Low-NO X -Brenner

Low-NO_X-Brenner haben einen hohen Entwicklungsstand erreicht, aber weitere Verbesserungen bedingen fortwährende Tätigkeiten, und ein beträchtlicher Forschungsaufwand ist der Fortentwicklung bestehende Low-NO_X-Brenner-Systeme zu widmen. Da die Konstruktion von Low-NO_X-Brenner-Systemen sich im Einzelnen von Hersteller zu Hersteller wesentlich unterscheidet, wird hierin nur grundsätzlich darauf eingegangen.

In konventionellen Feuerungsanlagen wird die Kombination aus Brennstoff und Luft/Sauerstoffgemisch vollständig an ein und derselben Stelle eingeblasen. Die dabei entstehende Flamme besteht aus einer heißen, oxidierenden Primärzone am unteren Ende der Flamme, und einer kühleren Sekundärzone an der Flammenspitze. In der Primärzone wird das meiste NO erzeugt, das exponentiell mit dem Temperaturanstieg wächst, während die Sekundärzone einen ziemlich geringen Anteil daran hat.

Mithilfe von Low-NOX-Brennern (LNB) wird die Luft- und Brennstoffzufuhr modifiziert, um den Mischvorgang zu verzögern, den verfügbaren Sauerstoff zu reduzieren und die Spitzentemperatur der Flamme zu senken. LNB verzögern die Umbildung von Brennstoff gebundenem Stickstoff zu NOX sowie die Bildung

von thermischem NOX bei Wahrung hoher Verbrennungseffizienz. Der Druckabfall in den Luftkanälen wird stärker, was höhere Betriebskosten nach sich zieht. Die Kohlemahlung beispielsweise muss gewöhnlich verbessert werden, was wiederum zu erhöhten Betriebs- und Wartungskosten führen kann. Auch könnten Korrosionsprobleme entstehen, insbesondere bei fehlerhafter Verbrennungssteuerung.

Als Mindestanforderung der Low-NO_X-Feuerungtechnik müssen die Brenner geändert und das Oberluft-Verfahren (OFA) eingesetzt werden. Sind die vorhandenen Brenner von konventioneller Art, so kann eine Brennermodifikation fast stets sehr kostengünstig erfolgen. Handelt es sich bei den Brennern um Low-NOX -Brenner mit verzögerter Verbrennung (älterer Typ), so kann nur von Fall zu Fall bewertet werden, ob die Umrüstung zu Low-NOX-Brennern mit schneller Einblasung vorteilhaft ist.

Die Kosten für Low-NO_X-Brenner mit OFA in einer 250 MW_th-Anlage betragen ca. 1,7 Mio EUR bei einem festbrennstoffbefeuertem Dampfkessel. Bei kohlebefeuerten Dampfkesseln liegt der Preis für NO_X-Minderung bei etwa 500 EUR pro Tonne vermindertem NO_X.

Entsprechend den unterschiedlichen Prinzipien zur Verminderung der NOX-Bildung wurden die Low-NOX -Brenner als luft- und brennstoffgestufte -Brenner mit Abgasrückführung entwickelt.

3.4.1.6.1 Luftgestufte Low-NOx-Brenner

Im Luftstufungsprozess wird die Primärluft mit der gesamten Brennstoffmenge vermischt, wodurch eine brennstoffreiche Flamme erzeugt wird, die sowohl durch relativ niedrige Temperatur als auch durch ein Sauerstoffdefizit gekennzeichnet ist; unter diesen Bedingungen wird die Bildung von Stickstoffoxiden verhindert. Das Luft-Gas-Gemisch und die “Sekundärluft” erzeugen, wie Abbildung 3.24 zeigt, eine substöchiometrische Verbrennungszone (Primärflamme). Eine interne Rückführzone wird durch die wirbelnde

“Sekundärluft” und die konische Brenneröffnung erzeugt, wodurch sich der Brennstoff schnell aufheizt. Der Wirbel der Sekundärflamme ist für die Flammenstabilität notwendig. Die flüchtigen Verbindungen werden in der Primärflamme zusammen mit einem bedeutenden Teil der Stickstoffverbindungen freigesetzt. Aufgrund der Sauerstoffatmosphäre und einer hohen Konzentration von CO ist die Oxidation der Stickstoffverbindungen zu NO begrenzt. Zusammen mit der “Sekundärluft” bildet sich eine Ausbrandzone, in der unverbrannter Brennstoff bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen langsam verbrennt. In dieser Phase ermöglicht die geringe O2 -Konzentration eine NOX-Minderung.

