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Monitoring

Technisches und wirtschaftliches Potenzial der Online-Bilanzierung

Philip Reynolds und Claas Günther

1. Auswirkungen der Novellierung der 17. BImSchV ...304

1.1. Ertüchtigung von Bestandsanlagen ...304

1.2. Randbedingungen des Designs von SNCR Anlagen ...306

2. Potenziale der Online-Bilanzierung ...308

2.1. Regelung der SNCR mit Hilfe des online berechneten Rohgas-NO_x ...308

2.2. Plausibilitätsprüfung und Messwertdrift ...313

2.3. Bestimmung des Brennstoffmassenstromes und des Heizwertes ...313

2.4. Fehlerhafte Messung des Bezugssauerstoffs ...314

2.5. Wirtschaftliches Potenzial ...315

3. Ausblick und Zusammenfassung ...315

4. Quellen ...316

Im Folgenden werden nach einer Darstellung der Auswirkungen der Novellierung der 17. Bundesimmissionsschutzverordnung (17. BImSchV) das technische Potential von Online Monitoring zur Einhaltung der neuen Grenzwerte, sowie das wirtschaftliche Potenzial für Abfallverwertungsanlagen dargestellt. Der Begriff Online beschreibt hierbei die Echtzeitfähigkeit des Systems. Das Potenzial dieser Technik besteht unter anderem darin, die Einhaltung der neuen Grenzwerte zu sichern und zudem dem Anla- genbetreiber nicht direkt bestimmbare Betriebsgrößen, wie z.B. den Heizwert oder die Brennstoffzusammensetzung über geeignete Massen- und Energiebilanzen verfügbar zu machen. Eine auf die verfügbaren Informationen angepasste, optimierte Fahrweise des Kessels ermöglicht z.B. während des Betriebs eine Anpassung der Luftaufteilung zur optimalen Verbrennung durch einen Anlagenfahrer [1]. Die resultierenden Vor- teile bürgen somit nicht nur einen technischen Vorteil den Prozess besser bewerten zu können, sondern auch wirtschaftliche Potenziale eines angepassten Anlagenbetriebs.

Des Weiteren wird basierend auf den nun zugänglichen Größen auch ein neues Rege- lungskonzept für die SNCR ermöglicht.

Monitoring

1. Auswirkungen der Novellierung der 17. BImSchV

Die Novellierung der 17. BImSchV erfolgte im Mai 2013. Neben der Einführung ei- nes Grenzwertes für Ammoniak (NH₃) wurde unter anderem eine Verschärfung der Grenzwerte für Quecksilber und Stickstoffoxide beschlossen [7]. In der 17. BImSchV wird nunmehr zwischen Bestands- und Neuanlagen sowie bezüglich der installierten Feuerungswärmleistung unterschieden. Eine detaillierte Aufstellung der für die Ent- stickung wichtigen gesetzlichen Parameter ist in [3, 7] zu finden.

Ab dem 01.01.2016 gilt für alle SCR/SNCR-Anlagen unabhängig von der Feuerungs- wärmeleistung sowohl für Bestands- als auch für Neuanlagen ein Grenzwert von 10 mg/Nm³_tr im Tagesmittel und von 15 mg/Nm³_tr im Halbstundenmittel für gas- förmiges NH₃. Ab dem 01.01.2019 gilt für den TMW für Bestandsanlagen mit einer Feuerungswärmeleistung (FWL) von mehr als 50 MW ein neuer, abgesenkter NO_x Grenzwert von 150 mg/Nm³_tr. Bestandsanlagen mit einer Feuerungswärmeleistung von bis zu 50 MW sind hiervon nicht betroffen, da für sie weiterhin der Tagesmittelwert von 200 mg/Nm³_tr gilt. Neu ist ein Jahresmittelwert von 100 mg/Nm³_tr für Neuanlagen mit mehr als 50 MW FWL. Der Halbstundenmittelwert beträgt wie bisher 400 mg/Nm³_tr. Somit stellt sich für viele Betreiber von Bestandsanlagen die Frage, welche Maßnahmen zu ergreifen sind, um auch in Zukunft einen sicheren Betrieb innerhalb der gesetzlich vorgegebenen Emissionsgrenzwerte zu erzielen. Ein möglicher Lösungsansatz wird in diesem Beitrag präsentiert.

1.1. Ertüchtigung von Bestandsanlagen

Bei der Ertüchtigung von Bestandsanlagen ist zwischen Anlagen mit SCR- und mit SNCR-Technik zu unterscheiden. Beide weisen zumeist eine unterschiedliche Proble- matik bezüglich der einzuhaltenden Grenzwerte auf.

Bestandsanlagen, die mit einer SCR-Technologie betrieben werden, können bei einer ausreichenden Dimensionierung der SCR schon zukünftige Emissionsgrenzwerte einhalten oder halten diese bereits ein. Für Abfallverwertungsanlagen schreibt der Ge- setzgeber einen Energieeffizienzkennwert R1 vor [2]. Anlagen, die bis zum 31.12.2008 genehmigt wurden, müssen mindestens einen R1 von 0,6 erzielen. Später genehmigte Anlagen müssen einen R1 größer als 0,65 aufweisen. Bei Einsatz der SCR-Technologie in einer Tail-End-Lösung, wie sie im Bereich der Abfallverwertungsanlagen üblich ist, ist die Wiederaufheizung des Abgases zum Erzielen der notwendigen Reaktionstem- peraturen notwendig. Die Wiederaufheizung mindert dabei den für die Anlage zu erzielenden Effizienzkennwert. Insbesondere bei älteren Bestandsanlagen ist darum der Entfall der Wiederaufheizung energetisch ein interessanter Aspekt. Die Reduktion der Betriebskosten, z.B. Korrosionsprobleme bei SCR Wärmetauschern, oder der Umbau der vorgeschalteten Abgasreinigungstechnik, z.B. von einer nassen auf eine halbtrockene Entschwefelungsanlage, führen häufig zu einer Anpassung der Entstickungstechnologie und so zu einem Ersatz von SCR durch SNCR Anlagen [4].

