außenrohrs (17) befestigt sind, und vorzugsweise nicht an der Außenseite des Innenrohrs (16) befestigt sind.
  7. Das Lanzensystem (9) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zwischenraum (22) Leitbleche derart angeordnet sind, dass die Strömung innerhalb des Zwischenraums (22) in eine Rotation um das Innenrohr (16) herum versetzt wird.
  8. Das Lanzensystem (9) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Abstand des Schnittpunkts der Achse einer jeden ersten Austrittsöffnung (18) zum Rand der nächstgelegenen zweiten Austrittsöffnung (19) mindestens das 1,5-fache des Radius der jeweiligen ersten Austrittsöffnung (18) beträgt.
  9. Kessel (1) mit mindestens einer Zufuhr für Brennstoff (2), mindestens einer Zufuhr für Oxidationsmittel (3, 5), einer oder mehreren Ebenen von Heizflächen (10, 11, 12) und mindestens einem Lanzensystem (9) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8; wobei der innere Abschnitt (20) des Lanzensystems innerhalb des Kessels (1) angeordnet ist, und der äußere Abschnitt (21) des Lanzensystems (9) außerhalb des Kessels (1) angeordnet ist.
  10. Der Kessel (1) gemäß Anspruch 9, sofern abhängig von Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (15), die Zufuhr (13) für das Reduktionsmittel in die Mischkammer (15) und die Zufuhr (7) für ein gasförmiges Oxidationsmittel in die Mischkammer (15) außerhalb des Kessels (1) angeordnet ist.
  11. Der Kessel (1) gemäß Anspruch 9 oder 10, sofern abhängig von Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischkammer (15) Mittel angeordnet sind, insbesondere Leitbleche oder Drallkörper, um die Vermischung des Fluids enthaltend das Reduktionsmittel mit dem über die Zufuhr (7) zugeführten gasförmigen Oxidationsmittel zu verbessern.
  12. Der Kessel (1) gemäß irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr (6) für ein gasförmiges Oxidationsmittel in den Zwischenraum (22) zwischen dem Innenrohr (16) und dem Außenrohr (17) außerhalb des Kessels (1) angeordnet ist.
  13. Der Kessel (1) gemäß irgendeinem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Abschnitt (20) des mindestens einen Lanzensystems (9) gemäß irgendeinem der Maßnahmen a) bis e) angeordnet ist:
    a) der innere Abschnitt (20) des Lanzensystems (9) ragt freitragend in das Innere des Kessels (1) hinein;
    b) der innere Abschnitt (20) des Lanzensystems (9) liegt auf den Heizflächen (10, 11, 12) auf;
    c) der innere Abschnitt (20) des Lanzensystems (9) ist unterhalb der Heizflächen (10, 11, 12) angebracht und an an Tragrohren der Heizflächen (10, 11, 12) angebrachten Halterungen oder an an den Heizflächen (10, 11, 12) angebrachten Halterungen aufgehängt;
    d) der innere Abschnitt (20) des Lanzensystems (9) ist freitragend hängend oder an an Tragrohren der Heizflächen (10, 11, 12) angebrachten Halterungen oder an an den Heizflächen angebrachten Halterungen befestigt;
    e) der innere Abschnitt (20) des Lanzensystems (9) ist in einer Lücke zwischen zwei Ebenen von Heizflächen (10, 11, 12) angeordnet.
  14. Verfahren zur Verringerung der Konzentration von Stickoxiden in einem Verbrennungsgas (4), wobei das Verfahren in einem Kessel (1) gemäß irgendeinem der Ansprüche 9 bis 13 durchgeführt wird, enthaltend die folgenden Schritte:
    a) Erzeugen eines Verbrennungsgases (4) in einer Verbrennungszone des Kessels (1), wobei das Verbrennungsgas (4) Stickoxide enthält;
    b) Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels (5), vorzugsweise Luft, in eine Ausbrandzone des Kessels (1) oberhalb und stromabwärts der Verbrennungszone;
    c) Injizieren eines selektiven Reduktionsmittels (13) gemeinsam mit einem gasförmigen Oxidationsmittel (7, 6) in den Verbrennungsgasstrom (4) innerhalb des Kessels (1) stromabwärts der Zufuhr des gasförmigen Oxidationsmittels (5) gemäß b);
    d) Reaktion des Reduktionsmittels mit Stickoxiden unter Bildung von N2;
    dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel (13) über ein oder mehrere Lanzensysteme (9) in den Kessel (1) eingebracht wird, wobei das Reduktionsmittel mit einem gasförmigen Oxidationsmittel (7) vermischt wird, und in das Innenrohr (16) des jeweiligen Lanzensystems (9) zugeführt wird, anschließend das Reduktionsmittel/Oxidationsmittel-Gemisch aus dem Innenrohr (16) über die ersten Öffnungen (18) in den Zwischenraum (22) zwischen dem Innenrohr (16) und dem Außenrohr (17) geführt wird, im Zwischenraum (22) mit getrennt zugeführtem zusätzlichen Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, vermischt wird, und über die zweiten Öffnungen (19) in den Kessel (1) gelangt, wobei es bei Austritt aus den zweiten Öffnungen (19) vollständig in Gasform vorliegt.
  15. Das Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Mischkammer (15) zugeführte Oxidationsmittel und das weitere getrennt in den Zwischenraum (22) zugeführte Oxidationsmittel unabhängig voneinander eine Temperatur von 200°C bis 400°C aufweist.
  16. Das Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel bei Austritt aus dem Außenrohr (17) des Lanzensystems (9) auf Verbrennungsgas trifft welches eine Temperatur im Bereich von 900°C bis 1100°C, vorzugsweise von 950°C bis 1050°C aufweist.
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