DE102015117316A1

DE102015117316A1 - Verfahren zur Entstickung von Abgasen

Info

Publication number: DE102015117316A1
Application number: DE102015117316.6A
Authority: DE
Inventors: Philip Reynolds; Jürgen Hukriede
Original assignee: ERC EMISSIONS-REDUZIERUNGS-CONCEPTE GmbH
Current assignee: ERC EMISSIONS-REDUZIERUNGS-CONCEPTE GmbH
Priority date: 2015-10-12
Filing date: 2015-10-12
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: DE102015117316B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entstickung von Abgasen, bei welchem wenigstens ein Reduktionsmittel in wenigstens zwei in Strömungsrichtung des Abgases beabstandeten Ebenen hinter der Feuerung in die heißen Abgase zugeführt wird. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zugeführte Menge des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von dem NOx-Gehalt und dem NH3-Schlupf hinter der Reaktionszone auf die verschiedenen Ebenen verteilt wird derart, dass bei einem gegenüber einen Sollwert erhöhten NH3-Schlupf und bei einem gegenüber einem Sollwert geringeren NOx-Gehalt die zugeführte Menge des Reduktionsmittel in der in Strömungsrichtung des Abgases weiter hinten liegenden Ebene oder Ebenen verringert wird, und dass die zugeführte Menge des Reduktionsmittel in der in Strömungsrichtung des Abgases weiter vorne liegenden Ebene oder Ebenen erhöht wird. Alternativ wird vorgeschlagen, dass bei einem gegenüber einen Sollwert geringeren NH3-Schlupf und bei einem gegenüber einem Sollwert erhöhten NOx-Gehalt die zugeführte Menge des Reduktionsmittel in der in Strömungsrichtung des Abgases weiter hinten liegenden Ebene oder Ebenen erhöht wird, und dass die zugeführte Menge des Reduktionsmittel in der in Strömungsrichtung des Abgases weiter vorne liegenden Ebene oder Ebenen verringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entstickung von Abgasen, bei welchem wenigstens ein Reduktionsmittel in wenigstens zwei in Strömungsrichtung des Abgases beabstandeten Ebenen hinter der Feuerung in die heißen Abgase zugeführt wird.
Ein derartiges Verfahren ist allgemein als SNCR-Verfahren (selective non-catalytic reduction-Verfahren) und aus der EP 0 426 978 B1 bekannt. Als Reduktionsmittel wird Ammoniak in wässriger Lösung oder Harnstoff eingesetzt, die durch Thermolyse die im Abgas enthaltenen Stickoxide in Wasserdampf und Stickstoff und Kohlendioxid (bei der Verwendung von Harnstoff) umsetzen: 4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O
Bei der Verwendung von Harnstoff entsteht zunächst Ammoniak: NH₂CONH₂ + H₂O → 2NH₃ + CO₂
Der Ammoniak (NH₃) reagiert dann gemäß der erstgenannten Reaktion mit den Stickoxiden. Die Verwendung von Harnstoff als Reduktionsmittel wird wegen der problemlosen Handhabung und Lagerung von Harnstoff günstiger angesehen als die Verwendung von Ammoniak oder einer wässrigen Ammoniaklösung.
Tatsächlich basiert diese Reduktion auf mehreren Teilreaktionen, die unter anderem von der Reaktionstemperatur, also der Abgastemperatur abhängen. Das für diese Reduktion günstige Temperaturfenster beträgt etwa 850°C bis 1.050°C und insbesondere 900°C bis 1.000°C. Es ist jedoch nicht zu vermeiden, dass sich stets ein gewisser Ammoniakschlupf einstellt, der unerwünscht ist. Auch kann keine vollständige Entstickung erreicht werden.
Bei höheren Temperaturen nimmt der NH₃-Schlupf ab, während die Umsetzung der Stickoxide abnimmt. Bei geringeren Temperaturen nimmt der NH₃-Schlupf zu, während die Umsetzung der Stickoxide zunimmt. Es ist daher beispielsweise aus der DE 694 16 137 T2 bekannt, das Reduktionsmittel in verschiedenen Ebenen durchzuführen. Damit kann die Reduktion in dem günstigen Temperaturfenster erfolgen.
