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Dokumentenidentifikation DE60308728T2 16.08.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001572327
Titel VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR REGELUNG DER NOx-EMISSIONEN AUS KOHLENSTOFFHALTIGEN BRENNSTOFFBETRIEBENEN KESSELN OHNE BENUTZUNG EINES EXTERNEN REAGENTEN
Anmelder Foster Wheeler Energy Corp., Clinton, N.J., US
Erfinder FAN, Zhen, Parsippany, NJ 07054, US;
WU, Song, Livingston, NJ 07039, US
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 60308728
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 16.12.2003
EP-Aktenzeichen 037786324
WO-Anmeldetag 16.12.2003
PCT-Aktenzeichen PCT/IB03/05980
WO-Veröffentlichungsnummer 2004054690
WO-Veröffentlichungsdatum 01.07.2004
EP-Offenlegungsdatum 14.09.2005
EP date of grant 27.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.08.2007
IPC-Hauptklasse B01D 53/86(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Kontrolle der NOx-Niveaus in Rauchgasen, die aus kohlenstoffhaltige Brennstoffe verteuernden Kesseln ausgestoßen werden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein NOx-Regelschema, das frei von der Einspritzung eines externen NOx reduzierenden Mittels ist.

NOx-Emissionen aus kohlenstoffhaltigen Brennstoff verfeuernden Kesseln stammen aus zwei Quellen: (1) thermisches NOx infolge der Oxydation von Stickstoff in der Luft und (2) Brennstoff-NOx infolge der Oxydation von Stickstoff im Brennstoff. In heutigen Kesseln mit fortschrittlichen Verbrennungssystemen gibt es eine minimale Menge thermisches NOx, und NOx-Emissionen werden hauptsächlich aus einer kleinen Fraktion von Stickstoff im Brennstoff gebildet. Das Niveau des in einem Verbrennungsprozess produzierten NOx wird hauptsächlich durch Temperatur und Stöchiometrie der Primärverbrennungszone bestimmt. Das Niveau der NOx-Emissionen, die aus einer Feuerung in die Atmosphäre entweichen, ergibt sich als Gleichgewicht zwischen den NOx-Bildungsreaktionen und den NOx-Reduktionsreaktionen.

Bestehende Technologien zur Kontrolle von NOx-Emissionen aus Verbrennungsquellen werden in zwei Kategorien unterteilt: (1) Minimieren der NOx-Bildung im Verbrennungsprozess und (2) Reduzieren des NOx-Niveaus im erzeugten Rauchgas. In Kohlenstaub-(PC-)Kesseln kann die NOx-Bildung minimiert werden, indem besonders konstruierte Low-NOx-Brenner (LNB) eingesetzt werden und die Kohlenverbrennung am oberen Niveau der Feuerung durch Oberluft (over-fire-air, OFA) vervollständigt wird. Bei der Wirbelschichtverbrennung (FBC), werden die NOx-Niveaus normalerweise kontrolliert, indem eine relativ niedrige Verbrennungstemperatur benutzt wird und indem Sekundärluft für optimierte Luftabstufung eingestellt wird. Die wichtigsten Rauchgas-NOx-Reduktionstechnologien umfassen selektive katalytische Reduktion (SCR) und selektive nicht-katalytische Reduktion (SNCR), die beide normalerweise Ammoniak oder Harnstoff zur Zersetzung von NOx nutzen, wenn es sich gebildet hat.

Die neuen kohlegefeuerten Nutzkessel von heute haben typisch NOx-Emissionen im Bereich von 40–60 ppm. Diese niedrigen Niveaus von NOx-Emissionen werden durch die optimierte Integration der beiden Arten von NOx-Kontrolltechnologien erreicht. Zum Beispiel bei einer allgemeinen Anordnung für PC-Kessel handelt es sich um ein LNB/OFA-System in Kombination mit einer SCR, die Ammoniak oder Harnstoff als Reduktant verwendet. Bei Anwendung eines LNB/OFA-Systems ist das NOx-Niveau am Austritt der Feuerung typisch im Bereich von 90–180 ppm.

