WO2012059184A1 - Verfahren und vorrichtung zur nicht-katalytischen entstickung von abgasen von verbrennungsanlagen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur nicht-katalytischen entstickung von abgasen von verbrennungsanlagen Download PDF

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WO2012059184A1
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ammonia
drops
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Jörg Krüger
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    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2219/00—Treatment devices
    • F23J2219/20—Non-catalytic reduction devices

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for non-catalytic denitrification of the exhaust gases from incinerators by means of ammonia and / or urea solutions.
  • ammonia can be used in both the selective catalytic process (SCR) and the selective non-catalytic process (SNCR), urea is used only in the selective non-catalytic process.
  • EP A 0 326 943 describes such a two-substance nozzle for the injection of ammonia.
  • Boiler arranged two-fluid nozzle is injected into the boiler.
  • a propellant for mixing the urea with the combustion gas in particular compressed air, steam or recirculated exhaust gas is called.
  • Intensive mixing of the reagents with the exhaust gases is desired.
  • Higher combustion gas temperatures cause the reagents to burn, lower temperatures can result in partial sales and inadmissible ammonia concentrations in the exhaust gas.
  • the altitude of the injection must be changed to make the injection in the optimal temperature window.
  • Temperature windows of 800 ° C - 1200 ° C are injected, other sources call 850 ° C to 1050 ° C.
  • nozzles are therefore arranged in the boiler walls in two, three or four height levels. Using sophisticated temperature measurements and controls, the appropriate two-fluid nozzles are used to inject the reagents. The two-fluid nozzles are optimally aligned in their position and orientation via a complex control.
  • Lanzenstock in the furnace can be moved vertically vertically.
  • Entry speed of the liquid mist therefore succeeds insufficient to mix the reagents with the flowing combustion gas.
  • the momentum of the incoming mist stream is too low at technically feasible propellant gas pressures and levels to ensure intensive mixing with all of the combustion gas to be treated.
  • the desired fine diameter of the drops cause the speed of the drops practically equal to the
  • Gas velocity in the free jet is.
  • the velocities of the corresponding gas layers of the boilers to be mixed are usually between 5 and 10 m / s in the ranges suitable for the SNCR method, the vertical ones
  • Gas velocity of the combustion gas usually between 4 and 6 m / s. Since smaller water droplets evaporate faster than the larger ones, the penetration depth is therefore limited independently of the initial momentum.
  • the NO x concentrations can be lowered below 200 mg / Nm 3 with the SNCR method.
  • a further reduction well below 100 mg / Nm 3 is sought by the legislation. This is not possible according to the prior art without increased ammonia slip in the exhaust gas of the plant. The limits for this slippage are not yet in Germany
  • the permissible ammonia limit values for the individual plants are specified in the permit and lie between 10 and 50 mg / Nm 3 .
  • the increase in the ammonia concentration in the exhaust gas results from the higher stoichiometric excess, which has hitherto been necessary for a higher separation efficiency.
  • a reducing agent in a suitable amount, preferably in the form of
  • Exit angle preferably with a nozzle, evenly distributed in a predetermined range of the combustion gas.
  • the liquid drops are not generated by the use of a particular gaseous propellant.
  • the atomization of the reducing agent through the nozzle thus takes place without the use of a blowing agent,
  • Suitable conditions are those which cause the quantities of reductant introduced into the combustion gas volume flow to be treated, in particular drops, to evaporate shortly before the walls of the combustion chamber. This can be tracked by means of measurements, in particular optical measurements and temperature measurements. For example, by means of temperature measurements on the walls of the
  • Combustion chamber determine whether the walls cool by the evaporation of drops on the wall material.
  • Exit speed can be generated (see also FIG 3).
  • Targeted adjustment of the diameter of the drops, also referred to below as 'drop size', and the drop speed can also be achieved faster
  • Time unit is injected into the combustion gas
  • the droplet size of reducing agent droplets and the exit velocity of the droplets which is controlled to any ranges of combustion gases
  • 'drop' means the amount of reducing agent, which are introduced per unit time in the combustion gas and preferably decay from a film to drop, are meant.
  • a preferred embodiment of a simple nozzle is a gap or punctiform nozzle placed on a supply line of the reducing agent and / or an object before the outlet of the supply line, which only allows the reducing agent flow to exit to the side.
  • the position of the nozzle or nozzles in the radiation traps or in the combustion gases is primarily arbitrary, if desired, only the drop size
  • the height of the nozzle is adjusted relative to the temperature, so that the injection takes place in the previously selectable temperature range.
  • the nozzle is centrally in the combustion gas in. to be treated
  • Combustion gas volume flow arranged to ensure the greatest possible distance to all boiler walls.
  • a plurality of nozzles are arranged regularly spaced in the combustion chamber. This is particularly advantageous for large combustion chambers.
  • the nozzles are located on the side of the radiation trains. This is
  • the reducing agent from at least one nozzle with adjustable nozzle opening and / or Nozzle level into a region of the combustion gas
  • the solvent flow is measured and is controllable by a pressure unit, preferably a pump.
  • the temperature of the region of the combustion gases into which the reducing agent is injected is, preferably
  • the level and / or the opening of the nozzle is automatically adjusted to the optimum for the reaction combustion gas temperature.
  • the optimum temperature is determined, in particular, by changing the altitude and / or nozzle opening sinusoidally over time and, under otherwise constant conditions, determining the highest conversion rate of NOx.
  • the NOx concentration of the combustion gas after the treatment with the reducing agent is measured and the amount of reducing agent injected into the combustion gas per unit time is adjusted so that the NOx concentration always moves within a predetermined range of values.
  • the inflow of solvent, ammonia and / or urea to the nozzle is individually controllable.
  • Reducing agent can be changed during the execution of the method.
  • Ammonia / urea via a NOx and / or NH 3 measurement determined is preferably done by the NOx and / or NH 3 concentration of the combustion gas after the Treatment is measured with the reducing agent and the proportions of ammonia / urea are adjusted so that the NOx and / or H 3 concentration always moves in a predetermined range of values.
