WO2016151048A1 - VERFAHREN ZUR VERMINDERUNG VON NOx-EMISSIONEN BEI DER VERBRENNUNG VON STAUBFÖRMIGEM BRENNSTOFF - Google Patents

VERFAHREN ZUR VERMINDERUNG VON NOx-EMISSIONEN BEI DER VERBRENNUNG VON STAUBFÖRMIGEM BRENNSTOFF Download PDF

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WO2016151048A1
WO2016151048A1 PCT/EP2016/056452 EP2016056452W WO2016151048A1 WO 2016151048 A1 WO2016151048 A1 WO 2016151048A1 EP 2016056452 W EP2016056452 W EP 2016056452W WO 2016151048 A1 WO2016151048 A1 WO 2016151048A1
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fuel
plasma
burner
gas
region
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PCT/EP2016/056452
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English (en)
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Inventor
Malgorzata Stein-Brzozowska
Martin Ehmann
Alfons Leisse
Michalis Agraniotis
Christian Bergins
Bernhard Zimmermann
Falk HOFFMEISTER
Original Assignee
Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe Gmbh filed Critical Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D1/00—Burners for combustion of pulverulent fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/99005—Combustion techniques using plasma gas

Definitions

  • the invention is directed to a method of burning carbonaceous fuel by means of a power plant burner of a steam generator with staged supply of an oxygen-containing oxidant and generating a plasma in the burner side region of the fuel pyrolysis and / or fuel ignition by means of a plasma generating device, in particular during the permanent firing operation of the power plant burner.
  • fuels such as hard coal, lignite or biomass, but also substitute fuels and sewage sludge as well as mixtures of all these fuels mentioned in steam generators of power plants are used in power plant burners.
  • Nitrogen oxides produced during the combustion of these fuels in a dust fire can be reduced in various ways.
  • One way to reduce nitrogen oxide emissions via the design of the combustion process is to gradually provide the combustion air in the furnace. As a result, a reducing atmosphere is created in parts of the firebox. In this way, among other things, the Zeldovich mechanism (thermal NOx formation), ie the C .dation of the in the combustion air the usual oxidizing agent during combustion - existing nitrogen at high temperatures, difficult.
  • nitrogen oxides form from the nitrogen, which is organically bound in the fuel.
  • This form of NOx formation is particularly relevant for solid fuels because, for example, natural gas contains no organically bound nitrogen.
  • Solid fuels contain volatiles that can be released by heat. These volatiles may be water vapor, carbon monoxide, hydrogen and aliphatic as well as aromatic hydrocarbons. This process is called pyrolysis.
  • the pyrolysis process is of crucial importance for the ignition of solid, dust-like fuels, since first the heat-released volatiles of the fuel burn, ie are oxidized with the release of energy. The pyrolysis and ignition process of the volatile constituents thus represents the beginning of the combustion process.
  • Lockwood and Romo-Millanes assume that the nitrogen bound in the coke is converted directly to NO, as shown below.
  • HCN or NH3 The formation of HCN or NH3 from the nitrogen present in the volatile constituents depends on the rate of pyrolysis of the volatile constituents and thus on all variables on which the pyrolysis rate is dependent (heating rate, temperature).
  • the NO precursors are rapidly converted to NO with the help of reactive oxygen species (oxygen and OH radicals).
  • the reduction of NO to molecular nitrogen by means of the NO precursors proceeds more slowly by comparison according to the mechanism presented below.
  • low dust NOx burner coal dust burners. These burners essentially have an air staging of the combustion air given off at the burner, whereby the oxygen available for the combustion is kept low during the pyrolysis phase.
  • Another essential feature of such burners is that the pyrolysis of the fuel is carried out at the highest possible heating rates and temperatures.
  • the pyrolysis is accelerated so that as many volatile constituents as possible, including the nitrogen bound in them as quickly exit the fuel.
  • This increased release of nitrogen together with the release of volatile constituents initially favors high NO formation (high NO primary formation rate).
  • This then allows the utilization of the (slower) reduction mechanisms with HCN and NH3, so that the formed NO is converted back to N2.
  • the pyrolysis is therefore preferably carried out at high temperatures and low oxygen content.
  • Modern low-NOx burners also permit the use of low-volatility coals with a high degree of coalification, since rapid pyrolysis can be achieved even with these fuels by suitable design measures.
  • EP 2 172 706 A2 and EP 1 371 905 B1 also discloses the pre-gasification of the fuel by means of a plasma generator arranged in the burner, which is particularly applicable to difficult fuels with a low content of volatile constituents.
  • the fuel is pyrolyzed by means of a plasma before exiting the fuel channel mouth and ignited. This achieves stable ignition of the fuel with relatively low NO x emissions as well as a relatively low content of unburned constituents in the ash, even with difficult fuels.
  • a pulverized coal burner with plasma ignition device is also known from JP 2012 112549 A.
  • a generic method disclosed in WO 92/01194 A1 which method is suitable for the combustion of gaseous, liquid and solid fuels.
  • a plasma flame formed in a fuel delivery tube By means of a plasma flame formed in a fuel delivery tube, reduced NOx emissions are achieved in a staged combustion performed.
  • the plasma generating a plasma flame generator is supplied to a plasma generating device air or nitrogen as the plasma flame forming working gas.
  • the invention has for its object to provide a solution that allows further reduction of the resulting in the combustion of carbonaceous fuel NOx emissions.
  • this object is achieved in that the fuel stream in the burner side area of the fuel pyrolysis and / or fuel ignition and / or the area of a stable burner flame under the conditions of fuel pyrolysis and / or fuel combustion highly reactive radicals are supplied which are generated by means of the plasma generating device in this region or these areas of the power plant burner by supplying a working gas or additional gas forming this radical in the plasma generation region of the plasma generating device, wherein the plasma generating device oxidatively acting on the fuel working gas and / or additional gas, in particular air and / or Water vapor and / or oxygen and / or circulated flue gas and / or CO 2, and / or a working gas and / or additional gas which has a reductive effect on the fuel, in particular CH and / or coke oven gas and / or gout Gas and / or at least one further CO-containing gas, supplied and transferred to the plasma state is / are.
  • the respective combustion reactions and / or pyrolysis processes can be specifically improved both load-dependent and fuel-dependent by the generation and addition of necessary or beneficial radicals or ions. This reduces the resulting emissions. There are obtained improved combustion efficiency and burnout performance. In addition, flame stabilization is also evident under unfavorable conditions such as partial load, low stoichiometry, high water contents such as brown coal, low fuel concentration (lower ignition limit) or low volatile content such as anthracite. As a further advantage, NOx and CO reduction and, as a result, improved emission values can be determined.
  • the plasma flame generated in the plasma generation area of the plasma generating device can be used as a starting device for the burners of the main furnace.
  • the plasma generating device, and in particular its plasma generating region, are advantageously mounted close to the fuel nozzle of the power plant burner where the fuel is concentrated and the heating / pyrolysis is introduced and carried out for pyrolysis support in such a way that the physical and / or chemical reactions occurring there, ie in particular, the pyrolysis process is assisted by electrons and species generated in the plasma.
  • the plasma generation device and its plasma generation region are arranged and configured in the region of the actual ignition region and in the burnup region of the pyrolysis volatiles, in order to support the NOx reduction mechanisms in the flow direction of the fuel and at the same time improve the ignition location of the volatiles even under poor conditions define what is possible due to the additional reactivity provided by the plasma.
