DE3852747T2

DE3852747T2 - Verfahren zur stickstoffoxydminderung und zur minimierung der herstellung sonstiger schadstoffe.

Info

Publication number: DE3852747T2
Application number: DE3852747T
Authority: DE
Inventors: William Epperly; John O'leary; James Sullivan
Original assignee: Fuel Tech Inc
Current assignee: Fuel Tech Inc
Priority date: 1987-05-14
Filing date: 1988-05-04
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2008-05-05
Also published as: MX167771B; AU594299B2; EP0313648B1; JPH01503372A; GR880100315A; JP2817929B2; AU1807488A; EP0313648A1; PT87493A; US4780289A; HUT56526A; PL272425A1; DE313648T1; PT87493B; CN1030193A; NO890147D0; FI890165A0; FI88464C; FI88464B; ATE116950T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein nicht-katalytisches Verfahren zur Verminderung von Stickstoffoxiden (NOx) im Abgas, insbesondere im sauerstoffreichen Abgas, aus der Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs unter Minimierung der Bildung von Ammoniak (NH&sub3;) und Kohlenmonoxid (CO).
Kohlenstoffhaltige Brennstoffe können dazu gebracht werden, vollständiger und mit verminderten Emissionen an Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu verbrennen, wenn die verwendeten Sauerstoffkonzentrationen und Luft/Treibstoffverhältnisse so sind, daß sie hohe Flammentemperaturen ermöglichen. Wenn fossile Brennstoffe in Suspensions- Feuerungsanlagen, wie Großfeuerungsanlagen, verwendet werden, werden Temperaturen über etwa 1093ºC (2000ºF) und typischerweise etwa 1204ºC (2200ºF) bis etwa 1649ºC (3000ºF) erzeugt. Leider neigen solch hohe Temperaturen, sowie heiße Zonen höherer Temperaturen, dazu, die Erzeugung von thermischen NOx zu bewirken, wobei die Temperaturen so hoch sind, daß freie Radikale von Sauerstoff und Stickstoff gebildet werden und sich chemisch als Stickstoffoxide vereinigen. Stickstoffoxide können sich sogar in zirkulierenden Wirbelbettfeuerungsanlagen bilden, die bei Temperaturen arbeiten, die üblicherweise im Bereich von 704ºC (1300ºF) bis 927ºC (1700ºF) liegen.
Stickstoffoxide sind unangenehme Schadstoffe, die im Strom von Verbrennungsabgasen von Feuerungsanlagen gefunden werden, wenn sie wie vorstehend beschrieben befeuert werden. Sie umfassen einen Hauptreizstoff im Smog. Es wird weiter angenommen, daß Stickstoffoxide ein Verfahren, das als photochemische Smogbildung bekannt ist, durch eine Reihe von Reaktionen in Gegenwart von Sonnenlicht und Kohlenwasserstoffen eingehen können. Außerdem umfassen die Stickstoffoxide einen Hauptbeitragsfaktor zum sauren Regen.
Unglücklicherweise machen die Temperaturen in einer suspensionsgefeuerten oder zirkulierenden Wirbelbettfeuerungsanlage die meisten üblichen Verfahren der Verminderung von NOx-Konzentrationen, wie Abgaswaschen oder Katalysatorgitter, entweder unwirtschaftlich, undurchführbar oder beides, insbesondere wenn sie mit dem Bedarf die Erzeugung anderer Schadstoffe, wie Ammoniak (NH&sub3;) und/oder Kohlenmonoxid (CO), zu vermindern, kombiniert werden.
Verfahren und Zusammensetzungen zur Verminderung von Stickstoffoxiden in einem Abgas aus der Verbrennung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffes wurden in den letzten Jahren in großem Umfang entwickelt. Mit gewachsener Aufmerksamkeit gegenüber den Gesundheitsrisiken und der Umweltschädigung, die durch Auswirkungen, wie Smog und sauerer Regen, hervorgerufen werden, wird erwartet, daß die Forschung der NOx-Verminderung fortgesetzt wird.
Früher haben sich die meisten Verfahren zur Verminderung der Stickstoffoxidwerte auf das Erreichen maximaler NOx-Verringerungen konzentriert, ohne daß sie sich den Problemen zuwandten, die durch die Bildung anderer Schadstoffe, wie Ammoniak und Kohlenmonoxid, entstanden. Vor kurzem wurde in einer einzigen Anmeldung über die Grundsätze der NOx-Verringerung (EP-A-306 515, entsprechend einer U.S.-Prioritätsanmeldung, eingereicht im Namen von Epperly, Peter- Hoblyn, Shulof und Sullivan, mit dem Titel "Multi-Stage Process for Reducing the Concentration of Pollutants in an Effluent" mit der Seriennummer 022,716, eingereicht am 6. März 1987), ein Verfahren zum Erreichen wesentlicher NOx- Verringerungen ohne Bildung einer Hauptmenge anderer Schadstoffe durch ein Mehrstufeneinspritzverfahren offenbart. Dieses Dokument stellt den Stand der Technik nur bezüglich der Neuheit nach Artikel 54(3) EPC dar.
In den Offenbarungen des Standes der Technik, die Verfahren lehren, die zur einer verminderten Bildung anderer Schadstoffe führen können, arbeiten die meisten unter relativ statischen Bedingungen und ziehen Änderungen im Abgas zustand, wie Schwankungen in den Abgastemperaturen mit schwankender Last, die häufig auftreten, nicht in Betracht oder kompensieren sie nicht. Daher besteht ein gegenwärtiger Bedarf an einem Verfahren, das eine maximale Verringerung von Stickstoffoxiden ohne Bildung wesentlicher Mengen anderer Schadstoffe unter praktischen Abgasbedingungen erreichen kann.
Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und stellt die Möglichkeit der Begrenzung von NOx in Verbindung mit anderen Schadstoffen in einem Abgas aus der Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes unter variierenden sowie gleichbleibenden Lastbedingungen auf eine Weise und in einem Grad bereit, die nie zuvor erreichbar waren. Das Verfahren umfaßt
(a) die Durchführung eines Behandlungskonzepts, umfassend die Einleitung (am häufigsten durch Einspritzen) einer wäßrigen Lösung eines Harnstoff umfassenden chemischen NOx-Verringerungsmittels in das Abgas;
(b) überwachen des Zustands des Abgases, bis eine Änderung im Zustand des Abgases beobachtet wird; und
(c) Anpassen des Behandlungskonzepts durch Variieren von mindestens einem der folgenden Parameter
1. Verdünnung des Behandlungsmittels,
ii. Bestandteile des Behandlungsmittels,
iii. relativ enthaltene Mengen an Behandlungsmittelbestandteilen, und
iv. Ort, an dem die Einleitung des Behandlungsmittels erfolgt,
zur Durchführung eines angepaßten Behandlungskonzepts, das eine aus dem Auftragen von Werten für die Verminderung an Stickstoffoxiden gegen Temperaturwerte sich ergebende Kurve aufweist, die ein Kurvenplateau umfaßt, wobei das angepaßte Behandlungskonzept auf der Hochtemperatur- oder rechten Seite des Kurvenplateaus der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur wirkt.
Unter Verwendung dieses Verfahrens ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, deutliche Verringerungen in den Stickstoffoxidwerten ohne Bildung wesentlicher Mengen Ammoniak und Kohlenmonoxid unter Durchführen eines Behandlungskonzepts unter Überwachen des Zustands des Abgases und, wenn eine Änderung im Zustand des Abgases beobachtet wird, Anpassen des Behandlungskonzepts durch Variieren eines oder mehrerer der vorstehend erwähnten Parameter des Behandlungskonzepts zur Durchführung eines angepaßten Behandlungskonzepts zu erreichen, das weiter rechts auf der Kurve der Verminderung der Stickstoffoxide gegen Abgastemperatur wirkt als das ursprünglich durchgeführte Behandlungskonzept auf der Kurve der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur.
Eine andere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wesentliche Verringerungen in den Stickstoffoxidwerten ohne Bildung wesentlicher Mengen an Ammoniak und Kohlenmonoxid durch Bestimmen der Kurven der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur für jedes einer Mehrzahl von Behandlungskonzepten und Durchführen des Behandlungskonzepts, das unter dem gegenwärtig existierenden Abgaszustand am weitesten rechts auf seiner Kurve, verglichen mit den anderen, wirkt, zu erreichen.
Noch eine andere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist, deutliche Verringerungen in den Stickstoffoxidwerten ohne Bildung wesentlicher Mengen Ammoniak und Kohlenmonoxid unter Durchführen eines Behandlungskonzepts und Einstellen des Ortes der Einleitung des Behandlungskonzepts zu erreichen, wobei bewirkt wird, daß die Einleitung bei unterschiedlicher Abgastemperatur durchgeführt wird und dabei bewirkt wird, daß das Behandlungskonzept weiter auf der rechten Seite des Kurvenplateaus der Kurve der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur wirkt.