  • the proportion of ammonia / urea is controlled by a predetermined reaction as a function of the temperature and the measured NOx concentration.
  • Such a regulation is preferably achieved by determining the NOx concentration in the combustion gas and preferably also the ammonia slip, after the
  • Combustion gas has flowed through the region of the injection.
  • the proportion of ammonia and / or urea can be regulated in this way.
  • the temperature of the nozzle or the supply line to the nozzle is monitored and at
  • Preferred reducing agents contain substances from the group of ammonia and urea, in particular in the form of a solution in a solvent, wherein preferably both substances of the group are contained in a mixture in the reducing agent.
  • a preferred solvent has a higher one
  • Reducing agent means both the actual reducing agent in the chemical sense and the particular solvent
  • the drops have a diameter between 0.01 and 10 mm, in particular between 0.3 and 2 mm.
  • the exit velocities of the drops are preferably between 1 and 100 m / s, in particular between 8 and 25 m / s.
  • the departure angle of the drops is preferably between -10 ° and 60 ° with respect to the horizontal.
  • the nozzle is shaped accordingly in this case.
  • a device has a nozzle arrangement, from which the liquid reducing agent is injected into a region of the combustion gases, at least one
  • Measuring device which determines the temperature of the area of
  • the level and any other opening of the nozzle is summarized by the term 'nozzle opening *.
  • the feature that the reducing agent is injected into a region of the combustion gases the cases that the reducing agent is injected in the form of droplets or first forms a film that breaks into droplets at a short distance from the nozzle. Both cases, in general the
  • a gap nozzle with suitable dimensions is guided through the boiler cover in the optimum temperature range, this temperature range is detected by measurement.
  • Height adjustment device in particular a stepless
  • This device offers the added benefit of having the split nozzle at all times for maintenance from the firebox
  • the nozzle opening or the gap size is preferably between 0.01 mm and 10 mm, in particular between 0.3 mm and 1.2 mm, and can be varied in particular according to the distribution task in this area. Examples of the method according to the invention and the
  • FIG. 1 Representation of a typical waste incineration boiler with an inserted gap probe lance and the contour of the drop path
  • FIG. 3 Graphical representation of the function of the droplet size from the gap height
  • FIG. 4 Illustration of the trajectory of the drops in the
  • FIG. 5 Flow and function picture
  • FIG. 6 Diagram with measurement results
  • FIG. 1 shows a boiler of a waste incineration plant with a combustion chamber 1.1, the secondary air injection 1.2 and the first 1.3, the second 1.4 and the third 1.5 radiation train.
  • the ceiling 1.6 of the first radiation train is a
  • Height position of the nozzle (height adjustment device) 1.11 can be brought to the optimum height position 1.12.
  • Suitable height adjusters would be e.g. Ropes, racks or a telescopic feed.
  • contour 1.13 of the path is the drop of the
  • Reducing agent which emerge from the slit nozzle 1.10 drawn. Further details on the supply of the lance and the nozzle with reducing agent as well as the construction of the
  • FIGS. 2 and 5 show the structure of the slit nozzle stick.
  • a special element is the tube 2.1, in which a threaded rod 2.2 is centrally fixed. On the threaded rod 2.2 a nozzle plate 2.3 is mounted. The contour of the nozzle plate 2.3 allows the liquid to emerge at an angle (alpha).
  • the gap between the nozzle plate and the tube has a narrowest distance h of the order of mm. The gap can be infinitely adjusted via the thread.
  • contour of the tube causes the narrowest gap increases by the height h *. Over the contour of the tube, the contour of the gap is formed, which varies over the circumference.
  • thermocouples 2.4, 2.5 are installed, which allow the temperature of the nozzle itself and the combustion gas temperature below the
  • thermocouple To measure thermocouple.
  • the relationship of the droplet diameter was determined by the gap height of the slit nozzle.
  • the diagram in FIG. 3 shows the function of the droplet size 0 from the gap height s.
  • trajectories for droplets of different sizes are shown as a function of the horizontal distance from the nozzle (x) and the height above the nozzle (y).
  • all drops emerge at a speed of 16.7 m / s and an exit angle of 5 ° to the horizontal.
  • the combustion gas has a vertical velocity of 4 m / s and a temperature of 1000 ° C. It can be seen very well that the axial flight distances increase disproportionately with the drop diameter. Drops with a diameter of 0.3 mm are already after
  • FIG. 5 will be the basic structure of
  • any agent can be used which turns out to be a solvent according to the invention in the
  • Reducing agent is suitable.
  • the nozzle 1.9 according to Figure 1 is cooled with water 5.1, via the water inlet valve 5.2 of the
  • the temperature of the nozzle block 1.9 is about the
  • Nozzle 1.9 increases the amount of water. In normal operation, the amount of water is adjusted via the control valve 5.4 so that the set drops just not reach the boiler wall.
  • Ammonia is discharged via the ammonia dosing pump 5.10 from the
  • the urea solution is fed through the urea dosing pump 5.16 from the urea solution tank 5.15 on the
  • Urea check valve 5.17, the urea quantity measurement 5.18 and the urea shut-off valve 5.20 are supplied to the water in front of the connection hose 5.8. If required, the safe function of the urea dosing 5.16 with the
  • the combustion gas temperature measurement 5.2 automatically regulates the ride height (Figure 1, 1.12) of the slit nozzle in the optimal combustion gas temperature window.
  • the necessary quantities of ammonia and urea are dosed proportionately with 20% stoichiometric excess via the corresponding metering pumps 5.10 and 5.16.
  • the stoichiometric need for reducing agent is determined by the NOx and / or
  • Combustion gas volume flow 5.24 determined.
  • the concentration of NH 3 6.5 in the combustion gas after the boiler was 0.22 mg / Nm 3 NH 3 .
  • Combustion gas volume 6.3 and live steam power 6.4 were not noticeably changed by the Amxnoniakeindüsung.

