DE102008036099A1

DE102008036099A1 - Entstickungsanlage

Info

Publication number: DE102008036099A1
Application number: DE102008036099A
Authority: DE
Inventors: Christian Neu; Dirk Kiehn
Original assignee: Evonik New Energies GmbH
Current assignee: Steag Energy Services GmbH
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2028-08-05
Also published as: EP2310746A2; WO2010015272A3; DE102008036099B4; MY158227A; US8673221B2; WO2010015272A2; US20110150709A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entstickung der Rauchgase eines fossil befeuerten Dampferzeugers, insbesondere Dampferzeugerkessels (1) einer Kraftwerksanlage, mit Einrichtungen (10-12) zum Einblasen einer in einem vorbestimmten Temperaturbereich wirksamen Reagenz in den heiße Verbrennungsgase enthaltenden Innenraum (18) des Dampferzeugers (1). Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einblaseinrichtungen (10-12) eine Vielzahl räumlich verteilt angeordnetung (13) zur Ermittlung der jeweiligen Temperaturverteilung in dem Innenraum (18) und zur Auswahl zum Einblasen geeigneter Eindüsungslanzen (10) anhand der Temperaturverteilung umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entstickung von Rauchgasen eines fossil befeuerten Dampferzeugers, insbesondere Dampferzeugerkessels einer Kraftwerksanlage, mit Einrichtungen zum Einblasen einer in einem vorbestimmten Temperaturbereich wirksamen Reagenz in den heiße Verbrennungsgase enthaltenden Innenraum des Dampferzeugers.
Zum Entfernen von Stickoxiden aus den Rauchgasen von Dampferzeugern wird herkömmlich das sog. SCR-Verfahren angewandt, bei dem in einem katalytischen Reduktionsprozess Ammoniak als Reagenzmittel zum Einsatz kommt. Neben hohen Kosten für Regeneration und Neubeschaffung von Katalysatormaterial tritt nachteilig bei diesem Verfahren eine Verschmutzung nachgeschalteter Anlagen durch Ammonium-Bisulfat ein. Auch ist eine Nutzung der Aschen infolge Ammoniakbelastung nicht immer möglich oder zumindest unwirtschaftlich.
Eine Alternative zum SCR-Verfahren stellt das nicht katalytische SNCR-Verfahren dar, bei dem Ammoniakwasser oder Harnstoff direkt in den heiße Verbrennungsgase enthaltenden Innenraum des Dampferzeugers eingeblasen wird. Der Einsatz dieses Verfahrens stößt insbesondere in großen Dampferzeugereinheiten von Kraftwerksanlagen auf Schwierigkeiten, weil die Entstickungsreaktion nur in einem verhältnismäßig engen Temperaturfenster zwischen 880°C und 1040°C abläuft, sich die räumliche Temperaturverteilung in großen Dampferzeugereinheiten aber in Abhängigkeit von deren Betriebsbedingungen stark ändert. Je nach den Betriebsbedingungen kann das Einblasen der Reagenz infolge Verfehlung des Temperaturfensters daher unwirksam sein. Neben unzureichender Entstickung verhindern Reagenzrückstände nachteilig eine Vermarktung der Asche.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nutzungsmöglichkeiten des SNCR-Verfahrens, insbesondere für große Dampferzeugereinheiten von Kraftwerksanlagen, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Einblaseinrichtungen eine Vielzahl räumlich verteilt angeordneter Eindüsungslanzen sowie eine Steuereinrichtung zur Ermittlung der jeweiligen Temperaturverteilung in dem Innenraum und zur Auswahl zum Einblasen geeigneter Eindüsungslanzen anhand der Temperaturverteilung umfassen.
Vorteilhaft wird durch diese Erfindungslösung unabhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen des Dampferzeugers, insbesondere unabhängig von der Last und der Art des Brennstoffs jederzeit eine stabile Entstickung erreicht. Die von Rückständen unverbrauchter Reagenz freien Aschen lassen sich uneingeschränkt nutzen.
Während die Steuereinrichtung die räumliche Temperaturverteilung im Kesselinnenraum sensorisch erfassen könnte, ist die Steuereinrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur indirekten Ermittlung der Temperaturverteilung anhand wenigstens eines für die Temperaturverteilung maßgebenden Betriebsparameter des Dampferzeugers vorgesehen. Vorteilhaft kann ein solcher Betriebsparameter mit deutlich geringerem Aufwand ermittelt werden, als ihn die direkte Messung der Temperatur an mehreren Stellen in den heißen Verbrennungsgasen erfordert.
Insbesondere kann die Steuereinrichtung zur indirekten Ermittlung der Temperaturverteilung anhand der Last des Dampferzeugers, der Art des verwendeten Brennstoffs oder/und wenigstens eines, für die Brennerflammen des Dampferzeugers charakteristischen Parameters vorgesehen sein.
Die Steuereinrichtung kann einen Speicher aufweisen, in welchem die jeweiligen Temperaturverteilungen in Zuordnung zu den betreffenden Betriebsparametern tabellenartig gespeichert sind. Aus einem gemessenen Betriebsparameterwert kann die Steuereinrichtung somit indirekt die zugehörige Temperaturverteilung ermitteln.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Steuereinrichtung einen wenigstens teilweise die Brennerflammen erfassenden Bildsensor sowie eine Bildauswerteinrichtung.
Insbesondere erfasst der Bildsensor einen flackernden Bereich einer Brennerflamme oder mehrerer Brennerflammen und die Bildauswerteinrichtung ist vorzugsweise zur Ermittlung der Flackerfrequenz als für die jeweilige Temperaturverteilung maßgebendem Betriebsparameter vorgesehen.