Noch eine andere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist, deutliche Verringerungen in den Stickstoffoxidwerten ohne Bildung wesentlicher Mengen Ammoniak und Kohlenmonoxid unter Durchführen eines Behandlungskonzepts unter Bedingungen zu erreichen, die wirksam sind, um die Konzentration der Stickstoffoxide im Abgas zu erreichen, und dann Variieren eines oder mehrerer der vorstehend erwähnten Parameter des Behandlungskonzepts zum Verschieben des Behandlungskonzepts auf der Kurve der Verringerung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur weiter auf die rechte Seite des Kurvenplateaus.
Noch eine andere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist, deutliche Verringerungen in den Stickstoffoxidwerten ohne Bildung wesentlicher Mengen Ammoniak und Kohlenmonoxid unter Durchführung eines Behandlungskonzepts, Bestimmen der Stelle auf der Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur, bei der das Behandlungskonzept wirkt, und Variieren eines oder mehrerer Parameter des vorstehend erwähnten Behandlungskonzepts, so daß das variierte Behandlungskonzept bei der Kurve der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur weiter rechts wirkt, zu erreichen.
Eine andere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist, deutliche Verringerungen in den Stickstoffoxidwerten ohne Bildung wesentlicher Mengen Ammoniak und Kohlenmonoxid unter Durchführung eines Behandlungskonzepts und Variieren eines oder mehrerer Parameter des vorstehenden Behandlungskonzepts zu erreichen, so daß die Reaktion oder eine Serie von Reaktionen, durch die das Behandlungskonzept die Stickstoffoxide zu einer Verringerung der Bildung von Ammoniak und Kohlenmonoxid führt, während im wesentlichen der Wert der Verringerung an Stickstoffoxiden aufrechterhalten wird.
Noch eine andere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wesentliche Verringerungen an Stickstoffoxidwerten ohne Bildung von wesentlichen Mengen Ammoniak und Kohlenmonoxid unter Durchführen eines Behandlungskonzepts unter Überwachen der Betriebslast der Feuerung und Variieren eines oder mehrerer der vorstehenden Parameter des Behandlungskonzepts zu erreichen, wenn eine deutliche Änderung in der Betriebslast der Feuerung beobachtet wird, um ein angepaßtes Behandlungskonzept durchzuführen.
Eine andere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist, deutliche Verringerungen an Stickstoffoxidwerten ohne Bildung wesentlicher Mengen Ammoniak und Kohlenmonoxid unter Durchführen eines Behandlungskonzepts unter Bedingungen zu erreichen, bei denen das Behandlungskonzept an einer Stelle wirkt, die rechts von dem Kurvenplateau auf der Kurve der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur liegt, und Einstellen eines oder mehrerer der vorstehend erwähnten Parameter des Behandlungskonzepts, damit das eingestellte Behandlungskonzept in Richtung seines Kurvenplateaus wirkt.
Noch eine andere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist, den Zustand des Abgases unter Durchführen eines Behandlungskonzepts, und Messen des Zustandes des Abgases festzustellen und durch Bezugnahme auf die Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur zu bestimmen, wie der Zustand des Abgases vor der Durchführung des Behandlungskonzepts war.
Diese und andere Aufgaben werden beschrieben und die vorliegende Erfindung besser verstanden und ihre Vorteile in Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung besser ersichtlich, insbesondere wenn sie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen:
Die Fig. 1 und 1a grafisch die Ergebnisse von Beispiel I darstellen;
Fig. 2 grafisch die Ergebnisse der Beispiele IIa, IIb und IIc darstellt;
die Fig. 3a-c grafisch die Ergebnisse der Beispiele IIIa, IIIb und IIIc darstellen;
die Fig. 3d-f grafisch die Ergebnisse der Beispiele IIIa, IIIb und IIIc darstellen, die wie nachstehend beschrieben dargelegt werden; und
Fig. 4 grafisch die Ergebnisse von Beispiel IV darstellt.
Wie in dieser Beschreibung verwendet, bezieht sich der Begriff:
"Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur" auf eine Auftragung der Datenpunkte, die erzeugt werden, wenn ein Behandlungskonzept durch Einleiten eines Behandlungsmittels in ein Abgas über einen Bereich von Abgastemperaturen durchgeführt und die Verringerung an Stickstoffoxiden bei jeder Einleitungstemperatur gemessen wird (und üblicherweise in Form eines Prozentsatzes der Grundlinie ausgedrückt wird);
"Kurvenplateau" auf den Bereich der Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Temperatur, bei der die NOx- Verringerung im wesentlichen über einen Bereich von Temperaturen maximiert ist und der vorzugsweise mindestens zwei Datenpunkte einschließt (selbstverständlich erkennt der Fachmann, daß ein Kurvenplateau durch "Datenstreuung" und andere praktische Datenerzeugungswirkungen nicht notwendigerweise flach sein muß);
"Hochtemperaturseite" oder "rechte Seite" auf jeden Punkt auf der jeweiligen Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur, der die erreichte Verringerung ausdrückt, wenn ein Behandlungskonzept bei einer höheren Temperatur durchgeführt wird als die ursprüngliche Temperatur, bei der ein Behandlungskonzept durchgeführt wurde;
"Behandlungskonzept" auf die Einleitung (wie durch Einspritzen) eines Behandlungsmittels in das Abgas und die Bedingungen, unter denen das Behandlungsmittel eingeleitet wird, wie Behandlungsmittelbestandteile (womit die Bestandteile oder die chemische Formulierung des Behandlungsmittels gemeint sind), Behandlungsmittelverdünnung (womit die Konzentration der Behandlungsmittelbestandteile gemeint ist, wenn das verwendete Behandlungsmittel eine Lösung umfaßt), relatives Vorhandensein der Behandlungsmittelbestandteile (womit das relative Gewichtsverhältnis oder Anteile der Bestandteile gemeint sind, die die chemische Formulierung bilden, die das Behandlungsmittel ausmacht), usw;
"Behandlungsmittel" auf eine Zusammensetzung, umfassend mindestens eine verringernde Chemikalie, d. h. eine schadstoffverringernde Chemikalie, die zur Verringerung von NOx, Schwefeloxiden (SOx) oder anderen Schadstoffen durch Erleichtern einer Reaktion fähig ist (der Begriff "Reaktion" soll als bezug auf eine einzelne Reaktion oder eine Serie von Reaktionen verstanden werden) und vorzugsweise mit einem Lösungsmittel;
"Abgaszustand" oder "Zustand des Abgases" auf den existierenden Stand eines oder mehrerer Parameter, die zur Kennzeichnung des Abgases verwendet werden können, wie Temperatur, Menge an Stickstoffoxiden, Menge an Ammoniak, Menge an Kohlenmonoxid, Menge des überschüssigen Sauerstoffs, Menge an Schwefeloxiden usw.;
"normalisiertes stöchiometrisches Verhältnis" (NSR) auf das Verhältnis der Konzentration der reduzierenden Radikale, wie NHx-Radikale (es wird angenommen, daß NHx-Radikale, wobei x eine ganze Zahl ist, die durch das Behandlungsmittel beigetragene Einheit sind, die die Serie von Reaktionen erleichtert, woraus sich ein Zerfall von NOx ergibt) zu der Konzentration der Stickstoffoxide im Abgas und kann als [NHx)/[NOx) ausgedrückt werden (alternativ kann das Molverhältnis des Behandlungsmittels zur NOx-Konzentration statt dem NSR verwendet werden, wenn die Chemie der Verringerung nicht genau definiert ist; der Begriff NSR soll, wie hier verwendet, auch so verstanden werden, daß er das Molverhältnis, falls zutreffend, einschließt);
"oxidierter Kohlenwasserstoff" auf einen Kohlenwasserstoff, der Sauerstoff oder einen sauerstoffhaltigen Rest enthält;