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entstickung der Abgase von Verbrennungsanlagen unter Verwendung eines flüssigen Reduktionsmittels beschrieben, wobei das Reduktionsmittel in Form von Flüssigkeitstropfen mit geeignetem Durchmesser und geeigneter Geschwindigkeit gleichmäßig in einem Bereich des Verbrennungsgases verteilt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur nicht-katalytisehen Entstickung von Abgasen von Verbrennungsanlagen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur nicht-katalytisehen Entstickung der Abgase von Verbrennungsanlagen mittels Ammoniak- und/oder Harnstofflösungen.
Bisher werden in Kesselanlagen großtechnische Entstickungs- anlagen eingesetzt, welche Ammoniak und Harnstoff mit ohnehin im Verbrennungsgas vorhandenem Sauerstoff zur Umwandlung der Stickoxidverbindungen zu Wasser und Stickstoff benutzen.
Während Ammoniak sowohl bei dem selektiven katalytischen Verfahren (SCR) als auch bei dem selektiven nicht- katalytischen Verfahren (SNCR) genutzt werden kann, kommt Harnstoff dabei nur bei dem selektiven nicht-katalytischen Verfahren zum Einsatz .
Bei dem selektiven nicht-katalytischen Verfahren wird kein Katalysator verwendet. Ammoniak- oder Harnstofflösungen werden über ZweiStoffdüsen dem Feuerraum zugeführt und sollen bei Verbrennungsgastemperaturen zwischen 850°C und 1000°C mit den Stickoxiden reagieren.
In EP A 0 326 943 wird eine solche Zweistoffdüse für die Eindüsung von Ammoniak beschrieben.
In dem Patent DE 197 28 344 wird beschrieben, wie Harnstoff, gelöst in Wasser, über eine im Verbrennungsgasraum des
Kessels angeordnete Zweistoffdüse in den Kessel eingedüst wird. Als Treibmittel für die Vermischung des Harnstoffs mit dem Verbrennungsgas wird insbesondere Druckluft, Dampf oder rezirkuliertes Abgas genannt. Eine intensive Vermischung der Reagenzien mit den Abgasen wird angestrebt. Höhere Verbrennungsgastemperaturen führen dazu, dass die Reagenzien verbrennen, tiefere Temperaturen können zu einem Teilumsatz und zu unzulässigen Ammoniakkonzentrationen im Abgas führen. Je nach der Last und der Verschmutzung des Kessels muss daher die Höhenlage der Eindüsung verändert werden, um die Eindüsung im optimalen Temperaturfenster vorzunehmen.
Im Patent DE 44 34 943 wird beschrieben, dass über mindestens in einer Ebene angeordnete Zweistoffdüsen Reduktionsmittel in das Prozess- bzw. Ab- bzw. Verbrennungsgas in einem
Temperaturfenster von 800°C - 1200°C eingedüst werden, andere Quellen nennen 850°C bis 1050°C. In der Praxis werden daher in den Kesselwänden in zwei, drei oder vier Höhenebenen Düsen angeordnet . Über ausgefeilte Temperaturmessungen und Regelungen werden die jeweils geeigneten Zweistoffdüsen zur Eindüsung der Reagenzien benutzt. Die Zweistoffdüsen werden in ihrer Lage und Ausrichtung über eine komplexe Regelung optimal ausgerichtet.
Naturgemäß kann die Lage der Eindüsung hinsichtlich der optimalen Reaktionstemperatur nur ein Kompromiss sein, da die Lagen der Düsen in Ebenen in der Kesselwand nicht stufenlos verändert werden können und der Abstand dieser Ebenen aus konstruktiven Gründen nicht beliebig klein gewählt werden kann.
Im Patent DE 37 22 523 wird eine Vorrichtung beschrieben, mit der die Verdüsung von Ammoniak mit Druckluft über einen
Lanzenstock im Feuerraum stufenlos vertikal verfahren werden kann.
Der Nachteil dieser thermisch und chemisch hoch belasteten Vorrichtung liegt darin, dass die Vorrichtung bei Betrieb der Kesselanlage nicht gewartet werden kann und somit der Kessel für Wartungsarbeiten an der Vorrichtung abgefahren werden muss .
In den meisten SNCR Verfahren wird, wie z. B in DE 44 34 943 beschrieben, Ammoniak- oder Harnstofflösung bzw. eine
Mischung dieser beiden Lösungen mit Treibmittel wie z. B. Dampf oder Druckluft feinverteilt über Zweistoffdüsen in das zu behandelnde Verbrennungsgas eingedüst. Vor der Eindüsung bildet sich ein Freistahl aus, dessen horizontale
Geschwindigkeit sehr schnell abnimmt. Die Eindringtiefe des Freistrahls mit dem verdampften Ammoniak und/oder Wasser in die vertikale VerbrennungsgasStrömung ist zu gering. Trotz der feinen Verteilung der Flüssigkeit und der hohen
Eintrittgeschwindigkeit des Flüssigkeitsnebels gelingt es daher nur unzureichend, die Reagenzien mit dem strömenden Verbrennungsgas zu vermischen. Der Impuls des eintretenden Nebelstromes ist bei technisch vertretbaren Treibgasdrücken und -mengen zu gering, um eine intensive Vermischung mit dem gesamten zu behandelnden Verbrennungsgas sicherzustellen. Die angestrebten feinen Durchmesser der Tropfen führen dazu, dass die Geschwindigkeit der Tropfen praktisch gleich der
Gasgeschwindigkeit im Freistrahl ist. Die Geschwindigkeiten der entsprechenden zu durchmischenden Gasschichten der Kessel liegen in dem für das SNCR Verfahren geeigneten Bereichen zumeist zwischen 5 und 10 m/s, die vertikale
Gasgeschwindigkeit des Verbrennungsgases zumeist zwischen 4 und 6 m/s. Da kleinere Wassertröpfchen schneller verdampfen als die größeren, ist daher die Eindringtiefe auch unabhängig vom Anfangsimpuls begrenzt.
