Vorrichtung zum Eintrag von Gasen in Brennräume sowie Verfahren zur Minderung von Schadstoffen bei Verbrennungsvorgängen

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Eintrag von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmi­schungen in den Brennraum eines Dampfkessels oder ande­rer Feuerräume mit Wärmenutzung sowie ein Verfahren zur Minderung der bei der Verbrennung von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmischungen in Dampfkesseln oder anderen Feuerräumen mit Wärmenutzung entstehenden Schad­stoffe, wobei am Austritt eines Gassammelrohres (1) ein schirmartiger Aufsatz (2) zentral so installiert ist, daß das einzutragende Gas, Aerosol und/oder die Gas-Feststoff­mischung ringförmig mit einem Öffnungswinkel größer 90°, bevorzugt 120° bis 150°, in den Brennraum eingetragen werden kann.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Eintrag von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmi­schungen in den Brennraum eines Dampfkessels oder ande­rer Feurräume mit Wärmenutzung sowie ein Verfahren zur Minderung der bei der Verbrennung von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmischungen in Dampfkesseln oder anderen Feurräumen mit Wärmenutzung entstehenden Schad­stoffe.

[0002] Üblicherweise wird ein Stickstoffverbindungen ent­haltendes Abgas in einer 2-stufigen Brennkammer entsorgt, wobie die erste Brennkammer mit Sauer­stoffmangel und die zweite mit entsprechendem Sauer­stoffüberschuß betrieben wird. Zusätzlich ist, um die thermische NO_x-Bildung zu minimieren, ein Wärmetauscher zwischen beiden Brennkammern plaziert. Anlagen mit 2-­stufiger Verbrennung sind aus R. Römer, W. Leukel, A. Stoeckel, G. Hemmer: Beeinflussung der Stickoxid­bildung aus brennstoffgebundenem Stickstoff durch feuerungstechnische Maßnahmen, Chem.-Ing.-Techn. MS 875/81 oder O. Carlowitz, H. Wiebe, U. Gravemeier Verbrennung von ammoniak- und stickoxidhaltigen Brüden in einem Drallbrennkammersystem, VDI-Berichte Nr. 423/81, bekannt.

[0003] Diese Verbrennungsanlagen werden in erster Linie zur Minderung der Schadstoffe betrieben, wobie im Vergleich zu Kraftwerksfeuerungen eine wesentlich geringere Rauch­gasmenge zur Diskussion steht. Eine Vorschaltung einer mit Luftmangel betriebenen Vorbrennkammer an einen Dampfkessel mit Zwangsumlauf scheidet aufgrund der geän­derten Wärmeentbindung und der damit verbundenen Ände­rung der örtlichen Wärmeübertragung aus.

[0004] Durch den Einsatz geeigneter Brenner kann die NO_x-­Emission vermindert werden. Durch gezielte Luft- und Brennstoffzufuhr werden Zonen innerhalb der Brenner­flamme erzeugt, in denen Luftmangel herrscht und dementsprechend das für die NO_x-Reduzierung geeignete CO entsteht. Die Wirkung dieser Brenner wird weiter dadurch gesteigert, daß durch Zugabe von sauerstoffabge­reicherter Verbrennungsluft, die meist als Mischung von Frischluft und rückgeührtem Rauchgas zur Verfügung steht, an geeigneter Stelle sowohl die Flammtemperatur reduziert als auch das Sauerstoffangebot reduziert wird.

[0005] Aus VDI-Berichte 574, Seiten 443 ff ist weiter bekannt, zur Minimierung des NO_x-Gehaltes in Rauchgas der Einsatz von stickstoffhaltigem Brennstoff in mit mehreren Brennern bestückten Feuerungsanlagen, die Brennstoff­konzentration und Luftmenge an den einzelnen Brennern zu vertrimmen.

[0006] Diese Technologie kann nur bei kleinen Volumenströmen Stickstoffverbindungen enthaltenden Abgases angewandt werden. Dieses Abgas müßte im Primärbereich der Flamme zugeführt werden, da sonst eine für die Reduzierung des aus dem Abgas entstandenen NO_x erforderliche Vermischung mit dem Reduktionsmittel nicht oder nur sehr unvoll­ständig gegeben ist.

[0007] Aufgabe der Erfindung war es somit, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die beschriebenen Nachteile nicht aufweist.

