專(zhuān)利名稱(chēng)：兩階段燃燒工藝中減少一次側(cè)氧化氮的方法
兩階段燃燒工藝中減少 一 次側(cè)氧化氮的方法 本發(fā)明涉及權(quán)利要求1的用于減少兩階段燃燒工藝中廢氣中 一次側(cè)
氧化氮(NOx)形成并同時(shí)避免廢氣中氧化二氮(N20)和氨-逸出(NH3)的 方法，該兩步工藝包括由含氧的一次氣體(Primargas)流過(guò)的固定床燒盡 區(qū)(Festbettausbrandzone )和下游連接的另外引入含氧的二次氣體 (Sekundargas)的廢氣燒盡區(qū)(Abgasausbrandzone)。本發(fā)明還用于通過(guò) 減少爐蓖灰中氯化物濃度來(lái)改進(jìn)爐渣品質(zhì)。
特別是在爐篦式燃燒裝置的燃燒工藝中，因?yàn)橄鄬?duì)低的溫度水平， 由空氣氮產(chǎn)生的熱氧化氮形成(NOx形成)不能忽略不計(jì)。在該燃燒裝 置的含氮燃料的燃燒中，氧化氮主要由含于燃料中的氮形成。
固態(tài)燃料如廢物、生物質(zhì)或碳在燃燒爐篦上的燃燒可以理想地分成 依序運(yùn)行的子工藝即干燥、干餾(Entgasung)和固定的碳的燒盡
(Abbrand)。在工業(yè)化的爐蓖式燃燒裝置中這些子工藝是重疊的。在 干餾期間除烴之外還向廢氣中釋放出主要由燃料氮形成的含氮化合物， 特別是NH3(氨)和HCN(氬氰酸)。特別是在燃燒裝置的主燃燒區(qū)范圍中 爐篦緊上方的廢氣中的烴濃度是如此之高，以致在那里局部經(jīng)一次空氣 輸入的氧量不足以產(chǎn)生完全的廢氣燃燒。由燃燒床排出的廢氣在該區(qū)中 有高的廢氣溫度，并且實(shí)際上是無(wú)氧的。在此條件下經(jīng)氣化反應(yīng)形成一 氧化碳(CO)和氫(H2)。因此在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)最高濃度的高熱值的廢氣成分
(例如烴、 一氧化碳或氫氣)以及主要由燃料氮形成的含氮物質(zhì)即主要 是NH"氨)和HCN(氫氰酸)和非常少量的含氮有機(jī)化合物如吡啶和苯 胺。
在前述的由于缺氧引起的不完全燃燒情況下，通常通過(guò)將二次空氣 加到仍為高熱值的廢氣中以進(jìn)行后燃燒。這時(shí)導(dǎo)致局部非常高的溫度峰 值，在廢氣燃燒時(shí)的氧化條件下，開(kāi)頭所述的NH3化合物和HCN化合 物通過(guò)復(fù)雜反應(yīng)最終形成NO或N2。目的是以此方式改進(jìn)此工藝的控制， 使一次含氮物質(zhì)NH3(氨)和HCN完全分解，并形成作為最終產(chǎn)物的優(yōu)選 為N2，負(fù)擔(dān)為形成氧化氮，同時(shí)避免N20的形成。中公開(kāi)了在固體燃燒時(shí)燃燒速度與 一次空氣量的關(guān)系。依燃料特 性特別是熱值，該燃燒速度在特定一次空氣量下具有最大值。相反，超
過(guò)該最大值后 一次空氣量的繼續(xù)增加會(huì)冷卻燃燒床。由冷卻引起的減少 或延緩燃料中的揮發(fā)成分的釋放以及由引入的一次空氣引起的燃燒氣
體的稀釋導(dǎo)致局部釋放的降低，并由此導(dǎo)致烴、CO和H2濃度的降低。 [2]和[3]中公開(kāi)了這些措施以及附加證據(jù)，即高的 一 次空氣加入和同
時(shí)低的二次空氣加入(一次空氣和二次空氣的總和恒定)原則上導(dǎo)致燃燒
廢氣中的低NO值。
為減少?gòu)U物燃燒裝置中的PCDD/F的形成，在[4]中建議噴入水。設(shè)
想其優(yōu)點(diǎn)是由于通過(guò)水噴入引起的溫度降低而減少了 NOx的形成。在[4]
中所列出的廢氣溫度均與進(jìn)入廢氣燒盡區(qū)前的區(qū)域有關(guān)，并為800至
95(TC或970。C。但遺憾的是未給出詳細(xì)的NOx值和NOx的減少率。也
未給出其它含氮有害物質(zhì)特別是N20和NH3的數(shù)據(jù)。
但離開(kāi)廢氣燒盡區(qū)(二次燃燒區(qū))后的廢氣溫度下降到低于95(TC會(huì)
導(dǎo)致一次形成的NH3(氨)的不完全分解，并另外導(dǎo)致N20(笑氣)的形成，
如果其未在附加方法步驟例如用催化劑處理，則會(huì)作為強(qiáng)烈的溫室氣體
排入大氣中。
4旦在[4]中所述的通過(guò)加水使溫度降至800-950。C也會(huì)在下游連接的 熱量利用裝置(例如用于加熱鍋爐)中導(dǎo)致效率下降。
通過(guò)使燃料濕化而達(dá)到同一效果也導(dǎo)致燃料-熱值的下降。在小的一 次空氣量的情況下也已超過(guò)燃燒速度的最大值。該固體燃燒在長(zhǎng)的爐篦 范圍上延伸，由此氣體熱值以及進(jìn)入廢氣燒盡區(qū)前的廢氣溫度調(diào)節(jié)為低 水平。同時(shí)也出現(xiàn)前面所述的效應(yīng)。
由此本發(fā)明的目的是提供一種既簡(jiǎn)單又能可靠控制方法，用于在工 業(yè)燃燒裝置如具有顯著提高效率的爐篦式燃燒裝置中減少一次側(cè)的含 氮有害物質(zhì)特別是氧化氮的形成。在此特別重要的是通過(guò)該方法不形成
其它有害物質(zhì)如N20和避免NH3逸出和/或不明顯降低燃燒廢氣焓的有 效利用以及不降低爐渣的品質(zhì)。
該目的由具有權(quán)利要求1的特征的方法實(shí)現(xiàn)。該方法的有利改進(jìn)方 案列于從屬權(quán)利要求中。
