IT8922700A1

IT8922700A1 - COMBUSTION METHOD TO REDUCE THE FORMATION OF NITROGEN OXIDES DURING COMBUSTION AND APPARATUS TO APPLY THIS METHOD

Info

Publication number: IT8922700A1
Application number: IT1989A22700A
Authority: IT
Inventors: Jouko Laine
Original assignee: Tampella Oy Ab
Priority date: 1988-12-15
Filing date: 1989-12-14
Publication date: 1991-06-14
Also published as: AU4671089A; DK639589A; CS712789A2; DD290042A5; CN1043522A; DE3941307A1; CA2004907A1; IT8922700A0; ES2020611A6; GB2226122A; HU896607D0; FI885800A7; FI885800A0; GB8927547D0; FI88199B; HUT55521A; SE8904187D0; FR2640728A1; SE8904187L; IT1237909B

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: Description of the patent for an industrial invention entitled:

"Metodo di combustione per ridurre la formazione di ossidi di azoto durante la combustione e apparato per applicare tale metodo" "Combustion method for reducing the formation of nitrogen oxides during combustion and apparatus for applying this method"

RIASSUNTO SUMMARY

Metodo di combustione e per ridurre la formazione di ossidi di azoto durante combustione riduttiva, particolarmente nella fiam ma. Nel metodo il gas contenente ossigeno richiesto per la combustione contiene ossigeno ele mentare in misura inferiore rispetto all'aria at mosferica. Il gas consiste di aria e un gas a bas so contenuto di ossigeno o non contenente ossige no il quale contiene agenti riducenti, preferibilmente consiste di gas di combustione raffred dato separatamente ottenuto dallo spazio di com bastione riduttiva. L'apparato comprende almeno un condotto (6) per gas attraverso il quale gas di combustione contenente agenti riducenti e pro veniente dalla combustione riduttiva viene fat- ? to passare per il tramite di un refrigeratore (9) in un mescolatore (8) con l'aria nel quale e'sso viene mescolato con l'aria primaria da introdurre nella caldaia. Method of combustion and for reducing the formation of nitrogen oxides during reductive combustion, particularly in the flame. In the method the oxygen-containing gas required for combustion contains elemental oxygen to a lesser extent than atmospheric air. The gas consists of air and a low-oxygen or oxygen-free gas which contains reducing agents, preferably consisting of separately cooled combustion gas obtained from the reductive combustion space. The apparatus comprises at least one gas duct (6) through which combustion gas containing reducing agents and originating from the reductive combustion is passed via a cooler (9) into a mixer (8) with air in which it is mixed with the primary air to be introduced into the boiler.

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione si riferisce ad un metodo di combustione per ridurre la formazione di ossidi di azoto durante la combustione, metodo nel quale aria richiesta per la combustione di un combustibile viene introdotta in almeno due stadi, l'aria venendo introdotta in quantit? inferiore a quella stechiometrica nel primo stadio, preferibilmente con un coefficien te di aria compreso,fra 0,80 e 0,95, e un gas o miscela gassosa sostanzialmente esente da ossigeno elementare viene mescolato con l'aria da introdurre nel primo stadio. The present invention relates to a combustion method for reducing the formation of nitrogen oxides during combustion, wherein air required for the combustion of a fuel is introduced in at least two stages, the air being introduced in less than stoichiometric quantities in the first stage, preferably with an air coefficient of between 0.80 and 0.95, and a gas or gaseous mixture substantially free of elemental oxygen is mixed with the air to be introduced in the first stage.

La presente invenzione concerne pure un apparato per applicare il metodo, apparato comprendente mezzi per introdurre aria in un focolare, mezzi per introdurre combustibile nel focolare, e mezzi per mescolare un gas o miscela gassosa contenente ossigeno in misura inferiore ? quella dell'aria con l'aria da introdurre nel primo stadio di combustione in quantit? inferio re a quella stechiometrica prima che l'aria ven ga introdotta nel focolare. The present invention also relates to an apparatus for carrying out the method, which apparatus includes means for introducing air into a furnace, means for introducing fuel into the furnace, and means for mixing a gas or gaseous mixture containing oxygen in a less-than-stoichiometric amount than air with the air to be introduced into the first stage of combustion in a less-than-stoichiometric amount before the air is introduced into the furnace.

Tutti i processi di combustione produco no ossidi di azoto quando l'azoto sia dell'aria s|ia del combustibile si combina con ossigeno per formare ossidi di differente natura. Nella fiamma riducente, NO x viene derivato principalmente dall'azoto del combustibile attravers;o formazione rapida, cio? si ottiene il cosidd?tto ?Ox "pronto". A temperature elevate si ot tiene principalmente ossido di azoto (NO). Quan do la temperatura scende, NO si converte facilmente negli altri ossidi di azoto in presenzai di ossigeno, principalmente in biossido di azoto (N02). La formazione di ossidi di azoto avviene ad una velocit? rapida di reazione non appena vengono raggiunte le richieste condizioni chimiche di equilibrio, cio? principalmente a temperatura elevata e in presenza di ossigeno. All combustion processes produce nitrogen oxides when nitrogen from either the air or the fuel combines with oxygen to form oxides of different nature. In the reducing flame, NOx is derived mainly from nitrogen from the fuel through rapid formation, i.e. the so-called "ready" OXx is obtained. At high temperatures, mainly nitrogen oxide (NO) is obtained. As the temperature drops, NOx is readily converted into other nitrogen oxides in the presence of oxygen, mainly nitrogen dioxide (NO2). The formation of nitrogen oxides occurs at a rapid reaction rate as soon as the required chemical equilibrium conditions are reached, i.e. mainly at high temperature and in the presence of oxygen.