  • the invention is characterized in that the field of fuel pyrolysis and / or fuel combustion participating in the formation of NO highly reactive radicals are supplied by supplying these radicals forming and water vapor and / or, especially technical, pure oxygen-containing Working gas or additional gas in the plasma generation region of the
  • the highly reactive H, OH and / or O radicals are formed from the steam and / or oxygen transferred into the plasma state, which Increase formation and rate of formation, which is particularly important in pyrolysis processes in the combustion of dusty, carbonaceous fuel influence.
  • the aim is to use plasma generators in such a way that the NOx formation mechanisms are influenced in such a way that, in particular, the already low NOx emissions of a low-NOx burner are lowered even further.
  • a plasma with low thermal energy (Nnteertemperaturplasma) are used to keep energy consumption as low as possible.
  • the invention makes use of the fact that, according to the Miller and Fisk model, NO is formed from HCN mainly according to the following reaction pathway:
  • NO is formed from atomic nitrogen:
  • the formation of the stable triple bond between two nitrogen atoms from the nitrogen bound in the fuel is based on the reaction of two nitrogen species, e.g. according to: NO + N ⁇ -> H2 + O
  • nitrogen compounds such as NO must first be present, so that they can take place against the formation of NO precursors (HCN, NHi) from the fuel nitrogen slowly running reactions.
  • Rapid pyrolysis in the combustion process of powdered fuel in, for example, low NOx burners or plasma torches produces a high rate of NO primary formation via the reaction of NO precursors (mainly HCN) with O, H, and OH radicals.
  • NO precursors mainly HCN
  • O, H, and OH radicals mainly HCN
  • This NO primary formation rate is now increased beyond a rapid pyrolysis in that by means of the plasma additionally highly reactive radicals involved in NO formation are introduced into the combustion process with the aid of a plasma generator by the at least one existing plasma generator or at least one of the in the power plant burner existing plasma generator in particular steam or a water vapor-containing gas and / or, preferably technically pure, oxygen is supplied as working gas and / or additional gas and transferred to the plasma state, then depending on the gas used or gas mixture used O-, OH- and / or form H-radicals that promote and support NO formation.
  • NO precursors mainly HCN
  • O, H, and OH radicals mainly HCN
  • working gas is understood to mean, for example, the gas supplied to the plasma generation region, for example an arc, of a plasma generator, which gas then forms the plasma flame in the plasma state.
  • Additional gas refers to a gas that is supplied in addition to a working gas used.
  • air can be used as a working gas, in which case steam and / or oxygen are additionally used as additional gas, e.g. is / are supplied to the arc of a plasma generator.
  • the use of one or more plasma generator according to the invention also the principle of low-NOx combustion additionally supported in appropriately designed burners with stepped combustion air supply.
  • burners are round burners or jet burners, in which coal dust is conveyed in a primary air tube, for example with air as a carrier medium to the mouth of the primary pipe and then burned there with possibly externally supplied secondary and possibly Tertiäriuft.
  • a staged combustion can be carried out with the method according to the invention but also during the combustion of gaseous and / or liquid fuel in a swirl burner or round burner or jet burner.
  • the invention provides in an embodiment that the plasma generation region of the plasma generating device exclusively a water vapor and / or, especially technical, pure oxygen-containing gas mixture as a working gas or additional gas is supplied.
  • the invention is characterized in a further development by the fact that the Plasma generating device during the firing operation of
  • Power plant burner is permanently in operation.
  • the plasma generation region of the plasma generation device should advantageously be arranged and designed in such a way that it can influence the pyrolysis zone or the burner-side region of the fuel pyrolysis.
  • the invention therefore provides in a further development that the working gas and / or additional gas in the plasma generation region of the plasma generating device is a plasma flame generating and in the mouth region of a fuel nozzle, which is supplied from the burner inside a fuel stream, arranged electrodes is supplied.
  • the working gas and / or additional gas produce a plasma flame and burner inside the mouth end of a fuel delivery pipe and / or inside of the fuel nozzle in the mouth forming or comprehensive end portion and / or on the outside of the fuel nozzle in the mouth or extensive end region arranged electrodes of the plasma generating device is supplied.
  • a plurality of electrodes or electrode pairs may be arranged at different of the listed positions.
  • a swirl burner offer as possible positions for the arrangement of electrodes and the associated positioning of the plasma flame, the arrangement burner inside a burner tube, but outside the core air supply and / or the arrangement torerau touch matter outside or on the fuel nozzle in the region of a stepped combustion there fed secondary air and / or the arrangement on the burner inside the fuel nozzle.
  • the inventive method is also characterized in another embodiment in that the power plant burner is fed to a pulverulent fuel stream and is pyrolyzed in this or a gaseous fuel or a liquid fuel or mixtures of these fuels is / are supplied.
  • liquid fuel can be fuel oil act.
  • Gaseous fuels are, for example, CO- or CH-rich gas, such as coke oven gas, blast furnace gas or landfill gas.
  • CO- or CH-rich gas such as coke oven gas, blast furnace gas or landfill gas.
  • hard coal (SK) hard coal
  • lignite (BK) lignite
  • TBK dry lignite
  • BM biomass
  • torrefied biomass secondary fuels - So - called RDF - Refuse Derived Fuels - or sewage sludge or mixtures of these fuels find use.
  • the invention furthermore provides that the highly reactive radicals supporting combustion stability and flame stability in a swirl burner and / or a round burner and / or a jet burner the plasma generating device are generated and supplied to the range of fuel pyrolysis and / or fuel ignition and / or the area of a stable burner flame of the respective power plant burner.
  • the invention further provides that the fuel stream is combusted by means of the power plant burner under staged oxidant supply, in particular air supply ,
  • the plasma is generated by the plasma generating means electrically by means of an arc, which the invention also provides.
  • the method according to the invention can be realized in an advantageous manner, in particular in the case of a low-temperature plasma.
  • the invention is therefore also distinguished by the fact that a low-temperature plasma is generated by the plasma-generating device.
  • a particularly useful embodiment for the supply of the working gas or the additional gas according to the invention consists in that the working gas and / or additional gas in the plasma generation region of the Plasma generating device, an orifice portion of the fuel nozzle, the plasma flame-generating electrodes is supplied, which are arranged the fuel nozzle within the core air tube.
  • the fuel pyrolysis and / or fuel ignition takes place in the mouth region of the fuel nozzle, which the invention also provides.
  • Fig. 2-5 in a schematic representation possible positioning of the electrodes of a plasma generating device and the respective orientation of the plasma flame generated thereby and in
  • Figures 2 - 5 show a schematic sectional view of a designed as a round burner power plant burner 4, which is designed as a low-NOx - burner and allows a staged combustion of fuel.
  • the power plant burner 4 a core air tube 5. This is concentrically surrounded by a primary air pipe 6 or fuel delivery pipe.
  • a primary air pipe 6 or fuel delivery pipe In the conveying cross section 7 of the pulverized coal fuel stream is conveyed as fuel by means of air as a carrier gas.
  • the primary air pipe 6 is formed in the form of a fuel nozzle 8, which forms the mouth opening of the primary air pipe 6 with a stabilizing ring 9 pointing radially inward.
