NO874059L - Forbrenningsanlegg med en innretning for reduksjon av nitrogenoksidmengden i roekgasser. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et forbrenningsanlegg med en innretning for reduksjon av nitrogenoksidmengden i røkgasser, med en innføringsdyseinnretning for gassformet reduksjonsmiddel og en etter innføringsdyseinnretningen koblet katalysatoranordning.

Det er tidligere kjent forbrenningsanlegg ved hvilke det innsprøytes"ammoniakk i røkgassledningen og hvor denne, med ammoniakk anrikede røkgass ledes gjennom en katalysatoranordning, vanligvis på basis av titanoksid- og vanadiumoksidholdige katalysatorer, såkalte SCR-katalysatorer.

Ved disse forbrenningsanlegg reduserer SCR-katalysatorene nitrogenoksidene NO. og NO2ved hjelp av den som .reduksjonsmiddel virkende ammoniakk til H2O og N2. Derved kan nitrogenoksidmengden i røkgassene eventuelt bringes ned til verdier som ligger under de i de tyske utslippslover foreskrevne grenseverdier. Det er en egenart ved slike anlegg at det tekniske oppbud», som er nødvendig for reduksjon av nitrogenoksidmengdene vil være betydelig.

Fra DE-OS 26.01.077 er det kjent en fremgangsmåte til fjerning av nitrogenoksider fra forbrennings-avgasser, hvor ammoniakken tilføres avgassen eller røkgassen ved et sted hvor temperaturen ligger over 700°C og der ledes over metalloverflate, særlig varmevekslerflater, som inneholder vanadiumkomponenter. Denne fremgangsmåte utmerker seg ved et markant forenklet teknisk oppbygning. Til gjengjeld er imidlertid nitrogenfjerningsgraden lavere enn ved. andre metoder for reduksjon av nitrogenoksydmeng-den.

En fremgangsmåte til ikke-katalytisk reduksjon av nitrogenoksid ved hjelp av ammoniakk ved en virvelskiktforbrenning er kjent fra DE-OS 34.41.141. Det gis der avkall på katalysatorerog ammoniakken, blir blandet sammen med den inn i virvelskiktet strømmende forbrenningsluft. En fordel ved denne fremgangsmåte er at den også kan bygges inn på enkel måte i eldre anlegg og at dette kan gjøres teknisk sett relativt enkelt. Denne måte å redusere nitrogenoksidmengdene på krever imidlertid en omhygge- lig kontroll med flammetemperaturen. Ved for høy flammetemperatur blir det ved oppspalting av ammoniakken og oksidasjon av denne i flammen dannet ekstra nitrogenoksid. Også ved flamme-temperaturer rundt eller under 800°C vil nitrogenfjerningsgraden ikke være som ønsket ved denne fremgangsmåte.

Fra DRP 641.596 og 666.062 er det kjent en metode til forbren-ning av NH3, ved hvilken reaksjonsføringen er valgt slik at det kan oppnås en O2- og nitrogenoksidfri blanding av N2og H2. Ved tilblanding av luft kan hydrogendannelsen ved denne fremgangsmåte styres innenfor vide grenser. Herved blir det benyttet en jern-nikkel-kromkatalysator med en temperatur over 700°C.

Den oppgave som ligger til grunn for oppfinnelsen er å finne en ny måte til å bygge ned nitrogenoksidene i røkgasser fra forbrenningsanlegg slik at dette kan gjøres på enklest mulig måte og i så stor grad som mulig uten at man må ta med andre uønskede gassforurensninger på kjøpet.

Denne oppgave blir løst ved de trekk som er angitt i krav 1. Ytterligere fordelaktige utførelser er angitt i kravene 2-21.

På grunn av anvendelsen av en katalysator som inneholder et element fra jerngruppen, oppnås et kostnadsmessig forsprang i fremstillingskostnadene i forhold til de fleste andre katalysa-torsystemer. Dessuten blir det benyttet et materiale som ved en senere kassering av den oppbrukte katalysator ikke medfører problemer og dessuten igjen på nytt kan tas i bruk. Ved anvendelse i et temperaturområde over 600°C viser disse elementer også en god katalytisk aktivitet ved omdannelsen av ammoniakk og nitrogenoksider til vanndamp, hydrogen og nitrogen.

