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Anlagenbau mit Blick auf die Umwelt
Thermische Abfallbehandlungsanlagen sind komplexe Bauwerke, die sehr individuell gestaltet werden. Deren Realisierung erfordert eine hohe Kompetenz im Engineering und Anlagenbau, von der Planung über die Lieferung bis zur Inbetriebnahme und dem anschließendem Service.
Wir verfügen über umfangreiche Erfahrungen als Generalunternehmer für die schlüsselfertige Lieferung von Gesamtanlagen. Basierend auf unseren Verbrennungstechnologien und in Zusammenarbeit mit sorgfältig ausgewählten und bewährten Lieferanten.
Seit März 2015 haben wir unser Produktportfolio erweitert. Als Anlagenbauer verwenden wir die MARTIN Trockenvergärung System Thöni zur Behandlung von organischen Abfällen in zahlreichen Ländern Europas sowie Australien und Neuseeland.
Das Thöni System zur Trockenvergärung ist am Markt bewährt und etabliert. Aus organischen Abfällen werden Biogas, Kompost und Flüssigdünger gewonnen und in den Stoff-Kreislauf zurückgeführt.
„Lösungen für die energetische und stoffliche Verwertung von Abfällen“
V E R B R E N N U N G V E R G Ä R U N G
101 Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung
Anlagen
Abfall ist nicht gleich Abfall –
Je vielfältiger der Brennstoff ist, umso komplexer die Chemie – Ein Erfahrungsbericht zu Primärmaßnahmen zur NO
x-Minderung –
Ulrich Martin und Wolfgang Schmidt
1. Ausgangssituation und Motivation ...101
2. Stand der Wissenschaft und Technik ...103
2.1. NOx-Bildung in Abfallverbrennungsanlagen ...103
2.2. Maßnahmen zur Reduzierung von Stickoxidverbindungen ...104
2.3. Feuerungseinstellungen ...104
2.4. Abgasrezirkulation ...105
2.5. Luftstufung ...106
2.6. SCR – Selective Catalytic Reduction ...108
2.7. SNCR – Selective Non Catalytic Reduction ...108
3. Durchgeführte Versuche ...112
3.1. Luftstufung mittels Entzerrung der Sekundärluftebene ...113
3.2. Luftstufung mittels VLN-Verfahren ...115
3.3. Ergebnisse der Versuche ...117
4. Zusammenfassung ...118
5. Literatur ...118
1. Ausgangssituation und Motivation
Bei der Verbrennung entstehen aus dem Brennstoff und der Verbrennungsluft nie- derenergetische Produkte in fester, flüssiger oder gasförmiger Form. Bei den gasför- migen Produkten handelt es sich hauptsächlich um die Gase Stickstoff (N2), Wasser (H2O), Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2), die, unter Vernachlässigung der Langzeitwirkung von CO2 als Treibhausgas, alle als umweltneutral einzustufen sind.
Zusätzlich werden bei allen Verbrennungsvorgängen auch umweltbelastende Stoffe emittiert, die zu Schäden an Mensch, Tier, Vegetation, technischen und kulturellen Bauwerken führen können, weshalb die Emission dieser Stoffe durch technische Maß- nahmen soweit wie möglich eingeschränkt werden muss.
102
Anlagen Zur Kategorie dieser schädlichen Stoffe gehören unter anderem Stickstoffoxide. Dabei
handelt es sich um einen Sammelbegriff für verschiedene Oxide des Stickstoffs, welche gewöhnlich unter dem Sammelbegriff NOx zusammengefasst werden. Die drei Stick- oxidformen NO, NO2 und N2O sind die bei Verbrennungsprozessen auftretenden Typen.
Aufgrund der Erkenntnisse über die Gefährlichkeit der Stickoxide wurden weltweit Immissionsgrenzwerte festgelegt sowie politische, rechtliche und wirtschaftliche Instru- mente geschaffen, um die Emissionen mengenmäßig zu begrenzen. In Deutschland wurde dieser Problematik durch die Einführung des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG) vom 26.09.2002 mit entsprechend zugeordneten Verwaltungsvorschrif- ten Rechnung getragen. Die Grenzwerte für Abfallverbrennungsanlagen sind in der 17. Bundesimmissionsschutzverordnung (17. BImSchV) geregelt. Mit einer Änderung vom 02.05.2013 wurde den vorhandenen Halbstunden- und Tagesmittelwerten für Stickoxide ein zusätzlicher Jahresmittelwert als einzuhaltender Grenzwert hinzugefügt.
Dieser Grenzwert gilt für Anlagen mit einer Feuerungswärmeleistung von mehr als 50 MWth die nach dem 31. Dezember 2012 in Betrieb gehen oder wesentlich geändert werden [2].
Auf europäischer Ebene ist die Industrial Emissions Directive (IED) im Januar in 2011 in Kraft getreten, die weiterhin NOx Grenzwerte von 200 mg/Nm3 als Tagesmittelwert vorsieht.
Tabelle 1: Grenzwertänderung von NOx Emissionen durch 17. BImSchV 17. BImSchV (Stand 2013)
Für bestehende Abfallverbrennungsanlagen Für MVA‘s (größer 50 MWth) ab 2013 mg/Nm3*
Jahresmittelwert - 100
Tagesmittelwert 200 150
Halbstundenmittelwert 400 400
* bezogen auf 11 Prozent O2 und ohne Gutrechnung
Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Siebzehnte Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über die Verbrennung und die Mitverbrennung von Abfällen – 17. BImSchV). 02.