  • the primary air tube 6 is surrounded by a secondary air tube 10 by means of which secondary air is introduced into the mass flow emerging from the mouth of the primary air tube 6 (stabilizing ring 9) or the flame already formed here after the ignition of the fuel (pulverized coal) , Finally, for the supply of tertiary air, a tertiary air tube 11 arranged concentrically with the tubes 6 and 10 is present.
  • the round burner 4 is embedded in the wall 12 of the combustion chamber 13 of a steam generator of a large power plant.
  • FIGS. 2-5 show various positions for the formation of a respective plasma flame 1, in which the fuel flow conveyed in each case through the delivery cross-section 7 comes into contact with the plasma flame.
  • the two illustrated plasma flames 1 are formed on the inside of the mouth-side end of the core air tube 5 with alignment on the stabilizing ring 9 and thus on the burner side region of the fuel pyrolysis and / or fuel ignition of the pulverized coal fuel stream.
  • a channel-shaped supply line 14 for the there essentially characterized by the plasma flame 1 plasma generating region there and two electrodes comprehensive, but not shown in Figures 2-5 plasma generating device 2 for generating the respective plasma flame 1 supplied working gas.
  • FIG. 1 the embodiment according to FIG.
  • the plasma flames 1 are located on the outside of the fuel nozzle 8 in the latter positioned secondary air aligned with orientation in the flow direction of the secondary air.
  • the plasma flame 1 are also outside the fuel nozzle 8 in the secondary air flowing there, but with alignment in the out of the surrounding of the stabilizing ring 9 mouth of the primary air pipe 6 fuel stream or in which here after its ignition forming Burner flame positioned inside.
  • the plasma flame 1 are arranged in the region of a stable burner flame and aligned therewith.
  • FIGS. 6-9 show exemplary embodiments in which the plasma-generating device 2 is arranged, preferably within the core-air tube 5, such that the plasma-generating region covered by it forms a plasma flame 1 extending from the mouth-side end of the core air tube 5 through the plasma jet the stabilizing ring 9 bounded mouth opening of the primary air pipe 6 extends in the direction of the combustion chamber 13.
  • the plasma flame 1 remains in its longitudinal extension within the longitudinal extension region of the conically widening guide plate 15 -as in the exemplary embodiments according to FIGS. 2-5.
  • the plasma flame is located centrally on the longitudinal axis of the power station burner 4 formed with a substantially paraxial orientation.
  • the plasma flame 1 is formed in the lower region of the core air tube 5 with obliquely inclined upward on the longitudinal axis of the power plant burner 4 aligned orientation.
  • FIG. 8 shows the configuration opposite thereto in the upper region of the core air tube 5.
  • the plasma flame 9 is again in the upper region of the core air tube 5 above the burner longitudinal axis, but is now formed parallel to the axis. Even if it is provided in particular that the plasma flame generated by means of the plasma generating device 2 continuously after the initial ignition takes place in the subsequent permanent firing operation of a power plant burner 4, it is also within the scope of the invention, the plasma flame - possibly exclusively - for the ignition of the fuel to use in the burner.

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Abstract

Zur Ermöglichung einer weiteren Absenkung der bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff entstehenden NOx-Emissionen bei einem Verfahren zur Verbrennung kohlenstoffhaltigen Brennstoffs mittels eines Kraftwerksbrenners (4) eines Dampferzeugers unter gestufter Zuführung eines sauerstoffhaltigen Oxidationsmittels und unter Erzeugung eines Plasmas im brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung mittels einer Plasmaerzeugungsvorrichtung, insbesondere während des dauerhaften Feuerungsbetriebes oder während des Anfahrbetriebs des Kraftwerksbrenners (4) wird vorgeschlagen, dass dem Brennstoffstrom in dem brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung und/oder dem Bereich einer stabilen Brennerflamme unter den Bedingungen der Brennstoffpyrolyse und/oder der Brennstoffverbrennung hochreaktive Radikale zugeführt werden, die mittels der Plasmaerzeugungsvorrichtung in diesem Bereich oder diesen Bereichen des Kraftwerkbrenners (4) durch Zuführung eines diese Radikale bildenden Arbeitsgases oder Zusatzgases in den Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung erzeugt werden, wobei der Plasmaerzeugungsvorrichtung ein oxidativ auf den Brennstoff wirkendes Arbeitsgas und/oder Zusatzgas, insbesondere Luft und/oder Wasserdampf und/oder Sauerstoff und/oder zirkuliertes Rauchgas und/oder CO2, und/oder ein reduktiv auf den Brennstoff wirkendes Arbeitsgas und/oder Zusatzgas, insbesondere CH4 und/oder Koksofengas und/oder Gichtgas und/oder mindestens ein weiteres CO-haltiges Gas, zugeführt und in den Plasmazustand überführt wird/werden.

Description

Verfahren zur Verminderung von NOx-Emissionen bei der Verbrennung von
staubförmigem Brennstoff
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Verbrennung kohlenstoffhaltigen Brennstoffs mittels eines Kraftwerksbrenners eines Dampferzeugers unter gestufter Zuführung eines sauerstoffhaltigen Oxidationsmittels und unter Erzeugung eines Plasmas im brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung mittels einer Plasmaerzeugungsvorrichtung, insbesondere während des dauerhaften Feuerungsbetriebes des Kraftwerksbrenners.
In Kraftwerksbrennern von Dampferzeugern werden flüssige, gasförmige oder feste, staubförmige Brennstoffe verbrannt. Die jeweilige Verbrennung und Flammenbildung verläuft nicht immer stabil, wodurch sich Schwankungen in den Emissionswerten ergeben. Es besteht daher Interesse an Verfahren zur Verbesserung der Flammen- und Verbrennungsstabilität bei solchen Kraftwerksbrennern. Insbesondere gilt dies für sogenannte Drailbrenner, wie den DS®-Brenner der Anmelderin, sowie Rund- und Strahlbrenner.
Bei Staubfeuerungen kommen in Kraftwerksbrennern Brennstoffe wie Steinkohle, Braunkohle oder Biomasse, aber auch Ersatzbrennstoffen und Klärschlamm sowie Mischungen aus all diesen erwähnten Brennstoffen in Dampferzeugern von Kraftwerken zum Einsatz.
Bei der Verbrennung dieser Brennstoffe in einer Staubfeuerung entstehende Stickoxide lassen sich auf verschiedene Weise reduzieren. Zum einen gibt es verschiedene Möglichkeiten der Rauchgasentstickung über selektive katalytische und nichtkatalytische Verfahren. Zum anderen besteht die Möglichkeit den Verbrennungsprozess so zu gestalten, dass geringe NOx-Emissionen auftreten. Eine Möglichkeit Stickoxidemissionen über die Gestaltung des Verbrennungsprozesses zu vermindern besteht darin, die Verbrennungsluft im Feuerraum stufenweise zur Verfügung zu stellen. Hierdurch wird in Teilen des Feuerraums eine reduzierende Atmosphäre geschaffen. Auf diese Weise wird unter anderem der Zeldovich-Mechanismus (thermische NOx-Bildung), also di C .dation des in der Verbrennungsluft dem üblichen Oxidationsmittel bei der Verbrennung - vorhandenen Stickstoffs bei hohen Temperaturen, erschwert.
