PL194273B1

PL194273B1 - Method for operating a combustion plant

Info

Publication number: PL194273B1
Application number: PL99348340A
Authority: PL
Inventors: Hermann Brüggendick; Andreas Hospital
Original assignee: Steag Encotec Gmbh
Priority date: 1998-11-18
Filing date: 1999-10-22
Publication date: 2007-05-31
Also published as: EP1131150A1; DE19853162C2; CA2351663A1; PL348340A1; ES2192417T3; ATE232133T1; DK1131150T3; WO2000029094A1; DE19853162A1; EP1131150B1; DE59904247D1

Abstract

To reduce the quantity of nitrogen oxides resulting from the nitrogen present in fuel, a substoichiometric flame zone is generated and a nitrogen oxide reducing agent introduced into said substoichiometric flame zone. When the oxygen supply is discontinued the reducing agent increases the concentration of radicals which in turn reduce the nitrogen being produced and release molecular oxygen.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób spalania paliwa zawierającego azot ze zmniejszaniem emisji tlenków azotu.The present invention relates to a method of burning a nitrogen-containing fuel while reducing the emission of nitrogen oxides.

Zmniejszanie emisji substancji szkodliwych przy spalaniu paliw kopalnych odgrywa istotną rolę z punktu widzenia ochrony środowiska. Krytyczne są zwłaszcza takie substancje szkodliwe, które nie mogą być ani odfiltrowywane ani wypłukiwane. Należą do nich tlenki azotu, przeważnie NO i NO2. Należy zwłaszcza wyróżnić pomiędzy tworzonymi sposobem termicznym tlenkami azotu te które powstają na bazie azotu obecnego w powietrzu i takie tlenki azotu, które powstają z azotu obecnego w paliwie. Tworzone drogą termiczną tlenki azotu powstają zasadniczo przy temperaturach powyżej 1400°C. Ich powstawanie daje się opanowywać w niektórych procesach poprzez odpowiednie regulowanie temperatury. Tlenki azotu na bazie azotu obecnego w paliwie tworzą się natomiast już przy niskich temperaturach spalania.Reducing the emission of harmful substances during the combustion of fossil fuels plays an important role from the environmental point of view. In particular, harmful substances that can neither be filtered out nor washed away are critical. These include nitrogen oxides, mostly NO and NO2. In particular, it is necessary to distinguish between nitrogen oxides formed by thermal method, those which are formed on the basis of nitrogen present in the air and those nitrogen oxides which are formed from nitrogen present in the fuel. Thermally formed nitrogen oxides are generally formed at temperatures above 1400 ° C. Their formation can be controlled in some processes by appropriate temperature regulation. On the other hand, nitrogen oxides are formed on the basis of the nitrogen present in the fuel even at low combustion temperatures.

W celu zmniejszenia emisji tlenków azotu z urządzeń o dużej skali technicznej stosuje się przeważnie metodę SCR. SCR oznacza selektywną redukcję katalityczną. W metodzie tej wypalone spaliny prowadzi się za strefą wypalania, dodając środek redukujący, przez reaktor katalityczny, w którym przy temperaturach wynoszących 300-400°C uzyskuje się rozkład tlenków azotu z tworzeniem się azotu cząsteczkowego. Spowodowane przez reaktor katalityczny nakładyinwestycyjne są znaczne. Wysokie są również koszty eksploatacyjne, ponieważ katalizatory trzeba oczyszczać i odnawiać.In order to reduce nitrogen oxide emissions from large-scale equipment, the SCR method is usually used. SCR stands for Selective Catalytic Reduction. In this method, the burned off exhaust gas is led downstream of the burnout zone by adding a reducing agent through a catalytic converter where, at temperatures of 300-400 ° C, nitrogen oxides are decomposed with formation of molecular nitrogen. The capital expenditure caused by the catalytic converter is considerable. The operating costs are also high, because the catalysts have to be cleaned and renewed.