為實(shí)現(xiàn)該目的，提供一種在兩階段燃燒工藝中減少?gòu)U氣排放中一次 側(cè)的氧化氮形成的方法，即具有固定床燒盡區(qū)和下游連接的廢氣燒盡 區(qū)。在此該固態(tài)燃料的實(shí)際燃燒在固定床燒盡區(qū)進(jìn)行，而在廢氣燒盡區(qū) 進(jìn)行未完全燃燒的廢氣成分的后燃燒。在此類(lèi)燃燒工藝中通常向固定床
燒盡區(qū)中供入含氧的一次氣體和向廢氣燒盡區(qū)中供入用于后燃燒的同 樣含氧的二次氣體。
本發(fā)明中重要的是有針對(duì)性地降低進(jìn)入廢氣燃料區(qū)前的燃燒氣體
的熱值，特別是以這樣的方式使得由此實(shí)現(xiàn)明顯減少氧化氮的形成， 但另一方面該廢氣溫度即使是局部也不會(huì)同時(shí)下降到引發(fā)有害物質(zhì)如 N20的形成和NH3的不完全分解的程度。為此準(zhǔn)確保持該廢氣的某種狀 態(tài)是絕對(duì)需要的。 一方面為了限制氧化氮形成，廢氣或僅其一部分不得 超過(guò)某極限熱值，即優(yōu)選不超過(guò)1.5MJ/m3，更優(yōu)選不超過(guò)1.0MJ/m3, 另一方面直到離開(kāi)廢氣燒盡區(qū)后的該廢氣溫度不得降低到低于1000°C, 優(yōu)選不得低于980°C,更優(yōu)選不得低于950。C,也即為了在整體上而且 在特定范圍內(nèi)限制含氮有害物質(zhì)特別是N20和NH3。這樣非常重要的 是，不僅通過(guò)合適的措施針對(duì)性地控制或調(diào)節(jié)了廢氣的熱值和溫度，而 且也通過(guò)該措施有目的地達(dá)到均勻化。
一種可能性是在廢氣燒盡區(qū)前噴入氣-水混合物。由此導(dǎo)致緊接固定 床燃燒后(在燃燒床上)的廢氣有目的的熱值降低，并同時(shí)使燃燒床和廢 氣燒盡區(qū)之間的氣體均勻化，即不降低固態(tài)燃料本身的熱值。噴入優(yōu)選 通過(guò)自由射束(Freistrahl)進(jìn)行，所述自由射束的特征是一方面較小的 體積流量和另 一方面高的速度。
是對(duì)固態(tài)燃料本身起作用，也即不僅:熱值降低，而i使熱值均勻化。、 在燃燒床緊上方區(qū)域的廢氣的高熱值與大量氧化氮形成相關(guān)聯(lián)。高 熱值的廢氣成分CnHm(烴)、CO和H2的軸向濃度分布的最大值和該最大 值的寬分布即在爐篦長(zhǎng)度上的高的整體平均值引起所述高的NO形成速 率。因此本發(fā)明描述了一種合適的技術(shù)措施，以降低并均勻化廢氣燃燒 前的該廢氣的熱值，由此大大縮小分布的最大值和寬度從而使NO-形成 最小化。
如果在爐篦式燃燒裝置中進(jìn)行燃燒工藝，則燃料在作為燃燒床的爐 篦上連續(xù)通過(guò)分成各個(gè)先后設(shè)置的總體固定床燒盡區(qū)。燃料最先通過(guò)的 固定床區(qū)提供爐篦的前一半，而繼續(xù)燃燒的燃料被輸送到爐篦后 一半的 后續(xù)固定床區(qū)，并從那里輸送到固態(tài)燃燒殘?jiān)某隹?。其中該固定床?盡區(qū)設(shè)置在燃燒室中，每個(gè)燃燒床區(qū)均配置有單獨(dú)的一次氣體的輸入。
出中進(jìn)行。水-氣體混合物的噴入以自由射束直接噴入進(jìn)入燃燒室(即在 廢氣燒盡區(qū)之前)的燃燒床表面上方的燃燒氣體中，該射束呈軸向穿過(guò) 所有燃燒床區(qū)，并就在形成后包容和混合燃燒氣體。
原則上所有由水或水性溶液與氣體組成的混合物如水-空氣混合物、 水-廢氣混合物或水-水蒸氣混合物均可用作水的-氣混合物。本發(fā)明范圍 中的水性溶液也可含來(lái)自其它凈化措施(如來(lái)自?xún)艋赐科?的再循環(huán)的
溶解的有害物質(zhì)。
水_氣體混合物可連續(xù)或脈沖式噴入，并具有高的速度或脈沖強(qiáng)度，
以致該射束呈軸向穿過(guò)橫貫全部爐乾區(qū)的燃燒床表面上方的氣體室。為
產(chǎn)生射束使用雙物質(zhì)噴嘴，射束角小于15。，優(yōu)選3-10°。
原則上也可將水部分或氣體部分分別經(jīng)各自的單物質(zhì)噴嘴噴入，這 時(shí)鑒于上述的燃燒氣體均勻化，要通過(guò)相應(yīng)的噴入設(shè)計(jì)以確保該兩種單 物質(zhì)射束相互相遇和混合及其與燃燒室中的燃燒氣體的相遇和混合。
經(jīng)射束噴入的水-氣體混合物中的氣體部分應(yīng)不超過(guò)引入的主要由 一次空氣流和二次空氣流組合的總?cè)紵諝饬康?0%。更高的份額例如 可引發(fā)進(jìn)入廢氣的粉塵釋出率升高。該原則限制也適用于引入的水性部 分質(zhì)量流量。質(zhì)量流量越大，那么燃燒氣體的冷卻越多，并從某一高度 起導(dǎo)致?lián)p害廢氣燃燒或甚至導(dǎo)致其熄滅。由水輸入引起的燃燒氣體冷卻 在產(chǎn)生蒸汽時(shí)通常導(dǎo)致廢氣熱的能量利用率降低，因此要保持燃燒氣體 的冷卻盡可能小。
廢氣燒盡區(qū)的溫度應(yīng)總高于97(TC或在廢氣燒盡區(qū)后高于950°C, 以在燃盡的廢氣中不出現(xiàn)不理想的有害物質(zhì)如溫室氣體N20或初始形
成的,3的逸出。
廢氣燒盡區(qū)后溫度低于950°C,隨溫度的降低會(huì)使N20的濃度呈指 數(shù)地增加。N20是一種強(qiáng)溫室氣體，因此應(yīng)避免。高于950。C也可確保 初始形成的NH3在廢氣燒盡區(qū)中實(shí)際上完全分解。