"Zucker" auf eine Reihe geeigneter Saccharidsubstanzen, die zur Verringerung der NOx-Konzentration in einem Abgas unter den hier beschriebenen Bedingungen fähig sind, einschließlich nicht-reduzierender und reduzierender wasserlöslicher Monosaccharide und der reduzierenden und nicht-reduzierenden Polysaccharide und ihrer Abbauprodukte, wie Pentosen, einschließlich Aldopentosen, Methylpentosen, Ketopentosen, wie Xylose und Arabinose, Deoxyaldosen, wie Rhaminose, Hexosen und reduzierende Saccharide, wie Aldohexosen, wie Glucose, Galactose und Mannose, Ketohexosen, wie Fructose und Sorbose, Disaccharide, wie Lactose und Maltose, nicht-reduzierende Disaccharide, wie Saccharose, und andere Polysaccharide, wie Dextrin und Raffinose, hydrolysierte Stärken, die als ihre Bestandteile Oligosaccharide enthalten, und wasserdispergierbare Polysaccharide;
"Aminosäure" auf eine organische Säure, in der mindestens ein Teil des nichtsaueren Wasserstoffs durch eine oder mehrere Aminogruppen ersetzt wurden, und die daher sowohl basische als auch sauere Eigenschaften zeigt;
"Protein" auf eine polymere Verbindung, umfassend das Polymerisations- oder Kondensationsprodukt von Aminosäuren;
"entrahmte Milch" auf eine Milch, bei der ein Teil oder das ganze Fett entfernt wurde; und
"Milchpulver" auf nicht-fette Trockenmilch, im Handel als Carnation Instant Non-Fat Dry Milk von Carnation Company, Los Angeles, Californien erhältlich.
Geeignete Behandlungsmittel, von denen bekannt ist, daß sie zur Verringerung der Stickstoffoxide wirksam sind, schließen wäßrige Lösungen von Harnstoff oder Ammoniak oder gasförmigem Ammoniak ein, wie in EP-A-238 654 (die der U.S.- Patentanmeldung mit dem Titel "Reduction of Nitrogen- and Carbon-Based Pollutants Through the Use of Urea Solutions" mit der Serien-Nr. 784,826, eingereicht im Namen von Bowers am 4. Oktober 1985, entspricht); EP-A-242 394 (die der U.S.- Patentanmeldung mit dem Titel "Reduction of Nitrogen Based Pollutants Through the Use of Urea Solutions Containing Oxygenated Hydrocarbon Solvents" mit der Serien-Nr. 784,828, eingereicht im Namen von Bowers am 4. Oktober 1985, entspricht); und US-A-3,900,554 offenbart.
Die Verwendung von Behandlungsmitteln, die andere Zusammensetzungen, wie Hexamethylentetramin (HMTA), Ethylenglykol, Furfural, Kohlenwasserstoffe, Zucker, Milch oder entrahmte Milch, Aminosäuren, Proteine und Monoethanolamin, umfassen, sind als wirksam bei der Verringerung von Stickstoffoxiden in einem Abgas in Kombination mit wäßrigen Lösungen von Harnstoff oder Ammoniak in mehreren Offenbarungen offenbart.
Eingeschlossen ist EP-A-231568 (die der U.S.-Patentanmeldung mit dem Titel "Reduction of Nitrogen- and Carbon- Based Pollutants" mit der Serien-Nr. 906,671, eingereicht im Namen von Bowers am 6. September 1986, entspricht). Andere Offenbarungen, die die Verwendung solcher Zusammensetzungen lehren, schließen EP-A-301 085 (die der U.S.-Patentanmeldung mit dem Titel "Process for the Reduction of Nitrogen Oxides in an Effluent" mit der Serien-Nr. 014,431, eingereicht im Namen von Epperly und Sullivan am 13. Februar 1987, entspricht); EP-A-305 503 (die der U.S.-Patentanmeldung mit dem Titel "Process for the Reduction of Nitrogen Oxides in an Effluent Using a Heterocyclic Hydrocarbon" mit der Serien- Nr. 25,493, eingereicht im Namen von Epperly und Sullivan am 13. März 1987, entspricht); EP-A-304 480 (die der U.S.-Patentanmeldung mit dem Titel "Process for the Reduction of Nitrogen Oxides in an Effluent Using Sugar" mit der Serien- Nr. 25,350, eingereicht im Namen von Epperly und Sullivan am 13. März 1987, entspricht) und EP-A-309 570 (die der U.S.- Patentanmeldung mit dem Titel "Process for the Reduction of Nitrogen Oxides in an Effluent Using a Hydroxy Amino Hydrocarbon" mit der Serien-Nr. 039,013, eingereicht im Namen von Sullivan und Epperly am 15. April 1987, entspricht) ein.
Andere Behandlungsmittel, die in ein Abgas zur Verringerung der Menge an Stickstoffoxiden im Abgas unter bestimmten Bedingungen eingespritzt werden können, umfassen Kohlenwasserstoffe, wie einen oxidierten Kohlenwasserstoff, einen nitrierten Kohlenwasserstoff, wie einen Hydroxyaminokohlenwasserstoff, oder Wasserstoffperoxid.
Die Kurve für die Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur für ein Behandlungskonzept umfaßt ein Kurvenplateau, das wie vorstehend beschrieben angibt, wo die durch das Behandlungskonzept hervorgerufene NOx-Verringerung maximal ist, und daß eine solcher Maximalwert im wesentlichen über einen Bereich von Abgastemperaturen aufrechterhalten wird. Ein Beispiel der Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur für ein Behandlungskonzept, das als wirksames Behandlungskonzept zur Verringerung der Stickstoffoxide offenbart ist, wird in Figur 1 wiedergegeben. Fig. 1 ist die Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur für ein Behandlungskonzept, umfassend ein Behandlungsmittel, das 10 Gew.-% Harnstoff, 4 Gew.-% Hexamethylentetramin und 10 Gew.-% Furfural umfaßt, das in ein Abgas mit der Geschwindigkeit von 300 ml/Std. eingespritzt wird, und der Überschuß an Sauerstoff im Abgas 3.0 Vol.-% beträgt.
Das Kurvenplateau für Fig. 1 ist als Verringerung an Stickstoffoxiden erkennbar, die unter Durchführen des offenbarten Behandlungsschemas zwischen Abgastemperaturen von 832ºC (1530ºF) und 916ºC (1680ºF) erreicht wird (der Fachmann erkennt, daß durch normale experimentelle Schwankungen das Kurvenplateau und tatsächlich die Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur selbst für jedes gegebene Behandlungskonzept kleinere Abweichungen zu jedem Zeitpunkt zeigen, wie experimentell abzuleiten ist). Dieser Temperaturbereich, der beobachtet wird, liefert die maximale Verringerung an Stickstoffoxiden für dieses Behandlungskonzept.
Die bloße Maximierung der Verringerung an Stickstoffoxiden ist dennoch nicht ausreichend. Von Belang ist nicht nur die Menge an Stickstoffoxiden, sondern auch die Menge anderer Schadstoffe im Abgas, wie Ammoniak und Kohlenmonoxid, die häufig beim NOx-Verringerungsverfahren hergestellt werden. Zum Beispiel, wenn die NOx-Verringerung durch Verwendung eines Behandlungsmittels, umfassend Harnstoff allein, erreicht wird, wird Ammoniak hergestellt, währenddessen, wenn die NOx-Verringerung unter Verwendung eines Behandlungsmittels, umfassend Harnstoff, der mit einem offenbarten Verstärkungsmittel verstärkt ist, oder unter Verwendung eines Kohlenwasserstoffbehandlungsmittels erreicht wird, werden Ammoniak und Kohlenmonoxid hergestellt.
Das Vorhandensein von Ammoniak um Abgas sollte vermieden werden, da unter anderen Gründen, es mit SO&sub3; reagieren kann, wobei Ammoniumhydrogensulfat gebildet wird, das die Wärmeaustauschoberflächen in einer Feuerungsanlage verschmutzen kann. Wenn die Maximierung der Menge an Stickstoffoxiden die Bildung wesentlicher Mengen anderer Schadstoffe mit sich bringt, dann führt eine solche Maximierung nicht zum gewünschten Ziel. Wie vorstehend erörtert, ist im Stand der Technik versucht worden, das zu beseitigen, indem man die Verringerung lediglich der Menge an Stickstoffoxiden entwickelte, die ohne Bildung anderer Schadstoffe erreicht werden kann.
Überraschenderweise wurde jetzt ein Verfahren zur Maximierung der Verringerung an Stickstoffoxiden unter Minimierung der Bildung von Ammoniak und Kohlenmonoxid gefunden. Es wurde festgestellt, daß das Arbeiten auf der Hochtemperatur- oder rechten Seite der Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur eines Behandlungskonzepts im wesentlichen die Bildung von Ammoniak und Kohlenmonoxid vermindert. Tatsächlich wurde festgestellt, daß ein Wirken auf dem Kurvenplateau der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur bei jedem Punkt weiter rechts als das gegenwärtige Arbeiten die Bildung von Ammoniak und Kohlenmonoxid vermindert, während man die maximale Verminderung an Stickstoffoxiden beibehält.