05 novelliert 2013, Ausfertigungsdatum 1990. Zitat vom: 06. November 2015. http://www.gesetze-im-internet.de/bimschv_17_2013/
BJNR104400013.html
Im deutschen Anlagenpark erfolgt die Einhaltung der Grenzwerte mithilfe der selekti- ven katalytischen Reduktion (SCR) bzw, der selektiven nicht katalytischen Reduktion (SNCR). Eine genauere Beschreibung dieser Technologien erfolgt in den Kapiteln 2.6 und 2.7.
Bild 1 stellt die Jahresmittelwerte der NO2 Emissionen für 64 deutsche Abfallverbren- nungsanlagen dar. Ungefähr zwei Drittel der Anlagen sind mit der SCR-Technologie ausgerüstet, der Rest verwendet die SNCR-Technologie. In Bild 1 ist ein deutlicher Unter- schied bei den Abscheideraten für NOx zwischen der SCR- und der SNCR-Technologie zu erkennen. Ein Großteil der Anlagen mit SCR-System hält bereits den neuen Jahres- grenzwert von 100 mg NO2/Nm³ ein. Hingegen erreichen nur ein Viertel der Anlagen, welche die SNCR-Technologie verwenden, eine Emission unter 100 mg NO2/Nm³.
103 Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung
Anlagen
2. Stand der Wissenschaft und Technik 2.1. NO
x-Bildung in Abfallverbrennungsanlagen
Der größte Teil, der bei der Verbrennung von Abfall gebildeten Stickoxide, besteht für gewöhnlich aus NO (etwa 95 Prozent [8]). Deshalb wird im Folgenden nur auf die Bildung von Stickstoffmonoxid eingegangen. Hierbei können grundsätzlich drei verschiedene Bildungsmechanismen unterschieden werden:
• Thermische NO-Bildung,
• Prompte NO-Bildung,
• Brennstoff NO-Bildung.
Bei den erstgenannten Mechanismen der Stickoxidbildung dient der Luftstickstoff als N-Quelle. Im Unterschied dazu stellt bei der Brennstoff NO-Bildung der Brennstoff den Stickstoff dem NO-Molekül zur Verfügung. Dieser Mechanismus tritt daher bei stickstoff- haltigen Brennstoffen, wie Kohle und Schwerölen, aber auch Abfall in den Vordergrund.
Der Vorgang der NO-Bildung kann vereinfacht mit Bild 2 erklärt werden. Bei der Verbren- nung von stickstoffhaltigen Brennstoffen wird in einem ersten Schritt der Stickstoff durch die Freisetzung verschiedener intermediärer Spezies (NH3 und HCN) der NO-Bildung zugänglich gemacht. Dies geschieht während der Aufheizungs- und Entgasungsphase des Brennstoffs [8].
Bild 1:
NO2 Emissionen als Jahresmittel von bestehenden Anlagen in Deutschland mit SCR- und SNCR-Entstickung
Quelle: IFEU: Beispielhafte Darstellung einer vollständigen, hochwertigen Ver- wertung in einer MVA unter besonderer Berücksichtigung der Klimarelevanz.
Heidelberg: UFOPLAN-Projekt FKZ 205 33 311, 2007
SCR-Technik SNCR-Technik
NO2-Emissionen mg/Nm3 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
Bild 2:
Teilschritte der NO-Bildung aus Brennstoff-N
Quelle: Hafner, K.M.: Untersuchung zur Bildung brennstoffabhängiger Stick- oxide bei der Abfallverbrennung mittels on-line analytischer Messmethoden.
Weihenstephan: s.n., 2004
104
Anlagen
2.2. Maßnahmen zur Reduzierung von Stickoxidverbindungen
Die Maßnahmen zur Reduktion von Emissionen werden häufig in primäre und se- kundäre Maßnahmen unterteilt. Unter Primärmaßnahmen werden alle Maßnahmen verstanden, die eine NOx-Entstehung vermindern und unter Sekundärmaßnahmen diejenigen, die bereits vorhandenes NOx reduzieren. Zu den Primärmaßnahmen zählt beispielsweise die Luftstufung oder die Abgasrezirkulation. Ebenfalls wird in den meis- ten Fällen die Brennstoffstufung zu den Primärmaßnahmen gezählt.
Auch ist die Unterscheidung zwischen feuerungstechnischen Maßnahmen (Maßnah- men am Brenner bzw. im Feuerraum) und nachgeschalteten Abgasreinigungsverfahren (SCR) gängige Praxis, wie sie von Spliethoff angewendet wird [21]. Die Anwendung von SNCR ist hierbei ein Grenzfall, weil sie im Feuerraum in direkter Abhängigkeit der Feuerung angewendet werden kann. Deswegen wird sie in der untenstehenden Klassifizierung zweifach aufgelistet.
Tabelle 2: Klassifizierung von NOx Minderungsverfahren nach Ziel und Art der NOx Minderung ZIEL Primäre Sekundäre
ART NOx Minderung NOx Minderung
Feuerungstechnische Maßnahme
Flammenbereich - Luftstufung (mit Sekundärluft) – oberhalb des Rostes - Brennstoffstufung
- Abgasrezirkulation
Feuerraum - Luftstufung im Feuerraum - SNCR in Abhängig
(mit Tertiärluft) keit von von Feuerungstechnik - Brennstoffstufung im Feuerraum (z.B. mit VLN-Verfahren) - VLN-Verfahren
Nachgeschaltete Maßnahme
– - SNCR unabhängig von
Feuerungstechnik
- SCR (Katalytische Entstickung)
2.3. Feuerungseinstellungen
Die Bildung und Reduzierung von NOx kann durch die Feinabstimmung der Feue- rungseinstellungen beeinflusst werden. Hierzu gehören das Einstellen einer optimalen Luftzahl sowie die Aufteilung der Verbrennungsluft auf Primär- und Sekundärluft.
