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DE69209340T3 - Verbrennungsverfahren zum gleichseitigen Regeln von Stickstoffoxiden und Produkte von unvollständiger Verbrennung - Google Patents

Verbrennungsverfahren zum gleichseitigen Regeln von Stickstoffoxiden und Produkte von unvollständiger Verbrennung

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DE69209340T3
DE69209340T3 DE69209340T DE69209340T DE69209340T3 DE 69209340 T3 DE69209340 T3 DE 69209340T3 DE 69209340 T DE69209340 T DE 69209340T DE 69209340 T DE69209340 T DE 69209340T DE 69209340 T3 DE69209340 T3 DE 69209340T3
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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Verbrennungsvorgänge und ist insbesondere für die Verbrennung von Abfallstoffen, wie beispielsweise Sondermüll, einsetzbar.
  • GB-A-2 064 735 offenbart einen Verbrennungsprozeß, bei welchem brennbares Material in einer ersten Verbrennungszone unter pyrolytischen Bedingungen ausgebrannt und entgast wird. Unvollständig verbrannte Gase und im Gas mitgeführte Partikel werden durch einen oberen Durchlaß von der ersten Verbrennungszone in eine zweite Verbrennungszone transferiert, während der Rest des brennbaren Materials durch einen unteren Durchlaß von der ersten in die zweite Verbrennungszone transferiert wird. Durch die Anordnung des oberen Durchlasses wird eine Umwälzgasbewegung innerhalb der zweiten Verbrennungszone bewirkt, wobei in die zweite Verbrennungszone eintretende Gase sich entlang eines wendelförmigen, nach unten gerichteten Wegs bewegen, während sie verbrannt werden und Wärme zum Schmelzen von in dem unteren Teil der zweiten Verbrennungszone vorhandenen Material liefern. Luft oder Sauerstoff wird der zweiten Verbrennungszone durch Bodendüsen zugeführt, um eine Dekarborisierung der Schmelze zu bewirken. Zusätzliche Wärme kann dem unteren Teil der zweiten Verbrennungszone mittels eines Gasbrenners zugeführt werden, welcher nahe dem Boden der zweiten Verbrennungszone vorgesehen ist. Eine dritte Verbrennungszone erstreckt sich von dem oberen Ende der zweiten Verbrennungszone aus, wobei die dritte Verbrennungszone mit Düsen zur Zufuhr von Luft, Sauerstoff oder Wärme versehen ist, um die Temperatur der leichten Komponenten, welche die zweite Verbrennungszone verlassen, weiter anzuheben und für ein abschließendes Ausbrennen zu sorgen.
  • US-A-3 547 056 offenbart ein Verbrennungssystem mit einer ersten und einer zweiten Verbrennungskammer, welche mittels eines Venturihalsteils verbunden sind. Brenner mit Brennstoff- und Luftzufuhr werden sowohl für die Primär- als auch für die Sekundär-Verbrennung verwendet. Bei einer Ausführungsform von US-A-3 547 056 sind zwei Brennerdüsen innerhalb der ersten Verbrennungskammer angeordnet, wobei eine dieser Düsen ausgerichtet ist, um den Ausstrom daraus gegen Abfallmaterial zu richten, welches in der ersten Verbrennungskammer verbrannt wird, während die andere Düse so positioniert ist, daß der Rand eines Luft/Brennstoff-Strahls, der durch die Düse freigesetzt wird, im wesentlichen dem Venturihalsdurchmesser entspricht, um auf diese Weise Gase und Partikelmaterial durch den Hals und in die zweite Verbrennungskammer zu pumpen. Luft wird durch eine Öffnung in einer der Endwände der ersten Verbrennungskammer ebenfalls in die erste Verbrennungskammer eingeführt.
  • Der Venturihals bildet den einzigen Einlaß in die zweite Verbrennungskammer. Bei einer weiteren Ausführungsform von US-A-3 547 056 ist ein erster Brenner in der ersten Verbrennungskammer angeordnet, und ein zweiter Brenner ist in der zweiten Verbrennungskammer angeordnet. Im Hinblick auf die Tatsache, daß bei dem Prozeß gemäß US-A-3 547 056 Luft als das Oxidationsmittel verwendet wird, wird eine relativ große Menge an nicht produktivem Stickstoff durch das Verbrennungssystem geleitet, wodurch die Effizienz des Systems belastet wird.