En særlig stor uømfintlighet for katalysatoren overfor den abrasive påvirkning av støv- og askedeler kan oppnås hvis i særlig fordelaktig videreutforming av oppfinnelsen det blir benyttet en av metallegering bestående katalysator. I dette tilfelle forandrer den katalytiske aktivitet seg ikke når overflatedelene i katalysatoren blir slitt av. Temperaturømfint-ligheten for katalysatoren kan forbedres markant hvis det i videre utforming av oppfinnelsen til legeringen tilsettes krom. Hermed kan anvendelsesområdet utvides på en slik måte at den kan innsettes direkte i et kjelanleggs forbrenningsrom.

Gode katalytiske aktiviteter kan også oppnås hvis det i henhold til en ytterligere utforming av oppfinnelsen benyttes en katalysator som i det vesentlige består av nikkel.

Ytterligere enkelttrekk ved oppfinnelsen blir i det følgende nærmere forklart ved hjelp av utførelseseksempler som er fremstilt på tegningen, som viser: Fig. 1 et skjematisk riss av et virvelskiktforbrenningsanlegg med en innretning for reduksjon av nitrogenoksidmengden, og fig. 2 et skjematisk riss av et annet forbrenningsanlegg med en i røkgassledningen innebygget innretning for reduksjon av nitrogenoksidmengden.

Fig. 1 viser et forbrenningsanlegg 1 med virvelskiktforbrenning. I huset 2 til forbrenningsrommet 3 er det antydet en dysebunn 4, ved hvilken det befinner seg et virvelskikt 5. I det under-liggende rom 6 munner en forbrenningsluftledning 8 som mates fra en friskluftkompressor 7. Over virvelskiktet er det i forbrenningsrommet antydet en overhetingsvarmeflate 9, en fordamper-varmeflate 10 og en økonomiseringsvarmeflate. I ytterveggen 12 av forbrenningsrommet er det i høyde med virvelskiktet 5 innsatt to brennstofftilførselstusser 13, 14. Mellom overhetingsvarme-flaten 9 og fordampervarmeflaten 10 er det en inngangsdyse-eller innsprøytningsinnretning 15 for et reduksjonsmiddel, i det foreliggende tilfelle ammoniakk. Over fordampervarmeflaten 10 er det innsatt en katalysator 16 på en slik måte i forbrenningsrommet 3 at den dekker over hele forbrenningsrommets tverrsnitt med lik tykkelse. Mellom fordampervarmeflaten 10 og katalysatoren 16 er det i forbrenningsrommet til forbrenningsanlegget 1 antydet

en innsprøytningsinnretning eller en inngangsdyse 17 for friskluft. Den er via en reguleringsventil 18 tilkoblet til forbrenningsledningen 8. I den fra forbrenningsanlegget 1 til skorstenen 19 førende røkgassledning 20 er det også etter

hverandre på gass-siden koblet en syklon 21, et elektrofilter-anlegg 22, en første varmeveksler 23, et røkgassavsvovlings-anlegg 24 og en andre varmeveksler 25. Askeuttømmingsledningen

- 26 fra syklon 21 munner i en beholder 27. Den er over en resirkulasjonsledning 28 også tilkoblet til de i forbrennings-romméts 3 yttervegger innsatte brennstofftilførselstusser 13, 14. Katalysatoren 16 består i utførelseseksempelet av et antall

parallelt over hverandre anordnede, hele forbrenningsrommets 3 tverrsnitt overdekkende metallnett av en krom-nikkel-stållege-ring. Istedet kunne det også benyttes en mellom to siktbunner oppfanget løsmasse av metallspon av en tilsvarende legering, henholdsvis av nikkelspon.

Ved drift av forbrenningsanlegget 1 blir det via friskluftkomp-ressoren 7 innblåst forbrenningsluften nedenfra gjennom dysebunnen 4 inn i virvelskiktet 5. Samtidig blir i samsvar med omsetningen eller forbrenningen i virvelskiktet 5 innført finmalt kull via brennstofftilførselstussene 13, 14. På i og for seg kjent måte virvler forbrenningsluften opp det innførte kullstøv. Derved oksiderer ved herskende temperaturer det ved ca. 800°C-1000°C liggende oksygen i luftbrennstoffpartiklene. Den derved dannede varme blir i de forskjellige oppvarmings-flater 9, 10, 11 benyttet til oppvarming av fødevann, dampdan-nelse og til overheting av den dannede damp.

