DE2409950B2 - Verfahren zum Verbrennen von Kohlenwasserstoffbrennstoff - Google Patents
Verfahren zum Verbrennen von KohlenwasserstoffbrennstoffInfo
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- F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbrennen von Kohlenwasserstoffbrennstoff in zwei
Stufen mit geringer Stickoxidemission, bei dem der Kohlenwasserstoffbrennstoff mit weniger als 70% der
theoretisch zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Luft einer Primärverbrennung unterworfen wird
und das dabei entstehende Gasgemisch unabhängig vor. der Primärverbrennung in einer Sekundärverbrennung
mit Luft vollständig verbrannt wird.
Ein derartiges Zweistufen-Verbrennungsverfahren ist bereits in der DE-OS 21 29 357 beschrieben. Dieses
bekannte Verfahren ist jedoch noch nicht gänzlich befriedigend:
1. Selbst bei Durchführung einer Primärverbrennung mit Luftunterschuß kann aufgrund lokaler Sauerstoffanreicherungen
eine Stickoxidbildung nicht ausreichend verhindert werden.
2. Bei der Primärverbrennung können mitunter rußende gasförmige Kohlenwasserstoffkomponenten
gebildet werden, die Störungen in den nachfolgenden Verfahrensstufen, beispielsweise
beim Wärmetausch oder bei einer Sekundärverbrennung, hervorrufen.
3. Auch während und nach der Sekundärverbrennung können im Gasgemisch größere Mengen Kohlenwasserstoffe
erhalten bleiben, die, wahrscheinlich unter Katalyse von Kohlenwasserstoffradikalen,
zur sogenannten Sekundärbildung von NO führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungsverfahren der eingangs genannten Art zu
schaffen, das bei hoher Wirtschaftlichkeit der Gesamtverbrennung den Stickoxidgehalt der Verbrennungsabgase
wesentlich senkt, wobei gleichzeitig der Kohlenmonoxidgehalt und der Rußgehalt der Verbrennungsabgase
vermindert werden soll.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Gasgemisch nach der
Zersetzung gekühlt wird, bevor es der Sekundärverbrennung unterworfen wird.
Zur Beschleunigung der Zersetzung der nicht verbrannten organischen Brennstoffe in anorganische
Gase können eine Verbrennungskammer mit ausreichend großen Abmessungen, also mit ausreichender
Volumenkapazität, oder eine Katalyse torschicht dienen, die auf ausreichender Temperatur gehalten wird. Als
Katalysator können beliebige an sich bekannte Nickelkatalysatoren verwendet werden.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher
ίο beschrieben, die ein Blockdiagramm des Verfahrens
zeigt
Zur Durchführung des Verfahrens werden der Primärverbrennung Kohlenwasserstoffbrennstoff 1 und
Luft 2 zugeführt, wobei das Verhältnis der zugemischten Verbrennungsluft ausreichend unter 70% der theoretisch
zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Menge liegt Für die Primärverbrennung wird ein
Brenner mit Vormischung insofern vorgezogen, als dabei von vornherein nur geringe Mengen Stickoxide
entstehen. Unter Berücksichtigung einer stabilen Verbrennung ist jedoch ein Brenner mit Diffusionsflamme
vorteilhaft. Bei der Verwendung eines Brenners mit Diffusionsflamme muß jedoch, wie vorstehend bereits
ausgeführt wurde, eine erhöhte Stickoxidbildung während der Primärverbrennung in Kauf genommen
werden.
Die Primärverbrennung ist jedoch, thermodynamisch gesehen, aufgrund der unzureichenden Luftzufuhr nicht
nur im makroskopischen System, sondern auch im
)« mikroskopischen System unvollständig: Das bei der
Primärverbrennung entstehende Gasgemisch enthält große Mengen unzersetzter Kohlenwasserstoffe. Dieses
Gas wird daher einer beschleunigten Zersetzung unterworfen, die in der Weise erfolgen kann, daß man
!5 eine großvolumige Verbrennungskammer verwendet.
