5. Aktive Temperatursteuerung – Wirkungsgrad

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5. Aktive Temperatursteuerung – Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad wird vermehrt zu einem wichtigen Kriterium auch für Verbren- nungsanlagen. Für Kohlekraftwerke ist der Einfluss von Temperaturschieflagen auf den Wirkungsgrad seit zehn Jahren für verschiedene Anlagen untersucht [1, 4, 7].

Eine aktive Ausregelung von Temperaturschieflagen hat insofern Einfluss auf den

"OMBHFOXJSLVOHTHSBEBMTEJF0₂-Konzentration im Feuerraum vergleichmäßigt wird VOEEBEVSDI#FSFJDIFNJU0₂-Mangel verschwinden. Bei gleicher Ausbrandgüte kann EBCFJEFSNJUUMFSF0₂-Überschuss reduziert werden. Durch Absenkung der Verbren- nungsluftmenge reduzieren sich sofort die Abgasverluste des Kessels.

Eine Reduzierung der Luftmenge ist aber auch der Schlüssel zu einer schärferen Feu- erleistungsregelung in Verbrennungsanlagen. Es gibt Rostfeuerungen – und ein neues Drehrohrprojekt – wo lokal mit der Primärluft eine Stöchiometrie nahe eins gefahren XJSE%JFTJTUOVSNÚHMJDIXFOOEJF[XBOHTMÊVĕHBVęSFUFOEFO$01SPCMFNFJOEFS Nachverbrennung durch eine geeignete aktive Luftregie beherrscht werden.

In Verbrennungsanlagen erfolgt die Trimmung der Feuerlage überwiegend durch Justierung/ Regelung der Sekundärluft [7]. Die Trimmung der Feuerlage erfolgt in Kraftwerken beispielsweise durch Veränderungen der Kohlezuteiler einzelner Brenner/

Mühlen.

Das folgende Beispiel in Bild 8 zeigt hierzu Isothermenbilder, die ein akustisches System am Feuerraumende einer 800 MW Braunkohlefeuerung während einer solchen Trimmung aufgezeichnet hat. Nach Außerbetriebnahme von Brenner 7 (hinten rechts, rot) sind zunächst alle zugeschalteten sieben Mühlen gleich belastet (Schieflage 100 K).

Danach wird die Feuerung in ihre übliche Grundeinstellung gefahren, d.h. die Mühlen sechs und acht werden etwa fünf Prozent höher belastet (Schieflage 80 K). Die erste Trimmung – Belastung der Mühlen 1, Entlastung Mühle zwei – erfolgt in die falsche Richtung, die Schieflage vergrößert sich auf 120 K. Die anschließenden Maßnahmen, d.h. Belastung der Mühlen eins, fünf und sechs und Entlastung der Mühlen drei und WJFSGàISUHFHFOàCFSEFN"VTHBOHT[VTUBOE[VFJOFS)BMCJFSVOHEFS4DIJFĘBHFBVG 50 K. Die Trimmung ist damit beendet.

Gleiche Mühlenbelas tung

Trimmung B

1, B5 und B6 belas tet B

3, B4 ent lastet

Mühlen St andar deins tellung B

6 1,05 belas tet B

8 1,05 belas tet

Fals che Trimmung B

1, B6 und B8 belas tet B

2 ent lastet 5

4

3

2 1

6 7

8

5!

4"

3"

2 1!

6!

7

8 5!

4"

3"

2 1!

6!

7

8 5

4

3

2" 1!

6!

7

8!

5 4

3

2 1

6!

7

8!

Bild 8:

2D-Temperaturprofile aufgezeichnet während einer Feuer- lagetrimmung

Quelle: Vattenfall Europe Generation

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Bild 9:

Darstellung der Temperaturver- teilung als Isothermengrafik und BMT;POFOHSBĕLFSNJUUFMUBN Feuerraumende eines 600 MW

%BNQGFS[FVHFST,8)BOEBO China

Quelle: Palmary Technology Ltd., China

%JFHFXàOTDIUFO&ČFLUFXFSEFOJNGPMHFOEFNBN#FJTQJFMEFT,SBęXFSLFT)BOEBO (China) dargestellt. Die 600 MW Anlage verfügt über ein agam System mit acht Sender-/

Empfängereinheiten (24 Pfade) zur Darstellung von zweidimensionalen Temperatur- profilen und Berechnung von Temperaturzonen (Bild 9).