  • Bei einem anderen Abfallverbrennungsanlage, die in dem Artikel "Sauerstoffanwendung bei der Verbrennung von Faßware in Sonderabfall-Entsorgungsanlagen, WLB Wasser, Luft und Boden 5/1990" und ebenso in der Publikation "GVC VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, Entsorgung von Sonderabfällen durch Verbrennung, 1989" beschrieben ist, wird Material in einer ersten Verbrennungszone verbrannt, und bei dieser Verbrennung entstehendes gasförmiges Abgas wird in eine zweite Verbrennungszone übergeleitet. Der zweiten Verbrennungszone wird Sauerstoff in einer Richtung im wesentlichen transversal zu der zweiten Verbrennungszone und im wesentlichen senkrecht zu dem Strom der Verbrennungsprodukte in der zweiten Verbrennungszone zugeführt.
  • EP-A-0 426 471 (ein Dokument gemäß Artikel 54(3) EPÜ) offenbart eine Abfallverbrennungsvorrichtung mit einer ersten Verbrennungskammer zur Aufnahme von Abfallmaterial, welches zur Erzeugung von Verbrennungsgasen verbrannt werden soll, sowie mit einer zweiten Verbrennungskammer, in welche diese Verbrennungsgase von der ersten Verbrennungskammer transferiert werden. Die zweite Verbrennungskammer weist einen Luftmischabschnitt mit einer Luftmischanordnung zur Zufuhr von Außenluft auf, und eine Mehrzahl von Brennern ist in solch einer Weise angeordnet, daß die von dem Brenner ausgehenden Flammen einen Wirbel bilden, um das Mischen und Verbrennen der Verbrennungsgase zu unterstützen.
  • Bei der Verbrennung von brennbarem Material, wie beispielsweise bei der Verbrennung von Sondermüll, ergibt sich oft dort ein Problem, wo das Material nicht vollständig verbrannt wird. Diese Situation tritt typischerweise aufgrund der stark unterschiedlichen Natur des für die Verbrennung zugeführten brennbaren Materials auf. Wenn Material mit einem hohen Heizwert pro Volumeneinheit in die Verbrennungszone zwecks Verbrennung eingeführt wird, ist der der Verbrennungszone zugeführte Sauerstoff möglicherweise nicht für die vollständige Verbrennung des Materials ausreichend. Ferner ist die Verbrennungsreaktion unvollständig, falls die brennbaren Stoffe, wie beispielsweise Abfallstoffe, mit dem der Verbrennungszone zugeführten Sauerstoff nicht gut durchmischt sind oder falls kalte Zonen in der Verbrennungszone auftreten. Dies führt zu der Erzeugung von Produkten unvollständiger Verbrennung (PIC), welche nicht nur stromabwärtige Reinigungsschritte erschweren, sondern auch toxische oder anderweitig gefährliche Verbindungen aufweisen können, welche in die Atmosphäre freigesetzt wer den können, wodurch sich ein potentielles Gesundheitsrisiko für die Bediener und die lokale Bevölkerung ergibt.
  • Die Fachleute gingen dieses Problem dadurch an, daß zusätzlicher Sauerstoff in die Verbrennungszone injiziert wird, wenn sich zeigt, daß PICs in übermäßiger Menge erzeugt werden. Der Sauerstoff kann in die Verbrennungszone in Form von Luft, mit Sauerstoff angereicherter Luft oder technisch reinem Sauerstoff injiziert werden. Je höher die Sauerstoffkonzentration des zur Bewältigung der PIC-Probleme in die Verbrennungszone injizierten Oxidationsmittels ist, umso geringer ist die Menge an nicht produktivem Stickstoff, welcher in die Verbrennung geleitet wird, was die Effizienz des Systems verringern würde, und somit wird ein Oxidationsmittel mit einer höheren Sauerstoffkonzentration bevorzugt. Unglücklicherweise ist jedoch die Tendenz der nachfolgenden Verbrennung, Stickoxide (NOx) zu bilden, welche selbst unerwünschte Verunreinigungen aus dem Verbrennungsprozeß darstellen, umso größer, je höher die Sauerstoffkonzentration des Oxidationsmittels ist. Deshalb führt der Versuch, einen umweltverschmutzenden Stoff (PICs) aus einer Verbrennungsreaktion zu eliminieren oder zu verringern, oft zu der Erzeugung eines anderen umweltverschmutzenden Stoffs (NOx).
  • Es ist deshalb wünschenswert, ein Verbrennungsverfahren zu schaffen, welches eine Verbrennungsreaktion ohne die Erzeugung von übermäßigen Mengen an PICs oder NOx ausführen kann.