Se le condizioni di equilibrio vengono alterate dopo la formazione di ossidi di azoto in modo da causare decomposizione degli ossidi di azoto, la velocit? di reazione del processo di decompo sizione ? molto bassa, la decomposizione richie dendo principalmente tempo, catalizzatori o altri agenti chimici. Dal punto di vista ecologico gli ossidi di azoto sono altamente dannosi. Essi si formano abbondantemente in processi industria li cos? come in centrali termoelettriche e altri stabilimenti operanti con caldaie, e uno degli Obiettivi pi? importanti nella protezione dell'ambiente ? quello di ridurre le emissioni di ?Ox nell'atomosfera. If equilibrium conditions are disturbed after the formation of nitrogen oxides, causing decomposition of the nitrogen oxides, the reaction rate of the decomposition process is very slow, requiring mainly time, catalysts, or other chemical agents. From an ecological point of view, nitrogen oxides are highly harmful. They are formed abundantly in industrial processes as well as in thermoelectric power plants and other boiler-operated facilities, and one of the most important goals in environmental protection is to reduce nitrogen oxide emissions into the atmosphere.

Nell'intento di ridurre emissioni di ?Ox, ossidi di azoto vengono convertiti in altra for ma con vari metodi. Tali tecniche includono vari metodi di riduzione basati sull'uso di catalizzatori nonch? l'uso di agenti di assorbimento per l'assorbimento simultaneo di zolfo e ossidi di azoto in vari modi. Questi metodi implicano svariati metodi di difficile soluzione, come l'e levato prezzo e la difficile disponibilit? di Metalli preziosi usati come catalizzatori e le scarse propriet? di-assorbimento degli agenti as sorbenti. Inoltre, risulta spesso difficile dinensionare l'apparato allorch? si applicano melodi di assorbimento in conseguenza di variazio ni nella capacit? o potenza di una caldaia e in vista di altri fattori di tal genere. In an effort to reduce OX emissions, nitrogen oxides are converted into other forms using various methods. These techniques include various reduction methods based on the use of catalysts as well as the use of adsorption agents for the simultaneous absorption of sulfur and nitrogen oxides in various ways. These methods involve several difficult-to-solve issues, such as the high price and availability of precious metals used as catalysts and the poor adsorption properties of the adsorption agents. Furthermore, it is often difficult to size the equipment when applying adsorption methods due to variations in boiler capacity or power and other such factors.

Tecnicamente ? pi? vantaggioso cercare di prevenire la formazione di ossidi di azoto durante lo stadio di combustione invece di pr? cedere alla loro rimozione. Per questo scopo so no stati realizzati tipi vari di bruciatori a tiassa produzione di NOx e sono stati effettuati tentativi per attuare la combustione in uno spa zio pressurizzato, ed oltre a ci? la fornitura i aria nella caldaia ? stata effettuata per sta di prima dei surriscaldatori. Contrariamente al e previsioni questi metodi non hanno dato, per?, risultati particolarmente buoni per il fatto c ?he in pratica il funzionamento dei metodi stessi ? stato impedito o sostanzialmente menomato d? certi fattori come variazioni nelle condizio ni di formazione di ossidi di azoto, cinetica di reazione, condizioni operative di caldaie e variazioni che si verificano in tali condizioni. Inoltre, l'eliminazione di ossidi di azoto stata tentata per mezzo di focolari a letto in circolazione funzionanti a temperature molto basse (circa 800?C), cio? in condizioni svantaggiose per la formazione di ?Ox. Questo ha, per?, determinato una menomazione dell1efficien za dei focolari cos? come della loro capacit? a bruciare tipi differenti di combustibili in quan to si ? reso necessario abbassare la temperatura ad un livello molto basso vicino alla temperatura minima richiesta per mantenere in continuo il processo di combustione. I metodi sopra descritti sono largamente noti e quindi non ? necessario che vengano qui illustrati pi? dettagliataniente (Finnish Ministry of Trade and Industry/ Energy Department D?140, Helsinki 1987). Technically, it is more advantageous to try to prevent the formation of nitrogen oxides during the combustion stage rather than proceeding with their removal. For this purpose, various types of NOx-producing burners have been developed, and attempts have been made to implement combustion in a pressurized space, and in addition, the air supply to the boiler has been carried out before the superheaters. Contrary to expectations, however, these methods have not given particularly good results because in practice the operation of the methods themselves has been prevented or substantially impaired by certain factors such as variations in the conditions for the formation of nitrogen oxides, reaction kinetics, boiler operating conditions, and variations that occur in these conditions. Furthermore, the elimination of nitrogen oxides has been attempted by means of circulating-bed furnaces operating at very low temperatures (about 800°C), i.e., under conditions unfavorable for the formation of NOx. This, however, has led to a reduction in the efficiency of the fireplaces as well as their ability to burn different types of fuels, as it has become necessary to lower the temperature to a very low level close to the minimum temperature required to maintain a continuous combustion process. The methods described above are widely known and therefore need not be explained in more detail here (Finnish Ministry of Trade and Industry/Energy Department D?140, Helsinki 1987).

DE Offenlegungsschrift 3040 830 descri ve un metodo in cui gas di combustione completa mente combusto e raffreddato, ottenuto da un con dotto di gas dopo la caldaia, viene mescolato |Con l'aria da introdurre nella prima zona di com bustione in condizioni inferiori a quelle stechio metriche in modo da ridurre la quantit? di ossidi di azoto. Anche se questo metodo contribuisce in certa misura a prevenire la formazione di ossidi di azoto esso non consente di esercitare un sufficiente controllo della quantit? di ossidi di azoto. Inoltre, il riciclo del gas di combustio ne aumenta la portata volumetrica di gas fluente attraverso la caldaia, richiedendo conseguen temente uno spazio alquanto pi? ampio di combustione e condotti pi? larghi in ogni parte della caldaia. DE Offenlegungsschrift 3040 830 describes a method in which fully combusted and cooled flue gas, obtained from a gas duct after the boiler, is mixed with air to be introduced into the first combustion zone at sub-stoichiometric conditions in order to reduce the amount of nitrogen oxides. Although this method helps to some extent to prevent the formation of nitrogen oxides, it does not allow sufficient control of the amount of nitrogen oxides. Furthermore, the recycling of the flue gas increases the volumetric flow rate of gas flowing through the boiler, consequently requiring a somewhat larger combustion space and wider ducts throughout the boiler.