Erfolgreich waren zum Beispiel Versuche, die eine Vertrimmung der Hauptsekundärluft von den Vorwanddüsen zu den Rückwanddüsen beinhaltet haben. Die Verteilung vorne:
hinten = 60 Prozent: 40 Prozent wurde auf 40 Prozent : 60 Prozent umgestellt. Dies hatte eine Senkung der NOx-Emissionen von 10 Prozent bis -20 Prozent zur Folge und kann auf Strömungen und Speziesverteilungen im Bereich der Sekundärluft-Freistrahlen zurückgeführt werden [19]. Analog hierzu gibt es eine Vielzahl von Erfahrungen, die über eine Optimierung der Feuerungseinstellungen eine signifikante Reduzierung des NOx ermöglichen.
105 Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung
Anlagen
2.4. Abgasrezirkulation
Die Abgasrezirkulation besteht aus einer Rückführung und Zugabe von abgekühlten Abgasen, die am Austritt des Kessels oder im Bereich der Abgasreinigung abgezogen werden. Typischerweise ersetzt sie Sekundärluft und erlaubt eine intensive Mischung der Abgase bei verringertem Luftüberschuss. Mit der Abgasrezirkulation wird in vielen Fällen das Temperaturniveau im Feuerraum abgesenkt und Temperaturspitzen vermieden.
Die Abgasrezirkulation stellt im Wesentlichen eine Erhöhung der Inertgasrate im Se- kundärgas dar. Damit steht weniger Sauerstoff zur Oxidation von Stickstoff zu NOx zur Verfügung und entsprechend sinkt die Bildung von thermischen NOx im Abgas (Bild 3).
Bild 3: NOx Rohgaskonzentration in Abhängigkeit der Inertgasrate
Quelle: Beckmann, M.: Optimierung von Abfallverbrennungsanlagen. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M.(Hrsg.):
Optimierung der Abfallverbrennung 3. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2006
Zu erwähnen ist, dass die Abgasrezirkulation entsprechend [1] keinen wesentlichen Einfluss auf die Bildung von NO aus dem im Brennstoff gebundenen Stickstoff hat.
Auch liegt die Auswirkung des erzielten NO-Minderungseffektes deutlich unter dem der Brennstoff- oder Luftstufung [3]. Die hier beschriebene Abgasrezirkulation ist in Bezug auf die Mechanismen der NOx Minderung nicht mit dem unten beschriebenen VLN-Verfahren zu verwechseln.
NOx Gehalt (bei 11 % O2) mg/Nm3
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
CO Gehalt (bei 11 % O2) mg/Nm3 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Inertgasrate a =
mInertgas mInertgas + mSekundärluft
. . . NOx Gehalt im Abgas (bei 11 % O2)
CO Gehalt im Abgas (bei 11 % O2)
106
Anlagen
2.5. Luftstufung
Bei der Luftstufung liegt eine ortsfeste Abgrenzung der Primärzone und Ausbrandzone vor (Bild 4). In der ersten Stufe, der Primärzone, wird nur eine Teilluftmenge zugege- ben (λ < 1). Wegen der verringerten Luftzufuhr liegen auch die NO-Promotoren O, O2 und OH in geringeren Mengen vor. Die so entstehenden unterstöchiometrischen Verhältnisse (λ < 1) führen zu einer Reduzierung der NO-Bildung und unterstützen die Bildung von molekularem Stickstoff. Zur beschleunigten Umsetzung sind hohe Prozesstemperaturen anzustreben [18].
Um den vollständigen Ausbrand zu gewährleisten, wird in der zweiten Stufe – der Ausbrandzone – Restluft zugeführt, wodurch überstöchiometrische Bedingungen erzielt werden. Bei Rostfeuerungen für Abfälle werden typischerweise Feuerungen mit Primärluftzuführung durch den Rost und einem System von Sekundärluftdüsen verwendet, das oberhalb des Rostes angeordnet ist. Von einer Luftstufung spricht man aber erst, wenn diese beiden Stufen der Feuerung deutlich voneinander abgesetzt vor- liegen und über die Primärluft deutlich weniger als die stöchiometrische Luftmenge zugeführt wird [14].
Konventionelle
Verbrennungsluftzuführung Luftstufung
Luft Luft
Luft
Brennstoff Brennstoff
Bild 4: Schema für konventionelle Verbrennungsluftzuführung und Luftstufung
Die in Bild 4 links dargestellte konventionelle Verbrennungsführung entspricht dem derzeitigen Stand der Technik in Abfallverbrennungsanlagen, um einen möglichst stabilen Betrieb mit geringen Emissionen zu erhalten. Die Zuführung von Primär- luft im Bereich des Rostes erfolgt überstöchiometrisch (in Bild 4 beispielhaft mit l=1,1 angegeben). Durch die Eindüsung von zusätzlicher Sekundärluft lässt sich die Flammenhöhe begrenzen. Als Folge kann der Umfang des für den Flammenbereich
107 Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung
Anlagen
notwendigen Schutzes der Membranwände mit keramischen Platten oder Inconel be- grenzt werden. Ausreichend Sekundärluft wirkt sich auch positiv auf die Minimierung von CO aus. Durch einen Ersatz von Sekundärluft mit Abgasrezirkulationsgas kann der Luftüberschuss und die Feuerraumtemperatur reduziert werden. Dies wirkt sich in den meisten Fällen leicht positiv auf die NOx Emissionen aus (siehe 2.3.). Die Kriterien für eine Luftstufung sind mit der beschriebenen konventionellen Verbrennungsluftzu- führung in Bild 4 links nicht erfüllt (überstöchiometrische Primärluftzuführung und keine abgesetzte Ausbrandzone).