Im Rahmen einer messtechnischen Auswertung im Januar 2014 zeigte die Anlage 5FNQFSBUVSTDIJFĘBHFOCJT,VOELPSSFTQPOEJFSFOEF0₂-Differenzen bis 1,5 Pro- [FOU&JOF0₂-Schieflage von etwa einem Prozent korreliert somit mit einer lokalen Temperaturschieflage von etwa 80 K.

Bild 10: Kohlezuteilung, Mühle B (blau), Mühle F (rot). (Grün = Mittelwert aller Mühlen)

30 25 20 15 10 5 0 -5 -10

Kohlezuteilung t/h

18:45

18:30 19:00 19:15 19:30 19:45 20:00 20:15 20:30 20:45 21:00

40 35 50 45 60 55

21.01.2014

Mühle F Mühle B Mittelwert aller Mühlen

Mühle F ein,

Mühle B aus Mühle F aus,

Mühle B ein

(3)

Die in Bild 10 dargestellte Trimmung erfolgte bei konstanter Last dadurch, dass gegen 19.00 Uhr eine Kohlemühle (rot) abgeschaltet und 1 Stunde später eine andere Mühle (blau) zugeschaltet wurde.

Bild 11 zeigt den Temperaturverlauf von sechs symmetrischen Temperaturzonen vor, während und nach der Trimmung. Die Temperaturschieflage vor der Trimmung beträgt etwa 150 K und reduziert sich im Laufe der Trimmmaßnahme auf etwa 70 K.

8FJUFSIJO[FJHU#JMEEJFIJFS[VQBTTFOEFO*TPUIFSNFOHSBĕLFO%FS;FJUQVOLUEFS Momentdarstellung ist durch die schwarzen Pfeile gekennzeichnet. Deutlich ist eine ausgeprägte Links-Rechts-Schieflage zu erkennen, die nach der Trimmung reduziert wird und auch zu niedrigeren Übertemperaturen führt.

200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200

Temperatur Abw.

K

18:45

18:30 19:00 19:15 19:30 19:45 20:00 20:15 20:30 20:45 21:00

21.01.2014

Zone 1

hinten links Zone 2

hinten Mitte Zone 3

hinten rechts Zone 4

vorne links Zone 5

vorne Mitte Zone 6

vorne rechts Rückwand

Vorderwand

linke Seitenwand linke Seitenwand rechte Seitenwand

rechte Seitenwand

Vorderwand Rückwand

Spreizung 150 K Sp reizung 70 K

#JME 4DIJFĘBHFOEBSHFTUFMMUàCFSEJF%JČFSFO[FO[XJTDIFO;POFO PCFOVOEUZQJTDIF Isothermengrafiken (unten)

(4)

#JME[FJHUGàSEJF;FJUSÊVNFWPSVOEOBDIEFS5SJNNVOHEJFNJUUMFSFO0₂-Werte JN"CHBT%FS0₂-Gehalt sinkt um nahezu zwei Prozent. Dies bedeutet bei konstanter Kessellast etwa zehn Prozent weniger Abgasmenge, entsprechend weniger Abgasver- luste im Kessel und hierdurch alleine eine Kohleersparnis von etwa einem Prozent.