Znana jest ponadto metoda SNCR. SNCR oznacza selektywną redukcję niekatalityczną. Tutaj środek redukujący wprowadza się zaraz bezpośrednio za strefą wypalania do nadstechiometrycznych, mających wysoką temperaturę, wypalonych spalin. Zachodzą tu te same reakcje jak w reaktorze katalitycznym, oczywiście z braku katalizatora na wysokim poziomie temperatury i z niskimi spadkami ciśnienia. Musi być przy tym zachowywany przedział temperaturowy wynoszący pomiędzy 950 i 1050°C. Powyżej tego przedziału temperaturowego istnieje niebezpieczeństwo, że środek redukujący w obecności panującego nadmiaru tlenu utleni się do tlenków azotu. Poniżej tego przedziału temperaturowego pożądane reakcje zachodzą tylko w niedostatecznej mierze. Zachodzi wymykanie się środka redukującego, to znaczy środek redukujący jest zabierany przez spaliny jako nieużyteczny balast. Zresztą metoda SNCR jest skuteczna przy założeniu, że środek redukujący jest mieszany bardzo intensywnie i równomiernie ze spalinami, na przykład za pomocą żerdzi lub podobnych elementów i przy użyciu środka napędowego. Wzwiązku z tym nie wchodzi w rachubę zastosowanie tej metody w dużej skali technicznej. Jej stosowanie ogranicza się do małych urządzeń spalających, na przykład elektrociepłowni i spalarni śmieci. Zastosowanie w dużej skali technicznej musiałoby przewidywać dokonywanieprzemieszania w równomierny sposób na przekroju 100 do 500 m², co oczywiście jest wykluczone.The SNCR method is also known. SNCR stands for Selective Non-Catalytic Reduction. Here, the reducing agent is introduced immediately downstream of the burnout zone into the over-stoichiometric, high-temperature, burn-out exhaust gas. The same reactions take place here as in the catalytic reactor, of course in the absence of a catalyst at a high temperature level and with low pressure drops. A temperature interval of between 950 and 1050 ° C must be observed. Above this temperature range there is a danger that the reducing agent oxidizes to nitrogen oxides in the presence of an excess of oxygen. Below this temperature range, the desired reactions only insufficiently take place. There is an escape of the reducing agent, i.e. the reducing agent is taken up by the exhaust gas as a useless ballast. Moreover, the SNCR method is effective on the assumption that the reducing agent is mixed very intensively and evenly with the exhaust gas, for example by means of a rod or the like and with the use of a propulsion means. Therefore, it is not possible to apply this method on a large technical scale. Its use is limited to small combustion appliances, such as combined heat and power plants and waste incineration plants. Application on a large technical scale would have to provide for uniform mixing over the cross-section of 100 to 500 m ² , which is obviously out of the question.

Trudności związane z intensywnym i równomiernym wmieszywaniem środka redukującego do strumienia spalin występują także w będącej w stanie rozwoju metodzie wysokotemperaturowej. Tutaj środek redukujący wprowadza się do strefy redukcji, która znajduje się pomiędzy strefą palnikową i strefą wypalania. W strefie palnikowej i w strefie redukcji panują warunki substechiometryczne. Może być przy tym wymagana praca ze stopniowaniem paliwa, to znaczy, że wprowadza się pozostałą część paliwa do strefy redukcji. Do wprowadzenia środka redukującego potrzebne jest medium nośne. Powietrze nie wchodzi w rachubę, ponieważ strefa redukcji musi pozostawać substechiometryczna. Azot jest natomiast za drogi. Pozostają więc para wodna i odparowywalne ciecze, przez co w obu wypadkach sprawność procesu obniża się. Powyższe odnosi się do wprowadzania wody amoniakalnej, w któ-rej udział wody, która ma zostać odparowana, wynosi około 75%. W strefie wypalania, znajdującej się bezpośrednio za strefą redukcji, współczynnik nadmiaru powietrza podwyższa się do ponad 1, poprzez dodanie dodatkowego powietrza do spalania.Difficulties in mixing the reducing agent intensively and evenly into the flue gas stream are also found in the high-temperature method under development. Here, the reducing agent is introduced into the reduction zone which is located between the burner zone and the burnout zone. Sub-stoichiometric conditions prevail in the burner zone and in the reduction zone. It may be necessary to work with fuel staging, that is, to introduce the remainder of the fuel into the reduction zone. A carrier medium is required for the introduction of the reducing agent. Air is out of the question as the reduction zone must remain sub-stoichiometric. On the other hand, nitrogen is too expensive. Thus, water vapor and evaporable liquids remain, which reduces the efficiency of the process in both cases. The above applies to the introduction of ammonia water in which the proportion of water to be evaporated is about 75%. In the burnout zone immediately downstream of the reduction zone, the excess air ratio is increased to above 1 by adding additional combustion air.

Wskutek braku tlenu w strefie redukcji udział powstającego NO jest stosunkowo mały. Dodając środek redukujący uzyskuje się rozkład NO z powstawaniem azotu cząsteczkowego.Due to the lack of oxygen in the reduction zone, the proportion of NO produced is relatively small. By adding a reducing agent, the NO is decomposed with the formation of molecular nitrogen.