Darüber hinaus bilden sich Stickoxide aus dem im Brennstoff organisch gebundenen Stickstoff. Diese Form der NOx-Entstehung ist insbesondere bei festen Brennstoffen relevant, da beispielsweise Erdgas keinen organisch gebundenen Stickstoff enthält. Feste Brennstoffe enthalten flüchtige Bestandteile, die durch Wärme freigesetzt werden können. Diese flüchtigen Bestandteile können Wasserdampf, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und aliphatische sowie aromatische Kohlenwasserstoffe sein. Dieser Vorgang wird Pyrolyse genannt. Der Pyrolysevorgang ist für die Zündung von festen, staubförmigen Brennstoffen von entscheidender Bedeutung, da zunächst die durch Wärme freigesetzten, flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs verbrennen, d.h. unter Energieabgabe oxidiert werden. Der Pyrolyse- und Zündprozess der flüchtigen Bestandteile stellt somit den Beginn des Verbrennungsprozesses dar. Während der fortschreitenden Verbrennung der aus dem Brennstoff ausgasenden flüchtigen Bestandteile, beginnt auch die Verbrennung des im Brennstoff fix enthaltenen Kohlenstoffs. Bei vollständig entgasten Brennstoffteilchen spricht man auch von Koks oder Restkoks. Die Koksverbrennung schließt sich in der Regel der Verbrennung der flüchtigen Bestandteile an, findet aber auch bereits parallel dazu statt. Nach der Freisetzung der im Brennstoff enthaltenen flüchtigen Bestandteile zerbricht jedes Kokspartikel bei der Verbrennung in eine Anzahl feiner und grober Aschepartikel, die entweder mit dem Rauchgas aus dem Feuerraum transportiert werden oder sich am Boden bzw. auf der Oberfläche des Feuerraums und seiner Einbauten ablagern. Der organisch gebundene Stickstoff fester Brennstoffe verteilt sich sowohl auf die flüchtigen Bestandteile als auch auf den fixen Kohlenstoff (Koks). Die Verteilung des Stickstoffs auf Flüchtige und fixen Kohlenstoff ist abhängig vom Brennstoff und kann ungleichmäßig sein. Die Bildung von NO aus im Brennstoff gebundenem Stickstoff ist nicht vollständig geklärt. Es gibt jedoch vereinfachte Modelle, die auch eine mathematische Beschreibung der NO-Bildung bzw. -reduktion erlauben. Hierbei wird zwischen dem Stickstoff der flüchtigen Bestandteile und dem im Koks gebundenen Stickstoff unterschieden. Als wichtigste NO-Präkursoren werden Ammoniak (Nhb) und Cyanwasserstoff (HCN) angesehen. Smoot und Smith nehmen an, dass der gesamte im Koks gebundene Stickstoff zunächst zu HCN oder NHa und anschließend teilweise zu NO umgesetzt wird, wie dies der nachstehend dargestellt ist.
Figure imgf000005_0001
Lockwood und Romo-Millanes gehen davon aus, dass der im Koks gebundene Stickstoff direkt zu NO umgesetzt wird, wie dies nachstehend dargestellt ist.
Figure imgf000005_0002
Die Bildung von HCN bzw. NH3 aus dem in den flüchtigen Bestandteilen vorhandenen Stickstoff ist abhängig von der Pyrolyserate der flüchtigen Bestandteile und damit von allen Größen, von denen die Pyrolyserate abhängig ist (Aufheizrate, Temperatur). Die NO-Präkursoren werden mit Hilfe von reaktiven Sauerstoffspezies (Sauerstoff- und OH-Radikale) sehr schnell zu NO umgesetzt. Die Reduktion von NO zu molekularem Stickstoff mit Hilfe der NO-Präkursoren verläuft gemäß nachstehend dargestelltem Mechanismus im Vergleich langsamer ab.
Figure imgf000006_0001
Es ist bekannt, dass bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit niedrigem Inkohlungsgrad (Biomassen, Torf, Braunkohle) anhand der oben genannten Modelle mehr NHs als HCN entsteht während bei Brennstoffen mit hohem Inkohlungsgrad der Anteil an sich bildendem HCN deutlich höher ist als der des NH3. Gebildetes NO wird zudem an der Oberfläche des Kokses auch wieder zu Stickstoff reduziert.
Dieses Verständnis der NO-Bildungsmechanismen hat zur Entwicklung von Kohlenstaubbrennern für niedrige NOx-Emissionen (sog. Low-NOx-Brenner) geführt. Diese Brenner verfügen im Wesentlichen über eine Luftstufung der am Brenner aufgegebenen Verbrennungsluft, wobei der für die Verbrennung verfügbare Sauerstoff während der Pyrolysephase niedrig gehalten wird.
Ein weiteres wesentliches Merkmal solcher Brenner besteht darin, dass die Pyrolyse des Brennstoffs bei möglichst hohen Aufheizraten und Temperaturen durchgeführt wird. Die Pyrolyse wird derart beschleunigt, dass möglichst viele flüchtige Bestandteile inklusive des in ihnen gebundenen Stickstoffs möglichst schnell aus dem Brennstoff austreten. Durch diese erhöhte Stickstofffreisetzung gemeinsam mit der Freisetzung flüchtiger Bestandteile wird zunächst eine hohe NO-Bildung begünstigt (hohe NO-Primärbildungsrate). Dies ermöglicht anschließend die Ausnutzung der (langsameren) Reduktionsmechanismen mit HCN und NH3, so dass das gebildete NO wieder zu N2 umgesetzt wird. Die Pyrolyse wird daher bevorzugt bei hohen Temperaturen und niedrigem Sauerstoffgehalt durchgeführt. Moderne Low-NOx-Brenner erlauben auch den Einsatz von niederflüchtigen Kohlen mit hohem Inkohlungsgrad, da durch geeignete konstruktive Maßnahmen auch bei diesen Brennstoffen eine schnelle Pyrolyse erreicht werden kann.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der EP 2 172 706 A2 und der EP 1 371 905 B1 , ist zudem die Vorvergasung des Brennstoffs mittels eines im Brenner angeordneten Plasmaerzeugers bekannt, was insbesondere bei schwierigen Brennstoffen mit niedrigem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen) Anwendung findet. Hierbei wird der Brennstoff mit Hilfe eines Plasmas vor Austritt aus der Brennstoffkanalmündung pyrolysiert und entzündet. Dadurch wird auch bei schwierigen Brennstoffen eine stabile Zündung des Brennstoffs mit relativ niedrigen NOx-Emissionen sowie einem relativ niedrigen Gehalt an unverbrannten Bestandteilen in der Asche erreicht.
Der Einsatz von außerhalb des Brennstoffkanals angeordneten Plasmaerzeugern bei Kraftwerksbrennern zur Zündung des Brennstoffes, wobei der Brennstoff außerhalb der Brennstoffkanalmündung mit dem Plasma in Kontakt kommt, ist aus der DE 10 2011 056 655 B4 bekannt. Dies geschieht, um die initiale Entzündung des festen Brennstoffs ohne den Einsatz von teuren gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen durchführen zu können und damit eine Flexibilisierung von Staubfeuerungen zu erreichen.
Ein Kohlenstaubbrenner mit Plasmazündeinrichtung ist auch aus der JP 2012 112549 A bekannt.