Die derzeitigen Low-NOx-Technologien, die in kohlenstoffhaltigen Brennstoff verfeuernden Kesseln eingesetzt werden, heben die präzise Kontrolle der Verbrennungsstöchiometrie und Temperatur innerhalb der Primärverbrennungszone hervor. Es ist gut bekannt, dass ein niedriges Überschussluftniveau in der Verbrennungszone zu erhöhten CO-Emissionen und unverbranntem Kohlenstoff in der Asche führen kann. Somit sind die derzeitigen Low-NOx-Verbrennungstechnologien (LNB und FBC) aus Belangen der CO-Emission außerstande, die Optimierung der Überschussluftmenge vollständig auszunutzen. Die zurzeit benutzte Konstruktionsstrategie hat sich somit auf die Herabsetzung des verfügbaren Sauerstoffs in der Primärverbrennungszone auf ein niedriges Niveau konzentriert, um die NOx-Bildung zu minimieren, wobei gleichzeitig ein hoher Verbrennungswirkungsgrad und ein niedriges Niveau von CO-Emissionen beibehalten werden.

Ein Problem bei den SCR- und SNCR-Reduktionssystemen besteht jedoch darin, dass die Verwendung von übermäßigen Ammoniak- oder Harnstoffmengen fürs Erreichen von sehr hohen NOx-Reduktionsniveaus zu schädlichen Ammoniakemissionen in die Umgebung führt. Die Anlagen zur Handhabung und Einspritzung von Ammoniak verursachen beachtliche Kapital- und Betriebskosten. Die Verwendung von Ammoniak setzt auch das Bedienungspersonal Sicherheitsrisiken aus und kann in Bildung von Ammoniaksalz und Verschmutzung und Korrosion auf kalten stromabwärts gelegenen Oberflächen des Rauchgaskanals resultieren.

In der Automobilindustrie ist es bekannt, so genannte Dreiwege-Katalysatoren (TWC) zu benutzen, um gleichzeitig die NOx-, CO- und Kohlenwasserstoffemissionen (HC) im Abgas zu reduzieren. Der konventionelle Benzinmotor läuft unter stöchiometrischen Verhältnissen, die durch Kraftstoffeinspritzung kontrolliert werden. Ein TWC enthält einen Katalysator, der normalerweise entweder aus Platin oder Palladium zusammen mit Rhodium auf einem Keramik- oder Metallsubstrat hergestellt ist. CO funktioniert als NOx-Reduktant über der Rhodiumoberfläche. Das überschüssige CO und Kohlenwasserstoffe werden über den Platin- oder den Palladiumoberflächen oxydiert.

US-A-5,676,912 beschreibt einen katalytischen Dreizonen-Prozess zur Behandlung von Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid enthaltendem Abgas. Die erste Zone umfasst einen Katalysator, der für die Dreiwege-Konversion von Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid wirksam ist. Die zweite Zone umfasst Materialien, die Kohlenwasserstoffe sorbieren können. Die dritte Zone umfasst einen Katalysator, der bei der Oxydation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid wirksam ist.

Das US-Patent Nr. 5,055,278 stellt ein Verfahren zur Verringerung der Stickoxidmenge in Feuerungsabgas dar. Dem Verfahren zufolge wird fossiler Brennstoff durch stufenweise pyrolysierende Verbrennung mit verlängerter Verweilzeit geleitet, und das gebildete Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und mögliche Stickoxide werden durch katalytische Oxydation geleitet. Infolge der unterstöchiometrischen Verhältnisse werden sehr große Mengen CO und Kohlenwasserstoffe produziert, und für die Oxydation wird eine große Menge Katalysator benötigt. Im Gegensatz hierzu ist die Menge von Stickoxiden im Abgas sehr gering, weil Brennstoff-Stickstoff hauptsächlich als NH3 freigesetzt wird. Aus diesem Grund muss Luft oder Sauerstoff als externes Oxidant eingespritzt und stromaufwärts vom Katalysator gleichmäßig mit dem Rauchgas vermischt werden. Das pyrolysierende Verbrennungsverfahren leidet auch unter dem niedrigen thermischem Wirkungsgrad infolge der hohen Niveaus von unverbranntem Kohlenstoff in der Asche.

Aus den oben erwähnten Gründen gibt es eindeutig Bedarf an einer neuen, einfachen System-Level-Integration zwischen dem Verbrennungsprozess eines Kessels und der Rauchgas-NOx-Reduktion stromabwärts, die einen hohen thermischen Wirkungsgrad aufrechterhält und zu sehr niedrigen NOx-Emissionen führt, jedoch keine schädlichen Ammoniak- oder CO-Emissionen verursacht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System und ein Verfahren zur Kontrolle der NOx-Emissionen aus kohlenstoffhaltige Brennstoffe verteuernden Kesseln vorzusehen, die eine einfache und fortgeschrittene System-Level-Integration zwischen dem Verbrennungsprozess und der Rauchgas-NOx Reduktion stromabwärts umfassen und die einen hohen thermischen Wirkungsgrad des Kessels ergeben.

Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System und ein Verfahren zur Kontrolle der NOx-Emissionen aus kohlenstoffhaltige Brennstoffe verfeuernden Kesseln vorzusehen, die nicht zu erhöhten Emissionen von anderen Schadstoffen führen.

Ein besonderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System und ein Verfahren zur Kontrolle der NOx-Emissionen aus kohlenstoffhaltige Brennstoffe verfeuernden Kesseln vorzusehen, die kein externes Mittel verwenden.

Somit ist der vorliegenden Erfindung zufolge ein Verfahren zur Kontrolle von NOx-Emissionen aus einem kohlenstoffhaltige Brennstoffe verfeuernden Kesseln vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Einführen von kohlenstoffhaltigem Brennstoff und Verbrennungsluft in eine Feuerung des Kessels zur Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs unter oxydierenden Verhältnissen und Produzieren von NOx und CO enthaltendem Rauchgas, (b) Leitung von Rauchgas aus der Feuerung in einem Rauchgaskanal zu einem Katalysatorabschnitt, frei von der Einführung eines externen Mittels für NOx-Reduktion, zur Konversion von NOx zu N2 und CO zu CO2, indem CO als Reduktant von NOx auf einem Katalysator im Katalysatorabschnitt verwendet wird.

Der vorliegenden Erfindung zufolge ist ebenfalls ein System zur Kontrolle von NOx-Emissionen aus einem kohlenstoffhaltige Brennstoffe verteuernden Kessel vorgesehen, das System bestehend aus einer Feuerung mit Mitteln zur Einführung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff und Verbrennungsluft in die Feuerung, um den kohlenstoffhaltigen Brennstoff unter oxydierenden Verhältnissen zu verbrennen und NOx und CO enthaltendes Rauchgas zu produzieren, einem Rauchgaskanal zur Leitung des Rauchgases aus der Feuerung in die Atmosphäre und einem Katalysatorabschnitt im Rauchgaskanal zur Konversion von NOx zu N2 und CO zu CO2, indem CO als Reduktant von NOx verwendet wird, frei von der Einführung eines externen Mittels zur NOx-Reduktion.

Der vorliegenden Erfindung zufolge wird das Niveau des während des Verbrennungsprozesses in der Feuerung erzeugten CO auf ein Niveau eingestellt, auf dem es NOx sowohl in der Feuerung als auch dem stromabwärts gelegenen katalytischen Abschnitt zu Stickstoff (N2) reduziert, ohne irgendwelche externen Reagenzien, etwa Ammoniak, zu verwenden.

Die Verbrennungsprozesse in der Feuerung werden so eingestellt, dass die Molarkonzentration von CO im Rauchgas, wenn es aus der Feuerung austritt, zumindest 70% von der von NOx ist. Bevorzugt ist die Molarkonzentration von CO beim Verlassen der Feuerung ungefähr 1 bis ungefähr 3 mal die Molarkonzentration von NOx. Wir haben herausgefunden, dass eine adäquate, für die NOx-Reduktion erforderliche Menge CO durch Optimierung der Feuerungskonstruktion und der Betriebsparameter erzeugt werden kann.

Durch die Betriebsverhältnisse in der Feuerung, die fürs Zustandebringen einer relativ hohen CO-Produktion eingestellt sind, wird auch die Erzeugung von NOx im Verbrennungsprozess erheblich gehemmt. Darüber hinaus, wenn NOx, CO und Restkoks in der Feuerung produziert werden, wirkt das CO zusammen mit dem Restkoks bei weiterer Reduktion des NOx-Niveaus der folgenden Reaktion entsprechend: 2NO + 2CO → N2 + 2CO2 (1)

  • (über Restkoksoberfläche, hohe Temperatur).

Dem derzeitigen Verfahren zufolge wird die Feuerung mit hohen CO-Konzentrationen betrieben, um NOx-Niveaus am Feuerungsaustritt zu erreichen, die aufgrund der verringerten NOx-Produktion und der NOx-Reduktion in der Feuerung, erheblich niedriger sind als jene, die bei Anwendung der derzeitigen Low-NOx-Verbrennungstechnologien erreicht werden. Bei Anwendung des vorliegenden Verfahrens kann das NOx-Niveau am Feuerungsaustritt unter 90 ppm, sogar unter 60 ppm liegen. Die CO Konzentration am Feuerungsaustritt ist zumindest 70% von der von NOx.

