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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des NOx-Gehaltes im Rauchgas vor einer Rauchgasentstickungsmaßnahme zur Regelung derselben.
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Bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen und von Abfällen entstehen in den Rauchgasen Stickoxide (NOx), die die Umwelt belasten. Wegen der immer strenger werdenden Abgasvorschriften ist es daher erforderlich, die Entstickung weiter zu optimieren und zu verfeinern. Grundsätzlich kann man zwischen dem thermischen und spontanen Stickoxid sowie dem Stickoxid unterscheiden, das durch den im Brennstoff gebundenen Stickstoff entsteht. Während bei der Verbrennung von Öl oder Gas hauptsächlich thermisches oder spontanes Stickoxid entsteht, werden bei der Verbrennung von Abfall überwiegend Stickoxide aus dem brennstoffseitigen Stickstoff erzeugt. Das Problem hierbei ist, dass die Zusammensetzung des Abfalls nicht bekannt ist und sich zudem laufend ändert. Eine Vorhersage des Gehalts an Stickoxiden ist daher nicht ohne weiteres möglich.
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Bei dem sogenannten SNCR-Verfahren (selective non-catalytic reduction-Verfahren) wird ein Reduktionsmittel zur Reduzierung der Stickoxide in die Rauchgase eingedüst. Als Reduktionsmittel werden zumeist Ammoniak oder Harnstoff verwendet, die als wässrige Lösungen in das Rauchgas eingedüst werden.
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Ammoniak bewirkt eine Umsetzung der Stickoxide in Wasserdampf und Stickstoff: 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
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Wird Harnstoff zugesetzt, entsteht zunächst Ammoniak: H2NCONH2 + H2O → 2NH3 + CO2
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Dann folgt die gleiche Reaktion wie bei der Verwendung von Ammoniak. Tatsächlich entstehen in Zwischenreaktionen NH2-Radikale, die das freie Stickoxid zu Stickstoff und Wasser reduzieren: NH2 + NO → N2 + H2O
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Die Verwendung von Harnstoff ist hierbei grundsätzlich unproblematischer, da Harnstoff nicht so gesundheitsgefährend ist und unter Umgebungsbedingungen auch kein Ammoniak ausgasen kann.
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In beiden Fällen kann nach dem Eindüsen ein NH3-Schlupf auftreten, der jedoch ebenfalls unerwünscht ist. Die verschiedenen Reaktionen treten bevorzugt in einem bestimmten Temperaturfenster zwischen etwa 850°C und 1.050°C und insbesondere zwischen 900°C und 1.000°C des Rauchgases auf.
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Das Problem hierbei ist, das Reduktionsmittel in ausreichender Menge genau in dieses günstige Temperaturfenster des Rauchgases einzudüsen. Die Lage des Temperaturfensters ist abhängig vom Kessel und auch vom verwendeten Brennstoff. Die Temperatur im Rauchgas kann jedoch relativ schnell und genau gemessen werden, so dass die Lage des günstigen Temperaturfensters relativ genau und schnell ermittelt werden kann.
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Die erforderliche Menge des Reduktionsmittels hängt ab von dem Stickoxidgehalt des Rauchgases nach der Verbrennung. Insbesondere bei Müllverbrennungsanlagen ist der Anteil des thermischen oder spontanen Stickoxids deutlich geringer als der des Stickoxids, das durch den Stickstoff im Brennstoff entsteht. Das thermische oder spontane Stickoxid kann daher nicht oder durch einen empirischen Wert berücksichtigt werden. Es kommt hier vielmehr auf den Stickstoffgehalt im Brennstoff an, welcher jedoch nicht bekannt ist oder nicht zeitnah ermittelt werden kann.
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Grundsätzlich wird mehr Reduktionsmittel bei einem höheren Stickoxid im Rauchgas benötigt. Aufgrund des ebenfalls unerwünschten NH3-Schlupfes kann aber nicht ein Überschuss des Reduktionsmittels zugegeben werden. Heutzutage gelten gemäß der 17. BImSchV Grenzwerte sowohl für den Stickoxidausstoß als auch für den NH3-Schlupf. Es muss daher auf ein ausgewogenes Verhältnis von NOx zu NH3 im Abgas geachtet und die Entstickung entsprechend geregelt werden. Hier kann das SNCR-Verfahren aber an seine Grenzen stoßen, da das Verfahren beziehungsweise die erforderlichen Messgeräte entweder zu ungenau sind oder eine zu lange Zeit brauchen, bis das Ergebnis für die Regelung der SNCR-Einrichtung vorliegt.