Il contenuto di NO ? solitamente basso entro l'area di riduzione, in conseguenza dell'effetto riducente di idrogeno (H2) e monossi do di carbonio (CO). Queste sostanze decompongono NO eventualmente formatosi, detta decompo sizione avvenendo secondo le seguenti reazio ni : The NO content is usually low within the reduction region, as a result of the reducing effect of hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO). These substances decompose any NO that may have formed, this decomposition occurring according to the following reactions:

In combustione effettuata in modo per s? noto in condizioni inferiori a quelle stechiometriche, la concentrazione di NO pu?, in linea di principio, essere mantenuta ad un bas so livello. Problemi si verificano solamente quando le condizioni diventano riducenti oppure quando hanno luogo temperature molto elevate, cio? superiori a 1500?C. I problemi insorgono anche da un minor eccesso di aria, il che nelle condizioni del focolare causa rapida forinazione di NO, oppure possono risultare da temperature molte elevate (superiori a 1500?C)alle quali e CO non possono pi? prevenire la formazione di NO in seguito al loro minor potenziale riducente. In apparati della tecnologia anteriore tali situazioni si verificano particolarmente nella fiamma primaria, ma anche a proposito dell'introduzione di aria secondaria e terziaria. Una delle magioni pi? importanti per la formazione di NO nella fiamma primaria di apparati della tecnoio gi? anteriore consiste nel fatto che la fiamma eterogenea contiene, ad esempio, goccioline di olio o particelle di carbone e, di conseguenza, si verificano elevati gradienti di concentrazio he di ossigeno e gas di combustione, cos? come elevati gradienti termici. Pertanto ? sempre pos sibile che picchi minori di temperatura si abbiano localmente in corrispondenza dei confini delle fasi, ad esempio se la quantit? di ossige no in corrispondenza di tali punti ? stechiome trica o lievemente superiore alla quantit? stechiometrica. In un tipico apparato di combustio ne la temperatura pu? aumentare istantaneamente e localmente sino,a circa 2000?C. Come risultato la concentrazione locale di NO sale rapidamente sino a.circa 3500 ppm (NO "pronto"). NO cos? formatosi non si decomporr? in qualsiasi grado superiore nelle condizioni della caldaia. Di conseguenza, risulta ovvio che anche minori picchi di temperatura verificantisi localmente e istantaneamente aumentano rapidamente il valore medio di NO del gas di scarico, il quale deve rimanere ad un livello di concentrazione di circa 100 ppm. In combustion carried out in a known manner under substoichiometric conditions, the NO concentration can, in principle, be kept low. Problems arise only when the conditions become reducing or when very high temperatures occur, i.e., above 1500°C. Problems also arise from a small excess of air, which in the furnace conditions causes rapid NO formation, or they can result from very high temperatures (above 1500°C) at which CO can no longer prevent NO formation due to their lower reducing potential. In prior-technology devices, such situations occur particularly in the primary flame, but also with the introduction of secondary and tertiary air. One of the most important factors for NO formation in the primary flame of prior-technology devices is the presence of a gas in the primary flame. The first reason is that the heterogeneous flame contains, for example, oil droplets or coal particles and, consequently, high concentration gradients of oxygen and flue gases, as well as high thermal gradients, occur. Therefore, it is always possible that minor temperature peaks occur locally at phase boundaries, for example if the amount of oxygen at these points is stoichiometric or slightly above the stoichiometric amount. In a typical combustion apparatus, the temperature can increase instantaneously and locally up to about 2000°C. As a result, the local NO concentration rises rapidly to about 3500 ppm (NO "ready"). NO thus formed will not decompose to any greater extent under boiler conditions. Consequently, it is obvious that even minor temperature peaks occurring locally and instantaneously rapidly increase the average NO value of the flue gas, which must remain at a concentration level of about 100 ppm.

Lo scopo della presente invenzione ? quello di offrire un metodo per mezzo del quale la formazione di ?Ox durante uno stadio di combustione riduttiva, solitamente nella cosid detta combustione primaria, particolarmente nel la fiamma, pu? essere ridotta al minimo e nel quale metodo vengono evitate condizioni che co stituiscono un pre-requisito per la formazione di ?Ox senza l'uso di apparati complicati. Non si richiede la rimozione di ?Ox dopo la combustione. Il metodo ? caratterizzato dal fatto che un gas o miscela gassosa contenente agenti riducenti, come e CO, viene mescolato con l'aria da introdurre nel primo stadio, dal fatto che il contenuto di ossigeno della miscela gassosa introdotta nel primo stadio ? prefer?bilmente del 12-19%, e dal fatto che il contenu to di ossigeno e il potenziale riduttivo della miscela d'aria da introdurre vengono regolati in modo tale che la concentrazione di ossido di azoto del gas di combustione proveniente dalla combustione effettuata alla temperatura di combustione adiabatica del combustibile usato, cor rispondente al contenuto di ossigeno fornito e al potenziale riduttivo, non ? superiore ad un valore prestabilito della concentrazione. The object of the present invention is to provide a method by which the formation of αOx during a reductive combustion stage, usually in so-called primary combustion, particularly in the flame, can be minimized and in which method conditions that are a prerequisite for the formation of αOx are avoided without the use of complicated apparatus. Removal of αOx after combustion is not required. The method is characterized in that a gas or gaseous mixture containing reducing agents, such as CO, is mixed with the air to be introduced into the first stage, in that the oxygen content of the gaseous mixture introduced into the first stage is αOx. preferably 12-19%, and by the fact that the oxygen content and the reduction potential of the air mixture to be introduced are adjusted in such a way that the nitrogen oxide concentration of the flue gas resulting from combustion carried out at the adiabatic combustion temperature of the fuel used, corresponding to the supplied oxygen content and the reduction potential, does not exceed a predetermined concentration value.

