DE102010036348A1 - Modellgestützte Feinabstimmung einer Ammoniakverteilung und Regulierung, um Betriebskosten einer selektiven katalytischen Reduktion zu verringern - Google Patents

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Abstract

Verfahren und System zum Reduzieren des Anteils von Stickstoffoxiden (NO) in einem Verbrennungsabgasstrom durch: (1) Analysieren des Abfallstroms, um den Anteil an NOzu ermitteln; (2) Ermitteln der stöchiometrischen Menge von Ammoniak, die erforderlich ist, um die NO-Konzentration bis zu einem geforderten Pegel oder darunter zu reduzieren; (3) Ermitteln des Strömungsratenprofils von NO-Komponenten über den Verbrennungsabgasstrom hinweg stromaufwärts eines Ammoniakinjektionsgitters (25); (4) Auswählen spezieller Orte in dem Ammoniakinjektionsgitter (25), um Ammoniakventile (24a, 24b, 26a und 26b) zu aktivieren; (5) Injizieren kontrollierter Mengen von Ammoniakdampf in den Gasstrom an Gitterorten, die dem Ort von NOin dem Gasstrom entsprechen; und (6) Behandeln des Gasstroms mittels einer selektiven katalytischen Reduktionseinheit (34), um den Anteil von NObis zu angemessenen Pegeln zu reduzieren.

Description

  • HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft Verfahren zum Reduzieren des Anteils von Stickstoffoxiden in Rauchgasen, die aus Verbrennungssystemen in die Luft abgegeben werden, und speziell ein Verfahren zur Behandlung von Stickstoffoxiden in Verbrennungsabgasströmen mittels eines neuen Verfahrens zum Bestimmen und Zumessen einer genauen Menge von Ammoniak, die erforderlich ist, um Stickoxidemissionen mittels selektiver katalytische Reduktion (”SCR”, Selective Catalytic Reduktion) bedeutend zu reduzieren und/oder zu eliminieren.
  • Stickstoffoxidverbindungen, die als Nebenprodukte der unvollständigen Hochtemperaturverbrennung entstehen, werden als die wichtigsten Schadstoffe erachtet, die durch Verbrennungsquellen emittiert werden. Die Abgase enthalten in jedem Fall Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2), wobei die Gesamtkonzentration von NO + NO2 nominal als ”NOx” bezeichnet wird. Stickstoffoxiden wurden aufgrund ihrer potentiellen Toxizität in den letzten Jahren zu einem Gegenstand wachsender öffentlicher Besorgnis. NOx-Zusammensetzungen sind außerdem dafür bekannt, dass sie chemische Präkursorsubstanzen von saurem Regen oder photochemischem Smog sind und zum ”Treibhaus”-Effekt beitragen. NOx spielt außerdem eine Rolle bei der Entstehung von bodennahem Ozon, dem Asthma und andere Atemwegserkrankungen zugeschrieben werden.
  • NOx-Emissionen wurden daher ein Gegenstand zunehmend strengerer Bundes- und Landesverordnungen, die den Anteil in Abgas beschränken, das in die Atmosphäre entlassen wird. Gegenwärtig gültige Schadstoffbeschränkungsvorschriften bieten der Industrie außerdem den Anreiz, verbesserte und kostengünstigere Verfahren zu finden, um NOx-Emissionen wesentlich zu reduzieren oder zu eliminieren.
  • In einem idealen Verbrennungsgasbehandlungssystem sind NOx-Verbindungen in dem Abgasdampf gleichmäßig verteilt und werden mit einem Katalysator behandelt, um den Beschränkungen nicht unterworfene Verbindungen (z. B. Stickstoff) zu erzeugen, die anschließend in die Atmosphäre entlassen werden dürfen. In der Theorie sollten NOx-Behandlungsprozesse die Menge von NOx-Gasen, die das Katalysatorbett verlassen, stöchiometrisch gegen Null gehende lassen. Nachteilig ist, dass der Verwirklichung sowohl gleichmäßiger NOx-Konzentrationen als auch Null-NOx-Emissionen in behandelten Abgasen vielfältige praktische Beschränkungen entgegenstehen. Ein Grund für die der relativ geringen Wirkungsgrade der Umwandlung von NOx ist die spontane partielle Reaktion von Ammoniak mit anderen Verbindungen, die in dem Abgasströmen vorliegen, wenn das Ammoniak zu Beginn einbracht wird. Das Vorhandensein derartiger Verbindungen kann zu einer ineffizienten Nutzung von Ammoniak und/oder zu einer unvollkommenen Reduktion von NOx in dem System führen. Darüber hinaus können Veränderungen der Abgasstromzusammensetzungen dazu führen, dass stöchiometrisch unangemessene Mengen von Ammoniak vorliegen, was die Kosten des Abbaus von NOx zu ”unschädlichen” Verbindungen steigert und die Wahrscheinlichkeit fördert, dass überschüssiges Ammoniak möglicherweise in die Atmosphäre gelangt (ein Vorgang, der gewöhnlich als ”Ammoniakschlupf” bezeichnet wird).
  • Ein bekanntes Verfahren zur Behandlung von NOx in Abgasströmen verwendet selektive katalytische Reduktion (”SCR”, Selective Catalytic Reduktion), um NOx mittels Ammoniak als das Reduktionsmittel zu Stickstoffgas zu reduzieren. Wegen der gefährlichen Natur von Ammoniak wirft dessen Verwendung in einem SCR-System allerdings zusätzliche, die Umwelt betreffende Probleme auf, die gelöst werden müssen. Während Bundes- und Landesaufsichtsbehörden die NOx-Emissionsgrenzwerte ständig niedriger ansetzen, haben andere Vorschriften auch die zulässigen Pegel von NH3 verringert, die in die Atmosphäre abgegeben werden dürfen. Die Anwesenheit von unbenutztem Ammoniak in SCR-Prozessen steigert ebenfalls Probleme hinsichtlich der Gesamtkosten der Behandlung von NOx-Emissionen.
  • Ein Problem bei der Steuerung von NH3-Emissionen mittels SCR betrifft die Konstruktion von Wärmerückgewinnungsdampferzeuger-(HRSG)-(”HRSG”)-Systemen, die in Kraft-Wärme-Kopplungs-Kraftanlagen eingesetzt werden. Die meisten HRSG-Systeme sind in der Lage, sich an wechselnde Gasflussraten und/oder an eine ungleichmäßige Verteilung von Abgaskomponenten, einschließlich von NOx, anzupassen. Allerdings werden die HRSG-Abgaszusammensetzungen und Temperaturen in Abhängigkeit von der stromaufwärts vorhandenen Last in hohem Maße variieren. Obwohl einige SCR-Prozesse mittels einer Überwachung der NOx-Konzentration stromabwärts der SCR eine ”Feinabstimmung” der Ammoniakkonzentration in dem HRSG-Abgas ermöglichen, erzielten frühere Ansätze zur Behandlung ungleichförmiger Konzentrationen von NOx in einem HRSG-Strömungsmuster (”räumliche Verteilung”) durch ein Hinzufügen von Ammoniak, bevor das Gas mit dem SCR-Katalysator in Berührung kommt, nur sehr begrenzte Erfolge. Somit bestehen Probleme hinsichtlich der Schaffung und Aufrechterhaltung einer angemessenen räumlichen Verteilung von Ammoniak in Abgasströmen, die auf kontinuierliche Weise behandelt werden.