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Ein weiteres Problem tritt bei der Müllverbrennung auf, da hier der Brennstoff und dessen Zusammensetzung nicht ohne weiteres bekannt oder bestimmbar sind. Weiterhin ändert sich die Zusammensetzung des Brennstoffs ständig. Die Entstehung der Stickoxide kann daher wegen der schwankenden Inhaltsstoffe und des schwankenden Stickstoffgehalts des eingesetzten Abfalls nicht und insbesondere nicht zeitnah vorhergesagt werden. Auch kann die Stickoxidkonzentration im Rauchgas vor der Entstickungsanlage wegen der dort herrschenden hohen Temperaturen nicht ohne weiteres und insbesondere nicht zeitnah gemessen werden.
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Zur Regelung der Zufuhr des Reduktionsmittels erfasst man daher in der Regel den Stickoxidgehalt und/oder den NH3-Gehalt im Reingas und regelt das SNCR-Verfahren entsprechend nach. Da eine an sich zweckmäßige vorherige Bestimmung des Stickstoffgehalts im Rauchgas vor der Entstickung zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht oder nur mit sehr großem und wirtschaftlich nicht sinnvollem Aufwand möglich ist, nimmt man die daraus resultierende Ungenauigkeit in Kauf. Die Ungenauigkeit ergibt sich insbesondere daraus, dass die Entstickung in dem oben genannten Temperaturfenster erfolgen muss. Dieses liegt im Rauchgas aber dicht hinter der Flamme. Die Messung des Stickoxidgehalts kann aber erst am Ende des Rauchzugs durchgeführt werden. Dazwischen liegen die Einbauten beispielsweise des Kraftwerks, und das Rauchgas braucht je nach Anlagengröße zwischen 3 und 5 Minuten von der Entstickungsanlage bis zur Messsonde.
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Der Messwert, der für die Regelung der Entstickung herangezogen wird, ist demnach etwa 4 Minuten alt und kann daher den momentan laufenden Verbrennungsvorgang nicht zutreffend widerspiegeln. Die Regelung und die Einstellungen der Entstickungsmaßnahme sind daher entsprechend ungenau, und es wird in der Regel keine optimale Entstickung erreicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Enstickungsverfahren und insbesondere ein SNCR-Verfahren für eine Müllverbrennungsanlage so auszubilden, dass eine schnellere Anpassung an den zu verbrennenden Brennstoff und die daraus resultierenden Stickoxidbildung im Rauchgas möglich ist.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass aus den während der Verbrennung erfassbaren oder ableitbaren Messgrößen und Parametern einer Verbrennungsanlage die Stoff- und Energie- und Mengenbilanzen ermittelt werden, dass aus den erstellten Bilanzen und den Stoffwerten der grundsätzlich möglichen Inhaltstoffe des Brennstoffs die Zusammensetzung des verbrennenden Brennstoffs ermittelt wird, dass aus dieser Zusammensetzung des Brennstoffs der Stickstoffgehalt des Brennstoffs ermittelt wird, dass aus dem ermittelten Stickstoffgehalt und der Stickstoff-Umsetzungsrate der Verbrennungsanlage der Stickoxidgehalt des Rauchgases nach der Verbrennung ermittelt wird, und dass die Menge des zugeführten Entstickungsmittels aufgrund des so ermittelten Stickoxidgehalts im Rauchgas eingestellt wird. Die möglichen Inhaltsstoffe des in einer Müllverbrennungsanlage zu verarbeitenden Abfalls sind aufgrund des geographischen Entstehungsgebiets grundsätzlich bekannt. Somit ist der grundsätzlich mögliche Brennstoff bekannt, allerdings nicht die Zusammensetzung im Einzelnen. Diese hängt ab von dem gerade in den Bunker vor der Feuerung zugeführten Abfall, dessen Zusammensetzung sich beliebig ändern kann. Der verbrennende Brennstoff ist der Brennstoff, der sich gerade im Feuerungskessel befindet.
