两阶段燃烧工艺中减少一次侧氧化氮的方法

专利名称：两阶段燃烧工艺中减少一次侧氧化氮的方法
两阶段燃烧工艺中减少 一 次侧氧化氮的方法 本发明涉及权利要求1的用于减少两阶段燃烧工艺中废气中 一次侧
氧化氮(NOx)形成并同时避免废气中氧化二氮(N20)和氨-逸出(NH3)的 方法，该两步工艺包括由含氧的一次气体(Primargas)流过的固定床烧尽 区(Festbettausbrandzone )和下游连接的另外引入含氧的二次气体 (Sekundargas)的废气烧尽区(Abgasausbrandzone)。本发明还用于通过 减少炉蓖灰中氯化物浓度来改进炉渣品质。
特别是在炉篦式燃烧装置的燃烧工艺中，因为相对低的温度水平， 由空气氮产生的热氧化氮形成(NOx形成)不能忽略不计。在该燃烧装 置的含氮燃料的燃烧中，氧化氮主要由含于燃料中的氮形成。
固态燃料如废物、生物质或碳在燃烧炉篦上的燃烧可以理想地分成 依序运行的子工艺即干燥、干馏(Entgasung)和固定的碳的烧尽
(Abbrand)。在工业化的炉蓖式燃烧装置中这些子工艺是重叠的。在 干馏期间除烃之外还向废气中释放出主要由燃料氮形成的含氮化合物， 特别是NH3(氨)和HCN(氬氰酸)。特别是在燃烧装置的主燃烧区范围中 炉篦紧上方的废气中的烃浓度是如此之高，以致在那里局部经一次空气 输入的氧量不足以产生完全的废气燃烧。由燃烧床排出的废气在该区中 有高的废气温度，并且实际上是无氧的。在此条件下经气化反应形成一 氧化碳(CO)和氢(H2)。因此在该区域发现最高浓度的高热值的废气成分
(例如烃、 一氧化碳或氢气)以及主要由燃料氮形成的含氮物质即主要 是NH"氨)和HCN(氢氰酸)和非常少量的含氮有机化合物如吡啶和苯 胺。
在前述的由于缺氧引起的不完全燃烧情况下，通常通过将二次空气 加到仍为高热值的废气中以进行后燃烧。这时导致局部非常高的温度峰 值，在废气燃烧时的氧化条件下，开头所述的NH3化合物和HCN化合 物通过复杂反应最终形成NO或N2。目的是以此方式改进此工艺的控制， 使一次含氮物质NH3(氨)和HCN完全分解，并形成作为最终产物的优选 为N2，负担为形成氧化氮，同时避免N20的形成。中公开了在固体燃烧时燃烧速度与 一次空气量的关系。依燃料特 性特别是热值，该燃烧速度在特定一次空气量下具有最大值。相反，超
过该最大值后 一次空气量的继续增加会冷却燃烧床。由冷却引起的减少 或延緩燃料中的挥发成分的释放以及由引入的一次空气引起的燃烧气
体的稀释导致局部释放的降低，并由此导致烃、CO和H2浓度的降低。 [2]和[3]中公开了这些措施以及附加证据，即高的 一 次空气加入和同
时低的二次空气加入(一次空气和二次空气的总和恒定)原则上导致燃烧
废气中的低NO值。
为减少废物燃烧装置中的PCDD/F的形成，在[4]中建议喷入水。设
想其优点是由于通过水喷入引起的温度降低而减少了 NOx的形成。在[4]
中所列出的废气温度均与进入废气烧尽区前的区域有关，并为800至
95(TC或970。C。但遗憾的是未给出详细的NOx值和NOx的减少率。也
未给出其它含氮有害物质特别是N20和NH3的数据。
但离开废气烧尽区(二次燃烧区)后的废气温度下降到低于95(TC会
导致一次形成的NH3(氨)的不完全分解，并另外导致N20(笑气)的形成，
如果其未在附加方法步骤例如用催化剂处理，则会作为强烈的温室气体
排入大气中。
4旦在[4]中所述的通过加水使温度降至800-950。C也会在下游连接的 热量利用装置(例如用于加热锅炉)中导致效率下降。
通过使燃料湿化而达到同一效果也导致燃料-热值的下降。在小的一 次空气量的情况下也已超过燃烧速度的最大值。该固体燃烧在长的炉篦 范围上延伸，由此气体热值以及进入废气烧尽区前的废气温度调节为低 水平。同时也出现前面所述的效应。
由此本发明的目的是提供一种既简单又能可靠控制方法，用于在工 业燃烧装置如具有显著提高效率的炉篦式燃烧装置中减少一次侧的含 氮有害物质特别是氧化氮的形成。在此特别重要的是通过该方法不形成
