EP0933595A2 - Verfahren zur Verminderung nitroser Gase in Verbrennungsanlagen unter gleichzeitiger Energieeinsparung - Google Patents

Verfahren zur Verminderung nitroser Gase in Verbrennungsanlagen unter gleichzeitiger Energieeinsparung Download PDF

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EP0933595A2
EP0933595A2 EP98120236A EP98120236A EP0933595A2 EP 0933595 A2 EP0933595 A2 EP 0933595A2 EP 98120236 A EP98120236 A EP 98120236A EP 98120236 A EP98120236 A EP 98120236A EP 0933595 A2 EP0933595 A2 EP 0933595A2
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reducing
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    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
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    • 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 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F23C6/045—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure
    • 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 
    • F23C2201/00—Staged combustion
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2215/00—Preventing emissions
    • F23J2215/10—Nitrogen; Compounds thereof

Definitions

  • NO x nitrous gases
  • NO x nitrous gases
  • NO 2 nitrous gases
  • the maximum limit for NO x emissions became more industrial in December 1996
  • Incineration plants reduced from 450 mg / Nm 3 to 200 mg / Nm 3 (limit value according to 17th BImSchV).
  • the large energy supply companies use a sub-stoichiometric combustion with respect to oxygen in up to four vertically arranged burner levels for the primary reduction of NO x and compensate for this by supplying so-called "tertiary air" in the upper, somewhat colder part of the radiation boiler.
  • At least two pairs of burners opposite each other are usually installed per burner level, the outlets of which are usually arranged tangentially, so that the fuel-air mixture is set into a strong circular flow and is optimally mixed.
  • the performance of the burners installed on the same level is usually identical or shows only minimal, random deviations.
  • burner 1 is operated with 30% excess air and burner 2 with 10% excess air, in each case based on the amount of air required for the complete combustion of the heating medium, with the proviso that so much air is supplied that the flue gas leaving the boiler is still at least the required Contains excess oxygen.
  • the difference in air supply to the burners installed on the same level is preferably 20 to 40%.
  • a total of 15 to 50% excess of air is particularly preferably used, based on the amount of heating required for complete combustion of the heating medium.
  • natural gas, combustible exhaust gases, heating oils (for example medium and low-viscosity oils), coal dust, but also combustible waste from the production of organic chemicals can be used as equivalent heating means.
  • An example of such combustible waste is the distillation residues from the production of tallow fatty amines, which still contain residues of copper catalysts.
  • the permissible NO x limit value could not be met even by adding urea as a reducing agent, so that initially only expensive external disposal in a hazardous waste facility was considered.
  • this problem waste could be disposed of in a normal incineration plant, the NO x value in the exhaust gas being only 150 mg / Nm 3 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung nitroser Gase (NOx) beim Betreiben von Verbrennungsanlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die auf einer Brennerebene angeordneten Brenner teils mit Luftüberschuß, teils mit Luftunterschuß betrieben werden, jeweils bezogen auf die vollständige Verbrennung des verwendeten Heizmittels. Schwer brennbare, stickstoffhaltige Produktionsabfälle können ebenso wie fossile Brennstoffe mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens effizient unter Einhaltung des gesetzlichen NOx-Grenzwertes verbrannt werden.