Do trudności związanych z równomiernym i intensywnym wmieszywaniem środka redukującego do strefy redukcji dochodzą problemy związane ze sterowaniem. Przy zmianie ładunku ulega naturalnie skróceniu strefa palnikowa. Strefa redukcji musi więc zostać przysunięta bliżej do palników. Przy zwiększeniu ładunku należy nie dopuszczać do tego, aby strefa redukcji przemieściła się do wewnątrz strefy wypalania i tam była zasilana dodatkowym powietrzem do spalania, wskutek czego ustalałyby się warunki nadstechiometryczne.In addition to the difficulties of mixing the reducing agent evenly and vigorously into the reduction zone, there are also problems related to the control. As the load changes, the burner zone naturally shortens. The reduction zone must therefore be moved closer to the burners. As the charge is increased, the reduction zone should not be allowed to move to the inside of the burnout zone and supplied with additional combustion air there, whereby over-stoichiometric conditions would be established.

PL 194 273 B1PL 194 273 B1

Sposób wymienionego na wstępie rodzaju znany jest z międzynarodowej publikacji patentowej nr WO 91/10864. Środek redukujący jest tam wprowadzany do strefy pierwotnej jako materiał drobno podzielony, mający postać cząstek. Odnośnie do dzielenia i wymieszania istnieją więc te same trudności, jakie omówiono powyżej. Jako środki redukujące podaje się siarczek wapnia, tlenek wapnia, siarczek żelaza i tlenek żelaza oraz ich mieszaniny. Działanie redukujące tych materiałów jest co najmniej ograniczone.A method of the initially mentioned type is known from International Patent Publication No. WO 91/10864. There, the reducing agent is introduced into the primary zone as a finely divided material in the form of particles. The same difficulties therefore exist with regard to dividing and mixing as discussed above. Reducing agents are calcium sulfide, calcium oxide, iron sulfide, and iron oxide, and mixtures thereof. The reducing effect of these materials is at least limited.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wymienionego na wstępie rodzaju, który będzie nadawał się do stosowania w dużej skali technicznej i w niezawodny sposób przy niskich nakładach inwestycyjnych i eksploatacyjnych.The object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset, which is suitable for use on a large technical scale and in a reliable manner with low investment and operating costs.

Sposób spalania paliwa zawierającego azot ze zmniejszaniem emisji tlenków azotu, przy czym wytwarza się substechiometryczną strefę pierwotną i zasila się ją środkiem redukującym tlenek azotu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że substechiometryczną strefę pierwotną kształtuje się jako jądro płomienia, a jako środek redukujący tlenek azotu stosuje się związki azotu lub węglowodory.A method of burning a nitrogen-containing fuel to reduce the emission of nitrogen oxides, whereby a substoichiometric primary zone is created and fed with a nitrogen oxide reducing agent, according to the invention, the substoichiometric primary zone is formed as a flame nucleus and the nitrogen oxide reducing agent is used nitrogen compounds or hydrocarbons.

Korzystnie, w substechiometrycznym jądrze płomienia ustawia się temperaturę ponad 1100°C.Preferably, a temperature of more than 1100 ° C is set in the substoichiometric flame nucleus.

Korzystnie, substechiometryczne jądro płomienia okrywa się osłoną z powietrza wtórnego, korzystnie dalszą osłoną z powietrza trzeciorzędowego.Preferably, the substoichiometric flame nucleus is covered with a secondary air blanket, preferably a further tertiary air blanket.

Korzystnie, środek redukujący tlenek azotu wprowadza się do substechiometrycznego jądra płomienia razem z paliwem.Preferably, the nitric oxide reducing agent is introduced into the sub-stoichiometric flame nucleus together with the fuel.

Korzystnie, środek redukujący tlenek azotu wprowadza się do substechiometrycznego jądra płomienia razem z powietrzem pierwotnym.Preferably, the nitric oxide reducing agent is introduced into the sub-stoichiometric flame nucleus together with the primary air.

Korzystnie, wdmuchuje się do płomienia powietrze rdzeniowe, przy czym środek redukujący tlenek azotu wprowadza się do substechiometrycznego jądra płomienia razem z powietrzem rdzeniowym.Preferably, core air is blown into the flame, with the nitric oxide reducing agent being introduced into the sub-stoichiometric flame core together with the core air.