其它有害物质如N20和避免NH3逸出和/或不明显降低燃烧废气焓的有 效利用以及不降低炉渣的品质。
该目的由具有权利要求1的特征的方法实现。该方法的有利改进方 案列于从属权利要求中。
为实现该目的，提供一种在两阶段燃烧工艺中减少废气排放中一次 侧的氧化氮形成的方法，即具有固定床烧尽区和下游连接的废气烧尽 区。在此该固态燃料的实际燃烧在固定床烧尽区进行，而在废气烧尽区 进行未完全燃烧的废气成分的后燃烧。在此类燃烧工艺中通常向固定床
烧尽区中供入含氧的一次气体和向废气烧尽区中供入用于后燃烧的同 样含氧的二次气体。
本发明中重要的是有针对性地降低进入废气燃料区前的燃烧气体
的热值，特别是以这样的方式使得由此实现明显减少氧化氮的形成， 但另一方面该废气温度即使是局部也不会同时下降到引发有害物质如 N20的形成和NH3的不完全分解的程度。为此准确保持该废气的某种状 态是绝对需要的。 一方面为了限制氧化氮形成，废气或仅其一部分不得 超过某极限热值，即优选不超过1.5MJ/m3，更优选不超过1.0MJ/m3, 另一方面直到离开废气烧尽区后的该废气温度不得降低到低于1000°C, 优选不得低于980°C,更优选不得低于950。C,也即为了在整体上而且 在特定范围内限制含氮有害物质特别是N20和NH3。这样非常重要的 是，不仅通过合适的措施针对性地控制或调节了废气的热值和温度，而 且也通过该措施有目的地达到均匀化。
一种可能性是在废气烧尽区前喷入气-水混合物。由此导致紧接固定 床燃烧后(在燃烧床上)的废气有目的的热值降低，并同时使燃烧床和废 气烧尽区之间的气体均匀化，即不降低固态燃料本身的热值。喷入优选 通过自由射束(Freistrahl)进行，所述自由射束的特征是一方面较小的 体积流量和另 一方面高的速度。
是对固态燃料本身起作用，也即不仅:热值降低，而i使热值均匀化。、 在燃烧床紧上方区域的废气的高热值与大量氧化氮形成相关联。高 热值的废气成分CnHm(烃)、CO和H2的轴向浓度分布的最大值和该最大 值的宽分布即在炉篦长度上的高的整体平均值引起所述高的NO形成速 率。因此本发明描述了一种合适的技术措施，以降低并均匀化废气燃烧 前的该废气的热值，由此大大缩小分布的最大值和宽度从而使NO-形成 最小化。
如果在炉篦式燃烧装置中进行燃烧工艺，则燃料在作为燃烧床的炉 篦上连续通过分成各个先后设置的总体固定床烧尽区。燃料最先通过的 固定床区提供炉篦的前一半，而继续燃烧的燃料被输送到炉篦后 一半的 后续固定床区，并从那里输送到固态燃烧残渣的出口。其中该固定床烧 尽区设置在燃烧室中，每个燃烧床区均配置有单独的一次气体的输入。
出中进行。水-气体混合物的喷入以自由射束直接喷入进入燃烧室(即在 废气烧尽区之前)的燃烧床表面上方的燃烧气体中，该射束呈轴向穿过 所有燃烧床区，并就在形成后包容和混合燃烧气体。
原则上所有由水或水性溶液与气体组成的混合物如水-空气混合物、 水-废气混合物或水-水蒸气混合物均可用作水的-气混合物。本发明范围 中的水性溶液也可含来自其它净化措施(如来自净化洗涂器)的再循环的
溶解的有害物质。
水_气体混合物可连续或脉沖式喷入，并具有高的速度或脉沖强度，
以致该射束呈轴向穿过横贯全部炉乾区的燃烧床表面上方的气体室。为
产生射束使用双物质喷嘴，射束角小于15。，优选3-10°。
原则上也可将水部分或气体部分分别经各自的单物质喷嘴喷入，这 时鉴于上述的燃烧气体均匀化，要通过相应的喷入设计以确保该两种单 物质射束相互相遇和混合及其与燃烧室中的燃烧气体的相遇和混合。
经射束喷入的水-气体混合物中的气体部分应不超过引入的主要由 一次空气流和二次空气流组合的总燃烧空气量的10%。更高的份额例如 可引发进入废气的粉尘释出率升高。该原则限制也适用于引入的水性部 分质量流量。质量流量越大，那么燃烧气体的冷却越多，并从某一高度 起导致损害废气燃烧或甚至导致其熄灭。由水输入引起的燃烧气体冷却 在产生蒸汽时通常导致废气热的能量利用率降低，因此要保持燃烧气体 的冷却尽可能小。