Description

Die Emission nitroser Gase, die üblicherweise als NOx bezeichnet werden und im wesentlichen aus NO und NO2 bestehen, stellt für Verbrennungsanlagen aller Art ein großes Problem dar. Im Sinne des Umweltschutzes wurde im Dezember 1996 der maximale Grenzwert für die NOx-Emission industrieller Verbrennungsanlagen von 450 mg/Nm3 auf 200 mg/Nm3 reduziert (Grenzwert nach 17. BImSchV). Gemäß dem Stand der Technik verwenden die großen Energieversorgungsunternehmen zur primären Reduzierung von NOx eine bezüglich Sauerstoff unterstöchiometrische Verbrennung in bis zu vier vertikal angeordneten Brennerebenen und kompensieren dies durch Zufuhr sogenannter "Tertiärluft" in den oberen, etwas kälteren Teil des Strahlungskessels. Auf diese Weise wird der vorgeschriebene Überschuß von 3 % Sauerstoff in den austretenden Verbrennungsgasen erreicht. Pro Brennerebene sind üblicherweise mindestens zwei paarweise gegenüberliegende Brenner installiert, deren Auslässe meist tangential angeordnet sind, so daß das Brennstoff-Luft-Gemisch in eine starke zirkulare Strömung versetzt und optimal vermischt wird. Die Leistung der auf derselben Ebene installierten Brenner ist im Regelfall identisch oder weist nur minimale, zufällige Abweichungen auf.
Es wurde nun völlig überraschend gefunden, daß sich die NOx-Gehalte im Abgas der Verbrennungsanlage erheblich dadurch reduzieren lassen, daß die sich auf einer Ebene befindlichen Brenner mit deutlich unterschiedlichen Luftmengen betrieben werden. Beispielsweise wird Brenner 1 mit 30 % Luftüberschuß und Brenner 2 mit 10 % Luftunterschuß betrieben, jeweils bezogen auf die zur vollständigen Verbrennung des Heizmittels erforderliche Luftmenge, mit der Maßgabe, daß so viel Luft zugeführt wird, daß das den Kessel verlassende Rauchgas noch mindestens den geforderten Überschuß an Sauerstoff enthält. Vorzugsweise beträgt die Differenz der Luftversorgung der auf derselben Ebene installierten Brenner 20 bis 40 %. Besonders bevorzugt wird insgesamt ein Überschuß an Luft von 15 bis 50 % verwendet, bezogen auf die zur vollständigen Verbrennung des Heizmittels erforderliche Heizmenge.
Als äquivalente Heizmittel können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens Erdgas, brennbare Abgase, Heizöle (beispielsweise mittelflüssige und schwerflüssige Öle), Kohlenstaub, aber auch brennbare Abfälle aus der Produktion organischer Chemikalien verwendet werden. Als Beispiel für solche brennbaren Abfälle seien die Destillationsrückstände aus der Herstellung von Talgfettaminen genannt, die noch Reste von Kupferkatalysatoren enthalten. In diesem Fall konnte der zulässige NOx-Grenzwert auch durch Zusatz von Harnstoff als Reduktionsmittel nicht eingehalten werden, so daß zunächst nur eine teure Fremdentsorgung in einer Sondermüllanlage in Frage kam. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens konnte dieser Problemmüll in einer normalen Verbrennungsanlage entsorgt werden, wobei der NOx-Wert im Abgas nur 150 mg/Nm3 betrug.
Im Falle von besonders hohen Stickstoffgehalten des zu verbrennenden Materials kann die an sich bekannte Methode des Eindüsens einer wäßrigen Lösung eines stickstoffhaltigen Reduktionsmittels, bevorzugt einer Lösung von Harnstoff oder von Ammoniak, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden. Dies ist jedoch nur in seltenen Fällen erforderlich und hat den Nachteil, daß durch größere Mengen von eingedüstem Wasser in der Regel die Emissionen von Kohlenmonoxid ansteigen. Ein weiterer Nachteil ist natürlich, daß die Verdampfung des Wassers einen zusätzlichen Energieaufwand verursacht.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Vorteile auf:
  • Der Brennstoffverbrauch (meist Erdgas und/oder Heizöl) wird durch Verbesserung des Wirkungsgrades auf ein Minimum reduziert.
  • Der gesetzlich vorgeschriebene NOx-Grenzwert wird im Dauerbetrieb unterschritten.