  • Folglich ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verbrennungsverfahren zu schaffen, bei welchem die Erzeugung von Produkten unvollständiger Verbrennung ohne die Erzeugung übermäßiger Mengen Stickoxide gesteuert wird.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obigen und weitere Aufgaben, die sich für den Fachmann aus dieser Offenbarung ergeben, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, die besteht in:
  • einem Verfahren zum Verbrennen von Material mit gesteuerter Erzeugung von sowohl Stickoxiden als auch Produkten unvollständiger Verbrennung, bei dem:
  • (A) Material in einer ersten Verbrennungszone unter Bildung von Abgas verbrannt wird, das Produkte unvollständiger Verbrennung und Produkte vollständiger Verbrennung enthält;
  • (B) das Abgas von der ersten Verbrennungszone in eine zweite Verbrennungszone übergeleitet wird, die eine Breite und eine Axialrichtung aufweist;
  • (C) durch eine Lanze mindestens ein Strom von Oxidationsmittel ohne Brennstoff in die zweite Verbrennungszone mit einer hohen Geschwindigkeit von mindestens 91,4 m/s (300 Fuß pro Sekunde) injiziert wird, wobei der Strom einen Durchmesser von weniger als ¹/&sub0;&sub0; der Breite der zweiten Verbrennungszone und eine Sauerstoffkonzentration von mindestens 30 Prozent aufweist, und wobei die Lanze so angeordnet ist, daß sie den mindestens einen Strom von Oxidationsmittel mit einer Ausrichtung im wesentlichen parallel zu der besagten Axialrichtung in die zweite Verbrennungszone injiziert;
  • (D) Produkte unvollständiger Verbrennung, die in dem Abgas enthalten sind, in das Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel angesaugt werden;
  • (E) Produkte unvollständiger Verbrennung, die in das Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel angesaugt wurden, mit dem Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel innerhalb der zweiten Verbrennungszone verbrannt werden, um mittels dem Mischen der angesaugten Produkte unvollständiger Verbrennung mit dem Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel eine stabile Verbrennung auszuführen; und
  • (F) die Verbrennungsreaktion mittels Ansaugen von in dem Abgas enthaltenen Produkten vollständiger Verbrennung in das Oxidationsmittel ausgeweitet wird, wobei die besagten Produkte vollständiger Verbrennung außerdem als eine Wärmesenke wirken, um eine NOx-Bildung zu verhindern.
  • Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff "Oxidationsmittel-Strahldurchmesser" den Durchmesser des Oxidationsmittelstroms an der Stelle, an welcher er aus der Injektionsvorrichtung, wie beispielsweise einer Düse, austritt.
  • Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff "Ruß" eine schwarze Substanz mit sehr kleinen Partikeln aus Kohlenstoff oder schweren Kohlenwasserstoffen, die oft als Folge unvollständiger Verbrennung in Rauch auftritt.
  • Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff "Abblasgeschwindigkeit" die maximale Geschwindigkeit des Oxidationsmittelstrahls, gemessen an der Öffnung, welche eine Flamme an der Öffnung festhält, wenn der Oxidationsmittelstrahl von gasförmigem Brennstoff umgeben ist.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung, die in Verbindung mit der Verbrennung von Sondermüll ausgeführt wird.
  • Fig. 2 ist eine detailliertere Ansicht der in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsform, welche die Injektion von Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel und die Ansaugung von Abgasen in dieses detaillierter zeigt.
    • Detaillierte Beschreibung
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren wird brennbares Material in eine erste Verbrennungszone eingebracht. Das brennbare Material oder der Brennstoff kann in fester, flüssiger, gasförmiger oder gemischter Phasenform vorliegen und kann in die erste Verbrennungszone getrennt von oder zusammen mit dem Oxidationsmittel zur Verbrennung zugeführt werden. Die Erfindung ist besonders geeignet für brennbares Material, welches einen stark veränderlichen Heizwert pro Volumeneinheit aufweist und/oder welches mit einer stark veränderlichen Rate der ersten Verbrennungszone zugeführt wird. Beispiele des brennbaren Materials oder des Brennstoffs, welches bzw. welcher bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren verwendet werden kann, sind Kohle, Holz, Braunkohle, Schweröl, Müll, fester und/oder flüssiger Abfall, Abwasser und Sondermüll. Wenn der Brennstoff in fester oder flüssiger Form vorliegt, verflüchtigt sich typischerweise gasförmiger Brennstoff aus dem Feststoff oder der Flüssigkeit.
  • Das in der ersten Verbrennungszone eingesetzte Oxidationsmittel kann Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft und/oder technisch reiner Sauerstoff sein und es kann zusammen mit dem brennbaren Material beispielsweise durch einen Brenner oder als getrennter Oxidationsmittelstrom beispielsweise durch eine Lanze zugeführt werden. Durch Infiltration kann auch Luft in die erste Verbrennungszone gelangen.
