兩階段燃燒工藝中減少一次側氧化氮的方法

專利名稱：兩階段燃燒工藝中減少一次側氧化氮的方法
兩階段燃燒工藝中減少 一 次側氧化氮的方法 本發明涉及權利要求1的用于減少兩階段燃燒工藝中廢氣中 一次側
氧化氮(NOx)形成并同時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)流過的固定床燒盡 區(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(Abgasausbrandzone)。本發明還用于通過 減少爐蓖灰中氯化物濃度來改進爐渣品質。
特別是在爐篦式燃燒裝置的燃燒工藝中，因為相對低的溫度水平， 由空氣氮產生的熱氧化氮形成(NOx形成)不能忽略不計。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。
固態燃料如廢物、生物質或碳在燃燒爐篦上的燃燒可以理想地分成 依序運行的子工藝即干燥、干餾(Entgasung)和固定的碳的燒盡
(Abbrand)。在工業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，以致在那里局部經一次空氣 輸入的氧量不足以產生完全的廢氣燃燒。由燃燒床排出的廢氣在該區中 有高的廢氣溫度，并且實際上是無氧的。在此條件下經氣化反應形成一 氧化碳(CO)和氫(H2)。因此在該區域發現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即主要 是NH"氨)和HCN(氫氰酸)和非常少量的含氮有機化合物如吡啶和苯 胺。
在前述的由于缺氧引起的不完全燃燒情況下，通常通過將二次空氣 加到仍為高熱值的廢氣中以進行后燃燒。這時導致局部非常高的溫度峰 值，在廢氣燃燒時的氧化條件下，開頭所述的NH3化合物和HCN化合 物通過復雜反應最終形成NO或N2。目的是以此方式改進此工藝的控制， 使一次含氮物質NH3(氨)和HCN完全分解，并形成作為最終產物的優選 為N2，負擔為形成氧化氮，同時避免N20的形成。中公開了在固體燃燒時燃燒速度與 一次空氣量的關系。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
過該最大值后 一次空氣量的繼續增加會冷卻燃燒床。由冷卻引起的減少 或延緩燃料中的揮發成分的釋放以及由引入的一次空氣引起的燃燒氣
體的稀釋導致局部釋放的降低，并由此導致烴、CO和H2濃度的降低。 [2]和[3]中公開了這些措施以及附加證據，即高的 一 次空氣加入和同
時低的二次空氣加入(一次空氣和二次空氣的總和恒定)原則上導致燃燒
廢氣中的低NO值。
為減少廢物燃燒裝置中的PCDD/F的形成，在[4]中建議噴入水。設
想其優點是由于通過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入廢氣燒盡區前的區域有關，并為800至
95(TC或970。C。但遺憾的是未給出詳細的NOx值和NOx的減少率。也
未給出其它含氮有害物質特別是N20和NH3的數據。
但離開廢氣燒盡區(二次燃燒區)后的廢氣溫度下降到低于95(TC會
導致一次形成的NH3(氨)的不完全分解，并另外導致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，則會作為強烈的溫室氣體
排入大氣中。
4旦在[4]中所述的通過加水使溫度降至800-950。C也會在下游連接的 熱量利用裝置(例如用于加熱鍋爐)中導致效率下降。
通過使燃料濕化而達到同一效果也導致燃料-熱值的下降。在小的一 次空氣量的情況下也已超過燃燒速度的最大值。該固體燃燒在長的爐篦 范圍上延伸，由此氣體熱值以及進入廢氣燒盡區前的廢氣溫度調節為低 水平。同時也出現前面所述的效應。
由此本發明的目的是提供一種既簡單又能可靠控制方法，用于在工 業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的含 氮有害物質特別是氧化氮的形成。在此特別重要的是通過該方法不形成
其它有害物質如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。
該目的由具有權利要求1的特征的方法實現。該方法的有利改進方 案列于從屬權利要求中。
為實現該目的，提供一種在兩階段燃燒工藝中減少廢氣排放中一次 側的氧化氮形成的方法，即具有固定床燒盡區和下游連接的廢氣燒盡 區。在此該固態燃料的實際燃燒在固定床燒盡區進行，而在廢氣燒盡區 進行未完全燃燒的廢氣成分的后燃燒。在此類燃燒工藝中通常向固定床