[0008] Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß durch eine geänderte Zufuhr des Abgases bei üblichen Brennern die Abgaswerte erheblich verbessert werden können. Die geänderte Zufuhr geschieht durch einen schirmartigen Aufsatz am Ende des Gassammelrohres. Die im folgenden benutzte Bezifferung bezieht sich auf Fig. 1, in der eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt ist.

[0009] Gegenstand dieser Erfindung ist eine Vorrichtung zum Eintrag von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoff­mischungen in den Brennraum eines Dampfkessels oder anderer Feuerräme mit Wärmenutzung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß am Austritt eines Gassammel­ rohres (1) ein schirmartiger Aufsatz (2) zentral so installiert ist, daß das einzutragende Gas, Aerosol und/oder die Gas-Feststoffmischung ringförmig mit einem Öffnungswinkel von > 90°C, bevorzugt 120 bis 150°, in den Brennraum eingetragen werden kann.

[0010] Erfindungsgemäß kann es von Vorteil sein, daß das Gassammelrohr (1) eine ringförmige Erweiterung (3) aufweist. Hierdurch kann die Führung des Gasstroms optimiert werden. Ferner ist es vorteilhaft, daß am und/oder oberhalb des schirmartigen Aufsatzes (2) eine Kühlvorrichtung (4) installiert ist. Diese Kühlvorrich­tung schützt die erfindungsgemäße Vorrichtung gegen ein­strahlende Wärme. Sie kann aus mit Flüssigkeit durch­strömten Kühlschlangen bestehen, die bevorzugt mäander­förmig ausgelegt sind. Weiterhin besteht eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor­richtung darin, daß im Gassammelrohr (1) ein oder mehre­re Eintragsorgane (5) angebracht sind. Hier können wei­tere Gasströme, z.B. Luft oder Sauerstoff eingebracht werden. Auch können am Gassamelrohr (1) ein oder mehrere Brenngaseintragsorgane (6) so angebracht sein, daß das Brenngas im Austrittbereich (7) des Gassammelrohres (1) gelangen kann.

[0011] Zur Strömungsstabilisierung und zur Verbesserung der inneren Mischwirkung können die Gaszufuhr (5) und (6) exzentrisch oder in einer anderen, die Mischung ver­bessernden Weise erfolgen. Weiter ist eine Aufheiz­möglichkeit der Vorrichtung selbst auf 800°C bis 1000°C gegeben durch direkte oder indirekte Beheizung, z.B. elektrische Heizung des Außenmantels der Vorrichtung. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, bei abgestelltem Gasstrom in der Vorrichtung anbackende Produkte zu pyrolisieren und somit zu reinigen.

[0012] Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht somit darin, daß im Gassammel­rohr (1) ein Brenner (8) für Reinigungszwecke installiert ist.

[0013] Gegenstand dieser Erfindung ist auch ein Verfahren zur Minderung der bei der Verbrennung von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmischungen anfallenden Schadstoffe in Dampfkesseln oder anderen Feuerräumen mit Wärme­nutzung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Gase, Aerosole und/oder Gas-Feststoffmischungen über eine Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 6 in den Brennraum verteilt werden.

[0014] Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es z.B. möglich, die Konversionsrate von einem stickstoff­haltigem Abgas bei der Entsorgung in Dampfkesseln oder anderer Kessel mit Abwärmenutzung erheblich zu ver­mindern. Zu diesem Zweck wird das Abgas stromauf vor der 1. Brennerebene durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in die Brennkammer eines Dampfkessels so eingebracht, daß optimale Misch- und Verweilzeitbedingungen geschaf­fen werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner möglich, das Abgas selbst durch Beimischung von gasförmigem Brennstoff und gasförmigen Sauerstoff­trägern optimal auf die Brennbedingungen einzustellen.

[0015] Bevorzugt betragen an der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Austrittsgeschwindigkeiten der Gase 10 m/s bis 80 m/s, bevorzugt 20 m/s bis 40 m/s. Das erfindungs­gemäße Verfahren ist insbesondere für Verbrennungsvor­gänge geeignet, in denen die Gase, Aerosole der Gas-­Feststoffmischungen Stickstoff und/oder Verbindungen des Stickstoffs enthalten.

[0016] So ist es erfindungsgemäß möglich, große Mengen nieder­kalorisches, Stickstoffverbindungen enthaltendes Abgas in einen großen Brennraum, bevorzugt in den gekühlten Brennraum von Kesseln zur Dampferzeugung einzudüsen. Die dem Abgas entstammende Rauchgasmenge kann bei ent­sprechendem Heizwert des Abgases bis ca. 50 % der gesamten Rauchgasmenge betragen. Das Abgas selbst kann bis zu mehreren 10.000 ppm Stickstoffverbindungen ent­halten, z.B. HCN, die thermisch gespalten werden und zu einem erheblichen Teil mit Sauerstoff zum NO oder NO₂ reagieren. In ersten Versuchen lag die NO_x-Minderung zwischen 61 % bei einem Anteil von 13 % und 48 % bei einem Anteil des Abgases von 32 % an dem genannten Rauchgasvolumenstrom.