經(jīng)射束供入的水量?jī)?yōu)選通過(guò)廢氣燒盡區(qū)后的廢氣中的所需NO-濃 度(如法律規(guī)定的限值)，即間接通過(guò)燃燒室中廢氣燒盡區(qū)后的燃燒氣體 (廢氣)的平均溫度，來(lái)決定和調(diào)節(jié)。廢氣燒盡區(qū)后的廢氣中的95(TC最 低溫度限制了上述水的質(zhì)量流量。
用于降低廢氣熱值且同時(shí)確保上述的最低廢氣溫度的其它替換性 或附加的措施包括以如下方式調(diào)節(jié)一次氣體輸入使得在一次燒盡區(qū)中
的燃燒化學(xué)計(jì)算量為0.6-1.2,優(yōu)選小于1.0，更優(yōu)選為0.7-0.9。最低燃 燒空氣量和一次空氣量可由廢氣組成(如C02、 02、 H20)和廢氣量近似計(jì)算。
備選地，另一個(gè)適于上述目的的措施包括在燃燒床中的可針對(duì)性調(diào) 節(jié)和/或控制的輸送速度調(diào)節(jié)裝置，其中在前一半爐篦中的輸送速度比后 一半爐篦中的輸送速度明顯高，優(yōu)選高至少50%，固體(燃料)在爐篦上 的停留時(shí)間的分配使?fàn)t篦灰的燒盡超過(guò)99%。該措施的基本設(shè)想是如此
分布:';以使在每個(gè)燃燒^;區(qū)上的廢氣都有低的熱值。、由:以該措施使高
熱值氣體的釋放在較大爐篦區(qū)域分布，以此明顯降低在燃燒床上方的軸 向廢氣熱值分布的最大值。高熱值氣體釋放的這種空間擴(kuò)展已在帶有一 次空氣輸入的燃料床中改進(jìn)了氣體燃盡，這是因?yàn)樘峁┝擞糜谘趸木?部更多的氧(更大的爐篦區(qū)-爪3空氣/1112爐篦面積=常數(shù))，并由此也使 軸向熱值分布的整體平均值下降。
在所有情況下，在燃燒床表面與二次空氣加入前之間的廢氣的低熱 值(以通流橫截面中廢氣熱值分布的平均值和最大值計(jì))原則上與低NOx 排放值相關(guān)聯(lián)。因此通常力求在二次空氣加入前有低的氣體熱值，單獨(dú) 或彼此組合使用所建議的上述措施確保了燃燒床的低粉塵釋放和優(yōu)質(zhì) 的爐渣燒盡和廢氣燒盡。由此可實(shí)現(xiàn)特別低的NOx排放值且不明顯增加 N20形成，在二次空氣加入時(shí)廢氣燒盡區(qū)中的足夠高的溫度是由無(wú)初始 形成的NH3的逸出造成的。
本發(fā)明和其有利的改進(jìn)方案優(yōu)選滿(mǎn)足下列條件范圍 一次空氣數(shù)(化學(xué)計(jì)算量)調(diào)節(jié)為小于1.0,優(yōu)選0.7-0.9,以實(shí)現(xiàn)低 的粉塵釋放。
如此調(diào)節(jié)二次氣體以使廢氣燒盡區(qū)后與燃料熱值/燃料濕度有關(guān) 的氧過(guò)量保持至少為6%，優(yōu)選約10%。
燃料在爐乾上的總停留時(shí)間如此設(shè)定以確保優(yōu)質(zhì)的爐渣燒盡， 在前一半爐篦中的輸送速度調(diào)節(jié)到大于在后一半爐篦中的輸送速度。
在燃燒室中燃燒氣體的軸向混合優(yōu)選通過(guò)低的水/空氣量實(shí)施，優(yōu) 選借助于雙物質(zhì)噴嘴以細(xì)分散水實(shí)施。由液體/氣體-混合物組成的自由 射束以高脈沖水平軸向穿過(guò)燃燒室(即通常呈水平和經(jīng)全部燃燒床區(qū)延 伸)。由此實(shí)現(xiàn)燃燒室中廢氣的混合和熱值下降。 水-氣體射束的水量依廢氣燒盡區(qū)后或鍋爐后的廢氣中所推算的
優(yōu)選所測(cè)定的N(X濃度來(lái)調(diào)節(jié)。
最大水量由廢氣燒盡區(qū)后的廢氣中所推算的優(yōu)選所測(cè)定的950°C 最低溫度限定。在廢氣燒盡區(qū)前的溫度不得低于970°C。
鍋爐下游連接的熱量利用裝置所需熱量的損失在小的水加入條件 下保持在優(yōu)選小于50 g/Nm3，更優(yōu)選低于30 g/Nm3的限值內(nèi)。
下面將以工作實(shí)施例和下述附圖詳述本發(fā)明。


圖1示出具有4個(gè)燃燒床區(qū)P!-P4的常規(guī)爐篦式燃燒裝置的橫截面，
圖2a-f示出在常規(guī)爐蓖式燃燒裝置的燃燒床上廢氣中的02、 C02、 H20、 CO、有機(jī)碳化合物(有機(jī)碳的總和)和H2的所測(cè)定的軸向濃度分布，
圖3a和b示出在燃燒床中所測(cè)定的氧化氮濃度10與廢氣熱值11 和12(a)和化學(xué)計(jì)算量17(—次空氣數(shù))或爐蓖送進(jìn)速度18(b)的關(guān)系，
圖4示出廢氣中笑氣濃度(N20)19和氧化氮濃度(NO) 10的測(cè)量值 與來(lái)自廢氣燒盡區(qū)的廢氣排出溫度20的關(guān)系，
圖5示出具有四個(gè)燃燒床區(qū)和一個(gè)雙物質(zhì)噴嘴的爐篦式燃燒裝置的 橫截面，
圖6示出在圖5爐篦式燃燒裝置廢氣中于實(shí)驗(yàn)活動(dòng)內(nèi)所測(cè)得的氧化 氮濃度，
圖7a和b示出廢氣中氮濃度和笑氣濃度與廢氣燒盡區(qū)后的廢氣溫 度的關(guān)系，
圖8a-c示出在實(shí)驗(yàn)實(shí)施例4范圍內(nèi)所測(cè)得的氫濃度、氧化氮形成、 笑氣形成的分布以及燃燒床上方溫度分布與時(shí)間的關(guān)系。
圖1所示的常規(guī)爐篦式燃燒裝置主要由在燃燒室3中的爐篦2上的 燃燒床1組成，該燃燒室3具有燃料入口 4，爐渣或其它固態(tài)燃燒產(chǎn)物 的出口 5(參見(jiàn)燃料輸送設(shè)備32)以及下游連接于燃燒室的在廢氣排出中 的廢氣燒盡區(qū)6。該燃燒床1主要由固態(tài)燃料組成。燃燒腔3覆蓋所有 的燃燒床區(qū)PrP4，所述燃燒床區(qū)由燃燒床中的燃料依序通過(guò)，并總是流 過(guò)每個(gè)燃燒床區(qū)的具有單獨(dú)的含氧一次氣體輸入7的爐蓖。P！和P2形成