  • Innerhalb der ersten Verbrennungszone wird das brennbare Material verbrannt, um Abgas zu erzeugen, welches Produkte vollständiger Verbrennung, wie beispielsweise Kohlendioxid und Wasserdampf, und ebenso Produkte unvollständiger Verbrennung enthält. Ein Produkt unvollständiger Verbrennung bzw. PIC kann als ein Stoff definiert werden, welcher unter Verbrennungszonenbedingungen hinsichtlich der Temperatur und des Drucks einer Oxidation oder einer weiteren Oxidation unterworfen sein kann. Beispiele bekannter PICs sind Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Ruß sowie chlorierte Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Dioxine und Furane.
  • Das Abgas wird dann von der ersten Verbrennungszone in eine zweite Verbrennungszone geleitet, welche integral mit der ersten Verbrennungszone ausgebildet sein kann, oder getrennt von der ersten Verbrennungszone ausgebildet sein kann und mit dieser mittels einer Leitung oder einem anderen Durchlaß verbunden sein kann. Bei der Verbrennung von Sondermüll kann die erste Verbrennungszone die Hauptverbrennungskammer eines Verbrennungssystems sein, und die zweite Verbrennungszone kann die Sekundärverbrennungskammer eines solchen Systems sein. Häufig weist die Hauptverbrennungskammer eines Verbrennungssystems einen Drehofen auf. Die Hauptverbrennungskammer wird oft zur Verarbeitung von festem oder schlammigem Abfall verwendet, während die Sekundärverbrennungskammer zur Behandlung des Abgases aus der Hauptverbrennungskammer verwendet wird, um mittels des Betriebs bei einer höheren Temperatur und mittels des Sicherstellens einer hinreichenden Gasverweilzeit eine gute Zersetzung des Abfalls sicherzustellen.
  • Mindestens ein Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrom mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30%, wird in die zweite Verbrennungszone injiziert. Am stärksten bevorzugt ist das Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel technisch reiner Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von 99,5% oder mehr. Typischerweise weist das Hochgeschwindigkeits- Oxidationsmittel eine Geschwindigkeit von mindestens 300 Fuß/sec auf, und allgemein liegt die Geschwindigkeit im Bereich von 400 bis 1500 Fuß/sec. Die Geschwindigkeit ist hoch genug, um ein Ansaugen von Abgasen in das Oxidationsmittel zu bewirken. Das Ansaugen kann innerhalb der zweiten Verbrennungszone und/oder stromauf von der zweiten Verbrennungszone geschehen. Die Ansaugung ermöglicht es, daß das Abgas und insbesondere die PICs innerhalb des Abgases sich innig mit dem Oxidationsmittel mischen, was dazu führt, daß die nachfolgende Verbrennung unter Vermeidung von heißen Stellen, welche die NOx-Bildung begünstigen würden und eine Beschädigung der feuerfesten Auskleidung bewirken würden, stabil ist. Darüber hinaus dienen die Produkte vollständiger Verbrennung aus der Verbrennungsreaktion, z. B. Kohlendioxid und Wasserdampf, innerhalb des Abgases, welche ebenfalls in das Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel angesaugt werden, als Ballast für die Verbrennungsreaktion, wodurch die Verbrennungsreaktion ausgeweitet wird und Wärme aus der Verbrennungsreaktion in dieser Wärmesenke absorbiert wird. Dies hemmt die NOx-Bildung zusätzlich.
  • Nach dem Ansaugen von Abgas in das Hochgeschwindigikeits-Oxidationsmittel verbrennen Produkte unvollständiger Verbrennung mit dem Oxidationsmittel innerhalb der zweiten Verbrennungszone. Falls gewünscht, kann zusätzlicher Brennstoff und/oder zusätzliches Oxidationsmittel der zweiten Verbrennungszone zugeführt werden, um die Verbrennung auszuführen.
  • Das Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel wird in solch einer Weise in die zweite Verbrennungszone injiziert, daß kein Aufprall des Oxidationsmittelstrahls auf die Wände der zweiten Verbrennungszone innerhalb etwa 300 Oxidationsmittelstrahldurchmesser von der Injektionsstelle des Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittels auftritt. Das Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel wird in die zweite Verbrennungszone mit einer Ausrichtung im wesentlichen parallel zu der Axialrichtung der zweiten Verbrennungszone in die zweite Verbrennungszone injiziert. Auf diese Weise wird eine lokale Überhitzung, welche Schäden der feuerfesten Auskleidung verursachen kann und eine übermäßige NOx-Erzeugung bewirken kann, vermieden.
