DE4034008A1 - Zwei- oder mehrstufige kesselfeuerung mit geringer, no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts)-emission und entsprechende verfahren - Google Patents
Zwei- oder mehrstufige kesselfeuerung mit geringer, no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts)-emission und entsprechende verfahrenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kesselfeuerung zur
Erzeugung von Dampf und entsprechende Verfahren zur schad
stoffarmen Feuerung. Ein aus Gründen des Umweltschutzes immer
dringlicher werdendes Problem ist die Vermeidung von Schad
stoffen bei der Befeuerung von Dampferzeugern. Besondere Be
deutung kommt dabei den Stickoxiden zu, im folgenden mit NOx
bezeichnet. Bisher verwendete einstufige Kesselfeuerungen
erzeugen z. T. erhebliche Anteile an NOx bei der Verbrennung,
da im Brennraum wegen des angestrebten nur geringen Luftüber
schusses hohe Temperaturen auftreten, bei denen sich NOx be
sonders stark bildet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer
Kesselfeuerung, die eine gute Verbrennung bei gleichzeitig
geringer Erzeugung von NOx ermöglicht. Auch sollen Verfahren
und Betriebsparameter für Kesselfeuerungen angegeben werden,
bei denen die NOx-Erzeugung besonders gering ist.
Ausgehend von der Erkenntnis, daß für die Verringerung der
NOx-Produktion Verbrennungszonen vermieden werden müssen, in
denen hohe Temperatur und gleichzeitig erhebliche Anteile an
Sauerstoff vorhanden sind, wird erfindungsgemäß eine zwei- oder
mehrstufige Verbrennung durchgeführt, wobei von der ersten
Stufe eine Vormischung von Brennstoff und Luft bzw. sauerstoff
haltigem Abgas erfolgt. Dementsprechend wird die Aufgabe durch
eine Kesselfeuerung zur Erzeugung von Dampf gelöst, welche
folgende Merkmale aufweist:
- a) mindestens eine erste Reaktionszone hinter mindestens einem Vormischbrenner, der mindestens einen Einlaß für Luft und/oder sauerstoffhaltiges Abgas und mindestens einen ersten Einlaß für Brennstoff aufweist;
- b) mindestens eine erste Wärmetauscherzone mit ersten Wärme tauscherflächen, welche für eine Abkühlung der in der ersten Reaktionszone entstehenden Verbrennungsgase von etwa 1300 bis 1600°C auf etwa 700 bis 1000°C ausgelegt sind;
- c) mindestens eine zweite Reaktionszone mit Mitteln zur fein verteilenden Eindüsung von Brennstoff;
- d) mindestens eine zweite Wärmetauscherzone mit zweiten Wärmetauscherflächen, welche für eine Abkühlung der in der zweiten Reaktionszone entstehenden Verbrennungsgase von etwa 1200 bis 1600°C auf Auslaßtemperatur ausgelegt sind;
- e) die einzelnen Reaktions- und Wärmetauscherzonen liegen in Strömungsrichtung hintereinander und/oder Überlappen sich jeweils teilweise.
Als Brennstoff kommt vor allem hochkaloriger fluidischer
Brennstoff, insbesondere Erdgas oder Erdöl, in Betracht.
Wie anhand der Ausführungsbeispiele näher erläutert wird,
ermöglicht es eine mehrstufige Verbrennung, die NOx-Produktion
stark zu reduzieren. In der ersten Stufe wird ein vorgemischtes
brennstoffarmes Gemisch verbrannt, und zwar nur in solchem
Mischungsverhältnis, daß die für die Bildung von NOx notwendigen
Temperaturen und Mischungsverhältnisse nicht oder nur in ge
ringem Umfang auftreten. Geeignete Vormischbrenner sind z. B.
in der EP-B-01 93 838 oder der EP-B-02 76 696 beschrieben.
Anschließend werden die Verbrennungsgase durch Auskopplung von
Wärme in der ersten Wärmetauscherzone soweit abgekühlt, daß
auch bei der Verbrennung des restlichen Sauerststoffs durch
Zugabe von weiterem Brennstoff in der zweiten Reaktionszone
keine Bedingungen mehr entstehen können, die eine NOx-Produktion
begünstigen. Hier ist die Eindüsung durch eine Vielzahl kleiner
Öffnungen von Vorteil, um eine etwa homogene Temperaturver
teilung zu erhalten. In einer zweiten Wärmetauscherzone wird
auch die in der zweiten Reaktionszone erzeugte Verbrennungs
wärme weitestgehend ausgekoppelt, so daß sich die Gesamtbilanz
des Prozesses bezüglich der Erzeugung und Auskopplung von Wärme
nicht von der bei einer einstufigen Verbrennung unterscheidet.
