DE19706988C2 - Verfahren zur Verringerung des Stickoxydgehalts in den Abgasen eines Industriekessels und Brenner zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des Stickoxydgehalts in den Abgasen eines Industriekessels nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 2 bzw. 4.

Ein solches Verfahren zur Reduzierung des NO_x-Gehalts in den Abgasen eines Kessels, der ein frontales System von Brennern aufweist, welche an einer Wand des Feuerraums bzw. der Ver­ brennungskammmer in horizontalen Reihen so angeordnet sind, daß die Brenner der einzelnen Reihen übereinander vertikale Reihen bilden, ist aus der PL-171 108 B1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Luft-Brennstoff-Gemisch über wenigstens zwei Brenner zugeführt und verbrannt, von denen der eine in der Verbrennungskammer höher und der andere tiefer angeordnet ist. Der höher liegende Brenner wird mit einem Luft-Brenn­ stoff-Gemisch gespeist, das magerer ist, also weniger Brenn­ stoff enthält, als das Luft-Brennstoff-Gemisch, welches dem tiefer liegenden Brenner zugeführt wird. Der Brennstoff, mit dem die Brenner gespeist werden, stammt aus einer Kohlenstaub­ mahlanlage. Die unterschiedliche Gemischzusammensetzung wird über eine unterschiedliche Luftzumischung im jeweiligen Bren­ ner erreicht.

Die Reduktion der Stickoxyde zu molekularem Stickstoff hängt wesentlich von der Verweilzeit der Stickoxyde in der NO_x- Reduktionszone zwischen der Verbrennungszone und der Burn-Out- Zone bzw. Nachverbrennungszone oberhalb von Düsen für eine zusätzliche Luftzuführung ab. Diese Verweilzeit resultiert aus der Konvektionsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer und aus der Länge der Reduktionszone. Bei konstanter Konvektionsgeschwindigkeit der Gase ist ihre Ver­ weilzeit in der Reduktionszone proportional zur Länge dieser Zone gemessen längs der Verbrennungskammer. Bei dem bekannten Verfahren ist die Länge der Reduktionszone für eine wirksame Stickoxydreduktion viel zu kurz.

Aus der DE 30 27 587 A1 ist ein Brenner bekannt, der einen zentralen zylindrischen Kanal aufweist, dem fester Brennstoff und Luft zur Verbrennung zugeführt werden und dar in eine Verbrennungskammer gerichtet ist. Der zentrale Kanal ist von einem ringförmigen Kanal umschlossen, über den zusätzliche Luft zusammen mit dem Luft-Brennstoff-Gemisch aus dem zen­ tralen Kanal in die Verbrennungskammer eingeführt wird. Für die Regulierung der zusätzlichen Luftmenge sind Stellflügel für die Luftzuführung zu dem ringförmigen Kanal vorgesehen. Bei einer speziellen Ausgestaltung ist die Mündung des ring­ förmigen Kanals auf die Mantelfläche eines Kegels gerichtet, dessen Spitze im Inneren des Brenners liegt, wodurch sich der Luftstrom in die Verbrennungskammer verglichen mit dem Strom des Luft-Brennstoff-Gemisches erweitert.

Bei dem bekannten Brenner läßt sich diese kegelförmige Erwei­ terung des Stroms der zusätzlichen Luft, die das aus dem Brenner austretende verbrennende Luft-Brennstoff-Gemisch umhüllt, nicht einstellen. Da dieses Gemisch arm an Sauerstoff ist, wird die Stickoxydbildung während der Verbrennung ver­ ringert.