Die Volumenkapazität dieser Verbrennungskammer muß ausreichend groß sein, um unter Berücksichtigung
des Prinzips des kleinsten Zwanges der angestrebten Zersetzung in anorganische Gase nicht entgegenzuwir-
■»o ken. So tritt beispielsweise bei der Verschiebung der
nachstehend dargestellten und in den Primärverbrennungsgasen vorliegenden Gleichgewichte in die gewünschte
Richtung immerhin eine Volumenvergrößerung von ca. 4 :6 auf:
CO + H2O <=* CO2 + H2
CH4 + H2O <=» 3 H2 + CO
CH4 + H2O <=» 3 H2 + CO
Durch die Verwendung einer ausreichend großen Verbrennungskammer oder einer Katalysatorschicht
wird also nach der Primärverbrennung eine Kohlenwasserstoffzersetzung
bewirkt, bei der einfache anorganische Gase gebildet werden, die als brennbare Komponenten
im wesentlichen CO und H2 enthalten.
Vi Der entscheidende Schritt bei dieser beschleunigten
Zersetzung liegt darin, daß die während der Primärverbrennung erzeugten Stickoxide durch die während der
Zersetzung erzeugten Gase H2 und CO reduziert werden. Es wird auf diese Weise also ein Gasgemisch
hoher Temperatur erhalten, das im wesentlichen CO und H2 als brennbare Komponenten und kaum
Stickoxide enthält
Dieses Gas wird dann der Sekundärverbrennung mit Luft zugeführt
<>·"> Um die erneute Bildung von Stickoxiden bei der
Sekundärverbrennung s.o gering wie möglich zu halten, wird das Gasgemisch vorzugsweise irgendeinem wärmeabsorbierenden
Prozeß unterworfen, beispielsweise
durch einen Wärmeaustauscher geleitet.
Das Gas enthält zu diesem Zeitpunkt jedenfalls keine instabilen Verbrennungszwischenprodukte, insbesondere
keine rußenden Substanzen mehr. Es besteht im wesentlichen aus CO und Hh in relativ stabiler Form, so
daß die Sekundärverbrennung praktisch vollständig rußfrei durchgeführt werden kann.
Da die der Sekundärverbrennung zugeführten brennbaren Gase zum größten Teil aus Hh und CO bestehen,
kann die Sekundärverbrennung bei niedriger Temperatur durchgeführt werden. Auf diese Weise kann eine
erneute Stickoxidbildung wirksam unterdrückt werden. Die gewünschte Einhaltung einer niedrigen Sekundärverbrennungstemperatur
kann durch die Verwendung eines Tieftemperaturoxidationskatalysators gefördert werden.
Selbst wenn aber das Kühlen nach der Zersetzung aus anlagentechnischen Gründen unterbleiben muß und auf
diese Weise ein Gasgemisch hoher Temperatur der Sekundärverbrennung unmittelbar zugeführt wird, so
bestehen die unverbrannten Anteile des Brennstoffs bzw. des zersetzten Brennstoffs dennoch aus Hb und CO,
so daß selbst dann die im Sekundärabgas auftretende Stickoxidemission wesentlich geringer gehalten werden
kann als im Fall der herkömmlichen Kohlenwasserstoffverbrennung.
Die Primärverbrennung wird mit etwa 70% der für eine vollständige Verbrennung theoretisch erforderlichen
Luftmenge durchgeführt. Die Sekundärverbrennung erfolgt mit 50% der für die vollständige
Verbrennung des der Primärverbrennung zugeführten Brennstoffs erforderlichen Luftmenge. Der Kohlenwasserstoffbrennstoff
wird also insgesamt mit 120% der zu seiner vollständigen Verbrennung theoretisch erforderlichen
Luftmenge verbrannt. Zur beschleunigten Zersetzung wird ein Nickelkatalysator verwendet. Die
Verbrennung wirJ bei einer Temperatur von ca. 1100° C
durchgeführt Die Stickoxidkonzentration nach der Katalysatorschicht beträgt 1 — 2 ppm. Der Stickoxidgehalt
des Sekundärverbrennungsgases beträgt weniger als 10 ppm. Ein solcher Wert ist nach dem Stand der
Technik in so wirtschaftlicher Weise nicht erhältlich.
