Verfahren zur Minimierung des NO _x -Gehaltes in Rauchgasen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsöfen für Verbrennungsgüter wie Klärschlamm, Müll oder Kohle, bei dem das Verbrennungsgut in einer Brennzone des Ofens verbrannt wird und die entstehenden Rauchgase über einen Freiraum, der sich über der Brennzone befindet, abgezogen werden.

Ein Freiraum ist dabei ein Raum mit stark Verminderter Verbrennung. Er dient der Trennung von Rauchgasen und Staub sowie einer geringfügigen Nachverbrennung von CO und organischem Kohlenstoff und wird auch als Beruhigungsraum bezeichnet.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 3703568 A1 bekannt. In dieser Schrift wird ein Verfahren zum Betrieb von Wirbelschichtöfen offenbart, bei dem beispielsweise Klärschlamm in einer Wirbelschicht, die sich in der Brennzone des Wirbelschichtofens befindet, verbrannt wird. Die Wirbelschicht wird bei diesem Verfahren dadurch erzeugt, daß als Wirbelluft eine Gemisch aus Verbrennungsluft und Rauchgasen verwendet wird, wobei die Rauchgase temperatur- und mengengeregelt der Verbrennungsluft zugemischt werden. Mit diesem Verfahren läßt sich die NO _x - Konzentration im Rauchgas reduzieren. Dennoch verbleibt ein Rest an NO _x im Rauchgas und daher ist es im Rahmen des Umweltschutzes, speziell der Luftreinhaltung wünschenswert, die Emissionen an NO _x weiter zu senken.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, den NO _x -Gehalt in Rauchgasen weiter zu senken.

Es wurde nun beim Betrieb einer Klärschlamm-Verbrennungsanlage überraschend

gefunden, daß sich der NO _x -Gehalt weiter senken läßt ohne daß sich dadurch das Verhalten der Verbrennungsanlage nachteilig ändert, wenn die Rauchgase im Freiraum über der Brennzone in turbulente Bewegung versetzt werden, ohne daß dadurch die Turbulenz in der Brennzone wesentlich erhöht wird. Dies überrascht um so mehr, als die Rauchgase im Freiraum über der Brennzone üblicherweise in laminarer Strömung gehalten werden sollen, damit möglichst wenig grobe Staub¬ oder Rußteilchen aus der Brennzone mit ausgetragen werden.

Die vorliegende Aufgabe wird also durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Rauchgase in dem Freiraum in eine turbulente Bewegung versetzt werden, ohne daß dadurch die Turbulenz in der Brennzone wesentlich erhöht wird.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsöfen für Verbrennungsgüter wie Klärschlamm, Müll oder Kohle, bei dem das Verbrennungsgut in einer Brennzone des Ofens verbrannt wird und die entstehenden Rauchgase über einen Freiraum, der sich über der Brennzone befindet, abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase in dem Freiraum in eine turbulente Bewegung versetzt werden, ohne daß dadurch die Turbulenz in der Brennzone wesentlich erhöht wird.

Die Verbrennung selbst kann dabei einstufig oder zweistufig gemäß DE 3703568 erfolgen. Als Verbrennungsöfen können u.a. Wirbelschichtöfen, die in der Brennzone eine Wirbelschicht aufweisen, Etagenöfen oder Rostöfen verwendet werden. Das Verfahren eignet sich vorzugsweise zur Verbrennung von Klärschlamm, da dieser infolge seines Eiweißgehaltes bei der Verbrennung relativ viel NO _χ erwarten läßt. Die turbulente Bewegung der Rauchgase erzeugt man vorteilhafterweise durch Eindüsen von Gas, bevorzugt von Inertgas oder Edelgas, besonders bevorzugt durch Eindüsen von Wasserdampf oder Stickstoff. Zum Eindüsen eignen sich aber auch Flüssigkeiten oder Feststoffe. Die Eindüsung erfolgt vorteilhafterweise in den Freiraum über der Brennzone, und zwar so, daß

die Turbulenz in der Brennzone bzw. Wirbelschicht nicht wesentlich, vorzugsweise nicht erhöht wird. Das Verfahren eignet sich besonders für Verbrennungsöfen mit Brennzonenflächen größer als 5, bevorzugt 40, besonders bevorzugt 100 und ganz besonders bevorzugt 200 m ² .