5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 O₂

% 8,0

7, 0 7,5

6,5 6,0

18:45

18:30 19:00 19:15 19:30 19:45 20:00 20:15 20:30 20:45 21:00

21.01.2014

O₂ = 5,2 % O₂ = 3,5 %

O₂-Mittelwert Kessellast

350 300 250 200 150 100 50 0 Kessellast

MW

550 600

500 450 400

40,0 39,5 39,0 38,5 38,0 37,5 37, 0 36,5 36,0 42,0

Nettowir kungsgrad

%

41,5 41,0 40,5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Mittlere Sc hieflage

Zeitbereich 29.10.2011, 12:00:00 bis 02.12.2011, 00:01:00 Zeitschnitt: 1 min

Bild 13:

Nettowirkungsgrad über Schief- lagenfunktion

#JME ,FTTFMMBTU CMBVVOE0₂-Mittelwert (rot)

(5)

Nicht untersucht sind in diesem Falle die Einflüsse auf die Einspritzmengen in den

;XJTDIFOàCFSIJU[FSOEJFTJDIFSTUJOEFS#FUSBDIUVOHEFT/FUUPXJSLVOHTHSBEFTEFT ,SBęXFSLFTXJFEFSĕOEFO)JFS[V[FJHU#JMEEJF%BSTUFMMVOHEFT/FUUPXJSLVOHT- grades über der Schieflagenfunktion beim 600 MW Kraftwerk Iskenderun. Diese Ergebnisse decken sich mit den Auswertungen an älteren deutschen Kraftwerken [2].

6. Aktive Temperatursteuerung – SNCR Betrieb

Die Wirksamkeit und die Verbrauchswerte eines SNCR Betriebes werden maßgeblich EBEVSDICFFJOĘVTTUEBTTEJF3FBHFO[JFO[VS/0_x.JOEFSVOH /)₃/)₄0))BSO- stoff) möglichst zielgenau in einem präzisen Temperaturfenster zur Reaktion gebracht XFSEFO<>%FS&JOĘVTTWPO5FNQFSBUVSTDIJFĘBHFOJTUJOEJFTFN;VTBNNFOIBOH offensichtlich. Aufgrund von Temperaturschwankungen und überlagerten Vorne- )JOUFOPEFS-JOLT3FDIUT4DIJFĘBHFOMJFHUEJF#BOECSFJUFEFS5FNQFSBUVSFOJOFJOFS Messebene bei 200 bis 400 K.

/FCFOEFO4DIJFĘBHFOCFJOIBMUFOBCFSBVDI0T[JMMBUJPOFOEFT5FNQFSBUVSNJUUFMXFSUFT FJOFSHFTBNUFO.FTTFCFOFEFVUMJDIFT0QUJNJFSVOHTQPUFO[JBM&JO*OEJLBUPSGàSEJF Bedeutung dieser Schwankungen ist eine häufig beobachtete Schwankungsbreite des Chemikalienverbrauchs um einen Faktor drei bis vier. Es liegt nahe, die Gründe für diese Bandbreite zu recherchieren.

*N'PMHFOEFOXJSEEBSHFTUFMMUVOERVBOUJUBUJWFSNJUUFMUXFMDIFONBHFCMJDIFO&JOĘVTT die Feuerraumtemperatur an dieser Stelle hat.

12 10 8 6 4 2 0 20

Verbrauch NH4OH kg/kg

18 16 14

500 550 600 650 700 750 800 850 900 9501.000 1.050 1.100 1.150 1.200 Temperatur

°C

#JME[FJHUBN#FJTQJFMFJOFSTFISHVUBVTHFSFHFMUF"OMBHFEFOTQF[JĕTDIFO/)₄0) Verbrauch als Funktion der mittleren Feuerraumtemperatur bei ansonsten konstan- UFS-BTUVOELPOTUBOUFN/0_x3FJOHBTTPMMXFSU%FSTQF[JĕTDIF/)₄0)7FSCSBVDI

Bild 14:

4QF[JĕTDIFS/)₄0)7FSCSBVDI über mittlerer Temperatur

(6)

XJSEFSNJUUFMUBVT$IFNJLBMJFONFOHF/0_x-Reingaswert, einem angenommenen /0_x-Rohgaswert und Abgasmenge. Im konkreten Falle muss berücksichtigt werden, dass die Messebene der Temperaturen nicht identisch ist mit der SNCR Eindüsebene.