In DE 37 22 523 wird auf Messergebnisse hingewiesen, die zeigen, dass beim Eindüsen von Ammoniak über Zweistoffdüsen von der seitlichen Kesselwand besonders bei Feuerungsanlagen mit größerem Querschnitt des Verbrennungsgaszuges eine gute Durchmischung von Verbrennungsgas und Ammoniak nicht
erreichbar ist. In diesem Zusammenhang wird auf die
DE-OS 35 02 788 hingewiesen.
Diese angestrebte gleichmäßige Verteilung von Ammoniak ist mit dem in DE 37 22 523 genannten absenkbaren Düsenstock grundsätzlich möglich, aufgrund der genannten aggressiven Bedingungen und der fehlenden Wartungsmöglichkeit konnte sich das Verfahren mit dieser Vorrichtung jedoch nicht
durchsetzen.
Nach dem Stand der Technik können die NOx Konzentrationen, ausgehend von ca. 400 mg/Nm3, mit den SNCR Verfahren unter 200 mg/Nm3 abgesenkt werden. Eine weitere Absenkung deutlich unter 100 mg/Nm3 wird vom Gesetzgeber angestrebt. Dies ist nach dem Stand der Technik bisher nicht möglich ohne einen erhöhten Ammoniakschlupf im Abgas der Anlage. Die Grenzwerte für diesen Schlupf sind bisher in Deutschland nicht
einheitlich festgelegt. Die zulässigen Ammoniakgrenzwerte für die einzelnen Anlagen werden jeweils in der Genehmigung festgelegt und liegen zwischen 10 und 50 mg/Nm3. Der Anstieg der Ammoniakkonzentration im Abgas resultiert aus dem höheren stöchiometrisehen Überschuss, der bisher für eine höhere Abscheideleistung notwendig ist.
In DE 196 00 869 wird beispielsweise darauf hingewiesen, dass ein stöchiometrischer Überschuss von 2,0 bei einer
Abscheideleistung von über 80 % notwendig ist.
Aufgabe der Erfindung ist, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche es ermöglichen, die NOx
Konzentrationen insbesondere unter 100 mg/Nm3, ohne die zulässigen Grenzwerte für das Reduktionsmittel, insbesondere den Ammoniakschlupfwert von 10 mg/Nm3/h, zu überschreiten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Ansprüchen gelöst .
Ursache für diese unzureichende NOx-Reduktion und den hohen Ammoniakschlupf ist vor allem die schlechte Verteilung der Reduktionsmittel im Verbrennungsgas in dem für die Reaktion geeigneten Temperaturfenster von 800°C bis 1000°C, die einen hohen stöchiometrisehen Überschuss der Reduktionsmittel erfordert . Wird das Reduktionsmittel in zu kaltes
Verbrennungsgas eingebracht, wird es auch bei guter
Verteilung im Verbrennungsgas durch die mangelhafte Reaktion einen erhöhten Ammoniakschlupf verursachen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Reduktionsmittel in geeigneter Menge, vorzugsweise in Form von
Flüssigkeitstropfen mit geeignetem Durchmesser und geeigneter Geschwindigkeit, insbesondere auch mit einem geeigneten
Austrittswinkel, vorzugsweise mit einer Düse, gleichmäßig in einem vorher festgelegten Bereich des Verbrennungsgases verteilt.
Vorzugsweise werden die Flüssigkeitstropfen nicht durch die Verwendung eines insbesondere gasförmigen Treibmittels erzeugt. Die Zerstäubung des Reduktionsmittels durch die Düse erfolgt also ohne den Einsatz eines Treibmittels,
insbesondere ohne den Einsatz von Treibgasen.
Geeignet sind die Bedingungen, die dazu führen, dass die in den zu behandelnden Verbrennungsgasvolumenstrom eingebrachten Reduktionsmittelmengen, insbesondere Tropfen, kurz vor den Wänden des Verbrennungsraumes verdampfen. Dies kann mittels Messungen, insbesondere optischen Messungen und Temperaturmessungen, verfolgt werden. Zum Beispiel lässt sich mittels Temperaturmessungen an den Wänden des
Verbrennungsraumes feststellen, ob sich die Wände durch die Verdampfung von Tropfen an dem Wandmaterial abkühlen.
Vorteil dieses Verfahrens ist, dass eine energieintensive Vermischung der Reagenzien mit dem Verbrennungsgas bzw. der Verbrennungsgasströmung durch Einleiten von Mischimpulsen nicht angestrebt wird. Die Verbrennungsgasströmung wird durch eine solche Verteilung des Reduktionsmittels kaum
beeinflusst .
Es hat sich überraschend bei Grundlagenuntersuchungen zum Verhalten von Wassertropfen gezeigt, dass mit einer
einfachen Düse, insbesondere einer Spaltdüse, über die geometrischen Abmessungen der Düse Tropfen mit einem
definierten Durchmesser und einer definierten
Austrittsgeschwindigkeit erzeugt werden können (siehe dazu auch FIG. 3) . Durch gezielte Einstellung des Durchmessers der Tropfen, im Folgenden auch als 'Tropfengröße ' bezeichnet, und die Tropfengeschwindigkeit lassen sich auch schneller
strömende starke Verbrennungsgasschichten problemlos
durchdringen.
Folglich ist bevorzugt, dass durch gezielte Veränderung der Düsenöffnung die Menge des Reduktionsmittels, das pro
Zeiteinheit in das Verbrennungsgas eingedüst wird,
vorzugsweise die Tropfengröße von Reduktionsmitteltropfen und die Austrittsgeschwindigkeit der Tropfen, dermaßen geregelt wird, dass beliebige Bereiche von Verbrennungsgasen
durchdrungen werden können, ohne dass Tropfen auf der
Kesselwand auftreffen, weil diese davor verdampfen.