  • Die meisten Kraft-Wärme-Kopplungs-SCR-Einheiten arbeiten stromabwärts eines Hochdruckwärmetauschers, der die HRSG-Abgastemperatur bis zu einem Bereich zwischen 600°F und 750°F verringert. Der Bereich geringerer Abgastemperaturen wird gewählt, um einen hohen Prozentsatz von NOx-Reduktion und geringe Ammoniakemissionen (Ammoniakschlupf) zu gewährleisten, und um den SCR-Katalysator vor Verschleiß zu schützen, der über die Zeit unter der Einwirkung hoher Temperaturen, beispielsweise in dem Bereich von 825°F bis 850°F, auftritt, mit der Folge irreversibler Schäden an dem SCR-Katalysator. Die meisten zur Reduzierung von NOx geeigneten Katalysatoren müssen außerdem in dem Bereich von 600°F bis 750°F arbeiten, um jede Oxidation des Ammoniak, bei der zusätzliches NOx entsteht, zu vermeiden. Beliebige solche Reaktion, die zusätzliches NOx bilden, erhöhen unvermeidlich die für den SCR-Prozess erforderliche Menge von Ammoniak und reduzieren den Wirkungsgrad der NOx-Entfernung des Gesamtsystems. Geringere Abgastemperaturen vermeiden außerdem ein Oxidieren von Schwefeldioxid in dem HRSG-Abgas, wobei SO3 entsteht, was wiederum zu einer Anhäufung von Ammoniaksulfat in dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger führen kann.
  • Trotz einiger Verbesserungen der Behandlung von HRSG-Abgasen, besteht daher noch ein Bedarf, eine einheitlichere Verteilung von Ammoniak an dem SCR-Einlass aufrecht zu erhalten, um die Wahrscheinlichkeit parasitärer Reaktionen oder der Anwesenheit von überschüssigem, nicht umgesetzten Ammoniak nach einer SCR-Behandlung zu verringern. Für eine vorgegebene Katalysator- und Reaktorkonstruktion hängt die Menge des verwendeten und nicht umgesetzten Ammoniaks im Wesentlichen von der Abgastemperatur, dem Katalysator, der Abgasstromverteilung und dem lokalen Verhältnis von NH3 zu NOx ab. Für die meisten Ammoniak-SCR-Katalysatoren werden eine optimale hohe NOx-Reduktion und ein geringer Ammoniakschlupf über einen verhältnismäßig schmalen Temperaturbereich hinweg erreicht. Vorzugsweise sollte ein SCR-Steuerungssystem den Ammoniakschlupf verringern und die NOx-Zerlegung vollenden, indem das Verhältnis von NH3 zu NOx basierend auf der Abgastemperatur und auf einem erfassten Verhältnis von NO zu NO2 eingestellt wird. Falls das Verhältnis von NO zu NO2 unterhalb eines gewissen Wertes (gewöhnlich 1,0) fällt, ist die SCR möglicherweise nicht geeignet bemessen, um die geforderte Verringerung von NOx-Emissionen zu erreichen.
  • Ein weiterer Prozessfaktor, der eine Beseitigung von NOx insbesondere im Falle der Behandlung von Turbinenabgasen beeinflusst, betrifft das Alter und die Reaktivität des SCR-Katalysators. SCR-Katalysatoren steigern die Reaktionsrate einer Reduktion von NOx zu Stickstoff in der Einspeisung in die SCR, ohne den Katalysator in der Reaktion zu verbrauchen. Im Ergebnis ändern sich die Gleichgewichtsprodukte für eine Dauerbetriebsreaktion nicht wesentlich. NH3 und NOx diffundieren in die Katalysatorporen und werden an aktive Katalysatorstellen adsorbiert. Dennoch können Katalysator-”Gifte” oder Material, das die Poren oder Stellen verlegt, Katalysatorstellen im Lauf der Zeit effektiv deaktivieren.
  • Ein letztes die Umwelt betreffendes Problem gegenwärtiger auf Ammoniak basierender SCR-Systeme beinhaltet den Einsatz von Hilfskanalbrennern. Die Abgase von Gasturbinentriebwerken beinhalten eine erhebliche Menge an Wärmeenergie, die genutzt werden kann, um Dampf (und anschließend Elektrizität) mittels einer Dampfturbine zu erzeugen. Falls allerdings der Wärmebedarf des Systems denjenigen überschreitet, der von dem Turbinenabgas für sich genommen verfügbar ist, benutzen viele Kraftwerke gegenwärtig eine zusätzliche Befeuerung in Form eines stromabwärts angeordneten Kanalbrenners, der zwischen der Gasturbine und einem Abwärmedampferzeuger positioniert ist. Die meisten Kanalbrennerkonstruktionen mischen das Turbinenabgase mit zusätzlichem Brennstoff mit dem Ziel, die Flammenstabilität zu verbessern und eine saubere Verbrennung mit niedrigen NOx-Emissionen sicherzustellen. Nichtsdestoweniger kann die Anwesenheit (oder Abwesenheit) eines Kanalbrenners sich maßgebend auf die letztlich ausgegebene Leistung einer stromabwärts gelegenen SCR-Einheit auswirken, die dazu eingerichtet ist, sämtliches NOx aus dem System zu entfernen.
  • Somit bleiben zahlreiche Probleme und Herausforderungen für die NOx-Emissionskontrolle von Gasturbinen einschließlich des Bedarfs bestehen, ein Verfahren zu entwickeln, das die Reduzierung von NOx mittels Ammoniak als dem primären Reduktionsmittel in SCR-Systemen maximiert, während der Einsatz von überschüssigem Ammoniak oder das Auftreten parasitärer Ammoniakreaktionen, die den Wirkungsgrad des SCR-Prozesses reduzieren, vermieden wird, indem die gewünschte räumliche Verteilung eines molaren Verhältnisses von Ammoniak zu NOx unter beliebigen Betriebsbedingungen reguliert wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein neues Verfahren und System zum Reduzieren des Anteils von Stickstoffoxiden (NOx) in einem Verbrennungsabgasstrom, beispielsweise dem Abgas aus einer Gasturbine. Ein exemplarisches Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte: (1) Analysieren des Verbrennungsabgasstroms, um den vorliegenden Anteil von NOx zu ermitteln; (2) Ermitteln der stöchiometrischen Menge von Ammoniak, die erforderlich ist, um die NOx-Konzentration unter Verwendung entweder analytischer Echtzeitdaten oder eines auf bekannten und/oder vorherberechneten Datenwerten basierenden Regelungs- oder Steuerungsmodells bis zu einem geforderten Pegel oder darunter zu reduzieren; (3) Ermitteln des Strömungsratenprofils (bzw. der räumlichen Verteilung) der NOx-Komponenten über den Verbrennungsabgasstrom hinweg an einer Stelle stromaufwärts eines Ammoniakinjektionsgitters; (4) Auswählen einer oder mehrerer Stellen in dem Ammoniakinjektionsgitter, um an den betreffenden Stellen Ammoniakventile zu betätigen; (5) Injizieren einer kontrollierten Menge von Ammoniakdampf in den Gasstrom an den Gitterorten, die der Stelle von NOx in dem Gasstrom entsprechen; und (6) Behandeln des Gasstroms, der injizierten Ammoniakdampf enthält, unter Verwendung einer selektiven katalytischen Reduktionseinheit, um den Anteil von NOx bis zu einem Pegel von etwa 5 ppm oder weniger, vorzugsweise 2 ppm oder darunter, zu reduzieren.
  • Zu einem exemplarischen System zum Reduzieren des Anteils von Stickstoffoxiden (NOx) in einem Verbrennungsabgasstrom gehören: ein oder mehrere Gasanalysatoren, die in der Lage sind, die Menge und Strömungsrate von NOx in dem Verbrennungsabgasstrom zu ermitteln; Mittel zur Bestimmung der gesamten stöchiometrischen Menge von Ammoniak, die erforderlich ist, um das NOx in dem Abfallstrom bis zu einem gewissen Pegel von beispielsweise 5 ppm oder weniger zu reduzieren; ein Ammoniakinjektionssystem, das geeignet bemessen ist, um kontrollierte Mengen von Ammoniak in das Injektionsgitter zu befördern; ein Ammoniakinjektionsgitter, das mehrere Injektionskanäle aufweist, die bemessen sind, um einen Ammoniakdampf mit vorgegebenen Raten und an vorgegebenen Stellen in den Abgasstrom einzubringen; und eine selektive katalytische Reduktionseinheit, die einen Katalysator enthält, der in der Lage ist, NOx mittels Ammoniak zu Stickstoff zu reduzieren.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt in einem Blockschaltbild exemplarische Programmschritte gemäß der Erfindung, die dazu dienen, Turbinenabgasstrombedingungen zu überwachen und zu analysieren, und danach die Menge von Ammoniak genau zu regulieren, die stromaufwärts der SCR in den Abgasstrom injiziert wird, um eine gleichmäßige räumliche Verteilung des NH3 zu erreichen und den Anteil an NOx in dem behandelten Abgas zu reduzieren.