Dieses überraschende und vorteilhafte Ergebnis wird geeigneterweise in bezug auf die Fig. 1 und 1a gezeigt, die grafisch die Ergebnisse von Beispiel I darstellen. Wie vorstehend erörtert, gibt Fig. 1 die Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur für ein Behandlungskonzept, das zur Verringerung der Menge an Stickstoffoxiden in einem Abgas aus der Verbrennung-eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes wirksam ist, wieder. Fig. 1a gibt die gleiche Kurve der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur wieder und weist weiter darüber überlagert die Mengen an Ammoniak und Kohlenmonoxid, die bei jedem Punkt der Kurve beobachtet werden, auf. Es ist zu erkennen, daß, obwohl die NOx-Verringerung im ganzen Kurvenplateau maximiert wird (d. h. Einspritzen im Abgastemperaturbereich von etwa 832ºC (1530ºF) bis etwa 916ºC (1680ºF)), ein Durchführen des Einspritzens weiter rechts auf dem Kurvenplateau (d. h. bei höheren Temperaturen im Kurvenplateaubereich) zu einer wesentlich verminderten Bildung an Ammoniak und Kohlenmonoxid führt.
Ein Arbeiten weiter rechts auf der Kurve kann mit einem von zwei Verfahren erreicht werden. Erstens kann die Stelle auf der Kurve, bei der das verwendete Behandlungskonzept durchgeführt wird, unter Durchführen des Behandlungskonzepts bei einer höheren Abgastemperatur weiter nach rechts verschoben werden. Es ist leicht durch Bezug auf die Fig. 1 und 1a zu erkennen, daß das Durchführen des Behandlungskonzepts bei einer höheren Abgastemperatur die Stelle des Wirkens auf der Kurve weiter nach rechts verschiebt und dabei die Bildung an Ammoniak und Kohlenmonoxid vermindert wird, während man die maximale Verminderung an Stickstoffoxiden beibehält.
Durchführen des Behandlungskonzepts bei einer höheren Abgastemperatur kann unter Durchführen der Behandlungsmitteleinleitung an einem Ort, an dem die Abgastemperatur höher ist, d. h. an einer Stelle stromaufwärts (oder näher zu dem Flammenbereich) von der ursprünglichen Einleitungsstelle, erreicht werden. Das Verfahren zum Durchführen des Behandlungskonzepts bei einer höheren Abgastemperatur kann oftmals unpraktisch sein, da der Zugang zum Inneren der Feuerungsanlage häufig auf bestimmte Punkte durch Wasserleitungen usw. beschränkt ist. Eine Einleitung an einer Stelle, bei der die Abgastemperatur den gewünschten Wert hat, ist daher häufig nicht möglich. Ein Arbeiten bei einer viel höheren Abgastemperatur kann die Stelle des Wirkens auf der Kurve so weit nach rechts und von dem Plateau weg verschieben, daß die NOx-Verringerung abnimmt.
Eine Änderung der Betriebslast des Kessels (d. h. Brennstoffzugabegeschwindigkeit) bewirkt auch eine Änderung in der Abgastemperatur und kann zumindest theoretisch zur Erhöhung der Abgastemperatur an der Stelle der Einleitung des Behandlungsmittels durch Erhöhen der Betriebslast verwendet werden. In der Praxis wird jedoch eine Änderung der Betriebslast des Kessels nicht bevorzugt, da der Abgaszustand nicht nur im Temperaturparameter geändert wird, wie nachstehend im einzelnen erörtert wird. Die Menge an Stickstoffoxiden sowie andere Parameter, wie die Menge an Ammoniak und Menge an Kohlenmonoxid, werden zusammen mit der Abgastemperatur geändert. Weiter wird die Betriebslast des Kessels üblicherweise auf einem bestimmten Wert gehalten, um eine bestimmte, benötigte Leistung zu produzieren, und sie steht nicht als Faktor zur Verfügung, der zum Erreichen einer NOx- Verringerung geändert werden kann.
Das zweite Verfahren zum Wirken weiter rechts auf der Kurve ist, ein oder mehrere Parameter des durchzuführenden Behandlungskonzepts zu variieren. Zum Beispiel kann der variierte Parameter die Bestandteile des Behandlungsmittels, die Verdünnung des Behandlungsmittels, wenn es in Lösung ist, unter gleichzeitigem Variieren der Einleitungsgeschwindigkeit des Behandlungsmittels, um das NSR des Behandlungskonzepts aufrecht zu erhalten (wie vorstehend erörtert, bezieht sich NSR auch auf das Molverhältnis des Behandlungsmittels zur Grundlinie der Stickstoffoxidwerte, falls zutreffend), das relative Vorhandensein der Behandlungsmittelbestandteile oder Kombinationen jedes der vorstehenden, sein. Durch Variieren der Behandlungskonzeptparameter wird die ursprüngliche Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur durch die Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur für das variierte Behandlungskonzept ersetzt. Die Wahl des (der) zu variierenden Parameter(s) und die Weise, auf die sie variiert werden, kann die ursprüngliche Kurve durch eine Kurve ersetzen, die nach links "verschoben" ist, dabei führt das zu einem Wirken auf der verschobenen Kurve bei einer Stelle, die weiter rechts ist.
Das Variationsverfahren des Behandlungskonzepts zum Wirken weiter rechts auf der Kurve wird in bezug auf Fig. 2 veranschaulicht, die grafisch die Ergebnisse von Beispiel II darstellt. Fig. 2 liefert das Kurvenplateau der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur für drei Behandlungskonzepte, die jeweils das Einleiten des Behandlungsmittels in ein Abgas über einen Bereich von Abgastemperaturen und eine Einleitungsgeschwindigkeit von 300 ml/Std. und einen Überschuß an Sauerstoff von 3.0 Vol.-% umfassen. Das für das erste Behandlungskonzept eingeleitete Behandlungsmittel umfaßt eine wäßrige Lösung von 10% Harnstoff und 15% Furfural; das für das zweite Behandlungskonzept eingeleitete Behandlungsmittel umfaßt eine wäßrige Lösung von 10% Harnstoff; und das für das dritte Behandlungskonzept eingeleitete Behandlungsmittel umfaßt eine wäßrige Lösung von 10% Harnstoff und 15% Ethylenglykol. Es ist leicht zu beobachten, daß durch Variieren des Behandlungskonzepts durch Ändern der Bestandteile des Behandlungsmittels zwischen den drei veranschaulichten Behandlungsmitteln die Kurve verschieben oder ändern kann und dabei das Aufrechterhalten des Wirkens des Behandlungskonzepts auf der rechten Seite der Kurve ermöglicht.
Zum Beispiel wenn das durchzuführende Behandlungskonzept ein Behandlungsmittel umfaßt, das eine wäßrige Lösung von 10% Harnstoff ist, und die Abgastemperatur an der Behandlungsstelle 957ºC (1755ºF) beträgt, wobei das Behandlungskonzept an der linken Seite des Kurvenplateaus der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur wirkt, dann ersetzt Variieren des Behandlungskonzepts durch Variieren der Bestandteile des Behandlungsmittels durch Einspritzen von 15% Furfural mit 10% Harnstoff die ursprüngliche Kurve durch eine Kurve, bei der die Einleitung bei der Abgastemperatur auf der rechten Seite des Kurvenplateaus wirkt. Ähnlich wird, wenn das durchgeführte Behandlungskonzept ein Behandlungsmittel, das eine wäßrige Lösung von 10% Harnstoff und 15% Furfural ist, und die Abgastemperatur am Punkt der Einleitung 907ºC (1665ºF) beträgt, wobei das Behandlungskonzept nahe dem Mittelpunkt des Kurvenplateaus der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur wirkt, dann durch Variieren des Behandlungskonzepts, um das Behandlungsmittel zu variieren und 15% Furfural durch 15% Ethylenglykol zu ersetzen, die ursprüngliche Kurve durch eine Kurve ersetzt, bei der die Einleitung bei der Abgastemperatur auf der rechten Seite des Kurvenplateaus wirkt.
Selbstverständlich sind die gemäß der vorliegenden Erfindung offenbarten zwei Verfahren zum Wirken weiter rechts auf dem Kurvenplateau nicht gegenseitig ausschließend, sondern können tatsächlich kombiniert werden. Mit anderen Worten kann die Abgastemperatur zusammen mit einem oder mehreren Parametern des Behandlungskonzepts variiert werden.
Obwohl es möglich ist, die Leistung des Behandlungskonzepts weiter nach rechts auf dem Kurvenplateau unter Durchführen des Behandlungskonzepts bei einer höheren Temperatur (d. h. Einspritzen an einer Stelle, wo die Abgastemperatur höher ist) wie vorstehend erörtert zu verschieben, ist es wahrscheinlicher, daß die NOx-Verringerung unter Minimierung der Bildung anderer Schadstoffe durch das zweite der zwei offenbarten Verfahren, d. h. durch Variieren eines oder mehrerer Parameter des Behandlungskonzepts maximiert wird. Die Einstellung (oder Variierung) des Behandlungskonzepts wird durchgeführt, um die Reaktion, durch die das Behandlungskonzept die Reduktion von NOx erleichtert, auf die rechte Seite des Kurvenplateaus zu verschieben.