Gegenstand der Erfindung ist außerdem Verbrennungsofen, der eine Brennzone und einen Freiraum über der Brennzone aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsofen Mittel aufweist, durch die die Rauchgase im Freiraum in turbulente Bewegung versetzt werden können, ohne daß dadurch die Turbulenz in der Brennzone wesentlich erhöht wird. Das kann ein Wirbelschichtofen sein, der im Freiraum über der Wirbelschicht Düsen und/oder Strömungsstörer aufweist. Als Strömungsstörer eignen sich beispielsweise Leitbleche. Es kommen aber auch Rohre, die zur Dampferzeugung eingebaut sind, in Frage.

Das erfindungsgemäße Verfahrens bietet im wesentlichen folgende Vorteile:

NO _χ -Minimierung durch vergleichsweise einfache Maßnahmen. In Kombination mit der zweistufigen Verbrennung entfallen Sekundärmaßnahmen wie beim SNCR- oder SCR-Verfahren (Selective (Non-)Catalytic Reduction). Als Reduktionsmittel wirkt möglicherweise das bei der Verbrennung entstehende CO, weshalb es günstig erscheint, die CO-Bildung in der Wirbelschicht nicht zu vermindern. Beim SNCR- oder SCR-Verfahren wird ein Reduktionsmittel zusätzlich zugegeben.

Entfall der Nachteile des SNCR- bzw SCR-Verfahrens: u.a. NH ₃ -Schlupf, Korrosion in der Anlage und Wiederauf heizung der Rauchgase (SCR-Verfahren).

Reduzierung von Betriebskosten durch Einsparung von Reduktionsmitteln.

Weitergehende Senkung der NO _x - und org. C-Frachten im Rauchgas. Verbesserung des Ausbrandverhaltens der Flugasche.

Erhöhung der Konstanz der Verbrennungsbedingungen durch besseres Regelverhalten des Wirbelschichtofens.

Im Gegensatz zur Dampfdruckzerstäubung {wie z. B. Eindüsung von Heizöl) und bei einigen SNCR-Verfahren, bei welchen die Eindüsung von Wasserdampf in das Rauchgas lediglich die Funktion der Zerstäubung eines im Rauchgas zu verteilenden Mediums ausübt, wird im erfindungsgemäßen Verfahren der reine Wasserdampf zur Erhöhung der Turbulenz der Rauchgase eingedüst und dadurch auch die Quervermischung der Rauchgase verbessert.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch für Verbrennungsöfen mit niedriger Wärmeleistung bis hinab zu 2000, auch 1000 und sogar 500 kJ/(kg Brennstoff).

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahme erklärt sich vermutlich folgendermaßen.

Der im Klärschlamm enthaltene Stickstoff wird in der Wirbelschicht im wesentlichen zu NH ₃ , N ₂ und zu einem geringen Anteil zu Brennstoff-NO _x umgewandelt. Der N0 ₂ -Anteil von Gesamtstickstoff beträgt ca. 5%. Durch Minimierung des 0 ₂ -Angebotes bei der Klärschlammverbrennung wird die Brennstoff NO-Bildung weitgehend unterdrückt, während die CO-Bildung begünstigt wird.

Im Freiraum über der Wirbelschicht wird das bei der Klärschlammverbrennung gebildete NO _x vermutlich durch Anwesenheit von C, CO und NH ₃ unter der katalytischen Wirkung der Asche zu N ₂ reduziert. Die Reduktion von NO _x ließe sich demnach durch folgende Maßnahmen verbessern:

Erhöhung der Konzentration eines Reduktionsmittels im Rauchgas (z. B. Erhöhung der CO-Konzentration), Erhöhung der Verweilzeit,

Verbesserung der Turbulenz und der Reaktionsgeschwindigkeit

Die Eindüsung von Wasserdampf in den Freiraum über der Wirbelschicht führt vermutlich infolge verbesserter Turbulenz und Quervermischung zu ausgeglichenen Konzentrations- und Temperaturgradienten im Rauchgas. Damit wird die Reduktion von NO _x zu N ₂ deutlich verbessert. Ohne die Eindüsung liegen im Freiraum über der Brennzone laminare Strömungsverhältnisse vor, so daß die NO _x -Reduktion unvollständiger abläuft. Würde man in die Wirbelschicht eindüsen und dadurch - oder auch durch andere Maßnahmen - die Turbulenz und Verbrennung in der Wirbelschicht erhöhen, würde in der Wirbelschicht weniger CO entstehen, welches im Freiraum die Reduktion des NO _x unterstützt.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Wirbelschichtofen anhand der Figur 1 in beispielhafter Ausführung näher erläutert. Eine Beschränkung der Erfindung in irgendeiner Weise ist dadurch nicht beabsichtigt.