Abbildung 3.24: Vergleich zwischen konventionellen luftgestuften und modernen luftgestuften Low-NOX-Brennern Hinweis: UBC = unverbrannter Kohlenstoff

[136, Fortum, 2002]

Secondary air Sekundärluft;

Primary air+coal Primärluft + Kohle;

Coal stream Kohlestrom;

Flame stabilization ring Flammenstabilisierungring;

Devolatalization zone Entgasungszone;

PC concentrator PC-Konzentrator;

Main vortex Hauptwirbel;

Poor flame ignition schlechte

Flammenentzündbarkeit;

Poor flame stability schlechte

Flammenstabilität;

High NOx hoher NOx-Anteil;

High UBC hoher Anteil an unver-branntem Kohlenstoff;

Vigerous combustion zone Zone lebhafter Verbrennung;

Primary air Primärluft;

Secondary air Sekundärluft;

Tertiary air Tertiärluft;

NOx reduction zone NOx-Minderungszone;

Rapid ignition by using FSR Schnellzündung mittels FSR.

3.4.1.6.2 Low-NOX-Brenner mit Abgasrückführung

Bei Festbrennstoffen und Flüssigbrennstoffen mit einem Stickstoffgehalt zwischen 0,3 und 0,6 Gew-%

überwiegt Brennstoff-NO gegenüber thermisch erzeugtem NO (i.d.R. 75 % Brennstoff-NO). Daher muss neben der Senkung der Flammentemperatur, die auf das thermisch erzeugte NO wirkt, gleichfalls der Sauerstoffgehalt vermindert werden, ohne dass mehr unverbrannter Kohlenstoff erzeugt wird. Als Lösung dafür wurde eine Technik mit getrennten Flammen und interner Abgasrückführung entwickelt. Durch Einblasen eines Teils des Abgases in die Verbrennungszone oder Verbrennungsluftzugabe werden sowohl die Flammentemperatur als auch die Sauerstoffkonzentration verringert, was verminderte NOX-Bildung ermöglicht.

Abbildung 3.25: Gas/Öl-Low-NOX-Brenner mit Abgasrückführung [32, Rentz, et al., 1999]

Secondary air Sekundärluft;

Flue gas Abgas;

Secondary flame Sekundärflamme;

Primary flame Primarflamme;

Flue gas separation layer Abgastrennzone;

internal circulation interne Zirkulation Die Grundfunktion ähnelt der des luftgestuften Low-NOX-Brenners, doch die Abstände zwischen den Primär- und den Sekundärdüsen sind größer, sodass sich eine Abgasschicht bildet. Bei diesen Brennern werden 15-25 % des heißen Abgases intern zusammen mit der Verbrennungsluft in die Ausbrandluft zurückgeführt. Das Abgas wirkt als Verdünnung, indem es die Flammentemperatur und den Sauerstoffpartialdruck senkt und somit die NOX-Bildung vermindert. Die interne Rückführung wird allgemein bei Feuerung von Flüssigbrennstoff und bei der neuesten Generation kombinierter Gas- und Öl-Low-NOX-Brenner angewandt.

3.4.1.6.3 Brennstoffgestufte Low-NOX-Brenner (LNB)

Der Zweck brennstoffgestufter Brenner ist die Verminderung bereits gebildeten NOX durch teilweise Zugabe des Brennstoffs in einer zweiten Stufe.. Brennstoffgestufte LNB werden vorrangig bei Gasbefeuerung eingesetzt.