  • Vorzugsweise wird das Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel in einer Mehrzahl von Strömen in die zweite Verbrennungszone injiziert. Allgemein liegt die Anzahl der Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelströme im Bereich von 30 bis 50. Die mehreren Oxidationsmittel ströme können parallel zueinander injiziert werden. Da jedoch benachbarte parallele Ströme allgemein sofort zu einem einzelnen Strahl verschmelzen würden, wird bevorzugt, daß mindestens zwei, und vorzugsweise die meisten der Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelströme, als nach außen divergierende Ströme injiziert werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform konvergieren die nach außen divergierenden Ströme in enger Nähe nach dem Ansaugen von PIC-haltigem Abgas in das Oxidationsmittel. Die Verwendung einer Mehrzahl von Strömen verbessert das insgesamte Ansaugen von Abgas in das Oxidationsmittel, und die Verwendung von nach außen divergierenden Oxidationsmittelströmen verbessert ferner die Vollständigkeit der Ansaugung, was dazu dient, sicherzustellen, daß die PICs die Flammenzone in der zweiten Verbrennungszone nicht umgehen, während die NOx-Erzeugung weiter verzögert wird. Die stromabwärtige Konvergenz der nach außen divergenten Strahlen bringt die PICs in einer Weise mit dem Oxidationsmittel zusammen, welche die vollständige Verbrennung dieser Stoffe innerhalb der zweiten Verbrennungszone verbessert. Es verhindert auch ein Auftreffen der Flamme auf die Ofenwände oder die Wände der Verbrennungszone, um ein Überhitzen der feuerfesten Auskleidung oder ein Verschlacken zu verhindern.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung verwendet die Injektion des Oxidationsmittels durch eine Mehrzahl von Öffnungen als ein Cluster, wie beispielsweise auf einer Düse, so daß der Divergenzwinkel der Öffnung um so größer ist, je weiter entfernt sie von dem Zentrum des Clusters ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß sie eine mehrstufige Verbrennung fördert, was die Flammentemperatur und die NOx-Erzeugung weiter verringert.
  • Um die Temperatursteuerung der in der zweiten Verbrennungszone ausgeführten Verbrennung weiter zu verbessern, kann zerstäubtes Wasser oder ein anderes Kühlmittel der zweiten Verbrennungszone zugeführt werden. Wenn solch ein Hilfskühlmittel verwendet wird, wird bevorzugt, daß es in solch einer Weise eingebracht wird, daß es ebenfalls in das Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel entweder vor der Verbrennung oder während der Verbrennung angesaugt wird.
  • In der Praxis dieser Erfindung wird es manchmal bevorzugt, daß die erste Verbrennungszone unter pyrolytischen oder brennstoffreichen Bedingungen betrieben wird. Brennstoffreiche Bedingungen innerhalb der ersten Verbrennungszone verringern den Gasvolumenstrom innerhalb der ersten Verbrennungszone, was den Partikelübertrag in die zweite Verbrennungszone verringert. Ferner könnten brennstoffreiche Bedingungen innerhalb der ersten Verbrennungszone zu einer stabileren Temperatur und somit zu einer stabileren Erzeugung von brennbaren Dämpfen führen, was die Schwankung des Sauerstoffbedarfs verringert, während der Brennstoffbedarf in der zweiten Verbrennungszone wesentlich verringert wird. Als Resultat kann ein höherer Durchsatz erzielt werden.
  • Es wird oft angenommen, daß in einer brennstoffreichen Verbrennungszone die Erzeugung von NOx notwendigerweise gering wäre. Jedoch ist dies nicht allgemein bei Verbrennungsverfahren mit begrenzter Mischung (im Gegensatz zu vorgemischter Verbrennung) zutreffend. Das Problem besteht darin, daß an der lokalen Grenzfläche von Brennstoff und Oxidationsmittel oft immer noch genügend Überschuß von Sauerstoffund eine genügend hohe Temperatur zur Erzeugung von NOx in signifikanten Raten vorhanden sind. Bei Verwendung eines Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelstrahls mit kleinem Durchmesser, wobei vorzugsweise die Geschwindigkeit des Oxidationsmittelstrahls die Abblasgeschwindigkeit übersteigt, wird brennstoffhaltiges Ofengas schnell in den Strahl angesaugt. Deshalb wird das Brennstoff/Oxidationsmittelverhältnis schnell über das stöchiometrische Verhältnis angehoben, und die Gleichgewichtsflammentemperatur des Gemisches wird schnell aufgrund des Mitreißens von Überschußbrennstoff und Verbrennungsprodukten verringert. Inzwischen ist die anfängliche Strahlgeschwindigkeit zu hoch, als daß eine Verbrennung stattfinden könnte. Folglich ist die Gasverweildauer bei für die NOx-Erzeugung günstigen Bedingungen (d. h. hohe Temperatur, Überschußsauerstoff) zu kurz für jegliche signifikante NOx-Erzeugung. Darüber hinaus erzeugt der Ansaugeffekt des Hochgeschwindigkeitsstrahls ein intensives Mischen und eine starke Umwälzung des Ofengases. Dies minimiert die Wahrscheinlichkeit von lokalem Überschußsauerstoff.