废气烧尽区的温度应总高于97(TC或在废气烧尽区后高于950°C, 以在燃尽的废气中不出现不理想的有害物质如温室气体N20或初始形
成的,3的逸出。
废气烧尽区后温度低于950°C,随温度的降低会使N20的浓度呈指 数地增加。N20是一种强温室气体，因此应避免。高于950。C也可确保 初始形成的NH3在废气烧尽区中实际上完全分解。
经射束供入的水量优选通过废气烧尽区后的废气中的所需NO-浓 度(如法律规定的限值)，即间接通过燃烧室中废气烧尽区后的燃烧气体 (废气)的平均温度，来决定和调节。废气烧尽区后的废气中的95(TC最 低温度限制了上述水的质量流量。
用于降低废气热值且同时确保上述的最低废气温度的其它替换性 或附加的措施包括以如下方式调节一次气体输入使得在一次烧尽区中
的燃烧化学计算量为0.6-1.2,优选小于1.0，更优选为0.7-0.9。最低燃 烧空气量和一次空气量可由废气组成(如C02、 02、 H20)和废气量近似计算。
备选地，另一个适于上述目的的措施包括在燃烧床中的可针对性调 节和/或控制的输送速度调节装置，其中在前一半炉篦中的输送速度比后 一半炉篦中的输送速度明显高，优选高至少50%，固体(燃料)在炉篦上 的停留时间的分配使炉篦灰的烧尽超过99%。该措施的基本设想是如此
分布:';以使在每个燃烧^;区上的废气都有低的热值。、由:以该措施使高
热值气体的释放在较大炉篦区域分布，以此明显降低在燃烧床上方的轴 向废气热值分布的最大值。高热值气体释放的这种空间扩展已在带有一 次空气输入的燃料床中改进了气体燃尽，这是因为提供了用于氧化的局 部更多的氧(更大的炉篦区-爪3空气/1112炉篦面积=常数)，并由此也使 轴向热值分布的整体平均值下降。
在所有情况下，在燃烧床表面与二次空气加入前之间的废气的低热 值(以通流横截面中废气热值分布的平均值和最大值计)原则上与低NOx 排放值相关联。因此通常力求在二次空气加入前有低的气体热值，单独 或彼此组合使用所建议的上述措施确保了燃烧床的低粉尘释放和优质 的炉渣烧尽和废气烧尽。由此可实现特别低的NOx排放值且不明显增加 N20形成，在二次空气加入时废气烧尽区中的足够高的温度是由无初始 形成的NH3的逸出造成的。
本发明和其有利的改进方案优选满足下列条件范围 一次空气数(化学计算量)调节为小于1.0,优选0.7-0.9,以实现低 的粉尘释放。
如此调节二次气体以使废气烧尽区后与燃料热值/燃料湿度有关 的氧过量保持至少为6%，优选约10%。
燃料在炉乾上的总停留时间如此设定以确保优质的炉渣烧尽， 在前一半炉篦中的输送速度调节到大于在后一半炉篦中的输送速度。
在燃烧室中燃烧气体的轴向混合优选通过低的水/空气量实施，优 选借助于双物质喷嘴以细分散水实施。由液体/气体-混合物组成的自由 射束以高脉冲水平轴向穿过燃烧室(即通常呈水平和经全部燃烧床区延 伸)。由此实现燃烧室中废气的混合和热值下降。 水-气体射束的水量依废气烧尽区后或锅炉后的废气中所推算的
优选所测定的N(X浓度来调节。
最大水量由废气烧尽区后的废气中所推算的优选所测定的950°C 最低温度限定。在废气烧尽区前的温度不得低于970°C。
锅炉下游连接的热量利用装置所需热量的损失在小的水加入条件 下保持在优选小于50 g/Nm3，更优选低于30 g/Nm3的限值内。
下面将以工作实施例和下述附图详述本发明。


图1示出具有4个燃烧床区P!-P4的常规炉篦式燃烧装置的横截面，
图2a-f示出在常规炉蓖式燃烧装置的燃烧床上废气中的02、 C02、 H20、 CO、有机碳化合物(有机碳的总和)和H2的所测定的轴向浓度分布，
图3a和b示出在燃烧床中所测定的氧化氮浓度10与废气热值11 和12(a)和化学计算量17(—次空气数)或炉蓖送进速度18(b)的关系，