Substechiometryczne jądro płomienia posiada stosunkowo mały przekrój, tak że równomierne rozłożenie środka redukującego na tym przekroju nie stwarza żadnych problemów. Nie grają przy tym żadnej roli zmiany ładunku.The substoichiometric flame nucleus has a relatively small cross-section, so that the uniform distribution of the reducing agent over this cross-section does not pose any problems. Changing the load does not play any role here.

Jako środek redukujący zwykle wchodzi w grę amoniak, a ponadto woda amoniakalna, mocznik i podobne związki azotu, a poza tym także węglowodory, przede wszystkim gaz ziemny (CH4). W substechiometrycznej strefie płomieniowej cały będący do dyspozycji tlen zostaje praktycznie zużyty do częściowego utleniania węgla. NO powstaje tylko w niewielkiej ilości. Obecność środka redukującego prowadzi do tego, że zwiększa się koncentracja rodników NHi, CHi, HCN. Rodniki te reagują z powstającym tlenkiem azotu, redukują go i umożliwiają przy tym powstawanie azotu cząsteczkowego.Usually suitable reducing agents are ammonia, ammonia water, urea and similar nitrogen compounds, and also hydrocarbons, especially natural gas (CH4). In the substoichiometric flame zone, all available oxygen is practically used for the partial oxidation of the carbon. NO is only produced in a small amount. The presence of a reducing agent leads to an increase in the concentration of NHi, CHi, HCN radicals. These radicals react with the nitrogen oxide that is formed, reduce it, and thereby enable the formation of molecular nitrogen.

Ponadto sposób według wynalazku jest wolny od ograniczeń temperaturowych, którym podlega metoda SNCR. Raczej jako szczególnie korzystne okazało się ustawianie w substechiometrycznej strefie płomieniowej temperatury ponad 1100°C.Moreover, the method according to the invention is free from the temperature limitations to which the SNCR method is subject. Rather, it has proved to be particularly advantageous to set a temperature in the substoichiometric flame zone above 1100 ° C.

Temperatura procesu powinna korzystnie być tak regulowana, aby przy późniejszym wypalaniu, to znaczy przy późniejszym doprowadzaniu powietrza, powstające cząsteczki azotu (jak również także cząsteczki N2 z powietrza do spalania) nie rozpadały się znowu i nie tworzyły tlenków azotu. Temperatura nie powinna więc przekraczać 1400°C.The temperature of the process should preferably be controlled so that, during the subsequent firing, i.e. the subsequent supply of air, the nitrogen particles formed (as well as the N2 particles from the combustion air) do not break down again and form nitrogen oxides. The temperature should therefore not exceed 1400 ° C.

Jeśli środek redukujący jest wprowadzany w nadmiarze, to nie powoduje to żadnych ujemnych następstw. Wymykanie się środka redukującego nie może występować dlatego, ponieważ środek redukujący przy następującym potem wypalaniu z dostarczaniem tlenu podlega całkowicie przemianie. Substancje resztkowe (popiół lotny i gips) mogą być także wykorzystywane bez ograniczeń.There are no negative consequences if the reducing agent is introduced in excess. Leakage of the reducing agent must not occur because the reducing agent is completely transformed in the subsequent burnout with oxygen supply. The residual substances (fly ash and gypsum) can also be used without restriction.

W ważnej dalszej postaci wynalazku zaproponowano, żeby substechiometryczne jądro płomienia okrywać osłoną z powietrza wtórnego, korzystnie dalszą osłoną z powietrza trzeciorzędowego. W substechiometrycznym jądrze płomienia odbywa się rozkład i redukcja NO. Osłony z powietrza wtórnego i korzystnie z powietrza trzeciorzędowego umożliwiają następnie wypalanie paliwa i rozkład nadmiarowego środka redukującego. Spaliny nie wchodzą więc w stanie substechiometrycznym w kontakt z otaczającymi ścianami. Dzięki temu zapobiega się skutecznie korozji wysokotemperaturowej, w czym należy upatrywać dalszą zasadniczą zaletę wynalazku.In an important further embodiment of the invention it is proposed that the substoichiometric flame nucleus is covered with a secondary air cover, preferably with a further tertiary air cover. The decomposition and reduction of NO takes place in the sub-stoichiometric flame nucleus. The shields of secondary air and preferably tertiary air then allow the fuel to burn out and the excess reducing agent to be broken down. The exhaust gas therefore does not come into contact with the surrounding walls in a sub-stoichiometric state. As a result, high-temperature corrosion is effectively prevented, which is a further essential advantage of the invention.