Aus der JP 62-172105 A ist ein Brenner bekannt, der einen zentralen Kanal für die Zuführung von festem Brennstoff auf­ weist und der in einer Öffnung in der Wand einer Verbrennungs­ kammer mündet. Die Mündung des zentralen Kanals hat einen kegelstumpfförmigen Ansatz, dessen größere Grundfläche in der Ebene der Wand der Verbrennungskammer liegt. Der zentrale Kanal ist von einem ersten ringförmigen Kanal für die Zufüh­ rung von Luft umgeben, der an seinem Mündungsende einen sich konisch erweiternden Ansatz hat, dessen größere Grundfläche ebenfalls in der Ebene der Wand der Verbrennungskammer liegt, so daß die von den beiden sich erweiterenden Ansätzen gebilde­ te Ringöffnung von der Achse des zentralen Kanals weg gerich­ tet ist. Zwischen der Außenwand des ringförmigen Kanals und der Öffnung in der Wand der Verbrennungskammer ist ein dritter ringförmiger Kanal für die Zuführung von Luft ausgebildet, des­ sen Mündung ebenfalls von der Achse des zentralen Kanals weg gerichtet ist, da der dem kegelstumpfförmigen Ansatz des ring­ förmigen Kanals gegenüberliegende Teil der Öffnung in der Wand der Verbrennungskammer zur Bildung einer sich in die Verbren­ nungskammer konisch erweiternden Öffnung abgeschrägt ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, das Verfahren der eingangs genannten Art sowie den Brenner zur Durchführung des Verfahrens so auszubilden, daß zur Reduzie­ rung der Stickoxydmenge in den Verbrennungsabgasen eine rela­ tiv lange NO_x-Reduktionszone bereitgestellt wird.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren sowie durch die in den Patentansprüchen 2 und 4 beschriebenen Brenner gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Gren­ ze der den unteren Brennern zugeordneten Verbrennungszone ab­ zusenken, wodurch der Abstand zwischen der Grenze dieser Zone und der Burn-Out-Zone bzw. Nachverbrennungszone vergrößert wird, was eine Verlängerung der NO_x-Reduktionszone bedeutet.

Gleichzeitig wird der Luftstrom aus der Brennerzone in der obersten Reihe nach oben in Richtung der Burn-Out-Zone bzw. Nachverbrennungszone gerichtet, wodurch die Sauerstoffmenge in der NO_x-Reduktionszone erhöht wird, was zu einer weiteren Reduktion der Stickoxyde zu molekularem Stickstoff und zu einer gesteigerten Umsetzung von CO in CO₂ führt.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch im Längsschnitt eine Verbrennungskammer, wie sie beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird,

Fig. 2 schematisch die Verteilung der Brenner an der Wand der Verbrennungskammer,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Brenners,

Fig. 4 in einer Ansicht wie Fig. 3, eine zweite Ausführungs­ form eines Brenners und

Fig. 5 den Schnitt A-A von Fig. 4.

Wie aus Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, sind in der Verbrennungs­ kammer 15 eines Kessels vier horizontale Brennerreihen 18, 19, 20, 21 an einer Wand 7 angeordnet. In den beiden oberen Reihen 20 und 21 sind jeweils sechs Brenner vorgesehen. In den beiden tiefer liegenden bzw. unteren Reihen 18 und 19 sind jeweils vier Brenner angeordnet. Die Brenner in den einzelnen Reihen 18, 19, 20 und 21 sind übereinander in vertikalen Reihen an­ geordnet. Als Brennstoff dient Kohlenstaub, der von Kohlen­ staubmahlanlagen 24 zugeführt wird. Bei der gezeigten Anord­ nung sind drei Kohlenstaubmahlanlagen 24 vorgesehen, von denen jede vier Brenner speist, jeweils zwei in einer Reihe, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Zwischen den Brennern in der obersten Reihe 21 und dem Gas­ auslaß 23 aus der Verbrennungskammer 15 sind, wie in Fig. 1 gezeigt ist, in der Wand 7 Düsen 22 für die Zuführung von zusätzlicher Luft angeordnet. Die Brenner der beiden unteren Reihen 18 und 19 werden mit einem brennstoffreichen Luft- Brennstoff-Gemisch beschickt, d. h. es besteht ein Luftmangel, λ < 1, was bedeutet, daß das Gemisch eine unterstöchiometri­ sche Zusammensetzung hat. Dieses Gemisch verbrennt in einer Verbrennungszone 25a, in der wegen des Luftmangels verhältnis­ mäßig wenig Stickoxyd entsteht, d. h. die gebildete Stickoxyd­ menge ist kleiner als bei einer Verbrennung mit Luftüberschuß. Die Gase aus der Verbrennungszone 25a strömen in die Verbren­ nungszone 25b, der über die Brenner der Reihen 20 und 21 ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch zugeführt wird, d. h. der Luftüberschuß beträgt λ = 1,2 bis 1,4. Bei der Verbrennung der Gemische aus den Brennern der Reihen 20 und 21 ergeben sich somit Abgase mit freiem Sauerstoff und Kohlenwassestoffen C_nH_m.