L'idea base dell'invenzione ? che aria viene introdotta nel processo di combustione in modo tale che la formazione di ?Ox nella parte riducente del focolare, particolarmente nella fiamma difficilmente controllabile, rimane ad un livello suffficientemente basso a tutte le temperature e a tutti i rapporti ossigeno/ com bustibile che si possono avere durante questo stadio della combustione. Questo viene ottenuto effettuando la combustione in condizioni riducenti (riduttive) mediante l'uso di un gas o una miscela gassosa avente un contenuto di ossigeno inferiore a quello della normale aria e contenente agenti riducenti. Per mezzo del meto do conforme alla presente invenzione, la concen trazione di ossidi di azoto pu? essere controllata in modo tale che la concentrazione all'equi librio degli ossidi di azoto nel gas di combustione, in pratica anche la concentrazione massima^rimane in ogni momento ad un valore molto basso. The basic idea of the invention is that air is introduced into the combustion process in such a way that the formation of ?Ox in the reducing part of the furnace, particularly in the difficult-to-control flame, remains at a sufficiently low level at all temperatures and all oxygen/fuel ratios that may occur during this stage of combustion. This is achieved by carrying out combustion under reducing conditions using a gas or gaseous mixture having a lower oxygen content than normal air and containing reducing agents. By means of the method according to the present invention, the concentration of nitrogen oxides can be controlled so that the equilibrium concentration of nitrogen oxides in the flue gas, in practice also the maximum concentration, remains at a very low value at all times.

Un altro scopo della presente invenzione ? quello di offrire un apparato per applicare detto metodo. L'apparato ? caratterizzato dal fatto che i mezzi di mescolamento comprendono almeno un condotto per gas destinato a far passare parte del gas di combustione dal primo sta dio di combustione nell'aria che deve essere in trodotta nel primo stadio, cos? da mescolare detto gas di combustione con detta aria. Another object of the present invention is to provide an apparatus for applying said method. The apparatus is characterized in that the mixing means comprise at least one gas duct designed to pass part of the combustion gas from the first combustion stage into the air to be introduced into the first stage, thus mixing said combustion gas with said air.

L'idea fondamentale dell'apparato della presente invenzione ? che il gas riducente o miscela gassosa riducente, cio? gas non contenente ossigeno o a basso contenuto di ossigeno contenente pure agenti riducenti, e aria vengono miscelati intimamente fra loro e vengono introdotti almeno nella zona della caldaia in cui il combustibile ed aria vengono di norma mescolati scarsamente fra loro in modo che ? facile che si verifichino picchi localizzati della tem peratura. Tipicamente questa zona ? la zona a combustione riduttiva (riducente) della caldaia, principalmente la zona.della fiamma. The fundamental idea of the apparatus of the present invention is that the reducing gas or reducing gas mixture, i.e., gas containing no or low oxygen but also containing reducing agents, and air are intimately mixed together and are introduced at least into the zone of the boiler where the fuel and air are normally poorly mixed, so that localized temperature peaks are likely to occur. Typically, this zone is the reductive combustion (reducing) zone of the boiler, primarily the flame zone.

La presente invenzione verr? descritta pi? dettagliatamente negli allegati disegni in cui The present invention will be described in more detail in the accompanying drawings in which

la Figura 1 illustra l'interdipendenza fra temperatura e coefficiente di aria (rappor to fra ossigeno e quantit? di ossigeno teorica richiesta per la combustione indipendentemente dagli altri componenti presenti nella miscela (gassosa, come componenti inerti e agenti riducenti ) in una applicazione della tecnologia del passato, riguardo ad un prestabilito livello di concentrazione di NO quando la combustione viene effettuata normalmente con aria, e l'interdipendenza fra temperatura adiabatica e coefficiente di aria in un tipico processo di combustione di petrolio effettuato normalmente con aria e con una miscela di aria e gas consistente di gas di combustione completameli te combusto proveniente da una caldaia, la mi scela avendo un contenuto di ossigeno del 17% (vedi Domanda di brevetto DE 3040830); Figure 1 illustrates the interdependence between temperature and air coefficient (ratio of oxygen to theoretical amount of oxygen required for combustion regardless of other components present in the mixture (gaseous, such as inert components and reducing agents) in an application of prior art technology, with respect to a predetermined level of NO concentration when combustion is carried out normally with air, and the interdependence between adiabatic temperature and air coefficient in a typical petroleum combustion process carried out normally with air and with an air-gas mixture consisting of completely burned flue gas from a boiler, the mixture having an oxygen content of 17% (see Patent Application DE 3040830);

la Figura 2 illustra, a scopo di esempio, l'interdipendenza fra la quantit? massima di NO ottenuta nella combustione di metano (CH4) puro e il coefficiente di aria quando il gas che mantiene la combustione ? aria, oppure una miscela di gas di combustione completamente com busto e aria, come descritto nella figura 1, op pure una miscela di gas raffreddato riciclato dalla combustione riduttiva e aria; e Figure 2 illustrates, by way of example, the interdependence between the maximum amount of NO obtained in the combustion of pure methane (CH4) and the air coefficient when the gas maintaining combustion is air, or a mixture of completely burned flue gas and air, as described in Figure 1, or a mixture of cooled gas recycled from reductive combustion and air; and

la Figura 3 ? una vista schematica di un apparato per l'applicazione del metodi della presente invenzione. Figure 3 is a schematic view of an apparatus for applying the methods of the present invention.