Dabei ist zu beachten, dass sich aus den ausgetretenen flüssigen Reduktionsmittelmengen schon nach kurzer Zeit nach dem Austreten aus einer Düse aufgrund der Kohäsionskräfte in der Flüssigkeit in der Regel Tropfen des Reduktionsmittels entstehen (je nach Größe nach bis zu 20 cm), insbesondere bezieht sich der erfindungsgemäße Fall sowohl auf Tropfen, die direkt beim Einbringen des Reduktionsmittels entstehen als auch auf Tropfen des Reduktionsmittels, die sich erst im Verbrennungsgas bilden, z.B. aus einem aus der Düse
austretenden Film des Reduktionsmittels, insbesondere bei einer Zerstäubung ohne Verwendung eines Treibmittels. Die Formung von Tropfen aus einem Flüssigkeitsfilm ist
insbesondere bei größeren eingedüsten Reduktionsmittelmengen pro Zeiteinheit die Regel.
Im Folgenden wird daher auch von 'Tropfen' gesprochen, wobei damit die Reduktionsmittelmengen, die pro Zeiteinheit in das Verbrennungsgas eingebracht werden und vorzugsweise ausgehend von einem Film zu Tropfen zerfallen, gemeint sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer einfachen Düse ist eine auf eine Zuleitung des Reduktionsmittels aufgesetzte spalt- oder punktförmige Düse und/oder ein Objekt vor dem Austritt der Zuleitung, welches dem ReduktionsmittelStrom lediglich einen Austritt zur Seite ermöglicht .
Die Position der Düse oder der Düsen in den Strahlungszügen oder in den Verbrennungsgasen ist in erster Linie beliebig, sofern es gewünscht ist, lediglich die Tropfengröße
anzupassen. Jedoch können durch besondere Anordnungen
zusätzliche Vorteile erreicht werden, insbesondere ist die Temperatur des Verbrennungsgases abhängig von der
Höhenposition.
Insbesondere von Vorteil ist es, wenn die Höhenkote der Düse relativ zu der Temperatur eingestellt wird, so dass die Eindüsung im vorher wählbaren Temperaturbereich erfolgt. Auf diese Weise hat man außer der Regelung über die Menge des Reduktionsmittelflusses auch die Möglichkeit der Regelung über die Höhenkote, um eine geeignete Eindüsung des
Reduktionsmittels zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Düse zentral im Verbrennungsgas im. zu behandelnden
Verbrennungsgasvolumenstrom angeordnet, um einen möglichst großen Abstand zu allen Kesselwänden sicherzustellen.
Hierdurch wird mit möglichst wenig Aufwand ein hoher Nutzen hinsichtlich der Verteilung bei gleichzeitig sehr einfacher Düsenform erbracht.
In einer weiteren bevorzugten Anordnung werden mehrere Düsen regelmäßig beabstandet im Verbrennungsräum angeordnet. Dies ist insbesondere von Vorteil bei großen Verbrennungsräumen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befinden sich die Düsen an der Seite der Strahlungszüge. Dies ist
insbesondere von Vorteil, wenn der Zugang über die Decke der Strahlungszüge aus konstruktiven Gründen verhindert wird.
Es hat sich weiterhin überraschend gezeigt, dass durch die Veränderung der Düsenöffnung über den Umfang der Düse die Tropfengröße, der insbesondere in verschiedenen Richtungen aus der Düse austretenden Tropfen, und damit die Wurfweite der Tropfen im heißen Verbrennungsgas, insbesondere in
Abhängigkeit von der Richtung, eingestellt werden kann (siehe dazu auch FIG. 4). Durch diese Maßnahme kann auch eine nicht quadratische Verbrennungsgasdurchströmte Fläche optimal mit Tropfen durchströmt werden.
Bei einem bevorzugten Verfahren wird das Reduktionsmittel aus mindestens einer Düse mit einstellbarer Düsenöffnung und/oder Düsenhöhenkote in einen Bereich des Verbrennungsgases
eingedüst. Vorzugsweise wird der Lösungsmittelfluss gemessen und ist durch eine Druckeinheit, vorzugsweise eine Pumpe, steuerbar.
Die Temperatur des Bereichs der Verbrennungsgase, in den das Reduktionsmittel eingedüst wird, wird, vorzugsweise
fortlaufend, gemessen. Die Höhenkote und/oder die Öffnung der Düse wird dabei automatisch an die für die Reaktion optimale Verbrennungsgastemperatur angepasst .
Die optimale Temperatur wird insbesondere dadurch ermittelt, dass die Höhenkote und/oder Düsenöffnung sinusartig über die Zeit verändert wird und bei sonst konstanten Bedingungen die höchste Umsatzrate von NOx bestimmt wird.
Danach wird die Höhenkote und/oder Öffnung der Düse
automatisch so eingestellt, dass die mit der Düse gemessene Verbrennungsgastemperatur konstant ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich die NOx- onzentration des Verbrennungsgases nach der Behandlung mit dem Reduktionsmittel gemessen und die Reduktionsmittelmenge, die pro Zeiteinheit in das Verbrennungsgas eingedüst wird, so eingestellt, dass sich die NOx-Konzentration stets in einem vorher festgelegten Wertebereich bewegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Zufluss von Lösungsmittel, Ammoniak und/oder Harnstoff zur Düse einzeln steuerbar. Somit kann die Zusammensetzung des
Reduktionsmittels während der Ausführung des Verfahrens verändert werden.
Insbesondere wird der stöchiometrische Anteil von
Ammoniak/Harnstoff über eine NOx- und/oder NH3-Messung festgelegt. Dies geschieht bevorzugt dadurch, dass die NOx- und/oder NH3-Konzentration des Verbrennungsgases nach der Behandlung mit dem Reduktionsmittel gemessen wird und die Anteile an Ammoniak/Harnstoff so eingestellt werden, dass sich die NOx- und/oder H3-Konzentration stets in einem vorher festgelegten Wertebereich bewegt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird der Anteil an Ammoniak/Harnstoff durch eine vorher festgelegte Reaktion in Abhängigkeit von der Temperatur und der gemessenen NOx- Konzentration geregelt .