Ein gattungsgemäßes Verfahren offenbart die WO 92/01194 A1 , wobei dieses Verfahren für die Verbrennung gasförmiger, flüssiger und fester Brennstoffe geeignet ist. Mittels einer in einem Brennstoffförderrohr ausgebildeten Plasmaflamme werden bei einer gestuft durchgeführten Verbrennung verminderte NOx-Emissionen erreicht. Hierbei wird den eine Plasmaflamme erzeugenden Elektroden einer Plasmaerzeugungseinrichtung Luft oder Stickstoff als die Plasmaflamme ausbildendes Arbeitsgas zugeführt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die eine weitere Absenkung der bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff entstehenden NOx-Emissionen ermöglicht.
Bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Brennstoffstrom in dem brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung und/oder dem Bereich einer stabilen Brennerflamme unter den Bedingungen der Brennstoffpyrolyse und/oder der Brennstoffverbrennung hochreaktive Radikale zugeführt werden, die mittels der Plasmaerzeugungsvorrichtung in diesem Bereich oder diesen Bereichen des Kraftwerkbrenners durch Zuführung eines diese Radikale bildenden Arbeitsgases oder Zusatzgases in den Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung erzeugt werden, wobei der Plasmaerzeugungsvorrichtung ein oxidativ auf den Brennstoff wirkendes Arbeitsgas und/oder Zusatzgas, insbesondere Luft und/oder Wasserdampf und/oder Sauerstoff und/oder zirkuliertes Rauchgas und/oder C02, und/oder ein reduktiv auf den Brennstoff wirkendes Arbeitsgas und/oder Zusatzgas, insbesondere CH und/oder Koksofengas und/oder Gichtgas und/oder mindestens ein weiteres CO-haltiges Gas, zugeführt und in den Plasmazustand überführt wird/werden. Aufgrund der Einbringung von in dem Plasma entstehenden Radikalen, Ionen und freien Elektronen in den Bereich der sich bei der Verbrennung des jeweiligen Brennstoffs in dem jeweiligen Brenner ausbildenden Hauptverbrennungszone, die durch den Bereich einer stabilen Brennerflamme gekennzeichnet ist, und/ oder in den sich ausbildenden Bereich der Pyrolysezone und/oder in den sich ausbildenden Bereich der Brennstoffzündung werden die bei diesen Prozessen ablaufenden Reaktionsvorgänge beschleunigt und effizienter gestaltet, was zu einer weiteren Minderung der Emissionen führt. Insbesondere wird dadurch die Verbrennung in Drallbrennern , Rundbrennern und Strahlbrennern verbessert. Durch gezielte Auswahl und/oder Mischung der verschiedenen erfindungsgemäßen Bestandteile des Arbeitsgases oder Zusatzgases lassen sich die jeweiligen Verbrennungsreaktionen und/oder Pyrolyseprozesse sowohl lastabhängig als auch brennstoffabhängig gezielt durch die Erzeugung und Zugabe notwendiger oder förderlicher Radikale oder Ionen verbessern. Hierdurch werden die entstehenden Emissionen vermindert. Es werden eine verbesserte Verbrennungseffizienz und ein verbessertes Ausbrandergebnts erhalten. Außerdem zeigt sich eine Flammenstabilisierung auch bei ungünstigen Bedingungen wie Teillast, einer niedrige Stöchiometrie, einem hohen Wassergehalte wie z.B. bei Braunkohle, einer niedrigen Brennstoffkonzentration (untere Zündgrenze) oder einem niedrigen Anteil an flüchtigen Bestandteilen wie z.B. bei Anthrazit. Als weiterer Vorteil sind einen NOx- und eine CO- Minderung und daraus resultierend verbesserte Emissionswerte festzustellen. Zudem kann die im Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungseinrichtung erzeugte Plasmaflamme als Starteinrichtung für die Brenner der Hauptfeuerung eingesetzt werden. Die Plasmaerzeugungseinrichtung und insbesondere deren Plasmaerzeugungsbereich werden vorteilhafterweise in der Nähe der Brennstoffdüse des Kraftwerksbrenners, wo der Brennstoff konzentriert vorliegt und die Aufheizung/Pyrolyse eingeleitet und durchgeführt wird, zur Pyrolyseunterstützung in der Art angebracht, dass die dort ablaufenden physikalischen und/oder chemischen Reaktionen, d.h. insbesondere der Pyrolyseprozess, durch im Plasma entstehende Elektronen und Spezies unterstützt wird/werden. Insbesondere sind die Plasmaerzeugungseinrichtung und deren Plasmaerzeugungsbereich im Bereich der eigentlichen Zündregion und im Abbrandbereich der bei der Pyrolyse entstehenden Flüchtigen angeordnet und ausgebildet, um die NOx-Minderungsmechanismen in Strömungsrichtung des Brennstoffes ab da zu unterstützen und gleichzeitig den Zündort der Flüchtigen auch bei schlechten Bedingungen besser zu definieren, was aufgrund der durch das Plasma bereitgestellten zusätzlichen Reaktivität möglich ist. In Ausgestaltung zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass dem Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder der Brennstoffverbrennung an der NO-Bildung beteiligte hoch reaktive Radikale zugeführt werden, die durch Zuführung eines diese Radikale bildenden und Wasserdampf und/oder, insbesondere technisch, reinen Sauerstoff enthaltenden Arbeitsgases oder Zusatzgases in den Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung und die Überführung des jeweiligen Gases in den Plasmazustand erzeugt werden, Durch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus dem in den Plasmazustand überführten Wasserdampf und/oder Sauerstoff die hochreaktiven H-, OH- und/oder O- Radikale gebildet, die die NO- Bildung und Bildungsrate erhöhen, was insbesondere bei Pyrolysevorgängen bei der Verbrennung von staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff von Einfluss ist. In diesem Fall wird darauf abgezielt, Plasmaerzeuger so einzusetzen, dass die NOx-Bildungsmechanismen derart beeinflusst werden, dass insbesondere auch die bereits niedrigen NOx-Emissionen eines Low-NOx-Brenners noch weiter gesenkt werden. Dabei kann ein Plasma mit niedriger thermischer Energie (Ntedertemperaturplasma) zum Einsatz kommen, um den Energieverbrauch möglichst gering zu halten.
Hierbei macht sich die Erfindung zu Nutze, dass gemäß dem Modell von Miller und Fisk NO aus HCN hauptsächlich gemäß folgendem Reaktionsweg gebildet wird:
HCN + O <»> NGO + H
NGO + H <--> NH + CO
NH + H <--> N + H2
Aus dem atomaren Stickstoff wird NO gebildet:
N + OH <--> NO + H
N + O2 <--> NO + O
Die Entstehung der stabilen Dreifachbindung zwischen zwei Stickstoffatomen aus dem im Brennstoff gebundenen Stickstoff erfolgt anhand der Reaktion zweier Stickstoff-Spezies, z.B. gemäß: NO + N <--> H2 + O
NH + N <-> N2 + H
NO + NH <--> NzO + H
NO + NH? <-> N2 + H2O
NO + NH?. <--> N2 H 1 « .1 1 NO + NH2 <--> N20 + H2
Für die Bildung von stabilen Stickstoffverbindungen (mit Dreifachbindung) müssen also zunächst Stickstoffverbindungen wie NO vorliegen, damit diese gegenüber der Bildung von NO-Präkursoren (HCN, NHi) aus dem Brennstoffstickstoff langsam verlaufenden Reaktionen stattfinden können.