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Die Erfindung nutzt hierbei aus, dass eine Vielzahl von Messwerten während einer Verbrennung erfasst wird. Diese ändern sich je nach dem eingesetzten Brennstoff. Dann können mit den erfassten Messwerten die entsprechenden Stoff-, Mengen- und Energiebilanzen durchgeführt werden. Die herangezogenen Messwerte sind insbesondere von dem Stickstoffgehalt des Brennstoffs und dem Stickoxidgehalt im Rauchgas unabhängig. Bei der Wasserbilanz kann das durch die Entstickungsmaßnahme zugeführte Wasser ohne weiteres berücksichtigt werden. Es liegen demnach die Bilanzen für den zugeführten Brennstoff in der Gesamtheit vor.
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Weiterhin sind aus Versuchen die Stoffwerte der einzelnen möglichen Inhaltsstoffe bekannt. Dies ist insbesondere bei Abfall der Fall, so dass die Stoffwerte bestimmter Abfallfraktionen bekannt und beispielsweise in einer Datenbank abrufbar sind. Es kann vorgesehen werden, dass die Ermittlung des Stickoxidgehalts auf der Annahme basiert, dass in dem Brennstoff nur Papier/Pappe/Karton, Glas, Kunststoff, Elektroschrott, Holz, Verbundstoffe, organische Abfälle und Textilien sowie Inertstoffe enthalten sind. Deren Stoffwerte liegen in einer Datenbank als Datensätze vor. Grundsätzlich ist aber auch eine feinere Unterscheidung der möglichen Inhaltsstoffe durchführbar.
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Anschließend wird die Zusammensetzung des Brennstoffs numerisch mithilfe der ermittelten Bilanzen errechnet. Aus den Stoffwerten der so erhaltenen einzelnen Fraktionen lässt sich der absolut enthaltene Stickstoffgehalt des Brennstoffs ermitteln. Mit der bekannten Stickstoff-Umsetzungsrate der Verbrennungsanlage ergibt sich dann der absolute Stickoxidgehalt im Rauchgas unmittelbar nach der Verbrennung. Dieser Wert kann dann zur Mengenregelung für das Entstickungsmittel verwendet werden.
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Die so durchgeführte Ermittlung des Stickoxidgehalts im Rauchgas ist wesentlich genauer und vor allem wesentlich schneller als die Messung nur des Stickoxids im Reingas. Insbesondere erfolgt die Ermittlung des Stickoxidgehalts durch die Bestimmung des Stickstoffgehalts im Brennstoff. Die für die Erstellung der verschiedenen Bilanzen erforderlichen Messwerte werden im laufenden Verbrennungsprozess in der Regel ohnehin zeitnah und mit hinreichender Genauigkeit erfasst. Die hierfür erforderlichen Messgeräte und Analyseeinrichtungen sind grundsätzlich bekannt.
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Die Ermittlung der Brennstoffzusammensetzung kann beispielsweise alle 30 Sekunden erfolgen. Die Verweildauer des Rauchgases in der Verbrennungsanlage bis zum Austritt in die Umgebung spielt dabei keine wesentliche Rolle mehr. Dadurch kann die Menge des erforderlichen Reduktionsmittels oder dessen Konzentration in der wässrigen Lösung vorher und zeitnah bestimmt werden. Es tritt eine geringere Stickoxidemission und/oder ein geringerer NH3-Schlupf auf, und der Verbrauch des Reduktionsmittels wird optimiert.