图4示出废气中笑气浓度(N20)19和氧化氮浓度(NO) 10的测量值 与来自废气烧尽区的废气排出温度20的关系，
图5示出具有四个燃烧床区和一个双物质喷嘴的炉篦式燃烧装置的 横截面，
图6示出在图5炉篦式燃烧装置废气中于实验活动内所测得的氧化 氮浓度，
图7a和b示出废气中氮浓度和笑气浓度与废气烧尽区后的废气温 度的关系，
图8a-c示出在实验实施例4范围内所测得的氢浓度、氧化氮形成、 笑气形成的分布以及燃烧床上方温度分布与时间的关系。
图1所示的常规炉篦式燃烧装置主要由在燃烧室3中的炉篦2上的 燃烧床1组成，该燃烧室3具有燃料入口 4，炉渣或其它固态燃烧产物 的出口 5(参见燃料输送设备32)以及下游连接于燃烧室的在废气排出中 的废气烧尽区6。该燃烧床1主要由固态燃料组成。燃烧腔3覆盖所有 的燃烧床区PrP4，所述燃烧床区由燃烧床中的燃料依序通过，并总是流 过每个燃烧床区的具有单独的含氧一次气体输入7的炉蓖。P！和P2形成
前一半炉篦，P3和P4形成后一半炉篦。前述的含氧二次气体喷入9在废
气排出中的废气烧尽区6中进行。
固态燃料的燃烧8位置(图1中仅象征性用火焰表示)主要在燃烧床 P2的区域，在燃烧床区PrP4中当然具有不同的燃烧状态，这特别是由 于燃料的燃烧进程和温度造成的。图2a-f示例性给出在PrP4燃烧区绘 制的燃烧床1紧上方的燃烧室3中的废气成分即氧02(a)、二氧化碳C02 (b)、水H20(c)、 一氧化碳CO(d)、有机烃化合物(e)和H2(f)的所测定 的浓度分布。在燃烧时导致挥发性燃料成分特别是烃CnHm (参见图2e)
的干馏。在主燃烧区(燃烧床区P》范围中的废气中的烃浓度是如此之高，
以致局部输入的氧(图2a)不足以产生完全的废气燃尽。这时氧浓度也许
会降低到零。优选在这些位置存在最高浓度的高热值废气成分即CnHm、
CO和氢(图2d, e和f)，并还一起含有初始的含氮物质(NH3、 HCN和 少量的含氮烃)。水(图2c)通过蒸发或干燥或通过烃的部分燃烧形成，优 选出现在该区域并直到主烧尽区由燃烧床流出，并在下一个燃烧床区(P4) 降到最小值。二氧化碳(图2b)在整个燃烧床区中随燃烧形成，其形成约 与烧尽强度成正比。
图3a和b给出在各垃圾燃烧-实验装置(TAMARA)上测得的锅炉后 的废气中的氧化氮浓度IO(单位为mg/Nm3,归一化到11%02)作为与不 同影响因素的函数的特性曲线图。在图3b中的废气烧尽区后(二次空气 加入后)的废气温度在两种情况下均调节到恒定值即约1050。C士40。C。
基于用不同燃烧参数如固态燃料热值、 一 次空气数和炉篦动力学作 的大量实验，图3a示出锅炉后的废气中的氧化氮浓度10(单位为mg /Nm3, 11% 02)作为燃烧床上的废气热值的函数的特性曲线图，既涉及 平均热值Hu平均值ll (MJ/m"即在炉篦长度上的平均值(整体平均值)，也 涉及最大热值Hu最大值12 (MJ/m3)。所有燃烧参数均影响燃烧床上方的轴 向气体热值分布。最大值和气体热值分布的宽度与NOx浓度有关。在低 平均热值和低的最大热值情况下观察到最低的NO值。因此目的在于用 合适的措施调节在燃烧床表面和二次喷入之间的废气中的低的气体热 值。
图3b示出锅炉后的废气中的氧化氮浓度10(单位为mg/Nm3, 11% 02)作为化学计算量(一次空气数17，无量纲)以及在整个炉乾区调节成相 同的炉篦送进速度18(单位为cm /min)(家庭垃圾Hu 7-8 MJ/kg)的函数的 特性曲线图。该特性曲线图也具有明确的最低氧化氮浓度区，与图3a 不同，在所示出的特性曲线图中的氧化氮浓度的增加不呈线性关系，而
是接近指数关系。随化学计算量不断增加会有利地不断降低氧化氮的形 成。但应避免化学计算量超过1.0，这是由于这时在该区域进入废气的 粉尘释出的不合意增加和与其相关的锅炉污染或在除尘器中粉煤灰产 量增加。