Aus Laboruntersuchungen ergibt sich, dass über die Luftstufung eine Reduzierung der NOx-Emission von bis zu 70 Prozent realisierbar ist [20]. Die Haupteinflussparameter auf die NOx-Bildung sind hierbei die Temperatur und die Luftzahl Lambda.
Die für eine möglichst geringe NOx Bildung optimale Luftzahl lässt sich über den TFN-Wert abschätzen. TFN steht für Total Fixed Nitrogen und ist die Summe aus den Massen- bzw. Molanteilen von NO, NH3 und HCN. Bei der Verbrennung von Propan nach Eberius et al. hat sich gezeigt, dass bei einer Luftzahl zwischen 0,6 und 0,8 das Minimum für den TFN und somit NOx vorliegt (Bild 5) [3].
0,6 0,7 0,8
2.000
1.600
1.200
800
400 NO, HCN, NH3 ppm
0,5 0,9 1,0
0
Luftzahl λ
x x
x
x x
x x
x x
TFN = NO + NH3 + HCN
HCN NH3 NO
Bild 5: Bildung stickstoffhaltiger Verbindungen in Flammen verschiedener Stöchiometrie
Quelle: Eberius, H.; Just, Th.; Kelm, S.: NOx-Schadstoffbildung aus gebundenem Stickstoff in Propan-Luft-Flammen. VDI- Bericht Nr. 498. Düsseldorf: VDI-Verlag
108
Anlagen
2.6. SCR – Selective Catalytic Reduction
Die Kernkomponente des SCR-Verfahrens ist der Katalysator. Am Katalysator reagiert das eingedüste Reduktionsmittel (Ammoniak oder Harnstoff) selektiv mit dem NO des Abgases, womit Abscheideraten von bis zu 92 Prozent erzielt werden können. Der Katalysator besteht aus einer Platten- oder Wabenstruktur, welche mit einem porösem Medium (z.B. TiO2) beschichtet ist. In diese poröse Schicht wird ein Katalysatormaterial eingebracht (z.B. V2O5) [16]. Durch kontinuierliche Weiterentwicklung wurde das Tem- peraturfenster für den optimalen Arbeitsbereich vergrößert, sodass heute Katalysatoren in einem Temperaturbereich von 180 °C bis 400 C für die Reduktionsreaktionen eingesetzt werden können [10]. Dies ermöglicht eine Vielzahl unterschiedlicher Kombinations- varianten beim Aufbau der Abgasreinigung und reduziert den Bedarf an Systemen der Wärmeverschiebung und Wiederaufheizung. Typische SCR-Varianten sind: Tail-End- SCR, Low-Dust-SCR, High-Dust-SCR oder Rohgas-SCR [12].
Durch Ablagerung und Kondensation von Salzen am Katalysator, wird die Aktivität des Katalysators herabgesetzt. Des Weiteren erhöht sich der Druckverlust des Abgases, was den Strombedarf des Saugzuggebläses erhöht [16].
Die hohen Kosten sind der Hauptgrund gegen den Einsatz von SCR-Systemen. So ver- gleicht von der Heide Jahresabscheidemengen für ein bestimmtes Investitionsvolumen und kommt zu dem Schluss, dass mit SNCR-Systemen vier- bis siebenmal so viel NOx abgeschieden werden kann, wie mit einem gleich teuren SCR-System [23].
2.7. SNCR – Selective Non Catalytic Reduction
Bei der Abgasreinigung mittels SNCR-Verfahren werden stickstoffhaltige Reduktionsstoffe wie Ammoniak (NH3) oder Harnstoff ((NH2)2CO) eingesetzt. In der Abfallverbrennung ist es typisch, dass diese Reduktionsmittel in wässriger Lösung verwendet werden.
Die Zugabe der Reduktionsstoffe erfolgt in der überstöchiometrischen Ausbrandzone.
Je nach Lastfall sind verschiedene Eindüsebenen notwendig. Abhängig von der Ab- gaszusammensetzung und dem verwendeten Reduktionsmittel existiert ein optimales Temperaturfenster zwischen 850 °C und 1.050 °C. Bei niedrigerer Temperatur steigt der Ammoniakschlupf, während umgekehrt bei höheren Temperaturen Ammoniak verbrennt und zusätzliche Stickoxide bildet.