In einem zweistufig konzipierten Wirbelschichtofen 1 mit einer Brennzone 2, in der sich die Wirbelschicht 1 1 befindet, wird industrieller Klärschlamm 3 verbrannt. Die Brennzone 2 mit der Wirbelschicht 1 1 befindet sich oberhalb eines Anströmbodens 9, durch den Verbrennungsluft 7 über eine nicht gezeichnete Luftverteilereinrichtung in die Wirbelschicht 1 1 eingeleitet wird. Hierbei erfolgt in einer ersten Verbrennungsstufe die Verbrennung des Klärschlammes 3 in der Wirbelschicht 1 1 zur Verminderung der Brennstoff-NO _x -Bildung bei 0 ₂ -Gehalten in der Verbrennungsluft 7 (Primärluft) von ca. 1 Vol.-%. Die entstehenden Rauchgase 1 2 gelangen in einen Freiraum 4 über der Wirbelschicht und werden über diesen Freiraum 4 abgezogen und einer zweiten Verbrennungsstufe zugeleitet. In dieser zweiten Verbrennungsstufe, der Nachreaktionszone 6, wird das durch die reduzierenden Verbrennungsbedingungen entstandene CO durch Einspeisung von Sekundärluft 8 zu C0 ₂ nachverbrannt (0 ₂ -Gehalte in der Nachreaktionszone > 6 Vol.-%). Die erfindungsgemäße Eindüsung von

Wasserdampf 10 erfolgt über eine oder mehrere Düsen 5 direkt in den Freiraum 4. Die Turbulenz der Wirbelschicht 1 1 wird durch diese Eindüsung nicht bzw nur wenig beeinflußt.

Die Zugabe des Klärschlammes 3 erfolgt vorzugsweise von oben, aus einer Höhe, die gewährleistet, daß der Klärschlamm 3 während des Herunterfallens durch die heißen Rauchgase 4 in die Wirbelschicht 1 1 noch getrocknet wird.

Die vorteilhafte Wirkung belegt der nachfolgend beschriebene Betriebsversuch.

In einer industriellen Großanlage entsprechend der Figur 1 wurde Klärschlamm unter folgenden Bedingungen verbrannt:

Klärschlamm-Eintragsmβnge: ca. 10 t/h (40% Trockensubstanz) Rauchgasmenge: ca. 45000 Nm ³ /h (feucht), ca. 35000 Nm ³ /h (trocken)

Wirbelschichttemperatur: 750 - 850 °C

Temp. im Freiraum: 900 - 1000 °C

Temp. in der Nachreaktionszone: 860 - 900 °C

Wirbelgasmenge (Primärluft): ca. 20000 Nm ³ /h

NO _x -Konzentration im Freiraum: ca. 3000 mg/Nm ³

CO-Konzentration: ca. 0,5 Vol-%

Wassergehalt im Rauchgas: ca. 30 Vol.-%

Fläche des Anströmbodens: 1 6,6 m ²

Wirbelschichtofen-Durchmesser: 5,65 m

Wirbelschichtofen-Höhe: 10,6 m

Im Rahmen eines Betriebsversuches wird in den Freiraum über der Wirbelschicht ca. 500 Nm ³ /h überhitzter Wasserdampf (4,2 bar _abs ) eingedüst und die NO _x Konzentration gemessen und aufgezeichnet. Das Ergebnis ist in dem Diagramm der Fig. 2 dargestellt, in dem die NO _x Konzentration vor, während und nach der Dampfeindüsung im Verlauf der Zeit (min) wiedergegeben ist. Kurz nach der

Dampfeindüsung fällt die N0 _X Konzentration von ca. 220 auf 100 mg/m ³ , um nach der Abschaltung der Eindüsung wieder auf den ursprünglichen Wert anzusteigen. Mit im Diagramm der Fig. 2 eingezeichnet ist außerdem noch die 0 ₂ Konzentration, die während des Versuches bei ca. 0,5 Vol.-% lag.