Eine solche Regelung wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die NOx-Konzentration im Verbrennungsgas und vorzugsweise auch der Ammoniakschlupf bestimmt wird, nachdem das
Verbrennungsgas den Bereich der Eindüsung durchströmt hat . Der Anteil an Ammoniak und/oder Harnstoff kann auf diese Weise geregelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur der Düse oder der Zuleitung zu der Düse überwacht und bei
Überschreiten von vorher festgelegten Richtwerten wird der Zufluss des Lösungsmittels oder des Lösungsmittelanteils im Reduktionsmittel erhöht, um eine Kühlung der Düse und deren Zuleitung zu erreichen.
Bevorzugte Reduktionsmittel enthalten Stoffe aus der Gruppe Ammoniak und Harnstoff, insbesondere in Form einer Lösung in einem Lösungsmittel, wobei bevorzugt beide Stoffe der Gruppe in Mischung in dem Reduktionsmittel enthalten sind.
Ein bevorzugtes Lösungsmittel hat eine höhere
Verdampfungstemperatur als Ammoniak, aber eine niedrigere als Harnstoff. Ein besonders bevorzugtes Lösungsmittel ist
Wasser. Eine Mischung aus Ammoniak und Harnstoff in einem solchen Lösungsmittel, insbesondere in Wasser, hat den
Vorteil, dass ab dem Zeitpunkt, zu dem das Reduktionsmittel in Tropfenform in das Verbrennungsgas eingedüst wurde, zunächst das Ammoniak auf der Flugbahn des Tropfens
verdampft. Nachdem das Lösungsmittel des Tropfens vollständig verdampft ist, zersetzt sich der zugeführte Harnstoff zu Kohlendioxid und Ammoniak.
Aus Vereinfachungsgründen wird im entsprechenden Zusammenhang in der vorliegenden Anmeldung unter der Bezeichnung
„Reduktionsmittel" sowohl das eigentliche Reduktionsmittel im chemischen Sinn als auch das jeweilige Lösungsmittel
verstanden.
Bevorzugt haben die Tropfen einen Durchmesser zwischen 0,01 und 10 mm, insbesondere zwischen 0,3 und 2 mm.
Die Austrittsgeschwindigkeiten der Tropfen liegen bevorzugt zwischen 1 und 100 m/s, insbesondere zwischen 8 und 25 m/s.
Der Abflugwinkel der Tropfen liegt bevorzugt zwischen -10° und 60° gegenüber der Waagerechten. Die Düse ist in diesem Falle dementsprechend geformt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Düsenanordnung auf, aus der das flüssige Reduktionsmittel in einen Bereich der Verbrennungsgase eingedüst wird, mindestens ein
Messgerät, welches die Temperatur des Bereichs der
Verbrennungsgase bestimmt, in den die Tropfen eindringen werden, und/oder ein Messgerät, das die NOx- und/oder
NH3-Konzentration der Verbrennungsgase nach der Eindüsung des Reduktionsmittels bestimmt, sowie einen Mechanismus, mit dem die Höhekote und/oder die Öffnung mindestens einer Düse verändert werden kann. Im Folgenden wird die Höhenkote und jede andere Öffnung der Düse unter dem Begriff ' Düsenöffnung * zusammengefasst . Dabei umfasst das Merkmal, dass das Reduktionsmittel in einen Bereich der Verbrennungsgase eingedüst wird, die Fälle, dass das Reduktionsmittel in Form von Tropfen eingedüst wird oder zunächst einen Film bildet, der in kurzem Abstand zur Düse in Tropfen zerfällt. Beide Fälle, also im Allgemeinen die
Einbringung eines Reduktionsmittelstroms, werden in der
Beschreibung auch unter 'tropfenförmiger Eindüsung' oder 'Verteilung in Form von Flüssigkeitstropfen' verstanden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Spaltdüse mit geeigneten Abmessungen durch die Kesseldecke in den optimalen Temperaturbereich geführt, wobei dieser Temperaturbereich messtechnisch erfasst wird.
Wird eine solche Spaltdüse über eine Vorrichtung durch die Kesseldecke eingeführt, kann über eine entsprechende
Höhenverstellvorrichtung, insbesondere eine stufenlose
HöhenversteilVorrichtung, die Reduktionsmittelverteilung im für die Umsetzungsreaktion optimalen Temperaturfeld
vorgenommen werden.
Diese Vorrichtung bietet den zusätzlichen Vorteil, dass die Spaltdüse jederzeit für die Wartung aus dem Feuerraum
entnommen und gewartet werden kann. Hierfür wird eine
Ersatzdüse in annähernd gleicher Position eingebracht und in Betrieb genommen. Die Verbrennungsgastemperaturmessung im Nahbereich der Spaltdüse gestattet eine schnelle und sichere Einstellung der optimalen Einbringtiefe.
Die Düsenöffnung bzw. die Spaltgröße liegt bevorzugt zwischen 0,01 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 0,3 mm und 1,2 mm, und kann insbesondere entsprechend der Verteilungsaufgabe in diesem Bereich variiert werden. Beispiele für das erfindungsgemäße Verfahren und die
erfindungsgemäße Vorrichtung sind in den Zeichnungen
dargestellt .
FIG. 1: Darstellung eines typischen Abfallverbrennungskessels mit einer eingeführten Spaltsondenlanze und der Kontur der Tropfenbahn
FI6. 2A und 2B: Symbolische Darstellung der Spaltdüsenlanze FIG. 3: Grafische Darstellung der Funktion der Tropfengröße von der Spalthöhe
FIG. 4: Darstellung der Flugbahn der Tropfen im
Verbrennungsgas des Kessels
FIG. 5: Fließ- und Funktionsbild
FIG. 6: Diagramm mit Messergebnissen
FIG. 1 zeigt einen Kessel einer AbfallVerbrennungsanlage mit einem Feuerraum 1.1, der Sekundärlufteindüsung 1.2 und den ersten 1.3, den zweiten 1.4 und dritten 1.5 Strahlungszug. In der Decke 1.6 des ersten Strahlungszuges ist eine
Lanzendurchführöffnung 1.7 eingebaut, durch die der
Düsenstock 1.9 mit einer veränderbaren Spaltdüse 1.10 über einen hitzebeständigen Schlauch 1.8 oder ein hitzebeständiges Rohr 1.8 mittels einer Vorrichtung zur Einstellung der
Höhenposition der Düse (Höhenverstellvorrichtung) 1.11 in die optimale Höhenposition 1.12 gebracht werden kann. Geeignete HöhenverStellvorrichtungen wären z.B. Seile, Zahnstangen oder ein Teleskopvorschub.