前一半爐篦，P3和P4形成后一半爐篦。前述的含氧二次氣體噴入9在廢
氣排出中的廢氣燒盡區(qū)6中進(jìn)行。
固態(tài)燃料的燃燒8位置(圖1中僅象征性用火焰表示)主要在燃燒床 P2的區(qū)域，在燃燒床區(qū)PrP4中當(dāng)然具有不同的燃燒狀態(tài)，這特別是由 于燃料的燃燒進(jìn)程和溫度造成的。圖2a-f示例性給出在PrP4燃燒區(qū)繪 制的燃燒床1緊上方的燃燒室3中的廢氣成分即氧02(a)、二氧化碳C02 (b)、水H20(c)、 一氧化碳CO(d)、有機(jī)烴化合物(e)和H2(f)的所測(cè)定 的濃度分布。在燃燒時(shí)導(dǎo)致?lián)]發(fā)性燃料成分特別是烴CnHm (參見(jiàn)圖2e)
的干餾。在主燃燒區(qū)(燃燒床區(qū)P》范圍中的廢氣中的烴濃度是如此之高，
以致局部輸入的氧(圖2a)不足以產(chǎn)生完全的廢氣燃盡。這時(shí)氧濃度也許
會(huì)降低到零。優(yōu)選在這些位置存在最高濃度的高熱值廢氣成分即CnHm、
CO和氫(圖2d, e和f)，并還一起含有初始的含氮物質(zhì)(NH3、 HCN和 少量的含氮烴)。水(圖2c)通過(guò)蒸發(fā)或干燥或通過(guò)烴的部分燃燒形成，優(yōu) 選出現(xiàn)在該區(qū)域并直到主燒盡區(qū)由燃燒床流出，并在下一個(gè)燃燒床區(qū)(P4) 降到最小值。二氧化碳(圖2b)在整個(gè)燃燒床區(qū)中隨燃燒形成，其形成約 與燒盡強(qiáng)度成正比。
圖3a和b給出在各垃圾燃燒-實(shí)驗(yàn)裝置(TAMARA)上測(cè)得的鍋爐后 的廢氣中的氧化氮濃度IO(單位為mg/Nm3,歸一化到11%02)作為與不 同影響因素的函數(shù)的特性曲線(xiàn)圖。在圖3b中的廢氣燒盡區(qū)后(二次空氣 加入后)的廢氣溫度在兩種情況下均調(diào)節(jié)到恒定值即約1050。C士40。C。
基于用不同燃燒參數(shù)如固態(tài)燃料熱值、 一 次空氣數(shù)和爐篦動(dòng)力學(xué)作 的大量實(shí)驗(yàn)，圖3a示出鍋爐后的廢氣中的氧化氮濃度10(單位為mg /Nm3, 11% 02)作為燃燒床上的廢氣熱值的函數(shù)的特性曲線(xiàn)圖，既涉及 平均熱值Hu平均值ll (MJ/m"即在爐篦長(zhǎng)度上的平均值(整體平均值)，也 涉及最大熱值Hu最大值12 (MJ/m3)。所有燃燒參數(shù)均影響燃燒床上方的軸 向氣體熱值分布。最大值和氣體熱值分布的寬度與NOx濃度有關(guān)。在低 平均熱值和低的最大熱值情況下觀察到最低的NO值。因此目的在于用 合適的措施調(diào)節(jié)在燃燒床表面和二次噴入之間的廢氣中的低的氣體熱 值。
圖3b示出鍋爐后的廢氣中的氧化氮濃度10(單位為mg/Nm3, 11% 02)作為化學(xué)計(jì)算量(一次空氣數(shù)17，無(wú)量綱)以及在整個(gè)爐乾區(qū)調(diào)節(jié)成相 同的爐篦送進(jìn)速度18(單位為cm /min)(家庭垃圾Hu 7-8 MJ/kg)的函數(shù)的 特性曲線(xiàn)圖。該特性曲線(xiàn)圖也具有明確的最低氧化氮濃度區(qū)，與圖3a 不同，在所示出的特性曲線(xiàn)圖中的氧化氮濃度的增加不呈線(xiàn)性關(guān)系，而
是接近指數(shù)關(guān)系。隨化學(xué)計(jì)算量不斷增加會(huì)有利地不斷降低氧化氮的形 成。但應(yīng)避免化學(xué)計(jì)算量超過(guò)1.0，這是由于這時(shí)在該區(qū)域進(jìn)入廢氣的 粉塵釋出的不合意增加和與其相關(guān)的鍋爐污染或在除塵器中粉煤灰產(chǎn) 量增加。
圖4示出在燃燒時(shí)產(chǎn)生的笑氣濃度19(N20-形成，單位mg/Nm3, 11% 02)與廢氣燒盡區(qū)后的廢氣溫度20 fC)的關(guān)系。在燒盡區(qū)后低于約 950°C的限值溫度原則上預(yù)計(jì)笑氣濃度明顯上升。在為降低含氮有害物 的排放而降低廢氣熱值時(shí)，將廢氣燒盡區(qū)后的廢氣溫度調(diào)節(jié)高于所述溫 度限值是有效的，以降低含氮化合物的排放和由此不將在廢氣或燃料中 所滯留的高含量的結(jié)合氮轉(zhuǎn)變成增加笑氣排放。
在本發(fā)明范圍內(nèi)，通過(guò)在同時(shí)加入小水滴情況下相應(yīng)調(diào)節(jié)來(lái)自二次 氣體輸入9前的燃燒室3中的各燃燒床區(qū)(爐篦區(qū))P廣P4的空氣分布/爐 篦動(dòng)力學(xué)和廢氣流的軸向混合來(lái)降低廢氣中的氣體熱值。在技術(shù)上可在 圖5的工作實(shí)施例的范圍內(nèi)進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)在下面方面不同于圖1的結(jié)構(gòu) 形式，也即具有射束14的雙物質(zhì)噴嘴13噴入水-氣體混合物。該雙物質(zhì) 噴嘴13位于燃燒室3的背面。射束角優(yōu)選是小的，即小于15°,優(yōu)選小 于10°。