Durch die schnelle Pyrolyse bei dem Verbrennungsvorgang von staubförmigem Brennstoff in beispielsweise Low-NOx-Brennern oder bei Plasmabrennern entsteht eine hohe NO-Primärbildungsrate über die Reaktion von NO-Präkursoren (hauptsächlich HCN) mit O-, H- und OH-Radikalen. Diese NO-Primärbildungsrate wird nun über eine schnelle Pyrolyse hinausgehend dadurch erhöht, dass mittels des Plasma zusätzlich gezielt an der NO-Entstehung beteiligte hochreaktive Radikale mit Hilfe eines Plasmaerzeugers in den Verbrennungsprozess eingebracht werden, indem dem mindestens einen vorhandenen Plasmaerzeuger oder mindestens einem der am oder im Kraftwerksbrenner vorhandenen Plasmaerzeuger insbesondere Wasserdampf oder ein wasserdampfhaltiges Gas und/oder, vorzugsweise technisch reiner, Sauerstoff als Arbeitsgas und/oder Zusatzgas zugeführt und in den Plasmazustand überführt wird, wobei sich dann je nach eingesetztem Gas oder eingesetzter Gasmischung O-, OH- und/oder H-Radikale bilden., die die NO-Bildung fördern und unterstützen.
Mit Arbeitsgas wird im Rahmen dieser Beschreibung das beispielsweise dem Plasmaerzeugungsbereich, beispielsweise einem Lichtbogen, eines Plasmaerzeugers zugeführte Gas bezeichnet, das dann im Plasmazustand die Plasmaflamme ausbildet. Mit Zusatzgas wird ein Gas bezeichnet, dass zusätzlich zu einem eingesetzten Arbeitsgas zugeführt wird. Beispielsweise kann Luft als Arbeitsgas Verwendung finden, wobei dann Wasserdampf und/oder Sauerstoff zusätzlich als Zusatzgas z.B. dem Lichtbogen eines Plasmaerzeugers zugeführt wird/werden.
In einem Plasma liegen je nach Zusammensetzung des zugeführten (Arbeits)Gases bei einem Verbrennungsprozess hochreaktive Radikale vor. Wird Wasserdampf als Gas in den Plasmazustand gebracht, entstehen die an der NO-Primärbildung beteiligten Wasserstoff- und Hydroxyl-Radikale. Wird Sauerstoff als in den Plasmazustand zu versetzendes Gas eingesetzt, entstehen Sauerstoff-Radikale. Ein weiterer Vorteil bei der Nutzung von Wasserdampf oder Sauerstoff als Gase für die Plasmaerzeugung besteht darin, dass im Gegensatz zur Nutzung von Luft verhindert wird, dass aufgrund der auch in einem Niedertemperatur-Plasma vorherrschenden hohen Temperaturen zusätzlich NO gebildet wird. Das gebildete NO steht dann für die oben gezeigten Reaktionen zur Bildung von dreifachgebundenem, molekularem Stickstoff zur Verfügung. Da, insbesondere feste, Brennstoffe mit Hilfe eines Plasmas auch gezündet werden können, da dieses die Pyrolyse des festen Brennstoffes unterstützt und die damit verbundene Freisetzung flüchtiger Bestandteile beschleunigt, wird durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines oder mehrerer Plasmaerzeuger auch das Prinzip der Low-NOx-Verbrennung in entsprechend ausgestalteten Brennern mit gestufter Verbrennungsluftzuführung zusätzlich unterstützt. Bei derartigen Brennern handelt es sich um Rundbrenner oder Strahlbrenner, bei welchen in einem Primärluftrohr Kohlenstaub beispielsweise mit Luft als Trägermedium zur Mündung des Primärrohres gefördert und dort dann mit ggf. außerhalb zugeführter Sekundär- und ggf. Tertiäriuft verbrannt wird. Eine gestufte Verbrennung kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aber auch bei der Verbrennung von gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff in einem Drallbrenner oder Rundbrenner oder Strahlbrenner durchgeführt werden.
Da ein besonders vorteilhafter Effekt erreicht wird, wenn sowohl Wasserdampf als auch Sauerstoff in den Plasmazustand überführt werden, sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, dass dem Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung ein ausschließlich Wasserdampf und/oder, insbesondere technisch, reinen Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch als Arbeitsgas oder Zusatzgas zugeführt wird.
Um den durch die Erfindung bewirkten Effekt der verbesserten, d. h. verminderten, NOx-Bildung nicht ausschließlich bei der Zündung des Brennstoffs sondern während des gesamten Feuerungsbetriebes des Kraftwerksbrenners aufrecht zu erhalten, zeichnet sich die Erfindung in Weiterbildung dadurch aus, dass die Plasmaerzeugungsvorrichtung während des Feuerungsbetriebes des
Kraftwerksbrenners dauerhaft in Betrieb gehalten wird.
Um insbesondere bei festen, staubförmigen Brennstoffen die vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausnutzen zu können, sollte der Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung vorteilhafterweise so angeordnet und ausgebildet sein, dass damit Einfluss auf die Pyrolysezone oder den brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse genommen werden kann. Die Erfindung sieht daher in Weiterbildung vor, dass das Arbeitsgas und/oder Zusatzgas im Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung eine Plasmaflamme erzeugenden und im Mündungsbereich einer Brennstoffdüse, welcher von der Brennerinnenseite ein Brennstoffstrom zugeführt wird, angeordneten Elektroden zugeführt wird. Hierbei ist es dann besonders zweckmäßig, wenn das Arbeitsgas und/oder Zusatzgas eine Plasmaflamme erzeugenden und brennerinnenseitig am Mündungsende eines Brennstoffförderrohres und/oder innenseitig an der Brennstoffdüse in deren die Mündung ausbildenden oder umfassenden Endbereich und/oder außenseitig an der Brennstoffdüse in deren die Mündung ausbildenden oder umfassenden Endbereich angeordneten Elektroden der Plasmaerzeugungsvorrichtung zugeführt wird.
Hierbei können auch mehrere Elektroden oder Elektrodenpaare an verschiedenen der aufgeführten Positionen angeordnet sein. Bei einem Drallbrenner bieten sich als mögliche Positionen für die Anordnung von Elektroden und die damit einhergehende Positionierung der Plasmaflamme die Anordnung brennerinnenseitig innerhalb eines Brennerrohres, aber außerhalb der Kernluftzufuhr und/oder die Anordnung brenneraußenseitig außen auf oder an der Brennstoffdüse im Bereich der bei einer gestuften Verbrennung dort zugeführten Sekundärluft und/oder die Anordnung brennerinnenseitig an der Brennstoffdüse an. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich in weiterer Ausgestaltung auch dadurch aus, dass dem Kraftwerksbrenner ein staubförmiger Brennstoffstrom zugeführt und in diesem pyrolysiert wird oder ein gasförmiger Brennstoff oder ein flüssiger Brennstoff oder Mischungen aus diesen Brennstoffen zugeführt wird/werden. Bei flüssigem Brennstoff kann es sich beispielsweise um Heizöl handeln. Gasförmige Brennstoffe sind beispielsweise CO- oder CH - reiche Gas, wie Koksofengas, Hochofengas oder Deponiegas, Als feste staubförmige Brennstoffe können beispielsweise Steinkohle (SK), Braunkohle (BK), Trockenbraunkohle (TBK), Biomasse (BM), torrefizierte Biomasse, Sekundärbrennstoffe - sogenannte RDF - Refuse Derived Fuels - oder Klärschlamm oder Mischungen aus diesen Brennstoffen Verwendung finden.