Ein Problem stellt die Entstickung von Abgasen aus Müllverbrennungsanlagen dar. Die Zusammensetzung des Brennstoffs und somit der Stickstoffgehalt und die Abgastemperaturen ändern sich laufend und unstetig, so die Anpassung des Reduktionsverfahrens nur mit größerem Aufwand möglich ist. Häufig dauert dies auch zu lange, so dass entweder ein zu großer Reduktionsmittelverbrauch bei entsprechendem NH₃-Schlupf oder eine zu geringe Stickoxid-Umsetzung auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art so auszubilden, dass die Entstickung von Abgasen effektiv und insbesondere ohne erhöhten Reduktionsmittelverbrauch durchgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die zugeführte Menge des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von dem NO_x-Gehalt und dem NH₃-Schlupf hinter der Reaktionszone auf die verschiedenen Ebenen verteilt wird derart, dass bei einem gegenüber einen Sollwert erhöhten NH₃-Schlupf und bei einem gegenüber einem Sollwert geringeren NO_x-Gehalt die zugeführte Menge des Reduktionsmittel in der in Strömungsrichtung des Abgases weiter hinten liegenden Ebene oder Ebenen verringert wird, und dass die zugeführte Menge des Reduktionsmittel in der in Strömungsrichtung des Abgases weiter vorne liegenden Ebene oder Ebenen erhöht wird. Alternativ wird vorgeschlagen, dass bei einem gegenüber einen Sollwert geringeren NH₃-Schlupf und bei einem gegenüber einem Sollwert erhöhten NO_x-Gehalt die zugeführte Menge des Reduktionsmittel in der in Strömungsrichtung des Abgases weiter hinten liegenden Ebene oder Ebenen erhöht wird, und dass die zugeführte Menge des Reduktionsmittel in der in Strömungsrichtung des Abgases weiter vorne liegenden Ebene oder Ebenen verringert wird. Vorzugsweis erfolgt die Veränderung der Verteilung in kleinen Schritten, bis die gewünschten Sollwerte im Abgas erreicht werden.
Das Reduktionsmittel wird demnach in zwei in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander liegenden Ebenen dem Abgas zugeführt. Dabei befindet sich die in Strömungsrichtung weiter vorne liegende Ebene näher an der Feuerung und umgekehrt. Das Reduktionsmittel wird in Abhängigkeit von den gemessenen Abgaswerten aufgeteilt auf die beiden Ebenen derart, dass entweder weiter vorne mehr zugeführt wird oder weiter hinten. Ein zu großer NO_x-Gehalt im Reingas hinter der Reaktionszone für die Entstickung, beispielsweise am Kaminausgang, deutet auf eine unzureichende Umsetzung des Reduktionsmittels hin. Es wird gemäß der Erfindung mehr Reduktionsmittel weiter hinten und somit im kühleren Abschnitt dem Abgas zugeführt, in dem die Umsetzung begünstigt ist. Gleichzeitig wird im vorderen und somit heißeren Abschnitt weniger Reduktionsmittel zugeführt.
Bei einem zu großen NH₃-Schlupf wird umgekehrt verfahren. Hier wird die zugeführte Menge im hinteren Abschnitt des Abgases verringert und die im vorderen Bereich erhöht. Dadurch wird bei gleichbleibender Umsetzung der Stickoxide ein geringerer NH₃-Schlupf erreicht.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Gesamtmenge des in den Ebenen zugeführten Reduktionsmittels gleich bleibt. Es erfolgt lediglich eine Umverteilung des Reduktionsmittels auf die verschiedenen Ebenen. Dadurch wird der Einsatz des Reduktionsmittels optimiert, und es braucht weniger zugesetzt zu werden.
Sofern sowohl der NH₃-Schlupf als auch der NO_x-Gehalt unterhalb der jeweils zugeordneten und vorgegebenen Sollwerte oder Grenzwerte liegen, braucht keine Änderung der zugeführten Menge zu erfolgen. Es kann aber auch vorgesehen werden, dass die Gesamtmenge des zugeführten Reduktionsmittels reduziert wird, sofern sowohl der NO_x-Gehalt als auch der NH₃-Schlupf hinter der Reaktionszone kleiner sind als die jeweils zugeordneten Sollwerte. Dabei ist es günstig, wenn das Verhältnis der in den einzelnen Ebenen zugführten Mengen des Reduktionsmittels gleich bleibt. Dadurch kann der Verbrauch des Reduktionsmittels weiter gesenkt werden. Die Verringerung der Gesamtmenge erfolgt ebenfalls vorzugsweise in kleinen Schritten.
