DE3441141A1

DE3441141A1 - Nicht-katalytische no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts)-reduktion mittels ammoniak bei einer wirbelschicht-feuerung

Info

Publication number: DE3441141A1
Application number: DE19843441141
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Morsbach; Hubert Ing.(grad.) Steven; Peter Josef Dipl.-Ing. 5270 Gummersbach Tummers
Original assignee: L&C Steinmueller GmbH
Current assignee: Hitachi Zosen Inova Steinmueller GmbH
Priority date: 1984-11-10
Filing date: 1984-11-10
Publication date: 1986-05-22

Description

Nicht-katalytische N0x#Reduktion mittels
X Ammoniak bei einer Wirbelschicht-Feuerung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung der NOx-Konzentration im Rauchgas durch nicht-katalytische Reduktion bei Temperaturen zwischen 7500 und 10500 C mittels Ammoniak, wobei das Ammoniak dem Rauchgas nach Verlassen des Feuerraumes zugemischt wird.
Bei Großfeuerungsanlagen werden bekanntlich in erheblichem Maße die umweltbelastenden Grenzwerte durch die im Rauchgas vorliegenden Stickstoffo#ide (NOx) überschritten. Die Verminderung dieser Stickstoffoxide durch verbrennungstechnische Maßnahmen ruft wegen der erforderlichen reduzierenden Atmosphäre in Zonen unterstöchiometrischer Verbrennung Korrosionsgefahr hervor.
Der Einsatz von rein katalytischen und kombiniert-katalytischen Reduktionsverfahren kommt im Hinblick auf die relativ hohen Betriebs- und Investitionskosten, insbesondere dann, wenn neben den Stickstoffoxiden noch andere, katalysatorfeindliche Schadstoffe, beispielsweise Schwefeldioxid, im Rauchgas vorliegen, nicht in Betracht.
Die Reduktion der Stickstoffoxide zu Stickstoff erfolgt bei nicht-katalytischen Verfahren bekanntermaßen mittels Wasserstoff oder Ammoniak. Während Wasserstoff zur Reduktion der Stickstoffoxide in Prozeßgasen aus Raffinerie-und Petrochemie-Anlagen bei Temperaturen von 7000 bis 0 wird, 900 C eingesetzt wird, kommt das Ammoniak bevorzugt für Rauchgase aus konventionellen Feuerungen von Kraftwerkanlagen zur Anwendung.
Die Reduktion der Stickstoffoxide mittels Ammoniak läßt sich durch folgende Reaktionsgleichungen beschreiben: a) NO: 4 NH3 + °2 - 4 NH2 + 2 H20 4 NH2 + 4 NO - 4 N2 + 4 H20 4 NH3 + O2 + 4 NO - 4 N2 + 6 H20 (Glg. A) 4 NH3 + °2 - 4 NH2 + 2 H20 4 NH2 + 2 02 - 2 N2 + 4 H20 4 NH3 + 3 °2 - 2 N2 + 6 H20 (Glg. B) 4 NH3 + O2 - 4 NH2 + 2 H20 4 NH2 + 4 4 - 4 N2 + 4 H2O 4 NH3 + 5 °2 - 4 NO + 6 H20 (Glg. C) b) N0 : 4 NH3 + 2 N02 + 02 - 3 N2 + 6 H20 (Glg. D) Durch langjährige Großversuche an Kraftwerkanlagen ist ermittelt worden, daß der optimale Reaktionsablauf in einem Temperaturbereich von 8500 bis 10500 C stattfindet, weil bei noch höheren Reaktionstemperaturen der Reduktionsgrad durch den Einfluß der durch Gleichung B und C wiedergegebenen Nebenreaktionen wieder gemindert wird. In dem genannten Temperaturbereich bei 9500, einer Verweilzeit von 0,4 Sekunden, einer NO-Konzentration im Rauchgas von 200 ppm und einem NH3/NO-Molverhältnis von 2 ist ein Reduktionsgrad von mehr als 70 % erzielbar.
Bei dem bekannten "Mitsubishi-SNR-Verfahren" erfolgt aus diesem Grund die Ammoniak-Zumischung erst im Rauchgaskanal zwischen den Berührungsheizflächen des Dampferzeugers bei Rauchgastemperaturen zwischen 9000 und 10300 C. Dabei besteht die Zumischeinrichtung aus in einer oder mehreren Querschnittsebenen des Rauchgaskanals liegenden Rohren von quadratischem Querschnitt, wobei sich in den vier Rohrecken wiederum Rohre für das Kühlmittel und in einer Rohrwandebene in bestimmten Achsenabständen düsenähnliche Austrittsöffnungen für das Ammoniak befinden. Diese Austrittsöffnungen haben in Bezug auf die Strömungsrichtung des Rauchgases eine unterschiedliche Austrittsrichtung, um das Ammoniak über den Rauchgaskanal-Querschnitt möglichst gleichmäßig und mit möglichst kurzem Mischweg einzubringen.