Środek redukujący tlenek azotu może być wprowadzany do substechiometrycznej strefy płomieniowej przez boczne lub centralne żerdzie. Korzystnie jednak wprowadza się go do substechiometrycznego jądra płomienia razem z paliwem. Ponadto może być korzystnie, gdy środek redukujący tlenek azotu będzie wprowadzać się do substechiometrycznego jądra płomienia razem z powietrzem pierwotnym. Można ewentualnie już mieszać paliwo z powietrzem pierwotnym lub częścią powietrza pierwotnego. Mieszanina ta składa się w tych warunkach z paliwa, powietrza pierwotnego i środka redukującego.The nitric oxide reducing agent may be introduced into the sub-stoichiometric flame zone through the side or central poles. Preferably, however, it is introduced into the substoichiometric flame nucleus together with the fuel. Furthermore, it may be advantageous for the nitric oxide reducing agent to be introduced into the sub-stoichiometric flame nucleus together with the primary air. Optionally, the fuel may already be mixed with the primary air or part of the primary air. Under these conditions, this mixture consists of fuel, primary air and reducing agent.

PL 194 273B1PL 194 273B1

Istnieje ponadto możliwość wdmuchiwania do płomienia przynajmniej części powietrza pierwotnego jako powietrza rdzeniowego, przy czym odbywa się to korzystnie razem ze środkiem redukującym.It is furthermore possible to blow at least part of the primary air into the flame as core air, preferably together with a reducing agent.

Wynalazek rozwija swoje zalety wszędzie tam, gdzie paliwo zawiera duży udział azotu. Ma to miejsce przykładowo w przypadku węgla kamiennego, oleju smołowego, oleju ciężkiego, oleju otrzymywanego jako pozostałość, gazu procesowego i podobnych paliw. Paliwa stałe są przed spalaniem mielone. Środek redukujący może być w stałej postaci (również zmielony) lub także w postaci płynnej albo gazowej. Sposób ten nadaje się dla wszystkich stopni wydajności i nie powoduje dodatkowych spadków ciśnienia.The invention develops its advantages wherever the fuel contains a high proportion of nitrogen. This is the case, for example, with coal, tar oil, heavy oil, residue oil, process gas and similar fuels. Solid fuels are ground before combustion. The reducing agent can be in solid form (also ground) or also in liquid or gaseous form. This method is suitable for all performance levels and does not cause additional pressure drops.

Główny obszar stosowania wynalazku stanowią siłownie, gdzie palniki są umieszczone z boku w ścianie kotła w kilku płaszczyznach, jedna nad drugą, przy czym przekrój kotła może wynosić 100 ₂ do 500 m². Nad najwyższą płaszczyzną palnikową wdmuchiwane jest powietrze górne. Każdy palnik stanowi osobny, substechiometryczny system redukcji NO i dostarcza nadstechiometryczne spaliny do kotła. Oczywiście nie sprawia żadnych trudności dołączanie lub odłączanie poszczególnych płaszczyzn palnikowych.The main area of application of the invention are gyms, wherein the burners are arranged laterally in the wall of a boiler in several planes one above the other, said boiler section ₂ may be 100 to 500 m ^2. Top air is blown over the uppermost burner plane. Each burner is a separate sub-stoichiometric NO reduction system and supplies the over-stoichiometric flue gas to the boiler. Of course, it is not difficult to attach or detach individual burner planes.

Claims

A method of burning nitrogen-containing fuel with the reduction of nitrogen oxide emissions, whereby a substoichiometric primary zone is created and fed with a nitrogen oxide reducing agent, characterized in that the substoichiometric primary zone is formed as a flame nucleus and nitrogen oxide reducing agent is used nitrogen compounds or hydrocarbons.

2. The method according to p. The process of claim 1, characterized in that a temperature of more than 1100 ° C is set in the substoichiometric flame nucleus.

3. The method according to p. The method of claim 1 or 2, characterized in that the substoichiometric flame nucleus is covered with a secondary air blanket, preferably a further tertiary air blanket.

4. The method according to p. The method of claim 1, wherein the nitric oxide reducing agent is introduced into the sub-stoichiometric flame nucleus together with the fuel.

5. The method according to p. The process of claim 1, characterized in that the nitric oxide reducing agent is introduced into the sub-stoichiometric flame nucleus together with the primary air.

6. The method according to p. The process of claim 5, wherein core air is blown into the flame, the nitrogen oxide reducing agent being introduced into the sub-stoichiometric flame core together with the core air.