在高壓下射入小的空氣量物流(最大為廢氣通過(guò)量的10%，在 燃燒床上方的廢氣通過(guò)量例如為400 Nm3/h時(shí)通常為12-15 Nm3/h)。通 過(guò)由此產(chǎn)生的高脈沖水平(自由射束的質(zhì)量與速度的乘積)，該自由射束 14穿過(guò)燃燒室3,并在二次氣體噴入9的情況下導(dǎo)致來(lái)自廢氣燒盡區(qū)6 前的范圍中的燃燒室內(nèi)的各燃燒床區(qū)或爐蓖區(qū)的高熱值和低熱值氣體 的強(qiáng)烈混合。通過(guò)來(lái)自主燃燒區(qū)的無(wú)氧和高熱值氣體與來(lái)自主燃燒區(qū)前 和后的爐篦區(qū)的高氧和低熱值氣體的混合實(shí)現(xiàn)在廢氣燒盡區(qū)前已將高 熱值氣體成分部分燒盡。該效率與一次空氣數(shù)和混合效率有關(guān)。通過(guò)燒 盡增加了火焰腔的溫度。用雙物質(zhì)噴嘴13可向燃燒8的區(qū)域中再送入 細(xì)霧化的水。由此降低廢氣中的熱值，尤其以理想方式降低小水滴的蒸 發(fā)焓。同時(shí)由此降低廢氣燒盡區(qū)后的溫度。
有效混合聯(lián)合最小的水-氣體混合物加入量物流的工藝是通過(guò)調(diào)節(jié) 一次氣體化學(xué)計(jì)算量、爐篦動(dòng)力學(xué)和雙物質(zhì)噴嘴的定位最優(yōu)化，備選地 也可通過(guò)上述的水和氣體的單噴嘴或多個(gè)各在燃燒室?guī)缀涡螤钌系淖?由射束噴嘴最優(yōu)化。
下面用實(shí)^^實(shí)施例詳述本發(fā)明。
實(shí)-瞼實(shí)施例1:
本實(shí)驗(yàn)實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)用于測(cè)算最佳燃燒參數(shù)。
實(shí)驗(yàn)中在上述垃圾燃燒-實(shí)驗(yàn)裝置TAMARA中燃燒熱值Hu約為7-8 MJ/kg的垃圾。經(jīng)鍋爐后的廢氣中的氧含量恒定約為10體積％(干燥)， 廢氣燒盡區(qū)后的廢氣溫度也恒定為1050-1100°C。 一次空氣的降低通過(guò) 相應(yīng)調(diào)高二次空氣輸入來(lái)補(bǔ)償，后燃燒室后的氧過(guò)量保持恒定。實(shí)驗(yàn)以 三個(gè)不同的爐篦速度進(jìn)行。結(jié)果示于圖3b。
隨一次空氣數(shù)17(化學(xué)計(jì)算量)和/或爐簏送進(jìn)速度18的增加，廢氣 中的氧化氮濃度10下降(見(jiàn)圖3a),但燃燒床上方的燃燒廢氣的熱值也下 降。由此如一次空氣數(shù)進(jìn)一步增加到超過(guò)1.0,特別是在大的爐篦送進(jìn) 速度下不會(huì)進(jìn)一步降低氧化氮形成，但是會(huì)造成不合意的高粉塵釋入廢 氣中。因此應(yīng)避免一次空氣數(shù)超過(guò)1.0。
在全部爐篦區(qū)中的高的爐篦送進(jìn)速度同時(shí)也意味固態(tài)燃料在燃燒 爐篦上的燃燒床中短的停留時(shí)間，由此也會(huì)降低爐渣燃盡品質(zhì)(缺點(diǎn))。
另 一 些實(shí)驗(yàn)表明，有利的低的氧化氮釋放速率特別與前 一 半爐篦中 的爐乾送進(jìn)速度相關(guān)聯(lián)，此時(shí)發(fā)生揮發(fā)性成分和一次含氮化合物NH3 和HCN的釋放。爐蓖末端的爐乾速度對(duì)NOx形成無(wú)影響。后一半爐篦 的爐篦速度特別與爐渣燒盡品質(zhì)相關(guān)聯(lián)。在后 一半爐篦范圍中的燃料隨 爐蓖送進(jìn)速度下降而延長(zhǎng)了增加完全燒盡的時(shí)間，并由此提高了爐渣的 燃盡品質(zhì)。
實(shí)馬全實(shí)施例2:
如第一實(shí)驗(yàn)實(shí)施例，在實(shí)驗(yàn)裝置TAMARA中進(jìn)行燃燒。調(diào)節(jié)燃料 輸入以使固體的可燃份額是恒定的，由此離開(kāi)廢氣燒盡區(qū)后在廢氣中有 恒定的氧份額即11-11.5體積％(干燥)。
在該實(shí)驗(yàn)實(shí)施例范圍內(nèi)將固態(tài)燃料的熱值Hu燃料從12 MJ/kg降到6 MJ/kg是通過(guò)燃料濕化達(dá)到的。恒定輸送可燃成分(恒定的碳輸送)通過(guò) 相應(yīng)地濕度增加提高燃料計(jì)量加入來(lái)補(bǔ)償。 一次空氣數(shù)調(diào)為恒定在約 1.0,在所有燃燒床區(qū)的爐篦送進(jìn)速度也調(diào)到10cm/min。
在垃圾中濕度增加的情況下固體燃燒在爐篦較大區(qū)域中進(jìn)行并依 物流方向推進(jìn)。同時(shí)火焰溫度隨燃料熱值Hu燃料的下降而降低。燃燒床
上方的廢氣的熱值Hu ^平行下降(軸向分布的整體平均值和最大值)。
測(cè)得的離開(kāi)廢氣燒盡區(qū)后的廢氣中的笑氣濃度19 (N20)和氧化氮濃度 10與在相同位置所測(cè)得的廢氣溫度20的關(guān)系示于圖4中。廢氣燒盡區(qū) 后的廢氣的溫度隨水引入的增加而下降。正如所料，這使NOx形成(氧 化氮濃度10)明顯降低。但低于約95(TC時(shí)，導(dǎo)致笑氣濃度19不合意的 明顯上升。此外，燃料濕化原則上延長(zhǎng)了在爐乾上的燃料燃盡時(shí)間。爐 渣的品質(zhì)也由于在高燃料濕度下燃燒床中的低的溫度而下降。因此燃料 濕化是不值得推薦的。