Zusätzlich ist die Kontur 1.13 der Bahn der Tropfen des
Reduktionsmittels, die aus der Spaltdüse 1.10 austreten, eingezeichnet. Weitere Details zur Versorgung des Lanze und der Düse mit Reduktionsmittel sowie zum Aufbau des
Düsenstockes sind in den FIG. 2 und 5 dargestellt. FIG. 2A und 2B zeigen den Aufbau des Spaltdüsenstocks. Ein besonderes Element ist das Rohr 2.1, in dem zentrisch eine Gewindestange 2.2 fixiert ist. Auf der Gewindestange 2.2 ist eine Düsenplatte 2.3 montiert. Die Kontur der Düsenplatte 2.3 lässt die Flüssigkeit unter einem Winkel (alpha) austreten. Der Spalt zwischen der Düsenplatte und dem Rohr hat einen engsten Abstand h in der Größenordnung mm. Der Spalt kann über das Gewinde stufenlos eingestellt werden. Die
dargestellte Kontur des Rohres führt dazu, dass der engste Spalt um die Höhe h* ansteigt. Über die Kontur des Rohres wird die Kontur des Spaltes gebildet, die über den Umfang variiert. Im Düsenstock sind zwei Thermoelemente 2.4, 2.5 eingebaut, die es gestatten, die Temperatur des Düsenstockes selbst und die Verbrennungsgastemperatur unter dem
Thermoelement zu messen.
In einer ausführlichen Untersuchung wurde der Zusammenhang der Tropfendurchmesser von der Spalthöhe der Spaltdüse ermittelt. Das Diagramm in der FIG. 3 zeigt die Funktion der Tropfengröße 0 von der Spalthöhe s.
In FIG. 4 werden die Flugbahnen für Tropfen unterschiedlicher Größe in Abhängigkeit vom horizontalen Abstand von der Düse (x) und der Höhe über der Düse (y) dargestellt. In dieser Untersuchung treten alle Tropfen mit einer Geschwindigkeit von 16,7 m/s und einem Austrittswinkel von 5° gegenüber der Horizontalen aus. Das durchströmte Verbrennungsgas hat eine vertikale Geschwindigkeit von 4 m/s und eine Temperatur von 1000°C. Man erkennt sehr gut, dass die axialen Flugweiten mit dem Tropfendurchmesser überproportional zunehmen. Tropfen mit einem Durchmesser von 0,3 mm sind bereits nach
0,62 m, Tropfen mit einem Durchmesser von 0,5 mm nach 1,37 m verdampft. Diese Darstellung zeigt, dass die Reduktionsmittel, die mit ZweiStoffdüsen fein verteilt
(<< 0,1 mm) eingedüst werden, sofort nach dem Eindüsen verdampfen. In der Praxis wird man in Abhängigkeit von den Kesselabmessungen Tropfengrößen zwischen 0,8 und 1,2 mm benötigen.
In FIG. 5 wird der grundsätzliche Aufbau der
erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Anstelle des dort beschriebenen Wassers kann jedes Mittel verwendet werden, welches sich als erfindungsgemäßes Lösungsmittel in dem
Reduktionsmittel eignet.
Der Düsenstock 1.9 gemäß Figur 1 wird mit Wasser 5.1 gekühlt, das über das Wassereintrittsventil 5.2 von der
Wasserdruckerhöhungspumpe 5.3 über das Wasserrückschlagventil 5,4, das Wasserregelventil 5.5, die Wassermengenmessung 5.6, den Verbindungsschlauch 5.7, das hitzebeständige Rohr bzw. den hitzebeständigen Schlauch 1.8 und den Düsenstock 1.9 zur Spaltdüse 1.10 strömt.
Die Temperatur des Düsenstocks 1.9 wird über die
Düsenstocktemperaturmessung 5.21 erfasst. Bei drohender
Überschreitung der Siedetemperatur der Flüssigkeit im
Düsenstock 1.9 wird die Wassermenge erhöht. Im Normalbetrieb wird die Wassermenge über das Regelventil 5.4 so eingestellt, dass die eingestellten Tropfen die Kesselwand gerade nicht erreichen.
Ammoniak wird über die Ammoniakdosierpumpe 5.10 aus dem
Ammoniaktank 5.9 über das Ammoniakrückschlagventil 5.11, die Ammoniakmengenmessung 5.12 und das Ammoniakabsperrventil 5.14 dem Wasser vor dem Verbindungsschlauch 5.8 zugeführt. Bei Bedarf kann die sichere Funktion der Ammoniakdosierpumpe 5.10 mit dem Ammoniakmanometer 5.13 überprüft werden. Die Harnstofflösung wird über die Harnstoffdosierpumpe 5.16 aus dem Harnstofflösungstank 5.15 über das
Harnstoffrückschlagventil 5.17, die Harnstoffmengemessung 5.18 und das Harnstoffabsperrventil 5.20 dem Wasser vor dem Verbindungsschlauch 5.8 zugeführt. Bei Bedarf kann die sichere Funktion der Harnstoffdosierpumpe 5.16 mit dem
Harnstoffmanometer 5.19 überprüft werden.
Die Verbrennungsgastemperaturmessung 5.2 regelt automatisch den Höhenstand (Figur 1; 1.12) der Spaltdüse im optimalen Verbrennungsgastemperaturfenster.
Die notwendigen Ammoniak- und Harnstoffmengen werden über die entsprechenden Dosierpumpen 5.10 und 5.16 anteilig mit 20 % stöchiometrischem Überschuss dosiert. Der stöchiometrisehe Reduziermittelbedarf wird über die NOx- und/oder
Ammoniakmessung 5.23 nach Kessel und den
Verbrennungsgasvolumenstrom 5.24 ermittelt.