  • Das intensive Mischen des Ofengases in einer brennstoffreichen Verbrennungszone fördert die Vergasung von organischen Materialien zur Bildung von gasförmigen Brennstoffen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methan, während es die Bildung von Rußpartikeln minimiert. Rußpartikel sind eine Quelle von PICs und können schwierig in der zweiten Verbrennungszone auszubrennen sein, wenn sie sich einmal gebildet haben. In Abhängigkeit von der verfügbaren Sauerstoffmenge unterliegen flüchtige Stoffe bei einer hinreichend hohen Temperatur chemischen Reaktionen einschließlich Pyrolyse (thermische Spaltung), teilweise Oxidation (auch als oxidative Pyrolyse bekannt) oder vollständiger Oxidation. Wenn das lokale Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis niedrig ist und/oder die Konzentrationen an freien Radikalen niedrig sind, werden schwere Kohlenwasserstoffe (Ruß) durch Polymerisations(Rekombinations)-Reaktionen gebildet. Bei Verwendung von Hochgeschwindigkeitsstrahlen zur Verbesserung des Mischens und des Umwälzens des Gasstroms wird ein gleichförmigeres Profil der lokalen Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnisse erhalten.
  • Sauerstoff kann nicht nur mittels Sauerstoffmolekülen sondern auch mittels Wasserdampf und Kohlendioxid bereitgestellt werden. Innere Umwälzung innerhalb der Verbrennungszone, die von dem Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel verursacht wird, ermöglicht es, daß Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, welche(s) durch das Trocknen oder das Verbrennen von Material innerhalb der Verbrennungszone gebildet wurde(n), wie beispielsweise Feststoffabfall, vorteilhaft für die Rußverringerung verwendet werden können. Ferner verteilen das kräftige Mischen und die Umwälzung innerhalb der Verbrennungszone freie Radikale gleichförmig über die Verbrennungszone und tragen so weiter zu einer Verringerung der Rußbildung bei.
  • Das bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, mehrere Strahlströme zu verwenden, so daß Strahlen mit kleinerem Durchmesser verwendet werden können. Der Durchmesser eines jeden Strahls ist kleiner als 1/100 des Durchmessers oder der Breite der Verbrennungskammer oder -zone. Je kleiner der Durchmesser ist, desto schneller findet die Ansaugung statt und desto kleiner ist der Turbulenzbereich. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die divergent-konvergente Konfiguration mit mehreren Strömen zu verwenden, die oben beschrieben wurde. Die Größe der leuchtenden Flamme ist aufgrund dieser divergent-konvergenten Konfiguration im Vergleich zu einer Einzelstromflamme vergrößert, was zu einem größeren strahlenden Wärmetransfer zu der Wärmelast führt. Die Geschwindigkeit des Hochgeschwindigkeitsstrahls bzw. der Hochgeschwindigkeitsstrahlen liegt allgemein im Bereich von 400 bis 1500 Fuß/sec.
  • In der Praxis dieser Erfindung wird bevorzugt, daß die zweite Verbrennungszone unter oxidativen oder sauerstoffreichen Bedingungen betrieben wird. Dies stellt sicher, daß alle brennbaren Stoffe vollständig verbrannt werden, so daß unerwünschte Emissionen in die Atmosphäre eliminiert werden. Die Injektionsrate und -dauer des in die zweite Verbrennungszone injizierten Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittels kann verringert oder vergrößert werden, um den gewünschten Überschußsauerstoffpegel innerhalb der zweiten Verbrennungszone aufrecht zu erhalten. Der hauptsächliche Weg zum Aufrechterhalten des gewünschten Überschußsauerstoffpegels innerhalb der zweiten Verbrennungszone besteht darin, die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Verbrennungszone oder innerhalb des Abstroms aus der zweiten Verbrennungszone zu überwachen und die Durchflußmenge des Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittels entsprechend einzustellen. Ein bevorzugtes zusätzliches Verfahren zum Aufrechterhalten eines hinreichenden Überschußsauerstoffpegels innerhalb der zweiten Verbrennungszone besteht darin, die Kohlenmonoxidkonzentration innerhalb der zweiten Verbrennungszone oder innerhalb des Ausstroms zu überwachen und den Sollwert der Sauerstoffkonzentration zu erhöhen oder den Oxidationsmitteldurchfluß entsprechend zu erhöhen. Andere Parameter des Ausstroms, welche überwacht werden können, um die gewünschten oxidativen Bedingungen innerhalb der zweiten Verbrennungszone aufrecht zu erhalten, schließen die Opazität und die Luminosität ein.