Diese Technik beginnt mit der Verfeuerung eines Teils des Brennstoffs mit viel Überschussluft, wodurch vergleichsweise niedrige Flammentemperaturen ermöglicht und die Bildung von Stickstoffoxiden verhindert werden. Die interne Rückführungszone und die annähernd stöchiometrische Verbrennung sichern die Stabilität der Flamme. Vor Ende der Verbrennung in der Primärzone wird zusetzlicher Brennstoff (als Optimum zwischen 20 und 30 %) in einem gewissen Abstand hinter der Primärflamme eingeblasen und bildet die Sekundärflamme, die stark unterstöchiometrisch ist. Es entsteht eine Atmosphäre, in welcher das bereits gebildete NO_X durch NH₃-, HCN-, und CO-Radikale zu N₂ reduziert werden kann. Die Ausbrand-Zone wird in einer dritten Stufe gebildet. Die Flamme dieses Brennertyps ist ungefähr 50 % länger als die eines Standardgasbrenners.

Abbildung 3.26: Brennstoffstufung am Brenner [32, Rentz, et al., 1999]

Burn-out zone: Ausbrandzone;

Secondary flame: Sekundärflamme;

Primary zone: Primärzone;

Internal recirculation zone: interne Rückführzone Primary zone: Primärzone;

Primary air: Primärluft;

Ignition flame stability: Zündflammen-Stabilität;

Reducing atmosphere: Reduzierende Atmosphäre;

Slow burnout with low oxygen content:

Langsames Ausbrennen mit geringem Sauerstoffgehalt;

Flue gas: Abgas.

3.4.1.6.4 Low-NOX-Brenner der neuen Generation

Bei den neuesten LNB-Konstruktionen (als ‘hybride Low-NO_X-Brenner’ bezeichnet) wird eine Kombination aus Luftstufung, Brennstoffstufung und Abgasrückführung in Verbindung mit neuen Techniken verwendet, um geringste NOX-Emissionen zu erzielen. Ein Nachteil der ersten Generation von Low-NOX-Brennern ist der benötigte Platz, um die Flammentrennung zu ermöglichen: der Durchmesser von Low-NOX-Flammen ist ca. 30 bis 50 % größer als der konventioneller Flammen. Um diese Einschränkung zu beseitigen sowie den NOX -Ausstoß zu mindern, wurde ein neuer Brenner entwickelt, als Kombination aus separaten Flammen und Luftstufung. Diese Luftstufung erfolgt, indem 30-40 % der Verbrennungsluft über Düsen direkt in jede elementare Flamme eingeblasen wird. Der erzeugte Wirbel im Brenner wird ausgenutzt, um “Verluste” von Verbrennungsluft zu vermeiden, die zuvor zwischen den gezündeten Flammen wirkungslos vorbeiströmte , nun aber genau zu ihrem Bestimmungsort geleitet wird. Das trägt zu verbesserter NOX-Minderung bei, ohne den Anteil unverbrannten Kohlestoffs zu erhöhen. Ferner besitzen die Sekundärluftstrahlen ein größeres Impulsvermögen, wodurch jede Flamme sich um die Brennerachse “schließt” und dadurch den Flammendurchmesser reduziert auf eine Länge, die vergleichbar ist mit einer konventionellen, kompakten Flamme. Darum kann dieser Low-NOX-Brennertyp nachträglich in bestehende Anlagen integriert werden.

Low-NOX-Brenner verkörpern in vielen Bereichen den Stand der Technik, doch sind recht wenige Informationen über ihren Einbau und Erfahrungen ihrer Anwendung verfügbar, sodass gegenwärtig nur allgemeine Hinweise möglich sind. Ferner sind bei neuen Anlagen die Zusatzinvestitionen für einen Low-NOX -Brenner im Vergleich zu konventionellen -Brennern unerheblich. Bei Nachrüstungsmaßnahmen müssen mögliche Modifikationen an der Anlage berücksichtigt werden, die häufig anlagenspezifisch und daher nicht allgemein quantifizierbar sind. Die nötigen Zusatzkosten des Betriebs von Low-NO_X-Brennern ergeben sich großenteils durch zusätzlichen Energieverbrauch aufgrund

• benötigter größerer Gebläse, da in den Brennern höhere Druckverluste auftreten;

• der Notwendigkeit einer verbesserten Kohlemahlung, um eine effiziente Verbrennung bei verringerter Luftzufuhr an den Brennern zu erhalten.