In Figur 6 wird die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die NOx Konzentration nach dem Kessel einer
Müllverbrennungsanlage über einen Versuchszeitraum von 12:41 bis 13:12 dargestellt. Hierfür wurde die beschriebene
Vorrichtung in dem Deckenbereich des 1. Zuges eingebracht und mit Ammoniak und Wasser betrieben. Durch die Dosierung von Ammoniak ist die NOx-Konzentration 6.1 nach dem Kessel von ca. 300 mg/Nm3 auf ca. 60 mg/Nm3 stark gefallen. Gleichzeitig wurde die Konzentration des Ammoniaks 6.5 in dem
Verbrennungsgas untersucht .
Vor der Ammoniakdosierung lag die Konzentration von NH3 6.5 im Verbrennungsgas nach dem Kessel bei 0,22 mg/Nm3 NH3.
Während der Dosierung von Ammoniak stieg die Konzentration auf 1,4 mg/Nm3. Diese nasstechnisch ermittelten Mittelwerte wurden zusätzlich in die grafische Darstellung eingefügt. Die übrigen Daten, wie Sauerstoffkonzentration 6.2,
Verbrennungsgasmenge 6.3 und Frischdampfleistung 6.4 wurden durch die Amxnoniakeindüsung nicht erkennbar verändert.
Bezugszeichenliste
1.1 Feuerräum
1.2 Sekundärlufteindüsung
1.3 1. Strahlungszug
1.4 2. Strahlungszug
1.5 3. Strahlungszug
1.6 Decke erster Strahlungszug
1.7 Lanzendurchführöffnung
1.8 Tauchrohr oder Schlauch
1.9 Düsenstock
1.10 Spaltdüse
1.11 Höhenverstellvorrichtung
1.12 optimale Höhenposition
1.13 Kontur der Tropfenbahn
2.1 Rohr des Düsenstocks
2.2 Zentrierte Gewindestange
2.3 Düsenplatte
2.4 Temperaturmessung Rohrwand
2.5 Temperaturmessung Verbrennungsgas
5.1 Wasser
5.2 Wassereintrittsventil
5.3 Wasserdruckerhöhungspumpe
5.4 Wasserrückschlagventil
5-5 Wasserregelventil
5.6 Wassermengenmessung
5.7 Wasserdruckmessmanometer
5.8 Verbindungsschlauch
5.9 Ammoniaktank
5.10 Ammoniakdosierpumpe
5.11 Ammoniakrückschlagventil 5.12 Ammoniakmengenmessung
5.13 Ammoniakmanometer
5.14 Ammoniakabsperrventi1
5.15 Harnstofflösungstank
5.16 Harnstoffdosierpumpe
5.17 Harnstoffrückschlagventil
5.18 Hamstoffmengenmessung
5.19 Hamstoffmanoxneter
5.20 Harnstoffabsperrventil
5.21 Düsenstocktemperaturmessung
5.22 Verbrennungsgastemperaturmessung
5.23 NOx- und/oder Ammoniakmessung nach Kessel
5.24 Verbrennungsgasvolumenstrom
6.1 0 - 1000 mg/Nm3NOx
6.2 0 - 100% o2
6.3 0 - 100.000 Nta3/h Verbrennungsgasmenge
6.4 0 - 100 t/h Frischdampf
6.5 0 - 10 mg/Nm3 H3
6.T Zeit am 19.11.2010

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Entstickung der Abgase von
Verbrennungsanlagen unter Verwendung eines flüssigen
Reduktionsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass das
Reduktionsmittel in geeigneter Menge pro Zeiteinheit
gleichmäßig in einem vorher festgelegten Bereich des
Verbrennungsgases verteilt wird, so dass die in das
behandelnden Verbrennungsgasvolumenstrom pro Zeiteinheit eingebrachten Reduktionsmittelmengen kurz vor den Wänden des Verbrennungsraumes verdampfen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel in Form von Flüssigkeitstropfen mit geeignetem Durchmesser und geeigneter Geschwindigkeit in das Verbrennungsgas eingedüst wird, und die Tropfen insbesondere einen Durchmesser zwischen 0,01 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 und 2 mm, haben und vorzugsweise zentrisch in den zu behandelnden Verbrennungsgasstrom eingebracht werden.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des
Verbrennungsgases gemessen wird, und insbesondere zusätzlich die Höhe, in der das Reduktionsmittel eingebracht wird, gemäß der gemessenen Temperatur eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass durch die Spaltdüse Tropfen erzeugt werden, die über den Umfang der Düse bei gleicher Austrittsgeschwindigkeit unterschiedliche definierte
Tropfendurchmesser aufweisen.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfen eine Austrittsgeschwindigkeit zwischen 1 und 100 m/s, insbesondere zwischen 8 und 25 m/s, haben.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfen einen Abflugwinkel zwischen -10° und 60° bezüglich der Waagerechten haben.
7. Vorrichtung zur Entstickung der Abgase von
Verbrennungsanlagen, die mindestens eine mit einem flüssigen Reduktionsmittel beaufschlagte Düse aufweist, mindestens ein Messgerät, welches die Temperatur des Bereichs der
Verbrennungsgase bestimmt, in den die Tropfen eindringen werden, und/oder ein Messgerät, welches die NOx- und/oder NH3-Konzentration der Verbrennungsgase bestimmt, sowie einen Mechanismus, mit dem sich die Düsenöffnung verändern lässt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung zwischen 0,01 mm und 10 mm,
insbesondere zwischen 0,3 mm und 1,2 mm, liegt und bevorzugt entsprechend der Verteilungsaufgabe in diesem Bereich variiert werden kann.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, dass der Austrittswinkel der Spaltdüse zwischen -10° und 60° bezüglich der Waagerechten liegt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese derart gestaltet ist, dass mindestens eine Düse oder mehrere Düsen durch eine oder mehrere zentral gelegene Öffnungen durch die Kesseldecke in den Kessel bis zur optimalen Reaktionsebene, insbesondere stufenlos, eingebracht werden kann/können.
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