图4示出在燃烧时产生的笑气浓度19(N20-形成，单位mg/Nm3, 11% 02)与废气烧尽区后的废气温度20 fC)的关系。在烧尽区后低于约 950°C的限值温度原则上预计笑气浓度明显上升。在为降低含氮有害物 的排放而降低废气热值时，将废气烧尽区后的废气温度调节高于所述温 度限值是有效的，以降低含氮化合物的排放和由此不将在废气或燃料中 所滞留的高含量的结合氮转变成增加笑气排放。
在本发明范围内，通过在同时加入小水滴情况下相应调节来自二次 气体输入9前的燃烧室3中的各燃烧床区(炉篦区)P广P4的空气分布/炉 篦动力学和废气流的轴向混合来降低废气中的气体热值。在技术上可在 图5的工作实施例的范围内进行，其结构在下面方面不同于图1的结构 形式，也即具有射束14的双物质喷嘴13喷入水-气体混合物。该双物质 喷嘴13位于燃烧室3的背面。射束角优选是小的，即小于15°,优选小 于10°。在高压下射入小的空气量物流(最大为废气通过量的10%，在 燃烧床上方的废气通过量例如为400 Nm3/h时通常为12-15 Nm3/h)。通 过由此产生的高脉冲水平(自由射束的质量与速度的乘积)，该自由射束 14穿过燃烧室3,并在二次气体喷入9的情况下导致来自废气烧尽区6 前的范围中的燃烧室内的各燃烧床区或炉蓖区的高热值和低热值气体 的强烈混合。通过来自主燃烧区的无氧和高热值气体与来自主燃烧区前 和后的炉篦区的高氧和低热值气体的混合实现在废气烧尽区前已将高 热值气体成分部分烧尽。该效率与一次空气数和混合效率有关。通过烧 尽增加了火焰腔的温度。用双物质喷嘴13可向燃烧8的区域中再送入 细雾化的水。由此降低废气中的热值，尤其以理想方式降低小水滴的蒸 发焓。同时由此降低废气烧尽区后的温度。
有效混合联合最小的水-气体混合物加入量物流的工艺是通过调节 一次气体化学计算量、炉篦动力学和双物质喷嘴的定位最优化，备选地 也可通过上述的水和气体的单喷嘴或多个各在燃烧室几何形状上的自 由射束喷嘴最优化。
下面用实^^实施例详述本发明。
实-睑实施例1:
本实验实施例的实验用于测算最佳燃烧参数。
实验中在上述垃圾燃烧-实验装置TAMARA中燃烧热值Hu约为7-8 MJ/kg的垃圾。经锅炉后的废气中的氧含量恒定约为10体积％(干燥)， 废气烧尽区后的废气温度也恒定为1050-1100°C。 一次空气的降低通过 相应调高二次空气输入来补偿，后燃烧室后的氧过量保持恒定。实验以 三个不同的炉篦速度进行。结果示于图3b。
随一次空气数17(化学计算量)和/或炉簏送进速度18的增加，废气 中的氧化氮浓度10下降(见图3a),但燃烧床上方的燃烧废气的热值也下 降。由此如一次空气数进一步增加到超过1.0,特别是在大的炉篦送进 速度下不会进一步降低氧化氮形成，但是会造成不合意的高粉尘释入废 气中。因此应避免一次空气数超过1.0。
在全部炉篦区中的高的炉篦送进速度同时也意味固态燃料在燃烧 炉篦上的燃烧床中短的停留时间，由此也会降低炉渣燃尽品质(缺点)。
另 一 些实验表明，有利的低的氧化氮释放速率特别与前 一 半炉篦中 的炉乾送进速度相关联，此时发生挥发性成分和一次含氮化合物NH3 和HCN的释放。炉蓖末端的炉乾速度对NOx形成无影响。后一半炉篦 的炉篦速度特别与炉渣烧尽品质相关联。在后 一半炉篦范围中的燃料随 炉蓖送进速度下降而延长了增加完全烧尽的时间，并由此提高了炉渣的 燃尽品质。
实马全实施例2:
如第一实验实施例，在实验装置TAMARA中进行燃烧。调节燃料 输入以使固体的可燃份额是恒定的，由此离开废气烧尽区后在废气中有 恒定的氧份额即11-11.5体积％(干燥)。
在该实验实施例范围内将固态燃料的热值Hu燃料从12 MJ/kg降到6 MJ/kg是通过燃料湿化达到的。恒定输送可燃成分(恒定的碳输送)通过 相应地湿度增加提高燃料计量加入来补偿。 一次空气数调为恒定在约 1.0,在所有燃烧床区的炉篦送进速度也调到10cm/min。
在垃圾中湿度增加的情况下固体燃烧在炉篦较大区域中进行并依 物流方向推进。同时火焰温度随燃料热值Hu燃料的下降而降低。燃烧床
上方的废气的热值Hu ^平行下降(轴向分布的整体平均值和最大值)。