Dementsprechend kann vorgesehen werden, dass die Gesamtmenge des zugeführten Reduktionsmittels erhöht wird, sofern sowohl der NO_x-Gehalt als auch der NH₃-Schlupf hinter der Reaktionszone größer sind als die jeweils zugeordneten Sollwerte. Auch hier ist es zweckmäßig, wenn das Verhältnis der in den einzelnen Ebenen zugführten Mengen des Reduktionsmittels gleich bleibt. Die Erhöhung der Gesamtmenge erfolgt ebenfalls vorzugsweise in kleinen Schritten. Dadurch kann die optimale Zuführmenge schrittweise erreicht werden. Auch ist es dadurch schnell möglich, auf eventuelle Schwankungen im NO_x-Gehalt im Abgas zu reagieren.
Die Sollwerte für den NO_x-Gehalt und den NH₃-Schlupf sind an sich frei wählbar, sind aber in der Regel durch gesetzliche Bestimmungen festgelegt. Für Deutschland gelten zur Zeit die Grenzwerte gemäß der 17. BImSchV (Bundesimmissions-Schutzgesetz-Verordnung), die einen Grenzwert von 150g/m³ NO_x und von 10 mg/m³ NH₃ im Abgas vorschreibt.
Es ist bekannt, mehr als zwei Ebenen zum Einbringen des Reduktionsmittels im Abgasstrom vorzusehen. Dadurch kann die Reaktionszone in das gewünschte Temperaturfenster verlegt werden. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass bei mehr als zwei Ebenen jeweils zwei unmittelbar benachbarte Ebenen mit dem Reduktionsmittel beaufschlagt werden. Die beaufschlagten beiden Ebenen können daher im Abgasrauchzug nach vorne oder hinten je nach Last des Kessels oder Abgastemperatur verlegt werden. Damit ist es möglich, das Verfahren in unterschiedlichen Abschnitten des Abgasstroms durchzuführen.
Es kann aber auch vorgesehen werden, dass bei mehr als zwei Ebenen jeweils die in Strömungsrichtung am weitesten vorne und wenigstens eine in Strömungsrichtung weiter hinten liegende Ebene mit dem Reduktionsmittel beaufschlagt werden. Hierdurch wird die Reaktionszone in Strömungsrichtung verlängert und somit vergrößert. Es kann aber auch zweckmäßig sein, dass bei mehr als zwei Ebenen jeweils die in Strömungsrichtung am weitesten hinten und wenigstens eine in Strömungsrichtung weiter vorne liegende Ebene mit dem Reduktionsmittel beaufschlagt werden. Dann wird die Reaktionszone entgegen der Strömungsrichtung des Abgases verlängert.
Auch kann bei mehr als zwei Ebenen jeweils eine Ebene zwischen den in Strömungsrichtung endständigen Ebenen und wenigstens eine in Strömungsrichtung weiter vorne oder wenigstens eine in Strömungsrichtung weiter hinten liegende Ebene mit dem Reduktionsmittel beaufschlagt werden. Dann liegt die vergrößerte Reaktionszone zwischen den beiden endständigen Ebenen. Das Verfahren kann somit flexibel auf unterschiedliche Lasten oder Brennstoffe angepasst werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur einen Längsschnitt durch einen Kesselabzug zeigt.
Der in der Zeichnung dargestellte Kesselabzug 11 ist rohrförmig ausgebildet und wird von den heißen Abgasen in Strömungsrichtung 12 durchströmt. In der Zeichnung weiter unten und somit in Strömungsrichtung 12 weiter vorne befindet sich die nicht gezeigt Feuerung. In Strömungsrichtung 12 weiter hinten und in der Zeichnung oben befinden sich die nicht gezeigten Einbauten, beispielsweise Wärmeaustauscher. Dazwischen befindet sich der Abschnitt, in dem die Reduktion der Abgase mittels eines SNCR-Verfahrens durchgeführt wird.
Es sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei Ebenen 13, 14 und 15 vorhanden, an denen jeweils wenigstens eine und vorzugsweise mehrere entlang dem Umfang des Kesselabzugs 11 verteilt angeordnete Eindüseinrichtungen 16, 17, 18 vorhanden sind. Über diese Eindüseinrichtungen wird ein Reduktionsmittel, beispielweise wässrige Ammoniaklösung oder wässrige Harnstofflösung aus einem Vorratsbehälter 19, in das Abgas eingesprüht, um die Stickoxide zu reduzieren.
Die Zuführeinrichtungen 16, 17, 18 stehen in Verbindung mit einer Verteileinrichtung 22, die über eine Pumpe 21 mit dem Vorratsbehälter 19 verbunden ist. Die Pumpe 21 fördert das Reduktionsmittel in der gewünschten oder voreingestellten Menge zu den Zuführeinrichtungen 16, 17, 18. Die Verteileinrichtung 22 verteilt das insgesamt zugeführte Reduktionsmittel auf die Zuführeinrichtungen 16, 17, 18 der einzelnen zugeordneten Ebenen 13, 14, 15.