Nella Figura 1, la curva A-B mostra, a scopo di esempio, la temperatura di combustione adiabatica di un tipo di olio largamente usa to, in funzione del coefficiente di aria quando la combustione viene effettuata normalmente con aria. La curva C-D illustra, a scopo di esempio, la temperatura di combustione adiabatica dello s'tesso tipo di olio in funzione del coefficiente di aria quando la combustione viene effettua tja con aria diluita con gas di combustione completamente combusto, il contenuto di ossigeno della miscela essendo del 17%. La curva E-F mostra, a scopo di esempio, le coppie di valori di temperatura e coefficiente di aria corrispondenti alla concentrazione di NO pari a 100 ppm quando la combustione viene effettuata normalmente con aria. Al di sopra della curva la concentrazione di NO ? superiore a 100 ppm. Temperature molto elevate {superiori a 1500?C) sono in particolare importanti per l'invenzione. Sic come le temperature locali nelle porzioni pi? calde della fiamma possono salire sino ad un l vello molto vicino alla temperatura adiabatica, dalla figura si vede che la concentrazione di NO pari a 100 ppm (punto G) pu? essere raggiunta con un coefficiente di aria anche di solo 0,82 quando la combustione viene effettuata nor inalmente con aria. Quando si usa aria diluita con gas di combustione completamente combusto, la concentrazione di 100 ppm viene raggiunta con un coefficiente di aria di 0,93 (punto H). Nella peggiore delle ipotesi, la concentrazione massima di NO entro l'area riducente ? di circa 2700 ppm quando la combustione viene con dotta normalmente con aria e di solo 800 ppm quando la combustione viene condotta con aria diluita come descritto nell'esempio. Il valore menzionato per primo ? rappresentato dal punto I e il valore menzionato per ultimo ? rappresen tato dal punto J nella figura 1. In Figure 1, curve A-B shows, by way of example, the adiabatic combustion temperature of a widely used type of oil as a function of the air coefficient when combustion is carried out normally with air. Curve C-D illustrates, by way of example, the adiabatic combustion temperature of the same type of oil as a function of the air coefficient when combustion is carried out with air diluted with fully burned flue gas, the oxygen content of the mixture being 17%. Curve E-F shows, by way of example, the pairs of temperature and air coefficient values corresponding to the NO concentration of 100 ppm when combustion is carried out normally with air. Above the curve, the NO concentration is greater than 100 ppm. Very high temperatures (above 1500°C) are particularly important for the invention. As well as local temperatures in the hottest portions of the combustion gas, the oxygen content of the mixture is 17%. Since the hot temperatures of the flame can rise to a level very close to the adiabatic temperature, the figure shows that a NO concentration of 100 ppm (point G) can be achieved with an air coefficient as low as 0.82 when combustion is normally carried out with air. When using diluted air with fully burned flue gas, a concentration of 100 ppm is achieved with an air coefficient of 0.93 (point H). In the worst case, the maximum NO concentration within the reducing area is approximately 2700 ppm when combustion is normally carried out with air and only 800 ppm when combustion is carried out with diluted air as described in the example. The first-mentioned value is represented by point I and the last-mentioned value is represented by point J in Figure 1.

Si ? ora trovato inaspettatamente che la formazione di NO pu? essere evitata entro l'area riducente del bruciatore, particolarmen te nella fiamma, quando ossigeno richiesto dal la combustione viene introdotto in quantit? in feriore a quella stechiometrica e ad un contenuto di ossigeno uniforme inferiore a 21% mescolando con l'aria per la combustione un gas o miscela gassosa contenente quantit? considerevoli di agenti riducenti. In questo modo la temperatura di combustione, particolarmente quella della fiamma, pu? essere aumentata, aumentando simultaneamente il potenziale ridutti v? cos? che non ? pi? possibile, anche localmente o istantaneamente, formazione abbondante di ?Ox. Onesto avviene preferibilmente in modo che il picco di temperatura locale della fiamma non supera circa 1500?C e la concentrazione di osisigeno viene ridotta per mezzo di gas di combustione raffreddato riciclato dallo stadio di combustione riduttiva, gas contenente tipicamen te idrogeno ( ) e monossido di carbonio (CO). La formazione di ?Ox viene efficientemente impe dita sia dalla diminuzione della temperatura sia dall'aumento nel potenziale riduttivo. It has now been unexpectedly found that NO formation can be avoided within the reducing area of the burner, particularly in the flame, when the oxygen required for combustion is introduced in less than stoichiometric quantities and at a uniform oxygen content of less than 21% by mixing with the combustion air a gas or gaseous mixture containing considerable quantities of reducing agents. In this way the combustion temperature, particularly that of the flame, can be increased, simultaneously increasing the reduction potential so that abundant NO formation, even locally or instantaneously, is no longer possible. This is preferably done so that the local peak flame temperature does not exceed about 1500°C and the oxygen concentration is reduced by means of cooled flue gas recycled from the reductive combustion stage, gas typically containing hydrogen ( ) and carbon monoxide (CO). The formation of ?Ox is efficiently prevented by both decreasing the temperature and increasing the reductive potential.