Die Abgase aus der Verbrennungszone 25b strömen in die NO_x- Reduktionszone 26. Die dort stattfindende Reduktion des NO_x zu molekularem Stickstoff benötigt Zeit. Dadurch, daß die Kon­ vektionsgeschwindigkeit der Gase nach oben entlang der Ver­ brennungskammer 15 konstant ist, hängt die Verweilzeit der Verbrennungsgase mit den Stickoxyden in der Reduktionszone 26 von der Länge dieser Zone, also von der Entfernung der oberen Grenze der Verbrennungszone 25b zu den Düsen 22 für die zu­ sätzliche Luft ab. Zur Verlängerung der Verweilzeit der Ver­ brennungsgase mit den Stickoxyden in der Reduktionszone 26 wird nun die Position der oberen Grenze der Verbrennungszone 25a aufgrund der durch den Pfeil 29 in Fig. 1 veranschaulich­ ten Strömung des Luft-Brennstoff-Gemisches durch die Brenner der Reihe 21 schräg nach unten zur Verbrennungszone 25a abge­ senkt. Gleichzeitig wird von dem Bereich der Brenner der Reihe 21 zu der Reduktionszone 26 ein Strom zusätzlicher Luft ge­ führt, der durch den in Fig. 1 schräg nach oben gerichteten Pfeil 30 veranschaulicht ist.

In der Reduktionszone 26 verlaufen die Reaktionen nach der allgemeinen Formel

2NO + 2C_nH_m + (2n + n/2 - 1)O₂ → N₂ + 2nCO₂ + H₂O

wobei die NO-Moleküle aus den Zonen 25a und 25b, die Moleküle C_nH_m hauptsächlich aus der Zone 25b durch Verdampfung und zusätzlichen Brennstoff aus den Brennern der Reihen 20 und 21 und die O₂-Moleküle aus dem Luftüberschuß aus den Brennern der Reihen 20 und 21 und dem Luft-Brennstoff-Gemisch für die Strömung 30 stammen.

Die Reaktion nach der vorstehenden Formel wird durch die Verlängerung der Reduktionszone 26 aufgrund der Erfindung möglich. Die Verbrennungsgase aus der Reduktionszone 26 strö­ men in die Nachverbrennungszone 27, wo aufgrund der durch die Düsen 22 zugeführten Luft die Umwandlung von CO in CO₂ er­ folgt. Aufgrund der beschriebenen Verlängerung der Reduktions­ zone für die Stickoxyde wird bei dem Luftüberschuß mit λ = 1,2 bis 1,4 in den Abgasen die Stickoxydmenge unter eine Grenze von 170 mg/nm³ abgesenkt, also unter die international vorgeschriebene Grenze, während der CO-Gehalt nach null geht.

Der in Fig. 3 gezeigte Brenner wird beispielsweise als Brenner in der zweiten Reihe 20 von oben in der Verbrennungskammer 15 eingesetzt. Der Brenner hat einen zylindrischen zentralen Kanal 1 für den Brennstoff. Er ist an seinem einen Ende mit einer Leitung 6 verbunden, die an eine Kohlenstaubmahlanlage 24 angeschlossen ist, während sein anderes offenes Ende in die Verbrennungskammer 15 mündet. In dem zentralen Kanal 1 ist koaxial ein Rohr 8 für eine Masut- oder Gaslanze zum Zünden des Kessels angeordnet. An dem offenen Ende des zentralen Kanals 1 ist ein auf dem Kanal 1 verschiebbarer kegelstumpf­ förmiger Diffusor 3 angeordnet, wobei die größere Grundfläche 16 des Kegelstumpfs der Verbrennungskammer 15 zugewandt ist und deren Umfang die Austrittsfläche des Brenners begrenzt.