  • 2 zeigt in einer grafischen Darstellung das Gleichgewichtsverhältnis von NO und NO2 in einem typischen Turbinenabgas (beispielsweise 7FA+e-Abgasströme) graphisch gegen Gastemperaturgleichgewichtswerte abgetragen, die mittels einem standardmäßigen thermischen Gleichgewichtsprogrammcode (STANJAN) ermittelt wurden;
  • 3 zeigt in einem Flussdiagramm die grundlegenden Hardwarekomponenten und die NOx-Belastungen, die sich im Falle eines typischen Gasturbinenabgasstroms durch die Nutzung eines SCR-Katalysators und Verwendung der Ammoniakinjektionssteuerungsfaktoren ergeben, gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 4a zeigt ein exemplarisches SCR-Ammoniakgitter und verwandte Verfahrenskomponenten, die verwendet werden, um die Menge und Verteilung von Ammoniak zu beeinflussen, um Gasturbinenabgasströme zu behandeln und NOx unter Verwendung der Steuerungsfaktoren der vorliegenden Erfindung wirkungsvoll zu eliminieren;
  • 4b zeigt einen Abschnitt des Ammoniakinjektionsgitters (”AIG, Ammonia Injection Grid”), wie es in 4a dargestellt ist, mit zusätzliche Einzelheiten einer exemplarischen Ventilanordnung zum Ausführen eines regulierten Ammoniakinjektionsprozesses;
  • 5 veranschaulicht in einer grafischen Darstellung die Abhängigkeit von SCR-Katalysatoren von der Turbinenabgastemperatur, wobei exemplarische Betriebsfenster für die Beseitigung von NOx mittels Ammoniak und verschiedene Katalysatoren gezeigt sind, die zur Erzielung der Steuerungsfunktionen dienen, gemäß der Erfindung;
  • 6 zeigt in einer grafischen Darstellung eine NOx-Umwandlung und einen prozentualen Ammoniakschlupf bei unterschiedlichen Turbinenabgastemperaturen unter Verwendung eines bekannten Verhältnisses von Ammoniak zu NOx, um die zu injizierende Menge von Ammoniak genau zu regulieren;
  • 7 zeigt eine grafische Darstellung des Wirkungsgrads der Beseitigung von NOx bei unterschiedlichen Turbinenabgastemperaturen unter Verwendung einer festgelegten Abgaszusammensetzung und Strömungsrate, um die Einspeisung von Ammoniak in die SCR zu regulieren;
  • 8 veranschaulicht grafisch den Wirkungsgrad der Beseitigung von NOx basierend auf verschiedenen Turbinenabgasstromraten mit einer festgesetzten Abgaszusammensetzung und Strömungsrate, um gemäß der Erfindung die Menge von Ammoniak zu regulieren, die der SCR zugeführt wird; und
  • 9 zeigt ein exemplarisches Gasturbinen-”Kraftwärmekopplungssystem” mit einem Kanalbrenner, der eine Veränderung der Faktoren bewirkt, die verwendet werden, gemäß der Erfindung um die Ammoniakinjektion zunächst zu bestimmen und anschließend zu regulieren.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Wie oben erwähnt, schafft die Erfindung ein modellgestütztes Regulierungssystem für Ammoniak, das in einen Abgasstrom injiziert wird, um NOx-Verbindungen in einem Gasturbinenabgasstrom wirkungsvoll zu beseitigen, während die zur Behandlung der Abgaseinspeisungen verwendete Menge und Kosten von Ammoniak und SCR-Katalysatormaterial verringert werden. Vorzugsweise werden die Überwachungs- und Regelungs- oder Steuerungsfunktionen unter Verwendung eines Mikroprozessors unter Verwendung einer geeignet eingerichteten Software durchgeführt, die in der Lage ist, Eingabedaten (z. B. Gas, Temperaturen, Zusammensetzungen und Strömungsraten) einzulesen und die unten beschriebenen Ermittlungen des Verfahrens durchzuführen.
  • Die grundlegenden Faktoren zum Regulieren der Menge von Ammoniak, die erforderlich ist, um Stickoxidemissionen mittels SCR zu eliminieren und einen Ammoniakschlupf stromabwärts der SCR wirkungsvoll zu eliminieren, fallen in die folgenden allgemeinen Kategorien: (1) Geschwindigkeitsverteilung an dem SCR-Gaseinlass; (2) Änderungen der SCR-Gaseinlasstemperatur; (3) Menge und räumliche Verteilung von NOx-Belastung (tatsächliche oder vorausberechnete NOx-Eingabe in die SCR); (4) Änderungen der Menge und Verteilung von Ammoniak, das mittels eines Ammoniakinjektionsgitters (AIG, Ammonia Injection Grid) in das Abgas injiziert wird; und (5) vorherberechnetes und tatsächliches Nachlassen der SCR-Katalysatoraktivität im Lauf der Zeit. Die oben erwähnten fünf allgemeinen Faktoren beinhalten eine Anzahl unterschiedlicher Unterfaktoren, die ebenfalls im Folgenden identifiziert und erörtert werden.
  • 1. SCR-Gaseinlassgeschwindigkeitsverteilung.
  • Bei der Ermittlung der genauen Menge und des Ortes von Ammoniak, das stromabwärts des HRSG und stromaufwärts der SCR durch das AIG in das Abgas zu injizieren ist, sind die genauen Strömungscharakteristiken des zu behandelnden Abgases zu bestimmen; insbesondere sind dies: die Zusammensetzung von Gas, das den HRSG verlässt und in die SCR eintritt, beispielsweise NO und NO2; die Gesamtmenge von Gas, das in die SCR eintritt, in Kubikfuß pro Minute; die Differenzen, falls vorhanden, der Gasstromraten über einen Querschnitt des HRSG (d. h. ein Gasgeschwindigkeitsprofil, um zu ermitteln, ob die Geschwindigkeit in der Mitte des HRSG mit derjenigen in der Nähe der Seitenwände übereinstimmt oder sich davon unterscheidet); und das Verteilungsprofil spezieller Komponenten (die räumliche Verteilung) spezieller Komponenten in dem in die SCR eintretenden Gasstrom (gewisse Verbindungen weisen möglicherweise an den Rändern des HRSG höhere Konzentrationen auf).
  • Eine genaue Vorausberechnung der SCR-Gaseinlassgeschwindigkeitsverteilung kann auf empirischen Echtzeitdaten (z. B. fortlaufenden Strömungsmesswerten) oder auf vorherberechneten (”Modell”-)Geschwindigkeitsverteilungswerten, die frühere Leistungsdaten unter bekannten Betriebsbedingungen und Gaszusammensetzungen verwenden, begründet sein. Die Daten können beispielsweise beinhalten: die Gasturbinenbetriebsbedingungen (z. B. einen Prozentsatz maximaler Triebwerkslast), die Einlassgasbedingungen (beispielsweise die Zusammensetzung, die Temperatur, den Druck und die Luftfeuchtigkeit der Triebwerkseinspeisung), die Zusammensetzung des Kohlenwasserstoffbrennstoffs, der durch die Gasturbine verwendet wird, die Turbinenabgaszusammensetzung sowie beliebige maßgebende Veränderungen im Betrieb des HRSG (z. B. Änderungen der Konstruktion, die möglicherweise standardmäßige Strömungsraten beeinflussen, die Auslassgastemperatur erhöhen oder vermindern, usw.).
  • 2. SCR-Gaseinlasstemperaturänderungen.