Nella figura 2, la curva K-L illustra la concentrazione massima di NO ottenuta nella combustione di metano (CH4) puro quando la com bustione viene effettuata normalmente con aria e il gas brucia in condizioni adiabatiche. La curva M-N illustra la concentrazione massima di NO quando gas di combustione completamente com busto ? stato mescolato con l'aria per la combustione. La curva O-N, a sua volta, illustra un esempio in cui il contenuto di ossigeno del L'aria per la combustione ? stato diminuito aggiungendo ad essa gas di combustione debitamente raffreddato proveniente dallo stadio riduttivo, attuato con lo stesso coefficiente di ?ria, in una quantit? pari al 24% sulla portata volumetrica di aria primaria, gas riducenti e CO venendo in tal modo pure recidati in misura considerevole. Dalla figura appare chia r?mente che il reciclo di gas riducenti diminu? sce fortemente la concentrazione di NO mentre la temperatura viene diminuita e si ha un aumento del potenziale riduttivo. Ad esempio, la diminuzione massima nella concentrazione di NO con coefficiente di aria pari a 0,80 risulta :pari sino al 97% in confronto alla combustione con aria a coefficiente d'aria 0,80, cio? la concentrazione scende da 0,048 moli di NO/kg di CH4 (punto P nella figura 2) a 0,0012 moli di NO/kg di CH4 (punto 0 nella figura 2) e tale diminuzione risulta pari a circa il 73% sulla base del valore ottenuto quando gas di combustione completamente combusto viene mescolato con l'aria per la combustione (corrisponden te al rapporto fra Q e R). Quando viene applicato il metodo della presente invenzione, la concentrazione di ossigeno cos? come la quanti t? e capacit? riduttiva degli agenti riducenti, cio? il loro potenziale riduttivo, possono essere regolate in modo desiderato a seconda del combustibile usato e della altre condizioni di combustione. In Figure 2, the K-L curve illustrates the maximum NO concentration obtained in the combustion of pure methane (CH4) when combustion is carried out normally with air and the gas burns adiabatically. The M-N curve illustrates the maximum NO concentration when completely burned flue gas has been mixed with combustion air. The O-N curve, in turn, illustrates an example in which the oxygen content of the combustion air has been decreased by adding to it duly cooled flue gas from the reductive stage, operated with the same air coefficient, in an amount equal to 24% of the volumetric flow rate of primary air, reducing gases and CO, thus also being significantly reduced. From the figure it is clear that the recycling of reducing gases significantly decreases the NO concentration while the temperature is decreased and the reductive potential increases. For example, the maximum decrease in NO concentration at an air coefficient of 0.80 is up to 97% compared to combustion with air at an air coefficient of 0.80, i.e., the concentration drops from 0.048 moles NO/kg CH4 (point P in Figure 2) to 0.0012 moles NO/kg CH4 (point 0 in Figure 2), and this decrease is approximately 73% based on the value obtained when fully burned flue gas is mixed with air for combustion (corresponding to the ratio of Q to R). When the method of the present invention is applied, the oxygen concentration as well as the amount and reducing capacity of the reducing agents, i.e., their reductive potential, can be adjusted as desired depending on the fuel used and other combustion conditions.

Si ? trovato inaspettatamente che l'ef ficacia massima del metodo della presente inven zione, cio? la massima diminuzione nella formazione di NO, rispetto alla tecnologia anteriore, si ottiene con coefficienti di aria compresi fra 0,80 e 0,95. E' analogamente imprevisto il fatto che la diminuzione massima nella concentrazione di NO si verifichi con la gamma di valori del coefficiente d'aria convenzionalmente usata in tipica combustione primaria della tecnologia an teriore in caldaie di centrali termoelettriche. Pertanto, il metodo della presente invenzione di minuisce decisamente la formazione di ?Ox nella fiamma del bruciatore, cio? la formazione di ?Ox "pronto" che ? stata massimamente difficile, se non impossibile, prevenire negli apparati del la tecnologia del passato. Quando si confrontino le curve M-N e O-N della figura 2, appare che quando un gas o miscela gassosa contenente agenti riducenti viene mescolato con aria in conformit? con la presente invenzione, il coefficiente di aria 0,95 d? ancora una concentrazione di ?Ox (punto S) che ? di circa il 92% inferiore a quel la ottenuta mediante combustione con normale aria (punto T) e del 40% inferiore rispetto al valore ottenuto aggiungendo gas di combustione completa mente combusto (corrispondente al rapporto fra i punti U e S). Inoltre, l'uso di gas di combustio ne completamente combusto aumenta la quantit? di gas usato, il che richiede una caldaia pi? grandie e condotti pi? grossi per il convogliamento d|el gas, mentre nel metodo della presente invenzione i requisiti connessi con maggiore quantit? di gas e pi? ampio spazio riguardano solamente quella parte della caldaia nella quale avviene la combustione riduttiva. Come appare inoltre dalla figura 2, le curve M-N e 0-N si congiungono,quando il coefficiente di aria ? 1,'il che ? dovuto al fatto che il gas di combustione pr? veniente dal combustibile bruciato con rapporto 'stechiometrico non pu? pi? contenere in qualsia si grado maggiore agenti riducenti. Questo, invece, non ha importanza per il risultato finale in processi di combustione condotti con minori coefficienti d'aria. Essenziale nella presente invenzione ? il fatto che viene impedito surriscaldamento localizzato in una combustione in condizioni inferiori a quelle stechiometriche in modo che non si formeranno ossidi di azoto. It was unexpectedly found that the maximum effectiveness of the method of the present invention, i.e., the maximum decrease in NO formation, compared to the prior art, is achieved with air coefficients between 0.80 and 0.95. It is similarly unexpected that the maximum decrease in NO concentration occurs with the range of air coefficient values conventionally used in typical prior art primary combustion in thermal power plant boilers. Therefore, the method of the present invention significantly decreases the formation of ΔOx in the burner flame, i.e., the formation of "ready" ΔOx which has been most difficult, if not impossible, to prevent in prior art apparatus. When comparing the M-N and O-N curves of Figure 2, it appears that when a gas or gaseous mixture containing reducing agents is mixed with air in accordance with the present invention, the air coefficient 0.95 d : This further increases the concentration of ΔOx (point S) which is approximately 92% lower than that obtained by combustion with normal air (point T) and 40% lower than that obtained by adding completely burned flue gas (corresponding to the ratio between points U and S). Furthermore, the use of completely burned flue gas increases the amount of gas used, which requires a larger boiler and larger ducts for conveying the gas, whereas in the method of the present invention the requirements associated with greater gas quantity and larger space concern only that part of the boiler in which reductive combustion takes place. As also appears from Figure 2, the M-N and O-N curves join when the air coefficient is 1, which is due to the fact that the flue gas from fuel burned at stoichiometric ratio can no longer contain reducing agents to any greater extent. This, however, is irrelevant to the final result in combustion processes conducted with lower air coefficients. Essential to the present invention is the prevention of localized overheating in combustion under substoichiometric conditions, so that nitrogen oxides are not formed.