由于廢氣燒盡區(qū)后的廢氣中的溫度低于小于95(TC而引起NOx形成 減少以大大增加N20的形成為代價(jià)。由此要避免廢氣燒盡區(qū)后的廢氣中 的溫度低于950°C。
實(shí)^^實(shí)施例3:
在上述實(shí)驗(yàn)裝置TAMARA中燃燒家庭垃圾
圖6示出在該實(shí)驗(yàn)活動(dòng)(Versuchskampagne )中以實(shí)^^測(cè)得的燃燒 室后廢氣中的氧化氮濃度IO(NO)和氧濃度15 (02)。燃料加入為200 kg/ h(家庭垃圾Hu-9-10MJ/kg),廢氣流為1000Nm3/h。 一次空氣的化 學(xué)計(jì)算量為約0.9，爐篦速度約為10cm/min。在基本狀態(tài)A中，該燃 燒裝置在燃燒室不噴入水-氣體混合物下運(yùn)行，即相應(yīng)于圖1的裝置。狀 態(tài)B和C是通過(guò)雙物質(zhì)噴嘴僅噴入空氣，在4bar下為12Nm3/h(B), 以及在5bar下為15Nm3/h(C),其相應(yīng)于總廢氣流量的約1.5%。通過(guò) 這些措施已觀察到降低的氧化氮的形成，其數(shù)量級(jí)約為17% (從約300 到約250 mg/Nm3NO)，壓力值和空氣量(在上迷參數(shù)范圍內(nèi))對(duì)該值影響 很小。這里和在整個(gè)活動(dòng)中的恒定的氧量可推論出，特別是通過(guò)軸向渦 流和由此通過(guò)上述燃燒床區(qū)的燃燒氣體的均勻化使氧化氮形成降低。
但通過(guò)附加噴入水(參見(jiàn)圖5)可使氧化氮形成速率明顯降低，尤其 是與起始狀態(tài)A相比可降低達(dá)66% (從約300 mg/Nm3 NO到約100 mg/Nm3 NO)?；跔顟B(tài)B的空氣噴入?yún)?shù)(4 bar下為12 NmVh)，經(jīng)雙 物質(zhì)噴嘴附加噴入20升/h(狀態(tài)B)、 30升/h(狀態(tài)E)、 40升/h(狀態(tài)F) 以及50升/h (狀態(tài)G)的水。同時(shí)將廢氣燒盡區(qū)后的廢氣溫度從高于 IOO(TC降到低于900°C。在仍然不變的氧濃度下隨增加水量氧化氮形成 率不斷下降，隨絕對(duì)水量增加的下降步幅越來(lái)越小。這表明在NO降低
方面仍有的少量增加是以相對(duì)高的能量損失作為代價(jià)。用重復(fù)中斷自由
射束和在間歇期間調(diào)節(jié)狀態(tài)A可證實(shí)這種減少措施的可再現(xiàn)性(參見(jiàn)圖 6)。從狀態(tài)B到狀態(tài)D-G的氧化氮形成的進(jìn)一步降低也僅歸因于在通過(guò) 水計(jì)量加入的同時(shí)混合(這里不是固態(tài)燃料)引起的廢氣的熱值下降。
水計(jì)量加入優(yōu)選通過(guò)氧化氮濃度來(lái)調(diào)節(jié)。為避免廢氣中太高的能量 損失(限制下游連接的熱量利用裝置)，廢氣中的水計(jì)量加入小于50 g/m3,優(yōu)選小于30g/m3。
在用雙物質(zhì)噴嘴加入高的水量時(shí)(參見(jiàn)添加水的測(cè)量值21)，發(fā)生溫 度降低，與不加水的測(cè)量值相比(參比測(cè)量值22), NOx形成劇烈下降(參 見(jiàn)圖7a中與廢氣溫度20相關(guān)的氧化氮濃度10)。廢氣燒盡區(qū)后(也即鍋 爐后)的廢氣中的水含量增加了最多50 g/Nm3，相反廢氣燒盡區(qū)后的溫 質(zhì)下降。如也在圖7b中所示，在廢氣燒盡區(qū)后高于95(TC未觀察到N20 形成(笑氣濃度19)。低于95(TC時(shí)的>120形成僅與廢氣溫度20有關(guān)而與 水含量本身無(wú)關(guān)。氧化氮形成趨勢(shì)隨溫度降低而減少。與參比調(diào)節(jié)相比， 優(yōu)選用雙物質(zhì)噴嘴的混合和加水同時(shí)調(diào)節(jié)廢氣燒盡區(qū)后的廢氣溫度原 則上產(chǎn)生較低的氧化氮濃度(參見(jiàn)圖7a)。其原因在于降低了廢氣燒盡區(qū) 前的燃燒床上方的氣體熱值。
按第17. BImSchV (聯(lián)邦排放保護(hù)規(guī)定)，允許排放的限值為200 mg/Nm"在11%02的基準(zhǔn)氧含量下以N02計(jì)算)，用所提供的方法可明 顯低于該值。未檢測(cè)到廢氣燒盡的惡化，這可通過(guò)CO-測(cè)量來(lái)證實(shí)。其 測(cè)量值總是恒定在約1 mg/Nm3范圍。二次空氣加入前廢氣溫度高于 970。C和二次空氣加入后溫度高于950。C時(shí)，未4全測(cè)出N20。
所述的措施應(yīng)與減少氧化氮的其它措施相組合，例如通過(guò)改變一次 空氣/二次空氣的分布(參見(jiàn)[2]和[3])。非常有利的是高的一次空氣量(一 次空氣化學(xué)計(jì)算量為0.6-1,優(yōu)選0.7-0.9)與高的燃燒床輸送速度(即高于 上述的10cm/min)相組合。僅通過(guò)組合該兩參數(shù)可在不降低廢氣焓的能 量利用情況下使NO濃度從約280 mg/Nm3降到約150 mg/Nm3 (即NO降 低大于45%)(對(duì)于低熱值家庭垃圾，Hu = 7-8 MJ/kg)。
其它實(shí)驗(yàn)表明，高的固定床輸送速度(即大于所述的10cm/min)僅在 前一半爐篦區(qū)是需要的。后面的爐篦區(qū)可相應(yīng)較慢運(yùn)行，以為爐篦灰中 的殘余碳的燒盡提供足夠的時(shí)間。實(shí)馬全實(shí)施例4:
在該實(shí)驗(yàn)實(shí)施例范風(fēng)內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)裝置TAMARA中于一次空氣數(shù)約 為0.65和廢氣(鍋爐后)中的氧含量恒定在約10體積％(干燥)的條件下燃 燒家庭垃圾(Hu二7MJ/kg)。與前述實(shí)驗(yàn)實(shí)施例不同，其各爐篦區(qū)的爐篦 速度是不同的；在燃燒床區(qū)Pi和P2 (前一半爐篦)是恒定在22 cm/min, 在后一半爐篦中隨著各燃燒床區(qū)逐步下降(P3: 11 cm/min,P4: 5 cm/min)。 在上述燃燒床區(qū)P!-P4中的固態(tài)燃料的相對(duì)停留時(shí)間依序?yàn)?2%、 12%、 24%、 52%。通過(guò)該運(yùn)行參數(shù)，由于上述的通用關(guān)系已實(shí)現(xiàn)了低的氧化 氮形成值即廢氣燒盡區(qū)后測(cè)量約為150 mg/Nm3，還實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的燒盡爐 渣。
圖8a和b示出在鐘表時(shí)間23范圍內(nèi)的所測(cè)定的氧化氮濃度10 (單 位為mg/Nm"和水濃度25 (單位是g/Nm"(圖8a)以及笑氣濃度19 (單位 為mg/Nm"和溫度24 (單位為。C)(圖8b)。約9點(diǎn)20分開(kāi)始經(jīng)雙物質(zhì)噴 嘴導(dǎo)入水/氣體射束，總明顯看出在氧化氮濃度分布26和溫度分布27 (離 開(kāi)廢氣燒盡區(qū)后)和廢氣燒盡區(qū)前的溫度分布28中出現(xiàn)跳躍式下降29。 不同的是，廢氣中廢氣濕氣分布30由于小的噴入水量?jī)H有小的上升。 調(diào)節(jié)時(shí)廢氣燒盡區(qū)前的溫度調(diào)到約1030°C，廢氣燒盡區(qū)后的溫度調(diào)到約 950°C。
圖8c還示出在各燃燒床區(qū)P^P4中燃燒床上方的軸向溫度分布，其
按實(shí)驗(yàn)鐘表時(shí)間23繪制。各以其溫度繪出等溫線(xiàn)。燃燒床的后一半爐 乾上方的溫度開(kāi)始時(shí)和噴入33時(shí)有明顯上升。該效應(yīng)對(duì)爐渣品質(zhì)是有 利的。
通過(guò)安裝的雙物質(zhì)噴嘴引入的水量由鍋爐后(即廢氣燒盡區(qū)后)的廢 氣中的氧化氮測(cè)量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)回路如此設(shè)計(jì)，以使最大水量通過(guò)在燃燒 室中的最低溫度950。C (參見(jiàn)圖8b中的溫度分布27)限制。調(diào)節(jié)的額定 值設(shè)定為40 mg/Nm3 (參見(jiàn)圖8a中的氧化氮濃度分布16)。 一旦開(kāi)始調(diào) 節(jié)，該氧化氮值自發(fā)下降(參見(jiàn)階梯式下降29)。該狀態(tài)的保持4小時(shí)以 上。廢氣濕度(分布30)的平均增加是非常低的，平均約為25g/Nm3。在 調(diào)節(jié)期中的廢氣濕度的波動(dòng)是由于所調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)參數(shù)(PID-調(diào)節(jié)器)和燃 料熱值的短時(shí)間波動(dòng)所引起，對(duì)能量利用的效率和N0X的降低效率無(wú)明 顯影響。所達(dá)到的極低氧化氮值可與昂貴的SCR方法相當(dāng)，并遠(yuǎn)低于規(guī) 定限值。
如果接近950。C-限制的溫度分布27,則出現(xiàn)2-3 mg/NmS的痕量濃 度(參見(jiàn)周8b:笑氣濃度分布31)。但在所述實(shí)驗(yàn)中所測(cè)定的最大笑氣濃 度仍在檢出限值范圍內(nèi)，并且是可忽略的。
通過(guò)在二次空氣加入前在燃燒室中混合燃燒氣體，雖然在后一半爐 蓖區(qū)中的燃燒床上方加水和由此在燃燒床的后面范圍的燃燒床中產(chǎn)生 較高的氣體輻射，但氣體溫度也明顯增加。由此在這里爐渣經(jīng)優(yōu)良燒結(jié) 并由此惰性化，以致該殘余物可有利地用作建筑添加料而無(wú)需復(fù)雜的因 而昂貴的后處理。因此這種在廢物燃燒中的有利的副效應(yīng)是有優(yōu)點(diǎn)的。
在爐渣中的特別是碳(TOC)、氯化物及硫酸鹽的濃度通過(guò)燃燒室 和后面燃燒床區(qū)的爐渣床中的溫度升高而明顯降低，這也有利地降低了 爐渣中的PCDD/F形成速率。
參考文獻(xiàn) H.Hunsinger, K.Jay, J.Vehlow: Formation of Pollutants during Mu-nicipal Solid Waste Incineration in a Grate Furnace under Dif-ferent Air/Fuel Ratios; Proc, IT3'02 Conference, May 13-17, 2002, New Orleans, Louisiana
〖3) H,Hunsinger, J.Vehlow, B,Peters, H,H,Fi:ey: Performance of a Pi-lot Waste Incinerator under Different Air/Fuel Ratios/ IT3'00 Conference, May 08-12, 2000, Portland, Oregon