Wie vorstehend erörtert, dient Variieren eines oder mehrerer Parameter des Behandlungskonzepts dazu, ein eingestelltes (oder neues) Behandlungskonzept zu ergeben, das eine unterschiedliche (oder verschobene) Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur, verglichen mit dem ursprünglichen Behandlungskonzept, aufweist. Durch vorhergehende Analysen möglicher Behandlungskonzepte und Kenntnis ihrer betreffenden Kurven der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur kann man das Behandlungskonzept bestimmen, das bei Durchführung statt des ursprünglichen Behandlungskonzepts weiter rechts auf seiner Kurve wirkt als das ursprüngliche Behandlungskonzept. Tatsächlich kann man vorhersagen, welches am weitesten rechts auf dem Kurvenplateau unter bestimmten Bedingungen, bei denen das Einspritzen erwünscht ist (d. h. die Abgastemperatur an der Stelle zum Einspritzen) wirkt.
Weiter ist die Abgastemperatur an der Einspritzstelle bekannt, vorhergehende Kenntnis der Kurven der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur verfügbarer Behandlungskonzepte ermöglichen eine anfängliche Wahl des Behandlungskonzepts, das am weitesten rechts wirkt, während es auf dem Kurvenplateau bleibt, wobei keine Variation von Parametern mehr nötig ist.
Zum Beispiel kann, wie in den Fig. 3a-3c veranschaulicht, die grafisch die Ergebnisse der Beispiele IIIa bis IIIc wiedergeben, die Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur für mehrere Behandlungskonzepte, wie wäßrige Lösungen, umfassend 10 Gew.-% Harnstoff, und Variieren der Mengen an Ethylenglykol, die in ein Abgas über einen Bereich von Abgastemperaturen mit einer Einleitungsgeschwindigkeit von 300 ml/Std. und einem Überschuß an Sauerstoff von 3.0 Vol.-% eingeleitet werden, aufgetragen werden. Die Daten, die die Auftragungen umfassen, können dann verglichen werden, um das Behandlungskonzept zu bestimmen, das gemäß der Erfindung für den an der Einspritzstelle existierenden Abgaszustand durchgeführt werden sollte.
Das wird besser in bezug auf die Fig. 3d-3f verstanden, die grafisch die Verringerung an Stickstoffoxiden, die Ammoniakmenge und Kohlenmonoxidmenge für jedes der mit den Fig. 3a-3c dargestellten Behandlungskonzepte bei drei bestimmten Stellen der Einleitungsabgastemperaturen ausdrückt. Wenn die Abgastemperatur an der Einleitungsstelle 849ºC (1560ºF) beträgt, ist das gewünschte Behandlungskonzept daher das Konzept, das das Behandlungsmittel mit 15% Ethylenglykol umfaßt, wie in Fig. 3d veranschaulicht. Wenn die Abgastemperatur an der Einleitungsstelle 899ºC (1650ºF) beträgt, ist das gewünschte Behandlungskonzept daher das Konzept, das das Behandlungsmittel mit 10% Ethylenglykol umfaßt, wie in Fig. 3e veranschaulicht (das Behandlungskonzept mit 15% Ethylenglykol ist bei 899ºC (1650ºF) nicht erwünscht, da, obwohl Fig. 3e zeigt, daß die Ammoniak- und Kohlenmonoxidmengen gering sind, die NOx-Verringerung ebenfalls geringer ist als das Maximum, was zeigt, daß das Behandlungskonzept mit 15% Ethylenglykol rechts auf seiner Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur und nicht auf dem Kurvenplateau wirkt). Wenn die Abgastemperatur an der Einleitungsstelle 957ºC (1755ºF) beträgt, ist das gewünschte Behandlungskonzept daher das Konzept, umfassend das Behandlungsmittel mit 5% Ethylenglykol, wie in Fig. 3f veranschaulicht, da sowohl das Behandlungskonzept mit 10% Ethylenglykol als auch 15% Ethylenglykol rechts von und nicht auf ihrem Kurvenplateau wirken.
Ein anderer vorteilhafter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Situation, bei der erforderlich ist, daß ein Abgas aus der Verbrennung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffes nicht mehr als einen Maximalwert an Ammoniak und/oder Kohlenmonoxid aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zum Erreichen der maximal möglichen NOx- Verringerung oder eines Zielwerts der NOx-Verringerung verwendet werden, während man den Wert solch anderer Schadstoffe unter einem solchen Maximalwert hält.
Das kann unter Verwendung des normalisierten stöchiometrischen Verhältnisses (NSR) des durchzuführenden Behandlungskonzepts erreicht werden. Es wird erkannt, daß, wenn das NSR eines Behandlungskonzepts steigt, die durch das Behandlungskonzept hervorgerufene Verringerung an Stickstoffoxiden steigt, wie auch die Bildung anderer Schadstoffe. Diese Tatsache kann unter Durchführung eines Behandlungskonzepts bei einem relativ niedrigen NSR, zum Beispiel bei einem NSR von etwa 1.0 bis etwa 1.5, und auf der rechten Seite des Kurvenplateaus des Behandlungskonzepts verwendet werden (das Behandlungskonzept kann auf der rechten Seite seines Kurvenplateaus mit jedem der Verfahren zum Wirksammachen eines Behandlungsmittels auf der rechten Seite seines vorstehend erörterten Kurvenplateaus durchgeführt werden). Das NSR des Behandlungsmittels kann dann erhöht werden (durch Erhöhen der Einleitungsgeschwindigkeit des Behandlungsmittels) bis der Maximalwert des anderen Schadstoffs erreicht ist. Falls mehr als ein anderer Schadstoff einen Maximalwert hat, wird das NSR erhöht, bis der erste von solch anderen Schadstoffen seinen Maximalwert erreicht. Auf diese Weise kann die höchst mögliche NOxx-Verringerung erreicht werden, während man das Abgas in einem Zustand hält, der unterhalb des Maximalwerts für die anderen Schadstoffe liegt.
Zum Beispiel weist ein Behandlungskonzept, umfassend eine wäßrige Lösung von 10% Harnstoff und 15% Ethylenglykol, eingeleitet in ein Abgas mit einer Einleitungsgeschwindigkeit von 300 ml/Std. und einem Überschuß an Sauerstoff von 3.0%, eine Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur auf, die grafisch als Fig. 3c wiedergegeben wird, die grafisch die Ergebnisse von Beispiel IIIc wiedergibt. Es wird in bezug auf Fig. 3c beobachtet, daß dieses Behandlungskonzept auf der linken Seite seiner Kurve bei einer Abgastemperatur von 846ºC (1555ºF), im Mittelteil seiner Kurve bei einer Abgastemperatur von 885ºC (1625ºF) und auf der rechten Seite seiner Kurve bei einer Abgastemperatur von 957ºC (1755ºF) wirkt.
Erhöhen des NSR des Behandlungskonzepts an diesen drei Punkten ergibt deutlich verschiedene Ergebnisse. Wie in Figur 4 veranschaulicht, die grafisch die Ergebnisse von Beispiel IV wiedergibt, ergibt eine Erhöhung des NSR, wenn das Behandlungskonzept auf der linken Seite seiner Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur wirkt, eine scharfe Zunahme an der Menge des gebildeten Ammoniaks. Erhöhen des NSR, wenn das Behandlungskonzept im Mittelteil der Kurve wirkt, ergibt auch eine relativ scharfe Erhöhung in der Bildung von Ammoniak. Erhöhen des NSR, wenn das Behandlungskonzept auf der rechten weite seiner Kurve wirkt, ergibt eine allmähliche Zunahme in der Menge des gebildeten Ammoniaks. Die NOx-Verringerung kann daher sehr viel größer sein, wenn das Behandlungskonzept auf der rechten Seite seiner Kurve durchgeführt wird, bevor ein Maximalwert an Ammoniak erreicht ist.
Wie in Fig. 4 veranschaulicht, ist für ein Behandlungskonzept, das das Einspritzen eines Behandlungsmittels aus 10% Harnstoff und 15% Ethylenglykol umfaßt, wenn der erlaubbare Maximalwert an Ammoniak 15 Teile pro Million (ppm) beträgt, ein NSR von 5.47 erreichbar, wenn das Behandlungskonzept auf der rechten Seite seiner Kurve durchgeführt wird, währenddessen NSR von nicht mehr als etwa 1.5 erreichbar sind, wenn das Behandlungskonzept im Mittelteil oder auf der linken Seite der Kurve durchgeführt wird.
Ähnlich kann, wenn ein Zielwert an Stickstoffoxiden erwünscht ist, das NSR erhöht werden, bis die Verringerung an Stickstoffoxiden ausreichend ist, um diesen Wert an Stickstoffoxiden zu erreichen, mit der Maßgabe, daß ein Maximalwert der anderen Schadstoffe nicht überschritten wird. Auf diese Weise wird, wenn das Behandlungskonzept auf der rechten Seite seines Kurvenplateaus wirkt, der Zielwert von NOx erreicht, während ein Minimum der anderen Schadstoffe gebildet wird.