Da das erfindungsgemäße Verfahren in Drallbrennem, Rundbrennern und Strahlbrennern besonders gut und effektiv zur Anwendung gebracht werden kann, sieht die Erfindung weiterhin vor, dass die die Verbrennungsstabilität und die Flammenstabilität unterstützenden hochreaktiven Radikale in einem Drallbrenner und/oder einem Rundbrenner und/oder einem Strahlbrenner mittels der Plasmaerzeugungsvorrichtung erzeugt und dem Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung und/oder dem Bereich einer stabilen Brennerflamme des jeweiligen Kraftwerkbrenners zugeführt werden.
Da das erfindungsgemäße Verfahren in Low-NOx-Brennern, die sich durch eine gestufte Zuführung von Oxidationsmittel und Verbrennung auszeichnen, besonders vorteilhaft Anwendung finden kann, sieht die Erfindung weiterhin vor, dass der Brennstoffstrom mittels des Kraftwerkbrenners unter gestufter Oxidationsmittelzuführung, insbesondere Luftzuführung, verbrannt wird.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das Plasma durch die Plasmaerzeugungseinrichtung elektrisch mittels eines Lichtbogens erzeugt wird, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
Unter Energiegesichtspunkten lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise insbesondere bei einem Niedertemperaturplasma realisieren. Die Erfindung zeichnet sich daher zudem dadurch aus, dass von der Plasmaerzeugungsvorrichtung ein Niedertemperaturplasma erzeugt wird.
Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung für die Zuführung des Arbeitsgases oder des Zusatzgases besteht gemäß Weiterbildung der Erfindung darin, dass das Arbeitsgas und/oder Zusatzgas im Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung ein Mündungsbereich der Brennstoffdüse die Plasmaflamme erzeugenden Elektroden zugeführt wird, die der Brennstoffdüse innerhalb des Kernluftrohres angeordnet sind. Für die Erzeugung einer stabilen Brennerflamme ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung im Mündungsbereich der Brennstoffdüse stattfindet, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
Schließlich ist es auch von Vorteil, wenn der Brennstoff mit der Plasmaflamme im Mündungsbereich der Brennstoffdüse in Kontakt kommt, wodurch sich die Erfindung weiterhin auszeichnet.
Die Erfindung ist nachstehend anhand eine Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 schematisch die erfindungsgemäße Unterstützung der NO-
Primärbildung,
Fig. 2 - 5 in schematischer Darstellung mögliche Positionierungen der Elektroden einer Plasmaerzeugungseinrichtung und die jeweilige Ausrichtung der dadurch erzeugten Plasmaflamme und in
Fig. 6-9 in schematischer Darstellung weitere mögliche Positionierungen der
Elektroden einer Plasmaerzeugungseinrichtung und die jeweilige Ausrichtung der dadurch erzeugten Plasmaflamme
Schematisch ist anhand der Figur 1 dargestellt, wie aus den in einem Kraftwerksbrenner 4 bei der Pyrolyse von in Form eines Kohlenstaubbrennstoffstroms zugeführtem Kohlenstaub entstehenden Flüchtigen gebildete Stickstoffverbindungen NHb und HCN im von einem Lichtbogen oder einer Plasmaflamme 1 gebildeten Plasmaerzeugungsbereich einer Plasmaerzeugungsvorrichtung 2 mittels dem Lichtbogen oder der Plasmaflamme 1 als Arbeitsgas 3 oder Zusatzgas zugeführtem Wasserdampf H2O und Sauerstoff O2 im Plasmazustand aus diesem Arbeitsgas 3 oder Zusatzgas gebildete O-, H- und OH-Radikale im Rahmen einer beschleunigten NO-Primärbildung zu NO umgesetzt werden. Dieses Stickstoffoxid NO wird dann nachfolgend wie üblich reduziert.
Die Figuren 2 - 5 zeigen in einer schematischen Schnittansicht einen als Rundbrenner ausgebildeten Kraftwerksbrenner 4, der als Low-NOx - Brenner ausgeführt ist und eine gestufte Verbrennung von Brennstoff ermöglicht. Zentral weist der Kraftwerksbrenner 4 ein Kernluftrohr 5 auf. Dieses ist konzentrisch von einem Primärluftrohr 6 oder Brennstoffförderrohr umgeben. In dessen Förderquerschnitt 7 wird der Kohlenstaubbrennstoffstrom als Brennstoff mittels Luft als Traggas gefördert. In seinem Mündungsbereich ist das Primärluftrohr 6 in Form einer Brennstoffdüse 8 ausgebildet, die mit einen radial nach innen weisenden Stabilisierungsring 9 die Mündungsöffnung des Primärluftrohres 6 ausbildet. Konzentrisch ist das Primärluftrohr 6 von einem Sekundärluftrohr 10 umgeben, mittels welchem in bekannter Art und Weise Sekundärluft in den aus der Mündung des Primärluftrohres 6 (Stabilisierungsring 9) austretenden Massenstrom bzw. die hier nach der Zündung des Brennstoffs (Kohlenstaubs) bereits gebildete Flamme eingebracht wird. Zur Zuführung von Tertiärluft ist schließlich noch ein konzentrisch zu den Rohren 6 und 10 angeordnetes Tertiärluftrohr 11 vorhanden. Der Rundbrenner 4 ist in die Wand 12 des Feuerraums 13 eines Dampferzeugers eines Großkraftwerks eingelassen.