Monitoring

Betreiber von Bestandsanlagen, die mit einer SNCR ausgestattet sind und noch nicht den zukünftigen Anforderungen genügen, müssen zügig notwendige Konzepte entwickeln und umsetzen, um auch in Zukunft den Betrieb sicherzustellen. Ziel ist hierbei die Umsetzung einer zuverlässigen Emissionsminderung bei möglichst geringen Investi- tions- und Betriebsmittelkosten. Da die Situation eines jeden Betreibers einzigartig ist, sind entsprechend viele unterschiedliche Ausgangssituationen vorzutreffen, die jeweils eine besondere Lösung erfordern. Die ERC-Technik verfügt über die Kompetenz und Erfahrung, entsprechende Vorgehensweisen individuell zu entwickeln und Betreiber bei der Konzeptfindung, Validierung und Umsetzung der Maßnahmen zu unterstützen.

Bei Bestandsanlagen mit SNCR nimmt die nachgeschaltete Abgasreinigung, insbeson- dere die Ausführungsart der Entschwefelung, Einfluss auf die erzielbaren Emissionswer- te. Prinzipiell kann zwischen Bestandsanlagen mit integrierter Nasswäsche und solchen mit halbtrockener, bzw. trockener Abgasreinigung unterschieden werden. Beim Einsatz einer halbtrockenen- oder trockenen Abgasreinigung ist generell eine Fahrweise mit geringem NH₃-Schlupf erforderlich, um mögliche Geruchsprobleme, hervorgerufen durch den Gehalt an NH₃ im Reststoff bei feuchter Verladung der Reststoffe zu ver- meiden und um die gesetzlich vorgeschriebenen NH₃-Emissionen einzuhalten. Der Vorteil der Anlagen mit Nasswäsche ist, dass die niedrigeren NO_x-Emissionen bereits heute erzielbar sind. Dies geht zumeist mit einem erhöhten NH₃-Schlupf einher, der im sauren Wäscher (auch HCl-Wäscher) abgeschieden wird. Die Wäscher sind in der Regel abwasserfrei zu betreiben, weshalb die Abwässer durch einen Sprühtrockner und im Anschluss zurück in den Kessel geführt und verdüst werden. Der Anteil, der nicht durch Adsorption an Asche und Salzen gebunden, oxidiert oder reduziert wird, gelangt mit dem Abgas erneut in den Wäscher. Zur Vermeidung einer Aufkonzentration des NH₃ im Wäscher werden NH₃-Stripper installiert. Deren Installation steht allerdings im Widerspruch zum Betrieb mit möglichst minimalem Anlagenaufwand, minimalem NH₃-Schlupf und einer Minderung der Betriebskosten. Daher ist in jedem Fall ein geringer NH₃-Überschuss nach der SNCR sicherzustellen.

Oftmals verfügen die installierten Anlagen aber auch nicht über das Potenzial zur Einhaltung der neuen Emissionsgrenzwerte, da die alten Grenzwerte bei der Auslegung der Anlage zugrunde lagen. Möglich ist auch, dass zwischenzeitlich durchgeführte Umbau- und Optimierungsmaßnahmen im Rahmen einer Kapazitätserweiterung des Kessels zu einer unzureichenden Entstickung bezogen auf die neuen Grenzwerte führen.

Weitere mögliche Gründe sind außerdem jahreszeitliche Schwankungen im Bereich der Brennstoffzusammensetzung und des Heizwertes, da sich auch das Temperaturprofil des Kessels sowie das Verhalten der Reisezeit ändern.

Über der Reisezeit kommt es zu einer Verschlackung des Kessels. Diese führt zu einem Temperaturanstieg im Bereich des ersten Zuges, in dem die SNCR aufgrund des notwen- digen Temperaturbereichs installiert ist. Steigt die Temperatur des Abgases wegen der zunehmenden Verschmutzung über der Reisezeit übermäßig an, sodass das notwendige Temperaturintervall zur Eindüsung und NO_x-Reduktion außerhalb der Eindüsebenen liegt, kann eine sichere Entstickung auf die vorgeschriebenen Grenzwerte nur noch bei Teillast sichergestellt werden. Es liegt also eine erzwungene Lastabsenkung aufgrund der SNCR-Anlage vor. Ausführlichere Erklärungen sind u.a. [3, 4] zu entnehmen.