Es ist weiterhin eine Steuereinheit 20 vorhanden, durch die zum einen die Gesamtmenge des zugeführten Reduktionsmittels über die Förderpumpe eingestellt werden kann. Weiterhin steuert die Steuereinheit 20 die Verteileinrichtung 22 in Abhängigkeit von den Abgaswerten des Reingases hinter der Reaktionszone. Hierfür sind Messgeräte 23, 24 im Abgasstrom im Kesselabzug 11 hinter der Reaktionszone vorgesehen, mit denen der NO_x-Gehalt und der NH₃-Schlupf hinter der Reaktionszone gemessen werden können. Weiterhin können Temperturmessgeräte vor, hinter und/oder in der Reaktionszone vorgesehen werden, um die Temperatur des Abgases zu erfassen.
Häufig werden nur zwei Ebenen mit Reduktionsmittel beaufschlagt. Bei geringer Last können die in Strömungsrichtung 12 weiter vorne liegenden Ebenen 13, 14 beaufschlagt werden. Bei hoher Last werden die beiden in Strömungsrichtung hinteren Ebenen 14, 15 mit Reduktionsmittel beaufschlagt, damit die Reduktion im hierfür günstigen Temperaturfenster von 850°C bis 1.050°C erfolgen kann. Es kann aber auch vorgesehen werden, dass die endständigen Ebenen 13, 15 beaufschlagt werden. Dadurch wird eine größere Reaktionszone bereitgestellt. Auch ist es möglich, alle Ebenen mit dem Reduktionsmittel zu beaufschlagen. Es gelingt durch diese variable Beaufschlagung der einzelnen Ebenen jeweils das günstige Temperaturfenster für die Reduktion zu treffen.
Durch die Messgeräte im Abgasstrom werden die Ist-Werte des NO_x-Gehalts und des NH₃-Schlupfs im Abgas erfasst. In der Steuereinheit werden die Ist-Werte mit den vorgebbaren Soll-Werten verglichen. In Abhängigkeit des Ergebnisses werden die Pumpe 21 und die Verteileinrichtung 22 wie folgt angesteuert.
Im Normalbetrieb werden beispielsweise die Ebenen 13, 14 mit einer vorgegebenen Menge Reduktionsmittel beaufschlagt. Wenn im Abgas ein erhöhter NO_x-Gehalt gemessen wird, der über den eingestellten Soll-Wert für NO_x liegt und gleichzeitig ein NH₃-Schlupf gemessen wird, der niedriger als der zugeordnete Soll-Wert ist, bewirkt die Steuereinheit 20 eine Umverteilung der den Ebenen 13, 14 zugeführte Menge des Reduktionsmittels derart, dass die in Ebene 14 zugeführte Menge des Reduktionsmittels erhöht wird. Gleichzeit wird die in der Ebene 13 zugeführte Menge des Reduktionsmittels vorzugsweise um den gleichen Betrag verringert. Dadurch bleibt die Gesamtmenge des zugeführten Reduktionsmittels konstant. Durch die erhöhte Zuführung des Reduktionsmittels im weiter hinten liegenden und somit kälteren Bereich des Abgases wird die Umsetzung der Stickoxide begünstigt.
Liegen nun beide Werte unter dem Soll-Wert kann Steuereinheit 20 die Förderleistung der Pumpe 21 reduzieren, um die zugeführte Menge des Reduktionsmittels weiter zu verringern und zu optimieren.
Wenn jedoch im gleichen Betriebszustand ein erhöhter NH₃-Schlupf erfasst wird, während der NO_x-Gehalt unter dem zugeordneten Sollwert liegt, wird die zugeführte Menge des Reduktionsmittels in der weiter vorne liegenden Ebene 13 erhöht und die in Ebene 14 zugeführte Menge des Reduktionsmittels vorzugsweise um den gleichen Betrag erniedrigt. Dadurch wird die NH₃-Umsetzung begünstig, und die Entstickung kann mit sparsamen Chemikalieneinsatz durchgeführt werden.
Sofern sowohl der gemessene NH₃-Schlupf als auch der NO_x-Gehalt über den jeweiligen Grenzwerten liegen ist vorgesehen, dass die Förderleistung der Pumpe durch die Steuereinheit erhöht wird, bis zumindest ein gemessener Wert unter den zugeordneten Soll-Wert fällt. Dann kann der andere Wert entsprechend der oben beschriebenen Verfahrensweise angepasst oder verändert werden.