Bei niedrigen Temperaturen sinkt der spezifische Chemikalienverbrauch bis auf etwa 2 kg/kg und bewegt sich damit nahe der Stöchiometriegrenze. Bei ansteigenden Tem- QFSBUVSFOTUFJHUEFSTQF[JĕTDIF7FSCSBVDITXFSUCJTBVGLHLH(BO[PČFOTJDIUMJDI fährt die Anlage – wie viele andere Anlagen – im oberen Bereich des SNCR Fensters.

Die in die Abbildung eingespiegelte Interpolationskurve hat diesbezüglich nur infor- mativen Wert.

%JF,POTFRVFO[JTUEBTTFJOF&SIÚIVOH3FEV[JFSVOHEFSNJUUMFSFO'FVFSSBVNUFN- QFSBUVSFOVNCJT,[VFJOFS7FSEPQQMVOH)BMCJFSVOHEFT/)₄0)7FSCSBVDIT führt. Mit dieser Erkenntnis bietet es sich an, die mittlere Feuerraumtemperatur an der Messstelle versuchsweise durch aktive Maßnahmen geringfügig abzusenken.

#JME[FJHUEJFTF#FPCBDIUVOHFOàCFSFJOFO;FJUSBVNWPOFUXB[XFJ8PDIFO"VČÊMMJH JTU[VOÊDITUEJFIPIF4DIXBOLVOHTCSFJUFEFTTQF[JĕTDIFO/)₄0)7FSCSBVDIT SPUF Kurve). Diese schwankt trotz konstanter Betriebsbedingungen zwischen 2 und 8 kg/kg, d.h. um einen Faktor 4. Betrachtet man aber die statistischen Mittelwerte (ausgezogene schwarze Linien) so folgt, dass eine Absenkung der mittleren Temperatur um lediglich ,EFO$IFNJLBMJFOWFSCSBVDIVN1SP[FOUSFEV[JFSU

850 800

750 700 Temperatur

°C 1.000 950

900

01.08

2013 03.08 05.08 07.08 09.08 11.08 13.08 15.08 2013

Zeit in Tagen

spez. NH₄OH Verbrauch mittlere Feuerraumtemperatur 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0 spez. NH4OH Verbrauch kg/kg 10,0 9,0 8,0

946 °C

5,46 kg/kg 935 °C

4,35 kg/kg

#JME .JUUMFSF'FVFSSBVNUFNQFSBUVS HSàOVOETQF[JĕTDIFS/)₄0)7FSCSBVDI SPU

(7)

Noch deutlicher werden diese Abhängigkeiten, wenn man die – möglicherweise SFHFMUFDIOJTDICFEJOHUFoIPIF4DIXBOLVOHTCSFJUFEFS/)₄0)&JOEàTVOHFMJNJOJFSU indem man versuchsweise die SNCR mit konstanter Chemikalieneindüsung, d.h.

ungeregelt, betreibt.

Bild 16 zeigt dieses sehr deutlich. Innerhalb einer Temperaturbandbreite von 70 K – übliche Schwankungsbreite von Feuerraumtemperaturen in MVA – schwanken die SFTVMUJFSFOEFO/0_x-Reingaswerte zwischen 50 und 230 mg/m³.

150 125 100 75 50 25 0 250 NO_x mg/m³

225 200 175 300 275

500 550 600 650 700 750 800 850 900 9501.000 1.050 1.100 1.150 1.200 Temperatur

°C

Bild 16:

/0_x-Reingaswerte über mittlerer Temperatur bei konstanter /)₄0)&JOEàTVOH

Vergleichbare Ergebnisse wurden erstmalig für die Verbrennungsanlage Weener vor- gestellt [4]. Derartige Untersuchungsergebnisse liegen inzwischen auch für den Betrieb mit verschiedenen Eindüsebenen vor.

Bei diesen Einflussmöglichkeiten stellt sich unmittelbar die Frage, wie die Leistungs- und Verbrauchsgrenzen eines SNCR Betriebes durch eine aktive Temperaturdiagnose-/

Steuerung beeinflusst werden können. Im konkreten Falle handelt es sich um eine 4/$3EJFGàSFJOFO/0_x-Sollwert von 190 mg/m³ ausgelegt ist. Kann eine solche Anlage auch mit einem abgesenkten Sollwert von 150 mg/m³ oder < 100 mg/m³ betrie- ben werden? Wie ist der Wirkungsgrad des SNCR Betriebes und welche spezifischen Chemikalienverbräuche stellen sich bei einer solchen Verschärfung der Sollwerte ein?