Monitoring

Neben den gesetzlichen sind auch wirtschaftliche Kriterien mögliche Gründe, vor- handene SNCR Anlagen zu optimieren. Mit moderner SNCR Anlagentechnik gelingt es beispielsweise, die Reduktionsmittelkosten, bzw. Kosten des Betriebs von NH₃- Strippern zu senken. Auch kann die Umstellung des Treibmittels von Dampf auf Wasser zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit dienen. Statt den Dampf zur Eindüsung von Reduktionsmittel zu verwenden, kann er zur Stromproduktion oder in einem externen Verbraucher als Prozessdampf oder zur Fernwärme zur Verfügung gestellt werden. Durch den Nutzen des Dampfes kann gleichzeitig der Energieeffizienzkenn- wert verbessert werden.

1.2. Randbedingungen des Designs von SNCR Anlagen

In Bild 1 sind beispielhaft die NO_x-Reduktion und der NH₃-Schlupf in Abhängigkeit von der Abgastemperatur für eine definierte Gaszusammensetzung dargestellt. Bis das Optimum der NO_x-Reduktion bei etwa 980 °C erreicht wird, nimmt die NO_x-Reduktion mit steigender Temperatur zu. Mit steigender Temperatur oberhalb des Optimums nimmt die NO_x-Reduktion wieder ab. Der NH₃-Schlupf nimmt mit steigender Tem- peratur ab. Ebenfalls in Bild 1 dargestellt sind der alte, früher übliche und der aktuelle, heute gültige Auslegungsbereich für SNCR-Anlagen.

NO_x-Reduktion NH₃-Schlupf

Alter Auslegungsbereich Neuer Auslegungsbereich NO_x-Reduktion

% 100

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 NH₃-Schlupf

mg/Nm³

Reaktionstemperatur °C

750 800 850 900 950 1.000 1.050 1.100 1.150

Bild 1: Darstellung der NO_x-Reduktion und des NH₃-Schlupfs in Abhängigkeit von der Temperatur sowie die Darstellung früher üblicher und heute gültiger Auslegungs- bereiche für SNCR

Monitoring

Grundlage für die Entstickung ist die Eindüsung eines Reduktionsmittels, zumeist NH₃-Wasser oder eine Harnstofflösung, bei möglichst guter Verteilung über den Kesselquerschnitt innerhalb eines bestimmten Temperaturintervalls und einer ausrei- chenden Verweilzeit des Reduktionsmittels im Abgas. Sind diese Punkte erfüllt, kann das Reduktionsmittel abreagieren und eine optimale NO_x-Reduktion bei minimalem NH₃-Schlupf erzielen.

Abhängig von dem jeweiligen nach der Feuerung im Rohgas vorliegenden NO_x-Wert, der nicht direkt messbar ist, und den vorgeschriebenen NO_x-Emissionswerten, muss eine bestimmte NO_x-Reduktion erzielt werden. Ausgehend von einem NO_x-Rohgaswert von 400 mg/Nm³tr muss zum Einhalten des früheren Grenzwertes eine NO_x-Reduktion von 50 Prozent erzielt werden. Da kein Grenzwert für den NH₃-Schlupf vorlag, bestand die Möglichkeit in einem Temperaturbereich von etwa 850 °C bis 1.095 °C einzudüsen.

Die Einführung verschärfter NO_x-Emissionsgrenzwerte erfordert eine Verbesserung der NO_x-Reduktion. Diese muss zum Einhalten eines Emissionsgrenzwertes von 150 mg/

Nm³_tr 62,5 Prozent statt 50 Prozent betragen. Um dies zu erzielen, muss sowohl die untere Temperatur angehoben, als auch die obere Temperatur gesenkt werden. Es re- sultiert ein Temperaturbereich von 870 °C bis 1.075 °C. Eine weitere Einschränkung bei der Projektierung von SNCR-Anlagen liegt durch den neu eingeführten Grenzwert für den NH₃-Schupf vor. Zum Einhalten des neuen Grenzwertes muss die Mindest- temperatur am Ort der Reaktion etwa 930 °C betragen. Hieraus resultiert eine weitere Einschränkung des möglichen Temperaturintervalls, das damit zwischen 930 °C und 1.075 °C liegt.

Bei Bestandsanlagen, die auf den alten höheren Grenzwert ausgelegt wurden und somit eine geringere NO_x-Reduktion erzielen mussten, dienten somit größere Temperaturbe- reiche als Auslegungsbasis, siehe hierzu Bild 1. Die Auswirkungen der Verkleinerung des Temperaturbereichs beeinflusst die gesamte SNCR und somit auch den Kessel.

Durch diese Verkleinerung ergeben sich über der Last und der Reisezeit des Kessels viele notwendige Eindüsstellen über der Höhe, siehe auch [3, 4]. Dies hat zur Folge, dass die Abstände der Ebenen verkleinert werden müssen und je nach Kesselgeometrie mehr Rücksicht auf auftretende Abgasschieflagen genommen werden muss als bisher. Die notwendige Berücksichtigung des Temperaturprofils im Kessel, dessen Beeinflussung durch Lastschwankungen und die Brennstoffzusammensetzung – insbesondere den Heizwert des Abfalls – führen zu neuen Regelungskonzepten im Bereich der SNCR sowie zu einem erhöhten anlagentechnischen Aufwand.

Zusätzlich verursacht eine hohe Schwankungsbreite des NO_x Rohgasgehaltes eine erhöhte Emission an NH₃ und NO_x. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass der Regelungsmechanismus einer konventionellen SNCR auf dem Vergleich Ist/Soll des Reingas-NO_x-Gehaltes beruht. Es wird nach dem Ergebnis des Verfahrens ge- regelt. Änderungen im Rohgas-NO_x werden erst in Abweichungen vom Ergebnis erkannt. So kann bei Anwendungen mit wenig verfahrenstechnischem Spielraum eine häufige Änderung der Rohgas-NO_x Konzentration zur Überschreitung der Grenzwerte führen.

