DE19503348A1

DE19503348A1 - Verringerung der NO¶x¶-Emissionen durch Verminderung der Stickstoffzufuhr in den Verbrennungsprozess

Info

Publication number: DE19503348A1
Application number: DE19503348A
Authority: DE
Inventors: Erhard Liebig; Michael Werner; Peter Huehnlein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-02-02
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 1996-08-08

Description

Entwicklung von Feuerungen für Industrieöfen und Dampferzeuger

Bei Hochtemperaturprozessen werden oftmals aus verfahrenstechnischen aber auch aus traditionellen Gründen fossile Feuerungen eingesetzt. Dabei sind wegen der geforderten Prozeßtemperaturen Flammentemperaturen weit oberhalb 1000°C erforderlich. Diese Temperaturen können auch in großvolumigen Flammen erreicht werden, die mit "kalter" Verbrennungsluft arbeiten. Die Forderung nach höheren Wirkungsgraden hat aber schon seit vielen Jahrzehnten zu Feuerungen mit Luftvorwärmern geführt, die entweder rekuperativ oder regenerativ sein können. Die hiermit erreichte Vorwärmung führt zu höheren Reaktionsgeschwindigkeiten in der Flamme und damit auch zu Temperaturspitzen, die in Verbindung mit den aus der Verbrennungstechnik wohlbekannten Mechanismen zu einer erhöhten Stickoxidbildung führen.

Mechanismen der Stickoxidbildung

Es gibt eine Vielzahl technischer Anlagen, in denen besonders hohe Temperaturen im Feuerraum gefordert werden und in Abhängigkeit der Leistungsgröße behördlich vorgegebene NO_x-Grenzwerte nicht oder nur mit großem Aufwand eingehalten werden können.

Folgende Mechanismen der Stickoxidbildung werden unterschieden:

- Reaktion von atomarem Sauerstoff mit Luft-Stickstoff (Thermisches NO)
- Reaktion von Brennstoffradikalen mit molekularem Stickstoff (Promtes NO)
- Reaktion von im Brennstoff enthaltenen Stickstoffverbindungen mit Sauerstoff (Brennstoff-NO).

Ohne die bekannten Abläufe der NO_x-Bildungsmechanismen im Detail aus verschiedener Fachliteratur zu wiederholen, tritt in Feuerräumen mit Temperaturspitzen oberhalb von 1300°C die thermische NO_x-Bildung in den Vordergrund. D.h. der mit der Verbrennungsluft eingebrachte Stickstoff wird bei hoher Temperatur zum Teil in Stickoxide umgewandelt, über weitgehend bekannte Reaktionsmechanismen.

Stand der Technik der NO_x-Minderungsmaßnahmen

Daraus lassen sich die bereits bekannten und dem Stand der Technik entsprechenden NO_x-Minderungsmaßnahmen ableiten:

I. Den Luftüberschuß in der Feuerung absenken, damit nur wenig Sauerstoff für die Stickoxidbildung zur Verfügung steht.
II. Eine Rauchgasrezirkulation führt zur Flammenkühlung und Sauerstoff verminderung in der Verbrennungsluft, wodurch die Stickoxidbildung durch Vermeidung von Temperaturspitzen verringert wird.
III. Gestufte Verbrennungsluftzufuhr bzw. Brennstoffzufuhr in die Flammen führt ebenfalls zum Abbau von Temperaturspitzen und damit zu geringerer Stickoxidbildung.
IV. Absenken der Verbrennungslufttemperatur zum Kühlen der Flamme.
V. Durch Ammoniak- oder Harnstoffeindüsung können Stickoxide zu Stickstoff und Wasserdampf reduziert werden (selektive nicht-katalytische Reduktion).
VI. Wo die o.g. Primärmaßnahmen nicht möglich oder nicht ausreichend sind, wird bevorzugt die selektive katalytische Reduktion (SCR) eingesetzt, um Stickoxide mit Ammoniak zu Stickstoff und Wasser umzusetzen.

Alle diese Maßnahmen dienen der NO_x-Minderung durch sauerstoffarme Verbrennung bei Vermeidung von Temperaturspitzen in der Flamme (I. bis IV.) bzw. der Reduzierung bereits entstandener Stickoxide (V. und VI.).

Aufgrund der bei zahlreichen Technologien geforderten hohen Flammentemperaturen sind den o.g. Primärmaßnahmen (I.-IV.) Grenzen gesetzt. Der Einsatz einer SCR-Anlage ist jedoch vorrangig bei großen Feuerungsanlagen wirtschaftlich.

Erfindung und ihre Vorteile

Grundidee der hier vorgestellten Erfindung ist die Verminderung der Stickoxidbildung durch Verminderung des Stickstoffeintrags mit dem Sauerstoffträger. Um die Geometrie der Brenner, des Feuerraums und der Luftvorwärmer nicht verändern zu müssen, wird das Verbrennungsluftvolumen durch ein Gemisch aus rezirkuliertem Rauchgas und Sauerstoff simuliert. Damit wird in den rezirkulierten Rauchgasvolumenstrom von 0 bis ca. 85% des erzeugten Rauchgasvolumens ein Sauerstoffvolumenstrom von 100% bis ca. 15% beigemischt, je nach Anlage, Brennstoff und Feuerung. Im stationären Betrieb wird mit Hilfe eines Heißgasventilators Rauchgas rezirkuliert und anstelle von Frischluft zusammen mit Sauerstoff der Feuerung wieder zugeführt. Der Rezirkulationsventilator ersetzt hierbei den Frischluftventilator. Ist die Einhaltung der geforderten Emissionsgrenzwerte nur mit teilweisem Sauerstoffzusatz möglich, so kann der Anteil des rezirkulierten Inertgases bzw. der Sauerstoffanteil der Verbrennungsluft frei gewählt werden. Der Abgasmassenstrom entspricht bei voller Rezirkulation der Summe aus Brennstoff- und Sauerstoffmassenstrom. Wird beim Anfahrvorgang reiner Sauerstoff verwendet, so bleibt der Stickstoff im rezirkulierten Rauchgas nahezu Null.

Dieses Verfahren ermöglicht die Reduzierung des in den Feuerraum eingebrachten Stickstoffs auf den im Brennstoff enthaltenen Stickstoff und den je nach Luftzerlegungsverfahren im Sauerstoff vorhandenen Reststickstoff. Die NO_x-Emissionen können damit auch bei hohen Temperaturen im Feuerraum reduziert werden und zwar auch bei vorhandenen Öfen und ohne Änderung der Brenner- und Ofengeometrie, weil der ursprüngliche Verbrennungs luftvolumenstrom mittels rezirkuliertem Rauchgas und Sauerstoff ersetzt wird. Das Schema dieses Verfahrens ist in der Zeichnung (Figur Nr. 2) gezeigt.

Claims

1. Unter Schutz soll das Verfahren zur Verringerung der NO_x-Emissionen durch Verminderung der Stickstoffzufuhr in den Verbrennungs prozeß gestellt werden.
Durch Variation des Sauerstoffanteils im Rezirkulationsgas lassen sich ohne Brennerver änderungen und unabhängig vom Brennstoff bei hoher Verbrennungstemperatur die NO_x-Emissionen absenken.
Anwendung des Verfahrens bei Neuanlagen aller Größenordnungen.

2. Anwendung des Verfahrens bei Nachrüstung vorhandener Feuerungsanlagen.