Das NOx-Niveau im Rauchgas, das ein hohes CO/NOx-Verhältnis hat, wird im Katalysatorabschnitt im Kessel-Gasabzug weiter herabgesetzt. Doch aufgrund des niedrigen ursprünglichen NOx-Niveaus im Rauchgas ist der Bedarf an katalytischer NOx-Reduktion relativ gering.

Der vorliegenden Erfindung zufolge findet die NOx-Reduktion auf dem Katalysator ohne den Zusatz eines externen Reagens zum Prozess statt. In den derzeitigen kommerziellen Kraftwerken werden Ammoniak und Harnstoff in der Regel zur Durchführung von katalytischer oder nicht-katalytischer NOx-Reduktion verwendet. Doch auch andere Reduktante, etwa CO, Kohlenwasserstoffe (HC), Wasserstoff und Restkoks reduzieren bekanntlich NOx zu Stickstoff. Das Reduktant wird. in der gleichen Reaktion oxydiert, wie nachfolgend für die Reaktion zwischen NOx und CO angegeben ist: 2NO + 2CO → N2 + 2CO2 (2)

  • (über Metallkatalysator, niedrige Temperatur).

Diese ist die gleiche Reaktion wie die Reaktion (1), doch mit einem externen Metallkatalysator. Die Reaktion (2) ist in der Automobilindustrie erprobt und weit verbreitet, wobei hohe NOx-Konversionsniveaus, normalerweise zwischen 90 und 99%, erreichbar sind.

Ein Schlüsselelement der vorliegenden Erfindung besteht darin, in der kohlenstoffhaltige Brennstoffe verbrennenden Feuerung, besonders in der Feuerung eines kohlegefeuerten Kessels, geeignete Prozessverhältnisse zustande zu bringen, um ein adäquates CO/NOx-Molarverhältnis im Rauchgas zu produzieren, damit der Redoxprozess der Formel (2) fürs Reduzieren von NOx und Oxydieren von CO verwendet werden kann.

Einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge wird der erwünschte CO-Gehalt in der Feuerung hauptsächlich durch Einstellung der Gesamtmenge der in die Feuerung eingeführten Verbrennungsluft erreicht, so dass man einen niedrigen Feuerungs-Überschussluftbereich erhält. Besonders bei kohlegefeuerten Feuerungen ist der Feuerungs-Überschussluftbereich bevorzugt ungefähr 10% bis ungefähr 20%, noch bevorzugter ungefähr 13% bis ungefähr 20%. Unter bestimmten Verhältnissen, besonders wenn es sich beim Brennstoff um flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, etwa Heizöle oder Erdgas handelt, liegt der Feuerungs-Überschussluftbereich bevorzugt unter 10% und noch bevorzugter unter 5%. Um aber einen adäquaten Verbrennungswirkungsgrad aufrechtzuerhalten, wird die Feuerung unter oxydierenden Verhältnissen betrieben, d. h. der Luftüberschuss ist über 0%.

Wie es Fachleuten der Verbrennungskontrolle wohl bekannt ist, kann das CO/NOx-Verhältnis auch durch andere konstruktionelle und betriebliche Modifikationen kontrolliert werden. Beispiele für solche im allgemeinen bekannten Modifikationen umfassen die Kontrolle von Gesamt- oder örtlichen Temperaturen innerhalb der Feuerung, Modifikationen der Konstruktion der Primärverbrennungszone oder der Konstruktion der Lufteinblasung im Brenner, usw.

Der vorliegenden Erfindung zufolge wirkt das CO als Reduktant auf dem Katalysator, das NOx zu N2 reduziert. Gleichzeitig oxydiert CO zu CO2. Material, Größe, Geometrie und Arbeitstemperatur des Katalysators werden bevorzugt so gewählt, dass das meiste oder bevorzugt all NOx im Rauchgas auf dem Katalysator reduziert wird. Außerdem wird jedes überschüssige CO im Rauchgas durch den Überschusssauerstoff des Rauchgases auf der Oberfläche des Katalysators bevorzugt zu CO2 oxydiert.

Der Katalysator kann aus den gleichen Materialien wie die in TWCs eingesetzten Katalysatoren bestehen, d. h. entweder Platin oder Palladium zusammen mit Rhodium auf einem Keramik- oder Metallsubstrat. Wahlweise kann der Katalysator aus einigen anderen Materialien, z. B. Oxiden von Grund-Übergangsmetallen wie Eisen, Nickel, Aluminium, Kobalt oder Kupfer, oder einer Mischung dieser Oxide bestehen. Die Temperatur des Katalysators ist bevorzugt ungefähr 130°C bis ungefähr 800°C, noch bevorzugter ungefähr 200°C bis ungefähr 500°C.