Monitoring

Die neuen Grenzwerte machen eine neue Herangehensweise notwendig. Der aufge- zeigte Konflikt zwischen bei großer Last gegen Ende der Reisezeit auftretenden hohen Temperaturen und Forderung nach der Einhaltung der Reaktionstemperatur sowie die Notwendigkeit zeitnaher mit der Reaktionsmittelmenge dem aktuellen NOx zu folgen, bedingen tiefergehende Betrachtung des SNCR-Prozesses. Entsprechende konventio- nelle Beispiele wurden in [6] vorgestellt.

2. Potenziale der Online-Bilanzierung

Bei Verfügbarkeit der notwendigen Messwerte besteht die Möglichkeit der Bilanzie- rung der Messdaten und relevanter Prozessparameter während des Betriebs. Mithilfe der Messwerte können über die Bildung von Massen- und Energiebilanzen sowie unter Berücksichtigung globaler Ansätze der Verbrennungsrechnung, eine eventuelle Kenntnis der Zusammensetzung der Brennstofffraktionen und kraftwerksspezifi- scher Randbedingungen unterschiedliche Prozessparameter bestimmt werden. Diese bieten wiederum das Potenzial, den momentanen Zustand der Anlage zu bewerten.

Ein Beispiel für die Bestimmung von nicht direkt zugänglichen Größen ist neben dem Brennstoffmassenstrom auch die Bestimmung des Heizwertes. Eine Möglichkeit diese Größen für den Betreiber und die Anlagenfahrer zugänglich zu machen, bietet das System Opti-Link. Das System ist das Ergebnis einer Kooperation der ERC und der TU Dresden. Neben der Bereitstellung u. a. obiger Werte werden zusätzlich die aus der Online-Bilanzierung gewonnenen Ergebnisse genutzt, um den Betrieb der SNCR zu optimieren und zu regeln. Im Folgenden werden das Verfahren, auf dem Opti-Link basiert und weitere beispielhafte Vorteile bei der Verwendung einer Online- Bilanzierung dargestellt.

2.1. Regelung der SNCR mit Hilfe des online berechneten Rohgas-NO

Opti-Link ist ein System, das zur Verbesserung der SNCR-Regelung entwickelt wurde und auf dem Prinzip der Online-Bilanzierung basiert. Mit Hilfe der Messwerte und gegebener Anlagenparameter erfolgen eine Echtzeit-Analyse des Anlagenbetriebszu- standes und eine Festlegung der Massen- und Energiebilanzen für den momentanen Betriebspunkt. Die Gesamtanlage wird dabei in Teilprozesse aufgeteilt. Diese sind die Abgasseite (inklusive Abgasaufbereitung), der Kessel (inklusive Brennstoffzufuhr), die Luftseite mit einer Approximation des Verbrennungsprozesses sowie die Wasser-/

Dampfseite der Anlage. In Bild 2 ist ein grobes Schema einer Abfallverwertungsanlage dargestellt. Neben den wesentlichen Prozessabschnitten, Kessel, Abgasaufbereitung und Kamin sind die Messwerterfassung sowie wesentliche Eingangs- und Ausgangsströme dargestellt. Zusätzlich ist ebenfalls die Totzeit (∆t) zwischen der Messwerterfassung und der SNCR wiedergegeben. Diese repräsentiert auch das grundlegende Problem der Regelung einer verbrauchs- und betriebsoptimierten SNCR und ist einer der Gründe für die Entwicklung von Opti-Link.

Monitoring Bild 2: Schema einer Abfallverwertungsanlage mit den wesentlichen Prozessabschnitten und

Stoffströmen sowie der Angabe der Totzeit (∆t) zwischen Messwerterfassung und SNCR Wie zuvor beschrieben steht der NO_x-Rohgaswert nicht zur Verfügung, da bisher keine Messtechnik eine NO_x-Messung mit ausreichender Genauigkeit bei den Bedingungen im Feuerraum ermöglicht. Dieser Wert wäre für eine verbrauchsoptimierte Regelung der SNCR notwendig. Aufgrund der Nichtverfügbarkeit dieses Wertes müssen SNCR- Anlagen auf Basis der in der Messwerterfassung ermittelten Reingaswerte geregelt werden. Durch die Messwerterfassung im Reingas – am Ende des Prozesses – liegt eine deutliche Totzeit zwischen der aktuellen Situation im Kessel und der Werterfas- sung im Reingas vor. Schnelle feuerungsseitige Veränderungen können nicht richtig erfasst werden. Aus diesem Grund ist eine verbrauchsoptimierte Gestaltung der SNCR schwierig und es treten immer wieder abgasseitige Peaks mit hohen NO_x-Werten oder hohen NH₃-Schlupfwerten auf. Ziel ist es mit Hilfe von Opti-Link diese Größen für den Betreiber der Anlage oder die Regelung zugänglich zu machen.