  • Es sind keine Investitionskosten und Betriebskosten für eine spezielle NOx-mindernde Anlage (DENOX-Anlage) erforderlich.
  • Abstellungen und Wartungen werden minimiert: Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Abfallverbrennungsanlage war im Jahr 1996 zu 93 % der gesamten Jahresstunden in Betrieb.
  • Der Einsatz von wäßrigen Harnstoff- und/oder Ammoniaklösungen kann auf seltene Ausnahmefälle reduziert werden, wodurch sich eine beträchtliche Kosteneinsparung ergibt.
  • Schwer brennbare Heizmittel können mit höherem Wirkungsgrad verbrannt werden.
Die Erfindung wird durch folgende Beispiele und Vergleichsbeispiele zur NOx-Bildung noch näher erläutert:
In einer Abfallverbrennungsanlage werden zwei Versuchsreihen mit jeweils vier Versuchen durchgeführt. In der Brennkammer sind auf einer Ebene zwei Brenner derselben Bauart und Leistung installiert, die wie üblich eine zirkulare Strömung mit starker Verwirbelung erzeugen. Die Zuluftmenge der beiden Brenner ist durch Klappen unabhängig voneinander regelbar. Im Brenner 1 werden stickstoffhaltige Rückstände und im Brenner 2 stickstoffreie Rückstände verbrannt. Es handelt sich um stickstoffhaltige brennbare Rückstände aus der Aminproduktion beziehungsweise stickstoffreie verunreinigte Lösemittel, beispielsweise aus der Glykolherstellung. Die Temperatur in der Nachbrennkammer ist praktisch konstant und beträgt 980 bis 990 °C.
Beispiele 1 bis 4 (erfindungsgemäß)
Beispiel Harnstoff 10,5%ige Lösung in Wasser [l/h] % Klappenöffnung Einsatzmenge [l/h] NOx [mg/Nm3]
Brenner 1 Brenner 2 brennbare Stickstoffverbindungen brennbare stickstofffreie Verbindungen
1 0 10 42 210 240 150
2 50 10 42 210 240 128
3 80 10 42 210 240 105
4 120 10 42 210 240 85
Vergleichsbeispiele 1 bis 4 (Stand der Technik)
Vergleichsbeispiel Harnstoff, 10,5%ige Lösung in Wasser [l/h] % Klappenöffnung Einsatzmenge [l/h] NOx [mg/Nm3]
Brenner 1 Brenner 2 brennbare Stickstoffverbindungen brennbare stickstofffreie Verbindungen
1 0 22 22 210 240 575
2 50 22 22 210 240 355
3 80 22 22 210 240 305
4 120 22 22 210 240 240
Wie die erfindungsgemäßen Beispiele zeigen, ist bei dem neuen Verfahren keine Harnstoffzugabe erforderlich, um den NOx-Grenzwert zu unterschreiten. Die CO-Emissionen werden nicht beeinflußt und betragen für beide Versuchsreihen 1,6 bis 1,8 mg/Nm3. Auch der Restsauerstoffgehalt im feuchten Abgas (2,25 %, entspricht 3,0 % im trockenen Abgas) bleibt unverändert.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Verminderung nitroser Gase (NOx) beim Betreiben von Verbrennungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einer Brennerebene angeordneten Brenner teils mit Luftüberschuß, teils mit Luftunterschuß betrieben werden, jeweils bezogen auf die vollständige Verbrennung des verwendeten Heizmittels.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pro Brennerebene mindestens zwei Brenner verwendet werden, wobei die Differenz der Luftzufuhr der Brenner 20 bis 40 %, vorzugsweise 30 %, beträgt, jeweils bezogen auf die vollständige Verbrennung des Heizmittels.
  3. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt ein Überschuß von 15 bis 50 % an Luft, bezogen auf die zur vollständigen Verbrennung des Heizmittels erforderliche Luftmenge, verwendet wird.
  4. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Heizmittel Erdgas, brennbare Abgase, Heizöle, Kohlenstaub sowie brennbare Abfälle aus der chemischen Produktion verwendet.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Heizmittel stickstoffhaltige, organische Abfälle verwendet.
  6. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Verbrennung von Abfällen mit hohem Stickstoffgehalt mindestens ein Reduktionsmittel zusetzt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel Harnstoff und/oder Ammoniak ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas der Verbrennungsanlage maximal 200 mg NOx/Nm3 enthält.
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