  • Ein zweiter allgemeiner Faktor zum Regulieren der Menge und des Orts von Ammoniak, das in das HRSG-Abgas injiziert wird, verwendet Daten, die Änderungen der Gastemperatur der Einspeisung von dem HSRG zu der SCR kennzeichnen. Solche Temperaturänderungen (Steigerungen oder Abnahmen) sind möglicherweise zurückzuführen auf: Veränderungen der Wärmemenge, die (beispielsweise aufgrund von Änderungen der Strömungsraten aus der Gasturbine) durch den HRSG entzogen wird; oder gemessene Unterschiede der Abgasstromtemperatur stromaufwärts des HRSG; oder das Vorhandensein oder Fehlen eines Kanalbrennerbetriebs, wie er im Vorausgehenden beschrieben ist (der dem stromabwärts in dem HRSG verwendeten Gas möglicherweise zusätzliche Wärme hinzufügt).
  • 3. Änderungen der Einspeisung von Ammoniak in die SCR.
  • Die der SCR mittels eines AIG zugeführte Menge von Ammoniak kann im Lauf der Zeit in Abhängigkeit von vielfältigen Unterfaktoren variieren; beispielsweise sind dies: der Grad einer tatsächlichen oder vorherberechneten Verschmutzung in dem Injektionsgitter; die (aufgrund von Erosion, Verschmutzung oder Korrosion auftretenden) Änderungen der Öffnungsabmessung der AIG-Injektionskanäle, die die Ammoniakströmungsraten beeinflussen; und die Qualität der Ammoniakeinspeisung selbst (z. B. das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Verunreinigungen in dem eingespeisten flüssigen Ammoniak oder in der Luft).
  • 4. SCR-NOx-Belastungsfaktoren.
  • Ein vierter Satz von Datenpunkten, die die Menge von Ammoniak beeinflussen können, die erforderlich ist, um Stickstoffoxidschadstoffe wirkungsvoll zu beseitigen, ohne Ammoniakschlupf hervorzurufen, betrifft den Anteil an NO und NO2 in dem HRSG-Abgas bei dessen Eintritt in die SCR. Wie oben erörtert, können sich die gemessenen (oder vorherberechneten) Volumen- und Gewichtsverhältnisse von NOx-Komponenten im Lauf der Zeit in Abhängigkeit von der Betriebscharakteristik der Gasturbine, dem durch das Triebwerk verbrauchten Brennstoff, Änderungen der Triebwerkskonstruktion, usw. ändern. Die Belastung der SCR mit NOx kann sich auch ändern, falls das System, wie im Vorausgehenden beschrieben, stromabwärts des HRSG einen Kanalbrenner aufweist, der die Einspeisung in die SCR verändert, beispielsweise indem NO und NO2-Bestandteile hinzugefügt werden, die ebenfalls durch die SCR zu behandeln sind. Der Kanalbrenner fügt das NO und NO2 vor dem Ammoniakinjektionsgitter möglicherweise in einer ungleichmäßigen räumlichen Verteilung hinzu.
  • 5. Bauart und Verschleiß des SCR-Katalysators.
  • Ein fünfter Faktor bei der Regulierung der Einspeisung von Ammoniak in die SCR betrifft die Rate, mit der die Katalysatorzusammensetzung im Lauf der Zeit verschleißt. Die Verschleißrate kann in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Gasturbine und des HRSG im Lauf der Zeit sogar steigen. Auch hier kann die Verwendung dieses Faktors bei der Ermittlung und der Regulierung der Ammoniakinjektion durch das AIG entweder auf empirischen Echtzeitdaten oder auf Modellvorherberechnungen des Maßes und der Rate des Katalysatorverschleißes begründet sein.
  • Bei der Verwendung der oben erwähnten Regelungs- oder Steuerungsfaktoren sind die hauptsächlichen Reaktionen, die NH3 verwenden, um über einem SCR-Katalysator NOx zu Stickstoff und Wasser zu reduzieren, wie folgt: 4NO + O2 + 4NH3 → 4N2 + 6H2O (rasch) NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O (rasch; mit NO/NO2 ≥ 1,0) 6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O (langsam)
  • Die erste Reaktion mit NO ist die vorherrschende ”rasche” Reaktion zur Beseitigung von NOx, wobei davon ausgegangen wird, dass das Abgas vorwiegend Stickstoffoxid aufweist. Die zweite Reaktion kann kräftiger ablaufen und die vorherrschende Reaktion sein, wenn das Mol-Verhältnis von NO zu NO2 für vorgegebene SCR-Katalysatoren größer als 1,0 ist. Größere molare Verhältnisse von NO2 erfahren eine Reduktion in einer wesentlich langsameren Reaktion, die eine höhere Raumgeschwindigkeit und ein längeres katalytisches Reaktorbett erfordert. Die dritte Reaktion erfordert im Vergleich zu der zweiten Reaktion für die Reduktion des NO2 1/3 mehr Ammoniak und steigert somit den Gesamtverbrauch von Ammoniak über die gleiche Zeitspanne.
  • Falls die Betriebsbedingungen der SCR-Einheit (beispielsweise die Abgasdurchflussrate in die SCR, die Gastemperatur, die Ammoniakeinspeisungsrate, usw.) nicht sorgfältig überwacht und reguliert sind, besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit für das Auftreten parasitärer Reaktionen über dem Katalysator, beispielsweise die folgenden: 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (dies erzeugt NO) 2SO2 + O2 → 2SO3 (eine unerwünschte Präkursorreaktion) 2NH3 + SO3 + H2O → (NH4)2SO4 (verdirbt die SCR-Einheit) NH3 + SO3 + H2O → (NH4)SO4 (verdirbt die SCR-Einheit)
  • Die oben erwähnten parasitären Reaktionen veranschaulichen, wie die Zusammensetzung von Gasströmen, die einer Behandlung unterworfen sind, ein wesentlicher, wenn nicht sogar steuernder Faktor bei der Ermittlung der Lebensdauer und des voraussichtlichen Aktivitätspegel von SCR-Katalysatoren sein können.
  • Zu weiteren, die Regulierung der Ammoniakeinspeisung beeinflussenden SCR-Katalysatorfaktoren gehören: die Verweildauer, die erforderlich ist, um das NOx in Abhängigkeit von der Diffusionsrate von Reaktionspartnern zu reduzieren, die Gesamtzahl von Katalysatorstellen, die Konzentration der Reaktionspartner, die Reaktionstemperatur in der SCR, die Anzahl aktiver katalytischer Stellen pro geometrischer Oberflächeneinheit, die geometrische Gesamtoberfläche und die Gesamtreaktionsrate. Für einen vorgegebenen Satz von Betriebsbedingungen und einen speziellen SCR-Katalysator ändert sich die Verweildauer des behandelten Gases möglicherweise auch in Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeit und dem Katalysatorgesamtvolumen (üblicherweise als ”Raumgeschwindigkeit” definiert), d. h. dem Verhältnis des gesamten Abgasstroms in Kubikfuß/h dividiert durch das Katalysatorvolumen in Kubikfuß.
  • Die oben erwähnten Regelungs- oder Steuerungsfaktoren berücksichtigen auch Ungleichgewichte in den Verbrennungsprodukten, insbesondere solche, wie sie in Zusammenhang mit Abgasströmen aus Gasturbinentriebwerken auftreten, die zu ungleichförmigen (nicht räumlichen) Bedingungen von Strömen in eine SCR führen können. Wie oben erwähnt, schaffen herkömmliche Ammoniakinjektionssysteme in Reaktion auf sich ändernde Abgasstrombedingung keine angemessene räumliche Verteilung von Ammoniak. In der Folge lassen sich die bekannten Konstruktionen (insbesondere in Reaktion auf analytische Echtzeitdaten) nicht ohne weiteres anpassen, um sich ändernde NOx-Konzentrationspegel zu berücksichtigen. Beispielsweise verwendet eine typische Einmal-Injektion von Ammoniak Daten für die Gesamtabgaslast, die einer Behandlung unterworfen wird. Das Nettoergebnis ist eine uneinheitliche Verteilung von Ammoniak während des SCR-Prozesses und eine sich ergebende ungleichförmige Umwandlung der NOx-Bestandteile.