Von Nachteil bei diesem bekannten Verfahren ist der Investitions-, Betriebs- und Wartungsaufwand für das Kühlsystem der Ammoniakzumischeinrichtung und der Umstand, daß bei verändertem Brennstoffdurchsatz infolge einer erforderlichen Laständerung des Dampferzeugers sich der für die N0x-Reduktion optimale Temperaturbereich des Rauchgases örtlich im Rauchgaskanal verschiebt und sowohl die Mischzeit wie auch die Verweilzeit für das Ammoniak negativ beeinflußt. Außerdem steht nur eine beschränkte Verweilzeit für die Reaktion des Ammoniaks mit den Stickstoffoxiden zur Verfügung, da infolge deren oberer Temperaturgrenze der Mischweg auf Kosten des Reaktionsweges in dem örtlich optimalen Temperaturbereich liegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren und die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Vorrichtung derart weiter zu entwickeln, daß bei einer Wirbelschicht-Feuerung ein hoher NO#-Reduktionsgrad - durch Vermeidung temperaturbedingter Probleme bei der Ammoniak-Eindüsung, - durch Verbesserung des örtlichen und zeitlichen Mischvorganges für das Ammoniak, - durch Verminderung der vom Brennstoffdurchsatz der Wirbelschicht-Feuerung abhängigen, örtlichen Verschiebungen des optimalen Temperaturbereichs und - durch Sicherstellung einer Ammoniak-Verweilzeit im optimalen Temperaturbereich von mindestens 0,2 Sekunden gewährleistet ist.
Als Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird vorgeschlagen, daß verfahrensmäßig bei einer Wirbelschicht-Feuerung unter Anpassung der Wirbelschicht-Temperatur an die für die Reduktion erforderliche Temperatur von 8500 bis 10500 C die Zumischung der in Abhängigkeit von der NOx -Konzentration eingestellten Ammoniak-Menge statt in das Rauchgas in die Verbrennungsluft vor Eintritt in die Wirbelschicht-Feuerung vorgenommen wird.
In Versuchen hat sich jedoch gezeigt, daß sich aufgrund der bekanntermaßen intensiven Wärme- und Stoffaustauschvorgänge in der Wirbelschicht auch noch bei Temperaturen unterhalb 8500 C zufriedenstellende NO#-Reduktionsgrade realisieren lassen, so daß als Temperaturbereich für die Anwendung des Verfahrens ein Bereich von 7500 bis 10500 C angegeben werden kann.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ferner vorgeschlagen, daß eine Zumischeinrichtung für das Ammoniak, bestehend aus Zuleitungsrohren und Düsen, im Luftverteilerkasten der Wirbelschicht-Feuerung angeordnet ist.
Alternativ hierzu wird auch vorgeschlagen, daß eine Zumischeinrichtung für das Ammoniak, bestehend aus einem oder mehreren Rohren und Düsen und gegebenenfalls aus einer Mischeinrichtung, in der Zufuhrleitung der Verbrennungsluft vor deren Einmündung in den Luftverteilerkasten der Wirbelschicht-Feuerung angeordnet ist.
Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag werden bei der Wirbelschicht-Feuerung die aufgabenbezogenen Kriterien in vorteilfafter Weise erreicht.
Allein durch die konstruktiven Lösungsmöglichkeiten ist gewährleistet, daß das Ammoniak vor Eintritt in den Wirbelschicht-Feuerraum, spätestens aber vor dem eigentlichen Verbrennungsprozeß ideal verteilt vorliegt, und so die Mischzeit des Ammoniaks im Gas keinen Einfluß auf die Verweilzeit im Rauchgas nehmen kann. Da die Zumischeinrichtung für das Ammoniak im kalten Anlagenteil der Wirbelschicht-Feuerung angeordnet ist, werden kosten- und wartungsintensive Kühleinrichtungen für die Ammoniak-Eindüsung vermieden. Aufgrund der bekanntermaßen nahezu konstanten Temperaturverhältnisse .i in einer Wirbelschicht werden störende, die NOx-Reduktion beeinflußende Nebenreaktionen, die wegen zu hoher - d. h. über 10500 C liegender - Reaktionstemperaturen örtlich unkontrollierbar auftreten, weitestgehend ausgeschaltet. Gleichzeitig nehmen die intensiven Stoffaustauschvorgänge in einer Wirbelschicht in optimaler Weise Einfluß auf die Verweilzeitdauer.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die in der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellten Wirbelschicht-Feuerungsanlage näher beschrieben.