In einem anderen vorteilhaften Gesichtspunkt dieser Erfindung kann das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, um die NOx-Werte unter Minimieren der Bildung anderer Schadstoffe durch eine "Lastfolge" zu verringern. "Lastfolge" bezieht sich auf ein Verfahren, das die Anpassung des durchzuführenden Behandlungskonzepts als Antwort auf die Betriebslast bei der der Kessel gefeuert wird, einbezieht. Wenn sich die Betriebslast des Kessels ändert, tritt eine Änderung in der Abgastemperatur auf. Eine solche Änderung in der Temperatur des Abgases bewirkt, das ist leicht erkennbar, daß der Punkt des Wirkens auf der Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur für das gegenwärtige Behandlungskonzept entweder nach links und daher von der Minimierung der anderen Schadstoffe weg, oder nach rechts, möglicherweise von dem Kurvenplateau weg und auf die rechte Seite des Abfalls der Kurve und daher von der maximalen Verringerung an Stickstoffoxiden weg, verschoben wird.
Durch Ersetzen des gegenwärtigen Behandlungskonzepts durch ein neues Behandlungskonzept, d. h. durch Einstellen eines oder mehrerer Parameter des Behandlungskonzepts, wie der Verdünnung des Behandlungsmittels, Bestandteile des Behandlungsmittels, und relatives Vorhandensein der Bestandteile des Behandlungsmittels, wird die Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur verschoben (d. h. durch eine neue Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur ersetzt), so daß die Wirkung nach der Änderung wieder auf der rechten Seite des Kurvenplateaus liegt.
Außerdem führt, wie vorstehend erörtert, eine Änderung in der Betriebslast des Kessels zu mehr als nur einer Änderung in der Abgastemperatur. Häufig ergibt eine Änderung in der Last des Kessels eine Änderung im Abgas in bezug auf den NOx-Wert. Das wird insbesondere wichtig, wenn ein Maximalwert der anderen Schadstoffe zu erfüllen ist oder ein Zielwert der Verringerung an Stickstoffoxiden erreicht werden muß. Die Änderung im NOx-Wert kann direkt gemessen werden oder vorzugsweise unter Verwendung eines lastabhängigen Kesselcharaktierisierungsfaktors bestimmt werden.
Für einen bestimmten Kessel und Brennstoff betrifft der Charakterisierungsfaktor den NOx-Wert und die Temperatur des Abgases an bestimmten Stellen zur Kessellast und wird experimentell bestimmt. Mit dieser Information kann das an einer gegebenen Stelle durchzuführende Behandlungskonzept unmittelbar nach der Änderung der Betriebslast des Kessels, wie zum Beispiel durch die Brennstoffzugabegeschwindigkeit gemessen, eingestellt werden. Als Ergebnis wird, wenn die Last vermindert wird, die Zugabegeschwindigkeit des Behandlungskonzepts vermindert, um das erforderliche NSR zu erreichen, um Zielverminderungen bei der Last zu erreichen, und die Behandlungsmittelbestandteile werden wie erforderlich variiert, um auf die Temperaturänderung, die sich aus der Änderung der Betriebslast ergibt, zu antworten. Wenn die Zugabegeschwindigkeit des Behandlungskonzepts nicht verringert wird, ist das NSR im Überschuß in bezug auf den niedrigeren Wert an NOx und überschüssiges NH&sub3; und CO werden gebildet. Ähnlich wird, wenn die Betriebslast des Kessels erhöht wird, die Zugabegeschwindigkeit des Behandlungskonzepts erhöht, um das bei der Last erforderliche NSR zu erreichen. Andererseits würde das NSR gering und die NOx-Verringerung unangemessen sein. Wieder werden die Bestandteile des Behandlungsmittels eingestellt, um die mit der Änderung der Betriebslast des Kessels in Verbindung gebrachte Änderung der Abgastemperatur auszugleichen.
Dieser Charakterisierungsfaktor ist abhängig von der Geometrie des Brenners, der Brennstoffart und Kessellast und kann experimentell bestimmt werden. Mehrere andere Parameter, wie die Zahl der Brenner in Betrieb, beeinflussen den Charakterisierungsfaktor, aber die vorstehend erwähnten sind die wichtigsten. In bezug auf den Charakterisierungsfaktor für einen gegebenen Kessel und Brennstoff können die Stickstoffoxidwerte und die Temperatur an einer gegebenen Stelle mit ausreichendem Grad an Sicherheit bestimmt werden, daß eine Bestimmung möglich ist, wie das Behandlungskonzept angepaßt werden sollte, um die Verschiebung auf der Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur auszugleichen, die auftritt, wenn die Betriebslast geändert wird, und für die Änderung des NSR.
Die bevorzugte Ausführungsform für eine Maximierung der Verringerung der Stickstoffoxide und Begrenzung der Bildung anderer Schadstoffe ist die Durchführung eines ersten Behandlungskonzepts, das bei gegenwärtig vorkommenden Abgastemperaturen auf dem rechten Kurvenabfall von dem Kurvenplateau der Kurve der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur für das Behandlungskonzept weg wirkt. Unter Kenntnis der Abgastemperatur und der Kurve für mehrere Behandlungskonzepte kann das leicht unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Mittel durchgeführt werden. Einmal durchgeführt, kann das Behandlungskonzept mit Mitteln, die vom Fachmann durch Lesen dieser Offenbarung leicht erkennbar sind, angepaßt werden, wobei die Wirkung erhöht und auf das Kurvenplateau gebracht wird. Mit anderen Worten kann die Kurve dafür verschoben werden. Mit diesem Verfahren kann sichergestellt werden, daß das durchzuführende Behandlungskonzept so weit wie möglich rechts, während es noch auf dem Kurvenplateau ist, wirkt. Die Verringerung an Stickstoffoxiden wird so maximiert, während die Bildung der anderen Schadstoffe begrenzt wird.
Ein anderer überraschender Gesichtspunkt dieser Erfindung ist die Verwendung eines Behandlungskonzepts zur Überprüfung des Abgaszustands. Wenn die Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur (oder tatsächlich die Kurven der Bildung an Ammoniak oder Kohlenmonoxid gegen die Abgastemperatur) für ein Behandlungskonzept bekannt ist, liefert der Abgaszustand nach Durchführen des Behandlungskonzepts eine nützliche Information über den Abgaszustand stromabwärts von der Stelle der Durchführung des Behandlungskonzepts und kann sogar eine Information über die Betriebslast der Feuerungsanlage liefern. Zum Beispiel, wenn die Menge an Stickstoffoxiden relativ niedrig ist, aber die Menge der Bildung der anderen Schadstoffe relativ hoch ist, dann kann angenommen werden, daß das Behandlungskonzept auf der linken Seite seines Kurvenplateaus wirkt. Unter Verwendung dieser Information kann die Abgastemperatur mit einem vernünftigen Grad an Genauigkeit bestimmt werden, und unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Kesselcharakterisierungsfaktors kann die Betriebslast des Kessels bestimmt werden. Ähnlich kann, wenn die NOx-, Ammoniak- und Kohlenmonoxidwerte alle niedrig sind, angenommen werden, daß das Behandlungskonzept auf der rechten Seite des Kurvenabfalls von dem Kurvenplateau seiner Kurve weg wirkt. Die Abgastemperatur und die Betriebslast des Kessels können dann daraus bestimmt werden. Je genauer man die Kurve des Behandlungskonzepts kennt, desto genauer können die Bestimmungen sein.
Es ist zu verstehen, daß deutliche Temperaturschwankungen für eine bestimmte Stelle des Kessels bestehen, die mit den Mustern des Abgasstroms, den Feuerungsbedingungen des Kessels, Wandeffekten usw. verbunden sind. Ein an einer Stelle des Kessels durchgeführtes Konzept, das auf die Wirkung auf der rechten Seite seiner Kurve der Verminderung an Stickstoffoxiden gegen die Abgastemperatur zugeschnitten ist, wirkt bei Verschieben auf mittlere Abgastemperatur bei einer solchen Stelle möglicherweise auf der linken Seite in einem Niedertemperaturbereich innerhalb der Stelle. Die Niedertemperaturbereiche ergeben eine Bildung an Ammoniak und/ oder Kohlenmonoxid, wie im Rückblick auf die Offenbarung offensichtlich ist. Diese Wirkung kann minimiert durch Minimieren der Behandlung der Niedertemperaturbereiche werden, wie unter Verwendung geeigneter Einspritzer (dem Fachmann bekannt), Anpassen des Behandlungskonzepts auf Niedertemperaturbereiche oder durch ein Mehrfacheinspritzsystem unter Verwendung beider Verfahren.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen und erklären die Erfindung durch Veranschaulichen des Wirkens eines Behandlungskonzepts unter Verwendung von Verfahren "auf der rechten Seite der Kurve" weiter.