#JMEPCFOTUFMMUEJF&SHFCOJTTFFJOFSTPMDIFOWFSTVDITXFJTFO/0_x-Sollwertabsenkung EBS*NCFUSBDIUFUFO;FJUSBVNXJSEEFS/0_x-Sollwert bei konstanter Last (nicht dargestellt) von 190 mg/m³ auf 100 mg/m³ abgesenkt. Diese Absenkung wird 72 Stunden beibehalten. Nach 48 Stunden wird die Feuerraumtemperatur (grüne Trendlinie) um 20 bis 30 K abgesenkt.

;VOÊDITUGÊMMUBVGEBTTNJUEFS"CTFOLVOHEFS5FNQFSBUVSEJF4DIXBOLVOHTCSFJUFEFS /0_x-Reingaswerte abnimmt.

(8)

850 800 750 700 650 600 Temperatur

°C

NOx

mg/m³ 1.000

950 900

19./00:00 12:00

20./00:00 12:00

21./00:00 12:00

22./00:00 12:00

23./00:00 12:00 Zeit

23.02.2014

250 200 150 100 50 0 350 300

70 60 50

20 10 0 30 40 80 120 130 140 150

110 90 100

19./00:00 12:00

20./00:00 12:00

21./00:00 12:00

22./00:00 12:00

23./00:00 12:00 Zeit

23.02.2014

14 12 8

4 2 0 10

6 20 16 18

mittlere Temperatur NOx

absoluter Chemikalienverbrauch

NH4OH spezifischer Chemikalienverbrauch

NH4OH

1 2 3 4

Ammoniakverbrauch kg/h

Temperatuarabsenkung ~ 30 K

spez. NH4OH Verbrauch kg/kg

#JME 0CFO.JUUMFSF5FNQFSBUVS HSàO/0_x (braun). Unten: Absoluter (rot) und spezifischer Chemikalienverbrauch (blau)

(9)

Bild 17 unten zeigt die zum Versuchsbetrieb gehörenden Verbrauchswerte als absoluten Chemikalienverbrauch (rote Trendlinie) und spezifischen Chemikalienverbrauch (blaue Trendlinie). Erwartungsgemäß verdoppelt sich der absolute Chemikalienverbrauch NJUEFNOJFESJHFSFO/0_x-Sollwert nahezu. Interessant ist, dass mit Absenkung der Temperaturen nach 48 Stunden der Chemikalienverbrauch um etwa fünfzehn Prozent reduziert wird, dies bei gleichzeitig geringerer Schwankungsbreite.

%FSBCTPMVUF$IFNJLBMJFOWFSCSBVDINVTTBOTUFJHFOEBUBUTÊDIMJDINFIS/0_x ab- geschieden wird. Interessanter ist aber der spezifische Chemikalienverbrauch (blaue 5SFOEMJOJFEIEFS$IFNJLBMJFOWFSCSBVDIQSP,JMPHSBNNBCHFTDIJFEFOFT/0_x. Dieser steigt bei Absenkung des Sollwertes um etwa dreißig Prozent an, sinkt aber bei Absenkung des Temperaturwertes nach 48 Stunden wieder nahezu auf den ursprüng- lichen Wert zurück, bei gleichzeitig verringerter Schwankungsbreite.

'àSEJFJO#JMENBSLJFSUFOWJFS;FJUCFSFJDIFTJOEEJFXFTFOUMJDIFO.JUUFMXFSUF 'FVFSSBVNUFNQFSBUVS/0_x3FJOHBT/0_x4PMMXFSU/)₄0)7FSCSBVDITXFSUFVOE deren Standardabweichungen in Tabelle 2 zusammengefasst. Man beachte neben den Werten auch die Schwankungsbreite – dargestellt als Standardabweichung.

