DE2409950A1

DE2409950A1 - Zweistufenverfahren zum verbrennen von kohlenwasserstoffbrennstoffen

Info

Publication number: DE2409950A1
Application number: DE2409950A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Nozawa; Tsunenori Tokumoto; Kazuo Yamahishi
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1973-03-01
Filing date: 1974-03-01
Publication date: 1974-09-05
Also published as: US3914091A; FR2220043A1; DE2409950B2; JPS49124625A; JPS5237611B2; FR2220043B1

Description

Patentanwälte

Dlpl.-feg. It; τ. .*nn

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Tol'jyo Gas Company Liiaiced,

2-16 Yaesu 1-chorae, Chuo'Jcu, Tolcyo / Japan

Sweistufenverfahren ξχιγλ Verbreniien von Kohlenwasserstoff brennstoff en

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sum Verbrennen von Eoiilem-;asserstof.'.brennstoffan in z\'/ei Stufen rait geringer Stickoiiideraission.

Es ist bekannt, dass der Stickoxidgehalt in den Verbrennungsabgasen von Kohlenwasserstoffbrennstoffen dadurch verringert werden kann, dass man die Verbrennung mit einem Luftunt er schuss durchführt, 'weiterhin ist bekannt, dass auch in Jilachv er brennungen durch die im allgemeinen niedrigen Verbrennungsteraperaturen die Bildung von Stickoxiden weiter verringert werden kann.

Die bekannten Sweistufen-Verbrennungsverfahren, die bevorzugt unter Verwendung von Diffusionsflammen durchgeführt

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werden, v/eisen folgende ITachteile aufr (1) Selbst bei Durchführung einer Primärverbrennung mit L-uftunterschuss lann aufgrund loyaler Sau.erstoffanreicherungen eine 3tiepoxidbildung nicht ausreichend verhindert v/erden. (2) Die Prinärverbrennung führt nicht zu der angestrebten vollständigen tartialverbrennung, so dass Russ und bzw. oder russende gasförmige Kohlaiwasserstoffkoraponenten gebildet vrerden, die Störungen in den nachfolgenden Verfahrens stufen, beispielsweise bed^a Wärmeaustausch oder Lei einer nachverbrennung, hervorrufen. (3) Auch vjährend und nach der IZachverbrennung bleiben i;u Gasgemisch grcsse;;e i'en^en. Kohlenvjasserstoffe erhalten, die, wahrscheinlich unter Katalyse von Kohlenwasserstoffradikalen, zur sogenannten Selcundärbildung von HO führen. Aufgrund dieser Effekte kann nach dem bekannten Sweis tuf enverf ahr en dsr Kohlenwasserstoff brennstoff-Verbrennung gegenüber der direkten Verbrennung bestenfalls eine Verminderung des Stickoxidgehalts urn 5O - 60 % erreicht werden.

Der Erfindung liegt angesichts dieses Standes der Technik daher die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei hoher Wirtschaftlichkeit der Gesamtverbrennung den Stickoxidgehalt der Verbrennuiigsabgase x^esentlich senkt. Dabei sollen gleichseitig der Kohlenmonoxidgehalt und der Russgehalt der Vsrbrennungsabgasa vermindert v/erden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man den Brennstoff L·a Gemisch i.iit v/eniger als 70 % der theoretisch zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Luft einer PriraärverbrenniEr unterwirft, dass man die Priinärverbrennungsproduxte einer beschleunigten .Zersetzung der nicht verbrannten organischen Brennstoffe in anorganische Gase unterwirft, deren

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brennbare Bestandteile im wesentlichen Π und CO sind, und dass man dann das so erhaltene Gasgemisch unabhängig von den beiden ersten Verfahrensstufen in einer Sekundärverbrennung mit Luft vollständig verbrennt.

Nach einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass man das aus der Zersetzungsstufe kommende Primärabgas vor der Sekundärverbrennung kühlt, und zwar vorzugsweise in einem Wärmeaustauscher.