燒盡區中供入含氧的一次氣體和向廢氣燒盡區中供入用于后燃燒的同 樣含氧的二次氣體。
本發明中重要的是有針對性地降低進入廢氣燃料區前的燃燒氣體
的熱值，特別是以這樣的方式使得由此實現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同時下降到引發有害物質如 N20的形成和NH3的不完全分解的程度。為此準確保持該廢氣的某種狀 態是絕對需要的。 一方面為了限制氧化氮形成，廢氣或僅其一部分不得 超過某極限熱值，即優選不超過1.5MJ/m3，更優選不超過1.0MJ/m3, 另一方面直到離開廢氣燒盡區后的該廢氣溫度不得降低到低于1000°C, 優選不得低于980°C,更優選不得低于950。C,也即為了在整體上而且 在特定范圍內限制含氮有害物質特別是N20和NH3。這樣非常重要的 是，不僅通過合適的措施針對性地控制或調節了廢氣的熱值和溫度，而 且也通過該措施有目的地達到均勻化。
一種可能性是在廢氣燒盡區前噴入氣-水混合物。由此導致緊接固定 床燃燒后(在燃燒床上)的廢氣有目的的熱值降低，并同時使燃燒床和廢 氣燒盡區之間的氣體均勻化，即不降低固態燃料本身的熱值。噴入優選 通過自由射束(Freistrahl)進行，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。
是對固態燃料本身起作用，也即不僅:熱值降低，而i使熱值均勻化。、 在燃燒床緊上方區域的廢氣的高熱值與大量氧化氮形成相關聯。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。因此本發明描述了一種合適的技術措施，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行燃燒工藝，則燃料在作為燃燒床的爐 篦上連續通過分成各個先后設置的總體固定床燒盡區。燃料最先通過的 固定床區提供爐篦的前一半，而繼續燃燒的燃料被輸送到爐篦后 一半的 后續固定床區，并從那里輸送到固態燃燒殘渣的出口。其中該固定床燒 盡區設置在燃燒室中，每個燃燒床區均配置有單獨的一次氣體的輸入。
出中進行。水-氣體混合物的噴入以自由射束直接噴入進入燃燒室(即在 廢氣燒盡區之前)的燃燒床表面上方的燃燒氣體中，該射束呈軸向穿過 所有燃燒床區，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。本發明范圍 中的水性溶液也可含來自其它凈化措施(如來自凈化洗涂器)的再循環的
溶解的有害物質。
水_氣體混合物可連續或脈沖式噴入，并具有高的速度或脈沖強度，
以致該射束呈軸向穿過橫貫全部爐乾區的燃燒床表面上方的氣體室。為
產生射束使用雙物質噴嘴，射束角小于15。，優選3-10°。
原則上也可將水部分或氣體部分分別經各自的單物質噴嘴噴入，這 時鑒于上述的燃燒氣體均勻化，要通過相應的噴入設計以確保該兩種單 物質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。
經射束噴入的水-氣體混合物中的氣體部分應不超過引入的主要由 一次空氣流和二次空氣流組合的總燃燒空氣量的10%。更高的份額例如 可引發進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 分質量流量。質量流量越大，那么燃燒氣體的冷卻越多，并從某一高度 起導致損害廢氣燃燒或甚至導致其熄滅。由水輸入引起的燃燒氣體冷卻 在產生蒸汽時通常導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。
廢氣燒盡區的溫度應總高于97(TC或在廢氣燒盡區后高于950°C, 以在燃盡的廢氣中不出現不理想的有害物質如溫室氣體N20或初始形
成的,3的逸出。
廢氣燒盡區后溫度低于950°C,隨溫度的降低會使N20的濃度呈指 數地增加。N20是一種強溫室氣體，因此應避免。高于950。C也可確保 初始形成的NH3在廢氣燒盡區中實際上完全分解。
經射束供入的水量優選通過廢氣燒盡區后的廢氣中的所需NO-濃 度(如法律規定的限值)，即間接通過燃燒室中廢氣燒盡區后的燃燒氣體 (廢氣)的平均溫度，來決定和調節。廢氣燒盡區后的廢氣中的95(TC最 低溫度限制了上述水的質量流量。
用于降低廢氣熱值且同時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節一次氣體輸入使得在一次燒盡區中
的燃燒化學計算量為0.6-1.2,優選小于1.0，更優選為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)和廢氣量近似計算。