测得的离开废气烧尽区后的废气中的笑气浓度19 (N20)和氧化氮浓度 10与在相同位置所测得的废气温度20的关系示于图4中。废气烧尽区 后的废气的温度随水引入的增加而下降。正如所料，这使NOx形成(氧 化氮浓度10)明显降低。但低于约95(TC时，导致笑气浓度19不合意的 明显上升。此外，燃料湿化原则上延长了在炉乾上的燃料燃尽时间。炉 渣的品质也由于在高燃料湿度下燃烧床中的低的温度而下降。因此燃料 湿化是不值得推荐的。
由于废气烧尽区后的废气中的温度低于小于95(TC而引起NOx形成 减少以大大增加N20的形成为代价。由此要避免废气烧尽区后的废气中 的温度低于950°C。
实^^实施例3:
在上述实验装置TAMARA中燃烧家庭垃圾
图6示出在该实验活动(Versuchskampagne )中以实^^测得的燃烧 室后废气中的氧化氮浓度IO(NO)和氧浓度15 (02)。燃料加入为200 kg/ h(家庭垃圾Hu-9-10MJ/kg),废气流为1000Nm3/h。 一次空气的化 学计算量为约0.9，炉篦速度约为10cm/min。在基本状态A中，该燃 烧装置在燃烧室不喷入水-气体混合物下运行，即相应于图1的装置。状 态B和C是通过双物质喷嘴仅喷入空气，在4bar下为12Nm3/h(B), 以及在5bar下为15Nm3/h(C),其相应于总废气流量的约1.5%。通过 这些措施已观察到降低的氧化氮的形成，其数量级约为17% (从约300 到约250 mg/Nm3NO)，压力值和空气量(在上迷参数范围内)对该值影响 很小。这里和在整个活动中的恒定的氧量可推论出，特别是通过轴向涡 流和由此通过上述燃烧床区的燃烧气体的均匀化使氧化氮形成降低。
但通过附加喷入水(参见图5)可使氧化氮形成速率明显降低，尤其 是与起始状态A相比可降低达66% (从约300 mg/Nm3 NO到约100 mg/Nm3 NO)。基于状态B的空气喷入参数(4 bar下为12 NmVh)，经双 物质喷嘴附加喷入20升/h(状态B)、 30升/h(状态E)、 40升/h(状态F) 以及50升/h (状态G)的水。同时将废气烧尽区后的废气温度从高于 IOO(TC降到低于900°C。在仍然不变的氧浓度下随增加水量氧化氮形成 率不断下降，随绝对水量增加的下降步幅越来越小。这表明在NO降低
方面仍有的少量增加是以相对高的能量损失作为代价。用重复中断自由
射束和在间歇期间调节状态A可证实这种减少措施的可再现性(参见图 6)。从状态B到状态D-G的氧化氮形成的进一步降低也仅归因于在通过 水计量加入的同时混合(这里不是固态燃料)引起的废气的热值下降。
水计量加入优选通过氧化氮浓度来调节。为避免废气中太高的能量 损失(限制下游连接的热量利用装置)，废气中的水计量加入小于50 g/m3,优选小于30g/m3。
在用双物质喷嘴加入高的水量时(参见添加水的测量值21)，发生温 度降低，与不加水的测量值相比(参比测量值22), NOx形成剧烈下降(参 见图7a中与废气温度20相关的氧化氮浓度10)。废气烧尽区后(也即锅 炉后)的废气中的水含量增加了最多50 g/Nm3，相反废气烧尽区后的温 质下降。如也在图7b中所示，在废气烧尽区后高于95(TC未观察到N20 形成(笑气浓度19)。低于95(TC时的>120形成仅与废气温度20有关而与 水含量本身无关。氧化氮形成趋势随温度降低而减少。与参比调节相比， 优选用双物质喷嘴的混合和加水同时调节废气烧尽区后的废气温度原 则上产生较低的氧化氮浓度(参见图7a)。其原因在于降低了废气烧尽区 前的燃烧床上方的气体热值。
按第17. BImSchV (联邦排放保护规定)，允许排放的限值为200 mg/Nm"在11%02的基准氧含量下以N02计算)，用所提供的方法可明 显低于该值。未检测到废气烧尽的恶化，这可通过CO-测量来证实。其 测量值总是恒定在约1 mg/Nm3范围。二次空气加入前废气温度高于 970。C和二次空气加入后温度高于950。C时，未4全测出N20。