In dem vorstehend beschriebenen Beispiel 1 wurde zur beschleunigten Zersetzung ein Nickelkatalysator
verwendet. Es kann aber auch jedes beliebige an sich bekannte Mittel und jedes beliebige an sich bekannte
Verfahren verwendet werden, das den Zweck erfüllt, die nicht verbrannten oder unvollständig verbrannten
Kohlenwasserstoffkomponenten im Primärverbrennungsabgas, das durch Verbrennung mit Luft in einer
Menge von weniger als 70% der theoretisch zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Luft erhalten
wurde, zu einfach gebauten anorganischen Gasen, die
im wesentlichen CO und Hh enthalten, zu zersetzten und
vorzugsweise dabei zusätzlich die Reduktion der Stickoxide, insbesondere die Reduktion von NO, durch
Wasserstoff oder Kohlenmonoxid zu beschleunigen.
So kann beispielsweise die Beschleunigung der Zersetzung statt durch einen Katalysator auch in der
Weise bewirkt werden, daß man, wie vorstehend beschrieben, eine Verbrennungskammer mit einem
ausreichend großen Volumen vorsieht.
Die Primärverbrennung wird mit 55% der theoretisch erforderlichen 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 1000 l/h und einer
Temperatur von 1050°C betrug die Stickoxidkonzentration am Ausgang der großvolumigen Primärverbrennungskammer
1—2 ppm. Die Stickoxidkonzentration im Abgas der Sekundärverbrennungskammer betrug
15 ppm.
Ein weiteres wesentliches Merkmal liegt darin, daß die Sekundärverbrennungskammer und die Sekundärverbrennung
sowie gegebenenfalls weitere Nachfolgeprozesse isoliert von den ersten beiden Verfahrensstufen
vorgesehen sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß für die Sekundärverbrennungskammer die verschiedensten,
jeweils geeignetsten Konfigurationen gewählt werden können, ohne daß dabei auf Primärverbrennungsbedingungen
einschränkend Rücksicht genommen zu werden braucht. So können Kammern für die Sekundärverbrennung ohne jede Einschränkung im
wesentlichen nach den Gesichtspunkten gebaut werden, daß die während der Sekundärverbrennung erzeugte
Stickoxidkonzentration so gering wie möglich gehalten wird. Die beiden ersten Verfahrensschritte werden
dadurch in keiner Weise beeinflußt.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß der Sekundärverbrennung ein im wesentlichen aus H2
und CO bestehendes Brenngasgemisch zugeführt wird, das leicht und ohne Schwierigkeiten einer abschließenden
und vollständigen Verbrennung unterworfen werden kann. Dadurch kann gleichzeitig selbst beim
Arbeiten mit nur einem geringen Luftüberschuß eine Kohlenmonoxidemission praktisch vollständig unterdrückt
werden.
Zusammenfassend ist also zu sagen, daß das Verfahren bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen
die Konzentration von Stickoxiden, Kohlenmonoxid und Restkohlenwasserstoffen auf ein
Minimum herabzusenken vermag.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Verfahren zum Verbrennen von Kohlenwasserstoffbrennstoff in zwei Stufen mit geringer Stickoxidemission,
bei dem der Kohlenwasserstoffbrennstoff mit weniger als 70% der theoretisch zur
vollständigen Verbrennung erforderlichen Luft einer Primärverbrennung unterworfen wird und das dabei
entstehende Gasgemisch unabhängig von der Primärverbrennung in einer Sekundärverbrennung
mit Luft vollständig verbrannt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß das bei der Primärverbrennung entstehende Gasgemisch vor der Sekundärverbrennung
einer beschleunigten Zersetzung der nicht verbrannten organischen Brennstoffe in
anorganische Gase unterworfen wird, deren brennbare Bestandteile im wesentlichen H2 und CO sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch nach der Zersetzung
gekühlt wird, bevor es der Sekundärverbrennung unterworfen wird.
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