Der Katalysator kann bevorzugt aktive Bestandteile, etwa die oben erwähnten enthalten, die auf ein keramisches Substrat aufgetragen sind, das in entweder Bienenwaben oder Plattenform extrudiert ist. Der Katalysator kann auch in körniger oder Pelletform in einer Füllkörperschüttung verwendet werden, die im Rauchgaskanal angeordnet ist. Im Besonderen kann ein preisgünstiger Katalysator, der in Pulver- oder körniger Form vorliegt, auch direkt in den Rauchgaskanal eingespritzt werden. Dabei kann der im Staubkuchen eines Entstaubers angesammelte Katalysator als Festbett für die NOx-Reduktion dienen. Der angesammelte Katalysator kann zur Verbesserung seiner Nutzung rückgeführt werden.

Das Kessel-Rauchgas enthält auch Kohlenwasserstoffe (HC), normalerweise in einer Konzentration einer kleineren Größenordnung als CO. Wie bereits erwähnt wurde, kann HC auch NOx durch Redoxreaktionen reduzieren, die den in Formel (2) gezeigten NOx-CO-Reaktionen ähnlich sind. Die Maßnahmen, die zur Steigerung der Menge von CO in der Feuerung ergriffen wurden, erhöhen auch in gewissem Maße die HC-Konzentration. Doch wegen seiner niedrigen Konzentration und des ähnlichen Reaktionsmechanismus ist die Wirkung von HC auf NOx in dieser Beschreibung der vorliegenden Erfindung in die CO-Reduktionswirkung eingebunden. Auch bei Konstruktionsberechnungen kann das CO/NOx-Molarverhältnis den Beitrag des Äquivalents eines CH4/NOx-Verhältnisses einschließen.

Durch Optimierung der gesamten NOx-Bildungs- und der Zerstörungsprozesse gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein hoher Verbrennungswirkungsgrad aufrechterhalten werden, und es können sehr niedrige Niveaus von NOx aus dem Kesselsystem erreicht werden, indem ein kleiner Katalysatorabschnitt eingesetzt wird und ohne externes Reduktant, etwa Ammoniak zuzusetzen, das typischerweise für SCR-Prozesse verwendet wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Diagramm mit der Wirkung der Feuerungs-Überschussluft auf NOx- und CO-Emissionen.

2 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform des vorgeschlagenen NOx-Reduktionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

1 zeigt ein qualitatives Diagramm der Wirkung von Feuerungs-Überschussluft auf die NOx- und CO-Emissionen. Wie im Diagramm gezeigt ist, wird durch Steigerung der Überschussluft das NOx-Niveau erhöht und das CO-Niveau herabgesetzt. Weil sich eine Änderung der Überschussluft sowohl auf die NOx- als auch CO-Niveaus, doch in entgegengesetzten Richtungen, auswirkt, erzeugt eine kleine Abweichung der Überschussluft eine große Schwankung des CO/NOx-Verhältnisses. Zurzeit werden kohlegefeuerte Kessel für Überschussluft-Niveaus von 20–25% ausgelegt.

Der vorliegenden Erfindung zufolge ist das CO/NOx-Verhältnis am Feuerungsaustritt bevorzugt über 0,7. Bevorzugter ist das CO/NOx-Verhältnis am Feuerungsaustritt ungefähr 1 bis ungefähr 3. Die einfachsten Mittel, um ein CO/NOx-Verhältnis zu erreichen, das für die stromabwärts ablaufende katalytische Reduktion geeignet ist, besteht in der Einstellung des Verhältnisses von Luft und Brennstoff, die der Feuerung zugeführt werden. Der vorliegenden Erfindung zufolge liegt die Feuerungs-Überschussluft bevorzugt im Bereich von ungefähr 10% bis ungefähr 20%, noch bevorzugter im Bereich von ungefähr 13% bis ungefähr 20%.

2 zeigt als bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindungen einen kohlenstaub-(PC-)gefeuerten Kessel 10 mit einem integrierten NOx-Reduktionssystem. Der Kessel 10 umfasst eine von vertikalen Rohrwänden umschlossene Feuerung 12, von denen in 2 nur die Wände 14 und 16 dargestellt sind. Die Feuerung wird unter oxydierenden Verhältnissen betrieben, weshalb die Wände 14, 16 aus normalem Kohlenstoffstahl hergestellt werden können und nicht mit feuerfestem Material vollkommen bedeckt oder aus korrosionsfestem Material hergestellt werden müssen.