Der selektive Abbau von NO zu molekularem Stickstoff erfolgt abhängig von dem ver- wendetem Reduktionsmittel nach den unten aufgeführten Reaktionen:
für Ammoniak:
4 NO + 4 NH3 + O2g 4 N2 + 6 H2O Reaktion 1 für Harnstoff:
2 NO + (NH2)2 CO + 12 O2g 2 N2 + 2 H2O + CO2 Reaktion 2 Die Reduktion ist stark abhängig von der Vermischung, sowie der gleichmäßigen Temperatur- und Konzentrationsverteilung bei ausreichender Verweilzeit. Typische Reduktionswerte sind 35 Prozent bis 70 Prozent. Reduktionsgrade von 60 Prozent bis
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Mit unserer Anlage gewährleistet das Müllheizkraftwerk Ruhleben Entsorgungssicherheit sowie stabile Müllgebühren und erzeugt Strom und Fernwärme für Berliner Haushalte.
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111 Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung
Anlagen
85 Prozent werden im unteren Bereich des Temperaturfensters erreicht (880 °C bis 920 °C), jedoch mit einen NH3-Schlupf mit einem Anteil von 0,5 Prozent bis 7 Prozent, da die Reaktionsgeschwindigkeit mit sinkender Temperatur fällt [16]. Im oberen Be- reich des Temperaturfensters ist ein NO-Reduktionsgrad im Bereich von 35 Prozent bis 60 Prozent erreichbar, aber mit einem NH3-Schlupf mit einem Anteil kleiner 0,5 Prozent [17]. Dies zeigt, dass mit höheren Anforderungen an die NO-Reduktion ein höherer NH3-Schlupf einhergeht.
Das SNCR-Verfahren bietet sich aufgrund guter Einmischung und gleichmäßiger Ab- gasströmung für Feuerungsanlagen mit geringer thermischer Leistung und geringen Feuerraumquerschnitten an. Mit dem SNCR-Verfahren steht eine kostengünstige und energieeffiziente Alternative zum SCR-Verfahren zur Verfügung. Jedoch fällt das NO- Reduktionspotential mit 35 Prozent bis 70 Prozent geringer aus als bei SCR Systemen.
Als Stand der Technik für SNCR-Systeme kann vereinfacht angenommen werden, dass für die Einhaltung des NOx Grenzwertes der IED [4] von 200 mg/Nm3 als Tagesmittelwert mit einem klassischen SNCR-System erreicht wird. Entsprechend wurde in der Vergan- genheit auch vielfach davon ausgegangen, dass für die Einhaltung tieferer Grenzwerte SCR-Systeme erforderlich sind [6, 11].
Im Vergleich zum SCR- galt das SNCR-Verfahren immer als billige Alternative für An- lagen, bei denen nur geringe Abscheideraten gefordert werden. Beim SNCR-Verfahren werden dieselben Reduktionsmittel wie beim SCR-Verfahren eingesetzt, das Tempera- turfenster für SNCR liegt jedoch bei höheren Temperaturen, im Bereich von 850 °C bis 1.080 °C [16]. Daher laufen dieselben Reaktionen auch ohne Einsatz eines Katalysators direkt im Abgas ab.
100
80 90
70 60 50 40 30 20 10
NOx-Reduktion
%
NH3-Schlupf mg/m3
750 850 950 1.050 1.150
0 4 8 12 16 20
Reaktionstemperatur °C
Arbeitsbereich 880 bis 1.080 °C
0
Bild 6: Abscheidegrat und NH3 Schlupf in Abhängigkeit der Temperatur
Quelle: Beckmann, M.: Optimierung von Abfallverbrennungsanlagen. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M.(Hrsg.):
Optimierung der Abfallverbrennung 3. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2006
112
Anlagen Jahrelange Erfahrung und Optimierung der SNCR-Systeme ermöglichen es heute bei
guten Verbrennungsbedingungen Abscheideraten von bis zu 85 Prozent zu erreichen [16].
Bild 6 zeigt den optimalen Arbeitsbereich für die SNCR-Reaktionen bei einem typischen Sauerstoffgehalt für Abfallverbrennungsanlagen. Das Temperaturfenster deutet an, dass die Eindüselanzen für das SNCR-Verfahren aufgrund des Temperaturniveaus im ersten Zug von Abfallverbrennungsanlagen installiert werden müssen. Durch ungleichmäßige Verbrennung hervorgerufene Temperaturänderungen sind in diesem Bereich besonders hoch und können durchaus 150 K bis 200 K innerhalb einiger Sekunden betragen. Hinzu kommt noch die Änderung des Temperaturniveaus bedingt durch Laständerungen [22].
Als Kompensation für die Ortsabhängigkeit der optimalen Reaktionsbedingungen wird mit schwenkbaren Eindüselanzen oder mehreren Eindüseebenen gearbeitet, um in allen Betriebssituationen hohe Abscheideraten zu erzielen. Die Düsenebenen werden dabei durch die vorherrschenden Temperaturen bestimmt. Typische Messpunkte im Kessel, wie z.B. an der Kesseldecke, sind zu träge und bieten keine räumliche Auflösung. Deshalb wird die Regelung von SNCR-Systemen häufig mit der akustischen Gastemperaturmessung (AGAM) [22] oder mit in den Leerzügen angeordneten IR-Pyrometern zur Temperatur- messung gekoppelt. Dies ermöglicht bei modernen Systemen die Düsen in den Düsen- ebenen individuell anzusteuern, um auch Schieflagen in der Temperatur auszugleichen.
Das optimale Temperaturfenster für die Abscheidung verkleinert sich zusätzlich durch den Ammoniakschlupf, welcher am Kamin 15 mg NH3/Nm³ nicht überschreiten darf. Wie anhand der roten Linie in Bild 6 ersichtlich ist, reagiert am unteren Ende des Tempera- turfensters nicht die gesamte Menge NH3, sondern ein Teil bleibt als Ammoniakschlupf im Abgas zurück.