Ein Unterschied ist allerdings, daß die in dem gesamten Prozeß
auftretenden Maximaltemperaturen geringer als bei einer ein
stufigen Verbrennung sind, was im Hinblick auf die verwendeten
Materialien und deren thermische Belastung von Vorteil ist, was
jedoch wegen des geringeren ausnutzbaren Temperaturgradienten
etwas größere Wärmetauscherflächen erforderlich machen kann.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß in der zweiten Reaktions
zone keine Flammen im eigentlichen Sinne auftreten müssen,
sondern die Reaktion in einem nicht zündfähigen Mischungsver
hältnis allein aufgrund der dort herrschenden hohen Temperatur
als flammenlose Verbrennung aufrechterhalten werden kann.
Eine solche Kesselfeuerung eignet sich ganz besonders als
Teil einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage.
Hierbei wird die Kesselfeuerung der Gasturbine nachgeschal
tet und je nach der Betriebssituation entweder mit dem Abgas
der Gasturbine oder mit Frischluft versorgt.
Üblicherweise sind die Wärmetauscherflächen in an sich be
kannter Weise verlegte und angeschlossene Dampferzeugerrohre,
die vorzugsweise zum Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine
gehören.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur schadstoffarmen Feuerung
eines Dampferzeugerkessels hat dementsprechend folgende Merk
male:
- a) in mindestens eine ersten Reaktionszone des Kessels werden Luft und/oder sauerstoffhaltiges Abgas vorgemischt mit einem unterstöchiometrischen Anteil Brennstoff zugeführt und mit einer Maximaltemperatur von 1300 bis 1600°C verbrannt (Verbrennung unter Luftüberschuß);
- b) in mindestens einer anschließenden, evtl. die erste Re aktionszone überlappenden, ersten Wärmetauscherzone wird über erste Wärmetauscherflächen, insbesondere Dampferzeu gerrohre, soviel Wärme aus den in der ersten Reaktionszone entstehenden Verbrennungsgasen ausgekoppelt, daß deren Temperatur auf 700 bis 1000°C, reduziert wird;
- c) in mindestens einer zweiten Reaktionszone wird dann zusätz licher Brennstoff fein verteilt eingedüst, der mit dem Restsauerstoff der Verbrennungsgase reagiert, wodurch die Temperatur der Verbrennungsgase wieder ansteigt, beispiels weise auf 1200 bis 1600°C;
- d) in mindestens einer zweiten Wärmetauscherzone wird über zweite Wärmetauscherflächen, insbesondere Dampferzeugerrohre, die Wärme, soweit möglich, aus den Verbrennungsgasen aus gekoppelt.
Weitere Einzelheiten der Verfahren werden anhand der Zeichnung
näher erläutert. Das erfindungsgemäße Prinzip ermöglicht eine
zwei- oder mehrstufige Verbrennung von Brennstoff bei geringer
NOx-Emission von beispielsweise 35 bis 65 mg/m3. Dabei kann
das Prinzip der stufenweisen Verbrennung außer durch zwei
Stufen auch durch drei oder mehr Stufen verwirklicht werden,
wobei im Rahmen der konstruktiven Grenzen auch vielstufige,
quasi-kontinuierliche Verbrennungsprozesse möglich sind,
bei denen in Strömungsrichtung hintereinander in kurzen Ab
ständen Anteile der Gesamtbrennstoffmenge eingespeist werden,
wobei gleichzeitig durch Wärmetauscherflächen über die Länge
der Feuerung Wärme ausgekoppelt wird, so daß nirgendwo die
für NOx-Bildung nötigen hohen Temperaturen und Brennstoff/
Luft-Konzentrationen auftreten.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in
der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine zwei
stufige Kesselfeuerung unter Angabe signifikanter Parameter
bei der Verbrennung von Luft mit Brennstoff, während Fig. 2
die gleiche Feuerungsanordnung unter Angabe signifikanter
Parameter für den Betrieb mit dem Abgas einer Gasturbine ent
hält.