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Gemäß der Erfindung ist insbesondere vorgesehen, dass die Stoffbilanzen zumindest einen der folgenden Stoffe enthalten: Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Schwefel oder Wasser. Diese Werte sind unabhängig von der durchgeführten Entstickungsmaßnahme. Sie geben aber die möglichen Inhaltsstoffe des Brennstoffs gut wieder und aus deren ermittelten Mengen lassen sich zusammen mit den anderen Bilanzen und den Stoffwerten die Zusammensetzung des Brennstoffs ermitteln. Da sich damit die Zusammensetzung des Brennstoffs unabhängig von dem Stickstoff ermitteln lässt, werden diese aufwändig zu ermittelten Werte nicht mehr für die Ermittlung der Brennstoffzusammensetzung benötigt. Mit der Zusammensetzung und den Stoffdaten der Inhaltsstoffe kann der Stickstoffgehalt des Brennstoffs und somit die entstehenden Stickoxide im Rauchgas zeitnah ermittelt werden. Letztlich ist hierdurch ebenfalls eine Stickstoffbilanz möglich, die vorher nicht oder zumindest nicht zeitnah ermittelt werden konnte. Das Entstickungsverfahren kann daher schneller auf den tatsächlich im Rauchgas vorhandenen Stickoxidgehalt eingestellt werden.
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Weiterhin kann der Heizwert für die Energiebilanz ermittelt werden. Es können beispielsweise Toleranzen festgelegt werden, nach deren Unterschreitung die Berechnung der Zusammensetzung abbricht. Dadurch wird die Zeitdauer der Berechnung herabgesetzt und das Ergebnis liegt mit ausreichender Genauigkeit vor.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Stickstoff-Umsetzungsrate der Verbrennungsanlage vorher und unabhängig von der Rauchgasenstickungsmaßnahme ermittelt wird und als Parameter für die Ermittlung des Stickoxidgehalts vorliegt. Diese Umsetzungsrate ändert sich nicht oder nur unwesentlich und ist insbesondere unabhängig vom eingesetzten Brennstoff. Daher kann mit dieser einmal ermittelten Umsetzungsrate der aus dem ermittelten Stickstoffgehalt resultierende Stickoxid-gehalt richtig ermittelt werden. Eventuell ist es erforderlich, die Umsetzungsrate durch Nachuntersuchungen erneut festzustellen.
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Es kann zweckmäßig sein, dass die Stoffwerte der möglichen Bestandteile des Brennstoffs in einer Datenbank abgelegt sind. Dies hat den Vorteil, dass stets aktuelle Stoffwerte herangezogen werden, die beispielsweise in einem Labor ermittelt werden. So können sich die einzelnen Abfallfraktionen hinsichtlich ihrer Stoffzusammensetzung insbesondere in Abhängigkeit von dem geographischen Ort ihrer Entstehung ändern. Das Verfahren kann dann in einfacher Weise an den Abfall angepasst werden, der in einer bestimmten Müllverbrennungsanlage verbrannt wird. Das Verfahren wird somit noch genauer, und es tritt eine geringere Stickoxidemission oder ein geringerer NH3-Schlupf auf, und der Verbrauch des Reduktionsmittels wird weiter optimiert.
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Grundsätzlich ist es möglich, dass die so ermittelten Bilanzen und/oder die so ermittelte Brennstoffzusammensetzung zur Bestimmung von weiteren Verfahrensgrößen und/oder Stoffgrößen herangezogen werden, die nicht unmittelbar messbar sind. Damit kann eine genauere und umfassende Protokollierung der Müllverbrennung erfolgen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt den Brennraum eines Kessels mit einer Entstickungsvorrichtung.
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Der in der Zeichnung dargestellte Feuerungskessel 11 für eine Müllverbrennungsanlage weist in seinem unteren Bereich einen Rost 12 auf, auf den der zu verbrennendende Brennstoff 13 durch eine Beschickungsvorrichtung 14 zugeführt wird und verbrennt. Unterhalb des Rostes 12 sind die Zuführungen 15 für die Primärluft vorhanden. Oberhalb des Rostes münden Zuführungen 16 für die Sekundärluft in den Brennraum 17. Es können auch Hilfsbrenner 18 zur Unterstützung des Verbrennungsvorgangs vorgesehen werden. Unter dem Rost 12 ist weiterhin eine nicht gezeigte Abführeinrichtung 29 für die durchfallende Schlacke vorhanden. Insoweit entspricht der Feuerungskessel einem bekannten Kessel zur Müllverbrennung und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung.