  • Die vorliegende Erfindung schafft daher ein neues Verfahren zum Bestimmen und Regulieren der räumlichen Einspeisung von Ammoniak an speziellen stromaufwärts gelegenen Orten vor einer Behandlung in der SCR, basierend auf empirischen Daten und/oder Regelungs- oder Steuerungsmodellen. Dementsprechend schafft die Erfindung ein modellgestütztes und fortlaufend aktualisiertes ”lernendes” Regulierungssystem, das mehrere Ammoniakdurchflussregelventile (”Feinabstimmventile”) betätigt, um unter veränderlichen Betriebsbedingungen gleichmäßige und kontrollierte Ammoniakkonzentrationen bereitzustellen, so dass dadurch die Kosten der Beseitigung von NOx in dem System beträchtlich reduziert werden.
  • In einem anhand der Zeichnungen im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Regulierventile in einem AIG oder Verteiler angeordnet, um eine kontrollierte Einführung von Ammoniak in das System mit vorgegebenen Strömungsraten und an vorgegebenen Stellen in dem Gitter in Abhängigkeit von momentanen Betriebsbedingungen und/oder von der an speziellen Orten erfassten Menge von NOx zu ermöglichen. Die Ventile lassen sich außerdem einzeln einstellen, um den Ammoniakstrom basierend auf NOx-Messwerten, die stromaufwärts des SCR-Systems erfasst sind, oder auf NOx-Konzentrationen, die auf der Grundlage bekannter Gasturbinenbetriebsbedingungen vorherberechnet sind, in Echtzeit zu regulieren.
  • Die Erfindung zieht auch in Betracht, modellgestützte Steuerungsparameter für die Ammoniakinjektionverteilerventile zu verwenden, die kalibriert sind, indem jedes Ventil an unterschiedlichen Orten verstellt (inkrementell eingestellt) wird, die sich ergebenden Veränderung des von dem System stammenden Abgas-NOx beobachtet wird, und der optimale NH3-Vorgabewert berechnet wird, um den Soll-Abgasstrommesswert zu erreichen. Anfängliche Regelungs- bzw. Steuerungs-Vorgabewerte lassen sich beispielsweise während der Inbetriebnahme des Kraftwerks ermitteln. Danach kann jedes Ventil in dem Verteiler basierend darauf, dass die Steuereinrichtung ein erstes Mal den optimalen Bereich von Vorgabewerten ”gelernt” hat, einzeln betätigt und reguliert werden, während die Einheit unter verschiedene Abgasstromlasten arbeitet. Die unterschiedlichen Abgaslasten beinhalten Umgebungsbedingungen, die erforderlich sind, um vorgeschriebenen Emissionsrichtlinien von NOx und NH3 zu entsprechen. Das AIG-Ventilsteuerungssystem ist außerdem in der Lage, einen im Laufe der Zeit auftretenden SCR-Katalysatorverschleiß zu kompensieren, indem ein vorbestimmter Verschleißfaktor verwendet wird, und entsprechende Anpassungen der Ammoniakinjektion durchgeführt werden.
  • Exemplarische SCR-Katalysatoren, die für eine Durchführung der Erfindung geeignet sind, beinhalten Kombinationen von V2O5, TiO2 und WO3, die in Form einer extrudierten homogenen Bienenwabe entweder auf ein metallisches, monolithisches Substrat oder auf einen Teil eines Keramikmaterials aufgetragen sind. Normalerweise wird die SCR-Einheit mit dem Katalysator in Abhängigkeit von dem Katalysatortyp an einer Stelle in dem Turbinenabgasauslass angeordnet, wo sich die Gastemperatur einem Betriebsfenster im Bereich zwischen 550°F und 825°F nähert. Die tatsächliche Katalysatorformulierung und Halterungsstruktur kann ferner unter Verwendung der oben erwähnten Faktoren speziell konstruiert und/oder modifiziert sein, um SO2-Oxidation zu reduzieren, eine etwas höhere Temperaturbeständigkeit vorzusehen, oder jede unerwünschte NH3-Oxidation zu minimieren.
  • Das vorliegende Verfahren ist ferner in der Lage, stromabwärts optimale Ammoniakvorgabewerte und Ventilstellungen während Übergangsbetrieben zu ermitteln, z. B. wenn der Bedarf eintritt, die ”gelbe Abgasfahne”, d. h. die sichtbaren Schadstoffe, zu reduzieren, die aus Abgaskaminen eines Kraftwerks emittiert werden, wenn Gasturbinen anfänglich hochgefahren werden. Typischerweise tritt die gelbe Abgasfahne auf, wenn der während des Hochfahrens erzeugte Anteil an Stickstoffdioxid etwa 10 je Million Teile (ppm) überschreitet. Obwohl die Hochfahrabgase einen sichtbaren gelben Ausstoß hervorbringen, sind die Bedingungen normalerweise vorübergehend und verschwinden, während die Gasturbinen normale Betriebsbedingungen erreichen.
  • Eine weitere Steuervariable, die für die Durchführung der Erfindung nützlich ist, betrifft Änderungen des Kanalbrennerbetriebs, die den Abgasstrom in die SCR verändern, was zu Abgastemperaturänderungen oder zu Veränderungen der Anteile und der Verteilung von NOx und nicht regulierten Verbindungen führt, die mit einer Ammoniakeinspeisung reagieren. Das vorliegende Regelungs- oder Steuerungsmodell kompensiert Änderungen des Kanalbrennerbetriebs, indem es die Brennerbedingungen überwacht und anschließend das Ammoniakinjektionsgitter basierend auf dem ”Lern”-Modell verändert (”feinabstimmt”). In einem gesonderten Ausführungsbeispiel kann ein zonales Reaktionsmodell verwendet werden, das den Kanalbrennermassendurchsatz und die Wirkung von Änderungen der Abgastemperatur an speziellen Orten (Zonen) in dem SCR-Katalysatorbett berücksichtigt.
  • Mit Bezug auf die Figuren in der Anmeldung zeigt 1 in einem Blockschaltbild erfindungsgemäße exemplarische Programmschritte, die genutzt werden können, um Turbinenabgasstrombedingungen zu überwachen und zu analysieren, um die Menge von Ammoniak zu regulieren, die mittels eines (mit ”AIG, Ammonia Injection Grid” bezeichneten) Ammoniakinjektionsgitters in den HRSG-Abgasstrom zu injizieren ist. Wie oben erwähnt, basiert die primäre Aufgabe darauf, eine gleichmäßige räumliche Verteilung des NH3 zu erreichen, und den Anteil an NOx in dem Abgasstrom auf einen theoretischen stöchiometrischen Wert von Null zu reduzieren.
  • 1 veranschaulicht außerdem ein exemplarisches Regelungs- oder Steuerungsmodell, das dazu dient, Ammoniakschlupf stromabwärts der SCR zu eliminieren. Das Modell weist vier grundlegende Regelungs- oder Steuerungsebenen auf. Auf der ersten Ebene werden spezielle Daten und Prozessdaten von unterschiedlichen Stellen stromabwärts der Gasturbine gewonnen, nämlich die Zusammensetzung und die Strömungsbedingungen des Abgasstroms, der entweder auf der Grundlage modellgestützter Vorausberechnungen oder basierend auf Echtzeitbetriebsdaten zu behandeln ist (siehe die in dem Flussdiagramm von 1 mit 1 bis 7 bezeichneten Programmschritte). Typischerweise wird es auf dieser ersten Ebene erforderlich sein, das Gleichgewichtsverhältnis von NO und NO2 in dem Gasturbinenabgasstrom, das sich bei höheren Turbinenabgastemperaturen ändern kann, zu ermitteln.