Der Kessel 10 umfasst Mittel 8 zur Einführung von Brennstoff und Primärluft durch die Brenner 20 in die Feuerung 12. Benachbart zu den Brennern 20 sind Mittel 22 zur Einführung von Sekundärluft in die Feuerung 12 angeordnet. Im oberen Teil der Feuerung 12 sind Mittel 24 zur Einblasung von Oberluft angeordnet. Die Mittel zur Einführung von Brennstoff, Sekundärluft und Oberluft umfassen bevorzugt Mittel 26, 28, 30 zur Kontrolle der Ströme von Brennstoff, Sekundärluft, beziehungsweise Oberluft, die in die Feuerung eingeführt werden.

Während der Verbrennung des Brennstoffs in der Feuerung 12 produzierte Rauchgase werden aus der Feuerung 12 durch einen Rauchgaskanal 32, einen Entstauber 34 und einen Schornstein 36 in die Atmosphäre geleitet. Der Rauchgaskanal 32 umfasst einen Wärmeübertragungsabschnitt 38 und einen Katalysatorabschnitt 40 (mit einem Katalysator, wie er weiter unten ausführlicher besprochen ist), der stromabwärts vom Wärmeübertragungsabschnitt 38 angeordnet ist. Die Verbrennung des Brennstoffs in der Feuerung 12 wird bevorzugt mit relativ geringer Überschussluft, etwa 10–20% durchgeführt. Unter diesen Betriebsverhältnissen ist die NOx-Menge am Feuerungsaustritt klein, normalerweise unter 90 ppm. Gleichzeitig steigt die Konzentration von CO im Rauchgas auf ein höheres Niveau als normal. Durch das niedrige NOx-Niveau hat der Katalysator im Katalysatorabschnitt 40 eine relativ geringe Größe.

Der vorliegenden Erfindung zufolge wirkt CO auf dem Katalysator im Katalysatorabschnitt 40 als Reduktant, das NOx im Rauchgas zu N2 reduziert. Gleichzeitig oxydiert CO zu CO2. Material, Größe, Geometrie und Arbeitstemperatur des Katalysators im Katalysatorabschnitt 40 werden so gewählt, dass das meiste oder bevorzugt all NOx im Rauchgas dem Katalysator reduziert wird. Jedes überschüssige CO im Rauchgas wird durch den Überschusssauerstoff im Rauchgas auf der Oberfläche des Katalysators bevorzugt zu CO2 oxydiert. Beispielsweise kann der Katalysator entweder aus Platin oder Palladium zusammen mit Rhodium auf einem Keramik- oder Metallsubstrat bestehen. Andere Möglichkeiten für das Katalysatormaterial umfassen Oxide von Grund-Übergangsmetallen wie Eisen, Nickel, Aluminium, Kobalt oder Kupfer, oder eine Mischung dieser Oxide.

Bevorzugt umfasst der Kessel Wärmeübertragungsflächen wie Überhitzen 42 und Vorwärmer 44 im Rauchgaskanal stromaufwärts vom Katalysatorabschnitt 40. Durch die Wärmeübertragungsflächen 42, 44 kann die Temperatur des Rauchgases auf den optimalen Betriebsbereich des Katalysators eingestellt werden. Der Katalysator wird bevorzugt bei einer Temperatur von ungefähr 130°C bis ungefähr 800°C, am bevorzugtesten ungefähr 200°C bis ungefähr 500°C betrieben. Im Rauchgaskanal 32 stromabwärts vom Katalysatorabschnitt 40 ist ein Luftvorwärmer 46 sein zur Heizung der Luft im Luftkanal 48 angeordnet.

Wie aus 2 zu ersehen ist, ist der Kessel mit Mitteln zur Nutzung der integrierten NOx-Kontrolle gemäß der vorliegenden Erfindung sehr einfach. Der einzige bedeutende Unterschied zu einem konventionellen Kessel mit einer SCR-Einheit ist, dass der vorliegende Kessel keine Mittel zur Handhabung und Einspritzung eines externen NOx-Reduktionsmittels enthält. Der vorliegenden Erfindung zufolge wird die CO-Konzentration im Rauchgas so eingestellt, dass das CO das meiste oder all NOx im Rauchgas im Katalysatorabschnitt 40 reduziert.