備選地，另一個適于上述目的的措施包括在燃燒床中的可針對性調 節和/或控制的輸送速度調節裝置，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，優選高至少50%，固體(燃料)在爐篦上 的停留時間的分配使爐篦灰的燒盡超過99%。該措施的基本設想是如此
分布:';以使在每個燃燒^;區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展已在帶有一 次空氣輸入的燃料床中改進了氣體燃盡，這是因為提供了用于氧化的局 部更多的氧(更大的爐篦區-爪3空氣/1112爐篦面積=常數)，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)原則上與低NOx 排放值相關聯。因此通常力求在二次空氣加入前有低的氣體熱值，單獨 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質 的爐渣燒盡和廢氣燒盡。由此可實現特別低的NOx排放值且不明顯增加 N20形成，在二次空氣加入時廢氣燒盡區中的足夠高的溫度是由無初始 形成的NH3的逸出造成的。
本發明和其有利的改進方案優選滿足下列條件范圍 一次空氣數(化學計算量)調節為小于1.0,優選0.7-0.9,以實現低 的粉塵釋放。
如此調節二次氣體以使廢氣燒盡區后與燃料熱值/燃料濕度有關 的氧過量保持至少為6%，優選約10%。
燃料在爐乾上的總停留時間如此設定以確保優質的爐渣燒盡， 在前一半爐篦中的輸送速度調節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選通過低的水/空氣量實施，優 選借助于雙物質噴嘴以細分散水實施。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燃燒室(即通常呈水平和經全部燃燒床區延 伸)。由此實現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后或鍋爐后的廢氣中所推算的
優選所測定的N(X濃度來調節。
最大水量由廢氣燒盡區后的廢氣中所推算的優選所測定的950°C 最低溫度限定。在廢氣燒盡區前的溫度不得低于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 下保持在優選小于50 g/Nm3，更優選低于30 g/Nm3的限值內。
下面將以工作實施例和下述附圖詳述本發明。


圖1示出具有4個燃燒床區P!-P4的常規爐篦式燃燒裝置的橫截面，
圖2a-f示出在常規爐蓖式燃燒裝置的燃燒床上廢氣中的02、 C02、 H20、 CO、有機碳化合物(有機碳的總和)和H2的所測定的軸向濃度分布，
圖3a和b示出在燃燒床中所測定的氧化氮濃度10與廢氣熱值11 和12(a)和化學計算量17(—次空氣數)或爐蓖送進速度18(b)的關系，
圖4示出廢氣中笑氣濃度(N20)19和氧化氮濃度(NO) 10的測量值 與來自廢氣燒盡區的廢氣排出溫度20的關系，
圖5示出具有四個燃燒床區和一個雙物質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驗活動內所測得的氧化 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后的廢氣溫 度的關系，
圖8a-c示出在實驗實施例4范圍內所測得的氫濃度、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間的關系。
圖1所示的常規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，爐渣或其它固態燃燒產物 的出口 5(參見燃料輸送設備32)以及下游連接于燃燒室的在廢氣排出中 的廢氣燒盡區6。該燃燒床1主要由固態燃料組成。燃燒腔3覆蓋所有 的燃燒床區PrP4，所述燃燒床區由燃燒床中的燃料依序通過，并總是流 過每個燃燒床區的具有單獨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6中進行。
固態燃料的燃燒8位置(圖1中僅象征性用火焰表示)主要在燃燒床 P2的區域，在燃燒床區PrP4中當然具有不同的燃燒狀態，這特別是由 于燃料的燃燒進程和溫度造成的。圖2a-f示例性給出在PrP4燃燒區繪 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)、有機烴化合物(e)和H2(f)的所測定 的濃度分布。在燃燒時導致揮發性燃料成分特別是烴CnHm (參見圖2e)