  • Auf der zweiten Ebene werden (voraussichtlich unter Verwendung eines Mikroprozessors und einer Software) die exakten Mengen und der genaue Ort der Injektion von Ammoniak in dem AIG ermittelt, die erforderlich sind, um NOx zu reduzieren und/oder zu eliminieren, so dass angemessene Emissionseinhaltungsstandards des Bundes oder Landes von beispielsweise 2 ppm erfüllt oder übertroffen werden (siehe Schritte 8 und 9 in 1). Auf der dritten Ebene arbeitet das System, um die genaue Menge von Ammoniak zu bewerten und zu regulieren, die stromaufwärts der SCR-Einheit in das Abgas zu injizieren ist (siehe Schritte 10 und 13). Die dritte Ebene beinhaltet ferner eine Überprüfung des Abgasstroms nach der Ammoniakinjektion, um die Gasdurchflussrate, die Temperatur und das in die SCR eingespeiste NO und NO2 zu ermitteln, um in erster Linie eine Bewertung der Leistung des AIG und der SCR-Einheiten über die Zeit hinweg zu unterstützen. Die Ebene drei nach 1 veranschaulicht außerdem ein exemplarisches System, das dazu dient, eine endgültige Analyse des Abgases stromabwärts der SCR durchzuführen, um die reduzierten NOx-Pegel zu ermitteln (Schritt 14), und das eine Rückkopplungsschleife 12 zu dem AIG aufweist, um die Ammoniakinjektion, falls erforderlich, basierend auf erfassten Mengen von nicht umgesetzten Restammoniak und NOx, die in dem endgültigen Abgas vorhanden sind, zu ändern.
  • Mit Bezug auf die erste Regelungs- oder Steuerungsebene zeigt 1 vielfältige Prozessregelungsparameter, die verwendet werden, um (a) die Menge von Ammoniak, die erforderlich ist, um den NOx-Pegel bis zu angemessenen Pegeln zu reduzieren, und (b) den Ort zu ermitteln, der in dem Abgasstrom die höchste Effizienz für die Ammoniakinjektion aufweist, die vor dem Eintritt des Stroms in die SCR durchzuführen ist. Die Regelungs- oder Steuerungsfaktoren auf der ersten Ebene beinhalten beispielsweise: (1) die NOx-Konzentration (insbesondere das NO2/NO-Verhältnis), wie es sich aus der Analyse (oder Vorausberechnung) basierend auf den Gasturbinenbetriebsbedingungen ergibt; (2) die Temperatur der Abgaseinspeisung in den HRSG; (3) der durch einen Kanalbrenner beigetragene tatsächliche (oder vorherberechnete) NOx-Pegel; (4) die tatsächliche (oder modellgestützte) Einspeisungsrate des in den HRSG eingespeisten Turbinenabgases in Kubikfuß pro Minute; (5) Daten, die den Typ des Katalysators in der SCR-Einheit einschließlich des tatsächlichen (oder vorausberechneten) Aktivitätspegels des Katalysators bei verschiedenen Gastemperaturen betreffen; (6) die Unterschiede, falls vorhanden, der Verteilung von NOx-Komponenten in dem Gasstrommuster in dem AIG (beispielsweise ein höherer NOx-Pegel an den Randabschnitten der Einspeisung in die SCR-Einheit); und (7) der Zustand der Ammoniakinjektionskanäle in dem AIG (z. B. das Maß, bis zu dem Ventile geöffnet oder geschlossen sind).
  • 2 veranschaulicht grafisch das Gleichgewichtsverhältnis von NO und NO2 in einem typischen Turbinenabgas (beispielsweise in 7FA+e-Abgasströmen), wobei das Verhältnis von NO/NO2 graphisch gegen Gastemperaturgleichgewichtswerte abgetragen ist, die mittels eines standardmäßigen thermischen Gleichgewichtsprogrammcodes (STANJAN) ermittelt sind. Im Zusammenhang mit 2 stellte sich heraus, dass für erfindungsgemäße SCR-Systeme aufgrund der spezifischen Temperaturbeschränkungen von SCR-Katalysatorsystemen, die zur Beseitigung von NOx verwendet werden, ein NO/NO2-Verhältnis größer 1,0 vorgezogen werden würde. D. h., die Lebensdauer des SCR-Katalysators könnte sich im Laufe der Zeit verkürzen (d. h. die Aktivität würde rascher abnehmen als gewünscht), falls die Gleichgewichtstemperatur des in die SCR eintretenden Gases etwa 800°F überschreitet.
  • 3 veranschaulicht in einem Flussdiagramm die hauptsächlichen Hardwarekomponenten und sich ergebende NOx-Belastungen für einen typischen Gasturbinenabgasstrom, der einen SCR-Katalysator nutzt, nachdem Ammoniakinjektionssteuerungsfaktoren angewendet sind, gemäß der Erfindung. 3 gibt außerdem exemplarische Betriebstemperaturen und Zusammensetzungen des Turbinenabgases auf seinem Weg durch das System ausgehend von dem Triebwerk selbst zu dem Abgaskamin, wobei die wechselnde Temperaturen und NOx-Pegel (einschließlich der Menge von Stickstoffdioxid), wie für jede Stufe gezeigt, angegeben sind. Ammoniakdampf ist gezeigt, wie er dem System unmittelbar stromaufwärts des ”NH3-Injektionsgitters” und vor dem Eintritt des zusammengeführten Abgas- und Ammoniakstrom in die SCR-Einheit hinzugefügt wird. Die SCR reduziert den NOx-Pegel erheblich (gewöhnlich auf einen Pegel bei oder unterhalb von 2 ppm), so dass NOx-Emissionsrichtlinien erfüllt oder übertroffen werden, wobei der die SCR verlassende Auslassstrom einen Restanteil von nicht umgesetztem Ammoniak (gewöhnlich 5 ppm oder weniger) enthält. Wie oben erwähnt, basiert eine Aufgabe des erfindungsgemäßen modellgestützten Ammoniakverteilungsverfahrens darauf, dass die stromabwärts der SCR vorhandene Menge von nicht umgesetztem Ammoniak vorzugsweise auf einen stöchiometrischen Wert nahe Null reduziert wird, so dass über die Zeit NH3-Emissionen und Betriebskosten verringert sind.
  • 4a veranschaulicht eine exemplarische SCR, ein Ammoniakgitter und Verfahrenskomponenten zum Regulieren der Menge und Verteilung von Ammoniak, um Gasturbinenabgasströme gemäß der Erfindung zu behandeln, d. h. die NOx-Pegel mittels der modellgestützten Regelungs- oder Steuerungsfaktoren zu eliminieren und/oder bis zu angemessenen Pegeln zu reduzieren. Das SCR-Einspritzsystem ist allgemein mit 20 bezeichnet und enthält ein Ammoniakinjektionsgitter (AIG, Ammonia Injection Grid) 25, das einen U-förmigen Ammoniakinjektionsverteiler aufweist, der z. B. parallele vertikale Verteilerabschnitte 21 und 23 und einen integralen horizontalen Verteilerabschnitt 22 aufweist. Das AIG 25 weist ferner vertikale Ammoniaksammelrohre 24 und 26 auf, die auf einer Seite mit dem U-förmigen Injektionsverteiler und auf der anderen Seite mit parallelen Abschnitten des AIG 25 strömungsmäßig verbunden sind (die gewöhnlich eine parallele Gruppe bilden, die um ein bis zwei Fuß beabstandet angeordnet ist).
  • Die (z. B. als AIG-Segment 27 gezeigten) einzelnen Segmente des AIG 25 sind dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von den oben erörterten analytischen Ergebnissen und Überprüfungsparametern eine unabhängig geregelte Menge der Ammoniakeinspeisung zu empfangen. In diesem Ausführungsbeispiel lässt sich der Strom zu verschiedenen parallelen Segmenten des AIG 25 durch mehrere Injektionskanäle über Absperrventile steuern, wie sie z. B. mit 24a, 24b, 26a und 26b veranschaulicht sind. Die einzelnen Segmente des AIG 25 (beispielsweise das AIG-Segment 27) sind auf diese Weise dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von den oben erörterten analytischen Ergebnissen und Überprüfungsparametern eine unabhängig geregelte Menge der Ammoniakeinspeisung zu empfangen. D. h., das Regulierungssystem stellt die zu jedem AIG-Segment führenden Ventile ein, um die Ammoniakverteilung zu regulieren. In dem in 4a dargestellten Ausführungsbeispiel weist das AIG 25 zwei größere parallele Gitterabschnitte auf, wobei jeder Abschnitt über seinen eigenen vertikalen Verteiler strömungsmäßig verbunden ist.