  • Das folgende Beispiel ist vorgesehen, um die Erfindung und die damit erzielbaren Vorteile weiter zu veranschaulichen. Das Beispiel soll nicht beschränkend sein.
    • Beispiel
  • Die Erfindung wurde in Verbindung mit der Verbrennung von Sondermüll unter Verwendung eines Systems ausgeführt, wie es in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht ist. Die Bezugszeichen in den Figuren sind für die gemeinsamen Elemente dieselben.
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren wurde Sondermüll, der öligen Schlamm und kontaminiertes Erdreich enthielt, bei einer Rate von 4,1 t/h durch eine Eingabevorrichtung 1 in einen Drehofen 2 eingebracht, welcher die erste Verbrennungszone gemäß der Erfindung darstellte. Erdgas 17 und Luft 18 wurden durch einen Brenner 3 in den Ofen 2 eingebracht, und Sauerstoff 19 wurde durch eine Lanze 20 in den Ofen 2 eingebracht. Der Sondermüll wurde unter pyrolytischen Bedingungen verbrannt, um Abgas zu erzeugen, welches Produkte unvollständiger Verbrennung enthielt. In diesem Fall wiesen die PICs Kohlenmonoxid, Methan und andere unbekannte organische Komponenten auf. Der Sauerstoffstrom in den Drehofen wurde so eingestellt, daß die Ausgangstemperatur des Ofens 2 nahe einem gewünschten Wert gehalten wurde, welcher die Entfernung von Sondermüll aus der Asche ohne ein Überhitzen der Asche sicherstellte. Das Abgas wurde aus dem Ofen 2 in eine Übergangskammer 4 und von dort in eine Sekundärverbrennungskammer 5 geleitet. Die Kammern 4 und 5 stellen die zweite Verbrennungszone gemäß dieser Erfindung dar. In der Nähe zu dem Strom des Abgases durch die Übergangskammer 4 wurde durch eine Lanze 6 technisch reiner Sauerstoff 7 in über 30 divergierenden Strömen 8 bei einer Geschwindigkeit von bis zu 1500 Fuß/sec zu der Sekundärverbrennungskammer 5 hin und in diese hinein injiziert. Alle Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelströme 8 konvergierten in einem vereinigten Strahl 14. Eine geringe Menge Erdgas 15 und Luft 16 wurden durch einen Brenner 10 hindurch ebenfalls zugeführt, um die Verbrennung innerhalb der Kammer 4 zu unterstützen. Zerstäubter Wasserspray 9 wurde ebenfalls in die Kammer 4 eingebracht. Das Abgas und das zerstäubte Wasser wurden in die Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittelströme angesaugt, und eine Verbrennung wurde in der Übergangskammer 4 und in der Sekundärverbrennungskammer 5 ausgeführt. Oxidative Bedingungen wurden über die ganze Verbrennung in Kammer 5 mittels des Überwachens der Sauerstoffkonzentration des Rauchgases an dem Ausgang von Kammer 5 als eine Prozeßvariable aufrecht erhalten. Die Prozeßvariable wurde mit einem gewünschten Sollwert verglichen, um die gewünschte Durchflußrate an Sauerstoff mittels eines Proportional-Integral-Differential (PID)- Reglers zu bestimmen, wie er mittels der Linie 21 angedeutet ist, und die Sauerstoffdurchflußrate wurde jedesmal erhöht, wenn der Sauerstoffpegel in dem Ausstrom unter einen vorbestimmten Pegel fiel. Zusätzlich wurde die gewünschte Sauerstoffdurchflußrate jedesmal erhöht, wenn der Kohlenmonoxidpegel in dem Rauchgas 20 ppm überstieg.
  • Abgas oder Ausstrom aus der Kammer S wurde durch einen Rieselturm 11 und eine Schlauchkammer 12 geleitet und dann durch einen Schornstein an die Atmosphäre abgegeben. Es trat kein nennenswerter Kohlenmonoxidpegel in den im Schornstein 13 nach oben gelangenden Abgasen auf, was anzeigt, daß alle PICs vollständig verbrannt wurden. Eine minimale Rußbildung wurde bei dem Verbrennungsprozeß beobachtet. Darüber hinaus lag der NOx-Pegel weit innerhalb des akzeptablen Bereichs.