的干餾。在主燃燒區(燃燒床區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)不足以產生完全的廢氣燃盡。這時氧濃度也許
會降低到零。優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(NH3、 HCN和 少量的含氮烴)。水(圖2c)通過蒸發或干燥或通過烴的部分燃燒形成，優 選出現在該區域并直到主燒盡區由燃燒床流出，并在下一個燃燒床區(P4) 降到最小值。二氧化碳(圖2b)在整個燃燒床區中隨燃燒形成，其形成約 與燒盡強度成正比。
圖3a和b給出在各垃圾燃燒-實驗裝置(TAMARA)上測得的鍋爐后 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 同影響因素的函數的特性曲線圖。在圖3b中的廢氣燒盡區后(二次空氣 加入后)的廢氣溫度在兩種情況下均調節到恒定值即約1050。C士40。C。
基于用不同燃燒參數如固態燃料熱值、 一 次空氣數和爐篦動力學作 的大量實驗，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的特性曲線圖，既涉及 平均熱值Hu平均值ll (MJ/m"即在爐篦長度上的平均值(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。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 合適的措施調節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)作為化學計算量(一次空氣數17，無量綱)以及在整個爐乾區調節成相 同的爐篦送進速度18(單位為cm /min)(家庭垃圾Hu 7-8 MJ/kg)的函數的 特性曲線圖。該特性曲線圖也具有明確的最低氧化氮濃度區，與圖3a 不同，在所示出的特性曲線圖中的氧化氮濃度的增加不呈線性關系，而
是接近指數關系。隨化學計算量不斷增加會有利地不斷降低氧化氮的形 成。但應避免化學計算量超過1.0，這是由于這時在該區域進入廢氣的 粉塵釋出的不合意增加和與其相關的鍋爐污染或在除塵器中粉煤灰產 量增加。
圖4示出在燃燒時產生的笑氣濃度19(N20-形成，單位mg/Nm3, 11% 02)與廢氣燒盡區后的廢氣溫度20 fC)的關系。在燒盡區后低于約 950°C的限值溫度原則上預計笑氣濃度明顯上升。在為降低含氮有害物 的排放而降低廢氣熱值時，將廢氣燒盡區后的廢氣溫度調節高于所述溫 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合氮轉變成增加笑氣排放。
在本發明范圍內，通過在同時加入小水滴情況下相應調節來自二次 氣體輸入9前的燃燒室3中的各燃燒床區(爐篦區)P廣P4的空氣分布/爐 篦動力學和廢氣流的軸向混合來降低廢氣中的氣體熱值。在技術上可在 圖5的工作實施例的范圍內進行，其結構在下面方面不同于圖1的結構 形式，也即具有射束14的雙物質噴嘴13噴入水-氣體混合物。該雙物質 噴嘴13位于燃燒室3的背面。射束角優選是小的，即小于15°,優選小 于10°。在高壓下射入小的空氣量物流(最大為廢氣通過量的10%，在 燃燒床上方的廢氣通過量例如為400 Nm3/h時通常為12-15 Nm3/h)。通 過由此產生的高脈沖水平(自由射束的質量與速度的乘積)，該自由射束 14穿過燃燒室3,并在二次氣體噴入9的情況下導致來自廢氣燒盡區6 前的范圍中的燃燒室內的各燃燒床區或爐蓖區的高熱值和低熱值氣體 的強烈混合。通過來自主燃燒區的無氧和高熱值氣體與來自主燃燒區前 和后的爐篦區的高氧和低熱值氣體的混合實現在廢氣燒盡區前已將高 熱值氣體成分部分燒盡。該效率與一次空氣數和混合效率有關。通過燒 盡增加了火焰腔的溫度。用雙物質噴嘴13可向燃燒8的區域中再送入 細霧化的水。由此降低廢氣中的熱值，尤其以理想方式降低小水滴的蒸 發焓。同時由此降低廢氣燒盡區后的溫度。
有效混合聯合最小的水-氣體混合物加入量物流的工藝是通過調節 一次氣體化學計算量、爐篦動力學和雙物質噴嘴的定位最優化，備選地 也可通過上述的水和氣體的單噴嘴或多個各在燃燒室幾何形狀上的自 由射束噴嘴最優化。
下面用實^^實施例詳述本發明。
實-瞼實施例1:
本實驗實施例的實驗用于測算最佳燃燒參數。