Den mellom overhetingsvarmeflåtene 9 og fordampervarmeflåtene 10 innsprøytede ammoniakk reagerer ved de i dette område rådende temperaturer på over 800°C med de i virvelskiktet allerede dannede nitrogenoksider og reduserer disse delvis til nitrogen og vanndamp. Denne reaksjon blir ved passering av den i forbrenningsrommets trinn innstallerte katalysator 16 forsterket så sterkt ved overflaten at det etter katalysatoren praktisk talt ikke mere foreligger noen nitrogenoksider i røkgassen. Derved blir det i røkgassen fremdeles tilstedeværende oksygen - i den grad det foreligger - forbrukt til oksidasjon av det ved oppspaltingen av ammoniakken frigjorte hydrogen, slik at det dannes vanndamp. Denne sterkt eksoterme reaksjon fører til en ytterligere oppvarming av katalysatoren 16 og de gjennomstrøm-mende røkgasser. Innsprøytingen av luft blir ved hjelp av reguleringsventilen 18 innstilt slik at alt dannede hydrogen blir forbrent.

I den etter forbrenningsinnretningen 1 koblede syklon blir støv-og askepartikler skilt ut av røkgassene. Disse utskilte støv-og askedeler blir delvis via resirkulasjonsledningen 28 ledet tilbake til forbrenningsrommet 3 og med en annen mindre del til beholderen 27. På grunn av den delvise resirkulasjon kan den gjennomsnittlige oppholdstid for brennstoffpartiklene i virvelskiktet økes, og derved oppnås en forbedring av deres utbren-ning. I det etter syklonen 21 koblede elektrofilter 22 blir de gjenværende, resterende støvpartikler holdt tilbake. I den derpå følgende første varmeveksler 23 blir den til røkgassavsvovlings-anlegget 24 tilstrømmende røkgass avkjølt til ca. 150°C. I røkgassavsvovlingsanlegget 24 blir røkgassene på kjent måte frigjort for svovelholdige bestanddeler. Etter røkgassavsvov-lingsanlegget blir de.rensede røkgasser som forlater røkgass-avsvovlingsanlegget med en temperatur på ca. 65 °C før^ inn-føringen i skorstenen 19 igjen oppvarmet i den andre varmeveksler et ved hjelp av den i den første varmeveksler 23 utvunnede varme til en temperatur på ca. 100°C til 120°C. Denne oppvarming er nødvendig for å opprettholde den nødvendige trekk i skorstenen 19.

Det er en spesiell fordel ved denne oppbygging av et forbrenningsanlegg at det innspares et separat, voluminøst røkgass-nitrogenfjerningsanlegg i røkgassledningen. Istedet er det bare anordnet et katalysatorplan, en ammoniakkinnsprøytningsinnret-ning 15 og en luftinnsprøytningsinnretning 17 i forbrenningsrommet 3 til forbrenningsanlegget 3. Ved hjelp av katalysatoren 16 blir ved de herskende høye temperaturer på 800°C-1300°C nitrogenoksidene redusert til nitrogen og vann med den innsprøy-tede ammoniakk som reduksjonsmiddel.. Dessuten blir overkudds-andelen av ammoniakk på katalysatorens overflater oppspaltet i nitrogen og hydrogen og alt et oksygenoverskudd oksyderes den ved ammoniakkoppspaltingen dannede hydrogengass til vanndamp. Derved sørger den ekstra innsprøyting av friskluft for at det foreligger tilstrekkelig oksygen til å oksidere hele andelen av dannet hydrogen til vanndamp og samtidig at det frigjøres så meget varme ved katalysatoren 16 at dens overflatetemperatur ikke kan synke under 800°C.

Som variant av utførelseseksempelet i fig. 1 vil det også være tenkelig at innsprøytningsinnretningen 29 for reduksjonsmiddelet ikke er innebygget i forbrenningskammeret 3, men i den til forbrenningskammeret førende forbrenningsluftledning 8, slik det er antydet med stiplede linjer på fig. 1. I sistnevnte tilfelle kommer den innsprøytede ammoniakk sammen med forbrenningsluften via dysebunnen 4 inn i virvelskiktet 5. Denne variant av utførelseseksempelet på fig. 1 har den fordel at en påmontering i bestående kraftverksanlegg kan gjennomføres på relativt enkel måte. Til gjengjeld må det her påses at det intet sted i virvelskiktet 5 oppnås eller overskrides den for spalting og oksidering av nitrogen nødvendige temperatur på 800 °C, idet man, når dette skjer vil oppnå en senkning istedenfor økning av nitrogenoksidmengden i røkgassen.