La figura 3 mostra schematicamente un apparato per la pratica applicazione del metodo della presente invenzione. L'apparato comprende un bruciatore come quello di una caldaia 1 con un focolare 2. Combustibile viene introdotto nel focolare 2 per mezzo di uno o pi? di spostivi 3 di alimentazione. Miscela gassosa contenente ossigeno richiesta per la combustio ne viene introdotta nella stessa parte del foco lare 2 attraverso un condotto 4 appartenente ai dispositivi per la fornitura di aria. Aria viene fornita nel condotto 4 attraverso un condotto 5, mentre gas riducente, cio? miscela gassosa che almeno sostanzialmente non contiene ossi geno e che contiene quantit? notevoli di gas ri ducenti, principalmente H e CO, viene fornito attraverso un condotto 6 appartenente ai sistemi di miscelazione per il tramite di un compres isore 7 e un mescolatore 8 di gas. Il gas che si 'deve mescolare ? preferibilmente gas di combustione derivato dalfocolare 2 nel quale avviene combustione riduttiva (cio? riducente). Il gas di combustione, che contiene agenti riducenti, viene raffreddato per mezzo dei refrigeratori 9 e 10 e la sua quantit? ? controllata per mezzo di una valvola 11. Il gas di combustione riducente viene mescolato nel mescolatore 8 con l?aria da introdurre nel focolare. Una porzione preponderante del gas di combustione prodotto durante lo stadio di combustione riduttiva viene fatta passare nei successivi stadi di combustione, mostrati schematicamente con un unico stadio di combustione 12. Durante i successivi stadi di combustione, altra aria viene introdot ta nella caldaia per mezzo di una valvola 13 attraverso un condotto 14, in modo che il combusti lile verr? combusto nella misura pi? completa pos sibile. A questo stadio il gas di combustione pu? essere raffreddato per mezzo di uno scambiatore di calore 15 e poi per mezzo di refrigeratori 16, dopo di che esso viene fatto passare attraverso un compressore 17 in un condotto 18 per scarico dei gas di combustione. A seconda della quantit? richiesta di agenti riducenti, il gas di combustione finale raffreddato pu? essere mescolato con l'aria da introdurre nel focolare 2 durante il primo stadio operando in modo per s? noto attraverso un condotto 19 in aggiunta al gas di con b?stione proveniente dallo stadio riduttivo (di riduzione) introdotto attraverso il condotto 6, la quantit? del gas di combustione finale essendo regolata mediante una valvola 20. In questo modo, sia il contenuto di ossigeno della miscela di aria e gas da introdurre nel focolare sia la concentrazione degli agenti riducenti in tale miscela possono essere regolati secondo le condizioni di combustione e il combustibile usato, Se esiste un pericolo che la fiamma o una porzione di essa diventi troppo calda all' inizio dello stadio di combustione riduttiva 12 con rissultante formazione eccessiva di ossido di azoto, la temperatura della fiamma durante questo stadio pu? pure essere diminuita alimentando gas riducente attraverso una valvola 21 e un condot to 22 in corrispondenza dell'inizio dello stadio 12 di combustione riduttiva. Perdite di calore del bruciatore possono essere diminuite isolando le camere di combustione mediante gli isolamenti 23 e 24 mostrati schematicamente nel la figura. Figure 3 schematically shows an apparatus for the practical application of the method of the present invention. The apparatus comprises a boiler-like burner 1 with a furnace 2. Fuel is fed into the furnace 2 by means of one or more feeding devices 3. The oxygen-containing gas mixture required for combustion is fed into the same part of the furnace 2 through a duct 4 belonging to the air supply devices. Air is supplied into the duct 4 through a duct 5, while reducing gas, i.e., a gas mixture that is at least substantially free of oxygen and that contains significant quantities of reducing gases, primarily H and CO, is supplied through a duct 6 belonging to the mixing systems via a compressor 7 and a gas mixer 8. The gas to be mixed is preferably flue gas derived from the furnace 2 in which reductive (i.e., reducing) combustion takes place. The combustion gas, which contains reducing agents, is cooled by coolers 9 and 10, and its quantity is controlled by a valve 11. The reducing combustion gas is mixed in mixer 8 with the air to be introduced into the furnace. A predominant portion of the combustion gas produced during the reductive combustion stage is passed into the subsequent combustion stages, shown schematically as a single combustion stage 12. During the subsequent combustion stages, additional air is introduced into the boiler by means of a valve 13 through a duct 14, so that the fuel will be burned as completely as possible. At this stage, the combustion gas may be cooled by means of a heat exchanger 15 and then by coolers 16, after which it is passed through a compressor 17 into a duct 18 for combustion gas discharge. Depending on the quantity If reducing agents are required, the cooled final combustion gas may be mixed with the air to be introduced into the furnace 2 during the first stage in a known manner through a duct 19 in addition to the combustion gas from the reductive (reducing) stage introduced through duct 6, the amount of the final combustion gas being regulated by means of a valve 20. In this way, both the oxygen content of the air/gas mixture to be introduced into the furnace and the concentration of the reducing agents in that mixture may be regulated according to the combustion conditions and the fuel used. If there is a danger that the flame or a portion of it will become too hot at the start of the reductive combustion stage 12 with resulting excessive formation of nitrogen oxide, the flame temperature during this stage may also be decreased by supplying reducing gas through a valve 21 and a duct 22 at the start of the reductive combustion stage 12. Heat losses from the burner can be reduced by insulating the combustion chambers using insulations 23 and 24 shown schematically in the figure.

Si deve tenere ben presente che alcuni d?i dispositivi sopra descritti possono essere combinati in una singola entit? in modo da ottenere una soluzione strutturalmente pi? vantag giosa. Ad esempio, le parti 2, 10, 12, 15 e 16 possono essere facilmente combinate. It should be kept in mind that some of the devices described above can be combined into a single entity to obtain a more structurally advantageous solution. For example, parts 2, 10, 12, 15, and 16 can be easily combined.