Bei einer höheren Last des Kessels oder sich einstellenden höheren Temperaturen im Abgas können anstelle der Ebenen 13, 14 die in Strömungsrichtung weiter hinten liegenden Ebenen 14, 15 mit dem Reduktionsmittel beaufschlagt werden. Das Umschalten der Ebenen kann anhand der gemessenen Temperaturen in den betreffenden Abschnitten des Kesselabzugs erfolgen. Bei erforderlichen größeren Reaktionszonen können auch die beiden endständigen Ebenen 13, 15 oder alle drei Ebenen 13, 14, 15 mit Reduktionsmittel beaufschlagt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0426978 B1 [0002]
DE 69416137 T2 [0006]

Claims

Verfahren zur Entstickung von Abgasen, bei welchem wenigstens ein Reduktionsmittel in wenigstens zwei in Strömungsrichtung (12) des Abgases beabstandeten Ebenen (13, 14, 15) hinter der Feuerung in die heißen Abgase zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Menge des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von dem NO_x-Gehalt und dem NH₃-Schlupf hinter der Reaktionszone auf die verschiedenen Ebenen (13, 14, 15) verteilt wird derart, dass bei einem gegenüber einen Sollwert erhöhten NH₃-Schlupf und bei einem gegenüber einem Sollwert geringeren NO_x-Gehalt die zugeführte Menge des Reduktionsmittel in der in Strömungsrichtung (12) des Abgases weiter hinten liegenden Ebene (15) oder Ebenen verringert wird, und dass die zugeführte Menge des Reduktionsmittel in der in Strömungsrichtung des Abgases weiter vorne liegenden Ebene (13) oder Ebenen erhöht wird.
Verfahren zur Entstickung von Abgasen, bei welchem wenigstens ein Reduktionsmittel in wenigstens zwei in Strömungsrichtung (12) des Abgases beabstandeten Ebenen (13, 14, 15) hinter der Feuerung in die heißen Abgase zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Menge des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von dem NO_x-Gehalt und dem NH₃-Schlupf hinter der Reaktionszone auf die verschiedenen Ebenen (13, 14, 15) verteilt werden derart, dass bei einem gegenüber einen Sollwert geringeren NH₃-Schlupf und bei einem gegenüber einem Sollwert erhöhten NO_x-Gehalt die zugeführte Menge des Reduktionsmittel in der in Strömungsrichtung des Abgases weiter hinten liegenden Ebene (15) oder Ebenen erhöht wird, und dass die zugeführte Menge des Reduktionsmittel in der in Strömungsrichtung des Abgases weiter vorne liegenden Ebene (13) oder Ebenen verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmenge des in den Ebenen (13, 14, 15) zugeführten Reduktionsmittels gleich bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmenge des zugeführten Reduktionsmittels reduziert wird, sofern sowohl der NO_x-Gehalt als auch der NH₃-Schlupf hinter der Reaktionszone kleiner sind als die jeweils zugeordneten Sollwerte.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmenge des zugeführten Reduktionsmittels erhöht wird, sofern sowohl der NO_x-Gehalt als auch der NH₃-Schlupf hinter der Reaktionszone größer sind als die jeweils zugeordneten Sollwerte.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der in den einzelnen Ebenen (13, 14, 15) zugführten Mengen des Reduktionsmittels gleich bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehr als zwei Ebenen (13, 14, 15) jeweils zwei unmittelbar benachbarte Ebenen (13, 14; 14, 15) mit dem Reduktionsmittel beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehr als zwei Ebenen (13, 14, 15) jeweils die in Strömungsrichtung (12) am weitesten vorne (13) und wenigstens eine in Strömungsrichtung weiter hinten (14, 15) liegende Ebene mit dem Reduktionsmittel beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehr als zwei Ebenen (13, 14, 15) jeweils die in Strömungsrichtung (12) am weitesten hinten und wenigstens eine in Strömungsrichtung weiter vorne (13, 14) liegende Ebene mit dem Reduktionsmittel beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehr als zwei Ebenen (13, 14, 15) jeweils eine Ebene (14) zwischen den in Strömungsrichtung endständigen Ebenen (12, 15) und wenigstens eine in Strömungsrichtung weiter vorne (13) oder wenigstens eine in Strömungsrichtung weiter hinten liegende Ebene (15) mit dem Reduktionsmittel beaufschlagt werden.