Fig. 2 viser en annen utførelsesform for innretningen for reduksjon av nitrogenoksidmengden, som kan tilkobles til et vilkårlig forbrenningsanlegg 31. Forbrenningsanlegget er i dette utførelseseksempel derfor bare antydet rent skjematisk. I den røkgassledning som forlater forbrenningsanlegget 31 og som fører til skorstenen 32 er i strømningsretning for røkgassene i serie etter hverandre koblet en syklon 34, et elektrofilter 35, en ammoniakkinnsprøytningsinnretning 36, en Denox-katalysator 37, en første varmeveksler 38, en jern-nikkel-katalysator 39 ifølge oppfinnelsen, et forbrenningskammer 40 med en forbrenningsluftledning 41, en andre varmeveksler 42, et røkgassavsvovlings-anlegg 43 og en tredje varmeveksler 44. Mellom den første

D

varmeveksler 38 og jern-nikkel-katalysatoren 39 er røkgassled-ningen 33 utstyrt med en tilkobling 45 til forbrenningsluftledningen 46 som fører til forbrenningsanlegget 31. I denne tilkobling 45 er det koblet en reguleringsventil som styres via en måleforsterker 48, som får sine styresignaler fra en i jern-nikkel-katalysatoren 39 innbygget temperaturføler 39.

Ved drift av dette forbrenningsanlegg 31, som også kan være et smeltekammerforbrenningsanlegg, strømmer nitrogenoksidholdige røkgasser gjennom syklonen 34 og elektronfilteret 33, i hvilket gassene befris fra støvpartikler, inn i ammoniakkinnsprøytnings-innretningen 36. I denne ammoniakkinnsprøytningsinnretning blir

. røkgassene før innføring i en titanoksid- og/eller vanadium-oksidholdig katalysator 37 blandet med ammoniakk. I Denox-katalysatoren 37 blir nitrogenoksidene omdannet med ammoniakk til vanndamp og nitrogen. Den vidtgående, men ikke fullstendig for nitrogen befridde røkgass blir i en etter Denox-katalysatoren 37 koblet første varmeveksler oppvarmet til over 700°C og via tilkoblingen 45 til forbrenningsluftledningen 46 anriket med luftoksygen før røkgassen innføres i jern-nikkel-katalysatoren 39. Denne jern-nikkel-katalysator er likedan oppbygget som den

som er beskrevet i forbindelse med utførelseseksempel 1. I denne jern-nikkel-katalysator blir nitrogenoksidene redusert under oppspalting av ammoniakk og den ved oppspaltingen av ammoniakken frigjorte overskuddsmengde av hydrogen oksideres med luft og oksygen til vann. Den derved frigjorte varme oppvarmer jern-nikkel-katalysatoren. For å unngå en overheting av jern-nikkel-katalysatoren 39 styrer temperaturmåleføleren ved oppnåelse av en øvre temperaturgrense via den etterkoblede målforsterker 48 den reguleringsventil 47 som befinner seg i tilkoblingen 45 til forbrenningsluftledningen 46, i form av en tverrsnittsreduksjon. Kan det på grunn av overheting av katalysatoren ikke tilføres tilstrekkelig forbrenningsluft til å oksidere hele den ved oppspalting av ammoniakk frigjorte hydrogenmengde, så blir den manglende luftmengde tilført via forbrenningsluftledningen 41 i det etter katalysatoren koblede brennkammer. Dette skjer på best mulig måte ved at reguleringsventilen 47 er en treveisventil, fra hvilken en gren er tilsluttet tilkoblingen 45 og den andre gren til forbrenningsluftledningen 41.