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Im weiteren Verlauf des Rauchabzugs 27 ist eine SNCR-Entstickungsvorrichtung vorgesehen, die mehrere Lanzen 19 in verschiedenen Höhen des Kamins für das zuzuführende Reduktionsmittel umfassen kann. Das Reduktionsmittel kann eine wässrige Lösung von Harnstoff (H2NCONH2) oder Ammoniak (NH3) sein. Auch können unterschiedliche Reduktionsmittel an unterschiedlichen Orten eingedüst werden. Dadurch ist es möglich, das Reduktionsmittel in dem günstigen Temperaturfenster für eine SNCR-Entstickung einzudüsen. Die Lanzen können verfahrbar sein, um das Reduktionsmittel in unterschiedliche Bereiche des Rauchgases im Abzugsquerschnitt eindüsen zu können. Grundsätzlich kann auch eine verschiebbare und verdrehbare Lanze vorgesehen werden, mit der im wesentlichen der gleiche Effekt erzielt werden kann. Eine solche Entstickungsvorrichtung ist ebenfalls bekannt und bedarf daher keiner ausführlichen Erläuterung.
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Weiter in der Strömungsrichtung 21 des Rauchgases können nicht gezeigte Wärmeaustauscher zur Dampferzeugung vorgesehen werden. Der erzeugte Dampf kann beispielsweise Turbinen zur Energiegewinnung antreiben. Schließlich gelangt das Rauchgas in den endständigen Kamin 28, aus dem es in die Umgebung gelangt.
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Weiterhin sind im Rauchgaszug 27 mehrere Temperatursensoren 20 vorhanden, die die Temperatur des Rauchgases erfassen. Im weiteren Verlauf der Rauchgasströmung 21 kann am Ende des Rauchgaszuges eine Sonde 22 zum Feststellen der Stickoxidkonzentration oder des Ammoniakgehalts vorgesehen sein. Weiterhin wird die Menge des zugeführten Brennstoffs 14, der zugeführten Primärluft 15 und der Sekundärluft 16 erfasst. Weiterhin können der Druck und weitere Prozessmesswerte erfasst werden. Auch können Messsonden für bestimmte Stoffe im Rauchgaszug an geeigneter Stelle vorhanden sein.
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Die erfassbaren Messwerte werden dem Prozessrechner 23 über den Dateneingang 24 zugeführt, der unter anderem die Dosierpumpe 25 für das Reduktionsmittel steuert. Durch nicht gezeigte Ventile und/oder Stellmittel kann der Eindüsungsort und die Eindüsungsmenge des Reduktionsmittels über die Lanzen 19 der Entstickungsvorrichtung eingestellt und variiert werden. Insbesondere kann auch die Menge des zugeführten Entstickungsmittels verändert werden.
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Die in der Flamme entstehenden Stickoxide und auch das weiterhin im Rauchgas entstehende thermische und spontane Stickoxid können aufgrund der herrschenden Temperaturen im Rauchgas nicht zeitnah erfasst werden. Von der tatsächlichen Menge der im Rauchgas vorhandenen Stickoxide hängt aber die Menge des zuzuführenden Reduktionsmittels ab.
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Zur zumindest näherungsweisen Bestimmung des Stickoxidgehaltes in Strömungsrichtung vor den Lanzen 19 der Entstickungsvorrichtung steht der Prozessrechner 23 in Verbindung mit einer Datenbank 26, in der die Stoffwerte von zumindest einem Teil der im Brennstoff grundsätzlich vorhandenen Stoffe oder Abfallfraktionen gespeichert und abrufbar sind. Anhand der durchführbaren Massen-, Stoff- und Energiebilanzen kann dann mit den Stoffwerten der berücksichtigten Abfallfraktionen zumindest näherungsweise auf den Stickstoffgehalt im Brennstoff und somit auf die im Rauchgas enthaltende Stickoxidmenge geschlossen werden. Der Einsatz des Reduktionsmittels in Bezug auf die Menge kann dann genau und zeitnah berechnet und eingestellt werden.
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Über die Sonde 22 kann zwar der Entstickungsgrad erfasst werden, allerdings erst einige Zeit nach der eigentlichen Entstickung. Gleichwohl kann dieser Messwert für eine nachträgliche Kontrolle der durchgeführten Maßnahmen herangezogen werden. Durch die zeitnahe Anpassung der Entstickungsmaßnahme können sowohl der Stickoxidgehalt und der Ammoniak-Schlupf im Reingas deutlich reduziert werden.