Abgasreinigung

Bild 3:

Zu verbrennender Abfall

Monitoring

Mit Hilfe einer rückwärtsgerichteten Verbrennungsrechnung aus zeitnah vorliegen- den Daten, wie z.B. Energieauskopplung und Abgaszusammensetzung, ist die nicht permanent messbare Zusammensetzung des Brennstoffs anzunähern. Mit Kenntnis der Brennstoffstickstoffkonzentration der einzelnen Fraktionen aus umfangreichen Untersuchungen und des Wissens um die spezifischen Umsatzraten zu NO_x, lässt sich der Rohgas NO_x-Gehalt mit ausreichender Genauigkeit – unter Berücksichtigung von anlagenspezifischen Eigenheiten – annähern. Dieses Verfahren ist neu und bildet zu dem bekannten Nutzen des Monitorings, einen konkreten zusätzlichen Nutzen.

Bei Kenntnis des NO_x-Rohgaswertes wird eine neue Regelungsphilosophie für die SNCR möglich, die nicht nur einen Geschwindigkeitsvorsprung gegenüber der bisher eingesetzten Regelung aufweist, sondern auch einen Genauigkeitsvorsprung mit sich bringt und eine optimierte Eindüsung im Bereich der SNCR ermöglicht (Bild 4).

Bild 4: SNCR-Eindüsung (prinzipielle Darstellung)

In Bild 5 ist das Opti-Link Verfahren zur Stickoxidreduktion dargestellt. Der Kernpunkt des Systems liegt insbesondere auf der SNCR und deren optimierter und bedarfsgerech- ter Regelung, ist aber auch innerhalb des Gesamtprozesses wieder zu finden. Wie dem Bild zu entnehmen ist, werden die Messwerte aus dem Prozessleitsystem zunächst an Opti-Link übermittelt. Dieses bestimmt anhand der eingehenden Werte die Stellgrößen für die SNCR. Die ermittelten Werte werden wiederum mit dem Prozessleitsystem aus- getauscht. Wesentlicher Punkt innerhalb Opti-Links ist dabei die Plausibilitätsprüfung, die zur Ermittlung der korrekten Betriebszustände beiträgt und eine optimierte, ganz- heitliche Regelung mit ermöglicht. Das mit Opti-Link umgesetzte Regelungskonzept entspricht dabei dem einer vorwärts gerichteten Steuerung mit ergebnisorientierter Nachregelung, die weiterhin über die bestehende NO_x-Reingasmessung erfolgt.

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von Dampferzeugern

Autor: Sascha Krüger ISBN: 978-3-935317-41-2

Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky Erscheinung: 2009

Gebund. Ausgabe: 117 Seiten Preis: 30.00 EUR

Die Wärmestromdichte ist der auf eine Fläche bezogene Wärmestrom. Die Ermittlung dieser Größe stellt für Strahlungswärmeübergangsflächen von Dampferzeugern, die üblicherweise aus Memb- ranwänden aufgebaut sind, eine wichtige Information mit Bezug auf die Wärmeverteilung, d. h.

die lokale Wärmeabgabe in der Brennkammer, dar. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, anhand der Wärmestromdichte

• die Feuerlage auf dem Rost oder in der Brennkammer,

• Schieflagen der Gasströmung in den Strahlungszügen,

• den lokalen Belegungszustand (Verschmutzungszustand) oder

• den Zustand des Wandaufbaus (Ablösen von Feuerfestmaterial) zu bewerten.

Die Entwicklung und Anwendung von Wärmestromdichtemessungen an Membranwänden war bereits Gegenstand vielfacher Forschung in den letzten Jahren. Zumeist wurden Messzellen entwickelt, zu deren Installation Umbauten am Siederohr, d. h. am Druck tragenden Teil des Wasser-Dampf-Kreislaufes notwendig sind.

In der vorliegenden Arbeit wird eine nicht-invasive Methode zur Bestimmung der Wärmestrom- dichte an Membranwänden mit und ohne Zustellung sowie deren Anwendung im technikums- und großtechnischen Maßstab beschrieben.

Technikumsanlage Technikumsanlage

312

Monitoring

Bild 5: Erweitertes Regelungsverfahren mit Einbindung NO_x-Rohgaskonzentrationsberechnung Wie bereits erwähnt, stellt die Unzugänglichkeit des NOx-Rohgaswertes ein Problem bei der Regelung der SNCR dar. Opti-Link verfolgt den Ansatz, diesen Wert rechne- risch zu ermitteln und bietet bei entsprechender Anpassung der Regelung dadurch ein hohes technisches Potenzial, die Eindüsung auf die vorliegenden Betriebsbedingungen abzustimmen. Eine optimierte Verbrauchsmenge an Reduktionsmittel führt dabei zu einem wirtschaftlichen Vorteil.

In Bild 6 sind vergleichend zwei Aufzeichnungen aus dem Anlagenbetrieb einmal ohne (links) und einmal bei Einsatz von Opti-Link (rechts) dargestellt. Wiedergegeben sind jeweils der NO_x-Reingaswert, der NH₃-Schlupf und der Verbrauch an Harnstoff in Datensätzen, die alle zehn Sekunden ermittelt wurden.