Die Wirbelschicht-Feuerungsanlage 1 umfaßt eine Aufgabeeinrichtung 2 für den in der Wirbelschicht 7 zu verfeuernden Brennstoff, ein Gebläse 3 in der Leitung 4, über die die erforderliche Verbrennungsluft dem Luftverteilerkasten 5, von dort der Wirbelschicht 7 zugeführt wird und Berührungsheizflächen-Einbauten 6 in der Wirbelschicht-Feuerung 7 und im folgenden Rauchgaskanal 8. Die Mengeneinstellung des Brennstoffs und der Verbrennungsluft erfolgt derart, daß unter Berücksichtigung einer bestimmten zugemischten Ammoniak-Menge und des über die Berührungsheizflächen 6 erfolgenden Wärmeentzugs die Verbrennungstemperatur in der Wirbelschicht-Feuerung einem Temperaturwert im Optimalbereich von 7500 bis 10500 C, der einen maximalen NO#-Reduktionsgrad gewährleistet, angepaßt ist.
Im Luftverteilerkasten 5 ist eine Zumischeinrichtung 9 angeordnet, über die das Reduktionsmittel Ammoniak, aus einem Tank 10 mit einem Verdampfer 11 und über die mit einer Absperrarmatur 13 und einer Regelarmatur 12 versehenen Rohrleitung 14 zugeführt, der Verbrennungsluft zugemischt wird. Die Zumischeinrichtung 9 besteht aus einem nicht näher dargestellten Rohrleitungsystem, das mit düsenähnlichen, im Luftverteilerkasten 5 gleichmäßig verteilten Öffnungen für die Ammoniakzumischung versehen ist.
Die zugemischte Ammoniak-Menge wird in Abhängigkeit von der mittels des Analysengerätes 18 ermittelten N0x-Konzentration im Rauchgas an der Regelarmatur 12 eingestellt. Dabei finden durch entsprechende Kontrollmeßgeräte 19, 20 erfaßte Veränderungen der Verbrennungsluftmenge bzw. der in der Wirbelschicht herrschenden Verbrennungstemperatur Berücksichtigung.
Eine alternative, nicht näher dargestellte Ausführung sieht vor, daß die Zumischeinrichtung 9 bereits in der Leitung 4 zwischen dem Gebläse 3 und dem Luftverteilerkasten 5 angeordnet ist. Die Ammoniak-Zumischung erfolgt über ein oder mehrere mit Austrittsdüsen versehene Rohre und gegebenenfalls über eine zur zusätzlichen Intensivierung des Mischvorganges vorgesehene Mischeinrichtung, beispielsweise einen Static-Mixer oder ähnliche Einbauten. Die übrigen Anlagenteile bleiben in ihrer Bau- und Funktionsweise unverändert.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Verminderung der N0x-Konzentration im Rauchgas durch nicht-katalytische Reduktion bei Temperaturen zwischen 7500 und 10500 C mittels Ammoniak, wobei das Ammoniak dem Rauchgas nach Verlassen des Feuerraumes zugemischt wird, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß bei einer Wirbelschicht-Feuerung unter Anpassung der Wirbelschicht-Temperatur an die für die Reduktion erforderliche Temperatur von 7500 bis 10500 C die Zumischung der in Abhängigkeit von der N0x#Konzentration eingestellten Ammoniak-Menge statt in das Rauchgas in die Verbrennungsluft vor Eintritt in die Wirbelschicht-Feuerung vorgenommen wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß eine Zumischeinrichtung für das Ammoniak, bestehend aus Zuleitungsrohren und Düsen, im Luftverteilerkasten der Wirbelschicht-Feuerung angeordnet ist.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß eine Zumischeinrichtung für das Ammoniak, bestehend aus einem oder mehreren Rohren und Düsen und gegebenenfalls aus einer Mischeinrichtung, in der Zufuhrleitung der Verbrennungsluft vor deren Einmündung in den Luftverteilerkasten der Wirbelschicht-Feuerung angeordnet ist.