Der Kegelwinkel des kegelstumpfförmigen Diffusors 3 entspricht dem Kegelwinkel der Öffnung 5 in der Wand 7 der Verbrennungs­ kammer 15, welcher der Diffusor 3 zugeordnet ist. Der zentrale Kanal 1 ist von einem ringförmigen Kanal 2 für die Zuführung von zusätzlicher Luft umschlossen. In dem ringförmigen Kanal 2 sind vor dem Diffusor 3 sich radial erstreckende Schaufeln oder Flügel 9 angeordnet, welche der durch den ringförmigen Kanal 2 hindurchströmenden zusätzlichen Luft eine Rotations­ bewegung aufprägen. Zwischen dem kegelstumpfförmigen Diffusor 3 und der kegelstumpfförmigen Öffnung 5 besteht ein Spalt 4, desse Breite abhängig von der Position des Diffusors 3 varia­ bel ist. Die eine Extremstellung des Diffusors 3 ist in Fig. 3 gestrichelt eingezeichnet. Der Diffusor 3 ist dabei am weite­ sten in die Verbrennungskammer 15 vorgeschoben, wodurch der Spalt 4 am größten ist, so daß große Mengen zusätzlicher Luft hindurchströmen können. Wenn der Diffusor 3 in seine innerste Stellung zurückgezogen ist, ist der Spalt 4 geschlossen, so daß keine Zusatzluft in die Verbrennungskammer 15 strömen kann. Die durch den Spalt 4 einströmende Luftmenge ist nicht groß und hat keinen wesentlichen Einfluß auf die Zusammen­ setzung des den Brennern der Reihe 20 zugeführten Gemisches. Der Strom aus zusätzlicher Luft aus dem Spalt 4 dient ledig­ lich zu einer Unterbindung einer Schlackenbildung an dem verbrennungskammerseitigen Ende des Brenners.

Während bei der Ausgestaltung von Fig. 3 der kegelstumpfförmi­ ge Diffusor 3 als Ganzes koaxial zum zentralen Kanal 1 ver­ schoben werden kann, ist bei der Ausgestaltung der Fig. 4 nur die untere Hälte des Diffusors 3 verschiebbar ausgebildet, während die obere Hälfte einen stationären Teil 28 des Diffu­ sors 3 bildet, der mit einem Kanal 10 für die Zuführung von zusätzlicher Luft verbunden ist. Der Kanal 10 ist mit einer Regulierkammer 17 verbunden, die in ihrem Umfang radiale Klappen bzw. Drehschieber 11 hat, die auf Achsen 12 befestigt sind. Eine Drehung der Achsen 12 führt zu einer Längenänderung der Klappen 11, wodurch der Luftdurchsatz gesteigert oder verringert werden kann. Die Drehung der Achsen 12 erfolgt über einen Mechanismus 13. Der Kegel des stationären Teiles 28 des Diffusors 3 leitet die Luftströmung nach oben, wodurch die Strömung 30 (Fig. 1) entsteht. Im oberen Teil des zentralen Kanals 1 ist angrenzend an die Öffnung in die Verbrennungs­ kammer 15 eine Lenkeinrichtung 14 vorgesehen, die schräg nach unten zur Achse des zentralen Kanals 1 hin abgebogen ist. Die Lenkeinrichtung 14 lenkt den Strom des Luft-Brennstoff-Gemi­ sches durch den zentralen Kanal 1 nach unten, wodurch die Strömung 29 (Fig. 1) entsteht. Der untere Teil des dem zen­ tralen Kanal 1 zugeordneten Diffusors 3 erzeugt eine Luftströ­ mung die durch den Spalt 4 ausströmt und die Schlackenbildung am Umfang des Brennerendes unterbindet. Die zusätzliche Luft, die von dem stationären oberen Teil 28 des Diffusors zufließt, dient zur Anreicherung der Abgase in der Reduktionszone 26 für die Stickoxyde mit zusätzlichem Sauerstoff.

Claims (4)

1. Verfahren zur Verringerung des Stickoxydgehalts in den Abgasen eines über Brenner mit Staubkohle erhitzten Indu­ striekessels, insbesondere eines Kessels mit einem fronta­ len System von Brennern, die an einer Wand der Verbren­ nungskammer in horizontalen Reihen so angeordnet sind, daß die Brenner der einzelnen Reihen übereinander vertikale Reihen bilden,