In den Figuren 2 - 5 sind verschiedene Positionen für die Ausbildung einer jeweiligen Plasmaflamme 1 dargestellt, in welchen der jeweils durch den Förderquerschnitt 7 geförderte Brennstoffstrom mit der Plasmaflamme in Kontakt kommt. Bei der Ausführungsform nach der Figur 2 sind die beiden dargestellten Plasmaflammen 1 innen am mündungsseitigen Ende des Kernluftrohres 5 mit Ausrichtung auf den Stabilisierungsring 9 und damit im brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung des Kohlenstaubbrennstoffstroms ausgebildet. Hier endet eine kanalförmige Zuleitung 14 für das im dortigen, im Wesentlichen durch die Plasmaflamme 1 gekennzeichneten Plasmaerzeugungsbereich der dort ausgebildeten und zwei Elektroden umfassenden, aber in den Figuren 2 - 5 nicht näher dargestellten Plasmaerzeugungsvorrichtung 2 zur Erzeugung der jeweiligen Plasmaflamme 1 zugeführte Arbeitsgas. Bei der Ausführungsform nach der Figur 3 sind die Plasmaflammen 1 außenseitig an der Brennstoffdüse 8 in der dort strömenden Sekundärluft mit Ausrichtung in die Strömungsrichtung der Sekundärluft positioniert. Bei der Ausführungsform nach der Figur 4 sind die Plasmaflammen 1 ebenfalls außenseitig an der Brennstoffdüse 8 in der dort strömenden Sekundärluft, aber mit Ausrichtung in den aus der von dem Stabilisierungsring 9 umgebenen Mündung des Primärluftrohres 6 ausströmenden Brennstoffstrom oder in die sich hier nach dessen Zündung bildende Brennerflamme hinein positioniert. Insofern sind bei dieser Ausführungsform die Plasmaflammen 1 im Bereich einer stabilen Brennerflamme angeordnet und auf diese ausgerichtet. Bei der Ausführungsform nach der Figur 5 sind die Plasmaflammen 1 brennerinnenseitig an der Brennstoffdüse 8 in der dort strömenden Mischung aus Primärluft und Brennstoff mit Ausrichtung auf den Stabilisierungsring 9 oder die dort ausgebildete Mündungsöffnung des Primärluftrohres 6 positioniert. In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3-5 sind die jeweiligen kanalförmigen Zuleitungen 14 nicht dargestellt. In den Fig. 6-9 sind Ausführungsbeispiele dargestellt, in welchen die Plasmaerzeugungsvorrichtung 2 derart, vorzugsweise innerhalb des Kernluftrohres 5, angeordnet ist, dass der von dieser bestrichene Plasmaerzeugungsbereich eine Plasmaflamme 1 ausbildet, die sich ausgehend vom mündungsseitigen Ende des Kernluftrohres 5 durch die von dem Stabilisierungsring 9 umgrenzte Mündungsöffnung des Primärluftrohres 6 hinausgehend in Richtung des Feuerraumes 13 erstreckt. Hierbei bleibt die Plasmaflamme 1 aber - wie auch bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 2-5 - in ihrer Längserstreckung innerhalb des Längserstreckungsbereiches des sich konisch erweiternd ausgebildeten Leitbleches 15. Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 6 ist die Plasmaflamme zentral auf der Längsachse des Kraftwerksbrenners 4 mit im Wesentlichen achsparalleler Ausrichtung ausgebildet. Bei der Ausführungsform nach der Figur 7 ist die Plasmaflamme 1 im unteren Bereich des Kernluftrohres 5 mit schräg geneigt nach oben auf die Längsachse des Kraftwerksbrenners 4 zugerichteter Ausrichtung ausgebildet. Die Figur 8 stellt die dazu gegenteilige Ausbildung im oberen Bereich des Kernluftrohres 5 dar. Bei der Ausbildungsform nach der Fig. 9 befindet sich die Plasmaflamme 9 wiederum im oberen Bereich des Kernluftrohres 5 oberhalb der Brennerlängsachse, ist nun aber achsparallel ausgebildet. Auch wenn insbesondere vorgesehen ist, dass die mittels der Plasmaerzeugungsvorrichtung 2 erzeugte Plasmaflamme nach der zunächst erfolgenden Zündung kontinuierlich beim nachfolgenden dauerhaften Feuerungsbetrieb eines Kraftwerksbrenners 4 Anwendung findet, so liegt es auch im Rahmen der Erfindung die Plasmaflamme - ggf. ausschließlich - für die Zündung des Brennstoffs im Brenner zu nutzen.

Claims

Patentansprüche
1 , Verfahren zur Verbrennung kohlenstoffhaltigen Brennstoffs mittels eines
Kraftwerksbrenners (4) eines Dampferzeugers unter gestufter Zuführung eines sauerstoffhaltigen Oxidationsmittels und unter Erzeugung eines Plasmas im brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung mittels einer Plasmaerzeugungsvorrichtung (2), insbesondere während des dauerhaften Feuerungsbetriebes oder während des Anfahrbetriebs des Kraftwerksbrenners (4),
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Brennstoffstrom in dem brennerseitigen Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung und/oder dem Bereich einer stabilen Brennerflamme unter den Bedingungen der Brennstoffpyrolyse und/oder der Brennstoffverbrennung hochreaktive Radikale zugeführt werden, die mittels der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) in diesem Bereich oder diesen Bereichen des Kraftwerkbrenners (4) durch Zuführung eines diese Radikale bildenden Arbeitsgases (3) oder Zusatzgases in den Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) erzeugt werden, wobei der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) ein oxidativ auf den Brennstoff wirkendes Arbeitsgas (3) und/oder Zusatzgas, insbesondere Luft und/oder Wasserdampf und/oder Sauerstoff und/oder zirkuliertes Rauchgas und/oder CO2, und/oder ein reduktiv auf den Brennstoff wirkendes Arbeitsgas (3) und/oder Zusatzgas, insbesondere CH und/oder Koksofengas und/oder Gichtgas und/oder mindestens ein weiteres CO-haltiges Gas, zugeführt und in den Plasmazustand überführt wird/werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder der Brennstoffverbrennung an der NO-Bildung beteiligte hochreaktive Radikale zugeführt werden, die durch Zuführung eines diese Radikale bildenden und Wasserdampf und/oder, insbesondere technisch, reinen Sauerstoff enthaltenden Arbeitsgases (3) oder Zusatzgases in den Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) und die Überführung des jeweiligen Gases in den Plasmazustand erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasmaerzeugungsbereich der Piasmaerzeugungsvorrichtung (2) ein ausschließlich Wasserdampf und/oder, insbesondere technisch, reinen Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch als Arbeitsgas (3) oder Zusatzgas zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) während des Feuerungsbetriebes des Kraftwerksbrenners (4) dauerhaft in Betrieb gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas (3) und/oder Zusatzgas im Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) eine Plasmaflamme (1 ) erzeugenden und im Mündungsbereich einer Brennstoffdüse
(8), welcher von der Brennerinnenseite ein Brennstoffstrom zugeführt wird, angeordneten Elektroden zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas (3) und/oder Zusatzgas eine Plasmaflamme (1 ) erzeugenden und brennerinnenseitig am Mündungsende eines Brennstoffförderrohres und/oder innenseitig an der Brennstoffdüse (8) in deren die Mündung ausbildenden oder umfassenden Endbereich und/oder außenseitig an der Brennstoffdüse (8) in deren die Mündung ausbildenden oder umfassenden Endbereich angeordneten Elektroden der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kraftwerksbrenner (4) ein staubförmiger Brennstoffstrom zugeführt und in diesem pyrolysiert wird oder ein gasförmiger Brennstoff oder ein flüssiger Brennstoff oder Mischungen aus diesen
Brennstoffen zugeführt wird/werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Verbrennungsstabilität und die Flammenstabilität unterstützenden hochreaktiven Radikale in einem Drallbrenner und/oder einem
Rundbrenner und/oder einem Strahlbrenner mittels der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) erzeugt und dem Bereich der Brennstoffpyrolyse und/oder Brennstoffzündung und/oder dem Bereich einer stabilen Brennerflamme des jeweiligen Kraftwerkbrenners (4) zugeführt werden,
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffstrom mittels des Kraftwerkbrenners (4) unter gestufter Oxidationsmittelzuführung, insbesondere Luftzuführung, verbrannt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma durch die Plasmaerzeugungseinrichtung (2) elektrisch mittels eines Lichtbogens erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) ein Niedertemperaturplasma erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas (3) und/oder Zusatzgas im Plasmaerzeugungsbereich der Plasmaerzeugungsvorrichtung (2) im Mündungsbereich der Brennstoffdüse (8) die Plasmaflamme (1 ) erzeugenden Elektroden zugeführt wird, die innerhalb des Kernluftrohres (5) ausgebildet sind.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffpyrolyse und/oder die Brennstoffzündung im Mündungsbereich der Brennstoffdüse (8) stattfindet.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff, insbesondere Kohlenstaub, mit der
Piasmafiamme (1 ) im Mündungsbereich der Brennstoffdüse (8) in Kontakt kommt.
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