Beispiel I

Der verwendete Brenner ist ein Brenner mit einer Abgasflußleitung, bekannt als Verbrennungstunnel, etwa 5,25 m (209 inch) lang und mit einem Innendurchmesser von 20 cm (8 inch) und 5.02 cm (2 inch) dicken Wänden. Der Brenner weist einen Flammenbereich benachbart zur Abgaseintrittsöffnung und Flußgasüberwacher benachbart zur Abgasaustrittsöffnung auf, um die Konzentration der Zusammensetzungen, wie Stickstoffoxide, Schwefeloxide, Ammoniak, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Prozentsatz des Überschusses an Sauerstoff und andere Verbindungen von Belang, die im Abgas vorhanden sein können, zu messen. Die Abgasflußleitung weist zusätzliche Thermoelementöffnungen zur Temperaturmessung an verschiedenen Stellen auf. Die Temperatur des Abgases, in das die Behandlungsmittel eingespritzt werden, wird an der Stelle des Einspritzens unter Verwendung eines Thermoelements des K-Typs gemessen. Atomisierungseinspritzer, beschrieben in EP-A-300 028, die der U.S.-Patentanmeldung mit dem Titel "Process and Apparatus for Reducing the Concentration of Pollutants in an Effluent" mit der Serien-Nummer 009,696, eingereicht im Namen von Burton am 2. Februar 1987 entspricht, sind durch Öffnungen in der Abgasstromleitung angebracht, um die Behandlungsmittel in den Abgasstrom einzuleiten und zu verteilen. Die Mittel werden in das Abgas mit einer Geschwindigkeit von 300 ml/Std. eingespritzt. Der Brennertreibstoff ist ein Brennstofföl Nummer 2 und der Brenner wird mit einer Geschwindigkeit von 4.4 kg/Std. (9.6 lbs/Std.) mit einem Überschuß an Sauerstoff von 3.0 Vol.-% gefeuert.
Eine Grundlinienablesung der Konzentration an Stickstoffoxiden wird vor jedem Versuch durchgeführt, um das Einspritzverhältnis des Behandlungsmittels zu den Grundlinienstickstoffoxiden und das NSR zu berechnen, und eine Endablesung an Stickstoffoxiden wird während und stromabwärts von dem Einspritzen der Behandlungsmittel durchgeführt, um die Verminderung der Konzentration an Stickstoffoxiden im Abgas zu berechnen, die durch jedes der eingespritzten Behandlungsmittel bewirkt wird. Außerdem wird eine Ammoniak- und Kohlenmonoxidablesung während und stromabwärts von der Einspritzung der Behandlungsmittel vorgenommen, um die Bildung anderer Schadstoffe zu berechnen.
Wäßrige Lösungen, umfassend 10 Gew.-% Harnstoff, 4 Gew.-% Hexamethylentetramin, 10 Gew.-% Furfural und 0.1 Gew.-% eines im Handel erhältlichen grenzflächenaktiven Mittels werden in das Abgas bei den angegebenen Temperaturen eingespritzt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt und werden grafisch in den Fig. 1 und 1a wiedergegeben. Tabelle 1 Temp. Grundlinie endgültig Tabelle 1 (Forts.) Temp. Grundlinie endgültig

Beispiel IIa

Das wiederholte Verfahren ist das von Beispiel I, außer daß der Kessel mit einer Geschwindigkeit von 4.4 kg/Std. bis 5.44 kg/Std. (9.6 lbs/Std. bis 12.0 lbs/Std.) gefeuert wird, um die Abgastemperaturen zu erreichen.
Das eingespritzte Behandlungsmittel ist eine wäßrige Lösung, umfassend 10 Gew.-% Harnstoff, 15 Gew.-% Furfural und 0.1 Gew.-% eines im Handel erhältlichen grenzflächenaktiven Mittels. Einspritztemperatur, % überschüssiger Sauerstoff, NSR, Grundlinien-NOx, End-NOx und % Verringerung an NOx für jeden Versuch sind in Tabelle 2a dargestellt und grafisch in Fig. 2 wiedergegeben. Tabelle 2a Versuch Temp. NSR Grundlinie endgültig

Beispiel IIb

Das Verfahren von Beispiel IIa wird wiederholt, außer daß das Behandlungsmittel, das eingespritzt wird, eine wäßrige Lösung, umfassend 10 Gew.-% Harnstoff und 0.1 Gew.-% eines im Handel erhältlichen grenzflächenaktiven Mittels, ist. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2b dargestellt und grafisch in Fig. 2 wiedergegeben. Tabelle 2b Versuch Temp. NSR Grundlinie endgültig

Beispiel IIc

Das Verfahren von Beispiel IIa wird wiederholt, außer daß das eingespritzte Behandlungsmittel eine wäßrige Lösung ist, umfassend 10 Gew.-% Harnstoff, 15 Gew.-% Ethylenglykol und 0.1 Gew.-% eines im Handel erhältlichen grenzflächenaktiven Mittels. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2c dargestellt und grafisch in Fig. 2 wiedergegeben. Tabelle 2c Versuch Temp. NSR Grundlinie endgültig

Beispiel IIIa

Das Verfahren von Beispiel I wird wiederholt, außer daß der Kessel mit einer Geschwindigkeit von 4.4 kg/Std. bis 49.0 kg/Std. (9.6 lbs/Std. bis 10.8 lbs/Std.) gefeuert wird. Das eingespritzte Behandlungsmittel umfaßt eine wäßrige Lösung von 10 Gew.-% Harnstoff, 5 Gew.-% Ethylenglykol und 0.1 Gew.-% eines im Handel erhältlichen grenzflächenaktiven Mittels. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3a dargestellt und grafisch in Fig. 3a wiedergegeben. Tabelle 3a Temp. Grundlinie endgültig Verm.

Beispiel IIIb

Das Verfahren von Beispiel IIIa wird wiederholt, außer daß das eingespritzte Behandlungsmittel eine wäßrige Lösung von 10 Gew.-% Harnstoff, 10 Gew.-% Ethylenglykol und 0.1 Gew.-% eines im Handel erhältlichen grenzflächenaktiven Mittels umfaßt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3b dargestellt und in Fig. 3b grafisch wiedergegeben. Tabelle 3b Temp. Grundlinie endgültig Verm

Beispiel IIIc

Das Verfahren von Beispiel IIIb wird wiederholt, außer daß das eingespritzte Behandlungsmittel eine wäßrige Lösung mit 10 Gew.-% Harnstoff, 15 Gew.-% Ethylenglykol und 0.1 Gew.-% eines im Handel erhältlichen grenzflächenaktiven Mittels umfaßt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3c dargestellt und grafisch in Fig. 3c wiedergegeben. Tabelle 3c Temp. Grundlinie endgültig Verm.