所述的措施应与减少氧化氮的其它措施相组合，例如通过改变一次 空气/二次空气的分布(参见[2]和[3])。非常有利的是高的一次空气量(一 次空气化学计算量为0.6-1,优选0.7-0.9)与高的燃烧床输送速度(即高于 上述的10cm/min)相组合。仅通过组合该两参数可在不降低废气焓的能 量利用情况下使NO浓度从约280 mg/Nm3降到约150 mg/Nm3 (即NO降 低大于45%)(对于低热值家庭垃圾，Hu = 7-8 MJ/kg)。
其它实验表明，高的固定床输送速度(即大于所述的10cm/min)仅在 前一半炉篦区是需要的。后面的炉篦区可相应较慢运行，以为炉篦灰中 的残余碳的烧尽提供足够的时间。实马全实施例4:
在该实验实施例范風内，在实验装置TAMARA中于一次空气数约 为0.65和废气(锅炉后)中的氧含量恒定在约10体积％(干燥)的条件下燃 烧家庭垃圾(Hu二7MJ/kg)。与前述实验实施例不同，其各炉篦区的炉篦 速度是不同的；在燃烧床区Pi和P2 (前一半炉篦)是恒定在22 cm/min, 在后一半炉篦中随着各燃烧床区逐步下降(P3: 11 cm/min,P4: 5 cm/min)。 在上述燃烧床区P!-P4中的固态燃料的相对停留时间依序为12%、 12%、 24%、 52%。通过该运行参数，由于上述的通用关系已实现了低的氧化 氮形成值即废气烧尽区后测量约为150 mg/Nm3，还实现优质的烧尽炉 渣。
图8a和b示出在钟表时间23范围内的所测定的氧化氮浓度10 (单 位为mg/Nm"和水浓度25 (单位是g/Nm"(图8a)以及笑气浓度19 (单位 为mg/Nm"和温度24 (单位为。C)(图8b)。约9点20分开始经双物质喷 嘴导入水/气体射束，总明显看出在氧化氮浓度分布26和温度分布27 (离 开废气烧尽区后)和废气烧尽区前的温度分布28中出现跳跃式下降29。 不同的是，废气中废气湿气分布30由于小的喷入水量仅有小的上升。 调节时废气烧尽区前的温度调到约1030°C，废气烧尽区后的温度调到约 950°C。
图8c还示出在各燃烧床区P^P4中燃烧床上方的轴向温度分布，其
按实验钟表时间23绘制。各以其温度绘出等温线。燃烧床的后一半炉 乾上方的温度开始时和喷入33时有明显上升。该效应对炉渣品质是有 利的。
通过安装的双物质喷嘴引入的水量由锅炉后(即废气烧尽区后)的废 气中的氧化氮测量调节。调节回路如此设计，以使最大水量通过在燃烧 室中的最低温度950。C (参见图8b中的温度分布27)限制。调节的额定 值设定为40 mg/Nm3 (参见图8a中的氧化氮浓度分布16)。 一旦开始调 节，该氧化氮值自发下降(参见阶梯式下降29)。该状态的保持4小时以 上。废气湿度(分布30)的平均增加是非常低的，平均约为25g/Nm3。在 调节期中的废气湿度的波动是由于所调节的调节参数(PID-调节器)和燃 料热值的短时间波动所引起，对能量利用的效率和N0X的降低效率无明 显影响。所达到的极低氧化氮值可与昂贵的SCR方法相当，并远低于规 定限值。
如果接近950。C-限制的温度分布27,则出现2-3 mg/NmS的痕量浓 度(参见周8b:笑气浓度分布31)。但在所述实验中所测定的最大笑气浓 度仍在检出限值范围内，并且是可忽略的。
通过在二次空气加入前在燃烧室中混合燃烧气体，虽然在后一半炉 蓖区中的燃烧床上方加水和由此在燃烧床的后面范围的燃烧床中产生 较高的气体辐射，但气体温度也明显增加。由此在这里炉渣经优良烧结 并由此惰性化，以致该残余物可有利地用作建筑添加料而无需复杂的因 而昂贵的后处理。因此这种在废物燃烧中的有利的副效应是有优点的。
在炉渣中的特别是碳(TOC)、氯化物及硫酸盐的浓度通过燃烧室 和后面燃烧床区的炉渣床中的温度升高而明显降低，这也有利地降低了 炉渣中的PCDD/F形成速率。