Die CO-Konzentration des Rauchgases wird bevorzugt eingestellt, indem ein passendes Überschussluft-Niveau in der Feuerung 12 benutzt wird. Die Kesselkonstruktion kann auch kleine Modifikationen aufweisen, z. B. bestimmte örtliche Temperaturen in der Feuerung 12 oder Modifikationen der Verbrennungszone oder Brennerkonstruktion, um das CO/NOx-Verhältnis am Feuerungsaustritt zu kontrollieren. Generell unterscheidet sich jedoch der Kessel selbst nicht wesentlich von einem konventionellen Kessel.

Ein bedeutender Vorteil des vorliegenden Systems besteht darin, dass Ammoniak durch CO bei der katalytischen Reduktion von NOx ersetzt wird. Somit ist der katalytische Abschnitt im Wesentlichen eine ammoniakfreie SCR. Die Kapital- und Betriebskosten und mit der Verwendung von Ammoniak verbundenen Sicherheitsrisiken werden vermieden. Das Reduktant wird inherent während des Verbrennungsprozesses im Kessel ohne zusätzliche Kosten und ohne externe Handhabung erzeugt. All die mit der Handhabung und Einspritzung von Ammoniak verbundene Ausrüstung, etwa Lagerbehälter, Pumpen und Durchflussmessung, Verdampfung, Verteilung und Einspritzung, ist eliminiert.

Eine entscheidende Anforderung an konventionelle SCRs in Hinsicht auf effektive NOx-Reduktion und Ammoniakschlupf-Kontrolle ist eine gleichmäßige Vermischung von NH3 mit dem Rauchgas. Diese Anforderung führt zu einer teuren Ausrüstung, die ein Ammoniak-Spritzgitter, Strömungsmischer, mehrere umlaufende Schaufeln und ein Strömungsgleichrichter-Gitter umfasst. Solche Ausrüstung wird beim vorliegenden System nicht gebraucht, weil das den Katalysatorabschnitt 40 erreichende Reduktant (CO) im Rauchgaskanal 32 bereits gleichmäßig verteilt ist, im Besonderen beim Durchfließen von Wärmetauschbatterien, d. h. Überhitzen 42 und Vorwärmen 44 im Rauchgaskanal 32.

Weiterhin werden durch das vorliegende System stromabwärts vorhandene Probleme eliminiert, die mit konventionellen SCRs verbunden sind, etwa Ammoniakschlupf und die Bildung von Ammoniakbisulfat, die Verschmutzung und Korrosion des Luftvorwärmerflächen 46 verursachen können, besonders, wenn Brennstoffe mit hohem Schwefelgehalt verteuert werden.

Die Funktion des Kessels gemäß unserer Erfindung unterscheidet sich von der eines konventionellen Kessels darin, dass sie durch Einstellung der Überschussluft die Nutzung des vollen Potenzials der NOx-Kontrolle ermöglicht. Somit unterbricht das vorliegende Verfahren die konventionelle Beziehung zwischen NOx- und CO-Verhalten der Feuerung. Durch Verwendung des CO als Reduktant kehrt dieses Konzept tatsächlich die CO/NOx-Beziehung von entgegenwirkend zu unterstützend um.

Das vorliegende Konzept sieht ein wirtschaftliches System fürs Erreichen eines niedrigen Feuerungsaustritts-NOx und einer hohen katalytischen Back-End-NOx-Reduktion vor, ohne erhöhte CO- oder NH3-Emissionen oder einen reduzierten Kesselwirkungsgrad zu verursachen. Die vorliegende Erfindung lässt sich auf PC-Kessel, CFB-Kessel und andere Feuerungen anwenden, die zur Verfeuerung von festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen eingesetzt werden. Die Erfindung kann auch auf Kessel angewandt werden, die flüssige oder gasförmige kohlenstoffhaltige Brennstoffe verbrennen.

Während die Erfindung hier beispielhaft im Zusammenhang mit dem beschrieben wurde, was derzeit für die bevorzugtesten Ausführungsformen gehalten wird, sollte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern verschiedene Kombinationen oder Modifikationen ihrer Merkmale und mehrere andere Anwendungen umfassen soll, die vom Schutzumfang der Erfindung gedeckt werden, wie er in den beigefügten Ansprüchen festgelegt ist.