Stellgröße

Steuern/Regeln NOx-Calc Umsetzungsrate

Messwerte

Prozessleitsystem

Massen- und Energiebilanzen Online-Bilanzierung Plausibilitäts-Prüfung Kontrollwert

Daten sammlung

OPC/Datenüber- tragungstool

Stickstoffgehalt Brennstoff Gesamter Prozess

Luftzufuhr Brennstoffzufuhr Thermisches Hauptverfahren Wasser-/Dampfkreislauf Abgasnachbehandlung Speisewasser SNCREmissionsmessung

NOx-Reingas-Wert als Kontrollwert

NH3-Schlupf mg/Nm³ Menge carbamin l/h

NH3-Schlupf Menge carbamin

NOx

Entstickungsergebnis Kessel mit SNCR ohne Opti-Link NO_x

mg/Nm³ (NO_x-Sollwert: 140 mg/Nm³) 450

400 350 300 250 200 150 100 50 0

140 120 100 80 60 40 20 0 Zeit h

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24

Entstickungsergebnis Kessel mit SNCR mit Opti-Link NH3-Schlupf mg/Nm³

Menge carbamin l/h NO_x

mg/Nm³ (NO_x-Sollwert: 190 mg/Nm³) 450

400 350 300 250 200 150 100 50 0

140 120 100 80 60 40 20 0 Zeit h

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24

NH3-Schlupf mg/Nm³ Menge carbamin l/h

NH₃-Schlupf Menge carbamin

NOx

Entstickungsergebnis Kessel mit SNCR ohne Opti-Link NO_x

mg/Nm³ (NO_x-Sollwert: 140 mg/Nm³) 450

400 350 300 250 200 150 100 50 0

140 120 100 80 60 40 20 0 Zeit h

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24

Entstickungsergebnis Kessel mit SNCR mit Opti-Link NH3-Schlupf mg/Nm³

Menge carbamin l/h

NH3-Schlupf Menge carbamin

NO_x NO_x

mg/Nm³ (NO_x-Sollwert: 190 mg/Nm³) 450

400 350 300 250 200 150 100 50 0

140 120 100 80 60 40 20 0 Zeit h

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24

Bild 6: Gegenüberstellung zweier Betriebspunkte ohne Einsatz (links) und bei Einsatz von Opti-Link (rechts)

Monitoring

Der vergleichenden Abbildung ist zu entnehmen, dass sowohl der NO_x-Reingaswert, als auch der NH₃-Schlupf und der Verbrauch an Harnstoff beim Einsatz von Opti-Link geringer ausfallen. Der Vorteil einer Online-Bilanzierung wird somit direkt aus obigen Werten evident. Die Vorteile der Ermittlung des momentanen Gesamtbrennstoffstick- stoffgehaltes des Abfalls innerhalb Opti-Links mit der Applikation NO_x-Calc und die entsprechende Regelung der SNCR anhand des ermittelten NO_x-Rohgaswertes werden ersichtlich.

2.2. Plausibilitätsprüfung und Messwertdrift

Durch die Bilanzierung der Energie- und Stoffströme können unplausible Messwerte als solches erkannt werden. Zu häufig kann beim Einsatz eines Bilanzierungstools in der Praxis erkannt werden, dass Messgeräte falsche Werte angegeben oder diese falsch interpretiert werden. Beispielsweise würde ein Messwert für den O₂-Gehalt im Abgas, welcher als trockengerechnet interpretiert wird, dieses aber nicht ist, sofort als nasser Messwert identifiziert. Diese Plausibilitätsprüfung stellt einen sofortigen und nützlichen Nebeneffekt dar. Dieser Effekt kann auch online genutzt werden. Manche Messgeräte weisen eine Drift auf. Mit zunehmender Zeit nach der Kalibrierung steigt der systematische Fehler, was eine erneute Kalibrierung erforderlich macht. Der Zeit- punkt einer Neukalibrierung ohne geeignete Instrumentalisierung ist aber nicht einfach feststellbar. Das Opti-Link Verfahren ermöglicht durch online Kontrolle die Feststellung jener Messwertdrift und somit den Zeitpunkt einer notwendigen Neukalibrierung.

2.3. Bestimmung des Brennstoffmassenstromes und des Heizwertes

Eine Massen- und Energiebilanz des Kessels über die Abgas- und die Wasser-/Dampf- seite ermöglicht die Bilanzierung der sonst unzugänglichen Größen Brennstoffmassen- strom und Heizwert des aufgegebenen Abfalls. Voraussetzung hierzu ist, dass der Kessel sich in einem quasi-stationären Zustand befindet und die notwendige Messtechnik installiert ist. Sowohl die Brennstoffmasse auf dem Rost, als auch der Heizwert werden im Betrieb meist nicht online bestimmt. Es erfolgt üblicherweise zwar das Wiegen des Brennstoffs über die Kranwaage bei der Aufgabe des Brennstoffs in den Tagesbunker, nach der Aufgabe des Brennstoffs durch den Stößel in den Feuerraum ist die auf dem Rost befindlichen Masse aber nicht mehr direkt bestimmbar. Damit ist auch der aktuell verbrennende Brennstoffmassenstrom unbekannt. Aufgrund der Unzugänglichkeit dieser Größe erfolgt im Betrieb die Regelung der Luftmenge über den Restsauerstoff- wert im Abgas und somit über die zufahrende Luftzahl. Neben den jahreszeitlichen Schwankungen des Abfalls bezüglich der Feuchte, setzt sich dieser auch unterjährig und lokal aus unterschiedlichen Fraktionen zusammen. Diese Größen könnten – auf Betriebserfahrung beruhend – in der Betriebsplanung zumindest grob berücksichtigt werden. Doch nicht nur unterjährig kommt es zu Unterschieden. Bereits zwei direkt hintereinander erfolgte Brennstoffaufgaben können sich stark in der Zusammensetzung unterscheiden. Ein erhöhter Heizwert führt dabei zu einer Erhöhung der adiabaten Flammentemperatur und damit verbunden zu einem veränderten Flammenbild auf dem Rost. Es kommt zu einer Verschiebung des Feuers auf dem Rost und so zu einer

Monitoring

Verschiebung des Temperaturprofils im Kessel. Diese Umstände beeinflussen die Nachverbrennung und damit auch die Performance einer SNCR. Weiterhin ergeben sich Auswirkungen auf die Rohgaswerte von NO_x und CO.