Beispiel IV

Ein Behandlungsmittel, umfassend eine wäßrige Lösung von 10 Gew.-% Harnstoff, 15 Gew.-% Ethylenglykol und 0.1 Gew.-% eines im Handel erhältlichen grenzflächenaktiven Mittels, wird in den Abgasverbrennungstunnel, wie im Beispiel I beschrieben, in einem Bereich von NSR-Werten eingespritzt und die Bildung an Ammoniak gemessen. Das normalisierte stöchiometrische Verhältnis (NSR) für jede Einspritzung und die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt und in Fig. 4 grafisch wiedergegeben. Zur Vereinfachung stellen die in Fig. 4 angegebenen Temperaturen den genäherten Mittelwert der Temperaturen jedes Datenpunkts der jeweiligen Kurve dar. Tabelle 4 Temp. NSR NH&sub3;

Claims

1. Nicht-katalytisches Verfahren zur Verminderung der Konzentration von Stickstoffoxiden in einem Abgas aus der Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs unter Minimierung der Biidung von Ammoniak und Kohlenmonoxid, wobei das Verfahren umfaßt:

(a) die Durchführung eines Behandlungskonzepts, umfassend die Einleitung einer wäßrigen Lösung eines Harnstoff umfassenden chemischen Behandlungsmittels in das Abgas;

(b) Überwachen des Zustands des Abgases, bis eine Änderung im Zustand des Abgases beobachtet wird; und

(c) Anpassen des Behandlungskonzepts durch Variieren von mindestens einem der folgenden Parameter

i. Verdünnung des Behandlungsmittels,

ii. Bestandteile des Behandlungsmittels,

iii. relativ enthaltene Mengen an Behandlungsmittelbestandteilen, und

iv. Ort, an dem die Einleitung des Behandlungsmittels erfolgt,

zur Durchführung eines angepaßten Behandlungskonzepts, das eine aus dem Auftragen von Werten für die Verminderung an Stickstoffoxiden gegen Temperaturwerte sich ergebende Kurve aufweist, die ein Kurvenplateau, umfaßt, wobei das angepaßte Behandlungskonzept auf der rechten Seite des Kurvenplateaus der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Temperatur wirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungskonzept im Schritt (a) und, falls erforderlich, die Anpassung des Behandlungskonzepts im Schritt (c) unter Durchführen einer Mehrzahl von Behandlungskonzepten durchgeführt werden, umfassend:

(a) die Bestimmung durch Messung oder Berechnung der sich aus der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur ergebenden Kurve für jedes einer Mehrzahl von Behandlungskonzepten,

(b) Feststellen durch Vergleich, welches Behandlungskonzept, wenn es zur Behandlung eines Abgases mit der an einem Ort für das Einspritzen bestehenden Abgastemperatur durchgeführt wird, an einem auf seinem Kurvenplateau am weitesten rechts gelegenen Punkt wirkt, und

(c) Durchführen des festgestellten Behandlungskonzepts zur Verminderung der Konzentration der Stickstoffoxide im Abgas, wobei die Bildung von Ammoniak und Kohlendioxid im wesentlichen vermieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungskonzept im Schritt (a) und, falls erforderlich, die Anpassung des Behandlungskonzepts im Schritt (c) bewirkt werden durch Einleiten einer wäßrigen Lösung eines chemischen Behandlungsmittels mit einer bekannten, sich aus der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur ergebenden und ein Kurvenplateau aufweisenden Kurve in das Abgas zur Verminderung der Konzentration von Stickstoffoxiden im Abgas durch eine Reaktion oder Serie von Reaktionen, die durch das Behandlungsmittel erleichtert werden, und durch Einstellen der Einspritzstelle, wodurch bewirkt wird, daß die Einspritzung bei einer unterschiedlichen Abgastemperatur durchgeführt wird, wobei die Reaktion oder Serie von Reaktionen zur rechten Seite des Plateaus der sich aus der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur ergebenden Kurve verschoben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungskonzept im Schritt (a) unter

(a) Einleiten einer wäßrigen Lösung eines chemischen Behandlungsmittels in das Abgas zur Verminderung der Konzentration der Stickstoffoxide im Abgas durch eine Reaktion oder eine Serie von Reaktionen, die durch das Behandlungsmittel erleichtert werden, und

(b) Variieren von mindestens einem der folgenden Parameter

i. Verdünnung des Behandlungsmittels,

ii. Bestandteile des Behandlungsmittels

iii. Verhältnis der Bestandteile des Behandlungsmittels, und

iv. Einspritzort

durchgeführt wird, um die Reaktion oder Serie von Reaktionen in Richtung der Verminderung der Bildung von Ammoniak und Kohlenmonoxid zu verschieben, während das Ausmaß der Verminderung an Stickstoffoxiden im wesentlichen aufrechterhalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungskonzept im Schritt (a) und, falls erforderlich, die Einstellung des Behandlungskonzepts im Schritt (c) wie folgt durchgeführt werden

(a) Durchführen eines ersten Behandlungskonzepts, umfassend die Einleitung einer wäßrigen Lösung eines chemischen Behandlungsmittels in das Abgas zur Behandlung des Abgases zur Verminderung der Konzentration der Stickstoffoxide im Abgas durch eine Reaktion oder eine Serie von Reaktionen, die durch das erste Behandlungskonzept erleichtert werden,

(b) Bestimmen der Stelle auf der sich aus der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur ergebenden Kurve für das Behandlungsmittel, bei der das erste Behandlungskonzept durchgeführt wird,

(c) Einstellen des ersten Behandlungskonzepts durch Variieren von mindestens einem der folgenden Parameter

i. Verdünnung des Behandlungsmittels,

ii. Bestandteile des Behandlungsmittels, und

iii. Verhältnis der Bestandteile des Behandlungsmittels

um ein zweites Behandlungskonzept durchzuführen, und

(d) Bestimmen der Stelle auf der sich aus der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur ergebenden Kurve für das zweite Behandlungskonzept, bei der das zweite Behandlungskonzept durchgeführt wird, wobei die Stelle, bei der das zweite Behandlungskonzept durchgeführt wird, sich weiter rechts auf der sich aus der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur ergebenden Kurve befindet, als die Stelle, bei der das erste Behandlungskonzept auf der sich aus der Verminderung der Stickstoffoxide gegen die Abgastemperatur ergebenden Kurve durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der überwachte Zustand des Abgases ausgewählt wird aus der Gruppe Betriebslast des Kessels, Abgastemperatur an der Stelle der Einleitung eines Behandlungsmittels, Menge der Stickstoffoxide im Abgas, Menge an Ammoniak im Abgas, Menge an Kohlenmonoxid im Abgas, Menge an überschüssigem Sauerstoff im Abgas, und Kombinationen davon.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der überwachte Abgaszustand die Abgastemperatur ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der überwachte Abgaszustand die Betriebslast des Kessels ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das zusätzlich die Erhöhung der Einleitungsgeschwindigkeit des Behandlungsmittels zur Erhöhung des normalisierten stöchiometrischen Verhältnisses umfaßt, bis ein vorbestimmtes Höchstmaß an anderen Schadstoffen im wesentlichen erreicht aber nicht überschritten wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das zusätzlich die Erhöhung der Einleitungsgeschwindigkeit des Behandlungsmittels zur Erhöhung des normalisierten stöchiometrischen Verhältnisses umfaßt, bis ein vorbestimmter Sollwert an Verminderung von Stickstoffoxiden erreicht wird, mit der Maßgabe, daß ein vorbestimmtes Höchstmaß an anderen Schadstoffen nicht überschritten wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Behandlungsmittel zusätzlich einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Kohlenwasserstoff ausgewählt ist aus Stickstoff enthaltenden Kohlenwasserstoffen, oxidierten Kohlenwasserstoffen, Hydroxyaminokohlenwasserstoffen, heterocyclischen Kohlenwasserstoffen und Gemischen davon.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Behandlungsmittel weiter einen Verstärker umfaßt, ausgewählt aus Furfural, Zucker, Milch, Glycin, Ethylenglykol, Hexamethylentetramin und Gemischen davon.