Anspruch[de]
Verfahren zur Kontrolle von NOx-Emissionen aus einem Kessel, der kohlenstoffhaltige Brennstoffe verfeuert, welches Verfahren folgende Schritte umfasst:

(a) Einführen von kohlenstoffhaltigem Brennstoff und Verbrennungsluft in eine Feuerung des Kessels zur Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs unter oxydierenden Verhältnissen und Erzeugung von Rauchgas, das NOx und CO enthält; und

(b) Leiten des Rauchgases von der Feuerung zu einem Katalysatorabschnitt in einem Rauchgaskanal, um, frei von der Einführung eines externen Mittels für NOx-Reduktion, NOx zu N2 und CO zu CO2 auf einem Katalysator im Katalysatorabschnitt zu konvertieren, wobei Schritt (a) des Weiteren das Einstellen der Betriebsverhältnisse in der Feuerung umfasst, um die Molarkonzentration von NOx zu reduzieren und die Molarkonzentration von CO am Feuerungsaustritt zu steigern, so dass die Molarkonzentration von CO am Feuerungsaustritt zumindest 70% der Molarkonzentration von NOx ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Molarkonzentrationen von CO und NOx am Feuerungsaustritt über 0,7 ist. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verhältnis der Molarkonzentrationen von CO und NOx am Feuerungsaustritt ungefähr 1 bis ungefähr 3 ist. Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren das Kontrollieren der Betriebsverhältnisse in der Feuerung durch Einstellung der Menge von Verbrennungsluft umfasst, die in die Feuerung eingeführt wird. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Menge der in die Feuerung eingeführten Verbrennungsluft auf solche Weise kontrolliert wird, dass der Feuerungs-Luftüberschuss ungefähr 10% bis ungefähr 20% beträgt. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Feuerungs-Luftüberschuss ungefähr 13% bis ungefähr 20% beträgt. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Feuerungs-Luftüberschuss unter 10% liegt. Verfahren nach Anspruch 7, wobei es sich beim Brennstoff um flüssigen oder gasförmigen Brennstoff handelt, und der Feuerungs-Luftüberschuss unter 5% beträgt. Verfahren nach Anspruch 8, wobei es sich beim Brennstoff um Heizöl oder Erdgas handelt. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aktiven Materialien des Katalysators aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Platin, Palladium, Rhodium und Oxiden von Grund-Übergangsmetallen und deren Mischungen besteht. System zur Kontrolle von NOx Emissionen aus einem Kessel (10), der kohlenstoffhaltige Brennstoffe verteuert, das System bestehend aus:

einer Feuerung (12) mit Mitteln (18, 20, 22, 24) zur Einführung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff und Verbrennungsluft in die Feuerung zur Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs unter oxydierenden Verhältnissen und Erzeugung von NOx und CO2 enthaltendem Rauchgas:

einem Rauchgaskanal (32) zur Leitung des Rauchgases aus der Feuerung in die Atmosphäre; und

einem Katalysatorabschnitt (40) im Rauchgaskanal (32) mit einem Katalysator fürs Konvertieren von NOx zu N2 und CO zu CO2, wobei der Rauchgaskanal (32) keine Mittel zur Einspritzung eines externen NOx-Reduktionsmittels umfasst,

wobei die Mittel (18, 20, 22, 24) zur Einführung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff und Verbrennungsluft in die Feuerung eine Molarkonzentration von CO am Feuerungsaustritt von zumindest 70% der Molarkonzentration von NOx zulassen.
System nach Patentanspruch 11, wobei die aktiven Materialien des Katalysators aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Platin, Palladium, Rhodium und Oxiden von Grund-Übergangsmetallen und deren Mischungen besteht. System nach Patentanspruch 11, wobei der Katalysatorabschnitt (40) in einer Position des Rauchgaskanals (32) angeordnet ist, wo die Temperatur des Rauchgases unter normalen Betriebsverhältnissen ungefähr 130°C bis ungefähr 800°C ist. System nach Patentanspruch 13, wobei der Katalysatorabschnitt (40) in einer Position des Rauchgaskanals (32) angeordnet ist, wo die Temperatur des Rauchgases unter normalen Betriebsverhältnissen ungefähr 200°C bis ungefähr 500°C ist. System nach Patentanspruch 12, wobei die aktiven Materialien des Katalysators auf ein keramisches Substrat aufgetragen werden, das entweder in Bienenwaben- oder Plattenformen extrudiert ist. System nach Patentanspruch 12, wobei der Katalysator in körniger oder Pelletform in einer Festkörperschüttung vorliegt, die im Rauchgaskanal angeordnet ist. System nach Patentanspruch 12, wobei der Katalysator in einer pulverigen oder körnigen Form vorliegt, die direkt in den Rauchgaskanal (32) eingespritzt werden kann. System nach Patentanspruch 17, das des Weiteren einen Entstauben (34) mit einem Staubkuchen als Festbett für die NOx-Reduktion umfasst, wobei sich der Katalysator auf dem Staubkuchen ansammelt.






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