Zeit raum NO _x-So ll NO _x-Reingas NH ₄OH Sp ez. NH ₄OH Temp eratur

Verbrauch Verbrauch agam Eb ene

mg/m³ kg/h kg/kg °C

BZW ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ 5BCFMMF .JUUFMXFSUFVOE4UBOEBSEBCXFJDIVOHFOEFS'FVFSSBVNUFNQFSBUVSTPXJFEFS/0_x und

Verbrauchswerte einer SNCR Anlage

,ITERATUR

<> %SFTDIFS)1%FVTUFS.5FNQFSBUVSF*NCBMBODFTBOE'MVDUVBUJPOT%VFUP%JďDVMU'VFMT

%JBHOPTJT$PVOUFS.FBTVSFT*OUFSOBUJPOBM4PDJFUZPG"VUPNBUJPO *4"%FMIJ4FDUJPO108- AT 2013,

!

12./13.04.2013 New Delhi, Session Innovative Technologies across Power Industries, S. 12–19.

<> %SFTDIFS )1 %FVTUFS . 5FNQFSBUVSTDIJFĘBHFO JN 'FVFSSBVN %JBHOPTFNÚHMJDILFJUFO -Kesselprobleme, Trimmmaßnahmen, Wirtschaftlichkeitspotential –.9. Potsdamer Fachtagung, 0QUJNJFSVOHFOJOEFSUIFSNJTDIFO"CGBMMVOE3FTUTUPčFIBOEMVOH1FSTQFLUJWFOVOE.ÚH- lichkeiten, 23./24.02.2012, Potsdam

<> )VLSJFEF+1BDIBMZ33FZOPMET1/FVF#*N4DI7o"VTXJSLVOHFOBVGCFTUFIFOEF7FS- brennungsanlagen mit SNCR Technik sowie Lösungskonzepte. Thomé-Kozmiensky K.J.; Beck- mann, M. Energie aus Abfall, Band 11. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2014, S 559 - 574

[4] Kahlert J., Wutzler F., Lange P.: Erfahrungen mit Korrosionsprozessen an den Dampferzeugern des Kraftwerkes Lippendorf, VGB Power Tech 6/2008

<> .JOFVS.(PT4&SGBISVOHFOCFJN#FUSJFCWPO4/$3"OMBHFOBO[XFJ)BNCVSHFS.àMMWFS- wertungs-Anlagen und Entwicklung einer Regelungsstrategie, VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel - Beläge und Korrosion - in Großfeuerungsanlagen 2009, 23./24.06.2009, Stuttgart

(10)

<> 5BQQF5'FVFSSBVNEJBHOPTFVOE4/$30QUJNJFSVOHJOFJOFN&#4,SBęXFSL1PUTEBNFS 'BDIUBHVOH0QUJNJFSVOHFOJOEFSUIFSNJTDIFO"CGBMMVOE3FTUTUPčFIBOEMVOH1FSTQFLUJWFO und Möglichkeiten, 24./25.02.2011 Potsdam

<> WBO%JFEFSFO)&SGBISVOHFONJU1SJTNBVOE,FTTFMJOEFS"&$.PFSEJKL7%*'BDILPOGFSFO[

Feuerung und Kessel - Beläge und Korrosion - in Großfeuerungsanlagen 2011, 07./08.06.2011, Kassel

[8] VDI/VDE Richtlinie 3511, Blatt 4, Technische Temperaturmessungen, Strahlungsthermometrie Beuth Verlag, 10772 Berlin

<> WPOEFS)FJEF#%JFOÊDITUF(FOFSBUJPOEFS4/$35FDIOJLo-FU[UF&OUXJDLMVOHFO7FSCFTTF- rungen, Betriebsergebnisse – Thomé-Kozmiensky K.J.; Beckmann, M. Energie aus Abfall, Band 11.

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Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2014

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: Ginette Teske, Sandra Peters, Berenice Gellhorn, Carolin Bienert, Cordula Müller

Druck: Mediengruppe Universal Grafische Betriebe München GmbH, München

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