Um nun primärseitig bereits eine möglichst minimale Schadstoffgeneration zu erzie- len und um z.B. eine minimale Verschlackung des Kessels aufgrund der vorliegenden Temperaturen oder einer optimierten Luftfahrweise zum minimalen Feinstaubaustrag umzusetzen, kann die Luftvertrimmung durch den Anlagenfahrer angepasst werden.

Dies ist nur ein exemplarischer Vorteil der Kenntnis des Brennstoffmassenstromes und des Heizwertes. Die gewonnenen Kenntnisse können ebenfalls bei dem Einsatz verschiedener Brennstoffe, z.B. der zusätzlichen Aufgabe von Klärschlamm von grö- ßerem Interesse sein. Weitere Beispiele sind u.a [5] zu entnehmen.

2.4. Fehlerhafte Messung des Bezugssauerstoffs

Wie bereits erwähnt, erfolgt die Regelung der Verbrennungsluftmenge im regulären Betrieb über den gemessenen Restsauerstoffgehalt im Abgas. Tritt ein Fehler bei der Bestimmung des Restsauerstoffgehalts aufgrund einer Drift eines Messgerätes auf, kann zwischen zwei Fällen unterschieden werden. Das Gerät gibt entweder einen zu niedrigen Messwert oder zu hohen Wert wieder.

Im ersten Fall ist sichergestellt, dass ausreichend Verbrennungsluft vorliegt. Durch die Anzeige eines kleineren Wertes als den tatsächlichen, wird die Verbrennungs- luftmenge angehoben. Dies hat im Wesentlichen zwei Folgen. Zum einen wird die Abgasgeschwindigkeit im Kessel erhöht, zum anderen kommt es durch die Erhöhung der Verbrennungsluftmenge zu einer leichten Absenkung der adiabaten Flammentem- peratur. Beides stellt, bezogen auf die Emissionen, den Ausbrand und das Anlagenrisiko meistens keine Einschränkung des Betriebs dar. Bezogen auf die Emissionen bewirkt die Erhöhung der Verbrennungsluftmenge einen erhöhten Sauerstoffgehalt im Abgas und so eine Verdünnung der vorliegenden Emissionen. Die erhöhten Strömungs- geschwindigkeiten können dabei zu einem erhöhten Staubaustrag führen.

Im zweiten, aus Betreibersicht schlimmeren Fall, wird – obwohl zu wenig Luft vor- liegt – die Verbrennungsluftmenge aufgrund des falschen Eingangssignals reduziert.

Durch eine Reduzierung der Verbrennungsluftmenge kommt es nicht nur zu einem schlechteren Ausbrand des Brennstoffs und so zu einer Erhöhung der Abfallströme (Restkohlenstoff in den Aschen), sondern die Emissionen, sowohl von CO, als auch von NO_x steigen an. Dies liegt zum einen an der geringeren Verdünnung durch den geringeren Restsauerstoffgehalt im Abgas, zum anderen an den schlechteren Verbren- nungsverhältnissen, da die vorliegenden Luftzahlen im jeweiligen Rostabschnitt nicht mehr mit den vorliegenden Brennstoffmassen korrelieren.

Mit Hilfe einer Online-Bilanzierung können solche Fehler im Betrieb durch die Plau- sibilitätsprüfung aufgezeigt werden. Nach einer Benachrichtigung des Anlagenfahrers über den Vorfall kann dieser angemessen reagieren und z.B. ein mögliches Überschrei- ten von Emissionsgrenzwerten durch eine Erhöhung der Verbrennungsluftmenge vermeiden.

Monitoring

2.5. Wirtschaftliches Potenzial

Die in den Abschnitten 2.1. bis 3 dargestellten Vorteile einer Online-Bilanzierung sind nur Beispiele für die Vorteile dieser Applikation. Anhand der erwähnten Beispiele wurde gezeigt, dass mit Hilfe einer Online-Bilanzierung ein optimierter Anlagenbetrieb mög- lich ist. Je nachdem welchen Umfang die Online-Bilanzierung mit sich bringt, können verschiedene Größen zur Optimierung herangezogen und dem Anlagenbetreiber zur Verfügung gestellt werden. Hinter allen erwähnten technischen Potenzialen ist dabei auch immer ein wirtschaftliches Potenzial zu erkennen.

Bereits eine Anpassung der Luftfahrweise an den Heizwert und an die vorliegenden Betriebsbedingungen ermöglicht es, die Rohgasemissionswerte über primärseitige Maß- nahmen zu beeinflussen und zu minimieren. Diese Minderung der Rohgasemissionen ermöglicht es wiederum, den Bedarf an Reduktionsmittel bei installierter SNCR oder SCR zu reduzieren und so die Betriebskosten (Reduktionsmittelverbrauch) zu senken.