E' essenziale nell'apparato della presente invenzione che l'aria e il gas riducente vengano mescolati debitamente prima della loro introduzione nella parte riducente del focolare e che la temperatura della fiamma o di una sua porzione venga diminuita solamente nella misura quale richiesta per prevenire la formazione di NO senza con questo correre alcun rischio che il processo di combustione venga interrotto. Nel metodo della presente invenzione il rap porto di miscelazione di aria e combustibile ? determinato, ad esempio, dal valore termico del combustibile usato, dalla temperatura mini_ ma richiesta per mantenere la combustione, dal la analisi chimica del gas, dal livello deside rato di NO , dalle dimensioni delle superfici riscaldanti della caldaia, dal grado di raffred. damento (temperatura) del gas riciclato, e dalle posizioni degli stadi di introduzione del gas. Di conseguenza, questo rapporto pu? varia re largamente; tipicamente la quantit? di gas ? pari al 10-70% della quantit? di aria fornita. It is essential in the apparatus of the present invention that the air and reducing gas be properly mixed before being introduced into the reducing portion of the furnace and that the temperature of the flame or portion thereof be decreased only to the extent required to prevent the formation of NO without thereby running any risk of interrupting the combustion process. In the method of the present invention, the mixing ratio of air and fuel is determined, for example, by the thermal value of the fuel used, the minimum temperature required to maintain combustion, the chemical analysis of the gas, the desired NO level, the dimensions of the boiler heating surfaces, the degree of cooling (temperature) of the recycled gas, and the positions of the gas introduction stages. Consequently, this ratio may vary widely; typically the amount of gas is 10-70% of the amount of air supplied.

E' ovvio che quando si deve ottenere la stessa efficienza di combustione, il volume del gas usato nell'apparato della presente invenzio ne ? superiore rispetto al caso degli apparati della tecnologia anteriore, per quanto ci? si verifichi principalmente solo nella parte ridu cente della caldaia. Tuttavia, le dimensioni della caldaia non varieranno in misura eccessivamente ingente perch? il riciclo avviene prefe ribilmente solo durante lo stadio o gli stadi di combustione in condizioni inferiori a quella stechiometrica e per il fatto che un aumento nel la portata volumetrica di gas ? per maggior par te compensato dal mutamento nella densit? del gas causato dalla diminuzione della temperatura. Risulta pure ovvio che, teoricamente, il riciclo del gas non riduce l'efficienza della caldaia; perdite di calore varianti possono,tut tavia, risultare in una efficienza lievemente ridotta. In vista dei vantaggi offerti, questo inconveniente non assume alcuna importanza di rilievo. It is obvious that when the same combustion efficiency is to be achieved, the volume of gas used in the apparatus of the present invention is greater than in prior art apparatus, although this occurs primarily only in the reducing portion of the boiler. However, the boiler dimensions will not vary greatly because recycling preferably occurs only during the sub-stoichiometric combustion stage or stages and because an increase in the volumetric flow rate of gas is mostly offset by the change in gas density caused by the decrease in temperature. It is also obvious that, theoretically, gas recycling does not reduce the efficiency of the boiler; varying heat losses may, however, result in slightly reduced efficiency. In view of the advantages offered, this drawback is not of any significant importance.

La presente invenzione ha il vantaggio che l'apparato pu? essere creato con ben noti meizzi di costruzione di poco costo e che non si rendono necessari separati dispositivi costo si per la rimozione di ?Ox perch? la formazione di ?Ox ? stata preventivamente evitata in misura sufficiente. Inoltre il metodo della presente invenzione ? facile da realizzare e molto fa Cile da controllare quando i principi su cui ta le metodo si basa vengono applicati ad apparati e isistemi di controllo di per se noti. E' analo g?mente possibile controllare un'elevata formazione locale di ?Ox in porzioni localizzate ma?s simamente calde della fiamma del bruciatore per il fatto che la formazione di ?Ox viene cos? li mitata che la sua concentrazione non pu? supera re un valore limite stabilito. La concentrazione di ?O della emissione di gas di combustione nell'ambiente circostante dipende, naturalmente, dalle caratteristiche operative e dalla struttu ra della parte ossidante della caldaia. The present invention has the advantage that the apparatus can be constructed with well-known, inexpensive means of construction and that separate, expensive Oxygen-removal devices are not necessary because Oxygen formation has been sufficiently prevented in advance. Furthermore, the method of the present invention is easy to implement and very easy to control when the principles on which it is based are applied to known apparatus and control systems. It is similarly possible to control high local Oxygen formation in extremely hot, localized portions of the burner flame because Oxygen formation is so limited that its concentration cannot exceed a set limit. The Oxygen concentration of the flue gas emitted into the surrounding environment depends, of course, on the operating characteristics and structure of the oxidizing part of the boiler.

Claims

1. A combustion method for reducing the formation of nitrogen oxides during combustion, wherein air required for the combustion of a fuel is introduced in at least two stages, the air being introduced in less than stoichiometric quantities in the first stage, preferably with an air coefficient of between 0.80 and 0.95, a gas or gaseous mixture substantially free of elemental oxygen is mixed with the air to be introduced in the first stage, and a gas or gaseous mixture containing reducing agents is mixed with the air to be introduced in said first stage, a method characterised in that reducing combustion gases containing reducing agents and CO from the combustion stage under conditions 8, 9, 11) are mixed with a gas or gaseous mixture containing oxygen in quantities substantially free of elemental oxygen. lower than that present in the air, with the air to be introduced into the first combustion stage in conditions lower than stoichiometric before the air is introduced into the hearth (2), apparatus characterised in that the mixing devices (6, 7, 8, 9, 11) comprise at least one gas duct (6) to pass part of the combustion gas, coming from the first combustion stage, into the air to be introduced into the first combustion stage so as to mix it with it.

4. Apparatus according to claim 3 characterised in that the mixing devices (6, 7, 8, 9, 11) comprise devices (9, 10) for cooling the combustion gas before it is mixed with air.