参考文献 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
标号表
1燃烧床
2炉篦
3燃烧室
4入口
5出口
6废气烧尽区
7一次气体力口入
8燃烧，火焰
9二次气体喷入
10氧化氮浓度
11平均热值
12最大热值
13双物质喷嘴
14射束，自由射束
15氧浓度
16实验时间
17一次空气数
18炉篦送进速度
19笑气浓度
20废气烧尽区后的废气温度
21有水加入情况的测量值
22参比测量值
23钟表时间
24温度
25水浓度(干燥)
26氮浓度分布
27离开废气烧尽区后的温度分布
28废气烧尽区中的温度分布
29阶梯式下降
30废气湿度分布31 笑气浓度分布
32 燃料输送设备
33 喷入
权利要求
1. 一种用于减少两阶段燃烧工艺废气中一次侧氧化氮(NOx)形成并同时减少/避免氧化二氮(N2O)和氨逸出(NH3)的方法，该两阶段燃烧工艺包括由含氧的一次气体流过的具有固定床烧尽区的燃烧床和下游连接的其中另外引入含氧的二次气体的废气烧尽区，其特征在于，降低燃烧床表面和废气烧尽区前之间的废气的热值，废气中的平均热值调节为小于1MJ/m3，加入二次气体前废气中的废气温度至少为970℃，离开废气烧尽区后的废气中的废气温度至少为950℃，以及在后一半炉篦的燃烧床上方废气中的废气温度为至少1000℃。
2. 权利要求l的方法，其特征在于，所述燃烧工艺在炉篦式燃烧装 置中进行，该装置包括具有先后设置的多个燃烧床区的燃烧床的燃烧 室，燃烧床区均具有单独一次气体输入。
3. 权利要求1或2的方法，其特征在于，废气烧尽区前的废气的热 值降低是通过将一个或多个水-气体射束与燃烧床上方的和二次气体输 入前的来自各燃烧床区产生的废气分流相混合实现的，其中在燃烧室中 的水/气体射束呈轴向穿过所有燃烧床区。
4. 权利要求3的方法，其特征在于，所述水-气体射束由水-空气混 合物、水-废气混合物或水-水蒸气混合物组成。
5. 权利要求3或4之一的方法，其特征在于，所述射束借助于双物 质喷嘴以小于15。的喷射角产生。
6. 权利要求3-5之一的方法，其特征在于，通过射束送入的气量不 超过总燃烧空气量的10%。
7. 权利要求3-5之一的方法，其特征在于，经水/气体射束送入的水 量由所要求的废气烧尽区后废气中的NO浓度确定，并受限于废气烧尽 区后的废气中的最低温度950°C。
8. 上述权利要求之一的方法，其特征在于，废气烧尽区前的废气的 热值降低通过以如下方式调节 一次气体输入进行使得固定床烧尽区中 的化学计算量调节为小于1。
9. 权利要求8的方法，其特征在于，所述化学计算量优选调节为 0.7-0.9。
10. 上述权利要求之一的方法，其特征在于，废气烧尽区前的废气 的热值降低通过调节燃烧床中的输送速度进行，在前一半炉蓖中的输送 速度比后一半炉篦中的输送速度高至少30%,优选50%,固体在炉篦上 的总停留时间如此设定以确保炉篦灰以低于1%的残余碳浓度实现足 够高的烧尽。
全文摘要
本发明涉及一种用于在两阶段燃烧工艺废气中减少一次侧氧化氮(NO_x)形成并同时避免氧化二氮(N₂O)和氨-逸出(NH₃)以及改进炉渣品质的方法，包括燃烧床上方的其中流过含氧的一次气体的固定床烧尽区和下游连接的其中另外引入含氧的二次气体的废气烧烬区。本发明的目的提供一种既简单又能可靠控制方法，用于在工业燃烧装置例如具有显著提高效率的炉箅式燃烧装置中减少一次侧的氧化氮形成，其中不形成其它有害物质或对燃烧气体焓的能量利用仅受低微影响。此目的通过以如下方式降低燃烧床表面和废气烧烬区前之间的废气的热值实现使得废气中的平均热值小于1MJ/m³，燃烧床表面至离开废气烧烬区的该废气温度至少为950℃，在后一半炉箅区域中的燃烧床上方的气体温度大于1000℃。
文档编号F23G5/50GK101379347SQ200780004852
公开日2009年3月4日 申请日期2007年1月18日 优先权日2006年2月7日
发明者H·孔辛格 申请人:卡尔斯鲁厄研究中心股份有限公司