Zur praktischen Durchführung des Verfahrens geraäss der Erfindung wird der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff mit Luft in einer Menge von weniger als 70 % der theoretisch erforderlichen Menge gemischt und einer Primärverbrennung unterworfen. Das Primärabgas durchläuft dann eine Verfahrensstufe zur Beschleunigung der Partialverbrennung zum. Zersetzen in einfache anorganische Gase, die im wesentlichen aus BL und GO als brennbare Komponenten bestehen. Die so erzeugten einfachen anorganischen Gase werden dann einer unabhängigen Hachverbrennungskammer zugeführt. Unabhängig von den vorangegangenen Stufen wird das Gasgemisch dann in dieser Kammer zur Vervollständigung der Verbrennung unter Luftzufuhr verbrannt.

Für das Verfahren gemäss der Erfindung können beliebige im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehende Brennstoffe verwendet werden.

Als Methode zur Beschleunigung der Partialverbrennung können eine Verbrennungskammer mit ausreichend grossen Abmessungen, also mit ausreichender Volumenkapazität, oder eine Katalysatorschicht dienen, die auf ausreichender Temperatur gehalten wird. Als Katalysator können beliebige an sich bekannte Hickelkatalysatoren für die Partialverbrennung von Kohlenwasserstoffen verwendet werden.

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Die !«rfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Seichnung näher beschrieben. Ss seijt:

i^;Iiv;. 1 ein Bloclidiagrainra des Verfahrens gemäss der Srrindung.

3ur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung werden der PriniärverTarennung (Fig. 1) Kohlenwasserstoffbrennstoff 1 und Luft 2 zugeführt, wobei das Verhältnis der suje;;aischte:a Verbrennungsluft ausreichend unter 7O % der theoretisch zur vollständigen VerTorennung erforderlichen Ilenge liegt. Für die Prinärverbrennung wird ein Brenner rait Vormischung insofern vorgezogen, als dabei von vornherein nur geringe iJengen Stickoxide entstehen. Unter Berücksichtigung einer stabilen Verbrennung ist jedoch ein Brenner mit Diffusionsflamme vorteilhaft. Bei der Verwendung eines Brenners mit Diffusionsflamme rauss jedoch, wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, eine erhöhte Stickoxidbildung während der Primärverbrennung in Kauf ntaen v.⁷erden.

Die während dieser Primärverbrennung erzielte Partialverbrennung ist jedoch, thermodynamisch gesehen, aufgrund der unzureichenden Luftzufuhr nicht nur im makroskopischen System, sondern auch in ;ai]ixoskopischen System unvollständig: das bei der Pri\:icirverbre:mung entstehende Gasgemisch enthält grosse !..engen untersetzter Kohlenwasserstoffe. Dieses Gas wird daher erfindungsgemäss einer geeigneten Partialverbrennuigsfoeschleunigung unterworfen. Diese Partialverbrennungsbeschleunigung kann katalytisch oder einfach in der '/eise erfolgen, dass man eine grossvolumige Verbrennungskammer verwendet. Die Volumenkapazität dieser

muss ausreichend gross sein, ura unter

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Berücksichtigung des Prinzips des kleinsten Zwanges der vollständigen Partialverbrennu-ig nicht entgegenzuwirken. So tritt beispielsweise bei der Verschiebung der nachstehend dargestellten und in den Primärverbrennun<"sgasen vorliegenden Gleichgewichten in die geminschte ..iichtunj i:o.\er7ai:a eine Voltnnenvergrösserung von rd. 4 : G auf:

CO + E,

Durch die Verwendung einer ausreichend grossen Verbrennungskammer oder einer Katalysatorschicht wird also nach der Primär verbrennung oder gleichseitig rait dieser einer Kohlenwasserstoffzersetzung oder Eartialverbrennungsbeschleunigung bev/irkt, bei der einfache anorganische Gase gebildet werden, die als brennbare Komponenten in wesentlichen GO und H₂ enthalten.