Weiterhin kann durch eine angepasste Fahrweise die Korrosion, bzw. Verschlackung des Kessels vermindert werden.

Insbesondere anhand des in 2.1. dargestellten Beispiels einer ideal abgestimmten SNCR wird deutlich, welch großes Potenzial dem Einsatz einer Online-Bilanzierung zuge- schrieben werden kann. So wird nicht nur weniger Reduktionsmittel beim Einsatz von Opti-Link benötigt, es werden zusätzlich niedrigere Emissionswerte erreicht. Zusätzlich senkt die Einsparung an Reduktionsmittel direkt die Betriebskosten.

3. Ausblick und Zusammenfassung

Eine Möglichkeit dem Anlagenbetreiber Größen, die anhand von Messwerten nicht direkt bestimmbar sind, zugänglich zu machen, bietet Opti-Link. Auf Basis von Mas- sen- und Energiebilanzen sowie unter Zuhilfenahme anlagen- und feuerungsspezi- fischer Parameter besteht die Möglichkeit den aktuellen Brennstoffmassenstrom, die errechnete Abfallzusammensetzung, den Heizwert und weitere Größen wie z.B. den Kesselwirkungsgrad online zu bestimmen. Dabei ist festzuhalten, dass anlagenspezifisch durchaus weitere technische Potenziale beim Einsatz von Opti-Link aufgetan werden können. Das Gesamtbild des Potenzials erschließt sich erst nach einer Beurteilung der jeweiligen Anlage.

Durch Opti-Link wird dem Anlagenfahrer ein betriebsunterstützendes Werkzeug zur Verfügung gestellt, das es ihm ermöglicht, den Anlagenbetrieb unter optimierten Bedingungen zu gewährleisten – exemplarisch: Die optimierte Luftvertrimmung bei bekanntem Heizwert. Damit ist das Potenzial der Online-Bilanzierung aber noch nicht erschöpft. Durch die bei Opti-Link integrierte Plausibilitätsprüfung können im Betrieb auftretende Messfehler, wie in 2.2. beschrieben, aufgetan werden. Eine entsprechende Reaktion der Betriebsmannschaft vorausgesetzt, verhindert die integrierte Plausibili- tätsprüfung resultierende Probleme aus Messfehlern. Die Kontrolle der Messwertdrift unterstützt den optimierten Anlagenbetrieb.

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Monitoring

Aufgrund der künftigen verschärften Grenzwerte für NH₃ und NO_x besteht bei vielen Bestandsanlagen die Notwendigkeit der Ertüchtigung der SNCR. Neben den techni- schen Ansprüchen zur besseren Reduktion der NO_x, spielt auch der wirtschaftliche Aspekt einer hohen Anlagenverfügbarkeit bei einem geringen Reduktionsmittel- verbrauch mit ein. Diese beiden Punkte können neben den weiteren Vorteilen einer Online-Bilanzierung durch das neue, ganzheitliche Prinzip von Opti-Link und der durch Opti-Link ermöglichten Regelung erzielt werden. Das Nutzen von Opti-Link bietet somit ein erhebliches technisches und wirtschaftliches Potenzial.

Danksagung

Wir bedanken uns bei der AiF Projekt GmbH für die Unterstützung unserer For- schungsarbeit bei der Entwicklung von Opti-Link. Ebenso bedanken wir uns bei der Technischen Universität Dresden für die konstruktive Zusammenarbeit.

4. Quellen

[1] Beckmann, M.; Pohl, M.; Spiegel, W; Widder, T.: Wirtschaftliche Potentiale des Online-Anlagen- Monitorings. In: Thomé-Kozmiensky, K.J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 12.

Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2015

[2] Das Europäische Parlament und der Rat der Europäischen Union, Richtlinie 2008/98/EG des europäischen Parlaments und des Rates vom 19. November 2008, 2008

[3] Hukriede, J.; Pachaly, R.; Reynolds, P.: Neue 17. BImschV – Auswirkungen auf bestehende Ab- fallverbrennungsanlagen mit SNCR-Technik sowie Lösungskonzepte. In: Thomé-Kozmiensky, K.J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 11. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé- Kozmiensky, 2014, S. 559-574

[4] Hukriede, J.; Reynolds, P.; Schüttenhelm, W.: Einhaltung verschärfter NO_x- und NH₃-Grenz- werte bei bestehenden Anlagen – Vorgehen und Lösungsansätze anhand von Praxisbeispielen.

In: Thomé-Kozmiensky, K.J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 12. Neuruppin:

TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2015

[5] Pohl, M.: Vom Brennstoff zum Rauchgas über Combustion 4.0, In: Kraftwerkstechnik 2015, Freiberg, Saxonia, 2015, S. 367-375

[6] Schüttenhelm, W.; Reynolds, P.: SNCR for Low NO_x Emissions – Case Study of a Swedish Waste- to-Energy Plant, In: Thomé-Kozmiensky, K.J.; Thiel, S. (Hrsg.): Waste managment, Neuruppin:

TK Verlag Karl Thomé Kozmiensky, 2015, S. 221-236

[7] Siebzehnte Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes, Berlin:

BMJV, 02.05.2013

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar

Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann (Hrsg.):

Energie aus Abfall, Band 13

ISBN 978-3-944310-24-4 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky

Copyright: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky Alle Rechte vorbehalten

Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2016

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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