4US 5.313,895
標(biāo)號(hào)表
1燃燒床
2爐篦
3燃燒室
4入口
5出口
6廢氣燒盡區(qū)
7一次氣體力口入
8燃燒，火焰
9二次氣體噴入
10氧化氮濃度
11平均熱值
12最大熱值
13雙物質(zhì)噴嘴
14射束，自由射束
15氧濃度
16實(shí)驗(yàn)時(shí)間
17一次空氣數(shù)
18爐篦送進(jìn)速度
19笑氣濃度
20廢氣燒盡區(qū)后的廢氣溫度
21有水加入情況的測(cè)量值
22參比測(cè)量值
23鐘表時(shí)間
24溫度
25水濃度(干燥)
26氮濃度分布
27離開(kāi)廢氣燒盡區(qū)后的溫度分布
28廢氣燒盡區(qū)中的溫度分布
29階梯式下降
30廢氣濕度分布31 笑氣濃度分布
32 燃料輸送設(shè)備
33 噴入
權(quán)利要求
1. 一種用于減少兩階段燃燒工藝廢氣中一次側(cè)氧化氮(NOx)形成并同時(shí)減少/避免氧化二氮(N2O)和氨逸出(NH3)的方法，該兩階段燃燒工藝包括由含氧的一次氣體流過(guò)的具有固定床燒盡區(qū)的燃燒床和下游連接的其中另外引入含氧的二次氣體的廢氣燒盡區(qū)，其特征在于，降低燃燒床表面和廢氣燒盡區(qū)前之間的廢氣的熱值，廢氣中的平均熱值調(diào)節(jié)為小于1MJ/m3，加入二次氣體前廢氣中的廢氣溫度至少為970℃，離開(kāi)廢氣燒盡區(qū)后的廢氣中的廢氣溫度至少為950℃，以及在后一半爐篦的燃燒床上方廢氣中的廢氣溫度為至少1000℃。
2. 權(quán)利要求l的方法，其特征在于，所述燃燒工藝在爐篦式燃燒裝 置中進(jìn)行，該裝置包括具有先后設(shè)置的多個(gè)燃燒床區(qū)的燃燒床的燃燒 室，燃燒床區(qū)均具有單獨(dú)一次氣體輸入。
3. 權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，廢氣燒盡區(qū)前的廢氣的熱 值降低是通過(guò)將一個(gè)或多個(gè)水-氣體射束與燃燒床上方的和二次氣體輸 入前的來(lái)自各燃燒床區(qū)產(chǎn)生的廢氣分流相混合實(shí)現(xiàn)的，其中在燃燒室中 的水/氣體射束呈軸向穿過(guò)所有燃燒床區(qū)。
4. 權(quán)利要求3的方法，其特征在于，所述水-氣體射束由水-空氣混 合物、水-廢氣混合物或水-水蒸氣混合物組成。
5. 權(quán)利要求3或4之一的方法，其特征在于，所述射束借助于雙物 質(zhì)噴嘴以小于15。的噴射角產(chǎn)生。
6. 權(quán)利要求3-5之一的方法，其特征在于，通過(guò)射束送入的氣量不 超過(guò)總?cè)紵諝饬康?0%。
7. 權(quán)利要求3-5之一的方法，其特征在于，經(jīng)水/氣體射束送入的水 量由所要求的廢氣燒盡區(qū)后廢氣中的NO濃度確定，并受限于廢氣燒盡 區(qū)后的廢氣中的最低溫度950°C。
8. 上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，廢氣燒盡區(qū)前的廢氣的 熱值降低通過(guò)以如下方式調(diào)節(jié) 一次氣體輸入進(jìn)行使得固定床燒盡區(qū)中 的化學(xué)計(jì)算量調(diào)節(jié)為小于1。
9. 權(quán)利要求8的方法，其特征在于，所述化學(xué)計(jì)算量?jī)?yōu)選調(diào)節(jié)為 0.7-0.9。
10. 上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，廢氣燒盡區(qū)前的廢氣 的熱值降低通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒床中的輸送速度進(jìn)行，在前一半爐蓖中的輸送 速度比后一半爐篦中的輸送速度高至少30%,優(yōu)選50%,固體在爐篦上 的總停留時(shí)間如此設(shè)定以確保爐篦灰以低于1%的殘余碳濃度實(shí)現(xiàn)足 夠高的燒盡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在兩階段燃燒工藝廢氣中減少一次側(cè)氧化氮(NO_x)形成并同時(shí)避免氧化二氮(N₂O)和氨-逸出(NH₃)以及改進(jìn)爐渣品質(zhì)的方法，包括燃燒床上方的其中流過(guò)含氧的一次氣體的固定床燒盡區(qū)和下游連接的其中另外引入含氧的二次氣體的廢氣燒燼區(qū)。本發(fā)明的目的提供一種既簡(jiǎn)單又能可靠控制方法，用于在工業(yè)燃燒裝置例如具有顯著提高效率的爐箅式燃燒裝置中減少一次側(cè)的氧化氮形成，其中不形成其它有害物質(zhì)或?qū)θ紵龤怏w焓的能量利用僅受低微影響。此目的通過(guò)以如下方式降低燃燒床表面和廢氣燒燼區(qū)前之間的廢氣的熱值實(shí)現(xiàn)使得廢氣中的平均熱值小于1MJ/m³，燃燒床表面至離開(kāi)廢氣燒燼區(qū)的該廢氣溫度至少為950℃，在后一半爐箅?yún)^(qū)域中的燃燒床上方的氣體溫度大于1000℃。
文檔編號(hào)F23G5/50GK101379347SQ200780004852
公開(kāi)日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月7日
發(fā)明者H·孔辛格 申請(qǐng)人:卡爾斯魯厄研究中心股份有限公司