  • Im Betrieb strömt wässeriges flüssiges Ammoniak aus einem Kesselwagen 32 durch eine Abgabestation in einen Ammoniakspeicherbehälter 31, der wiederum das wässerige Ammoniak mittels einer Durchflussteuereinheit 28 und eines Pumpenladegestells 30 zuführt. An diesem Punkt wird die flüssige wässerige Ammoniakeinspeisung durch Mischen mit heißer Luft verdampft (wobei die Ammoniak/Luft-Magergrenze unterhalb von etwa 15% beträgt, um jede Explosionsgefahr zu vermeiden). Das Ammoniak wird in das AIG 25 unter den oben beschriebenen sorgfältig regulierten Strömungsbedingungen und an speziellen Gitterorten eingespeist. Danach strömt die zusammengeführte Turbinenabgas/Ammoniak-Einspeisung in eine Katalysatorhalterungsstruktur 34, die den (allgemein mit 33 bezeichneten) SCR-Katalysator enthält, um eine selektive katalytische Reduktionseinheit 34 zu bilden. Typischerweise ist der Mischraum zwischen dem AIG 25 und der inneren Katalysatorhalterungsstruktur 34 mit etwa 10 bis 20 Fuß bemessen.
  • 4b zeigt einen Abschnitt des in 4a dargestellten Ammoniakinjektionsgitters (”AIG”, Ammonia Injection Grid) mit zusätzlichen Einzelheiten einer exemplarischen Ventilanordnung, die dazu dient, einen sorgfältig geregelten/gesteuerten Ammoniakinjektionsprozess gemäß der Erfindung auszuführen. Wie in 4b gezeigt, wird das in eine SCR eingespeiste Ammoniak stromaufwärts des SCR-Katalysators unter Verwendung einer aus parallelen Injektionsrohren (oder ”Kanälen”) aufgebauten horizontalen Gruppe mit Luft vermischt, das ein Ammoniakgitter bildet, das mehrere individuelle Steuerventile aufweist, die in dem Gitter positioniert sind, um den Strom von Ammoniak zu einer entsprechenden Gruppe von horizontalen Ammoniakinjektionskanälen genau einzustellen und zu regulieren. Das AIG erzeugt somit eine wesentlich einheitlichere und kontrollierte Ammoniakverteilung in ausgewählte Bereiche des Gasturbinenabgasstroms stromaufwärts der SCR. Die tatsächliche Rohrgeometrie, die Injektionsöffnungsabmessung, die Anzahl von Ammoniakinjektionskanälen in jeder Gruppe und der genaue Abstand der Injektionskanäle in dem AIG kann abhängig von der Gitterkonstruktion und dem auf eine spezielle Konstruktion anwendbaren Bereich von Abgasbetriebsbedingungen variieren. 4b zeigt ferner eine exemplarische Konstruktion der Düsen, die verwendet werden, um Ammoniak in das Gitter zu injizieren, so wie die Position von individuellen Steuerventilen in Bezug auf den Verteiler und das Gitter, die betätigbar sind, um die Verteilung von Ammoniak basierend auf den speziellen Anforderungen des Systems zu regulieren.
  • 5 veranschaulicht in einer grafischen Darstellung die SCR-Katalysator-Abhängigkeit von der Turbinenabgastemperatur, wobei der Prozentsatz von umgewandeltem NOx graphisch gegenüber der Temperatur abgetragen ist. 5 veranschaulicht außerdem eine exemplarische Abhängigkeit der Abhängigkeit der Umwandlung von NOx zu N2 von der Abgastemperatur bei Verwendung von Ammoniak und unterschiedlichen in Frage kommenden Katalysatoren auf der Grundlage einer gleichmäßigen Ammoniakverteilung, gemäß der Erfindung, nämlich Platin, Zeolithe, V2O5/TiO2 und einen modifizierten Platinkatalysator. Es stellte sich heraus, das von den vielfältigen in 5 gezeigten Katalysatoren lediglich die Zeolithe ungeeignet waren, da ihnen bei der Behandlung von Turbinenabgasströmen aufgrund der Anwesenheit von Wasserdampf über die Zeit hinweg Beständigkeit fehlte.
  • 6 zeigt in einer grafischen Darstellung die NOx-Umwandlung und den prozentualen Ammoniakschlupf bei unterschiedlichen Turbinenabgastemperaturen unter Zugrundelegung eines bekannten Verhältnisses von Ammoniak zu NOx für die Verwendung bei der Ermittlung und der Regulierung der Menge von Ammoniak, die erforderlich ist, um die NOx-Pegel bis zu angemessenen Pegeln zu reduzieren. In 6 ist die NOx-Umwandlung und der Prozentsatz von nicht umgesetzten Ammoniak (Ammoniak-”Schlupf”) gegen die Temperatur für Ammoniak/NOx-Verhältnisse von 0,9 und 1,0 abgetragen. Der Graph nach 6 bestätigt, dass der Anteil des nicht umgewandelten Ammoniak-”Schlupfs” für einen vorgegebenen Katalysator und für eine vorgegebene Reaktorkonstruktion von der Abgastemperatur und von dem Verhältnis von NH3 zu NOx abhängt. Im Falle dieses Katalysators existiert ein schmaler Bereich von zwischen etwa 360°C und 380°C, in dem eine hohe NOx-Reduktion und ein Ammoniakschlupf von nahezu Null auftritt. 6 zeigt außerdem, dass der Wirkungsgrad der Beseitigung von NOx mit der Abgastemperatur bis etwa 700°F ansteigt und danach, wie gezeigt, abnimmt.
  • 7 zeigt in einer grafischen Darstellung den Wirkungsgrad der Beseitigung von NOx bei unterschiedlichen Turbinenabgastemperaturen unter Verwendung einer feststehenden Abgaszusammensetzung und Strömungsrate, um die Einspeisung von Ammoniak in die SCR zu regulieren. 7 zeigt, dass innerhalb eines gewissen gewünschten Bereichs in Reaktion auf Änderungen der SCR-Einlass-Abgastemperaturen eine Veränderung der Beseitigung von NOx auftritt. Eine Änderung der Strömungsrate weist eine etwas geringere Wirkung auf die NOx-Reduktion auf als die Abgastemperatur. Die Menge von Ammoniakschlupf wird gewöhnlich im Lauf der Zeit ansteigen. 7 zeigt außerdem, dass die Rate der Beseitigung von NOx unterhalb von 575°F und über 700°F mit abnehmender Abgastemperatur rasch abnimmt.
  • 8 veranschaulicht den Wirkungsgrad der Beseitigung von NOx basierend auf verschiedenen Turbinenabgasstromraten unter Verwendung einer festgesetzten Abgaszusammensetzung und einer vorgegebenen Strömungsrate als Referenzmarken, um die Einspeisung von Ammoniak in die SCR zu bestimmen und zu regulieren. Die Daten in 8 sind auf tatsächlichen Betriebsbedingungen mit einer Turbinenabgastemperatur von 696°F und 15 ppm NOx bei 15 Gew.% Sauerstoff und für einen vorgegebenen SCR-Katalysator aus einem unedlen Metall begründet. In 8 ist somit die vorausberechnete Abgasdurchflussrate in Pfund pro Stunde gegenüber dem vorausberechneten Wirkungsgrad der Beseitigung von NOx grafisch abgetragen und der Typ von Daten exemplarisch veranschaulicht, der bei der Durchführung des Regelungs- oder Steuerungsmodells gemäß der Erfindung nützlich ist.