Ved den, ved katalysatorens utgang rådende temperatur på over 700°C forbrenner den i brennkammeret 40 innført luft øyeblikke-lig med resthydrogen og oppvarmer røkgassene. Disse varme røkgasser blir i den etterfølgende dampfrembringelsesenhet avkjølt til ca. 150<*>C før den strømmer inn i røkgassavsvovlings-anlegget 43. Den ut av røkgassavsvovlingsanleggets strømmende, rensede røkgass som nå har en temperatur på ca. 65°C blir i den etterfølgende varmeveksler oppvarmet med damp fra den andre dampfrembringelsesenhet 42 til ca. 120°C, før den når ut i skorstenen. Det er en stor fordel ved denne innretning for reduksjon av nitrogenoksidmengder at det ellers ved de vanlige Denox-katalysatorer uunngåelige biutslipp av nitrogenoksider og ammoniakkandeler som sammen med de rensede røkgasser strømmer ut i atmosfæren tilnærmet fullstendig kan nedbygges i den etter-følgende jern-nikkel-katalysator ifølge oppfinnelsen. Nitrogenfjerningsgraden kan således forbedres tydelig og dessuten ytterligere redusere ammoniakk-biutslipp.

Claims (20)

1. Forbrenningsanlegg med en innretning for reduksjon av nitrogenoksidmengden i røkgasser, med en innsprøytningsinnret-ning for gassformede reduksjonsmidler og en etter innsprøyt-ningsinnretning koblet katalysatoranordning, karakterisert ved at en katalysator (16, 39) som inneholder elementer fra jern-gruppen er utsatt for en røkgasstemperatur på over 600°C.

2. Forbrenningsanlegg ifølge krav 1, karakterisert ved en katalysator (16, 39) som består av en metallegering.

3. Forbrenningsanlegg ifølge krav 2, karakterisert ved at det til legeringen er tilsatt krom.

4. Forbrenningsanlegg ifølge krav 1, karakterisert ved en katalysator som i det vesentlige består av nikkel.

5. Forbrenningsanlegg ifølge krav 2 eller 4, karakterisert ved at katalysatormaterialet (16, 39) foreligger i form av tråder eller spon eller nettverks-gittere.

6. Forbrenningsanlegg ifølge krav 1, karakterisert ved en katalysator som inneholder oksider av metallene jern og/eller nikkel og/eller krom.

7. Forbrenningsanlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at katalysatoren (16) er innbygget"i forbrenningsrommet (3) til forbrenningsanlegget (1).

8. Forbrenningsanlegg ifølge krav 7, karakterisert ved at innsprøytningsinnretnin-gen (15) for reduksjonsmiddelet er innbygget i forbrennings rommet (3) til forbrenningsanlegget (1).

9. Forbrenningsanlegg ifølge krav 1, • karakterisert ved at innsprøytningsinnretnin-gen (29) for reduksjonsmiddelet er tilkoblet til forbrennings-luf tledningen (8) som fører til forbrenningsanlegget (1).

10. Forbrenningsanlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at katalysatoren (39) er anordnet i den til skorstenen (32) førende røkgassledning (33), sett i strømningsretning etter en varmekilde (38) som oppvarmer røkgassene til en temperatur over 600°C.

11. Forbrenningsanlegg ifølge krav 10, karakterisert ved at katalysatoren (39) er innbygget, sett i strømningsretning etter en Denox-katalysator som inneholder titanoksid og/eller vanadiumoksid.

12. Forbrenningsanlegg ifølge krav 10, karakterisert ved at varmekilden (38) er en varmeveksler.

13. Forbrenningsanlegg ifølge krav 11, karakterisert ved at varmekilden er et lite forbrenningsanlegg.

14. Forbrenningsanlegg ifølge krav 1 eller 10, karakterisert ved at oksygeninnholdet i de til katalysatoren (39) tilstrømmende røkgasser reguleres i avhengig-het av katalysatortemperaturen i motsatt retning til katalysatortemperaturen.

15. Forbrenningsanlegg ifølge krav 14, karakterisert ved at luft sprøytes inn i røkgassene.

16. Forbrenningsanlegg ifølge krav 9, karakterisert ved at forbrenningsanleggets (1) flammetemperatur ikke overskrider 800°C.

17. Forbrenningsanlegg ifølge krav 16, karakterisert ved et virvelskiktforbrenningsanlegg (1).

18. Forbrenningsanlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at katalysatoren (16, 39) ikke oppvarmes over 1300°C.

19. Forbrenningsanlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at det som reduksjonsmiddel benyttes ammoniakk.

20. Forbrenningsanlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at det som reduksjonsmiddel benyttes enten ammoniakk, karbonmonoksid eller hydrogen.