3. Durchgeführte Versuche
Um den feuerungsseitigen Einfluss auf die NOx-Entstehung zuverlässig beurteilen zu können, sollte möglichst eine Rohgasmessung vorgenommen werden, welche vor einer sekundären NOx-Reduktionsmaßnahme wie beispielsweise einer SCR oder einer SNCR platziert ist. Anhand des Betriebsmittelverbrauchs lässt sich zwar auf das vorherrschende Schadstofflevel zurückrechnen, aufgrund veränderlicher stöchiometrischer Bedingungen und sonstiger Einflüsse auf die chemischen Verhältnisse ist eine derartige Rückrechnung jedoch mit Unsicherheiten behaftet.
Während beider nachfolgend dargestellter Versuche war eine solche Messanordnung gegeben, da beide Anlagen mit einem dem Kessel nachgeschalteten SCR-System ausge- stattet sind und Messungen am Kesselende durchgeführt wurden.
Kapitel 2 kann zur zugrunde liegenden Chemie im Feuerraum nur einen kurzen Über- blick verschaffen, so werden in der Literatur über 50 verschiedene Spezies und über 300 verschiedene chemische Reaktionen genannt, die an der NOx-Entstehung und -Reduk- tion beteiligt sind [5, 7, 15]. Aufgrund dieser Komplexität ist es essentiell theoretische Berechnungen mit ausreichenden Messdaten zur Validierung zu hinterfragen.
113 Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung
Anlagen
3.1. Luftstufung mittels Entzerrung der Sekundärluftebene
An einer industriellen Abfallverbrennungsanlage mit einer Feuerungswärmeleistung von etwa 85 MW, welche mit Haushaltsabfall mit einem Heizwert von ~ 10.400 kJ/kg betrieben wird, wurden mehrwöchige Versuche zur Luftstufung durchgeführt. Eine Besonderheit der Versuchsanlage liegt darin, dass eine der Sekundärgasebenen entweder mit rezirkuliertem Abgas oder mit Kesselhausluft betrieben werden kann.
Bild 7: Einbausituation der verlängerten
Düsenrohre Bild 8: Darstellung der oberen Enden der verlängerten Düsenrohre während des Betriebes
Für die Versuche wurde die bestehende Sekundärlufteindüsung derart modifiziert, dass der Abstand beider installierter Sekundärluftebenen um 3 m vergrößert wurde. Hierfür kamen sogenannte Schwanenhälse, speziell angefertigte Düsenrohre mit an beiden En- den angebrachten 90 ° Winkeln, zum Einsatz, welche in die oberen Sekundärluftdüsen eingesetzt wurden (Bild 7, Bild 8). Durch diese Modifikation konnte der Abstand beider Sekundärluftebenen verdreifacht werden. Während des Betriebs war eine ausreichende Kühlung der Düsenrohre durch das eingebrachte Sekundärgas gegeben und das Gas konnte ungehindert in den Feuerraum eingedüst werden.
Ebenfalls konnte eine befriedigende Standzeit der Düsenrohre erreicht werden, um die Versuche abzuschließen. Während der Versuche wurden mit Ausnahme der Pri- märluftzuführung alle weiteren Anlagenparameter konstant belassen, um die Nach- vollziehbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten.
114
Anlagen
Bild 9: Ergebnisse der Luftstufung
Die in Bild 9 dargestellten Werte werden bezogen auf 11 Prozent O2 und trockenes Abgas dargestellt. Darin wird deutlich, dass in allen drei untersuchten Betriebs- weisen der Roh-NOx signifikant gesenkt werden konnte. Während der Einsatz des rezirkulierten Abgases lediglich einen kleinen Einfluss von etwa 5 Prozent auf die NOx-Emissionen hat, wurden mit Hilfe der Luftstufung Reduktionen von 33 bis 38 Prozent erreicht. Die hier dargestellten Werte wurden jeweils über einen ganzen Tag gemittelt erreicht.
Die europäische Richtlinie für Abfallverbrennungsanlagen sieht neben den Grenz- werten von verschiedenen Schadstoffen ebenfalls die Einhaltung des 850 °C /2 s – Kriteriums. Dieses schreibt nach der letzten Eindüsung von Verbrennungsluft eine Mindestverweilzeit des Abgases von 2 s über einer Temperatur von 850 °C vor.
Da durch die Erhöhung der oberen Sekundärgaseindüsung das Temperaturniveau des Abgases auf dieser Ebene reduziert ist, ist eine Überprüfung dieses Kriteriums wichtig. Hierfür wurden die in der Anlage verfügbaren Temperaturmessungen in der Kesseldecke herangezogen, die ebenfalls für die offizielle Validierung verwen- det werden. Aufgrund des ausgemauerten Feuerraums lag die zurückgerechnete und gemittelte Temperatur der virtuellen 850 °C-Ebene im Teillastfall bei 1.009 °C und in den Volllastfällen bei 1.039 °C, somit weit oberhalb der geforderten Tempe- ratur.