實驗中在上述垃圾燃燒-實驗裝置TAMARA中燃燒熱值Hu約為7-8 MJ/kg的垃圾。經鍋爐后的廢氣中的氧含量恒定約為10體積％(干燥)， 廢氣燒盡區后的廢氣溫度也恒定為1050-1100°C。 一次空氣的降低通過 相應調高二次空氣輸入來補償，后燃燒室后的氧過量保持恒定。實驗以 三個不同的爐篦速度進行。結果示于圖3b。
隨一次空氣數17(化學計算量)和/或爐簏送進速度18的增加，廢氣 中的氧化氮濃度10下降(見圖3a),但燃燒床上方的燃燒廢氣的熱值也下 降。由此如一次空氣數進一步增加到超過1.0,特別是在大的爐篦送進 速度下不會進一步降低氧化氮形成，但是會造成不合意的高粉塵釋入廢 氣中。因此應避免一次空氣數超過1.0。
在全部爐篦區中的高的爐篦送進速度同時也意味固態燃料在燃燒 爐篦上的燃燒床中短的停留時間，由此也會降低爐渣燃盡品質(缺點)。
另 一 些實驗表明，有利的低的氧化氮釋放速率特別與前 一 半爐篦中 的爐乾送進速度相關聯，此時發生揮發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NOx形成無影響。后一半爐篦 的爐篦速度特別與爐渣燒盡品質相關聯。在后 一半爐篦范圍中的燃料隨 爐蓖送進速度下降而延長了增加完全燒盡的時間，并由此提高了爐渣的 燃盡品質。
實馬全實施例2:
如第一實驗實施例，在實驗裝置TAMARA中進行燃燒。調節燃料 輸入以使固體的可燃份額是恒定的，由此離開廢氣燒盡區后在廢氣中有 恒定的氧份額即11-11.5體積％(干燥)。
在該實驗實施例范圍內將固態燃料的熱值Hu燃料從12 MJ/kg降到6 MJ/kg是通過燃料濕化達到的。恒定輸送可燃成分(恒定的碳輸送)通過 相應地濕度增加提高燃料計量加入來補償。 一次空氣數調為恒定在約 1.0,在所有燃燒床區的爐篦送進速度也調到10cm/min。
在垃圾中濕度增加的情況下固體燃燒在爐篦較大區域中進行并依 物流方向推進。同時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)。
測得的離開廢氣燒盡區后的廢氣中的笑氣濃度19 (N20)和氧化氮濃度 10與在相同位置所測得的廢氣溫度20的關系示于圖4中。廢氣燒盡區 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，導致笑氣濃度19不合意的 明顯上升。此外，燃料濕化原則上延長了在爐乾上的燃料燃盡時間。爐 渣的品質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。由此要避免廢氣燒盡區后的廢氣中 的溫度低于950°C。
實^^實施例3:
在上述實驗裝置TAMARA中燃燒家庭垃圾
圖6示出在該實驗活動(Versuchskampagne )中以實^^測得的燃燒 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 學計算量為約0.9，爐篦速度約為10cm/min。在基本狀態A中，該燃 燒裝置在燃燒室不噴入水-氣體混合物下運行，即相應于圖1的裝置。狀 態B和C是通過雙物質噴嘴僅噴入空氣，在4bar下為12Nm3/h(B), 以及在5bar下為15Nm3/h(C),其相應于總廢氣流量的約1.5%。通過 這些措施已觀察到降低的氧化氮的形成，其數量級約為17% (從約300 到約250 mg/Nm3NO)，壓力值和空氣量(在上迷參數范圍內)對該值影響 很小。這里和在整個活動中的恒定的氧量可推論出，特別是通過軸向渦 流和由此通過上述燃燒床區的燃燒氣體的均勻化使氧化氮形成降低。
但通過附加噴入水(參見圖5)可使氧化氮形成速率明顯降低，尤其 是與起始狀態A相比可降低達66% (從約300 mg/Nm3 NO到約100 mg/Nm3 NO)。基于狀態B的空氣噴入參數(4 bar下為12 NmVh)，經雙 物質噴嘴附加噴入20升/h(狀態B)、 30升/h(狀態E)、 40升/h(狀態F) 以及50升/h (狀態G)的水。同時將廢氣燒盡區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，隨絕對水量增加的下降步幅越來越小。這表明在NO降低
方面仍有的少量增加是以相對高的能量損失作為代價。用重復中斷自由
射束和在間歇期間調節狀態A可證實這種減少措施的可再現性(參見圖 6)。從狀態B到狀態D-G的氧化氮形成的進一步降低也僅歸因于在通過 水計量加入的同時混合(這里不是固態燃料)引起的廢氣的熱值下降。
水計量加入優選通過氧化氮濃度來調節。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)，廢氣中的水計量加入小于50 g/m3,優選小于30g/m3。