Der erfindungsgemäss entscheidende Schritt bei dieser Art der Teilverbrennungsbeschleunigung liegt darin, dass die während der Primärverbrennung erzeugten Stickoxide durch die während der Teilverbrennung erzeugten Gase H~ und CO reduziert werden. Ss wird auf diese Weise also ein Teilverbrennungsgas hoher Temperatur erhalten, das im wesentlichen CO und H₂ als brennbare Komponenten und kaum Stickoxide enthält.

Dieses Gas wird dann der nachverbrennung rait Luft zugeführt .

Um die erneute Bildung von Stickoxideii bei der nachverbrennung so gering wie möglich zu halten, wird das Gasgemisch vorzugsweise irgendeinem wärineabsorbierenäen

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rrosass unten Or fen, baispielsv/aise durch einen Wärmeau3 cans clisr geleitet.

Das Gas enthält zu diesem Zeitpunkt jedenfalls keine instabilen Verbrennungsgas chenprodukte, insbesondere keine russenden Substanzen raahr. Es besteht ira v.^Tesentliclien aus 30 und EL· in relativ stabiler Form, so dass die Sekundärverbrennung praktisch vollständig ruesfrei durchgeführt warden kann.

Da die der nachverbrennung zugeführten brennbaren Gase .■suia 'jrössten Teil aus EL· und CO bestehen, kann die Nachverbrennung bei niedriger Temperatur durchgeführt werden. Auf diese V."eise kann eine erneute Stickoxidbildung wirksam unterdrückt werden. Die gewünschte Einhaltung einer niedrigen iTachverbrennungs temperatur kann durch die vorzugsweise Verwendung eines Tief tempera turoxidationska talysators gefördert v/erden.

Selbst wenn aber das Kühlen nach der Teilverbrennung aus anlagentechnischen Gründen unterbleiben muss und auf diese Weise ein Partialverbrennungsgas hoher Temperatur der Sekundärverbrennung unmittelbar zugeführt wird, so bestehen die unverbrannten Anteile des Brennstoffs bzw. des zersetzten Brennstoffs dennoch aus H_? und CO, so dass selbst dann die im Sekundärabgas auftretende Stickoxidemission wesentlich geringer gehalten v/erden kann als im Fall der herkömmlichen Kohlenwasserstoffverbrennung.

Beispiel 1

Die Primärverbrennung wird mit etv;a 7O % der für eine vollständig-e VerlDrennung theoretisch erforderlichen Luftmenge durchgeführt. Die nachverbrennung erfolgt mit 50 % der

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: für die vollständige Verbrennung des der E-riLiärverbremiun.::

: zugeführten Brennstoffs e3rf orderlichen Lufti'.enge. Der Kohlenwasserstoff brennstoff wird also insgesamt /dt 12C % der 2U seiner vollständigen Verbrennung theoretisch erforderlichen Luftmenge verbrannt. Zur ^r£eilverbrennungsbeschleunigung wird ein Hickelkatalysator verwendet. Die ' Verbrennung v/ird bei einer Temperatur von ca. 11O0 °G durchgeführt. Die Stickoxidkonsentration nach der Katalysatorschicht beträgt 1-2 ppm. Der Stickoxidgehalt des Sekundärverbrennungsabgases beträgt weniger als IO pp-i. 3in solcher Wert ist nach deiu Stand der Technik in so wirtschaftlicher Weise, wie nach dein Verfahren geraäss der Erfindung, nicht erhältlich.

In dem vorstehend beschriebenen Beispiel 1 wurde zur Primärverbrennungsabgaszersetzung bzw. zur ^rreilverbrennungsbeschleunigung ein Uickelkatalysator verwendet. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf die Verwendung eines Nickelkatalysators an dieser Stelle und zu diesen Specie beschränkt. Vieiraehr kann im liahmen der Erfindung jedes beliebige an sich bekannte Kittel und jedes beliebige an sich bekannte Verfahren verwendet werden, das den Zweck erfüllt, die nicht verbrannten oder unvollständig verbrannten Kohlenwassarstoffkoraponenten. im Priraärverbrennungsabgas, das durch Verbrennung in Luft in einer !"enge von weniger als 7O % der theoretisch zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Luft erhalten wurde, su einfach gebauten anorganischen Gasen, die in wesentlichen CO und H„ enthalten, zu zersetzen und vorzugsweise da?oei zusätzlich die Reduktion der Stickoxide, ins3::esondere die Reduktion von HO, durch Wasserstoff oder Kohlenmonoxid zu beschleunigen.