NOx bez. auf 11 Vol.-% O2 trocken mg/Nm3
450 400 350 300 250 200 150 100 50
0 Rezi-Betrieb SKL-Betrieb,
Standard-SKL-System advanced
SKL-System advanced
SKL-System advanced SKL-System unterschiedliche Fahrweisen bei 100 % Last
380
405
250 260 270
100 % Last, steile PL-Kurve 100 % Last, steile PL-Kurve 100 % Last, flache PL-Kurve 100 % Last, steile PL-Kurve 75 % Last, steile PL-Kurve
115 Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung
Anlagen
3.2. Luftstufung mittels VLN-Verfahren
Das Very-Low-NOx Verfahren basiert auf der Absaugung überschüssigen Verbren- nungsgases über dem hinteren Teil des Rostes und der Wiederverwendung dieses Gases als Tertiärgas zur Durchmischung des Abgases im oberen Bereich des Feuerraums. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann einerseits der Luftüberschuss des Kessels effektiv gesenkt werden und andererseits wird durch die geringen Luftzahlen im unteren Feuerraum ebenfalls das Prinzip der Luftstufung eingesetzt. Eine detailliertere Beschreibung des Verfahrens kann in [13] gefunden werden.
Mittlerweile befinden sich mehrere Anlagen mit VLN im kommerziellen Betrieb. Eine davon ist die in 2014 in Bazenheid, CH in Betrieb gegangene Anlage mit einer Feue- rungswärmeleistung von 31,0 MW. Als Ersatz zweier alter Verbrennungslinien stellt die Anlage auf einem wesentlich kompakteren Querschnitt eine höhere Verbrennungs- leistung zur Verfügung, was unter anderem nur durch eine Reduktion der spezifischen Verbrennungsluftmenge gewährleistet werden konnte. Dies konnte durch den Einsatz des VLN-Systems realisiert werden, da durch die doppelte Nutzung des abgesaugten Abgases gleichzeitig ein vollständiger Gasausbrand bei vermindertem Luftüberschuss erreicht und gleichzeitig ausreichend Verbrennungsluft für den Schlackeausbrand zur Verfügung gestellt wird. Bild 10 stellt exemplarisch einen Ausschnitt des Feuerraums und die dort angebrachte VLN-Eindüsung dar.
Bild 10:
Darstellung des Feuerraums mit besonderem Hinblick auf die VLN-Eindüsung
In Bild 11 werden die Ergebnisse der Abnahmemessungen für die beiden Emissi- onsparameter Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffmonoxid (NO), aufgetragen als Stickstoffdioxid (NO2), gezeigt. Über den dargestellten 15-stündigen Zeitraum konnten CO-Emissionen von unter 5 mg/Nm³ erreicht werden. Für die NOx-Emissionen wurde eine Reduktion gegenüber eine konventionellen (~ 400 mg/Nm³) Feuerung von etwa 49 Prozent realisiert, absolut wurde auf 11 Prozent O2 normiert, 204 mg/Nm³ NOx emittiert.
116
Anlagen
Bild 11: Abnahmemessungen zu CO und NOx an der KVA Bazenheid
Ergänzend zu den Emissionsmessungen wurden 850 °C/2 s-Messungen durchgeführt, die zwar in der Schweiz nicht verpflichtend, jedoch europaweit im Rahmen der IED einzuhalten sind.
Hierfür kam die dem Stand der Technik entsprechende Messmethode der mittels Ab- saugpyrometer auf zwei Ebenen gemessenen Temperatur zum Einsatz. Die Messungen wurden über einen Lastbereich von 60 Prozent bis 91 Prozent durchgeführt, womit nahezu der gesamte Bereich des Feuerleistungsdiagramms abgedeckt wurde. Tabelle 3 zeigt einen Auszug aus den Berechnungsergebnissen und belegt, dass in allen Betriebs- punkten die erforderliche Verweilzeit von 2 s sicher eingehalten wurde.
Aus den Erfahrungen bisheriger Messungen und dem Verhalten typischer Dampfer- zeuger kann aus diesen Ergebnissen geschlossen werden, dass ebenfalls für 100 Prozent thermischer Last das 850 °C Kriterium eingehalten wird. Dies liegt daran, dass bei höherer Kessellast die im Abgas enthaltene Energie, bezogen auf die Kesselheizflächen im 1. Strahlungszug, höher ist und die Abgastemperatur somit langsamer abnimmt.
Dadurch vergrößert sich Verweilzeit jenseits der 850 °C.
Beide Ebenen der Temperaturmessungen befinden sich oberhalb der letzten Ebene der VLN-Zuführung, ebenfalls erfolgte die Berechnung oben dargestellter Ergebnisse unter Normierung auf die letzte VLN-Ebene.