在用雙物質噴嘴加入高的水量時(參見添加水的測量值21)，發生溫 度降低，與不加水的測量值相比(參比測量值22), NOx形成劇烈下降(參 見圖7a中與廢氣溫度20相關的氧化氮濃度10)。廢氣燒盡區后(也即鍋 爐后)的廢氣中的水含量增加了最多50 g/Nm3，相反廢氣燒盡區后的溫 質下降。如也在圖7b中所示，在廢氣燒盡區后高于95(TC未觀察到N20 形成(笑氣濃度19)。低于95(TC時的>120形成僅與廢氣溫度20有關而與 水含量本身無關。氧化氮形成趨勢隨溫度降低而減少。與參比調節相比， 優選用雙物質噴嘴的混合和加水同時調節廢氣燒盡區后的廢氣溫度原 則上產生較低的氧化氮濃度(參見圖7a)。其原因在于降低了廢氣燒盡區 前的燃燒床上方的氣體熱值。
按第17. BImSchV (聯邦排放保護規定)，允許排放的限值為200 mg/Nm"在11%02的基準氧含量下以N02計算)，用所提供的方法可明 顯低于該值。未檢測到廢氣燒盡的惡化，這可通過CO-測量來證實。其 測量值總是恒定在約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，未4全測出N20。
所述的措施應與減少氧化氮的其它措施相組合，例如通過改變一次 空氣/二次空氣的分布(參見[2]和[3])。非常有利的是高的一次空氣量(一 次空氣化學計算量為0.6-1,優選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。僅通過組合該兩參數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%)(對于低熱值家庭垃圾，Hu = 7-8 MJ/kg)。
其它實驗表明，高的固定床輸送速度(即大于所述的10cm/min)僅在 前一半爐篦區是需要的。后面的爐篦區可相應較慢運行，以為爐篦灰中 的殘余碳的燒盡提供足夠的時間。實馬全實施例4:
在該實驗實施例范風內，在實驗裝置TAMARA中于一次空氣數約 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)。與前述實驗實施例不同，其各爐篦區的爐篦 速度是不同的；在燃燒床區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逐步下降(P3: 11 cm/min,P4: 5 cm/min)。 在上述燃燒床區P!-P4中的固態燃料的相對停留時間依序為12%、 12%、 24%、 52%。通過該運行參數，由于上述的通用關系已實現了低的氧化 氮形成值即廢氣燒盡區后測量約為150 mg/Nm3，還實現優質的燒盡爐 渣。
圖8a和b示出在鐘表時間23范圍內的所測定的氧化氮濃度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20分開始經雙物質噴 嘴導入水/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 開廢氣燒盡區后)和廢氣燒盡區前的溫度分布28中出現跳躍式下降29。 不同的是，廢氣中廢氣濕氣分布30由于小的噴入水量僅有小的上升。 調節時廢氣燒盡區前的溫度調到約1030°C，廢氣燒盡區后的溫度調到約 950°C。
圖8c還示出在各燃燒床區P^P4中燃燒床上方的軸向溫度分布，其
按實驗鐘表時間23繪制。各以其溫度繪出等溫線。燃燒床的后一半爐 乾上方的溫度開始時和噴入33時有明顯上升。該效應對爐渣品質是有 利的。
通過安裝的雙物質噴嘴引入的水量由鍋爐后(即廢氣燒盡區后)的廢 氣中的氧化氮測量調節。調節回路如此設計，以使最大水量通過在燃燒 室中的最低溫度950。C (參見圖8b中的溫度分布27)限制。調節的額定 值設定為40 mg/Nm3 (參見圖8a中的氧化氮濃度分布16)。 一旦開始調 節，該氧化氮值自發下降(參見階梯式下降29)。該狀態的保持4小時以 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 調節期中的廢氣濕度的波動是由于所調節的調節參數(PID-調節器)和燃 料熱值的短時間波動所引起，對能量利用的效率和N0X的降低效率無明 顯影響。所達到的極低氧化氮值可與昂貴的SCR方法相當，并遠低于規 定限值。
如果接近950。C-限制的溫度分布27,則出現2-3 mg/NmS的痕量濃 度(參見周8b:笑氣濃度分布31)。但在所述實驗中所測定的最大笑氣濃 度仍在檢出限值范圍內，并且是可忽略的。