3o kann beispielsweise die Beschleunigung der Teilverbrennuag statt durch einen Katalysator auch in der Weise bewirkt werden, dass man, wie vorstehend bereits beschrieben, eine Verbrennuii: jslcamrner mit einem ausreichend "errossen Volumen

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vorsieht.
Beispiel 2

Die Primärverbrennung wird rait 55 % der theoretisch er— forderIiclxeri Luftmenge durchgeführt. Die Sekundärverbrennung wird mit 65 % der theoretisch erforderlichen Luftmenge durchgeführt. Die Verbrennung des Kohlenwasserstoffbrennstoffs erfolgt also wie auch im Beispiel 1 mit insgesamt 120 % der zur vollständigen Verbrennung theoretisch erforderlichen Luftmenge. Bei einem stationären Durchsatz von lOOO l/h und einer Temperatur von 105O C betrug die Stickoxidkonzentration am Ausgang der grossvolumigen Primärverbrennungskammer 1-2 ppm. Die Stickoxidkonzentration im Abgas der S ekundärverbrennungskainmer betrug 15 ppm.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, dass die Hachverbrennungskammer und die Sekundärverbrennung sowie gegebenenfalls weitere Nachfolgeprozesse isoliert von den ersten beiden Verfahrensstufen vorgesehen sind. Auf diese Weise liegt also ein wesentlicher Vorteil der Erfindung darin, dass für die Nachverbrennungskammer die verschiedensten, jeweils geeignetsten Konfigurationen gewählt werden können, ohne dass dabei auf Primarverbrennungsbedingungen einschränkend Rücksicht genommen zu werden braucht. So können Kammern für die Nachverbrennung ohne jede Einschränkung im wesentlichen nach den Gesichtspunkten gebaut werden, dass die während der nachverbrennung erzeugte Stickoxidkonzentration so gering wie möglich gehalten wird. Die beiden ersten Verfahrensschritte werden dadurch in keiner Weise beeinflusst.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäss der Erfindung mit Teilverbrennungsbeschleunigung liegt darin, dass

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der Sekundärverbrennung ein im wesentlichen aus £L· und GO bestehendes Brenngasgemisch zugeführt wird, das leicht und ohne Schwierigkeiten einer abschließenden und vollständigen Verbrennung unterer fen v/erden kann. Dadurch kann gleichzeitig selbst beim Arbeiten mit nur einem geringen Luftüberschuss eine Kohlenmonoxidenission praktisch vollständig unterdrückt werden.

Zusammenfassend ist also zu sagen, dass das Verfahren der Erfindung bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen die Eonsentration von Sticlcoxiden, Kohlenmonoxid
und Restkohlenwasserstoffen auf ein Minimum herabsusenken vermag.

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Claims

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Patentansprüche

Verfahren zun Verbrennen von Kohlenwasserstoffbrennstoff en in zwei Stufen rait geringer Stickoxidemission, dadurch gekennzeichnet, dass man (1) den Brennstoff im Gemisch mit weniger als 70 % der theoretisch zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Luft einer Primärverbremiuno" unterwirft, dass raan (2) die Primär— Verbrennungsprodukte einer beschleunigten Zersetzung der nicht verbrannten organischen Brennstoffe in anorganische Gase unterwirft, deren brennbare Bestandteile im wesentlichen H_? und CO sind, und dass man dann (3) das so erhaltene Gasgemisch unabhängig von den beiden ersten Verfahrensstufen in einer Sekundärverbrennung mit Luft vollständig verbrennt.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das aus der Verfahrensstufe (2) kommende Gasgemisch vor dera Aufgeben in die Verfahrensstufe (3) kühlt.

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