Bazenheid 06.11.2014 300
250
200
150
100
50
0
120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
NOx vor Kat. bez. 11 % O2 CO Kesselende
16:10:10 16:25:00 16:39:50 16:54:40 17:09:30 17:24:20 17:39:10 17:54:00 18:08:50 18:23:40 18:38:30 18:53:20 19:08:10 19:23:00 19:37:50 19:52:40 20:07:30 20:22:20 20:37:10 20:52:00 21:06:50 21:21:40 21:36:30 21:51:20 22:06:10 22:21:00 22:35:50 22:50:40 23:05:30 23:20:20 23:35:10 23:50:00 00:04:50 00:19:40 00:34:30 00:49:20 01:04:10 01:19:00 01:33:50 01:48:40 02:03:30 02:18:20 02:33:10 02:48:00 03:02:50 03:17:40 03:32:30 03:47:20 04:02:10 04:17:00 04:31:50 04:46:40 05:01:30 05:16:20 05:31:10 05:46:00 06:00:50 06:15:40 06:30:30 06:45:20 07:00:10
NOx mg/m3
COx mg/m3
117 Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung
Anlagen
Tabelle 3: Auswertung der 850 °C/ 2 s Messreihe
Betriebspunkt - - VLN 60 % VLN 91% VLN 85 % Konv 80 % 21,0 t/h 32,0 t/h 29,8 t/h 28 t/h
Messebene 2 HME2 m 23,0 23,0 23,0 23,0
Messebene 1 HME1 m 28,2 28,2 28,2 28,2
Messebene 2 T2 °C 851,9 968,6 923,7 900,5
Messebene 1 T1 °C 792,9 938,8 887,6 858,4
Temperatur nach 2 s Verweilzeit T2s °C 886,7 973,3 933,0 932,6 Verweilzeit bei 850 °C, Soll tVZmin s 2 2 2 2 Verweilzeit bei 850 °C, IST tVZ s 3,2 7,8 5,4 4,7
3.3. Ergebnisse der Versuche
Mittels beider Verfahren konnte gezeigt werden, dass diese in der Lage sind die Roh-NOx Emissionen einer typischen Abfallverbrennung zu senken. Dies basiert im Wesentlichen darauf, dass der zur Schaffung einer reduzierenden Atmosphäre im Feuerraum nötige Sauerstoffmangel durch eine gezielte Absaugung des Luftüber- schusses (im Fall VLN) bzw. durch eine verspätete Zugabe der Verbrennungsluft (im Fall gestufte Verbrennung) erreicht werden konnte.
Weiterführende Forschungen belegen, dass einer Vielzahl verschiedener NOx- Vorläuferspezies durch den entgasenden Brennstoff im vorderen Bereich des Rostes produziert werden, welche unter Beachtung des richtigen Sauerstoffangebotes zur Entstickung genutzt werden können. Umso höher dabei der Sauerstoffpartialdruck im Abgas wird, umso größer wird die Wahrscheinlichkeit, dass diese Stoffe nicht wie gewünscht zu CO2 und N2 reagieren, sondern die Schadstoffe NOx bilden.
Konträr dazu verhält sich die Anforderung des vollständigen Gasausbrandes, welche, bis zu einem gewissen Grad, mit steigendem Sauerstoffangebot verbessert werden kann. Dieser lässt sich im Wesentlichen durch die Kohlenmonoxidemissionen bewerten. Daher sollte bei allen Überlegungen zur Einführung eines gestuften Ver- brennungssystems stets die Balance zwischen einem vollständigen Gasausbrand und einer größtmöglichen NOx-Reduktion beachtet werden.
Zur Einhaltung der Grenzwerte ist trotz gestufter Verbrennung aufgrund der gezeig- ten Werte nach wie vor ein Entstickungsverfahren nötig. Wie bereits beschrieben ist ein SNCR System aufgrund der schwankenden Bedingungen im Feuerraum eines abfallgefeuerten Kessels zu keiner vollständigen Entfernung der Schadstoffe in der Lage. Hier kommt also der Vorteil einer gestuften Verbrennung ins Spiel, da bei einer angenommenen konstanten Effizienz eines SNCR-Systems bei einer gestuften Verbrennung aufgrund des niedrigeren Ausgangswertes ebenfalls niedrigere Rein- gasemissionen zu erreichen sind. Insbesondere im Hinblick auf kommende noch tiefere Grenzwerte für Stickoxidemissionen lassen sich so weiterhin kosteneffiziente SNCR-Systeme einsetzen.
118
Anlagen
4. Zusammenfassung
In vorliegendem Bericht wurden Messwerte zweier verschiedener großtechnischer Anlagen dargestellt, welche mit zwei unterschiedlichen Systemen zur Luftstufung ausgerüstet wurden. Dabei handelt es sich einerseits um eine größere Entzerrung der dem Stand der Technik entsprechenden Sekundärlufteindüsung und andererseits um das Very-Low-NOx-Verfahren.
Mittels beider Techniken konnte eine Reduktion der feuerungsseitigen Roh-NOx Emissionen nachgewiesen werden. Die Reduktion beträgt je nach Ausgangslage und Anlagenkonfiguration etwa 25 bis 50 Prozent (bez. auf 11 Prozent O2). Als wesentliche Ursache kann hierfür die veränderte chemische Situation im Feuerraum ausgemacht werden, da insbesondere im unteren Feuerraum das Sauerstoffangebot reduziert wurde und somit NOx-Vorläufer vermehrt zu unschädlichen Verbrennungsprodukten reagieren.
Aufgrund der technischen Randbedingungen eines SNCR-Systems liegt der maxima- le Reduktionsgrad von Stickoxiden bei etwa 75 bis 80 Prozent. Legt man trotz einer veränderten Verbrennungsführung dieselben Reduktionsgrade zugrunde, lassen sich dadurch signifikant geringere Emissionswerte erreichen.
Somit bieten die vorgestellten Verfahren zur Luftstufung also weiterhin die Möglichkeit bei zukünftig reduzierten Grenzwerten nach wie vor auf das kosteneffizientere SNCR- anstatt eines SCR-Systems zu setzen.
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119 Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung
Anlagen
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Diplomarbeit (Nur zum internen Gebrauch)
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Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2010
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Vorwort
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Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann (Hrsg.):
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Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, M.Sc. Elisabeth Thomé-Kozmiensky
Erfassung und Layout: Sandra Peters, Ginette Teske, Janin Burbott-Seidel, Anne Kuhlo, Carolin Bienert
Druck: Universal Medien GmbH, München
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