  • Zuletzt zeigt 9 ein exemplarisches Gasturbinen-”Kraft-Wärme-Kopplungs”-System, das einen Kanalbrenner aufweist, der gemäß der Erfindung eine Veränderung der Regelungs- oder Steuerungsfaktoren und Ammoniakinjektion hervorruft. D. h., 9 zeigt die Verwendung eines Kanalbrenners stromabwärts der Gasturbine und stromaufwärts des Wärmerückgewinnungsdampferzeugers (HRSG, Heat Recovery Steam Generator). Wie oben erörtert, besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass durch den Kanalbrenner zusätzliches NOx erzeugt wird, das bei der Ermittlung der Menge und des genauen Ortes in dem HRSG für eine kontrollierte Ammoniakinjektion stromaufwärts des AIG zu berücksichtigen ist. NOx-Emissionen werden in der Nähe des Auslasses des Abgaskamins und an anderen Stellen, beispielsweise vor dem SCR-Katalysator (siehe das ”Abgasemissionsmesssystem” in 9), gemessen.
  • Während die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, von dem gegenwärtig angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, ist es jedoch selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel zu beschränken ist, sondern vielmehr vielfältige. Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken soll, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
  • Verfahren und System zum Reduzieren des Anteils von Stickstoffoxiden (NOx) in einem Verbrennungsabgasstrom durch: 1 Analysieren des Abfallstroms, um den Anteil an NOx zu ermitteln; 2 Ermitteln der stöchiometrischen Menge von Ammoniak, die erforderlich ist, um die NOx-Konzentration bis zu einem geforderten Pegel oder darunter zu reduzieren; 3 Ermitteln des Strömungsratenprofils von NOx-Komponenten über den Verbrennungsabgasstrom hinweg stromaufwärts eines Ammoniakinjektionsgitters 25; 4 Auswählen spezieller Orte in dem Ammoniakinjektionsgitter 25, um Ammoniakventile 24a, 24b, 26a und 26b zu aktivieren; 5 Injizieren kontrollierter Mengen von Ammoniakdampf in den Gasstrom an Gitterorten, die dem Ort von NOx in dem Gasstrom entsprechen; und 6 Behandeln des Gasstroms mittels einer selektiven katalytischen Reduktionseinheit 34, um den Anteil von NOx bis zu angemessenen Pegeln zu reduzieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 20
    SCR-Injektionssystem
    25
    Ammoniakinjektionsgitter (AIC, Ammonia Injection Grid)
    21, 23
    Vertikale Verteilerabschnitte
    22
    Horizontaler Verteilerabschnitt
    25
    Ammoniakinjektionsgitter
    24, 26
    Vertikale Ammoniaksammelrohre
    27
    Ammoniakinjektionsgittersegment
    24a, 24b, 26a, 26b
    Steuerventile
    32
    Kesselwagen
    31
    Ammoniakspeicherbehälter
    28
    Durchflussteuereinheit
    30
    Pumpenladegestell
    34
    Katalysatorhalterungsstruktur
    33
    SCR-Katalysator

Claims (14)

  1. Verfahren zum Reduzieren des Anteils von Stickstoffoxiden (NOx) in einem Verbrennungsabgasstrom, mit den Schritten: Ermitteln des Anteils von NOx, der in dem Verbrennungsabgasstrom vorliegt; Ermitteln der stöchiometrischen Gesamtmenge von Ammoniak, die erforderlich ist, um die NOx-Konzentration in dem Verbrennungsabgasstrom bis zu einem geforderten Pegel oder darunter zu reduzieren; Ermitteln der räumlichen Verteilung von NOx-Komponenten in dem Verbrennungsabgasstrom an einer Stelle stromaufwärts eines Ammoniakinjektionsgitters (25); Identifizieren eines oder mehrerer Bereiche in dem Ammoniakinjektionsgitter (25), um ein oder mehrere Ammoniakventile zu betätigen; Injizieren einer kontrollierten Menge von Ammoniakdampf in den Verbrennungsabgasstrom an Gitterorten, die der räumlichen Verteilung von NOx-Komponenten entsprechen; und Behandeln des Verbrennungsabgasstroms mit injiziertem Ammoniak mittels selektiver katalytischer Reduktion, um den Anteil von NOx bis zu einem geforderten Pegel oder darunter zu reduzieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, zu dem ferner die Schritte gehören: Analysieren des Gases stromabwärts der selektiven katalytischen Reduktion, um den Anteil an nicht umgesetztem NOx zu ermitteln, und um den Anteil von Ammoniak einzustellen, der in den Verbrennungsabgasstrom injiziert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ermittelns des Anteils von NOx, der in dem Verbrennungsabgasstrom vorliegt, den Schritt des Ermittelns der Gasturbinenabgaseinspeisungsrate stromaufwärts des Ammoniakgaseinspeisungsgitters beinhaltet.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Behandelns des Verbrennungsabgasstroms mit injiziertem Ammoniak Daten verwendet, die den speziellen Typ, die Zusammensetzung und das Alter des Katalysators in der selektiven katalytischen Reduktion kennzeichnen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsabgasdampf durch eine Gasturbine erzeugt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Injizierens einer kontrollierten Menge von Ammoniakdampf in den Verbrennungsabgasstrom Daten verwendet, die die Position, das Alter und den geöffneten oder geschlossenen Zustand von Injektionskanälen in dem Ammoniakinjektionsgitter (25) kennzeichnen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei zu dem Schritt des Ermittelns eines Strömungsratenprofils von NOx-Komponenten in dem Verbrennungsabgasstrom Daten verwendet, die die Betriebsbedingungen und den Kohlenwasserstoffbrennstoff kennzeichnen, der durch die Gasturbine verbrannt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des Überwachens der Temperatur des Verbrennungsabgasdampfs stromaufwärts des Ammoniakinjektionssgitters (25).
  9. Verfahren nach Anspruch 5, ferner mit dem Schritt des Ermittelns des Anteils von NOx, der zu dem Verbrennungsabgasstrom aus einem stromabwärts des Gasturbinentriebwerks angeordneten Kanalbrenner beigetragen ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ermittelns des Anteils von NOx, der in dem Verbrennungsabgasstrom vorliegt, eine Bestimmung der relativen Anteile und des molaren Verhältnisses von NO zu NO2 beinhaltet.
  11. System zum Reduzieren des Anteils von Stickstoffoxiden (NOx), der in einem Verbrennungsabgasstrom vorliegt, wobei zu dem System gehören: ein oder mehrere Gasanalysatoren, die in der Lage sind, den Anteil und die Strömungsrate von NOx zu ermitteln, die in dem Verbrennungsabgasstrom vorliegen; ein Mittel zur Bestimmung der gesamten stöchiometrischen Menge von Ammoniak, die erforderlich ist, um das in dem Verbrennungsabgasstrom vorhandene NOx bis zu einem geforderten Pegel oder darunter zu reduzieren; ein Ammoniakpumpmittel, das dazu eingerichtet ist, kontrollierte Mengen von Ammoniak in ein Ammoniakinjektionsgitter (25) zu befördern; ein Ammoniakinjektionsgitter (25), das mehrere Injektionskanäle aufweist, die dazu eingerichtet sind, einen Ammoniakdampf mit vorgegebenen Raten und an vorgegebenen Stellen in den Verbrennungsabgasstrom einzubringen; und eine selektive katalytische Reduktionseinheit (34), die einen Katalysator (33) enthält, der in der Lage ist, NOx mittels Ammoniak zu Stickstoff zu reduzieren.
  12. System zum Reduzieren des Anteils von Stickstoffoxiden in einem Verbrennungsabgasstrom nach Anspruch 11, ferner mit einem NOx-Analysierer, der stromabwärts der selektiven katalytischen Reduktionseinheit (34) angeordnet ist.
  13. System zum Reduzieren des Anteils von Stickstoffoxiden in einem Verbrennungsabgasstrom nach Anspruch 11, ferner mit einem oder mehreren Steuerventilen (24a, 24b, 26a, 26b) zum Einstellen des Anteils von Ammoniak, der durch das Ammoniakinjektionsgitter (25) auf der Grundlage des Anteils an NOx, der stromabwärts der selektiven katalytischen Reduktionseinheit (34) erfasst ist, injiziert wird.
  14. System zum Reduzieren des Anteils von Stickstoffoxiden in einem Verbrennungsabgasstrom nach Anspruch 11, wobei die Gasanalysatoren die relativen Anteile und das molare Verhältnis von NO zu NO2 bestimmen.
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