In Fig. 1 ist in einer ersten Reaktionszone 1 mindestens ein
schematisch angedeuteter Vormischbrenner angeordnet, dem über
einen Einlaß 2 Luft zugeführt wird, welche eine Temperatur von
20°C, einen Sauerstoffgehalt von etwa 21% (Volumenprozent) und
einen NOx Gehalt von 0 mg/m3 hat. Über einen Einlaß 3 wird dem
Vormischbrenner Brennstoff in unterstöchiometrischem Verhältnis
zugeführt. Durch Verbrennung des entstehenden brennstoffarmen
Gemisches entsteht am Ausgang der ersten Reaktionszone 1 eine
Temperatur von etwa 1470°C, wobei die Verbrennungsgase einen
Restanteil von 7,8% Sauerstoff und einen Schadstoffanteil von
30 mg NOx/m3 aufweisen. In einer ersten Wärmetauscherzone 4
wird anschließend über Wärmetauscherflächen 5 so viel Wärme
Q1 ausgekoppelt, daß die Temperatur der Verbrennungsgase auf
800 bis 900°C sinkt. Dann wird in einer zweiten Reaktionszone
6 über einen zweiten Einlaß 7 Brennstoff fein verteilt zuge
führt, wodurch die Temperatur wieder auf 1370 bis 1470°C
steigt. Der Sauerstoff wird bis auf etwa 1% verbrannt und es
ergibt sich ein NOx-Gehalt von 35 bis 65 mg/m3. In einer zwei
ten Wärmetauscherzone 8 kann die restliche Wärme Q2 aus dem
Abgas über zweite Wärmetauscherflächen 9 ausgekoppelt werden,
bevor das Abgas entweicht. Es sei darauf hingewiesen, daß die
beispielhaft angegebenen NOx-Werte anhand von Modellrechnungen
ermittelt wurden und als Massenkonzentration von NO2 bezogen
auf das Abgasvolumen im Normalzustand, nach Abzug des Feuchte
gehaltes an Wasserdampf und bei 3% Sauerstoff (Volumenprozent)
angegeben sind.
Fig. 2 zeigt die gleiche zweistufige Feuerungsanordnung wie
Fig. 1 mit einer ersten Reaktionszone 11, einer ersten Wärme
tauscherzone 14 mit ersten Wärmetauscherflächen 15, einer
zweiten Reaktionszone 16 und einer zweiten Wärmetauscherzone
18 mit zweiten Wärmetauscherflächen 19. Im Unterschied zu Fig. 1
wird durch den Einlaß 12 das Abgas einer Gasturbine in den
Vormischbrenner geleitet und über den Einlaß 13 mit einer
entsprechenden Brennstoffmenge vermischt. Das Abgas
der Gasturbine hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine
Temperatur von 540°C und einen Sauerstoffgehalt von 15%,
wobei schon 34 mg NOx/m3 aus dem Verbrennungsprozeß in der Gas
turbine enthalten sind. Am Ende der ersten Reaktionszone 11
beträgt die Temperatur 1400°C bei 5,9% Restsauerstoff und
etwa 60 mg NOx/m3. Wiederum wird die Temperatur durch Wärme
auskopplung Q1 in der ersten Wärmetauscherzone 14 auf 800 bis
900°C gesenkt. In der zweiten Reaktionszone 16 wird durch den
Einlaß 17 weiterer Brennstoff fein verteilt zugeführt, wodurch
die Temperatur wieder auf 1200 bis 1300°C ansteigt. Der Sauer
stoff wird wiederum bis auf 1% Rest verbrannt, wobei in der
zweiten Reaktionszone 16 der NOx-Anteil nur noch geringfügig
auf etwa 65 mg/m3 ansteigt. Die Verbrennungswärme Q2 kann dann
in der zweiten Wärmetauscherzone 18 ausgekoppelt werden, bevor
das Abgas zum Auslaß 20 gelangt.
Die vorliegende Erfindung ist keineswegs auf die beiden ange
gebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erfaßt auch
mehrstufige Verbrennungen mit den verschiedensten Dimensionie
rungen der Reaktionszonen und Wärmetauscherzonen. Insbesondere
ist keine strikte Trennung dieser Zonen erforderlich, da mit
der Wärmeauskopplung auch schon innerhalb der Reaktionszonen
begonnen werden kann. Entscheidend ist, daß nicht die ganze
Brennstoffmenge in einer Stufe mit der gesamten zur Verfügung
stehenden Luft- bzw. Abgas-Menge verbrannt wird, da dies für
die NOx-Entstehung günstige Temperaturen und Konzentrations
verhältnisse bewirkt, was durch die Zwischenauskopplung von
Wärme und Benutzung von Vormischbrennern in der ersten Stufe
gerade vermieden wird. Besonders geeignet ist die vor
liegende Erfindung für kombinierte Gas- und Dampf-Kraftwerke,
da eine zwei- oder mehrstufige Verbrennung sich an unter
schiedliche Betriebsbedinungen gut anpassen läßt.