[0017] Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft erläutert, ohne daß hierin eine Einschränkung zu sehen ist.

Beispiel

[0018] Üblicherweise wurde das Stickstoffverbindungen enthal­tende Abgas über 34 in einem zentralen Aufgabepilz ange­ordnete Rohre der Größe DN 100 ca. 2 m unterhalb der ersten Brennerebene, bestehend aus 4 Eckenbrennern, in den Feuerraum eines Dampfkessels mit dem Querschnitt 4 m x 4 m eingetragen. Die Rohre im Aufgabepilz bildeten einen Winkel von 20° gegen die Feuerraumachse. Der Ein­trag des mit 0,8 MI/m³ bis 1,2 MI/m³ heizwertarmen Ab­gases, das typisch bis je 4 % Blausäure und Sauerstoff, 89 % Stickstoff und jeweils max. 2,2 % Kohlendioxid, Wasserdampf und Kohlenmonoxid sowie Spuren verschiedener organischer Verbindungen enthalten kann, erfolgte erfin­dungsgemäß durch die in Bild 1 dargestellte Vorrichtung dergestalt, daß der Verteilerpilz mit einem Aufsatz ver­sehen wurde, so daß das Abgas unter einem Öffnungswinkel von ca. 180° in den Feuerraum strömte. Der mit einem ungekühlten doppelten Hitzeschirm versehene neuartige Verteiler war am Austritt entsprechend Bild 1 so gestal­tet, daß das Abgas aus einem ringförmigen Spalt von 100 mm bei einem mittleren Durchmesser von 1060 mm strö­men konnte. Gegenüber den mit üblichen pilzförmigen Ver­teiler gemessenen NO_x-Werten wurde bei Kesselteillast und ca. 65.000 m³/h Rauchgas der 8 in 2 Brennerebenen installierten Gasbrenner der NO_x-Gehalt, bezogen und be­rechnet nach GFAVO, mit der erfindungsgemäßen Vorrich­tung bei Einleitung von 10.000 m³/h Abgas um 61 % und bei 30.000 m³/h um 48 % bei gleichen Betriebsbedingungen verringert. Der Restsauerstoffgehalt am Ende des Feuer­raums betrug 1 %.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Eintrag von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmischungen in den Brennraum eines Dampfkessels oder anderer Feurräume mit Wärmenutzung, dadurch gekennzeichnet, daß am Austritt eines Gassammelrohres (1) ein schirmartiger Aufsatz (2) zentral so installiert ist, daß das einzutragende Gas, Aerosol und/oder die Gas-Feststoffmischung ringförmig mit einem Öffnungswinkel von >90°C, bevorzugt 120 bis 150°, in den Brennraum eingetragen werden kann.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Gassammelrohr (1) eine ring­förmige Erweiterung (3) aufweist.

3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß am und/oder oberhalb des schirmartigen Aufsatzes (2) eine Kühlvor­richtung (4) installiert ist.

4. Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Gassammel­rohr (1) ein oder mehrere Eintragsorgane (5) ange­bracht sind.

5. Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Gassammel­rohr (1) ein oder mehrere Brenngaseintragorgane (6) so angebracht sind, daß das Brenngas im Austritts­bereich (7) des Gassammelrohres (1) gelangen kann.

6. Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der An­sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Gassammelrohr (1) ein Brenner (8) für Reinigungs­zwecke installiert ist.

7. Verfahren zur Minderung der bei der Verbrennung von Gasen, Aerosolen und/oder Gas-Feststoffmischungen anfallenden Schadstoffe in Dampfkesseln oder anderen Feuerräumen mit Wärmenutzung, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase, Aerosole und/oder Gas-Feststoffmischungen über eine Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 6 in den Brennraum verteilt werden.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsgeschwindigkeiten von 10 m/s bis 80 m/s, bevorzugt 20 m/s bis 40 m/s, betragen.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, da­durch gekennzeichnet, daß die Gase, Aerosole der Gas-Feststoffmischungen Stickstoff und/oder Verbin­dugen des Stickstoffs enthalten.

Zeichnung