• - wobei für die Verbrennung wenigstens zwei Brenner einge­ setzt werden, von denen sich der eine in einer höher liegenden Reihe und der andere in einer tiefer liegenden Reihe befindet, und
• - wobei der in der höheren Reihe liegende Brenner mit einem Luft-Staubkohle-Gemisch gespeist wird, das weniger Staubkohle enthält als das dem Brenner in der tiefer liegenden Reihe zugeführte,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß der aus den Brennern in der höchsten Reihe (21) austretende Strom (Pfeil 29) des Luft-Staubkohle-Ge­ misches schräg nach unten zur Verbrennungszone (25a, 25b) des Luft-Staubkohle-Gemisches gerichtet ist, das über die Brenner der tiefer liegenden Reihen (18, 19, 20) zugeführt wird, und
• - daß gleichzeitig von dem Bereich der Brenner in der höchsten Reihe (21) ein nach oben zu einer Nachverbren­ nungszone (27) gerichteter Luftstrom (Pfeil 30) in die Verbrennungskammer (15) eingeführt wird.

2. Brenner zur Verbrennung eines Luft-Staubkohle-Gemisches

• - mit einem zylindrischen zentralen Kanal (1)
• - dessen eines Ende mit einer Leitung (6) für die Staub­ kohlezuführung verbunden ist und
• - dessen anderem offenen Ende ein koaxialer, den ganzen Umfang des zentralen Kanals umschließender kegel­ stumpfförmiger Diffusor (3) zugeordnet ist, dessen größere Grundfläche (16) der Verbrennungskammer (15) zugewandt ist und dessen Kegelwinkel gleich dem Kegel­ winkel einer koaxialen konischen Öffnung (5) in der Wand (7) der Verbrennungskammer (15) ist, und
• - mit einem den zentralen Kanal (1) umschließenden ring­ förmigen Kanal (10) für die Zuführung zusätzlicher Luft in die Verbrennungskammer (15),

dadurch gekennzeichnet,

• - daß bei dem bei der Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 für die höchste Reihe (21) vorgesehenen Brenner der Diffusor (3) in eine obere Hälfte und eine untere Hälfte unterteilt ist,
• - daß die obere Hälfte des Diffusors (3) stationär ist und die Öffnung zwischen der oberen Hälfte des Diffusors (3) und der konischen Öffnung (5) in der Wand (7) dadurch eine gleichbleibende Größe hat und im wesentlichen nach oben (Pfeil 30) gerichtet ist,
• - daß eine den oberen Teil des zentralen Kanals (1) be­ grenzende Lenkeinrichtung (14) an seinem offenen Ende schräg zum unteren Teil des zentralen Kanals (1) hin gerichtet (Pfeil 29) ist, und
• - daß die untere Hälfte des Diffusors (3) längs der Achse des zentralen Kanals (1) verschiebbar ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der der oberen Hälfte des Diffusors (3) zugeordnete ringförmi­ ge Kanal (10) über eine Regulierkammer (17) mit Drehschie­ bern (11) zur Einstellung des Luftdurchsatzes mit einer Quelle für zusätzliche Luft verbunden ist.

4. Brenner zur Verbrennung eines Luft-Staubkohle-Gemisches

• - mit einem zylindrischen zentralen Kanal (1)
• - dessen eines Ende mit einer Leitung (6) für die Staub­ kohlezuführung verbunden ist und
• - dessen anderem offenen Ende ein koaxialer, den ganzen Umfang des zentralen Kanals umschließender kegel­ stumpfförmiger Diffusor (3) zugeordnet ist, dessen größere Grundfläche (16) der Verbrennungskammer (15) zugewandt ist und dessen Kegelwinkel gleich dem Kegel­ winkel einer koaxialen konischen Öffnung (5) in der Wand (7) der Verbrennungskammer (15) ist, und
• - mit einem den zentralen Kanal (1) umschließenden ring­ förmigen Kanal (10) für die Zuführung zusätzlicher Luft in die Verbrennungskammer (15),

dadurch gekennzeichnet,

• - daß bei dem bei der Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 für die unterhalb der höchsten Reihe (21) liegenden Reihen (18, 19, 20) vorgesehenen Brenner zur Einstellung der Größe der Austrittsöffnung (4) des ringförmigen Kanals (2) zwischen dem Diffusor (3) und der konischen Öffnung (5) in der Wand (7) der Verbren­ nungskammer (15) der ganze kegelstumpfförmige Diffusor (3) längs der Achse des zentralen Kanals (1) verschieb­ bar ist.