Claims (9)
1. Kesselfeuerung zur Erzeugung von Dampf mit folgenden
Merkmalen:
- a) mindestens einer ersten Reaktionszone (1; 11) hinter min destens einem Vormischbrenner, der mindestens einen Einlaß (2; 12) für Luft und/oder sauerstoffhaltiges Abgas und mindestens einen ersten Einlaß (3; 13) für Brennstoff aufweist;
- b) mindestens einer ersten Wärmetauscherzone (4; 14) mit ersten Wärmetauscherflächen (5; 15), welche für eine Ab kühlung der in der ersten Reaktionszone (1; 11) entstehenden Verbrennungsgase von etwa 1300 bis 1600°C auf etwa 700 bis 1000°C ausgelegt sind;
- c) mindestens einer zweiten Reaktionszone (6; 16) mit Mit teln zur fein verteilenden Eindüsung (7; 17) von Brennstoff;
- d) mindestens einer zweiten Wärmetauscherzone (8; 18) mit zweiten Wärmetauscherflächen (9; 19), welche für eine Ab kühlung der in der zweiten Reaktionszone (6; 16) entstehenden Verbrennungsgase von etwa 1200 bis 1600°C auf Auslaßtempe ratur ausgelegt sind;
- e) die einzelnen Reaktions- und Wärmetauscherzonen liegen in Strömungsrichtung hintereinander und/oder überlappen sich je weils teilweise.
2. Kesselfeuerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß sie Teil einer kombinierten Gas- und
Dampfturbinen-Anlage und der Gasturbine nachgeschaltet ist.
3. Kesselfeuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Wärmetauscherflächen (5, 9;
15, 19) Dampferzeugerrohre sind.
4. Verfahren zur schadstoffarmen Feuerung eines Dampferzeu
gerkessels mit folgenden Merkmalen:.
- a) in mindestens eine erste Reaktionszone (1; 11) des Kessels werden Luft und/oder sauerstoffhaltiges Abgas vorgemischt mit einem unterstöchiometrischen Anteil Brennstoff zugeführt (2, 3; 12, 13) und mit einer Maximaltemperatur von 1300 bis 1600°C verbrannt;
- b) in mindestens einer anschließenden, evtl. die erste Re aktionszone (1; 11) überlappenden, ersten Wärmetauscherzone (4; 14) wird über erste Wärmetauscherflächen (5; 15), ins besondere Dampferzeugerrohre, soviel Wärme (Q1) aus den in der ersten Reaktionszone (1; 11) entstehenden Verbrennungsgasen ausgekoppelt, daß deren Temperatur auf 700 bis 1000°C, re duziert wird;
- c) in mindestens einer zweiten Reaktionszone (6; 16) wird zusätzlich Brennstoff fein verteilt eingedüst (7; 17), der mit dem Restsauerstoff der Verbrennungsgase reagiert, wodurch die Temperatur der Verbrennungsgase wieder ansteigt, beispielsweise auf 1200 bis 1600°C;
- d) in mindestens einer zweiten Wärmetauscherzone (8; 18) wird über zweite Wärmetauscherflächen (9; 19), insbesondere Dampf erzeugerrohre, die Wärme (Q2), soweit möglich, aus den Verbren nungsgasen ausgekoppelt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß in die erste Reaktionszone (1) Luft mit
Umgebungstemperatur zugeführt und die dazu vorgemischte Brenn
stoffmenge pro Zeiteinheit so bemessen wird, daß die Verbren
nungsgase eine Temperatur von etwa 1450 bis 1500°C erreichen.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß in die erste Reaktionszone (11) Abgas
aus eine Gasturbine zugeführt wird, mit beispielsweise etwa
15% (Volumenprozent) Sauerstoffanteil und etwa 540°C Tem
peratur, wobei die dazu vorgemischte Brennstoffmenge pro
Zeiteinheit so bemessen wird, daß die Verbrennungsgase eine
Temperatur von 1350 bis 1450°C erreichen.
7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß in die zweite Reaktionszone
(8; 18) soviel Brennstoff fein verteilt eingedüst wird, daß der
noch vorhandene Sauerstoff bis auf einen Rest von etwa 1%
verbrannt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verbrennung in drei oder
mehr aufeinanderfolgenden Stufen erfolgt, wobei die erste
und/oder zweite Reaktionszone (1, 6; 11, 16) in weitere Stu
fen unterteilt sind.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß drei oder mehr sich jeweils teilweise
überlappende Reaktionszonen und Wärmetauscherzonen aufeinan
derfolgen, so daß eine quasi-kontinuierliche Wärmeerzeugung
und Wärmeauskopplung über die Länge der Kesselfeuerung erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904034008 DE4034008A1 (de) | 1989-11-07 | 1990-10-25 | Zwei- oder mehrstufige kesselfeuerung mit geringer, no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts)-emission und entsprechende verfahren |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3937093 | 1989-11-07 | ||
DE19904034008 DE4034008A1 (de) | 1989-11-07 | 1990-10-25 | Zwei- oder mehrstufige kesselfeuerung mit geringer, no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts)-emission und entsprechende verfahren |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4034008A1 true DE4034008A1 (de) | 1991-05-08 |
Family
ID=25886843
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19904034008 Withdrawn DE4034008A1 (de) | 1989-11-07 | 1990-10-25 | Zwei- oder mehrstufige kesselfeuerung mit geringer, no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts)-emission und entsprechende verfahren |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE4034008A1 (de) |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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