Es hat sich herausgestellt, dass die Flackerfrequenz über weite Bereiche allein maßgebend für die Temperaturverteilung ist, d. h. ein nahezu eindeutiger Zusammenhang zwischen den Flackerfrequenzwerten und der jeweiligen Temperaturverteilung besteht. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinrichtung daher zur Ermittlung der Flackerfrequenz als einzigem Betriebsparameter vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung ggf. den Mittelwert der Flackerfrequenzen über sämtliche Brennerflammen des Dampferzeugers ermittelt.
Zweckmäßig umfasst die Steuereinrichtung ein lernfähiges, zur Erweiterung der Nachschlagetabellen vorgesehenes Speichersystem, wobei hier insbesondere der Einsatz neuronaler Netze in Betracht kommt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Schemadarstellung eines mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten Dampferzeugers, und
2 eine die Funktion der Vorrichtung von 1 erläuternde Darstellung.
Ein in 1 ausschnittsweise dargestellter, mit einer Entstickungsvorrichtung ausgestatteter Dampferzeugerkessel 1 weist eine oberste Brennerebene 2 mit Einlässen 3 und 4 für ein Brennstoffluftgemisch bzw. für Verbrennungsluft auf. In dem gezeigten Beispiel sind in der Brennerebene 2 insgesamt vier Einlässe 3 und vier Einlässe 4 vorgesehen, die paarweise diametral einander gegenüberliegen. Für den Antransport des Brennstoffluftgemischs und der Verbrennungsluft sorgen Leitungen 5 und 6.
Oberhalb der obersten Brennerebene 2 sind an dem Dampferzeugerkessel 1, dessen zu verdampfendes Wasser führenden Rohre der Einfachheit halber nicht gezeigt sind, in drei verschiedenen Ebenen 7 bis 9 Eindüslanzen 10 zum Einblasen einer über eine Leitung 11 herangeführten Reagenz vorgesehen. Bei der Reagenz handelt es sich vorzugsweise um Ammoniak-Wasser oder Harnstoff. In jeder Ebene sind insgesamt vier der Lanzen 10 untergebracht, die paarweise diametral einander gegenüberliegen. Sämtliche Eindüslanzen 10 weisen ein ansteuerbares Sperrventil 12 auf.
Eine Steuereinrichtung umfasst eine zentrale Steuereinheit 13, durch welche jedes einzelne der Sperrventile 12 ansteuerbar ist und die in Verbindung mit einem Bildsensor 14 steht, welcher einen Bildausschnitt 15 der Brennerflamme erfasst.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 2 die Funktionsweise der vorangehend beschriebenen Entstickungsvorrichtung erläutert.
Im Betrieb des Dampferzeugerkessels 1 wird über die Eindüslanzen 10 ständig die genannte Reagenz in die durch den Innenraum 18 des Dampferzeugungskessel 1 strömenden heißen Verbrennungsgase eingeblasen, wobei es zu einer Reduktion der in den Verbrennungsgasen enthaltenen Stickoxide kommt.
Die Reagenz ist nur in einem Temperaturbereich zwischen T2 ≈ 1100°C und T1 ≈ 900°C wirksam. Die Steuereinheit 13 wählt daher durch entsprechende Ansteuerung der Sperrventile 12 aus der Vielzahl der insgesamt vorhandenen Eindüslanzen 10 nur solche aus, die in einen Bereich des Innenraums 18 einblasen, in welchem die Temperatur der Verbrennungsgase zwischen T1 und T2 liegt. Um diese Auswahl treffen zu können, ermittelt die Steuereinheit 13 die jeweilige räumliche Verteilung der Temperatur T im Innenraum 18 des Dampferzeugerkessels 1.
Ganz grob betrachtet ist für gegebene Betriebsbedingungen die Temperatur T im Dampferzeugungskessel 1 allein eine Funktion der Höhe h, wie dies in 2 beispielhaft anhand der gezeigten Kurve T = f(h) dargestellt ist. Ändern sich die Betriebsbedingungen, insbesondere die Last oder/und die Art des verwendeten Brennstoffs, so verschiebt sich die Kurve T = f(h) gemäß Doppelpfeil 17 zu größeren oder kleineren Werten von h.
Änderungen der Betriebsbedingungen führen zu erfassbaren Änderungen im Verhalten der Brennerflammen.
Der Bildsensor 14 erfasst einen Bildausschnitt 15, in welchem die Brennerflamme flackert. Die Flackerfrequenz ist abhängig von den Betriebsbedingungen, insbesondere der Last und/oder der Art des Brennstoffs. Den verschiedenen Flackerfrequenzwerten lässt sich wiederum eine bestimmte Temperaturverteilungsfunktion T = f(h) zuordnen und in der Steuereinheit 13 tabellenartig in Zuordnung zu den Flackerfrequenzwerten speichern.
Eine Bildauswerteinrichtung in der Steuereinheit 13 ermittelt aus dem Signal des Bildsensors 14 die jeweilige Flackerfrequenz. Dieser Frequenz ordnet die Steuereinheit 13 dann mittels der gespeicherten Tabellen die entsprechende Temperaturverteilung zu und wählt anhand der ermittelten Temperaturverteilung die jeweils zum Einblasen geeigneten Eindüslanzen 10 aus. In dem in 1 gezeigten Beispiel ergibt sich für den wirksamen Temperaturbereich T1 und T2 ein Höhenbereich zwischen h2 und h1, sodass durch Steuereinheit 13 die Eindüslanzen 10 nur der Ebene 8 ausgewählt sind.
Dem Bildsensor 14 entsprechende Bildsensoren können in jeder Brennerebene untergebracht sein. Die Steuereinheit 13 ermittelt aus allen gemessenen Flackerfrequenzen den Mittelwert und anhand des Mittelwertes dann die betreffende Temperaturverteilung.