  • Zu Vergleichszwecken wurde eine der beschriebenen Prozedur ähnliche Prozedur ausgeführt, außer daß keine Injektion von Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel in die zweite Verbrennungszone verwendet wurde. Die Verarbeitungsrate für Sondermüll konnte 2,5 t/h nicht überschreiten, ohne daß häufig signifikante Kohlenmonoxidpegel in dem in die Atmosphäre freigesetzten Ausstrom auftraten.

Claims (11)

1. Verfahren zum Verbrennen von Material mit gesteuerter Erzeugung von sowohl Stickoxiden als auch Produkten unvollständiger Verbrennung, bei dem:
(A) Material in einer ersten Verbrennungszone (2) unter Bildung von Abgas verbrannt wird, das Produkte unvollständiger Verbrennung und Produkte vollständiger Verbrennung enthält;
(B) das Abgas von der ersten Verbrennungszone (2) in eine zweite Verbrennungszone (4, 5) übergeleitet wird, die eine Breite und eine Axialrichtung aufweist;
(C) durch eine Lanze (6) mindestens ein Strom (8) von Oxidationsmittel (7) ohne Brennstoff in die zweite Verbrennungszone mit einer hohen Geschwindigkeit von mindestens 91,4 m/s (300 Fuß pro Sekunde) injiziert wird, wobei der Strom einen Durchmesser von weniger als ¹/&sub0;&sub0; der Breite der zweiten Verbrennungszone (4, 5) und eine Sauerstoffkonzentration von mindestens 30 Prozent aufweist, und wobei die Lanze (6) so angeordnet ist, daß sie den mindestens einen Strom (8) von Oxidationsmittel mit einer Ausrichtung im wesentlichen parallel zu der besagten Axialrichtung in die zweite Verbrennungszone injiziert;
(D) Produkte unvollständiger Verbrennung, die in dem Abgas enthalten sind, in das Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel (7) angesaugt werden;
(E) Produkte unvollständiger Verbrennung, die in das Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel (7) angesaugt wurden, mit dem Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel innerhalb der zweiten Verbrennungszone (4, 5) verbrannt werden, um mittels dem Mischen der angesaugten Produkte unvollständiger Verbrennung mit dem Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel eine stabile Verbrennung auszuführen; und
(F) die Verbrennungsreaktion mittels Ansaugen von in dem Abgas enthaltenen Produkten vollständiger Verbrennung in das Oxidationsmittel (7) ausgeweitet wird, wobei die besagten Produkte vollständiger Verbrennung außerdem als eine Wärmesenke wirken, um eine NOx-Bildung zu verhindern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel (7) in einer Mehrzahl von Strömen (8) injiziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel (7) technisch reiner Sauerstoff ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner Kühlmittel (9) in das Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel (7) angesaugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Kühlmittel (9) zerstäubtes Wasser ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Ansaugen von Produkten unvollständiger Verbrennung und Produkten vollständiger Verbrennung in das Hochgeschwindigkeits- Oxidationsmittel (7) innerhalb der zweiten Verbrennungszone (4, 5) erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Verbrennung innerhalb der ersten Verbrennungszone (2) unter pyrolytischen Bedingungen ausgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Verbrennung innerhalb der zweiten Verbrennungszone (4, 5) unter oxidativen Bedingungen ausgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Verbrennung innerhalb der ersten Verbrennungszone (2) unter pyrolytischen Bedingungen ausgeführt wird und die Verbrennung innerhalb der zweiten Verbrennungszone (4, 5) unter oxidativen Bedingungen ausgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Sauerstoffpegel innerhalb der zweiten Verbrennungszone (4, 5) auf einem gewünschten Pegel gehalten wird, indem der Sauerstoffpegel innerhalb der zweiten Verbrennungszone oder innerhalb des aus der zweiten Verbrennungszone herausgeleiteten Ausstromes überwacht wird, und der Strom von Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel (7) in die zweite Verbrennungszone vergrößert wird, wenn der Sauerstoffpegel innerhalb des Ausstromes unter einen vorbestimmten Pegel abfällt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Sauerstoffpegel innerhalb der zweiten Verbrennungszone (4, 5) auf einem gewünschten Pegel gehalten wird, indem der Kohlenmonoxidpegel innerhalb der zweiten Verbrennungszone oder innerhalb des aus der zweiten Verbrennungszone herausgeleiteten Ausstromes überwacht wird, und der Strom von Hochgeschwindigkeits-Oxidationsmittel (7) in die zweite Verbrennungszone vergrößert wird, wenn der Kohlenmonoxidpegel innerhalb der zweiten Verbrennungszone oder dem Ausstrom einen vorbestimmten Pegel übersteigt.
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