Momentan stellen trockene Low-NOX-Brennkammern den Stand der Technik im Hinblick auf große erdgasbefeuerte Gasturbinen [32, Rentz, et al., 1999] dar. Sie sind im Kapitel 7 detailliert beschrieben.

3.4.1.7 Allgemeine Leistungsdaten der Primärmaßnahmen zur Verminderung von NOX-Emissionen

Geringe Überschussluft 10-44 % Alle Brennstoffe

• unvollstän-diger Ausbrand

• NOX-Minderung hängt stark vom Emissionsniveau der Anlage ohne Minderungsmaßnahmen ab.

• Es kann nötig sein, den Brennerraum, die Mühlen und den Luftvorwärmer abzudichten, um die Feuerung mit geringer Überschussluft zu ermöglichen.

Brenner

• Probleme sind möglich bzgl. Beibehaltung der Brennstoffzufuhr, weil die Feuerung mit derselben Menge thermischer Energie mit weniger Betriebsbrennern versorgt werden muss.

vertikale

‘BBS’ und ‘OFA’ • Für Oberluft-Retrofit bei bestehenden Kesseln sind Änderungen an den Kesselwandrohren nötig, um Einlassöffnungen für

Sekundärluft zu installieren.

• NOX-Minderung zwischen 10-40 % ist möglich bei Wandfeuerungen unter Anwendung von OFA.

Abgasrückführung

20-50 %

<20 % bei kohlebefeuertem Kessel und 30-50 % bei Gasfeuerungenkombiniert

mit Oberluft

Alle Brennstoffe • Flammen-Instabilität

• Nachrüstung an bestehendem Kessel mit Abgas-Rückführung erzeugt Anpassungsprobleme, meistens aufgrund von Effizienzverlust bei Kesseln und Brennern, außer bei Rückführung sehr geringer Mengen von Abgas.

• Diese NOX -Minderungsmaßnahme kann für Nachrüstung verwendet werden in Kombination mit Luftstufung

• Rückführung von Abgas führt zu zusätzlichem Energie-verbrauch wegen des Rezirkulationsgebläses.

Reduzierte

Luftvorheizung 20-30 %

Ungeeignet für kohlebefeuerte

Schmelzkammer-Kessel

• Der Grad der erreichbaren Emissionsminderung hängt größtenteils von der anfänglichen Luftvorwärmtemperatur und der Temperatur ab, die nach Durchführung dieser Maßnahme erreicht wird.

* Hinweise:

• Falls verschiedene Primärmaßnahmen zur Verminderung von Stickstoffoxidemissionen kombiniert werden, kann die Minderungsrate allgemein weder addiert noch multipliziert werden. Die kombinierte Minderungsrate ist abhängig von mehreren ortsspezifischen Faktoren und muss je nach Anlage bewertet werden.

• Nicht alle Primärmaßnahmen können für alle bestehenden Dampfkessel angewandt werden; das ist abhängig von der Feuerungskonfiguration und dem Brennstoff.

• Bei neuen Anlagen sind Primärmaßnahmen bereits als Teil ihrer Originalkonstruktion integriert.

Tabelle 3.11: Allgemeine Leistungsdaten von Primärmaßnahmen zur Verminderung von NOX-Emissionen [33, Ciemat, 2000]

Im Dokument Integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung (IVU) Merkblatt über beste verfügbare Techniken für Großfeuerungsanlagen Juli 2006 mit ausgewählten Kapiteln in deutscher Übersetzung (Seite 144-148)