通過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。由此在這里爐渣經優良燒結 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需復雜的因 而昂貴的后處理。因此這種在廢物燃燒中的有利的副效應是有優點的。
在爐渣中的特別是碳(TOC)、氯化物及硫酸鹽的濃度通過燃燒室 和后面燃燒床區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 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
標號表
1燃燒床
2爐篦
3燃燒室
4入口
5出口
6廢氣燒盡區
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雙物質噴嘴
14射束，自由射束
15氧濃度
16實驗時間
17一次空氣數
18爐篦送進速度
19笑氣濃度
20廢氣燒盡區后的廢氣溫度
21有水加入情況的測量值
22參比測量值
23鐘表時間
24溫度
25水濃度(干燥)
26氮濃度分布
27離開廢氣燒盡區后的溫度分布
28廢氣燒盡區中的溫度分布
29階梯式下降
30廢氣濕度分布31 笑氣濃度分布
32 燃料輸送設備
33 噴入
權利要求
1. 一種用于減少兩階段燃燒工藝廢氣中一次側氧化氮(NOx)形成并同時減少/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的具有固定床燒盡區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，其特征在于，降低燃燒床表面和廢氣燒盡區前之間的廢氣的熱值，廢氣中的平均熱值調節為小于1MJ/m3，加入二次氣體前廢氣中的廢氣溫度至少為970℃，離開廢氣燒盡區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 置中進行，該裝置包括具有先后設置的多個燃燒床區的燃燒床的燃燒 室，燃燒床區均具有單獨一次氣體輸入。
3. 權利要求1或2的方法，其特征在于，廢氣燒盡區前的廢氣的熱 值降低是通過將一個或多個水-氣體射束與燃燒床上方的和二次氣體輸 入前的來自各燃燒床區產生的廢氣分流相混合實現的，其中在燃燒室中 的水/氣體射束呈軸向穿過所有燃燒床區。
4. 權利要求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 質噴嘴以小于15。的噴射角產生。
6. 權利要求3-5之一的方法，其特征在于，通過射束送入的氣量不 超過總燃燒空氣量的10%。
7. 權利要求3-5之一的方法，其特征在于，經水/氣體射束送入的水 量由所要求的廢氣燒盡區后廢氣中的NO濃度確定，并受限于廢氣燒盡 區后的廢氣中的最低溫度950°C。
8. 上述權利要求之一的方法，其特征在于，廢氣燒盡區前的廢氣的 熱值降低通過以如下方式調節 一次氣體輸入進行使得固定床燒盡區中 的化學計算量調節為小于1。
9. 權利要求8的方法，其特征在于，所述化學計算量優選調節為 0.7-0.9。
10. 上述權利要求之一的方法，其特征在于，廢氣燒盡區前的廢氣 的熱值降低通過調節燃燒床中的輸送速度進行，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%,優選50%,固體在爐篦上 的總停留時間如此設定以確保爐篦灰以低于1%的殘余碳濃度實現足 夠高的燒盡。
全文摘要
本發明涉及一種用于在兩階段燃燒工藝廢氣中減少一次側氧化氮(NO_x)形成并同時避免氧化二氮(N₂O)和氨-逸出(NH₃)以及改進爐渣品質的方法，包括燃燒床上方的其中流過含氧的一次氣體的固定床燒盡區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。本發明的目的提供一種既簡單又能可靠控制方法，用于在工業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的氧化氮形成，其中不形成其它有害物質或對燃燒氣體焓的能量利用僅受低微影響。此目的通過以如下方式降低燃燒床表面和廢氣燒燼區前之間的廢氣的熱值實現使得廢氣中的平均熱值小于1MJ/m³，燃燒床表面至離開廢氣燒燼區的該廢氣溫度至少為950℃，在后一半爐箅區域中的燃燒床上方的氣體溫度大于1000℃。
文檔編號F23G5/50GK101379347SQ200780004852
公開日2009年3月4日 申請日期2007年1月18日 優先權日2006年2月7日
發明者H·孔辛格 申請人:卡爾斯魯厄研究中心股份有限公司