Claims

Vorrichtung zur Entstickung der Rauchgase eines fossil befeuerten Dampferzeugers, insbesondere Dampferzeugerkessels (1) einer Kraftwerksanlage, mit Einrichtungen (10–12) zum Einblasen einer in einem vorbestimmten Temperaturbereich wirksamen Reagenz in den heiße Verbrennungsgase enthaltenden Innenraum (18) des Dampferzeugers (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Einblaseinrichtungen (10–12) eine Vielzahl räumlich verteilt angeordneter Eindüslanzen (10) sowie eine Steuereinrichtung (12–14) zur Ermittlung der jeweiligen Temperaturverteilung (16) in dem Innenraum (18) und zur Auswahl zum Einblasen geeigneter Eindüslanzen (10) anhand der Temperaturverteilung (16) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12–14) zur indirekten Ermittlung der Temperaturverteilung (16) in dem Innenraum (18) anhand wenigstens eines für die Temperaturverteilung maßgebenden Betriebsparameters des Dampferzeugers (1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12–14) zur indirekten Ermittlung der Temperaturverteilung (16) anhand der Last des Dampferzeugers, der Art des verwendeten Brennstoffs und/oder wenigstens eines für die Brennerflammen des Dampferzeugers (1) charakteristischen Parameters vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12–14) einen Speicher umfasst, in welchem die jeweiligen Temperaturverteilungen (16) in Zuordnung zu den betreffenden Betriebsparameterwerten, ggf. tabellenartig, gespeichert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12–14) einen wenigstens eine der Brennerflammen erfassenden Bildsensor (14) und eine Bildauswerteinrichtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (14) zum Erfassen eines flackernden Bereichs (15) einer Brennerflamme vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildauswerteinrichtung zur Ermittlung der Flackerfrequenz als für die jeweilige Temperaturverteilung (16) maßgebenden Betriebsparameter vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung zur Ermittlung der Flackerfrequenz als einzigem Betriebsparameter vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung zur Ermittlung eines über die verschiedenen Brennerebenen des Dampferzeugers gemittelten Wertes der Flackerfrequenz vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung ein zur Erweiterung des Speicherinhalts vorgesehenes, lernfähiges Speichersystem, insbesondere ein neuronales Netz, umfasst.